Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen Lösung Übung 6

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1 Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen Lösung Übung 6 Thermodynamik und Gleichgewichte 1. a) Was sagt die Enthalpie aus? Die Enthalpie H beschreibt den Energiegehalt von Materie bezüglich chemischer Bindungen und zwischenmolekularen Wechselwirkungen. b) Was sagt die Entropie aus? Die Entropie S beschreibt die Unordnung eines Systems (wie viele Zustände kann ein System einnehmen). c) Wie hängt die Gibbs-Energie (auch freie Enthalpie genannt) von der Enthalpie und der Entropie ab? (Formel) G = H T S mit T = Temperatur d) Wie lautet die Formel für die Änderung der Gibbs-Energie, wenn ein Prozess beschrieben wird, z.b. Reaktionen, Mischungsvorgänge, Phasenübergänge, etc.? ΔG = ΔH T ΔS mit T = Temperatur e) Was bedeuten die Begriffe: exotherm, endotherm, exergon und endergon? exotherm: ΔH < 0 endotherm: ΔH > 0 exergon: ΔG < 0 endergon: ΔG > 0 f) Welche Bedingung muss erfüllt sein damit ein Prozess in einem geschlossenem System ablaufen kann? Der Prozess muss exergon sein, d.h. ΔG muss negativ sein. 2. Die Reaktion von festem Kohlenstoff mit Wasserdampf zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff ist endotherm. Um die Reaktion am Laufen zu halten müssen Sie zwar Wärme zu führen, aber die Reaktion läuft freiwillig ab. Begründen Sie diese Beobachtung mit Hilfe der Gibbs-Energie, den Aggregatszuständen der beteiligten Reaktanden. Die Reaktionsgleichung lautet: C (fest) + H 2 O (gas) CO (gas) + H 2 (gas) ΔG = ΔH T ΔS mit T = Temperatur Damit eine Reaktion freiwillig abläuft muss die Änderung der Gibbs-Energie (ΔG) negativ sein. Die Reaktion ist endotherm, d.h. die Änderung der Enthalpie (ΔH) ist positiv. Damit ΔG laut obiger Gleichung dennoch negativ wird, muss die Änderung der Entropie (ΔS) stark positiv sein. Dies wiederum bedeutet, dass die Unordnung des Systems zunehmen muss. Das ist bei der gegebenen Reaktion der Fall. Zu Beginn der Reaktion liegt Kohlenstoff

2 Gibbs Energie G hochgeordnet als Feststoff vor. Die Reaktionsprodukte liegen dagegen als ungeordnetes Gasgemisch vor. 3. Die Synthese von Proteinen aus einzelnen Aminosäuren wird als endergon bezeichnet. Wie erklären Sie sich, dass ein solcher Prozess ablaufen kann? Endergon bedeutet, dass die Änderung der Gibbs-Energie eines Prozesses positiv ist. ΔG = ΔH T ΔS > 0 Streng genommen laufen im Universum nur exergone Prozesse ab. Ein endergoner Prozess kann deshalb nur gekoppelt mit einem exergonen Prozess ablaufen, sodass der Prozess in Summe betrachtet wieder exergon ist. Beispiel Proteinsynthese: Für den endergonen Prozess der Proteinsynthese muss Energie aus dem exergonen Prozess der Adenosintriphosphatspaltung (ATP) geliefert werden. 4. Die Verbrennungsprodukte Ihres Turnschuhs sind energieärmer als Ihr Turnschuh. Der Prozess ist stark exergon. Wieso gehen Ihre Turnschuhe nicht spontan in Flammen auf? Zeichnen Sie für die Erklärung ein Energiediagramm mit der Gibbs-Energie auf der y-achse und dem Reaktionsverlauf auf der x-achse. Bei allen Reaktionen muss zunächst eine Aktivierungsenergie überwunden werden, bevor Sie ablaufen. Glücklicherweise ist diese bei Verbrennungen mit Sauerstoff meist relativ hoch (sonst würde so einiges spontan verbrennen). Energiediagramm Übergangszustand Aktivierungsenergie ΔE Turnschuhe Verbrennungsprodukte der Turnschuhe (Reaktionsverlauf) Bildliche Vorstellung: Eine Kugel würde nicht von selbst über den Berg im in der Mitte des Diagramms rollen. Man müsste Sie zunächst mit viel Energieaufwand über die Spitze des Berges (Aktivierungsenergie) rollen.

