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3
Reaktionsgleichungen und ihre Aussagen 8h
3.2.1 Stoffmenge als Basisgröße Chemie-Übung: Quantitative Umsetzung von Magnesium mit Salzsäure Chemie-Übung: Bestimmung der Konzentration von Salzsäure durch Titration Chemie-Übung: Bestimmung der Reaktionsenthalpie (Magnesium mit Salzsäure)
3 Reaktionsgleichungen und ihre Aussagen 8h
3.1 Reaktionsgleichungen
Übungen für chemische Gleichungen(Soweit erforderlich, sind die Koeffizienten einzusetzen!) 1 H2
+ O2 -------->
H2O 2 Mg
+ O2
--------> MgO 3 Al
+ O2
--------> Al2O3 4 Cu
+ O2
--------> Cu2O 5 H2O2
--------> H2O
+ O2 6
H2O
+ Mg
--------> MgO
+ H2 7 CuO
+ H2
--------> Cu +
H2O 8 Cu2O
+ H2
--------> Cu
+ H2O 9 N2
+ H2 -------->
NH3 10 C
+ O2
--------> CO2 11
C
+ O2
--------> CO 12 CO
+ H2O
--------> CO2
+ H2 13
Fe2O3
+ H2 -------->
Fe +
H2O 14 SO2
+ H2S
--------> H2O
+ S 15 Mg
+ HCl
--------> MgCl2
+ H2 16 NH3
+ O2
--------> N2
+ H2O 17
FeS + HCl -------->
FeCl2
+ H2S 18 Na
+ H2O
--------> NaOH +
H2 20
Ca +
H2O
--------> Ca(OH)2
+ H2 21 Al(OH)3
+ HCl -------> AlCl3
+ H2O 1 2 H2 + O2 --------> 2 H2O 2 2
Mg +
O2 -------->
2 MgO 3 4
Al +
3 O2
--------> 2
Al2O3 4 4
Cu +
O2 -------->
2 Cu2O 5 2
H2O2
--------> 2
H2O + O2 6
H2O
+
Mg -------->
MgO +
H2 7 CuO
+ H2
--------> Cu +
H2O 8 Cu2O
+ H2
--------> 2
Cu +
H2O 9 N2
+ 3
H2 -------->
2 NH3 10 C
+ O2
--------> CO2 11
2
C
+ O2
--------> 2 CO 12 CO
+ H2O
--------> CO2
+ H2 13
Fe2O3
+ 3
H2 -------->
2 Fe
+ 3 H2O 14 SO2
+ 2
H2S
--------> 2 H2O
+ 3
S 15 Mg
+ 2
HCl -------->
MgCl2
+ H2 16 4
NH3
+ 3 O2
--------> 2 N2
+ 6 H2O 17
FeS
+ 2 HCl
--------> FeCl2
+ H2S 18 2
Na +
2 H2O
--------> 2 NaOH
+ H2 20
Ca
+ 2
H2O
--------> Ca(OH)2
+ H2 21 Al(OH)3
+ 3
HCl -------> AlCl3
+ 3 H2O
3.2 Stoffumsatz
3.2.1 Stoffmenge als Basisgröße
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| Lehrplan | |
| Literatur | |
| Medien | |
| Geräte |
Glaswanne - 10 ml-Pipette |
| Chemikalien |
Ölsäurelösung (Verdünnung 1:1000) - Bärlappsporen (Lycopodium) |
Hinführung: Ausbreitung eines Ölflecks auf dem Wasser - unter der Voraussetzung, dass es sich um eine monomolekulare Schicht handelt, ist bei bekannter Molekülmasse die annähernde Bestimmung der Avogadro-Konstanten möglich:
Ölsäure (C18H34O2) M = 282 g/mol - r = 0,9 g/cm3 - Lösung in Petrolether 1:1000
Durchführung: Die Oberfläche einer mit Wasser gefüllten Glaswanne (auf dem Arbeitsprojektor) mit Bärlappsporen bestreuen, dann aus einer Pipette 1 Tropfen Ölsäurelösung zutropfen lassen und sofort den Durchmesser des entstandenen Hofes messen. Anschließend Bestimmung der Tropfenzahl pro ml.
Auswertung:
T = Tropfenzahl pro ml
Welche Ursachen könnten dafür verantwortlich gewesen sein, dass der Ölfleck-Versuch nicht den genauen Zahlenwert ergab?
