Versuch zum Wärmesatz von Hess bei der reaktion von Calcium mit Salzsäure

Der Satz von Hess besagt, dass die Wärmemenge bei einer chemischen Reaktion unabhängig vom Weg ist. Diese Aussage soll im folgenden Versuch erarbeitet werden. Es wird die direkte Reaktion von Calcium mit Salzsäure durchgeführt und im Vergleich der indirekte Weg über die Reaktion von Calcium mit Wasser und der anschließenden Zugabe von Salzsäure. Um diesen Versuch durchzuführen und zu verstehen wird vorausgesetzt, dass die SuS die Reaktion von Calcium mit Salzsäure bzw. Wasser erklären und in der Formelsprache formulieren können. Außerdem sollte die Reaktion aus V 2 bekannt sein, da im zweiten Schritt des indirekten Weges eine Neutralisationsreaktion stattfindet.

Isoliergefäß, digitales Thermometer mit Thermofühler, Messzylinder 50-mL und 100-mL, Uhrglas, Waage, Spatel, Magnetrührer mit Fisch

Schwefelsäure verdünnt , Calciumspäne, Wasser

Durchführung 1:

Der Versuch wird wie in Abb. 1 aufgebaut. 25 g der verdünnten Salzsäure werden in das Isoliergefäß gegeben und es wird die Anfangstemperatur  bestimmt. Es werden 0,5 g Calciumspäne abgewogen und zu der Salzsäure gegeben (Vorsicht: Wasserstoff entweicht; Temperatur über 50 °C!). An- schließend werden 75 g Wasser dazugegeben und die höchste Temperatur T₁ bestimmt.

Durchführung 2:

Es werden 75 g Wasser in das Isoliergefäß gegeben und die Anfangstemperatur T₀ bestimmt. Es werden 0,5 g Calciumspäne abgewogen und zu dem Wasser hinzugegeben. Die höchste Temperatur T₁ wird gemessen und notiert. Anschließend werden 25 g verdünnte Salzsäure dazu gegeben und die Endtemperatur T₂ bestimmt.

Beobachtung 1:

Es war eine Gasentwicklung zu beobachten. Die Temperatur steigt auf bis zu 72,4 °C an. Nach Zugabe des Wassers beträgt die höchste Temperatur 32,7 °C.

Beobachtung 2:

Die Anfangstemperatur beträgt T₀ = 22,5 °C. Nach Zugabe des Calciums kann eine Gasentwicklung beobachtet werden. T₁ beträgt 35,2 °C. Nach Zugabe der Salzsäure beträgt die Temperatur T₂ = 36,5 °C.

Bei diesem Versuch laufen folgende Reaktionen ab:

Direkter Weg

Ca_(s) + 2HCl_(aq) → CaCl_2(aq) + H_2(g)

Indirekter Weg

1. Ca_(s) + 2H₂O → Ca(OH)_2(aq) + H_2(g)
2. Ca(OH)_2(aq) + HCl_(aq) → CaCl_2(aq) + 2H₂O_(l)

∑: Ca_(s) + 2HCl_(aq) → CaCl_2(aq) + H_2(g)

Wie man den Reaktionsgleichungen entnehmen kann, findet auf beiden Wegen die gleiche Reaktion statt. Der Satz von Hess besagt, dass die Reaktionenthalpie unabhängig vom Weg ist. Bei gleichem Anfangs- und Endzustand der Reaktion ist die Reaktionsenthalpie für jeden Reaktionsweg gleich groß [1]. Es gilt:

ΔH⁰_{Weg 1}=ΔH⁰_{Weg 2}

Auf diesem Wege können auch Reaktionsenthalpien von Reaktionen bestimmt werden, die sonst kaum oder schwer messbar sind.

Für unser Beispiel ergeben sich folgende Werte für die Temperaturdifferenz und die Wärmemenge für den direkten Weg:

∆T = 32,7 K − 22,5 K = 10,2 K

Q_{(direkter Weg)} = −∆T ∙ c_p(H₂O) ∙ m(H₂O) = 10,2 K ∙ 4,19 Jg^-1K^-1 ∙ 100 g = −4273,8 J = −4,2748 kJ

Berechnet man nun die molare Enthalpie mit der Stoffmenge: n(Ca) = 0,5 g / 40 gmol^-1 = 0,0125 mol

ergibt sich für die Reaktionsenthalpie folgender Wert:

ΔH⁰_{direkter Weg} = 4273,8 J / 0,0125 mol = −341,9 KJmol^-1

Für den indirekten Weg kann man analog vorgehen, man muss nur die Wärmemenge für die jeweiligen Teilreaktionen errechnen.

1. Reaktionsschritt:

∆T = 35,2 K − 22,5 K = 12,7 K

Q_{(indirekter Weg 1)} = 12,7 K ∙ 4,19 Jg^-1K^-1 ∙ 75 g = −3991,0 J = −3,9910 kJ

Die Stoffmenge zur Berechnung der molaren Enmthalpie ist die gleiche wie beim direkten Weg, da die gleiche Mange an Calcium eingesetzt wird.

ΔH⁰_{direkter Weg} = 3991,0 J / 0,0125 mol = −319,3 KJmol^-1

2. Reaktionsschritt:

∆T = 36,5 K − 35,2 K = 1,3K

Q_{(indirekter Weg 2)} = 1,3 K ∙ 4,19 Jg^-1K^-1 ∙ 100 g = −544,7 J

Hier wird mit der Stoffmenge der Salzsäure gerechnet, da von dieser Reagenz die Stoffmenge leicht bestimmt werden kann:

n = c(HCl) ∙ V(HCl) = 2 molL^-1 ∙ 0,025 L= 0,05 mol

Daraus ergibt sich folgende molare Enthalpie:

ΔH⁰_{indirekter Weg 2} = 544,7 J / 0,05 mol = −10,9 KJmol^-1

Vergleicht man nun die Wärmemengen des direkten und indirekten Weges, als auch die molare Enthalpie kommt man zu folgenden Ergebnissen:

Q_{(direkter Weg)} = −4273,8 J = −4,3 kJ

Q_{(indirekter Weg gesamt)} = −3991,0 − 544,7 J = −4535,7 = −4,5 kJ

∆H⁰_{(direkter Weg)} = −341,9 kJmol^-1

∆H⁰_{(indirekter Weg gesamt)} = −319,3 kJmol^-1 − 10,9 kJmol^-1 = −330,2 kJmol^-1

Mit diesem Experiment hat man den Satz von Hess bewiesen, da die Werte sehr dicht beieinander sind. Der Fehler kann durch die oben bereits genannten Fehler entstanden sein.

Die Lösungen werden in den Säure-Base-Behälter gegeben.

A. Poenitz, http://www.poenitz-net.de/Chemie/3.Physikalische%20Chemie/3.3.L.Waermesatz%20von%20Hess.pdf, 12.08.2013, 21:26 Uhr.