Verbrennungsenergie U = Q + W. W = p V U = Q

Transkript

1 Grundlaen Verbrennunsenerie Grundlaen Ziel dieses Versuches ist die Bestimmun der bei verschiedenen Verbrennunsreaktionen freiwerdenden Wärmeenerie. Die innere Enerie ist die Summe einzelner Enerien eines Systems. Nach dem ersten Hauptsatz lässt sich die Änderun der inneren Enerie U berechnen mit: U = Q + W Hierbei ist Q die Wärmemene und W die Volumenarbeit. Die Volumenarbeit ist definiert als: W = p V wobei p der Druck ist und V die Änderun des Volumens. Da im Versuch die Verbrennunsreaktion unter Konstanthaltun des Volumens stattfindet, wird dieser Ausdruck null, und es folt für die Änderun der inneren Enerie: U = Q Bestimmt werden soll allerdins nicht die Änderun der inneren Enerie, sondern die Änderun der Enthalpie H, das heißt die freiwerdende Wärmeenerie bei konstantem Druck. Diese ist wie folt definiert: Bei konstantem Volumen wird daraus: H = U + p V H = Q + V p Da die Änderun des Druckes experimentell nicht bestimmt werden kann, wird folende Näherun emacht: Man vernachlässit die Volumenänderun der kondensierten Reaktionsteilnehmer und behandelt die asförmien als ideale Gase, für die die Allemeine Gasleichun p V = n R T (mit n = Stoffmenen der Gase, R = allemeine Gaskonstante, T = absolute Temperatur) ilt. Nun setzt man in die Gleichun für die Enthalpie ein: H =Q+R T n i In die Summe der Stoffmenen ehen die Edukte neativ, die Produkte positiv ein. Die Wärmemene Q wird im Versuch abeeben, wird also im folenden neativ einesetzt. Ebenso die Arbeit V p, die vom System an der Umebun verrichtet wird, und dementsprechend neativ ist. 1 by Benjamin Bulheller & Frank Bock

2 Grundlaen Die Wärmemene Q erhält man aus der zu bestimmenden Wärmekapazität C des Kalorimeters multipliziert mit der emessenen Temperaturänderun: Hiermit eribt sich: Q = C T CH=C T+R T n i Diese Gleichun enthält nur bekannte und experimentell bestimmbare Größen, n lässt sich anhand der Reaktionsleichun unter Beachtun der Einwaae berechnen. bei Substanzen, die als Flüssikeit vorlieen, muss bei der Berechnun der Verbrennunsenthalpie C H zusätzlich die Verdampfunsenthalpie V H abezoen werden. Vor Beinn des eientlichen Versuches muss das Kalorimeter kalibriert werden, das heißt seine Wärmekapazität C muss bestimmt werden. Dazu verbrennt man eine bestimmte Mene einer Substanz mit bekannter Standardverbrennunsenthalpie. Diese ist in k 1 aneben, es ilt also: Q CH = n Daraus berechnet man die bei der Verbrennun abeebene Wärmemene Q: Q= H n = C C H m M Nun misst man die Änderun der Temperatur T. Die Wärmekapazität eribt sich aus: Q C = T Die Verbrennunsenthalpien können auch berechnet werden, indem man die Gesamtreaktion in einzelne hypothetische Reaktionen zerlet und deren Reaktionsenthalpien unter Beachtun ihrer Vorzeichen summiert (Satz von Hess). Dies ist mölich, weil es sich bei der Enthalpie um eine Zustandsfunktion handelt, das heißt es ist unerheblich, über welche und wie viele Zwischenschritte man von den Edukten zu den Produkten elant, solane die Zwischenschritte in der Summe die betrachtete Reaktion ereben. Die Bildunsenthalpien vieler Stoffe lassen sich auch aus der Addition der Bindunsanteile (Bindunsinkremente) berechnen. Bei Molekülen, die mesomere Grenzstrukturen ausbilden, stimmen die so berechneten Bildunsenthalpien allerdins nicht mit den emessenen überein. Diese Differenz nennt man Mesomerie oder Resonanzenerie, die sich auf diese Weise ermitteln lässt. 2 by Benjamin Bulheller & Frank Bock

3 Sicherheit Sicherheit Benzen M(C 6 H 6 ) = ρ(c 6 H 6 ) = cm V H(C 6 H 6 ) = 30.7 k R 45 Kann Krebs erzeuen R 11 Leichtentzündlich R 48/23/24/25 Gifti: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei länerer Exposition durch Einatmen, Berührun mit der Haut und durch Verschlucken S 45 Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn mölich dieses Etikett vorzeien) S 53 Exposition vermeiden - vor Gebrauch besondere Anweisunen einholen F T Leichtentzündlich Gifti Benzoesäure O OH M(C 7 H 6 O 2 ) = C H 0 (C 7 H 6 O 2 ) = 3227 k R 22 R 36 S 24 Xn Gesundheitsschädlich beim Verschlucken Reizt die Auen Berührun mit der Haut vermeiden Gesundheitsschädlich 3 by Benjamin Bulheller & Frank Bock

