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 Enthalpie (altgriechisch: Thálpein zu Deutsch: „erwärmen“) kann auch als „Reaktionswärme“ oder „Wärmeinhalt“ beschrieben werden und kommt aus der Thermodynamik. Sie gibt an, wie viel Wärme beziehungsweise Energie ein thermodynamisches System besitzt und wird mit dem Buchstaben H für heat content abgekürzt. Da sie einen Zustand des Systems definiert, gehört sie zu den Zustandsgrößen.
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 Eiswürfel in einem Glas Wasser oder ein Lagerfeuer stellen zum Beispiel thermodynamische Systeme dar.
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.
Innerhalb von thermodynamischen Systemen finden Druck-, Temperatur- und Volumenänderungen statt. Im Gegensatz zu extensiven Größen stehen intensive Größen wie die molare und die spezifische Enthalpie, zu denen Du weiter unten mehr erfährst.
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.
Über die Reaktionsenthalpie kannst Du also ermitteln, ob eine Reaktion Wärme abgibt oder aufnimmt. Wenn Du jedoch wissen willst, ob eine Reaktion freiwillig abläuft, musst Du auf die freie Enthalpie (auch Gibbs-Energie) zurückgreifen. Schau Dir dazu die entsprechende Erklärung an, sofern Du mehr darüber wissen willst.
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:
| Formel | Name | Standardbildungsenthalpie in \(\frac{kJ}{mol}\) |
| \(H_2 O\) | Wasser (flüssig) | \(-285,83\) |
| \(CO_2\) | Kohlenstoffdioxid (gasförmig) | \(-393,50\) |
| \(NH_3\) | Ammoniak (gasförmig) | \(-45,94\) |
| \(CH_4\) | Methan (gasförmig) | \(-74,87\) |
Tabelle 1: Standardbildungsenthalpien wichtiger Verbindungen.
Molare und Spezifische Enthalpie
Außer der Reaktionsenthalpie und Standardbildungsenthalpie kannst Du auch noch zwischen der molaren und spezifischen Enthalpie unterscheiden. Diese beiden Werte werden als intensive Größen bezeichnet.
Im Gegensatz zu extensiven Größen wie der Enthalpie \(H\) addierst Du die molare beziehungsweise die spezifische Enthalpie nicht. Wenn zwei identische Teilsysteme die gleiche molare oder spezifische Enthalpie haben, übertragen sich diese Werte auch auf die molare oder spezifische Enthalpie des Gesamtsystems.
Molare Enthalpie
Die molare Enthalpie gibt die Enthalpie \(H\) im Verhältnis zur Stoffmenge \(n\) an. Du berechnest die molare Enthalpie \(H_m\) berechnet, indem Du die Enthalpie des thermodynamischen Systems durch die vorhandene Stoffmenge dividierst:
$$H_m=\frac{H}{n}$$
Würden zum Zeitpunkt des Versuches Standardvoraussetzungen herrschen, wie oben beschrieben, wäre die molare Enthalpie die Standardbildungsenthalpie des jeweiligen Stoffs.
Wie bei der Standardbildungsenthalpie wird hier eine Enthalpie pro Stoffmenge berechnet und somit in der Einheit \(\frac{J}{mol}\) angegeben.
Stell Dir zur Veranschaulichung vor, dass Du zusammen mit neun Deiner Freunde ein thermodynamisches System darstellst. Für dieses Beispiel besitzt ihr zusammen 1000 €, die Du als eure Enthalpie betrachtest.
Mit der molaren Enthalpie wird untersucht, wie viel Enthalpie pro Stoffmenge enthalten ist. In unserem Fall seid ihr die Stoffmenge (10 Personen) und die Enthalpie sind die 1000 €. Gesucht ist, wie viel Geld ihr pro Person besitzt. In diesem Beispiel besitzt jede Person somit 100 €.
Spezifische Enthalpie
Die spezifische Enthalpie \(h\) gibt die Enthalpie im Verhältnis zur Masse des Stoffs an. Du berechnest sie, indem Du die Enthalpie durch die Masse \(m\) dividierst:
$$h=\frac{H}{m}$$
So erhältst Du die Enthalpie pro Masse, die in der Einheit \(\frac{J}{kg}\) angegeben wird.
Wirf noch mal einen Blick auf das obige Beispiel. Mit der spezifischen Enthalpie wird nun die Enthalpie pro Masse berechnet. Für dieses Beispiel stellst Du Dir zur Vereinfachung vor, dass ihr alle jeweils 50 kg wiegt. Als gesamte Gruppe beziehungsweise thermodynamisches System kommt ihr somit auf eine Masse von 500 kg und da ihr Sparfüchse seid, besitzt ihr weiterhin noch 1000 €.
Du suchst nun nach der Geldmenge pro Kilogramm. Wenn Du die Formel der spezifischen Enthalpie auf unser Beispiel anwendest, besitzt ihr demnach 2 € pro Kilogramm.
Enthalpie – Das Wichtigste
Nachweise
- P. J. Linstrom, W. G. Mallard. (21.10.2022). NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD.
- P. W. Atkins. (1990). Physikalische Chemie 1. Auflage. VCH, Weinheim.
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