Enthalpie und chemische Reaktionen

7.3 Enthalpie und chemische Reaktionen

Nachdem wir nun gezeigt haben, wie Energie, Arbeit und Wärme zusammenhängen, sind wir bereit, Energieänderungen in chemischen Reaktionen zu berücksichtigen. Ein grundlegendes Konzept ist, dass jede chemische Reaktion mit einer gleichzeitigen Energieänderung stattfindet. Jetzt müssen wir lernen, diese Energieveränderungen richtig auszudrücken.

Unsere Untersuchung von Gasen in Kapitel 6 „Gase“ und unsere Definition von Arbeit in Abschnitt 7.2 „Arbeit und Wärme“ zeigen, dass Bedingungen wie Druck, Volumen und Temperatur den Energieinhalt eines Systems beeinflussen. Was wir brauchen, ist eine Definition von Energie, die gilt, wenn einige dieser Bedingungen spezifiziert sind (ähnlich unserer Definition von Standardtemperatur und -druck in unserer Untersuchung von Gasen). Wir definieren die Enthalpieänderungdie Wärme eines Prozesses bei konstantem Druck; bezeichnet ΔH. (ΔH) als Wärme eines Prozesses, wenn der Druck konstant gehalten wird:

ΔH≡qat konstanter Druck

Der Buchstabe H steht für „Enthalpie“, eine Art Energie, während das Δ eine Änderung der Menge impliziert. Wir werden immer an der Änderung von H interessiert sein und nicht an dem absoluten Wert von H selbst.

Wenn eine chemische Reaktion auftritt, ändert sich die Enthalpie charakteristisch. Die Enthalpieänderung für eine Reaktion wird typischerweise nach einer ausgewogenen chemischen Gleichung und in derselben Zeile geschrieben. Wenn beispielsweise zwei Mol Wasserstoff mit einem Mol Sauerstoff zu zwei Mol Wasser reagieren, beträgt die charakteristische Enthalpieänderung 570 kJ. Wir schreiben die Gleichung als

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(ℓ) ΔH = -570 kJ

Eine chemische Gleichung, die eine Enthalpieänderung enthält, wird als thermochemische Gleichung bezeichneteine chemische Gleichung, die eine Enthalpieänderung enthält.. Es wird angenommen, dass sich eine thermochemische Gleichung auf die Gleichung in molaren Mengen bezieht, was bedeutet, dass sie in Molen interpretiert werden muss, nicht in einzelnen Molekülen.

Sie haben vielleicht bemerkt, dass das ΔH für eine chemische Reaktion positiv oder negativ sein kann. Die Zahl wird als positiv angenommen, wenn sie kein Vorzeichen hat; Ein + -Zeichen kann explizit hinzugefügt werden, um Verwechslungen zu vermeiden. Eine chemische Reaktion, die ein positives ΔH hat, wird als endotherm bezeichneteine chemische Reaktion, die eine positive Änderung der Enthalpie aufweist., während eine chemische Reaktion, die ein negatives ΔH hat, als exotherm bezeichnet wirdeine chemische Reaktion, die eine negative Änderung der Enthalpie aufweist..

Was bedeutet es, wenn das ΔH eines Prozesses positiv ist? Es bedeutet, dass das System, in dem die chemische Reaktion stattfindet, Energie gewinnt. Betrachtet man die Energie eines Systems als Höhe auf einem vertikalen Energiediagramm, kann die Enthalpieänderung, die mit der Reaktion einhergeht, wie in Teil (a) in Abbildung 7.3 „Reaktionsenergie“ dargestellt werden: Die Energie der Reaktanten hat etwas Energie, und das System erhöht seine Energie, wenn es zu Produkten geht. Die Produkte sind auf der vertikalen Skala höher als die Reaktanten. Endotherm bedeutet also, dass das System Energie gewinnt oder absorbiert.Eine entgegengesetzte Situation besteht für einen exothermen Prozess, wie in Teil (b) in Abbildung 7.3 „Reaktionsenergie“ gezeigt. Wenn die Enthalpieänderung einer Reaktion negativ ist, verliert das System Energie, so dass die Produkte weniger Energie als die Reaktanten haben und die Produkte auf der vertikalen Energieskala niedriger sind als die Reaktanten. Exotherm bedeutet also, dass das System Energie verliert oder abgibt.

Wie werden ΔH-Werte experimentell gemessen? Tatsächlich wird ΔH nicht gemessen; q wird gemessen. Die Messungen werden jedoch unter Bedingungen konstanten Drucks durchgeführt, so dass ΔH gleich dem gemessenen q ist.

Experimentell wird q gemessen, indem die Gleichung

q = mcΔT

Wir messen die Masse der Chemikalien in einem System vor. Dann lassen wir die chemische Reaktion ablaufen und messen die Temperaturänderung (ΔT) des Systems. Wenn wir die spezifische Wärme der Materialien im System kennen (normalerweise tun wir das), können wir q berechnen. Dieser Wert von q ist numerisch gleich dem ΔH des Prozesses, den wir auf eine molare Skala skalieren können. Der Behälter, in dem sich das System befindet, ist typischerweise isoliert, so dass jede Energieänderung in eine Änderung der Temperatur des Systems übergeht, anstatt aus dem System ausgetreten zu sein. Der Behälter wird als Kalorimeter bezeichnetein Behälter zur Messung der Wärme einer chemischen Reaktion., und der Prozess der Messung von Änderungen in der Enthalpie wird Kalorimetrie genanntder Prozess der Messung von Enthalpieänderungen für chemische Reaktionen..