08 – Unterrichtsmitschrift von Lorena
Energetik 08 – Zusammenfassung – Bestimmung der Reaktionswärme und der Reaktionsenthalpie
Die Reaktionswärme Qr und die Reaktionsenthalpie ΔHr = Qrp lassen sich mit Hilfe eines Kalorimeters (durch Kalorimetrie) bestimmen.
Ein Kalorimeter (Aufbau siehe Skizze!) ist ein Gefäß, das gegen den Wärmeaustausch mit der Umgebung isoliert ist.
Die bei einer Reaktion abgegebene (!) Reaktionswärme Qr ist gleich der von der Kalorimeterflüssigkeit (i. d. R.: Wasser) aufgenommenen (!) Reaktionswärme Q:
Qr = - Q bzw. -Qr = Q.
Einerseits wird bei der Reaktion Energie abgegeben, andererseits wird Energie von der Kalorimeterflüssigkeit aufgenommen, deshalb der Vorzeichenwechsel!
Für die Wärmeenergie Q, die benötigt wird, um die Temperatur eines Stoffes mit der Masse m um ΔT zu ändern gilt:
Q = c•m•ΔT (vgl. IQB-Formelsammlung)
ΔT `= Änderung der Temperatur der Kalorimeterflüssigkeit
m = Masse der Kalorimeterflüssigkeit
Q= auf die Kalorimeterflüssigkeit übertragene Wärme
c = spezifische Wärmekapazität der Kalorimeterflüssigkeit
Die spezifische Wärmekapazität gibt an, welche Energiemenge (in kJ) nötig ist, um 1 kg eines Stoffes um 1 Kelvin zu erhitzen.
Die spezifische Wärmekapazität des Wassers cp(H2O) beträgt (bei konstantem Druck p): 4,18 J/g∙K bzw. 4,18 kJ/kg∙K
Beispielaufgabe:
Bei der Verbrennung von 1,5 g Marshmallows in einem Kalorimeter mit der Wassermenge m(H20) = 410 g wurde eine Temperaturerhöhung von 11,9 K gemessen. Berechnen Sie die Verbrennungswärme für die Verbrennung der Marshmallows!
Lösung:
Q = c • m • ΔT
Q = cp(H2O) • m (H20) • ΔT
Q = 4,18 kJ • kg-1 • K-1 • 0,41 kg • 11,9 K = 20,39 kJ
Bei der Verbrennung von 1,5 g Marshmallows werden 20,39 kJ Wärme frei.
Energetik 08a – Basiswissen – Bestimmung der Reaktionswärme und der Reaktionsenthalpie durch Kalorimetrie
Die Reaktionswärme Qr und die Reaktionsenthalpie ΔHr = Qrp lassen sich mit Hilfe eines Kalorimeters (durch Kalorimetrie) bestimmen
Ein Kalorimeter ist ein gegen Wärmeaustausch isoliertes Gefäß.
Wichtige Bauteile eines einfachen Kalorimeter sind:
● das innere Reaktionsgefäß
● der Zwischenraum, der mit einer Kalorimeterflüssigkeit gefüllt ist, in welche ein Thermometer eintaucht
● die isolierende Außenwand des Kalorimeters
Die Temperaturänderung ΔT der Kalorimeterflüssigkeit (meist ist das Wasser) wird gemessen.
Man nimmt vereinfachend an, dass die gesamte abgegebene Reaktionswärme Qr von der Kalorimeterflüssigkeit [i. d. R. ist das Wasser!] aufgenommen wird.
Die bei einer Reaktion abgegebene (!) Reaktionswärme Qr ist gleich der von der Kalorimeterflüssigkeit Wasser aufgenommenen (!) Reaktionswärme Q:
Qr = - Q bzw. -Qr = Q. Einerseits wird bei der Reaktion Energie abgegeben, andererseits wird Energie von der Kalorimeterflüssigkeit aufgenommen, deshalb der Vorzeichenwechsel!
