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Satz von Hess – Einführung

Erfahre, wie die Reaktionsenthalpie und die Kalorimetrie miteinander zusammenhängen. Was besagt der Satz von Hess? Entdecke, warum er so wichtig ist und wie du mithilfe seiner Formel die Enthalpie von chemischen Reaktionen berechnen kannst. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Chemie-Team
Satz von Hess – Einführung
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Satz von Hess – Einführung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Satz von Hess – Einführung kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre den Begriff Reaktionsenthalpie.

    Tipps

    Bei einer endothermen Reaktion wird das Reaktionsgefäß kühler.

    Lösung

    Die Reaktionsenthalpie trifft Aussagen darüber, ob eine Reaktion freiwillig abläuft oder nicht. Ist der Druck konstant, dann entspricht $\Delta\ H = Q$ . Bei einer endothermen Reaktion wird Wärme aus der Umgebung aufgenommen. Daher hat die Reaktionsenthalpie hier ein positives Vorzeichen. Bei einem negativen Vorzeichen verläuft die Reaktion exotherm. Es wird Wärme an die Umgebung abgegeben. Die Reaktionsenthalpie kann experimentell bestimmt werden. Das Verfahren hierzu nennt man Kalorimetrie. Dabei verläuft die Reaktion in einem Kalorimeter ab. Dies ist ein sehr gut isoliertes Reaktionsgefäß. So lassen sich auch Bildungsenthalpien bestimmen. Doch nicht alle Enthalpien lassen sich so bestimmen. Dann hilft der Satz von Hess dabei, vorausgesetzt, alle anderen Enthalpien der Teilreaktionen sind bestimmbar. Der Satz von Hess besagt, dass die Reaktionsenthalpie unabhängig vom Reaktionsweg ist und nur vom Ausgangs- und Endzustand des Systems abhängt.

  • Vervollständige das Schema zur Berechnung der Reaktionsenthalpie.

    Tipps

    Die Enthalpien der Teilreaktionen müssen insgesamt die Enthalpie der Gesamtreaktion ergeben.

    $\Delta H_1 + \Delta H_2 = \Delta H_3$

    Lösung

    Reaktionsenthalpien werden experimentell mit Hilfe eines Kalorimeters bestimmt. Der Satz von Hess hilft dir bei Reaktionsenthalpien, die nicht experimentell bestimmt werden können.

    Für die Verbrennungsenthalpie von Kohlenstoffmonoxid $CO$ und die Bildungsenthalpie von Kohlenstoffdioxid $CO_2$ lassen sich experimentell Werte ermitteln.

    Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Reaktion von Kohlenstoff mit einem ganzen Sauerstoffmolekül. Die Reaktionsenthalpie $\Delta H_3$ dieses Reaktionsweges beträgt $-394 \frac{kJ}{mol}$. Kohlenstoffdioxid kann aber auch auf anderem Wege hergestellt werden. Kohlenstoffmonoxid verbrennt mit einem halben Sauerstoffmolekül zu Kohlenstoffdioxid. Die Reaktionsenthalpie $\Delta H_2$ beträgt $-283 \frac{kJ}{mol}$.

    Die Reaktionsenthalpie von Kohlenstoff und einem halben Sauerstoffmolekül zu Kohlenstoffmonoxid kann nicht experimentell ermittelt werden. Um dennoch die sogenannte Bildungsenthalpie von Kohlenmonoxid zu bestimmen, musst du sie berechnen. Bei der Berechnung der Bildungsenthalpie von Kohlenstoff mit einem halben Sauerstoffmolekül zu Kohlenstoffmonoxid, also von $\Delta H_1$, musst du beachten, dass die Enthalpien der Teilreaktionen der Enthalpie der Gesamtreaktion entsprechen muss.

    Es entsteht also folgende mathematische Beziehung:

    $\Delta H_1 + \Delta H_2 = \Delta H_3$.

    Da $\Delta H_2$ und $\Delta H_3$ gegeben sind und du $\Delta H_1$ berechnen möchtest, musst du umstellen:

    $\Delta H_1 = \Delta H_3 - \Delta H_2$.

    Nun setzt du die gegebenen Werte ein:

    $\Delta H_1 = -394 \frac{kJ}{mol} - -283 \frac{kJ}{mol}$

    und erhältst für $\Delta H_1 = -111 \frac{kJ}{mol}$.

