Was stimmt?

Wenn man 2 mol Wasserstoff und 1 Mol Sauerstoff reagieren lässt (ideale Gase, Temperatur und Volumen konstant):

$p\cdot V\ =\ n\cdot R\cdot T$

Erhöht sich der Druck im Kolben bei einer exergonischen Reaktion (d.h. Energie wird frei, evtl. in Form von Wärme und der Temperaturterm erhöht sich, wodurch sich laut Formel der Durck erhöhen müsste)

ODER

Reduziert sich der Druck, weil man insgesamt n = 3 Mol Startmaterial hat (2mol H2 + 1mol O2) wird zu n = 2 Mol Produkt, also der rechte Formelterm sinkt, wodurch der Druck sinkt?

Answer 1

[indiachinacook]

2 H₂ + O₂ ⟶ 2 H₂O

Du willst diese Reaktion bei konstantem Volumen und konstanter Temperatur ab­lau­fen lassen. Damit die Temperatur konstant bleibt, mußt Du die Reaktionswärme ir­gend­wie abführen; wie Du das machst, ist natürlich Deine Sache. Das konstante Vo­lu­men ist natürlich leicht zu erreichen, dazu brauchst Du nur einen stabilen Behälter.

Nun stellt sich die Frage, bei welcher Temperatur Du die Reaktion ablaufen lassen willst. Wenn wir absurd kalte Bedingungen ausschließen, dann sind H₂ und O₂ Gase. Das Wasser ist unterhalb von 100 °C flüssig (oder fest bei noch tieferer Temperatur), darüber gasförmig.

• Wenn die Reaktion bei unter 100 °C stattfindet, dann entsteht als Reaktions­pro­dukt flüssiges Wasser. Das hat verglichen mit den Gasen kaum Volumen, also sinkt der Druck dramatisch. Reell hat Wasser einen Dampfdruck (ca. 30 mbar bei Raumtemperatur), und das ist der Druck, der sich nach der Reaktion einstellt (egal wie hoch der Druck des Gasgemisches vor der Reaktion war).
• Wenn die Reaktion bei über 100 °C stattfindet, dann sind alle beteiligten Substan­zen gasförmig, und aus drei Gasmolekülen werden zwei. Folglich sinkt der Druck auf ⅔ seines Ausgagswertes (also ⅔ des Druckes des H₂/O₂-Gemisches vor der Reaktion).

Dabei habe ich vorausgesetzt, daß keine weiteren Gase anwesend sind und daß das Reaktionsgemisch in stöchiometrisch korrekter Mischung H₂:O₂ = 2:1 vorliegt.

Answer 2

[KuarThePirat]

Deine beiden Antwortmöglichkeiten sind eine eher unübliche Verallgemeinerung und Vereinfachung. Die Reaktion läuft ohne einen Zündfunken oder einen Katalysator überhaupt nicht ab.

Bei der Reaktion von 2 mol Wasserstoff mit 1 mol Sauerstoff werden insgesamt 240 kJ/mol Wasserstoff frei. Insgesamt also eine Energiemenge von 480 kJ. Ich habe jetzt die entsprechenden Tabellen nicht vorliegen, daher nehme ich vereinfachend an, dass wir die Wärmekapazität von Dampf bei 100 °C von 1,87 kJ/(kgK) nutzen. Wir erzeugen aus 2 mol Wasserstoff und 1 mol Sauerstoff 36 g Wasser.

Dieses Wasser muss die 480 kJ Wärme aufnehmen.

$Q=m\cdot c_p\cdot\Delta T$ $\Delta T=\frac{Q}{m\cdot c_P}=\frac{480\ kJ}{0,036\ kg\ \cdot1,87\ \frac{kJ}{kgK}}=7130\ K$

Dieser Temperaturanstieg würde natürlich zu einem entsprechenden Druckanstieg führen trotz der Molzahlverringerung.

Answer 3

[Spikeman197]

Emm, beides stimmt, allerdings läuft die Reaktion nicht freiwillig ab!

Die Reaktion ist exotherm, weil natl Energie frei wird, wodurch sich der Druck erhöht (sogar explosionsartig!), aber die Anzahl der GasTeilchen nimmt ab (um 33 %). Wenn die Gesamttemperatur unter 100 °C ist sogar noch mehr, weil das Wasser kondensiert.