Chemische Reaktionen sind neben einer Stoffumwandlung auch mit einer Energieumwandlung verbunden.
Korrekt. Bei einem Lagerfeuer zum Beispiel wird die in chemischer Form gespeicherte Energie in Licht- und Wärmeenergie umgewandelt.
Lasst uns diese Gedanken einmal am Beispiel der Neutralisationsreaktion vertiefen!
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Konzentrierte Salzsäure (links) und konzentrierte Natronlauge (rechts) werden in der Mitte vereinigt. Dabei wird die Temperatur gemessen.1
Aufgaben
- Entwickeln und skizzieren Sie am Beispiel der Neutralisationsreaktion ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen den orange markierten Begriffen in M2 – M5 zeigt. Beginnen Sie ihr Schaubild nach der Vorlage in M1.
- Entwickeln Sie einen experimentellen Ansatz, mit dem die Reaktionswärme bei einer Neutralisationsreaktion möglichst exakt bestimmt werden kann.
Vorlage
Nutze das Bild in Abb. 2 als Startvorlage für das Schaubild!
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Startvorlage zur Entwicklung des Schaubildes.2
Systeme & Umgebung
Offenes System
In einem offenen System kann ein Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung stattfinden. Der Druck im System ist stets identisch mit dem Druck der Umgebung (= Atmosphärendruck).
Geschlossenes System
In einem geschlossenen System kann nur ein Energieaustausch mit der Umgebung stattfinden. Der Druck kann sich während einer Reaktion ändern, beispielsweise wenn Gase entstehen oder verbraucht werden.
Isoliertes System
In einem isolierten System findet weder ein Stoff- noch ein Energieaustausch mit der Umgebung statt. Der Druck kann sich während einer Reaktion ändern, beispielsweise wenn Gase entstehen oder verbraucht werden.
Zustands- & Prozessgrößen
Zustandsgrößen
Beschreiben den aktuellen Zustand eines Systems, zum Beispiel:
Eine wichtige Zustandsgröße ist die gesamte im System enthaltene Energie, auch innere Energie U genannt. Die hat die Einheit Kilojoule (kJ) und setzt sich u.a. aus folgenden Energiebeiträgen zusammen:
Die innere Energie eines Systems ist nicht direkt messbar, sondern nur indirekt über Prozessgrößen.
Prozessgrößen
Die innere Energie U eines Systems ist nicht direkt messbar. Indirekt messbar ist hingegen die Veränderung der inneren Energie zwischen zwei Zeitpunkten, z.B. vor und nach einer chemischen Reaktion. Diese Veränderung entspricht dem Energieaustausch des Systems mit seiner Umgebung. Sie wird über Prozessgrößen beschrieben. Man unterscheidet zwischen:
Wärme Q
Prozessgrößen beschreiben also den Weg auf dem sich ein System von einem Zustand in einen anderen Zustand verändert.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
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Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie wird lediglich in eine andere Energieform umgewandelt. Das bedeutet, dass die Gesamtenergie eines Systems mit seiner Umgebung konstant bleibt!
Für geschlossene Systeme bedeutet das, dass die Summe der mit der Umgebung ausgetauschten Energie der Änderung der inneren Energie des Systems entspricht.
Für ein offenes System bedeutet das, dass auch die mit dem Stoffaustausch verbundene zu- oder abgeführte Energie betrachtet werden muss.
Reaktionsenergie und -wärme
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Die Änderung der inneren Energie bei einer chemischen Reaktion wird als Reaktionsenergie ΔrU (Einheit Kilojoule, kJ) bezeichnet. Der bei einer chemischen Reaktion auftretende Betrag an Wärme wird als Reaktionswärme Qr (Einheit Kilojoule, kJ) bezeichnet.
Überträgt ein System im Verlauf einer chemischen Reaktion einen Teil seiner inneren Energie in Form von Wärme an die Umgebung, bezeichnet man dies als exotherme Reaktion. Hierbei ist die innere Energie des Systems nach der Reaktion geringer als vorher. Wenn bei einer chemischen Reaktion nur die Prozessgröße Wärme eine Rolle spielt, gilt:
Wird im Verlauf einer chemischen Reaktion Energie in Form von Wärme aus der Umgebung an das System übertragen, bezeichnet man dies als endotherme Reaktion. Hierbei ist die innere Energie des Systems nach der Reaktion größer als vorher:
Das V in Qr,V bedeutet, dass dies nur für Prozesse bei konstantem Volumen gilt. Wir klären noch gemeinsam, was das bedeutet.