Abiturvorbereitung Energetik

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1 Abiturvorbereitung Energetik Folgende Fragen sind an Chemie-Abiturfragen aus Baden-Württemberg angelehnt, wurden jedoch aus didaktischen Gründen in der Aufgabenstellung ergänzt, modifiziert oder gekürzt. Normalerweise erstreckt sich eine Abituraufgabe über mehrere hemenfelder, hier wurden nur die eilaufgaben berücksichtigt, die sich auf die Energetik beziehen. Hilfsmittel: Periodensystem der Elemente, abelle mit den hermodynamischen Daten (siehe Anhang), aschenrechner 1. Am Autokatalysator reagieren die umweltschädlichen Gase Stickstoffoxid (NO) mit ohlenstoffmonooxid zu ohlenstoffsdioxid und Stickstoff. (Ch-G, 2001) a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf und berechnen Sie die Reaktionsenthalpie für die Entstehung von 100 Liter Stickstoff (Hinweis: Bei den gegebenen Bedingungen nimmt 1 mol Stickstoff das Volumen von 45 L ein). b) Welche Entropieänderung erwarten Sie im Verlauf der Reaktion (Entropieabnahme, nahezu onstanz oder Entropiezunahme)? Begründen Sie kurz! 2. In einem Praktikumsversuch soll die molare Standardneutralisationsenthalpie N H der Reaktion von Salzsäure mit Natronlauge bestimmt werden. Dafür werden 100 ml der Säure (c = 1,0 mol/l) mit 100 ml der Lauge (c = 1,0 mol/l) mit der gleichen Anfangstemperatur im alorimeter vermischt. Die emperaturänderung beträgt ϑ = 5,2, die Wärmekapazität des alorimeters beträgt C al = 215,9 J 1. Wie groß ist N H, wenn die Wärmekapazität von H 2 O c w = 4,18 J g 1 1 beträgt? Hinweis: Die Dichten und Wärmekapazitäten der Lösungen entsprechen Näherungsweise den Werten für reines Wasser. (Ch-G, 2007) 3. Eine Masse von 1,51 g Glycerin (Propantriol, C 3 H 8 O 3 ) wurden in einem Verbrennungskalorimeter, welches mit 1500 g Wasser gefüllt war, vollständig verbrannt, wobei das H 2 O flüssig anfällt. Die emperatur stieg dabei von 19,9 C auf 21,8 C. (ähnlich einer Abi-Prüfungsaufgabe, Berufliches Gymnasium BaWü, Chemie 4 stündig, ). a) Berechnen Sie die molare Verbrennungsenthalpie, wenn die Wärmekapazität des alorimeters J/ beträgt. b) Vergleichen Sie den bei a) erhaltenen Wert mit dem rechnerischen Wert, der mithilfe der Standarbildungsenthalpien der Edukte und Produkte berechnet werden kann. c) Welches Volumen an Sauerstoff V(O 2 ) wurden unter Normbedingungen bei der Verbrennung der Glycerinportion verbraucht? 4. Natrium liegt in der Gasphase zu einem bestimmten Anteil in Form von Na 2 -Molekülen vor. Die Bildung solcher Moleküle aus Na-Atomen erfolgt exotherm, die Reaktionsenthalpie für die Molekülbildung beträgt R H = 75,5 kj/mol. Begründen Sie, ob die Na 2 -Molekülbildung aus Na-Atomen bei allen emperaturen exergonisch verläuft (ohne Berechnung!) (ähnlich einer Abi-Prüfungsaufgabe, Berufliches Gymnasium BaWü, Chemie 4 stündig, ) 5. Benzen ( 1,3,5-Cyclohexatrien ) reagiert mit Propen in der Gasphase zu 2-Phenylpropan. Hinweis: Phenylrest: C 6 H 5 bzw. ( 1,3,5-Cyclohexatrienylrest ) (ähnlich einer Abi-Prüfungsaufgabe, Berufliches Gymnasium BaWü, Chemie 4 stündig, ). a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung in Strukturformeln. b) Die Standardreaktionsentropie dieser Reaktion beträgt R S = 146 J/. Begründen Sie das Vorzeichen dieses Werts. c) Berechnen Sie die emperatur bei der die Reaktion beginnt, endergonisch zu verlaufen. Hinweis: f H (Benzen gasförmig ) = 82 kj/mol, f H (2-Phenylpropan gasförmig ) = 4 kj/mol.

