Klausur Chemie für Verfahrenstechniker III

Name, Vorname (in Druckbuchstaben):
Matr.-Nr.:
Klausur Chemie für Verfahrenstechniker III
15.03.2011
11.00 Uhr – 14.00 Uhr
Die folgende Tabelle dient Korrekturzwecken und darf vom Studenten nicht ausgefüllt werden.
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Summe
!!!Liebe Studenten und Studentinnen, bitte HIER die von Ihnen bearbeiteten Aufgaben ankreuzen!!!
Damit ist sichergestellt, dass wir die Aufgaben auch finden und bewerten
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Aufgabe 1
(2.5 Punkte)
Es wurde bei einem Versuch 300 mL 0.1 N NaOH vorgelegt und dazu 3 mL konz. HCl
gegeben, woraus eine Temperaturänderung von 1.35 K resultierte. Die Verdünnungswärme ∆HV, der konzentrierten HCl, wurde für diese Bedingungen zu -182.07
kJ/LSäure bestimmt.
a) Berechnen Sie anschließend die Neutralisationswärme ∆HN. (1.5 P)
b) Beschreiben und erläutern Sie die Funktionsweise eines Bombenkalorimeters.
Welche Thermodynamische Größe lässt sich damit unmittelbar bestimmen? (1 P)
Aufgabe 2
(2.5 Punkte)
Im Winter 09/10 wurde aufgrund lang anhaltender Kälte und viel Schnee so viel Salz
gestreut, dass das Streusalz gegen Ende des Winters knapp wurde und nicht mehr überall gestreut werden konnte, weshalb einige Straßen glatt blieben.
a) Weshalb wurden nicht lösliche Polymere gestreut? (1.0 P)
b) Ist es sinnvoller 0.1 mol Natriumchlorid oder 0.1 mol Kaliumchlorid zu streuen um
den Gefrierpunkt maximal zu erniedrigen? (keine Wirtschaftlichkeits-Überlegungen)
(0.5 P)
c) Nach welcher Gleichung wird die molare Masse aus der Gefrierpunktserniedrigung
bestimmt? Benennen Sie die zugehörigen Koeffizienten der Gleichung und geben Sie
deren Einheiten an (1.0 P) Hinweis: gefragt ist MG = …
Aufgabe 3
(2.5 Punkte)
a) Skizzieren Sie den Aufbau eines Ubbelohde-Viskosimeters und beschreiben Sie
stichwortartig den Ablauf einer Durchlaufzeitmessung. Was müssen Sie während einer
Messung hinsichtlich Druck und Temperatur beachten? (1.0 P)
b) Welcher Zusammenhang besteht zwischen der dynamischen und der kinematischen
Viskosität? (0.5 P)
c) Was beschreibt der Polydispersitätsindex? Was bedeutet ein Polydispersitätsindex
von eins? Nennen Sie ein Beispiel für ein Polymer mit diesem Polydispersitätsindex.
Nennen Sie mind. drei Möglichkeiten den Polydispersitätsindex bei der Polymerherstellung zu beeinflussen. (1.0 P)
Aufgabe 4
(2.5 Punkte)
In einem Wassermanometer werden folgende Höhendifferenzen zwischen linkem und
rechtem Rohr gemessen:
Wasser:
5 % Ethanol:
5 % 1-Propanol:
5 % 2-Propanol:
5 % 1-Butanol:
5 % 2-Butanol:
8.5 cm
6.4 cm
5.2 cm
5.5 cm
4.7 cm
5.1 cm
Der Einfachheit halber wird für alle Lösungen die Dichte von Wasser bei 20 °C angenommen, ρ=0.9982 g/cm3. Der Kapillarradius beträgt 0.2 mm und die Eintauchtiefe
1 cm. σ =
( ∆L − ∆H ) ⋅ rc ⋅ g ⋅ δ
2
a) Berechnen sie die dynamische Oberflächenspannung für die obigen Lösungen.
(0.5 P)
b) Stellen Sie Ihre Ergebnisse im Hinblick auf die Traubsche Regel sinnvoll dar. (0.5 P)
c) Erläutern Sie die TRAUBSCHE Regel und interpretieren sie die obigen Ergebnisse aus
b) hinsichtlich der TRAUBSCHEN Regel qualitativ und quantitativ. (1.5 P)
Aufgabe 5
(2.0 Punkte)
5.1. Wie wird die Leitfähigkeit einer Lösung durch die Viskosität und den Radius der
gelösten Ionen beeinflusst? (0.5 P)
5.2. Bei Leitfähigkeitsmessungen verwendet man in der Regel Wechselstrom. Wie groß
werden dann die Verschiebungen der Ionen A+, B+ und C+ in cm während einer halben
Schwingungsperiode des Wechselstroms, wenn bei einer Frequenz von f = 0,5 kHz
gearbeitet wird? Der Elektrodenabstand bei der Leitfähigkeitsmessung sei L = 1cm, die
angelegte Spannung U0 = 40 V
Die Ionen A+, B+ und C+ haben Ionenbeweglichkeiten von u (A+) = 4,9 · 10-4 cm2 s-1 V1
,
u (B+) = 6,8 · 10-4 cm2 s-1 V-1 und u (C+) = 7,5 · 10-4 cm2 s-1 V-1 .
