Kovacs Aschauer 2007/08 Physikalisch chemisches Laboratorium Betreuer: Mag. Dr. Per G. Federspiel Whitekalorimeter Wärmekapazitätsbestimmung verschiedener Materialien Durchgeführt am: 10. Sept. 2007 1. Abgabe am: 12. Nov. 2007 Note: ______________ Datum: ______________ Unterschrift: ______________ Kommentar zur Beurteilung: PCL Protokoll - Aschauer, Kovacs 1.INHALTSVERZEICHNIS 2.Zielsetzung 3.Allgemeiner Überblick 3.1. Innere Energie 3.2. Anisotherme Kalorimetrie / Adiabatische Kaloriemetrie 3.3. Spezifische Wärmekapazität von Feststoffen 4 Geräte und Reagenzien: 4.1. Geräte: 4.2. Reagenzien 5 Durchführung: 5.1. Aufbau der Apparatur 5.2. Kalibrierung 5.3. Probenmessung 6.Auswertung 7.Ergebnis 8.Literatur Error! Reference source not found. Seite 2 PCL Protokoll - Aschauer, Kovacs 2.ZIELSETZUNG Identifizierung fünf verschiedener Metalle und PP durch Bestimmung ihrer Wärmekapazität cP, mittels eines White-Kalorimeters. 3.ALLGEMEINER ÜBERBLICK 3.1. Innere Energie Die innere Energie ist die Summe aller kinetischen und potentiellen Energieanteile der Atome, Moleküle oder Ionen in einem System. Die Änderung der Inneren Energie kann bestimmt werden, indem die vom System als Wärme oder Arbeit aufgenommene oder abgegebene Energie gemessen wird. Alle Betrachtungen der Inneren Energie U beziehen sich daher auf die Änderung �U und nicht auf die Gesamtenergie. Dabei versteht man unter Arbeit eine Energieübertragung, die eine gleichgerichtete, sowie geordnete Bewegung in der Umgebung nutzt oder erzeugt. Und unter Wärme eine Energieübertragung, welche eine ungeordnete Bewegung in der Umgebung nutzt oder erzeugt. Dabei ist es unerheblich, ob ein System eine bestimmte Menge an Energie durch Arbeit oder durch Wärme, oder durch eine Kombination von beiden, erhält. Die Änderung der Inneren Energie ist immer die gleiche. Ein isoliertes (abgeschlossenes) System kann weder Arbeit noch Wärme mit der Umgebung austauschen. Dies fasst der erste Hauptsatz der Thermodynamik zusammen: In einem isolierten System bleibt die Summe aller Energien (Innere Energie) konstant. Er ist in einem gewissen Sinne eine Erweiterung des Energieerhaltungssatzes, welcher besagt: Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden. 3.2. Anisotherme Kalorimetrie / Adiabatische Kaloriemetrie: Die Messung von Wärmemengen wird in der Kalorimetrie durchgeführt, wobei die Temperatur in einem abgeschlossenen Reaktionsgefäß gemessen werden muss. Weiters muss auch der Wärmeaustausch mit der Umgebung (= genormte Bedingungen im Gefäß) kontrolliert werden. Das Prinzip ist eigentlich sehr einfach zu verstehen. Es wird ein Temperaturunterschied durch Zuführen von Energie erzwungen und gemessen. Das Kalorimeter besteht grundsätzlich aus einem Reaktionsgefäß, welches mit einer Kalorimetersubstanz (z. B. Wasser) gefüllt ist. Die Kalorimetersubstanz nimmt die. entstehende Wärmemenge auf, und der Temperaturunterschied wird gemessen. Zuvor muss mittels einer Kalibrierung jedoch die Wärmekapazität dieser Kalorimetersubstanz bestimmt werden. Anhand der Kalibrierung ist der nötige Wasserwert errechenbar (bei Verwendung von Wasser als Kalorimetersubstanz). Es werden hauptsächlich zwei Verfahren angewandt, wobei in diesem Fall ersteres verwendet wurde: Error! Reference source not found. Seite 3 PCL Protokoll - Aschauer, Kovacs Das elektrische Verfahren: Bei diesem Verfahren wird mittels einer Heizspindel eine gewisse Energiemenge bei bekannter Spannung, Stromstärke und Zeit freigesetzt. Die Kalorimetersubstanz wird dabei erhitzt und der Temperaturunterschied gemessen. U I t Ww T Ww Wasserwert [J/K] U Spannung [V] I Stromstärke [A] t Zeit [s] T Temperaturdifferenz [°C bzw. K] Das chemische Verfahren: Bei diesem Verfahren wird eine bestimmte Menge Salz (z. B. _CI), von der die molare Löseenthalpie bekannt ist, in ein bestimmtes Volumen Kalorimetersubstanz eingewogen. Ebenfalls wird auch nun die Temperaturdifferenz ermittelt. Ww Wasserwert [J/K] Hlösl. molare Löseenthalpie [J] T Temperaturdifferenz [°C bzw. KJ] mWasser Masse des Wassers [kg] 3.3. Spezifische Wärmekapazität von Feststoffen: Allgemein betrachtet ist die spezifische Wärmekapazität jene Energie, welche nötig ist um 1kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen. (Einheit: