Artikel erstellt am 21.11.2023
von Boris Stippe | ca: 11 Min. zu lesen

Reaktionsenthalpie – Was ist das?

Die Reaktionsenthalpie ist die Energie, die bei einer chemischen Reaktion freigesetzt oder aufgenommen wird. In Wärmepumpen wird die Reaktionsenthalpie genutzt, um Wärme aus der Umgebung aufzunehmen und in das Heizsystem zu transportieren.

Darstellung eines Moleküls in 3D
Darstellung eines Moleküls in 3D (Bildquelle: Denis Yevtekhov – stock.adobe.com)

Die Reaktionsenthalpie ist ein wichtiger Begriff im Zusammenhang mit der Installation und dem Betrieb einer Wärmepumpe. Sie beschreibt die Energie, die bei einer chemischen Reaktion freigesetzt oder aufgenommen wird. In der Wärmepumpentechnik wird die Reaktionsenthalpie genutzt, um Wärme von einem kälteren an einen wärmeren Ort zu transportieren.

In einer Wärmepumpe wird ein Kältemittel durch einen geschlossenen Kreislauf gepumpt. Dabei verdampft und verflüssigt sich das Kältemittel und nimmt Wärme auf bzw. gibt Wärme ab. Die Reaktionsenthalpie beschreibt die Energie, die bei diesen Prozessen freigesetzt oder aufgenommen wird. Diese Energie wird genutzt, um Wärme von einem kälteren Ort, z. B. der Umgebungsluft, zu einem wärmeren Ort, z. B. einem Gebäude, zu transportieren.

Die Reaktionsenthalpie ist daher ein wichtiger Faktor für die Effizienz einer Wärmepumpe. Je höher die Reaktionsenthalpie ist, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Daher wird bei der Auswahl eines Kältemittels für eine Wärmepumpe auch auf die Reaktionsenthalpie geachtet, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Was ist Reaktionsenthalpie?

Die Reaktionsenthalpie, auch Reaktionswärme oder Enthalpieänderung genannt, ist eine thermodynamische Größe, die die Energieänderung bei einer chemischen Reaktion beschreibt. Sie ist definiert als die Differenz zwischen der Enthalpie der Produkte und der Enthalpie der Edukte einer chemischen Reaktion.

Die Enthalpie ist eine Zustandsgröße, die den Energieinhalt eines Systems bei konstantem Druck beschreibt. Bei einer chemischen Reaktion können chemische Bindungen aufgebrochen und neue gebildet werden, was zu einer Änderung der Enthalpie führt. Ist eine Reaktion exotherm, so bedeutet dies, dass mehr Energie freigesetzt wird, als zur Bildung der neuen Bindungen benötigt wird. Die Reaktionsenthalpie ist in diesem Fall negativ. Bei einer endothermen Reaktion hingegen wird mehr Energie benötigt als freigesetzt, die Reaktionsenthalpie ist positiv.

Diese Größe kann experimentell bestimmt werden, indem die Energieänderung während einer chemischen Reaktion gemessen wird. Dies kann z. B. durch Messung der Temperaturänderung oder durch kalorimetrische Verfahren erfolgen. Die Reaktionsenthalpie kann auch berechnet werden, indem die Enthalpien der einzelnen Verbindungen in den Edukten und Produkten bekannt sind und diese entsprechend der Reaktionsgleichung kombiniert werden.

Wichtig ist die Reaktionsenthalpie in der Chemie, da sie Informationen über die Energieänderung und damit über die Stabilität und Reaktivität einer chemischen Verbindung liefert. Sie wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt, z. B. zur Berechnung der Energieeffizienz chemischer Reaktionen, zur Bestimmung von Reaktionsmechanismen und zur Vorhersage von Reaktionsbedingungen. Die Kenntnis der Reaktionsenthalpie ist auch wichtig für die Entwicklung von Energiespeichersystemen wie Batterien und für die Optimierung chemischer Prozesse in der Industrie.

Insgesamt ist die Reaktionsenthalpie eine fundamentale Größe in der Chemie, die es ermöglicht, den energetischen Aspekt chemischer Reaktionen zu verstehen und zu nutzen.

Was ist der Unterschied zwischen exothermer und endothermer Reaktion?

Exotherme und endotherme Reaktionen sind zwei Arten von chemischen Reaktionen, die sich durch die Energieänderung während der Reaktion unterscheiden.

