QI - "Energie und chemische Reaktionen" Flashcards
Was für Energieformen gibt es?
- chemische Energie
- mechanische Energie
- elektrische Energie
- Strahlungsenergie
→ Energie kann nicht erzeugt werden oder verloren gehen, sie kann lediglich umgewandelt werden.
Was ist chemische Energie?
Alle Energieformen in chemischen Stoffen:
- Bindungsenergie
- Kernenergie
- Bewegungsenergie der Atome und Elektronen
Energie bei chemischen Stoffen:
Energie wird von den Reaktionspartners abgegeben
→ exotherme Reaktion
Energie wird von den Reaktionspartnern aufgenommen
→ endotherme Reaktion
Was ist Innere Energie?
Formelzeichen: U
Einheit: Joule
Bezeichnet das Potential von Stoffen, ähnlich der chemischen Energie
kein Absoluter wert messbar, lediglich Änderung bestimmbar
Was ist unter dem Wirkungsgrad zu verstehen?
Formelzeichen: η (Eta)
Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von abgegebener gewünschter Leistung (Pab = Nutzen) zu zugeführter Leistung (Pzu = Aufwand).
η = genutzte Energie : eingesetzte Energie
Energie wird durch Temperaturänderung bestimmt.
Wie kann Energie umgewandelt werden?
Wie lässt sich die Wärmemenge berechnen?
Formelzeichen: Q (QR = Reaktionswärme)
Einheit: Joule
Q = ΔT x cp x m - Q(Kaloriemeter)
ΔT = Temperaturdifferenz
cp = Spezifischewärmekapazität des Mediums
m = Masse des Mediums
→ Q = freiwerdende Wärme während einer chemischen Reaktion
Was ist die Reaktionselthalpie?
Formelzeichen: ΔHR
Einheit: Joule/mol
Jeder Stoff besitzt eine bestimmte Energiemenge (Abhängig von Druck und Temperatur).
Diese Energiemenge ist die Enthalpie (bzw. die Änderung dieser Inneren Energie).
Absolute Enthalpien sind nicht messbar, daher ist für Elemente festgelegt: Enthalpie = 0.
Bsp.: Fe + S → FeS
- 0 0 ΔH**B * = -100 kJ/mol (ΔH**B = Bindungswärme)
- Jeder Stoff strebt den Energie ärmsten zustand an, nach Möglichkeit wird also Energie abgegeben (exotherme Reaktionen).*
Die Änderung der Enthalpie ist durch die Temperaturänderung festzustellen (Wärmemenge)
QR (Wärmemenge) = -ΔH
Wie lässt sich die Volumenarbeit berechnen?
WV = p x ΔV
- p = Druck bzw. Dichte*
- W = Arbeit*
- V = Volumen*
Wie ist die Enthalpie zu berechnen?
ΔH = ΔU + WV
bzw.
ΔH = ΔU + p x ΔV
Berechnen der Reaktionsenthalpie
ΔHR = ∑ ΔHB (Produkte) - ∑ ΔHB (Edukte)
Es gilt:
ΔHR < 0 → Reaktion verläuft exotherm
ΔHR > 0 → Reaktion verläuft endotherm
Je mehr Energie (Wärmeenergie) bei Reaktionen freigesetzt wird, desto stabiler ist die Verbindung.
Berechnen der molaren Reaktionsenthalpie
ΔRHm = ΔRH / n (Stoffmenge in mol)
Was ist die molare Standardbildungsenergie?
Formelzeichen: ΔfHm0
Einheit: Joule / mol
Üblicherweise bezieht man die Bildungsenthalpie auf den Zustand der Elemente sowie der Verbindung bei thermodynamischen Standardbedingungen 298 K und 1,013 bar. Man spricht dann von Standardbildungsenthalpie. Deren Symbol ist ΔfHm.
Zur Basis hat man dem bei 298 K stabilsten Zustand der Elemente die Standardbildungsenthalpie = 0 zugewiesen.
ΔfHm = ∑ ΔfHm (Produkte) - ∑ ΔfHm (Edukte)
Was besagt der Satz von Hess?
