Hast Du Dir schon einmal ausgemalt, wie cool es wäre eine Maschine zu haben, die in einem ewigen Kreislauf immer weiter Wärme erzeugen kann? Die Ausgangsstoffe reagieren, geben Energie ab und die Produkte werden wieder zu Edukten. Die Edukte könnten wieder reagieren und der Kreislauf würde theoretisch immer so weiterlaufen. Doch eine solche Maschine, auch Perpetuum mobile genannt, widerspricht dem Satz von Hess.
Grundlagen zum Satz von Hess
Um den Satz von Hess zu verstehen, musst Du vor allem wissen, was die sogenannte Enthalpie ist. Die Enthalpie ist eine wichtige Größe der chemischen Thermodynamik und wurde früher auch "Wärmeinhalt" genannt. Der frühere Name der Enthalpie ist, im Gegensatz zum heutigen, deutlich aufschlussreicher bezüglich der Definition der Zustandsgröße.
Die Enthalpie gibt die Menge an Wärmeenergie eines thermodynamischen Systems, also eines abgegrenzten chemischen Prozesses, an. Sie gehört zu den Zustandsgrößen und wird mit dem Buchstaben "H" abgekürzt. Da die Enthalpie von der Stoffmenge der Reaktanten abhängig ist, wird sie auch als extensive Zustandsgröße bezeichnet.
Zustandsgrößen sind physikalische Größen, die den aktuellen Zustand eines thermodynamischen Systems beschreiben können. Einige Zustandsgrößen, wie Temperatur, Druck, Volumen oder Masse, kennst Du bestimmt schon. Masse und Volumen gehören, wie die Enthalpie, zu den extensiven Zustandsgrößen, während die Temperatur zu den sogenannten intensiven Zustandsgrößen gehört. Intensive Zustandsgrößen sind anders als extensive Zustandsgrößen von der Stoffmenge unabhängig.
Neben der Enthalpie ist manchmal auch von der sogenannten Reaktionsenthalpie die Rede. Wie Du wahrscheinlich schon vermutet hast, ist die Reaktionsenthalpie eine spezielle Art der Enthalpie.
Die Reaktionsenthalpie gibt die Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion an, die bei konstantem Druck abläuft. Sie wird mit ∆H (gesprochen: "Delta H") abgekürzt und gibt Aufschluss darüber, ob eine chemische Reaktion endotherm oder exotherm abläuft. Ist der Wert der Reaktionsenthalpie einer chemischen Reaktion positiv, so bezeichnest Du diese als endotherm. Eine chemische Reaktion wird hingegen exotherm genannt, wenn ihre Enthalpieänderung negativ ist.
Eine chemische Reaktion ist endotherm, falls sie zum Ablaufen Energie in Form von Wärme aus der Umgebung aufnehmen muss. Das Gegenteil einer endothermen Reaktion ist eine exotherme Reaktion. Bei exothermen Reaktionen wird Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben.
Neben der Reaktionsenthalpie existieren von der Enthalpie noch weitere Unterarten. Eine dieser Unterarten ist die Standardreaktionsenthalpie.
Die Änderung der Reaktionsenthalpie bei Standardbedingungen (1,013 bar und 25 °C) wird als Standardreaktionsenthalpie bezeichnet. Da die Standardreaktionsenthalpie von der jeweiligen Stoffmenge abhängig ist, muss sie immer zusammen mit der Reaktionsgleichung, sowie den jeweiligen Aggregatzuständen der einzelnen Produkte und Edukte angegeben werden.
Eine weitere Art der Enthalpie ist die Standardbildungsenthalpie. Wie Du aus dem Namen schon heraus hören kannst, bezieht sich auch die Standardbildungsenthalpie auf die chemischen Standardbedingungen mit einem Druck von 1,013 bar und einer Temperatur von 25 °Celsius.
Als Standardbildungsenthalpie wird die Menge an Wärme bezeichnet, die bei der Bildung von einem Mol einer bestimmten Substanz bei Standardbedingungen freigesetzt wird. Reine Elemente, wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Schwefel, haben eine Standardbildungsenthalpie von 0.
Satz von Hess: Formel und Definition
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass keine Energie vernichtet oder erzeugt werden kann, sie kann also nur umgewandelt werden. In Bezug auf die Enthalpie verfasste der Chemiker Germain Henri Hess den Satz von Hess, auch Hess'scher Wärmesatz genannt.
Der Satz von Hess besagt, dass der Weg einer chemischen Reaktion keinen Einfluss auf die Reaktionsenthalpie der Gesamtreaktion hat. Die Reaktionsenthalpie der Gesamtreaktion ist somit auch von der Anzahl der Teilreaktionen unabhängig. Die Enthalpieänderung der gesamten Reaktion ist die Summe der Reaktionsenthalpie der einzelnen Teilreaktionen.
Nach dem Satz von Hess ist die Reaktionsenthalpie also nur von dem Ausgangs- und Endzustand der chemischen Reaktion abhängig. Du kannst daher die Änderung der Enthalpie einer Reaktion mithilfe der Standardbildungsenthalpien folgendermaßen berechnen:
- Du bildest die Summe der Standardbildungsenthalpien der Produkte und Edukte.
- Danach subtrahierst Du die Standardbildungsenthalpien der Edukte von den Standardbildungsenthalpien der Produkte.
