1.3. Aufgaben zu chemische Reaktionen

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1 1.3. Aufgaben zu chemische Reaktionen Aufgabe 1: Summenformeln Ergänze gemäß Beispiel a): a) Eine Formeleinheit Phosphorsäure H 3 PO 4 besteht aus 3 Wasserstoff-Atomen 1 H, 1 Phosphor-Atom 31 P und 4 Sauerstoff-Atomen 16 O. 1 Mol Phosphorsäure = 602,3 Trilliarden Formeleinheiten wiegen also 3 1 g g g = 98 g. 1 g Phosphorsäure enthält 1 98 Mol = 6,14 Trilliarden b) Eine Formeleinheit Bleisulfat PbSO 4 besteht aus 1 H 16 O 1 H 16 O 31 P 16 O 16 O 1 H -Atom Pb, -Atom S und -Atomen O. 1 Mol Bleisulfat = 602,3 Trilliarden Formeleinheiten wiegen also = g. 1 g Bleisulfat enthält Mol = Trilliarden c) Eine Formeleinheit aliumnitrat (Salpeter) NO 3 besteht aus -Atom, -Atom N und -Atomen O. 1 Mol aliumnitrat = 602,3 Trilliarden Formeleinheiten wiegen also = g. 1 g aliumnitrat enthält Mol = Trilliarden d) Eine Formeleinheit Natriumnitrit (Pökelsalz) NaNO 2 besteht aus -Atomen Na, Atomen N und -Atomen O. 1 Mol Natriumnitrit = 602,3 Trilliarden Formeleinheiten wiegen also = g. 1 g Natriumnitrit enthält Mol = Trilliarden 1

2 e) Eine Formeleinheit Dialuminiumtrioxid Al 2 O 3 besteht aus -Atomen Al und -Atomen O. 1 Mol Dialuminiumtrioxid = 602,3 Trilliarden Formeleinheiten wiegen also = g. 1 g Dialuminiumtrioxid enthält Mol = Trilliarden Aufgabe 2: Reaktionsgleichungen Ergänze die fehlenden oeffizienten: a) _ Cu + _ S 8 _ Cu 2 S b) _ Hg + _ O 2 _ HgO c) _ P 4 + _ O 2 _ P 4 O 10 d) _ I + _ PbSO 4 _ PbI 2 + _ 2 SO 4 e) _ NaCl + _ H 2 SO 4 _ HCl + _ Na 2 SO 4 f) _ F + _ H 3 PO 4 _ HF + _ 3 PO 4 g) _ OH + _ H 2 CO 3 _ H 2 O + _ 2 CO 3 h) _ MnO 4 + _ HCl _ MnO 2 + _ Cl + _ H 2 O + _ Cl 2 Na + Cl 2 NaCl Mol Na + Mol Cl 2 Mol NaCl g Na + _ 22,4 Liter Cl 2 g NaCl Aufgabe 3: Reaktionsgleichungen Wie viel Liter Chlorgas Cl 2 werden für die Umsetzung von 60 g Natriummetall Na benötigt? Wie viel g Natriumchlorid (ochsalz) NaCl lassen sich damit herstellen? Ergänze zunächst die fehlenden oeffizienten. in g bzw. Liter umrechnen vereinfachen g Na + Liter Cl 2 g NaCl : (auf 1 g Na umrechnen) g Na + Liter Cl 2 g NaCl (auf 60 g Na umrechnen) 60 g Na + Liter Cl 2 g NaCl Aufgabe 4: Reaktionsgleichungen Wie viel Liter Sauerstoffgas O 2 werden für die Umsetzung von 100 g aliummetall benötigt? Wie viel g Dikaliumoxid 2 O lassen sich damit herstellen? Ergänze zunächst die fehlenden oeffizienten. + O 2 2 O Mol + Mol O 2 Mol 2 O in g bzw. Liter umrechnen g + Liter O 2 g 2 O vereinfachen g + Liter O 2 g 2 O : (auf g umrechnen) g + Liter O 2 g 2 O (auf g umrechnen) 100 g + Liter O 2 g 2 O 2

