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a) Experimentelle Bestimmung der<br />
Neutralisationsenthalpie: DH R<br />
Reaktionsgleichung und Ursache<br />
der Wärmeentwicklung<br />
Salzsäure (HCl) und Natronlauge(NaOH) sind als starke Elektrolyte<br />
in verdünnter wässriger Lösung vollständig zerfallen.<br />
Die Neutralisationsreaktion kann mit Hilfe einer Ionengleichung<br />
veranschaulicht werden:<br />
Erklärung: Aus einzelnen H + - und OH – -Ionen entsteht ein neu-<br />
trales H 2O-Molekül. Das allein ist die Triebkraft der Neutralisationsreaktion.<br />
Na + - und Cl – -Ionen nehmen an der Reaktion<br />
überhaupt nicht teil. Sie verändern sich nicht. Da das neu<br />
gebildete Wasser energieärmer ist als die vorher freien H + -<br />
und OH – -Ionen, wird im Zuge der Neutralisation eine Wärmemenge<br />
Q frei. Dies äußert sich im vorliegendem Falle experimentell<br />
in einer Erhöhung der Temperatur um 6,5°C.<br />
Für die experimentell zu bestimmende Reaktionswärme Q gilt<br />
nach den Gesetzen der Wärmelehre:<br />
Dabei ist m die Masse aus 50 ml der 0,1 molaren Salzsäure<br />
und 50 ml der 0,1 molaren NaOH. Als Dichte kann mit hinreichender<br />
Versuchsgenauigkeit jene von Wasser (1 kg/L)<br />
angenommen werden. Damit: m = 100 g = 0,1 kg. Diese<br />
Masse erwärmt sich im Zuge der Reaktion. Einsetzen der<br />
Werte liefert:<br />
Zwischenergebnis: Bei der Umsetzung von 50 ml 0,1 molarer<br />
NaOH mit 50 ml 0,1 molarer HCl wird eine Wärmemenge von<br />
2,717 kJ frei.<br />
Nun ist<br />
H + + Cl – + Na + + OH – > Na + + Cl – + H 2O + Q<br />
Q = m x c s(H 2O) x DT<br />
Q = 0,1 kg x 4,18 kJ x kg –1 x °C –1 x 6,5°C = 2,717 kJ<br />
DH R (exp) = –Q / n = –2,717 kJ / 0,05 mol = –54,34 kJ / mol<br />
Hinweis: In dieser Beziehung stellt n die umgesetzte Stoffmenge<br />
in mol dar. Ableitung von n:<br />
Aus c(NaOH) = n(NaOH)/ V(NaOH) folgt:<br />
n(NaOH) = c(NaOH) x V(NaOH) = 1 mol / L x 0,05 L = 0,05 mol<br />
14 chem_is_try • <strong>AppliChem</strong> © 2010<br />
Analoges gilt für HCl. Damit ist n = 0,05 mol. Q erhält ein<br />
negatives Vorzeichen, weil das System aus HCl und NaOH die<br />
Wärme abgegeben hat (exotherm, DH R< 0) und dabei die<br />
100 ml bzw. 100 g Wasser erwärmte.<br />
Ergebnis: Die experimentell bestimmte Neutralisationsenthalpie<br />
beträgt: DH R (exp) = –54,34 kJ/mol<br />
b) Berechnung der theoretischen<br />
Neutralisations enthalpie mit dem Konzept der<br />
molaren Standard-Bildungsenthalpien DH° B<br />
DH R (Theorie) =<br />
S n x DH° B (Produkte) – S n x DH° B (Ausgangsstoffe)<br />
n= Reaktionskoeffizient (Molzahl) gemäß Reaktionsgleichung,<br />
hier also 1<br />
Definition:<br />
Die Standard-Bildungsenthalpie DH° B einer Ver-<br />
bindung ist die Enthalpieänderung bei der Bildung<br />
von einem Mol dieser Verbindung aus den stabilen<br />
Elementen unter Standardbedingungen (25°C).<br />
Standard-Bildungsenthalpien DH° B sind in<br />
Tabellenwerken verzeichnet (siehe Lehrbücher<br />
der Chemie).<br />
Auszug davon:<br />
DH° B (HCl) = –167,4 kJ/mol<br />
DH° B (NaOH) = –469,5 kJ/mol<br />
DH° B (NaCl) = –407 kJ/mol<br />
DH° B (H 2O) = –285 kJ/mol<br />
Einsetzen der Zahlenwerte in obige Beziehung liefert:<br />
DH R (Theorie) = [(DH° B (NaCl) + DH° B (H 2O)] –<br />
[DH° B(HCl) + DH° B (NaOH)]<br />
DH R (Theorie) = [(–407 kJ/mol) +(–285 kJ/mol)]<br />
– [(–167,4 kJ/mol) + (–469,5 kJ/mol)]<br />
DH R (Theorie) = [–692 kJ/mol] – [–636,9kJ/mol] =<br />
–55,1 kJ/mol<br />
Ergebnis: Die nach dem Konzept der Standard-Bildungs-<br />
enthalpien berechnete Neutralisationsenthalpie beträgt:<br />
DH R (Theorie) = –55,1 kJ/mol<br />
c) Prozentuale Abweichung<br />
h = [DH R(Theorie) – DH R(exp)] x 100 % / DH R(Theorie)<br />
h = [55,1 – 54,34] x 100 % / 55,1 = 1,37 %