Einführung in die Chemie

Begriffe

• Hess’sches GesetzSagt, dass, wenn eine Gesamtreaktion in mehreren Schritten abläuft, ihre Standard-Reaktionsenthalpie die Summe der Standard-Enthalpien der Zwischenreaktionen bei gleicher Temperatur ist.
• EnergieerhaltungssatzSagt, dass die Gesamtenergiemenge in jedem isolierten System konstant bleibt; Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden, obwohl sie ihre Form ändern kann.

Ableitung des Hess’schen Gesetzes

Das Hess’sche Gesetz ist eine Beziehung in der physikalischen Chemie, die nach Germain Hess, einem in der Schweiz geborenen russischen Chemiker und Arzt, benannt ist. Dieses Gesetz besagt, dass, wenn eine Reaktion in mehreren Schritten abläuft, die Standard-Reaktionsenthalpie für die Gesamtreaktion gleich der Summe der Standard-Enthalpien der dazwischenliegenden Reaktionsschritte ist, unter der Annahme, dass jeder Schritt bei der gleichen Temperatur abläuft.

Der Hess’sche Hauptsatz leitet sich direkt aus dem Energieerhaltungssatz ab, wie er auch im ersten Hauptsatz der Thermodynamik zum Ausdruck kommt. Da die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist, ist die Änderung der Enthalpie zwischen Produkten und Edukten in einem chemischen System unabhängig vom Weg, der vom Anfangs- zum Endzustand des Systems genommen wird. Das Hess’sche Gesetz kann verwendet werden, um die Gesamtenergie zu bestimmen, die für eine chemische Reaktion benötigt wird, insbesondere wenn die Reaktion in mehrere Zwischenschritte unterteilt werden kann, die einzeln leichter zu charakterisieren sind. Eine negative Enthalpieänderung für eine Reaktion deutet auf einen exothermen Prozess hin, während eine positive Enthalpieänderung einem endothermen Prozess entspricht.

Berechnen von Standard-Reaktionsenthalpien mit dem Hess’schen Gesetz

C(s)\{{Graphit}\}\rightarrow C(s)\{{Diamant}\}\quad\quad \Delta H_{rxn}=?

Die Umwandlung von Graphit in Diamant erfordert extrem hohe Temperaturen und Drücke und ist daher in einer Laborumgebung unpraktisch. Die Änderung der Enthalpie für diese Reaktion kann nicht experimentell bestimmt werden. Da wir aber die Standard-Enthalpieänderung für die Oxidation für diese beiden Stoffe kennen, ist es möglich, die Enthalpieänderung für diese Reaktion mit Hilfe des Hess’schen Gesetzes zu berechnen. Unsere Zwischenschritte lauten wie folgt:

C(s)\{graphite\}+O_2(g)\aufrecht CO_2(g)\quadDelta H^\circ=-393.41\;kJ/mol

C(s)\{Diamant\}+O_2(g)\rightarrow CO_2(g)\quad\quad \Delta H^\circ=-395.40\;kJ/mol

Um diese Zwischenreaktionen zu unserer Netto-Gesamtreaktion zu addieren, müssen wir den zweiten Schritt umkehren. Beachten Sie, dass sich bei der Umkehrung von Reaktionen nach dem Hess’schen Gesetz das Vorzeichen von ΔH ändert. Manchmal müssen Sie eine gegebene Reaktionszwischenstufe mit einer ganzen Zahl durchmultiplizieren. In solchen Fällen müssen Sie Ihren ΔH-Wert immer mit der gleichen ganzen Zahl multiplizieren. Durch Umformung der ersten Gleichung und Umkehrung der zweiten Gleichung erhalten wir:

C(s)\{graphite\}+O_2(g)\rightarrow CO_2(g)\quad\quad \Delta H^\circ=-393.41\;kJ/mol

CO_2(g)\rightarrow C(s)\{Diamant\}+O_2(g)\quad\quad\Delta H^\circ=+395.40\;kJ/mol

Wenn man diese Gleichungen zusammenzählt, heben sich Kohlendioxid und Sauerstoff auf, so dass wir nur unsere Netto-Gleichung haben. Nach dem Hess’schen Gesetz können wir die ΔH-Werte für diese Zwischenreaktionen summieren, um unseren endgültigen Wert, \Delta H^\circ_{rxn}, zu erhalten.

C(s)\{Graphit\}\aufrecht C(s)\{Diamant\}\quad \Delta H^\circ_{rxn}=1.89\;kJ/mol