Selbst­er­hit­zen­des Heiß­ge­tränk (SV)

Bil­dungs­plan­be­zug

In­halts­be­zo­ge­ne Kom­pe­ten­zen

3.3.1 Che­mi­sche En­er­ge­tik (1) che­mi­sche Re­ak­tio­nen unter stoff­li­chen und en­er­ge­ti­schen As­pek­ten (exo­therm, en­do­therm, Brenn­wert, Heiz­wert) er­läu­tern

Pro­zess­be­zo­ge­ne Kom­pe­ten­zen

2.1 Er­kennt­nis­ge­win­nung (5)

qua­li­ta­ti­ve und quan­ti­ta­ti­ve Ex­pe­ri­men­te unter Be­ach­tung von Si­cher­heits- und Um­welt­as­pek­ten durch­füh­ren, be­schrei­ben, pro­to­kol­lie­ren und aus­wer­ten

2.2 Kom­mu­ni­ka­ti­on (4)

che­mi­sche Sach­ver­hal­te unter Ver­wen­dung der Fach­spra­che und ge­ge­be­nen­falls mit­hil­fe von Mo­del­len und Dar­stel­lun­gen be­schrei­ben, ver­an­schau­li­chen oder er­klä­ren

2.3 Be­wer­tung (4)

Die Rich­tig­keit na­tur­wis­sen­schaft­li­cher Aus­sa­gen ein­schät­zen

In­for­ma­tio­nen für die Lehr­kraft

Aus­ge­hend vom Kon­text „Selbst­er­hit­zen­des Heiß­ge­tränk“ wird das The­men­feld „En­er­gie­än­de­run­gen beim Lösen von Sal­zen“ mo­ti­viert und er­schlos­sen. In den ge­bräuch­li­chen selbst-er­hit­zen­den Sys­te­men (selfhea­ting cans) wer­den Salze, wie z.B. Cal­ci­um­oxid die sich unter Er­wär­mung in Was­ser lösen, ver­wen­det. Die frei­wer­den­de Wär­me­en­er­gie wird durch Wär­me­lei­tung über eine Trenn­wand an das Ge­tränk ab­ge­ge­ben. Zur Klä­rung des Auf­baus einer sol­chen selfhea­ting can kann das Foto der auf­ge­säg­ten Dose oder das Ori­gi­nal­ob­jekt die­nen. Aus­ge­hend vom Prak­ti­kums­ex­pe­ri­ment wird aus den Mess­wer­ten die Wär­me­men­ge Q und dar­aus die Re­ak­ti­ons­ent­hal­pie bei der Re­ak­ti­on von Cal­ci­um­oxid mit Was­ser be­stimmt. Die Wär­me­ka­pa­zi­tät des Papp­be­chers wird ver­nach­läs­sigt und es kann ver­ein­facht mit Q = c_Wasser * m_Wasser * ΔΤ ge­rech­net wer­den. Für die in der An­lei­tung an­ge­ge­be­nen Men­gen der Stof­fe wäre theo­re­tisch eine Tem­pe­ra­tur­er­hö­hung von 13,2 K er­wart­bar. In den Vor­ver­su­chen wur­den Werte um 8,5K er­hal­ten. Dies liegt daran, dass Cal­ci­um­oxid hy­gro­sko­pisch ist und im Vor­rats­ge­fäß teil­wei­se als Cal­ci­um­hy­droxid vor­liegt. Um ge­naue­re Werte zu er­hal­ten wird emp­foh­len, das Cal­ci­um­oxid vor dem Ver­such so­lan­ge zu er­hit­zen bis kein Was­ser­dampf mehr aus­tritt. Da­nach auf Zim­mer­tem­pe­ra­tur ab­küh­len. Dies kann auch bei der kri­ti­schen Be­trach­tung des Mess­er­geb­nis­ses mit der Lern­grup­pe auf­ge­grif­fen wer­den.