Eine exotherme Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Das bedeutet, dass die Enthalpie der Produkte kleiner ist als die Enthalpie der Edukte. Exotherme Reaktionen sind in der Regel mit der Freisetzung von Wärmeenergie verbunden. Ein bekanntes Beispiel für eine exotherme Reaktion ist die Verbrennung, bei der ein Brennstoff mit Sauerstoff reagiert und Wärme freisetzt. Bei einer exothermen Reaktion ist die Reaktionsenthalpie negativ, da mehr Energie freigesetzt als aufgenommen wird.

Im Gegensatz dazu ist eine endotherme Reaktion eine chemische Reaktion, bei der Energie aus der Umgebung aufgenommen wird. Bei einer endothermen Reaktion ist die Enthalpie der Produkte größer als die Enthalpie der Edukte. Endotherme Reaktionen erfordern eine externe Energiezufuhr, damit sie ablaufen können. Ein Beispiel für eine endotherme Reaktion ist die Photosynthese, bei der Pflanzen Lichtenergie aufnehmen, um Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umzuwandeln. Bei einer endothermen Reaktion ist die Reaktionsenthalpie positiv, da mehr Energie benötigt als freigesetzt wird.

Der Unterschied zwischen exothermen und endothermen Reaktionen liegt also in der Richtung des Energieflusses. Exotherme Reaktionen geben Energie ab und haben eine negative Reaktionsenthalpie, während endotherme Reaktionen Energie aufnehmen und eine positive Reaktionsenthalpie haben. Exotherme Reaktionen führen häufig zu einer Erhöhung der Umgebungstemperatur, während endotherme Reaktionen zu einer Temperatursenkung führen können, da sie Energie aus der Umgebung aufnehmen.

Die Unterscheidung zwischen exothermen und endothermen Reaktionen ist sehr wichtig, da sie uns hilft, den Energiefluss und die Energiebilanz chemischer Reaktionen zu verstehen. Sie hat auch praktische Anwendungen, z. B. bei der Wärmeerzeugung, bei der Nutzung von Reaktionen zur Energiegewinnung und bei vielen biologischen Prozessen, bei denen Energie aus der Umgebung aufgenommen oder abgegeben wird.

Wie wird die Reaktionsenthalpie in einer chemischen Gleichung dargestellt?

Die Reaktionsenthalpie wird in einer chemischen Gleichung mit Hilfe von Reaktionspfeilen und Koeffizienten dargestellt. Die Koeffizienten geben die Stöchiometrie der beteiligten Edukte und Produkte an, während die Reaktionspfeile die Richtung der Reaktion angeben. Die Reaktionsenthalpie wird normalerweise entweder neben der Reaktionsgleichung oder in Klammern unter der Gleichung angegeben.

Zur Darstellung der Reaktionsenthalpie in einer Gleichung können verschiedene Konventionen verwendet werden. Eine häufige Methode ist die Verwendung von Delta-Symbolen (∆) zusammen mit H, um die Änderung der Enthalpie anzuzeigen. Die Reaktionsenthalpie wird oft als ΔH abgekürzt, wobei das Delta (∆) für die Änderung und H für die Enthalpie steht.

Ein positiver Wert für ΔH zeigt an, dass die Reaktion endotherm ist und Energie aus der Umgebung aufnimmt. Ein negativer Wert für ΔH bedeutet, dass die Reaktion exotherm ist und Energie an die Umgebung abgibt. Die Reaktionsenthalpie wird normalerweise in Einheiten wie Joule (J) oder Kilojoule (kJ) pro Mol (oder manchmal pro Gramm) angegeben.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Reaktionsenthalpie eine extensive Größe ist und von den Mengen der beteiligten Stoffe abhängt. Sie kann daher durch Multiplikation der Reaktionsgleichung mit einem Faktor verändert werden, ohne dass sich die chemische Bedeutung der Gleichung ändert. Dies hat jedoch Auswirkungen auf den numerischen Wert von ΔH.

Die Darstellung der Reaktionsenthalpie in einer chemischen Gleichung ermöglicht es uns, Informationen über den energetischen Aspekt der Reaktion zu kommunizieren. Sie hilft uns, die Energieänderung und die thermodynamische Stabilität einer chemischen Reaktion zu verstehen. Darüber hinaus ermöglicht sie den Vergleich von Reaktionsenthalpien und die Bewertung der Energieeffizienz von Reaktionen.

Wie berechnet man die Reaktionsenthalpie?

