Thermodynamik

Eine chemische Reaktion wandelt die gegebenen Substanzen in eine oder mehrere andere Substanzen um. Das so entstandene Produkt kann kälter oder wärmer sein als die Ausgangsstoffe, so dass während der Umwandlung entweder Wärme abgegeben oder Wärme zugeführt wurde. Die bei einem chemischen Prozess abgegebene oder aufgenommene Energie und der damit verbundene Wärmeumsatz sind Gegenstand der chemischen Thermodynamik.

Eine bedeutsame inernationale Konferenz zur chemischen Thermodynamik fand am 3-8.August 2008 in Warschau statt (International Conferences on chemical Thermodynamics Warsaw).

Bei einer chemischen Reaktion hat jeder der Reaktanden, also der Ausgangsstoffe, eine bestimmte innere Energie. Das Gleiche gilt für das Produkt oder die Produkte der Reaktion. Die innere Energie der Reaktanden wird aber nicht gleich der inneren Energie der Produkte sein, vielmehr zeigt die sich so ergebende Differenz die frei gewordene oder zugeführte Reaktionsenergie an, diese hat für jede Reaktion einen spezifischen Wert. Die Thermodynamik besagt, dass die zu Beginn des Prozesses vorhandene Energie, dazu zählt auch die eventuell zugeführte Energie, immer erhalten bleibt, es findet also immer nur eine Umwandlung von Energie statt.

Werden jetzt noch bei der Reaktion auftretende Veränderungen in Druck oder Volumen berücksichtigt, lässt sich der in der Reaktionsenergie enthaltene Wärmeanteil, die Reaktionsenthalpie, berechnen. Von einer negativen Reaktionsenthalpie ist die Rede, wenn bei einer exothermen Reaktion Wärme freigesetzt wird, eine positive Reaktionsenthalpie ist bei einer endothermen Reaktion zu finden, bei der Wärme zugeführt wird.

Die Reaktionsenthalpie einer Reaktion ist immer konstant, unabhängig davon, auf welchem Weg die Ausgangsstoffe in die Produkte umgewandelt wurden. Dies ermöglicht die einfache Berechnung und standardisierte Angabe von Bildungsenthalpien, also der zur Herstellung einer bestimmten Menge einer Substanz benötigten Wärme.

Ein Molekül hat in seinen chemischen Bindungen Bindungsenergie gespeichert, die bei einem aus zwei Atomen bestehenden Molekül als Dissoziationsenergie bezeichnet wird. Dieser für jede Bindung charakteristische Wert beschreibt die zum Aufbrechen der Bindung benötigte Energie beziehungsweise die bei der Bildung des Moleküls frei werdende Energie. Je mehr Bindungen zwei Atome zusammenhalten, desto höher ist auch der Wert der Bindungsenergie.

Aber nicht immer muss Energie zugeführt werden, um eine Reaktion in Gang zu bringen, manche Prozesse laufen auch freiwillig, oder spontan, ab. Auch wird bei solchen Reaktionen nicht immer Energie frei, es gibt durchaus solche, bei denen sich die innere Energie bei gleichbleibenden Bedingungen nicht ändert. Dies ist zum Beispiel bei der Vermischung von Gasen, die nicht miteinander reagieren, der Fall. Hierbei passiert aber etwas anderes: die Unordnung, oder die Entropie, im gesamten Gemisch nimmt im Vergleich zu den Ausgangsgasen zu, und da jedes System bestrebt ist, seine Unordnung zu erhöhen, läuft dieser Prozess freiwillig ab.