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Bestimmung der Reaktionswärme durch Kalorimetrie 08:17 min

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Transkript Bestimmung der Reaktionswärme durch Kalorimetrie

Hallo und ganz herzlich willkommen. In diesem Video geht es um die "Bestimmung der Reaktionswärme durch Kalorimetrie".

"Kalorien" Kalorienangaben auf Lebensmitteln mit dem Zweck gesunder Ernährung sind veraltet. Wir sind Naturwissenschaftler und wissen: 1. Man sagt heute "Joule". 1 cal = 4,1868 J und 2. Für die meisten Angaben ist diese Größe viel zu klein und man spricht dann von "Kilojoule" (kJ).

Bei dieser Angabe handelt es sich um die "Verbrennungswärme". Das ist die Energie, die bei der vollständigen Verbrennung eines Stoffes entsteht. Nehmen wir z. B. den Alkohol Ethanol:

Bei der Verbrennung von 100 g Ethanol wird eine Wärme von 2970 kJ frei. Die Masse von 100 g Stoff ist sinnvoll für die Angabe der Verbrennungswärme von Nahrungsmitteln. Es gibt heute für praktisch alle gängigen Nahrungsmittel Angaben der Verbrennungswärmen: Umgangssprachlich "Kalorien". Daher rührt dann auch der Name Kalorimetrie Der Begriff umfasst in der Chemie alle Verfahren für die Bestimmung von Reaktionswärmen. Die Werte für die Nahrungsmitteln wurden mit einer erstaunlichen Genauigkeit ermittelt. Für 100 g Kohlrabi 59 kJ, für Pommes 1054 kJ und für Butter sogar 3234 kJ.

Kalorimeter Das Gerät für die Bestimmung von Reaktionswärmen nennt man Kalorimeter. Das Schema eines solchen für eine Verbrennungsreaktion ausgelegten Apparates seht ihr hier. Im Inneren des Kalorimeters wird die zu verbrennende Substanz deponiert. Sie befindet sich in einem Verbrennungsbehälter mit reinem Sommerstoff. Die Reaktion liefert Wärme. Die Wärme wird vom Wasser aufgenommen, das das Reaktionsgefäß umgibt. Da Wasser schlecht wärmeleitend ist, wird es gerührt, damit die Temperatur im gesamten Kühlraum gleich bleibt. Um Wärmeverluste zu vermeiden, wird das System isoliert. In unserem Gefall geschieht das mit einer Luftisolierung und einer Außenisolierung. Der Temperaturanstieg des Wassers wird mit einem Thermometer gemessen.

Reaktionswärme Wichtig ist eine exakte Einwage der Substanz. Die Temperaturerhöhung liefert natürlich noch keine Reaktionswärme. Die Reaktionswärme Q lässt sich mit der Grundgleichung der Wärmelehre.

Q = cmdeltaT c und m sind die spezifische Wärmekapazität und die Masse des Wassers. deltaT ist die Temperaturerhöhung in Kelvin.

Ein einfaches Beispiel Ein lehrreiches Schulbeispiel ist die Neutralisation. Nehmen wir eine starke Säure und eine starke Base. Hier ein sehr einfacher Versuchsaufbau. In eine Lösung von Salzsäure wird eine Lösung von Natriumhydroxid gegossen. Die Vereinigung muss schnell erfolgen. Mit dem Thermometer wird vorsichtig gerührt und es wird zügig abgelesen. Natriumhydroxid: 0,5 mol/l und 100 ml Salzsäure: 0,5 mol/l und 100 ml

Temperaturerhöhung: deltaT = 3,2 K Masse des Wassers: 100 ml + 100 ml = 200 ml entspricht 200 g Wärmekapazität des Wassers: 4,1868 J/(g*K)

Wir rechnen: Q = cmdeltaT Also: Q = 4,18682003,2J/(gK)gK Und: Q = 2679,552 J ist rund 2,68 kJ Um auf ein mol reagierender Partner umzurechnen, müsse wir mit dem Kehrwert von 0,50,1 (also 20) multiplizieren: Q = 2,6820 kJ/mol = 54 kJ/mol

Wir haben die Neutralisationswärme bestimmt. Denn die stattgefundene Reaktion ist lediglich die Vereinigung von Wasserstoff-Ionen und Hydroxid-Ionen zu Wasser-Molekülen:

H+ + OH- ---> H2O Übrigens: Da Wärme frei wird, gibt man der Reaktionswärme mitunter ein negatives Vorzeichen: Q = -54 kJ/mol Verbesserung der Genauigkeit

Reaktionsenthalpie Die Reaktionsenthalpie und die Reaktionswärme Q sind nur bei konstantem Druck p gleich. Bei der Bestimmung der Neutralionswärme ist diese Bedingung gut erfüllt.

