🔥 Satz von Hess — Reaktionsenthalpie über Energiekreisläufe

Der Satz von Hess besagt, dass die gesamte Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion unabhängig vom eingeschlagenen Weg von den Edukten zu den Produkten ist, solange die Anfangs- und Endbedingungen identisch sind. Lässt sich eine Reaktion als Summe mehrerer Schritte schreiben, entspricht das Gesamt-ΔH der Summe der ΔH-Werte dieser Schritte.

Die Enthalpie ist eine Zustandsfunktion, das heißt, ihr Wert hängt nur vom aktuellen Zustand eines Systems ab (Temperatur, Druck, Zusammensetzung) und nicht davon, wie dieser Zustand erreicht wurde. Da sich die Enthalpie nicht an den Weg erinnert, müssen zwei beliebige Routen zwischen denselben Ausgangsedukten und Endprodukten genau dieselbe Nettoenergie freisetzen oder aufnehmen.

Man kombiniert bekannte Reaktionen — kehrt sie um (was das Vorzeichen von ΔH umkehrt) oder skaliert sie mit einem Multiplikator (was ΔH um denselben Faktor skaliert) —, sodass sich bei der Addition die Edukte und Zwischenprodukte aufheben und nur die Zielreaktion übrig bleibt. Die Addition der angepassten ΔH-Werte dieser bekannten Reaktionen ergibt das unbekannte ΔH.

Die Standardbildungsenthalpie, ΔH°f, ist die Enthalpieänderung, wenn ein Mol einer Verbindung aus ihren Elementen in deren Standardzuständen entsteht. Der Satz von Hess erlaubt es, die Enthalpie jeder Reaktion als Summe der Bildungsenthalpien der Produkte minus der Summe der Bildungsenthalpien der Edukte zu berechnen, da das Bilden und anschließende Neuzusammensetzen von Atomen einfach ein weiterer gültiger Weg ist.

Nein. Ob eine Reaktion direkt in einem Schritt oder über fünf Zwischenprodukte abläuft, die Nettoenthalpieänderung zwischen denselben Ausgangsedukten und Endprodukten ist identisch, da die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist. Zusätzliche Zwischenschritte verändern nur, wie die Energie unterwegs freigesetzt oder aufgenommen wird, nicht die Gesamtmenge.

Ein Born-Haber-Kreisprozess ist eine spezielle Anwendung des Satzes von Hess, mit der man die Gitterenergie einer ionischen Verbindung ermittelt, indem man eine Reihe von Schritten summiert — Sublimation, Ionisierung, Dissoziation, Elektronenaffinität und Gitterbildung —, die Elemente in ihren Standardzuständen mit dem endgültigen ionischen Feststoff verbinden. Da die Enthalpie wegunabhängig ist, können die bekannten Schritte addiert und umgeordnet werden, um die eine unbekannte Größe zu bestimmen.

Das Umkehren einer chemischen Gleichung kehrt die Richtung des Energieflusses um, weshalb ihr ΔH das Vorzeichen wechseln muss; das Multiplizieren einer Gleichung mit einem Koeffizienten skaliert die reagierende Stoffmenge, weshalb ihr ΔH mit demselben Koeffizienten multipliziert werden muss. Werden diese Anpassungen übersprungen, würde die Energiebilanz gestört und man erhielte das Ergebnis für eine andere, nicht beabsichtigte Reaktion.

Per Konvention bedeutet ein negatives ΔH, dass die Reaktion Energie an die Umgebung abgibt (exotherm) und das Produktniveau im Diagramm unter dem Eduktniveau liegt; ein positives ΔH bedeutet, dass die Reaktion Energie aufnimmt (endotherm) und das Produktniveau darüber liegt. Alle Werte in diesem Simulator sind in Kilojoule pro Mol (kJ/mol) unter Standardbedingungen angegeben.

Der Satz von Hess funktioniert für die Enthalpie, weil die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist, doch dieselbe Logik der Wegunabhängigkeit gilt für jede andere Zustandsfunktion, einschließlich innerer Energie, Entropie und freier Gibbs-Energie. Er gilt nicht für wegabhängige Größen wie Wärme oder Arbeit einzeln betrachtet, da sich diese zwischen verschiedenen Routen unterscheiden können, selbst wenn die Nettoenthalpieänderung gleich ist.