Name: Viona H., 2017-11

Chemische Reaktionen

Bei einer chemischen Reaktion findet eine Stoffumwandlung unter Freisetzung oder Abgabe von Energie (pro Zeiteinheit) statt. Die Energie kommt in unterschiedlichen Formen vor.

Beispiele:

• chemische Energie
• elektrische Energie
• kinetische Energie (Objekte, die sich bewegen)
• thermische Energie (Feuer spendet nicht nur Wärmeenergie, sondern auch Licht)

Die chemische Thermodynamik ist die Lehre von der Energieübertragung und -umwandlung bei chemischen Reaktionen.

System und Umgebung

Bevor man einen Energieumsatz definiert, muss man sich den räumlich abgegrenzten Sektor, welchen man betrachten möchte, bewusst machen.

Dieser beschränkte Abschnitt des Raums wird System genannt (z.B.: Reagenzglas) und den Restbestand nennt man Umgebung.

Es gibt drei Formen des Systems:

1. Jeder Stoff- oder Energieaustausch mit der Umgebung ist bei einem isolierten System unterbrochen.
2. Bei einem geschlossenen System kann kein Stoff austreten oder hineingelangen. Jedoch findet ein Energieaustausch mit der Umgebung statt.
3. Ein offenes System hat eine Verbindung zu seiner Umgebung. Es erfolgt ein Austausch von Energie und Stoffen.

geschlossenes System
(tatsächlich entweicht auch hier Wärme durch die Glaswand - ein komplett geschlossenes System ist nicht möglich!)

offenes  System
(Stoffe und Energie können leicht entweichen!)

Beispiele für offene und geschlossene Systeme:

1. Ein Thermogefäß ist annähernd als isoliertes System anzusehen (isoliertes System = idealisierte Vorstellung ; es gibt kein zu "100%" verschlossenes System). Es erfolgt kein Stoffaustausch und nur extrem wenig Wärme verlässt das System. ; Kalorimeter (siehe: Bestimmung einer Reaktionswärme "Kalorimeter")
   
2. Aus einem luftdichten verschlossenen Reagenzglas können keine Stoffe ein- oder austreten, aber Energie kann aufgenommen oder abgegeben werden. ; Solarzelle (BILD 1)
3. Stoffe (gasförmig oder flüssig) können aus einem Reagenzglas austreten oder hineingelangen. Ebenfalls kann Energie aufgenommen oder abgegeben werden. ; Mensch: Wärmeaustausch mit der Umgebung ; Lagerfeuer ; Blätter grüner Pflanzen (BILD 2)

Der Energieerhaltungssatz gilt für die Gesamtheit eines Systems mit seiner Umgebung.
Die Gesamtenergie verändert sich nicht. Sie kann umgewandelt werden (z.B: kinetische Energie in thermische Energie) und kann das System verlassen oder hineintransportiert werden. Aber Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden.

Reaktionswärme

Die bei den meisten chemischen Reaktionen aufgenommen oder abgegebene Wärme wird Reaktionswärme Q_r genannt.

Bei endothermen Reaktionen wird Wärme aus der Umbegebung aufgenommen.
Bei exothermen Reaktionen wird Wärme in die Umgebung freigesetzt.

endtherme Reaktionen: Q_r > 0
exotherme Reaktionen: Q_r < 0

Hierbei gibt es verschiedene Reaktionswärmen, die je nach Art der Reaktion ihren Namen verleiht bekommen.

Beispiele:

• Verbrennungswärme
• Zersetzungswärme
• Lösungswärme
• Neutralisationswärme
• Bildungswärme

Bei einigen Reaktionen sind die Reaktionsprodukte besonders bedeutsam (z.B.: Reaktion des Chlors mit Metallen). Und bei anderen Reaktionen ist die Reaktionswärme sehr wichtig (z.B.: Verbrennung von Holz).

Außerdem kann man durch die Reaktionswärme viele und wichtige Feststellungen über Eigenschaften und Reaktionsverhalten von Stoffen treffen.

Bestimmung einer Reaktionswärme

Kommt es in einem geschlossenen oder offenen System zu einer Erhöhung der Temperatur, dann findet eine endotherme oder exotherme Reaktion statt. Die Wärme wird freigesetzt und ein Ausgleich der entstandenen Temperaturdifferenz zur Umgebung wird vollzogen.

Um die Reaktionswärme Q_r zu bestimmen, braucht man einen künstlich abgetrennten Bereich, das Kalorimeter.

Ein Kalorimeter, wegen des Überdrucks im Inneren auch Bombenkalorimeter genannt

Die gesamte Reaktionswärme Q_r wird vom Wasser und dem Kalorimeter angenommen:

Q = –Q_r

Zudem ist die Wärme proportional zur Temperaturdifferenz Δθ:

Q = –Q_r = C · Δθ ⇔ Q_r = –C · Δθ

Der Proportionalitätsfaktor ist die Wärmekapazität C:

C = C_k + C_w

Die Gleichung der Reaktionswärme Q_r lautet:

Q_r = – (C_k + C_w) · Δθ = – (C_k + c_w · m_w) · Δθ

Wärmeübergang von System zu System

Besteht eine Temperaturdifferenz zwischen zwei offenen Systemen wird die Energie in Form von thermischer Energie (z.B.: Wärme) übertragen.

Je höher die Temperatur, desto höher die Teilchengeschwindigkeit.

Anfangszustand: kinetische Energie der Teilchen ist in System A größer als in System B

Endzustand: wird erreicht, wenn beide Systeme die gleiche kinetische Energie der Teilchen besitzen

Glossar

Erhaltungsgröße = Wert einer Größe (z.B.: Energie)

Erhaltungssatz = die Tatsache, dass sich die Erhaltungsgröße in bestimmten biologischen, physikalischen oder chemischen Prozessen nicht ändert

Kalorimeter = ein Messgerät zur Bestimmung der Wärmemenge (gesamte Reaktionswärme), die bei z.B.: chemischen Prozessen aufgenommen oder abgegeben wird

Größen

Q: Wärme

Q_r: Reaktionswärme

θ: Temperatur

Δθ: Temperaturdifferenz (zwischen Endtemperatur θ₂ und Anfangstemperatur θ₁ ; Δθ = θ₂ – θ₁)

C: Wärmekapazität

C_k: Wärmekapazität des Kalorimeters (experimentelle Bestimmung)

C_w: Wärmekapazität einer Wasserportion (Berechnung mit Masse: C_w = c_w · m_w)

c_w: spezifische Wärmekapazität des Wassers ; c_w = 4,1868 J/(g·K)

m_w: Masse einer Wasserportion