Übungsblatt 13 vom 11.02.2009
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Physikalische Chemie für Pharmazeuten WS 2008/09 Übungsblatt 13 vom 11.02.2009 Aufgabe 1: Bei einer Temperatur von 47°C beträgt die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion erster Ordnung 3,5 10-3 s-1. Bei 67°C wurde eine Halbwertszeit von t1/2 = 34,66 s gemessen. Wie groß ist die Aktivierungsenergie ? Aufgabe 2: Die Geschwindigkeitskonstante einer Zerfallsreaktion hat bei 480oC den Wert 0,1 s-1. Die Aktivierungsenergie beträgt 180 kJ mol-1. Welche Temperatur ist erforderlich, um die Geschwindigkeit der Reaktion zu vervierfachen? Übungsblatt 12 vom 4.02.2009 Aufgabe 1: Der Zerfall von N2O5 verläuft nach einem Zeitgesetz erster Ordnung N2O5 2 NO2 + O2. Die Geschwindigkeitskonstante bei 45°C beträgt 6,08 10-4 s-1. Wie viel Substanz ist nach 38 min noch übrig, wenn man von 0,01 mol Substanz in 1 l ausgeht? Aufgabe 2: Die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion erster Ordnung sei 2,5 10-4 s-1. a) Wie groß ist die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Anfangskonzentration von 0,3 mol/l? b) Wie groß ist die Halbwertszeit der Reaktion? c) Wie groß ist die Reaktionsgeschwindigkeit bei obiger Anfangskonzentration nach Ablauf der Halbwertszeit? Aufgabe 3: Die Zersetzung einer Substanz verläuft nach einem Geschwindigkeitsgesetz 1.Ordnung. Nach 4 103 s ist die Konzentration der Substanz auf die Hälfte des Ausgangswertes abgesunken. Nach welcher Zeit sind noch 5% der Substanz vorhanden? Übungsblatt 11 vom 28.01.2009 Aufgabe 1: NO2 steht bei Zimmertemperatur im Gleichgewicht mit seinen Dimeren: 2 NO2 N2O4. Weil NO2 ein braunes und N2O4 ein farbloses Gas ist, lassen sich die im Gleichgewicht vorhandenen Mengen nicht nur aus Druckmessungen, sondern auch spektroskopisch bestimmen. Die folgenden Daten wurden bei zwei verschiedenen Temperaturen erhalten: p (NO2) / mbar p (N2O4) / mbar 298 K 61,3 30,7 305 K 90,7 40,0 Berechnen Sie für die Dimerisation die Gleichgewichtskonstante, die molare Freie Enthalpie, die Enthalpie und die Entropie bei 298 K. Aufgabe 2: Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstanten Kp (Partialdrucke) und Kx (Molenbrüche) der Reaktion C(s) + CO2 (g) 2 CO (g) für 1200 K und 1 bar. Gegeben sind die Freie Standard- Reaktionsenthalpie rG= 120,02 kJ mol-1 und die Standard-Reaktionsenthalpie rH = 172,45 kJ mol-1. Um welche Faktoren verändern sich Kp und Kx dieser Reaktion bei isothermer Erhöhung des Gesamtdrucks auf 100 bar? Übungsblatt 10 vom 21.01.2009 Aufgabe 1: Wie ändern sich Dampfdruck, Siedepunkt und Schmelzpunkt eines Lösungsmittels bei Zugabe eines sich lösenden Feststoffs? Glykol wird in Kraftfahrzeugen als Frostschutzmittel verwendet. Berechnen Sie die Masse Glykol, die man 2 kg Wasser mindestens zusetzen muss, damit diese Kühlwassermischung bis –20°C „frostsicher“ ist! (MGGlykol: 62g mol-1, Kkr H2O: 1,86 K kg mol-1) Aufgabe 2: Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante für die Reaktion 2CO (g) + O2 (g) 2CO2 (g) für Standardbedingungen bei 298,15 K. Die freie Standardbildungsenthalpie für CO beträgt bG = -137,2 kJ mol-1, diejenige für CO2 bG = -394,4 kJ mol-1. Übungsblatt 9 vom 10.12.2008 Aufgabe 1: Bei einer Temperatur von T1 = 70°C beträgt der Dampfdruck einer Substanz p1 = 0,32 bar. Die molare Verdampfungsenthalpie beträgt HVerd,m = 40,8 kJ mol-1. Berechnen Sie den Druck p2 bei T2 = 90°C. Aufgabe 2: Bei 300 K haben jeweils eine reine Flüssigkeit A einen Dampfdruck von 767 mbar und