Konzentrationen in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\), Werte gelten bei der jeweils angegebenen Temperatur. Taschenrechner: GTR (Casio fx-CG50) oder CAS (TI-Nspire CX CAS).
Geben Sie Zahlen mit Komma ein; Vorzeichen beachten. Die Lösungen werden nach dem Auswerten freigeschaltet.
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18 Punkte\(0{,}10\,\mathrm{g}\) Magnesiumband werden bei \(20\,{}^\circ\mathrm{C}\) in \(50\,\mathrm{mL}\) Salzsäure (\(c=1{,}0\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) gegeben: \(\ce{Mg(s) + 2 HCl(aq)}\) \(\ce{-> MgCl2(aq) + H2(g)}\). Das entstehende Gas wird in einem Kolbenprober aufgefangen.
| \(t\) in s | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| \(V(\ce{H2})\) in mL | 0 | 45 | 73 | 89 | 97 | 100 |
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Erwartungshorizont: a) \(\bar v=\frac{45\,\mathrm{mL}}{30\,\mathrm{s}}=1{,}5\,\mathrm{mL\,s^{-1}}\) (2 P). b) \(\bar v=\frac{89-73}{30}\,\mathrm{mL\,s^{-1}}\approx0{,}53\,\mathrm{mL\,s^{-1}}\) (2 P). c) Die Konzentration der Säure (\(\ce{H3O+}\)) und die Magnesiumoberfläche nehmen ab → weniger (wirksame) Zusammenstöße pro Zeit (2 P). d) Pulver: größere Oberfläche → größer; verdünnte Säure: kleiner; mehr Säure gleicher Konzentration: kein Einfluss auf die Anfangsgeschwindigkeit (3 P).
In einem Stahlbehälter (\(V=10{,}0\,\mathrm{L}\)) werden \(1{,}00\,\mathrm{mol}\) Wasserstoff und \(1{,}00\,\mathrm{mol}\) Iod auf \(425\,{}^\circ\mathrm{C}\) erhitzt: \(\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2 HI(g)}\). Nach Einstellung des Gleichgewichts liegen \(1{,}573\,\mathrm{mol}\) Iodwasserstoff vor.
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Erwartungshorizont: a) Produkte im Zähler, Koeffizienten als Exponenten (2 P). b) Verbraucht: \(1{,}573:2=0{,}7865\,\mathrm{mol}\) \(\ce{H2}\); \(n(\ce{H2})=1{,}00-0{,}7865=0{,}2135\,\mathrm{mol}\); \(c=0{,}2135:10{,}0\approx0{,}0214\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) (2 P). c) \(c(\ce{HI})=0{,}1573\), \(c(\ce{I2})=c(\ce{H2})\): \(K_c=\dfrac{0{,}1573^2}{0{,}02135^2}\approx54{,}3\) (3 P). d) richtig: Lage auf der Seite von \(\ce{HI}\) (\(K_c\gg1\)); gleiches Gleichgewicht von der anderen Seite (gleiche Atomanzahlen) (2 P).
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22 Punkte\(1{,}00\,\mathrm{mol}\) Ethansäure und \(3{,}00\,\mathrm{mol}\) Ethanol werden mit einigen Tropfen konzentrierter Schwefelsäure erhitzt, bis sich das Gleichgewicht eingestellt hat: \(\ce{CH3COOH + C2H5OH}\) \(\ce{<=> CH3COOC2H5 + H2O}\). Durch Titration bestimmt man, dass noch \(0{,}097\,\mathrm{mol}\) Ethansäure vorliegen.
