Kalorimetrie 2016 - Graf (AB)

Fachdidaktik Chemie UZH
FDIII - Experimentierkurs
Arbeitsblatt: Energiegehalt von Holzkohle
Einleitung:
Jede chemische Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden. Dabei wird zwischen exothermen
Reaktionen, bei denen Energie frei wird, und endothermen Reaktionen, welche für den Ablauf
Energiezufuhr benötigen, unterschieden. In der Chemie wird die frei werdende oder benötigte
Wärmeenergie als Reaktionswärme (oder als Reaktionsenthalpie, ∆HR) bezeichnet. Die meisten
exothermen Reaktionen sind Verbrennungsreaktionen, die dabei frei werdende Wärme, die
Reaktionswärme der Verbrennungsreaktion also, wird als Verbrennungsenthalpie bezeichnet. Diese
Energie-
oder
Wärmemenge
(Masseinheit
Joule)
kann
nur
experimentell
mit
einem
Bombenkalorimeter gemessen werden.
Ziele:

Die SuS können Beobachtungen adäquat zu Papier bringen.

Die SuS lernen den Begriff der Wärmekapazität kennen und können diesen in einfachen
Berechnungen einsetzen.

Die SuS können mittels der ermittelten Temperaturen aus dem Kalorimeterversuch die
Verbrennungswärme von Holzkohle berechnen.

Die SuS lernen, mit Einheiten richtig umzugehen und mögliche Fehlerquellen zu eruieren.
Beobachtung: Wir skizzieren schematisch den Aufbau des Kalorimeters und notieren, was wir
während des Versuchs beobachten.
Skizze:
Beobachtung:
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Auswertung:
Wie können wir nun die Verbrennungswärme bestimmen, also, wie viel Energie in unserem Stückchen
Kohle steckt? Dazu notieren wir erst einmal alle Eckdaten des Versuchs:
Masse unseres Holzkohlestücks (g): _________________
Umrechnungsfaktor auf 1g Holzkohle: _________________
Masse des Wassers (g): _________________
Wassertemperatur vor Verbrennung (°C): _________________
Wassertemperatur nach Verbrennung (°C): _________________
Temperaturunterschied ∆T (°C): _________________
Spezifische Wärmekapazität1 cp des Wassers: 4.19 J/g°C (streng genommen J/gK)
Berechnung der Verbrennungswärme der Holzkohle:
Die Formel zur Berechnung lautet wie folgt (pro g Holzkohle):
∆HR = ∆T(°C)
x
m(H2O)(g)
x
cp(H2O)(J/g°C)
x
Umrechnungsfaktor
Einsetzen unserer Werte ergibt (achten sie auf die richtigen Einheiten):
Tragen sie hier den für die Holzkohle in der Literatur angegebenen Wert (pro g!) ein (Elemente, S.
170): __________________
Vergleichen Sie die beiden Werte. Was fällt auf?
Falls der berechnete Wert vom Literaturwert abweicht, was könnten mögliche Fehlerquellen sein?
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Die spezifische Wärmekapazität cp eines Stoffes gibt Auskunft über die Fähigkeit eines Stoffes, Wärme zu speichern. Sie kann
nur experimentell bestimmt werden.
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Lösungen zum Arbeitsblatt
Einleitung
Jede chemische Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden. Dabei wird zwischen exothermen
Reaktionen, bei denen Energie frei wird, und endothermen Reaktionen, welche für den Ablauf
Energiezufuhr benötigen, unterschieden. In der Chemie wird die frei werdende oder benötigte
Wärmeenergie als Reaktionswärme (oder als Reaktionsenthalpie, ∆HR) bezeichnet. Die meisten
exothermen Reaktionen sind Verbrennungsreaktionen, die dabei frei werdende Wärme, die
Reaktionswärme der Verbrennungsreaktion also, wird als Verbrennungsenthalpie bezeichnet. Diese
Energie- oder Wärmemenge (Maßeinheit Joule) kann nur experimentell mit einem Bombenkalorimeter
gemessen werden.
Ziele:

Die SuS können Beobachtungen adäquat zu Papier bringen.

