Physikalische Chemie II

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1 Prof.Dr.M.Bredol / FB01 Physikalische Chemie II Modulprüfung PC-II (Klausur) Name, Vorname Aufgabe Punkte maximal Erreichte Punktzahl Matrikel-Nr. Gesamtpunktzahl Note 1. Welcher der folgenden Aussagen stimmen Sie zu? Jeweils kurze Begründungen, Erläuterungen oder Beispiele! a. Der osmotische Druck von reinem Wasser ist größer als der von Salzwasser b. In idealen Gemischen ist keine Stofftrennung durch Rektifikation möglich c. Im chemischen Gleichgewicht ist die Freie Reaktionsenthalpie gleich null, während die Freie Standard Reaktionsenthalpie durch die Reaktion nicht verändert wird d. Die Geschwindigkeitskonstante einer chemischen Reaktion wird von der Aktivierungsenergie bestimmt e. Elementarreaktionen beschreiben die zwischen chemischen Elementen möglichen Reaktionen 1

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3 2. Das flüssige Mischsystem n-propanol / Wasser zeigt bei 87.8 o C die folgenden Partialdruckund Gesamtdruckverläufe: P(total) 0.8 P / bar P(Wasser) P(n!propanol) x 2 (Wasser) a. Handelt es sich um ein Idealsystem, ein Realsystem mit abstoßender Wechselwirkung oder ein Realsystem mit anziehender Wechselwirkung? Begründung! b. Zeigt dieses System azeotropes Verhalten? Wenn ja, bei welcher Zusammensetzung in etwa liegt die azeotrope Zusammensetzung? Begründung! c. Skizzieren Sie das McCabe-Thiele Diagramm dieses Systems (drücken Sie dabei die Stoffmengenanteile in Flüssigkeit und Dampf durch die leichter siedende Komponente aus)! d. Skizzieren Sie das T/z Phasendiagramm (Siedediagramm) des Systems bei Umgebungsdruck (vollständige Beschriftung aller Felder, Skalierung der Achsen nicht vergessen) 3

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5 3. Eine der wichtigsten in der Industrie durchgeführten Reaktionen ist die Oxidation von Schwefeldioxid zur Schwefelsäureherstellung: 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) 0.10 mol SO 2 und 0.10 mol SO 3 werden zur Untersuchung dieser Reaktion bei 27 o C in ein vorgher evakuiertes Reaktionsgefäß gefüllt (Volumen: 2 Liter). Nach einiger Zeit stellt sich Gleichgewicht ein; es herrscht nun ein Gesamtdruck von bar im Gefäß. a. Welchen Stoffmengenanteil besitzt O 2 in diesem Gleichgewicht? b. Welchen Wert besitzt die Gleichgewichtskonstante K bei 27 o C? c. Wie müsste man vorgehen, um den Wert von K bei einer Prozesstemperatur von 600 o C rechnerisch zu ermitteln? 5

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7 4. Aus Aluminium-Folie, einer 4 M wässrigen KOH Lösung und einer mit einem geeigneten Katalysator versehenen porösen leitfähigen Kohlenstoffschicht läßt sich eine Aluminium-Sauerstoff(Luft) Batterie konstruieren. a. Formulieren Sie die beiden Halbreaktionen dieser Zelle (Hinweis: Al läßt sich vollständig in konzentrierter KOH lösen) und die Gesamtzellreaktion b. Ist das Gleichgewichts-Zellpotenzial der Batterie abhängig vom ph Wert des Elektrolyten? c. Welche elektrischen und chemischen Prozesse spielen sich bei der Entladung der Batterie ab (Skizze)? Welchen inneren Zustand nimmt die Batterie nach der Entladung ein? 7

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9 5. Für die Reaktion von H 2 (g) mit Br 2 (g) wird der folgende Mechanismus vorgeschlagen: k Br Br 2 Br k 2 Br 2 k Br + H 3 2 HBr + H Br 2 + H k 4 HBr + Br HBr + H k 5 H 2 + Br a. Welche Reaktionspartner können quasistationär werden? Begründung? b. Bestimmen Sie für die in a. angegebenen Reaktionspartner die quasistationären Partialdrücke als Funktion der übrigen Partialdrücke und der Geschwindigkeitskonstanten! c. Formulieren Sie das Geschwindigkeitsgesetz für die Bildung von HBr und vereinfachen Sie es unter Nutzung der Ergebnisse aus b.! d. Welche Reaktionsordnung ergibt sich zu Beginn der Reaktion, wenn nur sehr wenig HBr gebildet worden ist? 9

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11 Daten und Formeln P hydrostatisch = ρ g h g = 9.81 m s 2 ρ H2 O = 1000 kg m 3 k = k 0 exp ( ) EA RT dc dt = kc c = c 0e kt nf E = R G R = J K 1 mol 1 P V = nrt R H = n ν i B H i=1 i K = i a ν i i ln K = RG RT dg = SdT + V dp d(ln K) dt = RH RT 2 dξ = dn Ttrans i CP I S = ν i T 1 T dt + T2 transh + T trans R H(T ) = R H(T 0 ) + R G = n ν i B G i=1 P i = a i P i i T E = E CP II T trans T dt RG = T 0 R C P dt P V γ = const Q P = R S + RT nf ln = n ν i Si R C P = i=1 i aν i i aν i i (Ox) i (Red) T2 T 1 ( ) G ξ P,T C P dt n ν i C P,i i=1 F = A s mol R G = nf E G = H T S F = K P + 2 H = U + P V P i = a i P i P i = x i K i a i = γ i x i M S = R n x i ln x i i=1 µ i = µ i + RT ln(p i /P ) µ i = µ i + RT ln a i µ i = µ i + RT ln c i mol/l ΠV = nrt dc dt = 1 kc2 c = 1 + kt c 0 T = K Kr m B 11