Zusammenfassung Energetik

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gebildet wird (immer positiv, auf Masse bezogen, 2 Reaktion: CuSO4 + Zn > Cu + ZnSO4 Aufgabe: a) welche Stoffmengenkonzentration c hat eine Lösung, die 5g Kupfersulfit in 91.1 enthalt? McCuSO4.5H₂O) = 249, 7. 9 moi b) welche Masse m. hat eine Zinkportion, die der gleichen Stoffmenge in entspricht wie die Kupfersulfatlösung in a) ? Messung: a) C. = 0 n.-m. = Reaktions- wormo 40 Material 2 Joghurtbecher, kupfersulfatiösung. (wasser (100 ml) + Kupfersulfat (sg)), Zink (2,5g), Waage, Thermometer + 2,5g Zink 35 Bestimmung einer Reaktionsenthalpie 0,0200 24029 mol 0,11 b) m = c.V M (²n) = 92m¹0,1L: 65,4011,3g versuchsaufbau, Joghurtbecher Stapeln, Kupfersulfatlösung herstellen Kupfersulfatlosung Ablauf: Kupfersulfaflösung herstellen (jede Minute messen), 5 Minuten warten, zink hinzu, messen Zugabe zink 30t 20 25 Auswertung. Masse dar Lösung Q₁ Cwm AT Spezifische wärmekapazität des wassers y in °C 59 249,7 2 3 mol t in min o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tin °C 237 23,6 25,8 23,9 23,7 24,0 32,9 342 359 53,7 33,4 Z 4 S grafisch er- millete Temperatur- differene in Kelvin 92 mol/L 6 0,0200 24029 mol 7 Maximaldifferenz: 195k => Q = 4,19 ₁K 1009.- 10,5 K = 4399,5 J 8 9 ≈ 4,4 KJ Produkte können oft durch verschiedene Reaktionen hergestellt werden: (1) AH 110,5 kJ/mol CO C+0₂ AH=393,5kJ/mo (111) 100 Berechnung von Reaktionsenthalpien -273 1/0₂ Temperaturskala °℃ Satz von Hess: Die Enthalpleanderung zwischen zwei Zuständen ist unabhängig vom Reaktionsweg Die molare Standard-Bildungsenthalpie of Him wurde zur Berechnung beliebiger Reaktionsenthalpien eingeführt. Sie gilt bei Standard bedingungen P = 1013 hPa T = 298 K K 373 ca cos AH 283,0 kJ/mol 273 (11) Elemente erhalten in ihrer Stabilsten Modifikation den Wert Null zugeordnet Beispiel: Afm (Graphit) = mol Af Hom (Diamant) = +2 kJ. mol Reaktionsgleichung: Berechnung einer Reaktionsenthalpie : oks Summe Ar Hm A Hm (Produkte) - Σ Aftim (Edukte) Beispiel: calciumcarbonat. (AFH°m = -1207 km Mol) reagiert zu Calciumoxid (Af H°m = -635 - Cao + CO₂ Of H Ar HM = (-635 m)-(1207h00). +179 Ks mol : molare Standard bildungsenthalpie hol) und Kohlenstoffdioxid => Die Reaktion ist also endotherm (positiver wert) 4 Da das System wärme abgibt (exotherme Reaktion), setzt man ein negatives Vorzeichen. Da der Druck konstant ist, gilt Or = A₁H =D ATH = -4,4 k Es haben nur 59 Kupfersulfat reagiert. das sind n = 0,02 mol Die molare Reaktionsentalple + Zn cn + Zn²+ beträgt also: -4,4 k 0,02 mol Artm= 220 kJ mal Eindeutige Angabe der molaren Reaktionsethalpie nur zusammen mit der Reaktionsgleichung. Reaktionsentalpien sind vom Aggregatzustand der beteiligten Stoffe abhängig. 