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Reaktionsenthalpie berechnen und deuten
Die Reaktionsenthalpie beschreibt die Enthalpieänderung einer genau angegebenen chemischen Reaktion. Ein negatives Vorzeichen kennzeichnet eine exotherme, ein positives Vorzeichen eine endotherme Reaktion.
Du lernst, Reaktionsenthalpien aus Bildungsenthalpien zu berechnen, ihre Einheit eindeutig anzugeben und den Satz von Hess anzuwenden.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was sagt die Reaktionsenthalpie aus?
Bei einer Reaktion besitzen Produkte und Edukte im Allgemeinen nicht dieselbe Enthalpie. Ihre Differenz ist die Reaktionsenthalpie:
$$\Delta_r H = H(\text{Produkte})-H(\text{Edukte})$$
Reaktionsenthalpie
Die Reaktionsenthalpie $\Delta_r H$ ist die Enthalpieänderung beim Ablauf einer genau angegebenen chemischen Reaktion. Reaktionsgleichung, Stoffmengen und Aggregatzustände gehören deshalb zur Angabe.
- Exotherm: $\Delta_r H<0$. Das reagierende System gibt bei geeigneten Bedingungen Wärme an die Umgebung ab. Die Produkte liegen energetisch tiefer als die Edukte.
- Endotherm: $\Delta_r H>0$. Das System nimmt Wärme aus der Umgebung auf. Die Produkte liegen energetisch höher als die Edukte.
Das Vorzeichen wird aus der Sicht des reagierenden Systems angegeben: Energieabgabe bedeutet $\Delta_r H<0$, Energieaufnahme bedeutet $\Delta_r H>0$.
Die Reaktionsenthalpie ist nicht mit der Aktivierungsenergie zu verwechseln. Die Aktivierungsenergie beschreibt die zu überwindende Energiebarriere. Die Reaktionsenthalpie vergleicht dagegen Anfangs- und Endzustand.
Wie wird mit Bildungsenthalpien gerechnet?
Die molare Standardbildungsenthalpie $\Delta_f H_m^\circ(X)$ gibt die Enthalpieänderung bei der Bildung von $1\,mol$ des Stoffes $X$ aus seinen Elementen im jeweiligen Standardzustand an. Für Elemente in ihrer stabilen Standardform gilt $\Delta_f H_m^\circ=0$.
Für eine Reaktionsgleichung berechnest du:
$$\Delta_r H^\circ=\sum n_r(\text{Produkte})\,\Delta_f H_m^\circ(\text{Produkte})-\sum n_r(\text{Edukte})\,\Delta_f H_m^\circ(\text{Edukte})$$
Dabei sind die stöchiometrischen Stoffmengen $n_r$ die Koeffizienten der Reaktionsgleichung, als Stoffmengen in Mol gelesen.
Vollständiges Beispiel: Verbrennung von Methan
Gegeben ist:
$$CH_4(g)+2O_2(g)\rightarrow CO_2(g)+2H_2O(l)$$
Die molaren Standardbildungsenthalpien lauten:
- $\Delta_f H_m^\circ(CH_4(g))=-75\,kJ\,mol^{-1}$
- $\Delta_f H_m^\circ(O_2(g))=0\,kJ\,mol^{-1}$
- $\Delta_f H_m^\circ(CO_2(g))=-393\,kJ\,mol^{-1}$
- $\Delta_f H_m^\circ(H_2O(l))=-286\,kJ\,mol^{-1}$
1. Produktseite berechnen:
$$1\,mol\cdot(-393\,kJ\,mol^{-1})+2\,mol\cdot(-286\,kJ\,mol^{-1})=-965\,kJ$$
2. Eduktseite berechnen:
$$1\,mol\cdot(-75\,kJ\,mol^{-1})+2\,mol\cdot0\,kJ\,mol^{-1}=-75\,kJ$$
3. Produkte minus Edukte bilden:
$$\Delta_r H^\circ=-965\,kJ-(-75\,kJ)=-890\,kJ$$
Für den Umsatz der Stoffmengen in der angegebenen Gleichung beträgt die Reaktionsenthalpie $-890\,kJ$. Das negative Vorzeichen zeigt: Die Methanverbrennung ist exotherm.
Welche Einheit gehört zum Ergebnis?
In Lehrwerken kommen zwei fachlich mögliche Darstellungen vor. Damit deine Angabe eindeutig bleibt, musst du stets nennen, worauf sie sich bezieht.
| Größe | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| $\Delta_r H$ | Enthalpieänderung für die Stoffmengen der angegebenen Reaktionsgleichung | kJ |
| $\Delta H_m(X)$ | Enthalpieänderung je Mol eines ausdrücklich genannten Stoffes $X$ | kJ·mol⁻¹ |
Auf dieser Seite wird $\Delta_r H$ als extensive Größe verwendet: Die Koeffizienten werden als Stoffmengen in Mol gelesen. Deshalb kürzt sich bei $mol\cdot kJ\,mol^{-1}$ die Einheit Mol heraus.
