Chemische Prozesse werden durch Energie oder meistens durch Enthalpie angetrieben. Eine Reaktion findet statt, wenn die Enthalpie H dabei verringert wird, das heißt, wenn die Differenz Enthalpie(nachher) – Enthalpie(vorher) negativ ist.

H = HProdukte - HSubstrate

Enthalpie ? ? ? ?

Wieso nicht Energie ? ? ? ? ? ? ? ?

Was ist der Unterschied ?

---- 2m vorher

nachher 0.5m ----

Höhe = 0.5m – 2m

= negativ !

Ein Ball rollt freiwillig immer hinunter, nie hinauf:

Die folgende Präsentation illustriert die Teilkapitel 5.2 bis 5.4. aus dem Buch „Chemie verstehen“ (Wawra/Dolznig/Müllner).

Da die Texte teilweise übereinander gelegt sind, muss man im Power-Point auf schalten, um alle Texte und Animationen sehen zu können.

Viel Vergnügen.

Edgar Wawra

Bildschirm-Präsentationen

100°C100°C99°C99°C

100°C100°C

100°C100°C

UInnere Energie

H=U + p.vEnthalpie

v

v

Druck

Der Unterschied ist sehr gering bei Flüssigkeiten, aber groß bei Gasen!

v = konstantp = konstant

Im normalen Leben haben wir meistens offene Systeme unter konstantem Druck, daher sollten wir den Ausdruck Enthalpie verwenden.

Beides, innere Energie und Enthalpie sind Formen von Energie!

Sie wollen eine Flasche Wein erhitzen, um Glühwein daraus zu machen. Also erhitzen wir die Flasche bis sie 100°C hat, damit haben wir Energie – in Form von Wärme – hineingesteckt, die innere Energie U der Flasche hat zugenommen.

Das ist allerdings eine ungewöhnliche Methode. Vernünftiger wäre es, den Wein in einen Topf zu leeren und offen zu erhitzen. Dann dehnt sich der Wein beim Erhitzen aber aus, dabei muss die Volumsvermehrung V gegen den äußeren Druck p erfolgen, das braucht daher mehr Energie. Diese höhere Gesamtenergie nennt man Enthalpie H.

Den Unterschied könnte man auch erkennen, wenn man die geschlossene Flasche – von vorher – öffnet. (Aufpassen, heiß, sie hat immer noch 100°C, und steht jetzt unter erhöhtem Druck.) Dann wird sich der Wein sofort ausdehnen, und er benötigt dazu Energie, der Wein wird sich daher bei dieser Ausdehnung etwas abkühlen.

Es gibt jedoch neben Energie noch eine zweite Größe, die die Richtung einer Reaktion beeinflusst:

Entropie

Ordnung Unordnung

Information Desinformation

niedrige Wahrscheinlichkeit hohe

niedrig hoch

Geht freiwillig immer nur in eine Richtung !!!

Im Gegensatz zu Enthalpie, die ein Minimum erreichen will, strebt Entropie in Richtung Maximum, will also immer größer werden.

Entropie niedrig hoch

Geht freiwillig immer nur in eine Richtung !!!

Entropie niedrig hoch

Ein anderes Beispiel: Sie haben sich am Abend besonders schön gekämmt:Aber, nachdem Sie im Bett waren, sind Ihre Haare am nächsten Morgen in Unordnung!Die Entropie Ihrer Haare hat – ganz von selbst – zugenommen.

Dabei gab es keine Änderung der Energie, nichts würde dagegen sprechen, dass Sie ungekämmt schlafen gehen, und am nächsten Morgen mit perfekter Frisur erwachen. Doch die Entropie lässt das nicht zu.

Um Ihre Haare wieder in Form zu bringen müssen Sie Energie – in Form von Muskelarbeit – investieren, während Sie sich kämmen.

Der Grund: ganz wenige, geordnete Zustände konkurrieren mit einer enormen Anzahl ungeordneter. Es ist praktisch ausgeschlossen, dass von selbst – durch Zufall – ein geordneter Zustand entsteht.

Und Ihre Haare sind umso mehr in Unordnung, je mehr Sie sich im Bett bewegt haben. Das entspricht auf molekularer Basis der Bewegung der Moleküle = der Wärme. Die Entropie S ist umso mächtiger, je höher die Temperatur ist.

G = H S- T. Deshalb wird die Änderung der Entropie

mit der Temperatur (in Kelvin !!!) multipliziert

… und mit der Enthalpie gekoppelt

Entropie geht in die andere Richtung

als Enthalpie, daher das Minus

Das ergibt eine neue Größe, die

freie Enthalpiewird in schlampigen Übersetzungen aus dem Englischen häufig auch als freie Energie bezeichnet.

Entropie multipliziert mit der Temperatur hat die Dimension einer Energie.

G = H - T.S

H

S

ST.-G

Spontan

will sinken

will steigen

will sinkenwill sinken

Eine chemische Reaktion verläuft nur so lange, als G sinkt,

Die Reaktion kann entweder durch eine Abnahme von H,oder durch eine Zunahme von S angetrieben werden.

und endet wenn G sein Minimum erreicht hat.

sinken Das Minus dreht die Richtung um

Das soll eine ganz einfache Gleichung zeigen: A B

A

B

H

S

G

A

A B

B

rein

Mischung

rein

Mischung

rein

rein

Die Enthalpie geht in einer Geraden von A nach B.

Die Entropie hat das Maximum in der Mischung und zeigt Minima bei reinem A oder reinem B.

Die freie Enthalpie ist die Kombination beider, mit dem tiefsten Punkt zwischen reinem A und reinem B, aber näher dem – energieärmeren – B.

An diesem Punkt ist das chemische Gleichgewicht erreicht, hier gilt das Massenwirkungsgesetz.

Wir machen jetzt ein Diagramm des Reaktionsverlaufes, ganz links ist nur A, nach rechts nimmt A ab und B wird mehr, bis ganz rechts nur reines B steht.Die Ordinate zeigt uns nacheinander die Werte von H, S und G.

Wir können jetzt die Enthalpie herunterziehen.Und jetzt ziehen wir die Entropie herunter, drehen sie aber um (weil minus):

Die Addition aus beiden ergibt die freie Enthalpie.

AG B

Jede beliebige Mischung

von beiden Seiten

wird diesen Punkt erreichen wollen.

Das soll eine ganz einfache Gleichung zeigen: A B

An diesem Punkt ist das chemische Gleichgewicht erreicht, hier gilt das Massenwirkungsgesetz.

Ende der Präsentation