PC2 E-Chemie

Question 1

ε0

Answer 1

Permittivität des Vakuums

8,900 * 10^(-12) C2/Nm

Question 2

Relative Permittivität von Wasser

Answer 2

78

vgl. ε0 = Permittivität des Vakuums = 8,900 * 10^(-12) C2/Nm

Question 3

Elementarladung e

Answer 3

1,6 * 10^(-19) C

Question 4

Elektrisches Potential

Answer 4

‘Phi’ φ die potenzielle Energie pro Ladung

Question 5

Potentielle Energie vs. elektrische Arbeit

Answer 5

Potentielle Energie ist gleich der negativen Arbeit, die von der Wechselwirkungskraft verrichtet wird.

dE(pot) = -dW = -Fdr =
- (Q1Q2)/(4PiEpsilon0*r^2) x dr

Bei Q1 und Q2 mit gleichem Vorzeichen ist Epot positiv,
Bei verschiedenen ist Epot negativ.

Question 6

Vorzeichen wenn Energie System zugeführt Bzw die System abgibt..?

Answer 6

Wird System Energie zugeführt :
F mit positivem Vorzeichen.

System gibt Energie ab: negativ
W= -F*ds

???

Question 7

Elektrische Arbeit

Answer 7

F dargestellt durch
F= Q* E

Mit E = Feldstärke

Feldstärke wiederum Spannungsabfall dU längs des Weges ds berechenbar.

W(el) = -QEds = -Q (dU)/(ds) * ds = -Q(U2-U1)

Question 8

Faraday Konstante

Answer 8

F

Die Faraday-Konstante F ist die elektrische Ladung eines Mols einfach geladener Ionen.
Sie wird aus der Avogadro-Konstante NA und der Elementarladung e errechnet.

e * N(A) ~ 96500 As/mol

Question 9

Spezifischer Widerstand

Answer 9

σ

Mit R= σ * l/A

σ ist in Ohm * (mm^2)/m

(l ist Länge des Leiters; A ist Querschnittsfläche)

A = 1/4 * π * d^2 (für runden Leiter)

Question 10

Spezifische Leitfähigkeit

Answer 10

κ (Kappa)
in Siemens (s/m = 1/Ω/m)
κ : spezifische Leitfähigkeit
κ = 1/σ

σ : spezifischer Widerstand
(Mit R = σ*l/A)

κ = Λ * c

Λ : molare Leitfähigkeit

Question 11

Molare Leitfähigkeit

Answer 11

Molare Leitfähigkeit des Anions :
z_ * u_ * F_ = Λ

Analog fürs Kation mit +

z : Ladungszahl
u : Beweglichkeit

Mit u = v/ E (Feldstärke?)
v : Geschwindigkeit

Und insgesamt dann
Λ = ν+ * Λ+ + ν_ * Λ_

ν : stöch. Koeffizienten
—-> 1. Kohlrausch’sches Gesetz

Question 12

Kohlrausch’sche Gesetze allgemein in Worte gefasst

Answer 12

Unter Kohlrausch-Gesetz werden von dem deutschen Physiker Friedrich Kohlrausch empirisch abgeleitete Gesetzmäßigkeiten verstanden, nach denen

• die molare Leitfähigkeit Λ eines Elektrolyten der Summe der molaren Leitfähigkeiten der Kationen und Anionen entspricht:

•
die molare Leitfähigkeit Λc eines Elektrolyten für starke Elektrolyte bei hinreichender Verdünnung eine lineare Funktion der Wurzel der Konzentration ist (Kohlrausch’sches Quadratwurzelgesetz).

Question 13

1. Kohlrausch’sche Gesetz

Answer 13

Oder auch: das Gesetz der unabhängigen Wanderung der Ionen.

Für molare Leitfähigkeit…

Λ = ν+ * Λ+ + ν_ * Λ_

ν : stöch. Koeffizienten

Question 14

2. Kohlrausch‘sche Gesetz:

Answer 14

Großes Lambda. Λ
—> molare Leitfähigkeit

Λ = Λ0 - k Wurzel(c)

Question 15

Grotthus-Mechanismus

Answer 15

Wanderung des H2O(+)-Protons in Wasser

Question 16

Zellkonstante

Answer 16

C : C = l/A

Mit l : Länge des Leiters
A : Querfläche

Question 17

Zusammenhang zwischen Dissoziationsgrad α eines schwachen Elektrolyts und der molaren Leitfähigkeit Λ(c)

Answer 17

α = Λ(c) / Λ(0)

Da [HA] = 1-α) * [HA]0 = (1-α)*c

—> Ks = [H+]*[A-]/[HA] = (α^2)/(1-α) * c

Da kann Alpha eingesetzt werden.

