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

10 g N₂ und 16 g H₂ reagieren nach N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Welche Masse m an NH₃ kann entstehen?

M(N₂) = 28,02M(H₂) = 2,016M(NH₃) = 17,03 g/mol

m = g

2.StöchiometrieSchwer

Bei der Reaktion 2Na + Cl₂ → 2NaCl reagieren 16 g Na vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 38,23 g NaCl gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/moltatsächlich: 38,23 g

Y = %

3.Molarität & VerdünnungMittel

Du brauchst 1000 mL einer Lösung mit 0,1 mol/L und hast eine Stammlösung mit 0,5 mol/L. Wie viel Wasser V_water gibst du zur Stammlösung?

c₁ = 0,5 mol/Lc₂ = 0,1 mol/LV₂ = 1000 mL

V_water = mL

4.Molarität & VerdünnungSchwer

100 mL einer Lösung mit 0,5 mol/L werden mit 200 mL einer Lösung desselben Stoffes mit 0,05 mol/L gemischt. Bestimme die Konzentration c der Mischung (die Volumina sind additiv).

c₁ = 0,5 mol/LV₁ = 100 mLc₂ = 0,05 mol/LV₂ = 200 mL

c = mol/L

5.Ideales GasgesetzMittel

Ein Behälter mit 50 L enthält 330 g O₂ bei 85 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 330 gM = 32 g/molV = 50 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Ideales GasgesetzSchwer

Bestimme die Dichte ρ von CH₄ bei 1000 kPa und 120 °C als ideales Gas.

M = 16,04 g/molP = 1000 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.Kalorimetrie & EnthalpieMittel

Ein Block aus Eisen mit 250 g (c = 0,449 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 170 °C wird in einem isolierten Becher in 200 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 22 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,449 J/(g·°C)T_metal = 170 °Cm_water = 200 gT_water = 22 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

8.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien ΔH° für die Reaktion 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C₂H₆) = −84,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

9.Chemisches GleichgewichtMittel

1 mol/L H₂ und 1 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit K_c = 16. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 16

[HI] = mol/L

10.Chemisches GleichgewichtSchwer

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit K_c = 0,04 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,25 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,04

[Cl₂] = mol/L

11.pH-Wert & PufferMittel

Bestimme den pH-Wert pH einer 0,25-mol/L-Lösung von Essigsäure (Ka = 1,8 × 10⁻⁵).

c = 0,25 mol/LKa = 1,8 × 10⁻⁵

pH =

12.pH-Wert & PufferSchwer

Ein Puffer enthält 0,1 mol/L Milchsäure und 0,2 mol/L ihres Natriumsalzes. Ka = 0,00014. Bestimme den pH-Wert pH des Puffers.

[HA] = 0,1[A⁻] = 0,2Ka = 0,00014

pH =

13.ReaktionskinetikMittel

Eine Reaktion nullter Ordnung hat k = 0,01 mol/(L·min) und startet bei 0,8 mol/L. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 80 %? Bestimme t.

k = 0,01 mol/(L·min)C_A0 = 0,8 mol/LX = 80 %

t = min

14.ReaktionskinetikSchwer

Eine Reaktion hat eine Aktivierungsenergie von 70 kJ/mol. Bei 20 °C ist sie zu langsam. Auf welche Temperatur T₂ (in °C) muss man sie erwärmen, damit sie 3-mal schneller abläuft?

E_a = 70 kJ/molT₁ = 20 °Ck₂/k₁ = 3R = 8,314 J/(mol·K)

T₂ = °C

3Lösungen

1.Stöchiometrie

Antwort: m = 12,16 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(N₂) = 10/28,02 = 0,3569 mol

n(H₂) = 16/2,016 = 7,937 mol

Limitierender Reaktant

0,3569/1 = 0,3569, 7,937/3 = 2,646 → N₂

Masse des Produkts

n(NH₃) = 0,3569·2 = 0,7138 mol

m = 0,7138·17,03 = 12,16 g

Antwort

m = 12,16 g

2.Stöchiometrie

Antwort: Y = 94 %

Theoretische Ausbeute

n(Na) = 16/22,99 = 0,696 mol

m = 0,696·2/2·58,44 = 40,67 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 38,23/40,67·100 = 94%

Antwort

Y = 94%

3.Molarität & Verdünnung

Antwort: V_water = 800 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 = 0,1·1000/0,5 = 200 mL

Zuzugebendes Wasser

V_water = 1000 − 200 = 800 mL

Antwort

V_water = 800 mL

4.Molarität & Verdünnung

Antwort: c = 0,2 mol/L

Gesamtstoffmenge

n = 0,5·100 + 0,05·200 = 60 mmol

Konzentration der Mischung

c = 60/300 = 0,2 mol/L

Antwort

c = 0,2 mol/L

5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 614,1 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 330/32 = 10,31 mol

T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Druck

P = nRT/V = 10,31·8,314·358,1/0,05 = 614,1 kPa

Antwort

P = 614,1 kPa

6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 4,907 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 120 + 273,15 = 393,1 K

Dichte

ρ = 1000·16,04/(8,314·393,1) = 4,907 kg/m³

Antwort

ρ = 4,907 kg/m³

7.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: T_f = 39,52 °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

250·0,449·(170 − T_f) = 200·4,18·(T_f − 22)

Nach der Endtemperatur auflösen

T_f = (112,3·170 + 836·22)/(112,3 + 836) = 39,52 °C

Antwort

T_f = 39,52 °C

8.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: ΔH° = −3119 kJ

Reaktionsenthalpie

ΔH° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Antwort

ΔH° = −3119 kJ

Negativ: Die Reaktion gibt Wärme ab (exotherm).

9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 1,333 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

16 = (2x)²/(1 − x)²

Wurzel ziehen

4 = 2x/(1 − x) → x = 1·4/(2 + 4) = 0,6667 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 1,333 mol/L

Antwort

[HI] = 1,333 mol/L

10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [Cl₂] = 0,08198 mol/L

Gleichgewichtsausdruck

0,04 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,04·x − 0,01 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,01))/2 = 0,08198 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[Cl₂] = x = 0,08198 mol/L

Antwort

[Cl₂] = 0,08198 mol/L

11.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 2,675

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/(0,25 − x) → x = 0,002112 mol/L

pH-Wert

pH = −log(0,002112) = 2,675

Antwort

pH = 2,675

12.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 4,155

pKa

pKa = 3,854

Henderson–Hasselbalch

pH = 3,854 + log(0,2/0,1) = 4,155

Antwort

pH = 4,155

13.Reaktionskinetik

Antwort: t = 64 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 = 0,8·0,8 = 0,64 mol/L

Zeit

t = C_A0·X/k = 0,64/0,01 = 64 min

Antwort

t = 64 min

14.Reaktionskinetik

Antwort: T₂ = 31,66 °C

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

T₁ = 293,1 K

Arrhenius nach T₂ auflösen

1/T₂ = 1/293,1 − 8,314·ln(3)/70000 = 3,411 × 10⁻³ − 1,305 × 10⁻⁴ = 3,281 × 10⁻³ K⁻¹

T₂ = 304,8 K = 31,66 °C

Antwort

T₂ = 31,66 °C

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