Seminar zum Versuch P2: Thermochemie

Seminar zum Versuch P2: Thermochemie
3.
Kurzlehrbuch Physikalische Chemie („kleiner Atkins“), 4. Auflage, 2008
Erhaltung der Energie: 2.1 - 2.5
Innere Energie und Enthalpie: 2.6 - 2.8
Entropie: 4.1, 4.2, 4.6
Freie Enthalpie: 4.10, 4.11
Thermochemie: 3.3 - 3.5, 4.8, 4.9
(a)
(b)
(c)
Seminarschwerpunkte:
Vorzeichenkonvention für Arbeit und Wärme, 1. Hauptsatz, reversible und irreversible
isotherme Volumenarbeit, Umrechnung von Reaktionsenergien in Reaktionsenthalpien, Prinzip des Lösungs- und Verbrennungskalorimeters, molare Standardbildungsenthalpien, spezifische Verbrennungsenthalpien der Nährstoffe, Anwendungen des Satzes von Hess, Definition der Entropie und freien Enthalpie, 2. Hauptsatz,
Spontanitätskriterien
(a)
(b)
Übungsaufgaben:
1.
(a)
(b)
2.
(a)
(b)
4.
Das Enzym Alkoholdehydrogenase katalysiert die Oxidation von Ethanol zu
Acetaldehyd unter Beteiligung des Koenzyms Nicotinsäureamid-AdeninDinukleotid: C2H5OH(aq) + NAD+ (aq)  C2H4 O(aq) + NADH (aq) + H+ (aq).
Berechnen Sie näherungsweise die ausgetauschte Wärmemenge bei vollständigem Abbau von 10 g Blutalkohol. In einem chemischen Tabellenwerk
finden Sie die molaren Standardbildungsenthalpien von Ethanol (-288,30 kJ
mol-1), Acetaldehyd (-212,33 kJ mol-1), H+ (per Konvention 0 kJ mol-1), NAD+
(ebenfalls per Konvention 0 kJ mol-1) und NADH (-31,94 kJ mol-1). Beachten
Sie, dass diese Werte sich auf einen Standardzustand in verdünnter wässriger
Lösung (Ionenstärke 0, Temperatur 25 °C, Druck 0,1 MPa) beziehen. Die
Werte in der Tabelle A5.1 des kleinen Atkins gelten dagegen für reine Stoffe.
Wie würde sich die Körpertemperatur eines 70 kg schweren Menschen
ändern, wenn der menschliche Körper ein abgeschlossenes System wäre?
Die spezifische Wärmekapazität des Körpers beträgt ca. 3,5 kJ kg-1 K-1.
[Ergebnisse: Q = +9,57 kJ; T = -0,04 K]
5.
(a)
3
Eine Druckluftanlage soll stündlich 500 m Atmosphärenluft mit einer
Temperatur von 20 °C auf den 20fachen Druck komprimieren. Welche
Leistung (in kW) ist erforderlich, wenn die Kompression
isotherm reversibel
isotherm und bei konstantem Außendruck
erfolgen würde?
[Ergebnisse: Prev = 42,2 kW; Pirr = 267,4 kW]
(b)
(c)
100 mL einer 0,2 M ATP-Lösung mit einem pH-Wert von 7, einem pMg-Wert
von 3 und einer Ionenstärke von 0,25 mol L-1 befinden sich in einem Kalorimeter bei einer Temperatur von 25 °C und einem Druck von 101,325 kPa. Die
Hydrolyse von ATP zu ADP und Phosphat wird durch Zugabe des Enzyms
ATPase initiiert. Die Temperatur steigt um 1,21 K. Wird durch einen Heizdraht
mit einem elektrischen Widerstand von 5,5 Ohm 43 s lang ein Strom mit einer
Stärke von 2 A geleitet, steigt die Temperatur um 1,85 K.
Berechnen Sie die molare Reaktionsenthalpie für die Hydrolyse von ATP.
Unter gleichen Bedingungen beträgt die molare Reaktionsenthalpie für die
Hydrolyse von ADP zu AMP und Phosphat -28,86 kJ mol-1. Berechnen Sie die
molare Reaktionsenthalpie für die durch das Enzym Myokinase katalysierte
Reaktion ADP(aq)  0,5 ATP(aq) + 0,5 AMP(aq) .
Für einen biochemischen Standardzustand (25 °C, 1 bar, pH 7, pMg 3,
Ionenstärke 0,25 mol L-1) finden Sie in einem Tabellenwerk die molaren
Standardbildungsenthalpien von AMP (-1016,59 kJ mol-1), ADP (-2000,20 kJ
mol-1) und ATP (-2981,79 kJ mol-1). Überprüfen Sie mit diesen Daten den
unter (b) bestimmten Wert für die molare Reaktionsenthalpie.
[Ergebnisse: RHa = -30,94 kJ mol-1; RHb/c = +1,04 kJ mol-1 / +1,01 kJ mol-1]
Bei der Verbrennung der Aminosäure Alanin [CH3CH(NH2)COOH] in einem
Bombenkalorimeter entstehen die Produkte N2 (g), CO2 (g) und H2O (l). Die
bei einer Temperatur von 25 °C ermittelte molare Standardverbrennungsenergie von Alanin beträgt -1619,28 kJ mol-1.
Berechnen Sie die molare Standardbildungsenthalpie von Alanin.
Berechnen Sie den physiologischen Brennwert von Alanin, d.h., die spezifische Verbrennungsenthalpie (in kJ g-1) für die Verbrennung im menschlichen
Körper. Bei der Verbrennung im menschlichen Körper werden Harnstoff, CO2
und H2O gebildet.
Die benötigten molaren Standardbildungsenthalpien entnehmen Sie bitte den
Tabellen A5.1 und A5.2.
[Ergebnisse: BH0= -561,04 kJ mol-1; CHsp = -14,6 kJ g-1]
Ein 70 kg schwerer Bergwanderer überwindet während einer dreistündigen
Tour einen Höhenunterschied von 1000 m. Der Energieverbrauch betrage 6
MJ. Der Nettowirkungsgrad, d.h. der Quotient aus der geleisteten externen
mechanischen Arbeit und der über den Grundumsatz hinaus aufgewendeten
Energie betrage 20 %. Der Grundumsatz pro Zeit (Ruheleistung), d.h. der zur
Aufrechterhaltung der Körperfunktionen eines ruhenden Menschen
notwendige Energieverbrauch pro Zeit, beträgt ca. 1 W pro Kilogramm
Körpermasse.
Berechnen Sie die gesamte mechanische Leistung. Wie groß ist der Anteil der
Leistung, die gegen die Gravitationskraft erbracht wird und wie groß der Anteil
der Leistung gegen Reibungskräfte?
Berechnen Sie die vom Körper abgegebene Wärmemenge sowie die Wärmeleistung.
Wieviel Big Macs® wären zur vollständigen Deckung des Energiebedarfs für
die Bergtour erforderlich? Ein Big Mac enthält 40 g verwertbare Kohlenhydrate, 25 g Fett und 27 g Eiweiß. Die benötigten durchschnittlichen
physiologischen Brennwerte der Nährstoffe entnehmen Sie bitte Kapitel 3.3,
Exkurs 3.1.
[Ergebnisse: P = 97,11 W; PG = 63,58 W (65,5 %); PR = 33,53 W (34,5 %); Q
= -4,95 MJ; -Q/t = 458,44 W; 3]