Für eine exakte Ermittlung der Reaktionswärme ΔQr reicht es eigentlich nicht aus, nur die Temperaturänderung des Wassers zu betrachten. Denn nicht nur das Wasser sondern alle Teile des Kalorimeters (also auch die Kalorimeterwand und das Reaktionsgefäß) nehmen Wärme auf,
Für die Wärmeenergie Q, die benötigt wird, um die Temperatur eines Stoffes mit der Masse m um ΔT zu ändern gilt:
(1) Je größer die Masse eines Körpers, desto mehr Wärme Q wird benötigt, um den Körper zu erhitzen: Q ~ m
(2) Je mehr Wärme Q übertragen wird, desto größer ist die Temperaturänderung: Q ~ ΔT
Aus (1) und (2) ergibt sich die Gleichung: Q = k•m•ΔT
Die Proportionalitätskonstante k nennt man spezifische Wärmekapazität c.
So lässt sich also formulieren: Q = c•m•ΔT (vgl. IQB-Formelsammlung)
ΔT `= Änderung der Temperatur der Kalorimeterflüssigkeit
m = Masse der Kalorimeterflüssigkeit
Q= auf die Kalorimeterflüssigkeit übertragene Wärme
c = spezifische Wärmekapazität der Kalorimeterflüssigkeit
Die spezifische Wärmekapazität gibt an, welche Energiemenge (in kJ) nötig ist, um 1 kg eines Stoffes um 1 Kelvin zu erhitzen.
Die spezifische Wärmekapazität des Wassers cp(H2O) beträgt (bei konstantem Druck p): 4,18 J/g∙K bzw. 4,18 kJ/kg∙K
Um 1 kg Wasser um 1 Kelvin zu erhitzen, benötigt man 4,18 kJ
Um 1 g Wasser um 1 Kelvin zu erhitzen, benötigt man 4,18 J (= 1 Kalorie).
1 Kalorie ist die Wärmemenge, die nötig ist, um die Temperatur von einem Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen (4,18 Joule)
Energetik 08b – Berechnung einer Reaktionswärme bei der Verbrennung von Marshmallows –eine Schulbuchaufgabe
Ein Marshmallow ist eine Süßware, die zu 75% aus Zucker besteht.
Bei der Verbrennung von 1,5 g Marshmallows in einem Kalorimeter mit der Wassermenge m(H20) = 410 g wurde eine Temperaturerhöhung von 11,9 K gemessen. Berechnen Sie die Verbrennungswärme für die Verbrennung der Marshmallows!
Vgl. hierzu die folgende Quelle: Schulbuch Fokus Chemie. Gesamtband (Cornelsen-Verlag). ISBN-978-3-06-015656-6 (Schülerband), 1. Auflage, 3. Druck, 2019, Seite 77
Der Download der Formelsammlung ist (im Juli 2024) möglich unter:
https://www.iqb.hu-berlin.de/abitur/dokumente/naturwissenschaften/
Energetik 08c – Berechnung einer Reaktionswärme bei der Verbrennung von Marshmallows – Lösung der Schulbuchaufgabe
Es gilt die Gleichung:
Q = c • m • ΔT
c = spezifische Wärmekapazität der Kalorimeterflüssigkeit
m = Masse der Kalorimeterflüssigkeit
ΔT = Änderung der Temperatur der Kalorimeterflüssigkeit
Gegegeben:
m (Marshmallow) = 1,5 g
m (H2O) = 410g
ΔT = 11,9 K
cp(H2O) = 4,18 kJ • kg-1 • K-1 = 4,18 kJ/kg • K (vgl. IQB-Formelsammlung)
Q = c • m • ΔT
Q = cp(H2O) • m (H20) • ΔT
Q = 4,18 kJ • kg-1 • K-1 • 0,41 kg • 11,9 K = 20,39 kJ
Bei der Verbrennung von 1,5 g Marshmallows werden 20,39 kJ Wärme frei.
Anmerkung: Die Masse der Marshmellows spielt für die Lösung der Aufgabe keine Rolle.
Vorbereitende Hausaufgabe für die nächste Stunde:
Videotipp - Kalorimetrische Bestimmung der molaren Reaktionsenthalpie - Einführung - Low-Cost-Kalorimeter