Das Teelicht im Dosenkalorimeter
AFB I–IIEine Schülergruppe bestimmt den Brennwert von Kerzenwachs: Ein Teelicht brennt unter einer Getränkedose mit Wasser, bis das Wasser deutlich wärmer ist. Paraffin wird vereinfacht als \(\ce{C25H52}\) (\(M = 352{,}7\,\text{g/mol}\)) betrachtet; der Literaturwert des Brennwerts beträgt 46,0 MJ/kg (\(c(\text{Wasser}) = 4{,}18\,\tfrac{\text{J}}{\text{g·K}}\), \(\Delta_V H(\ce{H2O}) = 44{,}0\,\text{kJ/mol}\)).
| Messgröße | Wert |
|---|---|
| Teelicht vorher / nachher | 14,62 g / 14,10 g |
| Wasser in der Dose | 150,0 g |
| Temperatur vorher / nachher | 19,8 °C / 38,2 °C |
- Formulieren Sie die Gleichung für die vollständige Verbrennung von Paraffin.
- Berechnen Sie den experimentellen Brennwert in MJ/kg.
- Vergleichen Sie mit dem Literaturwert und erläutern Sie drei Fehlerquellen.
- Beurteilen Sie, ob mit diesem Aufbau eher der Brennwert oder der Heizwert gemessen wird, und berechnen Sie den Heizwert aus dem Literaturwert.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{C25H52 + 38 O2 -> 25 CO2 + 26 H2O}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(Q = 4{,}18\cdot 150{,}0\cdot 18{,}4\,\text{J} = 11{,}5\,\text{kJ}\); verbrannt: 0,52 g. \(H = 11{,}5\,\text{kJ}/0{,}52\,\text{g} = 22{,}2\,\text{kJ/g} = 22{,}2\,\text{MJ/kg}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Der Messwert erreicht nur etwa 48 % des Literaturwerts. Fehlerquellen: große Wärmeverluste an die Luft (offene Flamme, heiße Abgase strömen seitlich vorbei), Erwärmung der Dose selbst, unvollständige Verbrennung (Ruß an der Dose), verdampftes statt geschmolzenes Wachs wird nicht erfasst.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Das Wasser entweicht überwiegend als Dampf mit den Abgasen, also wird höchstens der Heizwert erfasst. \(H_i = 46{,}0 - \dfrac{26\cdot 44{,}0\,\text{kJ/mol}}{352{,}7\,\text{g/mol}}\) \(= 46{,}0 - 3{,}2 = 42{,}8\,\text{MJ/kg}\). Auch gegenüber dem Heizwert bleibt der Messwert deutlich zu klein — die Wärmeverluste dominieren.
Ammoniak als Schiffstreibstoff
AFB II–IIIDie Seeschifffahrt verursacht rund 3 % der weltweiten CO₂-Emissionen. Reedereien testen Motoren, die flüssiges Ammoniak verbrennen: \(\ce{4 NH3 + 3 O2 -> 2 N2 + 6 H2O}\). Zusätzlich gilt \(\Delta_f H^\circ(\ce{H2O},\text{l}) = -285{,}8\,\text{kJ/mol}\), \(\Delta_V H(\ce{H2O}) = 44{,}0\,\text{kJ/mol}\), \(M(\ce{NH3}) = 17{,}03\,\text{g/mol}\).
| Größe | Ammoniak | Schiffsdiesel |
|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) (kJ/mol) | −45,9 (g) | — |
| Heizwert (MJ/kg) | ? | 42,7 |
| Dichte flüssig (kg/L) | 0,68 | 0,85 |
| CO₂ (g/MJ) | ? | 74 |
- Berechnen Sie die Standard-Verbrennungsenthalpie pro Mol Ammoniak.
- Berechnen Sie Brennwert und Heizwert von Ammoniak.
- Ermitteln Sie, wie viel größer der Tank eines Ammoniak-Schiffs bei gleicher Energiemenge sein muss.
- Bewerten Sie Ammoniak als klimafreundlichen Schiffstreibstoff.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\Delta_r H^\circ = 6\cdot(-285{,}8) - 4\cdot(-45{,}9) = -1714{,}8 + 183{,}6 = -1531{,}2\,\text{kJ/mol}\) für 4 mol NH₃ → \(\Delta_c H^\circ = -382{,}8\,\text{kJ/mol}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(H_s = 382{,}8/17{,}03 = 22{,}5\,\text{MJ/kg}\); \(H_i = (382{,}8 - 1{,}5\cdot 44{,}0)/17{,}03 = 316{,}8/17{,}03 = 18{,}6\,\text{MJ/kg}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ammoniak: \(18{,}6\cdot 0{,}68 = 12{,}6\,\text{MJ/L}\); Diesel: \(42{,}7\cdot 0{,}85 = 36{,}3\,\text{MJ/L}\). Faktor \(36{,}3/12{,}6 \approx 2{,}9\): der Tank muss fast dreimal so groß sein (plus Kühlung bzw. Drucktank).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Pro: Verbrennung CO₂-frei (0 g/MJ statt 74 g/MJ), Ammoniak ist leichter zu verflüssigen als Wasserstoff, Infrastruktur für Transport existiert. Contra: Klimabilanz hängt an der Herstellung (Haber-Bosch mit Wasserstoff aus Erdgas setzt viel CO₂ frei — nur mit „grünem“ Wasserstoff sinnvoll); Stickoxide und Lachgas (N₂O, starkes Treibhausgas) können entstehen; Ammoniak ist giftig; großer Tankraum senkt die Ladekapazität. Fazit: nur mit erneuerbar erzeugtem Ammoniak und Abgasreinigung eine sinnvolle Option.