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

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

Methode

Schreibe K_c 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 K_c 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⁺] ≈ √(K_a·c)
Puffer: pH = pK_a + 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 K_a = x²/(c − x) nach x = [H⁺].
pH = −log[H⁺], und pH + pOH = 14 bei 25 °C.

Reaktionskinetik

Erste Ordnung: ln(C_A/C_A0) = −kt
Halbwertszeit (erste Ordnung): t_½ = ln 2/k
Zweite Ordnung: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Zwei Temperaturen: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

2Übungsaufgaben

1.StöchiometrieMittel

20 g Al und 24 g Cl₂ reagieren nach 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃. Welche Masse m an AlCl₃ kann entstehen?

M(Al) = 26,98M(Cl₂) = 70,9M(AlCl₃) = 133,33 g/mol

m = g

2.StöchiometrieSchwer

Bei der Reaktion CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O reagieren 6 g CH₄ vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 12,67 g H₂O gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(CH₄) = 16,04 g/molM(H₂O) = 18,02 g/moltatsächlich: 12,67 g

Y = %

3.Molarität & VerdünnungMittel

Du brauchst 500 mL einer Lösung mit 0,25 mol/L und hast eine Stammlösung mit 1 mol/L. Welches Volumen V₁ der Stammlösung brauchst du?

c₁ = 1 mol/Lc₂ = 0,25 mol/LV₂ = 500 mL

V₁ = mL

4.Molarität & VerdünnungSchwer

150 mL einer Lösung mit 0,25 mol/L werden mit 500 mL einer Lösung desselben Stoffes mit 3 mol/L gemischt. Bestimme die Konzentration c der Mischung (die Volumina sind additiv).

c₁ = 0,25 mol/LV₁ = 150 mLc₂ = 3 mol/LV₂ = 500 mL

c = mol/L

5.Ideales GasgesetzMittel

Ein Behälter mit 20 L enthält 390 g N₂ bei 100 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 390 gM = 28,01 g/molV = 20 LT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Ideales GasgesetzSchwer

Eine feste Menge He geht von 250 kPa, 20 L, 25 °C über zu 100 kPa und 160 °C. Bestimme das neue Volumen V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 20 LT₁ = 25 °CP₂ = 100 kPaT₂ = 160 °C

V₂ = L

7.Kalorimetrie & EnthalpieMittel

Ein Block aus Aluminium mit 200 g (c = 0,897 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 190 °C wird in einem isolierten Becher in 150 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 18 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 190 °Cm_water = 150 gT_water = 18 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

8.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 250 g C₂H₅OH (M = 46,07 g/mol) vollständig verbrennen: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

9.Chemisches GleichgewichtMittel

0,1 mol/L H₂ und 0,1 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit K_c = 36. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LK_c = 36

[HI] = mol/L

10.Chemisches GleichgewichtSchwer

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit K_c = 0,05 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,25 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,05

[PCl₅] = mol/L

11.pH-Wert & PufferMittel

Bestimme den pH-Wert pH einer 0,5-mol/L-Lösung von hypochlorige Säure (Ka = 3 × 10⁻⁸).

c = 0,5 mol/LKa = 3 × 10⁻⁸

pH =

12.pH-Wert & PufferSchwer

Ein Puffer enthält 0,2 mol/L Benzoesäure und 0,8 mol/L ihres Natriumsalzes. Ka = 6,3 × 10⁻⁵. Bestimme den pH-Wert pH des Puffers.

[HA] = 0,2[A⁻] = 0,8Ka = 6,3 × 10⁻⁵

pH =

13.ReaktionskinetikMittel

Bei einer Reaktion erster Ordnung fällt die Konzentration von A in 10 min von 2 mol/L auf 0,7 mol/L. Bestimme die Geschwindigkeitskonstante k.