Die Reaktionsenthalpie kann auf verschiedene Weise berechnet werden, je nachdem, welche Informationen über die Edukte und Produkte einer chemischen Reaktion vorliegen. Es gibt zwei Hauptmethoden zur Berechnung der Reaktionsenthalpie: die Methode nach dem Hess’schen Gesetz und die Methode der Bildungsenthalpien.

  • Hess’sches Gesetz: Das Hess’sche Gesetz besagt, dass die Gesamtreaktionsenthalpie einer chemischen Reaktion unabhängig vom gewählten Reaktionsweg ist. Dies bedeutet, dass wir die Reaktionsenthalpie berechnen können, indem wir die Enthalpien von Zwischenprodukten oder Reaktionen verwenden, die experimentell bestimmt oder tabelliert wurden. Der Berechnungsschritt besteht darin, die gegebene Reaktionsgleichung in einzelne Schritte zu zerlegen, für die die Enthalpien bekannt sind. Anschließend werden die Enthalpien der Schritte addiert und gegebenenfalls mit Koeffizienten multipliziert, um die Gesamtreaktionsenthalpie zu erhalten. Die Methode des Hess’schen Gesetzes erfordert die Kenntnis der Enthalpien der Zwischenprodukte oder Reaktionen, die in chemischen Datenbanken oder Tabellen zu finden sind.
  • Methode der Bildungsenthalpien: Die Methode der Bildungsenthalpien basiert auf den Bildungsenthalpien der beteiligten Stoffe. Die Bildungsenthalpie ist die Energiemenge, die bei der Bildung einer Verbindung aus den Elementen in ihrem stabilen Zustand freigesetzt oder aufgenommen wird. Diese Methode erfordert eine umfangreiche Datenbank mit Bildungsenthalpien. Der Berechnungsschritt besteht darin, die Reaktionsgleichung in ihre Bestandteile zu zerlegen und die Bildungsenthalpien der beteiligten Verbindungen zu kennen. Die Reaktionsenthalpie wird berechnet, indem die Bildungsenthalpien der Produkte von den Bildungsenthalpien der Edukte subtrahiert werden. Ähnlich wie beim Hess’schen Gesetz kann die Reaktionsgleichung bei Bedarf skaliert werden, um die Stöchiometrie der Reaktion widerzuspiegeln.

Wenn die Mengen der Edukte und Produkte nicht mit der Stöchiometrie der Reaktionsgleichung übereinstimmen, müssen die Enthalpien entsprechend angepasst werden.

Die Berechnung der Reaktionsenthalpie erfordert daher die Kenntnis der Enthalpien der beteiligten Stoffe, sei es aus experimentellen Messungen oder aus Datenbanken und Tabellen. Es ist auch wichtig, den Aggregatzustand der Stoffe (gasförmig, flüssig oder fest) zu berücksichtigen, da die Enthalpien von Verbindungen vom Aggregatzustand abhängen können.

Was ist die Einheit der Reaktionsenthalpie?

Die Einheit der Reaktionsenthalpie hängt von der verwendeten Konvention ab, ob es sich um eine Molekül- oder Massenbasis handelt. Die gebräuchlichsten Einheiten für die Reaktionsenthalpie sind Joule (J) und Kilojoule (kJ) pro Mol oder Joule (J) und Kilojoule (kJ) pro Gramm.

Auf Molekülbasis wird die Reaktionsenthalpie pro Mol angegeben. Wenn die Reaktionsenthalpie in Joule pro Mol angegeben wird, wird sie als J/mol geschrieben. Diese Einheit gibt an, wie viel Energie freigesetzt oder aufgenommen wird, wenn ein Mol der betreffenden chemischen Verbindung oder Substanz umgesetzt wird.

Auf Massenbasis wird die Reaktionsenthalpie pro Gramm angegeben. In diesem Fall wird die Einheit J/g oder kJ/g geschrieben. Diese Einheit gibt an, wie viel Energie pro Gramm der beteiligten Stoffe freigesetzt oder aufgenommen wird.

Wichtig ist, dass die Einheit der Reaktionsenthalpie eine intensive Größe ist, d. h. sie hängt nicht von der Menge der Stoffe ab. Die Einheit bleibt unabhängig von der Anzahl der Mole oder Gramm der beteiligten Stoffe konstant. Die numerische Größe der Reaktionsenthalpie kann jedoch von der Stoffmenge abhängen, da sie eine extensive Größe ist. Wenn die Stoffmengen in der Reaktionsgleichung geändert werden, ändert sich der Zahlenwert der Reaktionsenthalpie entsprechend.

