Roestvorming als exotherme reactie

Datum: Maart 2014

Principe:

Roesten is een chemische reactie waarbij warmte geproduceerd wordt.

Materiaal:

  • Industrieel thermokoppel (USB, te koppelen aan de PC)
  • Azijn
  • Staalwol
  • Bekerglas
  • Polystyrene beker en plastic deksel met gat erin
  • Laptop met Excel geÔnstalleerd.

Uitvoering:

 
  • Giet azijn in een bekerglas
  • Neem wat staalwol en dompel het in de azijn. Zorg dat het staalwol helemaal ondergedompeld is.
  • Wacht minimaal 2 minuten.
  • Haal het staalwol uit het bekerglas en wring het uit
  • Steek het thermokoppel eerst door de deksel en vervolgnes in het staalwol (wikkel dat om het thermokoppel)
  • Plaats het staalwol en het thermokoppel in de thermobeker en plaats de deksel erop.
  • Start de meting.
  • Importeer de data in Excel en analyseer

Staalwol

Screenshot

Resultaten:

Observaties:

Na enige tijd kan men condensvorming zien. Na openen kan men zien dat een  deel van het staalwol verroest is.

Gemiddeld temperatuurverschil na 20 min t.o.v. de omgeving = 9.5 įC

 

Discussie: 

De volgende reacties hebben plaatsgevonden tijdens het experiment.

1. Ijzer + azijnzuur vormen een ijzer ion, een azijnzuur ion en waterstofgas

Fe + 2CH3COOH --> Fe2+ + CH3COO- + H2 ()

2. IJzer en zuurstof reageren onder de vorming van ijzeroxide of roest en warmte

4Fe + 3O2 --> 2Fe2O3 + DH

De reactie met azijnzuur zorgt ervoor dat het beschermde laagje dat rond het staalwol zit verwijder wordt waardoor het ijzer kan gaan roesten. Tijdens het roesten komt warmte vrij die we kunnen meten.

De temperatuurstijging die we waargenomen hebben laat zien dat er warmte vrijkomt hetgeen aangeeft dat we met een exotherme reactie te maken hebben.

Bij een exotherme reactie ligt het energieniveau van de uitgangsstoffen hoger dan dat van de reactieproducten. Bij de vorming van de reactieproducten komt er dan energie vrij in de vorm van warmte die afgegeven wordt aan de omgeving. Alhoewel er een sterke drijvende kracht is om  zulk een reactie te laten verlopen gebeurt dat vaak niet spontaan. Men kan vaak echter pas een reactie op gang krijgen, door als het ware eerst een berg passeren, men moet eerst energie toevoegen. De reactie moet geactiveerd worden. Als deze activeringsenergie eenmaal is toegevoegd loopt de reactie vanzelf aangezien er dermate veel energie geproduceerd wordt dat de men automatische over de energiedrempel heengaat..

Als men het botsingsmodel hanteert zegt men dat moleculen eerst een hoeveelheid kinetische energie moeten bezitten die minimaal gelijk is aan de activeringsenergie zodat men tot een effectieve botsing en dus reactie kan komen. Als eenmaal een kleine hoeveelheid moleculen de benodigde activeringsenergie heeft verkregen, is de vrijkomende reactie-energie voldoende om andere, en steeds meer, moleculen over de energiedrempel heen te helpen. Vandaar dat als een exotherme reactie een maal verloopt, deze zichzelf verder in stand houdt.

De DH voor deze reactie is de som van de DHfo's van de producten - de som van de DHfo'van de reactanten (vermenigvuldigd met hun stoichiometrische coŽfficiŽnten uit de reactie vergelijking):

    deltaHorxn = (3 mol)(deltaHfoO2) + (4 mol)(deltaHfoFe) - (2 mol)(deltaHfoFe2O3)

    deltaHorxn = (3 mol)(- 0 kJ/mol) + (4 mol)(-0 kJ/mol) - (2 mol)(-8.22.105 J/mol)

    deltaHorxn = -1644 kJ

 

Conclusie:

  • De oxidatie van staalwol (ijzer) is een exotherme reactie.

Opmerkingen:

  • De USB thermometer wordt geleverd met datalogging sofware die op de PC geÔnstalleerd kan worden.
  • Ik bedacht me later dar ik bovenstaand experiment iets mooier had kunnen uitvoeren. Door de massa van het staalwol te wegen (minder in bewerking nemen) en het roestingsproces door te laten gaan totdat de temperatuur weer gaat dalen hadden we de totale hoeveelheid gegenereerde warmte kunnen berekenen door gebruik te maken van Q = m.Cp.DT en de verkregen curve te integreren als functie van de tijd.

Literatuur:

  • Norman Herr, James Cunningham; "Hands-On Chemistry Activities with Real-Life Applications"; Wiley; 1999; ISBN 0876282621; p. 354,355.
  • BINAS; 1992; Wolters Noordhoff; ISBN 9001893724; blz. 103.
  • J. Reiding, P.W. Franken, M.A.W. Kabel-van den Brand; "Chemie Overal 5V"; 1992; Educaboek; ISBN 9011010639; 1ste druk; p. 16-66.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Reactiewarmte

De reactiewarmte of de verandering in enthalpie van een reactie is de hoeveelheid warmte die afgegeven of opgenomen wordt als een reactie uitgevoerd wordt bij constante temperatuur en druk.

Als een chemische verbinding opgebouwd wordt uit de bijbehorende elementen dan noemt de reactiewarmte de vormingswarmte (DHf). De vormingswarmtes van verbindingen zijn getabuleerd bij 298 K alwaar men ze de standaardvormingwarmte noemt (DH0f)

Exotherm of endotherm

Chemische reacties zijn oftewel endotherm (nemen warmte uit de omgeving op) of exotherm (geven warmte af). Het effect dat de temperatuur heeft op een chemisch evenwicht kan voorspeld worden mbv Le Ch‚telier's principe. Als de reactie endotherm is zal een stijging van de temperatuur resulteren in een verschuiving van het evenwicht naar rechts. In een exotherme reactie verschuift het evenwicht naar links. De temperatuurafhankelijkheid van de evenwichtsconstante wordt weergeven door de van't Hoff vergelijking:

hierin is H˚ de enthalpie verandering van de reactie, R de universele gas constante (8.31 J K-1mol1), en K1 en K2 , de evenwichtsconstante bij temperatuur T1 en T2. 


12-08-2014