3 Aufgabe 5: Reaktionsgleichungen Wie viel g Calciummetall werden für die Umsetzung von 20 Liter Fluorgas F 2 benötigt? Wie viel g Calciumdifluorid CaF 2 lassen sich damit herstellen? Ergänze zunächst die fehlenden oeffizienten. Ca + F 2 CaF 2 Mol Ca + Mol F 2 Mol CaF 2 in g bzw. Liter umrechnen g Ca + Liter F 2 g CaF 2 vereinfachen g Ca + Liter F 2 g CaF 2 : (auf umrechnen) g Ca + Liter F 2 g CaF 2 (auf umrechnen) g Ca + 20 Liter F 2 g CaF 2 Aufgabe 6: Reaktionsgleichungen Wie viel g Aluminiummetall Al und wie viele Liter Sauerstoffgas benötigt man für die Herstellung von 50 g Dialuminiumtrioxid Al 2 O 3? Ergänze zunächst die fehlenden oeffizienten. Al + O 2 Al 2 O 3 Mol Al + Mol O 2 Mol Al 2 O 3 in g bzw. Liter umrechnen g Al + Liter O 2 g Al 2 O 3 vereinfachen g Al + Liter O 2 g Al 2 O 3 : (auf umrechnen) g Al + Liter O 2 g Al 2 O 3 (auf umrechnen) g Al + Liter O 2 50 g Al 2 O 3 Aufgabe 7: Reaktionsgleichungen Ergänze zunächst die fehlenden oeffizienten und rechne dann wie in den Aufgaben 3 6: a) Wie viel g Zinkmetall Zn und wie viel g Schwefel S 8 benötigt man für die Herstellung von 30 g Zinksulfid? Die Reaktionsgleichung ist _ Zn + _ S 8 _ ZnS b) Wie viel Liter Sauerstoffgas O 2 und wie viel Liter Wasserstoffgas H 2 benötigt man für die Herstellung von 1 Liter flüssigem Wasser H 2 O? Die Reaktionsgleichung ist _ H 2 + _ O 2 _ H 2 O c) Wie viel Liter Stickstoffgas N 2 und wie viel Liter Wasserstoffgas H 2 benötigt man für die Herstellung von 20 Liter Ammoniakgas NH 3? Die Reaktionsgleichung ist _ N 2 + _ H 2 _ NH 3. d) Wie viel g Natriumhydroxid NaOH und wie viel Liter Chlorwasserstoffgas HCl benötigt man für die Herstellung von 50 g ochsalz NaCl? Wie viel Liter flüssiges Wasser H 2 O entstehen dabei? Die Reaktionsgleichung ist _ NaOH + _ HCl _ NaCl + _ H 2 O. e) Wie viel Liter flüssiges Wasser H 2 O benötigt man für die Umsetzung von 50 g Aluminiumtrichlorid AlCl 3? Wie viel g Dialuminiumtrioxid Al 2 O 3 und wie viel Liter Chlorwasserstoffgas HCl entstehen dabei? Die Reaktionsgleichung ist _ AlCl 3 + _ H 2 O _ Al 2 O 3 + _ HCl. 3

4 Aufgabe 8: Energieformen a) Nenne fünf verschieden Energieformen b) Nenne zwei Vorgänge, bei denen Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird und umgekehrt. c) Nenne zwei Vorgänge, bei denen chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und umgekehrt. d) Nenne die Formen, in denen ein Mensch Energie mit der Umgebung austauscht. e) Welche Energieformen sind beim Entzünden eines Feuerzeugs beteiligt? f) Eine Zündkerze besteht im Wesentlichen aus zwei dicht beieinander liegenden Elektroden, die in den Zylinder ragen. Durch Drehen des Zündschlüssels wird die Spannung der Autobatterie auf die Zündkerze übertragen. Dabei entsteht ein Funken zwischen den beiden Elektroden, der die Benzin-Luft-Mischung im olben entzündet. Die Mischung explodiert und drückt dabei den olben nach unten. Der olben versetzt über einen Pleuel (=drehbarer Hebel) die Motorwelle in Bewegung. Welche Energieformen sind an diesen Vorgängen beteiligt? Aufgabe 9: Wärmekapazität a) Erkläre am Beispiel Wasser die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes und wie man sie bestimmt. b) Wie viel Joule benötigt man, um eine Tasse Wasser (V = 0,2 Liter, ρ = 1 g/cm 3, c = 4,19 J/ g) von 20 C auf 