Beachten Sie, dass das E-Feld bei Wechselstrom zeitlich nicht konstant ist. Es gilt:
E = E0 . sin(2πƒt). Damit schwankt auch die Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen
zeitlich. Für die Verschiebungsstrecke d ist also über Dauer einer hal
ben Schwingungsperiode zu integrieren: d = ∫ v (t) dt (1.5 P)
Aufgabe 6
(2.0 Punkte)
a) Betrachtet wird die säurekatalysierte, hydrolytische Spaltung von Rohrzucker (Saccharose, A) zu Glucose (B) und Fructose (C).
+
H
A + H2O →
 B+C
Welche experimentelle Reaktionsordnung erwarten Sie? Begründen Sie kurz Ihre Überlegungen und beachten Sie dabei, dass Wasser in großem Überschuss vorliegt.
b) Wie verändert sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Erhöhung der Reaktionstemperatur? Berechnen Sie den prozentualen Anstieg für eine Temperaturerhöhung von
0 auf 10 °C und eine Erhöhung von 90 auf 100 °C. (Präexponentieller Faktor: 1.104 1/s;
Aktivierungsenergie: 50 kJ/mol).
c) Nach welcher Zeit ist bei 100 °C die Hälfte der Saccharose gespalten?
Aufgabe 7
(1.0 Punkte)
Ein Gefäß mit dem Volumen 5.0 L enthält bei 315 K 1.00 mol N2 und 3.00 mol O2
a). Wie groß ist der Gesamtdruck, wenn sich beide Gase ideal verhalten? (Ergebnis in
MPa!) (0.5 P)
_
b). Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit c von N2 in Luft bei 315 K?
 M 

c = ∫ s f ( s ) ds = 4 π 
2π RT 
0
∞
3/ 2 ∞
 M s2
−
3  2 R T
∫s e




ds
(Gl. 1)
0
In Gl. 1 bedeuten M die Molmasse von Stickstoff in kg mol-1, R die universelle Gaskonstante in J mol-1K-1 und T die Temperatur in K.
Verwenden Sie bei der Lösung nachvollziehbar das Standardintegral (Gl. 2)
∞
∫x e
3
(−a x ) dx = 1
2
2
0
(Gl. 2)
2a
Aufgabe 8
(1.5 Punkte)
a) Mit welcher der folgenden Gleichungen lässt sich die mittlere Geschwindigkeit von
Gasmolekülen berechnen?
c =(
2RT 1/ 2
4RT 1/ 2
) , c =(
) ,
M
πM
c =(
8RT 1/ 2
)
πM
Berechnen Sie das Verhältnis der mittleren Geschwindigkeiten von H2-Molekülen und
Hg-Atomen ( Molmasse Wasserstoff: 1,08 g/mol; Mollmasse Quecksilber: 200,6
g/mol). (0.5 P)
b) Die Viskosität eines Gases nimmt mit steigender Temperatur zu. Erklären sie dieses
Verhalten mit Hilfe der kinetischen Gastheorie. (0.5 P)
Im Gegensatz zu Gasen sinkt bei Flüssigkeiten die Viskosität mit zunehmender Temperatur. Erklären sie das unterschiedliche Verhalten von Gasen und Flüssigkeiten auf molekularer Ebene. (0.5 P)
Aufgabe 9
(1.5 Punkte)
Ein Unternehmen führt Versuche mit einem Starrluftschiff als mögliche Alternative zu
Kommunikationssatelliten durch. Der Prototyp besitzt ein mit Gas befüllbares Volumen
von 2000 m³ und soll in rund 20000 m Höhe operieren, wo eine Temperatur von 56.5 °C herrscht. Als Füllgas wird Helium verwendet (a = 0.03457 L²bar/mol²,
b = 0.0237 L/mol).
