Aufgabenblock — AFB II
Zehn mehrschrittige Aufgaben aus Labor, Technik und Alltag — Kalorimetrie, Bildungsenthalpien, Hess, Lösungs- und Aktivierungsenergien kommen zusammen. Drei gestufte Tipps helfen beim Ansatz.
Bei \(25\,{}^\circ\mathrm{C}\) und \(p=1013\,\mathrm{hPa}\) reagieren \(2\,\mathrm{mol}\) Wasserstoff mit \(1\,\mathrm{mol}\) Sauerstoff zu flüssigem Wasser: \(\ce{2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(l)}\), \(\Delta_r H=-571{,}6\,\mathrm{kJ}\). Das Gasvolumen nimmt dabei um \(73{,}4\,\mathrm{L}\) ab.
a) Berechnen Sie die Volumenarbeit \(W=-p\cdot\Delta V\) in kJ. b) Berechnen Sie die Änderung der inneren Energie \(\Delta U\).
Vollständige Lösung
In einem Kalorimeter werden \(100\,\mathrm{mL}\) Salzsäure (\(c=1{,}0\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) und \(100\,\mathrm{mL}\) Natronlauge (\(c=1{,}0\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)), beide \(21{,}0\,{}^\circ\mathrm{C}\), gemischt. Die Temperatur steigt auf \(27{,}7\,{}^\circ\mathrm{C}\). Nehmen Sie \(m=200\,\mathrm{g}\) und \(c_W=4{,}19\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\) an.
a) Berechnen Sie die frei gewordene Wärme \(Q\) in kJ. b) Bestimmen Sie die molare Neutralisationsenthalpie.
Vollständige Lösung
Mit einem Spiritusbrenner werden \(200\,\mathrm{g}\) Wasser von \(20{,}0\,{}^\circ\mathrm{C}\) auf \(45{,}0\,{}^\circ\mathrm{C}\) erwärmt. Der Brenner wird vorher und nachher gewogen: Es sind \(0{,}92\,\mathrm{g}\) Ethanol (\(M=46{,}07\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)) verbrannt.
a) Berechnen Sie die vom Wasser aufgenommene Wärme. b) Bestimmen Sie daraus die experimentelle molare Verbrennungsenthalpie von Ethanol.
Vollständige Lösung
Beim Thermitschweißen reagiert Eisen(III)-oxid mit Aluminium: \(\ce{Fe2O3(s) + 2 Al(s)}\) \(\ce{-> Al2O3(s) + 2 Fe(s)}\). Tabellenwerte: \(\Delta_f H^\circ(\ce{Fe2O3})=-824{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), \(\Delta_f H^\circ(\ce{Al2O3})=-1675{,}7\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); \(M(\ce{Fe2O3})=159{,}70\), \(M(\ce{Al})=26{,}98\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).
a) Berechnen Sie \(\Delta_r H^\circ\). b) Berechnen Sie die frei werdende Wärme pro Gramm des stöchiometrischen Gemischs.
Vollständige Lösung
Methan lässt sich nicht direkt aus Kohlenstoff und Wasserstoff herstellen. Gegeben sind die Verbrennungsenthalpien \(\Delta H_1(\ce{C, Graphit})=-393{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), \(\Delta H_2(\ce{H2})=-285{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) und \(\Delta_c H(\ce{CH4})=-890{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (Wasser jeweils flüssig).
a) Berechnen Sie die Enthalpieänderung für \(\ce{C + 2 H2 + 2 O2}\) \(\ce{-> CO2 + 2 H2O(l)}\). b) Ermitteln Sie mit dem Satz von Hess \(\Delta_f H^\circ(\ce{CH4})\).
Vollständige Lösung
Im Kalkofen wird Calciumcarbonat zu Branntkalk zersetzt: \(\ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)}\). \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\): \(\ce{CaCO3}\): \(-1207{,}6\); \(\ce{CaO}\): \(-634{,}9\); \(\ce{CO2}\): \(-393{,}5\). \(M(\ce{CaCO3})=100{,}09\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).
a) Berechnen Sie \(\Delta_r H^\circ\). b) Berechnen Sie die Energie, die mindestens zum Brennen von \(1{,}0\,\mathrm{t}\) Kalkstein nötig ist, in GJ.
Vollständige Lösung
Ein Kältepack enthält \(40{,}0\,\mathrm{g}\) Ammoniumnitrat (\(M=80{,}05\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), \(\Delta_L H=+25{,}7\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)) und \(150\,\mathrm{g}\) Wasser von \(22{,}0\,{}^\circ\mathrm{C}\). Nehmen Sie an, dass die entstehende Lösung (\(190\,\mathrm{g}\)) die spezifische Wärmekapazität von Wasser hat und keine Wärme von außen aufnimmt.
a) Berechnen Sie die beim Lösen aufgenommene Wärme. b) Berechnen Sie die Endtemperatur der Lösung.
Vollständige Lösung
Molare Verbrennungsenthalpien (Wasser flüssig): Octan \(\ce{C8H18}\): \(-5470\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), \(M=114{,}23\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\); Ethanol: \(-1367\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), \(M=46{,}07\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).
a) Berechnen Sie den Brennwert von Octan in \(\mathrm{MJ\,kg^{-1}}\). b) Berechnen Sie, wie viel kg Ethanol dieselbe Energie liefern wie \(1{,}0\,\mathrm{kg}\) Octan.
Vollständige Lösung
Für \(\ce{H2O2(l) -> H2O(l) + 1/2 O2(g)}\) beträgt die Aktivierungsenergie ohne Katalysator etwa \(75\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), an Platin etwa \(50\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (Literaturwerte, gerundet). \(\Delta_f H^\circ(\ce{H2O2(l)})=-187{,}8\), \(\Delta_f H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
a) Berechnen Sie \(\Delta_r H^\circ\). b) Ermitteln Sie die Aktivierungsenergie der Rückreaktion an Platin.
Vollständige Lösung
Pflanzen bilden bei der Fotosynthese Glucose: \(\ce{6 CO2(g) + 6 H2O(l)}\) \(\ce{-> C6H12O6(s) + 6 O2(g)}\). \(\Delta_f H^\circ(\ce{C6H12O6})=-1273{,}3\), \(\Delta_f H^\circ(\ce{CO2})=-393{,}5\), \(\Delta_f H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); \(M(\ce{C6H12O6})=180{,}16\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).
a) Berechnen Sie \(\Delta_r H^\circ\) der Fotosynthese. b) Berechnen Sie die Energie, die in \(1\,\mathrm{g}\) Glucose chemisch gespeichert ist.
