An die Chemiker: Brennwert aus Summenformel?

[kolja]

Hallo ihr Chemiker das draußen

Ich würde gerne wissen, wie man aus der Summenformel eines Stoffes seinen Brennwert berechnet.

Gegeben sei C10H14O7 als Summenformel für Holz.

Wie kann ich chemisch bzw. rechnerisch nachweisen, das der Brennwert bei ca. 5 kWh/mg Holz liegt?

Grüße Kolja

 

[Helios]

Ertappt . Hier ansonsten ein Beispiel von Benzol. Für präzise Berechnungen siehe: Enthalpie.

LG Uwe

 

[kolja]

Nabend

Tja die Welt ist klein:facepalm:

Das Beispiel aus dem Benzol-Link passt leider nicht,
da der Heizwert schon gegeben ist.

Ich habe von meinem "Stoff" (C10H14O7) leider nix,
da er nur ein Modell für Holz ist.

Die Reaktionsgleichung lautet:

C10H14O7 + 10 O2 → 10 CO2 + 7 H2O

Mein erster Versuch war, die Bildungsenthalpien auszusummieren:
(O2=0, CO2=-399, H2O=-285, allen in kJ/mol),
doch fehlt mir dafür ja die Reaktionsenthalpie...

So langsam frage ich mich, ob das überhaupt geht

Grüße Kolja

 

[Helios]

Mit der Standardverbrennungsenthalpie (bei offener Flamme - zweites Beispiel) schon versucht?

LG Uwe


P.S.: ChemieOnline - Bildungsenthalpie .

P.P.S.: Für dein "Holz" C10H14O7 habe ich leider keine Reaktionsenthalpie in etwaiger Grössenanordnung gefunden. Somit wird dies dann wohl wirklich nix...

 

[kolja]

Nabend Uwe

Bedeutet das, dass es nicht möglich ist,
die Reaktionsenthalpie rechnerisch aus den anderen Produkten und Edukten zu bestimmen?

Kolja

 

[herb89]

So falsch liegst du glaube ich garnicht mit deinen Bildungsenthalpien...

Ich habe die jetzt nicht mehr geprüft, doch Ich komme mit

deltaH = 10*-399 kJ/mol_BST + 7*-285 kJ/mol_BST
​

auf

deltaH = -5985 kJ/mol_BST
​

wichtig hierbei, die Berechnung auf den Brennstoff zu beziehen (BST).


die Molmasse für C10H14O7 ergibt bei mir aus dem Periodensystem 246,21g/mol_BST .


Demzufolge ist

H_BST = delta_H/m_BST = (-5985 kJ/mol_BST) / (246,21 g/mol_BST) = -24,308 kJ /g
​

Jetzt noch in kg und kWh umrechnen

H_BST = (24,308kj/kg * 1000g/kg) / (3600s/h) = -6,75 kWh/kg
​

Die Größenordnung passt also, zieh jetzt ca 20% Holzfeuchte ab, und das haut ganz gut hin (s. Verdampfungsenthapie Wasser).


herb89

Keine Gewährleistung für Richtigkeit

 

[buddabrod]

Die Enthalpie ist ja eine Zustandsgröße, d.h. das sie ist wegunabhängig.

Zerleg den Prozess doch in die kleinstmöglichen Schritte und summiere die auf.

Welche Angaben hast du eigentlich? Nur die Reaktionsgleichung?


Edit: die Reaktionsenthalpie ist die Differenz der Summe der Bildungsenthalpie von jeweils Edukten und Produkten. Nur die Produkte zu betrachten ist daher nicht zweckdienlich

 

[herb89]

Das stimmt natürlich, daher bin ich davon ausgegangen, dass die Bildungsenthalpien soweit stimmen und gebildete Differenzen sind. Andernfalls muss die Reaktion für die Bildung der Edukte natürlich berücksichtig werden

 

[kolja]

@herb
Danke für die Rechnung, vielleicht ist es ja echt so einfach.
Was mich aber wundern würde, denn:
-es kann nicht die Art der Bindung berücksichtigt werden (ist mir gerade mal so eingefallen)
-der Satz von Hess sagt: Brennwert = Reaktionsenthalpie = Summe der Enthalpie der Produkte - Summe der Enthalpie der Edukte
und mit deiner Rechnung wäre das ein Brennwert von 0.
-die Größenordnung passt, aber der Wert 5kWh/kg ist schon ohne Wasser.
Der Wert wurde (wahrscheinlich) mit einem Kalorimeter bestimmt
und so genau sind die wohl.

Ich bin mir aber nicht sicher, ob die Summenformel passt.
Ist halt Literatur...
Ich hab noch zur Auswahl:

C50H72O33 aus dem Buch "Energie aus Biomasse" (ergibt 2,9 kWh/kg)

C16H24O11 aus der Elementaranalyse von Holz (49%C, 6%H, 44%O) (sind auch 2,9 kWh/kg)

@buddabrod
Bitte sag mir, das wir genau das machen, bzw. versuchen...

Grüße und Danke schon mal bis hier her

Kolja

 

[Helios]

Danke für die Rechnung, vielleicht ist es ja echt so einfach.

Unter Verwendung der Berechnung mittels Enthalpien: ja.

Es gilt jedoch immer: dE = dM * c^2 , falls die Erhaltungssätze der Quantenmechanik nicht verletzt werden (ist in der Chemie aber eh nicht der Fall).

es kann nicht die Art der Bindung berücksichtigt werden (ist mir gerade mal so eingefallen)

Nein, da die Summenformel nichts über die Struktur des Moleküls (Strukturformel) aussagt -> Isomerie.

der Satz von Hess sagt: Brennwert = Reaktionsenthalpie = Summe der Enthalpie der Produkte - Summe der Enthalpie der Edukte
und mit deiner Rechnung wäre das ein Brennwert von 0.