100 C zu erwärmen? c) Um wie viel Grad steigt die Temperatur eines Aquariums mit 500 Litern Inhalt, wenn 1 kwh = 360 kj an elektrischer Energie zum Heizen aufgewendet wurden? d) Um wie viel Grad steigt die Temperatur von Mineralwasser (V = 0,7 Liter, ρ = 1 g/cm 3, c = 4,19 J/ g) in einer Flasche, die durch das Stehen an der Sonne eine Energie von 100 kj aufgenommen hat? e) Ein 50 kg schwerer Junge besteht zu 60 % aus Wasser (c = 4,19 J/ g) Wie viel Energie benötigt er, um seine örpertemperatur um bei einer fiebrigen Grippe von 36,8 C auf 38,3 C zu erhöhen? Wie viel g artoffeln (Brennwert 3 kj pro g) oder wie viel g Schokolade (23 kj pro g) müsste er essen, um diesen Energieverlust wieder auszugleichen? f) Ein ausgekühlter Wanderer sitzt in einer Berghütte. In der Berghütte befinden sich noch 100 m 3 kalte Luft (ϑ= 10 C, ρ = 1 g/dm 3, c = 1 J/g ) und ein Propangaskocher mit 200 g Propan (Brennwert 32,5 kj pro g). Um wie viel Grad erwärmt sich (theoretisch!) die Luft in der Hütte, wenn er den Propangaskocher als Heizung verwendet? g) Vor der Hütte des Wanderers aus f) steht ein Faß, das mit 10 C kaltem Regenwasser gefüllt ist (c = 4,19 J/g ). Wie viel Liter Regenwasser kann er mit dem Propangaskocher auf 90 C erwärmen und als Teewasser verwenden? Welche Methode ist sinnvoller, um wieder warm zu werden? 4

5 Aufgabe 10: Energieumsatz bei chemischen Reaktionen Gibt man 1 Mol Zink Zn (s) und 1 Mol Iod I 2 (s) in einen Liter Wasser, so erhält man eine 1-molare Lösung von Zinkiodid ZnI 2 (aq) in Wasser. Führt man die Reaktion in einem wärmeisolierten Gefäß durch, so erhöht sich die Temperatur der Lösung dabei um T = 63,2. Als Wärmekapazität kann c = 4,18 J/ g angenommen werden. Um die Ausgangsstoffe vollständig wieder zurück zu gewinnen, muss die Lösung t = 3 Stunden, 40 Minuten und 15 Sekunden lang mit der Spannung U = 20 V und der Stromstärke I = 1 A elektrolysiert werden. Hinweis: Die elektrische Arbeit ist W = U I t. a) Zeichne das Energiediagramm für die Reaktion von Zink und Iod zu Zinkiodid. b) Welche Richtung ist exotherm und welche ist endotherm? c) In welcher Form wird die Energie abgegeben bzw. aufgenommen? d) Berechne die molare Reaktionsenthalpie H für die Bildung von Zinksulfid aus den Elementen Aufgabe 11: Energieumsatz bei chemischen Reaktionen 1. Berechne die Reaktionswärme, die bei der Verbrennung von 10 g des angegebenen Brennstoffes frei werden. 2. Gib an, um wie viel Grad man 5 Liter Wasser mit der freigesetzten Wärmemenge erwärmen kann (c = 4,19 J/g ). a) Methan CH O 2 CO H 2 O mit H = 889,5 kj/mol b) Ethan 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O mit H = 2330,6 kj/mol c) Propan C 3 H O 2 3 CO H 2 O mit H = 1431,8 kj/mol d) Butan 2 C 4 H O 2 8 CO H 2 O mit H = 3393,0 kj/mol e) Methanol 2 CH 3 OH + 3 O 2 2 CO H 2 O mit H = 1452,0 kj/mol f) Ethanol C 2 H 5 OH + 3 O 2 2 CO H 2 O mit H = 972,6 kj/mol g) Wasserstoff: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O