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Übung AFB I

Zehn Grundaufgaben von der Reaktionsgeschwindigkeit bis zum Löslichkeitsprodukt — wer sie sicher löst, hat die ersten Punkte der Klausur schon.

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Aufgabenblock — AFB I

Zehn Standardaufgaben zum Reproduzieren quer durch das Kapitel: Geschwindigkeit, Stoßtheorie, Massenwirkungsgesetz, Le Chatelier und Löslichkeitsprodukt. Das sind die sicheren Punkte in jeder Klausur.

A1
Magnesium in Salzsäure
AFB I

Magnesium reagiert mit Salzsäure: \(\ce{Mg + 2 HCl -> MgCl2 + H2}\). Die Konzentration der Salzsäure sinkt in den ersten 60 s von \(1{,}00\) auf \(0{,}64\,\text{mol/L}\). Berechnen Sie a) die Durchschnittsgeschwindigkeit bezogen auf HCl und b) die stoffunabhängige Reaktionsgeschwindigkeit \(v_R\).

mol/(L·s)
mol/(L·s)
Formeln (2.1.1): \(\bar v = -\Delta c(\text{Edukt}) : \Delta t\); \(v_R\) erhält man, indem man durch den Koeffizienten teilt.
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a) \(\bar v(\ce{HCl}) = -(0{,}64 - 1{,}00) : 60\) = 0,0060 mol/(L·s). b) Koeffizient 2: \(v_R = 0{,}0060 : 2\) = 0,0030 mol/(L·s). Das Minuszeichen sorgt dafür, dass die Geschwindigkeit positiv ist.
A2
Sekante oder Tangente?
AFB I

Beschreiben Sie, wie man aus einem Konzentration-Zeit-Diagramm die Durchschnittsgeschwindigkeit, die Momentangeschwindigkeit und die Anfangsgeschwindigkeit ermittelt, und begründen Sie, warum die Kurve im Laufe der Reaktion flacher wird.

Steigungen (2.1.1): Sekante zwischen zwei Punkten, Tangente in einem Punkt.
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Durchschnittsgeschwindigkeit: Steigung der Sekante zwischen zwei Messpunkten, \(\Delta c : \Delta t\). Momentangeschwindigkeit: Steigung der Tangente in einem Punkt (Grenzwert \(\Delta t \to 0\)). Anfangsgeschwindigkeit \(v_0\): Tangentensteigung bei \(t = 0\). Die Edukte werden verbraucht, ihre Konzentration sinkt — also sinkt \(v\), die Kurve wird flacher und läuft am Ende waagerecht.
A3
Vier Stellschrauben, gedeutet
AFB I

Nennen Sie vier Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, und erklären Sie jeden mit der Stoßtheorie.

Stoßtheorie (2.1.3): \(v\) hängt von der Zahl der wirksamen Stöße pro Zeit ab: Stoßzahl · Anteil mit \(E \geq E_A\) · passende Orientierung.
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Höhere Konzentration (bei Gasen höherer Druck): mehr Teilchen pro Volumen → mehr Stöße pro Zeit. Höhere Temperatur: der Anteil der Teilchen mit \(E \geq E_A\) wächst stark. Feinere Zerteilung: mehr Teilchen an der Oberfläche sind für Stöße erreichbar. Katalysator: kleinere Aktivierungsenergie → größerer Anteil der Stöße ist energiereich genug.
A4
RGT-Regel im Kühlschrank-Vergleich
AFB I

Eine Reaktion braucht bei 20 °C 48 min. Berechnen Sie nach der RGT-Regel (Faktor 2 je 10 °C) die Reaktionszeit bei 60 °C.

min
RGT-Regel (2.1.3): \(v_2 = v_1 \cdot 2^{\Delta\vartheta / 10\,°\text{C}}\); die Zeit sinkt um denselben Faktor, um den \(v\) steigt.
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\(\Delta\vartheta = 40\,°\text{C}\) → vier Zehnerschritte → \(v\) steigt um \(2^4 = 16\). Zeit: \(48 : 16\) = 3 min.
A5
Steckbrief des Gleichgewichts
AFB I

Nennen Sie die Kennzeichen eines chemischen Gleichgewichts und erläutern Sie, warum es als „dynamisch“ bezeichnet wird.

