065 – Hess'sches Gesetz

Diese Laborsitzung ist als umfassende Erkundung chemischer Reaktionen und thermischer Austausche durch vier verschiedene Experimente konzipiert, die jeweils darauf abzielen, verschiedene Aspekte der Thermochemie und chemischen Kinetik zu verstehen.

Bildungsziele

  • Messverfahren für Volumen und Temperatur: Die Schüler verfeinern ihre Fähigkeiten im Umgang mit Messzylindern zur Volumenmessung und mit Thermometern zur Temperaturbeobachtung und verbessern so ihre Präzision und Genauigkeit in der experimentellen Chemie.
  • Beobachtung chemischer Reaktionen: Die Teilnehmer erhalten Einblicke in die Natur chemischer Reaktionen, insbesondere wie die Mischung verschiedener Substanzen zu thermischen Veränderungen führen kann, was die Prinzipien der Thermochemie veranschaulicht.
  • Erforschung von Reaktionsvariationen: Durch die Veränderung von Komponenten wie Lösungsmitteln oder Reaktanten werden die Studierenden erforschen, wie experimentelle Bedingungen die Reaktionsergebnisse beeinflussen, und so ein tieferes Verständnis der chemischen Kinetik fördern.
  • Thermochemie und Kinetik Konzepte Dieses Labor zielt darauf ab, ein praktisches Verständnis der Thermochemie und chemischen Kinetik zu vermitteln, wobei die thermischen Effekte chemischer Reaktionen und die Reaktionsgeschwindigkeiten beeinflussenden Faktoren betont werden.

Durch diese Erfahrungen werden die Studierenden nicht nur mit Standard-experimentellen Verfahren in der Chemie vertraut gemacht, sondern erhalten auch praktische Erfahrung im Umgang mit Laborgeräten und in der Interpretation von experimentellen Daten.

Dieser praktische Lernansatz ermöglicht es den Studierenden, theoretisches Wissen der Chemie auf reale Szenarien anzuwenden und so ihr Verständnis grundlegender Prinzipien des Fachgebiets zu festigen. Die Laborsitzung unterstreicht die Bedeutung präziser Messung und Kontrolle bei chemischen Experimenten und vermittelt wertvolle Lektionen über das thermische Verhalten chemischer Reaktionen und den Einfluss unterschiedlicher Versuchsbedingungen.

Protokoll

Experiment 1: Wasser + Alkohol

  1. Messen Sie 100 mL destilliertes Wasser mit dem Messzylinder ab.
  2. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in den Kalorimeter.
  3. Tauche die Spitze des Digitalthermometers in die Flüssigkeit, um ihre Temperatur zu messen.
  4. Die Ausgangstemperatur des Wassers wird in der Ergebnistabelle angezeigt.
  5. Messen Sie 100 ml Ethanol mit dem Messzylinder ab.
  6. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in den Kalorimeter.
  7. Bringen Sie den Deckel am Kalorimeter an.
  8. Drücken Sie die grüne Rührertaste auf dem Kalorimeterdeckel und lassen Sie es mindestens 10 Sekunden rühren.
  9. Stecken Sie das digitale Thermometer in den Deckel des Kalorimeters.
  10. Die Temperatur des Gemisches wird in der Ergebnistabelle angezeigt.
  11. Stoppen Sie den Anreger durch Drücken des roten Knopfes.
  12. Entfernen Sie das Thermometer aus dem Deckel des Kalorimeters.
  13. Entfernen Sie den Deckel des Kalorimeters und leeren Sie dessen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  14. Spülen Sie den Kalorimeter mit destilliertem Wasser und leeren Sie seinen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  15. Spülen Sie den Messzylinder mit destilliertem Wasser und gießen Sie den Inhalt in den Rückgewinnungstank.

Experiment 2: Wasser + NH4Klar

  1. Messen Sie 100 mL destilliertes Wasser mit dem Messzylinder ab.
  2. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in den Kalorimeter.
  3. Tauche die Spitze des Digitalthermometers in die Flüssigkeit, um ihre Temperatur zu messen.
  4. Die Ausgangstemperatur des Wassers wird in der Ergebnistabelle angezeigt.
  5. Wiegen Sie ungefähr 9,2 g (6 ml) Ammoniumchlorid-Pulver mit dem Wägegefäß ab.
  6. Gießen Sie den Inhalt des Wägegläschens in den Kalorimeter.
  7. Bringen Sie den Deckel am Kalorimeter an.
  8. Drücken Sie die grüne Rührertaste auf dem Kalorimeterdeckel und lassen Sie es mindestens 10 Sekunden rühren.
  9. Stecken Sie das digitale Thermometer in den Deckel des Kalorimeters.
  10. Die Temperatur des Gemisches wird in der Ergebnistabelle angezeigt.
  11. Stoppen Sie den Anreger durch Drücken des roten Knopfes.
  12. Entfernen Sie das Thermometer aus dem Deckel des Kalorimeters.
  13. Entfernen Sie den Deckel des Kalorimeters und leeren Sie dessen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  14. Spülen Sie den Kalorimeter mit destilliertem Wasser und leeren Sie seinen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  15. Spülen Sie den Messzylinder mit destilliertem Wasser und gießen Sie den Inhalt in den Rückgewinnungstank.