- ungenaue Bestimmung des Radius
- schwankende Tropfengröße
- Molekülgestalt wahrscheinlich nicht kubisch
- andere
Problemstellung: Welches Volumen hat ein Mol eines Gases?
Wir berechnen das Volumen von einem Mol Wasserstoff und einem Mol Sauerstoff aus der Gasdichte:
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Wasserstoff:
|
Sauerstoff:
|
Demonstration des Molwürfels (Kantenlänge ca. 28 cm)
Wie ist diese Übereinstimmung zu erklären?
Folgerung aus dem Satz von Avogadro: Gleiche Volumina von Gasen haben bei gleichem Druck und gleicher Temperatur gleich viele Teilchen
Das molare Volumen aller Gase ist konstant und beträgt im Normzustand (273K, 1013 hPa):
Problemstellung: Eine genau abgewogene Magnesiumportion soll in überschüssiger verd. Salzsäure gelöst und der freigesetzte Wasserstoff in einer pneumatischen Wanne quantitativ aufgefangen werden. Aus dem Wasserstoffvolumen soll die molare Masse von Magnesium berechnet werden.
Reaktionsgleichung:
2 HCl + Mg -----> MgCl2 + H2
Ergebnis: 54 mg Magnesiumband ergaben 53 ml Wasserstoff (Raumtemperatur 21°C)
Auswertung:
| Lehrplan | |
| Literatur | |
| Medien | |
| Geräte |
Vollpipette 10 ml - Pipettierhilfe - Bürette am Stativ |
| Chemikalien |
Natronlauge c = 1,000 mol/l - verd. Salzsäure - Bromthymolblau |
Durchführung: Eine Probe von genau 10 ml (Vollpipette!) der verdünnten Salzsäure unbekannter Konzentration wird mit 3 Tr. Bromthymolblau als Indikator versetzt und mit Natronlauge der Konzentration c = 1 mol/l bis zum Farbumschlag von Gelb nach Grün (bzw. Blau) titriert. Verbrauchtes Laugenvolumen an der Bürette ablesen.
Auswertung:
HCl + NaOH -> NaCl + H2O
Berechnung der Stoffmengen-Konzentration:
Größengleichung für die Stoffmengen-Konzentation c
Berechnung der Massenkonzentration:
Größengleichung für die Massenkonzentration:
Angabe in Prozent?
Aufgaben:
Die
Skizze zeigt jeweils ein Mol verschiedener Stoffe:
|
I)
1
Mol Schwefel |
II)
1
Mol Eisen |
III)
1
Mol Wasser |
IV)
1
Mol Wasserstoff |
a)
Welche Masse in Gramm haben die angegebenen Stoffportionen?
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I)
32,1 g |
II)
55,8 g |
III)
18,0 g |
IV)
2,0 g |
Was
haben die skizzierten Stoffportionen miteinander gemeinsam?
Gleiche
Anzahl Teilchen (Atome bzw. Moleküle)
Welche Masse haben 1 mol Kupfer, 2 mol Kohlenstoff und 1/4 mol Sauerstoff?
Wieviel mol sind 32 kg Schwefel, 100 g Natrium, 100 g Traubenzucker?
Wie groß ist die Masse eines Schwefelatoms in Gramm?
Welche
Stoffmenge in Mol sind 10,0 g Magnesium?
Welche
Stoffmenge in Mol sind 1,00 Liter Wasserstoff (Standardbedingungen)?
Angenommen, Du hast 100 g Eisen und 100 g Schwefel. Wieviel Eisen(II)-sulfid kannst Du daraus herstellen?
Gleichung: Fe + S -----> FeS
Wie viel Aluminium muss man in Salzsäure lösen, um einen Ballon mit 100 Liter Inhalt (Normzustand) füllen zu können?
Gleichung: 2 Al + 6 HCl -----> 2 AlCl3 + 3 H2
Aufgaben:
5
g Kohlenstoff werden mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid verbrannt. Berechne die
Ausbeute an Kohlenstoffdioxid in Gramm und in Liter (Normbedingungen)!
C
+ O2
à
CO2
Natriumhydrogencarbonat NaHCO3 wird als Backpulver verwendet. Das beim Erhitzen nach folgender Gleichung entweichende Kohlenstoffdioxid lässt den Teig "gehen":
2
NaHCO3 -> Na2CO3 + CO2
+ H2O
Für ein lockeres Gebäck müssen mindestens 1.25 l Kohlenstoffdioxid pro 500 g Mehl freigesetzt werden.