3 5. Im chemischen Gleichgewicht herrscht eine konstante Beziehung zwischen den Konzentrationen der Edukte und Produkte. Diese Beziehung wird durch das Massenwirkungsgesetz dargestellt. Bei bekannten Konzentrationen kann die Gleichgewichtskonstante K c berechnet werden. Das Massenwirkungsgesetz einer chemischen Reaktion wird nach folgendem Schema gebildet. c(x) bedeutet Konzentration des Stoffes X. Die Konzentrationen werden ohne Einheiten in die Gleichung eingesetzt, da es sich streng genommen um Aktivitäten handelt (Erklärung führt zu weit). Bitte nicht verwechseln mit dem kleinen c in der Reaktionsgleichung. Dort ist es nur der Stöchiometriekoeffizient. Wie lauten die Massenwirkungsgesetze für die folgenden Reaktionen? a) b) c) d) Was bedeutet es, wenn K > 1 ist? Was bedeutet es, wenn K < 1 ist? K > 1 bedeutet, dass das Gleichgewicht auf der Produktseite liegt K < 1 bedeutet, dass das Gleichgewicht auf der Eduktseite liegt. 6. Im Massenwirkungsgesetz wird die Konzentration von Feststoffen immer = 1 gesetzt (Begründung führt zu weit). Dies führt zu einer Vereinfachung von vielen Massenwirkungsgesetzen. Das Auflösen/Ausfallen einer Verbindung in gesättigten Lösungen ist auch ein Gleichgewicht. Formulieren Sie das Massenwirkungsgesetz für die folgenden Gleichgewichte in wässriger Lösung: a) BaSO 4 (fest) Ba 2+ (gelöst) + SO 4 2- (gelöst) Dies ist das Löslichkeitsprodukt von BaSO 4!

4 b) CaCl 2 (fest) Ca 2+ (gelöst) + 2 Cl - (gelöst) Dies ist das Löslichkeitsprodukt von CaCl 2! 7. Die Lage des Gleichgewichtes hängt direkt mit der Änderung der Gibbs-Energie während des Prozesses zusammen über ΔG = - R T ln(k) R= allgemeine Gaskonstante, T = Temperatur, K = Gleichgewichtskonstante a) Lösen Sie die Gleichung nach K auf. Vergleichen Sie den Wert von K für exergone und endergone Prozesse. Bei exergonen Prozessen (ΔG < 0) ist K > 1, das heißt das Gleichgewicht liegt auf Seiten der Produkte. Bei endergonen Prozessen Prozessen (ΔG > 0) ist K < 1, das heißt das Gleichgewicht liegt auf Seiten der Edukte. b) Welchen Wert besitzt ΔG, wenn das Gleichgewicht erreicht ist? Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, wird ΔG = In einem riesigen Behälter nehmen 2000 mol Wasserstoffgas bei einem Druck von 5 bar ( Pa) ein Volumen von 50 m 3 ein. Welche Temperatur muss in dem Behälter herrschen? (Informieren Sie sich im Skript über ideale Gase) Folie 155

5 Auflösen nach der Temperatur: Teil 2: ph-wert Berechnung von Säuren und Basen 1. Wie hängen der ph-wert und der p(oh)-wert zusammen? (Formel) ph + poh = a) Die Berechnung des ph-wertes bei starken Säuren oder Laugen ist einfach. Wieso? Starke Säuren und Basen dissoziieren näherungsweise vollständig. Man kann deshalb vereinfacht annehmen, dass die Protonen bzw. Hydroxidionen-Konzentration identisch mit der Säuren bzw. Basenkonzentration ist. Man muss lediglich beachten, wie viele Protonen die jeweilige Säure abgeben bzw. die Base aufnehmen kann. b) Geben Sie die Formeln an. für starke Säuren: z = Anzahl der Protonen, welche die starke Säure abgeben kann für starke Basen: z = Anzahl der Protonen, welche die starke Base aufnehmen kann bzw. Anzahl der Hydroxid-Ionen, die abgegeben werden. c) Berechnen Sie die ph-werte für folgende starke Säuren bzw. Laugen: 0,02 mol/l HCl (Salzsäure) ph = 1,70 0,01 mol/l H 3 PO 4 (Phosphorsäure) ph = 1,52 1 mol/l NaOH (Natronlauge) poh = 0; ph = 14 0,00005 mol/l Ca(OH) 2 poh = 4; ph = Schwache Säuren oder Basen dissoziieren nur teilweise. Deshalb muss die Lage des Dissoziationsgleichgewichtes Berücksichtigt werden. a) Wie ist der pk s -Wert definiert? pk s = - log(k s ) K s = Gleichgewichtskonstante des Dissoziationsgleichgewichtes b) Wie ist die Formel für die Berechnung des ph-wertes bei schwachen Säuren?

6 c) Wie ist die Formel für die Berechnung des ph-wertes bei schwachen Basen? 4. Aus schwachen Säuren und dem Salz der korrespondierenden Base kann man einen sauren Puffer herstellen. Aus schwachen Basen und dem Salz der korrespondierenden Säure kann man einen basischen Puffer herstellen. Wie lauten die jeweiligen Formeln für die Berechnung der ph-werte? saurer Puffer Henderson-Hasselbalch-Gleichung: Logarithmus-Gesetze und Vorzeichen beachten! oder basischer Puffer

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