EINFÜHRUNG IN DIE PHYSIKALISCHE CHEMIE

EINFÜHRUNG IN DIE PHYSIKALISCHE CHEMIE FÜR LEHRAMTSBEWERBER
PD Dr. T. Sottmann
Übungsklausur
WS 12/13
1. Ideales Gas und Dalton
Gegeben ist die Dichte von Luft bei 740 Torr und 27oC zu 1.146 g L-1.
a) Man berechne den Molenbruch und den Partialdruck von Stickstoff bzw.
Sauerstoff unter der Annahme, dass Luft nur aus diesen beiden Gasen besteht.
b) Zeichnen Sie die Isothermen eines Idealen Gases für eine niedrige und eine hohe
Temperatur!
Lösung:
X(N2) = 0.758
p(N2) = 561 Torr
X(O2) = 0.242
p(O2) = 179 Torr
2. Reales Gas – Van der Waals Gleichung / Kompressionsfaktor
Für ein bestimmtes Gas wurde der van-der-Waals-Koeffizient a zu 0.50 m6 Pa mol-2
bestimmt. Sein Molvolumen beträgt 5.00·10-4 m3 mol-1 bei 273 K und 3.0 MPa.
a) Aus diesen Daten soll der van-der-Waals Koeffizient b berechnet werden.
b) Wie groß ist der Kompressionsfaktor dieses Gases bei den gegebenen Werten für
Druck und Temperatur?
c) Zeichnen Sie die Isotherme nach der Van der Waals Gleichung bei der kritischen
Temperatur Tc und einer niedrigeren Temperatur T<Tc! Erläutern Sie die Verläufe!
Lösung:
b = 0.46·10-4 m3 mol-1
Z = 0.66
3. Thermodynamik – Volumenarbeit
2.00 mol eines idealen Gases durchlaufen eine isotherme Expansion entlang drei
verschiedenen Wegen. (1) Eine reversible Expansion von einem Ausgangsdruck von
pA=25.0 bar und einem Anfangsvolumen VA=4.50 l zu einem Enddruck von pE=4.50
bar; (2) eine einstufige Expansion bei konstantem Außendruck von 4.50 bar; (3) eine
zweistufige Expansion zunächst bei konstantem Außendruck von 11.0 bar, bis p=paußen
erreicht ist und hiernach eine weitere Expansion bei einem konstanten Außendruck
von 4.50 bar, bis erneut p=paußen ist.
a) Berechnen Sie die Arbeit für jeden dieser Prozesse.
b) Skizieren Sie die Indikatordiagramme für die 3 verschiedenen Wege! Für welchen
irreversiblen Prozess ist der Wert der Arbeit am größten?
Lösung:
w1 = - 19.3·103 J
w2 = - 9.23·103 J
w3 = - 13.0·103 J
4. Thermodynamik – 1. Hauptsatz
2.0 mol CO2 befinden sich bei 300 K in einem Behälter der Größe V = 15 l. Nach
Zufuhr einer Wärmemenge von 2.35 kJ steigt die Temperatur auf 341 K an. Nehmen
Sie an, dass das Gas sich ideal verhält und berechnen Sie
a) die Arbeit w
b) die Änderung der Inneren Energie
c) die Änderung der Enthalpie
Lösung:
w =0
ΔU = +2.35 kJ
ΔH = +3.03 kJ
5. Thermodynamik – Isotherme, reversible Kondensation
1.0 mol H2O (g) werden bei 100oC p=1.0bar isotherm und reversibel zu flüssigem
Wasser kondensiert. Die Standardverdampfungsenthalpie von Wasser bei 100oC
beträgt +40.656 kJ mol-1.
a) Zeichnen Sie diesen Prozess in ein p(V)-Diagramm ein!
b) Zu berechnen sind w, q, ΔU und ΔH für den angegebenen Prozess.
(Tipp: Bedenken Sie, dass während der der Kondensation der Druck konstant bleibt.)
Lösung:
ΔH = -40.656 kJ
q = -40.656 kJ
w = 3.10 kJ
ΔU = -37.55 kJ
6. Thermodynamik – Bestimmung der Verbrennungsenthalpie im Verbrennungskalorimeter (p = konstant)
In einem Experiment zur Bestimmung der Verbrennungsenthalpie von Saccharose
(M=342.3 g/mol) wird zunächst das Kalorimeter kalibriert. Dazu wird das
Kalorienmeter für einen Zeitraum von 180 s mit einer elektrischen Heizspirale
aufgeheizt. Dabei nimmt die Temperatur des Kalorimeters um 4.00oC zu, wenn die
Spannungsquelle eine Spannung von 10V bei einer Stromstärke von 1,5 A liefert.
Anschließend werden 50 g Saccharose im Reaktionsgefäß des Kalorimeters in einer
Sauerstoffatmosphäre verbrannt. Die so bestimmte molare Verbrennungsenthalpie
beträgt CHӨ=-5645 kJ/mol. Berechnen Sie zunächst die Kalorimeterkonstante und
dann die im Kalorimeter durch den Verbrennungsprozess verursachte
Temperaturänderung!
Lösung:
C = 675 J/K
ΔT = 1220 K
7. Thermochemie
Schätzen Sie die Enthalpieänderung für die Verbrennung von flüssigem Ethanol zu
Kohlendioxid und flüssigem Wasser ab. Verwenden Sie für die Atomisierungsenthalpien von CO2 (g) und H2O (g) die Werte 1609 kJmol-1 bzw. 920 kJmol-1 und
schätzen Sie die Atomisierungsenthalpie von Ethanol aus den mittleren
Dissoziationsenthalpien ab.
Lösung:
ΔVerbHӨ(C2H5-OH) = -1348 kJmol-1
(Der experimentelle Wert beträgt -1368 kJmol-1)
Frohe, besinnliche Weihnachten und einen guten Start ins Jahr 2013!