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

6 g Fe₂O₃ und 80 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

Bei der Reaktion C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ reagieren 16 g C₆H₁₂O₆ vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 5,86 g CO₂ gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(C₆H₁₂O₆) = 180,16 g/molM(CO₂) = 44,01 g/moltatsächlich: 5,86 g

Y = %

3.Molarität & VerdünnungMittel

Du brauchst 200 mL einer Lösung mit 0,1 mol/L und hast eine Stammlösung mit 1,5 mol/L. Welches Volumen V₁ der Stammlösung brauchst du?

c₁ = 1,5 mol/Lc₂ = 0,1 mol/LV₂ = 200 mL

V₁ = mL

4.Molarität & VerdünnungSchwer

50 mL einer Lösung mit 0,5 mol/L werden mit 500 mL einer Lösung desselben Stoffes mit 1,2 mol/L gemischt. Bestimme die Konzentration c der Mischung (die Volumina sind additiv).

c₁ = 0,5 mol/LV₁ = 50 mLc₂ = 1,2 mol/LV₂ = 500 mL

c = mol/L

5.Ideales GasgesetzMittel

Ein Behälter mit 5 L enthält 470 g CH₄ bei 50 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 470 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Ideales GasgesetzSchwer

Eine feste Menge O₂ geht von 350 kPa, 10 L, 25 °C über zu 500 kPa und 140 °C. Bestimme das neue Volumen V₂.

P₁ = 350 kPaV₁ = 10 LT₁ = 25 °CP₂ = 500 kPaT₂ = 140 °C

V₂ = L

7.Kalorimetrie & EnthalpieMittel

Ein Block aus Kupfer mit 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 150 °C wird in einem isolierten Becher in 200 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 19 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,385 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 200 gT_water = 19 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

8.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 25 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

0,4 mol/L H₂ und 0,4 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit K_c = 25. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 25

[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 0,2 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LK_c = 0,05

[PCl₅] = mol/L

11.pH-Wert & PufferMittel

Bestimme den pH-Wert pH einer 0,01-mol/L-Lösung von hypochlorige Säure (Ka = 3 × 10⁻⁸).

c = 0,01 mol/LKa = 3 × 10⁻⁸

pH =

12.pH-Wert & PufferSchwer

Ein Puffer von 1,00 L enthält 0,1 mol Essigsäure und 0,15 mol ihrer konjugierten Base (Ka = 1,8 × 10⁻⁵). Es werden 0,01 mol NaOH zugegeben. Bestimme den neuen pH-Wert pH.

n(HA) = 0,1 moln(A⁻) = 0,15 moln(OH⁻) = 0,01 molKa = 1,8 × 10⁻⁵

pH =

13.ReaktionskinetikMittel

Eine Reaktion nullter Ordnung hat k = 0,005 mol/(L·min) und startet bei 0,5 mol/L. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 60 %? Bestimme t.

k = 0,005 mol/(L·min)C_A0 = 0,5 mol/LX = 60 %

t = min

14.ReaktionskinetikSchwer

Die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion beträgt 0,005 min⁻¹ bei 25 °C und 0,00844 min⁻¹ bei 35 °C. Bestimme die Aktivierungsenergie E_a.

k₁ = 0,005 min⁻¹T₁ = 25 °Ck₂ = 0,00844 min⁻¹T₂ = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

3Lösungen

1.Stöchiometrie

Antwort: m = 4,961 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) = 6/159,69 = 0,03757 mol

n(CO) = 80/28,01 = 2,856 mol

Limitierender Reaktant

0,03757/1 = 0,03757, 2,856/3 = 0,952 → Fe₂O₃

Masse des Produkts

n(CO₂) = 0,03757·3 = 0,1127 mol

m = 0,1127·44,01 = 4,961 g

Antwort

m = 4,961 g

2.Stöchiometrie

Antwort: Y = 74,96 %

Theoretische Ausbeute

n(C₆H₁₂O₆) = 16/180,16 = 0,08881 mol

m = 0,08881·2/1·44,01 = 7,817 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 5,86/7,817·100 = 74,96%

Antwort

Y = 74,96%

3.Molarität & Verdünnung

Antwort: V₁ = 13,33 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 = 0,1·200/1,5 = 13,33 mL

Antwort

V₁ = 13,33 mL

4.Molarität & Verdünnung

Antwort: c = 1,136 mol/L

Gesamtstoffmenge

n = 0,5·50 + 1,2·500 = 625 mmol

Konzentration der Mischung

c = 625/550 = 1,136 mol/L

Antwort

c = 1,136 mol/L

5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 15745 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 470/16,04 = 29,3 mol

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

Druck

P = nRT/V = 29,3·8,314·323,1/0,005 = 15745 kPa

Antwort

P = 15745 kPa

6.Ideales Gasgesetz

Antwort: V₂ = 9,7 L

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

Absolute Temperaturen

T₁ = 298,1 K, T₂ = 413,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(350/500)·(413,1/298,1) = 9,7 L

Antwort

V₂ = 9,7 L

7.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: T_f = 21,95 °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

50·0,385·(150 − T_f) = 200·4,18·(T_f − 19)

Nach der Endtemperatur auflösen

T_f = (19,25·150 + 836·19)/(19,25 + 836) = 21,95 °C

Antwort

T_f = 21,95 °C

8.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 741,6 kJ

Reaktionsenthalpie

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

Wärme für die gegebene Masse

n = 25/46,07 = 0,5427 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,5427·1367 = 741,6 kJ

Antwort

q = 741,6 kJ

9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 0,5714 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

25 = (2x)²/(0,4 − x)²

Wurzel ziehen

5 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·5/(2 + 5) = 0,2857 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 0,5714 mol/L

Antwort

[HI] = 0,5714 mol/L

10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl₅] = 0,1219 mol/L

Gleichgewichtsausdruck

0,05 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,05·x − 0,01 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,01))/2 = 0,07808 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,2 − 0,07808 = 0,1219 mol/L

Antwort

[PCl₅] = 0,1219 mol/L

11.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 4,762

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/(0,01 − x) → x = 1,731 × 10⁻⁵ mol/L

pH-Wert

pH = −log(1,731 × 10⁻⁵) = 4,762

Antwort

pH = 4,762

12.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 4,995

Neutralisation

n(HA) = 0,1 − 0,01 = 0,09 mol

n(A⁻) = 0,15 + 0,01 = 0,16 mol

Henderson–Hasselbalch

pH = 4,745 + log(0,16/0,09) = 4,995

Antwort

pH = 4,995

13.Reaktionskinetik

Antwort: t = 60 min

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).

Umgesetzte Menge

C_A0·X = 0,5·0,6 = 0,3 mol/L

Zeit

t = C_A0·X/k = 0,3/0,005 = 60 min

Antwort

t = 60 min

14.Reaktionskinetik

Antwort: E_a = 39,99 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

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·0,5235/(-1,088e-4) = 39991 J/mol

E_a = 39,99 kJ/mol

Antwort

E_a = 39,99 kJ/mol

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