Aufgabe 5 – Wasserstoff

Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff für zahllose Anwendungen in Industrie, Technik und Labor gewonnen.

Im Labor können kleinere Mengen Wasserstoff gewonnen werden, indem man eine saure Lösung mit einem unedlen Metall wie z.B. Zink umsetzt. Dabei läuft folgende exotherme Reaktion ab:

$Zn + 2\,H_3O^+\,_\text{(aq)}$ $\longrightarrow$ $Zn^{2+}\,_\text{(aq)} + H_2 + 2\,H_2O$

1.1

In einem Experiment wird Wasserstoff aus Zinkblech und verdünnter Salzsäure hergestellt.

Beschreibe ein experimentelles Vorgehen, mit dem nachgewiesen werden kann, dass bei diesem Experiment Wasserstoff entsteht.
Berechne die Masse an Zink, die zur Erzeugung von $100\,\text{mL}$ Wasserstoff bei Raumbedingungen mindestens eingesetzt werden muss.
Hinweis: Bei Raumbedingungen nimmt $1\,\text{mol}$ eines Gases das Volumen $V= 24\,\text{L}$ ein.
Begründe zwei Maßnahmen, durch die die Wasserstoffentwicklung beschleunigt werden könnte.

(6 VP)

1.2

Zur Bestimmung der Reaktionsenthalpie soll diese Reaktion in der in Abbildung 1 dargestellten Versuchsapparatur durchgeführt werden, wobei die Spritze direkt nach der Zugabe von Salzsäure verschlossen wird.
Die Reaktion wird einmal bei geöffnetem Hahn (Fall A) und einmal bei geschlossenem Hahn (Fall B) am Kolbenprober durchgeführt.

Nenne für beide Fälle zu erwartende Beobachtungen, gehe dabei auch auf die Vorgänge im Reaktionsraum ein.
Begründe, ob die Reaktionsenthalpie über Fall A oder Fall B bestimmt werden muss.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Versuchsapparatur

(4 VP)

1.3

Die Reaktionsenthalpie wird mit Hilfe eines Kalorimeters ermittelt. Das Kalorimeter (Wärmekapazität des Kalorimeters $C_K = 250\,\text{J}\cdot\text{K}^{-1}$ ) wird dazu mit $400\,\text{g}$ Wasser (spez. Wärmekapazität $C_W= 4,18\,\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ ) befüllt und $5,0\,\text{g}$ Zink werden vollständig umgesetzt.
Die Wassertemperatur wird in regelmäßigen Abständen gemessen. Man erhält die in Tabelle 1 angegebenen Messwerte.

Tabelle 1: Temperaturverlauf bei der Reaktion von Zink mit Salzsäure

Messpunkt	Temperatur ϑ $\color{#ffffff}{(^{\circ}C)}$
$0$	$18,4$
$1$	$18,4$
$2$	$18,5$
$3$	$18,6$
$4$	$18,7$
$5$	$18,8$
$6$	$19,5$
$7$	$20,5$
$8$	$21,6$
$9$	$22,6$
$10$	$23,5$
$11$	$24,4$
$12$	$24,3$
$13$	$24,1$
$14$	$23,9$
$15$	$23,8$
$16$	$23,7$
$17$	$23,6$
$18$	$23,5$
$19$	$23,4$

Stelle die Daten aus Tabelle 1 in einem Diagramm dar.
Berechne die Reaktionsenthalpie für die Reaktion der Stoffmenge $n(Zn) = 1\,\text{mol}.$
Ermittle die molare Standardbildungsenthalpie von hydratisierten Zink-Ionen.

(5 VP)

Großtechnisch kann Wasserstoff über die sogenannte Dampfreformierung gewonnen werden. Dabei wird in einer endothermen Reaktion Methan mit Wasserdampf an einem Nickelkatalysator zu Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff umgesetzt.

Stelle eine Reaktionsgleichung für diesen Prozess auf.
Begründe das Vorzeichen der Reaktionsentropie.
Erläutere die Funktion des Katalysators mit Hilfe eines Enthalpiediagramms.

(5 VP)

(20 VP)

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1.1

Experimentelles Vorgehen

Wasserstoff kann mit der Knallgasprobe nachgewiesen werden:
Das entstandene Gas wird aufgefangen (z.B. mit einem Reagenzglas) und an eine offene Flamme gehalten
$\rightarrow$ Ein Zünden zeigt Wasserstoff an.

Berechnung der Masse an Zink

Mit dem Hinweis kann zunächst die Stoffmenge berechnet werden:

$:24$

$\cdot 0,1$ Grau geschwungener Pfeil, der nach rechts unten zeigt.

