Beispiel 2: Lösungswärme

Beispiel 2:
Lösungswärme
Aufgabenstellung
In einem vereinfachten Experiment sollen die Lösungswärmen (Lösungsenthalpien)
zweier Salze bestimmt werden.
Grundlagen
Lösungen, Lösungsvorgang, Lösungswärme, Gitterenergie, Hydratation, Solvatation,
Wärmekapazität, Kalorimeter.
siehe auch „Mortimer: Chemie - Das Basiswissen der Chemie“, 9. Auflage.
Kap. 5.1 - 5.4
(„Energieumsatz chemischer Reaktionen“)
Kap. 7.4 - 7.5
(„Eigenschaften der Atome und Ionenbindung“)
Kap.13.1 - 13.5 („Lösungen“)
a) Wärmekapazität
Die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen, heißt
spezifische Wärmekapazität c des Stoffes.
Der physikalische Zusammenhang zwischen der als Wärme zugeführten Energiemenge
Q, der daraus resultierenden Temperaturänderung ΔT, und der Masse des vorgelegten
Stoffes m ist
Q = c· m· ΔT
(1)
Daraus ergibt sich die physikalische Einheit der spezifischen Wärme als J kg-1 K-1.
Die gesamte, von der Masse des Körpers abhängige Wärmekapazität C ergibt sich aus
dem Produkt c·m.
Früher galt : um 1g Wasser um 1°C zu erwärmen, benötigt man die Wärmemenge von 1
cal. Genauer ist wegen der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität
(sie geht mit Annäherung an den absoluten Nullpunkt gegen Null) die Erwärmung von
14,5°C auf 15,5 °C gemeint.
Heute:
Angabe in SI-Einheiten (kg, J). Umrechnung 1cal = 4,187 J.
Es gilt: um 1 kg Wasser von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erwärmen, sind 4187 J erforderlich.
Damit beträgt die spezifische Wärmekapazität von Wasser bei einer gemittelten
Temperatur von 15°C 4187 J kg-1 K-1. Bei 20°C beträgt sie 4190 J kg-1 K-1.
b) Lösungswärme
Unter 'Lösung' im weitesten Sinn versteht man eine homogene einphasige Mischung. Bei
dem physikalischen Vorgang des Lösens wird insgesamt meist Energie aufgebracht oder
abgegeben. Zu berücksichtigen sind dabei die Einzelenergiebeträge der stoffspezifischen
Gitterenergien und der Solvatationsenergien (Hydratationsenergie im Falle von Wasser
als Lösungmittel) des jeweiligen Solvens und des zu lösenden Stoffes. Die bei dem
Lösungsvorgang veränderten Wechselwirkungskräfte von Solvens/Solvens,
Solvens/Gelöstem und Gelöstem/Gelöstem bedingen in der Summe eine positive oder
negative Lösungswärme.
Wird ein Salz in Wasser gelöst, so wird bei diesem Vorgang Wärme freigesetzt
(exothermer Lösungsvorgang) oder verbraucht (endothermer Lösungsvorgang). Zur
experimentellen Bestimmung von Wärmemengen werden geeichte Kalorimeter
eingesetzt. (Bezeichnung Kalorimeter ist geblieben.)
Der Betrag der umgesetzten Wärme Q lässt sich aus der beobachteten Temperatur–
änderung abschätzen:
Q = C‘ · (TE – TA)
(2)
Dabei bedeuten TA die Anfangstemperatur, TE die Endtemperatur und C‘ die vorher zu
bestimmende Wärmekapazität des Kalorimeters. (Hier: Der Wert von C‘ wird grob
abgeschätzt.)
Die Lösungswärme des Salzes – bei konstantem Druck eigentlich die Lösungsenthalpie bezieht sich auf die Auflösung von einem Mol des Salzes, wird demnach mittels der
Molmasse des Salzes auf kJ mol-1 umgerechnet.
Vorzeichenkonvention:
freigesetzte Wärme (Q>0), Lösungsenthalpie negativ (H<0), exotherm (und umgekehrt).
Versuchsdurchführung
Es sollen die Lösungswärmen (Lösungsenthalpien) zweier ausgewählter Salze
abgeschätzt werden. Dazu werden jeweils ca. 3 Gramm des Salzes in 100 ml Wasser (in
einem 150 ml Becherglas) aufgelöst. (Eventuell Variation von 2,5 bis 3,5 g)
Aus der gemessenen Temperaturdifferenz (Pt-Widerstandsthermometer, mV-Meter)
kann mittels Gleichung (2) der Betrag der freigesetzten oder verbrauchten Wärme Q
und daraus schließlich die Lösungsenthalpie Hsol (in kJ mol-1) berechnet werden.
Annahme:
Die Wärmekapazität des Kalorimeters sei näherungsweise ausschließlich durch die
Menge des eingesetzten Wassers (Volumen 100 ml, Dichte 1,00 g cm3) gegeben:
C‘ ≈ cWasser· mWasser ≈ 4,19 kJ/(kg K) · 0,1 kg = 0,419 kJ/K
Die Studierenden können paarweise arbeiten, jedoch mit getrennter Protokollführung.
Bei den Experimenten soll die Einwaagen absichtlich zwischen 2,5 und 3,5 Gramm
variiert werden
Die Berechnung, der Vergleich der Daten untereinander und Diskussion sollten noch im
Praktikum durchgeführt werden.
Abschließend sollen die Ergebnisse mit den Literaturdaten verglichen werden.
Protokoll
• Kurze Beschreibung des Versuchs.
• Resultate der Temperaturmessung.
• Erklärung des Vorzeichens der Lösungsenthalpie (Gitterenergie/Solvatation).
• Vergleich mit dem Ergebnis des Partners (anderes Salz, anderes Vorzeichen?).
• Warum die Abweichung vom Literaturwert? Wo liegt der Fehler? (Kurze Erklärung.)