Wärmekapazität Im Kalorimeter wird die freigesetzte Wärme vom Wasser aufgenommen. Das ist so gewollt und wird durch die hohe spezifische Wärmekapazität des Wassers gewährleistet. Es werden aber auch andere Bestandteile des Kalorimeters erwärmt. Der Anteil an der Gesamtwärme ist relativ gering. Seine Berücksichtung führt zu einer Verbesserung der kalorimetrischen Messung. Kurz gesagt: Die Wärmekapazität des Wassers ist durch die Wärmekapazität des Kalorimeters zu ersetzen.

Zwickelabgleich Trotz bester Isolierung findet die Erwärmung so statt, wie sie in der Darstellung dokumentiert. 1. Man legt an die Vorkurve und die Nachkurve Tangenten an. 2. Die Hauptkurve wird durch einen sprunghaften Anstieg ersetzt. Bedingung: Die Flächen FI und FII sind gleich. Im einfachsten Fall geschieht das durch Schätzung.

Das war es auch schon wieder für heute. Ich wünsche euch alle Gute und viel Erfolg.

Tschüs.

Euer André

6 Kommentare
  1. Hallol Herr Otto,
    meine Frage wäre: Wie kommt man auf die 0,5 mol/l ich hab in anderen Aufgaben auch schon mol angaben gehabt mir hat sich allerdings nie genau erschlossen woher diese genau kommen. Also ob sie vorgegeben sind oder man die irgendwie berechnen oder ablesen kann.

    Von Deleted User 807292, vor 3 Monaten
  2. Hallo Herr Otto,
    danke, dass Sie auf meine Frage so schnell geantwortet haben.
    Viele Grüße
    Dina

    Von André Otto, vor etwa 4 Jahren
  3. Hallo,

    Reaktionsenthalpie ist die Reaktionswärme bei konstantem definierten Druck. Für die Untersuchungen im Video sind beide Begriffe gleich zu verwenden.
    Im Video wird bei 5:30 NICHT durch die Kehrwerte dividiert. Es wurde durch die Werte dividiert ODER mit den Kehrwerten multipliziert.
    Aber das war wohl auch gemeint.
    Eine Erklärung wurde auch gegeben: Die Reaktionswärme sollte pro mol Umsatz bezogen auf einen Liter Lösung berechnet werden. Da aber mit einer Lösung von 0,5 mol/l und einer Flüssigkeitsmenge von 0,1 l gearbeitet wurde, wird dadurch dividiert, um 1 mol zu erhalten (zu normieren).
    Man kann auch zweimal eine Proportion aufstellen, was nicht sehr ersprießlich ist.
    Alternativ kann man so vorgehen:
    Ein Volumen von 0,1 l mit einer Konzentration von 0,5 mol/l ergibt eine Stoffmenge von 0,05 mol oder 1/20 mol. Um 1 mol zu erhalten, muss man entweder mit 20 multiplizieren oder durch 0,05 (1/20) teilen.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor etwa 4 Jahren
  4. hallo! ich habe unter anderem dieselbe Frage wie Anikii: Was ist der Unterschied zwischen der reaktionswärme und der reaktionsenthalpie?
    Und wieso musste man bei ca. 5min30 durch den Kerhwert von 0,5 und 100 rechnen?Ich finde das wird im Video nicht genau erläutert.

    Von Dina Chouli, vor etwa 4 Jahren
  5. Guten Morgen Hr Otto!
    Ich weiß nicht ,was der Unterschied zwischen Reaktionswärme und Reaktionsenthalpie ist und woher das Minuszeichen bei Q=-c.m.t/n kommt,denn im Physik hat man ja nicht.

    Von Aniikii, vor etwa 4 Jahren
  1. sehr gut und verständlich erklärt :)

    Von Saira Akr, vor fast 5 Jahren
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Bestimmung der Reaktionswärme durch Kalorimetrie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Bestimmung der Reaktionswärme durch Kalorimetrie kannst du es wiederholen und üben.

  • Charakterisiere die physikalischen Größen, die in die Grundgleichung der Wärmelehre einfließen.

    Tipps

    Die Wärmekapazität gibt die Wärmeänderung pro Masseneinheit und Änderung um eine Temperatureinheit an.