a) Berechnen Sie nach der van-der-Waals-Gleichung den Druck im Luftschiff, wenn es
mit 511 mol Helium befüllt wurde. (0.5 P)
b) Liefert die ideale Gasgleichung zur Beantwortung dieser Aufgabe ähnlich gute Ergebnisse? Begründen Sie kurz. (1.0 P)
Aufgabe 10
(2.0 Punkte)
a) Definieren sie kurz den Begriff Entropie und nennen sie die Gleichung durch die die
Entropieänderung beschrieben wird. (1.0 P)
b) Bei der reversiblen isothermen Expansion eines Gases bei einer Temperatur von
350 °C muss eine Wärmemenge von 5 kJ zugeführt werden. Wie groß ist die resultierende Entropieänderung? (0.5 P)
c) Anschließend wird reversibel adiabat auf T = 200 °C expandiert. Wie groß ist die
Entropieänderung im adiabaten Fall? (0.5 P)
Aufgabe 11
(1.0 Punkte)
Ein zylindrischer Behälter, dessen Radius 5 cm beträgt, ist durch einen frei beweglichen
Stopfen verschlossen. Infolge einer chemischen Reaktion im Behälter wird der Stopfen
plötzlich um 25 mm verschoben. Die hierbei verrichtete Arbeit leistet das System gegen
einen äußeren Druck von 1 bar.
Welche Arbeit verichtet das System?
(Ergebnis in Newtonmeter angeben!)
Aufgabe 12
(2.0 Punkte)
a) Berechnen Sie die Standardreaktionsenthalpie ∆RH von Reaktion 3) unter Verwendung der 1) und 2).
(1.0 P)
1)
H 2 ( g ) + Cl2 ( g ) → 2 HCl ( g ) ,
∆RH = -184.62 kJ mol-1
2)
2 H 2 ( g ) + O2 ( g ) → 2 H 2O ( g ) ,
∆RH = -483.64 kJ mol-1
3)
4 HCl ( g ) + O2 ( g ) → 2 Cl2 ( g ) + 2 H 2O ( g ) ,
∆RH = ? kJ mol-1
b) Berechnen Sie zudem die Standardbildungsenthalpie ∆BH von HCl und H2O unter
Angabe der Reaktionsgleichungen.
(0.5 P)
c) Wie groß die Standardbildungsenthalpie von molekularem Wasserstoff? (0.5 P)
Aufgabe 13
(2.0 Punkte)
Gegeben sei die Gleichgewichtsreaktion von Methan mit Chlorgas zu Chloroform und
Chlorwasserstoff.
CH4 (g) + 3 Cl2 (g) <==> CHCl3 (l) + 3 HCl (g)
a) Berechnen Sie mit Hilfe der freien Standardbildungsenthalpien ∆BG 0 aus der Tabelle
unten die freie Standardreaktionsentalpie ∆RG 0 und die Gleichgewichtskonstante K bei
25 °C. (1.0 P)
CH4
Cl2
CHCl3
HCl
∆BH 0 [kJ/mol] ∆BG 0 [kJ/mol]
- 74.81
- 50.72
0
0
-134.47
- 73.66
- 92.31
- 95.30
b) Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K und die freie Standardreaktionsenthalpie ∆RG 0 bei 70 °C. (1.0 P)
Aufgabe 14
(1.0 Punkte)
137
a) Welcher Ordnung ist der Zerfall von Cs?
b) In den sterblichen Überresten von Kapitän Haddock wird Caesium gefunden! Die
Aktivität entspricht 45 % der heutigen Aktivität. Die Halbwertszeit von 137Cs beträgt
30.2 Jahre. Wie lange ist Kapitän Haddock schon tot?
Aufgabe 15
(2.0 Punkte)
In 100 g Benzol sind 2 g einer nicht flüchtigen Substanz gelöst (d.h. der Dampfdruck der reinen unbekannten Substanz ist vernachlässigbar). Der Dampfdruck
von reinem Benzol bei 293 K beträgt 9,995 · 103 Pa. Über der Lösung der unbekannt Substanz in Benzol wurde bei ebenfalls 293 K ein Dampfdruck von 9,908 ·
103 Pa gemessen.
Bestimmen Sie unter der Annahme, dass das Raoult'sche Gesetz anwendbar ist, die
molare Masse des gelösten Kohlenwasserstoffs. Worum könnte es sich handeln?
Aufgabe 16
(2.0 Punkte)
a) Was besagt der Satz von Hess. Wofür kann man ihn im Hinblick auf die Thermodynamik benutzen. Erläutern Sie!
b) Berechnen Sie nachvollziehbar unter Berücksichtigung der Freiheitsgrade, die
Wärmekapazitäten cp und cv für CO2 bei 20 °C unter der Annahme, dieses sei ein
ideales Gas. Zeichnen Sie dafür eine Strukturformel von CO2. Hinweis: C ist
Element der 4. und O Element der 6. Hauptgruppe des Periodensystems.