📘 CodingMarble Learn

Enthalpie, Kalorimetrie und der Satz von Hess

Enthalpie: H = U + pV. Bei konstantem Druck ist die aufgenommene oder abgegebene Wärme gleich ΔH, bei konstantem Volumen gleich ΔU. ΔU messen wir im geschlossenen Bombenkalorimeter, ΔH im offenen Becherkalorimeter, mit q = C ΔT oder q = m c ΔT. Für Gase gilt ΔH = ΔU + Δn_g RT. Die Reaktionsenthalpie ΔrH ist bei exothermen Reaktionen negativ und bei endothermen positiv, und ΔrH° = ΣΔfH°(Produkte) − ΣΔfH°(Edukte). Satz von Hess: Die gesamte Enthalpieänderung ist gleich, ob eine Reaktion in einem Schritt oder in mehreren abläuft. Darum kann man thermochemische Gleichungen wie in der Algebra addieren.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Dieser Stahltopf ist fest verschlossen, sein Volumen kann sich also nicht ändern. Wir verbrennen darin etwas Kohlenstoff. Die Wärme erwärmt das Wasser und das Thermometer steigt. Bei festem Volumen misst die Wärme ΔU.
  2. Dieser Becher ist zur Luft hin offen, der Druck bleibt also gleich. Wir mischen eine Säure und eine Base. Das Wasser wird warm. Bei festem Druck misst die Wärme ΔH.
  3. Jetzt zähle die Gasmoleküle. Aus vier Gasmolekülen werden zwei. Weniger Gasmoleküle bedeuten: Die Luft verrichtet Arbeit am System. Darum unterscheiden sich ΔH und ΔU um Δn_g RT.
  4. Zeichne die Energieniveaus. Liegen die Produkte tiefer, wird Wärme frei: exotherm, ΔH ist negativ. Liegen sie höher, wird Wärme aufgenommen: endotherm, ΔH ist positiv.
  5. Von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid kommst du mit einem großen Sprung oder mit zwei kleinen Sprüngen über CO. Der gesamte Abstieg ist gleich: −393.5 kJ. Das ist der Satz von Hess.
  6. Jetzt bist du dran. Ändere die Wassermasse und den Temperaturanstieg. Beobachte, wie sich q = mcΔT und ΔH verändern.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum muss die Bombe aus dickem Stahl sein?

Das Volumen darf sich nicht ändern, auch wenn heiße Gase beim Verbrennen nach außen drücken. Ein starkes, verschlossenes Gefäß hält V fest, also ist die Wärme gleich ΔU.

Warum gibt ein offener Becher ΔH und nicht ΔU?

Der Becher ist zur Luft offen, der Druck bleibt also bei 1 atm. Bei konstantem Druck ist die Wärme per Definition ΔH.

Warum zählen in Δn_g nur Gasmoleküle?

Der p–V-Term kommt von der Volumenänderung. Gase füllen große Räume; Feststoffe und Flüssigkeiten brauchen kaum zusätzlichen Platz. Sieh zu, wie aus 4 Gasmolekülen 2 werden.

Woher weiß ich, ob ΔH negativ oder positiv ist?

Schau auf das Energiediagramm. Liegen die Produkte tiefer als die Edukte, wurde Energie frei: ΔH < 0 (exotherm).

Warum dürfen wir ΔH-Werte wie normale Zahlen addieren?

H ist eine Zustandsgröße. Beide Wege beginnen bei C + O₂ und enden bei CO₂, also müssen ihre Summen gleich sein: −110.5 + (−283.0) = −393.5.

Was bedeutet ein negatives ΔT im Becher?

Die Lösung wurde kälter, dem Wasser wurde also Wärme entzogen: Die Reaktion ist endotherm und ΔH ist positiv. Schiebe ΔT im freien Spiel unter null.

Enthalpie und Enthalpieänderung

Die meisten Reaktionen im Labor oder in der Küche laufen in offenen Gefäßen bei konstantem Druck (Luftdruck) ab. Dafür benutzen wir eine neue Zustandsgröße, die Enthalpie: H = U + pV.

Bei konstantem Druck gibt der erste Hauptsatz q_p = ΔU + pΔV = ΔH. ΔH ist also einfach die Wärme, die bei konstantem Druck aufgenommen oder abgegeben wird. Bei konstantem Volumen ist ΔV = 0 und q_V = ΔU.

Zusammenhang zwischen ΔH und ΔU

Feststoffe und Flüssigkeiten ändern ihr Volumen kaum, für sie gilt daher ΔH ≈ ΔU. Für Gase gilt pV = nRT, also ΔH = ΔU + Δn_g RT. Dabei ist Δn_g = Mol gasförmiger Produkte − Mol gasförmiger Edukte. Verwende R = 8.314 × 10⁻³ kJ K⁻¹ mol⁻¹, wenn ΔU in kJ angegeben ist.

