Enthalpie

Explosionen laufen freiwillig ab und setzen eine hohe Energiemenge in Form von Wärme frei. Wie groß diese Wärmemenge ist, kannst Du über die sogenannte Enthalpie beschreiben. Vielleicht fragst Du Dich auch, woher Du eigentlich wissen sollst, wann eine chemische Reaktion Wärme abgibt und wann Du Energie über den Bunsenbrenner hinzufügen musst. Das kannst Du über die Reaktionsenthalpie ausdrücken, die Du ebenfalls ganz einfach berechnen kannst, wie Du gleich sehen wirst.

In dieser Erklärung erfährst Du alles zum Berechnen sowie zur Definition, Einheit und Formel der Enthalpie.

Enthalpie Erklärung

Du kannst Dir die Enthalpie als Maß für die gespeicherte Energie eines Objekts vorstellen. Wenn Du beispielsweise Holz verbrennst, wird viel Energie in Form von Wärme frei. Bei dieser Reaktion wird aus dem ganzen Kohlenstoff (C) im Holz zusammen mit dem Sauerstoff (O) aus der Luft Kohlenstoffdioxid (CO₂). Die freigewordene Wärmemenge stellt die Enthalpie dar.

Enthalpie Definition

Die Thermodynamik befasst sich mit der Umwandlung von Wärmeenergie und wird daher auch als Wärmelehre bezeichnet. „Thermo“ steht hierbei für Wärme und „Dynamik“ für die wirkenden Kräfte auf physikalische Körper.

Thermodynamisches System

Bestimmt fragst Du Dich jetzt, was ein thermodynamisches System ist. Dabei handelt es sich um ein räumlich abgegrenztes Objekt, also einen Raum. Dieser muss mit den Gesetzen der Thermodynamik und der Physik im Allgemeinen beschrieben werden können.

Ein solches System kann auch aus mehreren Teilsystemen bestehen. Diese einzelnen Systeme können alle getrennt voneinander betrachtet werden und ihre eigene Enthalpie haben. Sind sie miteinander verbunden, kannst Du außerdem leicht die Enthalpie des Gesamtsystems berechnen, da Du dafür einfach nur die Summe aus allen Enthalpien bilden musst. Aus diesem Grund ist die Enthalpie eine extensive Größe.

Enthalpie berechnen

Bei der Enthalpie handelt es sich um eine Rechengröße, die Du nicht direkt messen kannst. Wie die allgemeine Formel lautet und wie die Berechnung funktioniert, erfährst Du hier.

Enthalpie Formel

In der Chemie wird die Enthalpie mathematisch mit dem Buchstaben H, für heat content, definiert. Sie ist die Summe aus der inneren Energie \(U\) und dem Produkt aus dem Volumen \(V\) und dem Druck \(p\) des thermodynamischen Systems.

$$H=U+p\cdot V$$

Die Enthalpie kannst Du immer eindeutig berechnen. Damit ist sie unabhängig von der Vorgeschichte des thermodynamischen Systems. Auch die innere Energie \(U\), der Druck \(p\) und das Volumen \(V\) kannst Du in jedem Zustand eines Systems bestimmen. Diese Variablen werden daher auch als Zustandsgrößen bezeichnet.

Enthalpie Einheit

Die Enthalpie wird in der allgemeinen Einheit für die Energie Joule \(J\) angegeben.

Reaktionsenthalpie

Möchtest Du nicht nur wissen, wie viel Wärme in einem thermodynamischen System steckt, sondern auch, wie viel Wärme bei einer chemischen Reaktion freigesetzt oder aufgenommen wird, nutzt Du die Reaktionsenthalpie.

Reaktionsenthalpie berechnen

Um die Reaktionsenthalpie zu bestimmen, berechnest Du sowohl vor als auch nach der chemischen Reaktion einen eigenen Wert für die Enthalpie. Die Differenz \(\Delta\) dieser beiden Werte ergibt dann die Reaktionsenthalpie \(H_R\).

$$\Delta H_R = H_{Endzustand}-H_{Ausgangszustand}$$

• Ist \(\Delta H_R\) positiv so ist die Reaktion endotherm. Da die Enthalpie am Ende der Reaktion größer ist als die Ausgangsenthalpie, muss das thermodynamische System Wärme aufnehmen. In diesem Fall musst Du das Reagenzgefäß erhitzen oder anderweitig Energie hinzufügen.
• Ist \(\Delta H_R\) negativ, so ist die Reaktion exotherm. In diesem Fall ist die Enthalpie im Endzustand geringer als die Ausgangsenthalpie – die Reaktion findet unter Wärmeabgabe statt, wie das bei Explosionen oder dem Verbrennen von Holz der Fall ist. Es wird ein Teil der Enthalpie freigesetzt, die im thermodynamischen System steckt.

Standardbildungsenthalpie

Die Standardbildungsenthalpie \(H_B^0\) beschreibt die Energiemenge, die bei der Bildung eines Mols der betrachteten Substanz freigesetzt (exotherm) oder aufgenommen (endotherm) wird. Sie wird Standardbildungsenthalpie genannt, da sie für die Enthalpie unter Standardvoraussetzungen, also einem Druck \(p\) von 1,013 bar und einer Temperatur \(T\) von 25 °C, steht.

Zur Berechnung der Reaktionsenthalpie bei Standardbedingungen \(\Delta H_R^0\) musst Du nur die Summe \(\Sigma\) der Standardbildungsenthalpien der Edukte (Substanzen vor der Reaktion) von der Summe der Standardbildungsenthalpien der Produkte (Substanzen nach der Reaktion) subtrahieren.

$$\Delta H_R^0=\sum H_{B,\,Produkte}^0 - \sum H_{B,\,Edukte}^0$$

Auf diese Weise berechnete Enthalpien besitzen nun die Einheit Joule pro Mol [J/mol]. Du findest die Werte für die Standardenthalpie meistens in Lehrbüchern der Chemie. Für ein paar wichtige Verbindungen kannst Du sie aus folgender Tabelle ablesen: