Reaktionswärme messen
- Anknüpfung:bei konstantem Druck gilt \(\Delta_r H = Q_p\) — gesucht ist also eine Wärme.
- Kalorimeter:gut isoliertes Gefäß (Dewar, Styroporbecher) mit Wasser bzw. Lösung, Rührer und Thermometer.
- Messprinzip:die Reaktionswärme bleibt im Kalorimeter und ändert dessen Temperatur um \(\Delta T\).
- Wärmekapazität:Wasser: \(c_W = 4{,}18\,\tfrac{\text{J}}{\text{g}\cdot\text{K}}\); das Gefäß selbst nimmt \(C_K\) (Kalorimeterkonstante, in J/K) auf.
Herleitung:
Kalorimetrische Reaktionsenthalpie: \(\Delta_r H = -\dfrac{(c_W\cdot m_W + C_K)\cdot\Delta T}{n}\)
Kalorimeter: Gut isoliertes Gefäß mit Wasser bzw. Lösung, Rührer und Thermometer; bei konstantem Druck gilt \(\Delta_r H = Q_p\).
Messprinzip: Die Reaktionswärme ändert die Temperatur des Kalorimeters um \(\Delta T\); \(\Delta_r H = \dfrac{Q_r}{n}\).
Wärmekapazität: Wasser: \(c_W = 4{,}18\,\tfrac{\text{J}}{\text{g}\cdot\text{K}}\); das Gefäß nimmt \(C_K\) (Kalorimeterkonstante, J/K) auf.
\(\Delta T\) richtig bestimmen
- Vorperiode:Temperatur vor dem Start einige Minuten lang messen (Temperaturgang).
- Hauptperiode:Reaktion läuft, die Temperatur steigt oder fällt schnell.
- Nachperiode:Wärmeaustausch mit der Umgebung verändert \(T\) langsam und gleichmäßig.
Im Kalorimeter stehen 100 mL Kupfer(II)-sulfat-Lösung (\(c = 0{,}20\,\text{mol/L}\)); bei \(t = 4\,\text{min}\) fällt Zinkpulver im Überschuss hinein. Schiebe die Zeitmarke (ziehen, Regler oder Pfeiltasten), lies das Thermometer in der Lupe ab und trage mit Ablesen (oder Enter) Messpunkte ein — je mindestens drei in der Vor- und in der Nachperiode.
Halte fest: Die höchste abgelesene Temperatur ist zu niedrig, weil das Kalorimeter schon während der Reaktion Wärme verliert. \(\Delta T\) liest man deshalb an den auf den Mischzeitpunkt verlängerten Geraden der Vor- und Nachperiode ab.
- Extrapolation:Geraden der Vor- und Nachperiode bis zum Mischzeitpunkt verlängern; ihr Abstand ist \(\Delta T\).
- \(C_K\) bestimmen:warmes Wasser in kaltes Wasser im Kalorimeter mischen oder elektrisch heizen (\(Q = U\cdot I\cdot t\)).
Kalorimeterkonstante (Mischungsmethode): \(C_K = \dfrac{Q_{\text{ab}} - Q_{\text{auf}}}{T_M - T_{\text{kalt}}}\)
Verlauf: Vorperiode (Temperaturgang), Hauptperiode (Reaktion), Nachperiode (langsamer Wärmeaustausch mit der Umgebung).
Bestimmung von \(\Delta T\): Die höchste abgelesene Temperatur ist zu niedrig; man verlängert die Geraden der Vor- und Nachperiode bis zum Mischzeitpunkt, ihr Abstand ist \(\Delta T\).
\(C_K\): Man bestimmt es durch Mischen von warmem und kaltem Wasser oder durch elektrisches Heizen (\(Q = U\cdot I\cdot t\)).
- Dabei:\(Q_{\text{ab}} = c_W\cdot m_{\text{warm}}\cdot(T_{\text{warm}} - T_M)\), \(Q_{\text{auf}} = c_W\cdot m_{\text{kalt}}\cdot(T_M - T_{\text{kalt}})\).
Allgemeine Hinweise
Vorzeichen umdrehen
Steigt die Temperatur des Kalorimeters (\(\Delta T > 0\)), hat das Reaktionssystem Wärme abgegeben: \(\Delta_r H\) ist negativ. Das Minus in der Formel nicht vergessen.
Die richtige Stoffmenge
Für \(n\) zählt der Reaktionspartner, der vollständig umgesetzt wird (Unterschuss) — nicht der im Überschuss zugegebene Stoff.
Verdünnte Lösungen
Für verdünnte wässrige Lösungen rechnet man mit \(c_W = 4{,}18\,\tfrac{\text{J}}{\text{g}\cdot\text{K}}\) und \(\rho \approx 1\,\text{g/mL}\); \(m_W\) ist dann die Masse aller Lösungen zusammen.