Reaktions-, Standardreaktions- und Standardbildungsenthalpien

Hallo und herzlich willkommen!

Der Titel des heutigen Videos lautet "Reaktionsenthalpie, Standardreaktionsenthalpie und Standardbildungsenthalpie". Nach dem Video weißt du dann, was Reaktionsenthalpie, Standardreaktionsenthalpie und Standardbildungsenthalpie sind und was sie vor allem auch unterscheidet. Ein paar Dinge solltest du allerdings bereits wissen, zum Beispiel, was eine chemische Reaktion ist, was eine Reaktionsgleichung ist und was Enthalpie ganz allgemein ist.

Zum ersten Punkt vielleicht noch eine kleine Wiederholung: Die Enthalpie eines Vorganges ist die im Verlauf einer Zustandsänderung frei werdende Wärme. Was ist da mit Zustandsänderung gemeint? Nun, eine Zustandsänderung kann zum Beispiel ein Lösungsvorgang sein, wenn ich zum Beispiel Salz in Wasser löse, oder es kann ein Schmelzvorgang sein, wenn ich etwa ein Stück Eisen verflüssige, oder es kann auch eine chemische Reaktion sein. Und auf das letztgenannte Beispiel, die chemische Reaktion, wollen wir uns hier nun konzentrieren.

Und damit wären wir auch schon bei der Reaktionsenthalpie. Zunächst eine kleine Definition: Die Reaktionsenthalpie ist die Wärme, die im Verlauf einer chemischen Reaktion abgegeben oder aufgenommen wird. Meistens bezeichnet man sie einfach mit dem Symbol ΔH. Mitunter schreibt man aber unten rechts auch ein kleines r hin, um hervorzuheben, dass es sich eben um die Reaktionsenthalpie handelt.

Dazu ein Beispiel: Sagen wir, wir haben die Reaktion CH4, also Methan, + 2 Sauerstoff O2, reagiert zu CO2 und 2 × Wasser. Neben der Reaktionsgleichung findet man dann häufig noch die Angabe: ΔH=-890 kJ/mol. Das ist die Reaktionsenthalpie. Das Minuszeichen weist darauf hin, dass eine bestimmte Energiemenge freigesetzt wird im Laufe dieser Reaktion, weshalb es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Die Einheit kJ/mol, und zwar "pro mol", weist darauf hin, dass diese bestimmte Energiemenge pro Formelumsatz freigesetzt wird. Das heißt nichts anderes, als dass, wenn wir genau 1 mol Methan verbrennen, genau 890 kJ freigesetzt werden.

Ein zweites Beispiel: Kalziumkarbonat reagiert zu Kalziumoxid und Kohlenstoffdioxid. ΔH wird hier mit 179 kJ/mol angegeben. Das heißt, die Reaktion ist endotherm, da das Vorzeichen positiv ist. Wärme wird verbraucht. Nun ist dieser Begriff der Reaktionsenthalpie sehr weit gefasst. Schauen wir uns dazu noch mal dieses Beispiel mit dem Kalziumkarbonat an. Wie gesagt, benötige ich für die Durchführung dieser Reaktion zusätzliche Wärme, die ich hineinstecke. Würde ich diese Reaktion an einem Sommertag in der Sahara durchführen, dann müsste ich weniger Wärme zuführen, als in einer Winternacht am Nordpol. Logisch. Die Frage ist nur, welche Reaktionsenthalpie ist denn nun die Richtige, die von der Sahara, oder die vom Nordpol?

Und damit wären wir beim Begriff der Standardreaktionsenthalpie. Um Reaktionsenthalpien miteinander vergleichen zu können, werden sie auf den sogenannten Standardzustand bezogen. Man spricht dann von der Standardreaktionsenthalpie, abgekürzt ΔH0. In manchen Büchern findet man auch das Symbol ΔH Dingsbums, wobei dieses Dingsbums eine horizontal durchgestrichene 0 ist, die ungefähr einem kleinen θ ähnelt. Es handelt sich dabei aber, wie gesagt, nur um eine andere Schreibweise.

Ja, aber was ist er denn nun, dieser ominöse Standardzustand eines Stoffes? Der Standardzustand eines Stoffes bezeichnet den idealen Zustand dieses Stoffes in seiner Reinform bei einer Temperatur von 298 K, also 25°C, und einem Druck von 1013 mbar, was ungefähr dem normalen Atmosphärendruck entspricht. Und daraus ergibt sich dann als Definition für die Standardreaktionsenthalpie: Die Standardreaktionsenthalpie ist die Wärme, die freigesetzt oder benötigt wird, um die Edukte in die Produkte umzuwandeln, wobei beide jeweils im Standardzustand vorliegen sollen. Das heißt, wir nehmen die Edukte im Standardzustand, machen mit denen irgendwas, lassen sie reagieren, und die Produkte bringen wir dann wieder in den Standardzustand. Und die gesamte Energie zu diesem Prozess ist dann die Standardreaktionsenthalpie.

