Kalk brennen und löschen
AFB I–IIBranntkalk (Calciumoxid) wird seit Jahrtausenden als Baustoff genutzt. Im Kalkofen wird Kalkstein bei etwa 900 °C „gebrannt“; auf der Baustelle wird der Branntkalk anschließend mit Wasser „gelöscht“. Dabei erhitzt sich das Gemisch so stark, dass Wasser siedet und spritzt.
| Vorgang | Thermochemische Gleichung | \(\Delta_r H\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) |
|---|---|---|
| Kalkbrennen | \(\ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)}\) | +178,3 |
| Kalklöschen | \(\ce{CaO(s) + H2O(l) -> Ca(OH)2(s)}\) | −65,2 |
- Geben Sie für beide Vorgänge an, ob sie exotherm oder endotherm sind.
- Zeichnen Sie ein beschriftetes Enthalpiediagramm für das Kalklöschen.
- Berechnen Sie die Wärme, die beim Löschen von 1,00 kg Branntkalk frei wird (\(M(\ce{CaO}) = 56{,}08\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)).
- Erläutern Sie, warum ein Kalkofen während des Brennens ständig beheizt werden muss, während das Löschen ohne Energiezufuhr von außen abläuft.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kalkbrennen: \(\Delta_r H = +178{,}3\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}} > 0\) → endotherm. Kalklöschen: \(\Delta_r H = -65{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}} < 0\) → exotherm.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Senkrechte Achse „Enthalpie \(H\)“. Oberes Niveau: \(\ce{CaO(s) + H2O(l)}\); unteres Niveau: \(\ce{Ca(OH)2(s)}\). Pfeil von oben nach unten, beschriftet mit \(\Delta_r H = -65{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{CaO}) = 1000\,\mathrm{g} / 56{,}08\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 17{,}8\,\mathrm{mol}\).
\(Q = 17{,}8\,\mathrm{mol}\cdot(-65{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}) \approx -1{,}16\cdot10^3\,\mathrm{kJ}\). Es werden rund 1,16 MJ frei.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Das Kalkbrennen ist endotherm: Das System muss für jeden Formelumsatz 178,3 kJ aufnehmen. Hört die Wärmezufuhr auf, fehlt diese Energie, und die Zersetzung kommt zum Erliegen. Das Löschen ist exotherm: Das System gibt Energie ab, die Reaktion liefert die Wärme selbst (das Gemisch erhitzt sich sogar bis zum Sieden).
Die Schweißflamme
AFB II–IIIBeim Autogenschweißen verbrennt Ethin (Acetylen) in reinem Sauerstoff; die Flamme erreicht über 3000 °C und schmilzt Stahl. Ethan verbrennt unter gleichen Bedingungen mit deutlich kühlerer Flamme. In M2 sind die Reaktionsenthalpien für Wasser als Gas angegeben, weil das Wasser die Flamme als Dampf verlässt.
| Brenngas | Summenformel | \(\Delta_r H\) je Mol Brenngas (Wasser gasförmig) |
|---|---|---|
| Ethin | \(\ce{C2H2}\) | \(-1255{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) |
| Ethan | \(\ce{C2H6}\) | \(-1427{,}7\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) |
- Stellen Sie die thermochemischen Gleichungen für die vollständige Verbrennung von Ethin und von Ethan auf (je 1 mol Brenngas).
- Vergleichen Sie die beiden Brenngase hinsichtlich der Wärme je Mol verbrauchten Sauerstoffs.
- Ermitteln Sie die Wärme, die bei der Verbrennung von 1,00 m³ Ethin (25 °C, 1013 hPa; \(V_m = 24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\)) frei wird.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Die Ethinflamme ist heißer, weil Ethin je Mol mehr Energie liefert als Ethan.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{C2H2(g) + 5/2 O2(g) -> 2 CO2(g) + H2O(g)}\), \(\Delta_r H = -1255{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)
\(\ce{C2H6(g) + 7/2 O2(g) -> 2 CO2(g) + 3 H2O(g)}\), \(\Delta_r H = -1427{,}7\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)
(Auch ganzzahlige Koeffizienten mit verdoppeltem \(\Delta_r H\) sind richtig.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ethin: \(1255{,}5 / 2{,}5 \approx 502\,\mathrm{kJ}\) je Mol \(\ce{O2}\). Ethan: \(1427{,}7 / 3{,}5 \approx 408\,\mathrm{kJ}\) je Mol \(\ce{O2}\). Bezogen auf den verbrauchten Sauerstoff liefert Ethin rund 23 % mehr Wärme.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n = 1000\,\mathrm{L} / 24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}} = 40{,}8\,\mathrm{mol}\); \(Q = 40{,}8\,\mathrm{mol}\cdot(-1255{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}) \approx -51{,}2\,\mathrm{MJ}\). Es werden rund 51 MJ frei.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Begründung ist falsch: Je Mol Brenngas liefert Ethan mit 1427,7 kJ mehr Wärme als Ethin (1255,5 kJ). Die Beobachtung (heißere Flamme) stimmt trotzdem. Sie lässt sich so erklären: Ethin braucht weniger Sauerstoff und bildet weniger Produktteilchen (3 statt 5 mol Gas je Formelumsatz), vor allem weniger Wasserdampf. Die Wärme verteilt sich auf weniger Teilchen, die dadurch höher erhitzt werden. Maßgeblich ist also die Wärme je Portion Flammengas, nicht je Mol Brenngas. Die Aussage ist daher insgesamt abzulehnen.