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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
20 g Fe2O3 und 40 g CO reagieren nach Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Welche Masse m an Fe kann entstehen?
M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 g/mol
m = g
2.StöchiometrieSchwer
Bei der Reaktion C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O reagieren 30 g C3H8 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 55,69 g CO2 gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.
M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/moltatsächlich: 55,69 g
Y = %
3.Molarität & VerdünnungMittel
Du brauchst 1000 mL einer Lösung mit 0,05 mol/L und hast eine Stammlösung mit 6 mol/L. Wie viel Wasser Vwater gibst du zur Stammlösung?
c1 = 6 mol/Lc2 = 0,05 mol/LV2 = 1000 mL
Vwater = mL
4.Molarität & VerdünnungSchwer
150 mL einer Lösung mit 2 mol/L werden mit 50 mL einer Lösung desselben Stoffes mit 0,3 mol/L gemischt. Bestimme die Konzentration c der Mischung (die Volumina sind additiv).
c1 = 2 mol/LV1 = 150 mLc2 = 0,3 mol/LV2 = 50 mL
c = mol/L
5.Ideales GasgesetzMittel
Ein Behälter mit 5 L enthält 140 g He bei 70 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.
Ein Block aus Zink mit 100 g (c = 0,388 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 120 °C wird in einem isolierten Becher in 400 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 17 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.
Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 250 g CH3OH (M = 32,04 g/mol) vollständig verbrennen: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.
0,2 mol/L H₂ und 0,2 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 25. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,1 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,25 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [Cl2].
[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
11.pH-Wert & PufferMittel
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
Ein Puffer von 1,00 L enthält 0,3 mol Ameisensäure und 0,25 mol ihrer konjugierten Base (Ka = 0,00018). Es werden 0,01 mol NaOH zugegeben. Bestimme den neuen pH-Wert pH.
Eine Reaktion erster Ordnung in einem Satzreaktor hat k = 0,05 min⁻¹. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 60 %? Bestimme t.
k = 0,05 min⁻¹X = 60 %
t = min
14.ReaktionskinetikSchwer
Eine Reaktion hat bei 20 °C eine Geschwindigkeitskonstante von 0,002 min⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 60 kJ/mol. Bestimme die Geschwindigkeitskonstante k2 bei 30 °C.
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) = 20/159,69 = 0,1252 mol
n(CO) = 40/28,01 = 1,428 mol
Limitierender Reaktant
0,1252/1 = 0,1252, 1,428/3 = 0,476 → Fe2O3
Masse des Produkts
n(Fe) = 0,1252·2 = 0,2505 mol
m = 0,2505·55,85 = 13,99 g
Antwort
m = 13,99 g
2.Stöchiometrie
Antwort: Y = 62 %
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(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
m = 0,6803·3/1·44,01 = 89,82 g
Prozentuale Ausbeute
Y = 55,69/89,82·100 = 62%
Antwort
Y = 62%
3.Molarität & Verdünnung
Antwort: Vwater = 991,7 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 = 0,05·1000/6 = 8,333 mL
Zuzugebendes Wasser
Vwater = 1000 − 8,333 = 991,7 mL
Antwort
Vwater = 991,7 mL
4.Molarität & Verdünnung
Antwort: c = 1,575 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 = 2·150 + 0,3·50 = 315 mmol
Konzentration der Mischung
c = 315/200 = 1,575 mol/L
Antwort
c = 1,575 mol/L
5.Ideales Gasgesetz
Antwort: P = 19956 kPa
Ideales Gasgesetz: PV = nRT, mit n = m/M.
Stoffmenge
n = m/M = 140/4,003 = 34,97 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K
Druck
P = nRT/V = 34,97·8,314·343,1/0,005 = 19956 kPa
Antwort
P = 19956 kPa
6.Ideales Gasgesetz
Antwort: ρ = 1,314 kg/m³
Dichte eines idealen Gases: ρ = PM/(RT).
Gasgesetz umstellen
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Dichte
ρ = 800·4,003/(8,314·293,1) = 1,314 kg/m³
Antwort
ρ = 1,314 kg/m³
7.Kalorimetrie & Enthalpie
Antwort: Tf = 19,34 °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
100·0,388·(120 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 17)
Nach der Endtemperatur auflösen
Tf = (38,8·120 + 1672·17)/(38,8 + 1672) = 19,34 °C
Antwort
Tf = 19,34 °C
8.Kalorimetrie & Enthalpie
Antwort: q = 5668 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.
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/(0,25 − x) → x² + 0,1·x − 0,025 = 0
Quadratische Gleichung lösen
x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,025))/2 = 0,1158 mol/L
Gleichgewichtskonzentration
[Cl₂] = x = 0,1158 mol/L
Antwort
[Cl2] = 0,1158 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 = 3,697
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⁻) = 0,25 + 0,01 = 0,26 mol
Henderson–Hasselbalch
pH = 3,745 + log(0,26/0,29) = 3,697
Antwort
pH = 3,697
13.Reaktionskinetik
Antwort: t = 18,33 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 = 0,4
Nach der Zeit auflösen
t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,4)/0,05 = 18,33 min
Antwort
t = 18,33 min
14.Reaktionskinetik
Antwort: k2 = 0,004505 min⁻¹
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).