mit H = 571,2 kj/mol Aufgabe 12: atalysatoren Beschreibe die Wirkung des Abgaskatalysators im Auto mit Hilfe eines Energiediagramms und auf Teilchenebene. Die Reaktionsgleichung ist 2 CO + 2 NO 2 CO 2 + N 2 mit H = 750 kj/mol. Aufgabe 13: Reaktionsgeschwindigkeit und Feuer a) Beschreibe mit Hilfe des Buches auf S. 95, wie man durch Beeinflussung der Sauerstoffversorgung (2 Punkte), des Wärmehaushaltes (2 Punkte) und des Zerteilungsgrades (1 Punkt) der Brennstoffe ein großes Lagerfeuer anzünden und erhalten kann. b) In welcher Hinsicht unterscheidet sich die Löschwirkung von Wasser, Erde, Sand und CO 2 -Schaumlöscher? c) Bei welchen Bränden darf kein Wasser zum Löschen verwendet werden? 5

6 1.3. Lösungen zu den Aufgaben zu chemischen Reaktionen Aufgabe 2: Reaktionsgleichungen a) 16 Cu + S 8 8 Cu 2 S b) 2 Hg + O 2 2 HgO c) P O 2 _ P 4 O 10 d) 2 I + PbSO 4 PbI SO 4 e) 2 NaCl + H 2 SO 4 2 HCl + Na 2 SO 4 f) 3 F + H 3 PO 4 3 HF + 3 PO 4 g) 2 OH + H 2 CO 3 2 H 2 O + 2 CO 3 h) 2 MnO HCl 2 MnO Cl + 4 H 2 O + 3 Cl 2 Aufgabe 3: Reaktionsgleichungen 2 Na + Cl 2 2 NaCl 46 g Na + 22,4 Liter Cl g NaCl 60 g Na + 29,2 Liter Cl 2 152,6 g NaCl Aufgabe 4: Reaktionsgleichungen 4 + O O 156,4 g + 22,4 Liter O 2 188,4 g 2 O 100 g + 14,3 Liter O 2 120,5 g 2 O Aufgabe 5: Reaktionsgleichungen Ca + F 2 CaF 2 40,1 g Ca + 22,4 Liter F 2 78,1 g CaF 2 35,8 g Ca + 20 Liter F 2 69,7 g CaF 2 Aufgabe 6: Reaktionsgleichungen 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O g Al + 67,2 Liter O g Al 2 O 3 26,5 g Al + 16,5 Liter O 2 50 g Al 2 O 3 Aufgabe 7: Reaktionsgleichungen a) 8 Zn + S 8 8 ZnS 8 65,4 g Zn ,1 g S 8 97,5 g ZnS 20,1 g Zn + 9,9 g S 30 g ZnS b) 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 44,8 Liter H ,4 Liter O 2 36 g H 2 O = 0,036 Liter H 2 O 1244,4 Liter H ,2 Liter O g H 2 O = 1 Liter H 2 O c) N H 2 2 NH 3 22,4 Liter N ,2 Liter H 2 44,8 Liter NH 3 6,7 Liter N Liter H 2 13,3 Liter NH 3 d) NaOH + HCl NaCl + H 2 O 40 g NaOH + 22,4 Liter HCl 58,5 g NaCl + 18 g H 2 O 34,2 g NaOH + 19,1 Liter HCl 50 g NaCl + 15,4 g H 2 O e) 2 AlCl H 2 O Al 2 O HCl 267 g AlCl g H 2 O 102 g Al 2 O ,4 Liter HCl 50 g AlCl ,1 g H 2 O 19,1 g Al 2 O ,2 Liter HCl Aufgabe 8: Energieformen siehe Skript Aufgabe 9: Wärmekapazität a) siehe Skript b) Q = m c T 67,2 kj c) T = Q/mc 0,17 d) T = Q/mc 34,1 e) Q = m c T = g 4,19 J/g 1,5 189 kj entsprechen 63 g artoffeln oder 8,2 g Schokolade f) T(Luft) = Q/mc = J/ g 1 J/g = 70 (!). Leider wird sich die Sauna nur bei idealer Wärmedämmung realisieren lassen. In Wirklichkeit wird die Wärme durch Luftzug (onvektion) schnell abgeführt. g) m(wasser) = Q/c T = J/4,19 J/g 70 23,8 kg entsprechen 23,8 Liter Teewasser, die bei möglichst schneller Aufnahme (aber ohne sich die Zunge zu verbrennen) ihre Wärme direkt an den örper abgeben, der wiederum durch Fett und leidung einigermaßen isoliert ist. 6