Die SuS lernen den Begriff der Wärmekapazität kennen und können diesen in einfachen
Berechnungen einsetzen.

Die SuS können mittels der ermittelten Temperaturen aus dem Kalorimeterversuch die
Verbrennungswärme von Holzkohle berechnen.

Die SuS lernen, mit Einheiten richtig umzugehen.
Beobachtung: Wir skizzieren schematisch den Aufbau des Kalorimeters und notieren, was wir
während des Versuchs beobachten (Skizze unter Umständen vollständig oder teilweise vorgeben.
Man könnte auch eine schematische Skizze machen.).
Das glimmende Holzkohlestückchen glüht nach der
Sauerstoffzufuhr hell auf.
Die Verbrennung liefert Wärme, die das Wasser im
Kalorimeter aufheizt.
Die Temperaturzunahme kann an dem Thermometer
abgelesen werden.
Die Temperatur erreicht nach dem Ende der
Verbrennung ihr Maximum.
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Auswertung:
Wie können wir nun die Verbrennungswärme bestimmen, also, wie viel Energie in unserem Stückchen
Kohle steckt? Dazu notieren wir erst einmal alle Eckdaten des Versuchs: Daten vom Experimentiertag
Masse unseres Holzkohlestücks (g): 0.15
Umrechnungsfaktor auf 1g Holzkohle: 6.66
Masse des Wassers (g): 500
Wassertemperatur vor Verbrennung (°C): 21.2
Wassertemperatur nach Verbrennung (°C): 23.2
Temperaturunterschied ∆T (°C): 2
Spezifische Wärmekapazität2 cp des Wassers: 4.19 J/g°C (streng genommen J/gK)
Berechnung der Verbrennungswärme der Holzkohle:
Die Formel zur Berechnung lautet wie folgt (pro g Holzkohle):
∆HR = ∆T(°C)
x
m(H2O)(g)
x
cp(H2O)(J/g°C)
x
Umrechnungsfaktor
Einsetzen unserer Werte ergibt (achten sie auf die richtigen Einheiten):
(-) 27'905J = (-) 27.9KJ/g
Tragen sie hier den für die Holzkohle in der Literatur angegebenen Wert (pro g) ein (Elemente, S.
170): - 26KJ/g
Vergleichen Sie die beiden Werte. Was fällt auf?
Der experimentell berechnete Wert ist meist etwas geringer. Am Experimentiertag höher, aber
ziemlich genau.
Falls der berechnete Wert vom Literaturwert abweicht, was könnten mögliche Fehlerquellen sein?

Temperatur mit herkömmlichem Thermometer nicht ganz genau zu bestimmen.

Zusammensetzung der Holzkohle kann variieren.

Wassermenge nicht genau bestimmt.

Falls Wert zu tief: Nicht alle Wärme wird komplett vom Wasser aufgenommen. Ein wenig Wärme wird
auch von der Apparatur absorbiert. Es bräuchte die Wärmekapazität des Kalorimeters selbst als
Korrekturwert.
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Die spezifische Wärmekapazität cp eines Stoffes gibt Auskunft über die Fähigkeit eines Stoffes, Wärme zu speichern. Sie kann
nur experimentell bestimmt werden.
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Bemerkungen:
Eigentlich müssten alle Temperaturwerte in Kelvin angegeben werden. Zwecks didaktischer
Vereinfachung wird hier mit °C gearbeitet.
Literatur:

Steiger Markus et al. (2007). Elemente. Grundlagen der Chemie für Schweizer
Mittelschulen (7., unveränderter Nachdruck 2015). Zug: Klett und Balmer.

http://www.seilnacht.com/versuche/kalori.html

https://de.wikipedia.org/wiki/Spezifische_W%C3%A4rmekapazit%C3%A4t
Autor: Urs Graf
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