Lösungen zu den Aufgaben 1 und 2 auf der Seite 2 (1) (i

Schwerpunktfach Biologie/Chemie
Energetik chemischer Reaktionen
7a
Lösungen zu den Aufgaben 1 und 2 auf der Seite 2
(1)
(i)
Mechanische Arbeit in elektrische Energie: Erzeugung von elektrischem Strom mit einem Generator (z. B. Dynamo beim Velo).
(ii) Chemische Energie in Wärme: Bei der Verbrennung von Erdgas oder Heizöl entstehen aus energiereichen Stoffen (mit energiereichen Bindungen) energieärmere Stoffe (mit energieärmeren
Bindungen). Wärme tritt bei fast jeder exothermen chemischen Reaktion als dominante Energieform auf.
(iii) Kinetische Energie in potentielle Energie: Beim Hochheben eines Buchs vom Boden auf ein
Schulpult wandelt sich seine kinetische Energie in potentielle Energie (Lageenergie) um.
(iv) Sonnenenergie in chemische Energie: Bei der Photosynthese wird Lichtenergie in Form von
energiereichen Bindungen als chemische Energie in Kohlenhydraten (z. B. Glucose) gespeichert.
(v) Chemische Energie in Arbeit: Antrieb einer Rakete durch Verbrennung von Raketentreibstoff.
Die durch eine Verbrennung (chemische Reaktion) aus der Raketendüse austretenden heissen
Gase verdrängen die Luft in der Umgebung und leisten dabei Arbeit.
(2)
(a) Der geringe Wirkungsgrad ist auf Verluste in Form von Wärme (heisse Abgase bei der Verbrennung von Benzin) und von Reibung (intern in Motor und Getriebe und beim Abrollen der Reifen
auf der Strasse) sowie auf den ebenfalls Reibung verursachenden Luftwiderstand zurückzuführen
(der Luftwiderstand nimmt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu: Luftwiderstand ~ v2).
(b) Bei jeder Energieumwandlung geht ein Teil der Energie als Abwärme an die Umgebung verloren.
Die im Benzin gespeicherte chemische Energie kann daher nicht zu 100 % für die Fortbewegung
des Autos genutzt werden. Als "Energieverlust" bezeichnet man den Teil der Energie, der in nicht
nutzbare oder nicht genutzte Energieformen (meist Wärme) umgewandelt wird.
Lösungen zu den Aufgaben 1–3 auf der Seite 7
(1)
Berechnungen (vgl. Aufzeichnungen im Unterricht).
Ein im Vergleich zum Literaturwert zu geringer (errechneter) H°-Wert kann man wie folgt begründen:
(2)
Das Kalorimeter (z. B. Styropor, Becherglas) nimmt selbst auch Wärme auf, nicht nur das
Wasser, was wir nicht berücksichtigt haben.
Das Kalorimeter gibt auch Wärme an die Umgebung ab, da das System nicht vollständig
geschlossen und nur behelfsmässig isoliert ist.
Das Salz hat sich allenfalls nicht vollständig oder zu langsam aufgelöst (im letzteren Falle
könnte die Wärmeabgabe des Kalorimeters an die Umgebung grösser sein als die Wärmeabgabe beim Lösen des Salzes).
Um die Anziehungskräfte zwischen den positiv und negativ geladenen Ionen im Gitter zu überwinden, muss gegen diese Anziehungskräfte in der Höhe der Gitterenergie Energie aufgewendet
werden (endothermer Vorgang), um die Ionen voneinander zu lösen.
Um die zwischenmolekularen Kräfte (H-Brücken) zwischen den Wassermolekülen zu überwinden, damit diese mit den Ionen in Wechselwirkung treten können, muss gegen die Anziehungskräfte Energie aufgewendet werden (endothermer Vorgang).
Bei der Anlagerung von Wassermolekülen an die Ionen wird Energie frei (exothermer Vorgang),
da Ion-Dipol-Wechselwirkungen (ZMK) ausgebildet werden.
(3)
(a) Ein Teil der inneren Energie geht in Form von Arbeit verloren, da das entstehende Gase bei
const. Druck sich ausdehnt und damit die umgebende Luft verdrängt und dabei Arbeit verrichtet.
(b) Q bei const. Druck muss kleiner sein als Q bei const. Volumen, vgl. (a), also HR = 154 kJ.