    Kapazität wurde früher mit C geschrieben.

    Lösung

    • $Q$ ist die Reaktionswärme. Die Einheit von $Q$ ist das Joule (J).
    • $c$ ist das Symbol für die spezifische Wärmekapazität der wärmetragenden Substanz. Die spezifische Wärmekapazität $c$ hat die Einheit Joule je Gramm und Kelvin ($\frac{J}{g\,\!\cdot\,\!K}$).
    • $m$ symbolisiert die Masse der wärmetragenden Substanz. Die Masse $m$ hat die Einheit Gramm (g).
    • $\Delta\:\!T$ bedeutet die Temperaturveränderung der wärmetragenden Substanz. Die Temperaturänderung hat wie die (absolute) Temperatur die Einheit $\Delta\:\!T$.
    Anmerkung: Es wurde jeweils nur eine mögliche Einheit angegeben. Alternativ sind natürlich Kilojoule, Kilojoule je Kilogramm und Kelvin, Kilogramm sowie Kelvin denkbar. Wird statt Kelvin Grad Celsius verwendet, muss man die Einheit der Wärmekapazität entsprechend abändern. Das trifft auch auf die Veränderung der Masseeinheit zu. Letztendlich müssen sich die Einheiten sauber „herauskürzen “ lassen, um eine eindeutige Einheit der Wärme zu erhalten.

  • Bestimme die Verbrennungswärme für je 100 g Substanz der Nahrungsmittel.

    Tipps

    So manche Wurst enthält einen erheblichen Anteil an Fett.

    Das Problem bei der Schokolade ist nicht der Kakao. Das Problem ist der Zucker.

    Lösung

    Kartoffeln (356 kJ) sind energieärmer als viele vermuten. Allerdings nur gekocht. Beim Braten entweicht Wasser und der Energiegehalt pro Bezugsmasse steigt stark an.

    Schokolade (2357 kJ) ist sehr energiereich, wenn es sich um Vollmilch-Sorten handelt. Bei hohem Kakao-Gehalt ist die Verbrennungswärme erheblich niedriger.

    Bananen (377 kJ) sind durchaus keine „Dickmacher “.

    Äpfel (218 kJ) sind energiearm und gesund.

    Pommes Frites (1054 kJ) sind viel energiereicher als Rohkartoffeln. Die Ursachen sind der hohe Wasserverlust und die Fettaufnahme während der Herstellung und Zubereitung.

    Salami (2026 kJ) ist eine sehr fetthaltige Wurst.

  • Erkläre die Bestandteile des Kalorimeters.

    Tipps

    Für den Erhalt zuverlässiger Ergebnisse ist eine gute Wärmeisolierung unabdinglich.

    Für die exakte Wärmemessung ist eine gute Durchmischung der kalorimetrischen Flüssigkeit notwendig.

    Fast jede Reaktion benötigt eine Aktivierung.

    Lösung

    In einem Kalorimeter werden Versuche zur Bestimmung der Reaktionswärme einer Reaktion durchgeführt. Daher müssen bestimmte Bestandteile vorhanden sein:

    • Thermometer : Damit wird die Temperaturdifferenz des Wassers gemessen. Wichtig ist, dass die Messinstrumente im gesamten Messbereich eine hohe Genauigkeit aufweisen.
    • Zünddrähte: Diese dienen zur Reaktionsinitiierung. Die Aktivierungsenergie der Reaktion muss überwunden werden.
    • Wasser: Das Wasser ist das Medium, welches zur Wärmeaufnahme benötigt wird. Bei hohen Wärmemengen ist das Wasser dank seiner hohen spezifischen Wärmekapazität als kalorimetrische Flüssigkeit gut geeignet.
    • Luft: Eine Luftschicht dient der Zwischenisolierung. Luft ist ein schlechter Wärmeleiter und damit als Wärmeisolator gut geeignet.
    • Rührer: Damit die Reaktionswärme an jeder Stelle im Reaktionsgefäß gleich ist, wird ein Rührer zur Durchmischung benötigt. Als schlechter Wärmeleiter muss Wasser gründlich gerührt werden, um eine exakte Temperaturmessung zu gewährleisten.
    • Außenisolierung: Diese ist notwendig zur Wärmeverlustminimierung. Wärmeverluste sind zu vermeiden, da sie die Messergebnisse verfälschen.
  • Erläutere die Bestimmung der Wärmekapazität eines Kalorimeters.

    Tipps

    Spezifische Wärmekapazitäten geben Wärmemengen je Masseneinheit und Temperatureinheit an.