2 6. Stickstoff bildet mit Sauerstoff viele verschiedene Stickstoffoxide. (ähnlich einer Abi-Prüfungsaufgabe, Berufliches Gymnasium BaWü, Chemie 4-stündig, ) Reaktion1: Durch direkte Reaktion von Stickstoff mit Sauerstoff entsteht Stickstoffmonoxid. Reaktion2: Stickstoffmonoxid bildet unter bestimmten Reaktionsbedingungen Stickstoffdioxid und Distickstoffmonoxid. Reaktion 3: Stickstoffmonoxid kann mit Stickstoffdioxid zu Distickstofftrioxid reagieren. a) Notieren Sie die Reaktionsgleichungen zu den 3 beschriebenen Reaktionen (davon die von Reaktion 1 in Strukturformeln) b) Ordnen Sie die 3 Reaktionen dem passenden Fall (Fall I IV) und dem passenden Diagramm (Diagramm 1-4) zu. Hinweis: S (Distickstofftrioxid) = 0,316 kj/mol, f H (Distickstofftrioxid) = 86 kj/mol, I: H > 0 kj, S < 0 J/ II: H > 0 kj, S > 0 J/ III: H < 0 kj, S < 0 J/ IV: H < 0 kj, S>< 0 J/ Diagramm A Diagramm B Diagramm C Diagramm D G G G G Anhang: abelle mit den benötigten thermodynamischen Daten abelle der für diese Aufgaben benötigten molaren Standardbildungsenthalpien [kj/mol] und der molaren Standardentropien (J/*mol). Die Werte aus der Abiturtabelle sind die ohne Nachkommastelle, diejenigen mit Nachkommastellen wurden aus anderen Quellen ergänzt. 25 C, p = Pa anorganische Verbindungen organische Verbindungen f H m (kj/mol) S m (J/mol*) f H m (kj/mol) S m (J/mol*) CO 2 (g) ohlenwasserstoffe und Halogenkohlenwasserstoffe CO (g) Propen, C 3H 8 (g) H + (aq) 0,0 0,0 H 2 O (l) H 2 O (g) N 2 (g) N 2 O (g) NO (g) Sauerstoffhaltige organische Verbindungen NO 2 (g) Propantriol C 3H 8 O 3 (l) O 2 (g) OH (aq) 229,99 10,75

3 Lösungen ohne Gewähr Bitte informieren Sie mich per ( ), wenn Sie Fehler in den Lösungen finden oder Ihnen etwas unverständlich erscheint. Ich korrigiere das dann umgehend. Ihre Mitschüler werden Ihnen dankbar sein! Die Lösungen sind aus didaktischen Gründen häufig viel ausführlicher als z.b. in der lassenarbeit erwartet a) Grundansatz: Die bei der Verbrennung frei werdende Wärme ( R H) wird vollständig durch alorimeter und darin enthaltenes Wasser aufgenommen. Eine Vorzeichenbetrachtung führen wir erst danach durch, deshalb muss man streng genommen das Betrag-Zeichen einsetzen. H = Q + Q => R Wasser alorimeter RH = cw mw ϑ+ calorimeter malorimeter ϑ => R w w C H = c m ϑ+ C ϑ => J J RH = 4, g 1, , J 30,9kJ g + = mgly ( ) 1,51g ngly ( ) = = 0,01676mol Hinweis: M(Gly) muss man anhand der Summenformel ermitteln. M( Gly) g 90,1 mol Die Reaktionsenthalpie muss negativ sein, also exotherm, da die emperatur des Wasser ansteigt: R H = 30,9 kj Berechnung der molaren Verbrennungsenthalpie: RH 30,9kJ kj RHm = = ngly ( ) 0,016756mol mol Hinweis: Der alorimeterwert des Verbrennungskalorimeters ist hier mit J/ deutlich größer als die alorimeterwerte unserer primitiven Minikalorimeter der Schule. Ein Verbrennungskalorimeter ist deutlich größer, schwerer und komplizierter gebaut, was sich in einer hohen Wärmekapazität (alorimeterwert) niederschlägt. b) Reaktionsgleichung: C 3 H 8 O 3 + 3,5 O 2 3 CO H 2 O : [ ] [ ] H = H (Produkte) H (Edukte) = (3 393 kj) + (4 285 kj) ( 669kJ + 0 kj) = 1650kJ r f f Bei der Verbrennung von 1 mol C 3 H 8 O 3 werden kj Wärme frei. [Literaturwert: r H m = -1654,3 kj/mol; Es gibt also einen ziemlich großen Unterschied zwischen dem berechneten und dem experimentellen Wert. Dies liegt an der Schwierigkeit der experimentellen Bestimmung der Verbrennungsenthalpien: Die Verbrennungsgase müssen das alorimeter vollständig abgekühlt (25 C) verlassen, die gesamte Verbrennungshitze muss an das Wasser abgegeben werden. c) Reaktionsgleichung: C 3 H 8 O 3 + 3,5 O 2 3 CO H 2 O Die verbrauchte O 2 -Stoffmenge ist 3,5 mal so groß wie die Glycerinstoffmenge (siehe oeffizientenverhältnis der Reaktionsgleichung). Da die Glycerinstoffmenge n(gly) =0,01676 mol beträgt (siehe Lösung zu a), wird n(o 2 ) = 3,50,01676 mol 0,05866 mol.

