Ein Thermometer, eine Waage und eine Formel — mehr braucht es nicht, um die Wärme einer Reaktion zu messen.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Wärmeverluste vermeiden
AFB I
Nennen Sie alle Maßnahmen, die Wärmeverluste bei einer kalorimetrischen Messung verringern.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Ein Kalorimeter soll möglichst ein isoliertes System sein. Metall leitet Wärme gut nach außen ab — zum Rühren eignet sich ein Glas- oder Kunststoffstab. Ein vorgewärmtes Kalorimeter tauscht bereits vor der Reaktion Wärme mit der Umgebung aus.
Wärme geht durch Leitung, Strömung (offene Oberfläche) und Zeit verloren.
Drei Maßnahmen isolieren, drei verschlechtern die Messung.
A2
Größen der Kalorimetrie
AFB I
Ordnen Sie jedem Symbol die Bedeutung mit passender Einheit zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Eine Temperaturdifferenz ist in K und in °C gleich groß. \(c\) gilt je Gramm Stoff, \(C_K\) für das ganze Gefäß — deshalb hat \(C_K\) keine Masseneinheit.
Achten Sie auf die Einheiten: Gibt es ein „g“ im Nenner?
150 g Wasser erwärmen sich in einem Kalorimeter um 6,4 K. Berechnen Sie die vom Wasser aufgenommene Wärme in kJ (\(c = 4{,}19\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\)).
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
kJ
\(Q = c\cdot m\cdot\Delta T = 4{,}19\cdot150\cdot6{,}4\,\mathrm{J} = 4022\,\mathrm{J} \approx 4{,}02\,\mathrm{kJ}\). Häufiger Fehler: das Ergebnis in J als kJ eintragen.
\(Q = c\cdot m\cdot\Delta T\).
Teilen Sie das Ergebnis in Joule durch 1000.
A4
Eisenpulver in Kupfersulfat-Lösung
AFB II
Zu 100 mL Kupfersulfat-Lösung (\(c = 0{,}100\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) wird Eisenpulver im Überschuss gegeben: \(\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}\). Die Temperatur steigt um 3,6 K. Ermitteln Sie die molare Reaktionsenthalpie (Lösung wie Wasser: 100 g, \(c = 4{,}19\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\); Kalorimeter vernachlässigt).
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
Stoffmenge \(n(\ce{Cu^2+})\)mol
vom Wasser aufgenommene WärmekJ
\(\Delta_r H = -Q/n\)kJ/mol
Limitierend sind die Kupfer-Ionen (0,0100 mol), denn Eisen liegt im Überschuss vor. \(Q = 4{,}19\cdot100\cdot3{,}6\,\mathrm{J} = 1508\,\mathrm{J}\); \(\Delta_r H = -1{,}51\,\mathrm{kJ}/0{,}0100\,\mathrm{mol} = -151\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (Tabellenwert −153,9). Das Minuszeichen kommt hinzu, weil die Wärme, die das Wasser aufnimmt, vom Reaktionssystem abgegeben wurde.
\(n = c\cdot V\) mit \(V\) in Litern.
Das Wasser nimmt auf, das System gibt ab: \(\Delta_r H = -Q_\text{Wasser}/n\).
A5
Das Kalorimeter kalibrieren
AFB II
In einem Kalorimeter mit 100 g Wasser von 20,0 °C werden 100 g Wasser von 60,0 °C gegeben. Die Mischtemperatur beträgt 38,8 °C statt 40,0 °C. Bestimmen Sie die Wärmekapazität \(C_K\) des Kalorimeters (Kalorimeter anfangs 20,0 °C, \(c = 4{,}19\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\)).
Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Größe
Wert
vom warmen Wasser abgegebene Wärme in J
vom kalten Wasser aufgenommene Wärme in J
\(C_K\) in \(\mathrm{J\,K^{-1}}\)
Warmes Wasser: \(4{,}19\cdot100\cdot21{,}2 = 8883\,\mathrm{J}\). Kaltes Wasser: \(4{,}19\cdot100\cdot18{,}8 = 7877\,\mathrm{J}\). Die Differenz von 1006 J hat das Gefäß um 18,8 K erwärmt: \(C_K = 1006/18{,}8 \approx 53{,}5\,\mathrm{J\,K^{-1}}\). Das Kalorimeter verhält sich damit wie rund 13 g zusätzliches Wasser.
Das warme Wasser kühlt um 21,2 K ab, das kalte erwärmt sich um 18,8 K.
Die „fehlende“ Wärme hat das Kalorimeter aufgenommen: \(C_K = \Delta Q/\Delta T_K\).