Bedingung (2.2.2): \(v_{\text{hin}} = v_{\text{rück}} \neq 0\).
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Kennzeichen: geschlossenes System; Hin- und Rückreaktion gleich schnell; die Konzentrationen bleiben konstant (sind aber im Allgemeinen nicht gleich); der Zustand ist von beiden Seiten erreichbar. Dynamisch: Beide Reaktionen laufen weiter, nur gleich schnell — makroskopisch scheint alles still zu stehen. Nachweis z. B. mit radioaktiv markiertem Iod, das nach einiger Zeit auch im HI auftaucht.
A6
MWG für die Schwefelwasserstoff-Verbrennung
AFB I

Bei der Entschwefelung von Erdgas wird Schwefelwasserstoff verbrannt; alle Stoffe sind gasförmig: \(\ce{2 H2S + 3 O2 <=> 2 SO2 + 2 H2O}\). Stellen Sie das Massenwirkungsgesetz auf und geben Sie die Einheit von \(K_c\) an.

MWG (2.2.3): Produkte in den Zähler, Edukte in den Nenner, Koeffizienten werden Exponenten; Einheit \((\text{mol/L})^{\Delta n}\).
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\(K_c = \dfrac{c^2(\ce{SO2}) \cdot c^2(\ce{H2O})}{c^2(\ce{H2S}) \cdot c^3(\ce{O2})}\); \(\Delta n = (2 + 2) - (2 + 3) = -1\) → Einheit \((\text{mol/L})^{-1}\) = L/mol.
A7
K aus Gleichgewichtskonzentrationen
AFB I

Für den Zerfall von Phosgen \(\ce{COCl2(g) <=> CO(g) + Cl2(g)}\) werden im Gleichgewicht gemessen: \(c(\ce{COCl2}) = 0{,}050\,\text{mol/L}\), \(c(\ce{CO}) = c(\ce{Cl2}) = 0{,}030\,\text{mol/L}\). Berechnen Sie \(K_c\).

mol/L
Einsetzen (2.2.3, 2.2.5): Nur Gleichgewichtskonzentrationen gehören ins MWG.
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\(K_c = \dfrac{0{,}030 \cdot 0{,}030}{0{,}050}\) = 0,018 mol/L
A8
Reaktionsquotient als Wegweiser
AFB I

Für \(\ce{2 NOCl(g) <=> 2 NO(g) + Cl2(g)}\) gilt bei 500 K \(K_c = 1{,}6 \cdot 10^{-5}\,\text{mol/L}\). Ein Gemisch enthält \(c(\ce{NOCl}) = 0{,}50\), \(c(\ce{NO}) = 0{,}010\) und \(c(\ce{Cl2}) = 0{,}020\,\text{mol/L}\). Berechnen Sie \(Q\) und geben Sie an, welche Reaktion überwiegt.

· 10⁻⁶ mol/L
Vergleich (2.2.4): \(Q < K\): Hinreaktion überwiegt; \(Q > K\): Rückreaktion überwiegt.
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\(Q = \dfrac{0{,}010^2 \cdot 0{,}020}{0{,}50^2}\) = 8,0 · 10⁻⁶ mol/L \(< K_c\) → die Hinreaktion überwiegt, NOCl zerfällt weiter, bis \(Q = K_c\).
A9
Vier Eingriffe bei der Ethen-Hydrierung
AFB I

Für \(\ce{C2H4(g) + H2(g) <=> C2H6(g)}\) gilt \(\Delta_r H^\circ = -137\,\text{kJ/mol}\). Geben Sie jeweils an, wie sich die Lage des Gleichgewichts und der Wert von \(K_c\) ändern: a) Zugabe von \(\ce{H2}\), b) Verkleinern des Volumens, c) Erwärmen, d) Einsatz von fein verteiltem Nickel als Katalysator.

Merke (2.3.1–2.3.3): Nur die Temperatur ändert \(K\); ein Katalysator ändert weder Lage noch \(K\).
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a) nach rechts, \(K_c\) gleich. b) Druck steigt → zur Seite mit weniger Gasteilchen (2 → 1), also nach rechts; \(K_c\) gleich. c) Exotherme Hinreaktion → \(K_c\) sinkt, Verschiebung nach links. d) Keine Verschiebung, \(K_c\) gleich — das Gleichgewicht stellt sich nur schneller ein.
A10
Löslichkeit von Bariumsulfat
AFB I

Bei 25 °C gilt \(K_L(\ce{BaSO4}) = 1{,}1 \cdot 10^{-10}\,\text{mol}^2/\text{L}^2\). Stellen Sie das Löslichkeitsprodukt auf und berechnen Sie die Löslichkeit \(L\).

· 10⁻⁵ mol/L
Salz vom Typ AB (2.4.2): \(K_L = c(\ce{A}) \cdot c(\ce{B}) = L^2\), also \(L = \sqrt{K_L}\).
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\(\ce{BaSO4(s) <=> Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq)}\); \(K_L = c(\ce{Ba^2+}) \cdot c(\ce{SO4^2-})\) — der Feststoff steht nicht im MWG. \(L = \sqrt{1{,}1 \cdot 10^{-10}}\) ≈ 1,05 · 10⁻⁵ mol/L.