Be­stim­mung des vo­lu­men­be­zo­ge­nen Heiz­werts Hi(vol) von Me­than SV und Lern­auf­ga­be

Bil­dungs­plan­be­zug

In­halts­be­zo­ge­ne Kom­pe­ten­zen

3.4.1 Che­mi­sche En­er­ge­tik

(2) che­mi­sche Re­ak­tio­nen unter stoff­li­chen und en­er­ge­ti­schen As­pek­ten (exo­therm, en­do­therm, Brenn­wert, Heiz­wert) er­läu­tern

(3) eine ka­lo­ri­me­tri­sche Mes­sung pla­nen, durch­füh­ren und aus­wer­ten (Re­ak­ti­ons­ent­hal­pie)

Pro­zess­be­zo­ge­ne Kom­pe­ten­zen

2.1 Er­kennt­nis­ge­win­nung

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

Ma­te­ria­li­en

Durch­füh­rung

Schutz­bril­le!

Vor­be­rei­tung

• Be­rei­ten Sie die Ap­pa­ra­tur laut Ver­suchs­skiz­ze vor. Ach­ten Sie auf si­che­re Be­fes­ti­gung mit Sta­tiv­ma­te­ri­al.
• Be­fül­len Sie den gra­du­ier­ten Be­häl­ter mit Was­ser und set­zen Sie den Stop­fen mit dem Aus­gleichs­be­häl­ter auf.  (ACH­TUNG: der gra­du­ier­te Be­häl­ter muss voll­stän­dig mit Was­ser ge­füllt sein!)
• Be­fül­len Sie den gra­du­ier­ten Be­häl­ter mit Me­than bzw. Erd­gas aus der Sprit­ze (Kol­ben­pro­ber). Schlie­ßen Sie den Hahn am ent­spre­chen­den Glas­rohr (Abb. linke Seite) und ent­fer­nen Sie die Sprit­ze (Kol­ben­pro­ber). Wie­der­ho­len Sie die Be­fül­lung, bis sich etwa 200 mL Gas im Be­häl­ter be­fin­den.
• Be­fül­len Sie die Ge­trän­ke­do­se mit etwa 100 mL Was­ser. Be­stim­men Sie die Masse des Was­sers genau. Mes­sen Sie die An­fangs­tem­pe­ra­tur des Was­sers. No­tie­ren Sie beide Werte.

Durch­füh­rung

• Kon­trol­lie­ren Sie das Vor­han­den­sein der Stahl­wol­le-Rück­schlag­si­che­rung. Las­sen Sie dann durch Öff­nen des Hahns (Abb. rech­te Seite) Gas aus­strö­men und ent­zün­den Sie es so­fort an der Düse.
• Lesen Sie das An­fangs­vo­lu­men ab und schwen­ken Sie gleich­zei­tig die Ge­trän­ke­do­se über die Flam­me.
• Schwen­ken Sie die Ge­trän­ke­do­se aus der Flam­me, wenn genau 150 mL des Gases ver­brannt sind.
• Be­stim­men Sie die End­tem­pe­ra­tur. Rüh­ren Sie das Was­ser dazu mit dem Mess­füh­ler und mes­sen Sie die Tem­pe­ra­tur 5 min lang alle 30 s. No­tie­ren Sie die Werte.

Aus­wer­tung

Masse des Was­sers im Ka­lo­ri­me­ter: m(H₂O) = ...g

Spe­zi­fi­sche Wär­me­ka­pa­zi­tät des Was­sers 4,18 J/(g · K)

An­fangs­tem­pe­ra­tur des Was­sers: ϑ₀ = ...°C

Tem­pe­ra­tur­ver­lauf

Be­rech­nung des Heiz­werts in kJ/L oder MJ/m³

H₁(vol)=

Ta­bel­len­wert: H₁(vol)= 35,9 MJ/m³

Hin­wei­se für die Lehr­kraft

Grund­prin­zip ka­lo­ri­me­tri­scher Mes­sun­gen Feh­ler­dis­kus­si­on und Op­ti­mie­rung von Ver­suchs­an­ord­nun­gen