Experiment 3: Wasser + CaCO3

  1. Messen Sie 100 mL destilliertes Wasser mit dem Messzylinder ab.
  2. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in den Kalorimeter.
  3. Tauche die Spitze des Digitalthermometers in die Flüssigkeit, um ihre Temperatur zu messen.
  4. Die Ausgangstemperatur des Wassers wird in der Ergebnistabelle angezeigt.
  5. Wiegen Sie ungefähr 9,5 g (3,5 ml) Calciumcarbonatpulver mit der Wägeschale ab.
  6. Gießen Sie den Inhalt des Wägegläschens in den Kalorimeter.
  7. Befestigen Sie den Deckel am Kalorimeter.
  8. Drücken Sie die grüne Rührertaste auf dem Kalorimeterdeckel und lassen Sie es mindestens 10 Sekunden rühren.
  9. Stecken Sie das digitale Thermometer in den Deckel des Kalorimeters.
  10. Die Temperatur des Gemisches wird in der Ergebnistabelle angezeigt.
  11. Stoppen Sie den Anreger durch Drücken des roten Knopfes.
  12. Entfernen Sie das Thermometer aus dem Deckel des Kalorimeters.
  13. Entfernen Sie den Deckel des Kalorimeters und gießen Sie den flüssigen Inhalt in die schwarze Auffangwanne und überführen Sie die Feststoffe mit den Spateln.
  14. Spülen Sie den Kalorimeter mit destilliertem Wasser und leeren Sie seinen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  15. Spülen Sie den Messzylinder mit destilliertem Wasser und gießen Sie den Inhalt in den Rückgewinnungstank.

Experiment 4 : HCl + CaCO3

  1. Messen Sie 100 mL Salzsäure (HCl) 2 M mit dem Messzylinder ab.
  2. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in den Kalorimeter.
  3. Tauche die Spitze des Digitalthermometers in die Flüssigkeit, um ihre Temperatur zu messen.
  4. Die Anfangstemperatur der Salzsäure wird in der Ergebnistabelle erscheinen.
  5. Wiegen Sie ungefähr 9,5 g (3,5 ml) Calciumcarbonatpulver mit der Wägeschale ab.
  6. Gießen Sie den Inhalt des Wägegläschens in den Kalorimeter.
  7. Befestigen Sie den Deckel am Kalorimeter.
  8. Stecken Sie das digitale Thermometer in den Deckel des Kalorimeters.
  9. Die Stoppuhr starten.
  10. Drücken Sie den grünen Rührknopf am Kalorimeterdeckel und lassen Sie ihn rühren.
  11. Beobachten Sie die Reaktion, die in der Grafik Temperatur vs. Zeit stattfindet.
  12. Wenn die Reaktion abgeschlossen ist (die Temperatur wird ein Plateau erreicht haben), stoppen Sie die Stoppuhr.
  13. Stoppen Sie den Anreger durch Drücken des roten Knopfes.
  14. Entfernen Sie das Thermometer aus dem Deckel des Kalorimeters.
  15. Entfernen Sie den Deckel des Kalorimeters und leeren Sie dessen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  16. Spülen Sie den Kalorimeter mit destilliertem Wasser und leeren Sie seinen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  17. Spülen Sie den Messzylinder mit destilliertem Wasser und gießen Sie den Inhalt in den Rückgewinnungstank.

Hinweis: Die Reaktionsgeschwindigkeit ist um das 10-fache beschleunigt.

Experiment 5 : HCl + NaOH

  1. Messen Sie 100 ml 1M NaOH mit dem Messzylinder ab.
  2. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in den Kalorimeter.
  3. Tauche die Spitze des digitalen Thermometers in die Flüssigkeit, um ihre Temperatur zu messen.
  4. Die Ausgangstemperatur des Wassers wird in der Ergebnistabelle angezeigt.
  5. Messen Sie 100 ml 1M HCl mit dem Messzylinder ab.
  6. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in den Kalorimeter.
  7. Befestigen Sie den Deckel am Kalorimeter.
  8. Drücken Sie die grüne Rührertaste auf dem Kalorimeterdeckel und lassen Sie es mindestens 10 Sekunden rühren.
  9. Stecken Sie das digitale Thermometer in den Deckel des Kalorimeters.
  10. Die Temperatur des Gemisches wird in der Ergebnistabelle angezeigt.
  11. Stoppen Sie den Anreger durch Drücken des roten Knopfes.
  12. Entfernen Sie das Thermometer aus dem Deckel des Kalorimeters.
  13. Entfernen Sie den Deckel des Kalorimeters und leeren Sie dessen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  14. Spülen Sie den Kalorimeter mit destilliertem Wasser und leeren Sie seinen Inhalt in den Rückgewinnungsbehälter.
  15. Spülen Sie den Messzylinder mit destilliertem Wasser und gießen Sie den Inhalt in den Rückgewinnungstank.

