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LEBENSNAHER CHEMIEUNTERRICHT

2.0
SUCHERGEBNISSE: 334
Chemie
Sekundarstufe II
Elektrochemische Prozesse & Energetik
Energetik
Datum:

Weitere Rechnungen rund um den Erhitzerbeutel

Wie viel Energie wird theoretisch freigesetzt?

23.10.2026
45482
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ID 45482

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Gregor von BorstelGregor von Borstel
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Die Idee dahinterPDF

Die Idee dahinter

Ziele
Die Lernenden ermitteln die Standardreaktionsenthalpie der Heizreaktion mithilfe von Standardbildungsenthalpien und dem Satz von Hess und beurteilen mit der kalorimetrischen Grundgleichung, wie viel der freigesetzten Wärme im Essen ankommt.

Die Lernenden ...

  • berechnen die molare Standardreaktionsenthalpie der Reaktion von Magnesium mit Wasser aus Standardbildungsenthalpien.
  • erklären mit dem Satz von Hess, warum der Weg über Magnesiumoxid dieselbe Reaktionsenthalpie liefert, und stellen beide Wege in einem Enthalpiediagramm dar.
  • berechnen die Wärme eines Heizpads und die Temperaturänderung von Wasser mit der kalorimetrischen Grundgleichung.
  • ermitteln, welcher Anteil der Wärme mindestens im Prüfbeutel ankommen muss.
  • erläutern, warum ein Pad mehr als doppelt so viel Magnesium enthält wie theoretisch nötig.
  • beantworten Forumsfragen mit einer kurzen Rechnung und einem begründeten Urteil.
Beschreibung
Worum es geht

Am Ende der Energetik können wir noch einmal auf die im Zusammenhang mit Korrosion untersuchten Erhitzerbeutel zurückkommen.
Vier Fragen aus dem Forum führen durch die Energiebilanz eines Heizpads: Wird ein Liter Wasser heiß? Kann man ein Pad aufteilen? Woher wissen die Hersteller, wie viel Pulver und Wasser nötig sind? Und kann man das überhaupt überschlagen? Die Rechnungen liegen auf dem Niveau einer Leistungskursklausur: Standardreaktionsenthalpie aus Standardbildungsenthalpien, Begründung mit dem Satz von Hess samt Enthalpiediagramm, Temperaturänderung mit der kalorimetrischen Grundgleichung, Urteil.

Ursprünglich wurden Zahlen in den USA erhoben – hier stehen alle Angaben aber zur Vereinfachung direkt in SI-Einheiten; woher die „krummen“ Zahlen kommen, erklärt eine Fußnote in M1. Die Bezeichnungen wurden wir in der Reihe Energetik gewählt: ΔfH0m und ΔrH0m (kJ/mol) für molare Größen, Q (kJ) für die Wärme eines Pads.

Vorwissen und erwartete Vorstellung

Die Lernenden kennen die Reaktionsgleichung des Heizbeutels („Warmes Essen ohne Feuer“), die Magnesiummasse eines Pads („Rechnungen rund um den Erhitzerbeutel – Teil 1“), die kalorimetrische Grundgleichung samt Wärmekapazität des Kalorimeters („Die Kalorimetrie“), den Satz von Hess und Standardbildungsenthalpien. Vom selbsterhitzenden Getränk wissen sie, dass Hersteller mehr Salz einfüllen, als die Rechnung verlangt.
Worüber noch nicht gesprochen wurde: Kommt die berechnete Wärme vollständig im Essen an? Dann müsste ein halbes Pad für eine Mahlzeit reichen.

Fehlvorstellung als Motor

„Theoretisch freigesetzt heißt genutzt.“ Aufgabe 4 zeigt, dass die US-Armee nur verlangt, dass mindestens 45 % der Wärme im Prüfbeutel ankommen. Aufgabe 5 kehrt die Rechnung um: Theoretisch würden 3,6 g Magnesium genügen, im Pad stecken 8 g.

