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​)

8 g Fe2O3 und 32 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(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Bei der Reaktion CaCO3 → CaO + CO2 reagieren 30 g CaCO3 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 8,18 g CO2 gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/moltatsächlich: 8,18 g
Y = %
3.Molarität & VerdünnungMittel
6 mol/LV1​ = ?0,25 mol/L1000 mL

Du brauchst 1000 mL einer Lösung mit 0,25 mol/L und hast eine Stammlösung mit 6 mol/L. Welches Volumen V1 der Stammlösung brauchst du?

c1 = 6 mol/Lc2 = 0,25 mol/LV2 = 1000 mL
V1 = mL
4.Molarität & VerdünnungSchwer
1,5 mol/L50 mL2,5 mol/L100 mLc = ?150 mL

50 mL einer Lösung mit 1,5 mol/L werden mit 100 mL einer Lösung desselben Stoffes mit 2,5 mol/L gemischt. Bestimme die Konzentration c der Mischung (die Volumina sind additiv).

c1 = 1,5 mol/LV1 = 50 mLc2 = 2,5 mol/LV2 = 100 mL
c = mol/L
5.Ideales GasgesetzMittel
310 g ArP = 150 kPaT = 85 °CV = ?

Welches Volumen V nehmen 310 g Ar bei 150 kPa und 85 °C ein? Behandle es als ideales Gas.

m = 310 gM = 39,95 g/molP = 150 kPaT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideales GasgesetzSchwer
N₂, M = 28,01 g/molP = 950 kPaT = 140 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von N₂ bei 950 kPa und 140 °C als ideales Gas.

M = 28,01 g/molP = 950 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Eisenm = 75 gT = 190 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Wasserm = 250 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Eisen mit 75 g (c = 0,449 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 190 °C wird in einem isolierten Becher in 250 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 25 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 250 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
8.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
HC3​H8​ + 5O₂Edukte3CO₂ + 4H₂O(l)ProdukteΔH° = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien ΔH° für die Reaktion C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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 = 16. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,08 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,1 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.pH-Wert & PufferMittel
02468101214sauerneutralbasischpH = ?

Bestimme den pH-Wert pH einer 0,5-mol/L-Lösung von Benzoesäure (Ka = 6,3 × 10⁻⁵).

c = 0,5 mol/LKa = 6,3 × 10⁻⁵
pH =
12.pH-Wert & PufferSchwer
02468101214sauerneutralbasischpH = ?

Ein Puffer von 1,00 L enthält 0,3 mol Milchsäure und 0,2 mol ihrer konjugierten Base (Ka = 0,00014). Es werden 0,01 mol NaOH zugegeben. Bestimme den neuen pH-Wert pH.

n(HA) = 0,3 moln(A⁻) = 0,2 moln(OH⁻) = 0,01 molKa = 0,00014
pH =
13.ReaktionskinetikMittel
t (min)X (%)t = ?75%

Eine Reaktion erster Ordnung in einem Satzreaktor hat k = 0,2 min⁻¹. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 75 %? Bestimme t.

k = 0,2 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.ReaktionskinetikSchwer
t (min)X (%)20 minX = ?

Eine Reaktion erster Ordnung hat bei 25 °C k = 0,005 min⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 60 kJ/mol. Der Satzreaktor wird jetzt 20 min lang bei 50 °C betrieben. Bestimme den erreichten Umsatz X.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 60 kJ/molT2 = 50 °Ct = 20 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %

3Lösungen

1.Stöchiometrie

Antwort: m = 6,614 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) = 8/159,69 = 0,0501 mol
n(CO) = 32/28,01 = 1,142 mol

Limitierender Reaktant

0,0501/1 = 0,0501, 1,142/3 = 0,3808 → Fe2O3

Masse des Produkts

n(CO2) = 0,0501·3 = 0,1503 mol
m = 0,1503·44,01 = 6,614 g

Antwort

m = 6,614 g
2.Stöchiometrie

Antwort: Y = 62,01 %

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(CaCO3) = 30/100,09 = 0,2997 mol
m = 0,2997·1/1·44,01 = 13,19 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 8,18/13,19·100 = 62,01%

Antwort

Y = 62,01%
3.Molarität & Verdünnung

Antwort: V1 = 41,67 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 = 0,25·1000/6 = 41,67 mL

Antwort

V1 = 41,67 mL
4.Molarität & Verdünnung

Antwort: c = 2,167 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 = 1,5·50 + 2,5·100 = 325 mmol

Konzentration der Mischung

c = 325/150 = 2,167 mol/L

Antwort

c = 2,167 mol/L
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: V = 154 L

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

Stoffmenge

n = 310/39,95 = 7,76 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Volumen

V = nRT/P = 7,76·8,314·358,1/150 = 154 L

Antwort

V = 154 L
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 7,747 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 140 + 273,15 = 413,1 K

Dichte

ρ = 950·28,01/(8,314·413,1) = 7,747 kg/m³

Antwort

ρ = 7,747 kg/m³
7.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 30,15 °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

75·0,449·(190 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 25)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (33,68·190 + 1045·25)/(33,68 + 1045) = 30,15 °C

Antwort

Tf = 30,15 °C
8.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Antwort

ΔH° = −2220 kJ

Negativ: Die Reaktion gibt Wärme ab (exotherm).

9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 0,3333 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

16 = (2x)²/(0,25 − x)²

Wurzel ziehen

4 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·4/(2 + 4) = 0,1667 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 0,3333 mol/L

Antwort

[HI] = 0,3333 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 0,04202 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

0,08 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,08·x − 0,008 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,008))/2 = 0,05798 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,1 − 0,05798 = 0,04202 mol/L

Antwort

[PCl5] = 0,04202 mol/L
11.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 2,253

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/(0,5 − x) → x = 0,005581 mol/L

pH-Wert

pH = −log(0,005581) = 2,253

Antwort

pH = 2,253
12.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 3,714

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) = 0,3 − 0,01 = 0,29 mol
n(A⁻) = 0,2 + 0,01 = 0,21 mol

Henderson–Hasselbalch

pH = 3,854 + log(0,21/0,29) = 3,714

Antwort

pH = 3,714
13.Reaktionskinetik

Antwort: t = 6,931 min

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).

Umsatz und Konzentration

C/C0 = 1 − X = 0,25

Nach der Zeit auflösen

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,25)/0,2 = 6,931 min

Antwort

t = 6,931 min
14.Reaktionskinetik

Antwort: X = 47,82 %

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).

Geschwindigkeitskonstante bei der neuen Temperatur

T1 = 298,1 K, T2 = 323,1 K
k2 = 0,005·e−(60000/8,314)·(1/323,1 − 1/298,1) = 0,03253 min⁻¹

Umsatz

X = 1 − e−0,03253·20 = 1 − 0,5218 = 47,82 %

Antwort

X = 47,82 %

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