Durch den Einsatz von Standardenthalpien wird dies ja bereits berücksichtigt.


LG Uwe

 

[buddabrod]

@buddabrod
Bitte sag mir, das wir genau das machen, bzw. versuchen...

Grüße und Danke schon mal bis hier her

Kolja

Siehe herb89's Beitrag - die brauchst die Bildungsenthalpien jeweils der Produkte und der Edukte und damit bekommst du die Reaktionsenthalpie - also deinen Brennwert.

Wenn du - egal auf welchem Weg und egal mit wie vielen Schritten - dein "Holz" zusammenreagieren kannst mit bekannten Bildungsenthalpien, welche dann jeweils aufsummiert werden, hast du ja beide Seiten und aus der Differenz erhältst du was du suchst.

Oder noch Helios' Ansatz mit Hilfe der Massendifferenz. Das hätte direkt den Massendefekt zur Folge und damit auch deine Energiebilanz.

PS: bin kein Chemiker, kann dir nur das sagen, was man als Teil des Physikstudiums mal macht. Also alles ohne Gewähr.

 

[kolja]

Moin

Ja, so langsam kommt Licht in mein Dunkel.


Der Brennwert wird sich nie exakt über die Summenformel errechnen lassen,
weil keine Information über die Art der Bindungen vorliegt.
In wie weit die Information für mich dann überhaupt noch relevant ist,
muss sich zeigen.

Jetzt werde ich mal versuche Holz zu erstellen....

 

[Helios]

Bingo! Ist mehr eine ungefähre Abschätzung als alles andere. Und ein analytisch geschlossener Lösungsweg ist schon gar nicht möglich.

Das Prinzip lautet also: "Daumen mal Pi" .


LG Uwe


Nachtrag: Die Bindungen sind ja kovalent (homöopolar), da es sich um Nichtmetall-Nichtmetall-Bindungen handelt. Die Bindungsenergien variieren je nach Strukturformel der Summenformel der Moleküle.

 

[kolja]

Vielleicht sollte ich über die Zusammensetzung des Holzes (Lignin, Cellulose und Hemizellulose) gehen.
Da habe ich zumindest neben den gesicherte Summenformeln auch die Strukturformeln.

 

[kolja]

Und genau dazu habe ich in einer Präsentation das hier gefunden:

Die Daten stammen aus der Biopolymerdatenbank der Software Aspen plus.
Lt. Wiki soll dieses Programm in fast allen größeren Chemiebuden vertreten sein.

Arbeitet jemand von euch mit Aspen plus?

Wenn ja, wäre es möglich mir ein paar Daten aus der Datenbank zu übermitteln?

Danke und Grüße

Kolja

 

[Helios]

Arbeitet jemand von euch mit Aspen plus?

Da muss ich passen.

Aber andere Frage? Hast du mal den Ansatz mit dem Massendefekt und somit dann auch die Energie, in deinem Falle den Brennwert, berechnet... wie in Post #10 erwähnt?


LG Uwe

 

[kolja]

Ne, ich hatte das auch als (Achtung, jetzt kommts) "relativistischen Witz" angesehen.
Denn ich habe doch kein dm (= Massendifferenz) in der Chemie.

Vielleicht musst du mir dazu noch ein zwei Worte sagen.

Gruß Kolja

 

[Helios]

Der Massendefekt entsteht dadurch, dass die Summe der Massen der Reaktanten nicht der Masse des Produkts entspricht. Also die Gesamtmasse der Reaktanten unterscheidet sich von der Masse des Produkts, da Energie in Form von Wärme abgegeben wird, welche wiederum durch die Gleichung einer entsprechenden Masse, eben dem Massendefekt, entspricht.

Die Gesamtenergie des chemischen Prozesses bleibt somit konstant, wie dies ja auch physikalisch zwingend gefordert wird. Masse ist lediglich eine Form der Energie und lässt sich mittels der bekannten Formel der speziellen Relativitätstheorie E=M*c^2 gleichsetzen (nicht relativistischer Effekt).

LG Uwe

 

[kolja]

Ja, aber...

Die Wärmeenergie ist doch gleich der Bindungsenergie,
und die wiegt nix.

Meine Massenbilanz ist doch ausgeglichen:

z.B.
CH4 + 2*O2 = CO2 + 2*H2O dH:-890kJ
16g * 64g = 44g + 36g = 80g

Kolja

 

[Helios]

Nein, der Massendefekt ist winzig, aber dennoch vorhanden, und wird durch die Multiplikation mit der "riesigen Zahl" c^2 (9*10^16) dann eben doch deutlich spürbar. Dieser ist in deiner Massenbilanz nicht ersichtlich (es fehlt im Grunde ein dritter Term der Wärmeenergie). Dies würde durch die Darstellung einer Energiegleichung sofort ersichtlich. In der Chemie ist dies nicht üblich. Du rechnest in deinem Beispiel ja auch mit Enthalpien, welche eine Korrektur der inneren Gesamtenergie der Reaktanten beinhalten.

Die beiden Massen aus CH4 und 2*O2 entsprechen nach der Verbrennung nicht den beiden Massen aus CO2 und 2*H2O, da eben Energie in Form von Wärme freigesetzt wird. Diese Energie entspricht durch dM=dE/(c^2) dem entstehenden Massendefekt.

LG Uwe