Erwartete Ergebnisse

Experiment 1: Wasser + Ethanol

Die Zugabe von 100 ml Ethanol zu 100 ml Wasser ist eine exotherme Reaktion, die die Wassertemperatur um etwa 8 °C erhöhen sollte. Es wird eine Energie von 1,537 kJ/mol pro Mol Ethanol freigesetzt. Wenn Ethanol (C2H5OH) mit Wasser (H2O) gemischt wird, bilden die beiden Flüssigkeiten eine Lösung. Dieser Prozess beinhaltet das Brechen und Bilden von intermolekularen Kräften. Zunächst werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen und die Van-der-Waals-Kräfte zwischen Ethanmolekülen gebrochen. Neue Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich zwischen den Wasser- und Ethanmolekülen. Die Bildung dieser neuen intermolekularen Kräfte setzt Energie frei, was zu einer exothermen Reaktion führt, die die Temperatur der Lösung erhöht. Die spezifischen Wärmekapazitäten der Substanzen und die gesamte freigesetzte Energie während der Bildung der neuen Bindungen tragen zu der beobachteten Temperaturänderung bei.

Experiment 2: Wasser + NH4Cl

Dies ist eine endotherme Reaktion, bei der die Reaktion 14,8 kJ/mol pro Mol NH4Cl verbraucht. Die Temperatur sollte um etwa 5 bis 8 Grad sinken.

Experiment 3: Wasser + CaCO3

Da CaCO3 in Wasser unlöslich ist, wird keine signifikante Temperaturänderung erwartet, was auf keine Reaktion hindeutet.

Experiment 4: HCl + CaCO3

Dies sollte zu einer Reaktion führen, bei der CaCO3 mit HCl reagiert und Calciumchlorid, Wasser und Kohlendioxid entstehen, was zu einem Temperaturanstieg von etwa 19,5 °C über 35 Sekunden führt (Geschwindigkeit 10-fach beschleunigt). Jedes Mol CaCO3 sollte mit 0,5 Mol HCl reagieren, um 1600 kJ zu erzeugen. Dieses Experiment beinhaltet eine Säure-Base-Reaktion, bei der Salzsäure (HCl) mit Calciumcarbonat (CaCO3) reagiert, um Calciumchlorid (CaCl2), Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) zu bilden.

Experiment 5: HCl + NaOH

Es wird eine exotherme Neutralisationsreaktion erwartet. Die Temperatur sollte ansteigen, idealerweise um etwa 6,4 °C, was auf die Freisetzung von Energie hinweist. Die Reaktion erzeugt 54 kJ/mol pro Mol HCl. Dieses Experiment beinhaltet eine Neutralisationsreaktion, eine Art exotherme Reaktion, bei der eine Säure (HCl) und eine Base (NaOH) zu Wasser (H2O) und einem Salz (NaCl) reagieren. Während der Reaktion reagieren die Wasserstoffionen (H+) aus der Säure mit den Hydroxidionen (OH−) aus der Base unter Bildung von Wasser.

Bei jedem Experiment sind die beobachteten Temperaturänderungen Indikatoren für die Energiendynamik der chemischen Prozesse und spiegeln die exotherme oder endotherme Natur der Reaktionen wider.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

1.1.1 Zusammenfassung der Aufgaben nach Notenbereich

Klassen 3-5 (Alter 8-10)

  • Fokus: Grundlegende Einführung in chemische Reaktionen, Temperaturänderungen und Messtechniken.
  • AktivitätenBeobachtung einfacher thermischer Veränderungen bei chemischen Reaktionen, unter Verwendung von Thermometern und Messzylindern, grundlegende Sicherheitshinweise.

Klassen 6-8 (Alter 11-13)

  • Fokus: Mittlere Kenntnisse in Thermochemie, chemischer Kinetik und Messgenauigkeit.
  • AktivitätenReaktionen durchführen, Volumina und Temperaturen messen, beobachten, wie sich verschiedene Reaktanten und Lösungsmittel auf Reaktionsergebnisse auswirken, detaillierten Sicherheitsprotokollen folgen.

Klassen 9-12 (Alter 14-18)

  • FokusFortgeschrittenes Verständnis von Thermochemie, Hess'schem Satz und experimenteller Präzision.
  • AktivitätenGenaue Messung von Volumina und Temperaturen, Durchführung detaillierter Experimente zur Erforschung der thermischen Auswirkungen chemischer Reaktionen, Analyse, wie Änderungen von Reaktanten und Lösungsmitteln die Reaktionsgeschwindigkeiten beeinflussen, detaillierte Aufzeichnung und Interpretation von Ergebnissen, Einhaltung fortschrittlicher Sicherheitsprotokolle, Festigung von Konzepten der chemischen Kinetik und Thermodynamik.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

  • Bechergläser (500 ml & 1000 ml)
  • Kalorimeter
  • Elektronische Waage
  • Messzylinder (70 ml und 250 ml)
  • Spatel
  • Thermometer
  • Timer
  • Pinzette

Produkte

  • NH4Cl (Pulver)
  • CaCO3 (Pulver)
  • Ethanol (Flüssigkeit)
  • HCl 1 M (Lösung).
  • HCl 2M (Lösung).
  • NaOH 1M (Lösung)
<< zurück zur Auflistung