Die Formel zur Berechnung der Reaktionsenthalpie lautet nach dem Satz von Hess also:
Germain Henri Hess war ein bedeutender russischer Chemiker. Er wurde am 7. August 1802 in Genf (Schweiz) geboren und war maßgeblich an der Entwicklung der Chemie in Russland beteiligt. Er war Professor für Chemie an der naturwissenschaftlichen Akademie in Sankt Petersburg (Russland) und sein Lehrbuch "Grundlagen der reinen Chemie" war lange Zeit das russische Standardlehrbuch für das Grundstudium in Chemie. Hess’ wichtigste Arbeit veröffentlichte er 1840 an der naturwissenschaftlichen Akademie. Darin verfasste er auch den Satz von Hess. Germain Henri Hess starb am 12. Dezember 1850 in Sankt Petersburg.
Satz von Hess: Anwendung
Mit Sicherheit hast Du Dir die Frage gestellt, wozu Du den Satz von Hess nun benötigst. Mithilfe des Satzes von Hess kannst Du die Reaktionsenthalpien von chemischen Reaktionen bestimmen, selbst wenn diese nicht gemessen werden können. So kannst Du etwa die Reaktionsenthalpie einer Teilreaktion berechnen, wenn die Änderung der Enthalpien der anderen Teilreaktionen, sowie der Gesamtreaktion bekannt sind. Zudem kannst Du mit dem Satz von Hess auch die Reaktionsenthalpie der gesamten Reaktion berechnen, wenn die Reaktionsenthalpie der Teilreaktionen bereits bekannt sind.
Satz von Hess: Beispiele
Verbrennung von Grafit
Ein Beispiel zur Veranschaulichung des Satzes von Hess ist die Verbrennung von Grafit. Dabei reagiert Grafit (C) mit dem Sauerstoff (O₂) aus der Luft zu Kohlenstoffdioxid (CO₂). Die Wärmeenergie, die bei einer Verbrennung von Stoffen frei wird, wird auch Verbrennungsenthalpie genannt.
Die Verbrennung kann auf zwei Wegen erfolgen:
- Durch die vollständige Verbrennung
- Durch die Verbrennung über das Zwischenprodukt Kohlenstoffmonoxid (CO)
Wie Du an der Berechnung erkennen kannst, ist die Gesamtenthalpie der vollständigen Verbrennung von Grafit genauso groß wie die Summe der Reaktionsenthalpie der beiden Teilreaktionen.
Bildung von Schwefeltrioxid
Schwefeltrioxid (SO3) wird bei der Reaktion von Schwefel (S) mit Sauerstoff (O₂) gebildet. Auch bei dieser chemischen Reaktion kann das Produkt nicht nur über einen Weg gebildet werden.
Die Reaktion kann auf zwei Wegen erfolgen:
- Durch die vollständige Reaktion von Schwefel und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid
- Durch zwei Teilreaktionen mit dem Zwischenprodukt Schwefeldioxid
Wie Du an den folgenden Reaktionsgleichungen sehen kannst, fehlt beim zweiten Reaktionsweg die Standardreaktionsenthalpie der zweiten Teilreaktion. Mithilfe Deines Wissens über den Satz von Hess, kannst Du die Standardreaktionsenthalpie der zweiten Reaktion von Schwefeldioxid und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid ganz einfach berechnen.
Da die Standardbildungsenthalpie von Schwefeltrioxid und Schwefeldioxid schon bekannt sind, kannst Du die fehlende Standardreaktionsenthalpie durch eine Subtraktion erhalten:
Die Reaktionsenthalpie der Reaktion von Schwefeldioxid und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid beträgt somit laut dem Satz von Hess -98,92.
Jetzt kannst Du erklären, warum das Perpetuum mobile vom Beginn der Erklärung dem Satz von Hess widerspricht.
Der Grund dafür liegt darin, dass die Edukte auch gleichzeitig als Produkte dieser chemischen Reaktion auftreten. Dadurch muss die Reaktionsenthalpie der Reaktion null sein. Eine Reaktionsenthalpie von null bedeutet auch, dass gar keine Wärme bei der chemischen Reaktion abgegeben wird. Somit kann kein Perpetuum mobile existieren, das in einem unendlichen Kreislauf Wärme abgeben kann.
Satz von Hess - Das Wichtigste
- Die Enthalpie gibt die Menge an Wärmeenergie eines thermodynamischen Systems, also einer abgegrenzten chemischen Reaktion, an.
- Der Satz von Hess besagt, dass der Weg einer chemischen Reaktion keinen Einfluss auf die Enthalpieänderung der Gesamtreaktion hat.
- Die Enthalpieänderung der Gesamtreaktion hängt nur von dem Ausgangs-, sowie dem Endzustand, also den Edukten und Produkten der Reaktion ab.
- Die Summe der Reaktionsenthalpien der einzelnen Teilreaktionen entspricht genau der Reaktionsenthalpie der Gesamtreaktion.
- Mithilfe des Satzes von Hess kannst Du die Änderungen der Enthalpien von chemischen Reaktionen bestimmen, auch wenn diese nicht direkt gemessen werden können.
Nachweise
- Chemie heute Sekundarbereich II (1998). Schroedel Verlag.
- Chemie.de: Hess'scher Wärmesatz. (04.06.2022)
- Angela Köhler-Krützfeldt; Klaus Christman. Hermann Heinrich Hess. uol.de. (04.06.2022)
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