Kalorimeter messen die Wärme einer chemischen Reaktion oder einer physikalischen Veränderung wie das Schmelzen von Eis zu flüssigem Wasser. Die Reaktionswärme ist wichtig, um die Thermodynamik chemischer Reaktionen zu verstehen und vorherzusagen, welche Reaktionen spontan ablaufen. Ein einfaches Kalorimeter ist sehr einfach aufzubauen – Sie brauchen nur ein paar Styropor-Kaffeetassen, einen Deckel und ein Thermometer. Bevor Sie Ihr Kalorimeter verwenden, müssen Sie es jedoch kalibrieren und seine Kalorimeterkonstante bestimmen. Befolgen Sie die unten beschriebenen Schritte, um die Kalorimeterkonstante für Ihr Gerät zu ermitteln.
Laborkittel, Schutzbrille und Handschuhe anziehen.
Bauen Sie das Kaffeetassenkalorimeter zusammen, indem Sie eine Styropor-Kaffeetasse in die andere stecken und den Deckel aufsetzen. Es mag einfach erscheinen, aber wenn es richtig kalibriert ist, kann dieses Kaffeetassen-Kalorimeter überraschend nützlich sein, um Reaktionswärme zu finden.
Messen Sie mit dem Messzylinder etwa 50 ml kaltes Wasser ab. In dieser Phase müssen Sie nicht genau sein.
Messen Sie das Gewicht Ihres leeren Kaffeetassenkalorimeters auf 0,01 Gramm genau (oder so genau wie möglich). Fügen Sie nun die 50 ml kaltes Wasser hinzu, setzen Sie den Deckel wieder auf und wiegen Sie das Kalorimeter erneut. Die Differenz zwischen Leer- und Vollgewicht ist das Gewicht des Kaltwassers. Notieren Sie diesen Wert (auf 0,01 Gramm genau).
Wiegen Sie den Becher und notieren Sie sein Gewicht (auf 0,01 Gramm genau). Geben Sie etwa 50 ml Wasser hinzu und wiegen Sie den Becher erneut. Die Differenz zwischen Leer- und Vollgewicht ist das Gewicht des Warmwassers. Notieren Sie diesen Wert (auf 0,01 Gramm genau).
Befestigen Sie den Becher mit dem Ringständer und der Klemme so, dass er auf dem Drahtgitter über dem Bunsenbrenner steht. Das Drahtgewebe verhindert den direkten Kontakt der Flamme mit dem Glas. Positionieren Sie eines der beiden Thermometer im Becherglas und befestigen Sie es mit einer Klemme so, dass es im Wasser hängt, aber nicht den Becherboden berührt.
Den Bunsenbrenner anzünden und das heiße Wasser vorsichtig auf etwa 80 Grad erhitzen. Es ist besser, es langsam zu erhitzen, als es zu schnell zu erhitzen und zum Kochen zu bringen.
Stecken Sie das zweite Thermometer durch den Deckel in das Kalorimeter. Rühren Sie das Wasser im Kalorimeter vier Minuten lang um und notieren Sie seine Temperatur in Intervallen von einer Minute auf 0,1 °C genau. Die Temperatur sollte mehr oder weniger konstant bleiben; ist dies nicht der Fall, lassen Sie das kalte Wasser noch mindestens zwei Minuten ruhen.
Schalten Sie kurz vor der fünften Minute den Bunsenbrenner aus, falls noch nicht geschehen, und notieren Sie die Temperatur des Warmwassers und des Kaltwassers. Gießen Sie schnell und vorsichtig das gesamte heiße Wasser in das Kalorimeter, setzen Sie dann den Deckel wieder auf und rühren Sie mit dem Thermometer weiter.
Messen und notieren Sie die Temperatur im Kalorimeter in 30-Sekunden-Intervallen, bis insgesamt fünf Minuten vergangen sind.
Öffnen Sie Excel oder ein anderes Tabellenkalkulationsprogramm. Geben Sie die Zeit als X-Werte und die Temperaturen als y-Werte ein und zeichnen Sie Ihre Daten grafisch auf. Verwenden Sie das Tabellenkalkulationsprogramm, um nach dem Hinzufügen von heißem Wasser eine Linie zu finden, die für die Daten am besten geeignet ist. Nehmen Sie die Datenpunkte vor dem Hinzufügen des heißen Wassers nicht in Ihre Best-Fit-Linie auf. Die Trendlinie sollte linear sein.
Schreiben Sie die Linie der besten Anpassung aus Ihrem Diagramm auf. Setzen Sie 5 Minuten für x ein und berechnen Sie y (die extrapolierte Temperatur bei 5 Minuten). Wir nennen dies extrapolierte Temperatur Tf.
Ziehen Sie Tf von der Temperatur des heißen Wassers ab, bevor Sie es in das Kalorimeter geben. Dies gibt Ihnen die Änderung der Temperatur des Warmwassers, Th. Multiplizieren Sie Th mit 4,184 und die Masse des Warmwassers, um herauszufinden, wie viel Energie das Warmwasser in Joule verloren hat.
Subtrahiere die Temperatur des kalten Wassers von Tf; Dadurch erhalten Sie Tc, die Temperaturänderung des kalten Wassers. Multiplizieren Sie mit der Masse des kalten Wassers und 4,184, um die durch das kalte Wasser gewonnene Energiemenge in Joule zu ermitteln.
Ziehen Sie die durch das kalte Wasser gewonnene Energie von der durch das heiße Wasser verlorenen Energie ab. Dies gibt Ihnen die Energiemenge, die das Kalorimeter gewonnen hat.
Teilen Sie die vom Kalorimeter gewonnene Energie durch Tc (die Temperaturänderung des kalten Wassers). Diese letzte Antwort ist Ihre Kalorimeterkonstante.
Dinge, die du brauchen wirst
- Kaffeetassenkalorimeter
- 2 Thermometer
- Bunsenbrenner
- Feuerzeug
- 150 ml Becherglas trocknen
- Rahmen
- Messzylinder
- Tabellenkalkulationsprogramm wie Excel oder OpenOffice
- Wasser
- Ringständer
- Klemme
- Drahtgewebegewebe
- Taschenrechner
- Laborkittel
- Brille
- Handschuhe
Tipps
Die Kalorimeterkonstante kann niemals negativ sein - wenn ja, haben Sie einen Fehler gemacht... Versuchen Sie, mehrere Versuche durchzuführen und die Ergebnisse dieser Versuche zu mitteln, um Ihren Fehler zu reduzieren. Die Unsicherheit in Ihrem endgültigen Durchschnitt beträgt plus/minus 2x die Standardabweichung.
Warnungen
Seien Sie IMMER äußerst vorsichtig, wenn Sie mit offener Flamme arbeiten. Bringen Sie niemals Haare, Kleidung oder brennbare Materialien in die Nähe des Feuers. Löschen Sie den Brenner, wenn er nicht mehr verwendet wird. Seien Sie äußerst vorsichtig, wenn Sie mit heißem Wasser arbeiten; Wasser mit einer Temperatur von 80 °C kann zu schweren Verbrennungen oder Verbrühungen führen, wenn Sie es auf die Haut spritzen.