$\begin{array}{rcl} 24\,\text{L} & \mathrel{\widehat{=}}& 1\,\text{mol}\\[5pt] 1\,\text{L}& \mathrel{\widehat{=}}& 0,042\,\text{mol} \\[5pt] 0,1\,\text{L} & \mathrel{\widehat{=}}& 0,0042\,\text{mol} \end{array}$

$:24$

$\cdot 0,1$

Weiterhin gilt:

$n (Zn) = n(H_2) = 0,0042\,\text{mol}$

Daraus folgt die Masse:

$\begin{array}[t]{rll} m (Zn)&=& n \cdot M & \\[5pt] &=& 0,0042\,\text{mol} \cdot 65 \,\text{g}\cdot \text{mol}^{-1} & \\[5pt] &=& 0,27 \,\text{g} \end{array}$

Es müssen mindestens $0,27 \,\text{g}$ Zink eingesetzt, um $100\,\text{mL}$ Wasserstoff zu erzeugen.

Maßnahmen zur Beschleunigung der Wasserstoffentwicklung

Verwendung von Zinkpulver: Erhöhung des Zerteilungsgrad von Zink
Erhöhung der Salzsäurekonzentration: Erhöhung der Anzahl an potenziellen Reaktionspartnern

1.2

Beobachtungen

Im Reaktionsraum:	Gasentwicklung, Abbau des Zinkblechs
Fall A:	Stempel des Kolbenprobers wird herausgedrückt, Temperatursteigung
Fall B:	Temperatursteigung

Bestimmung der Reaktionsenthalpie

Die Reaktionsenthalpie erfolgt über Fall A, da der Druck konstant bleiben muss.

1.3

Diagramm zu Tabelle 1

Berechnung der Reaktionsenthalpie

Aus dem Diagramm kann durch Extrapolation die Temperaturdifferenz ermittelt werden:

$\Delta T \approx 6,1\,\text{K}$

Daraus folgt:

Rechenweg anzeigen

$Q \approx 11700 \,\text{J}$

Dies gilt jedoch nur für:

$n(Zn)= \dfrac{m}{M}= \dfrac{5,0\,\text{g}}{65\,\text{g}\cdot \text{mol}} = 0,076\,\text{mol}$

Für $1\,\text{mol}$ Zink ergibt sich:

$:76$

$\cdot 1000$ Grau geschwungener Pfeil, der nach rechts unten zeigt.

$\begin{array}{rcl} 0,076\,\text{mol}& \mathrel{\widehat{=}}& 11700 \,\text{J} \\[5pt] 0,001\,\text{mol}& \mathrel{\widehat{=}}& 153,9\,\text{J} \\[5pt] 1 \,\text{mol}& \mathrel{\widehat{=}}& 153,9\,\text{kJ} \end{array}$

$:76$

$\cdot 1000$

Die Reaktionsenthalpie für die gegebene Zinkstoffmenge beträgt ca. $\Delta_rH^0 \approx -153,9\,\text{kJ}.$ Das Vorzeichen ist negativ, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt.

Ermittlung der molaren Standardbildungsenthalpie von hydratisierten Zink-Ionen

Aus der Reaktionsgleichung ergibt sich:

$\begin{array}[t]{rll} n(Zn^{2+}\,_\text{(aq)})&=& n(Zn)& \\[5pt] \Delta_fH_m^0 (Zn^{2+}\,_\text{(aq)})&\approx& -153,9\,\text{kJ} \end{array}$

Damit beträgt die molare Standardbildungsenthalpie von hydratisierten Zink-Ionen ebenfalls ca. $-153,9\,\text{kJ}.$

Reaktionsgleichung für den Prozess

$CH_4 + H_2O$ $\longrightarrow$ $3\,H_2 + CO$

Begründung des Entropievorzeichens

Die Entropie beschreibt den Grad der 'Unordnung' in einem chemischen System. Da in diesem Prozess nur gasförmige Stoffe beteiligt sind, können die Stoffmengen direkt verglichen werden.
Auf der Eduktseite befinden sich $2\,\text{mol}$ , auf der Produktseite $4\,\text{mol},$ d.h. die Anzahl der Teilchen nimmt zu und es wird 'ungeordneter'.
Die Entropie nimmt folglich auch zu und besitzt ein positives Vorzeichen: $\Delta S \gt 0$

Funktion des Katalysators

Aus Diagramm ergibt sich, dass ein Katalysator eingesetzt wird, um die Aktivierungsenergie abzusenken.

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