Aufgabenblock — AFB II
Zehn Aufgaben mit je zwei Teilergebnissen: erst Modell und Gleichung klären, dann rechnen — vom Stirlingmotor bis zur Mottenkugel. Die Tipps schalten sich nacheinander frei.
Im Arbeitszylinder eines Stirlingmotors nimmt das Gas \(2{,}40\,\text{kJ}\) Wärme auf und dehnt sich gegen den konstanten Druck \(p = 150\,\text{kPa}\) von \(4{,}0\,\text{L}\) auf \(10{,}0\,\text{L}\) aus.
a) Berechnen Sie die Volumenarbeit in kJ. b) Ermitteln Sie \(\Delta U\) des Gases.
Vollständige Lösung
1,142 g Octan (\(M = 114{,}2\,\text{g/mol}\)) verbrennen im Bombenkalorimeter (Gesamt-Wärmekapazität \(C = 10{,}95\,\text{kJ/K}\)); \(\Delta T = 4{,}99\,\text{K}\). Reaktion: \(\ce{C8H18(l) + 25/2 O2(g)}\) \(\ce{-> 8 CO2(g) + 9 H2O(l)}\).
a) Berechnen Sie \(\Delta_c U\). b) Bestimmen Sie daraus \(\Delta_c H\) bei 25 °C.
Vollständige Lösung
Ein Kalorimeter mit \(100\,\text{g}\) Wasser wird mit einer Heizspirale kalibriert: \(U = 12{,}0\,\text{V}\), \(I = 2{,}50\,\text{A}\), \(t = 60\,\text{s}\), \(\Delta T = 3{,}60\,\text{K}\). Danach löst man darin 4,25 g Natriumnitrat (\(M = 85{,}0\,\text{g/mol}\)); \(\Delta T = -2{,}05\,\text{K}\) (Masse und Wärmekapazität der Lösung wie Wasser).
a) Ermitteln Sie die Kalorimeterkonstante \(C_K\). b) Berechnen Sie \(\Delta_L H(\ce{NaNO3})\).
Vollständige Lösung
Bei der Methanpyrolyse \(\ce{CH4(g) -> C(Graphit) + 2 H2(g)}\) entsteht Wasserstoff ohne CO₂. Gegeben: \(\Delta_c H^\circ\) in kJ/mol: CH₄ −890,3; C(Graphit) −393,5; H₂ −285,8.
a) Ermitteln Sie mit dem Satz von Hess \(\Delta_f H^\circ(\ce{CH4})\). b) Berechnen Sie den Energiebedarf der Pyrolyse pro Kilogramm Wasserstoff (\(M(\ce{H2}) = 2{,}016\,\text{g/mol}\)).
Vollständige Lösung
Silberoxid zerfällt beim Erhitzen: \(\ce{2 Ag2O(s) -> 4 Ag(s) + O2(g)}\). Gegeben: \(\Delta_f H^\circ(\ce{Ag2O}) = -31{,}1\,\text{kJ/mol}\); \(S^\circ\) in J/(mol·K): Ag₂O 121,3; Ag 42,6; O₂ 205,2.
a) Berechnen Sie \(\Delta_r S^\circ\). b) Bestimmen Sie die Temperatur in °C, ab der der Zerfall freiwillig abläuft.
Vollständige Lösung
Bei der Fetthärtung werden C=C-Doppelbindungen an Nickel hydriert. Modell: \(\ce{C2H4(g) + H2(g) -> C2H6(g)}\); \(\Delta_f H^\circ\) in kJ/mol: C₂H₄ +52,4; C₂H₆ −84,0. Am Nickel beträgt \(E_A(\text{hin}) = 42\,\text{kJ/mol}\).
a) Berechnen Sie \(\Delta_r H^\circ\). b) Bestimmen Sie die Aktivierungsenergie der Rückreaktion am Nickel.
Vollständige Lösung
Waschbenzin besteht überwiegend aus Hexan: \(\Delta_c H^\circ(\ce{C6H14},\text{l}) = -4163\,\text{kJ/mol}\), \(M = 86{,}18\,\text{g/mol}\); \(\Delta_V H(\ce{H2O}) = 44{,}0\,\text{kJ/mol}\).
a) Berechnen Sie den Brennwert \(H_s\). b) Berechnen Sie den Heizwert \(H_i\).
Vollständige Lösung
Wasserdampf kondensiert bei 25 °C an einer kalten Scheibe: \(\ce{H2O(g) -> H2O(l)}\) mit \(\Delta H^\circ = -44{,}0\,\text{kJ/mol}\), \(\Delta S^\circ = -118{,}8\,\text{J/(mol}\cdot\text{K)}\).
a) Berechnen Sie die Entropieänderung der Umgebung \(\Delta S_U\) (298 K). b) Ermitteln Sie \(\Delta S_{\text{ges}}\).
Vollständige Lösung
In einem Solarturm-Kraftwerk treibt Salzschmelze mit \(400\,°\text{C}\) eine Dampfturbine an; gekühlt wird mit \(35\,°\text{C}\). Die Wärmezufuhr beträgt \(100\,\text{MW}\).
a) Berechnen Sie den Carnot-Wirkungsgrad. b) Bestimmen Sie die mindestens abzuführende Abwärmeleistung.
Vollständige Lösung
0,640 g Naphthalin \(\ce{C10H8(s)}\) (\(M = 128{,}17\,\text{g/mol}\)) verbrennen im Bombenkalorimeter (\(C = 10{,}0\,\text{kJ/K}\)); \(\Delta T = 2{,}572\,\text{K}\). \(\Delta_f H^\circ\) in kJ/mol: CO₂ −393,5; H₂O(l) −285,8.
a) Berechnen Sie \(\Delta_c U\). b) Ermitteln Sie über \(\Delta_c H\) die Standard-Bildungsenthalpie von Naphthalin.
