Peter W. Atkins

Physikalische Chemie


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rel="nofollow" href="#ulink_c84b350b-2f1f-5cea-b419-af21fb12d395">Abb. 2-13) zur Anwendung. Die Substanz wird eingewogen und in einer Sauerstoffatmosphäre verbrannt, ΔT wird gemessen. Ein anderer Weg zu ΔH führt über die Messung der Änderung der Inneren Energie in einem Bombenkalorimeter mit anschließender Umrechnung von ΔU in ΔH. Da Flüssigkeiten und Feststoffe (im Vergleich zu Gasen) kleine molare Volumina haben, wird auch das Produkt pVm hier so klein, dass man molare Enthalpie und molare Innere Energie näherungsweise gleichsetzen darf (Hm = Um + pVmUm). Wenn folglich nur Flüssigkeiten und Feststoffe am Prozess beteiligt sind, setzt man auch die Änderungen dieser Größen – also ΔU und ΔH – in guter Näherung gleich. Physikalisch beobachtet man bei solchen Vorgängen auch nur sehr kleine Volumenänderungen – das System verrichtet praktisch keine Volumenarbeit, sämtliche zugeführte Energie wird in Wärme innerhalb des Systems umgesetzt. Die eleganteste Methode zur Messung der Enthalpieänderung ist die Verwendung eines dynamischen Differenzialkalorimeters (DSC, von differential scanning calorimeter). Wie wir in Kapitel 6 sehen werden, kann man Änderungen der Enthalpie und der Inneren Energie auch mit anderen als kalorimetrischen Methoden verfolgen.

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      Wenn 1.0 mol CaCO3 aus der Calcit- in die Aragonit-Modifikation umgewandelt werden, beträgt die Änderung der Inneren Energie +0.21kJ. Wie groß ist der Unterschied zwischen der Änderung der molaren Inneren Energie und der Änderung der molaren Enthalpie? Der Druck soll 0.1 MPa betragen; die Dichten der beiden Feststoffe sind 2.71 bzw. 2.93 gcm–3.

      Vorgehen Die Differenz zwischen Innerer Energie und Enthalpie eines Stoffs entnehmen wir Gl. [2-18]. Zu ihrer Berechnung benötigen wir den Druck sowie den Unterschied der molaren Volumina beider Substanzen, den wir aus den molaren Massen M und den Dichten ρ unter Verwendung der Beziehung ρ = M/ Vm erhalten.

      Antwort Die Enthalpieänderung während des Umwandlungsprozesses ist

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      wobei A Aragonit und C Calcit bedeutet. Wir setzen Vm = M/ρ ein und erhalten

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      Durch Einsetzen der Daten erhalten wir mit M = 100 g mol–1

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      Übung 2-2

      Berechnen Sie die Differenz zwischen ΔH und ΔU, wenn1.0mol Zinnbei 1.0 MPa von der grauen Modifikation (Dichte 5.75 gcm–3) in die weiße Modifikation (Dichte 7.31gcm–3)umgewandelt wird (ΔH (298K) = +2.1kJ). [ΔH – ΔU = – 4.4J]

      Die Beziehung zwischen Innerer Energie und Enthalpie eines idealen Gases erhalten wir durch Einsetzen von pV = nRT in die Definition von H:

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      Daraus folgt, dass die Änderung der Enthalpie in einer Reaktion, bei der gasförmige Stoffe entstehen oder verbraucht werden, durch

      gegeben ist, wenn Δng die Änderung der Stoffmenge der an der Reaktion beteiligten Gase bezeichnet.

      Ein praktisches Beispiel

      Bei der Reaktion 2 H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) werden 3 mol gasförmiger Stoffe zu 2 mol Flüssigkeit umgesetzt; folglich ist Δng =–3 mol. Bei 298 K (RT = 2.48 kJ mol–1) ist der Zusammenhang zwischen den Änderungen von Enthalpie und Innerer Energie während dieses Prozesses gegeben durch

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      Die Differenz ist nun von der Größenordnung Kilojoule, nicht Joule wie in Beispiel 2-2! Die Enthalpieänderung ist geringer (ihr Betrag ist kleiner) als die Änderung der Inneren Energie: Zwar wird während der Reaktion Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben; da sich durch die Bildung der Flüssigkeit aber das Volumen verkleinert, wird dem System wieder Energie aus der Umgebung zugeführt.

      Beispiel 2-3 Die Berechnung von Enthalpieänderungen

      Wasser wird bei einem Druck von 0.1 MPa (1 bar) zum Sieden erhitzt. Wenn ein Strom von 0.5 A aus einer 12-V-Batterie 300 s lang durch eine elektrische Widerstandsheizung fließt, verdampfen 0.798 g Wasser. Wie groß sind die Änderungen der molaren Inneren Energie und der Enthalpie am Siedepunkt (373.15 K)?

      Antwort Die gesuchte Enthalpieänderung ist

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      dabei haben wir 1 AVs = 1J benutzt. 0.798 g Wasser sind (0.798 g)/(18.02g mol–1) = (0.798/18.02) mol H2O; die molare Verdampfungsenthalpie ist dann

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      Für den Prozess H2O(l) → H2O(g) ist die Änderung der Stoffmenge der gasförmigen Produkte Δng = + 1mol; damit ergibt sich

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      Die Änderung der Inneren Energie ist kleiner ist als die der Enthalpie, weil bei der Ausdehnung der verdampfenden Substanz Volumenarbeit gegen den Atmosphärendruck verrichtet wurde.

      Übung