adiabatische kalorimetrie

Physikalisch-Chemisches Grundpraktikum
VERSUCH 6 - Adiabatische Kalorimetrie
VERSUCH 6
ADIABATISCHE KALORIMETRIE
Thema
Kalorimetrische Bestimmung von
Lösungs- und Neutralisationswärmen
Grundlagen
F
F
F
1. Hauptsatz der Thermodynamik
adiabatische Kalorimetrie
Lösungs-, Neutralisations-, Verdünnungswärme
Literatur
Lehrbücher der Physikalischen Chemie
Theorie und Methode
In einem angenähert adiabatischen Kalorimeter (siehe Abb. 6.1) von bekannter
Wärmekapazität Ccal stehen zugeführte oder entnommene Wärmemengen Q und
beobachtete Temperaturänderungen ∆T in einer einfachen Beziehung zueinander:
Q = C ⋅ ∆T
(1)
Führt man eine bekannte Wärmemenge zu, so kann Ccal leicht ermittelt werden.
Nimmt man dabei eine elektrische Heizung (JOULE'sche Wärme im Heizdraht)
vor, so stehen die umgesetzte elektrische Leistung P und die Wärmemenge Q in
folgendem Zusammenhang:
Q=U⋅I⋅t =P⋅t
(2)
(U = Heizspannung, I = Heizstrom, t = Heizzeit)
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Mit dem so ermittelten Wert Ccal können nun andere thermochemische Prozesse
untersucht werden. Ihre Enthalpien können nach
∆H = - C ⋅ ∆T
(3)
ermittelt werden. Dabei ist der Unterschied zwischen differentieller und integraler
Wärme zu beachten. Die unterschiedlichen Vorzeichen in Gl. 1 und 3 rühren von
der unterschiedlichen Auffassung des betrachteten Systems her. In Gl. 1 wird
dem Wasser von außen Wärme zugeführt, während in Gl. 3 die beim Prozeß
abgegebene/aufgenommene Wärme (Enthalpie) betrachtet wird.
Aufgabenstellung
Bestimmung
1. der Lösungswärme eines Salzes
2. der Neutralisationswärme von HCl mit NaOH
3. der Verdünnungswärme von HCl
Geräte
Wärmeisoliertes Glasgefäß (Kalorimeter)
Digitalthermometer
Heizvorrichtung (Tauchsieder)
Magnetrührer
regelbare Gleichstromquelle
2 Multimeter
Stoppuhr
250 ml Messzylinder
Becherglas
Glastrichter (groß)
Säurebehältereinsatz
2 ml Vollpipette
Magnetrührkern und –"angel"
Chemikalien:
konz. HCl
0,1 M NaOH
ein Salz
Sicherheitsdatenblätter der verwendeten Chemikalien
beachten!
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Versuchsdurchführung
Es wird die Temperaturänderung während des Lösungs- bzw.
Neutralisationsvorganges verfolgt und anschließend die Wärmekapazität des
Kalorimeters (Abb. 6.1) durch Zufuhr einer bestimmten Wärmemenge
(elektrische Energie) bestimmt.
Abb. 6.1: Schnittzeichnung des Kalorimeters
Um die Wärmekapazität konstant zu halten, verbleibt die Heizvorrichtung auch
dann im Kalorimeter, wenn nicht geheizt werden soll.
Einmessen des Tauchsieders
Am Messplatz 1 muß aus Spannungsquelle, Ampere- und Voltmeter eine
Schaltung nach Abb. 6.2 aufgebaut werden.
Das Multimeter muss im 10 A-Bereich eingestellt werden.
Der Tauchsieder wird in ein Becherglas mit Wasser getaucht (das Wasser dient
nur zur Wärmeabfuhr beim nachfolgenden Einstellvorgang).
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Abb. 6.2: Schaltplan zu Versuch 6
Nun wird die elektrische Leistung wird mit Hilfe der regelbaren
Spannungsquelle auf etwa 5 - 6 Watt eingestellt. Dafür wird der mittige
Hauptdrehknopf auf 20 V eingestellt und an dem Feinregler (schwarzer
Drehknopf oben rechts) so lange gedreht, bis sich aus dem Produkt von
Spannung U und Strom I ein Leistungswert von ca. 5Watt errechnet.
Am Messplatz 2 sind Ampere- und Voltmeter bereits in das
Spannungsversorgungsgerät eingebaut. Durch Regelung von Strom und
Spannung –abwechselnd ablesen!- wird die Leistung von ca. 5Watt für den
Tauchsieder eingestellt.
Bei zu hoher Leistungseinstellung wird der Tauchsieder unter
Sieden der Paraffinfüllung zerstört!
Nach dem Einmessen, darf die Stellung des Reglers am Netzgerät nicht mehr
verändert werden! Die Spannungsquelle wird nun ausgeschaltet.
Während der Tauchsieder abkühlt, kann das Kalorimetergefäß (siehe Abb. 6.1)
für den ersten Teilversuch vorbereitet werden.
