Was ist Enthalpie?

Die Enthalpie (griechisch: en=darin; thalpos=Wärme) ist der Energiegehalt eines thermodynamischen Systems. Abgeleitet vom englischen Begriff heat content wird die Enthalpie durch das Formelzeichen H symbolisiert und auch als Wärmeinhalt bezeichnet. Die Enthalpie ist eine Energieform und wird entsprechend in Joule angegeben. Ihr Wert kann nicht direkt gemessen werden.


Lediglich Enthalpieänderungen sind messbar. Die Enthalpie setzt sich als Zustandsfunktion additiv aus Innerer Energie U und dem Produkt aus Druck p und Volumen V zusammen:

H = U + p*V
Die Änderung der Enthalpie ergibt sich demnach als:
ΔH = ΔU + pΔV + VΔp

Reaktionsenthalpie

Die meisten chemischen Reaktionen sind isobare Vorgänge, d. h. sie verlaufen bei konstantem Druck (Δp = 0). Für die Reaktionsenthalpie ΔH gilt daher:
ΔH = ΔU + pΔV
Die Reaktionsenthalpie ist die Energie, die bei der Bildung chemischer Bindungen freigesetzt oder verbraucht wird.

Eine chemische Reaktion heißt exotherm, wenn die zugehörige Reaktionsenthalpie negativ ist und entsprechend Energie frei wird. Eine chemische Reaktion heißt endotherm, wenn die zugehörige Raktionsenthalpie positiv ist und entsprechend Energie verbraucht wird.
Für Reaktionen die unter Standardbedingungen (1,013 bar; 1 mol/l; 298,15 K; ideales Gasverhalten; reine Phasen) ablaufen, wird die Reaktionsenthalpie ΔH durch die Standardreaktionsenthalpie ΔH0 ersetzt. Letztere lässt sich mithilfe von tabellierten Standardbildungsenthalpien berechnen. Beispiele für Standardbildungsenthalpien ΔHf0:

Verbindung Standardbildungsenthalpie ΔHf0 in kJ/mol
Ammoniak (g) -46,1
Kohlenmonoxid (g) -110,6
Natriumchlorid (s) -411,12
Schwefelsäure (l) -814
Stickstoffdioxid (g) 33
Wasser (l) -286

Bedeutung der Enthalpie für chemische Prozesse

Die Enthalpie spielt in der Thermochemie eine zentrale Rolle. Schließlich können Reaktionen mit ihrer Hilfe energetisch beschrieben werden. Außerdem kann durch die Enthalpie bestimmt werden, ob eine chemische Reaktion endo- oder exotherm verläuft. Chemische Prozesse sind häufig in Teilreaktionen zerlegbar, wobei den einzelnen Teilreaktionen entsprechende Teilenthalpien zugewiesen werden können. Man unterscheidet beispielsweise:

  • Kristallisationsenthalpie
  • Gitterenthalpie
  • Solvatationsenthalpie
  • Schmelzenthalpie
  • Verdampfungsenthalpie
  • Sublimationsenthalpie

Durch die Aufspaltung der Reaktion in Teilschritte ist der Prozess energetisch genauer beschreibbar. So verknüpft beispielsweise der Born-Haber-Kreisprozess die verschiedenen Enthalpien. Sind alle Zustandsgrößen bis auf eine bekannt, so kann die Fehlende berechnet werden. Mithilfe des Born-Haber-Kreisprozesses ist es möglich, die Stabilität von bisher nicht synthetisierten Verbindungen vorauszusagen und die Ionenbindung in Kristallen quantitativ zu bestimmen.

Des Weiteren kommt die Enthalpie auch in Form der Änderung der Freien Enthalpie ΔG (Gibbs-Energie) zum Einsatz, um zu bestimmen, ob eine Reaktion thermodynamisch günstig (exergon) oder ungünstig (endergon) ist.

Wenn sich zwei treffen, kann es funken – Energieumsatz bei chemischen Reaktionen

Jede chemische Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden. Er kann als Wärme-, Strahlungs- oder elektrische Energie auftreten.

Enthalpie – Was ist das?

Misst man die Energieumsätze von chemischen Reaktionen bei konstanten Druck, bezeichnet man sie als Enthalpie. Aus dem griechischen enthalpein, bedeutet heizen.
Das Symbol dafür ist H, die übliche Einheit ist kj/mol.

Bildungsenthalpie

Das Energieniveau eines Stoffes wird durch seine Bildungsenthalpie angegeben. Bei den Elementen ist die Bildungsenthalpie mit 0 festgelegt. Bei Verbindungen ist sie jene Energie, die bei der Bildung der Verbindung aus den Elementen umgesetzt wird. Die Bildungsenthalpie eines Stoffes ist für ihn ein charakteristischer Wert, so wie der Siedepunkt oder Schmelzpunkt.

Reaktionsenthalpie

Die Differenz zwischen den Summen der Energieniveaus von Endstoffen und Ausgangsstoffen einer Reaktion bezeichnet man als Reaktionsenthalpie.

Kennt man die Bildungsenthalpien aller beteiligten Stoffe, so kann man die Reaktionsenthalpie einer Reaktion im Vorhinein berechnen. Dieser Zusammenhang ist nur eine von vielen möglichen Formulierungen des Energieerhaltungssatzes. Die praktische Nutzung freigesetzter Reaktionswärme findet vor allem bei Verbrennungen statt.

Dabei spielt der Heizwert von Brennstoffen eine wichtige Rolle. Er gibt an, wie viel Enthalpie bei der Verbrennung von einem Kilogramm, oder von einem Kubikmeter bei Gasen, Brennstoffen erhalten wird. Bei exothermen Reaktionen wird Energie, vor allem als Wärmeenergie, frei. Diese Energie wird an die Umgebung abgegeben. Die Endstoffe haben weniger Energiegehalt als die Ausgangsstoffe. Die Bindungen zwischen den Teilchen werden insgesamt fester.

Enthalpie in einem offenen System

In einem offenen System bestimmen zwei Größen, ob eine Reaktion spontan, freiwillig abläuft oder nicht: Die Reaktionsenthalpie und die Reaktionsentropie.
Verläuft eine Reaktion unter Enthalpieabnahme und Entropiezunahme, kann sie spontan stattfinden. In der Natur sind Zustände mit hoher Entropie bevorzugt.

Wird im Verlauf einer Reaktion dagegen die Enthalpie größer und die Entropie kleiner, muss die Energiezufuhr erzwungen werden. Zugeführte Energie stammt meist aus der Umgebung. Dann ist das System aber nicht mehr geschlossen, sondern offen. Aber auch in einem geschlossenen System kann eine endotherme Reaktion stattfinden. Die notwendige Enthalpie wird aus der kinetischen Energie der reagierenden Teilchen oder deren Lösungsmittel entnommen. Das hat zur Folge, dass sich das System von selbst abkühlt.

Lebende Organismen nutzen exergone Prozesse besonders gut aus. Sie speichern anfallende Energie als Bindungsenergie in energiereichen Verbindungen.

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