4 Sicherheit Cyclohexan M(C 6 H 12 ) = ρ(c 6 H 12 ) = cm V H(C 6 H 12 ) = 30.1 k R 11 R 38 R 50/53 R 65 R 67 Leichtentzündlich Reizt die Haut Sehr ifti für Wasseroranismen, kann in Gewässern länerfristi schädliche Wirkunen haben Gesundheitsschädlich: Kann beim Verschlucken Lunenschäden verursachen Dämpfe können Schläfrikeit und Benommenheit verursachen. S 16 Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen S 33 Maßnahmen een elektrostatische Aufladunen S 60 Dieser Stoff und sein Behälter sind als efährlicher Abfall zu entsoren S 61 Freisetzun in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisunen einholen/sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen S 62 Bei Verschlucken kein Erbrechen herbeiführen. Sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackun oder dieses Etikett vorzeien F Xn N Leichtentzündlich Gesundheitsschädlich Umweltefährlich 4 by Benjamin Bulheller & Frank Bock

5 Sicherheit Cyclohexen M(C 6 H 10 ) = ρ(c 6 H 10 ) = cm V H(C 6 H 10 ) = 30.5 k R 11 R 21/22 S 16 S 23 S 33 S 36/37 F Xn Leichtentzündlich Gesundheitsschädlich bei Berührun mit der Haut und beim Verschlucken Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen Dampf nicht einatmen Maßnahmen een elektrostatische Aufladunen treffen Bei der Arbeit eeinete Schutzhandschuhe und Schutzkleidun traen Leichtentzündlich Gesundheitsschädlich Naphthalen M(C 10 H 8 ) = R 40 R 50/53 S 36/37 S 61 Xn N Irreversibler Schaden mölich Sehr ifti für Wasseroranismen, kann in Gewässern länerfristi schädliche Wirkunen haben Bei der Arbeit eeinete Schutzhandschuhe und Schutzkleidun traen Freisetzun in die Umwelt vermeiden. Gesundheitsschädlich Umweltefährlich 5 by Benjamin Bulheller & Frank Bock

6 Versuchsaufbau Versuchsaufbau Die Messun findet in einer soenannten kalorimetrischen Bombe statt. Vor Versuchsbeinn wird das Kalorimeterefäß mit einer konstanten Mene Wasser efüllt (im Experiment 1800 ml), so dass die Bombe völli bedeckt ist. In dieser wird die Substanz mit Hilfe einer Zündvorrichtun unter einem Überanebot an Sauerstoff (30 bar) vollständi verbrannt. Die Wärme wird an das Kalorimeterwasser abeeben und kann nach der Gleichewichtseinstellun emessen werden. Um die Wärmeverluste während der Wartezeit zu minimieren, wurde im Versuch ein adiabatisches Kalorimeter verwendet, das im Außenmantel ein interiertes Heiz-/Kühlsystem enthält, das Temperaturunterschiede mit der Umebun reistriert und automatisch selbst kleine Änderunen ausleicht. So findet kein Wärmeaustausch statt, es kann also unter adiabatischen Bedinunen earbeitet werden. Als Pulver vorlieende Substanzen wurden zu Tabletten epresst. Flüssikeiten mussten in einer Gelatinekapsel verbrannt werden. Dabei wurde die Verbrennunswärme einer leeren Kapsel vom Messwert der Substanz abezoen. Messerebnisse Masse in T 1 T 2 T in K Kapsel Benzoesäure Benzen Cyclohexan Cyclohexen Naphthalen by Benjamin Bulheller & Frank Bock

7 Auswertun Auswertun Die Verbrennun von Benzoesäure zur Eichmessun lieferte eine Temperaturänderun von K. Daraus lässt sich anhand der Standardverbrennunsenthalpie die abeebene Wärmemene Q berechnen. Da diese vom System abeeben wird, ist sie neativ. H m(c H O ) Q = H n(c H O ) = = = k 0 k 0 C C M(C7H 6O 2) Aus Q lässt sich nun die Wärmekapazität der Apparatur berechnen: Q k k C = = = T K K Aus der nun bekannten Wärmekapazität kann mit Hilfe der emessenen Temperaturänderunen die Standardverbrennunsenthalpie der untersuchten Substanzen berechnet werden. Bestimmun der Standardverbrennunsenthalpie von Naphthalen C 10 H O 2 10 CO H 2 O m(c H ) 0.50 n(c H ) = = = M(C10H 8) Daraus ereben sich für die Molmassen des reaierenden Sauerstoffs und des entstehenden Kohlendioxids und Wassers: n(o 2) = n(h2o) = n(co 2) = H = C ( ) C T R T n(co ) + n(h O) n(o ) n(c H ) 10 8 K K CH = K K = = 6 CH k 7 by Benjamin Bulheller & Frank Bock

