Ammoniumnitrat löst sich unter Abkühlung in Wasser, daher wird es in sogenannten Kühlpacks (siehe Abb. 1) zur Schmerzlinderung bei Sportverletzungen eingesetzt. Um den Lösungsvorgang in Gang zu setzen, wird der innere Beutel zum Platzen gebracht und das darin befindliche Ammoniumnitrat löst sich im Wasser des äußeren Beutels.

Die Abkühlung beim Lösen von Ammoniumnitrat in Wasser soll in einem Modellversuch quantitativ untersucht werden.

• Beschreibe die Durchführung eines Modellversuchs mithilfe einer beschrifteten Skizze.

In einem Experiment werden Ammoniumnitrat in Wasser gelöst. Die Lösung , ) kühlt sich dabei von auf ab. Hinweis: In der verdünnten Lösung entspricht die Wärmekapazität in guter Näherung der spezifischen Wärmekapazität des Wassers , die Wärmekapazität der Versuchsanordnung kann vernachlässigt werden.

• Berechne mit den experimentell bestimmten Daten die Enthalpieänderung beim Lösen von Ammoniumnitrat .
• Beurteile den Einfluss einer deutlichen Vergrößerung der Masse des zu lösenden Ammoniumnitrats auf die zu erwartende Genauigkeit der experimentellen Bestimmung der Lösungsenthalpie bei gleichbleibendem Volumen des Wassers.

Der Lösungsvorgang von Ammoniumnitrat kann mit folgender Reaktionsgleichung dargestellt werden:

• Berechne die Entropieänderung des Lösungsvorgangs.
• Erkläre mithilfe der GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung, unter welcher Voraussetzung sich Salze unter Abkühlung (endotherm) in Wasser lösen können.
• Zeige durch eine Rechnung, dass diese Voraussetzung für das Lösen von Ammoniumnitrat bei Standardbedingungen erfüllt ist.

Das Lösen von Salzen kann gedanklich vereinfacht in zwei Prozesse unterteilt werden: Abb. 2 zeigt schematisch einen exothermen und endothermen Lösungsvorgang, bei dem die beiden beschriebenen Prozesse dargestellt sind.

• Gib das Energieschemata an, das den Lösungsvorgang von Ammoniumnitrat qualitativ wiedergibt und begründe deine Angabe.

Ammoniumnitrat zersetzt sich ab ca. in Distickstoffoxid und Wasser. Bei höheren Temperaturen zerfällt es in Wasser, Stickstoff und Sauerstoff.

• Stelle für die beiden Zersetzungsreaktionen jeweils eine Reaktionsgleichung auf.
• Begründe, dass es sich jeweils um eine Redox-Reaktion handelt und kennzeichne in deinen Reaktionsgleichungen Oxidation und Reduktion.

Kaliumnitrat wird in pyrotechnischen Produkten verwendet und ist als brandfördernd eingestuft. Vereinfacht kann für die Reaktion mit Kohlenstoff folgende Reaktionsgleichung formuliert werden: Werden Kaliumnitrat vollständig umgesetzt, wird eine Wärmemenge frei.

• Erkläre die Einstufung von Kaliumnitrat als brandfördernder Stoff.
• Berechne mithilfe der obigen Wärmemenge und den thermodynamischen Daten aus dem Anhang die molare Standardbildungsenthalpie für Kaliumnitrat.

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Durchführung eines Modellsversuchs mit Skizze Zunächst wird eine definierte Menge an Wasser in das Kalorimeter eingefüllt. Wenn das Wasser und der Kalorimeter identisch sind, wird eine abgewogene des Ammoniumnitrats hinzugegeben und bis zur Auflösung verrührt. Wichtig ist regelmäßige Messung der Temperatur.

Berechnung der Enthalpieänderung Da die Wärmekapazität der Versuchsanordnung vernachlässigt werden kann, lässt sich die beim Lösen umgesetzte Wärme folgendermaßen berechnen: Es handelt sich um einen endothermen Vorgang, deswegen behält die Lösungsenthalpie das positive Vorzeichen. Beurteilung des Einflusses einer Massenvergrößerung Wird die Masse an Ammoniumnitrat bei gleichbleibendem Wasservolumen vergrößert, ändert sich die Konzentration der Lösung . Abweichungen sind demnach bei Verwendung der Wärmekapazität von reinem Wasser erkennbar. Die Vergrößerung der Masse könnte aber auch zur Überschreitung der Löslichkeit und damit zu Fehlern bei der Bestimmung der Lösungsenthalpie führen.

Entropieänderung des Lösungsvorgangs Für die Berechnung der Entropie gilt: Da gilt: Vorraussetzung für das Lösen der Salze Als Grundlage dient die GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung: Damit eine Reaktion abläuft, also exergonisch ist, muss gelten.
Bei einem endothermen Vorgang (Abkühlen) beträgt und daraus folgt als Bedingung für die Reaktion: Lösen von Ammoniumnitrat bei Standardbedingungen Damit sich das Salz bei Standardbedingungen löst, muss sein. Mit den in den zuvor berechneten Werten für die Enthalpie (negativer Wert, da Abkühlung) und die Entropie lässt sich diese Tatsache mit der GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung überprüfen: Alternative: Berechnung der näherungsweisen Temperatur, ab der gilt:

Angabe des passenden Energieschemata und Begründung Das Lösen von Ammoniumnitrat ist endotherm. Folglich muss für die Entfernung der Ionen aus dem Gitter mehr Energie aufgebracht werden, als bei der Anordnung der Wassermoleküle um die Ionen frei wird.
Der Lösungsvorgang wird im Schema B dargestellt. Hier ist der Betrag des energieliefernden Vorgangs kleiner als der des Vorgangs der Energie benötigt.

Reaktionsgleichungen und Kennzeichnung von Oxidation und Reduktion

Einstufung von Kaliumnitrat Um Kaliumnitrat einzustufen, wird die in der Aufgabenstellung dargestellte Reaktionsgleichung betrachtet.
Kaliumnitrat fungiert als Sauerstofflieferant für die Reaktion von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid . Der Stoff wird daher als brandfördernd eingestuft. Berechnung der molaren Standardbildungsenthalpie Für die Berechnung gilt: Für wird die Gleichung umgestellt, die thermodynamischen Daten aus dem Anhang und die gegebene Wärmemenge eingesetzt: