Warum hat Eis bei 0 °C weniger Energie als Wasser bei 0 °C — obwohl das Thermometer dasselbe anzeigt?
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Was steckt in U?
AFB I
Nennen Sie alle Energieformen, die zur inneren Energie \(U\) einer Portion Wasser in einem Becherglas gehören.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Die innere Energie umfasst nur Energie innerhalb des Systems — Teilchenbewegung, Anziehung zwischen Teilchen, Bindungen (und Kernenergie, die sich bei chemischen Vorgängen nicht ändert). Lage und Bewegung des ganzen Glases sind äußere Energien. Die Temperatur ist keine Energie, sondern ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen.
Unterscheiden Sie: Energie der Teilchen im System oder Energie des Systems als Ganzes?
Drei Aussagen beschreiben Teilchen, zwei das Glas als Ganzes — und eine Größe ist gar keine Energie.
A2
System oder Umgebung?
AFB I
Ein Stück Magnesiumband reagiert in einem Reagenzglas mit Salzsäure: \(\ce{Mg(s) + 2 HCl(aq) -> MgCl2(aq) + H2(g)}\). Das Reaktionsgemisch wird als System betrachtet. Ordnen Sie die Begriffe zu.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1gehört zum System
2gehört zur Umgebung
Das System ist der Teil der Welt, den man untersucht — hier alle Stoffe, die an der Reaktion beteiligt sind, einschließlich der Produkte. Alles andere ist Umgebung, auch das Gefäß und das Messgerät. Die Hand spürt die Erwärmung gerade deshalb, weil sie Energie aus dem System aufnimmt.
Zum System gehören alle Stoffe, die reagieren oder entstehen.
Gefäß, Messgeräte und Luft grenzen das System nur ab — sie gehören zur Umgebung.
A3
Stimmt's? — Fünferserie
AFB I
Geben Sie für jede Aussage an, ob sie stimmt.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Die innere Energie ist eine Zustandsgröße, ihr Absolutwert bleibt unbekannt — gearbeitet wird deshalb immer mit ΔU. Ob ΔU positiv oder negativ ist, wird stets aus Sicht des Systems angegeben.
Denken Sie an die Definition \(\Delta U = U_{\text{Ende}} - U_{\text{Anfang}}\).
Die innere Energie ist eine extensive Größe — sie wächst mit der Stoffmenge.
A4
Energiebilanz einer Reaktion
AFB II
Erläutern Sie die Energiebilanz der Reaktion von Wasserstoff mit Chlor, indem Sie den Lückentext vervollständigen — ein Wort bleibt übrig.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Zum Spalten der Bindungen in den H₂- und Cl₂-Molekülen wird Energie . Beim Knüpfen der H–Cl-Bindungen wird Energie . Weil die freiwerdende Energie , die innere Energie des Systems. Die Differenz wird an die abgegeben.
„Temperatur“ bleibt übrig: Sie ist keine Energie, die abgegeben wird, sondern steigt in der Umgebung erst als Folge der Energieabgabe. Die Bilanz lautet: Energie für Bindungsbruch minus Energie aus Bindungsbildung.
Bindungen spalten kostet Energie, Bindungen knüpfen setzt Energie frei.
Wenn mehr Energie frei wird als aufgenommen, hat das System danach weniger innere Energie.
A5
Chlorwasserstoff aus den Elementen
MixAFB II
Mittlere Bindungsenergien: H–H 436 kJ/mol, Cl–Cl 242 kJ/mol, H–Cl 431 kJ/mol. Ermitteln Sie die Energie, die bei der Bildung von 7,3 g Chlorwasserstoff frei wird (\(M(\ce{HCl}) = 36{,}46\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)).
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
Energiebilanz für \(\ce{H2 + Cl2 -> 2 HCl}\) (Bruch minus Bildung)kJ
Stoffmenge \(n(\ce{HCl})\) in 7,3 gmol
Freiwerdende Energie bei der Bildung von 7,3 g HCl (Betrag)kJ
Bilanz: \(436 + 242 - 2\cdot431 = -184\) kJ für die Bildung von 2 mol HCl. Pro Mol HCl sind es 92 kJ, für 0,200 mol also 18,4 kJ. Häufiger Fehler: die 184 kJ direkt mit 0,2 mol multiplizieren — dann ist die Energie doppelt so groß, weil der Formelumsatz zwei Mol HCl liefert.
Beim Formelumsatz werden eine H–H- und eine Cl–Cl-Bindung gespalten, aber zwei H–Cl-Bindungen geknüpft.
\(n = m/M\) (Stoffmenge aus der Mittelstufe); die Energie gilt für 2 mol HCl.
