Aufgaben
- Berechnen Sie mit Hilfe der vereinfachten kalorimetrischen Grundgleichung aus M1 die Reaktionswärme Qr für die Reaktion von Salzsäure und Natronlauge auf der Grundlage der folgenden Messung:
- 50 mL Salzsäure und 50 mL Natronlauge mit der Anfangstemperatur von 21,6 °C werden zusammen in ein Kalorimeter gegeben. Die Höchsttemperatur der Flüssigkeit beträgt 56,8 °C.
- Berechnen Sie gemäß M2 die molare Neutralisationswärme Qr,m in der Einheit KJ/mol.
Kalorimetrische Messung
Weiteres
Um die bei einer chemischen Reaktion übertragene Wärmemenge zu bestimmen, verwendet man ein spezielles gut isoliertes Gefäß, das Kalorimeter. Es sorgt dafür, dass bei einer exothermen Reaktion möglichst die gesamte Wärme an die umgebene Kalorimeter-Flüssigkeit, meist Wasser, übertragen wird.
Neben der Masse der Kalorimeter-Flüssigkeit wird die Temperatur vor (Tvor) und nach Ablauf (Tnach) der chemischen Reaktion gemessen. Mit Hilfe der kalorimetrischen Grundgleichung kann aus diesen Daten die Reaktionswärme ermittelt werden.
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Aufbau eines komplexen Kalorimeters. Über den Zünddraht kann die Reaktion gestartet werden.1
Die kalorimetrische Grundgleichung
Von der Temperaturdifferenz zur Reaktionswärme
Der auf die Kalorimeter-Flüssigkeit übertragene Betrag der Wärme Q ist proportional zur Temperaturdifferenz ΔT (Tnach – Tvor) und der sogenannten Gesamtwärmekapazität C:
Der Unterschied des Vorzeichens hat etwas damit zu tun, welche Aussage ein negativer Wert bei der Reaktionswärme hat: Ist dieser kleiner Null, wird Energie an die Umgebung übertragen und umgekehrt.
Die Gesamtwärmekapazität C
Die Gesamtwärmekapazität C gibt den Betrag der Wärme an, den man zuführen muss, um die Temperatur um 1 K bzw. 1 °C zu erhöhen (Einheit: J/K). Diese setzt sich bei einem Kalorimeter aus zwei Größen zusammen:
Die Wärmekapazität des Kalorimeters CK gibt an, wie viel Energie nötig ist, um die Temperatur des leeren Kalorimeters um 1 K bzw. 1 °C zu erhöhen (Einheit: J/K).
Die Wärmekapazität der Kalorimeter-Flüssigkeit CW gibt an, wie viel Energie nötig ist, um die Temperatur der Kalorimeter-Flüssigkeit um 1 K bzw. 1 °C zu erhöhen (Einheit: J/K). Diese setzt sich zusammen aus der …
… spezifischen Wärmekapazität der Kalorimeter-Flüssigkeit cW, die angibt, wie viel Energie nötig ist, um die Temperatur von einem Gramm der Kalorimeter-Flüssigkeit um 1 K bzw. 1 °C zu erhöhen (Einheit: J/K*g). Hierbei handelt es sich um eine Stoffkonstante, die man nachschlagen kann. Für Wasser beträgt sie beispielsweise 4,186 J/K*g.
… Masse m der bei der Messung verwendeten Kalorimeter-Flüssigkeit.
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Die kalorimetrische Grundgleichung lautet daher:
In der Schule wird die kalorimetrische Grundgleichung fast immer ohne die Wärmekapazität des Kalorimeters CK verwendet, da bei den meisten Versuchen dieser Wert deutlich kleiner ist als die spezifische Wärmekapazität der Kalorimeter-Flüssigkeit und sein Einfluss daher oft vernachlässigbar ist. Das Weglassen von CK führt dabei zu einem systematischen Fehler (d.h. der gleiche Fehler bei allen Messungen), der aufgrund seiner geringen Größenordnung oft in Kauf genommen wird.
Eine vergleichbare Basis
Stell dir vor, du verbrennst ein Streichholz und ein Lagerfeuer. Das Lagerfeuer setzt insgesamt viel mehr Energie frei, weil deutlich mehr Material verbrannt wird. Wenn wir aber wissen wollen, wie viel Energie die chemische Reaktion der Verbrennung selbst liefert, müssen wir die Menge an Energie auf eine vergleichbare Basis ziehen.
In der Chemie gelingt uns das, indem wir die Energie pro Stoffmenge, also pro Mol angeben. Zum Beispiel:
Aus der Konzentration und dem Volumen der eingesetzten Säure lässt sich die eingesetzte Stoffmenge berechnen. Dann muss man nur noch die Reaktionswärme Qr durch diese Stoffmenge teilen. Voila, man hat die molare Neutralisationswärme Qr,m!
Kalorimetrie bei Reaktionen in wässriger Lösung
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Wenn die Reaktionspartner in wässriger Lösung vorliegen, kann man die Reaktion direkt in dem Kalorimeter durchführen, ohne eine weitere Kalorimeter-Flüssigkeit zu verwenden. Dies ist beispielsweise bei der Bestimmung der Neutralisationswärme bei der Reaktion zwischen Salzsäure und Natronlauge der Fall. Für die in Schule üblichen verdünnten Lösungen kann man von folgenden Näherungen ausgehen:
Die Reaktion läuft so schnell ab, dass die bei der Neutralisation entstehende Kochsalz-Lösung zunächst den gesamten Betrag der Wärme aufnimmt, bevor diese an die Umgebung übertragen wird. D.h. die Temperatur kann direkt in der Flüssigkeit gemessen werden. Dies ermöglicht einen vereinfachten Versuchsaufbau.
Die Masse der bei der Reaktion gebildeten Kochsalz-Lösung entspricht annähernd der von Wasser. Da Wasser eine Dichte von 1 g/mL besitzt, gilt: 100 mL Wasser haben eine Masse von 100 g.
Die spezifische Wärmekapazität der Kochsalz-Lösung kann mit der von Wasser gleichgesetzt werden.
Weitergedacht
Für die Veränderung der inneren Energie eines Systems betrachten wir bei chemischen Reaktionen auf Teilchenebene meist die Bindungen (oder Wechselwirkungen), die gelöst und neu geknüpft werden.
- Stellen Sie die Neutralisationsgleichung zwischen Salzsäure und Natronlauge mit Hilfe ihrer Strukturformeln auf und markieren Sie die Bindungen, die gelöst und neu geknüpft werden.
- Stellen Sie eine begründete Vermutung auf, warum die innere Energie des Systems sinkt, d.h. insgesamt Energie an die Umgebung übertragen wird.