Molare Reaktionsenthalpie bei der Reaktion von Kupfer(II)-Ionen mit Zink

Dieser Versuch zeigt anhand der Reaktion von Kupfer(II)-Ionen und Zink eine spontane exotherme Reaktion. Anhand ihrer lässt sich anschließend die Reaktionsenthalpie berechnen. Als Vorwissen wird daher vorausgesetzt, dass die Schüler und Schülerinnen sich mit dem Begriff Reaktionsenthalpie und dessen Berechnung auskennen. Außerdem müssen sie Reaktionsgleichungen in Formelsprache formulieren können.

Styroporkalorimeter, digitales Thermometer, Messzylinder, Stativ mit Stativmaterial

Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat, Zinkpulver, destillierstes Wasser

In einem Becherglas werden 5 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat in 200 mL destilliertem Wasser gelöst. Die homogene Lösung wird in das Kunststoff-Becherglas des Styroporkalorimeters gefüllt und in dieses gestellt. Die Anfangstemperatur T₀ wird gemessen. Anschließend werden 3 g Zink hinzugefügt und das Stoffgemisch umgerührt. Im Abstand von jeweils 1 Minute wird die Temperatur abgelesen bis diese nicht mehr steigt. Die Endtemperatur T₁ wird notiert.

Nach Zugabe des Zinks hat die vorher blaue Lösung eine schlammig graue Farbe. T₀ beträgt 19,5 °C, T₁ beträgt 24,1 °C.

Es läuft folgende Reaktion ab:

Cu²⁺_(aq) + Zn_(s) → Zn²⁺_(aq) + Cu_(s)

Da die Temperatur steigt, handelt es sich um eine exotherme Reaktion. Die Temperaturdifferenz beträgt:

ΔT   =   T₁ - T₀   =   297,25 K - 292,65 K   =   4,6 K

Zur Berechnung der molaren Reaktionsenthalpie wird folgende Formel verwendet:

ΔHmol   =

-

[ (m(H2O) + m(CuSO4 · 5 H2O) + m(Zn) ) · cp(H2O) + C ] · ΔT   n(CuSO4 · 5 H2O)

Messgrößen:

• m(H₂O) = 200 g
• m(CuSO₄ · 5 H₂O) = 5g
• m(Zn) = 3 g
• n(CuSO₄ · 5 H₂O) = 0,02 mol
• Wärmekapazität des Styroporkalorimeters C = 70 J/K
• spezifische Wärmekapazität des Wassers c_p = 4,19 ^J/_{g · K}

Es folgt für ΔH_mol:

ΔHmol   =

-

[ (200 g + 5 g + 3 g ) · 4,19 J/g · K + 70 J/K ] · 4,6 K   0,02 mol

=

-216549,6 J/mol

=

-216,55 kJ/mol

Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, muss ΔH_mol < 0 sein, daher beträgt die molare Reaktionsenthalpie der Reaktion von Kupfer(II)-Ionen mit Zink -216,55 ^kJ/_mol .

Vergleich mit Literaturwerten:

Reaktionsenthalpie: -218,66 kJ/mol

[berechnet aus: P.W. Atkins, Kurzlehrbuch Physikalische Chemie, WILEY-VCH, 4. Auflage, 2008, S. 1084/1086.]

x_abs   =   -216,55 ^kJ/_mol - ( -218,66 ^kJ/_mol )   =   2,11 ^kJ/_mol

xrel   =

|

2,111 kJ/mol   -216,55 kJ/mol

|

· 100%

=

0,97 %

Die Abweichung zum Literaturwert ist minimal, die Bestimmung der Reaktionsenthalpie mit diesem Versuch funktioniert also sehr gut.

Die Lösung wird mit Natronlauge versetzt und der entstehende Niederschlag im Behälter für Schwermetalle entsorgt.

H. Keune, H. Böhland, Chemische Schulexperimente Band 3: Allgemeine, physikalische und analytische Chemie; Chemie und Umwelt, Volk und Wissen Verlag, 2002, S. 141-142.