Wärme, Kalorimeterkonstante und Extrapolation — zehn Übungen, bis die Auswertung eines Kalorimeterversuchs sitzt.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen von AFB I bis AFB III — jede gibt dir sofort Rückmeldung, bei Schwierigkeiten helfen zwei gestufte Tipps.
A1
Was braucht die Auswertung?
AFB I
Geben Sie alle Größen an, die man zur Berechnung einer molaren Reaktionsenthalpie aus einem Kalorimeterversuch benötigt.
Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Die absolute Temperatur spielt keine Rolle — nur die Differenz ΔT. Das Gefäßvolumen steckt allenfalls indirekt in der Kalorimeterkonstante.
Ansatz: Setze die Formel ΔrH = −(c·m + CK)·ΔT / n zusammen.
Weiter: Eine Differenz in °C ist gleich groß wie in K.
A2
Ablauf einer Messung
AFB I
Beschreiben Sie den Ablauf einer kalorimetrischen Messung, indem Sie die Schritte ordnen.
Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Lösung abmessen, ins Kalorimeter füllen und Rührer einschalten
2Vorperiode: Temperatur einige Minuten lang jede halbe Minute notieren
3Zweiten Reaktionspartner zugeben und Zeitpunkt notieren
4Hauptperiode und Nachperiode weiter messen
5Geraden auf den Mischzeitpunkt extrapolieren und ΔT ablesen
6Q und ΔrH mit der Stoffmenge des Unterschuss-Partners berechnen
Ohne Vorperiode lässt sich der Temperaturgang vor der Reaktion nicht extrapolieren.
Ansatz: Vorperiode vor Zugabe, Nachperiode danach.
Weiter: Ausgewertet wird erst, wenn die Kurve der Nachperiode gerade verläuft.
A3
Neutralisation im Becher
AFB I
50 mL Salzsäure (\(c = 1{,}0\,\text{mol/L}\)) und 50 mL Natronlauge (\(c = 1{,}0\,\text{mol/L}\)) werden in einem Styroporbecher (\(C_K\) vernachlässigbar) gemischt; \(\Delta T = 6{,}6\,\text{K}\). Berechnen Sie die molare Neutralisationsenthalpie.
Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
\(Q = 4{,}18\,\tfrac{\text{J}}{\text{g K}}\cdot 100\,\text{g}\cdot 6{,}6\,\text{K} = 2759\,\text{J}\); \(n(\ce{H3O+}) = 0{,}050\,\text{mol}\); \(\Delta_r H = -2{,}759\,\text{kJ} / 0{,}050\,\text{mol} = -55{,}2\,\text{kJ/mol}\). Typischer Fehler: nur 50 g Wasser ansetzen.
Ansatz: Die Masse beider Lösungen zählt: 100 g.
Weiter: n = c · V = 1,0 mol/L · 0,050 L.
A4
Kalorimeterkonstante: Mischungsmethode
AFB II
Im Kalorimeter befinden sich 100 g Wasser mit 20,0 °C. Man gießt 100 g Wasser mit 60,0 °C hinzu; die Mischtemperatur beträgt 38,8 °C. Ermitteln Sie schrittweise \(C_K\).
Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
Ansatz: Beträge der Wärmen mit c·m·ΔT, ΔT jeweils bis zur Mischtemperatur.
Weiter: Die Differenz hat das Kalorimeter aufgenommen — und es hat sich wie das kalte Wasser um 18,8 K erwärmt.
A5
Fehler im Protokoll
AFB II
Überprüfen Sie die Auswertung einer Schülergruppe und markieren Sie die falschen Zeilen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Drei klassische Klausurfehler: Vorzeichen, falscher Reaktionspartner für n, Kelvin-Umrechnung einer Differenz.
Ansatz: Prüfe Deutung der Erwärmung, Wahl von n und Einheiten.
Weiter: Drei Zeilen sind falsch.
A6
Fehlerquellen einordnen
AFB II
Ordnen Sie zu, wie sich der Fehler auf den Betrag der berechneten Reaktionsenthalpie einer exothermen Reaktion auswirkt.
Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1|ΔrH| zu klein
2|ΔrH| zu groß
3kein Einfluss
Doppelte Volumina: doppelte Wärme, doppelte Masse — ΔT bleibt gleich, und auch Q/n ändert sich nicht. Eine zu große molare Masse liefert ein zu kleines n und damit ein zu großes |ΔrH|.
Ansatz: Setze jeden Fehler in ΔrH = −(c·m + CK)·ΔT / n ein: Wird Zähler oder Nenner falsch?
Weiter: Ein konstanter Versatz des Thermometers fällt bei der Differenz heraus.
A7
Lückentext: Warum extrapolieren?
AFB II
Erläutern Sie die grafische Auswertung einer Temperaturkurve, indem Sie die Lücken füllen.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Schon während der Reaktion gibt das Kalorimeter Wärme an die ab, deshalb liegt der gemessene zu niedrig. Man verlängert die der und der Nachperiode bis zum . Der Abstand dort entspricht dem ΔT, das man messen würde, wenn die Reaktion abliefe.
Die Extrapolation korrigiert den Wärmeaustausch — ein perfekt isoliertes Kalorimeter gibt es nicht.
Ansatz: Wohin geht Wärme verloren?
Weiter: Gedanklich wird die Reaktion auf einen Zeitpunkt zusammengeschoben.
A8
Mix: Becher oder Bombe?
AFB III
Vergleichen Sie die Messanordnungen (auch mit 1.1.3) und setzen Sie alle zutreffenden Kreuze: Welche Wärme wird gemessen, und spielen Wärmeverluste an die Umgebung eine Rolle?
Setze alle zutreffenden Kreuze — in manchen Zeilen passen mehrere. Enter setzt und löscht.
Anordnung
Qp = ΔrH
QV = ΔrU
Wärmeverluste
Styroporbecher
Stahlbombe im Wasserbad
Dewar mit losem Deckel
ideal isolierte Bombe
Welche Wärme gemessen wird, hängt vom Gefäß ab (1.1.3): offen → konstanter Druck, starr → konstantes Volumen. Wärmeverluste gibt es bei jedem realen Kalorimeter — nur im Idealfall nicht.
Ansatz: Offenes Gefäß: p konstant. Starres Gefäß: V konstant.
Weiter: Die letzte Zeile ist ein Idealfall.
A9
Magnesium in Salzsäure
AFB III
0,243 g Magnesium (\(M = 24{,}3\,\text{g/mol}\)) werden in 100 mL Salzsäure (\(c = 1{,}0\,\text{mol/L}\)) gegeben. Das Kalorimeter hat \(C_K = 60\,\text{J/K}\); extrapoliert ergibt sich \(\Delta T = 9{,}7\,\text{K}\). Bestimmen Sie \(\Delta_r H\) für die Reaktion Mg + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂ + 2 H₂O.
Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
\(Q = (418 + 60)\,\tfrac{\text{J}}{\text{K}}\cdot 9{,}7\,\text{K} = 4637\,\text{J}\). Magnesium (0,010 mol) ist Unterschuss, die Säure (0,10 mol) Überschuss: \(\Delta_r H = -4{,}637\,\text{kJ} / 0{,}010\,\text{mol} = -464\,\text{kJ/mol}\). Wer mit n(HCl) rechnet, erhält nur −46 kJ/mol.
Ansatz: Welcher Partner reagiert vollständig?
Weiter: n(Mg) = 0,243 g / 24,3 g/mol; die Masse der Lösung ≈ 100 g.
A10
Trickaufgabe: doppelt gemischt
AFB III
Versuch A: 50 mL Salzsäure und 50 mL Natronlauge (je \(1{,}0\,\text{mol/L}\)) liefern \(\Delta T = 6{,}6\,\text{K}\) (\(C_K\) vernachlässigbar). Beurteilen Sie die Vorhersagen für abgewandelte Versuche.
Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Wärme ist extensiv, ΔrH ist molar, ΔT hängt vom Verhältnis Wärme zu Masse ab.
Ansatz: Unterscheide Q, ΔT und ΔrH.
Weiter: Welcher Partner begrenzt bei ungleichen Konzentrationen?
