Verbrennungs- und Standardbildungsenthalpien PDF

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Protokoll für PC1-Labor, Versuch Verbrennungs- und Standardbildungsenthalpien; Note "sehr gut"...

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Beut hHochschul ef ürTechni kBer l i n-Fachber ei ch2:Mat hemat i kPhysi kChemi e PCTB2Laborf üror gani scheChemi e-Pr akt i k um PCL 1-Semest erSS2015

Inhaltsverzeichnis 1.

Einleitung

2.

Theoretische Grundlagen

2.1.

Verbrennungswärmen und Standardverbrennungsenthalpien

2.2.

Standardbildungsenthalpien

2.3.

Standardreaktionsenthalpien

2.4.

Kalorimetrie

3.

Versuchsaufbau und Methoden

3.1.

Geräte

3.2.

Chemikalien

3.3.

Versuchsaufbau

3.3.1. Durchführung und Funktionsweise 4.

Ergebnisse und Diskussion

4.1.

Messwerte

4.2.

Auswertung

4.2.1. Bestimmung der Wärmekapazität des Kalorimeters 4.2.2. Berechnung der spezifischen und molaren Verbrennungswärmen Qm der Proben 4.2.3. Berechnung der Standardverbrennungsenthalpien ΔcH0 der Proben 4.2.4. Berechnung der Standardbildungsenthalpien ΔBH0 der Proben 4.3.

Zusammenfassung aller Ergebnisse und Vergleich mit der Literatur

5.

Literaturverzeichnis

6.

Anlagen

1

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1. Einleitung In diesem Versuch werden Verbrennungs- und Standardbildungsenthalpien von Naphthalen und Acetylsalicylsäure mit Hilfe eines anisothermen IKA-Kalorimetersystem C 2000 gemessen.

2. Theoretische Grundlagen 2.1. Verbrennungswärme und Standardverbrennungsenthalpien Die Summe aller potentiellen und kinetischen Energien eines Systems wird als innere Energie U bezeichnet. Als Basis der Verbrennungswärmen dient also der 1. Hauptsatz von HESS. Zur Berechnung der inneren Energie ΔcU einer Verbrennungsreaktion (engl. c = combustion) ergibt sich somit folgende Gleichung: ΔcU

=

Qc +

W (1)

In der Kalorimetrie wird isochor gearbeitet (dV = 0). Dies hat zur Folge, das eine Volumenarbeit an Gasen geleistet wird und damit gilt: ΔcU

=

Qc

(2)

Da in der Chemie i.d.R. nicht unter isochoren, sondern unter isobaren Bedingungen gearbeitet wird, lässt sich die Reaktionsenthalpie ΔcH bei konstantem Druck aus Verbrennungswärme ΔcU und Endtemperatur T berechnen. Mit der Definition der Enthalpie H=

U

+ pV

(3)

lässt sich folgende Gleichung aufstellen:

ΔcHT

= ΔcUT + Δ(pV)

(4)

Δ(pV)

sowie

= Δ (n R T)

Daraus lässt sich folgende Gleichung unter isobaren Bedingungen aufstellen:

ΔcHT =

ΔcUT + ∑ n R T (6) 2

=

∑ nRT

(5)

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Die stöchiometrischen Koeffizienten liegen im positiven Bereich, wenn die entstandenen Produkte überwiegend gasförmig sind. Somit ist der Betrag der Verbrennungsenthalpie kleiner als der Betrag der Verbrennungswärme (ein Teil der Verbrennungswärme wird als Volumenarbeit verbraucht). Außerdem sind Verbrennungswärmen exotherm, also negativ. Über die KIRCHHOFF’ sche Gleichung, welche die Temperaturabhängigkeit der Verbrennungsenthalpie bestimmt, kann mit Hilfe der schon berechneten molaren Verbrennungsenthalpien (6) auf die molare Standardverbrennungsenthalpien bei Standardtemperatur T = 298 K umgerechnet werden: 298

