Jede chemische Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden. Beispiele: Beim Verbrennen von Butangas im Kartuschenbrenner oder beim Lösen von „Abfluss frei“ mit Natriumhydroxid in Wasser wird Wärmeenergie frei. Beim Lösen von Ammoniumchlorid in Wasser oder bei der Herstellung von Kältemischungen kühlt sich die Lösung ab, da Wärmeenergie benötigt wird.

 

Bei exothermen Reaktionen wird Energie frei, bei endothermen Reaktionen wird Energie benötigt. In der Chemie wird die frei werdende oder benötigte Wärmeenergie als Reaktionswärme (oder als Reaktionsenthalpie) bezeichnet. Die bei einer chemischen Reaktion insgesamt frei werdende Wärmemenge Q (Maßeinheit Joule), kann mit einem Kalorimeter gemessen werden (siehe Versuchsbeschreibung und Berechnung). Meistens wird die Reaktionswärme jedoch auf die Stoffmenge n der beteiligten Stoffe in Joule pro Mol bezogen: 

Da chemische Reaktionen mit Energieaufnahme oder -abgabe verbunden sind, muss jedem Stoff eine bestimmte Energiemenge zugeschrieben werden. Diese Energie nennt man Enthalpie (Formelzeichen H). Die Enthalpie jedes Stoffes hängt von der Temperatur und vom Außendruck ab. Daher werden die Angaben für die Enthalpiea auf den Standardzustand bezogen: 

Achtung: Der Standardzustand in der Thermochemie entspricht nicht dem Normalzustand bei 0 °C! Da absolute Enthalpien nicht messbar sind, legte man für die Enthalpien der Elemente im Standardzustand die Zahl 0 fest. Beispiel: Bei der Reaktion von Eisen und Schwefel entsteht Eisensulfid:

In diesem Fall erhalten die Elemente Fe und S den Betrag 0, während dem FeS die bei der exothermen Reaktion freigesetzte Bildungswärme ΔH_B zugeordnet wird. Unter der Bildungswärme versteht man die Wärmemenge, die bei der Bildung einer bestimmten Verbindung aus den Elementen unter Standardbedingungen freigesetzt oder verbraucht wird. Sie erhält folgendes Formelzeichen:

Bildungswärme:  ΔH_B

Mit Hilfe der Enthalpien lässt sich die Reaktionswärme neu definieren. Die Reaktionswärme ist die Differenz der Summen aller Bildungswärmen der Ausgangs- und der Endstoffe:

ΔH_R  =  ∑ΔH_{B (Endstoffe)} − ∑ΔH_{B (Ausgangsstoffe)}

Bei exothermen Reaktionen ergibt sich für die Reaktionswärme ΔH_R aufgrund der Formel ein Wert kleiner als 0, bei endothermen Reaktionen größer als 0. Die Bildungswärme ist ein ungefähres Maß für die Stabilität einer chemischen Verbindung. Je mehr Wärmeenergie bei der Bildung einer Verbindung freigesetzt wird, desto stabiler ist sie.
 

Übungsbeispiel 1

Errechnen Sie die molare Reaktionswärme für die Reaktion zwischen Eisen und Schwefel:

Fe  +  S      FeS

ΔH_R  =  −100kJ − (0 + 0)  =  −100 kJ/mol 

Übungsbeispiel 2

Errechnen Sie die Reaktionswärme für die Reaktion im Hochofen:

Fe₂O₃  +  3 CO     2 Fe  +  3 CO₂

ΔH_R  =  [2 × 0  +  3 × (−393kJ)]  −  [−824 kJ  +  3 × (−111 kJ)]  =  −22 kJ/mol

Beide Reaktionen verlaufen aufgrund des negativen Vorzeichens exotherm. Zur eindeutigen Kennzeichnung der beteiligten Stoffe ergänzt man in den Formeln den vorliegenden Aggregatzustand der Stoffe durch ein Symbol mit Klammer. Die Kennzeichnung ist notwendig, da die Bildungswärmen beispielsweise von Wasser und Wasserdampf unterschiedlich sind. Es bedeutet:

(s) fest, (l) flüssig und (g) gasförmig

Die Reaktionswärmen der chemischen Reaktionen misst man mit einem Kalorimeter. Manchmal lassen sich die Reaktionswärmen jedoch nicht direkt mit dem Kalorimeter messen, zum Beispiel bei der Bestimmung der Bildungswärme von Kohlenstoffmonooxid. Bei der Verbrennung von Kohlenstoff entsteht neben Kohlenstoffmonooxid auch immer Kohlenstoffdioxid. Folgende Reaktionswärmen lassen sich aber messen:

C (s)  +  O₂ (g)    CO₂ (g)      ΔH_R = −393 kJ/mol

CO (g)  +  ½ O₂ (g)     CO₂ (g)      ΔH_R = −282 kJ/mol 

 
Hier hilft das Gesetz der konstanten Wärmesummen. Das Gesetz wird oft auch mit dem Satz von Heß beschrieben: 

Nach dem Satz von Heß erhält man bei der Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid gleich viel Wärme, wie bei der Verbrennung über die Zwischenstufe über das Kohlenstoffmonooxid. Aus der Grafik kann abgelesen werden, dass die Bildungsenthalpie von Kohlenstoffmonooxid −111 kJ/mol beträgt.


Tabelle Bildungsenthalpien

---

Buch individuell erstellen: Basis-Text Reaktionswärme, Enthalpie

  

> Inhaltsverzeichnis