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Wärme

Messung der Reaktionswärme der Cu/Zn-Redoxreaktion

Die Reaktionswärme der Redoxreaktion

Cu2++ Zn Cu+ Zn2+

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

  1. Durchführung der Reaktion und Aufzeichnung des Temperatur-Zeitverlaufs und Messung der Differenz ΔT aus End- und Anfangstemperatur.
  2. Bestimmung der Wärmekapazität des Kalorimeters
  3. 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
  1. In Kalorimeter werden 150 mL Kupfersulfatlösung vorgelegt (7.073 g CuSO4 5 H2O in 150 mL dest. Wasser): (Abb. 1) .
  2. Heizwiderstand und Thermometer werden in das Kalorimeter gebracht: (Abb. 2) .
  3. Das Kalorimeter wird geschlossen und 6,49 g Zink-Pulver durch das Loch im Kalorimeterdeckel zugegeben: (Abb. 3) , siehe roter Kreis.
  4. 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.

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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.

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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 0,240 A 300 s = 3168 J .

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

Ccal = Q J ΔT = 3168 J 4,23 K = 748,9 J K-1 .

Für die eingesetzten Stoffmengen ergibt sich eine Reaktionswärme von

Q = Ccal ΔT = 748,9 J K-1 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.

Q = 7548,9 J 0,02813 mol = 268,36 kJ(mol FU)-1
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