Allgemeine Chemie: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 14 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Stöchiometrie

Stoffmenge
n = m/M
Konzentration
c = n/V
Stoffmengenverhältnis
die Koeffizienten der ausgeglichenen Gleichung verwenden
Limitierender Reaktant
der, der zuerst aufgebraucht ist
Prozentuale Ausbeute
tatsächlich / theoretisch × 100%

Methode

  1. Stelle die Reaktionsgleichung auf und gleiche sie aus.
  2. Rechne die gegebene Masse in Stoffmenge um: n = m/M.
  3. Verwende die Koeffizienten als Stoffmengenverhältnis, um die Stoffmenge des gesuchten Stoffs zu bestimmen.
  4. Rechne mit m = n·M wieder in eine Masse um. Bei zwei Edukten bestimmst du zuerst den limitierenden Reaktanten.

Molarität & Verdünnung

Molarität
c = n/V (mol/L)
Stoffmenge
n = m/M
Verdünnung
c1V1 = c2V2
Mischen
c = (c1V1 + c2V2)/(V1 + V2)

Methode

  1. Rechne die Masse mit n = m/M in Mol um.
  2. Rechne das Volumen in Liter um.
  3. Stoffmengenkonzentration c = n/V in mol/L.
  4. Bei einer Verdünnung bleibt die Stoffmenge gleich: c₁V₁ = c₂V₂.

Ideales Gasgesetz

Ideales Gasgesetz
pV = nRT
Gaskonstante
R = 8,314 J/(mol·K)
Allgemeine Gasgleichung
p1V1/T1 = p2V2/T2
Stoffmenge
n = m/M
Temperatur
T[K] = T[°C] + 273,15

Kalorimetrie & Enthalpie

Wärme
q = m·c·ΔT
Wasser
c = 4,18 J/(g·°C)
Kalorimeter
abgegebene Wärme = aufgenommene Wärme
Reaktionsenthalpie
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Chemisches Gleichgewicht

Gleichgewichtskonstante
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE-Tabelle
Anfang, Änderung (×Koeffizient), Gleichgewicht
Quadratische Gleichung
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Methode

  1. Schreibe Kc als Produkte über Edukte, jeweils mit ihrem Koeffizienten als Exponent.
  2. Stelle eine ICE-Tabelle auf: Anfang (Initial), Änderung (Change, in Schritten von x mal den Koeffizienten), Gleichgewicht (Equilibrium).
  3. Setze die Gleichgewichtsausdrücke in Kc ein und löse nach x.
  4. Prüfe, ob x klein genug für eine Näherung ist; sonst löse die quadratische Gleichung.

pH-Wert & Puffer

pH-Wert
pH = −log[H⁺]
pOH
pOH = −log[OH⁻], pH + pOH = 14
Schwache Säure
[H⁺] ≈ √(Ka·c)
Puffer
pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
Verdünnung
c1V1 = c2V2

Methode

  1. Entscheide, ob die Säure oder Base stark (vollständig dissoziiert) oder schwach ist.
  2. Starke Säure: [H⁺] ist gleich ihrer Konzentration. Starke Base: Bestimme zuerst [OH⁻].
  3. Schwache Säure: Löse Ka = x²/(c − x) nach x = [H⁺].
  4. pH = −log[H⁺], und pH + pOH = 14 bei 25 °C.

Reaktionskinetik

Erste Ordnung
ln(CA/CA0) = −kt
Halbwertszeit (erste Ordnung)
t½ = ln 2/k
Zweite Ordnung
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Zwei Temperaturen
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

2Übungsaufgaben

1.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

24 g Fe2O3 und 20 g CO reagieren nach Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Welche Masse m an CO2 kann entstehen?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
2.StöchiometrieSchwer
m(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Bei der Reaktion CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O reagieren 24 g CH4 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 29,66 g H2O gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/moltatsächlich: 29,66 g
Y = %
3.Molarität & VerdünnungMittel
6 mol/LV1​0,2 mol/L200 mL