Der Hess’sche Wärmesatz (auch Satz von Hess) dient der Berechnung von Enthalpieänderungen bei chemischen Reaktionen.
Der Satz von Hess besagt, dass die Reaktionsenthalpie nur vom Zustand der Edukte und Produkte abhängt, nicht vom Reaktionsverlauf und der Anzahl der Schritte. Durch Anwendung des Satzes von Hess können Reaktionsenthalpien indirekt bestimmt werden, die experimentell nicht direkt gemessen werden können, beispielsweise die Bildungsenthalpie von Kohlenmonoxid (CO):
Was ist Entropie?
Formelzeichen: S
Einheit: Joule / Kelvin
Die Entropie ist als Maß für Unordnung anzusehen.
Jedes Stoffsystem strebt die größte mögliche Unordnung an.
Wenn in einer Reaktion aus einem Mol Stoff A mehrere Mol Stoff B und C werden handelt es sich um eine Entropiezunahme (Teilchenanzahl).
Die Entropie ist in festen Stoffen am geringsten und nimmt über flüssig bis zu gasförmig immer weiter zu (Aggregatzustand).
Wie lässt sich die Entropie berechnen?
ΔS = Q : T
bzw.
ΔRSm = S (Produkte) - S (Edukte)
Die Entropie (S) der einzelnen Stoffe kann Tabellen entnommen werden (vgl. Tafelwerk)
Was ist die Freie Reaktionsenthalpie?
auch Gibbs-Energie bzw. Gibbs-Enthalpie
Formelzeichen: G
Einheit: Joule/Mol
Die Gibbs-Energie G ist ein thermodynamisches Potential mit den natürlichen unabhängigen Variablen Temperatur T, Druck p und Stoffmenge n.
Bertechnen der Freien Reaktionsenthalpie
Gibbs-Helmholtz-Gleichung:
ΔRGm0 = ΔRHm0 - T x ΔRSm0
Erklärung:
ΔRHm = molare Reaktionsenthalpie
ΔRSm = molare Entropie
T = Temperatur bei welcher die Reaktion abläuft (in K)
ΔRGm = molare Reaktionsenthalpie
Es gilt:
ΔG < 0: exergone Reaktion, die unter den gegebenen Bedingungen (Konzentrationen) spontan abläuft;
ΔG = 0: Gleichgewichtssituation, keine Reaktion;
ΔG > 0: endergone Reaktion, deren Ablauf in der angegebenen Richtung Energiezufuhr erfordern würde.
Wie lautet die Gibbs-Helmhutz-Gleichung?
ΔRGm0 = ΔRHm0 - T x ΔRSm0
Wann läuft eine Reaktion spontan ab?
wenn,
- ΔG < 0 (freie Enthalpie negativ)
- ΔS > 0 (Entropiezunahme)
- ΔH < 0 (Enthalpieabnahme)
Für was steht:
ΔRHm
molare Reaktionsenthalpie
Für was steht
ΔRSm
molare Reaktionsentropie
Wofür steht
ΔRGm
Freie Reaktionsenthalpie
Wie verläuft die Reaktion?
exotherm, bei allen Temperaturen exergonische Reaktion
Wie verläuft die Reaktion?
exotherm, abhängig von der Temperatur endergonische oder exeronische Reaktion
Wie verläuft die Reaktion?
endotherm, abhängig von der Temperatur endergonische oder exeronische Reaktion
WIe verläuft die Reaktion?
endotherm, bei allen Temperaturen endergonische Reaktion
Was ist die Gitterenthalpie?
Gitterenergie, die Energie, die beim Zusammentritt der isolierten Kristallbausteine zu einem Kristallgitter frei wird.
Da die Gittetenergie nach der gegebenen Definition einem exothermen Vorgang zugeordnet ist, werden ihre Werte nach der üblichen Vorzeichenkonvention in der Thermodynamik mit einem negativen Vorzeichen versehen.
Wie setzten sich die Elthalpien im Born-Haber-Kreislauf zusammen?