4 Das Volumen kann man z.b. mit dem Dreisatz rechnen: 1 mol 22,4 L (Normvolumen eines Gases) 0,05866 mol x => x 1,31 L 4 5 a) b) Die Reaktion findet laut einleitendem ext in der Gasphase statt. Aus zwei Gasteilchen entsteht ein Gasteilchen. Durch Verringerung des Gasvolumens nimmt die Entropie ab. c) Zuerst berechnen wir mit den verfügbaren Daten die Reaktionsenthalpie. Anschließend setzen wird in die GIBBS- HELMHOLZ-Gleichung ein. (Produkte) (Edukte) [(1 4 )] [(182 ) (1 20 )] 98 => r H m = 98 kj/mol H = H H = kj kj + kj = kj r f f Einsetzen in die GIBBS-HELMHOLZ-Gleichung: G = H S r r r Wir müssen Überprüfen, wo rg=0 kj wird 0kJ = 98kJ 0,146 kj => 0 kj = 98 kj + 0,146 kj => 98 kj = 0,146 kj => 671 Bei emperaturen überhalb von ca. 671 verläuft die Reaktion endergonisch. G 6. a) N 2 + O 2 2 NO; Der Schnittpunkt mit der -Achse liegt bei 671. Reaktion 1: Reaktion 2: N N + O O 2 N O 3 NO NO 2 + N 2 O Reaktion 3: NO + NO 2 N 2 O 3

5 b) Zuerst werden die Reaktionsenthalpien und die Reaktionsentropien berechnet: Reaktion 1: kj kj kj rh = fh (Edukte) = 2mol 90 1mol 0 + 1mol 0 = + 180kJ mol mol mol Man beachte, dass sich die Reaktionsenthalpie immer auf den Formelumsatz bezieht. Bei der Bildung von 2 mol NO aus N 2 und O 2 werden 180 kj Wärmeenergie aufgenommen (endotherme Reaktion). J J J J rs = S (Produkte) S (Edukte) = 2mol 211 1mol mol 205 = 25 mol mol mol Zuordnung des Falls: Da r H > 0 kj und r S > 0 J/ kann man Fall II zuordnen. Zuordnung des Diagramm: Die Auftragung von G gegen die emperatur () ergibt nach der GIBBS-HELMHOLZ- Gleichung (G = H S), für den Fall dass H und S positiv sind, eine fallende Gerade mit positivem y- Achsenabschnitt. Man kann also Diagramm A zuordnen. Reaktion 2: kj kj kj rh = fh (Edukte) = 1mol mol 33 3mol 90 = 155kJ mol mol mol J J J J rs = S (Produkte) S (Edukte) = 1mol mol 240 3mol 211 = 173 mol mol mol Zuordnung des Falls: Da r H < 0 kj und r S < 0 J/ kann man Fall III zuordnen. Zuordnung des Diagramm: Die Auftragung von G gegen die emperatur () ergibt nach der GIBBS-HELMHOLZ- Gleichung (G = H S), für den Fall dass H und S negativ sind, eine steigende Gerade mit negativem y- Achsenabschnitt. Man kann also Diagramm B zuordnen. Reaktion 3: kj kj kj rh = fh (Edukte) = 1mol 86 1mol mol 33 = 37kJ mol mol mol J J J J rs = S (Produkte) S (Edukte) = 1mol 316 1mol mol 240 = 135 mol mol mol Zuordnung des Falls: Da r H < 0 kj und r S < 0 J/ kann man auch hier Fall III zuordnen. Zuordnung des Diagramm: Die Auftragung von G gegen die emperatur () ergibt nach der GIBBS-HELMHOLZ- Gleichung (G = H S), für den Fall dass H und S negativ sind, eine steigende Gerade mit negativem y- Achsenabschnitt. Man kann also Diagramm B zuordnen.