Bitte setzen Sie den Fühler des Temperaturmessgerätes vorsichtig
ein, achten Sie darauf, dass die Fühlerspitze nicht mit dem
Magnetrührkern kollidiert. Lassen Sie nichts in das Kalorimeter
hineinfallen!
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Lösungswärme eines Salzes
Es werden 500 ml destilliertes Wasser in das saubere Kalorimeter gefüllt, der
Magnetrührkern hinzugefügt und der Magnetrührer
auf mittlere
Geschwindigkeit eingestellt.
Wenn die Temperatur ungefähr konstant bleibt (sie sollte keinesfalls noch
sinken), beginnt die ca. 5 minütige Vorperiode (s. Abb. 6.3). Alle 30 Sekunden
wird die Temperatur abgelesen und danach das Salz zugegeben.
Beispiele:
4,4 g KNO3
4,00 g KCl
9,27 g NaCl
9,91 g KBr
F Diese
Zahlen sind Anhaltspunkte, es sollten ungefähr diese Mengen
verwendet werden. Nur ein Salz untersuchen!!
Man achte darauf, dass das Salz vollständig in das Gefäß eingebracht wird und
notiert die Zeit. Die Temperatur wird in dieser Hauptperiode der Messung alle
10 Sekunden abgelesen.
Anschließend nimmt man noch mindestens 5 Minuten lang die Nachperiode
auf, wobei man wieder alle 30 Sekunden abliest. Die Nachperiode dient
gleichzeitig als Vorperiode für die Bestimmung der Wärmekapazität in einem
Aufheizvorgang. Zu einer definierten Zeit wird also die Spannungsquelle
eingeschaltet und alle 30 Sekunden die Temperatur, die Stromstärke und die
Spannung notiert. Die gesamte Temperaturänderung sollte 1,5 bis 2,0 °C
betragen, dies ist nach etwa 15 Minuten erreicht.
Die Nachperiode bildet den Abschluß des ersten Teilversuches.
Vor dem Ausgießen den Magnetrührkern herausnehmen.
Das Gefäß wird für die Durchführung des 2. Teilversuchs gründlich gereinigt.
2. Neutralisationswärme von NaOH mit HCl
Nachdem man 500 ml 0,1 M NaOH im Kalorimeter vorgelegt hat, wird
zusätzlich für die Neutralisation der verschlossene Spezialsäurebehälter
eingesetzt und 4 ml konz. HCl in den seitlichen Stutzen pipettiert. Nach der
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Vorperiode 1 wird der Stopfen des Säureeinsatzes vorsichtig unter
gleichzeitigem Drehen heruntergedrückt, so dass die Neutralisationsreaktion
starten kann. Der weitere Verlauf der Durchführung erfolgt analog dem
Teilversuch 1.
Als Ergebnis dieses Schrittes wird die Neutraliationswärme plus einer
Verdünnungswärme durch die konz. HCl erhalten. Diese wird im Versuch 3
ermittelt.
3. Verdünnungswärme von konz. HCl
Wie im Versuch 2 werden 500 ml, aber diesmal Wasser vorgelegt und 4 ml
konz. HCl aus dem Säureeinsatz hinzugefügt. Die Messung erfolgt nach
obigem Muster.
Versuchsauswertung
Aus den Aufheizvorgängen wird nach folgender Formel die jeweilige
Wärmekapazität des Kalorimeters bestimmt:
Q = U ⋅ I ⋅ t = C ⋅ ∆T
(4)
Der so erhaltene Wert wird zur Berechnung der Lösungs- und
Neutralisationswärme herangezogen. Die Temperaturdifferenzen werden
graphisch aus dem Temperatur-Zeit Diagramm entnommen unter
Berücksichtigung des Temperaturverlaufs der Vor- und Nachperiode.
Bei der Diskussion der Ergebnisse ist die Konzentrations- und
Temperaturabhängigkeit der Lösungs- und Neutralisationswärme bei Vergleich
mit den Literaturwerten zu berücksichtigen.
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Messprotokollinhalt:
1) Für jeden der 3 Teilversuche
a)
b)
c)
Bestimmung der Lösungswärme eines Salzes
Bestimmung der Neutralisationswärme von NaOH und HCl
Bestimmung der Lösungswärme von HCl
sollen in Tabellenform die Zeit- und Temperaturwerte aufgeführt werden.
2) Die Messdaten müssen in einem Diagramm per Computer oder Hand aufgetragen und die einzelnen Phasen (VorperiodeI, Hauptperiode, NachperiodeI
= VorperiodeII, Heizphase, NachperiodeII) gekennzeichnet werden (siehe
Abb. 6.3)
Abb. 6.3: Beispieldiagramm für die Auftragung der bei den einzelnen
Teilversuchen erhaltenen Temperaturen gegen die Zeit
3) Die Masse des eingewogenen Salzes ist anzugeben.
4) Die für den Aufheizvorgang verwendete Leistung des Tauchsieders
(P = U . I [Watt]) ist für jeden Teilversuch anzugeben.