Thermochemie in Abiturprüfungen
Die Thermochemie ist ein Teilgebiet der allgemeinen Chemie, das die Wärmetöne chemischer Reaktionen untersucht. Im Chemie-Abitur ist sie vor allem in Aufgabe 27 vertreten, wo drei typische Aufgabenprototypen vorkommen. All diese lassen sich auf die Gegenüberstellung von Reaktionswärme (oder Enthalpie, wie diese Größe im Universitätsstudium genannt wird) und Stoffmengen der Reaktionspartner sowie der Reaktionsprodukte zurückführen.
Die reale Thermochemie beschränkt sich jedoch nicht auf solche proportionalen Berechnungen. Ihre Hauptaufgabe ist es, die Reaktionswärme chemischer Reaktionen mit verschiedenen Methoden zu bestimmen, darunter auch indirekten. Dies ist von enormer praktischer Bedeutung: Die bei der Verbrennung von Brennstoffen (z. B. Methan bei der Reaktion mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser) freigesetzte Energie wird in der Energiewirtschaft und im Transportwesen aktiv genutzt. Methanbrennstoff gilt gerade wegen der bekannten thermochemischen Eigenschaften seiner Verbrennungsreaktion als ökologisch sauberer im Vergleich zu Erdölprodukten.
Enthalpie und die Persönlichkeit von G. I. Hess
Enthalpie (symbolisiert als H) ist eine thermodynamische Zustandsgröße, die den Wärmeinhalt des Systems charakterisiert. Die Enthalpieänderung ΔH im Laufe einer Reaktion ist zahlenmäßig gleich dem Wärmeton bei konstantem Druck, hat jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen: für exotherme Prozesse gilt ΔH < 0, für endotherme ΔH > 0.
Hermann Heinrich Hess (Gaddij/Russisches Kaiserreich) war ein russischer Wissenschaftler schweizerischer Herkunft und Untertan des Russischen Kaiserreichs. Er leitete geologische Erkundungsexpeditionen in Irkutsk, lehrte am Technologie- und am Berginstitut in St. Petersburg und war ärztlich tätig. Neben der Entdeckung des Gesetzes der Konstanz der Wärmesummen stellte Hess die erste russische chemische Nomenklatur auf und erfand das Alkohometer; es gab den Begriff der „Hess-Grade“ als Maß für die Konzentration von Alkohollösungen.
Hesssches Gesetz
Das Hesssche Gesetz wird wie folgt formuliert: Der Wärmeton einer chemischen Reaktion hängt nur vom Anfangs- und Endzustand des Systems ab und ist unabhängig vom Weg, den die Reaktion nimmt, vorausgesetzt der Druck (oder das Volumen) bleibt konstant.
Metaphorisch lässt sich dies wie das Besteigen eines Berges darstellen: Man kann direkt nach oben gehen oder den Serpentinenweg nehmen – der subjektive Kraftaufwand ist unterschiedlich, aber der Höhenunterschied zwischen Fuß und Gipfel ist derselbe. Für eine chemische Reaktion ist im Wesentlichen nur wichtig, welche Edukte eingesetzt und welche Produkte erhalten wurden; Zwischenstufen beeinflussen den Wert von ΔH nicht.
Wichtige Folgerungen:
- ΔH von Hin- und Rückreaktion sind betragsgleich und haben entgegengesetzte Vorzeichen.
- Eine Reaktion kann als Summe mehrerer Stufen dargestellt werden, und das gesamte ΔH ist gleich der algebraischen Summe der Enthalpien dieser Stufen.
- Das Gesetz ermöglicht die Berechnung von Reaktionswärmen, die experimentell nicht oder nur schwer messbar sind.
Anwendung des Hessschen Gesetzes: Die Aufgabe zur Phosgenverbrennung
Es soll der Wärmeton der Verbrennungsreaktion von Phosgen (COCl₂) zu Kohlenstoffdioxid und Chlor bestimmt werden. Eine direkte Messung ist schwierig, aber zwei Reaktionen sind bekannt: die Phosgenzersetzung und die Zersetzung von Kohlenstoffdioxid mit ihren jeweiligen ΔH-Werten.
Lösungsalgorithmus:
- Die Zielreaktion und zwei Hilfsreaktionen aufstellen.
- Die zweite Reaktion (Zersetzung von CO₂) umkehren, da CO₂ in der Zielreaktion ein Produkt und kein Edukt ist. Bei der Umkehrung ändert sich das Vorzeichen von ΔH in das entgegengesetzte: aus +282,8 kJ wird −282,8 kJ.
- Die Gleichungen und die dazugehörigen Enthalpieänderungen addieren. Die erhaltene Summe ist das ΔH der Zielreaktion.
Auf diese Weise gelingt es über einen Umweg durch Zwischenprodukte (Kohlenmonoxid CO), den Wärmeton zu berechnen, der einer direkten Messung nicht zugänglich ist.
Thermochemie im Organismus und in der Ernährungslehre
Die Verbrennung von Glukose in einem Lagerfeuer und ihre Oxidation in einem lebendigen Organismus sind chemisch identische Prozesse: gleiche Edukte (C₆H₁₂O₆ und O₂), gleiche Produkte (CO₂ und H₂O), gleiche stöchiometrische Koeffizienten. Der Unterschied liegt in der Kinetik: Im Lagerfeuer wird die Energie augenblicklich als Wärme freigesetzt, während der Prozess in der Zelle schrittweise verläuft, was es ermöglicht, Energie in Form von ATP-Molekülen und Reduktionsäquivalenten (NADH, FADH₂) zu speichern.
Gemäß dem Hessschen Gesetz ist der Summenwärmeton der Glukoseoxidation in beiden Fällen gleich. Genau aus diesem Grund wird der Kaloriengehalt von Nahrung durch Verbrennung des Produkts in einem Kalorimeter (einer Kalorimetriebombe) unter Messung der freigesetzten Wärme bestimmt. Auf Basis solcher Messungen wurden Tabellenwerte ermittelt: Kohlenhydrate liefern etwa 17,2 kJ pro Gramm, Fette etwa 38 kJ pro Gramm. Die Berechnung von Rationen in der Ernährungslehre stützt sich direkt auf thermochemische Daten und das Hesssche Gesetz, was den fundamentalen Zusammenhang der allgemeinen Chemie mit Medizin und Physiologie demonstriert.
Schlüsselpunkte
- Die Enthalpie H ist eine Zustandsgröße; ΔH charakterisiert den Wärmeton einer Reaktion bei konstantem Druck.
- Hesssches Gesetz: Das ΔH einer Reaktion hängt nur vom Anfangs- und Endzustand ab und ist unabhängig vom Reaktionsweg.
- Beim Umkehren einer Reaktionsgleichung ändert sich das Vorzeichen von ΔH in das entgegengesetzte.
- Das Hesssche Gesetz ermöglicht die indirekte Berechnung von Wärmetönen über eine Kombination bekannter Reaktionen.
- G. I. Hess war ein heimischer Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts, Urheber des Gesetzes der Konstanz der Wärmesummen und der ersten russischen chemischen Nomenklatur.
- Die Oxidation von Glukose im Kalorimeter und in der Zelle ergibt das gleiche Summen-ΔH und unterscheidet sich lediglich in Mechanismus und Geschwindigkeit.
- Der Kaloriengehalt der Nahrung wird kalorimetrisch bestimmt, was eine direkte Anwendung des Hessschen Gesetzes in der Ernährungslehre darstellt.
- Die Thermochemie ist die Grundlage zum Verständnis von Bioenergetik und Stoffwechsel für Medizinstudenten.