ΔcH0298

=

ΔcHT +

∫∑ n * C0p,i,298 dT

(7)

∑ n * C0p,i,298 =

mit

ΔC0p,i,298 (8)

T

Die molare Standartwärmekapazität C0p,i,298 wird in geringen Temperaturbereichen als konstant berücksichtigt, sodass auf einfache Weise integriert wird:

ΔC0p,i,298

=

ΔcHT

+

( ∑ n * C0p,i,298 - ∑ n * C0p,i,298) *(298,15K - T) (9) Produkte

Edukte

2.2. Standardbildungsentalpien Mit den ausgerechneten Standardverbrennungsenthalpien ΔcH0298 ist die Berechnung der Standardbildungsenthalpien ΔBH0 möglich:

ΔBH0298 = ∑

vE

* ΔCH0E -

ΔCH0Verbindung (10)

E: Elemente, die die Verbindung bilden

Elemente

Außerdem wird der jeweilige Aggregatzustand der einzelnen Komponenten mit dem Anfangsbuchstaben der englischen Ausdrücke angegeben: solid s (fest), liquid l (flüssig), gas g (gas).

3

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Da die Standardbildungsenthalpien der Elemente definitionsgemäß gleich Null gesetzt werden, können die Standardverbrennungsenthalpien von Grafit und Wasserstoff jeweils mit den Standardbildungsenthalpien von CO2 und H2O gleichgesetzt werden. ΔcH0(Graphit)s = ΔBH0(CO2)g (11)

0 0 BH (H2O)l (12) Δ cH (H2O)g = Δ

sowie

2.4. Kalorimetrie Um nun die Wärmemenge Q experimentell zu bestimmen, widmet man sich der Kalorimetrie, in welcher jene bei der Verbrennung von reinen Stoffen gemessen wird. Hierbei wird die spezifische Wärmemenge Qs der eingewogenen Masse m der Probe, als Temperaturänderung ΔT gemessen und bei bekannter Wärmekapazität C des Kalorimeters bestimmt: Qs

( C * ΔT) / m (13)

=

Die Wärmekapazität wird zuvor durch Zufuhr der bekannten Wärmemenge Qs von Benzoesäure kalibriert und über Verbrennungswärme

Gleichung

(13)

Qm

=

berechnet. Anschließend

Qs *

M

wird

auf

die

molare

(14)

der jeweiligen Probe umgerechnet. Da Qm = ΔcUT ist, wird dann damit die molare Verbrennungsenthalpie ΔcHT über Gleichung (6) bestimmt. Es gibt drei Arten der kalorimetrischen Arbeitsweise. Die adiabatische (arbeitet bei verschwindend kleinem Wärmefluss zwischen Kalorimetergefäßund wärmeisolierter Umgebung), die isotherme (mit großen Wärmefluss arbeiten, um die Temperatur des Kalorigefäßes konstant zu halten) und die anisotherme oder isoperibole Kalorimetrie. Letztere wird bei diesem Versuch mit dem IKAKalorimetersystem C 2000 benutzt. Hierbei führt ein Teil der von der Probe entwickelten Wärme zu einem Temperaturanstieg ΔT, ein weiterer Anteil fließt an die Umgebung ab.

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3. Versuchsaufbau und Methoden 3.1. Geräte IKA-Kalorimetersystem C 2000 basic mit folgendem Zubehör:

1 Controlpanel 2 Tastatur 3 Display 4 Elektronikeinheit 5 Messzelle 6 Temperaturfühler 7 Sauerstoff-Befüllvorrichtung 8 Aufschlussgefäß, Kalorimetrische Bombe 9 Messzellendeckel

