Lösung. Nachholklausur zur Vorlesung Physikalische Chemie I - Sommersemester 2002

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1 Lösung Nachholklausur zur orlesung Physikalische hemie I - Sommersemester Oktober 00, Uhr Hineise - Bitte Namen auf jedes Blatt schreiben. - Auch Blatt-Rückseiten beschreiben. - Ggf. eitere leere Blätter vom Assistenten verlangen, keine mitgebrachten Blätter abgeben. - Zugelassene Hilfsmittel sind sämtliche Aufzeichnungen und Bücher soie aschenrechner ohne Programm-Funktionen. - Auch der Lösungseg ird beertet und muss daher festgehalten erden. - erlassen des Platzes/Saales nur nach Meldung beim Assistenten. - äuschungsversuch führt zum Ausschluss von der lausur. - Die lausur gilt ab 50 Punkten als bestanden. Aufgabe Punkte erreicht Punkte erreichbar Gesamtpunktzahl: 00 bestanden nicht bestanden

2 Aufgabe Betrachten Sie ein Mol Wasser, das bei 00 und bar verdampft. a) Welches olumen nimmt das flüssige bz. das gasförmige Wasser ein? ( Punkte) b) Berechnen Sie die von dem System geleistete olumenarbeit - soie die Änderung der inneren Energie U und die Entropieänderung S. (7 Punkte) c) ergleichen Sie die freie Enthalpie G mit der freien Energie Α für diesen erdampfungsprozess. ( Punkte) Wasser (g) verhalte sich ideal Dichte von Wasser (l): ρ flüssig g cm - erdampfungsenthalpie von Wasser: H kj/mol a) flüssig n M / ρ mol 8 g mol - / g cm - 8 ml gasförmig n R / p mol 8, J mol / bar,0 Liter b) olumenarbeit isobar und isotherm: - p bar (,0 0,08)L,098 kj Änderung der inneren Energie: U H - p H verd (-) 7,9 kj Entropieänderung S: S / H verd / siede kj/mol / 7 09,9 J/ c) Freie Enthalpie G: G H - S H verd H verd 0 Freie Energie Α: Α U - S H verd + H verd -,098 kj

3 Aufgabe Ein Mol eines idealen, monoatomaren Gases durchläuft folgenden reisprozess: ) isotherme Expansion von 500, 0 l auf 500, 0 l. ) isochore Abkühlung von 500, 0 l auf 00, 0 l. ) isotherme ompression von 00, 0 l auf 00, 0 l. ) isochore Erärmung von 00, 0 l auf 500, 0 l. a) Zeichnen Sie diesen Prozess in ein p, Diagramm ein. (5 Punkte) b) Skizzieren Sie diesen Prozess in einem p, Diagramm. In dieser Auftragung ird der Prozess ausschließlich durch Geraden beschrieben. Was besagen die beiden endlichen Steigungen der Geraden? (7 Punkte) c) Berechnen Sie für jeden der Schritte U,, und S. (0 Punkte) Benutzen Sie p 5/ R und / R a) Dru ck olumen b) Dru ck emperatur Steigung m p / nr / > /m ( const. für Isochore)

4 ( ) ( ) J S kj R U ana J R S kj R U ana J d S d d ds kj R U isochor J R S kj R d R U isotherm c 6,7, log ) ) 9,,7 0 log) ) 6,7, ) 9,,56 0 ) ) δ δ

5 Aufgabe In einem thermisch isolierten Gefäß befinden sich 0 mol Wasser mit einer emperatur von 00. Hierein erden 0 mol Eis mit einer emperatur von 0 gegeben. a) Welche Endtemperatur ird sich einstellen? (0 Punkte) b) Berechnen Sie die Entropiezunahme bei diesem organg. (5 Punkte) Schmelzenthalpie von Eis: H Schm 6,00 kj/mol Wärmekapazität flüssigen Wassers: p 75, J/(mol ) a) kein Wärmefluss nach außen: vorher nachher [ ] ( 0 mol Eis,0 ) + ( 0 mol Eis,0 ) + 0 mol H Schmelz + 0 mol p ( 00 0 ) ( 0 mol Eis,0 ) + 0 mol H + 0 mol ( 0 ) 0 mol 00 0 mol H H ( 0 ) Schmelz ( 0 ) 00 0, 0, End p b) S ges S Schmelz + S + S mit Schmelz Schmelz p + 0 mol p p End End End S Schmelz n H Schm / 7 60,0 kj 0 J/ S n p ( (7+0,) / 7 ) 7, J/ S n p ( (7+0,) / 7 ) -07, J/ S ges 9,9 J/