Wird die Methangleichung verdoppelt, verdoppelt sich auch die extensive Reaktionsenthalpie:
$$2CH_4+4O_2\rightarrow2CO_2+4H_2O,\qquad \Delta_r H=-1780\,kJ$$
Die stoffbezogene molare Verbrennungsenthalpie bleibt dagegen:
$$\Delta H_m(CH_4)=\frac{-1780\,kJ}{2\,mol}=-890\,kJ\,mol^{-1}$$
Schreibe bei einer molaren Angabe immer dazu, auf welchen Stoff sich „pro Mol“ bezieht. Eine Einheit ohne klare Bezugsgröße ist missverständlich.
Wie funktioniert der Satz von Hess?
Die Enthalpie ist eine Zustandsgröße. Ihre Änderung hängt nur vom Anfangs- und Endzustand ab, nicht vom gewählten Reaktionsweg. Deshalb kannst du passende Teilreaktionen addieren.
Dabei gelten drei Regeln:
- Kehrst du eine Teilreaktion um, kehrst du auch das Vorzeichen ihrer Enthalpie um.
- Multiplizierst du eine Gleichung mit einem Faktor, multiplizierst du die Enthalpie mit demselben Faktor.
- Addierst du Reaktionsgleichungen, addierst du ihre Enthalpien. Stoffe auf beiden Seiten können sich aufheben.
Beispiel: Bildung von Methan
Gesucht ist:
$$C(\text{Graphit})+2H_2(g)\rightarrow CH_4(g)$$
Gegeben sind:
$$2H_2(g)+O_2(g)\rightarrow2H_2O(l),\qquad \Delta_r H_1=-572{,}5\,kJ$$
$$C(\text{Graphit})+O_2(g)\rightarrow CO_2(g),\qquad \Delta_r H_2=-394{,}1\,kJ$$
$$CH_4(g)+2O_2(g)\rightarrow CO_2(g)+2H_2O(l),\qquad \Delta_r H_3=-891{,}6\,kJ$$
Die dritte Reaktion muss umgekehrt werden:
$$CO_2(g)+2H_2O(l)\rightarrow CH_4(g)+2O_2(g),\qquad \Delta_r H_3'=+891{,}6\,kJ$$
Beim Addieren heben sich $CO_2$, $2H_2O$ und $2O_2$ auf. Übrig bleibt die gesuchte Methanbildung.
$$\Delta_r H=-572{,}5-394{,}1+891{,}6=-75{,}0\,kJ$$
Die Bildung von Methan aus Graphit und Wasserstoff ist mit $\Delta_r H=-75{,}0\,kJ$ exotherm. Der entscheidende Schritt ist die Umkehrung der Verbrennungsreaktion samt Vorzeichenwechsel.
Welche Angaben und Fehler musst du beachten?
Eine Reaktionsenthalpie ist nur zusammen mit ihrer Reaktionsgleichung eindeutig. Prüfe vor jeder Rechnung:
- Ist die Reaktionsgleichung ausgeglichen?
- Wurden alle stöchiometrischen Koeffizienten einbezogen?
- Stimmen die Aggregatzustände mit den Tabellenwerten überein?
- Ist die Bezugsgröße der Einheit genannt?
- Wurde wirklich „Produkte minus Edukte“ gerechnet?
Aggregatzustände können den Zahlenwert deutlich verändern. Für die Bildung der angegebenen Stoffmenge Wasser gelten beispielsweise unterschiedliche Reaktionsenthalpien:
$$H_2(g)+\frac12O_2(g)\rightarrow H_2O(l),\qquad \Delta_r H=-286\,kJ$$
$$H_2(g)+\frac12O_2(g)\rightarrow H_2O(g),\qquad \Delta_r H=-242\,kJ$$
Auch der Zusammenhang zwischen Wärme und Enthalpie braucht Bedingungen. Bei konstantem Druck kann die Reaktionsenthalpie mit der als Wärme übertragenen Energie verknüpft werden. Wird zusätzlich beispielsweise elektrische Arbeit abgegeben, erscheint jedoch nicht die gesamte Enthalpieänderung als Wärme.
Eine negative Reaktionsenthalpie sagt außerdem nicht, wie schnell eine Reaktion abläuft. Dafür sind unter anderem Aktivierungsenergie und Reaktionsmechanismus entscheidend.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei einer exothermen Reaktion ist $\Delta_r H$ . Zur Berechnung verwendet man . Stöchiometrische Koeffizienten werden mit den Bildungsenthalpien . Aggregatzustände .
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Reaktionsenthalpie
- Bedeutung
- Differenz zwischen Produkt- und Eduktzustand
- exotherm negativ, endotherm positiv
- Berechnung
- Produkte minus Edukte
- Koeffizienten berücksichtigen
- Aggregatzustände beachten
- Bezugsgröße
- Reaktionsgleichung: kJ
- genannter Stoff: kJ·mol⁻¹
- Satz von Hess
- Teilreaktionen umformen
- Gleichungen und Enthalpien addieren
- Grenzen
- keine Aussage über Reaktionsgeschwindigkeit
- Wärmegleichsetzung nur unter passenden Bedingungen
- Bedeutung
Abschluss-Check
Wenn du Vorzeichen, Bezugsgröße, Koeffizienten und Aggregatzustände ausdrücklich prüfst, kannst du Reaktionsenthalpien eindeutig berechnen und fachlich richtig deuten.