Abb.3.1.1 Kalorimeter C 2000 Basic • • • • • • • • •

Griff zum Einsetzen und Entnehmen der Bombe Stativ zur sicheren Aufbewahrung der Bombe zwischen den einzelnen Messungen Baumwollfäden zur Zündung der Probe im Bombengefäß Quarzglastiegel zur Aufnahme der Probe Pinzette Flasche mit dest. Wasser Benzoesäure p.a. Merck Nr. 100136, MG = 122,12 g/mol Naphthalen p.a. Merck Nr. 820846, MG = 128,16 g/mol Acetylsalicylsäure (Aspirin) DAB Merck Nr. 1.00085, MG = 180,16 g/mol

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3.2. Chemikalien Stoff

Molare Masse

Gefahrstoffsymbol

H+ P Sätze

H: 372‐315‐318

Benzoesäure

P: 280‐302+352‐ 305+351+338‐314

122,12 g·mol−1

Naphthalen H: 351‐302‐410 128,16 g·mol−1

P: 273‐281‐308+313

H: 302‐315‐319‐335

Acetylsalicylsäure

P: 261‐305+351+338 180,16 g·mol−1

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3.3. Versuchsaufbau

3.3.1. Durchführung und Funktionsweise Nach Einschalten des Kalorimeters öffnet sich der Deckel der Messzelle automatisch und der Rührer läuft für einige Sekunden. Nach ca. 3-4 Minuten sollte das System startbereit sein. Je nach Kühlwassertemperatur stellt sich das Gerät selbstständig auf die entsprechende Arbeitsweise (Isoperibol 25°C oder 30°C) ein. Parallel dazu wird auf der Analysenwaage das exakte Gewicht der bereits gepressten Substanzen (Benzoesäure als Kalibriermittel, Naphthalen und Acetylsalicylsäure als Proben) ermittelt und notiert. Etwaige Verschmutzungen müssen vor jeder Messung beseitiget werden und das Gerät trocken sein. Sonst sind Verfälschung der Ergebnisse möglich. Der Baumwollfaden wird, wie auf dem nachfolgenden Bild (Abb.3.3.1.1.), am Zünddraht befestig. 7

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Abb.3.3.1.1. Befestigung des Baumwollfadens

( Abb.3.3.1.2.) Display/Eingabetasten – IKA C2000 Basic

Das Bombenoberteil wird dazu in die dafür vorgesehene Haltevorrichtung gestellt. Der Quarztiegel wird eingesetzt und das Fadenende in diesen hineingelegt. Anschließend wird der Probepressling hinzugegeben. Es ist darauf zu achten, dass Pressling und Baumwollfaden Kontakt miteinander haben, damit die Zündung stattfinden kann. Mit Hilfe des Haltebügels wird jetzt das Oberteil vorsichtig in den Bombenmantel eingeführt und mit der großen Überwurfmutter handfest verschraubt. Die Bombe wird in die Haltevorrichtung des Kalorimeters eingesetzt, wobei es wichtig ist, dass die Bombe ordnungsgemäß platziert wird, da es sonst nicht zu einer Befüllung mit Sauerstoff kommen kann. Um die korrekte Platzierung zu überprüfen, kann auf das Einrasten der Bombe gewartet werden, welches zu hören ist. Nun wird am Display (Abb.3.3.1.2.) das Gewicht des aktuellen Presslings eingegeben. Für die Kalibrierung mit Benzoesäure muss weiterhin ein Kreuz in der Zeile „Kalibrierung“ erfolgen, da sonst die Benzoesäure als normaler Verbrennungsversuch behandelt wird. Nach dem Bestätigen mit OK ist das System bereit für die erste Kalibriermessung. Mit der Funktionstaste „Start“ wird der Messvorgang begonnen. Die befestigte Bombe fährt herunter. Sobald sie unten angelangt ist, wird der Verbrennungsbehälter mit Sauerstoff befüllt, der für die Verbrennungsreaktion notwendig ist, danach wird der umliegende Bereich mit Wasser gefüllt. Rührer sowie Temperierung schalten sich ein und die Messung der Temperatur beginnt. Der angeschlossene Drucker notiert vollautomatisch sämtliche Messungen. Nach ca. 25 Minuten ist die erste Messung beendet und das Kalorimeter öffnet sich selbstständig. Die Kalorimeterbombe wird vorsichtig aus der Haltung entnommen und mit der Entlüftungshilfe werden die entstandenen Verbrennungsgase entlastet. Der Quarztiegel und das Bombeninnenleben werden mit Wasser und Aceton gereinigt und für die 2. Kalibriermessung der Benzoesäure vorbereitet. Wenn auch diese beendet ist, beginnen die Verbrennungsproben von Naphthalen und Acetylsalicylsäure. Jedoch wird dieses Mal in dem Feld „ Kalibrierung “ kein Kreuz gesetzt. Für beide Proben werden Doppelbestimmungen gemacht. Dies erhöht die Genauigkeit des Endergebnisses und Fehlmessungen würden erkannt werden.

