Verbrennungsenergie 14.11.2006 Marco Limburg Benjamin Grimme

Verbrennungsenergie
Marco Limburg
269948
14.11.2006
Benjamin Grimme
266814
Theorie:
In diesem Versuch soll die molare Verbrennungsenergie einer Kohlenwasserstoffverbindung
gemessen werden um daraus die molare Verbrennungsenthalpie und die
Standartbildungsenthalpie zu berechnen.
Die Verbrennungsenergie bezeichnet die Änderung der inneren Energie eines Systems in dem
eine schnelle Oxidation bei konstanter Temperatur und konstantem Volumen abläuft. Die
Verbrennungsenergie wird als  cU bezeichnet und errechnet sich aus der Differenz der
inneren Energie vor und nach der Reaktion.
Nach dem 1.Hauptsatz der Thermodynamik gilt:
dU
dW
dQ
da in einem adiabatischen, isochoren System Q=0 ist und ausgenommen elektrischer und
Reibungsarbeit W=0 folgt daraus: U  0
Der Prozess im vorliegenden Versuch jedoch ist nicht isotherm es tritt eine
Temperaturänderung auf:

T

T

T
T

T
III
I
III
II
Man kann den experimentell durchgeführten Gesamtprozess mit U  0 aufspalten in einen
isochoren, isothermen Prozess mit der Verbrennungsenergie  cU und einen isochoren, nicht
isothermen Prozess mit dem Unterschied der inneren Energie U '
Daraus folgt:

U

0


U


U
'
c
Was bedeutet dass die Verbrennungsenergie gleich dem negativen Zahlwert der Differenz der
inneren Energie beider Zustände entspricht.
Die Änderung der inneren Energie mit der Temperatur bei konstantem Volumen ist als
Wärmekapazität Cv definiert:
U
) Die Wärmekapazität ist eine Stoffkonstante die auf die Masse oder die
T V
Cv (
Stoffmenge bezogen werden kann.
Die Wärmekapazität der Kaloriemeters wird Wasserwert CW genannt.
Ist der Wasserwert bekannt lässt sich aus der Temperaturänderung bei der Reaktion die
Verbrennungsenergie berechnen.
Um den Wasserwert zu bestimmen wird ein Kalibrierungsversuch mit einem Stoff dessen
Verbrennungsenergie bekannt ist durchgeführt; in unserem Fall die Benzoesäure.
Für den Kalibrierversuch gilt folgende Gleichung:
CU
(B
)
C
W

T(B
)
Zwischen der Verbrennungsenergie und der Verbrennungsenthalpie besteht der
Zusammenhang:

