Der Satz von Hess ist eine wichtige Schlussfolgerung aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Was du unter dem Satz von Hess verstehst, erklären wir dir im folgenden Beitrag und unserem Video dazu.

Satz von Hess einfach erklärt

In einer chemischen Reaktion können Produkte über verschiedene Wege oder auch Teilreaktionen entstehen. Der Satz von Hess besagt nun, dass die Enthalpieänderung der Gesamtreaktion unabhängig vom Weg der chemischen Reaktion ist. Das heißt, die gesamte Enthalpie der Reaktion ist gleich der Summe der Enthalpien der Teilreaktionen.

Die Reaktionsenthalpie hängt somit nur von den Produkten und Edukten ab. 

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Die möglichen Wege der Verbrennung von CO2

Ob eine chemische Reaktion als Gesamtreaktion oder über eine Teilreaktion 1 und Teilreaktion 2 verläuft, hat keinen Einfluss auf die Energetik.

Enthalpie Gesamtreaktion = Enthalpie Teilreaktion 1 + Enthalpie Teilreaktion 2

Satz von Hess und Enthalpie

Um den Satz von Hess anzuwenden, ist die Enthalpie eine wichtige Größe. Unter der Enthalpie verstehst du die Menge an Wärmeenergie einer chemischen Reaktion. Du kürzt sie mit dem Symbol H ab. Die Enthalpie eines Systems ist die Summe aus der inneren Energie U und dem Produkt aus Druck p und Volumen V.

H = U + p • V

Um den Satz von Hess zu verstehen, sind folgende Arten der Enthalpie bei einer chemischen Reaktion ausschlaggebend: die Reaktionsenthalpie ΔRH  und die Standardbildungsenthalpie ΔHf0.

  • Reaktionsenthalpie ΔRH: Die Reaktionsenthalpie ΔRH ist die Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion bei konstantem Druck. Sie hängt nur vom Anfangs- und Endzustand der Reaktion ab. Über den berechneten Wert der Reaktionsenthalpie kannst du vorhersagen, ob eine chemische Reaktion endotherm oder exotherm verläuft.
  • Standardbildungsenthalpie ΔHf0: Unter der Standardbildungsenthalpie ΔHf0 verstehst du die Menge an Wärme, die bei der Bildung von einem Mol einer bestimmten Substanz bei Standardbedingungen freigesetzt wird. Für reine Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel ist die Standardbildungsenthalpie gleich null.
Endotherm und exotherm

Unter endotherm verstehst du chemische Reaktionen, bei denen Energie in Form von Wärme zugeführt werden muss. Exotherme Reaktionen laufen hingegen unter Wärmeabgabe (Energieabgabe) ab.

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Satz von Hess: Formel

Um zu ermitteln, ob die chemische Reaktion nun endotherm oder exotherm ist, musst du die Formel von Satz von Hess anwenden.

Die Reaktionsenthalpie hängt nur von dem Ausgangs- und Endzustand der chemischen Reaktion ab. Das heißt, die Reaktionsenthalpie berechnest du, indem du die Enthalpieänderung einer Reaktion mithilfe der Standardbildungsenthalpien berechnest.

  1. Bilde dafür zunächst jeweils die Summe der Standardbildungsenthalpien ΔHf0 der Produkte und Edukte.
  2. Anschließend bildest du die Reaktionsenthalpie ΔRH aus den Standardbildungsenthalpien der Edukte und der Produkte.

    \[\Delta_\text{R}H = \Sigma H_\text{Produkte} - \Sigma H_\text{Edukte}\]

Satz von Hess: Beispiel

Schauen wir uns ein Beispiel zum Satz von Hess an: die Verbrennung von Graphit (C). Dabei reagiert Graphit (C) mit dem Sauerstoff (O2) aus der Luft zu Kohlenstoffdioxid (CO2). Die dabei frei werdende Wärmeenergie nennst du auch Verbrennungsenthalpie.

Die Verbrennung kann auf zwei Wegen erfolgen: die direkte oder stufenweise Verbrennung von Graphit. 

Ob Graphit auf direktem Wege zu Kohlenstoffdioxid verbrannt wird oder über eine Teilreaktion mit der Zwischenstufe Kohlenstoffmonoxid und einer zweiten Teilreaktion, ist energetisch gesehen gleich. 

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Die möglichen Wege der Verbrennung von CO2

Schauen wir uns die beiden Reaktionswege bei der Verbrennung von Graphit an:

1. Durch die vollständige Verbrennung:

C + O2 → CO2               ΔRH = – 393 kJ/mol

Graphit + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid

2. Durch die Verbrennung über das Zwischenprodukt Kohlenstoffmonoxid (CO):

C + 1/2 O2 → CO          ΔRH1 = – 111 kJ/mol

Graphit + Sauerstoff → Kohlenstoffmonoxid

CO + 1/2 O2 → CO2    ΔRH2 = – 282 kJ/mol

Kohlenstoffmonoxid + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid

ΔRH = ΔRH+ ΔRH2 = – 393 kJ/mol

Zusammenfassung

Satz von Hess — das Wichtigste
  • Der Satz von Hess besagt, dass der Weg der Reaktion keinen Einfluss auf die Reaktionsenthalpie der gesamten Reaktion hat. 
  • Mithilfe des Satzes von Hess kannst du vorhersagen, ob eine Reaktion endotherm oder exotherm verläuft.
  • Die Grundlage ist die Berechnung der Reaktionsenthalpien, die nur von den Edukten und Produkten abhängen.
  • Ist die Reaktionsenthalpie negativ, dann verläuft Reaktion exotherm.
  • Ist die Reaktionsenthalpie positiv, dann verläuft die Reaktion endotherm.

Da die Edukte nicht gleichzeitig als Produkte der Reaktion auftreten können, ist die Reaktionsenthalpie niemals null. Das ist die Begründung dafür, warum ein Perpetuum mobile niemals existieren kann. Was ein Perpetuum mobile ist und wie der erste Hauptsatz der Thermodynamik damit verknüpft ist, erfährst du hier

zum Video: Perpetuum Mobile
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