Der Weg durch die Seite

Aufgabe 1 ist eine Übung, die auf Bekanntes zurückgreift. Aufgabe 2 ist die erste denktragende Stelle: Warum darf man über das Magnesiumoxid rechnen? Hier kann  die Lehrkraft die Richtung vorgeben (Enthalpie als Zustandsgröße) und dennoch Raum für die Begründung lassen. Das Diagramm zeigt außerdem, dass fast die ganze Wärme aus der Oxidation des Magnesiums durch Wasser stammt; das Hydratisieren des Oxids trägt wenig bei. Aufgaben 3 und 4 sind Rechnungen mit der kalorimetrischen Grundgleichung. Sicherungspunkt ist das Ergebnis von Aufgabe 4: Mindestens 45 % der Wärme müssen im Beutel ankommen.

Aufgabe 5 ist die zweite denktragende Stelle („Und jetzt …?“): Warum enthält ein Pad mehr als doppelt so viel Magnesium wie nötig, und wozu dient das viele Wasser? Hier lohnt der Rückgriff auf die Wärmekapazität des Kalorimeters: Der Heizbeutel ist ein schlechtes Kalorimeter, in dem Aktivierungswasser, Pad und Beutel mit erwärmt werden. Aufgabe 6 (Funkenflug) ist dieselbe Rechnung rückwärts und eignet sich gegebenenfalls zur Differenzierung.

Das Lernprodukt ist eine Forumsantwort aus Bausteinen (Aufgabe 7): je Figur eine Rechnung in zwei bis drei Zeilen und ein Urteil in einem Satz. Pflicht sind die Bausteine für Waldläuferin und Kocherlos; Funkenflug ist optional. Die Bausteine lassen sich arbeitsteilig erstellen und im Plenum zusammensetzen. Die vierte Frage („überschlagsmäßig berechnen?“) beantwortet das Plenum aus dem Ganzen: Ja – und der Überschlag liefert eine Obergrenze, keine Vorhersage. „Weitergedacht“ (Verdampfen, Energieflussdiagramm, Reaktion mit Luftsauerstoff) ist optional.

Was am Ende gesagt und gezeigt werden soll
  • Die Reaktion von Magnesium mit Wasser setzt 353 kJ pro Mol Magnesium frei; ein Pad theoretisch rund 116 kJ.
  • Ob die Reaktion direkt oder über Magnesiumoxid verläuft, ändert die Reaktionsenthalpie nicht, weil die Enthalpie eine Zustandsgröße ist.
  • Selbst theoretisch würde ein Pad einen Liter Wasser nur um rund 28 K erwärmen, nicht zum Kochen bringen.
  • Die US-Armee verlangt nur, dass mindestens 45 % der Wärme im Prüfbeutel ankommen; ein halbes Pad macht eine Mahlzeit nur lauwarm.
  • Theoretisch genügen 3,6 g Magnesium, im Pad stecken 8 g: Den Rest nehmen Aktivierungswasser, Pad, Beutel und Umgebung auf.
Modellgrenzen
  • Standardwerte: Die Bildungsenthalpien gelten für 25 °C und 1 bar; im Heizbeutel wird es bis zu 100 °C warm. Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie ist hier klein.
  • Weg über Magnesiumoxid: Auf Magnesium in Wasser liegt innen eine dünne, MgO-reiche Schicht, außen eine dickere Schicht aus Magnesiumhydroxid; das Oxid hydratisiert zu Hydroxid.1 Belegt ist das für Magnesium in Wasser, nicht für das Heizpulver. Für Aufgabe 2 genügt, dass der Weg denkbar ist: Der Satz von Hess gilt auch für gedachte Wege.
  • Vollständiger Umsatz: Gerechnet wird mit 8 g Magnesium, das vollständig reagiert. Gelagerte Pads sind teilweise schon korrodiert: Nach drei Monaten bei 38 °C und 90 % Luftfeuchte erwärmten sie die Mahlzeit im Mittel um 12,6 °F (7 K) weniger.2 Die Gesundheitsbehörde der US Army maß außerdem im Mittel nur 4,4 L Wasserstoff pro Heizbeutel statt rechnerisch etwa 8 L.2
  • Magnesiumanteil: Der Bericht nennt „40% magnesium“, an anderer Stelle eine 40/60-Mischung aus Magnesium-Eisen-Pulver und Kunststoff; dann wären es rund 7,1 g Magnesium. Die 8 g passen zur Angabe des US-Verkehrsministeriums im selben Bericht (12 Heizer enthalten 96 g Magnesium).
  • Wärmekapazität: 4,18 J/(g·K) passt zum Prüfbeutel, weil die Armee mit einem wassergefüllten Beutel prüft. Eine echte Mahlzeit hat meist eine kleinere Wärmekapazität. Das Formeldokument nennt 4,183 J/(g·K).
  • Volumenarbeit: ΔrH0m enthält schon die Arbeit, die der entweichende Wasserstoff gegen den Luftdruck verrichtet (rund 2,5 kJ/mol, pro Pad etwa 0,8 kJ).
  • Reaktion mit Luftsauerstoff: Der Bericht der US-Armee nennt als zweiten Weg die Reaktion mit Sauerstoff; sie liefert pro Mol Magnesium −638,8 kJ (Weitergedacht). Im fast geschlossenen Beutel ist wenig Sauerstoff; die Obergrenze gilt für die Reaktion mit Wasser.
  • Aufteilung der Wärme im Energieflussdiagramm ist eine Schätzung; belegt ist nur die Anforderung der Armee, keine Messung der Verluste.
Einbettung
Kompetenzerwartungen
  • KLP Chemie GOSt 2026 · Q-LK · Inhaltsfeld Elektrochemische Prozesse und Energetik · Erkenntnisgewinnungskompetenz · S. 46 — Die Schülerinnen und Schüler „ermitteln die Standardreaktionsenthalpien ausgewählter Redoxreaktionen unter Anwendung des Satzes von Hess auch rechnerisch (E2, E4, E7, S16, S17, K2)“
  • KLP Chemie GOSt 2026 · Q-Phase (GK und LK, übergeordnet) · inhaltsfeldübergreifend · Bewertungskompetenz · S. 32 — Die Schülerinnen und Schüler „B3 beurteilen Informationen und Daten hinsichtlich ihrer Angemessenheit, Grenzen und Tragweite“

