| Stoff | \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | \(M\) in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{Fe(s)}\), \(\ce{O2(g)}\) | 0 | 55,85 / 32,00 |
| \(\ce{Fe2O3(s)}\) | −824,2 | 159,70 |
| \(\ce{CH4(g)}\) | −74,6 | 16,04 |
| \(\ce{C2H5OH(l)}\) | −277,6 | 46,07 |
| \(\ce{CO2(g)}\) | −393,5 | 44,01 |
| \(\ce{H2O(l)}\) / \(\ce{H2O(g)}\) | −285,8 / −241,8 | 18,02 |
| \(\ce{CaCl2(s)}\) | — | 110,98 |
| \(\ce{NH4NO3(s)}\) | — | 80,05 |
\(c_W=4{,}19\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\) · \(p=1013\,\mathrm{hPa}=101\,300\,\mathrm{Pa}\) · \(1\,\mathrm{L}=10^{-3}\,\mathrm{m^3}\)
Hilfsmittel: Taschenrechner (GTR/CAS), Tabellenwerte oben. Geben Sie Zahlen mit Komma ein; Vorzeichen beachten. Die Lösungen werden nach dem Auswerten freigeschaltet.
Wissen und Reproduzieren
18 PunkteEin Einweg-Handwärmer enthält Eisenpulver, Salz, Aktivkohle und etwas Wasser in einem luftdurchlässigen Vlies; er ist luftdicht in Folie verpackt. Nach dem Auspacken reagiert das Eisen mit dem Luftsauerstoff: \(\ce{4 Fe(s) + 3 O2(g)}\) \(\ce{-> 2 Fe2O3(s)}\). Der Beutel wird mehrere Stunden warm.
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Erwartungshorizont: a) Folie: geschlossen, ausgepackt: offen (Luft strömt zu), gedämmt und verschlossen: isoliert (3 P). b) exotherm, Wärme wird abgegeben (1 P). c) \(\Delta_r H^\circ=2\cdot(-824{,}2)\) \(-(4\cdot0+3\cdot0)\) \(=-1648{,}4\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (3 P). d) \(n(\ce{Fe})=10{,}0:55{,}85=0{,}1791\,\mathrm{mol}\); pro 4 mol Fe werden \(1648{,}4\,\mathrm{kJ}\) frei: \(Q=\frac{0{,}1791}{4}\cdot1648{,}4\,\mathrm{kJ}\approx73{,}8\,\mathrm{kJ}\) (3 P).
In einem Styroporbecher-Kalorimeter werden \(5{,}55\,\mathrm{g}\) wasserfreies Calciumchlorid in \(100{,}0\,\mathrm{g}\) Wasser gelöst. Vernachlässigen Sie die Masse des Salzes und die Wärmekapazität des Bechers.
| Zeit in s | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| \(\vartheta\) in °C | 20,0 | 25,6 | 28,4 | 29,2 | 29,1 | 28,9 |
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Erwartungshorizont: a) \(29{,}2-20{,}0=9{,}2\,\mathrm{K}\) (1 P). b) \(Q=4{,}19\cdot100{,}0\cdot9{,}2\,\mathrm{J}=3855\,\mathrm{J}\approx3{,}85\,\mathrm{kJ}\) (2 P). c) \(n=5{,}55:110{,}98=0{,}0500\,\mathrm{mol}\) (2 P). d) \(\Delta_L H=-\frac{3{,}85\,\mathrm{kJ}}{0{,}0500\,\mathrm{mol}}\approx-77{,}1\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (3 P); Literatur \(-81{,}3\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), Abweichung durch Wärmeverluste.
Zusammenhänge herstellen
22 PunkteMethan verbrennt am Gasherd bei \(25\,{}^\circ\mathrm{C}\) und \(1013\,\mathrm{hPa}\): \(\ce{CH4(g) + 2 O2(g)}\) \(\ce{-> CO2(g) + 2 H2O(l)}\). Für einen Formelumsatz nimmt das Gasvolumen um \(48{,}9\,\mathrm{L}\) ab. Das Gas strömt ohne Reaktion aus dem Brenner, bis ein Zündfunke überspringt; danach brennt die Flamme weiter.