  • Bestimme die Reaktionsenthalpie dieser Reaktion ist.

    Tipps

    Beachte, dass bei dieser Reaktion 2 mol Stickstoffmonoxid mit Sauerstoff zu 2 mol Stickstoffdioxid reagieren.

    Lösung

    Die Reaktionsenthalpie ist gleich die Summe der Bildungsenthalpien der Produkte abzüglich der Summe der Bildungsenthalplien der Edukte. Du solltest beachten, dass es hierbei um 2 mol Stickstoffmonoxid geht, die mit Sauerstoff zu 2 mol Stickstoffdioxid reagieren.

    Die Berechnung sieht also folgendermaßen aus:

    $\begin{align} \Delta H_{Produkte} & = 2 mol \cdot (+33~\frac{kJ}{mol})\\ & = +66~ kJ\\ \Delta H_{Edukte} & = 2 mol \cdot (+90~\frac{kJ}{mol})\\ & = +180~kJ\\ \Delta H_{Gesamt} & = +66~kJ - 180~kJ\\ & = -114~kJ \end{align}$

  • Berechne die Bildungsenthalpie von Wasser.

    Tipps

    Sauerstoff liegt elementar vor und besitzt somit eine Bildungsenthalpie von $0 \frac{kJ}{mol}$.

    Es liegen je zwei Moleküle Wasserstoffperoxid und Wasser vor. Beachte dies in deiner Rechnung.

    Lösung

    Die Reaktionsenthalpie ist gleich der Summe der Bildungsenthalpien der Produkte abzüglich der Summe der Bildungsenthalpien der Edukte. Damit lässt sich die Bildungsenthalpie von Wasser durch Umstellen der Gleichung berechnen. Dabei solltest du beachten, dass Sauerstoff elementar vorliegt und somit eine Bildungsenthalpie von $0 \frac{kJ}{mol}$ hat. Außerdem liegen je zwei Moleküle $H_2O_2$ und $H_2O$ vor.

    $\begin{align} \Delta H_{Reaktion} & = \sum \Delta H_{Produkt} - \sum\Delta H_{Edukt}\\ \Delta H_{Reaktion} & = 2 \cdot \Delta H_{H_2O} - \Delta H_{O_2} - 2 \cdot \Delta H_{H_2O_2}\\ -\Delta H_{H_2O} & = \frac{-\Delta H_{Reaktion} - 2 \cdot \Delta H_{H_2O_2}}{2}\\ -\Delta H_{H_2O} & = \frac{+192 kJ/mol - 2 \cdot -189 kJ/mol}{2}\\ \Delta H_{H_2O} & = -285 \frac{kJ}{mol} \end{align}$

    Die Bildungsenthalpie von Wasser beträgt also $-285 \frac{kJ}{mol}$.

  • Erkläre den Satz von Hess.

    Tipps

    Die Reaktionsenthalpien von Teilreaktionen ergeben zusammen die Reaktionsenthalpie der Gesamtreaktion.

    Lösung

    Der Satz von Hess besagt, dass die Reaktionsenthalpie unabhängig vom Reaktionsweg ist und nur vom Ausgangs- und Endzustand des Systems abhängt. So kann man auch Reaktionsenthalpien rechnerisch bestimmen, die experimentell nicht bestimmbar sind.

  • Berechne die Bildungsenthalpie von Methan.

    Tipps

    Die Reaktionsenthalpie ist gleich der Summe der Bildungsenthalpien der Produkte abzüglich der Summe der Bildungsenthalpien der Edukte.

    $\Delta H_4 = \Delta H_1 - (\Delta H_2 + \Delta H_3)$

    Lösung

    Die Reaktionsenthalpie ist gleich der Summe der Bildungsenthalpien der Produkte abzüglich der Summe der Bildungsenthalpien der Edukte. Mit Hilfe dieser Überlegung kannst du eine Formel aufstellen und die Gleichung lösen.

    $\begin{align} \Delta H_4 & = \Delta H_1 - (\Delta H_2 + \Delta H_3)\\ \Delta H_4 & = -890 \frac{kJ}{mol} - (-394 kJ/mol + (-572 \frac{kJ}{mol}))\\ \Delta H_4 & = +76 \frac{kJ}{mol} \end{align}$

    Die Bildungsenthalpie von Methan beträgt also $+76 \frac{kJ}{mol}$.