ΔHGitt + ΔHSubl + ΔHIon + ΔHDiss + ΔHElek + (-ΔHBild ) = 0
Zur Berechnung der Gitterenthalpie stellen wir die Gleichung um:
ΔHGitt = - ΔHSubl - ΔHIon - ΔHDiss - ΔHElek - (- ΔHBild )
Was sind Redoxreaktionen?
Chemische Reaktionen, bei denen der eine Partner e- abgibt und der andere sie aufnimmt.
- Elektronenaufnahme:* Reduktion
- Elektronenabgabe*: Oxidation
- Stoff der e**-* abgibt: Elektronendonator (Reduktionsmittel)
- Stoff der e**-* aufnimmt: Elektronenakzeptor
Ox: A → A+ + e-
Red: B + e- → B-
——————————
Redox: A + B → A+ + B-
Finden Oxidation und Reduktion räumlich voneinander getrennt statt, so wird das System als Galvanisches Element bezeichnet. Der Elektronenfluss kann zur Energiegewinnung genutzt werden (Bsp. Akkumulator, Batterie)
Von außen erzwungene Redoxreaktionen werden als Elektrolyse bezeichnet.
Was sind Oxidationszahlen?
geben an, wie viele Elektronen ein neutrales Atom innerhalb einer Verbindung formal aufgenommen hat (negative Oxidationszahl), bzw. abgegeben hat (positive Oxidationszahl).
Welche Regeln zur Bestimmung der Oxidationszahlen gibt es?
- Elemente erhalten Ox.zahl 0
- sind mehrere gleiche Atome kettenartig aneinander gebunden, so erhalten Bildungspartner Ox.zahl 0
- Bei Ionenbindungen ist Ox.zahl gleich der Ionenladung
- Summe der Ox.zahlen aller Atome einer Verbindung = Ladung der Verbindung
- kovalente Verbindungen werden formal in Ionen aufgeteilt
- manche Elemente können in unterschiedlichen Ox.stufen auftreten
Was ist zur Hilfe bei der Bestimmung von Oxidationszahlen zu bemerken?
- Alkalimetalle: Ox.zahl = +1
- Erdalkalimetalle: Ox.zahl +2
- Fluoratom (ausser mit sich selbst F-F) immer Ox.zahl -1
- Wasserstoff im allgemeinen Ox.zahl +1
- Sauerstoff im allgemeinen Ox.zahl -2
- Halogenatome (Chlor, Brom, Iod) haben im allgemeinen Ox.zahl -1 (ausser in Verbindungen mit O2 oder höheren Halogenen)
- kovalente Bindungen: Bindungselektronen werden dem elektronegativeren Bindungspartner zugeteilt
Welche Gruppen sind im PSE zu benennen?
Was sind Korrespondierende Redoxpaare?
Eine Redoxreaktion kann mithilfe elektrischen Stroms umgekehrt werden.
Bei einer Elektrolyse entsteht an der Anode und Kathode das Ergebnis der Rückreaktion.
Eine Umwandlung bzw. die Kombination von Oxidations und Reduktionsmittel wird als korrespondierendes Redoxpaar bezeichnet. (2 Paare bei jeder Reaktion)
Beispiel:
Zn + Br2 → ZnBr2
Rückreaktion:
ZnBr2 → Zn + Br2
Zn2+ + 2Br- → Zn + Br2
Umkehrbare Reaktion:
Zn + Br2 ⇌ Zn2+ + 2Br-
- Korrespondierendes Redoxpaar: Zn / Zn+
- Korrespondierendes Redoxpaar: Br2 / 2Br-
Was ist bei Redoxreaktionn mit Nebengruppenelementen zu beachten?
- Redoxzahlen bestimmen
- Teilgleichungen formulieren (Reduktion und Oxidation)
- Ladungen ausgleichen (Ausgleich durch H+ / OH- und H2O)
- Elektronen ausgleichen (evtl. kleinstes gemeinsames Vielfaches)
- Gesamtgleichung formulieren
Was ist unter einer Disproportionierung zu verstehen?
