Wie man einen Brennwert berechnet

Haben Sie sich jemals gefragt, woher die Informationen über Kalorien auf Lebensmitteletiketten stammen? Wie ist es möglich zu wissen, wie viel Energie Nahrung liefern wird, ohne ihren Weg vom Mund bis zu den Zellen zu untersuchen, die sich winden? Sie verbrauchen die Glukosemoleküle, die aus den Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen, die die (Nicht-Wasser-)Anteile der Nahrung bilden, erzeugt werden Essen?

Der Kaloriengehalt bzw. die Heizwert, eines Stoffes ist die Energiemenge, die freigesetzt wird, wenn der Stoff vollständig "verbrannt" oder vollständig verbrannt wird. Die Verbrennung ist eine der fünf Grundarten chemischer Reaktionen und findet immer in Gegenwart von Sauerstoffgas (O₂), wobei der andere Reaktant eine Art (normalerweise auf Kohlenstoff basierender) Kraftstoff ist.

• Der Heizwert eines Stoffes wird in der Regel pro Menge angegeben, dh pro Mol (m) verbrannter Substanz.

Zunächst einige Begrifflichkeiten. EIN Kalorie (cal) ist die Wärmemenge (Energie), die benötigt wird, um die Temperatur von 1 g (Gramm) Wasser um 1 Grad Celsius (°C) zu erhöhen. Die "Kalorien" auf den Nährwertetiketten sind eigentlich Kilokalorien oder kcal (1.000 cal). In der Chemie ist die Standardeinheit für Energie das Joule (J), das 4,18 cal entspricht. Somit entspricht 1 Lebensmittel-„Kalorie“ (1.000)(4.18) J = 4.18 kJ.

Der Energiegehalt von Lebensmitteln wird gemessen, indem eine bekannte Masse einer bestimmten Substanz (z. B. Ethanol, eine Aminosäure, Glukose) in ein Gerät namens a. gegeben wird Bombenkalorimeter und Messen der freigesetzten Wärmemenge, wenn die Reaktion vollständig ist. Dies wird erreicht, indem die Temperaturänderung einer bekannten Wassermasse im versiegelten Kalorimeter gemessen wird.

Diese Teilwissenschaft, genannt Kalorimetrie, ermöglicht eine theoretische Berechnung des Heizwertes. Es hängt davon ab zu wissen, wie ein gegebener Energieeintrag eine bekannte Wassermasse verändert. Tatsächlich ist diese Größe, genannt spezifische Wärme des Wassers, ist seit einiger Zeit bekannt und wird im Folgenden erläutert. (Andere Substanzen haben ihre eigenen spezifischen Wärmen für den Einsatz in unterschiedlichen chemischen Situationen.)

Die Formel für die Verbrennungswärme (oder Verbrennungsenthalpie) ist eine Gleichung:

H = m_C_ΔT

Dabei ist H die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme, m die Masse des als Wärmekollektor verwendeten Wassers in Gramm, C ist der spezifische Wärme des Wassers (4,184 J/g⋅°C) und ΔT ist die Temperaturänderung in °C.

Die Brennwertformel sieht oft anders aus, weil H und C oft durch unterschiedliche Symbole dargestellt werden. Solange die Einheiten alle so ausgerichtet sind, dass Ihnen Energieeinheiten (vorzugsweise J) bleiben, spielt die genaue Heizwertformel keine Rolle, die Sie verwenden.

Eine 15,5-Gramm-Probe Ethanol, C₂H₆O (der Alkohol in "Erwachsenengetränken") wird in 2.000 g H. verbrannt₂O (2 Liter bei Raumtemperatur). Daraus ergibt sich eine Temperaturänderung von 55 °C. Wie groß ist die molare Verbrennungswärme (Verbrennungswärme pro Mol) von Ethanol? Beziehen Sie sich auf ein Periodensystem (siehe die Ressourcen) für die Molekulargewichte der Elemente.

Verwenden Sie zunächst ein Periodensystem, um die Anzahl der vorhandenen Ethanolmole zu berechnen. 1 mol enthält zwei C-Atome (Molekulargewicht oder MW von 12,0 g; sechs H-Atome (MW = 1,07 g); und ein Sauerstoffatom (MW = 16,0 g). Somit 1 mol = (2)(12) + (6)(1) + 16 = 46,0 g. Sie haben 15,5 g, also 15,5/46,0 = 0,336 mol.

Beziehen Sie sich nun auf die obige Gleichung, um die von der Masse m freigesetzte Energie zu berechnen, den bekannten Wert von C, und die Temperaturänderung ΔT des Wassers:

H = (2.000 g)(4.184 J/g⋅°C)(55 °C) = 460.240 J = 460.24 kJ

Teilen Sie nun durch die Anzahl der vorhandenen Mole, um die molare Verbrennungswärme von Ethanol zu erhalten:

(460,24 kJ)/(0,336 mol) = 1.369 kJ/mol.

Dies ist eine beachtliche Zahl, die Sie von etwas erwarten würden, das zum Antrieb von Autos verwendet werden kann.