H


U


(pV
)
C
C
wobei ( pV ) die Differenz der Produkte aus Druck und Volumen nach und vor der
Verbrennungsreaktion ist.
Die Molare Verbrennungsenthalpie von Benzoesäure beträgt bei 25°C bei -3227,43
kJ/molVersuchsdurchführung
Probenvorbereitung
Es wurde ein Draht von ca. 20 cm Länge abgeschnitten, gewogen und zusammen gedreht.
Dieser Zünddraht wurde durch die Bohrungen im Boden der Pressform gesteckt so dass eine
Schlaufe von ca. 0,5cm im inneren des Presszylinders entsteht.
Es wurde 1g Substanz abgewogen und ebenfalls in den Presszylinder gegeben. Nach dem
Pressen wurde das Pressbrikett erneut gewogen.
Kalibrierversuch:
Zunächst wurde der Wasserwert des Kalorimeters mittels Benzoesäure ermittelt.
Dazu wurde ein Pressbrikett mit Benzoesäure erstellt und wurde über dem
Verbrennungsschälchen befestigt.
Es wurden 5ml entsalztes Wasser auf den Boden der Bombe pipettiert. Die Bombe wurde
verschlossen, mit Sauerstoff gespült und auf einen Innendruck von 20bar gebracht.
Die Bombe wurde in das mit Wasser gefüllte Kalorimeter gesetzt, der Füllstand registriert und
die Kontakte geschlossen.
Die Pumpe wurde eingeschaltet und es wurde etwa 10 min gewartet. Nachdem sich eine
konstante Temperatur unter 22°C eingestellt hatte wurde mit der Ablesung der Temperatur
begonnen. Die Temperatur wurde minütlich abgelesen und notiert. Nach exakt 12 Messungen
wurde die Zündung für 2 Sekunden betätigt.
Nach der Zündung wurde weiterhin ca. 20 Minuten lang die Temperatur minütlich abgelesen.
Die Bombe wurde dem Kalorimeter entnommen, der Druck abgelassen und die Bombe
geöffnet. Die am Boden befindliche Flüssigkeit wurde quantitativ in einen ErlenmeyerKolben überführt und mit 0,1molarer NaOH titriert.
Hauptversuch
Analog zum Kalibrierversuch wurde ein Pressbrikett aus Analysesubstanz und Draht
angefertigt und in die Bombe integriert.
Die Bombe wurde in das mit Wasser gefüllte Kalorimeter gesetzt, der Füllstand auf
ursprungswert des Kalibrierversuchs angepasst und die Kontakte geschlossen.
Die Pumpe wurde eingeschaltet und es wurde etwa 10 min gewartet. Nachdem sich eine
konstante Temperatur unter 22°C eingestellt hatte wurde mit der Ablesung der Temperatur
begonnen. Die Temperatur wurde minütlich abgelesen und notiert. Nach exakt 17 Messungen
wurde die Zündung für 2 Sekunden betätigt.
Nach der Zündung wurde weiterhin ca. 15 Minuten lang die Temperatur minütlich abgelesen.
Die Bombe wurde dem Kalorimeter entnommen, der Druck abgelassen und die Bombe
geöffnet. Die am Boden befindliche Flüssigkeit wurde quantitativ in einen ErlenmeyerKolben überführt und mit 0,1molarer NaOH titriert.
Auswertung:
Kalibrierversuch
t/min
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
t/°c +20°C
1,838
1,839
1,840
1,840
1,842
1,845
1,849
1,850
1,853
1,855
3,000
3,510
3,600
3,630
3,639
3,642
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
3,641
3,640
3,639
3,636
3,632
3,630
3,625
3,628
3,625
3,622
3,620
3,619
3,617
3,613
Die Werte wurden in einem Diagramm t/°C gegen t/min aufgetragen.
Der Temperaturverlauf wurde Extrapoliert und Vor- wie Nachperiode durch eine Senkrechte
die Parallel zur Ordinate verläuft geteilt. Die im Diagramm eingezeichneten, dabei
entstehenden Flächen sollen gleich groß sein.
Für T ergibt sich damit 3,658-1,870=1,788
Das Gewicht des Benzoesäurebriketts betrug 0,96g, davon 0,020g Nickeldraht. Nach der
Verbrennung blieben 0,015g Nickeldraht zurück.

U


U
(
B
)


U
(
Ni
)


U
(
N
)
C
C
C
C
2
J
U
'
(
B
)

m
(
B
)


26520

0
,
955
g

C
Wobei CU (B) = 
-25363,2 J
g
J
U
'
(
Ni
)

m
(
Ni
)


2720

0
,
005
g

CU(Ni)  
C
-13.6 J
g
J
CU(N2) 
U
'
(
N
)

V
(
NaOH
)


6
,
3

0
,
35
ml

-2,205 J
C
2
ml
Insgesamt ergibt sich:
 C U = 26379,005 J

U
J
C

C 
14735
,
68
W

T
K
Hauptversuch:
Bei der zu analysierenden Substanz handelte es sich um Benzoesäure.
Die Einwagen betrugen:
Pressbrikett: 0,98g, davon 0,021g Nickeldraht. Nach der Reaktion blieben 0,014g Nickeldraht
über.
Die Gleichung der Reaktion von Benzoesäure mit Sauerstoff lautet:
C6H5COOH +7,5 O2 -> 7 CO2 + 3 H2O

n0,5n(B
)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
15,93
16,00
16,05
16,10
16,13
16,20
16,25
13,60
16,35
16,40
16,45
16,50
16,55
16,60
16,55
16,60
16,55
16,80
30,50
34,00
34,66
34,89
34,95
34,98
34,98
34,96
34,99
35,00
34,98
34,95
34,96
34,95
34,96
Analog zum Kalibrierversuch wurde ein Graph gezeichnet und die Senkrechte ermittelt.
Für T ergibt sich: 3,505-1,676=1,829

