Exotherme vs endotherme Enthalpie Veränderungen

Ein exothermer Prozess gibt Wärme an die Umgebung ab und hat eine negative Enthalpieänderung (ΔH < 0), während ein endothermer Prozess Wärme aus der Umgebung absorbiert und eine positive Enthalpieänderung aufweist (ΔH > 0). Kurz gesagt: brennendes Methan setzt 890 kJ pro Mol frei (exotherm), während schmelzendes Eis 6.01 kJ pro Mol absorbiert (endotherm).

Ob sich eine Reaktion heiß oder kalt anfühlt, hängt vom Zeichen ihrer Enthalpieänderung ab. Die Unterscheidung ist wichtig bei alltäglichen Anwendungen wie Handwärmern und Instant Cold Packs sowie bei der Konstruktion von chemischen Reaktoren. Dieser Artikel definiert die Enthalpieänderung, vergleicht exotherme und endotherme Prozesse, erklärt Energiediagramme, liefert Daten für typische Beispiele und arbeitet durch Berechnungen der Wärme aus Reaktionsmengen.

Was ist Enthalpieänderung?

Enthalpie (H) ist definiert als H = U + PV. Bei konstantem Druck ist die Änderung der Enthalpie gleich der mit der Umgebung ausgetauschten Wärme: ΔH = q_p. Für eine chemische Reaktion , ΔH ist der Unterschied zwischen der Enthalpie der Produkte und der der Reaktanten:

ΔH = Hproducts − Hreactants

Sie wird in kJ für die Reaktion wie geschrieben, oder in kJ/mol ausgedrückt. Wenn die Produkte eine geringere Enthalpie als die Reaktanten haben, wird die Differenz als Wärme freigesetzt. Wenn die Produkte eine höhere Enthalpie haben, muss Wärme absorbiert werden.

Exotherme und endotherme Prozesse im Vergleich

Was zeigen Energiediagramme?

In einem Enthalpiediagramm ist die vertikale Achse Enthalpie und die horizontale Achse der Fortschritt der Reaktion. Für eine exotherme Reaktion liegt die Linie der Produkte unterhalb der der Reaktanten, und die vertikale Differenz ist |ΔH|. Für eine endotherme Reaktion liegen die Produkte über den Reaktionspartnern. In beiden Fällen steigt die Kurve zwischen Reaktanten und Produkten zu einem Peak an, und die Höhe des Peaks über den Reaktanten ist die Aktivierungsenergie. Ein Katalysator senkt den Peak, ändert aber ΔH nicht.

Enthalpie-Änderungen gemeinsamer Prozesse

Wie werden thermochemische Gleichungen geschrieben?

Eine thermochemische Gleichung ist eine ausgeglichene Gleichung mit Zuständen der Materie und dem Wert von ΔH, zum Beispiel:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔH = −890 kJ

Es gelten drei Regeln:

1. ΔH ist proportional zu den Beträgen: Verdoppelung der Gleichung verdoppelt ΔH.
2. Das Vorzeichen von ΔH ändert sich, wenn die Reaktion umgekehrt wird.
3. Der Zustand jeder Substanz muss angegeben werden, da ΔH davon abhängt: Die Bildung von H₂O(g) setzt 44 kJ pro Mol weniger frei als die Bildung von H₂O(l).

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1: Wärme aus der Methanverbrennung

Wie viel Wärme durch Verbrennung freigesetzt wird 10.0 g Methan? n = 10.0 / 16.04 = 0.6234 mol, und q = 0.6234 × (−890) = −555 kJ. So 555 kJ Wärme freigesetzt wird.

Beispiel 2: Schmelzeis

Wie viel Wärme zum Schmelzen benötigt wird 100 g Eis bei 0 °C? n = 100 / 18.015 = 5.551 mol, und q = 5.551 × 6.01 = 33.4 kJ. In Bezug auf spezifische Werte sind dies 334 J pro Gramm.

Beispiel 3: Verdampfungswasser

Wie viel Wärme wird benötigt, um 100 g Wasser bei 100 °C zu verdampfen? q = 5.551 × 40.7 = 226 kJ. Dies ist etwa 2260 J/g, etwa siebenmal die Energie benötigt, um die gleiche Masse von Eis zu schmelzen. Deshalb sind Dampfverbrennungen so stark: Wenn Dampf auf der Haut kondensiert, gibt er diese Energie frei.

Beispiel 4: Reversieren einer Reaktion

Die Reaktion 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) hat ΔH = −571.6 kJ. Die Rückreaktion, die Spaltung von 2 mol flüssigem Wasser in seine Elemente, benötigt +571.6 kJ. für 1 mol von Wasser, +285.8 kJ.

Wo begegnen Sie diesen Veränderungen im täglichen Leben?

• Handwärmer: Die Oxidation von Eisenpulver an der Luft ist exotherm und erzeugt stundenlang Wärme. Wiederverwendbare Gelwärmer nutzen die Kristallisation von Natriumacetat.
• Sofortige kalte Packungen: Ammoniumnitrat oder Harnstoff, die sich in Wasser auflösen, absorbieren Wärme, so dass die Packung kalt wird.
• Schwitzen und Kühlen: Verdunstung absorbiert Wärme und kühlt die Haut oder den Kühlschrank.
• Kochen und Kraftstoffe: Die Verbrennung von Kraftstoffen und der Stoffwechsel von Lebensmitteln sind exotherm.
• Photosynthese: endotherm, angetrieben durch Lichtenergie.

Woher kommt das Wort Enthalpie?

Die Größe H = U + PV wurde früher von Josiah Willard Gibbs als “Wärmefunktion bei konstantem Druck” verwendet. Der Name enthalpy (enthalpy), vom griechischen enthalpein (“um sich einzuwärmen”), wird gewöhnlich dem holländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes (Heike Kamerlingh Onnes) in den frühen Jahren zugeschrieben. 20Jahrhundert. Die Thermochemie selbst wurde aus der 1840s Germain Hess und später Marcellin Berthelot und Julius Thomsen, die die Hitze vieler Reaktionen maßen.

Welche Fehler treten häufig auf?

• Verwirrendes Zeichen: exotherm bedeutet negative ΔH, obwohl das System Wärme verliert.
• Denken, dass exotherme Reaktionen immer spontan sind: Die Veränderung der Entropie ist ebenfalls wichtig.
• Vergessen, ΔH mit dem Betrag zu skalieren: ΔH ist pro Gleichung wie geschrieben.
• Ignorieren von Zuständen: flüssiges und gasförmiges Wasser haben unterschiedliche Enthalpien.
• Angenommen, ein Katalysator ändert ΔH: er ändert nur die Rate.