Verbrennungsenthalpie im virtuellen Labor: Alkohole

Dieses Material zur Verbrennungsenthalpie im virtuellen Labor folgt dem klassischen Versuch mit dem Spiritusbrenner aus IB, A-level und der australischen Oberstufenchemie. Die Lernenden wiegen einen Spiritusbrenner, erwärmen 100 g Wasser in einer Kupferdose um etwa 20 °C und berechnen ΔcH aus q = mcΔT und n = Δm/M. Sie vergleichen vier Alkohole mit Tabellenwerten, bestimmen die Änderung pro CH₂-Gruppe und testen Möglichkeiten, den Wärmeverlust zu verringern. Jeder Wert unten wurde in der Simulation abgelesen.

Lehrplanbezug

• IB Diploma Chemistry (erste Prüfung 2025): Reactivity 1.1, Messung von Enthalpieänderungen durch Kalorimetrie, und Reactivity 1.3, Energie aus Brennstoffen.
• AQA A-level Chemistry 3.1.4.2 (Kalorimetrie) und Pflichtpraktikum 2 (required practical 2), Messung einer Enthalpieänderung.
• NSW HSC Chemistry, Module 7 Organic Chemistry: die Untersuchung, die die Verbrennungsenthalpie verschiedener Alkohole vergleicht.
• VCE Chemistry Unit 3: Energie aus Brennstoffen und Kalorimetrie.

Simulic ist weder mit dem IB noch mit AQA, NESA oder der VCAA verbunden und wird von ihnen nicht unterstützt.

Vor dem Experiment (5 min)

Lassen Sie die Lernenden sich auf eine Vorhersage festlegen, auf Papier oder als Frage 1 des Klassenlinks:

„Der Tabellenwert der Verbrennungsenthalpie von Ethanol beträgt −1367 kJ/mol. Wie wird Ihr Wert aus einem Versuch mit Spiritusbrenner und Kupferdose im Vergleich dazu ausfallen?“

Viele Lernende erwarten, dass ein sorgfältiger Versuch nahe an den Tabellenwert herankommt.

Durchführung in der Simulation

1. Lassen Sie Ansicht: Spiritusbrenner: Alkohole, Wasser 100 g, Flammenabstand 3,0 cm und Datensatz 1 eingestellt. Lassen Sie Windschutz, Deckel und Wärme der Kupferdose mitrechnen ohne Haken.
2. Wählen Sie Brennstoff: Methanol. Notieren Sie m₁ und T₁ aus der Anzeige und klicken Sie dann auf Anzünden.
3. Wenn ΔT etwa 20 °C erreicht, klicken Sie auf Löschen. Warten Sie auf die Meldung, dass die Temperatur ihr Maximum überschritten hat, und klicken Sie dann auf Speichern.
4. Wiederholen Sie die Schritte 2–3 für Ethanol, Propan-1-ol und Butan-1-ol, in dieser Reihenfolge.
5. Berechnen Sie für jeden Versuch q = 100 × 4,18 × ΔT (J), n = Δm/M und ΔcH = −q/n. Vergleichen Sie dann mit der Tabelle.
6. Verbesserungstest: Wählen Sie Ethanol, haken Sie Windschutz an und machen Sie einen weiteren Versuch. Verwenden Sie Ihre eigene Tabelle: Die Simulation rechnet diesen Versuch in den Mittelwert von Ethanol ein.

Versuch	Alkohol	M (g/mol)	m₁ (g)	m₂ (g)	T₁ (°C)	T₂ (°C)	ΔcH (kJ/mol)
1	Methanol	32,04
2	Ethanol	46,07
3	Propan-1-ol	60,10
4	Butan-1-ol	74,12
5	Ethanol + Windschutz	46,07

Erwartete Ergebnisse

Bei Datensatz 1 sind m₁ und T₁ für jeden Versuch festgelegt; Δm und ΔT hängen davon ab, wann Sie die Flamme löschen.