Ein Teil der gleichen Atome wird reduziert, der andere oxidiert (gleiches Element, unterschiedliche Oxidationszahlen)
Was ist unter einer Synproportionierung zu verstehen?
Reduktion und Oxidation eines Elements mit unterschiedlichen Oxidationszahlen führen zum selben Produkt
Was ist ein galvanisches Element?
eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man als galvanisches Element, und sie dienen als Gleichspannungsquellen.
Was ist ein Daniell-Element?
Ein Daniell-Element, ist ein spezifisches Beispiel für ein galvanisches Element.
Was ist eine Konzentrationszelle?
Aus der Nernst-Gleichung wird ersichtlich, dass Potentialdifferenzen zwischen zwei Halbzellen nicht nur durch chemisch unterschiedliche Halbzellen entstehen, sondern auch dann auftreten, wenn zwei chemisch gleichartige Halbzellen sich nur in ihren Konzentrationen unterscheiden. Diesen Typ von galvanischen Elementen nennt man Konzentrationszellen (-ketten).
Verbindet man die beiden Halbzellen leitend, so fließt ein Strom, der eine Angleichung der Konzentrationen zur Folge hat.
Beschreibe die Zink-Kohle-Batterie
Leclanché-Element
- 1876
- löste aufgrund hoher Leistungsfähigkeit Daniell-Element ab
Zn(s) → Zn(aq)2+ + 2e- Oxidation
2MnO(Braunstein) + 2H2O + 2e- → 2MnO(OH)(s) + 2OH(aq)-Reduktion
- Zinkbecher als Elektronendonator (-Pol)
- Graphitstab umgeben von Braunstein als Elektronenakzeptor (+Pol)
- Zwischen Stab und Becher NH4Cl / ZnCl2 als Elektrolyt
Beschreibe die Alkali-Mangan-Zelle (Batterie)
Anode: Zn → Zn2+ + 2e-Oxidation
Kathode: MnO2 + 2H2O + 2e- → 2MnO(OH) + 2OH-Reduktion
- Kalilauge als Elektrolyt
- kann bei sehr niedrigen Temperaturen eingesetzt werden
- keine Niederschlagsbildung
- Keine Gefahr des Auslaufens
Sekundärreaktion
Zn2+ + 2OH-→ Zn(OH)2
Beschreibe einen Bleiakkumulator (Autobatterie)
- hohe Energiedichte → viel Strom in kurzer Zeit
- hohes Gewicht
- umweltschädlich
- wieder aufladbar, entlädt sich jedoch selbst
Beschreibe einen Nickel-Cadmium-Akkumulator
- giftig
- hohe Kosten
- Nickelhydroxid an der Anode
- Cadmium an der Kathode
- Kalilauge als Elektrolyt
Beschreibe eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle
- kontrollierte Knallgasreaktion
- räumliche Trennung von Sauerstoff (red.) und Wasserstoff (ox.)
- kontinuierliche Energieerzeugung
- technischer Aufwand groß und kostspielig
Anode: 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e- Oxidation
Kathode: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-Reduktion
Was geschieht bei der Säurekorrosion?
- Durch CO2 und O2-Mangel wird der pH-Wert gesenkt
- Reduktion von H3O+ zu H2
- Vorgang durch edlere Metalle im Eisen beschleunigt
→ Lokalelement (Anode liegt direkt an Kathode)
→ Abscheidung von H2 nicht gehemmt
→ hohe Reaktionsgeschwindigkeit
Fe → Fe2+ + 2e- Oxidation
2H3O+ + 2e- → H2 + 2H2O Reduktion
- Kupfer ist an Reaktion kaum beteiligt (wirkt als Katalysator), da edler als Eisen
Thermodynamische Systeme:
geschlossenes System: Kein Stoffaustausch möglich, Energieaustausch findet statt
abgeschlossenes (isoliertes) System : Weder Stoff- noch Energieaustausch
offenes System: sowohl Stoff- als auch Energieaustausch
