Probeklausur zur Vorlesung Einführung in die Physikalische Chemie

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1 Name: Probeklausur zur Vorlesung Einführung in die Physikalische Chemie Fr. 19. Dezember 2008, Vorbemerkungen - Von den 6 Aufgaben sind 5 zu lösen. - Schreiben Sie die Lösungen auf die Aufgabenblätter. Allfällige Zusatzblätter sind deutlich mit Name und Aufgabennummer zu kennzeichnen. - Lösungen ohne Herleitung oder Begründung sind ungültig; geben Sie die verwendeten Formeln an. - Beachten Sie, dass die Multiple Choice -Aufgaben so korrigiert werden, dass jedes richtige Kreuz einen Pluspunkt, jedes falsche jedoch einen Minuspunkt gibt. Kreuzen Sie also nicht wahllos an, in der Annahme, dass dann die richtigen Kreuze dabei sind! - Beilagen: - Energie-Umrechnungsfaktoren - SI-Einheiten und Konstanten

2 S I - E i n h e i t e n u n d K o n s t a n t e n SI-Basiseinheiten: Länge: Meter (m) Masse: Kilogramm (kg) Zeit: Sekunden (s) El. Strom: Ampere (A) Temperatur: Kelvin (K) Substanzmenge:Mol (mol) Einige abgeleitete SI-Einheiten mit eigener Bezeichnung: Frequenz Hertz Hz s -1 Kraft Newton N m kg s -2 (= J m -1 ) Energie Joule J m 2 kg s -2 (= Nm = Pa m 3 ) Leistung Watt W m 2 kg s -3 (= J s -1 ) Druck Pascal Pa m -1 kg s -2 (= N m -2 ) El. Ladung Coulomb C A s El. Potential Volt V m 2 kg s -3 A -1 (= J C -1 ) El. Widerstand Ohm Ω m 2 kg s -3 A -2 (= V A -1 ) Celsius-Temperatur Grad Celsius C (Definiert als θ/ C = T/K ) Vorsatz (-Zeichen): femto (f) 10-3 milli (m) tera (T) pico (p) 10 3 kilo (k) nicht IUPAC: 10-9 nano (n) 10 6 mega(m) 10-2 centi(c) 10-6 mikro (m) 10 9 giga (G) 10-1 dezi (d) Naturkonstanten: (* bedeutet: exakt, gemäss Definition) Avogadrosche Zahl L, N A mol -1 Boltzmann-Konstante k J K -1 Gaskonstante (k. N A ) R J mol -1 K -1 Elementarladung e C Faraday-Konstante (e. N A ) F C mol -1 Plancksche Konstante h J s Protonenmasse (Ruhemasse) m p kg Elektronenmasse (Ruhemasse) m e kg Atomare Masseneinheit u kg Lichtgeschwindigkeit im Vakuum * c, c o m s -1 Influenzkonstante e o C 2 J -1 m -1 Absoluter Nullpunkt der Kelvin-Skala * T o C

3 E N E R G I E - U M R E C H N U N G S F A K T O R E N J (Ws) ev cm -1 Hz kj mol -1 1 J (Ws) ev cm Hz kj mol kcal mol * 1 K * exakt, gemäss Definition Definitionen: 1 J (1 Ws): SI-Einheit der Energie. In der Spektroskopie als "J pro Teilchen" resp. "J pro Elementarprozess" verwendet. 1 ev: Kinetische Energie eines Teilches mit Ladung e (Elementarladung), welches die Beschleunigungsspannung von 1 V durchlaufen hat. 1 cm -1 : Energie eines Strahlungs-Quants, wenn die Wellenlänge der Strahlung eine Welle pro cm beträgt (λ = 1 cm). (Man gibt die inverse Wellenlänge oder "Wellenzahl" an und meint die Energie des Photons E Photon = hν = hc/λ). 1 Hz: Energie eines Strahlungs-Quants, wenn die Frequenz der Strahlung 1 Hz beträgt. (Man gibt die Frequenz an und meint auch die Energie des Photons). 1 kj mol -1 : "Chemische" (makroskopische) Energieeinheit J pro N A Teilchen. 1 kcal mol -1 : Ältere chemische Energieeinheit cal pro N A Teilchen (1 cal = J). 1 K (Kelvin): Gemeint ist k. T (T in Kelvin) wo k = JK -1.