Question 18

Elektrolysezelle nach Hittdorf

Answer 18

Zur Bestimmung der Ionenbeweglichkeit durch Bestimmung der Überführungszahlen.

Wanderung der Kationen bewirkt Bruchteil des Stroms mit |I+/I| = Überführungszahl der Kationen (t+)

Δc(Kathodenraum)/Δc(Anodenraum) = t+/t_

Question 19

Überführungszahlen, Ionenbeweglichkeit und Leitfähigkeit

Nah Hottdorf, welche Annahme?

Answer 19

Dass Lösung hinreichend verdünnt, dass man Überführungszahlen mit ihren Grenzwerten für unendliche Verdünnung gleichsetzen kann.

t+ = t0+ = ν+Λ0+/Λ0
Und analog für t_

Question 20

Formel für Ionenbeweglichkeit u

Answer 20

u= ze / 6πη*r(Ion)

Question 21

Stokes’sche Gesetz

Answer 21

Reibungskraft F(R) = 6πηr(i)*|ν(i)|

ν(i) : Geschwindigkeit des Ions

Question 22

Grenzleitfähigkeit

Answer 22

Die Grenzleitfähigkeit Λ0 ist der extrapolierte, molare Wert der Leitfähigkeit Λc eines Elektrolyten in unendlicher Verdünnung:

Question 23

Formel

Elektrische Arbeit

Answer 23

W(el) = UIt

It = Q = znF

Question 24

Veranschaulichung

Spannung
Strom
Widerstand

Answer 24

Strom, geflossene Ladung pro Zeit :
Skifahrer die von A nach B fahren.

I = Q/t [in Ampere]

Spannung, elektrische Kraft :
Der Berg, der Grund warum die Skifahrer ins Tal fahren, also von A nach B.
Kraftwerk ist das Skilift, das Skifahrer hoch bringt damit sie dann wieder runterfahren.

U = I*R [in Volt]

Widerstand.
Jan muss Kugeln tragen. Anzahl der Kugeln Strom und Jans Muckis die Spannung.
Berg hochtragen…der Berg = Widerstand.

Question 25

Zusammenhang zwischen Spannung und elektrisches Potential?

Answer 25

U = φ(1) - φ(0)

Question 26

Nernst-Gleichung

Answer 26

E = E0 - RT/zF * ln Π {ci} ^vi

Bei Gasen:
{pi} relative Partialdrücke

Bei feste u flüssige, reine Stoffe:
xi Molenbruch

Bei gelösten Stoffen:
Relative konzentration {ci} = ci/c0

Für nicht ideale Stoffe:
Relative Aktivitäten, d.h. {ai} = ai/c0

Question 27

Elektrochemisches Potential

Answer 27

Anstelle des chem. Potentials, wenn GG in EINER Phase, hier die Berechnung so:

μi (Schlange) = μi + zi * F * φ

ui = chem. Pot.
zi = Ladung des Ions
F = Faraday
φ = elektrisches Pot der Phase

Enthält also zusätzlich zum chem. Potential die Arbeit, die notwendig ist um 1 mol Ionen vom el. Potential 0 auf φ zu bringen.

Question 28

Ionenstärke I

Answer 28

Die Ionenstärke (Formelzeichen I in der älteren Literatur auch µ) einer Lösung ist ein Maß für die elektrische Feldstärke aufgrund gelöster Ionen. Die chemische Aktivität gelöster Ionen und die Leitfähigkeit von Elektrolyt-Lösungen stehen mit ihr im Zusammenhang.

I = 1/2 Σ (zi)^2 * mi

mi ist in mol/kg

Question 29

Zusammenhang zwischen mittlerem Aktivitätskoeffizienten

und der Ionenstärke I

Answer 29

(Debye-Hückel-Grenzgesetz): 
log f(+/-) = -0.509 * |z+*z_| * [wurzel] I

Question 30

Aktivitätskoeffizient

Mittlerer Akt.

