Lösungsenthalpie / Lösungswärme unterschiedlicher Zinksulfat-Hydrate

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1 Lösungsenthalpie / Lösungswärme unterschiedlicher Zinksulfat-Hydrate Zeitbedarf für die Versuchsdurchführung: ca. 10 Min. Geräte: Magnetrührer mit Magnetrührstäbchen Thermometer (min. 0,5 C Genauigkeit) Becherglas (100 ml) Messzylinder Spatel Chemikalien: Zinksulfat-Heptahydrat, ZnSO 4 7 H 2 O, Xi, N, R36/38-50/53, S Zinksulfat-Hexahydrat, ZnSO 4 6 H 2 O, Xi, N, R36/38-50/53, S Zinksulfat-Monohydrat, ZnSO 4 H 2 O, Xi, N, R36/38-50/53, S Wasser Versuchsaufbauskizze: Thermometer Spatel mit Zinksulfat-Hydraten Becherglas Styroporplatte Magnetrührer Motor Temp. 1

2 Durchführung: In die Bechergläser werden 50 ml Wasser gegeben und die Temperatur T 0 notiert. Danach wird in den Bechergläsern jeweils ein Zinksulfat-Hydrat unter Rühren aufgelöst und die Temperaturänderung (bzw. der höchste oder niedrigste Temperaturwert T 1 ) während des Lösungsvorgangs ermittelt. 1. 5,0 g Zinksulfat-Monohydrat 2. 7,5 g Zinksulfat-Hexahydrat 3. 8,0 g Zinksulfat-Heptahydrat Mit der gleichen Versuchsapparatur kann man auch quantitativ die Lösungswärme der einzelnen Zinksulfat-Hydrate bestimmen, wobei die angegebenen Massen und Volumina genau stimmen. Hinweis aus der Physik: c heißt spezifische Wärme c = Wärmemenge Masse Temperaturänderung mit [c] = cal g Grad Ihre Maßzahl gibt also die Anzahl Kalorien an, die aufgewendet werden muss, um 1 g eines Stoffes um 1 C zu erwärmen. Demnach ist die spezifische Wärme von H 2 O c(h 2 O) = 1 cal g Grad = 4,187 J g Grad 1 Die Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,187 Joule, d.h. dass 4,187 Joule benötigt werden, um 1,0 g Wasser um 1,0 C zu erhöhen. 1 C. Gerthsen, H.O. Kneser, Physik, 11. Aufl., Springer-Verlag, Berlin-Heidelber-New York, 1971, S.125 2

3 Anmerkung zu den Zinksulfat-Hydraten: Bei diesem Versuch kann selbst hergestelltes Zinksulfat-Hexahydrat wie auch Zinksulfat-Monohydrat eingesetzt werden. Zinksulfat-Heptahydrat entnimmt man entweder der Chemiesammlung oder stellt es selbst her, indem man zu einer abgewogenen Molanzahl von Zinksulfat-Hexahydrat die gleiche Molanzahl an Wasser dazugibt und das Gemisch gut verrührt. Beobachtung: Bei der Zugabe von Zinksulfat-Monohydrat steigt die Temperatur an. (bei durchgeführten Untersuchungen von 20,6 C auf 25,5 C) Bei der Zugabe von Zinksulfat-Hexahydrat fällt die Temperatur leicht ab. (bei durchgeführten Untersuchungen von 21,0 C auf 20,6 C) Bei der Zugabe von Zinksulfat-Heptahydrat fällt die Temperatur. (bei durchgeführten Untersuchungen von 21,0 C auf 18,9 C) Deutung: 2 Beim Lösevorgang einer Ionenverbindung werden die Kationen und Anionen aus dem Kristallgitter herausgelöst. Dabei ist die Wechselwirkung zwischen den Molekülen des Lösungsmittels und der einzelnen Ionen im Kristallgitter von entscheidender Bedeutung. Je stärker die Wechselwirkungen zwischen den Ionen des Salzes und des Lösungsmittels sind, desto leichter löst sich das Salz. Es bildet sich eine Hydrathülle. Diese Anlagerung von Wasser-Dipolen wird auch Hydratation genannt, wobei die Anzahl der Wasser-Moleküle von der Größe der einzelnen Ionen abhängt. 2 vgl.: M. Tausch/ M. Wachtendonk, Chemie SII Stoff-Formel-Umwelt, 1. Aufl., C.C. Buchner Verlag, Bamberg, 1993, S.159f., P.W. Atkins, Physikalische Chemie, 1. Aufl., 2. korr. Nachdr., VCH Verlagsgesellschaft mbh, Weinheim, 1990, S.95f., C.E. Mortimer, Chemie Basiswissen der Chemie, 5. Aufl., Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1987, S. 190f. 3

