Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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5.2 Energiebeteiligung

Ziel: Kriterien für Freiwilligkeit von Reaktionen

Material: V 1

Einstieg:

bullet1. Welche Vorstellung haben Sie vom Energiebegriff?
bullet2. Beantwortung der 1. Frage: Woher stammt die Energie?

Thermodynamik ist die Wissenschaft (Teilgebiet der Physik und Chemie), die sich mit Energieumsatz im weitesten Sinn beschäftigt.

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5.2.1 Der Energieerhaltungssatz

Die Beschäftigung der Physiker des 18. und 19. Jh. erst mit der Wärmelehre, dann mit der Elektrizität, führte zu einigen allgemeinen Erkenntnissen über die Energie, die im Energieerhaltungssatz zusammengefasst sind:

Energieerhaltungssatz:

bulletEnergie geht weder verloren noch kann sie aus dem Nichts entstehen.
bulletEnergie besitzt verschiedene Erscheinungsformen, die alle ineinander überführt werden können.

Demonstration:

bulletpotentielle Energie: Kreide hochheben
bulletkinetische Energie: auf den Kopf fallen lassen.
(z.B. Licht, Wärme, Bewegung = kinetisch, Lage = potentiell, chemisch...)

Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten.

Wärme"abfall" ist unvermeidbar. Deshalb gibt es kein "perpetuum mobile". Meistens hat man es auf die Arbeit W abgesehen. Sie ist nie zu 100% aus einer anderen Energieform erhaltbar: es stellt sich immer ein Verlust in Form von Wärme ein.

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5.2.2 Die Enthalpie H

Die Enthalpie H bezeichnet den Wärmeinhalt eines Systems, dH die Änderung dieses Wärmeinhalts.

Bisher galt der Grundsatz: eine Reaktion verläuft dann freiwillig, wenn sie exotherm ist, also dH < 0.

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5.2.3 Die Entropie S

V1: Eine freiwillig verlaufende endotherme Reaktion
M:
bulletNH4SCN (s)
bulletBa(OH)2 (s)
bulletRG
bulletSpatel
D:
bullet2g Ba(OH)2 (s) im RG mit 1g NH4SCN (s) mischen. Beobachtung?
B:
bulletDie beiden Feststoffe zerfließen (innerhalb von 10 Min.).
bulletMan stellt Ammoniakgeruch fest.
bulletDas Reaktionsgefäß kühlt ab.

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Interpretation:

Ba(OH)2(s) + 2NH4SCN(s)    ----->     2NH3(g) + 2H2O(l) + Ba(SCN)2(s)    dH > 0

A: Warum läuft die Reaktion freiwillig ab, obwohl sie endotherm ist?

Bisher wurde aus Gründen der Vereinfachung ein Kriterium für die Freiwilligkeit von Reaktionen vernachlässigt.

Ein System strebt immer nach maximaler Unordnung. Der Grad der Unordnung wird als Entropie S bezeichnet.

Welches ist die Unordnung bei der Reaktion?

bulletaus 3 Teilchen (Edukte) werden 5 Teilchen (Produkte)
bulletaus dem geordneten Aggregatzustand 3x"s" werden die ungeordneteren 2x"g" und 2x"l" (und 1x"s")

Beispiele: Illustrationen aus dem Alltag: Zimmer eines Studenten,

Die Entropie nimmt von sich aus immer zu, d.h. der Grad der Unordnung steigt freiwillig. Will man das System, sprich Zimmer, wieder ordnen, muss (erhebliche) Energie aufgewendet werden.

(Einschub: 0. Hauptsatz der Thermodynamik:

Wärme bzw. Energie kann immer nur von einem Ort mit viel (Energie)Gehalt (also warm) zu einem Ort mit wenig Gehalt (also kalt) fließen, nie umgekehrt.

Beispiel: Im Fall des Studenten bedeutet das: er muss zwangsläufig warten, bis seine innere Energie die des äußeren Systems übersteigt, bevor es überhaupt einen Sinn hat, dass er sich zum Ordnung machen aufrafft.)

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5.2.4 Die freie Enthalpie G

Für die Freiwilligkeit von Reaktionen muss man jetzt eine schärfere Formulierung treffen:

bulletdH ist immer noch Kriterium, aber nicht allein; wirkt antreibend, wenn dH < 0
bulletdS wirkt mit antreibend antreibend, wenn dS > 0
bulletDaneben besteht noch eine Temperaturabhängigkeit.

Damit die neu entstehende Größe mit dH vergleichbar bleibt, erhält der Faktor T*dS ein negatives Vorzeichen:

dG = dH - T * dS

Diese Gleichung heißt Gibbs-Gleichung. Die Temperatur wird in K angegeben.

Die freie Enthalpie G bezeichnet die aus einer Reaktion maximal  zur Arbeitsleistung verfügbare Energie.

dG < 0 bedeutet: Reaktion läuft freiwillig ab = exergonisch.

Das System ist in der Lage, Energie freizusetzen. Dieser Fall ist auch dann möglich, wenn dH>0 aber T*dS>dH.

dG = 0 bedeutet: das System befindet sich in einem energetischen GG.

dG > 0 bedeutet: Reaktion verläuft nicht freiwillig = endergonisch. Das System nimmt freie Enthalpie aus der Umgebung auf.

Hinweis: dS ist in der Regel viel kleiner als dH, kehrt also selten die Verhältnisse um. In der Regel ist nach wie vor eine stark endotherme Reaktion auch endergonisch.

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    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de