Answer 30

fi Beschreibt Abweichung vom idealen Verhalten einer Mischung.

ai = fi * xi

Mittlerer Aktivitätskoeffizient:
f+- = (f+) ^ν+ * (f_) ^ν_

Und Zsg mit Ionenstärke:

log f+- = -0.509 * |z+*z-| * Wurzel (I/mStandard)

I = Ionenstärke

Question 31

freie Standard-Reaktionsenthalpie

Answer 31

ΔGθ = RT ln K

Question 32

Debye-Hückel

Answer 32

Mit Aktivität, mittlerer Aktivitätskoeffizient, mittlere Ionenkonzentration, mittlere Aktivität, Ionenstärke

Question 33

Molalität

Answer 33

Hierbei wird die Stoffmenge eines gelösten Stoffes auf die Masse des Lösungsmittels bezogen.

Stoff Menge des gelösten Stoffs / Masse des Lösungsmittels

In gesättigter Lösung ist die Molalität (eines einfach geladenen Ions) gleich der Löslichkeit l

Question 34

Nernst Gleichung

Zusammenfassen der Naturkonstanten R,F und Umrechnungsfaktor für ln zu log bei 25grad Celsius bzw 298 K

Answer 34

E= Eo + RT/zF ln a(Ox)/a(Red)

8,314J/mol*K * 298 K /
z * 96485 C/mol

• 2,303 (Umrechnungsfaktor)

Log a(Ox)/a(Red)

Question 35

Daniell-Element

Answer 35

Kupfer- und Zink-Elektrode

Je in Lösung von Cu- Bzw ZnSO4 eingetaucht. Sind über porösen Becher miteinander in Verbindung, ist Ionen durchlässig und schließt so den Stromkreis.

Zn (s) + Cu2+ —> Zn2+ + Cu(s)

Question 36

Debye-Hückel-Theorie

Answer 36

Theorie der interionischen WW

Konzept der Gegenionenwolke: im Mittel sind um Zentralion mehr Gegenionen als Co-Ionen.
Debye rechnet mit β Größe der Ionenwolke.

2 Effekte:
1 - Elektrophoretischer Effekt
2 - Relaxationseffekt

Zu 1: Stokes-Reibung im Ausdruck für Ionenbeweglichkeit setzt ruhendes Medium voraus. Ionen bewegen sich aber, also zusätzliche Reibung. Hydrathüllen verstärken den Effekt.

Zu 2: Gegensätzliche Bewegung von Zentralion und Ionenwolke, Störung der Ladungsverteilung, Ionenwolke bildet sich mit Verzögerung. Zentralion wandert Schwerpunkt der Ionenwolke voraus -> rücktreibende Kraft, Bremseffekt

Question 37

Welche Arten der elektrochemischen Zelle gibt es?

Answer 37

Galvanische Zelle (erzeugt elektrische Spannung und liefert Strom d. Potentialgefälle)

Elektrolyse-Zelle: wird durch Strom von außen betrieben.

Akkumulatoren sind Zellen, die abwechselnd Strom liefern und dann wieder durch einen von außen angelegten Strom geladen werden.

Eine elektrochemische Zelle enthält mindestens zwei Elektroden, die immer als Elektronenleiter fungieren, und mindestens einen Elektrolyten, d. h. einen Ionenleiter. Der Elektrolyt kann flüssig oder fest sein, oder es sind sowohl flüssiger als auch fester Elektrolyt vorhanden. Eine elektrochemische Zelle kann somit definiert werden als eine Anordnung aus zwei Elektroden, die über einen Elektrolyten leitend verbunden sind.

Question 38

Wie hängt die Freie Reaktionsenthalpie mit der Zellspannung E zusammen?

Answer 38

DeltaG = - v F E

und Zusammenhang zur Nernst-Gleichung:
E = E(std) - RT/vF * lnQ
wobei E(std) nichts anderes als = - Delta(Rkt)G(std)/vF

in den Standardzuständen sind alle Aktivitäten gleich 1 und daher ln Q = 0, somit ist Standardzellspannung direkt verknüpft mit DeltaG.

Question 39

Diffusion und 1. und 2. Fick’sche Gesetze?