U
(
S
)


C


T


U
(
Ni
)


U
(
N
)
C
W
C
C
2
J
U
'
(
Ni
)

m
(
Ni
)


2720

0
,
007
g

CU(Ni)  
C
-19.04 J
g
J
CU(N2) 
U
'
(
N
)

V
(
NaOH
)


6
,
3

0
,
8
ml

-5,04 J
C
2
ml

U
(
S
)

14735
,
68

1
,
828

)

19
,
04

(

5
,
04
)


26927
,
5
J
C
m(S )
n(S) = M (S )  0,008mol

U

3352
,2
kJ
C
m

H


U
(
S
)


nRT


3352
,
2
kJ

(

0
,
5

8314

298
K
)


3358
kJ
/
mol
C
m
C
m
Standartbildungsenthalpie:
Aus den Standartbildungsenthalpien von Wasser und Kohlendioxid ergibt sich:





H
(
B
(
cr
))

3

H
(
H
O
(
l
)

7

H
(
CO
(
g
)


H
(
B
(
cr
))

f
f
2
f
2
f
m
-274,9 kJ/mol

Die Abweichung vom Literaturwert (  f H =383,2 kJ/mol) in Höhe von 28% ist zu erklären
durch die Differenz des gemessenen  C H m Wertes (-3358 kJ/mol) vom Literaturwert (3228,67 kJ/mol). Diese beträgt: 129,33 kJ, bzw. 4%
Dieser Fehler pflanzt sich durch die Umrechnung in Standartbildungsenthalpie jedoch nicht
Prozentuell sondern ganzzahlig fort.
Fehlerfortpflanzung:
Für den Fehler der Wärmekapazität des Kalorimeters gilt die Formel

U
(
Benzoesä
e
)
*
m
(
Benzoe
e
)

U
(
Ni
)
*
m
(
Ni
)

U
(
N
)
*
V
(
Na
)
c
c
c
2
c




w

T
(
Benzoes
e
)

T
(
Benzo
e
)

T
(
Ben
e
)







c

c

c
w
w
w







c

*

m

*

m

*

V
w







m

m

V
(
Benzoesäur
e
)
(
Ni
)
(
NaOH
)







T

T

T

m

0
,
0005
g
(
Waage
)

V


0
,
08
ml
100
mlBürtte
Rechenbeispiel: Für absoluten Fehler

26420
J
/g

(

2720
J
/g
*
0
,007
g
)
(

6
,
3
J
/ml
*
0
,7
ml
)


c

*
0
,0005
g


w
1
,
928
K



T
,
T
,m
(Ni
),
v
(NaOH
)

26420
J
/g
*
0
,
948
g

(

2720
J
/g
)
(

6
,
3
J
/ml
*
0
,7
ml
)


*
0
,0005
g


1
,
928
K



T
,m
(
B
),
V
(
NaOH

26420
J
/g
*
0
,
948

(

2720
J
/g
*
0
,007
g
)
(

6
,
3
J
/ml
)


*
0
,08
ml


1
,
928
K



T
,m
(
B
),
m
(
Ni
)

c


13000

1054
,
37
J
/K
w
Rechenbeispiel: Für relativen Fehler

c
,
948
g6,86J/K
0
,
007
g
7,20J/K
0
,
7
ml
1040,31J/
w 0

*
 *
 *
c
J
/
K
0
,
948
g13000
J0
,
007
g13000
J 0
,
7
ml
w 13000

c
w

8
,
11
%
c
w
Fehlerfortpflanzung für die Verbrennungsenergie der Ursubstanz:
Gleichung: Für Absoluten Fehler

U
(
S
)


c

T
(
S
)


U
(
Ni
)
*
m
(
Ni
)


U
(
N
)
*
V
(
NaOH
)
c
´
w
c
c
2



U
(
S
)

U
(
S
)


c
c




U
(
S
)


*

c



m
(
Ni
)
c
w

 *
c 

m
(
Ni
)


 w

T
,
c

T
,
m
(
Ni
)
w

U
(
S
)

(

26948
J

71
,
61
J
)
c
Gleichung für relativen Fehler:

U
(S
)
c

0
,27
%
+2,12

U
(S
)
c