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Energie und chemische Reaktionen Fachdidaktik Chemie 27. Mai 2016 Hansruedi Dütsch

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Präsentation zum Thema: "Energie und chemische Reaktionen Fachdidaktik Chemie 27. Mai 2016 Hansruedi Dütsch"—  Präsentation transkript:

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2 Energie und chemische Reaktionen Fachdidaktik Chemie 27. Mai 2016 Hansruedi Dütsch

3 Energie und chemische Reaktionen

4 Formulieren Sie die Ihrer Meinung nach zwei wichtigsten Lernziele dieses Kapitels. Die SchülerInnen können erklären, warum bei vielen chemischen Reaktionen Energie (in Form von Wärme) freigesetzt wird. Die SchülerInnen kennen die Gesetzmässigkeiten, die bestimmen, ob eine chemische Reaktion spontan abläuft und sie können diese anwenden.

5 Thermodynamik in der Schule? +fundamental (2 Hauptsätze) +Grundlage für andere Themen +historisch interessant +interdisziplinär -schwierige Begriffe (Wärme, Temperatur, Energie, Entropie, spontan,...) -mathematisch -abstrakt

6 Energieumwandlung CH 4 chemische Energie Wärme Kinetische Energie

7 1. Hauptsatz Die Energie in einem abgeschlossenen System ist konstant. Energie kann nicht erschaffen oder vernichtet, sondern nur umgewandelt werden.

8 Warum wird es warm wenn Stoffe verbrennen? O O H-H + H-H + O=O + HHHH 2H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g) 4H. 2O: E Aufwand E Ertrag E Aufwand = 2 E (H-H) + E (O=O) = 1370 kJ E Ertrag = 4 E (O-H) = 1852 kJ ΔE = E Aufwand - E Ertrag = -482 kJ = -241 kJ/mol H 2 O E 2H 2 + O 2 2 H 2 O -482 kJ

9 Messung der Reaktionswärme 2H 2 + O 2  2 H 2 O Messung im Kalorimeter: -285 kJ/mol H 2 O Berechnung aus Bindungsenergien:-241 kJ/mol H 2 O Differenz: - 44 kJ/mol H 2 O ? Kalorimeter H 2 O flüssig

10 Enthalpie Bei chemischen Reaktionen ändern nicht nur Bindungen, sondern auch zwischenmolekulare Beziehungen, etc. Enthalpie H ‚chemische Energie‘ Reaktionsenthalpie ΔH, ΔH = H (Produkte) – H(Edukte)

11 Laborversuche: Messung der Reaktionsenthalpie Fe + S FeS Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+

12 Reaktionen verlaufen exotherm, wenn aus Molekülen mit unpolaren (schwachen) Bindungen, Moleküle mit polaren (starken) Bindungen entstehen. welche Reaktionen verlaufen exotherm? H C H H H + O = O O = C = O + HH O + HH O O = O unpolare Bindungen schwache Bindungen polare Bindungen starke Bindungen

13 A B δ+ X Y δ- polare Bindungen sind stark unpolare Bindung EN (A) ≅ EN (B) polare Bindung EN (Y) > EN (X) Zusammenhalt durch gemeinsame Elektronenwolke + Anziehung der Pole

14 =0 (def.) 2H 2 + O 2  2 H 2 O (g) ΔQ Kalorimeter = ΔH = 2H (H 2 O) - 2H (H 2 ) - H (O 2 ) H (H 2 O) = = -242 kJ/mol C + O 2  CO 2 ΔH = H (CO 2 ) - H (O 2 ) - H (C) H (CO 2 ) = ΔQ = kJ/mol Wie gross ist die Enthalpie von Stoffen? =0 (def.)