Die wei­ter­füh­ren­den Auf­ga­ben 1, 2 und 3 kön­nen zur Ver­tie­fung, Dif­fe­ren­zie­rung und/oder im Leis­tungs­fach ein­ge­setzt wer­den: Mit Auf­ga­be 1 kann die Fol­ge­fra­ge­stel­lung ge­klärt wer­den, ob der vom Her­stel­ler an­ge­ge­be­ne Tem­pe­ra­tur­an­stieg in der Grö­ßen­ord­nung von 42 Grad rea­lis­tisch ist. In Auf­ga­be 2 wer­den die Pro­zes­se beim Lösen von Sal­zen hin­sicht­lich Git­te­rent­hal­pie und Hy­drata­ti­ons­ent­hal­pie be­trach­tet sowie der Be­griff Lö­sungs­ent­hal­pie the­ma­ti­siert. Die­ser wird im Ex­pe­ri­ment und in Auf­ga­be 1 be­wusst nicht ver­wen­det, da die Re­ak­ti­on von Cal­ci­um­oxid mit Was­ser über eine Pro­to­ly­se­re­ak­ti­on er­klärt wird und nicht über die Hy­dra­ti­sie­rung von Ionen.

Auf­ga­be 3 setzt sich kri­tisch mit einem „Fach­text“ der künst­li­chen In­tel­li­genz ChatGPT zum Thema aus­ein­an­der. Er­war­tungs­ho­ri­zon­te für die Auf­ga­ben sind ent­hal­ten.

Wie funk­tio­niert ein selbst­er­hit­zen­des Heiß­ge­tränk? (selfhea­ting can)

En­er­gie­än­de­run­gen bei che­mi­schen Re­ak­tio­nen und Lö­sungs­vor­gän­gen von Sal­zen sind mit Tem­pe­ra­tur­än­de­run­gen ver­bun­den. Die frei­wer­den­de En­er­gie kann dabei in selbst-er­hit­zen­den Sys­te­men (selfhea­ting cans) ge­nutzt wer­den, um Mahl­zei­ten oder Ge­trän­ke zu er­wär­men. In der ab­ge­bil­de­ten selfhea­ting can wird das Salz Cal­ci­um­oxid zu­sam­men mit Was­ser ein­ge­setzt, da beide Stof­fe mit­ein­an­der unter Er­wär­mung zu Cal­ci­um­hy­droxid re­agie­ren. Die frei­wer­den­de Wär­me­en­er­gie wird durch Wär­me­lei­tung über eine Trenn­wand an das Ge­tränk ab­ge­ge­ben. In dem ab­ge­bil­de­ten Pro­dukt wer­den damit laut Her­stel­ler Tem­pe­ra­tur­er­hö­hun­gen von 42 Grad im Ge­tränk er­reicht.

Ma­te­ria­li­en

• Ther­mo­me­ter
• Mess­zy­lin­der 50mL
• Papp- oder Kunst­stoff­be­cher
• Waage, Spa­tel

Che­mi­ka­li­en

• Cal­ci­um­oxid

Durch­füh­rung

1. Wie­gen Sie 2,5g des Sal­zes ab.
2. Fül­len Sie 50mL Was­ser in den Papp­be­cher.  
3. Be­stim­men und no­tie­ren Sie die Aus­gangs­tem­pe­ra­tur des Was­sers.
4. Lösen Sie die kom­plet­te Stoff­por­ti­on des Sal­zes zügig unter Rüh­ren im Was­ser.
5. Be­stim­men und no­tie­ren Sie die End­tem­pe­ra­tur.

Er­geb­nis­se-Be­ob­ach­tun­gen

Aus­gangs­tem­pe­ra­tur des Was­sers: ... °C

End­tem­pe­ra­tur der Lö­sung: ... °C

Aus­wer­tung

1. Stel­len Sie die Re­ak­ti­ons­glei­chung für die Um­set­zung von Cal­ci­um­oxid mit Was­ser auf.
2. Be­rech­nen Sie aus den Mess­er­geb­nis­sen die Wär­me­men­ge Q und dar­aus die Re­ak­ti­ons­ent­hal­pie der Re­ak­ti­on von Cal­ci­um­oxid mit Was­ser.

Hin­weis

Die Wär­me­ka­pa­zi­tät des Papp­be­chers kann ver­nach­läs­sigt wer­den. Als Dich­te der Lö­sung kann nä­he­rungs­wei­se die Dich­te von Was­ser an­ge­nom­men wer­den.

Li­te­ra­tur­wert

Δ_rH⁰_m = - 65 KJ/mol