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

4 g Mg und 8 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 Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ reagieren 10 g Fe₂O₃ vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 6,16 g Fe gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(Fe₂O₃) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/moltatsächlich: 6,16 g

Y = %

3.Molarität & VerdünnungMittel

Du brauchst 100 mL einer Lösung mit 0,05 mol/L und hast eine Stammlösung mit 4 mol/L. Welches Volumen V₁ der Stammlösung brauchst du?

c₁ = 4 mol/Lc₂ = 0,05 mol/LV₂ = 100 mL

V₁ = mL

4.Molarität & VerdünnungSchwer

50 mL einer Lösung mit 0,1 mol/L werden mit 200 mL einer Lösung desselben Stoffes mit 2,5 mol/L gemischt. Bestimme die Konzentration c der Mischung (die Volumina sind additiv).

c₁ = 0,1 mol/LV₁ = 50 mLc₂ = 2,5 mol/LV₂ = 200 mL

c = mol/L

5.Ideales GasgesetzMittel

Ein Behälter mit 20 L enthält 10 g Ar bei 75 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 10 gM = 39,95 g/molV = 20 LT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Ideales GasgesetzSchwer

Bestimme die Dichte ρ von CO₂ bei 750 kPa und 150 °C als ideales Gas.

M = 44,01 g/molP = 750 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.Kalorimetrie & EnthalpieMittel

Ein Block aus Eisen mit 200 g (c = 0,449 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 130 °C wird in einem isolierten Becher in 150 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 19 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0,449 J/(g·°C)T_metal = 130 °Cm_water = 150 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 250 g CH₄ (M = 16,04 g/mol) vollständig verbrennen: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.

ΔH°f(CH₄) = −74,8 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 = 9. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 9

[HI] = mol/L

10.Chemisches GleichgewichtSchwer

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit K_c = 0,2 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 = 0,2

[Cl₂] = mol/L

11.pH-Wert & PufferMittel

Bestimme den pH-Wert pH einer 0,2-mol/L-Lösung von Flusssäure (Ka = 0,00068).

c = 0,2 mol/LKa = 0,00068

pH =

12.pH-Wert & PufferSchwer

Ein Puffer von 1,00 L enthält 0,1 mol Milchsäure und 0,25 mol ihrer konjugierten Base (Ka = 0,00014). Es werden 0,02 mol NaOH zugegeben. Bestimme den neuen pH-Wert pH.

n(HA) = 0,1 moln(A⁻) = 0,25 moln(OH⁻) = 0,02 molKa = 0,00014

pH =

13.ReaktionskinetikMittel

Eine Reaktion erster Ordnung in einem Satzreaktor hat k = 0,1 min⁻¹. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 80 %? Bestimme t.

k = 0,1 min⁻¹X = 80 %

t = min

14.ReaktionskinetikSchwer

Eine Reaktion erster Ordnung hat bei 25 °C eine Geschwindigkeitskonstante von 0,02 s⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 100 kJ/mol. Bestimme den Stoßfaktor (präexponentiellen Faktor) A in der Arrhenius-Gleichung.

k = 0,02 s⁻¹T = 25 °CE_a = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

3Lösungen

1.Stöchiometrie

Antwort: m = 6,631 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(Mg) = 4/24,31 = 0,1645 mol

n(O₂) = 8/32 = 0,25 mol

Limitierender Reaktant

0,1645/2 = 0,08227, 0,25/1 = 0,25 → Mg

Masse des Produkts

n(MgO) = 0,08227·2 = 0,1645 mol

m = 0,1645·40,3 = 6,631 g

Antwort

m = 6,631 g

2.Stöchiometrie

Antwort: Y = 88,07 %

Theoretische Ausbeute

n(Fe₂O₃) = 10/159,69 = 0,06262 mol

m = 0,06262·2/1·55,85 = 6,995 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 6,16/6,995·100 = 88,07%

Antwort

Y = 88,07%

3.Molarität & Verdünnung

Antwort: V₁ = 1,25 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 = 0,05·100/4 = 1,25 mL

Antwort

V₁ = 1,25 mL

4.Molarität & Verdünnung

Antwort: c = 2,02 mol/L

Gesamtstoffmenge

n = 0,1·50 + 2,5·200 = 505 mmol

Konzentration der Mischung

c = 505/250 = 2,02 mol/L

Antwort

c = 2,02 mol/L

5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 36,23 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 10/39,95 = 0,2503 mol

T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Druck

P = nRT/V = 0,2503·8,314·348,1/0,02 = 36,23 kPa

Antwort

P = 36,23 kPa

6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 9,382 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 150 + 273,15 = 423,1 K

Dichte

ρ = 750·44,01/(8,314·423,1) = 9,382 kg/m³

Antwort

ρ = 9,382 kg/m³

7.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: T_f = 32,91 °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

200·0,449·(130 − T_f) = 150·4,18·(T_f − 19)

Nach der Endtemperatur auflösen

T_f = (89,8·130 + 627·19)/(89,8 + 627) = 32,91 °C

Antwort

T_f = 32,91 °C

8.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 13876 kJ

Reaktionsenthalpie

ΔH° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Wärme für die gegebene Masse

n = 250/16,04 = 15,59 mol

q = n·|ΔH°/1| = 15,59·890,3 = 13876 kJ

Antwort

q = 13876 kJ

9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 0,48 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

9 = (2x)²/(0,4 − x)²

Wurzel ziehen

3 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·3/(2 + 3) = 0,24 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 0,48 mol/L

Antwort

[HI] = 0,48 mol/L

10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [Cl₂] = 0,1449 mol/L

Gleichgewichtsausdruck

0,2 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,2·x − 0,05 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,05))/2 = 0,1449 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[Cl₂] = x = 0,1449 mol/L

Antwort

[Cl₂] = 0,1449 mol/L

11.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 1,946

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/(0,2 − x) → x = 0,01133 mol/L

pH-Wert

pH = −log(0,01133) = 1,946

Antwort

pH = 1,946

12.pH-Wert & Puffer

Antwort: pH = 4,382

Neutralisation

n(HA) = 0,1 − 0,02 = 0,08 mol

n(A⁻) = 0,25 + 0,02 = 0,27 mol

Henderson–Hasselbalch

pH = 3,854 + log(0,27/0,08) = 4,382

Antwort

pH = 4,382

13.Reaktionskinetik

Antwort: t = 16,09 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 = 0,2

Nach der Zeit auflösen

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,2)/0,1 = 16,09 min

Antwort

t = 16,09 min

14.Reaktionskinetik

Antwort: A = 6,626 × 10¹⁵ 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 = 25 + 273,15 = 298,1 K

Arrhenius nach A auflösen

E_a/(RT) = 100000/(8,314·298,1) = 40,34

A = k·e^40,34 = 0,02·3,313 × 10¹⁷ = 6,626 × 10¹⁵ s⁻¹

Antwort

A = 6,626 × 10¹⁵ s⁻¹

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