Reaktion von Silberionen Ag+ (aq) mit metallischem Zink in wäßriger Lösung, Bestimmung der Reaktionsenthalpie von Magnesium mit Schwefelsäure, Bestimmung der Verbrennungsenthalpie von Methanol, Ethanol, Propanol  und Butanol, Verbrennungsenthalpie von Ethan (C2H6 g) aus den Bindungsenergien

Aufgabe 1

Reaktion von Silberionen Ag+ (aq) mit metallischem Zink in wäßriger Lösung

100 ml 0,1 mol/l Silbernitratlösung werden mit einem Überschuß an Zink in einem Kalorimeter zur Reaktion gebracht. Unter Standardbedingungen wird dabei eine Energie von 1,821 kJ freigesetzt.

a)     Formulieren Sie das Reaktionsschema und berechnen Sie die Reaktionsenthalpie DHo dieser Reaktion.

b)     Zeichnen Sie den Aufbau eines galvanischen Elementes, in dem diese Reaktion unter Standardbedingungen abläuft, beschriften Sie die Zeichnung und erläutern Sie die Elektrodenvorgänge.

c)     Berechnen Sie aus den Standardpotentialen die freie Energie DGo dieser Reaktion.

d)     Berechnen Sie die Reaktionsentropie DSo.

e)     Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion.

f)      Legen Sie allgemein die Aussagebedeutung von  DHo, DSo, DGo und K für chemische Reaktionen dar und interpretieren Sie dann die gefundenen Werte für die Reaktion von Silberionen mit metallischem Zink.

Aufgabe 2

Bestimmung der Reaktionsenthalpie von Magnesium mit Schwefelsäure

Magnesium reagiert gut mit Schwefelsäure unter Bildung von gelöstem Magnesiumsulfat MgSO4 (liegt dissoziiert vor) und gasförmigem Wasserstoff.

Bei dem Ihnen demonstrierten Versuch werden folgende Chemikalien verwandt:

250 ml 1 mol/l H2SO4, 0,5 g Magnesiumspäne

Folgende Messwerte werden aufgenommen:

a)     Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise eines Kalorimeters zur Ermittlung der Reaktionsenthalpie dieser Reaktion.

b)     Beschreiben Sie den Versuch und Ihre Beobachtungen.

c)     Stellen Sie die Messergebnisse graphisch dar.

d)     Berechnen Sie die eingesetzten Stoffmengen.

e)     Werten Sie die Messergebnisse aus und bestimmen Sie die Reaktionsenthalpie dieser Reaktion.

f)      Berechnen Sie Volumenarbeit dieser Reaktion.

g)     Interpretieren Sie die gefundenen thermodynamischen Daten.

h)     Schätzen Sie die Änderung der Entropie und die freie Reaktionsenthalpie bei dieser Reaktion ab. Begründen Sie.

Aufgabe 3

Bestimmung der Verbrennungsenthalpie von Methanol, Ethanol, Propanol  und Butanol

Methanol (CH3OH, l), Ethanol (C2H5OH, l) und  Propanol (C3H7OH, l)  werden verbrannt. Bei dieser Reaktion mit gasförmigem Sauerstoff entstehen gasförmiges Wasser und gasförmiges CO2.

Man führt diese Reaktion in einem Kalorimeter durch, wobei jeweils 100 ml Wasser erwärmt werden.

Folgende Versuchsergebnisse werden gefunden:

a)     Zeichnen eine Versuchsapparatur, mit der sich die oben beschriebene kalorimetrische Bestimmung durchführen lässt.

b)     Berechnen Sie die Verbrennungsenthalpien für die eingesetzten Alkanole jeweils bezogen auf 1 mol Alkanol

c)     Wie groß wird die Verbrennungsenthalpie von Butanol C4H9OH (l) sein? Begründen Sie.

Aufgabe 4

Bindungsenergien

4.1.Standardbildungsenthalpie des Benzols (C6H6 g) aus den Bindungsenergien

a)     Definieren Sie den Begriff Bindungsenergie

b)     Berechnen Sie die Standardbildungsenthalpie des Benzols aus den Bindungsenergien.

c)     Vergleichen Sie den berechneten Wert mit dem experimentell bestimmten aus der Tabelle.

d)     Interpretieren Sie die Werte und zeichnen Sie zur Verdeutlichung ein Enthalpiediagramm.

 4.2. Verbrennungsenthalpie von Ethan (C2H6 g) aus den Bindungsenergien

Bei der Verbrennung von gasförmigem Ethan in Sauerstoff entsteht gasförmiges Wasser und gasförmiges Kohlendioxid.

a)     Formulieren Sie das Reaktionsschema.

b)     Berechnen Sie die Verbrennungsenthalpie von Ethan aus den Bindungsenergien.

c)     Berechnen Sie die Verbrennungsenthalpie von Ethan aus den Standardbildungsenthalpien.

d)     Vergleichen Sie die in a) und b) gefundenen Werte und erklären Sie die Unterschiede. Zeichnen Sie ein Enthalpiediagramm zur Erläuterung.

Aufgabe 5

Synthese von NH3

Gasförmiges Ammoniak NH3 wird aus gasförmigem Stickstoff und gasförmigemWasserstoff bei Temperaturen von ca. 800 K und  großem Druck von ca. 30 MPa (300 bar) gewonnen. Dieses Verfahren wird nach den Entwicklern Haber-Bosch Verfahren genannt.

a) Formulieren Sie das Reaktionsschema der ablaufenden Reaktion.

a)Berechnen Sie sämtliche thermodynamischen Daten sowie die Gleichgewichtskonstante für die Synthese von Ammoniak aus den Elementen unter Standardbedingungen. Analysieren Sie die Werte.

b)Berechnen Sie die freie Energie sowie die Gleichgewichtskonstante  für eine Temperatur von 800 K und begründen Sie die Änderungen gegenüber den in a) errechnete Werten.

c) Warum führt man diese Reaktion trotz der Ergebnisse in b) bei 800 K durch? Wie begegnet man den Nachteilen durch die hohe Temperatur?

Thermodynamische Daten und Konstanten

Gaskonstante R = 8,314 J/K/mol

spez. Wärme des Wassers:

4,184 J/g/K

Faraday - Konstante 96487 C

Bindungsenergien: (kJ/mol Bindung)

H - H          217,9

C- C           347,7

C = C         615,0

C - H         413, 4

C - O         351,5                       

C=O          728                          

H - O          462

Energie zur Herstellung isolierter Atome  (kJ/ mol isolierter Atome )

C     718,4                          H          217

O    247,5

Standardbildungsenthalpien

Normalpotentiale