C_A0 = 2 mol/LC_A = 0,7 mol/Lt = 10 min

k = min⁻¹

14.ReaktionskinetikSchwer

Eine Reaktion erster Ordnung hat bei 40 °C eine Geschwindigkeitskonstante von 0,005 s⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 60 kJ/mol. Bestimme den Stoßfaktor (präexponentiellen Faktor) A in der Arrhenius-Gleichung.

k = 0,005 s⁻¹T = 40 °CE_a = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

3Lösungen

1.Stöchiometrie

Antwort: m = 30,09 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(Al) = 20/26,98 = 0,7413 mol

n(Cl₂) = 24/70,9 = 0,3385 mol

Limitierender Reaktant

0,7413/2 = 0,3706, 0,3385/3 = 0,1128 → Cl₂

Masse des Produkts

n(AlCl₃) = 0,1128·2 = 0,2257 mol

m = 0,2257·133,33 = 30,09 g

Antwort

m = 30,09 g

2.Stöchiometrie

Antwort: Y = 93,98 %

Theoretische Ausbeute

n(CH₄) = 6/16,04 = 0,3741 mol

m = 0,3741·2/1·18,02 = 13,48 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 12,67/13,48·100 = 93,98%

Antwort

Y = 93,98%

3.Molarität & Verdünnung

Antwort: V₁ = 125 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 = 0,25·500/1 = 125 mL

Antwort

V₁ = 125 mL

4.Molarität & Verdünnung

Antwort: c = 2,365 mol/L

Gesamtstoffmenge

n = 0,25·150 + 3·500 = 1538 mmol

Konzentration der Mischung

c = 1538/650 = 2,365 mol/L

Antwort

c = 2,365 mol/L

5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 2160 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 390/28,01 = 13,92 mol

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Druck

P = nRT/V = 13,92·8,314·373,1/0,02 = 2160 kPa

Antwort

P = 2160 kPa

6.Ideales Gasgesetz

Antwort: V₂ = 72,64 L

Allgemeine Gasgleichung: Für eine feste Menge eines idealen Gases gilt P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Absolute Temperaturen

T₁ = 298,1 K, T₂ = 433,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 20·(250/100)·(433,1/298,1) = 72,64 L

Antwort

V₂ = 72,64 L

7.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: T_f = 56,26 °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

200·0,897·(190 − T_f) = 150·4,18·(T_f − 18)

Nach der Endtemperatur auflösen

T_f = (179,4·190 + 627·18)/(179,4 + 627) = 56,26 °C

Antwort

T_f = 56,26 °C

8.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 7416 kJ

Reaktionsenthalpie

ΔH° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Wärme für die gegebene Masse

n = 250/46,07 = 5,427 mol

q = n·|ΔH°/1| = 5,427·1367 = 7416 kJ

Antwort

q = 7416 kJ

9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 0,15 mol/L

Chemisches Gleichgewicht: Für aA + bB ⇌ cC + dD ist die Gleichgewichtskonstante K_c = [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

36 = (2x)²/(0,1 − x)²

Wurzel ziehen

6 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·6/(2 + 6) = 0,075 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 0,15 mol/L

Antwort

[HI] = 0,15 mol/L

10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl₅] = 0,1604 mol/L

Gleichgewichtsausdruck

0,05 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,05·x − 0,0125 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,0125))/2 = 0,08956 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,25 − 0,08956 = 0,1604 mol/L

Antwort

[PCl₅] = 0,1604 mol/L

11.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 3,912

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 = 0,0001225 mol/L

pH-Wert

pH = −log(0,0001225) = 3,912

Antwort

pH = 3,912

12.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 4,803

pKa

pKa = 4,201

Henderson–Hasselbalch

pH = 4,201 + log(0,8/0,2) = 4,803

Antwort

pH = 4,803

13.Reaktionskinetik

Antwort: k = 0,105 min⁻¹

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Integriertes Gesetz erster Ordnung

k = ln(C_A0/C_A)/t = ln(2/0,7)/10 = 1,05/10 = 0,105 min⁻¹

Antwort

k = 0,105 min⁻¹

14.Reaktionskinetik

Antwort: A = 5,1 × 10⁷ 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 = 40 + 273,15 = 313,1 K

Arrhenius nach A auflösen

E_a/(RT) = 60000/(8,314·313,1) = 23,05

A = k·e^23,05 = 0,005·1,020 × 10¹⁰ = 5,1 × 10⁷ s⁻¹

Antwort

A = 5,1 × 10⁷ s⁻¹

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