8 Auswertun Bestimmun der Standardbildunsenthalpie von Naphthalen Die Standardbildunsenthalpie B H lässt sich über den Satz von Hess berechnen. Dabei wird das Naphthalen hypothetisch aus den Grundbausteinen aufebaut. Unter Beachtun der Vorzeichen der Reaktionsenthalpien addieren sich die theoretischen Zwischenschritte zu B H einer nicht emessenen oder soar nicht messbaren Reaktion. H C C10H8 C 10 H O 2 10 CO H 2 O B H C10 H 8 B H CO2 + B H H2 O 10 C + 4 H O 2 H = H 10 H 4 H B C H C C H B CO B H O k k k BHC10H = ( ) 4 ( ) 8 k k k BHC10H = k BHC10H = Bestimmun der Standardverbrennunsenthalpie von Cyclohexan C 6 H O 2 6 CO H 2 O mch ( ) nch ( ) = = = M( C6H12 ) Daraus ereben sich für die Molmassen des reaierenden Sauerstoffs und des entstehenden Kohlendioxids und Wassers: n(o 2) = n(h2o) = n(co 2) = by Benjamin Bulheller & Frank Bock

9 Auswertun Wie bereits in den Grundlaen erwähnt, wird die Wärmemene Q von der Substanz abeben und die Arbeit W am System verrichtet. Beide Werte werden daher mit neativem Vorzeichen einesetzt. Insesamt wird die Standardverbrennunsenthalpie C H dadurch ebenfalls neativ. Da die Verdampfunsenthalpie V H vom Betra von C H abezoen werden muss, wird sie zur neativen Enthalpie hinzuaddiert. ( ) C ( T T ) R T n(co ) + n(h O) n(o ) CH Kapsel C VHC H n(c6h 12 ) 6 12 H= (1.472 K K) K K K CH= = = 6 CH k 6 12 Bestimmun der Standardverbrennunsenthalpie von Cyclohexen m(c H ) n(c H ) = = = M(C6H 10 ) C 6 H O 2 6 CO H 2 O Daraus ereben sich für die Molmassen des reaierenden Sauerstoffs und des entstehenden Kohlendioxids und Wassers: n(o 2) = n(h2o) = n(co 2) = ( ) C ( T T ) R T n(co ) + n(h O) n(o ) CH Kapsel C VHC H n(c6h 12) 6 12 H= (1.528 K K) K K K CH = = = 6 CH k by Benjamin Bulheller & Frank Bock

10 Auswertun Bestimmun der Standardverbrennunsenthalpie von Benzen m(c H ) n(c H ) = = = M(C6H 6) C 6 H O 2 6 CO H 2 O Daraus ereben sich für die Molmassen des reaierenden Sauerstoffs und des entstehenden Kohlendioxids und Wassers: n(o 2) = n(h2o) = n(co 2) = ( ) C ( T T ) R T n(co ) + n(h O) n(o ) CH Kapsel C VHC H n(c6h 6) 6 6 H= (1.518 K K) K K K CH = = = 6 CH k 6 6 Bestimmun der Mesomerieenerie von Benzen Auf die Mesomerie- oder Resonanzenerie E R von Benzen kann über folende Überleun eschlossen werden: Benzen enthält formal 3 Doppelbindunen und 3 Einfachbindunen. Die Bindunsenerien addieren sich. Es lässt sich daher theoretisch aus folender Gleichun aufbauen: 3 C 6 H 10 2 C 6 H 12 C 6 H 6 Nach dieser Gleichun wird die Bilanz der Bindunen zwar korrekt wiedereeben, setzt man allerdins die Verbrennunsenthalpien der Stoffe ein, so eribt sich eine Differenz, die der Resonanzenerie entspricht. Eneretisch korrekt lautet die Enthalpieleichun C H C6 H 6 + E R = 3 C H C6 H 10 2 C H C6 H by Benjamin Bulheller & Frank Bock

11 Fehlerbetrachtun E = 3 H H H R C C H C C H C C H k k k ER = 3 ( 641 ) ( 692 ) ( 153 ) k E R = ( ) E R k =86 Fehlerbetrachtun H C Messun H C Literatur Abweichun in k in k in % Benzen Cyclohexan Cyclohexen Naphthalen H B Berechnun H B Literatur Abweichun in k in k in % Naphthalen E R Berechnun E R Literatur Abweichun in k / in k / in % Benzol Durch die vollständi adiabatische Apparatur konnten relativ ute Werte für die Verbrennunsenthalpien erzielt werden. Auf die restlichen berechneten Werte wirkten sich die Abweichunen jedoch sehr stark aus by Benjamin Bulheller & Frank Bock

12 Gesamtdiskussion Gesamtdiskussion Die Werte für die Standardverbrennunsenthalpien sind isoliert betrachtet sehr zufriedenstellend. Da sich die Fehlerfortpflanzun in den weiteren Berechnunen leider stark auswirkt, sind die deren Werte nicht interpretierbar. So liefert die Berechnun der Standardbildunsenthalpie von Naphthalen soar einen neativen Wert, was een jede Erfahrun spricht, da noch nie von einer spontanen Bildun von Naphthalen aus Kohlenstoff und Wasserstoff berichtet wurde. Dieses Protokoll wurde selbstständi erstellt. Frank Boc k Benjamin Bulheller 12 by Benjamin Bulheller & Frank Bock