eine reine Flüssigkeit B einen Dampfdruck von 520 mbar. Beide Substanzen bilden im flüssigem und im Gaszustand ideale Mischungen. Betrachten Sie das Gleichgewicht in einer Mischung mit der Dampfzusammensetzung yA = 0,35. Wie groß ist der Gesamt-Dampfdruck und wie ist die Zusammensetzung der Flüssigkeit? Übungsblatt 8 vom 3.12.2008 Aufgabe 1: Berechnen Sie die Freie Standard-Reaktionsenthalpie rG der partiellen Oxidation von Ammoniak zu Stickstoffmonoxid: 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g) aus den Standard-Bildungsenthalpien bH: –241,82 kJ mol-1 (H2O), -46,11 kJ mol-1 (NH3), 90,25 kJ mol-1 (NO) und den Standardentropien: S:189 J K-1 mol-1 (H2O), 192,45 J K-1 mol-1 (NH3), 210,76 J K-1 mol-1 (NO), 205,14 J K-1 mol-1 (O2). Schätzen Sie außerdem die Temperatur ab, bei der sich die Richtung der Reaktion gerade umkehrt, indem Sie vereinfachend annehmen, dass rH und rS nicht von der Temperatur abhängen. Aufgabe 2: 2 mol eines idealen Gases werden bei 330 K und 3,5 bar isotherm und reversibel komprimiert. Dabei nimmt die Entropie des Gases um 25 JK-1 ab. Wie groß ist der Druck des Gases nach der Kompression und wie hat sich dabei die Freie Enthalpie geändert? Übungsblatt 7 vom 26.11.2008 Aufgabe 1: Ein mol eines idealen Gases befinde sich bei Zimmertemperatur ( 298 K ) unter einem Druck von 1 bar. Berechnen Sie die Entropieänderung S, die auftritt, wenn Sie die Temperatur des Gases auf 500 K und dessen Druck gleichzeitig und reversibel auf 10 bar erhöhen. Aufgabe 2: Durch Zufuhr von Wärme werden 100 g flüssiges Wasser mit einer Temperatur von 20° C bei konstantem Druck in Wasserdampf mit einer Temperatur von 150° C überführt. Berechnen Sie a) die hierzu benötigte Wärmemenge Q bzw. sowie b) die dabei auftretende Entropieänderung S des Systems. Verd H (H2O, 373K) = 40,66 kJ mol-1 cp,m (H2O,l) = 75,29 J K-1 mol-1, cp,m (H2O,g) = 33,58 J K-1 mol-1 (Die Wärmekapazitäten sind dabei als temperaturunabhängig anzunehmen.) Übungsblatt 6 vom 19.11.2008 Aufgabe 1: Berechnen Sie die Standard-Bildungsenthalpien von NaHCO3 (s) und NOCl (g) aus den Daten der Tabelle und den folgenden Angaben: NaOH (s) + CO2 (g) NaHCO3 (s) c = -127,5 kJ H (T) 2 NOCl (g) 2 NO (g) + Cl2 (g) c = H (T) 75,5 kJ Tabelle: Standard-Bildungsenthalpien: bH / kJ mol -1 O2 (g) O3 (g) NaOH (s) CO2 (g) NO (g) NH3 (g) Cl2 H2O (l) H2O (g) 0 142,70 - 425,61 - 393,51 90,25 - 46,11 0 - 285,83 - 241,82 Aufgabe 2: 2 l eines einatomigen idealen Gases mit der molaren Wärmekapazität cv,m = 12,48 JK-1mol-1 befinden sich zunächst bei einer Temperatur von 298 K und einem Druck von 1 bar. Wie groß ist der Unterschied für die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um das Gas einmal reversibel isotherm zum anderen reversibel adiabatisch auf 1 l zu komprimieren? Übungsblatt 5 vom 12.11.2008 Aufgabe 1: In einem gut isolierten Gefäß befinden sich 100 g Wasser, das bei Normaldruck und einer Temperatur von 25°C vorliegt. Welche Wärmemenge ist erforderlich, um das gesamte Wasser isobar in Wasserdampf zu überführen? (molare Wärmekapazität von flüssigem Wasser: cp = 75,48 J K-1 mol-1, Verdampfungsenthalpie von Wasser: H = 40,565 kJ mol-1) Aufgabe 2: Die Schmelzenthalpie von 1 kg Eis bei 0°C beträgt 334 kJ. Auf welche Temperatur kann man 1 mol flüssiges Wasser das bei 0°C vorliegt mit einer Energiemenge erhitzen, die zum Schmelzen von 1 mol Eis benötigt wird? Aufgabe 3: Die molare Wärmekapazität von flüssigem Wasser cp = 75,48 J K-1 mol-1 entspricht einer spezifischen Wärmekapazität von 