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Nach Beendigung der Versuchsreihe ist sämtliche Material gründlich mit Wasser und Methanol zu reinigen.

4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Messwerte: Substanz Kalibrierung:

Messungen:

Benzoesäure

ASS

Naphthalen

Nr.

Einwaage [g]

T[K]

∆T [K]

1

0,8897

297,61

2,6404

2

0,8826

298,23

2,6226

1

0,7913

300,40

1,9396

2

0,7920

300,37

1,9420

1

0,4093

300,33

1,8503

2

0,3786

300,25

1,7128

Tab. 1: Einwaagen und gemessene Temperaturen

4.2.1. Bestimmung der Wärmekapazität (Wasserwert) des Kalorimeters:

mit: 9

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Einwaage Benzoesäure in g spezifische Verbrennungswärme der Benzoesäure = -26457 gemessene Temperaturdifferenz in K Die 50J entsprechen der Verbrennungswärme des Baumwollfadens und die 70J, die der Zündenergie.

Aus diesen beiden rechnerisch ermittelten Wasserwerten wird nun der Mittelwert gebildet:

C = - 8954,90

4.2.2. Berechnungen der spezifischen und molaren Verbrennungswärmen von Acetylsalicylsäure und Naphthalen:

Berechnung der spezifischen Verbrennungswärme von Acetylsalicylsäure (erste Messung): ΔT = 1,9396 K , m = 0,7913 g

Berechnung der spezifischen Verbrennungswärme von Acetylsalicylsäure (zweite Messung): ΔT = 1,9420 K , m = 0,7920 g 10

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Berechnung der spezifischen Verbrennungswärme von Naphthalen (erste Messung): ΔT = 1,8503 K, m = 0,4093 g

Berechnung der spezifischen Verbrennungswärme von Naphthalen (zweite Messung): ΔT = 1,7128 K, m = 0,3786 g

Berechnung der molaren Verbrennungswärmen von Acetylsalicylsäure und Naphthalen:

Berechnung der molaren Verbrennungswärme von Acetylsalicylsäure (erste Messung): Qs = -21798,21

,

M = 180,16

Berechnung der molaren Verbrennungswärme von Acetylsalicylsäure (zweite Messung): Qs = -21806,08

M = 180,16

Berechnung der molaren Verbrennungswärme von Naphthalen (erste Messung): Qs = -40234,21

M = 128,16 11

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Berechnung der molaren Verbrennungswärme von Naphthalen (zweite Messung): Qs = -40223,34

,

M = 128,16

4.2.3. Berechnung der Standardverbrennungsenthalpien ΔCH0 der Proben: Reaktionsgleichung für Acetylsalicylsäure:

Reaktionsgleichung für Naphthalen:

12

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Endtemperaturen werden wie folgt berechnet: TE = T1 + T2 + ΔT T1: Starttemperatur vor der Zündung in K T2: Schwankungswert (letzter Wert vor Zündung) in K