2 H₂O(g) Ar Hm = - 484 KJ mol 2 H₂ (9) C3 H8 02 (g) Ar Hom →2 H₂O (1) Beispiel: Experimentelle Bestimmung der Bildungsenthalpie Propan + 50₂ -> 3CO₂ + 4H₂0 = -2221 Kol -3C (craphit), 302 (g), 4H₂0 (4) Hm=? деном (Сэнд), C3H8 + 50₂ Ar Hm=-572 K 4H=-2221 4. Af Hom (H₂0) 3. Afrim (CO₂)g mol 3C02 (9), 4H₂O(1) Nach dem Satz von Hess gilt: C = a-b R C = (4.(-286 )+(3-(-393) - (- 2221 21 mỏi) = -102 W 5 Kalorimeter: künstlich beschränkter Bereich der Umgebung der gesamte Reaktionswärme (Qr) aufnimmt prinzipieller Aufbau: Bestimmung der Wärmekapazitat eines Kalorimeters Versuch Warum? Da Kalorimeter neben Inhalt ebenfalls geringe Mengen warme aufnimmt / abgibt => für sehr genaue Reaktionen notwendig Aufbau: Material: Joghurtbecher, 50g kaltes wasser, 50g warmes Wasser (45-50°C), kalorimeter, waage, Spatel Auswertung: 48,3°८ 24°C => 35,1°C Thermometer. Rührer Wärmeabdeckung Kalorimetergefäß Reaktionsgefäß Joghurtbecher (= kalorimeter) Durchführung: 24°C kaltes Wasser mit 48,3 °C warmem wasser vermischen, Temperatur messen CK = Cw' (MW₁2 Jmisch-₁ 9₂-Imisch - mwil = 4,19J ( 50g. 48,3°C 35,1°C - -50g). = 39,64 35,1°C -24,0°C I₁= kühleres wasser =W₁ ₂ wärmeres Wasser = W₂. 6 Enthalpie, Reaktionswärme& innere Energie = Maß für die Energie in einem thermodynamischen System Buchstabe = Hi Einheit = Joule Standardbildungsenthalpie: (AH₂º). -Enthalpieanderung bei Reaktion zur Bildung eines Stoffes (bei Standardbedingungen) für 1 mol des gebildeten Stoffes ( moi) -AH<0 =D Energie wird bei Bildung des Stoffes (aus. Elementen) frei -AHF > O => Energie wird zur Bildung des Stoffer benötigt - in Tabellen festgehalten. Reaktionsenthalpie: (Art) ACH=AHⓇ Produkte Σ ACH° Edukte = Einheit.. KJ bei konstantem Druck (fast immer): A₁H Qr₁ p. Verbrennungsenthalpie (ACH) Reaktionsenthalpie der verbrennung eines Stoffes mit Sauerstoff ACH= Hprodukte - Hedukte -kann in verbrennungskalorimeter ermittelt werden Schmelzenthalpie: (AgH) - warme die zum Schmelzen eines Stoffes benötigt wird - bei konstantem Druck & gleicher Temperatur: ASH = AQ verdampfungsenthalpie: (Avt) flüssigen Stoff zu warme Stoff (g) - Stoff (1) - immer positiv. verdampfen kondensationsenthalpie: (AKH) Energie die frei wird um ein Mol Substanz vom flüssigen in den gasförmigen zustand zu transportieren. Reaktionswärme: (Qc). -Qr <o: exotherme Reaktion - Qr 20. endotherme Reaktion Standardbedingungen: T= 298 K Druck 1013 hPa Sublimationsenthalpie: * Übergang eines peststoffes in die Gasphase unter umgehung der flüssigen Schmelzphase Qr = - (CK+CN MN). Ao Innere Energie: (u). = Gesamtheit kinetischer und potentieller Energie (in Joule). kann nicht gemessen werden (nur innere Änderungen wie Qr, Aru und ArH) AU = Q + W. - bei geringen volumenänderungen gilt UA₁H 7 Versuch: Bestimmung einer neutralisationsenthalpie S.30, V2 Material: Schutzbrille (!), Thermometer, 