    Wärmekapazitäten geben Wärmemengen je Temperatureinheit an.

    Lösung

    Die Wärmekapazität wird so definiert: $C = c\:\cdot\:m$

    Eigentlich müsste hier eine Summe der Produkte aus $c$ und $m$ dargestellt werden.

    $C$ ist keine Stoffkonstante.

    Kalorimeter + Wasser
    Für 1000 g Wasser, eine Temperaturerhöhung von 78 K ( 22 °C bis 100 °C), einen Heizkessel mit einer Leistung von 2400 W und einer Zeit von 150 s, erhält man nach der Gleichung

    $P{\cdot}t = C_{gesamt}{\cdot}\Delta\;\!T$:

    $C_{gesamt}$ = 4615 J/K

    Reines Wasser
    Man verwendet die Formel für die Wärmekapazität des Wassers:

    $C_{Wasser} = c_{Wasser}\:\cdot\:m_{Wasser}$

    $C_{Wasser} =$ 4187 J/K

    Die Wärmekapazität des Kalorimeters (Wasserkochers)
    Das ist die Differenz der Gesamtwärmekapazität und des Wassers:

    $C_{Kalorimeter} = C_{gesamt}\:-\ C_{Wasser}$

    $C_{Kalorimeter}$ = 428 J/K

  • Berechne den täglichen Energieverbrauch eines Erwachsenen als Menge an gebrühtem Kaffee.

    Tipps

    Eine Kalorie sind 4,1868 Joule.

    Die Dichte von Wasser beträgt 1 $\frac{g}{cm^{3}}$.

    Die Wärmekapazität von Wasser beläuft sich auf 4,1868 J/(g $\cdot$ K).

    Die Einheiten Kalorie und Joule sind für die Beschreibung des menschlichen Energiehaushalts zu klein.

    Lösung

    1. Umrechnung von Kalorien in Joule

    Der Energieverbrauch von 2000 kcal wird mit 4,1868 kJ/kcal multipliziert. Man erhält: 8373,6 kJ

    2. Bestimmung der Masse an Trinkwasser

    Die Temperaturdifferenz beträgt 85 K. Die spezifische Wärmekapazität des Wassers ist 4,1868 J/(g $\cdot$ K).

    Die Grundgleichung der Wärmelehre wird nach der Masse umgestellt:

    m = Q / (c} $\cdot$ $\Delta\;\!T$)

    Man erhält für die Masse zu erhitzenden Wassers: 23529 g

    3. Zahl der Tassen von frisch gebrühtem Kaffee

    Eine Tasse fasst 125 ml. Das sind 125 g.

    Die Anzahl der Tassen ergibt sich als Ergebnis der Division der Masse des zu erwärmenden Wassers durch diesen Wert: 188

    Beeindruckend, nicht wahr? Einen Monat lang Kaffee, oder was?!?

  • Interpretiere die folgende Temperaturkurve einer kalorimetrischen Messung.

    Tipps

    Bei P tritt der Graph der Zeitfunktion von einer Linkskurve in eine Rechtskurve.

    Im Wendepunkt ändert die Kurve die Richtung.

    Lösung

    Wird mit einem Kalorimeter die Reaktionstemperatur bestimmt, dann lässt sich die Temperaturänderung nicht einfach ablesen. Der Zwickelabgleich ist eine grafische Methode zur Bestimmung. Um diese durchführen zu können, solltest du die wichtigsten Punkte der Kurve kennen.

    Der Punkt P ist der Wendepunkt der Temperaturkurve. Die grüne Gerade durch P ist parallel zur Temperaturachse. Bis dahin steigt die Steigung der Funktion, danach fällt sie wieder. Die Richtung der Krümmung des Graphen ändert sich also. B und C sind Punkte linearer bzw. quasi linearer Bereiche. Die gestrichelten Geraden sind Verlängerungen dieser Abschnitte.

    Wird ein Zwickelabgleich an einer Temperaturkurve gemacht, werden also die (fast) linearen Bereiche der Kurve von AB und CD verlängert (gestrichelte Linien) und eine Gerade senkrecht durch den Wendepunkt der Kurve gelegt. Dadurch entstehen Schnittpunkte. Diese sind mit und bezeichnet. Der Abstand zwischen diesen beiden Punkten d(B´,C´) entspricht nun also der Temperaturdifferenz $\Delta T$ der Reaktion.

    Beim Punkt A findet man den Beginn der Messung, bei D deren Ende.