Wie viel Gramm Natriumhydrogencarbonat-Backpulver müssen zu 500 g Mehl gegeben werden?
Ein Airbag soll einen Autofahrer bei einem Aufprall durch Bildung eines „Luftpolsters“ schützen. Dabei wird Natriumazid NaN3 verwendet, das sich nach elektrischer Zündung innerhalb von weniger als 50 Millisekunden entsprechend der folgenden Reaktionsgleichung in Natrium und Stickstoff zersetzt: 2 NaN3 -> 2 Na + 3 N2
Wieviel Gramm Natriumazid müssen zersetzt werden, damit 100 l Stickstoffgas entstehen?
Lösung: 193 g
regelmäßiger Alkoholkonsum hat meist auch eine Gewichtszunahme zur Folge (Bierbauch). Welche Energie hat der Alkoholanteil in einer Literflasche Wein (13 % Alkoholgehalt)?
Der Energiebedarf des Menschen beträgt bei völliger Ruhe 7000 kJ/24h (=Grundumsatz) und wird hauptsächlich durch die vollständige Oxidation von Glucose (=Traubenzucker) C6H12O6 zu Kohlenstoffdioxid und Wasser gedeckt. Dazu dient der eingeatmete Sauerstoff. Der Energiegehalt (Brennwert) von Glucose beträgt 15.8 kJ/g.
Mit wie viel Gramm Traubenzucker lässt sich der Grundumsatz 24 h lang decken?
600 g Traubenzucker (C6H12O6) decken den Energiebedarf eines Menschen für ca. 24 h.
a) Wie viel Sauerstoff (in Liter) wird für die vollständige Oxidation benötigt?
b) Wie hoch ist die Abnahme des Sauerstoffgehalts und die Zunahme des Kohlenstoffdioxidgehalts (in Vol.%) in einem Klassenraum von 7 m Länge, 7 m Breite und 3 m Höhe, wenn 32 Schüler 45 min ohne Frischluftzufuhr darin verbringen?
Ergebnis
a) 448 l/Person*24h
| Lehrplan | |
| Literatur |
elemente chemie 9 S. 61 - 66 Dickerson/Geis S. 265 |
| Medien | |
| Geräte | |
| Chemikalien |
Einbeziehung von Reaktionswärme in die chemische Reaktion
Wiederholung der Begriffe exotherm, endotherm
Was ist Energie? Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten
Formen der Energie: - potentielle Energie (Lage) - kinetische Energie (Bewegung) - elektrische Energie
- chemische Energie - Lichtenergie - Wärmeenergie
Versuch: Reaktion von Magnesium mit Salzsäure
(Beobachtungen: Wasserstoffentwicklung, Erwärmung)
Mg + 2 HCl -------> H2 + MgCl2
Notwendigkeit der Abgrenzung eines Systems von seiner Umgebung
Analogie: Weinflasche
| Offenes System | Geschlossenes System | Isoliertes System |
Beispiel: Magnesiumband in Salzsäure |
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| Stoff- und Energieaustausch (Wärme und Druck - Volumen - Arbeit) mit der Umgebung | Wärmeaustausch mit der Umgebung, aber kein Stoffaustausch | Weder Stoff- noch Energieaustausch mit der Umgebung möglich |
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Reaktionswärme bei konstantem Druck = Reaktions-Enthalpie DHR |
Reaktionswärme bei konstantem Volumen = Reaktions-Energie |
Auswertung:
Temperatur der Salzsäure vor der Reaktion: 19,6°C
Temperatur der Salzsäure nach der Reaktion: 23,9°C
Von der Salzsäure wurde die folgende Wärmemenge aufgenommen:
Bezug auf 1 mol Magnesium!
Ergebnis: - 486 kJ (Theorie: DH = - 460 kJ)
Standard-Reaktionsenthalpie: Reaktionsenthalpie einer chemischen Reaktion unter Standardbedingungen (298 K, 1013 hPa)
Beispiel Wassersynthese
H2
+ 1/2 O2
-----> H2O
DHB = - 286 kJ/mol
Edukte (Ausgangsstoffe) Produkte (Endstoffe)
Unter Bildungsenthalpie versteht man die Wärmeenergie, die bei der Bildung eines Mols einer Verbindung aus den Elementen auftritt (Standardzustand).