Die Wahl der Einheit der Reaktionsenthalpie hängt von den spezifischen Bedürfnissen und Konventionen des Anwendungsbereichs ab, aber Joule pro Mol (J/mol) und Kilojoule pro Mol (kJ/mol) sind die gebräuchlichsten Einheiten für die Angabe der Reaktionsenthalpie.

Wie beeinflusst die Reaktionsenthalpie die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion?

Die Reaktionsenthalpie hat einen direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird durch die Aktivierungsenergie bestimmt, die die Energiebarriere darstellt, die überwunden werden muss, damit die Reaktion ablaufen kann. Die Reaktionsenthalpie beeinflusst die Aktivierungsenergie und damit die Reaktionsgeschwindigkeit.

Eine exotherme Reaktion, bei der die Reaktionsenthalpie negativ ist, hat in der Regel eine niedrige Aktivierungsenergie. Das bedeutet, dass weniger Energie benötigt wird, um die Reaktion in Gang zu setzen. Dadurch erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Die während der Reaktion freigesetzte Energie kann dazu beitragen, die Aktivierungsenergie zu überwinden und die Reaktion schneller ablaufen zu lassen. Beispiele für exotherme Reaktionen sind Verbrennungsreaktionen, bei denen die Reaktionsprodukte eine geringere Energie haben als die Edukte.

Im Gegensatz dazu hat eine endotherme Reaktion, bei der die Reaktionsenthalpie positiv ist, eine höhere Aktivierungsenergie. Das bedeutet, dass mehr Energie zugeführt werden muss, um die Reaktion in Gang zu setzen. Die Reaktion läuft daher in der Regel langsamer ab. Bei endothermen Reaktionen wird Energie aus der Umgebung aufgenommen, um die Reaktion voranzutreiben. Beispiele für endotherme Reaktionen sind die Photosynthese oder der Abbau von Ammoniumnitrat.

Die Reaktionsenthalpie beeinflusst die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion auch indirekt durch ihren Einfluss auf das chemische Gleichgewicht. Das Gleichgewicht einer chemischen Reaktion wird durch die Differenz zwischen den Enthalpien der Edukte und der Produkte bestimmt. Eine exotherme Reaktion, bei der die Reaktionsenthalpie negativ ist, begünstigt die Bildung von Produkten und führt zu einem niedrigeren Gleichgewichtspreis. Dadurch kann die Reaktion schneller ablaufen. Eine endotherme Reaktion, bei der die Reaktionsenthalpie positiv ist, begünstigt dagegen die Bildung der Edukte und führt zu einem höheren Gleichgewichtspreis, was die Reaktionsgeschwindigkeit verringern kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Reaktionsenthalpie die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch ihren Einfluss auf die Aktivierungsenergie und das chemische Gleichgewicht beeinflusst. Eine exotherme Reaktion mit negativer Reaktionsenthalpie hat in der Regel eine niedrigere Aktivierungsenergie und begünstigt die Produktbildung, was zu einer schnelleren Reaktion führt. Eine endotherme Reaktion mit positiver Reaktionsenthalpie hat eine höhere Aktivierungsenergie und begünstigt die Bildung von Edukten, was die Reaktionsgeschwindigkeit verringern kann.

Fazit

Die Reaktionsenthalpie ist ein entscheidender Faktor für die Installation und den Betrieb von Wärmepumpen. Sie beschreibt die Energie, die bei einer chemischen Reaktion freigesetzt oder aufgenommen wird. In der Wärmepumpentechnik wird die Reaktionsenthalpie genutzt, um Wärme von einem kälteren an einen wärmeren Ort zu transportieren. Wärmepumpen arbeiten mit einem Kältemittel, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Das Kältemittel verdampft und kondensiert, wobei es Wärme aufnimmt und abgibt. Die Reaktionsenthalpie beschreibt die Energiemenge, die bei diesen Prozessen freigesetzt oder aufgenommen wird. Diese Energie wird genutzt, um Wärme von einem kälteren Ort, z. B. der Umgebungsluft, zu einem wärmeren Ort, z. B. einem Gebäude, zu transportieren. Je höher die Reaktionsenthalpie, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Durch die Nutzung dieser Energie können Wärmepumpen Wärme aus der Umwelt aufnehmen und in das Heizsystem transportieren, was zu einer nachhaltigen und energiesparenden Heizlösung führt.

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