Die Sachkompetenz-Erwartung des Leistungskurses zur Umwandlung in Wärme und Arbeit „unter Berücksichtigung der Einschränkung durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik“ (S. 45) löst diese Seite nicht ein; sie bilanziert nur Wärme.

Den "Flameless Heater" kennen wir bereits

Kommen wir noch einmal auf den Beutel zurück, in dem man Outdoor Mahlzeiten durch Korrosionsvorgänge erhitzen kann.

Nach zwölf Minuten war mein Essen heiß. Woher wissen die eigentlich, wie viel Pulver und Wasser man für so einen Beutel braucht?

Kann man eigentlich Heizpad aus einem Beutel auf zwei Beutel aufteilen?

Kann man mit einem Erhitzerbeutel etwa einen Liter Wasser heiß machen?

Das testen die bestimmt. Aber kann man das auch überschlagsmäßig berechnen?

M1

Daten zum Heizbeutel

Was die US-Armee verlangt

Ein Bericht des Entwicklungszentrums der US-Armee beschreibt den Heizbeutel für die Feldverpflegung:2

  • Ein Heizpad enthält etwa 8 g Magnesium.3
  • Aktiviert wird es mit etwa 57 g Wasser.
  • Prüfanforderung: Ein Prüfbeutel mit 227 g Wasser von 2 bis 7 °C4 muss in höchstens 12 Minuten um mindestens 55,6 K wärmer werden.2
Magnesium reagiert mit Wasser
Was auf dem Magnesium passiert

Untersuchungen an Magnesium in Wasser zeigen eine Deckschicht aus zwei Lagen: innen eine dünne Schicht, die vor allem aus Magnesiumoxid MgO besteht, außen eine dickere Schicht aus Magnesiumhydroxid. Das Oxid reagiert mit Wasser zu Magnesiumhydroxid weiter.1

