Chemie · Klasse 12–13 · aktualisiert
Kalorimetrie: Wärme messen und berechnen
Kalorimeterdaten auswerten: Wärme, Vorzeichen und molare Reaktionsenthalpie berechnen und Messfehler erkennen.
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Kurz gesagt
Kalorimetrie bestimmt übertragene Wärme aus einer Temperaturänderung und der Wärmekapazität des Aufbaus. Wird das Kalorimeter wärmer, nimmt es Wärme auf; die Wärme des reagierenden Systems hat das entgegengesetzte Vorzeichen.
Bei der Kalorimetrie misst du Wärme, die zwischen dem untersuchten Stoffsystem und dem Kalorimeter übertragen wird. Aus der gemessenen Temperaturänderung und den Wärmekapazitäten des Aufbaus berechnest du die übertragene Wärme.
Deine Lernziele
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3 Abschnitte
Ein Kalorimeter enthält meist eine Flüssigkeit, ein Thermometer und einen Rührer. Isolierung verringert den Wärmeaustausch mit der Umgebung. Gemessen wird die Temperaturänderung; mit bekannter Wärmekapazität berechnest du daraus die übertragene Wärme.
Das reagierende Stoffgemisch ist das System. Bei einem exothermen Vorgang gibt es Wärme an das Kalorimeter ab; dessen Temperatur steigt. Bei einem endothermen Vorgang nimmt das System Wärme auf; das Kalorimeter kühlt ab. Der Rührer verteilt die Wärme, damit das Thermometer keine örtlich abweichende Temperatur erfasst.
Definition
Kalorimetrie
Kalorimetrie bezeichnet Verfahren, mit denen die bei chemischen Reaktionen, Lösungsvorgängen oder Phasenänderungen übertragene Wärme bestimmt wird.
Merke: Eine steigende Kalorimetertemperatur bedeutet: Das Kalorimeter nimmt Wärme auf, während das reagierende System Wärme abgibt.
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Die spezifische Wärmekapazität c gibt die benötigte Wärme pro Masse und Temperaturänderung an. Für flüssiges Wasser nahe Raumtemperatur gilt näherungsweise:
c_W=4{,}18\,\mathrm{J/(g\,K)}
Für Wasser und übriges Kalorimeter zusammen gilt:
Q_K=(m_Wc_W+C_K)\,\Delta T
Q_K ist die zwischen System und Kalorimeter übertragene Wärme in J: positiv beim Erwärmen, negativ beim Abkühlen. m_W ist die Wassermasse in g, c_W die spezifische Wärmekapazität des Wassers, C_K die Wärmekapazität des übrigen Aufbaus in J/K und \Delta T=T_2-T_1 die Temperaturänderung in K. Ein Unterschied von 1\,{}^\circ\mathrm C entspricht einem Unterschied von 1\,\mathrm K.
Ohne C_K erhältst du vereinfacht Q_K=m_Wc_W\Delta T. Falls Gefäß oder Thermometer Wärme aufnehmen, unterschätzt diese Vereinfachung den Betrag.
Beispiel: Wärmeaufnahme im Kalorimeter
- 1Gegeben: m_W=40{,}0\,\mathrm g, c_W=4{,}18\,\mathrm{J/(g\,K)}, C_K=60\,\mathrm{J/K} und \Delta T=5{,}0\,\mathrm K.
- 2Das Wasser trägt 40{,}0\,\mathrm g\cdot4{,}18\,\mathrm{J/(g\,K)} zur Wärmekapazität bei.
- 3Dieser Beitrag ist 167{,}2\,\mathrm{J/K}; zusammen mit dem Gerät sind es 227{,}2\,\mathrm{J/K}.
- 4Mit \Delta T=5{,}0\,\mathrm K folgt Q_K=227{,}2\,\mathrm{J/K}\cdot5{,}0\,\mathrm K.
- 5Das Kalorimeter nahm 1136\,\mathrm J=1{,}136\,\mathrm{kJ} auf, gerundet 1{,}14\,\mathrm{kJ}.
Teste dich
Die Systemgrenze trennt die reagierenden Stoffe (System) von Wasser und Messgerät (Umgebung). Für ein geschlossenes System ohne Stoffaustausch gilt:
\Delta U=Q+W
\Delta U ist die Änderung der inneren Energie, Q die übertragene Wärme und W die Arbeit. Zugeführte Energie zählt positiv. Bei konstantem Druck und nur Volumenarbeit gilt Q_p=\Delta H. Bei konstantem Volumen und ohne andere Arbeit gilt Q_V=\Delta U, etwa in einer starren Verbrennungsbombe. Sind Gase beteiligt, darfst du \Delta U und \Delta H nicht ungeprüft gleichsetzen.
Ohne Wärmeverlust nach außen gilt Q_{\mathrm{Reaktion}}=-Q_K. Bei konstantem Druck, nur Volumenarbeit und umgesetzter Stoffmenge n eines genannten Bezugsstoffs folgt \Delta H_m=-Q_K/n.
