Wissenswertes zum Nachschlagen aus der Chemie und Biologie

a) Experimentelle Bestimmung der
Neutralisationsenthalpie: DH R
Reaktionsgleichung und Ursache
der Wärmeentwicklung
Salzsäure (HCl) und Natronlauge(NaOH) sind als starke Elektrolyte
in verdünnter wässriger Lösung vollständig zerfallen.
Die Neutralisationsreaktion kann mit Hilfe einer Ionengleichung
veranschaulicht werden:
Erklärung: Aus einzelnen H + - und OH – -Ionen entsteht ein neutrales
H2O-Molekül. Das allein ist die Triebkraft der Neutralisationsreaktion.
Na + - und Cl – -Ionen nehmen an der Reaktion
überhaupt nicht teil. Sie verändern sich nicht. Da das neu
gebildete Wasser energieärmer ist als die vorher freien H + -
und OH – H
-Ionen, wird im Zuge der Neutralisation eine Wärmemenge
Q frei. Dies äußert sich im vorliegendem Falle experimentell
in einer Erhöhung der Temperatur um 6,5°C.
Für die experimentell zu bestimmende Reaktionswärme Q gilt
nach den Gesetzen der Wärmelehre:
+ + Cl – + Na + + OH – > Na + + Cl – + H2O + Q
Dabei ist m die Masse aus 50 ml der 0,1 molaren Salzsäure
und 50 ml der 0,1 molaren NaOH. Als Dichte kann mit hinreichender
Versuchsgenauigkeit jene von Wasser (1 kg/L)
angenommen werden. Damit: m = 100 g = 0,1 kg. Diese
Masse erwärmt sich im Zuge der Reaktion. Einsetzen der
Werte liefert:
Zwischenergebnis: Bei der Umsetzung von 50 ml 0,1 molarer
NaOH mit 50 ml 0,1 molarer HCl wird eine Wärmemenge von
2,717 kJ frei.
Nun ist
Q = m x c s(H 2O) x DT
Q = 0,1 kg x 4,18 kJ x kg –1 x °C –1 x 6,5°C = 2,717 kJ
DHR (exp) = –Q / n = –2,717 kJ / 0,05 mol = –54,34 kJ / mol
Hinweis: In dieser Beziehung stellt n die umgesetzte Stoffmenge
in mol dar. Ableitung von n:
Aus c(NaOH) = n(NaOH)/ V(NaOH) folgt:
n(NaOH) = c(NaOH) x V(NaOH) = 1 mol / L x 0,05 L = 0,05 mol
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Analoges gilt für HCl. Damit ist n = 0,05 mol. Q erhält ein
negatives Vorzeichen, weil das System aus HCl und NaOH die
Wärme abgegeben hat (exotherm, DH R< 0) und dabei die
100 ml bzw. 100 g Wasser erwärmte.
Ergebnis: Die experimentell bestimmte Neutralisationsenthalpie
beträgt: DH R (exp) = –54,34 kJ/mol
b) Berechnung der theoretischen Neutralisationsenthalpie
mit dem Konzept der molaren
Standard-Bildungsenthalpien DH° B
DH R (Theorie) =
S n x DH° B (Produkte) – S n x DH° B (Ausgangsstoffe)
n= Reaktionskoeffizient (Molzahl) gemäß Reaktionsgleichung,
hier also 1
Definition:
Die Standard-Bildungsenthalpie DH° B einer Ver-
bindung ist die Enthalpieänderung bei der Bildung
von einem Mol dieser Verbindung aus den stabilen
Elementen unter Standardbedingungen (25°C).
Standard-Bildungsenthalpien DH° B sind in
Tabellenwerken verzeichnet (siehe Lehrbücher
der Chemie).
Auszug davon:
DH° B (HCl) = –167,4 kJ/mol
DH° B (NaOH) = –469,5 kJ/mol
DH° B (NaCl) = –407 kJ/mol
DH° B (H 2O) = –285 kJ/mol
Einsetzen der Zahlenwerte in obige Beziehung liefert:
DH R (Theorie) = [(DH° B (NaCl) + DH° B (H 2O)]
– [DH° B(HCl) + DH° B (NaOH)]
DH R (Theorie) = [(–407 kJ/mol) +(–285 kJ/mol)]
– [(–167,4 kJ/mol) + (–469,5 kJ/mol)]
DH R (Theorie) = [–692 kJ/mol] – [–636,9kJ/mol] =
–55,1 kJ/mol
Ergebnis: Die nach dem Konzept der Standard-Bildungs-
enthalpien berechnete Neutralisationsenthalpie beträgt:
DH R (Theorie) = –55,1 kJ/mol
c) Prozentuale Abweichung
h = [DH R(Theorie) – DH R(exp)] x 100 % / DH R(Theorie)
h = [55,1 – 54,34] x 100 % / 55,1 = 1,37 %