2 Messzylinder, Somi Salzsaure, somi Natronlauge Aufbau: Salzsäure Natroniauge Joghurtbecher Durchführung: Natronlauge 5 Minuten messen, dann Salzsäure unter Rühren hinzugeben Solasure t in min O 1 2 3 4 5 6 7 8 | 9 | 10| Tin °C 22,6 22,6 22,6 22,6 22,6 22,6 29,4 29,1 26,9 286 28,5 Auswertung: Ausgangstemperatur: 9₁₂ = 22,6 °C Höchsttemperatur: = 29,4°C Temperatur differenz: 48=9₂-8₁=6₁8 v Q₁ = -(39,64 + 4,19 k 100g) 6₁8 K = -3118,752 J =-3,1 kJ pro MOI: -3,1 W.20 =-62 kJ Reaktionsgleichung H+ + OH H₂O Ar Hm =-62 kJ mol 8 Vorstellung von 1878 Thomsen und Bertholt: "Nur exotherme Reaktionen laufen freiwillig ab" versuch 1: Ethanol Watte versuch 2: Kaliumnitrat wasser versuch 3: Temperaturfühler weinsäurelösung. Natriumhydrogen. carbonat Temperatur Sinkt versuch 2: KNO3 (5) + n H ₂0 im lonengitter versuch 3: =P Temperatur Sinkt versuch 1: C2H5OH (1) C2H5 OH (9) =D Alle gezeigten versuche sind endotherm und laufen freiwillig ab! Entropie = Maß für die Unordnung eines chemischen Systems bzw. die wahrscheinlichkeit eines bestimmten Zustandes K (aq) Casentwicklung lonen frei beweglich in Lösung + NO3 (09) 'O`. H H. O I || H-O-C-C-C-C-0-H 101 101 weinsäure Temperatur Sinkt + 2 NaHCO3 0=U H H '0' -¿-ó O.-c-c-. IOI H + 2 NG*. Bei allen gezeigten Vorgängen erhöht. Sich entweder die Teilchenzahl und loder es bildet sich ein cas. Es nimmt also die unordnung" bzw. Entropie zu. I 2H₂O + 2C0₂ Am absoluten Nullpunkt (T = OK) ist die Entropie eines ideal kristallisierten Reinstoffs null. Bei spontanen Reaktionen nimmt die Gesamtentropie des reagierenden Systems und der umgebung zu. 9 Seite 33: Die Entropie nimmt zu: → wenn für Teilchen der Raum und die Anzahl der möglichen Plätze größer werden.. - bei der Diffusion, beim Lösen, beim Schmelzen & verdampfen wenn unterschiedliche Teilchen sich vermischen wenn die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen zunimmt (= Temperaturanstieg) wenn die Anzahl der Teilchen zunimmt wenn Temperaturen, konzentrationen oder Drücke sich ausgleichen. Berechnung von Entropieanderungen mit der molaren Standard entropie. Sm Einhelt: K.mol Berechnung der molaren Standardentropie Ar som ΣSM (Produkte) - Σ Som (Edukte) ist Arsim positiv, nimmt die Entropie zu. = Aufgabe: Berechne Ars für die Bildung von Wasser aus den beiden Elementen -> 2H₂O 2H₂ + 0₂ Ars = (2 mol. 70(mol)) - (2 mol. 131 umol 1 mol 205 moi) = -327 10 Ar G=ACHT AS G: Freie Reaktionsenthalpie (Maß für die Arbeitsfähigkeit eines Systems) AGO exergonischer Vorgang Reaktion läuft spontan ab Ara o endergonischer Vorgang. - nur durch Arbeitszufuhr möglich Die Gibbs Helmoltz-Gleichung Aufgabe: Berechne ArG für die Bildung von Wasser (flüssig) für Standardbedingungen (T= 298 K) 2H₂ -> 2H₂O Ars. = (2 mol. 70-mol)) - (2 mol. 131 mol + 1 mol. AH.- 2 mol. (-286 m) = -572 W. Aca = -572 000 J - 298 k 327 = -474 554 J ≈ -474,6 kJ exergonisch: Reaktion läuf freiwillig ab (Ara ≤ 0) endergonisch: Reaktion kann erzwungen werden (AG >0) 205 mol ) Exergonische und endergonische Reaktionen ohne da kene Standard- bedingung Ara ≤ 30 kJ: Die Reaktion läuft fast vollständig ab (Ausbeute ca. 100%). AG₁2+ 30 kJ: Die Reaktion läuft so gut wie gar nicht ab (Ausbeute CO. 0%) - 30kJ < A₁G < + 30kJ: Solche Reaktionen bezeichnet man als Gleichgewichtsreaktionen" (Ausbeute ca. 50%) Beispiel: 40 für die Bildung von Ammoniak (NH3) →2NH3 Temperaturabhangigkeit Je nach Temperatur können Reaktionen ihre Eigenschaften ändern Eine exergonische Reaktion kann so endergonisch werden (und umgekehrt) N₂ + 3H₂ AG=-92 000 J- 298 K-(-2011) -32,1 kJ AG bei einer Temperatur von Sook: ArG-92000 J - 800 K. (-2011 2) = 68,8. KJ. -327/ =D bei Standard bedingungen ist die Reaktion exergonisch => Bei hohen Temperaturen (wie z. B.T= 800K) ist die Reaktion endergonisch (1 Aufgabe: Berechne die Temperatur, ab der die (also für ArG =0) O = AH-TAS O= -92000J-T-(-2012) 1+ 92000 J 92 000 J = -T₁(-201³) 1: (-201³). - 458 K = T 1:(-1) T= 458 K Reaktion endergonisch wird =DAb einer Temperatur von T = 462 K wird die Reaktion endergonisch. verwendete Tabellenwerte gelten eigentlich nur für (T = 298 K) können aber näherungsweise verwendet werden. 12 Größen: H: Enthalpie S: Entropie G: freie Enthalpie T: Temperatur in K: Kelvin (meist 298 KJ A: -differenz Index: Reaktions- Index: Bildungs- Indexm malar Hochgestellte 0: bei Standardbedingungen C: Wärmekapazitāt CK: warmekapazität eines Kalorimeters Cw: spezifische wärmekapazität des Wassers (= 4,1868. mw: Masse einer Wasser portion CW.: Q: wärme (menge) Q₁: Reaktionswärme GIT: Temperatur AIAT: Temperatur differenz zwischen Endtemperatur ₂ und Anfangstemperatur. 9₁. =D. A9 = √₂₁-9₁ Wärmekapazität einer wasserportion (Cw= Cw: Mw) m: Masse n: Stoffmenge M: molare Masse .C : Stoffmengenkonzentration u innere Energie P: Druck V: Volumen ¡ AV volumen differenz W: Arbeit Au: Reaktionsenergie Σ Summe J-K). Qrv: Reaktionswärme bei konstantem volumen Qrp: Reaktionswärme bei konstantem Druck Standardbedingungen: T= 298 K Druck 1013 hPa 13 Formeln Wārmekapazität Kalorimeter: CK = Cw' (MW₁2. Reaktionswärme: Q₁ = -(Ck + CN·MN). A Molare Masse: M = m Reaktions- wormo & Masse der Lösung Q₁ = Cw⋅m AT Spezifische womeopaatt des Wassers grafisch er- millelte Temperatur- differene in kelvin Stoffmengenkonzentration: 9 Enthalple: H= U+P• V innere Energie: AU=Q+W Reaktionsenergie: Aru 4₂-U₁. Arbeit: W- -P. AV m= Masse; no Stoffmenge nd. R. 9₂ - Imisch Imisch-₁ bue mw₁). ₁ eingefüllte Portion (valt) 9₂ hinzugegebone portion (warm) =D wird bei Reaktion Energie abgegeben ist =D bei konstantem volumen: Qr₁v=AU u negativ 14