15 CH 4 + 2O 2  2 H 2 O + CO 2 ΔH = 2H (H 2 O) + H (CO 2 ) - 2H (O 2 ) - H (CH 4 ) = ΔQ H (CH 4 ) = - 75 kJ/mol Enthalpie von Stoffen H

16 Welche Vorgänge laufen spontan ab? ΔQ spontan E pot 1.Hauptsatz: ΔE pot + ΔQ = 0 ΔE pot = - ΔQ exotherm

17 Welche Vorgänge laufen spontan ab? E pot ΔQ NIE 1.Hauptsatz: E pot + ΔQ = 0 E pot = - ΔQ endotherm

18 Prinzip von Berthelot 1878 Essai de Mecanique chimique: “Jede chemische Reaktion, die ohne Einfluss von äusserer Energie abläuft, ist bestrebt, den Körper oder das System von Körpern zu bilden, die am meisten Wärme freisetzen.” „Reaktionen, die spontan ablaufen, sind exotherm (ΔH < 0).“

19 Überprüfung: Ether verdampft spontan auf der Haut,  Abkühlung Ammoniumchlorid löst sich spontan in H 2 O  Abkühlung Ba(OH) 2 reagiert spontan mit NH 4 SCN  Abkühlung etc.

20 Prinzip von Berthelot 1878 Essai de Mecanique chimique: “Jede chemische Reaktion, die ohne Einfluss von äusserer Energie abläuft, ist bestrebt, den Körper oder das System von Körpern zu bilden, die am meisten Wärme freisetzen.” „Reaktionen, die spontan abläufen, müssen exotherm (ΔH < 0) sein.“

21 Bei spontanen Vorgängen nimmt die Entropie S in einem abgeschlossenen System zu. S = oder ΔS = > O spontan 2. Hauptsatz

22 fallende oder steigende Kittkugel? E pot ΔQ spontan 1.Hauptsatz: ΔE pot + ΔQ = 0 ΔQ > 0 2. Hauptsatz: ΔS = > 0 T

23 1.Hauptsatz: ΔE pot + ΔQ = 0 ΔQ < 0 fallende oder steigende Kittkugel? E pot ΔQ NIE 2. Hauptsatz: ΔS = - < 0

24 Systeme offenes Systemgeschlossenes Systemabgeschlossenes System

25 Tt Isolation Wärmeaustausch 2. Hauptsatz: ΔS = + > 0 spontan ΔQ -ΔQ+ΔQ T > Temp > t 1.Hauptsatz: ΔQ T + ΔQ t = 0 -ΔQ T = ΔQ t = ΔQ

26 Tt Isolation Wärmeaustausch 2. Hauptsatz: ΔS = + < 0 nicht spontan ΔQ ΔQ T -ΔQ t 1.Hauptsatz: ΔQ T + ΔQ t = 0 ΔQ T = -ΔQ t T t

27 chemische Reaktion 1.Hauptsatz -ΔQ Reakt = ΔQ Umg ΔQ Umg = -ΔH 2. Hauptsatz: ΔS tot = ΔS Umg + ΔS Reakt = + (S Prod – S Ed ) isolier A B ΔQ Umgebung T=konst. Isolation ΔS tot = + ΔS

28 Wie gross ist die Entropie von Stoffen? S = Σ ΔS

29 - ΔH [kJ/K] T Ein Beispiel positiv, günstig ΔH [kJ] NH 3 (g) + HCl(g) NH 4 Cl(s) VoraussageBerechnung < 0, exotherm Moleküle  Ionengitter <0, ungünstig Ordnung im Ionengitter ΔS [kJ/K] ΔS total [kJ/K] keine Voraussage möglich -176 exotherm, günstig günstig ungünstig spontan endotherm ungünstig ungünstig günstig nicht spontan

30 Temperaturabhängigkeit ΔS tot = + ΔS = 0 T* = = = 619 K ≈ 350 °C Bei welcher Temperatur T* ist die Reaktion weder spontan noch nicht-spontan?