4 Aufgabe 1. a) Kreuzen Sie für die folgenden Moleküle an, ob sie Ladung Dipolmoment Quadrupolmoment haben: HCN N2 CH3COO - Benzol b) Welche Verbindung hat den höheren Siedepunkt? Ethanol oder Methanol? Ethanol oder Dimethylether? Benzol oder n-butan? c) Wieviele interne Freiheitsgrade hat Dimethylether? Wieviele interne Freiheitsgrade hat 1,2-Difluoroethin? d) Welche der folgenden Moleküle zeigen ein Mikrowellen-Spektrum? H2 F2 FCl CO2 SO2 CH3CH3 CH3OH e) In 1,2-Difluoroethan ist die gauche-konformation 3 kj/mol höher als die trans- Konformation. Welche der folgendenden Verteilungen dürfte bei 300 K vorliegen? 63% trans : 37% gauche 50% trans : 50% gauche 37% trans : 63% gauche

5 Aufgabe 2. a) Wie gross ist die molare innere Energie Um von CH3OH nach dem klassischen Gleichverteilungssatz (alle Freiheitsgrade angeregt) bei 500 K und p=p Θ? 37.4 kj/mol 62.4 kj/mol 74.8 kj/mol b) Eine Formulierung des 1. Hauptsatzes lautet: du = TdS - PdV Ferner gelten die Definitionen H = U + PV und G = H - TS. Wie lautet das totale Differential von G in seinen natürlichen Variablen? dg = VdP - SdT dg = PdV - SdT dg = VdP - TdS P in atm c) Wie gross ist der Schmelzpunkt von Schwefel bei Standarddruck (s. Diagramm)? C t in C d) Wieviele Mole CO2 sind in der Reaktion C12H22O O2 -> 12 CO H2O bei der Reaktionslaufzahl ξ = 3 gebildet worden? e) Wieviele Gramm CO2 werden bei der Verbrennung von 10 g Erdgas ( = Methan) gebildet? 10 g 16 g 27.5 g 44 g

6 Aufgabe 3. a) Die Ionisierungsenergie des N2-Moleküls zu N2 + beträgt ev, jene des N- Atoms zu N + nur ev. Die Dissoziationsenergie von N2 zu zwei N-Atomen beträgt De = ev. Wie gross ist De des Ions N2 +? (Hinweis: Born-Haber-Zyklus; behelfen Sie sich mit einer Zeichnung.) De(N2 + ) = ev b) Die Rotationskonstante B von 12 C 16 O beträgt cm -1. Wie gross ist diejenige von 12 C 18 O, wenn die Bindungslänge unverändert bleibt? B( 12 C 18 O) = cm -1

7 Aufgabe 4. Der Druck auf 2 mol reines Neon wird bei 25 C um einen Faktor 10 vergrössert. Um wieviel erhöht sich dabei die freie Enthalpie? Neon darf als ideales Gas behandelt werden. Um kj/mol

8 Aufgabe 5. Die Bildungswärme von flüssigem Wasser bei 298 K beträgt kj/mol. Ferner gilt: 2 H2(g) + O2(g) = 2 H2O(g) ΔrH Θ (298 K) = kj/mol (1) Cp,m(H2(g)) = J/(molK) Cp,m(O2(g)) = J/(molK) Cp,m(H2O(g)) = J/(molK) a) Wie gross ist die Verdampfungsenthalpie eines Mols Wasser bei 298 K? Δl g H Θ (298 K) = kj/mol b) Um wieviel wachsen die Molwärmen (molare Enthalpien) von H2(g), O2(g) und H2O(g) wenn die Temperatur um 50 C erhöht wird? (Annahme: Cp,m konstant) ΔH Θ m(h2(g)) = kj/mol ΔH Θ m(o2(g)) = kj/mol ΔH Θ m(h2o(g)) = kj/mol c) Wie gross ist die Reaktionsenthalpie der Reaktion (1) bei 75 C? ΔrH Θ (348 K) = kj/mol d) Um wieviel wächst die molare Entropie von H2(g) wenn die Temperatur ausgehend von 25 C um 50 C erhöht wird? (Annahme: Cp,m konstant) ΔS Θ m(h2(g)) = J/molK

9 Aufgabe 6. Die Gleichgewichtskonstante Kp für die Gasphasenreaktion CH3(CO)O(CO)CH3 (Acetanhydrid) + H2O = 2 CH3COOH besitzt bei T = 800 K den Wert Kp = 500. Bei der gleichen Temperatur betragen die Bildungsenthalpien der am Gleichgewicht beteiligten Partner: ΔfH Θ (800 K; 0.1 MPa) Acetanhydrid -594 kj/mol Wasser -246 kj/mol Essigsäure -446 kj/mol Wie gross sind die jeweiligen Änderungen der nachfolgenden Grössen, die mit der Gasphasenhydrolyse des Acetanhydrids pro Formelumsatz unter den genannten Bedingungen verknüpft sind? a)δrh Θ = kj/mol b)δrg Θ = kj/mol c) ΔrS Θ = J/molK