A6
Wasser in sechs Zuständen
AFB II
Je 18 g Wasser liegen in sechs verschiedenen Zuständen vor. Vergleichen Sie ihre innere Energie und ordnen Sie aufsteigend — die kleinste innere Energie oben.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Eis bei −10 °C
2Eis bei 0 °C
3flüssiges Wasser bei 0 °C
4flüssiges Wasser bei 100 °C
5Wasserdampf bei 100 °C
6Wasserdampf bei 120 °C
Innerhalb eines Aggregatzustands steigt \(U\) mit der Temperatur (schnellere Teilchen). Beim Schmelzen und beim Verdampfen steigt \(U\) bei gleichbleibender Temperatur, weil Anziehungskräfte zwischen den Molekülen überwunden werden. Der größte Sprung liegt beim Verdampfen: Dort werden die Moleküle vollständig voneinander getrennt.
Gleiche Temperatur heißt nicht gleiche innere Energie.
Schmelzen und Verdampfen erfordern Energiezufuhr — also liegt die Flüssigkeit über dem Feststoff und der Dampf über der Flüssigkeit.
A7
Beobachtung und Deutung
AFB II
Erklären die Beobachtungen auf Teilchenebene, indem Sie jedem Vorgang die passende Deutung zuordnen.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Faustregel: Temperaturänderung ↔ Bewegungsenergie, Aggregatzustandsänderung ↔ Anziehung zwischen Teilchen, chemische Reaktion ↔ Bindungsenergie. Die Kugel auf dem Regal ist der Kontrollfall — Lageenergie des Körpers zählt nicht zur inneren Energie.
Fragen Sie jeweils: Ändert sich die Temperatur, der Aggregatzustand oder der Stoff?
Nur ein Vorgang lässt die innere Energie unverändert.
A8
Fehlersuche im Schulheft
AFB III
Sechs Sätze aus einem Schulheft — drei davon sind falsch. Überprüfen Sie die Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Am häufigsten in Klausuren: das Vorzeichen von ΔU. Es wird immer aus Sicht des Systems angegeben — Energieabgabe heißt negatives ΔU. Ebenso verbreitet ist der Schluss „gleiche Temperatur = gleiche innere Energie“, der bei Phasenübergängen scheitert.
Zwei der Fehler betreffen Vorzeichen bzw. Messbarkeit.
Ein Fehler steckt in einem Phasenübergang.
A9
Trickaufgabe: Umweg über 90 °C
TrickAFB III
1,00 kg Wasser wird von 20 °C zunächst auf 90 °C erhitzt und kühlt danach an der Luft auf 60 °C ab. Bestimmen Sie die Änderung der inneren Energie \(\Delta U\) des Wassers vom Anfangs- bis zum Endzustand (\(c = 4{,}19\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\), Volumenänderung vernachlässigbar).
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
kJ
Nur Anfangs- und Endzustand zählen: \(\Delta U = 4{,}19 \cdot 1000 \cdot (60-20)\,\mathrm{J} = 167{,}6\,\mathrm{kJ}\). Die Falle: mit 70 K (Aufheizen) rechnen und die Abkühlung vergessen, oder beide Teilwege als Beträge addieren. Weil \(U\) eine Zustandsgröße ist, ist der Umweg über 90 °C für \(\Delta U\) bedeutungslos.
Welche Zustände werden verglichen — und spielt der Weg eine Rolle?
Rechnen Sie nur mit der Temperaturdifferenz zwischen Anfang (20 °C) und Ende (60 °C).
A10
Wie stark ändert sich U?
AFB III
Beurteilen Sie ohne genaue Rechnung, wie sich die innere Energie des jeweils genannten Systems ändert.
Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = sinkt um mehr als 100 kJ, 2 = sinkt um weniger als 10 kJ, 3 = bleibt gleich, 4 = steigt um weniger als 10 kJ, 5 = steigt um mehr als 10 kJ. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = sinkt um mehr als 100 kJ5 = steigt um mehr als 10 kJ
1 mol Methan verbrennt vollständig, die Produkte kühlen wieder auf 25 °C ab.
18 g Wasser kühlen von 25 °C auf 20 °C ab.
Ein verschlossener Kolben mit Gas wird auf dem Tisch um einen Meter verschoben.
18 g Eis erwärmen sich von −5 °C auf −4 °C.
18 g Wasser verdampfen vollständig bei 100 °C.
Größenordnungen: Chemische Reaktionen bewegen Hunderte Kilojoule pro Mol (Methan: rund 890 kJ), Phasenübergänge einige zehn Kilojoule (Verdampfen von 1 mol Wasser: etwa 41 kJ), bloße Temperaturänderungen um wenige Kelvin nur Joule bis wenige hundert Joule (18 g Wasser, 5 K: 0,38 kJ). Das Verschieben des Kolbens ändert nur die äußere Lage.
Ordnen Sie zuerst nach Art des Vorgangs: Reaktion, Phasenübergang, Temperaturänderung, nichts davon.
Mit \(Q = c\cdot m\cdot\Delta T\) lässt sich eine Temperaturänderung schnell überschlagen: 18 g · 4,19 J/(g·K) · 5 K ≈ 0,4 kJ.
