Musteraufgabe zur Berechnung der freien Enthalpie

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Informationen (Material):

Die Knallgasreaktion ist eine der bekanntesten Reaktionen in der Schulchemie. Sie ist nicht nur für den Nachweis von Wasserstoff wichtig, sondern auch um zu verdeutlichen, dass Wasser eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff ist. Außerdem spielt die geregelte Knallgasreaktion bei der Brennstoffzelle eine zentrale Rolle. Normalerweise wird sie bei Bedingungen durchgeführt.

Hilfen

Tabelle der Standard-Enthalpien

Tabelle der Standard-Entropien

Hilfe für die Umrechung von Temperaturen

 

Aufträge:

  1. Berechne die Enthalpieänderung dieser Reaktion und formuliere einen Aussagesatz bezüglich der Energetik dieser Reaktion. Gehe davon aus, dass sowohl die Edukte als auch die Reaktionsprodukte gasförmig vorliegen.
     
  2. Gib zunächst eine begründete Einschätzung der Entropieänderung, berechne dann die Entropieänderung und vergleiche mit deiner Einschätzung.
     
  3. Errechne die Änderung der freien Enthalpie (Gibbssche Energie), formuliere einen Aussagesatz bzgl. des Ergebnisses und errechne, bei welcher Ausgangstemperatur (in °C) die Reaktion nicht mehr spontan verläuft.

 

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Lösungen:

Zu Auftrag 1

Reaktionsschema in Symbolformelschreibweise:

2 H2 + O2 2 H2O(g)

ΔrH° = - 484 kJ

 

Zu Auftrag 2

Da sowohl die Edukte, als auch das Produkt gasförmig vorliegen (bei den hohen Temperaturen, die bei der Reaktion gebildet werden, liegt Wasser gasförmig [Wasserdampf] vor; nur ein Teil des Wassers kondensiert wieder), hat sich diesbezüglich die Entropie nicht verändert.
Doch die Teilchenanzahl (Mol) hat sich geändert. Aus drei Mol (zwei Mol Wasserstoff und ein Mol Sauerstoff) sind zwei Mol (Wasser) entstanden. Dies ist eine Abnahme der Entropie.

ΔS = 89 J · K-1

Der negative Wert bestätigt die zuvor formulierten Aussagen.

 

Zu Auftrag 3

ΔrG° = 457,5 kJ

Es handelt sich bei der gegebenen Ausgangstemperatur von 298,15 K (= °C) um eine exergonischen, also spontan (freiwillig) ablaufende Reaktion.

Bei einer Ausgangstemperatur von 5438,2 K (5164.85 °C) würde die Reaktion nicht spontan ablaufen. Dies ist ein hypothetischer Wert. Die Temperatur auf der Sonnenoberfläche beträgt in etwa 6000 °C!

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