Entropie und Enthalpie

In der Chemie spielen verschiedenste Kennzahlen und Zustandsgrößen eine wichtige Rolle. Zu den bedeutendsten Kenngrößen in der physikalischen Chemie gehören Entropie und Enthalpie. Was aber versteht man darunter? Und welche Aussagen lassen sich anhand dieser Kenngrößen machen?

Die Entropie ist eine Zustandsgröße, die eine Eigenschaft eines chemischen Systems beschreibt. Neben der Chemie findet die Entropie auch in der Physik Anwendung. Leider lässt sich die Entropie eines Systems nur schwer quantitativ genau erfassen und ebenso schwer erklären, ohne dabei tiefer in die Grundlagen der Thermodynamik einzutauchen. Zumal dafür ein höheres mathematisches Verständnis in puncto Differenzialgleichungen erforderlich ist. Daher wird die Entropie in der Chemie und Thermodynamik vereinfacht oft als Unordnungszustand eines Systems beschrieben. Dies lässt sich anhand eines Beispiels verdeutlichen. Eine Mauer aus Ziegelsteinen ist ein geordnetes System aus vielen einzelnen Bestandteilen - den Ziegelsteinen - die nach einem bestimmten Muster angeordnet sind. Dieses System, sprich die Mauer aus Ziegelsteinen, besitzt eine hohe innere Ordnung und damit eine niedrige Entropie. Würde die Mauer eingerissen und man nur die aufgehäuften Ziegelsteine betrachten, wäre die Ordnung wesentlich geringer. Im gleichen Maße würde aber die Entropie steigen.

Übertragen auf die Chemie könnte man die Mauer mit einem Festkörper oder Kristall vergleichen. Dessen Bestandteile sind im Kristallgitter regelmäßig angeordnet, die Entropie ist damit niedrig. Bringt man den Kristall zum Schmelzen oder überführt ihn in ein Gas, nimmt die innere Unordnung zu, es steigt die Entropie. Die Tatsache, dass Zustandsänderungen chemischer Systeme im Zusammenhang mit Wärme- und Temperaturänderungen stehen, führt automatisch zu dem Punkt, dass die Entropie als Zustandsgröße von der zugeführten Wärmemenge und der Temperatur abhängt.

Wesentlich einfacher zu erklären ist dagegen die Enthalpie. Dabei handelt es sich um eine Maßzahl für die Energie, die einem System innewohnt bzw. die für Zustandsänderungen und Reaktionen in der Chemie notwendig ist. So muss jeder Stoff, der vom festen in den flüssigen oder vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt, eine gewisse Energiemenge aufnehmen, um die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Stoffbestandteilen zu überwinden. Für das Beispiel mit der Mauer aus Ziegelsteinen würde dies bedeuten, dass Energie aufgewendet werden muss, um den Zusammenhalt der Ziegel aufzulösen. In diesem Beispiel würde die Bindung mechanisch gelöst, in der Chemie dagegen in erster Linie über die Zufuhr von Wärme. Diese Form der Enthalpie wird als Verdampfungs-/ Kondensationsenthalpie (beim Übergang von flüssig zu gasförmig oder anders herum) oder Schmelz-/ Kristallisationsenthalpie (beim Übergang von fest zu flüssig oder anders herum) bezeichnet. Überspringt die Zustandsänderung den flüssigen Zustand, spricht man von der Sublimationsenthalpie. Neben der Änderung von Aggregatzuständen kann Energie gleichzeitig dazu benutzt werden, neue Verbindungen zu schaffen. Diese Form der Enthalpie wird als Bildungsenthalpie bezeichnet und kann negativ wie positiv sein. Ein negatives Vorzeichen (exotherm) bedeutet, dass während der Reaktion Wärme abgegeben wird. Mit einem positiven Vorzeichen werden dagegen Reaktionsenthalpien gekennzeichnet, die Energie aufnehmen müssen (endotherm). Daneben unterscheiden Chemie und Physik weitere Formen der Enthalpie, um die Energien verschiedener Zustände und Reaktionstypen genauer zu beschreiben.


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