Bestimmung der Reaktionswärme   DH_R  

Stoffe:	Holzkohlestück, destilliertes Wasser, Sauerstoff aus der Flasche, Eisen gepulvert, Schwefel sublimiert
Geräte:	Kalorimeter, Stativ, Thermometer 0-50°C/0,1°C, Waage 0,01g, Gaswaschflasche, Schlauchverbindung, Brenner, Hammer, Tiegelzange, Reagenzgläser 16x180mm und 20x180mm, Glaswolle, 2 Plastikbecher 500ml
	Reiner Sauerstoff darf im Kalorimeter nur in Verbindung mit der Holzkohle verwendet werden, keine anderen Stoffe in reinem Sauerstoff verbrennen! Mengen nicht überschreiten, Sauerstoff genau dosieren (Gaswaschflasche)!

 
Didaktische Bemerkungen:
Chemische Reaktionen sind stets mit einem Energieumsatz verbunden. Diese Erfahrung entspricht auch den Alltagserfahrungen, z.B. beim Verbrennen von Heizöl oder von Holzkohle. Eine Hinführung zu diesem Thema erfolgte im Unterricht zuvor bei verschiedenen Experimenten (z.B. "Kupfer und Schwefel"), bei den Schülerübungen oder bei den Sulfid-Reaktionen. Im folgenden soll nun demonstriert werden, dass die frei werdende Reaktionswärme nicht nur qualitativ wahrgenommen, sondern auch quantitativ gemessen und berechnet werden kann.
 
 
Demonstration 1: Bestimmung der Reaktionswärme von Holzkohle
 
Zunächst wiegt man ein Holzkohlestückchen von max. 0,3g auf einer Waage ab und bestimmt die Masse auf zwei Stellen hinter dem Komma genau. Danach wird ein Kalorimeter in ein Stativ gespannt und mit der erforderlichen Menge an destilliertem Wasser gefüllt (meist 500ml). Die genaue Masse des Wasser kann mit einem Messzylinder oder mit einer Waage bestimmt werden. Das Eingangsrohr unterhalb des Kalorimeters wird an eine mit Kalkwasser gefüllte Gaswaschflasche angeschlossen. Diese verbindet man mit der Sauerstoffflasche und stellt einen schwachen Gasstrom ein (ca. 2-3 Blasen pro Sekunde).
 

Bestimmung der Reaktionswärme im Kalorimeter Bild vergrößern nur auf CD-ROM

 
Nun erfolgt eine genaue Messung der Wassertemperatur. Danach wird ein kleines Stück Holzkohle (max. 0,3g !) mit der Tiegelzange über der nichtleuchtenden Brennerflamme an den Rändern zum Glühen gebracht und zügig in die Halterung des Kalorimeters eingesetzt. Der Kalorimeter sollte dann sofort verschlossen werden. Achtung: Die Sauerstoffzufuhr muss eventuell gedrosselt werden, vor allem wenn die Holzkohle zu stark aufglüht oder der Korken gar Feuer fängt!
 
Während des Verbrennens der Holzkohle wird der Rührstab gelegentlich auf und ab bewegt. Dies wird auch eine Weile nach dem vollständigen Verglühen des Kohlestückchens fortgesetzt. Danach liest man die Temperatur erneut ab und bestimmt die Temperaturdifferenz.
 
Beobachtung:
Das glimmende Holzkohlestückchen glüht nach der Sauerstoffzufuhr hell auf. Gelegentlich beschlägt das Innere des Kalorimeters mit Wasserdampf. Die Verbrennung liefert Wärme, die das Wasser des Kalorimeters aufheizt. Die Temperaturzunahme kann an dem Thermometer abgelesen werden. Die Temperatur erreicht nach dem Ende der Verbrennung ihr Maximum.
 