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Erwartungshorizont: a) \(\Delta_r H^\circ=-393{,}5+2\cdot(-285{,}8)\) \(-(-74{,}6)-0\) \(=-890{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (3 P). b) \(W=-101\,300\,\mathrm{Pa}\cdot(-0{,}0489\,\mathrm{m^3})=+4954\,\mathrm{J}\approx+4{,}95\,\mathrm{kJ}\); positiv, da die Umgebung das System zusammendrückt (2 P). c) \(\Delta U=Q_p+W=-890{,}5+4{,}95\approx-885{,}5\,\mathrm{kJ}\) (2 P). d) richtig: Funke liefert \(E_A\); Reaktionswärme aktiviert weitere Moleküle (3 P). e) Mit \(\ce{H2O(g)}\): \(-393{,}5+2\cdot(-241{,}8)+74{,}6=-802{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), Betrag kleiner (2 P).
Brennwert Octan (Benzin-Modell): \(47{,}9\,\mathrm{MJ\,kg^{-1}}\). Methan: \(55{,}5\,\mathrm{MJ\,kg^{-1}}\), \(49{,}4\,\mathrm{g}\) \(\ce{CO2}\) pro MJ. Ethanol verbrennt nach \(\ce{C2H5OH(l) + 3 O2(g)}\) \(\ce{-> 2 CO2(g) + 3 H2O(l)}\).
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Erwartungshorizont: a) \(2\cdot(-393{,}5)+3\cdot(-285{,}8)-(-277{,}6)=-1366{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (3 P). b) \(1366{,}8:46{,}07\approx29{,}7\,\mathrm{MJ\,kg^{-1}}\) (2 P). c) Pro mol Ethanol: \(2\cdot44{,}01=88{,}02\,\mathrm{g}\) \(\ce{CO2}\) auf \(1{,}3668\,\mathrm{MJ}\): \(64{,}4\,\mathrm{g\,MJ^{-1}}\) (3 P). d) richtig: weniger Energie pro kg als Octan; Methan weniger \(\ce{CO2}\) pro MJ (2 P).
Verallgemeinern und Reflektieren
10 Punkte\(\ce{C}(\text{Graphit}) + \ce{O2 -> CO2}\): \(\Delta_c H=-393{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) · \(\ce{C}(\text{Diamant}) + \ce{O2 -> CO2}\): \(\Delta_c H=-395{,}4\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
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Erwartungshorizont: a) Graphit-Verbrennung hin, Diamant-Verbrennung umgekehrt: \(-393{,}5+395{,}4=+1{,}9\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (3 P). b) richtig: Diamant höher, Diamant → Graphit exotherm; falsch: merklicher Zerfall (sehr hohe Aktivierungsenergie, das Vorzeichen von \(\Delta H\) sagt nichts über die Geschwindigkeit) und \(\Delta_f H^\circ=0\) (nur Graphit ist Standardzustand) (3 P).
\(\Delta_L H\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\): \(\ce{NH4NO3}\) \(+25{,}7\) · \(\ce{KCl}\) \(+17{,}2\) · \(\ce{NaCl}\) \(+3{,}9\) · \(\ce{CaCl2}\) \(-81{,}3\).
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Erwartungshorizont: a) \(Q=4{,}19\cdot150\cdot15\,\mathrm{J}=9428\,\mathrm{J}\); \(n=9{,}428:25{,}7=0{,}3668\,\mathrm{mol}\); \(m=0{,}3668\cdot80{,}05\approx29{,}4\,\mathrm{g}\) (3 P). b) \(\ce{CaCl2}\), da als einziges Salz stark exotherm (\(\Delta_L H<0\)) (1 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 |