Ein Thermogramm zeigt Temperatur gegen Zeit: Vor-, Haupt- und Nachperiode. Bei einer exothermen Messung ist die einfache Änderung \Delta T=T_{\mathrm{Maximum}}-T_{\mathrm{Anfang}}. Wärmeverlust macht sie häufig zu klein. Verlängere Vor- und Nachkurve bis zu einem geeigneten Reaktionszeitpunkt und lies dort die Temperaturdifferenz ab. Ein größerer korrigierter Betrag ergibt bei gleicher Wärmekapazität mehr Wärme; die Korrektur ersetzt keine gute Isolierung oder Kalibrierung.
Wärmeverlust, übersehene Geräteteile, fehlendes Rühren, ungenaue Massen- und Temperaturmessung, unvollständige Verbrennung, Ruß und Stoffverlust verfälschen Ergebnisse. Systematische Fehler verschieben Werte überwiegend in eine Richtung; zufällige Fehler schwanken. Kalibrierung mit bekannter elektrischer Energie muss zu Aufbau und Füllhöhe passen.
Ein konzeptioneller Messplan legt Probenmenge, Flüssigkeitsmenge und Systemgrenze fest. Er umfasst Vorperiode, Temperaturmessung in festen Zeitabständen bei gleichmäßiger Durchmischung und Nachperiode. Danach folgen Kurvenkorrektur, Wärmebilanz, Stoffmengenbezug sowie Vorzeichen-, Einheiten- und Plausibilitätsprüfung.
Beispiel: Molare Wärme aus der Messung
- 1Im vorherigen Beispiel wurden bei konstantem Druck und nur Volumenarbeit 0{,}020\,\mathrm{mol} des Bezugsedukts A umgesetzt. Das Kalorimeter nahm 1{,}136\,\mathrm{kJ} auf; Wärmeverluste werden vernachlässigt.
- 2Die Wärme des Systems beträgt näherungsweise -1{,}136\,\mathrm{kJ}.
- 3Pro Mol teilst du -1{,}136\,\mathrm{kJ} durch 0{,}020\,\mathrm{mol}. So erhältst du \Delta H_m=-56{,}8\,\mathrm{kJ/mol}.
- 4Das negative Vorzeichen zeigt eine exotherme Reaktion; der Wert gilt pro Mol des Bezugsedukts A.
Merke: Ohne Wärmeverlust nach außen gilt: Was das System als Wärme abgibt, nimmt das Kalorimeter auf. Die Wärmemengen haben entgegengesetzte Vorzeichen.
Beispiel: So gehst du vor
- 1In der Vorperiode beobachtest du die Ausgangstemperatur.
- 2In der Hauptperiode läuft der untersuchte Vorgang ab.
- 3In der Nachperiode nähert sich die Temperatur wieder dem Verlauf der Umgebung an.
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Alles auf einen Blick
Kalorimetrie
Messprinzip
Temperaturänderung und Wärmekapazität ergeben Wärme.
Systemgrenze
Reagierende Stoffe sind das System; Wasser und Gerät die Umgebung.
Wärmebilanz
Bei exothermer Messung haben System und Kalorimeter entgegengesetzte Vorzeichen.
Druck und Volumen
Bei konstantem Druck ist Wärme mit Enthalpie verknüpft; bei konstantem Volumen zunächst mit innerer Energie.
Messqualität
Isolierung, Rühren, Kalibrierung und Thermogramm beeinflussen die Auswertung.
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Kalorimeterdaten auswerten
- 1Gegeben sind 40{,}0\,\mathrm g Wasser, c_W=4{,}18\,\mathrm{J/(g\,K)}, C_K=60\,\mathrm{J/K}, \Delta T=5{,}0\,\mathrm K und n=0{,}020\,\mathrm{mol} des Bezugsedukts A.
- 2Der Wasseranteil ist 167{,}2\,\mathrm{J/K}; mit dem Gerät ergibt sich 227{,}2\,\mathrm{J/K}.
- 3Das Kalorimeter nimmt 227{,}2\,\mathrm{J/K}\cdot5{,}0\,\mathrm K =1136\,\mathrm J auf. Das sind 1{,}136\,\mathrm{kJ}.
- 4Bei konstantem Druck und ohne weitere Arbeit ergibt sich -1{,}136\,\mathrm{kJ}/0{,}020\,\mathrm{mol} =-56{,}8\,\mathrm{kJ/mol}. Dies ist die molare Enthalpie bezogen auf Edukt A.
Fehler finden
Gefäßwärme berücksichtigen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die 35\,\mathrm{J/K} des übrigen Geräts fehlen. Die Flüssigkeit trägt 135\,\mathrm{J/K} bei; insgesamt sind es 170\,\mathrm{J/K}. Daraus folgt Q_K=170\,\mathrm{J/K}\cdot3\,\mathrm K =510\,\mathrm J.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Das Kalorimeter misst zunächst die . Die Wärme berechnest du mit der gesamten . Nimmt das Kalorimeter Wärme auf, hat die Wärme des reagierenden Systems ein Vorzeichen.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback