Thema: Enthalpie und Entropie | Tags: Satz, Hess, Wärmemenge, Kalorimetrie, Calciumchlorid, Salzsäure, Calcium, Enthalpie, | Klassenstufen: 11-12 | Versuchsart: SV |
Isoliergefäß, digitales Thermometer mit Thermofühler, Messzylinder 50-mL und 100-mL, Uhrglas, Waage, Spatel, Magnetrührer mit Fisch
Schwefelsäure verdünnt , Calciumspäne, Wasser
Durchführung 1:
Der Versuch wird wie in Abb. 1 aufgebaut. 25 g der verdünnten Salzsäure werden in das Isoliergefäß gegeben und es wird die Anfangstemperatur bestimmt. Es werden 0,5 g Calciumspäne abgewogen und zu der Salzsäure gegeben (Vorsicht: Wasserstoff entweicht; Temperatur über 50 °C!). An- schließend werden 75 g Wasser dazugegeben und die höchste Temperatur T1 bestimmt.
Durchführung 2:
Es werden 75 g Wasser in das Isoliergefäß gegeben und die Anfangstemperatur T0 bestimmt. Es werden 0,5 g Calciumspäne abgewogen und zu dem Wasser hinzugegeben. Die höchste Temperatur T1 wird gemessen und notiert. Anschließend werden 25 g verdünnte Salzsäure dazu gegeben und die Endtemperatur T2 bestimmt.
Beobachtung 1:
Es war eine Gasentwicklung zu beobachten. Die Temperatur steigt auf bis zu 72,4 °C an. Nach Zugabe des Wassers beträgt die höchste Temperatur 32,7 °C.
Beobachtung 2:
Die Anfangstemperatur beträgt T0 = 22,5 °C. Nach Zugabe des Calciums kann eine Gasentwicklung beobachtet werden. T1 beträgt 35,2 °C. Nach Zugabe der Salzsäure beträgt die Temperatur T2 = 36,5 °C.
Bei diesem Versuch laufen folgende Reaktionen ab:
Direkter Weg
Ca(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(aq) + H2(g)
Indirekter Weg
∑: Ca(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(aq) + H2(g)
Wie man den Reaktionsgleichungen entnehmen kann, findet auf beiden Wegen die gleiche Reaktion statt. Der Satz von Hess besagt, dass die Reaktionenthalpie unabhängig vom Weg ist. Bei gleichem Anfangs- und Endzustand der Reaktion ist die Reaktionsenthalpie für jeden Reaktionsweg gleich groß [1]. Es gilt:
ΔH0Weg 1=ΔH0Weg 2
Auf diesem Wege können auch Reaktionsenthalpien von Reaktionen bestimmt werden, die sonst kaum oder schwer messbar sind.
Für unser Beispiel ergeben sich folgende Werte für die Temperaturdifferenz und die Wärmemenge für den direkten Weg:
∆T = 32,7 K − 22,5 K = 10,2 K
Q(direkter Weg) = −∆T ∙ cp(H2O) ∙ m(H2O) = 10,2 K ∙ 4,19 Jg-1K-1 ∙ 100 g = −4273,8 J = −4,2748 kJ
Berechnet man nun die molare Enthalpie mit der Stoffmenge: n(Ca) = 0,5 g / 40 gmol-1 = 0,0125 mol
ergibt sich für die Reaktionsenthalpie folgender Wert:
ΔH0direkter Weg = 4273,8 J / 0,0125 mol = −341,9 KJmol-1
Für den indirekten Weg kann man analog vorgehen, man muss nur die Wärmemenge für die jeweiligen Teilreaktionen errechnen.
1. Reaktionsschritt:
∆T = 35,2 K − 22,5 K = 12,7 K
Q(indirekter Weg 1) = 12,7 K ∙ 4,19 Jg-1K-1 ∙ 75 g = −3991,0 J = −3,9910 kJ
Die Stoffmenge zur Berechnung der molaren Enmthalpie ist die gleiche wie beim direkten Weg, da die gleiche Mange an Calcium eingesetzt wird.
ΔH0direkter Weg = 3991,0 J / 0,0125 mol = −319,3 KJmol-1
2. Reaktionsschritt:
∆T = 36,5 K − 35,2 K = 1,3K
Q(indirekter Weg 2) = 1,3 K ∙ 4,19 Jg-1K-1 ∙ 100 g = −544,7 JHier wird mit der Stoffmenge der Salzsäure gerechnet, da von dieser Reagenz die Stoffmenge leicht bestimmt werden kann:
n = c(HCl) ∙ V(HCl) = 2 molL-1 ∙ 0,025 L= 0,05 mol
Daraus ergibt sich folgende molare Enthalpie:
ΔH0indirekter Weg 2 = 544,7 J / 0,05 mol = −10,9 KJmol-1
Vergleicht man nun die Wärmemengen des direkten und indirekten Weges, als auch die molare Enthalpie kommt man zu folgenden Ergebnissen:
Q(direkter Weg) = −4273,8 J = −4,3 kJ
Q(indirekter Weg gesamt) = −3991,0 − 544,7 J = −4535,7 = −4,5 kJ
∆H0(direkter Weg) = −341,9 kJmol-1
∆H0(indirekter Weg gesamt) = −319,3 kJmol-1 − 10,9 kJmol-1 = −330,2 kJmol-1
Mit diesem Experiment hat man den Satz von Hess bewiesen, da die Werte sehr dicht beieinander sind. Der Fehler kann durch die oben bereits genannten Fehler entstanden sein.
Die Lösungen werden in den Säure-Base-Behälter gegeben.
A. Poenitz, http://www.poenitz-net.de/Chemie/3.Physikalische%20Chemie/3.3.L.Waermesatz%20von%20Hess.pdf, 12.08.2013, 21:26 Uhr.
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