Answer 39

Die Diffusionsstromdichte, die auch als Materiefluss bezeichnet wird, gibt an, wie viele Teilchen eine Fläche in einer bestimmten Zeit durchfließen.

Das 1. Fick’sche Gesetz beschreibt die Geschwindigkeit des Diffusionsvorgangs in
x-Richtung.
J = -D dc/dx

Aus dem 1. Fick’schen Gesetz lässt sich das 2. ableiten. Das 2. Fick’sche Gesetz beschreibt die Änderung des Konzentrationsprofils in einer Dimension (x-Richtung) mit der Zeit (für D = const., d.h. unabhängig von c):

dc/dt = - D d^2 c / dx^2

Question 40

Brown’sche Bewegung

Einstein-Smoluchowski

Answer 40

Brown entdeckte unregelmäßige und ruckartige Wärmebewegung kleiner Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen.

Nach der 1905 von Albert Einstein und 1906 von Marian Smoluchowski gegebenen Erklärung wird die im Mikroskop sichtbare Verschiebung der Teilchen dadurch bewirkt, dass die Moleküle aufgrund ihrer ungeordneten Wärmebewegung ständig und aus allen Richtungen in großer Zahl gegen die Teilchen stoßen und dabei rein zufällig mal die eine Richtung, mal die andere Richtung stärker zum Tragen kommt.

Einstein, Sm. und Langevin konnten zeigen, dass der mittlere quadratische Abstand von ihrem Ausgangspunkt proportional zur Zeit anwächst. Für Bewegung in einer Dimension gilt:
x^2 = (kT/ 3rPi*Viskosität) * t

x^2 - ist der Mittelwert

Question 41

Wie ist das elektrische Potential definiert und welche Einheit hat es?

Answer 41

E(pot) /Q
Also potentielle Energie pro Ladung

Symbol: Großes Phi

Einheit: J/C oder Volt

___

Potentielle Energie wiederum:
- wird erhöht, wenn wir einem System Arbeit zuführen, indem man bspw. eine positive und negative Ladung auseinander zieht.
Sie erniedrigt sich, wenn die Ladungen näher zusammenkommen.
- sie ist also die negative Arbeit, die von der WW-Kraft verrichtet wird

dE(pot) = -F dr = - 1/4Pi*Permittivität Q(1)Q(2)/r^2 dr

Über Integral unterschiedlicher r (bspw von unhandlich zu r) kann man dann bestimmtes E(pot) messen

Das heißt, das elektrische Potential ist die Arbeit um die Ladung Q1 aus unendlicher Entfernung bis zum Abstand r zu bringen pro Ladungseinheit (1C). (Voraussetzung Ladung selbst ändert sich nicht)

Und chemisches Potential analog definiert:
Die Arbeit, um einen Stoff n1 aus den Elementen [Go(Bildung, Elemente) = 0] zu erzeugen pro Stoffmengeneinheit 1mol.

Question 42

Elektrisches Potential und chemisches Potential in Worten

Answer 42

Das heißt, das elektrische Potential ist die Arbeit um die Ladung Q1 aus unendlicher Entfernung bis zum Abstand r zu bringen pro Ladungseinheit (1C). (Voraussetzung Ladung selbst ändert sich nicht)

Und chemisches Potential analog definiert:
Die Arbeit, um einen Stoff n1 aus den Elementen [Go(Bildung, Elemente) = 0] zu erzeugen pro Stoffmengeneinheit 1mol.

Question 43

Wie misst man den elektrischen Widerstand eines Elektrolyten?

Answer 43

Über die Leitfähigkeit.

1/L = R = U/I

Probleme:
- Zersetzungsspannung (bei kleinen Spannungen scheiden sich noch keine Ionen ab, d.h. U(Zers) ist noch nicht erreicht und damit ist der Widerstand sehr groß.
Wenn dann Strom fließt (bei größerer Spannung als U(Zers) geht in berechneten Widerstand der der Lösung aber auch der Elektroden.
Man braucht also eine Wechselspannung um den Widerstand der Lösung zu bestimmen.

Question 44

Ln in log umwandeln
Welcher Faktor?

Für Nernst Gleichung: RT/zF log ?

Answer 44

Ln x
= 2.303 log x

Nernst: 0.059Volt/z