Standardzustand: Zustand der Elemente in der energieärmsten Form, bei 25°C und 1013 hPa = 0
(vergl. Meeresspiegel = Nullniveau für Höhenmessungen)
Tabelle mit Bildungsenthalpien
Berechnung von
Reaktionsenthalpien aus Bildungsenthalpien:
Aufgabe: Kann man Eisen(III)-oxid Fe2O3 mit Wasserstoff in einer exotherm verlaufenden Reaktion reduzieren?
Fe2O3
+ 3 H2
----------> 2 Fe
+ 3 H2O
+
822 kJ/mol
3
* - 286 kJ/mol
DHR = + 822 + (3 * -286) = - 36 kJ schwach exotherm
Aufgabe: Energiebilanz der Reaktion von Eisen(III)-oxid mit Aluminium?
Fe2O3
+ 2 Al
----------> Al2O3
+ 2 Fe DH = ?
+
822 kJ/mol
- 1675 kJ/mol
DH
= 822 kJ/mol - 1675 kJ/mol
DH = - 853 kJ/mol stark exotherm!
Thermit-Versuch (Verwendung, Geschichtliches)
Aufgaben:
Was versteht man unter dem Begriff "Bildungsenthalpie"?
Für flüssiges Wasser ist die Bildungsenthalpie DHB = - 286 kJ/mol, und für gasförmiges Wasser
DHB = - 242 kJ/mol. Wie ist dieser Unterschied zu erklären?
Man vergleiche die Bildungsenthalpien der Oxide mit der Heftigkeit der Reaktion der Elemente mit Sauerstoff.
Die Bildungsenthalpie von Ammoniak ist DHB = - 46 kJ/mol. Wie groß ist die Reaktionsenthalpie der Reaktion 3 H2 + N2 ---> 2 NH3 ?
Gegeben ist das folgende Reaktionsschema:
3
CaO +
2 Fe ----->
3 Ca + Fe2O3
Berechne aus den Bildungsenthalpien (Tabelle) die Reaktionsenthalpie und entscheide, ob diese Reaktion exotherm ablaufen kann.
Prüfe durch Berechnung der Reaktionsenthalpie, ob Ammoniak in einer exothermen Reaktion entsprechend der folgenden Reaktionsgleichung verbrennen kann (alle Stoffe gasförmig):
4 NH3(g) + 3 O2 -> 2 N2 + 6 H2O (g)
Kann man Eisen(III)-oxid mit Wasserstoff in einer exotherm verlaufenden Reaktion zu Eisen reduzieren?
Bei Graphit und Diamant handelt es sich um reinen Kohlenstoff. Beide Modifikationen verbrennen in reinem Sauerstoff. Die Umwandlung von Graphit in Diamant ist schwierig und die Reaktionswärme für diese Reaktion kann nicht direkt gemessen werden. Erläutere unter Verwendung eines Energiediagramms, wie die Reaktionswärme für die Umwandlung von Graphit in Diamant dennoch bestimmt werden kann.
Berechne aus den Standard-Bildungsenthalpien die Reaktionsenthalpie für die folgende Reaktion und gib an, ob es sich um eine exotherme oder endotherme Reaktion handelt:
SO2
+ 2 H2S -> 3 S + 2 H2O
Methan (Formel: CH4) ist ein brennbares Gas. Welche Verbrennungswärme wird bei der Verbrennung von 1 mol Methan frei?
[DHB(Methan)= - 75 kJ/mol]
Ergebnis: DHR = - 888 kJ pro Mol Methan
Zum Schweißen und Schneiden von Stahl wird im Schweißbrenner Acetylen (=Ethin, Formel: C2H2), ein brennbares Gas, mit Sauerstoff verbrannt. [DHB(Ethin)= kJ/mol]
a) Berechne die Verbrennungswärme von 1 mol Acetylen und begründe, warum Acetylen zum Schweißen besser geeignet ist als Methan oder Wasserstoff.
b) Unter bestimmten Bedingungen kann Acetylen explosionsartig in die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff zerfallen. Begründe, warum dies bei Acetylen möglich ist, aber nicht bei Methan!
Ergebnis:
a) DHR = - 2596 kJ -
pro Mol Acetylen: - 1298 kJ - Acetylen
setzt bei der Verbrennung (pro Mol) mehr Energie frei! b)
der Zerfall ist exotherm, denn die Bildung ist endotherm!