Du brauchst 200 mL einer Lösung mit 0,2 mol/L und hast eine Stammlösung mit 6 mol/L. Wie viel Wasser Vwater gibst du zur Stammlösung?

c1 = 6 mol/Lc2 = 0,2 mol/LV2 = 200 mL
Vwater = mL
4.Molarität & VerdünnungSchwer
1,5 mol/L100 mL3 mol/L200 mLc = ?300 mL

100 mL einer Lösung mit 1,5 mol/L werden mit 200 mL einer Lösung desselben Stoffes mit 3 mol/L gemischt. Bestimme die Konzentration c der Mischung (die Volumina sind additiv).

c1 = 1,5 mol/LV1 = 100 mLc2 = 3 mol/LV2 = 200 mL
c = mol/L
5.Ideales GasgesetzMittel
270 g CO₂P = 700 kPaT = 30 °CV = ?

Welches Volumen V nehmen 270 g CO₂ bei 700 kPa und 30 °C ein? Behandle es als ideales Gas.

m = 270 gM = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideales GasgesetzSchwer
O₂, M = 32 g/molP = 400 kPaT = 60 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von O₂ bei 400 kPa und 60 °C als ideales Gas.

M = 32 g/molP = 400 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Bleim = 150 gT = 140 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Wasserm = 100 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Blei mit 150 g (c = 0,129 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 140 °C wird in einem isolierten Becher in 100 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 16 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 100 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
8.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
H2CH3​OH + 3O₂Edukte2CO₂ + 4H₂O(l)ProdukteΔH° = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien ΔH° für die Reaktion 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
9.Chemisches GleichgewichtMittel
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

0,25 mol/L H₂ und 0,25 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 25. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,5 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,4 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.pH-Wert & PufferMittel
02468101214sauerneutralbasischpH = ?

Bestimme den pH-Wert pH einer 0,1-mol/L-Lösung von Ameisensäure (Ka = 0,00018).

c = 0,1 mol/LKa = 0,00018
pH =
12.pH-Wert & PufferSchwer
02468101214sauerneutralbasischpH = ?

Ein Puffer von 1,00 L enthält 0,25 mol Flusssäure und 0,15 mol ihrer konjugierten Base (Ka = 0,00068). Es werden 0,02 mol NaOH zugegeben. Bestimme den neuen pH-Wert pH.

n(HA) = 0,25 moln(A⁻) = 0,15 moln(OH⁻) = 0,02 molKa = 0,00068
pH =
13.ReaktionskinetikMittel
t (min)C (mol/L)10 minC = ?

Eine Reaktion mit dem Geschwindigkeitsgesetz −rA = k·CA² hat k = 0,4 L/(mol·min) und startet bei 1 mol/L. Bestimme die Konzentration CA nach 10 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.ReaktionskinetikSchwer
1/Tln kT = 50 °Cln 0,02ln A = ?Ea​ = 80 kJ/mol

Eine Reaktion erster Ordnung hat bei 50 °C eine Geschwindigkeitskonstante von 0,02 s⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 80 kJ/mol. Bestimme den Stoßfaktor (präexponentiellen Faktor) A in der Arrhenius-Gleichung.

k = 0,02 s⁻¹T = 50 °CEa = 80 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹

3Lösungen

1.Stöchiometrie

Antwort: m = 19,84 g

Stöchiometrie: Eine ausgeglichene Gleichung zählt Teilchen, nicht Gramm. Rechne Masse mit n = m/M in Stoffmenge um, nimm die Koeffizienten der Gleichung als Stoffmengenverhältnis und rechne mit m = n·M zurück. Bei zwei Edukten ist der limitierende Reaktant der, der zuerst verbraucht ist und die Produktmenge bestimmt.

