Aufgaben
- Führen Sie eine Thermometrische Titration gemäß V1 durch und skizzieren Sie die Titrationskurve.
- Werten Sie die Titrationskurve mit Hilfe ihres Vorwissens und M1 aus.
- Beschreiben Sie mithilfe von M2, was man unter einem Kalorimeter versteht und was mithilfe der Kalorimetrischen Grundgleichung berechnet werden kann.
- Berechnen Sie die Neutralisationswärme für ihren Versuch.
- Vergleichen Sie die Werte untereinander und mit dem Literaturwert. Geben Sie Gründe an, warum unser berechneter Wert ggf. vom Literaturwert abweicht.
Thermometrische Titration
Materialien
- Schutzbrille
-
Stativmaterial
- Stativ, Stativklemmen, Stativmuffen
-
Bürette
- Nur in Versuchsaufbau B in Abb. 2
- 50 mL Messzylinder
- Hohes Becherglas 250 mL
- digitales Thermometer
Chemikalien
-
Salzsäure 2 mol/L
- oder höher konzentriert
-
Essigsäure 2 mol/L
- Oder höher konzentriert
-
Natronlauge 2 mol/L
- oder höher konzentriert
- dest. Wasser
Hinweis
Sie titrieren hier insgesamt 75 mL Natronlauge zur Säure hinzu. Da ihre Bürette ggf. nicht dieses Volumen aufnehmen kann, empfiehlt es sich, zwei Büretten parallel zu befüllen (z.B. zwei 25 mL Büretten). Sobald der Inhalt einer Bürette hinzu titriert wurde, wechseln Sie zur zweiten vorbereiteten Bürette. Füllen Sie parallel die erste Bürette wieder auf.
Durchführung
- Titrationsapparatur aufbauen.
- 50 mL Säure in den Becherglas vorlegen.
- Bürette mit der Maßlösung befüllen.
- Digitales Thermometer in Betrieb nehmen und Anfangstemperatur messen.
- Die Maßlösung in 2 mL Portionen zur Säure titrieren, rasch mit dem Thermometer umrühren und zügig die Temperatur messen.
- Die Titration ist beendet, wenn 75 mL Natronlauge zugegeben wurde.
- Aus den Messwerten ein Diagramm erstellen.
Aufräumen
- Gegebenenfalls Reste vereinen und über den Abguss entsorgen.
- Alles mit Wasser spülen und an den Ursprungsort zurückstellen.
Neutralisationswärme
Endotherm vs. Exotherm
Eine chemische Reaktion findet fast immer unter Aufnahme oder Abgabe von Wärme statt. Die Wissenschaft, die sich mit der Messung dieser Wärmemengen befasst, ist die Kalorimetrie.
Der Begriff Wärme bezieht sich in der Chemie auf die Energie, die zwischen einem System (z.B. einer chemischen Reaktion) und seiner Umgebung ausgetauscht wird. Exotherme Reaktionen geben Wärme an die Umgebung ab. Endotherme Reaktionen nehmen Wärme aus der Umgebung auf.
Die international gültige und wissenschaftlich korrekte Einheit für Energie (und damit auch für Wärme) ist das Joule. Da die Energiemengen in chemischen Reaktionen oft sehr groß sind, wird häufig das Kilojoule (kJ) verwendet.
Stellen Sie sich vor, Sie verbrennen 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 wird daher die Energie pro Stoffmenge, also pro Mol angegeben. Zum Beispiel:
Das negative Vorzeichen kennzeichnet, dass Energie an die Umgebung abgegeben wird (exotherm).
Kalorimetrie
Die Kalorimetrische Grundgleichung
Um die bei einer chemischen Reaktion freigesetzte oder aufgenommene Wärmemenge zu messen, verwendet man ein spezielles gut isoliertes Gefäß, das Kalorimeter. Es sorgt dafür, dass möglichst die gesamte Wärme, die bei einer Reaktion freigesetzt wird, an das umgebende Medium (meist Wasser) abgegeben wird und nicht an die weitere Umgebung verloren geht.
Die gesamte von der Reaktion freigesetzte oder aufgenommene Wärmemenge Q kann mit der Kalorimetrischen Grundgleichung berechnet werden:
Die Wärmemenge (Reaktionswärme)
Joule (J)
Die spezifische Wärmekapazität des Kalorimeters. Sie gibt an, wie viel Energie nötig ist, um das leere Kalorimeter um 1 K (oder 1 °C) zu erwärmen.
Die spezifische Wärmekapazität der Kalorimeterflüssigkeit. Sie ist eine Stoffkonstante und gibt an, wie viel Energie nötig ist, um ein Gramm dieser Flüssigkeit um 1 Kelvin (oder 1 °C) zu erwärmen.
Die Masse der erwärmten Kalorimeterflüssigkeit (meist Wasser)
Gramm (g)
Die Temperaturänderung im Kalorimeter (Differenz zwischen End- und Anfangstemperatur)
Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C)
In der Schule wird die Kalorimetrische Grundgleichung fast immer ohne CK verwendet. Das geschieht aus pragmatischen Gründen:
- Die Bestimmung von CK erfordert einen weiteren Kalibrierversuch mit leerem Kalorimeter.
- Bei den meisten Versuchen ist CK im Vergleich zu c*m der Kalorimeterflüssigkeit oft deutlich kleiner. Sein Einfluss daher oft vernachlässigbar.
Das Weglassen von CK führt jedoch unausweichlich zu einem systematischen Fehler, der aufgrund seiner geringen Größenordnung oft in Kauf genommen wird.
Berechnung der Neutralisationswärme
Mit den Messwerten aus der thermometrischen Titration lässt sich näherungsweise die Neutralisationswärme ermitteln. Hierfür verwendet man die Kalorimetrische Grundgleichung in Formel 2. Die Wärmekapazität c von Wasser ist 4,186 J/g*K. Es folgt eine Beispielrechnung für den Fall, dass bei einer thermometrischen Titration von 5 molarer Salzsäure mit 5 molarer Natronlauge eine Anfangstemperatur von 21,6°C und eine Höchsttemperatur von 56,8 °C gemessen wurde. Zudem betrug die Gesamtmasse der zu erwärmenden Substanz (hier Wasser) 100 mL: 50 mL Ausgangssubstanz + 50 mL zugegebenes Volumen an Natronlauge bis zum erreichen der Höchsttemperatur (= Äquivalenzpunkt).
Bei der Titration der Säure werden also 14,73 KJ an Wärme freigesetzt. Die molare Neutralisationswärme kann wie folgt berechnet werden:
Pro Mol neutralisierter Salzsäure wurden in diesem Experiment also rechnerisch 58,92 KJ Wärmeenergie frei.
Weitergedacht
- Recherchieren Sie, was man unter dem Begriff Dissoziationsenergie versteht.
- Ließe sich die Dissoziationsenergie von Essigsäure aus unseren Messwerten / berechneten Werten herleiten?