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Messung der Reaktionswärme der Cu/Zn-Redoxreaktion

Die Reaktionswärme der Redoxreaktion

\begin{matrix} {Cu}^{2 +} + Zn & \to & Cu + {Zn}^{2 +} \end{matrix}

ist zu bestimmen. Zur Verfügung steht ein offenes Kalorimeter, versehen mit einem Thermometer und einem Aufheizwiderstand (Außendruck $p °$ ). Das Experiment umfasst drei Schritte.

Durchführung der Reaktion und Aufzeichnung des Temperatur-Zeitverlaufs und Messung der Differenz $Δ T$ aus End- und Anfangstemperatur.
Bestimmung der Wärmekapazität des Kalorimeters
Berechnung der Reaktionswärme

Grundsätzliche Voraussetzungen für die nachfolgend beschriebene Messung der Reaktionswärme:

Die Edukte müssen quantitativ zu definierten Endprodukten reagieren.
Die Reaktion muß verhältnismäßig schnell ablaufen im Vergleich zum Temperaturausgleich des Kalorimeters mit seiner Umgebung.

1. Durchführung der Reaktion, Aufzeichnung des Temperaturverlaufs

Abb.1

Abb.2

Abb.3

In Kalorimeter werden $150$ $mL$ Kupfersulfatlösung vorgelegt ( $7.073$ $g$ $Cu S O_{4}$ $\cdot 5$ $H_{2} O$ in $150$ $mL$ dest. Wasser): (Abb. 1) .
Heizwiderstand und Thermometer werden in das Kalorimeter gebracht: (Abb. 2) .
Das Kalorimeter wird geschlossen und $6,49$ $g$ Zink-Pulver durch das Loch im Kalorimeterdeckel zugegeben: (Abb. 3) , siehe roter Kreis.
Die Temperaturaufzeichnung beginnt mit der Zugabe des Zink-Pulvers. Die Animation (Abb. 4) zeigt den Temperaturverlauf mit fortschreitender Zeit. Nach Ende der Reaktion bleibt die Temperatur konstant. Durch Anklicken des Knopfs „Start Auswertung ” beginnt die Bestimmung die Temperaturdifferenz.

Abb.4: Temperatur-Zeitverlauf der Redoxreaktion

2. Bestimmung der Wärmekapazität des Kalorimeters

Nach dem Abkühlen des Reaktionsgemischs auf die Ausgangstemperatur wird über den Heizwiderstand eine bekannte Wärmemenge zugeführt und die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Die Animation (Abb. 5) zeigt den Temperaturverlauf mit fortschreitender Zeit nach anfänglicher Zufuhr der Joule'schen Wärme. (Abb. 6) zeigt die elektrischen Messinstrumente des Versuchsaufbaus während der Heizperiode: Heizspannung $U = 44 V$ , Stromstärke $I = 240 mA$ . Anklicken des Knopfs „Start Auswertung ” startet die Bestimmung die Temperaturdifferenz.

Abb.5: Temperatur/Zeitverlauf

Abb.6: Volt- und Amperemeter

Berechnung der Reaktionswärme

Die Gleichung für die zugeführte Joule'sche Wärme

Q_{J} = R I^{2} t = U I t

führt mit den Werten $U = 44 V$ , $I = 0,240 A$ und $t = 300 s$ auf

Q_{J} = 44 V \cdot 0,240 A \cdot 300 s = 3168 J .

Mit der gemessenen Temperaturdifferenz $Δ T = 4,23 K$ folgt damit für die Wärmekapazität des Kalorimeters

C_{cal} = \frac{Q_{J}}{Δ T} = \frac{3168 J}{4,23 K} = 748,9 J K^{-1} .

Für die eingesetzten Stoffmengen ergibt sich eine Reaktionswärme von

Q = C_{cal} Δ T = 748,9 J K^{-1} \cdot 10,08 K = 7548,9 J .

Tab.1: Berechnung der umgesetzten Stoffmenge $n$ .

	Einwaage $m / g$	molare Masse $M / g {mol}^{-1}$	umgesetzte Stoffmenge: $n / mol$
Kupfersulfat	7,023	249,7	0,02813
Zink ( $Zn$ )	6,490	65,39	0,09925

Die umgesetzte Stoffmenge ist in obiger Tabelle aufgeführt. Da Zink im Überschuss vorliegt, kann davon ausgegangen werden, dass die Reaktion quantitativ verläuft. Für die Reaktionswärme pro Formelumsatz entsteht somit der folgende Wert.