31 Das Experiment NH 3 (g) T>350°C: NH 4 Cl(s)  NH 3 (g) + HCl (g) T<350°C: NH 3 (g) + HCl (g)  NH 4 Cl(s) NH 3 (g) HCl (g) NH 4 Cl NH 4 Cl(s)

32 „Entropie und Enthalpie, Ordnung und Energie, sind die zwei Faktoren, die Reaktionsabläufe ermöglichen oder verhindern. Gibbs verknüpfte daher 1893 Enthalpie und Entropie zu einer neuen Funktion G, der freien Enthalpie.“ ΔG = ΔH - TΔS ΔG > 0 nicht spontan ΔG < 0 spontan „ Günstig für den Ablauf einer Reaktion ist es also, wenn nach dem Prinzip des Energieminimums ΔH 0. “ Schroedel, Chemie heute Gibbs Helmholtz Gleichung

33 ΔS tot = + ΔS = 0 -T ΔS tot = ΔH - TΔS ΔG = ΔH - TΔS ΔG > 0 nicht spontan ΔG < 0 spontan Achtung: G enthält implizit die Temperatur als Variable! Gibbs-Helmholtz-Gleichung × −T

34 Du sollst nicht alles glauben! Textauszüge aus einigen Lehrbüchern Soll eine Reaktion freiwillig ablaufen, muss dabei Energie frei werden. In den mei- sten Fällen ist diese Energie in Form von Wärme (Reaktionswärme) vorzufinden. Der Gibbs-Helmholtzsche Satz beschreibt die alltägliche Erfahrung, dass die tatsächlich verfügbare Energie ΔG immer etwas kleiner ist als die theoretisch mögliche Menge an freigesetzter Reaktionsenergie ΔH, da immer einiges (ausgedrückt durch T · ΔS) durch Reibungsverluste (metastabile Systeme!), durch entstehende Unordnung oder durch elektrochemische Überspannungseffekte verloren geht. Reaktionen sind spontan, wenn ΔH R sehr klein ist, wenn viel Energie abgegeben wird (Prinzip des Energieminimums) wenn ΔS R sehr groß ist, wenn Systeme großer Unordnung entstehen, zum Beispiel bei Gasen (Prinzip des Entropiemaximums). Alles natürliche Geschehen wird regiert einerseits vom Bestreben nach Abnahme der Energie, anderseits nach Zunahme der Entropie.

35 Temperatur und Spontaneität

36 Entropie anschaulich: Würfelexperiment Aufgabe:Würfeln Sie während drei Minuten möglichst oft mit drei Würfeln. Notieren Sie in einer Tabelle, wie oft Sie jede mögliche Würfelsumme (3 bis 18) erreichen.

37 Würfelexperiment

38 Resultat Einzelne Würfelsummen werden viel häufiger gewürfelt als andere! Würfelsumme 10: sehr häufig Würfelsumme 3: sehr selten Realisierungsmöglichkeit27 Realisierungsmöglichkeiten

39 Würfelexperiment Zustände, die sich auf viele verschiedene Arten realisieren lassen, sind wahrscheinlicher und treten häufiger auf als Zustände, die sich nur auf wenige Arten realisieren lassen

40 Lösen eines Salzes NaCl (S)Na + (aq) + Cl - (aq) ΔH = +4 kJ/mol ΔS = +139 J/K mol starke Zunahme der Entropie

41 lösen Lösen eines Salzes fest tiefe Entropie ‚eine‘ Realisierungsmöglichkeit unwahrscheinlich geordnet gelöst hohe Entropie viele Realisierungsmöglichkeiten wahrscheinlich ungeordnet Die Entropie nimmt zu, wenn aus unwahrscheinlichen / geordneten Zuständen wahrscheinlichere / ungeordnetere Zustände entstehen.

42 Kristalle 4 von 126 Anordnungen sind ‚Kristalle‘

43 flüssig fest wenige Teilchen wenige ‚Teilchen‘ Die Entropie nimmt zu gasförmig flüssig gasförmig gelöst viele Teilchen flüssig Die Ordnung nimmt zu

44 Was bedeutet „spontan“? A + B C + D G G G ΔG<0 spontan AE < AE K > 1 Gl.gew. rechts ΔG=0 spontan AE = AE K = 1 Gl.gew. ausgeglichen ΔG>0 spontan AE < AE K < 1 Gl.gew. rechts

