Satz von Hess – Einführung

Hallo! Vielleicht hast du dich ja schon einmal gefragt, woher eigentlich die ganzen tabellierten Reaktionsenthalpien in deinem Tafelwerk kommen. Heute wollen wir uns anschauen, wie diese experimentell bestimmt werden können und welches Gesetz angewendet werden kann, wenn sich eine Reaktionsenthalpie mal nicht experimentell bestimmen lässt.

Wiederholung der Reaktionsenthalpie

Beginnen wir mit einer kleinen Wiederholung des Begriffes Reaktionsenthalpie. Dieser Begriff begegnet dir oft, wenn es darum geht, ob eine Reaktion freiwillig abläuft oder nicht. Wird die Reaktion unter isobaren Bedingungen durchgeführt, bleibt also der Druck konstant, dann entspricht die Enthalpieänderung der Reaktionswärme.

Vielleicht hast du ja selbst schon einmal eine Reaktion durchgeführt und dabei bemerkt, dass das Reaktionsgefäß kälter oder wärmer geworden ist. Reaktionen, bei denen Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird, sind endotherme Reaktionen. In diesem Fall bekommt die Reaktionsenthalpie ein positives Vorzeichen. Läuft eine Reaktion ab, bei der Wärme abgegeben wird, ist es eine exotherme Reaktion. Das Vorzeichen der Enthalpie ist negativ.

Das Verfahren der Kalorimetrie

Doch wie lassen sich solche Reaktionsenthalpien bestimmen? Reaktionsenthalpien werden experimentell bestimmt. Das Verfahren dazu ist die Kalorimetrie. Die Reaktion wird dazu in einem Kalorimeter durchgeführt. Das ist ein Gefäß, welches sehr gut isoliert ist, damit kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt finden kann.

Die Wärme, die nun bei der Reaktion entsteht, wird auf einen geeigneten Stoff, wie zum Beispiel Wasser übertragen. Wird Wärme für die Reaktion benötigt, dann wird diese dem Wasser entzogen. Die aufgenommene bzw. abgegebene Wärme bewirkt eine Temperaturdifferenz des Wassers und so lässt sich dann mit entsprechenden Formeln die Reaktionsenthalpie bestimmen.

Die Bestimmung von Bildungsenthalpien

Auf diesem Weg lassen sich auch eine ganze Reihe von Bildungsenthalpien bestimmen. Das sind also die Energiebeträge, die aufgenommen oder abgeben werden, wenn sich ein Stoff bildet. Was ist aber mit Bildungsenthalpien, deren Reaktionen nicht im Kalorimeter durchgeführt werden können?

Die Bildung von Kohlenstoffmonoxid

Wir wollen uns als Beispiel für dieses Problem die Bildung von Kohlenstoffmonoxid anschauen. Reagieren Kohlenstoff und Sauerstoff im Kalorimeter miteinander, wird der Kohlenstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid verbrannt. Auch Kohlenstoffmonoxid kann zu Kohlenstoffdioxid verbrannt werden.

Für die Verbrennungsenthalpie des Kohlenstoffmonoxids und die Bildungsenthalpie des Kohlenstoffdioxids lassen sich also experimentell Werte ermitteln. Und wie lässt sich damit nun die Bildungsenthalpie des Kohlenstoffmonoxids bestimmen? Dieser Zusammenhang wird durch den Satz von Hess beschrieben.

Der Satz von Hess

Der Satz von Hess besagt, dass die Reaktionsenthalpie unabhängig vom Reaktionsweg ist und nur vom Ausgangs- und vom Endzustand des Systems abhängt. Schauen wir uns nun an, wie uns der Satz von Hess bei der Bestimmung der Bildungsenthalpie von Kohlenstoffmonoxid hilft. Zunächst können wir uns also die beiden Reaktionen ansehen, deren Enthalpien bestimmt werden können.

Bei der Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid wird Energie frei, die molare Standardbildungsenthalpie beträgt hier -394 kilojoule pro mol. Molar bedeutet, dass sich der Wert auf ein Mol Kohlenstoffdioxid bezieht und Standard sagt dir, dass die Reaktion unter Standardbedingungen statt gefunden hat.

Formulierung der Reaktionen

Auch für die Verbrennung von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid lässt sich die Enthalpie ermitteln. Diese beträgt -283 kilojoule pro mol. Diese beiden Reaktionen können nun auch abhängig von einander formuliert werden, sodass Kohlenstoffmonoxid die Zwischenstufe der Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff darstellt.

Der Satz von Hess sagt nun also, dass es für die Reaktionsenthalpie egal ist, auf welchen Zwischenschritten ein Produkt entsteht. Das bedeutet also, dass die Enthalpien der Teilreaktionen zusammen die Enthalpie der Gesamtreaktion ergeben muss.

In unserem Beispiel haben wir den Enthalpiebetrag der Gesamtreaktion gegeben und den Enthalpiebetrag der zweiten Teilreaktion. Wollen wir nun wissen, wie die Bildungsenthalpie von Kohlenstoffmonoxid ist, dann lässt sich das durch einfaches Subtrahieren berechnen. Es ergibt sich eine Bildungsenthalpie von -111 kilojoule pro mol.

Biologische Prozesse

Auf diesem Weg lassen sich also ganz leicht Enthalpien berechnen, wenn es nicht möglich ist diese direkt experimentell zu bestimmen, aber andere Teilreaktionen experimentell durchführbar sind. Schauen wir uns ein weiteres Beispiel an. Wir können den Satz von Hess auch auf biologische Prozesse anwenden. Hier ist die Anwendung besonders vorteilhaft, da biologische Prozesse oft nicht direkt im Labor nachgestellt werden können.

Die Bildung und Verbrennung von Glucose

Glucose kann in biochemischen Prozessen aus Kohlenstoffdioxid und Wasser gebildet werden. Nach dem Satz von Hess sollte bei der Bildung von Glucose genauso viel Energie benötigt werden, wie bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird. Denn verbrennst du Glucose, entstehen wieder Wasser und Kohlenstoffdioxid.

Das Verbrennen von Glucose lässt sich nun leicht experimentell durchführen und so lässt sich auch die Enthalpie leicht bestimmen. Es entstehen bei der Verbrennung 2815 kilojoule pro mol. Damit kannst du nun auch leicht ermitteln, dass dann beim Bildungsprozess 2815 Kilojoule pro Mol benötigt werden.

Zusammenfassung zum Satz von Hess

Du hast heute gelernt, dass sich Enthalpien von manchen Reaktionen nicht experimentell bestimmen lassen und dass dort der Satz von Hess sehr hilfreich ist. Dieser ermöglicht dir eine Enthalpie zu berechnen, wenn sich alle weiteren Enthalpien der Teilreaktionen experimentell bestimmen lassen. Du hast dadurch gelernt, dass die Reaktionsenthalpie immer nur vom Ausgangszustand und vom Endzustand abhängt aber nicht vom Weg, auf dem der Endzustand erreicht wurde. Tschüß und bis bald!