Whitekalorimeter. Wärmekapazitätsbestimmung verschiedener Materialien. Dominik Büchler 5HL. Betreuer: Mag. Dr. Per Federspiel

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1 Dominik Büchler Physikalisch chemisches Laboratorium Betreuer: Mag. Dr. Per Federspiel 5HL Whitekalorimeter sbestimmung verschiedener Materialien Note: Datum: Unterschrift: Whitekalorimetrie Seite 1 von 6

2 1. Ziel Identifizierung sechs verschiedener Metalle durch Bestimmung ihrer mittels eines Whitekalorimeters. 2. Theorie Die innere Energie ist die Summe aller kinetischen und potentiellen Energieanteile der Atome, Moleküle oder Ionen in einem System. Die Änderung der Inneren Energie kann bestimmt werden, indem die vom System als Wärme oder Arbeit aufgenommene oder abgegebene Energie gemessen wird. Alle Betrachtungen der Inneren Energie U beziehen sich daher auf die Änderung U und nicht auf die Gesamtenergie. Dabei versteht man unter Arbeit eine Energieübertragung, die eine gleichgerichtete, sowie geordnete Bewegung in der Umgebung nutzt oder erzeugt. Und unter Wärme eine Energieübertragung, welche eine untergeordnete Bewegung in der Umgebung nutzt oder erzeugt. Dabei ist es unerheblich, ob ein System eine bestimmte Menge an Energie durch Arbeit oder durch Wärme, oder durch eine Kombination von beiden, erhält. Die Änderung der Inneren Energie ist immer die gleiche. Ein isoliertes System kann weder Arbeit noch Wärme mit der Umgebung austauschen. Dies fasst der erste Hauptsatz der Thermodynamik zusammen: In einem isolierten System bleibt die Summer aller Energien konstant. Er ist in einem gewissen Sinne eine Erweiterung des Energieerhaltungssatzes, welche besagt: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden! Die Messung von Wärmemengen wird in der Kalorimetrie durchgeführt, wobei die Temperatur in einem abgeschlossenen Reaktionsgefäß gemessen werden muss. Weiters muss auch der Wärmeaustausch mit der Umgebung kontrolliert werden. Es wird ein Temperaturunterschied durch Zuführen von Energie erzwungen und gemessen. Das Kalorimeter besteht grundsätzlich aus einem Reaktionsgefäß, welches mit einer Kalorimetersubstanz gefüllt ist. Die Substanz nimmt die entstehende Wärmemenge auf, und der Temperaturunterschied wird gemessen. Zuvor muss mittels einer Kalibrierung jedoch die dieser Kalorimetersubstanz bestimmt werden. Anhand der Kalibrierung ist der nötige Wasserwert errechenbar. Mittels einer Heizspindel wird eine gewisse Energiemenge bei bekannter Spannung, Stromstärke und Zeit freigesetzt. Die Kalorimetersubstanz wird dabei erhitzt und der Temperaturanstieg wird gemessen. Aus diesen Daten lässt sich dann der Wasserwert ermitteln. WW U I t T Die gibt an, wie viel Energie nötig ist um 1 Gramm eines Stoffes um 1 C zu erwärmen. Mit dem Wasserwert kann dieser nun berechnet werden. Wärmemenge[ Q] T Wasserwert[ J / gk ] Whitekalorimetrie Seite 2 von 6

3 c p WärmemengeQ MasseMetall ( 100 TEnde) 3. Versuchsmaterialien Kupfer Aluminium Blei Eisen Zink Magnesium 4. Durchführung 4.1. Kalibration 650g destilliertes Wasser werden auf der Vorwaage abgewogen und in das Dewargefäß gefüllt. Anschließend wird die Vorperiode (Messung vor dem Aufheizen) aufgenommen. Danach hält man den Tauchsieder für 15 Sekunden, liest die Werte auf dem Ampere-, und dem Voltmeter ab und notiert diese. Zum Schluss wird die Nachperiode aufgenommen (Messung nach dem Aufheizen). 4.2 Messung der Proben Zuerst werden die Metallblöcke abgewogen und mittels Wasserbad auf rund 100 C erhitzt. Anschließend misst man die Anfangstemperatur des Wassers im Dewargefäß. Danach wird der Metallblock so schnell wie möglich in das Gefäß überführt, und der Temperaturanstieg gemessen. Dieser Vorgang wird 2 bis 3 mal wiederholt. Whitekalorimetrie Seite 3 von 6

4 5. Berechnung und Auswertung des Systems des Systems [Q] 5.1. Auswertungen der Proben Stromstärke [I] * Spannung [U] * Zeit [T] Probe T Beginn [ C] T Ende [ C] Twasser [ C] Q = T*WW [J] Masse Metall [g] Molare Masse M [g/mol] cp cp Mittelwert cp 1 35,00 38,43 3, ,95 0,403 25, ,67 25,57 3, ,99 375,80 63,55 0,379 0,391 24, ,83 37,61 2, ,45 0,896 24,16 135,30 26, ,82 28,11 3, ,26 0,920 0,908 24, ,97 41,90 2, ,34 0,444 24,80 308,80 55, ,28 30,80 3, ,68 0,448 0,446 25, ,63 33,55 2, ,15 0,363 23,73 329,30 65, ,11 29,47 3, ,61 0,393 0,378 25, ,87 40,42 1, ,80 0,131 27,21 538,60 207,2 5 24,68 26,37 1, ,50 0,116 0,124 24, ,00 38,95 6, ,63 0,992 24, ,63 35,89 7, ,60 311,90 24,31 0,987 0,990 24,00 cp Mittelwert cp Literatur cp Literatur Abweichung in % 24,856 0,385 24,467 1,59 24,488 0,896 24,174 1,30 24,909 0,452 25,244 1,33 24,733 0,388 25,379 2,55 25,612 0,129 26,729 4,18 24,064 1,020 24,796 2,95 Whitekalorimetrie Seite 4 von 6

5 Berechnung Wärmemenge Wärmemenge[ Q] T Wasserwert[ J / gk] Spezifische WärmemengeQ cp MasseMetall ( 100 TEnde) Molare Anmerkung: Als Temperatur (Metalle) wurden immer 100 C angenommen! c mol WärmemengeQ MolareMasse MasseMetall ( 100 TEnde) Whitekalorimetrie Seite 5 von 6

6 6. Ergebnis Probe Metall spezifische cp molare cp spezifische cp Literatur molare cp Literatur Abweichung in % 1 Kupfer 0,391 24,856 0,385 24,467 1,59 2 Aluminium 0,908 24,488 0,896 24,174 1,30 3 Eisen 0,446 24,909 0,450 25,244 1,33 4 Zink 0,378 24,733 0,388 25,379 2,55 5 Blei 0,124 25,612 0,129 26,729 4,18 6 Magnesium 0,990 24,064 1,020 24,796 2,95 spezifische 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 spezifischen en der Metalle spez. Wärmek. spez. Wärmek. Literatur Blei Zink Kupfer Eisen Aluminium Magnesium 0,000 Metalle 7. Literatur Physikalische Chemie: Peter W. Atkins 2. Auflage Whitekalorimetrie Seite 6 von 6