Kalorimetrie-Enthalpie-Rechner
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| Lösungsmasse | 100 g |
|---|---|
| Spezifische Wärmekapazität | 4.184 J/(kg·K) |
| Temperaturänderung | 5 °C |
| Umgesetzte Stoffmenge | 0,05 mol |
Kalorimetrie-Enthalpie-Rechner
Bestimmt die Reaktionsenthalpie (Reaktionswärme) aus einer Temperaturänderung in der Becherglaskalorimetrie. Gib die Lösungsmasse, ihre spezifische Wärmekapazität, die Temperaturänderung und die umgesetzte Stoffmenge ein, um die freigesetzte Wärme q = mcΔT in Joule und die molare Enthalpie ΔH_rxn in kJ/mol zu erhalten.
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Reaktionsenthalpie aus der Kalorimetrie
In einem Kalorimeter bei konstantem Druck (Becherglaskalorimeter) läuft eine Reaktion in Lösung ab, und die freigesetzte oder aufgenommene Wärme zeigt sich als Temperaturänderung dieser Lösung. Die mit der Lösung ausgetauschte Wärme ist
q=mcΔT| Symbol | Größe | Einheit |
|---|---|---|
| q | Mit der Lösung ausgetauschte Wärme | J |
| m | Masse der Lösung | kg |
| c | Spezifische Wärmekapazität der Lösung | J·kg⁻¹·K⁻¹ |
| ΔT | Temperaturänderung | K (= °C-Änderung) |
Um die Enthalpie pro Mol Reaktion zu erhalten, teilt man durch die umgesetzte Stoffmenge und kehrt das Vorzeichen um. Die von der Lösung aufgenommene Wärme wurde vom reagierenden System abgegeben, also
ΔHrxn=−nqWenn die Temperatur steigt, ist ΔT positiv, q positiv und ΔH negativ – das Kennzeichen einer exothermen Reaktion.
Rechenbeispiel
Eine Reaktion läuft in 100 g verdünnter wässriger Lösung ab. Behandelt man die Lösung als Wasser, ergibt sich eine spezifische Wärmekapazität von c = 4184 J·kg⁻¹·K⁻¹. Die Temperatur steigt um 5 °C, und 0,05 mol der Unterschusskomponente werden umgesetzt. Bestimme zunächst die von der Lösung aufgenommene Wärme, wobei die Masse in Kilogramm verwendet wird (100 g = 0,1 kg):
q=mcΔT=0.1×4184×5=2092 JDann rechne in eine molare Enthalpie um und wende die Vorzeichenkonvention an:
ΔHrxn=−nq=−0.052092=−41840 J/mol=−41.84 kJ/molDas negative Ergebnis bestätigt, dass die Reaktion exotherm ist, im Einklang mit dem Temperaturanstieg.
Auf die Vorzeichenkonvention achten
Die Temperaturänderung ist hier ΔT = T_Ende − T_Anfang. Da ein Grad Celsius und ein Kelvin gleich groß sind, ist eine Änderung von 5 °C eine Änderung von 5 K, sodass für ΔT keine Temperaturumrechnung nötig ist. Die einzige Stelle, an der das Vorzeichen eine Rolle spielt, ist der letzte Schritt: Wärme, die in die Lösung fließt (ein Temperaturanstieg), bedeutet Wärme, die aus der Reaktion fließt, weshalb ΔH_rxn das entgegengesetzte Vorzeichen zu q trägt.
| Temperaturänderung | Reaktionstyp | Vorzeichen von ΔH |
|---|---|---|
| Lösung erwärmt sich (ΔT > 0) | exotherm | negativ |
| Lösung kühlt ab (ΔT < 0) | endotherm | positiv |
Was das einfache Modell auslässt
Diese Berechnung nimmt ein perfekt isoliertes Kalorimeter an, in dem jedes Joule in die Lösung geht, und dass sich die Lösung wie ihr Lösungsmittel verhält, sodass Masse und spezifische Wärmekapazität von Wasser für die Mischung einstehen können. Reale Messungen verlieren etwas Wärme an die Umgebung und an den Becher, sodass sorgfältige Arbeiten eine Kalorimeterkonstante einbeziehen – die Wärmekapazität des Geräts selbst – und den während des Mischens verlorenen Wärmebetrag korrigieren. Für ein Neutralisations- oder Lösungsexperiment im Lehrmaßstab ist die Wasser-Näherung meist gut genug, um eine sinnvolle molare Enthalpie zu liefern.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wie berechnet man die Enthalpie aus Kalorimetriedaten?
Zuerst bestimmt man die von der Lösung aufgenommene Wärme: q = m × c × ΔT, wobei m die Lösungsmasse, c ihre spezifische Wärmekapazität und ΔT die Temperaturänderung ist. Dann teilt man durch die umgesetzte Stoffmenge des Reaktanten und kehrt das Vorzeichen um, um die molare Enthalpie zu erhalten: ΔH_rxn = −q / n. Die Vorzeichenumkehr spiegelt wider, dass die von der Lösung aufgenommene Wärme vom reagierenden System abgegeben wurde. Joule durch Mol zu teilen ergibt J/mol, was üblicherweise in kJ/mol angegeben wird.
Was ist ein Becherglaskalorimeter?
Ein Becherglaskalorimeter ist ein einfaches Kalorimeter bei konstantem Druck, oft buchstäblich ein isolierter Schaumstoffbecher mit Thermometer. Eine Reaktion läuft in Lösung ab, und die Temperaturänderung dieser Lösung wird gemessen. Da das Experiment bei konstantem Druck zur Atmosphäre hin offen ist, entspricht die gemessene Wärme der Enthalpieänderung der Reaktion. Es ist ein gängiges Lehrgerät zur Messung von Neutralisations-, Lösungs- und anderen Lösungsreaktionswärmen.
Warum ist ΔH bei einer exothermen Reaktion negativ?
Wenn eine exotherme Reaktion Wärme freisetzt, fließt diese Energie in die umgebende Lösung und ihre Temperatur steigt, sodass ΔT positiv und q (die von der Lösung aufgenommene Wärme) positiv ist. Die Enthalpie ist jedoch eine Eigenschaft des reagierenden Systems, das diese Energie abgegeben hat. Per Konvention gilt ΔH_rxn = −q / n, sodass ein positiver Temperaturanstieg ein negatives ΔH ergibt. Endotherme Reaktionen kühlen die Lösung ab, was ein negatives ΔT und ein positives ΔH ergibt.
Welche Annahmen liegen dieser Berechnung zugrunde?
Sie nimmt an, dass das Kalorimeter perfekt isoliert ist, sodass die gesamte Wärme in die Lösung geht und nichts an die Umgebung entweicht oder vom Becher selbst aufgenommen wird. Außerdem nimmt sie an, dass sich die Lösung wie ihr Lösungsmittel verhält, sodass für verdünnte wässrige Mischungen die spezifische Wärmekapazität und Masse von Wasser verwendet werden. Sorgfältigere Arbeiten berücksichtigen die Wärmekapazität des Kalorimeters (seine Kalorimeterkonstante) und korrigieren den Wärmeverlust während der Messung.
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