Thermochemie und Kalorimetrie

Die Thermochemie quantifiziert die von chemischen Reaktionen absorbierte oder freigesetzte Wärme, und die Kalorimetrie ist die experimentelle Kunst, diese Wärme zu messen, um Reaktionsenthalpien und Wärmekapazitäten zu erhalten.

Definition

Thermochemie ist die Untersuchung der bei chemischen Reaktionen und Phasenübergängen entwickelten oder absorbierten Wärme, und Kalorimetrie ist die Menge experimenteller Methoden, die diese Wärmen und die Wärmekapazitäten von Substanzen messen.

Scope

Dieses Thema behandelt die Wärmeveränderungen, die chemische Reaktionen begleiten: Standardbildungs-, Verbrennungs- und Reaktionsenthalpien; den Hess'schen Satz der konstanten Wärmesummen; die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie durch das Kirchhoff'sche Gesetz; und Bindungsenthalpien. Es behandelt die kalorimetrischen Techniken, die zur Messung dieser Größen verwendet werden, einschließlich Bomben- und Konstantdruckkalorimetrie sowie Differential-Scanning-Kalorimetrie, zusammen mit der Messung der Wärmekapazität. Die statistisch-mechanische Vorhersage von Wärmekapazitäten wird unter statistischer Thermodynamik behandelt.

Core questions

• Wie ermöglicht der Hess'sche Satz die Kombination von Reaktionsenthalpien aus tabellierten Bildungsenthalpien?
• Wie beschreibt das Kirchhoff'sche Gesetz die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie?
• Wie messen Bomben- und Konstantdruckkalorimeter Änderungen der inneren Energie und Enthalpie?
• Wie werden Bindungsenthalpien zur Abschätzung von Reaktionsenthalpien verwendet?

Key concepts

• Standardbildungs- und Reaktionsenthalpien
• Hess'scher Satz der konstanten Wärmesummen
• Kirchhoff'sches Gesetz und Wärmekapazität
• Bomben- und Konstantdruckkalorimetrie
• Bindungsenthalpien

Key theories

Hess'scher Satz

Da die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist, ist die Enthalpieänderung einer Reaktion unabhängig vom gewählten Weg dieselbe, sodass Reaktionsenthalpien aus tabellierten Standardbildungsenthalpien addiert und subtrahiert werden können.

Kirchhoff'sches Gesetz der Temperaturabhängigkeit

Die Variation einer Reaktionsenthalpie mit der Temperatur wird durch die Differenz der Wärmekapazitäten zwischen Produkten und Reaktanten bestimmt, wodurch Enthalpien, die bei einer Temperatur gemessen wurden, auf eine andere korrigiert werden können.

Clinical relevance

Thermochemie und Kalorimetrie liefern die Brennwerte und Reaktionswärmen, die für die Energie- und Verbrennungstechnik benötigt werden, die thermischen Daten für die Prozess- und Reaktorsicherheit, die Stabilitäts- und Faltungsenergetik, die durch Differential-Scanning- und isotherme Titrationskalorimetrie in der Biochemie gemessen werden, und den ernährungsphysiologischen Energiegehalt von Lebensmitteln.

History

Die Kalorimetrie begann mit dem Eiskalorimeter von Lavoisier und Laplace in den 1780er Jahren; Hess etablierte 1840 die Additivität der Reaktionswärmen, und Berthelots Bombenkalorimetrie des 19. Jahrhunderts machte die systematische Messung von Verbrennungs- und Bildungsenthalpien zu einem Fundament der physikalischen Chemie.

Key figures

• Germain Henri Hess
• Antoine Lavoisier
• Marcellin Berthelot

Seminal works

• atkins2018
• mcquarrie1997

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem Bombenkalorimeter und einem Konstantdruckkalorimeter?

Ein Bombenkalorimeter hält die Reaktion bei konstantem Volumen und misst die Änderung der inneren Energie, während ein Konstantdruckkalorimeter, das der Atmosphäre ausgesetzt ist, die Enthalpieänderung direkt misst; die beiden sind durch die gegen den Druck geleistete Arbeit verbunden, wenn Gase expandieren oder kontrahieren.

Warum werden Bildungsenthalpien relativ zu den Elementen definiert?

Absolute Enthalpien können nicht gemessen werden, daher ist eine Referenz erforderlich; die Zuweisung einer Null-Bildungsenthalpie zu Elementen in ihren Standardzuständen bietet eine konsistente Basis, von der aus die Bildungsenthalpie jeder Verbindung und somit jede Reaktionsenthalpie berechnet werden kann.