Extensive und intensive Größen

Wärmekapazität

Die Wärmekapazität C ist die Wärme, die nötig ist, um die Temperatur um 1 K zu erhöhen: q = C ΔT. Die spezifische Wärmekapazität c bezieht sich auf ein Gramm (Wasser: 4.18 J g⁻¹ K⁻¹), also q = m c ΔT. Die molare Wärmekapazität bezieht sich auf ein Mol. Für ein ideales Gas gilt C_p − C_v = R, weil bei konstantem Druck ein Teil der Wärme für die Ausdehnungsarbeit verbraucht wird.

Kalorimetrie: ΔU und ΔH messen

Kalorimetrie heißt, Wärme zu messen. Die Reaktion läuft in oder neben einer bekannten Wassermenge ab, und wir lesen die Temperaturänderung ab.

ΔU mit dem Bombenkalorimeter (konstantes Volumen)

Ein starkes, verschlossenes Stahlgefäß (die „Bombe“) enthält die Probe und Sauerstoff unter Druck. Es steht in Wasser. Ein elektrischer Funke startet die Verbrennung. Das Volumen kann sich nicht ändern, also wird keine p–V-Arbeit verrichtet und q_V = ΔU. Freigesetzte Wärme = C_Kalorimeter × ΔT. Das Vorzeichen der Reaktion ist dem der vom Wasser aufgenommenen Wärme entgegengesetzt.

ΔH mit dem Becherkalorimeter (konstanter Druck)

Für Reaktionen in Lösung (zum Beispiel Säure + Base) reicht ein isolierter Becher, der zur Luft offen ist. Der Druck bleibt gleich dem Luftdruck, also q_p = ΔH. Wärme = m c ΔT der Lösung; ΔH pro Mol = −q ÷ Stoffmenge.

Steigt die Temperatur, ist die Reaktion exotherm (ΔH < 0). Sinkt sie, ist die Reaktion endotherm (ΔH > 0).

Reaktionsenthalpie, Standardzustand und Bildung

Die Reaktionsenthalpie ΔrH ist die Enthalpieänderung, wenn die Stoffmengen aus der ausgeglichenen Reaktionsgleichung reagieren: ΔrH = ΣH(Produkte) − ΣH(Edukte).

Standardenthalpie

Die Werte hängen von den Bedingungen ab, darum vergleichen wir sie im Standardzustand: der reine Stoff bei 1 bar und der angegebenen Temperatur (meist 298 K). Standardwerte tragen das Zeichen °: ΔrH°.

Thermochemische Gleichungen

Eine ausgeglichene Gleichung mit Aggregatzuständen und ΔrH, zum Beispiel CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l); ΔrH° = −890.3 kJ mol⁻¹. Regeln: (1) Koeffizienten sind Mol; (2) Gleichung verdoppeln → ΔH verdoppeln (ΔH ist extensiv); (3) Gleichung umkehren → Vorzeichen von ΔH wechseln; (4) Aggregatzustände zählen (H₂O(l) und H₂O(g) geben verschiedene Werte).

Standardbildungsenthalpie ΔfH°

Die Enthalpieänderung, wenn 1 mol einer Verbindung aus ihren Elementen in deren stabilstem Zustand (Referenzzustand) entsteht. Für ein Element im Referenzzustand (O₂(g), C Graphit, H₂(g)) ist ΔfH° = 0. Dann gilt ΔrH° = Σ ai ΔfH°(Produkte) − Σ bi ΔfH°(Edukte).

Der Satz von Hess (Satz der konstanten Wärmesummen)

Satz von Hess: Läuft eine Reaktion in mehreren Schritten ab, ist ihre gesamte Enthalpieänderung die Summe der Enthalpieänderungen der Schritte. Der Weg spielt keine Rolle, weil H eine Zustandsgröße ist.

Beispiel: C(Graphit) + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ. Oder in zwei Schritten: C + ½O₂ → CO (−110.5 kJ), dann CO + ½O₂ → CO₂ (−283.0 kJ). Summe = −393.5 kJ.

Warum das nützlich ist

Manche Enthalpien (wie ΔfH von CO oder CH₄) lassen sich nicht direkt messen. Wir addieren, subtrahieren, kehren um oder multiplizieren bekannte thermochemische Gleichungen, bis sie die gesuchte Gleichung ergeben, und behandeln die ΔH-Werte genauso.

In der Prüfung

Aufgaben zum Satz von Hess (3 Punkte), die Umrechnung zwischen ΔH und ΔU (2 Punkte) und Definitionen zur Kalorimetrie werden oft gefragt.

Zu Hause ausprobieren: ein Becherkalorimeter

Stell einen Stahlbecher in einen Styroporbecher. Gib 100 mL Leitungswasser hinein und notiere die Temperatur (ein Küchen- oder Fieberthermometer reicht). Rühre zwei Löffel Waschsoda oder etwas Waschpulver ein und lies die neue Temperatur ab. Ist sie gestiegen, war das Auflösen exotherm. Rechne jetzt q = m c ΔT = 100 × 4.18 × ΔT. Probiere dieselben Zahlen im freien Spiel des 3D-Modells aus.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Wie viel Wärme braucht man, um 250 g Wasser von 20 °C auf 80 °C zu erwärmen?

q = m c ΔT = 250 × 4.18 × (80 − 20) = 250 × 4.18 × 60 = 62 700 J = 62.7 kJ.