Tabellenwerte

Molare Massen M und molare Standardbildungsenthalpien ΔfH0m bei 25 °C:5

  • Mg(s): M = 24,3 g/mol; ΔfH0m = 0 kJ/mol
  • H2(g): M = 2,0 g/mol; ΔfH0m = 0 kJ/mol
  • O2(g): M = 32,0 g/mol; ΔfH0m = 0 kJ/mol
  • H2O(l): M = 18,0 g/mol; ΔfH0m = −285,83 kJ/mol
  • H2O(g): M = 18,0 g/mol; ΔfH0m = −241,83 kJ/mol
  • MgO(s): M = 40,3 g/mol; ΔfH0m = −601,24 kJ/mol
  • Mg(OH)2(s): M = 58,3 g/mol; ΔfH0m = −924,66 kJ/mol

Spezifische Wärmekapazität von Wasser: c = 4,18 J/(g·K).

Wie viel Wärme steckt in einem Pad?

  1. Berechnen Sie mithilfe von M1 die molare Standardreaktionsenthalpie ΔrH0m der Reaktion von Magnesium mit Wasser.
  2. Nehmen Sie an, die Reaktion verläuft in zwei Schritten: Zuerst reagiert Magnesium mit Wasser zu Magnesiumoxid und Wasserstoff, dann reagiert Magnesiumoxid mit Wasser zu Magnesiumhydroxid (M1).
    1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der beiden Schritte und berechnen Sie jeweils ΔrH0m.
    2. Erklären Sie, warum es für die Reaktionsenthalpie aus Aufgabe 1 unerheblich ist, ob die Reaktion direkt oder über Magnesiumoxid abläuft. Stellen Sie beide Wege in einem Enthalpiediagramm dar.
  3. Berechnen Sie die Wärme, die ein Heizpad theoretisch freisetzt, und beurteilen Sie, ob man damit 1 L Wasser von 20 °C zum Kochen bringen könnte.
  4. Berechnen Sie die Wärme, die der Prüfbeutel mindestens aufnehmen muss, und ermitteln Sie, welcher Anteil der Wärme eines Pads mindestens im Beutel ankommen muss.

Antworten für das Forum

  1. Berechnen Sie, wie viel Gramm Magnesium theoretisch genügen würden, um die Prüfanforderung aus M1 zu erfüllen, und wie viel Gramm des Aktivierungswassers die Reaktion eines Pads verbraucht. Erläutern Sie, warum ein Pad trotzdem etwa 8 g Magnesium enthält und mit etwa 57 g Wasser aktiviert wird.
  2. Beurteilen Sie mit Ihren Ergebnissen aus Aufgabe 3 und Aufgabe 4, ob man ein Pad auf zwei Beutel aufteilen kann.
  3. Verfassen Sie eine Antwort für das Forum. Sie besteht aus Bausteinen: je einer für Waldläuferin, Kocherlos und – wenn Sie Aufgabe 6 bearbeitet haben – Funkenflug, jeweils mit der Rechnung in zwei bis drei Zeilen und einem Urteil in einem Satz. Ein Schlusssatz beantwortet die Frage, wie weit eine Überschlagsrechnung trägt.

Weitergedacht

  1. Ein Teil des Aktivierungswassers verdampft. Ermitteln Sie mit dem Satz von Hess und den Werten aus M1 die molare Verdampfungsenthalpie von Wasser. Berechnen Sie, wie viel Wärme nötig wäre, um das Wasser, das nach der Reaktion übrig bleibt, vollständig zu verdampfen, und deuten Sie das Ergebnis.
  2. Stellen Sie die Energiebilanz eines Pads als Energieflussdiagramm (Sankey-Diagramm) dar und kennzeichnen Sie, welche Anteile belegt und welche geschätzt sind.
  3. Laut dem Bericht der US-Armee kann ein Teil des Magnesiums auch mit Luftsauerstoff reagieren: 2 Mg(s) + O2(g) + 2 H2O(l) → 2 Mg(OH)2(s). Berechnen Sie ΔrH0m pro Mol Magnesium, zeigen Sie mit dem Satz von Hess, wie dieser Wert mit dem aus Aufgabe 1 zusammenhängt, und erläutern Sie, wo bei der Reaktion mit Wasser die Differenz bleibt.

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Weitere Rechnungen rund um den Erhitzerbeutel
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