Thermodynamik: Übergangstemperatur

Material und Chemikalien

Materialliste

A Siedepunkte berechnen und messen

• im Abzug (explosionsgefährliche Dämpfe, Verbrennungsgefahr)
• RG in Ständer
• mit digitalem Thermometer (Stabthermometer aus Glas können bei zu starkem Erhitzen zersprengt werden!)
• Wasserbad bei 100°C
• Methanol
• Hexan
• Ethanol
• Aceton

B Thermische Zersetzung von Ammoniumchlorid

• Ammoniumchlorid
• Bunsenbrenner
• Reagenzglas in Ständer
• RG-Klammer

C Thermolyse von Wasser

Apparatur Thermolyse von Wasser<\figcaption>

Apparatur Thermolyse von Wasser<\figcaption>

1. Baue die Apparatur mit der pneumatischen Wanne gemäss Skizze zusammen und erhitze das Wasser über dem Bunsenbrenner oder auf einer HeizplaAe zum Sieden. Kühle das Wasser in der Wanne mit Eiswürfeln.
2. Sobald die Gasblasenbildung in der Wanne aufgehört hat, wird das vollständig mit Wasser gefüllte Reagenzglas eingesetzt.
3. Schliesse jetzt den Glühdraht an eine Gleichspannungsquelle an. Reguliere die Spannung so, dass ein Strom von max. 2.5 Ampère fliesst und die Drahtspirale kräSig hellgelb glüht. Achtung bei zu hohen Strömen schmilzt der Draht und muss ersetzt werden!
4. Sobald im Reagenzglas genügend Gas (einige Milliliter) gesammelt sind, kann das Gaseinleitungsrohr entfernt werden. Das RG wird mit dem Daumen verschlossen und seitlich an die Bunsenbrennerflamme gebracht und entzündet. Es erfolgt eine kräftige Knallgasreaktion. Gehörschutz!

D Herstellung von Branntkalk (Calciumoxid)

Blumes Bildungsserver Versuch: Vom Kalk zum Branntkalk und Löschkalk Schülerversuch; 15 min.

Geräte

• Schwerschmelzbares Reagenzglas
• einfach durchbohrter Stopfen
• Glasrohr
• Gummischlauch
• Waschflasche
• Stativmaterial
• Becherglas (100 ml)
• Glasstab
• Thermometer
• Bunsenbrenner

Chemikalien

• Mamorpulver
• Kalkwasser (Gesättigtes Calciumyhdroxid),
• Universalindikatorpapier
• destilliertes Wasser.

Sicherheit

Sicherheitshinweise

im Abzug und kleine Mengen! (Brennbare bis explosionsgefährliche Dämpfe)

Durchführung

Beschreibung

A Siedetemperaturen

• Wasser wird direkt über dem Bunsenbrenner erhitzt
• mit den übrigen Substanzen wird ein RG ca 1/3 Höhe gefüllt, ein Thermometer hineingestellt und das RG im Wasserbad bei 100°C inkubiert.

1. Wasser

ΔH°_R = 44.00 kJ/mol
ΔS°_R = 118.922 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 8.61 kJ/mol
Übergangstemperatur: 370.02 K = 96.87 °C

Entropiezuwachs durch Volumenzunahme: \( ΔS°_{ΔV} = n \cdot R \cdot ln(\frac{V}{V_0}) = R \cdot ln(\frac{31 L}{0.018 L}) = 62 \frac{J}{mol \cdot K} \)

Dazu kommt:

• Verlust von Nahordnung/Korrelationen in der Flüssigkeit (bei Wasser wichtiger Faktor: grosser Zugewinn an Mikrozuständen).
• Rotationsentropie des Gases (zusätzliche Freiheitsgrade im Gas).
• Temperaturabhängigkeit der Freiheitsgrade
• weitere kleinere Effekte

Genaue Berechnung: Sackur-Tetrode-Gleichung

2. Methanol

ΔH°_R = 37.83 kJ/mol
ΔS°_R = 112.02 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 4.43 kJ/mol
Übergangstemperatur: 337.71 K = 64.56 °C

3. Hexan

ΔH°_R = 31.60 kJ/mol
ΔS°_R = 93 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 3.90 kJ/mol
Übergangstemperatur: 339.78 K = 66.63 °C

4. Pentan

ΔH°_R = 26.70 kJ/mol
ΔS°_R = 87.88 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 0.498 kJ/mol
Übergangstemperatur: 303.82 K = 30.70 °C

5. Ethanol

ΔH°_R = 42.46 kJ/mol
ΔS°_R = 121.21 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 6.32 kJ/mol
Übergangstemperatur: 350.30 K = 77.15 °C

6. Aceton

ΔH°_R = 31.27 kJ/mol
ΔS°_R = 94.89 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 2.98 kJ/mol
Übergangstemperatur: 329.54 K = 56.39 °C

B Thermische Zersetzung (Dissoziation) von Ammoniumchlorid

• Zuerst wird die Übergangstemperatur berechnet, dann überlegt, ob sich diese Temperatur mit dem Bunsenbrenner erreichen lässt und wie das aussehen dürfte