J/K*kg) Q abgegebene Wärme[J] Ww Wasserwert [J/K] cP spezifische Wärmekapazität. [J*K-1*g-1] m Masse des Feststoffes [kg] Error! Reference source not found. Seite 4 PCL Protokoll - Aschauer, Kovacs 4 GERÄTE UND REAGENZIEN: 4.1. Geräte: Dewaregefäß mit Isolierdeckel; Isotherm 2 Multimeter; VOLTCRAFT GDM 705 PC + Drucker HP Deskjet 870 Cxi (PS) Magnetrührer mit Magnetrührstäbchen; IKA Labortechnik - RTC basic Thermometer; Beckmann (Messbereich -100 - +400 °C) Thermostat; Haake D8 Fusons Tauchsiedespindel Messzelle; teste 950 (Anschluss an COM 3) Becherglas 2 I Analysenwaage 4.2. Reagenzien: Kupferblock Edelstahlblock Bleiblock Aluminiumblock Magnesiumblock Zinkblock Polypropylenblock Error! Reference source not found. Seite 5 PCL Protokoll - Aschauer, Kovacs 5 DURCHFÜHRUNG: 5.1. Aufbau der Apparatur Das Dewargefaß wird mit 500 g Wasser gefüllt, Tauchsieder und Thermostat in Position gebracht (dürfen die Reaktionsgefäßwand nicht berühren!) und der Magnetrührer in Betrieb genommen. Das Dewargefäß wird gut verschlossen und Amperemeter, sowie Voltmeter an den Transformator angeschlossen. Der Computer wird in Betrieb genommen und anschließend die testo comfort-Software "light" gestartet. In diesem Programm werden nun folgende Einstellungen vorgenommen: [Einstellungen] [Geräteauswahl] "testo 950" [Gerätesteuerung] [Messprogramme] Startbedingungen: "PC-Start-(manuell)" Stopkriterien: "bis Speicher voll" Messrate: ,,1 sec" mit [OK] bestätigen. [Messdaten] [Messgerät] [Start] [Typ] "Diagramm" mit [OK] bestätigen [Arbeitsspeicherplatz auswählen] [(K: 1°C) Hinzufügen] ... wenn bereit zum Messen: [Start der Messung] ... wenn man Messung stoppen will: [Stop] ... um die vorherigen Messungen zu speichern, vor der nächsten Messung: [Start] "ASCII-Format" Error! Reference source not found. Seite 6 PCL Protokoll - Aschauer, Kovacs 5.2. Kalibrierung: 500 g destilliertes Wasser genau abwägen und in das Dewargefaß füllen. (Die Menge kann variieren, jedoch muss der Wert genau notiert werden, da die Messung ja von der Wassermenge abhängig ist! _ für jede Wassermenge muss d.h. neu kalibriert werden!) Vorperiode aufnehmen (Messung vor dem Aufheizen). Tauchsieder für 15 Sekunden einschalten und die Werte auf dem Ampere-, sowie Voltmeter ablesen. Nachperiode aufnehmen (Messung nach dem Aufheizen). 5.3. Probenmessung: Metallblöcke mittels Wasserbad auf rund 95°C erhitzen. 500 g Wasser in das Dewargefäß einwägen. Vorperiode aufnehmen Notieren der Temperatur des Wasserbades. Mit maximaler Geschwindigkeit den Metallblock in das Dewargefäß einbringen. Dabei sollte er jedoch nicht an die Gefäßinnenwand anstoßen! Temperaturanstieg messen. Die Messung für jede Probe dreimal durchführen 6. Auswertung: Kalibrierung mit 500g Wasser T Vorpr T Nachpr Probe [°C] [°C] H2O H2O Kalibrierung 1 22,23 26,90 Kalibrierung 2 26,90 31,60 Error! Reference source not found. T Wasser [°C] 4,67 4,70 t Kal [s] 49,8 50,1 I Kal [A] 1,60 1,56 U Kal [V] 226 220 Mittelwert WW [J.K-1] 3659,82 3658,37 3659,09 Seite 7 Probe Al 1 Al 2 Al 3 Pb 1 Pb 2 Pb 3 Kupfer 1 Kupfer 2 Kupfer 3 Zn 1 *) Zn 2 *) Zn 3 *) T Vorpr T Nachpr [°C] [°C] H2O 14,02 17,1 20,12 18,26 19,86 21,5 13 16,71 18,71 17,14 19,98 25,62 H2O 17,1 20,12 23,02 19,86 21,5 23,11 16,66 20,26 22,14 19,98 22,84 28,25 cp T Wasser T Probe [°C] 3,08 3,02 2,9 1,6 1,64 1,61 3,66 3,55 3,43 2,84 2,86 2,63 [°C] 96 96 96 93 93 93 95 95 95 92 92 92 Q [J] = �T *Ww 9422,00 9238,45 8871,36 4894,54 5016,91 4925,13 11196,27 10859,77 10492,68 8687,82 8749,00 8045,41 m [g] M [g/mol] Probe 135,4 135,4 135,4 539,4 539,4 539,4 375,8 375,8 375,8 329,1 329,1 329,1 Probe 26,98 26,98 26,98 207,2 207,2 207,2 63,55 63,55 63,55 65,39 65,39 65,39 cp [J/gK] [J/gK] 0,88195678 0,89919361 0,89777546 0,12406416 0,13008257 0,13064481 0,38030584 0,38664352 0,38321317 0,36654694 0,38439296 0,38347754 Mittelwert 0,89297528 [J/gK] 0,9 % 0,78052426 0,12807644 0,129 0,71594166 0,38338751 0,385 0,41882781 0,37813914 0,388 2,54145772 7. ERGEBNIS Material cp cp-Literatur Abweichung Aluminium 0,893 0,9 0,78% Blei 0,128 0,129 0,72% Kupfer 0,383 0,385 0,42% Zink 0,378 0,388 2,54% Mittelwert: 1,12% 8. Literatur Unterlagen PCH Physikalische Chemie: Peter W. Atkins – 2. Auflage cp Literatur Abweichung cP