Anorganische und allgemeine Chemie - Thermodynamik

Energie kann weder aus dem Nichts erzeugt werden noch verloren gehen.

1. Hauptsatz der Thermodynamik

In einer Reaktion müssen die Reaktionspartner einen Zustand hoher Energie (Übergangszustand) überwinden - die sogenannte Aktivierungsenergie. Umso höher die Aktivierungsenergie, desto langsamer ist die Reaktion.

Aktivierungsenergie

Das chemische Gleichgewicht ist ein Zustand, in dem die Gesamtreaktion ruhend erscheint, also keine Veränderungen erkennbar sind. Die äusserlich beobachtbare Reaktionsgeschwindigkeit ist null. Trotzdem laufen die chemischen Reaktionen (Hin- und Rückreaktion) weiterhin ab, und zwar gleich schnell in beide Richtungen.

Chemisches Gleichgewicht

Ein Mass für die Ordnung eines Systems; Einheit: J/K*mol; K=Kelvin delta S > 0 Unordnung nimmt zu, Ordnung nimmt ab; spontan delta S < 0 Unordnung nimmt ab, Ordnung nimmt zu; nicht spontan

Entropie

Wärme: thermische Energie, Eigenbewegung molekularer Teilchen Chemische Energie: in chemischen Substanzen gespeicherte Energie Elektromagnetische Strahlung: Licht (Leuchten einer Flamme, Photosynthese) Elektrische Energie Mechanische Energie: kinetische und potentielle Energie Einheit: Joule (J)

Formen der Energie

Durch das Koppeln einer endergonen (nicht spontan) Reaktion mit einer ausreichend exergonen (spontan) Reaktion wird die Gesamtreaktion exergon und kann somit spontan ablaufen.

Gekoppelte Reaktionen

Durch Kombination der Enthalpie und Entropie in der GIbbs-Helmholtzgleichung können wir bezüglich jeder Reaktion eine Aussage machen, ob sie spontan abläuft oder nicht. delta G = delta H - T*delta S delta G < 0 Reaktion läuft spontan ab, exergonische Reaktion delta G > 0 Reaktion läuft nicht spontan ab, endergonische Reaktion delta G = 0 Reaktion befindet sich im Gleichgewicht

Gibbs-Helmholtzgleichung/Gibbsenergie/die freie Energie

Die Gleichgewichtskonsante K ist charakteristisch für eine bestimmte Reaktion. Liegen die Edukte und Produkte der Reaktion in dem durch die GLeichgewichtskonstante gegebenen Verhältnis vor, so befindet sich die Reaktion im chemischen Gleichgewicht. Sie ist konzentrationsunabhängig und temperaturABhängig. Findet die Reaktion in der Gasphase statt wird die GLeichgewichtskonstante statt mit Konzentrationen mit Partialdrücken formuliert.

Gleichgewichtskonstante

Übt man auf ein System, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, einen Zwang durch Änderung der äusseren Bedingungen aus, so stellt sich infolge dieser Störung des Gleichgewichts ein neues Gleichgewicht, dem Zwang ausweichend, ein.

Prinzip des kleinsten Zwanges/von Le Chatelier

Umso höher die Reaktionstemperatur, desto schneller die Reaktion. Eine Reaktionstemperaturerhöhung um 10 Grad Celsius führt zu einer 2- bis 4-fachen Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit.

RGT-Regel

In diesem Falle reagieren zwei Edukte zu einem oder mehreren Produkten. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration der Ausgangsstoffe.

Reaktion zweiter Ordnung

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist linear von der Konzentration des zerfallenden Stoffes abhängig. Hier handelt es sich um Eliminierungen oder radioaktive Zerfallsprozesse.

Reaktionen erster Ordnung

Derartige Reaktionen sind unabhängig von der Konzentrationen der Reaktanten. Dadurch ist die Reaktionsgeschwindigkeit konstant. Beispiele sind Enzymreaktionen wie der Abbau von Alkohol in der Leber.

Reaktionen nullter Ordnung

Reaktionswärme: Die von einer chemischen Reaktion bei konstantem Druck aufgenommene oder abgegebene Wärme nennt man Reaktionsenthalpie delta H in kJ/mol. Reaktionen die Wärme abgeben nennt man exotherm (delta H negativ) Reaktionen die Wärme aufnehmen nennt man endotherm (delta H positiv)

Reaktionsenthalpie

Mit der Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen und den Faktoren die sie beinflussen befasst sich die Reaktionskinetik.

Reaktionskinetik

Der Reaktionsquotient Q für eine chemische Reaktion ist gegeben als der Quotient der instanten (zur Zeit t) vorliegenden Aktivität der Stoffe. Im Falle des chemischen Gleichgewichts geht der Reaktionsquotient in die Gleichgewichtskonstante K über, die aus dem Massenwirkungsgesetz bekannt ist.

Reaktionsquotient

Die Reaktionsenthalpie hängt nur vom Anfangs- und Endzustand des Systems ab, nicht vom Reaktionsweg! Die Enthalpien der Einzelschritte verhalten sich additiv.

Satz von Hess

Bildung eines Moles des Produktes aus den Elementen in ihrer stabilsten Modifikation. Wird mit einem kleinen f für formation bei delta H gekennzeichnet.

Standardsbildungsenthalpie

Die Thermodynamik befasst sich mit der Energie (Zustandsgrössen) und Energieumwandlungen von chemischen Systemen. Die Thermodynamik erlaubt keine Aussage über die Geschwindigkeiten von chemischen Reaktionen, nur darüber in welche Richtung sie bevorzugt ablaufen.

Thermodynamik