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Wärme

Bestimmung der Verbrennungswärme von Salicylsäure und Graphit

Die Reaktionswärme bei der Verbrennung einer organischen Verbindung A, kurz als Verbrennungswärme Qr ( A ) bezeichnet, wird mit einem Bombenkalorimeter bestimmt. Dafür tauchen wir ein dickwandiges Stahlgefäß mit Schraubverschluss, gefüllt mit Sauerstoffgas unter hohem Druck und 1 bis 2g der zu untersuchenden Verbindung, in die Kalorimeterflüssigkeit und bestimmen nach angemessener Zeit die Start-Temperatur. Nach elektrischer Zündung der Verbrennung, die wegen des Überschusses von Sauerstoff vollständig zu CO2 und H2O führt, verteilt sich die entstandene Wärme auf den restlichen Sauerstoff, die Verbrennungsprodukte und die diversen Kalorimeterteile, vor allem aber auf das Stahlgefäß. Da die Wärmekapazität der Reaktionsprodukte verschwindend klein ist, geht in die Rechnungen nur die Wärmekapazität Ccal der Bombe und der restlichen Teile des Kalorimeters ein und es gilt:

n A Qr ( A ) = Ccal ΔT A

Der Wert Ccal wird in einem separaten Experiment mit einer Eichsubstanz E bestimmt, deren Verbrennungswärme Qr ( E ) bekannt ist:

n E Qr ( E ) = Ccal ΔT E

Die Kombination beider Gleichungen ergibt:

Qr ( A ) = n E Qr ( E ) n A ΔT E ΔT A

Bestimmung der Wärmekapazität des Bombenkalorimeters

Um den Wasserwert des Kalorimeters Ccal = C Wasser zu bestimmen wird eine Substanz mit bekannter Verbrennungswärme untersucht. In dem folgenden Versuch wird Benzoesäure als Eichsubstanz verwendet.

1,99g Benzoesäure werden zu einer Pastille gepresst, ausgewogen und anschließend in der Bombe unter Sauerstoff-Druck verbrannt.

m Benzoesäure = 1,99 g Q Benzoesäure = - 3.232 kJmol-1 = - 26,46 kJ g-1 m Draht = 0,0015g Q Draht = - 3,14 kJ g-1

Die Temperaturmessung liefert folgendes Ergebnis:

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Abb.1
Temperatur/Zeitverlauf der Verbrennung von Benzoesäure im Bombenkalorimeter

Zu sehen ist der Temperaturverlauf mit fortschreitender Zeit der Reaktion. Nach Beendigung der Messung kann über den Auswertungs-Button die Temperaturdifferenz abgelesen werden.

Damit ergibt sich ein Wert für die Wärmekapazität von

C Wasser = - ( m Benzoesäure Q Benzoesäure + m Draht Q Draht ) ΔT = 1,99 g 26,46 kJ g-1 + 0,015 g 3,14 kJ g-1 4,4 K = 11,96 kJ K-1

Bestimmung der Verbrennungswärme von Salicylsäure

1,5g Salicylsäure werden zu einer Pastille gepresst und in der Bombe unter Sauerstoff-Druck verbrannt. Die Temperaturmessung ergibt folgendes Ergebnis:

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Abb.2
Temperatur/Zeitverlauf der Verbrennung von Salicylsäure im Bombenkalorimeter

Zu sehen ist der Temperaturverlauf mit fortschreitender Zeit der Reaktion. Nach Beendigung der Messung kann über den Auswertungs-Button die Temperaturdifferenz abgelesen werden.

Für die Berechnung der Verbrennungswärme gilt:

Q Salicylsäure = - C Wasser ΔT m Salicylsäure / M Salicylsäure = - 11,96 kJ K-1 2,65K ( 1,5 g / 138,12 g mol-1 ) = - 2.918,4 kJ mol-1

Bestimmung der Verbrennungswärme von Graphit

0,41g Graphit werden in das Quarzschälchen gegeben und in der Bombe unter Sauerstoff-Druck verbrannt. Die Temperaturmessung ergibt folgendes Ergebnis:

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Abb.3
Temperatur/Zeitverlauf der Verbrennung von Graphit im Bombenkalorimeter

Zu sehen ist der Temperaturverlauf mit fortschreitender Zeit der Reaktion. Nach Beendigung der Messung kann über den Auswertungs-Button die Temperaturdifferenz abgelesen werden.

Für die Berechnung der Verbrennungswärme gilt:

Q Graphit = - C Wasser ΔT m Graphit / M Graphit = - 11,96 kJ K-1 1,1K ( 0,41g / 12,011 g mol-1 ) = - 385,4 kJ mol-1

Dieser Wert zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem Literaturwert Q Graphit = - 391,0 kJ / mol .

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