ΔH°_R = 175.58 kJ/mol
ΔS°_R = 284.36 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 91.25 kJ/mol
Übergangstemperatur: 617.47 K = 344.32 °C

• Spatelspitze Ammoniumchlorid im Reagenzglas erhitzen, bis die Zersetzung einsetzt und weiter oben im RG sich wieder festes Ammoniumchlorid abscheidet
• Nun haben wir immer gesagt: Salze lassen sich nicht verdampfen. Hier "verdampft" trotzdem ein Salz. Wie kann das sein? (Ionen verwandeln sich in undeladene Moleküle, die dann in die Gasphase wechseln).
• Das ist eine Art Thermometer für eine ganz bestimmte Temperatur

Thermolyse von Wasser

Thermolyse von Wasser

ΔH°_R = 571.66 kJ/mol
ΔS°_R = 326.686 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 474.36 kJ/mol
Übergangstemperatur: 1749.88K = 1476.73 °C

Die Verbrennung von Wasserstoff

2 H₂ + O₂ ⇄ 2 H₂O

ist sehr stark spontan

∆H = - 484 kJ

∆S = -89 J/K

∆G = - 458 kJ

und hat eine unvorstellbar grosse Gleichgewichtskonstante:

\( K = 10^{80} \)

Weil die Reaktion exotherm ist, verschiebt sich das Gleichgewicht mit steigender Temperatur auf die Seite von Wasserstoff und Sauerstoff. Bei Temperaturen von theoretisch über 5000 °C wird die Zersetzung von Wasser sogar spontan. Aber bereits bei etwa 1500 °C liegen im Gleichgewicht grössere Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff vor, die genutzt werden können.

Das Knallgasgemisch wird mit einer pneumatischen Wanne in einem Reagenzglas während einigen Minuten aufgefangen. Wenn einige Milliliter Gas gesammelt worden sind, kann dieses an der Bunsenbrennerflamme zu einer heftigen Explosion gebracht werden. Vorsicht!

Mit dem Solzinc-Verfahren umgeht man die Schwierigkeit, die Gase zu trennen. schema:

D Herstellung von Branntkalk

ΔH°_R = 178.89 kJ/mol
ΔS°_R = 162.04 J/mol/K
ΔG°_R (Tabellenwerte) = 130.44 kJ/mol
Übergangstemperatur: 1749.88K = 1103.99 K = 830.84 °C

a) Ein schwerschmelzbares Reagenzglas wird zu etwa einem Viertel mit pulverisiertem Marmor gefüllt und mit einem einfach durchbohrten Stopfen verschlossen. Durch die Bohrung wird ein 5 cm langes Glasrohr geschoben, welches über einen Schlauch mit einer Waschflasche verbunden ist. Diese enthält Kalkwasser. Das Marmorpulver wird erst vorsichtig, dann mit rauschender Flamme stark erhitzt. Das entweichende Gas verursacht beim Durchperlen des Kalkwassers einen weißen Niederschlag. (Vorsicht! Vor dem Wegnehmen der Bunsenflamme muss erst die Schlauchverbindung zur Waschflasche entfernt werden. Es besteht sonst die Gefahr, dass Wasser in das heiße Reagenzglas zurückgesaugt wird. Schutzbrille!)

b) Das aus dem ersten Teilversuch aus Marmormehl erhaltene Produkt wird in einem Becherglas zunächst mit einigen Tropfen destilliertem Wasser verrührt. Dann werden nach und nach bis zu 20 ml Wasser hinzugefügt, der pH-Wert und die Temperatur des Wassers vorher und in der Lösung gemessen. Dabei ist ein Temperaturanstieg zu beobachten. Die Lösung reagiert stark alkalisch. (Vorsicht! Das Kalklöschen kann sehr heftig verlaufen und die stark alkalische Lösung spritzen. Schutzbrille!)

Auswertung Beim Brennen von Kalk entsteht Calciumoxid (Branntkalk) und Kohlenstoffdioxid, welches mit Kalkwasser durch Bilden eines weißen Niederschlages aus feinverteiltem Calciumcarbonat nachgewiesen wird. Für die Reaktion wird viel Wärme aufgewendet; sie verläuft endotherm:

CaCO₃ → CaO + CO₂ ↑ | endotherm

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O (Nachweisreaktion)

Calciumoxid reagiert unter starker Wärmeentwicklung mit Wasser zu Calciumhydroxid (Löschkalk). Diese Reaktion liefert Energie und verläuft deshalb exotherm:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂| exotherm

Eine wässrige Suspension von Calciumhydroxid nennt man auch Kalkmilch.

Literatur

F. Bukatsch, W. Glöckner, Experimentelle Schulchemie, Anorganische Chemie - Metalle, Band 3, Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln 1977, 16 f.

Hinweise

Anleitung

Interessanter Versuch mit Branntkalk: Blume: Herstellen von Kalksandsteinen

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