Schauen wir uns noch mal das Beispiel mit dem Kalziumkarbonat an. Kalziumkarbonat reagiert zu Kalziumoxid und Kohlenstoffdioxid. Zu Beginn unserer Reaktion liegt das Kalziumkarbonat im Standardzustand vor, das heißt, es hat die Temperatur von 298 K und ist einem Druck von 1013 mbar ausgesetzt. Das Ende der Reaktion ist erst dann erreicht, wenn unsere Produkte, Kalziumoxid und Kohlenstoffdioxid, ebenfalls den Standardzustand erreicht haben. Es ist vielleicht sinnvoll, zu jedem beteiligten Stoff den Aggregatzustand hinzuschreiben, in dem er im Standardzustand vorliegt. Das Kalziumkarbonat ist ein Feststoff, also ein kleines s für solid. Kalziumoxid ist ebenfalls ein Feststoff und Kohlenstoffdioxid ist ein Gas. Als Enthalpie könnte man nun hinschreiben: ΔH0=+179 kJ/mol. Die 0 neben dem ΔH sagt nun aus, dass wir es hier definitiv mit der Standardreaktionsenthalpie zu tun haben. Auch bei unserem zweiten Beispiel, der Verbrennung von Methan, können wir dasselbe machen und die Angabe ΔH0= sagt uns dann aus, dass wir es mit der Standardreaktionsenthalpie zu tun haben.

Wie man sieht, ist der Unterschied zwischen Reaktionsenthalpie und Standardreaktionsenthalpie der, dass die Standardreaktionsenthalpie einen definierten Anfangs- und Endzustand berücksichtigt. Und der Sinn der Einführung der Standardreaktionsenthalpie liegt wie gesagt darin, dass man unterschiedliche Experimente dadurch miteinander vergleichen kann, egal ob ich sie am Nordpol oder in der Sahara durchführe. Es geht also um eine Erleichterung in der Praxis. Und aus einem ähnlichen Grunde wurde dann auch die Standardbildungsenthalpie eingeführt. Auch sie dient der leichteren Handhabung oder Berechnung von Reaktionsenthalpien.

Zunächst eine kleine Definition: Die Standardbildungsenthalpie ist die Standardreaktionsenthalpie der Herstellung eines mols einer Verbindung aus den reinen Elementen. Man bezeichnet sie auch als ΔH0f. Die 0 steht dabei natürlich für den Standardzustand und das kleine f steht für formation, also Bildung. Auch hierzu ein Beispiel: Betrachten wir die Reaktion Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoff ist unter Standardbedingungen ein Feststoff, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid jeweils Gase. Die Standardreaktionsenthalpie für diese Reaktion wird angegeben mit -393 kJ/mol. Da nun Kohlenstoff ein reines Element ist und Sauerstoff ebenfalls, und beide im Standardzustand vorliegen zu Beginn der Reaktion, können wir auch ein kleines f an dieses ΔH0 schreiben, da es sich bei dieser Reaktion tatsächlich um die Bildungsreaktion von CO2 handelt. Wir können also schreiben: ΔH0f(CO2) beträgt -393 kJ/mol. Oder anders ausgedrückt: Bei der Herstellung von 1 mol Kohlenstoffdioxid aus den reinen Elementen entstehen 393 kJ.

Anderes Beispiel: Aus Kalzium, Kohlenstoff und Sauerstoff wollen wir Kalziumkarbonat herstellen. Die Reaktionsgleichung dazu lautet: 2 Kalzium + 2 Kohlenstoff + 3 Sauerstoff reagieren zu 2 Kalziumkarbonat. Als Standardreaktionsenthalpie für diese Reaktion werden -2414 kJ/mol angegeben. Da im Verlauf dieser Reaktion aber 2 mol Kalziumkarbonat entstehen, die Standardbildungsenthalpie aber über 1 mol definiert ist, müsste man schreiben: ΔH0f von Kalziumkarbonat beträgt -1207 kJ/mol, also genau die Hälfte.

Naja, und an dieser Stelle fragt ihr euch sicherlich: Wozu? Warum ist die Standardbildungsenthalpie überhaupt wichtig? Ohne jetzt ganz genau darauf einzugehen, hier die Antwort: Sind die Standardreaktionsenthalpien aller Reaktionsteilnehmer bekannt, dann lässt sich mit ihrer Hilfe die Standardreaktionsenthalpie einer bestimmten Reaktion berechnen. Oder anders formuliert: Möchte ich eine bestimmte Reaktion durchführen, dann kann ich schon im Vorhinein ausrechnen, ob dabei Wärme entsteht, oder ob dabei Wärme frei wird, ob ich unten heizen muss, oder ob ich den Kühler anschalten sollte. Und ihr könnt euch vorstellen, dass diese Frage in der Praxis nicht unerheblich ist. Wie derartige Berechnungen im Einzelnen durchgeführt werden, möchte ich in einem weiteren Video erklären, bei dem es um den "Satz von Hess" geht. An dieser Stelle sei aber erst einmal nicht weiter darauf eingegangen.

So und damit wären wir auch schon am Ende dieses Videos angelangt. Wir haben darin gelernt, was Reaktionsenthalpie, Standardreaktionsenthalpie und Standardbildungsenthalpie sind und wie sie miteinander zusammenhängen.

Danke fürs Zuschauen, tschüss und bis zum nächsten Mal!