Stoffmenge jedes Edukts

n(Fe2O3) = 24/159,69 = 0,1503 mol
n(CO) = 20/28,01 = 0,714 mol

Limitierender Reaktant

0,1503/1 = 0,1503, 0,714/3 = 0,238 → Fe2O3

Masse des Produkts

n(CO2) = 0,1503·3 = 0,4509 mol
m = 0,4509·44,01 = 19,84 g

Antwort

m = 19,84 g
2.Stöchiometrie

Antwort: Y = 55 %

Stöchiometrie: Eine ausgeglichene Gleichung zählt Teilchen, nicht Gramm. Rechne Masse mit n = m/M in Stoffmenge um, nimm die Koeffizienten der Gleichung als Stoffmengenverhältnis und rechne mit m = n·M zurück. Bei zwei Edukten ist der limitierende Reaktant der, der zuerst verbraucht ist und die Produktmenge bestimmt.

Theoretische Ausbeute

n(CH4) = 24/16,04 = 1,496 mol
m = 1,496·2/1·18,02 = 53,93 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 29,66/53,93·100 = 55%

Antwort

Y = 55%
3.Molarität & Verdünnung

Antwort: Vwater = 193,3 mL

Molarität: Konzentration c = n/V in mol/L, mit n = m/M. Beim Verdünnen kommt Lösungsmittel hinzu, aber kein gelöster Stoff, daher bleibt die Stoffmenge gleich: c₁·V₁ = c₂·V₂. Mischt man zwei Lösungen desselben Stoffes, addieren sich die Stoffmengen und ebenso die Volumina.

Volumen der Stammlösung

V1 = c2·V2/c1 = 0,2·200/6 = 6,667 mL

Zuzugebendes Wasser

Vwater = 200 − 6,667 = 193,3 mL

Antwort

Vwater = 193,3 mL
4.Molarität & Verdünnung

Antwort: c = 2,5 mol/L

Molarität: Konzentration c = n/V in mol/L, mit n = m/M. Beim Verdünnen kommt Lösungsmittel hinzu, aber kein gelöster Stoff, daher bleibt die Stoffmenge gleich: c₁·V₁ = c₂·V₂. Mischt man zwei Lösungen desselben Stoffes, addieren sich die Stoffmengen und ebenso die Volumina.

Gesamtstoffmenge

n = 1,5·100 + 3·200 = 750 mmol

Konzentration der Mischung

c = 750/300 = 2,5 mol/L

Antwort

c = 2,5 mol/L
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: V = 22,09 L

Ideales Gasgesetz: PV = nRT, mit n = m/M.

Stoffmenge

n = 270/44,01 = 6,135 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Volumen

V = nRT/P = 6,135·8,314·303,1/700 = 22,09 L

Antwort

V = 22,09 L
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 4,621 kg/m³

Dichte eines idealen Gases: ρ = PM/(RT).

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Dichte

ρ = 400·32/(8,314·333,1) = 4,621 kg/m³

Antwort

ρ = 4,621 kg/m³
7.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 21,49 °C

Wärme und Enthalpie: Um einen Stoff zu erwärmen, braucht man q = m·c·ΔT. Im Kalorimeter ist die vom heißen Körper abgegebene Wärme gleich der vom kalten aufgenommenen. Die Reaktionsenthalpie folgt aus den Bildungsenthalpien: ΔH° = ΣΔH°f(Produkte) − ΣΔH°f(Edukte), jeweils mit dem Koeffizienten multipliziert.

Wärmebilanz

150·0,129·(140 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 16)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (19,35·140 + 418·16)/(19,35 + 418) = 21,49 °C

Antwort

Tf = 21,49 °C
8.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: ΔH° = −1453 kJ

Wärme und Enthalpie: Um einen Stoff zu erwärmen, braucht man q = m·c·ΔT. Im Kalorimeter ist die vom heißen Körper abgegebene Wärme gleich der vom kalten aufgenommenen. Die Reaktionsenthalpie folgt aus den Bildungsenthalpien: ΔH° = ΣΔH°f(Produkte) − ΣΔH°f(Edukte), jeweils mit dem Koeffizienten multipliziert.