7 Energie Aufgabe 10: Energieumsatz beui chemischen Reaktionen a) Energiediagramm: siehe Skizze Aktivierungsenergie E A b) Da sich die Temperatur im Gefäß erhöht, wird Energie abgegeben, d.h. die Hinreaktion Zn + I 2 Zn + I 2 ZnI 2 ist exotherm und die Rückreaktion ZnI 2 Zn + I 2 ist endotherm. Reaktionsenthalpie Reaktionsenthalpie c) Hinreaktion: Abgabe von Wärmeenergie; H rück = +264 kj/mol H hin = 264 kj/mol Rückreaktion, Aufnahme von elektrischer Energie. d) Das genau 1 Mol Formelumsatz eingesetzt wurde, ist H hin = W = c m T = 4,18 J/ g 1000 g 63,2 = kj/mol und H rück = W el = U I t ZnI 2 = 20 V 1 A s = kj/mol Zeit Aufgabe 11: Energieumsatz bei chemischen Reaktionen a) CH O 2 CO H 2 O H = 889,5 kj/mol 16 g CH ,8 Liter O 2 22,4 Liter CO g H 2 O H = 889,5 kj 10 g CH Liter O 2 14 Liter CO ,5 g H 2 O H = 555,9 kj W 555, 9 kj kg W = 555,9 kj und T = = = 26,4 b) 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O H = 2330,6 kj/mol 60 g C 2 H ,8 Liter O 2 89,6 Liter CO g H 2 O H = 2330,6 kj 10 g C 2 H ,1 Liter O 2 14,9 Liter CO g H 2 O H = 388,4 kj W 388, 4 kj kg W = 388,4 kj und T = = = 18,5 c) C 3 H O 2 3 CO H 2 O H = 1431,8 kj/mol 44 g C 3 H Liter O 2 67,2 Liter CO g H 2 O H = 1431,8 kj 10 g C 3 H ,5 Liter O 2 15,3 Liter CO ,4 g H 2 O H = 325,4 kj W 325, 4 kj kg W = 325,4 kj und T = = = 15,5 d) 2 C 4 H O 2 8 CO H 2 O H = 3393,0 kj/mol 116 g C 4 H ,2 Liter O 2 89,6 Liter CO g H 2 O H = 3393,0 kj 10 g C 4 H ,1 Liter O 2 7,2 Liter CO ,5 g H 2 O H = 292,5 kj W 292, 5 kj kg W = 292,5 kj und T = = = 13,9 e) 2 CH 3 OH + 3 O 2 2 CO H 2 O H = 1452,0 kj/mol 64 g CH 3 OH + 67,2 Liter O 2 44,8 Liter CO g H 2 O H = 1452,0 kj 10 g CH 3 OH + 10,5 Liter O 2 7 Liter CO ,3 g H 2 O H = 226,8 kj W 226,8 kj kg W = 226,8 kj und T = = = 10,8 f) C 2 H 5 OH + 3 O 2 2 CO H 2 O H = 972,6 kj/mol 46 g C 2 H 5 OH + 67,2 Liter O 2 44,8 Liter CO g H 2 O H = 972,6 kj 10 g C 2 H 5 OH + 14,6 Liter O 2 9,7 Liter CO ,7 g H 2 O H = 211,4 kj W 211, 4 kj kg W = 211,4 kj und T = = = 10,1 g) 2 H 2 + O 2 2 H 2 O H = 571,2 kj/mol 4 g H ,4 Liter O 2 36 g H 2 O H = 571,2 kj 10 g H ,3 Liter O 2 90 g H 2 O H = 1428 kj W 1428 kj kg W = 1428 kj und T = = = 68 Aufgabe 12: atalysatoren: siehe Skript Aufgabe 13: Reaktionsgeschwindigkeit und Feuer a) Sauerstoffversorgung: Holzscheite luftig aufscheiten, hineinpusten Wärmezufuhr: Feuer nicht zu offen anlegen, um ühlung durch Wind zu vermeiden, nasses Holz erst über dem Feuer trocknen und dann erst in das Feuer legen, um ühlung durch Verdunstungskälte zu vermeiden. Zerteilungsgrad: Mit feinen trocknen Brennstoffen wie z.b. trockenen Blättern, Rinde, Reisig beginnen. b) Wasser kühlt, erstickt aber nicht (vgl. kalte Dusche!), Erde, Sand und CO 2 ersticken das Feuer. c) Wasser ist verboten bei Metallbränden, da heiße unedle Metalle wie z.b. Magnesium mit Wasser reagieren und bei Öl- und Fettbränden, da die Wassertropfen schlagartig verdampfen, das Öl oder Fett auseinander reißen und dadurch die Oberfläche des Brennstoffes vergrößern (Fettexplosion). 7