Versuch	Alkohol	Δm (g)	ΔT (°C)	ΔcH (kJ/mol)	Tabellenwert	%
1	Methanol	0,87	20,3	−312	−726	43
2	Ethanol	0,63	20,0	−611	−1367	45
3	Propan-1-ol	0,53	20,6	−976	−2021	48
4	Butan-1-ol	0,55	20,5	−1155	−2676	43

• Rechenbeispiel Ethanol: q = 100 × 4,18 × 20,0 = 8360 J = 8,36 kJ; n = 0,63 / 46,07 = 0,0137 mol; ΔcH = −8,36 / 0,0137 = −611 kJ/mol.
• Trend: etwa −281 kJ/mol pro CH₂ von Methanol bis Butan-1-ol (Anpassung der Simulation: −289), weniger als die Hälfte des Tabellenwerts von −654.
• Über die Datensätze 1–12 ergaben Versuche mit dem Modell der Simulation für Ethanol −501 bis −692 kJ/mol (38–50 %).
• Verbesserungen (Ethanol): Ein Windschutz ergab 63 % (Versuch 5), Windschutz und Deckel 61 %. Das Anhaken von Wärme der Kupferdose mitrechnen bringt etwa 5 % mehr.

Fragen für die Lernenden

1. (Vorhersage, nach dem Experiment erneut gestellt) Wie wird Ihr ΔcH für Ethanol im Vergleich zum Tabellenwert ausfallen?
2. Welche Größe ist eine Kontrollvariable, wenn Sie die vier Alkohole vergleichen?
3. Wie groß ist ΔcH von Ethanol aus Ihrem Versuch?
4. Um wie viel ändert sich ΔcH pro CH₂-Gruppe von Methanol bis Butan-1-ol?
5. Warum ist Ihr Wert viel kleiner als der Tabellenwert, und was verbessert ihn?

Antworten für Lehrkräfte: (1) Viel weniger negativ, etwa die Hälfte (45 % bei Versuch 2). (2) Die Wassermasse und der Flammenabstand. (3) −720 bis −480 kJ/mol akzeptieren (−611 bei Datensatz 1). (4) −350 bis −200 kJ/mol pro CH₂ akzeptieren (−281 bei Datensatz 1). (5) Wärme entweicht an die Luft und die Dose; ein Teil des Brennstoffs verbrennt unvollständig. Ein Windschutz hob Ethanol von 45 % auf 63 % (Versuch 5).

Häufige Fehlvorstellungen

• „ΔcH ist positiv, weil das Wasser wärmer wird.“ Die Wärme verlässt die Reaktion, daher ist ΔcH negativ.
• „Butan-1-ol erwärmt das Wasser stärker, also setzt es mehr Energie frei.“ Jeder Versuch endete bei ΔT ≈ 20 °C; nur die nötige Masse änderte sich: 0,87 g Methanol, 0,55 g Butan-1-ol.
• „Je näher die Dose, desto besser.“ Ethanol erreichte in unseren Modellversuchen bei 2,0 cm etwa 51 %, bei 1,0 cm aber nur 45 %, mit mehr Ruß.

Erweiterung

• Flammenabstand: In unseren Modellversuchen fiel Ethanol bei 5,0 cm auf etwa 32 % und bei 8,0 cm auf 19 %.

Häufige Fragen

Können die Lernenden ΔcH berechnen, ohne dass die Simulation es übernimmt?

Ja. Haken Sie in den Startwerten des Klassenlinks Schüler rechnen selbst (Ergebnisse verborgen) an. Die Tabelle zeigt dann nur Massen und Temperaturen, und die Anzeige verbirgt die Mittelwerte, auch wenn das ΔcH-Diagramm weiterhin jedes Ergebnis einträgt.

Warum erhalten meine Lernenden leicht unterschiedliche Zahlen?

Die Startwerte und der Wirkungsgrad jedes Versuchs ergeben sich aus Datensatz (liefert dieselben Messungen) und der Versuchsnummer. Die Bereiche für die Fragen 3 und 4 gelten für die Datensätze 1–12 und jede Reihenfolge der Versuche.

Was passiert, wenn jemand vor dem Maximum speichert?

Die Simulation warnt, dass T₂ vielleicht zu niedrig ist. Lassen Sie den Versuch wiederholen: Zu frühes Speichern macht ΔcH weniger negativ.

Verwandte Simulationen und Leitfäden

Kalorimetrie – Neutralisationsenthalpie von HCl + NaOH Bindungsenthalpien – ΔH einer Reaktion berechnen

Zur Kalorimetrie in Lösung siehe Kalorimetrie im virtuellen Labor. Eine indirekt bestimmte Enthalpieänderung zeigt Satz von Hess im virtuellen Labor.