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Wärme

Bestimmung der Verbrennungswärme von Salicylsäure und Graphit

Die Reaktionswärme bei der Verbrennung einer organischen Verbindung A, kurz als Verbrennungswärme $Q_{r} (A)$ bezeichnet, wird mit einem Bombenkalorimeter bestimmt. Dafür tauchen wir ein dickwandiges Stahlgefäß mit Schraubverschluss, gefüllt mit Sauerstoffgas unter hohem Druck und $1$ bis $2 g$ 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 $C O_{2}$ und $H_{2} O$ 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 $C_{cal}$ der Bombe und der restlichen Teile des Kalorimeters ein und es gilt:

n_{A} \cdot Q_{r} (A) = C_{cal} \cdot {Δ T}_{A}

Der Wert $C_{cal}$ wird in einem separaten Experiment mit einer Eichsubstanz E bestimmt, deren Verbrennungswärme $Q_{r} (E)$ bekannt ist:

n_{E} \cdot Q_{r} (E) = C_{cal} \cdot {Δ T}_{E}

Die Kombination beider Gleichungen ergibt:

Q_{r} (A) = \frac{n_{E} \cdot Q_{r} (E)}{n_{A} \cdot {Δ T}_{E}} {Δ T}_{A}

Bestimmung der Wärmekapazität des Bombenkalorimeters

Um den Wasserwert des Kalorimeters $C_{cal} = C_{Wasser}$ zu bestimmen wird eine Substanz mit bekannter Verbrennungswärme untersucht. In dem folgenden Versuch wird Benzoesäure als Eichsubstanz verwendet.

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

\begin{array}{rcl} m_{Benzoesäure} & = & 1,99 g \\ Q_{Benzoesäure} & = & - 3.232 kJ {mol}^{-1} = - 26,46 kJ g^{-1} \\ m_{Draht} & = & 0,0015 g \\ Q_{Draht} & = & - 3,14 kJ g^{-1} \end{array}

Die Temperaturmessung liefert folgendes Ergebnis:

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

\begin{matrix} C_{Wasser} & = - \frac{(m_{Benzoesäure} Q_{Benzoesäure} + m_{Draht} Q_{Draht})}{Δ T} \\ = \frac{1,99 g \cdot 26,46 kJ g^{-1} + 0,015 g \cdot 3,14 kJ g^{-1}}{4,4 K} = 11,96 kJ K^{-1} \end{matrix}

Bestimmung der Verbrennungswärme von Salicylsäure

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

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} = \frac{- C_{Wasser} \cdot Δ T}{m_{Salicylsäure} / M_{Salicylsäure}} = \frac{- 11,96 kJ K^{-1} \cdot 2,65 K}{(1,5 g / 138,12 g {mol}^{-1})} = - 2.918,4 kJ {mol}^{-1}

Bestimmung der Verbrennungswärme von Graphit

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

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: