Zusatzaufgaben

PCPharmLA Uni Bonn WS16/17 Aufgaben zur Nachbereitung P2
ALEXANDER RIEGEL
Physikalisch-Chemisches Grundpraktikum für Pharmazeuten und Lehramtskandidaten
Aufgaben zur Nachbereitung P2 – Thermochemie
1.
Bei einem Prozess, bei dem keine Arbeit verrichtet wird, sei
Temperatur im (geschlossenen) System dabei oder sinkt sie? (S. 80)
2.
Ein Gas dehnt sich gegen einen äußeren Druck aus. Welches Vorzeichen besitzt die
Volumenarbeit bei diesem Prozess? (S. 79 – 81)
3.
Unter welchen Bedingungen ist die Volumenarbeit durch
20kJ. Steigt die
Vol
⋅ ln
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sodass das Gas ins Vakuum expandieren konnte. Im Wasserbad konnte er keine
Temperaturänderung feststellen. Er folgerte daraus, dass die Innere Energie eines Gases
vom Volumen unabhängig ist. Dies gilt aber nur für ideale Gase. Mit seinem realen Gas
gab es eine Änderung der Inneren Energie, aber die Temperaturänderung war zu klein, als
dass er sie hätte messen können. Was war an dem Versuchsaufbau diesbezüglich
ungeschickt? (Hinweis: Betrachten Sie die Wärmekapazitäten der Bestandteile des
Kalorimeters. Achten Sie auf das Material der Kugeln und die Größe des Wasserbads.)
13. Die extensive Wärmekapazität bei konstantem Volumen ist per Definition:
d
d
E
A
gegeben? (S. 83 – 85)
4.
Stellen Sie isotherm-reversible und irreversible Volumenarbeit für Expansion und
Kompression (eines idealen Gases) in einem , -Diagramm graphisch dar. Begründen
Sie anhand des Expansionsdiagramms, dass die maximale Volumenarbeit bei Expansion
durch reversible Prozessführung gewonnen werden kann. (S. 86; S. 82 f.)
5.
Geben Sie Beispiele für Arten von Nichtvolumenarbeit. (S. 185)
6.
Was bedeuten die folgenden Begriffe: isobar, isochor, isotherm, adiabatisch? (S. 23, 76)
7.
Für nicht-offene Systeme kann der Erste Hauptsatz der Thermodynamik geschrieben
werden als:
a. Warum ist die „aufwändige“ Formulierung als Ableitung notwendig? (Abb. 2.16:
S. 99)
b. Unter welchen Bedingungen ist folgende Näherung zulässig?
∆
∆
c. Geben Sie mithilfe der Gleichung aus Aufgabe 9 die Formel für die Wärmekapazität
eines einatomigen, idealen Gases an.
14. Worin unterscheiden sich extensive, spezifische und molare Wärmekapazität eines
(reinen, homogenen) Stoffes?
∆
15. Geben Sie die Definition der Enthalpie an. (Gl. 2.12: S. 101)
a. Was folgt daraus für abgeschlossene Systeme? (S. 97)
b. Wieso gilt die obige Formulierung im Allgemeinen nicht für offene Systeme?
8.
Wieso ist die Notation ∆ sinnvoll, aber ∆ bzw. ∆
9.
Geben Sie die Formel für die Innere Energie eines einatomigen, idealen Gases in
Abhängigkeit von der (absoluten) Temperatur an.
physikalisch falsch? (S. 97)
10. Welche Aussage kann über die Innere Energie eines idealen Gases bei einem isothermen
Prozess gemacht werden? Wie können Sie das zur Berechnung der ausgetauschten
Wärme bei isothermen Expansionen und Kompressionen von Gasen nutzen? (S. 93 – 95)
11. Zeigen Sie mithilfe des Ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, dass die adiabatische
Expansion eines idealen Gases ins Vakuum isotherm ist. (S. 82 oben)
12. JAMES JOULE wollte kalorimetrisch messen, wie sich die Innere Energie eines Gases mit
dessen Volumen ändert. Dazu platzierte er zwei Metallkugeln, die über ein Ventil
verbunden waren, in einem großen Wasserbad. In der einen Kugel befand sich Gas bei
hohem Druck, die andere Kugel war evakuiert (quasi Vakuum). Er öffnete das Ventil,
16. Wie hängen bei isobaren Prozessen die ausgetauschte Wärme und die Enthalpieänderung
eines (nicht-offenen) Systems zusammen? Macht es dabei einen Unterschied, ob
Nichtvolumenarbeit verrichtet wird? Macht es dabei einen Unterschied, wie groß etwaige
Volumenarbeit ist? (S. 102)
17. Geben Sie die Definition der extensiven Wärmekapazität bei konstantem Druck,
(Abb. 2.19: S. 108)
, an.
18. Bei kalorimetrischen Messungen wird häufig eine (isobar-adiabatische) elektrische
Kalibrierung durchgeführt.
a. Welche Größe soll durch die Kalibrierung ermittelt werden?
b. Wie wirkt sich die Kalibrierung auf die Enthalpie des Systems aus?
c. Wie wird die Zielgröße rechnerisch bestimmt?
19. Erklären Sie anschaulich, warum stets
gilt. (S. 109)
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20. Wie groß ist im Falle idealer Gase die Differenz der extensiven Wärmekapazitäten bei
konstantem Druck bzw. konstantem Volumen? Wie groß ist die Differenz der
entsprechenden molaren Wärmekapazitäten? Ist die Differenz im Falle idealer Gase
temperaturabhängig? (S. 108)
21. Berechnen Sie die Differenz zwischen molarer Enthalpie und molarer Innerer Energie für
ein ideales Gas bei 300 K. Ist die Differenz bei Helium anders als bei Argon (ideales
Verhalten vorausgesetzt)? Ist die Differenz bei 600 °C doppelt so groß wie bei 300 °C?
(S. 101)
22. Erklären Sie, weshalb der Unterschied zwischen molarer Enthalpie und molarer Innerer
Energie bei normalen Bedingungen i. A. für Gase weit wichtiger ist als für kondensierte
Stoffe. Unter welchen Bedingungen kann der Unterschied auch für kondensierte Stoffe
(insb. Feststoffe) signifikant sein? (S. 101 f.)
23. Betrachten Sie die
Raumtemperatur.
vollständige
Verbrennung
von
Fumarsäure
C4H4O4
b. Berechnen Sie die Differenz zwischen der molaren Verbrennungsenthalpie und der
molaren Verbrennungsenergie bei 298 K. Was entscheidet über das Vorzeichen der
Differenz? Geben Sie die Reaktionsgleichung für eine beliebige Reaktion an, bei der
die Differenz Null ist (immer im Rahmen der üblichen Näherungen). (S. 134, 138
unten)
24. Für welche der folgenden Stoffe in den angegebenen Zuständen ist die molare
Standardbildungsenthalpie bei Raumtemperatur Null: festes Na, festes NaCl, fester
Diamant, flüssiges Hg, flüssiges Wasser, gasförmiges O2? (S. 141 f.)
25. Wenden Sie den Satz von HESS an, um die jeweils gesuchte Größe zu bestimmen
(Temperatur ist jeweils bei allen Prozessen die gleiche): (S. 139 f., 142 ff.)
CO
m
für C
O2 → CO2 , bekannt: ∆R
m
für C
O2 → CO und für
O2 → CO2 .
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d. Gesucht: ∆B m von Fumarsäure (C4H4O4, siehe Aufgabe 23), bekannt: molare
Standardverbrennungsenthalpie ∆C m von Fumarsäure, ∆B m von CO2 und H2O.
e. Gesucht: ∆R m für die Isomerisierung Fumarsäure → Maleinsäure, bekannt: ∆C
von Fumarsäure und Maleinsäure.
m
26. Welche Aussage macht der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik über die Entropie in
einem abgeschlossenen System? (S. 159)
27. Weshalb kann bei einem freiwillig ablaufenden Prozess die Entropie in einem nichtabgeschlossenen System abnehmen? (S. 182)
28. Berechnen Sie die Änderung der Entropie eines idealen Gases bei einer isothermen
Expansion von A nach E mithilfe der Definition für die Änderung der Entropie. (S. 164)
rev
∆
bei
a. Formulieren Sie die vollständige Reaktionsgleichung (Fumarsäure ist unter normalen
Bedingungen ein Feststoff).
a. Gesucht: ∆R
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29. Wie hängt bei einem isobaren Prozess die Änderung der Entropie in der Umgebung mit
der Änderung der Enthalpie im System zusammen? (S. 175)
30. Geben Sie die Definition der Freien Energie sowie der Freien Enthalpie an. Sind diese
Definitionen stets ohne Einschränkung gültig? (S. 183)
31. Unter welchen Bedingungen gilt die untenstehende GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung?
(S. 183)
∆
∆
∆
32. Unter welchen Bedingungen ist ∆
0 das Kriterium für die Freiwilligkeit eines
Prozesses? Welchen Vorteil bietet dieses Kriterium gegenüber dem Entropiekriterium?
(S. 183 f.)
33. Bei Polymerisationsreaktionen entsteht aus vielen Monomeren ein Polymer. Was folgt
daraus für die Reaktionsentropie? Was folgt dann für die Reaktionsenthalpie, wenn die
Reaktion bei ,
const. freiwillig abläuft? (Aufgabe 4.4: S. 189; S. 183 f.)
34. Ist die Wärmemenge, die bei der direkten Verbrennung von Wasserstoff gemäß
b. Gesucht: molare Gitterenthalpie von NaCl, bekannt: erste molare Lösungsenthalpie
von NaCl (Lösungsmittel: Wasser) und molare Hydratationsenthalpie von Na+(g)
und Cl–(g).
c. Gesucht: ∆R m für C2 H5 COOH HOCH3 → C2 H5 COOCH3 H2 O, bekannt: ∆R m
für die Zerlegung von C2 H5 COOH und HOCH3 in die Elemente im Referenzzustand
und für die Bildung von C2 H5 COOCH3 und H2 O aus den Elementen im
Referenzzustand.
O2 g
H2 g → H2 O l freigesetzt wird, größer, kleiner oder gleich der elektrischen
Arbeit, die bei reversibler Durchführung dieser Reaktion in einer Brennstoffzelle
gewonnen werden kann? Wird bei der Reaktion in der Brennstoffzelle neben der
Nichtvolumenarbeit auch Volumenarbeit verrichtet? Die molare Standardreaktionsenthalpie und –entropie betragen bei 25 °C ca. -286 kJ mol-1 bzw. -163 JK-1mol-1. (S. 185
f.)
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Die Seiten- und Kapitelangaben beziehen sich auf: Atkins, Peter W.; de Paula, Julio:
Kurzlehrbuch Physikalische Chemie. 4., vollst. überarb. Aufl., Weinheim: WILEY-VCH, 2008.
Konsultieren Sie auch die Unterlagen auf der Praktikumshomepage und Ihre Mitschriften. Bei
Abweichungen in der Nomenklatur gegenüber dem Lehrbuch ist der Nomenklatur in den
Unterlagen auf der Praktikumshomepage der Vorzug zu geben.