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Energetik in der Chemie

In der Schule haben wir die Energetik in der Chemie ausführlich behandelt. Da ich mir den Stoff zusammengefasst habe, dachte ich mir es sei ganz praktisch, wenn alle etwas davon haben und habe daher diesen Artikel erstellt. Der Artikel ist auch noch nicht ganz ausgereift, daher können noch Fehler enthalten sein. Manche Gesichtspunkte sind eventuell ungenau dargestellt.

Antrieb einer chemischen Reaktion

Es stellt sich die Frage ob eine chemiesche Reaktion einen Antrieb besitzt. Was heißt das? Wenn eine chemische Reaktion einen Antrieb besitzt, dann läuft sie von alleine ab. Mann kann sich das am Beispiel eines Lagerfeuers klarmachen: Wenn es einmal brennt (das Anzünden wollen wir vorerst außer Acht lassen), dann brennt es von alleine bis kein Holz mehr vorhanden ist. Diese Reaktion besitzt also einen Antrieb - sie läuft von alleine ab. Hier ist der Verlauf einer chemischen Reaktion mit Antrieb dargestellt. Zwei Produkte A und B reagieren miteinander zu zwei Edukten C und D Dabei muss zunächst der Reaktionswiderstand überwunden werden, ab dann läuft die Reaktion von alleine ab. Das chemische Potential berechnet sich folgendermaßen: Die Werte für dG kann man in vorgefertigten Tabellen nachschauen, da sich dG-Werte experimentell bestimmen lassen. Wenn eine Reaktion einen Antrieb hat, dann nennt man das exergonisch. Wenn sie keinen Antrieb hat, dann wird das als endergonisch bezeichnet. Falls eine Reaktion keinen Antrieb hat heißt das nicht automatisch, dass es überhaupt nicht möglich ist, dass diese Reaktion ablaufen kann, sondern nur, dass sie nicht von alleine abläuft. Es ist wichtig, dass man im Hinterkopf behält, dass die Betrachtungsweiße innerhalb des Systems ist. Daher bedeutet ein negatives dG auch, dass die Reaktion einen Antrieb hat.

Thermodynamische Abläufe

Bei der thermodynamischen Analyse einer chemischen Reaktion geht es darum, herauszufinden ob die Reaktion exo- oder endotherm ist. Das hat nichts damit zu tun ob die Reaktion einen Antrieb hat oder nicht! Es gibt auch Reaktionen, die von alleine ablaufen und endotherm sind. Zur Begriffsklärung: exotherm: Das Reaktionssystem gibt Entropie an die Umgebung ab. endotherm: Das Reaktionssystem kühlt sich während der Reaktion ab.

Der Satz von Hess

Mit dem Satz von Hess kann man berechnen ob eine Reaktion exo- oder endotherm verläuft. Er wird auch als Satz der konstanten Wärmesummen bezeichnet. Der Satz von Hess besagt dabei Folgendes: dRH wird Reaktionsenthalpie genannt. Das ist diejenige Energie, die beim Ablaufen der Reaktion frei wird (exotherm), bzw. von der Umgebung aufgenommen werden muss, um das Reaktionssystem wieder auf die Ausganstemperatur zu erwärmen (endotherm). Hierbei ist wieder die Sichtweise innerhalb des Systems, weshalb ein negatives dRH einen exothermen Verlauf der Reaktion beschreibt. Man kann sich das wie bei einem Bankkonto vorstellen: Wenn Geld vom Konto nach außen hin abgeht, dann erscheint das auf dem Kontoauszug als negativer Betrag.

Standardbildungsenthalpie dfH

Die Standardbildungsenthalpie dfH ist die Reaktionsenthalpie für die Synthese einer Verbindung aus den Elementen.

Chemisches Gleichgewicht, Massenwirkungsgesetz

Wenn eine Reaktion abläuft, dann läuft sie nicht so ab, dass alle Edukte miteinander reagieren und danach nur noch Produkte vorliegen. Die Reaktion strebt stattdessen einen Gleichgewichtszustand an, dessen Lage man rechnerisch bestimmen kann und welcher von der Temperatur und von der Reaktion selbst abhängig ist. Dabei handelt es sich um ein dynamisches Gleichgewicht: Das heißt im Gleichgewichtszustand finden weiter Reaktionen statt nur dass sich Reaktionen hin zu den Produkten und zurück zu den Edukten gegenseitig ausgleichen.

Berechnung der Gleichgewichtskonstanten

Die Gleichgewichtskonstante Kc berechnet sich nach folgender Formel: Dabei sind c(A), c(B), c(C), c(D) die molaren Gleichgewichtskonzentrationen der Edukte bzw. Produkte.

Der Satz von Chatelier

Chatelier formulierte 1884 folgenden Satz:

Übt man auf ein Stoffgemisch, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, einen äußeren Zwang aus, so weicht es diesem äußeren Zwang aus ("Prinzip vom kleinsten Zwang").

Konzentrationsänderung Erhöhen der Konzentration führt zu einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit Verringern der Konzentration führt zu einer niedrigeren Reaktionsgeschwindigkeit keine Veränderung von Kc! Druckänderung Bei unterschiedlicher Molzahl von Edukten und Produkten ist eine Druckänderung gleichbedeutend mit einer Konzentrationsänderung. Ansonsten hat eine Druckänderung keine Auswirkungen. keine Veränderung von Kc! Katalysator Der Katalysator sorgt allein für die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit. keine Veränderung von Kc! Temperaturänderung Eine Temperaturänderung verändert die Gleichgewichtslage! Hierbei ist zu beachten ob die Reaktion exo- oder endotherm verläuft um bestimmen zu können in welche Richtung sich das Gleichgewicht verlagert wenn die Temperatur verändert wird.

Bedeutung von Kc

  • Das chemische Gleichgewicht ist ein dynamischer Prozess und kein konstanter, statischer Zustand. vhin = vrück
  • Das Reaktionssystem hat eine spontane Neigung den Gleichgewichtszustand zu erreichen. Dies sagt nichts über die Rate aus, mit der einer Reaktion das Gleichtgewicht anstrebt.
  • Die Triebkraft mit der eine Reaktion das Gleichgewicht anstrebt, nimmt bei Annäherung an das Gleichgewicht stetig ab.
  • Das Gleichgewicht ist erreicht, wenn ?G = 0 ist.
  • Die Gleichgewichtslage ist bei konstanter Temperatur stets die selbe, ganz gleich von welcher Richtung sie angestrebt wird (Chatelier).
  • Kc ist für jede Reaktion bei einer bestimmten Temperatur charakteristisch.
  • Einzig allein die Temperatur ist für eine Veränderung von Kc entscheidend.

Dabei gilt Folgendes für Kc: Kc > 10³ => Gleichgewicht auf Seite der Produkte Kc < 10-3 => Gleichgewicht auf Seite der Edukte 10-3 < Kc < 103 => etwa im Gleichgewicht Kc = 0 => Gleichgewichtslage

Quellen

  • Chemieunterricht in der Schule
  • Onlinequellen (siehe dazu auch weiterführende Informationen)

weiterführende Informationen