6.6: Enthalpie

Chemiker verwenden normalerweise eine Eigenschaft, die als Enthalpie (H) bezeichnet wird, um die Thermodynamik chemischer und physikalischer Prozesse zu beschreiben. Enthalpie ist definiert als die Summe der inneren Energie (E) eines Systems und dem mathematischen Produkt aus Druck (P) und Volumen (V):

Enthalpie ist eine Zustandsfunktion. Enthalpiewerte für bestimmte Stoffe können nicht direkt gemessen werden; Es können nur Enthalpieänderungen für chemische oder physikalische Prozesse bestimmt werden. Für Prozesse, die bei konstantem Druck ablaufen (eine häufige Bedingung für viele chemische und physikalische Veränderungen), beträgt die Enthalpieänderung (ΔH):

Das Produkt von PΔV stellt die Arbeit (w) dar, nämlich Expansions- oder Druck-Volumen-Arbeit. Nach ihrer Definition sind die arithmetischen Vorzeichen von ΔV und w immer entgegengesetzt:

Wenn man diese Gleichung und die Definition der inneren Energie bei konstantem Druck (ΔE = q_p + w) in die Enthalpieänderungsgleichung einsetzt, erhält man:

wobei q_p die Reaktionswärme unter der Bedingung konstanten Drucks ist. 

Wenn also ein chemischer oder physikalischer Prozess bei konstantem Druck ausgeführt wird und die einzige verrichtete Arbeit durch Expansion oder Kontraktion zustande kommt (P-V-Arbeit), dann sind der Wärmefluss (q_p) und die Enthalpieänderung (ΔH) für den Prozess gleich.

Die beim Betrieb eines Bunsenbrenners abgegebene Wärme entspricht der Enthalpieänderung der Methanmoleküle während der Verbrennungsreaktion, da diese bei annähernd konstantem Druck der Atmosphäre stattfindet. Chemiker führen Experimente normalerweise unter normalen atmosphärischen Bedingungen und bei konstantem Außendruck mit q_p = ΔH durch, was die Enthalpie zur bequemsten Wahl für die Bestimmung von Wärmeänderungen bei chemischen Reaktionen macht.

Ein negativer Wert einer Enthalpieänderung, ΔH < 0, weist auf eine exotherme Reaktion hin (Wärmeabgabe an die Umgebung); Ein positiver Wert, ΔH > 0, weist auf eine endotherme Reaktion hin (aus der Umgebung aufgenommene Wärme). Wenn die Richtung einer chemischen Gleichung umgekehrt wird, ändert sich auch das Vorzeichen ihres ΔH (ein Prozess, der in einer Richtung endotherm ist, ist in der entgegengesetzten Richtung exotherm).

Konzeptionell repräsentieren sowohl ΔE (ein Maß für Wärme und Arbeit) als auch ΔH (ein Maß für Wärme bei konstantem Druck) Änderungen der Zustandsfunktion eines Systems. Bei Prozessen, bei denen die Volumenänderung ΔV klein ist (Schmelzen von Eis) sind ΔE und ΔH identisch. Wenn die Volumenänderung jedoch groß ist (Verdunstung von Wasser), ist auch die als Arbeit übertragene Energiemenge signifikant; somit haben ΔE und ΔH deutlich unterschiedliche Werte.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

Einige chemische Reaktionen geben enorme Wärme ab und führen Arbeiten an der Umgebung durch, wie die Verbrennung von Raketentreibstoff, die ein Raumschiff vom Boden abhebt. Die Summe von Wärme, q, und Arbeit, w, ist die Veränderung in innerer Energie, ΔE wie in dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik angegeben. Für chemische Reaktionen mit Gasen, die bei atmosphärischem Druck auftreten, ist die geleistete Arbeit die mechanische Arbeit, verbunden mit Volumenänderungen entweder Expansion oder Kontraktion.

Die Arbeit ist also gleich dem negativen Wert des Druckes mal die Veränderung des Volumens. Ersetzen von w im ersten Hauptsatz der Thermodynamik und Umstellung der Funktionen in der Gleichung zeigt, dass q gleich ΔE plus P mal ΔV ist, und entspricht der Gleichung für Wärmefluss unter konstantem Druck. Bei anderen chemischen Reaktionen, wie z.

B.der Verbrennung von Holz, um Essen zu kochen, ist es relevanter, die abgegebene Wärme zu messen, um das Kochen zu erleichtern, als den Umfang der auf die Umgebung geleisteten Erweiterungsarbeit. Da die innere Energie sowohl für Wärme als auch für Arbeit zählt, wird ΔE für konstante Druckbedingungen nicht verwendet. Zur ausschließlichen Erörterung des Energieflusses in der Form von Wärme, wurde eine neue thermodynamische Funktion Enthalpie definiert.

Die Enthalpie, H, ist gleich der Summe der inneren Energie, E, und der Druck-Volumen-Arbeit, P-V. Denn Energie, Druck und Volumen sind Zustandsfunktionen und die Enthalpie ist ebenso eine Zustandsfunktion. Absolute Enthalpiewerte für bestimmte Stoffe können nicht gemessen werden.

Es kann nur die Enthalpieänderung gemessen werden. Die Veränderung der Enthalpie, ΔH, entspricht der Veränderung der inneren Energie, ΔE, plus P mal ΔV.Daran erinnernd, dass der Wandel der Energie die Summe von Wärme-und Druck-Volumenarbeit ist, können die Gleichungen kombiniert werden, um zu zeigen, dass unter konstanten Druckbedingungen ΔH der Wärme, q, entspricht, gewonnen oder verloren durch das System. Wenn das System Energie in Form von Wärme an die Umgebung verliert-wie bei der Verbrennung von Holz steigt die Temperatur der Umgebung.

Dies wird durch eine negatives Vorzeichen für q beschrieben. Folglich wird ΔH negativ, und der Prozess wird als exothermisch beschrieben. Im Gegenteil, wenn das System Energie in Form von Wärme aus der Umgebung gewinnt wie zum Beispiel die Reaktion, die in einer chemischen Kühlpackung stattfindet die Temperatur der Umgebung sinkt.

Die Hitze wird in diesem Fall durch ein positives Vorzeichen beschrieben. Das macht ΔH positiv, und der Prozess wird als endotherm bezeichnet.

Enthalpy (H) – A measure of total heat content in a system, including internal energy and pressure-volume work. Enthalpy change (ΔH) – The heat exchanged in a process at constant pressure; positive for endothermic, negative for exothermic. Exothermic reaction – A reaction that releases heat to the surroundings; ΔH is negative. Endothermic reaction – A reaction that absorbs heat from the surroundings; ΔH is positive. State function – A property like enthalpy or energy that depends only on the system’s current state, not its path.

Define Electron Configuration – Apply principles to determine electron positions in orbitals (e.g., Aufbau) Analyze Subshell Order – Identify orbital filling sequences based on energy levels (e.g., 4s) Identify Configuration Exceptions – Explain deviations in electron filling for stability (e.g., Cr) Explain Mechanism or Process – Describe how shielding, penetration, and repulsion affect orbital energy Apply in Context – Use configurations to interpret periodic table group behaviors and atomic properties

What is enthalpy and how is it used to measure heat in chemical reactions? How does enthalpy change indicate if a reaction is exothermic or endothermic? Why is enthalpy considered a state function in thermodynamics?

Students – Learn effective strategies for studying and memorizing complex lists Educators – Teach memory techniques with concrete and engaging examples Researchers – Explore cognitive tools used in learning and memory enhancement Science Enthusiasts – Discover fun, structured ways to remember scientific facts