Ziel des Versuchs: Dieser Versuch zeigt anhand der Reaktion von Kupfer(II)-Ionen und Zink eine spontante exotherme Reaktion mit anschließender Reaktionsenthalpieberechnung.
| Thema: Enthalpie und Entropie II | Tags: Reaktionsenthalpie, Wärmekapazität, Kalorimeter | Klassenstufen: 11-12 | Versuchsart: SV |
Materialien
Styroporkalorimeter, digitales Thermometer, Messzylinder, Stativ mit Stativmaterial
Chemikalien
Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat, Zinkpulver, destillierstes Wasser
| Gefahrstoff | H-Sätze | P-Sätze | GHS |
|---|---|---|---|
| Kupfer(II)-sulfat-5-H2O | H302-H319-H315-H410 | P280-P273-P302+P352-P305+P351+P338-P309+P311 |   |
| Zink Pulver | H410 | -- | |
Durchführung
In einem Becherglas werden 5 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat in 200 mL destilliertem Wasser gelöst. Die homogene Lösung wird in das Kunststoff-Becherglas des Styroporkalorimeters gefüllt und in dieses gestellt. Die Anfangstemperatur T0 wird gemessen. Anschließend werden 3 g Zink hinzugefügt und das Stoffgemisch umgerührt. Im Abstand von jeweils 1 Minute wird die Temperatur abgelesen bis diese nicht mehr steigt. Die Endtemperatur T1 wird notiert.
Beobachtung
Nach Zugabe des Zinks hat die vorher blaue Lösung eine schlammig graue Farbe. T0 beträgt 19,5 °C, T1 beträgt 24,1 °C.
Deutung
Es läuft folgende Reaktion ab:
Cu2+(aq) + Zn(s) → Zn2+(aq) + Cu(s)
Da die Temperatur steigt, handelt es sich um eine exotherme Reaktion. Die Temperaturdifferenz beträgt:
ΔT = T1 - T0 = 297,25 K - 292,65 K = 4,6 K
Zur Berechnung der molaren Reaktionsenthalpie wird folgende Formel verwendet:
| ΔHmol = | - |
|
Messgrößen:
- m(H2O) = 200 g
- m(CuSO4 · 5 H2O) = 5g
- m(Zn) = 3 g
- n(CuSO4 · 5 H2O) = 0,02 mol
- Wärmekapazität des Styroporkalorimeters C = 70 J/K
- spezifische Wärmekapazität des Wassers cp = 4,19 J/g · K
Es folgt für ΔHmol:
| ΔHmol = | - |
|
= | -216549,6 J/mol | = | -216,55 kJ/mol |
Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, muss ΔHmol < 0 sein, daher beträgt die molare Reaktionsenthalpie der Reaktion von Kupfer(II)-Ionen mit Zink -216,55 kJ/mol .
Vergleich mit Literaturwerten:
Reaktionsenthalpie: -218,66 kJ/mol
[berechnet aus: P.W. Atkins, Kurzlehrbuch Physikalische Chemie, WILEY-VCH, 4. Auflage, 2008, S. 1084/1086.]
xabs = -216,55 kJ/mol - ( -218,66 kJ/mol ) = 2,11 kJ/mol
| xrel = | | |
| | | · 100% | = | 0,97 % |
Die Abweichung zum Literaturwert ist minimal, die Bestimmung der Reaktionsenthalpie mit diesem Versuch funktioniert also sehr gut.
Entsorgung
Die Lösung wird mit Natronlauge versetzt und der entstehende Niederschlag im Behälter für Schwermetalle entsorgt.
Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse: Dieser Versuch veranschaulicht exotherme Reaktionen und lässt sich gut zur Berechnung der Reaktionsenthalpie benutzen. Zur Durchführung des Experiments sind alternativ auch andere Kupfer(II)-Salze geeignet. Laut Literatur soll das Experiment etwa 20 Minuten dauern, diese Zeit schließt die Vorbereitungszeit mit ein, bis zum Erreichen der Endtemperatur sind nur wenige Minuten vergangen.
Literatur
H. Keune, H. Böhland, Chemische Schulexperimente Band 3: Allgemeine, physikalische und analytische Chemie; Chemie und Umwelt, Volk und Wissen Verlag, 2002, S. 141-142.
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