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Erwartungshorizont: a) Umgesetzt: \(1{,}00-0{,}097=0{,}903\,\mathrm{mol}\) Säure → \(0{,}903\,\mathrm{mol}\) Ester (und Wasser) (2 P). b) \(3{,}00-0{,}903=2{,}097\,\mathrm{mol}\) (2 P). c) \(K_c=\dfrac{0{,}903\cdot0{,}903}{0{,}097\cdot2{,}097}\approx4{,}0\); das Volumen kürzt sich (3 P). d) \(0{,}903:1{,}00=90{,}3\,\%\) (2 P). e) Wasser oder Ester entfernen bzw. Alkohol im Überschuss verschieben das Gleichgewicht nach Le Chatelier zum Ester; ein Katalysator ändert \(K_c\) nicht (3 P).
Drei verschlossene Kolben enthalten ein Gleichgewichtsgemisch \(\ce{2 NO2(g) <=> N2O4(g)}\) (\(\ce{NO2}\) braun, \(\ce{N2O4}\) farblos). Im Eisbad wird das Gas fast farblos, im siedenden Wasser dunkelbraun. Bei \(25\,{}^\circ\mathrm{C}\) misst man im Gleichgewicht \(c(\ce{NO2})=0{,}0100\) und \(c(\ce{N2O4})=0{,}0217\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\).
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Erwartungshorizont: a) Kälte begünstigt \(\ce{N2O4}\) (farblos) → Hinreaktion exotherm, \(\Delta_r H<0\) (2 P). b) \(K_c=\dfrac{0{,}0217}{0{,}0100^2}=217\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\) (2 P). c) Eiswasser: exotherme Richtung → Produkte; Volumen halbieren: weniger Gasteilchen → Produkte; Katalysator: keine Verschiebung (3 P). d) \(Q=\dfrac{0{,}0434}{0{,}0200^2}=108{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}}<K_c\) → es bildet sich \(\ce{N2O4}\), bis \(Q=K_c\) (3 P).
Verallgemeinern und Reflektieren
10 Punkte| \(\vartheta\) | 100 bar | 200 bar | 300 bar |
|---|---|---|---|
| 300 °C | 52,0 % | 66,7 % | 71,5 % |
| 400 °C | 25,1 % | 38,7 % | 47,8 % |
| 500 °C | 10,6 % | 18,3 % | 25,9 % |
Technische Bedingungen: ca. \(450\,{}^\circ\mathrm{C}\), \(250\)–\(300\,\mathrm{bar}\), Eisenkatalysator; pro Reaktordurchgang rund \(15\,\%\) Ammoniak.
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Erwartungshorizont: a) \(47{,}8:25{,}1\approx1{,}90\) (2 P). b) richtig: höhere Ausbeute bei 300 °C, aber zu langsam; Kompromiss Lage/Geschwindigkeit. Falsch: \(K\) sinkt beim Erwärmen (exotherm); der Katalysator ändert die Lage nicht (2 P). c) Produktentzug (Le Chatelier) und Kreislaufführung (2 P).
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Erwartungshorizont: a) \(E_{A,\text{Rück,Kat}}=110-(-60)=170\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (2 P). b) \(E_A\) sinkt für beide Richtungen um \(180-110=70\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); \(\Delta_r H\), \(K_c\) und Lage bleiben gleich (2 P).
Ergebnis
| Aufgabe | Thema | Punkte |
|---|
Bewertung in Notenpunkten
| Punkte | Notenpunkte | Beurteilung |
|---|---|---|
| 48 – 50 P | 15 | sehr gut |
| 45 – 47 P | 14 | sehr gut |
| 43 – 44 P | 13 | sehr gut |
| 40 – 42 P | 12 | gut |
| 38 – 39 P | 11 | gut |
| 35 – 37 P | 10 | gut |
| 33 – 34 P | 9 | befriedigend |
| 30 – 32 P | 8 | befriedigend |
| 28 – 29 P | 7 | befriedigend |
| 25 – 27 P | 6 | ausreichend |
| 23 – 24 P | 5 | ausreichend |
| 20 – 22 P | 4 | ausreichend |
| 17 – 19 P | 3 | mangelhaft |
| 14 – 16 P | 2 | mangelhaft |
| 10 – 13 P | 1 | mangelhaft |
| 0 – 9 P | 0 | ungenügend |