Theorie:
Bei der Verbrennung der Holzkohle wird Wärme frei, die das Wasser im Kalorimeter aufheizt. Die Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Kohlenstoff lautet:
 
C  +  O₂  ----->  CO₂   DH_R = -393 kJ/mol
 
Die angegebene Reaktionswärme DH_R bezieht sich auf die Stoffmenge von 12g Kohlenstoff (1mol). Zunächst soll jedoch die absolute Wärmemenge Q berechnet werden. Die Berechnung erfolgt unter Einbeziehung der spezifischen Wärmekapazität (c_P) des Wassers:   Q = c_P (Wasser) · m (Wasser) · DT  
Zur Erwärmung von 1g Wasser um 1 Kelvin (1°C), sind (bei konstantem Druck) 4,19 Joule notwendig. Die Wärmekapazität des Kalorimeters soll hierbei vernachlässigt werden. Beispiel: Bei einer Messung erwärmen 0,3g Holzkohle 500g Wasser um 4,3 Kelvin (°C):   Q = 4,19 J/(g · K) · 500g · 4,3K = 9008,5 Joule  
Bei der Verbrennung von 0,3g Holzkohle werden also 9008,5 Joule frei. Nun wird die Reaktionswärme bezogen auf die Stoffmenge des Kohlenstoffs berechnet. 0,3g Kohlenstoff entsprechen der Stoffmenge von 0,025mol. Die Reaktionswärme bei 1mol Kohlenstoff beträgt also:   DH_R = -9008,5 Joule/0,025mol = -360340 Joule/mol = -360,34 kJ/mol  
Der errechnete Wert erhält ein negatives Vorzeichen, da bei der Reaktion Energie frei wird. Bei einem Vergleich mit dem theoretischen Wert (-393 kJ/mol) zeigt sich eine Abweichung, die durch folgende Faktoren verursacht werden kann:

• Die spezifische Wärmekapazität des Kalorimeters wurde nicht berücksichtigt. Bei der Verbrennung der Holzkohle wurde nicht nur das Wasser erwärmt, sondern auch das Glas und die umgebende Luft des Kalorimeters. Diese Wärmemenge floss nicht in das Wasser. Wird die Wärmekapazität der Kalorimeters mit berücksichtigt (z.B. 200 J/g · K), erfolgt die Berechnung nach einer erweiterten Gleichung:

Q = 4,19 J/(g · K) · 500g + 200 J/(g · K) · 4,3K = 9868,5 Joule   DH_R = -9868,5 Joule/0,025mol = -394740 Joule/mol = -394,74 kJ/mol

• Die Holzkohle ist mit Wasser oder mit Kohlenwasserstoffen verunreinigt. Der innere Beschlag im Kalorimeter deutet eventuell darauf hin.
• Beim Zünden des Holzkohlestückchen mit dem Brenner außerhalb des Kalorimeters geht bereits Wärme verloren.

Die Abweichungen sollten diskutiert werden, weil durch sie das Prinzip der Messung von den Schülern besser verstanden wird.
 
 
Demonstration 2: Bestimmung der Lösungswärmen von Salzen
 
Beim Lösen von Salzen in Wasser zerfallen die Ionenbindungen in Ionen, wobei ebenfalls Wärme abgegeben oder aufgenommen wird. Löst man das Salz Kaliumnitrat in Wasser, findet eine Abkühlung statt, da beim Lösungsvorgang Energie aus der Umgebung benötigt wird:
 
KNO₃  ----->  K⁺  +  NO₃^-   DH_L = +36 kJ/mol
 
Andere Salze führen beim Lösen in Wasser zu einer Erwärmung, z.B. beim Natriumhydroxid:
 
NaOH  ----->  Na⁺  +  OH^-   DH_L = -43 kJ/mol
 
In einer Schülerübung (>Arbeitsblatt) bestimmen die Schüler die absoluten Wärmemengen und die molaren Lösungswärmen selbst und vergleichen dann mit den theoretischen Werten (vgl. auch mit den Tabellen zu den Bildungsenthalpien von Ionen). Auch hier soll die spezifische Wärmekapazität der verwendeten Gefäße vernachlässigt werden.
 