A6
Ablauf einer Messung
AFB II
Beschreiben Sie den Ablauf einer kalorimetrischen Messung, indem Sie die Schritte ordnen.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Kalorimeter mit einer abgemessenen Wassermenge füllen
2Anfangstemperatur einige Minuten lang messen
3Reaktionspartner zugeben, Deckel schließen und rühren
4Temperatur bis deutlich nach dem Maximum weiter messen
5Temperaturänderung ΔT aus dem Diagramm ermitteln
6Q und ΔrH berechnen
Die Temperatur wird vor und nach der Reaktion aufgezeichnet, damit sich Wärmeverluste im T-t-Diagramm erkennen und durch Extrapolation ausgleichen lassen. Wer erst nach der Zugabe mit dem Messen beginnt, kennt die Anfangstemperatur nicht genau.
Vor der Reaktion braucht man eine stabile Anfangstemperatur.
Ausgewertet wird erst, wenn alle Messwerte vorliegen.
A7
Wer gibt, wer nimmt?
MixAFB II
Erklären Sie das Messprinzip, indem Sie den Lückentext vervollständigen — ein Wort bleibt übrig.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Das Wasser im Kalorimeter erwärmt sich, es Wärme auf. Diese Wärme das Reaktionssystem ab. Deshalb ist ΔrH und die Reaktion . Weil das Kalorimeter offen ist und der Druck konstant bleibt, entspricht die gemessene Wärme der .
„inneren Energie“ bleibt übrig: Bei konstantem Druck misst man \(Q_p = \Delta_r H\). Die Änderung der inneren Energie wäre nur in einem Gefäß mit konstantem Volumen direkt messbar (erster Hauptsatz).
System ist das Reaktionsgemisch, Umgebung das Wasser.
Erinnern Sie sich an 1.1.2 und 1.1.3: Welche Größe entspricht \(Q\) bei konstantem Druck?
A8
Trickaufgabe: Doppelt so viel Eisen
TrickAFB III
Der Versuch aus A4 (100 mL Kupfersulfat-Lösung, \(c = 0{,}100\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\), Eisenpulver im Überschuss, \(\Delta T = 3{,}6\,\mathrm{K}\)) wird mit der doppelten Menge Eisenpulver wiederholt. Schätzen Sie die Temperaturänderung ab.
Schieben Sie den Regler auf Ihre Antwort — Pfeiltasten bewegen ihn schrittweise. Nach dem Prüfen sehen Sie den Trefferbereich.
0 K10 K
Die Temperaturänderung bleibt bei etwa 3,6 K. Die umgesetzte Stoffmenge wird von den Kupfer-Ionen begrenzt — zusätzliches Eisen findet keinen Reaktionspartner. Die Falle: „doppelte Menge, doppelte Wärme“ gilt nur für den limitierenden Stoff.
Welcher Stoff begrenzt den Umsatz?
Die Menge der Kupfer-Ionen hat sich nicht verändert.
A9
Fehlersuche in einer Auswertung
AFB III
Ein Schüler wertet einen Kalorimeterversuch aus (100 g Wasser, \(\Delta T = 5{,}0\,\mathrm{K}\)). Überprüfen Sie seine sechs Notizen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die drei Fehler betreffen die drei Bausteine der Auswertung: Einheit (J/kJ), Vorzeichen und Stoffmenge. Genau in dieser Reihenfolge sollte man eine eigene Auswertung kontrollieren.
Prüfen Sie Einheit, Vorzeichen und Bezugsgröße.
Welcher Stoff bestimmt, wie viel reagiert?
A10
Wie wirkt sich der Fehler aus?
AFB III
Beurteilen Sie, wie sich die folgenden Pannen bei einer exothermen Reaktion auf den berechneten Betrag \(|\Delta_r H|\) auswirken.
Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = deutlich zu klein, 2 = etwas zu klein, 3 = kein Einfluss, 4 = etwas zu groß, 5 = deutlich zu groß. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = deutlich zu klein5 = deutlich zu groß
Das Kalorimeter bleibt während der Messung offen.
Das Thermometer zeigt durchgehend 0,5 °C zu viel an.
Die Anfangstemperatur wird um 1 °C zu niedrig notiert (ΔT ≈ 6 K).
Für n wird die doppelt so große Stoffmenge des Überschussstoffes eingesetzt.
In der Rechnung werden 110 g statt 100 g Wasser angesetzt.
Ein konstanter Anzeigefehler hebt sich bei der Differenz \(\Delta T\) auf. Wärmeverluste und ein zu großes \(n\) verkleinern den Betrag, ein zu großes \(\Delta T\) oder eine zu große Masse vergrößern ihn. Hier zählt die Richtung — „etwas“ und „deutlich“ werden bei den Randstufen beide akzeptiert.
Setzen Sie jede Panne in \(|\Delta_r H| = c\cdot m\cdot\Delta T / n\) ein.
Ein Fehler, der Anfangs- und Endtemperatur gleich verschiebt, verändert \(\Delta T\) nicht.