Reaktionsenthalpie

ΔH° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Antwort

ΔH° = −1453 kJ

Negativ: Die Reaktion gibt Wärme ab (exotherm).

9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 0,3571 mol/L

Chemisches Gleichgewicht: Für aA + bB ⇌ cC + dD ist die Gleichgewichtskonstante Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), gebildet mit den Konzentrationen im Gleichgewicht. Eine ICE-Tabelle (Initial = Anfang, Change = Änderung, Equilibrium = Gleichgewicht) verknüpft die Anfangsmengen über eine einzige Unbekannte x, skaliert mit den Koeffizienten, mit den Gleichgewichtsmengen.

Gleichgewichtsausdruck

25 = (2x)²/(0,25 − x)²

Wurzel ziehen

5 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·5/(2 + 5) = 0,1786 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 0,3571 mol/L

Antwort

[HI] = 0,3571 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 0,1377 mol/L

Chemisches Gleichgewicht: Für aA + bB ⇌ cC + dD ist die Gleichgewichtskonstante Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), gebildet mit den Konzentrationen im Gleichgewicht. Eine ICE-Tabelle (Initial = Anfang, Change = Änderung, Equilibrium = Gleichgewicht) verknüpft die Anfangsmengen über eine einzige Unbekannte x, skaliert mit den Koeffizienten, mit den Gleichgewichtsmengen.

Gleichgewichtsausdruck

0,5 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,5·x − 0,2 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,2))/2 = 0,2623 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,4 − 0,2623 = 0,1377 mol/L

Antwort

[PCl5] = 0,1377 mol/L
11.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 2,382

pH-Wert: pH = −log₁₀[H₃O⁺] und pOH = −log₁₀[OH⁻], mit pH + pOH = 14 bei 25 °C. Starke Säuren und Basen dissoziieren vollständig. Eine schwache Säure nur teilweise: Ka = x²/(c − x), mit x = [H₃O⁺]. Ein Puffer aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base folgt Henderson–Hasselbalch: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

Gleichgewicht

HA ⇌ H⁺ + A⁻: x mol/L der Säure dissoziieren.

Ka = x²/(0,1 − x) → x = 0,004154 mol/L

pH-Wert

pH = −log(0,004154) = 2,382

Antwort

pH = 2,382
12.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 3,036

pH-Wert: pH = −log₁₀[H₃O⁺] und pOH = −log₁₀[OH⁻], mit pH + pOH = 14 bei 25 °C. Starke Säuren und Basen dissoziieren vollständig. Eine schwache Säure nur teilweise: Ka = x²/(c − x), mit x = [H₃O⁺]. Ein Puffer aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base folgt Henderson–Hasselbalch: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

Neutralisation

n(HA) = 0,25 − 0,02 = 0,23 mol
n(A⁻) = 0,15 + 0,02 = 0,17 mol

Henderson–Hasselbalch

pH = 3,167 + log(0,17/0,23) = 3,036

Antwort

pH = 3,036
13.Reaktionskinetik

Antwort: CA = 0,2 mol/L

Reaktionsgeschwindigkeit: Für eine Reaktion erster Ordnung gilt −dC/dt = kC, also C = C₀·e−kt, und die Halbwertszeit ln 2/k hängt nicht von der Konzentration ab. Für eine Reaktion zweiter Ordnung gilt 1/C = 1/C₀ + kt. Die Geschwindigkeitskonstante steigt mit der Temperatur nach Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Integriertes Gesetz zweiter Ordnung

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 0,4·10 = 5 L/mol
CA = 1/5 = 0,2 mol/L

Antwort

CA = 0,2 mol/L
14.Reaktionskinetik

Antwort: A = 1,709 × 10¹¹ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Absolute Temperatur

T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Arrhenius nach A auflösen

Ea/(RT) = 80000/(8,314·323,1) = 29,78
A = k·e29,78 = 0,02·8,547 × 10¹² = 1,709 × 10¹¹ s⁻¹

Antwort

A = 1,709 × 10¹¹ s⁻¹

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