Acetylsalicylsäure

Naphthalen

T1 [K]

ΔT [K]

T2 [K]

T [K]

298,3444

1,9396

0,1145

300,9385

298,3415

1,9420

0,0862

300,3697

298,3374

1,8503

0,1424

300,3301

298,4295

1,7128

0,1102

300,2525

Tab. 2: Gemessene und berechnete Temperaturen Berechnung der Verbrennungsenthalpien ΔCHT:

Mit: ΔC U T = Q m R = 8,314 T = Endtemperatur in K stöchiometrischer Koeffizient der Gaskomponenten i mit Dieser berechnet sich aus den Reaktionsgleichungen: Für Acetylsalicylsäuere: νi = 9 – 9 = 0 Für Naphthalen: ν i = 10 – 12 = -2

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Berechnung der Verbrennungsenthalpie von Acetylsalicylsäure (erste Messung): ΔC U T =

T = 300,9385K

Berechnung der Verbrennungsenthalpie von Acetylsalicylsäure (zweite Messung): ΔC U T =

, T = 300,3697K

Berechnung der Verbrennungsenthalpie von Naphthalin (erste Messung): ΔC U T =

T = 300,3301K

Berechnung der Verbrennungsenthalpie von Naphthalin (zweite Messung): ΔC U T =

T = 300,2525K

Berechnung der Standardverbrennungsenthalpien ΔCH0298 der Proben:

14

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Verbindung in Kohlenstoffdioxid

37,12

Wasser

75,15

Sauerstoff

29,4

Naphthalen

165,7

ASS

217,85 (bei T = 265K)

Tab. 3: Wärmekapazitäten

Berechnung der Standardverbrennungsenthalpien von Acetylsalicylsäure (erste Messung): ΔC H T =

T = 300,9385K

Berechnung der Standardverbrennungsenthalpien von Acetylsalicylsäure (zweite Messung): ΔC H T =

, T = 300,3697K

Berechnung der Standardverbrennungsenthalpie von Naphthalen (erste Messung): ΔC H T =

T = 300,3301K

15

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Berechnung der Standardverbrennungsenthalpie von Naphthalen (zweite Messung): ΔC H T =

T = 300,2525K

4.2.4. Berechnung der Standardbildungsenthalpie ΔBH0 der Proben:

ΔCH0C = -393 = -285 =0 Berechnung nach der Gleichung: 9 C(s) + 4 H2(g) + 2 O2(g) → C9H8O4(s) Berechnung der Standardbildungsenthalpie von Acetylsalicylsäure (erste Messung): ΔC H T =

Berechnung der Standardbildungsenthalpie von Acetylsalicylsäure (zweite Messung): ΔC H T =

Berechnung nach der Gleichung: 16

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10 C(s) + 4 H2(g) → C10H8(s) Berechnung der Standardbildungsenthalpie von Naphthalen (erste Messung): ΔC H 0 =

Berechnung der Standardbildungsenthalpie von Naphthalen (zweite Messung): ΔC H 0 =

4.3. Zusammenfassung aller Ergebnisse und Vergleich mit der Literatur

Wasserwert: Wasserwerte

1

2

Mittelwert

Berechneter Wasserwert in

- 8960,31

- 8949,50

-8954,90

IKA-System in

- 8960

- 8949

8954,5

Tab. 4: Wasserwerte

Spezifische Verbrennungswärmen:

17

Beut hHochschul ef ürTechni kBer l i n-Fachber ei ch2:Mat hemat i kPhysi kChemi e PCTB2Laborf üror gani scheChemi e-Pr akt i kum PCL 1-Semes t erSS2015 Berechnete

Pressling (Acetylsalicylsäure)

IKA-System in Verbrennungswärme in

1

-21798,21

-21798

2

-21806,08

-21806

Mittelwert

-21802,15

-21802

Tab. 5: Verbrennungswärmen Acetylsalicylsäure

Pressling (Naph...