Ziel des Versuchs: Das Abkühlen eines Kältepacks erfolgt durch eine spontan ablaufende endotherme Reaktion.
| Thema: Enthalpie und Entropie | Tags: Entropie, Kältemischung | Klassenstufen: 11-12 | Versuchsart: LV |
Materialien
Becherglas (100 mL) oder Gefrierbeutel, Digitalthermometer, feuchtes Papier, Indikatorpapier, Glasstab
Chemikalien
Ammoniumthiocyanat, Bariumhydroxid, Ammoniak, Bariumthiocyanat, Wasser
| Gefahrstoff | H-Sätze | P-Sätze | GHS |
|---|---|---|---|
| Ammoniumthiocyanat | H332-H312-H302-H412-EUH032 | -- |  |
| Bariumhydroxid-8-H2O | H302+H332-H314 | P280-P301+P330+P331-P304+P340-P309+P310 |  |
| Ammoniak gasförmig | H221-H331-H314-H400 | -- |    |
| Bariumsulfat | -- | -- |
Durchführung
In einem Becherglas oder verschließbaren Gefrierbeutel werden ca. 5 g Bariumhydroxid mit derselben Menge an Ammoniumthiocyanat durch kurzes Umrühren mit einem Glasstab vermischt. Das Gefäß wird zur besseren Demonstration des Phänomens auf eine feuchte Unterlage, wie z. B. ein feuchtes Papier gelegt und die Temperatur des Gemisches gemessen. Der pH-Wert des Gasraums wird mit feuchtem Indikatorpapier überprüft.
Beobachtung
Von anfänglichen 20,7 °C kühlt das Gemisch in weniger als einer Minute auf -16,2 °C ab. Ohne Verwendung einer feuchten Unterlage wurde ein Temperaturminimum bei 3,0 °C festgestellt. Das Indikatorpapier verfärbte sich blaugrün. Es ist ein ammoniakalischer Geruch wahrnehmbar.
Deutung
Gemäß folgender Reaktionsgleichung entsteht bei der Reaktion Ammoniak, was sowohl den Geruch als auch die Färbung des Indikatorpapiers erklärt, das einen pH-Wert von ca. 12 angezeigt hat.
2 NH4SCN(s) + Ba(OH)2 · 8 H2O(s) → Ba2+(aq) + 2 SCN-(aq) + 2 NH3 (g) + 10 H2O(l)
Die plötzliche Abkühlung nach Zusammengeben der beiden Salze zeigt, dass eine endotherme Reaktion abläuft – und zwar freiwillig. Die SuS wissen, dass für endotherme Reaktionen gilt: ΔH > 0, was ein Widerspruch zu sein scheint. Eine Begründung für das Versuchsergebnis stellt die Gibbs-Helmholtz-Gleichung dar, welche die Größen Enthalpie und Entropie verknüpft:
ΔG = ΔH - T · ΔS
Die neue Größe ΔG, die freie Enthalpie, liefert eine Aussage über den freiwilligen Ablauf von Reaktionen. Ist ΔG < 0, so ist dies nicht der Fall. Solche Reaktionen werden als endergonisch bezeichnet, wohingegen spontan ablaufende Reaktionen exergonisch genannt werden. Für sie gilt ΔG > 0.
Bezogen auf das Experiment muss eben letzteres gelten, da die Reaktion offensichtlich freiwillig abläuft. Dies ist genau dann gewährleistet, wenn die Enthalpieänderung kleiner als das Produkt aus Entropieänderung und absoluter Temperatur ist. Außerdem steigt die Entropie durch die Zunahme der Teilchenanzahl sowie das Vorliegen in wässriger Phase gelöster oder gasförmiger Produkte, was diesen Effekt nur noch verstärkt.
Entsorgung
Die Entsorgung der Lösung erfolgt im Schwermetallbehälter.
Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse: Der Versuch steht in Widerspruch zum bisherigen Kenntnisstand der SuS, da zuvor galt, dass endotherme Reaktionen nicht freiwillig ablaufen. Auf erhöhtem Anforderungsniveau erfolgt mithilfe dieses kognitiven Konflikts die Definition der Entropie. Im Anschluss an diesen Versuch kann die Gibbs-Helmholtz-Gleichung hergeleitet werden. In diesem Zusammenhang sind die Begriffe exergonisch und endergonisch einzuführen.
Literatur
Universität Göttingen, Praktikumsskript zum Anorganisch-Chemischen Praktikum, 2013, S. 24.
Ähnliche Experimente
Ähnliche Experimente
Feedback
Haben Sie Anmerkungen, Feedback oder Kritik zu diesem Experiment? Kontaktieren Sie uns unter Bezugnahme auf diese Seite!
Copyright und Lizenzen: Alle Rechte an den Inhalten dieser eLearning-Materialien liegen beim Autor oder den jeweiligen Urheberrechtsinhabern. Sämtliche Bilder und Texte sind entweder vom Autor selbst fotografiert oder verfasst oder sind gemeinfrei, es sei denn, es ist eine andere Quelle angegeben. Die gesammelten/vollständigen Literaturverzeichnisse der einzelnen Versuche sind jeweils in den entsprechenden Gesamtprotokollen zu finden.
Haftungsausschluss: Die Benutzung der hier vorliegenden Informationen geschieht auf vollkommen eigene Verantwortung. Haftung für Schäden oder Verluste, die beim Umgang mit den hier beschriebenen Stoffen oder bei der Durchführung von chemischen Versuchen entstehen, ist ausgeschlossen; ebenso wie Schadensersatzforderungen oder Gewährleistungsansprüche aufgrund falscher oder fehlender Angaben. Die Angaben zu den Stoffen und die Experimentieranleitungen wurden jedoch sorgfältig und nach bestem Gewissen erstellt und sind in jedem Falle zu beachten.