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Energetik chemischer Reaktionen
19a
Lösungen zu den Aufgaben auf der Seite 19
Welche Aufgaben ich euch auch immer als Hausaufgaben gegeben habe, nur die untenstehenden Aufgaben könnt ihr von der behandelten Theorie her vollständig beantworten und gehören zum Prüfungsstoff (die Aufgabe 1 gehört nicht dazu).
(3)
CH4 (g)
(b)
H f
0
H R
+
: –75 kJ
0
2 O2 (g)
0 kJ
CO2 (g)
+
2 (–242 kJ)
–393 kJ
0
2 H2O (g)
0
= Hf (Produkte) – Hf (Edukte) = –393 kJ + 2 (–242 kJ) + 75 kJ = –802 kJ/mol = HR
(c) Die Reaktionsenthalpie wird in diesem Zusammenhang als Verbrennungsenthalpie bezeichnet.
Der Tabellenwert beträgt –889 kJ/mol. Wenn man bei (b) die Berechnung mit flüssigem Wasser
(Hf0 = –286 kJ) statt mit gasförmigem Wasser durchführt, kriegt man praktisch den tabellierten
Wert:
–393 kJ + 2 (–286 kJ) + 75 kJ = = –890 kJ/mol = HR
(6)
C5H12 (l) C5H12 (g)
(a)
0
Hf :
–173 kJ
HVerdampf
–146 kJ
0
0
C8H18 (l) C8H18 (g)
–250 kJ
(Tabelle S. 11)
–208 kJ
(Tafelwerk S. 135)
0
= Hf (Produkte) – Hf (Edukte)
–146 kJ + 173 kJ = +27 kJ/mol = HVerdampf 0 (Pentan)
–208 kJ + 250 kJ = +42 kJ/mol = HVerdampf 0 (Octan)
Die Verdampfungsenthalpie von Octan ist grösser als jene von Pentan. D. h., es braucht mehr
Energie, um die ZMK zwischen den Octanmolekülen zu überwinden. Das liegt daran, dass die
Octanmoleküle länger sind als die Pentanmoleküle und somit stärkere VdW-Kräfte wirken
können.
(b) Bei der molaren Erstarrungsenthalpie handelt es sich um die Wärmemenge, die beim Übergang
von einem Mol Teilchen von der flüssigen Phase zur festen Phase frei wird. Beispiel: Wenn
flüssiges Brom abgekühlt wird, bewegen sich die Brommoleküle immer langsamer. Dadurch
werden die mittleren Abstände zwischen den Brommolekülen immer kleiner. Bei –7 °C (=
Erstarrungspunkt bzw. Schmelzpunkt) sind die Abstände so gering, dass die Moleküle sich
genügend stark anziehen, so dass sie ein Gitter bilden. Wenn Teilchen sich genügend nahe kommen, so dass Anziehungskräfte wirken können, dann wird Energie frei. Die Erstarrungsenthalpie
hat also ein negatives Vorzeichen (HErstarr < 0) und entspricht vom Betrag her der Schmelzenthalpie (HSchm).
(c) Bei der molaren Kristallisationsenthalpie handelt es sich um die Wärmemenge, die bei der
Kristallisation von einem Mol Teilchen aus einer Schmelze, einer Lösung oder Gasphase frei
wird. Die Kristallisationsenthalpie hat also ein negatives Vorzeichen (HKrist < 0).
Falls Ionen direkt aus der Gasphase ein Gitter bilden, so entspricht die Kristallisationsenthalpie
vom Betrag her der Gitterenergie. Bsp.: Bildung von NaCl-Kristallen aus der Gasphase von Na+und Cl–-Ionen im Rahmen der NaCl-Synthese aus den Elementarstoffen Natrium und Chlor (vgl.
später, S. 18).
Falls Ionen aus einer (wässrigen) Lösung ein Gitter bilden, so entspricht die Kristallisationsenthalpie vom Betrag der Lösungsenthalpie (die Kristallisation aus einer Lösung ist hier der
Umkehrvorgang des Lösens eines Salzes). Bsp. Bildung von NaCl-Kristallen aus einer NaClLösung.
Falls Teilchen aus einer Schmelze ein Gitter bilden, so entspricht die Kristallisationsenthalpie der
Erstarrungsenthalpie. Bsp.: Bildung von Eis aus flüssigem Wasser; Bildung von NaCl-Kristallen
aus einer NaCl-Schmelze unterhalb 800 °C)