6 Aufgabe a) Skizzieren Sie das p, Diagramm für eine Substanz A, deren Molvolumen beim Schmelzen zunimmt. Geben Sie an, elche Phasen jeeils im Gleichgeicht miteinander stehen und benennen Sie auch End- und reuzungspunkte der Linien. (5 Punkte) b) Zeichnen Sie ein zeites p, Diagramm für eine Substanz B, deren Molvolumen beim Schmelzen abnimmt. (5 Punkte) c) Welches der beiden Diagramme beschreibt das erhalten von Wasser? ( Punkte) d) Eis schmilzt unter Druck. ragen Sie einen Weg in das p, Diagramm ein, aus dem diese Eigenschaft des Wassers ersichtlich ird. ( Punkte) a) Druck fest-flüssig -> ripelpunkt-> <-ritischer Punkt <-flüssig-gasförmig <-fest-gasförmig emperatur b) <-fest-flüssig Druck <-ripelpunkt <-ritischer Punkt <-flüssig-gasförmig <-fest-gasförmig emperatur c) Wasser verhält sich ie Substanz B. d) Druck emperatur

7 Aufgabe 5 Die Dichte eines Stoffes mit der empirischen Formel x H y beträgt im Gaszustand,55 g/l bei einem Druck von,0 0 5 Pa und einer emperatur von 00. Bestimmen Sie das Molgeicht dieser erbindung und leiten Sie hieraus die oeffizienten der Summenformel ab. (5 Punkte) Im Gaszustand verhalte sich die erbindung "ideal". ) ideales Gasgesetz: p n R >?, n? ) Dichte: ρ m / n M / > (n M)/ρ ) in ): p (n M)/ρ n R > M (R ρ) / p (8, 7,55)/,0 0 5 (0,0 g/mol) 78 g/mol M g/mol; M H g/mol mit 78 / 6,5 -> > 6 H 6 (Benzol)

8 Aufgabe 6 Die Abbildung unten zeigt das Siedediagramm der Mischung N /O bei bar Außendruck. a) Entnehmen Sie der Abbildung die Siedetemperaturen von N und O bei bar. ( Punkte) b) Eine Mischung aus 0% N und 80% O erde zum Sieden gebracht. Welche Zusammensetzung hat der Dampf und damit auch das ondensat? Lesen Sie auch diesen Wert aus dem Diagramm ab, und zeichnen Sie dabei die orgehenseise nach. (6 Punkte) c) Bei elcher emperatur siedet das ondensat aus b)? ( Punkte) 90 emperatur 80 0 Anteil N emperatur Flüssigkeit Dampf a) Siede (O ) 90, Siede (N ) 78 b) % N im ondensat 0 Anteil N c) Das ondensat siedet bei eta Siede 8,

9 Aufgabe 7 Ein metallischer Eisenstab taucht in eine eisen- und zinkhaltige Elektrolytlösung, die von einem metallischen Zinkbecher gehalten ird. Die onzentration der Eisen- und Zink-Ionen sei zunächst gleich groß. Beurteilen Sie aufgrund der unten angegebenen Standard-Elektrodenpotentiale, elches der beiden Metalle sich aus dieser Lösung abscheidet (kurze Begründung!). (5 Punkte) Die Standardpotentiale der beiden Halbzellen betragen: E Fe(II) -0, E Zn(II) -0,76 Aufgrund des kleineren Standardpotentials des unedleren Zinks ird der Zinkbecher angelöst, ährend sich das edlere Eisen abscheidet: Zn Zn + + e - Fe + + e - Fe > Zn +Fe + Zn + + Fe