4 Elektrostatische Wechselwirkungen hydratisieren die Kationen durch die Anziehung zwischen dem Ion und den freien Elektronenpaaren des Sauerstoff-Atoms im Wassermolekül. Die positive Seite der Wasser-Dipole (Wasserstoff-Atome) hydratisiert die Anionen der Ionenverbindung. Diese Kräfte sind relativ stark, besonders wenn das Ion klein ist und eine hohe Ladung besitzt. Ionen werden herausgelöst und hydratisiert 3. Das Ionengitter ist in einzelne, frei bewegliche, hydratisierte Ionen zerlegt 4. Der Lösevorgang ist mit Arbeit verbunden, da das Ionengitter aufgelöst wird. Die Gitterenthalpie H G muss aufgebracht werden. Zur Hydratation müssen andererseits die Wassermoleküle mit ihren Wasserstoffbrückenbindungen untereinander getrennt werden. Zudem werden neue Bindungen bzw. Wechselwirkungen zwischen den Wasser-Dipolen und den Kationen und Anionen des Salzes gebildet. Die Energiebilanz, die aus diesem Vorgang resultiert, wird Hydratationsenthalpie H H genannt und ist auch stoffspezifisch. Der Lösungsvorgang von Zinksulfat-Monohydrat, bei dem die Temperatur ansteigt, ist exotherm. Demnach ist die Hydratationsenthalpie größer als die Gitterenergie. (Lösungswärme H L < 0) Der Lösungsvorgang von Zinksulfat-Hexahydrat und Zinksulfat-Heptahydrat ist endotherm. Demnach ist die Hydratationsenthalpie kleiner als die Gitterenergie. Um das Gitter des Salzes aufzulösen, wird die Bewegungsenergie der Wasser-moleküle genutzt, so dass sich die Lösung abkühlt. (Lösungskälte H L > 0) 3 aus: M. Tausch/ M. v. Wachtendonk, Chemie SII Stoff-Formel-Umwelt, 1. Aufl., C.C. Buchner Verlag, Bamberg, 1993, B aus: M. Tausch/ M. v. Wachtendonk, Chemie SII Stoff-Formel-Umwelt, 1. Aufl., C.C. Buchner Verlag, Bamberg, 1993, B

5 Berechnung der Lösungswärme der einzelnen Zinksulfat-Hydrate: a) Zinksulfat-Monohydrat T = + 4,9 C 1,0 C / 1,0 g H 2 O entsprechen einer Energie von 4,187 J 4,9 C / 50,0 g H 2 O entsprechen einer Energie von 4,9 C 4,187 J 50,0 g = 1025,82 J C g M(ZnSO 4 H 2 O) = 179,47 g/mol n(znso 4 H 2 O) = 5,0 g 179,47 g/mol = 0,0278 mol Die molare Lösungswärme H L / mol von Zinksulfat-Monohydrat entspricht 1025,82 J 0,0278 mol = J/mol = +36,9 kj/mol Literaturwert aus Deutsche Chemische Gesellschaft, Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, 8. Aufl., Verlag-Chemie, Leipzig-Berlin, 1924, S.226: H L = +41,6 kj/mol b) Zinksulfat-Hexahydrat T = -0,4 C 1,0 C / 1,0 g H 2 O entsprechen einer Energie von 4,187 J -0,4 C / 50,0 g H 2 O entsprechen einer Energie von -0,4 C 4,187 J 50,0 g = -83,56 J C g M(ZnSO 4 6 H 2 O) = 269,57 g/mol n(znso 4 6 H 2 O) = 7,5 g 269,57 g/mol = 0,0278 mol Die molare Lösungswärme H L / mol von Zinksulfat-Monohydrat entspricht -83,56 J 0,0278 mol = -3005,8 J/mol -3,0 kj/mol 5

6 Literaturwert aus Literaturwert aus Deutsche Chemische Gesellschaft, Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, 8. Aufl., Verlag-Chemie, Leipzig-Berlin, 1924, S.226: H L = -3,5 kj/mol c) Zinksulfat-Heptahydrat T = -2,1 C 1,0 C / 1,0 g H 2 O entsprechen einer Energie von 4,187 J -2,1 C / 50,0 g H 2 O entsprechen einer Energie von -2,1 C 4,187 J 50,0 g = -439,64 J C g M(ZnSO 4 7 H 2 O) = 278,59 g/mol n (ZnSO 4 7 H 2 O) = 8,0 g 278,59 g/mol = 0,0287 mol Die molare Lösungswärme H L / mol von Zinksulfat-Monohydrat entspricht -439,64 J 0,0287 mol = ,5 J/mol -15,3 kj/mol Literaturwert aus Literaturwert aus Deutsche Chemische Gesellschaft, Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, 8. Aufl., Verlag-Chemie, Leipzig-Berlin, 1924, S.226: H L = -17,8 kj/mol Die Literaturwerte können mit einfachen Mitteln fast erreicht werden! Anmerkung: Die berechneten Lösungswärmedaten der Zinksulfat-Hydrate sind betragsmäßig immer kleiner als die Literaturdaten, da ein Teil der freiwerdenden Energie an die Umgebung der Versuchsapparatur abgegeben wird. Um den Fehler noch kleiner werden zu lassen, müsste man die Apparatur besser isolieren bzw. die Messungen im Dewar-Gefäß durchführen, was sich allerdings kaum lohnt. 6

7 Entsorgung: Die Lösungen müssen dem Schwermetallabfall zugeführt werden. 7