Der Ver­such eig­net sich im Rah­men eines Schü­ler­prak­ti­kums als Ein­stiegs­ver­such zur De­mons­tra­ti­on des Grund­prin­zips ka­lo­ri­me­tri­scher Mes­sun­gen. Vor­her konn­te man mit einem sehr ein­fa­chen Ver­suchs­auf­bau eines Ge­trän­ke­do­sen­ka­lo­ri­me­ters schon mas­se­be­zo­ge­ne Heiz­wer­te fes­ter Brenn­stof­fe (Ker­zen­wachs), flüs­si­ger Brenn­stof­fe (Spi­ri­tus­bren­ner) und gas­för­mi­ger Brenn­stof­fe (Feu­er­zeug)  be­stim­men. Grund­sätz­lich ist der Ver­such auch mit Cam­ping­gas (Pro­pan-Butan-Ge­misch) durch­führ­bar. Die­ser Ver­such kann als Zu­satz­sta­ti­on zur Be­stim­mung des vo­lu­men­be­zo­ge­nen Heiz­werts gas­för­mi­ger Brenn­stof­fe in einem Sta­tio­nen­prak­ti­kum ge­nutzt wer­den. Der Ver­suchs­auf­bau ist ver­gleich­bar, aber durch die auf­wän­di­ge Vo­lu­men­mes­sung deut­lich kom­ple­xer und damit auch mo­ti­vie­ren­der.  Die Ver­drän­gung durch das Sperr­was­ser er­zeugt einen gleich­mä­ßi­gen Vo­lu­men­strom des Gases. Eine ein­fa­che­re Ver­suchs­va­ri­an­te wäre die Ver­bren­nung von Me­than aus einer gra­du­ier­ten Sprit­ze. Die An­ord­nung bie­tet wie­der­um viel Po­ten­zi­al zur Feh­ler­dis­kus­si­on und Op­ti­mie­rung des Ver­suchs­auf­baus oder des Mess­er­geb­nis­ses. Der Ver­such emp­fiehlt sich des­halb auch und ge­ra­de für einen Leis­tungs­fach­kurs.

Heiz­wert und Brenn­wert als tech­ni­sche Grö­ßen; Er­wei­te­rung zur Re­ak­ti­ons­ent­hal­pie (Ver­bren­nungs­ent­hal­pie), Vor­zei­chen­re­ge­lung

Der Heiz­wert H_i ist eine wich­ti­ge Ei­gen­schaft zum Ver­gleich ver­schie­de­ner Brenn­stof­fe. Er ent­spricht der Wärme, die bei der Ver­bren­nung einer be­stimm­ten Stoff­por­ti­on eines Brenn­stoffs ab­ge­ge­ben wird. Bei gas­för­mi­gen Brenn­stof­fen be­zieht man die Wärme auf das Vo­lu­men der Stoff­por­ti­on. Um den Heiz­wert ver­schie­de­ner Gase ver­glei­chen zu kön­nen, muss man den Druck und die Tem­pe­ra­tur fest­le­gen. Wei­ter­füh­rend kann man mit an­de­ren Ver­suchs­an­ord­nun­gen, bei denen die Kon­den­sa­ti­on des Was­ser­damp­fes im Ka­lo­ri­me­ter er­mög­licht wird, auch Brenn­wer­te ex­pe­ri­men­tell be­stim­men. Heiz­wer­te und Brenn­wer­te als tech­ni­sche Grö­ßen sind En­er­gie­be­trä­ge. Die Vor­zei­chen­re­ge­lung für exo­ther­me Re­ak­tio­nen wen­det man bei der An­ga­be der Heiz­wer­te nicht an. Diese Vor­zei­chen­re­ge­lung kann spä­ter im Zu­sam­men­hang mit Re­ak­ti­ons­wär­men Q und Re­ak­ti­ons­ent­hal­pi­en ∆H ein­ge­führt wer­den, wenn Sys­tem und Um­ge­bung un­ter­schie­den wer­den.

Lern­auf­ga­ben

Kon­text nach­hal­ti­ge En­er­gie­ver­sor­gung: Fos­si­le und re­ge­ne­ra­ti­ve En­er­gie­trä­ger (Kom­pe­tenz­be­reich Be­wer­ten, Bil­dung für nach­hal­ti­ge Ent­wick­lung BNE)

Das Prak­ti­kum eig­net sich auch, um im An­schluss daran Me­than in der ak­tu­el­len ge­sell­schafts­po­li­ti­schen De­bat­te als Brenn­stoff und Aus­gangs­stoff für die che­mi­sche In­dus­trie in sei­nen Fa­cet­ten zu be­trach­ten und dif­fe­ren­zier­te Be­wer­tun­gen auf fach­li­cher Grund­la­ge zu er­mög­li­chen.

Mög­li­che The­men sind:

• Ver­gleich Erd­gas­ver­sor­gung aus Pipe­lines, ver­flüs­sig­tes Erd­gas (LNG) Schiffstrans­port, Bio­gas­an­la­gen vor Ort
• Ver­gleich von Was­ser­stoff und Erd­gas als En­er­gie­trä­ger
• Wieso aus Was­ser­stoff Me­than her­stel­len? Sa­ba­tier-Pro­zess (Me­tha­ni­sie­rung, „syn­the­tisch her­ge­stell­tes Erd­gas“ SNG)
• Erd­gas als Aus­gangs­stoff für Was­ser­stoff in der che­mi­schen In­dus­trie (z.B. für die Am­mo­niak­syn­the­se oder als Re­duk­ti­ons­mit­tel im Hoch­ofen­pro­zess)

Eine ver­tie­fen­de Ar­gu­men­ta­ti­on wäre auch spä­ter im Zu­sam­men­hang mit der Be­rech­nung von Re­ak­ti­ons­ent­hal­pi­en aus Bil­dungs­ent­hal­pi­en mög­lich.