4193 J K-1 kg-1. Wie hoch könnte man mit einer Energie von 4193 J eine Masse von 1 kg Wasser hochheben? Übungsblatt 4 vom 5.11.2008 Aufgabe 1: 1 mol Argongas expandieren bei 0° C isotherm von 22,4 l auf 44,8 l, und zwar a) reversibel, b) gegen einen konstanten äußeren Druck, dessen Wert gleich dem Enddruck des Gases sein soll, c) ungehindert (gegen einen äußeren Druck von null). Berechnen Sie für alle drei Prozesse Q, A, H, U. Aufgabe 2: Wenn einer Probe von 3 mol Ar (g) eine Wärmemenge von 229 J bei konstantem Druck zugeführt wird, steigt die Temperatur des Gases um 2,55 K. Zu berechnen sind die molaren Wärmekapazitäten des Gases bei konstantem Druck und konstantem Volumen. Übungsblatt 3 vom 29.10.2008 Aufgabe 1: Auf welche Temperatur können 6,5 kg Sauerstoff in einer Gasflasche mit einem Volumen von 50 l erhitzt werden, wenn der Druck 250 bar nicht überschreiten darf? Berechnen Sie die Temperatur nach der Zustandsgleichung für ideale Gase und nach der Van der Waals-Gleichung. Die Van der Waals Konstanten von Sauerstoff sind: a = 0,1378 Pa m6 mol−2 und b = 31,83 · 10−6 m3 mol−1. Die Molmasse von O2 beträgt 32 g mol−1. Aufgabe 2: Schätzen Sie den Durchmesser von Sauerstoffmolekülen (als harte Kugeln anzusehen) auf der Grundlage des in der Aufgabe 1 gegebenen van-der-Waals Parameters b ab. Welchen prozentualen Anteil des molaren Volumens bei T = 298 K und p = 1013 mbar beansprucht das Eigenvolumen der Sauerstoffmoleküle? (betrachten Sie hier O2 als ideales Gas) Übungsblatt 2 vom 22.10.2008 Aufgabe 1: Ein druckfester, gasdicht verschließbarer Behälter (V = 1 L) wird bei T = 273 K mit einer Gasmischung befüllt. Diese besteht aus Stickstoff (55 Vol.%), Wasserstoff (30 Vol.%) und Argon (15 Vol.%). Der Gesamtdruck im Behälter betrage 150 mbar. Ideales Verhalten der Gase wird vorausgesetzt. a) Bestimmen Sie die Molenbrüche, die Partialdrücke und die Teilchendichten der drei Gaskomponenten. b) Beschreiben Sie die Zusammensetzung des Gasgemischs in Massen- bzw. Gewichtsprozenten. c) Berechnen Sie die mittlere molare Masse und die Dichte des Gasgemischs. d) Verkleinern Sie das Volumen isotherm ( d.h. bei T = const.) auf 25% des Ausgangswertes. Wie verändert sich der Druck des Gases bei diesem Vorgang? e) Auf welche Temperatur müsste man das Gasgemisch abkühlen, damit der Druck im Behälter auf 100 mbar fällt? f) Fügen Sie zu dem ursprünglichen Gasgemisch 3 mmol Sauerstoff hinzu. Welcher Druck stellt sich dann im Behälter ein? MGN2 = 28 g/mol, MGH2 = 2 g/mol, MGAr = 40 g/mol. Aufgabe 2: Wie groß sind die mittleren Geschwindigkeiten der Moleküle von Wasserstoff (H2) und Chlor (Cl2) bei einer Temperatur von 300 K? Welche Temperatur müsste das Chlorgas haben, wenn seine Moleküle die gleiche mittlere Geschwindigkeit haben sollen wie die Wasserstoffmoleküle bei 300 K? Übungsblatt 1 vom 15.10.2008 Aufgabe 1: Ein Kolben mit einem Volumen von einem Liter wird bei Zimmertemperatur von 20°C mit 0,1 mol eines idealen Gases gefüllt und verschlossen. Der Kolben bleibt auf einer Fensterbank in der Sonne stehen wobei sich das Gas auf 40°C erwärmt. Um welchen Faktor steigt der Druck im Kolben dabei an? Aufgabe 2: Das Torr ist eine ältere Druckeinheit, die häufig noch in der Literatur anzutreffen ist. Ein Torr entspricht dem statischen Druck, den eine Quecksilbersäule der Höhe 1mm im Erdschwerefeld ausübt. Berechnen Sie den Umrechnungsfaktor von Torr in Pascal. Wie viel Torr entspricht demnach 1 bar? Dichte von Quecksilber: =13,595 g cm-3; Erdbeschleunigung: g= 9,807 m s-2
