Aufgabenblock — AFB II
Zehn mehrschrittige Aufgaben aus Labor und Technik — Geschwindigkeiten mit Stöchiometrie, Gleichgewichtstabellen, Störungen und Temperaturabhängigkeit. Drei gestufte Tipps helfen beim Ansatz.
Ein Becherglas mit Marmorstückchen und Salzsäure steht auf einer Waage: \(\ce{CaCO3(s) + 2 HCl(aq)}\) \(\ce{-> CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)}\). Weil \(\ce{CO2}\) entweicht, nimmt die Masse ab (Diagramm). \(M(\ce{CO2})=44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).
a) Berechnen Sie die mittlere Bildungsgeschwindigkeit von \(\ce{CO2}\) in \(\mathrm{mmol\,s^{-1}}\) für \(0\)–\(60\,\mathrm{s}\). b) Berechnen Sie sie für \(60\)–\(120\,\mathrm{s}\).
Vollständige Lösung
Wasserstoffperoxid zerfällt an Braunstein: \(\ce{2 H2O2(aq)}\) \(\ce{-> 2 H2O(l) + O2(g)}\). In \(100\,\mathrm{s}\) sinkt \(c(\ce{H2O2})\) von \(0{,}500\) auf \(0{,}420\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\).
a) Berechnen Sie die mittlere Zerfallsgeschwindigkeit von \(\ce{H2O2}\) in \(\mathrm{mmol\,L^{-1}\,s^{-1}}\). b) Bestimmen Sie die mittlere Bildungsgeschwindigkeit von \(\ce{O2}\) (gedacht als gelöste Konzentration).
Vollständige Lösung
Die Thiosulfat-Reaktion \(\ce{S2O3^2-(aq) + 2 H3O+(aq)}\) \(\ce{-> S(s) + SO2(aq) + 3 H2O(l)}\) braucht bei \(20\,{}^\circ\mathrm{C}\) bis zur Trübung \(320\,\mathrm{s}\). Die RGT-Regel gibt pro \(10\,\mathrm{K}\) den Faktor 2 bis 4 an.
a) Berechnen Sie die Zeit bei \(50\,{}^\circ\mathrm{C}\) für den Faktor 2. b) Berechnen Sie die Zeit bei \(50\,{}^\circ\mathrm{C}\) für den Faktor 3.
Vollständige Lösung
Ein Würfel aus Kohle mit \(1\,\mathrm{cm}\) Kantenlänge wird vollständig in kleine Würfel mit \(1\,\mathrm{mm}\) Kantenlänge zerteilt. Nur an der Oberfläche können Sauerstoffmoleküle mit der Kohle zusammenstoßen.
a) Geben Sie die Anzahl der kleinen Würfel an. b) Berechnen Sie, um welchen Faktor die Gesamtoberfläche wächst.
Vollständige Lösung
In einem Kolben werden bei \(425\,{}^\circ\mathrm{C}\) Wasserstoff und Iod mit \(c_0(\ce{H2})=c_0(\ce{I2})=0{,}500\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) eingesetzt: \(\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2 HI(g)}\). Im Gleichgewicht misst man \(c(\ce{HI})=0{,}786\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\).
a) Ermitteln Sie \(c(\ce{H2})\) im Gleichgewicht. b) Berechnen Sie \(K_c\).
Vollständige Lösung
Für die Esterbildung \(\ce{CH3COOH + C2H5OH}\) \(\ce{<=> CH3COOC2H5 + H2O}\) setzt man \(2{,}0\,\mathrm{mol}\) Ethansäure und \(1{,}0\,\mathrm{mol}\) Ethanol ein (mit etwas Schwefelsäure als Katalysator). Im Gleichgewicht liegen \(0{,}845\,\mathrm{mol}\) Ester vor.
a) Ermitteln Sie die Stoffmenge an Ethanol im Gleichgewicht. b) Berechnen Sie \(K_c\).
Vollständige Lösung
Ein Estergleichgewicht (\(K_c=4{,}0\)) enthält \(\tfrac13\,\mathrm{mol}\) Ethansäure, \(\tfrac13\,\mathrm{mol}\) Ethanol, \(\tfrac23\,\mathrm{mol}\) Ester und \(\tfrac23\,\mathrm{mol}\) Wasser. Man gibt \(1{,}0\,\mathrm{mol}\) Ethanol hinzu.
a) Berechnen Sie den Wert des Konzentrationsquotienten \(Q=\frac{c(\text{Ester})\cdot c(\ce{H2O})}{c(\text{Säure})\cdot c(\text{Alkohol})}\) direkt nach der Zugabe. b) Im neuen Gleichgewicht liegen \(0{,}845\,\mathrm{mol}\) Ester vor. Berechnen Sie die Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Ethansäure (insgesamt \(1{,}0\,\mathrm{mol}\)) in Prozent.
Vollständige Lösung
Für \(\ce{2 NO2(g) <=> N2O4(g)}\) (braun ⇌ farblos) misst man zwei Gleichgewichte: bei \(25\,{}^\circ\mathrm{C}\) \(c(\ce{NO2})=0{,}0100\) und \(c(\ce{N2O4})=0{,}0217\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\); bei \(100\,{}^\circ\mathrm{C}\) \(c(\ce{NO2})=0{,}0500\) und \(c(\ce{N2O4})=0{,}0050\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\).
a) Berechnen Sie \(K_c\) bei \(25\,{}^\circ\mathrm{C}\). b) Berechnen Sie \(K_c\) bei \(100\,{}^\circ\mathrm{C}\).
Vollständige Lösung
In einer Haber-Bosch-Anlage wird \(1{,}00\,\mathrm{t}\) Stickstoff im Kreislauf vollständig zu Ammoniak umgesetzt: \(\ce{N2 + 3 H2 -> 2 NH3}\), \(\Delta_r H^\circ=-91{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). \(M(\ce{N2})=28{,}02\), \(M(\ce{NH3})=17{,}03\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).
a) Berechnen Sie die Masse an Ammoniak in Tonnen. b) Berechnen Sie die dabei frei werdende Wärme in GJ.
Vollständige Lösung
Bei \(100\,{}^\circ\mathrm{C}\) gilt für \(\ce{2 NO2(g) <=> N2O4(g)}\) \(K_c=2{,}0\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\); im Gleichgewicht ist \(c(\ce{NO2})=0{,}050\) und \(c(\ce{N2O4})=0{,}0050\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\). Nun wird das Volumen schlagartig halbiert (Temperatur konstant).
a) Berechnen Sie \(Q=\frac{c(\ce{N2O4})}{c^2(\ce{NO2})}\) direkt nach dem Zusammendrücken. b) Im neuen Gleichgewicht ist \(c(\ce{NO2})=0{,}0886\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\). Ermitteln Sie \(c(\ce{N2O4})\).