 
Demonstration 3: Bestimmung der Bildungswärme bei der Reaktion von Eisen und Schwefel
 
Bei der exothermen Sulfid-Reaktion von Eisen und Schwefel wird viel Energie frei:
 
Fe  +  S  ----->  FeS  DH_B = -100 kJ/mol
 
7g Eisenpulver werden in einer Reibschale mit 4g Schwefel vermischt. Von dem Gemisch wiegt man auf einer Waage genau 8,8g ab und füllt es in ein kleineres Reagenzglas (16x180mm). Ein Becher aus dünnem, transparentem Kunststoff, der in einem zweiten steht, wird mit genau 250g (250ml) Wasser gefüllt. Der genaue Aufbau der Apparatur ist der Zeichnung zu entnehmen:
      Grafikherstellung unter Verwendung des Labormakers  
 
Am Boden des größeren Reagenzglases, welches in das Wasser taucht, befindet sich ein kleines Knäulchen Glaswolle. Die Wassertemperatur wird auf 0,1°C genau gemessen. Danach erhitzt man das Gemisch im Reagenzglas mit der nicht leuchtenden Brennerflamme solange, bis es zu glühen beginnt. Das Reagenzglas wird möglichst rasch in das ins Wasser getauchte Reagenzglas hinein gestellt. Der Thermometer sollte während der Reaktion aus Sicherheitsgründen nicht in das Wasser gehalten werden. Nach Beendigung der Reaktion rührt man mit dem Thermometer vorsichtig um und liest danach die höchste, erreichbare Temperatur ab.
 
Beobachtungen:
Das Eisen-Schwefel-Gemisch glüht hell auf, die Glutzone wandert durch das Gemisch. Dabei erwärmt sich das Wasser im Becher.
 
Theorie:
Bei diesem Versuch entspricht die absolute Wärmemenge Q genau einem Zehntel der molaren Reaktionswärme DH_R, da 5,6g Eisen und 3,2g Schwefel (=8,8g) genau 0,1 mol an Stoffmenge der beteiligten Stoffe entsprechen:   Q = c_P (Wasser) · m (Wasser) · DT  
Berechnung eines Versuchs, bei dem sich das Wasser um 8,6 Kelvin (°C) erwärmt:   Q = 4,19 J/(g · K) · 250g · 8,6K = 9008,5 Joule   DH_B = -9008,5 Joule/0,1mol = -90085 Joule/mol = -90,085 kJ/mol  
Aufgrund der exothermen Reaktion erhält die errechnete Bildungswärme ein negatives Vorzeichen. Der Vergleich mit dem theoretischen Wert (-100kJ/mol) zeigt eine Abweichung von ca. 10%. Auch hier erscheint eine Fehlerdiskussion sinnvoll:

• Beim Erhitzen des Reagenzglases mit dem Brenner wird dem System Energie zugeführt, die das Wasser später mit aufheizt. Diese Fehlerquelle müsste den Wert erhöhen.
• Da die Reaktion außerhalb des Messkalorimeters bereits beginnt, geht einiges an Wärme verloren.
• Die spezifische Wärmekapazität der Plastikbecher wird nicht berücksichtigt, auch dies erniedrigt den Wert, da dem System Wärme verloren geht.

Im Anschluss kann die Reaktionswärme aus der Differenz der Summen aller Bildungswärmen der Ausgangs- und der Endstoffe berechnet werden. Da Eisen und Schwefel zu Beginn als Element vorliegen, wird für sie der Wert 0 eingesetzt:
    für die Reaktion Fe  +  S  ----->  FeS:   DH_R = -100kJ - (0 + 0) = -100 kJ/mol  
 
Ausblick:
Die Berechnung der Reaktionswärmen kann an weiteren Übungsbeispielen verdeutlicht werden. Die Messung von Neutralisationswärmen bei der Neutralisation von Natronlauge durch Schwefelsäure und die Bestimmung der Reaktionswärmen bei Redoxreaktionen, z.B. wenn man Zinkpulver zu einer Kupfer(II)-sulfatlösung in einem Thermosgefäß gibt, dienen zur weiteren Vertiefung.
 
 

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