Die Entropie als treibende Kraft bei chemischen Reaktionen

von Niklas Heier

Thema: Enthalpie und Entropie Tags: Entropie, Gibbs-Helmholtz, Gleichung, Enthalpie, Bariumhydroxid, Ammoniumthiocyanat, endotherm Klassenstufen: 11-12 Versuchsart: SV

Ziel des Versuchs: Bei diesem Versuch soll gezeigt werden, dass der freiwillige Ablauf einer chemischen Reaktion nicht nur von der Enthalpie abhängt, sondern auch von der Entropie. Mit Hilfe der Gibbs-Helmholtz-Gleichung soll die Reaktion von Bariumhydroxid mit Ammoniumthiocyanat gedeutet werden.

Materialien

100-mL-Becherglas, Löffelspatel, Universalindikatorpapier, Pinzette, digitales Thermometer

Chemikalien

Bariumhydroxid-Octahydrat, Ammoniumthiocyanat

Gefahrstoff H-Sätze P-Sätze GHS
Ammoniumthiocyanat H332-H312-H302-H412-EUH032--
Bariumhydroxid-8-H2O H302+H332-H314P280-P301+P330+P331-P304+P340-P309+P310

Durchführung

In das Becherglas werden gleiche Volumenmengen (in etwa zwei Spatellöffel) Bariumhydroxid und Ammoniumthiocyanat gegeben. Das Thermometer wird in die Masse gesteckt und die Entwicklung der Temperatur verfolgt. Nach Versuchsende wird vorsichtig der Geruch überprüft. Der Gasraum wird mit feuchtem Indikatorpapier getestet.

Beobachtung

Die Temperatur sinkt rapide ab, bis sie nach kurzer Zeit langsam wieder steigt. Die Salze werden flüssig. Es ist ein stechender ammoniakalischer Geruch festzustellen und das Indikatorpapier verfärbt sich tiefblau.

Deutung

Bei dem Zusammengeben findet folgende endotherme Reaktion statt:

Ba(OH)2 · 8 H2O(s) + 2 NH4SCN(s) → Ba2+(aq) + 2 SCN-(aq) + 2 NH3 (aq) + 10 H2O(l)

Bei endothermen Reaktionen ist Δ H > 0. Betrachtet man nun die Gibbs-Helmholtz-Gleichung:

ΔG = ΔH - T · ΔS

Die freie Enthalpie hängt von der Enthalpie und der Entropie ab, also der Unordnung des Systems. Reaktionen laufen freiwillig ab, wenn ΔG < 0. Diese Reaktionen nennt man exergon. Ist die Enthalpieänderung positiv, muss -T · ΔS groß genug sein, damit ΔG < 0 ist. Da die oben genannte Reaktion freiwillig abläuft, muss das Produkt aus Temperatur und Entropieänderung größer sein als die Enthalpieänderung. Aus diesem Zusammenhang kann darauf geschlossen werden, dass die Entropie ebenfalls einen Einfluss auf den freiwilligen Ablauf chemischer Reaktionen hat. Bei dieser Reaktion kann die Vergrößerung der Entropie damit erklärt werden, dass aus drei großen Teilchen 14 kleinere Teilchen entstehen, welche gelöst oder flüssig vorliegen. Durch die Zerteilung und die schnellere Bewegung der Teilchen entsteht mehr Unordnung im System. Das Bestreben eines Systems, eine höhere Entropie aufzuweisen, treibt diese Reaktion an.

Entsorgung

Die Lösung wird neutralisiert und in den Schwermetallbehälter gegeben.

Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse: Anhand dieses Versuches können sich die SuS selbstständig das Prinzip der Entropie erarbeiten. Beim Umgang mit den Chemikalien sollte darauf geachtet werden, dass die SuS sorgfältig arbeiten. Die Bechergläser sollten nach Ende des Experiments unter einen Abzug gestellt werden, da sonst ein penetranter Geruch im Raum herrscht. Das Experiment kann unterstützend zur Erarbeitung oder Vertiefung der Gibbs-Helmholtz-Gleichung genutzt werden. Inhaltlich ist dieses Experiment nur für einen Kurs auf erhöhtem Anforderungsniveau vorgesehen.

Literatur

D. Wiechoczek, http://www.chemieunterricht.de/dc2/energie/en-v03.htm, 12.08.2013, 21:39 Uhr.


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