45 Gleichgewicht: kinetische Herleitung AE RG = RG k [A][B] = k [C][D] K = = [C][D] [A][B] k k

46 Gleichgewicht und Thermodynamik A B

47 ‚Energie‘ 0 △ H exotherm A B

48 Gleichgewicht und Thermodynamik ‚Energie‘ 0 A B H

49 Gleichgewicht und Thermodynamik ‚Energie‘ 0

50 Mischungsentropie

51 x1x1

52 Gleichgewicht und Thermodynamik ‚Energie‘ 0

53 Gleichgewicht und Thermodynamik ‚Energie‘ 0

54 Gleichgewicht und Thermodynamik ∆ G < 0 spontan

55 Kin.Energie Chem. Energie (Öl, Gas, Kohle) Erzeugung elektrischer Energie Wärme el.Energie

56 Erzeugung elektrischer Energie Kin.Energie Chem. Energie (Öl, Gas, Kohle) Abwärme 60% 40% Wärme el.Energie

57 Wärmekraftmaschinen 2. Hauptsatz: ΔS = < 0 1.Hauptsatz: - Δ Q T + A = 0 A = ΔQ T Wärmequelle T Maschine Arbeit A -ΔQ T Diese Maschine verstösst gegen den 2. Hauptsatz

58 Wärmekraftmaschinen 1.Hauptsatz: - ΔQ T +ΔQ t + A = 0 A = ΔQ T – ΔQ t Wärmequelle T Maschine Arbeit A -ΔQ T Wärmeabfluss t ΔQ t 2. Hauptsatz:

59 1.Hauptsatz: - ΔQ T +ΔQ t + A = 0 A = ΔQ T – ΔQ t = ΔQ T - ΔQ T Erzeugung elektrischer Energie 2. Hauptsatz: Wirkungsgrad η η = = (ΔQ T - ΔQ T ) = 1 - T = 350 °C = 620 K t = 100 °C = 373 K Beispiel η = 1- = 0.38 = 38% Abwärme ΔQ t = 62 % Arbeit A = 38 % ΔQ t = ΔQ T

60 Redoxreaktion: Brennstoffzelle Erzeugung elektrischer Energie Kin.Energie Chem. Energie (Öl, Gas, Kohle) Abwärme 60% 40% Wärme el.Energie

61 einige Aufgaben Vergleichen Sie die Wirkung der Brennstoffe Kohle, Erdgas (CH 4 ) und Erdöl (C 9 H 20 ) in Bezug auf die Förderung der Klimaerwärmung durch CO 2. Vergleichen Sie qualitativ (d.h. ohne Berechnungen) den ‚Kaloriengehalt‘ (Verbrennung mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid) von Zucker (Glukose) und Fett aufgrund ihrer molekularen Struktur. In einer modernen Heizung werden die Abgase im Heizkessel soweit abgekühlt, dass das bei der Verbrennung entstehende Wasser kondensiert (Kondensationskessel). Warum? Berechnen Sie für eine Erdgasheizung (Methan, CH 4 ) welche prozentuale Einsparung dieser Prozess bringt. Fett Glukose

62 einige Aufgaben Wieviele Liter Wasser kann man mit einer Kartusche eines Gaskochers (190 g Butan) theoretisch zum Kochen bringen. Treffen Sie notwendige Annahmen und suchen Sie allenfalls fehlende Angaben im Internet. Überprüfen Sie, ob die in der nebenstehenden Werbung gemachten Angaben bezüglich Treibstoffverbrauch und CO 2 -Ausstoss plausibel sind. Annahme: Benzin = Octan, C 8 H 18

63 Literatur Peter. W. Atkins Wärme und Bewegung. Die Welt zwischen Ordnung und Chaos. Spektrum der Wissenschaften, 1986 Peter. W. Atkins, J.A. Beran Chemie einfach alles. Wiley - VCH, 1998 Peter. W. Atkins, Galileo's Finger: The Ten Great Ideas of Science, Oxford University Press 2003 Peter. W. Atkins, Chemie des Wandels, Spektrum Akademischer Verlag, 1991 Gareth Price, Thermodynamics of Chemical Processes, Oxford University Press 1998 Werner Känzig, Wärmelehre, vdf, 1992


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