2. 1.00 g Graphit wird in einem Bombenkalorimeter mit der Wärmekapazität 20.0 kJ K⁻¹ verbrannt. Die Temperatur steigt um 1.64 K. Berechne ΔU für die Verbrennung von 1 mol Kohlenstoff.

Vom Kalorimeter aufgenommene Wärme = 20.0 × 1.64 = 32.8 kJ. Die Reaktion hat diese Wärme abgegeben, also q = −32.8 kJ pro Gramm. 1 mol C = 12 g: ΔU = −32.8 × 12 = −393.6 kJ mol⁻¹.

3. 50 mL 1 M HCl werden in einem Becherkalorimeter mit 50 mL 1 M NaOH gemischt. Die Temperatur steigt um 6.8 K. Berechne die Neutralisationsenthalpie (nimm 100 g Lösung, c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹).

q = 100 × 4.18 × 6.8 = 2842 J. Gebildete Mol Wasser = 0.050 × 1 = 0.050 mol. ΔH = −2842 ÷ 0.050 = −56 840 J mol⁻¹ ≈ −56.8 kJ mol⁻¹.

4. Für N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) gilt ΔU = −87.0 kJ bei 298 K. Berechne ΔH.

Δn_g = 2 − 4 = −2. ΔH = ΔU + Δn_g RT = −87.0 + (−2)(8.314 × 10⁻³)(298) = −87.0 − 4.96 = −91.96 ≈ −92.0 kJ.

5. Berechne ΔcH° von Methan. ΔfH°: CH₄(g) = −74.8, CO₂(g) = −393.5, H₂O(l) = −285.8 kJ mol⁻¹.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). ΔrH° = [−393.5 + 2(−285.8)] − [−74.8 + 0] = −965.1 + 74.8 = −890.3 kJ mol⁻¹.

6. Gegeben: C + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ und CO + ½O₂ → CO₂, ΔH = −283.0 kJ. Berechne ΔfH° von CO.

Gesucht: C + ½O₂ → CO. Nimm Gleichung 1 unverändert und kehre Gleichung 2 um: CO₂ → CO + ½O₂, ΔH = +283.0. Addiere: C + ½O₂ → CO, ΔH = −393.5 + 283.0 = −110.5 kJ mol⁻¹.

7. Bestimme mit dem Satz von Hess ΔfH° von CH₄. ΔcH°: C(Graphit) = −393.5, H₂(g) = −285.8, CH₄(g) = −890.3 kJ mol⁻¹.

Gesucht: C + 2H₂ → CH₄. (i) C + O₂ → CO₂, −393.5. (ii) 2 × [H₂ + ½O₂ → H₂O], 2 × (−285.8) = −571.6. (iii) Verbrennung von CH₄ umkehren: CO₂ + 2H₂O → CH₄ + 2O₂, +890.3. Addiere: −393.5 − 571.6 + 890.3 = −74.8 kJ mol⁻¹.

8. Die molare Wärmekapazität eines idealen Gases bei konstantem Volumen beträgt 12.5 J K⁻¹ mol⁻¹. Berechne C_p und die Wärme, die nötig ist, um 2 mol bei konstantem Druck um 10 K zu erwärmen.

C_p = C_v + R = 12.5 + 8.3 = 20.8 J K⁻¹ mol⁻¹. q_p = n C_p ΔT = 2 × 20.8 × 10 = 416 J. Das ist ΔH.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Die im Bombenkalorimeter gemessene Wärme ist gleich:
2. Bei welcher Reaktion gilt ΔH = ΔU?
3. ΔfH° von O₂(g) bei 298 K ist:
4. Der Satz von Hess funktioniert, weil die Enthalpie:
5. Welche Größe ist intensiv?

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Enthalpie in einfachen Worten?

Die Enthalpie (H = U + pV) ist der Wärmeinhalt eines Systems bei konstantem Druck. Ihre Änderung ΔH ist die Wärme, die in einem offenen Gefäß aufgenommen oder abgegeben wird.

Was ist der Unterschied zwischen einem Bombenkalorimeter und einem Kaffeebecher-Kalorimeter?

Ein Bombenkalorimeter ist geschlossen (konstantes Volumen) und misst ΔU, meist bei Verbrennungen. Ein Becherkalorimeter ist offen (konstanter Druck) und misst ΔH, meist bei Reaktionen in Lösung.

Was besagt der Satz von Hess?

Die Enthalpieänderung einer Reaktion ist gleich, ob sie in einem Schritt oder in mehreren Schritten abläuft. So können wir thermochemische Gleichungen addieren, um unbekannte ΔH-Werte zu finden.

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 12D. Energy Changes and Rates of Reaction
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Chemical processes and cycles (part 2)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a VIII-aChemistry in our lives
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класGeneral review of chemistry
CBSE (India)Class 11Chemical Thermodynamics
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 8MS-PS1 Matter and its interactions
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Spontaneity of chemical change
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Hydrocarbons: fuels and reactants
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.1 Thermal effects

Vorher lernen

Als Nächstes lernen

Passende Lektionen

Alle Chemistry-Lektionen