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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
Stelle die Reaktionsgleichung auf und gleiche sie aus.
Rechne die gegebene Masse in Stoffmenge um: n = m/M.
Verwende die Koeffizienten als Stoffmengenverhältnis, um die Stoffmenge des gesuchten Stoffs zu bestimmen.
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
Rechne die Masse mit n = m/M in Mol um.
Rechne das Volumen in Liter um.
Stoffmengenkonzentration c = n/V in mol/L.
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
Schreibe Kc als Produkte über Edukte, jeweils mit ihrem Koeffizienten als Exponent.
Stelle eine ICE-Tabelle auf: Anfang (Initial), Änderung (Change, in Schritten von x mal den Koeffizienten), Gleichgewicht (Equilibrium).
Setze die Gleichgewichtsausdrücke in Kc ein und löse nach x.
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
Entscheide, ob die Säure oder Base stark (vollständig dissoziiert) oder schwach ist.
Starke Säure: [H⁺] ist gleich ihrer Konzentration. Starke Base: Bestimme zuerst [OH⁻].
Schwache Säure: Löse Ka = x²/(c − x) nach x = [H⁺].
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
24 g Mg und 48 g O2 reagieren nach 2Mg + O2 → 2MgO. Welche Masse m an MgO kann entstehen?
M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
2.StöchiometrieSchwer
Bei der Reaktion 2Na + Cl2 → 2NaCl reagieren 20 g Na vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 38,13 g NaCl gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.
M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/moltatsächlich: 38,13 g
Y = %
3.Molarität & VerdünnungMittel
Du brauchst 1000 mL einer Lösung mit 0,5 mol/L und hast eine Stammlösung mit 5 mol/L. Welches Volumen V1 der Stammlösung brauchst du?
c1 = 5 mol/Lc2 = 0,5 mol/LV2 = 1000 mL
V1 = mL
4.Molarität & VerdünnungSchwer
100 mL einer Lösung mit 2 mol/L werden mit 400 mL einer Lösung desselben Stoffes mit 2,5 mol/L gemischt. Bestimme die Konzentration c der Mischung (die Volumina sind additiv).
c1 = 2 mol/LV1 = 100 mLc2 = 2,5 mol/LV2 = 400 mL
c = mol/L
5.Ideales GasgesetzMittel
Welches Volumen V nehmen 20 g CH₄ bei 650 kPa und 55 °C ein? Behandle es als ideales Gas.
Ein Block aus Aluminium mit 250 g (c = 0,897 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 200 °C wird in einem isolierten Becher in 200 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 15 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.
0,4 mol/L H₂ und 0,4 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 4. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,1 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,4 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].
[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.pH-Wert & PufferMittel
Bestimme den pH-Wert pH einer 0,1-mol/L-Lösung von Milchsäure (Ka = 0,00014).
c = 0,1 mol/LKa = 0,00014
pH =
12.pH-Wert & PufferSchwer
Ein Puffer enthält 0,25 mol/L Milchsäure und 0,15 mol/L ihres Natriumsalzes. Ka = 0,00014. Bestimme den pH-Wert pH des Puffers.
[HA] = 0,25[A⁻] = 0,15Ka = 0,00014
pH =
13.ReaktionskinetikMittel
Eine Reaktion mit dem Geschwindigkeitsgesetz −rA = k·CA² hat k = 1 L/(mol·min) und startet bei 0,5 mol/L. Bestimme die Konzentration CA nach 10 min.
k = 1 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.ReaktionskinetikSchwer
Die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion beträgt 0,02 min⁻¹ bei 25 °C und 0,0385 min⁻¹ bei 35 °C. Bestimme die Aktivierungsenergie Ea.
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(Mg) = 24/24,31 = 0,9872 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol
Limitierender Reaktant
0,9872/2 = 0,4936, 1,5/1 = 1,5 → Mg
Masse des Produkts
n(MgO) = 0,4936·2 = 0,9872 mol
m = 0,9872·40,3 = 39,79 g
Antwort
m = 39,79 g
2.Stöchiometrie
Antwort: Y = 75 %
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(Na) = 20/22,99 = 0,8699 mol
m = 0,8699·2/2·58,44 = 50,84 g
Prozentuale Ausbeute
Y = 38,13/50,84·100 = 75%
Antwort
Y = 75%
3.Molarität & Verdünnung
Antwort: V1 = 100 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 = 0,5·1000/5 = 100 mL
Antwort
V1 = 100 mL
4.Molarität & Verdünnung
Antwort: c = 2,4 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 = 2·100 + 2,5·400 = 1200 mmol
Konzentration der Mischung
c = 1200/500 = 2,4 mol/L
Antwort
c = 2,4 mol/L
5.Ideales Gasgesetz
Antwort: V = 5,234 L
Ideales Gasgesetz: PV = nRT, mit n = m/M.
Stoffmenge
n = 20/16,04 = 1,247 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K
Volumen
V = nRT/P = 1,247·8,314·328,1/650 = 5,234 L
Antwort
V = 5,234 L
6.Ideales Gasgesetz
Antwort: V2 = 0,7677 L
Allgemeine Gasgleichung: Für eine feste Menge eines idealen Gases gilt P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absolute Temperaturen
T1 = 308,1 K, T2 = 473,1 K
Allgemeine Gasgleichung
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/400)·(473,1/308,1) = 0,7677 L
Antwort
V2 = 0,7677 L
7.Kalorimetrie & Enthalpie
Antwort: Tf = 54,13 °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
250·0,897·(200 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 15)
Nach der Endtemperatur auflösen
Tf = (224,3·200 + 836·15)/(224,3 + 836) = 54,13 °C
Antwort
Tf = 54,13 °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.
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
4 = (2x)²/(0,4 − x)²
Wurzel ziehen
2 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·2/(2 + 2) = 0,2 mol/L
Gleichgewichtskonzentration
[H₂] = 0,4 − x = 0,2 mol/L
Antwort
[H2] = 0,2 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht
Antwort: [PCl5] = 0,2438 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
0,1 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,1·x − 0,04 = 0
Quadratische Gleichung lösen
x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,04))/2 = 0,1562 mol/L
Gleichgewichtskonzentration
[PCl₅] = 0,4 − 0,1562 = 0,2438 mol/L
Antwort
[PCl5] = 0,2438 mol/L
11.pH-Wert & Puffer
Antwort: pH = 2,435
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 = 0,003672 mol/L
pH-Wert
pH = −log(0,003672) = 2,435
Antwort
pH = 2,435
12.pH-Wert & Puffer
Antwort: pH = 3,632
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]).
pKa
pKa = 3,854
Henderson–Hasselbalch
pH = 3,854 + log(0,15/0,25) = 3,632
Antwort
pH = 3,632
13.Reaktionskinetik
Antwort: CA = 0,08333 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 = 2 + 1·10 = 12 L/mol
CA = 1/12 = 0,08333 mol/L
Antwort
CA = 0,08333 mol/L
14.Reaktionskinetik
Antwort: Ea = 50,03 kJ/mol
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).
Absolute Temperaturen
T1 = 298,1 K, T2 = 308,1 K
Arrhenius nach Ea auflösen
Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,6549/(-1,088e-4) = 50026 J/mol