Kinetik und Gleichgewicht: Übungen AFB II – Chemie Leistungskurs

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Aufgabenblock — AFB II

Zehn Anwendungsaufgaben: Messwerte auswerten, Gleichgewichtszusammensetzungen berechnen, Zwänge auf neue Systeme übertragen. Die gestuften Tipps führen vom Ansatz zur Lösung.

Wasserstoff im Kolbenprober

AFB II

Aluminiumgrieß reagiert mit Salzsäure; ein Kolbenprober misst das Volumen des entstehenden Wasserstoffs:

t in s	0	30	60	90	120	180
V(H₂) in mL	0	24	40	50	56	60

Berechnen Sie die Durchschnittsgeschwindigkeit (in mL/s) a) im Intervall 0–30 s und b) im Intervall 60–120 s. Deuten Sie den Unterschied und schätzen Sie ab, ob die Anfangsgeschwindigkeit größer oder kleiner als der Wert aus a) ist.

a) v̄ = mL/s

b) v̄ = mL/s

Ansatz: Sekantensteigung \(\Delta V : \Delta t\).

Weiter: a) \(24 : 30\); b) \((56 - 40) : 60\).

Lösung: a) 0,80 mL/s b) ≈ 0,27 mL/s

Vollständige Lösung

a) \(24\,\text{mL} : 30\,\text{s} = 0{,}80\,\text{mL/s}\). b) \(16\,\text{mL} : 60\,\text{s} \approx 0{,}27\,\text{mL/s}\). Die Salzsäure wird verbraucht, ihre Konzentration sinkt → weniger Stöße pro Zeit → \(v\) nimmt ab. Die Kurve ist am Anfang am steilsten; die Tangente bei \(t = 0\) ist steiler als die Sekante 0–30 s, also ist \(v_0 > 0{,}80\,\text{mL/s}\).

Die Entfärbungszeit bei zwei Temperaturen

AFB II

Schwefelsaure Kaliumpermanganat-Lösung wird mit Oxalsäure-Lösung versetzt; gemessen wird die Zeit, bis die violette Farbe verschwunden ist. Bei 25 °C dauert es 240 s, bei 45 °C nur 30 s (gleiche Konzentrationen).

Ermitteln Sie a) den Faktor, um den \(v\) je 10 °C steigt, und b) die zu erwartende Zeit bei 55 °C.

a) f =

b) t = s

Ansatz: Gleicher Umsatz bis zur Entfärbung → \(v \sim 1/t\).

Weiter: \(240 : 30 = 8\) gilt für 20 °C, also zwei Zehnerschritte: \(f^2 = 8\).

Lösung: a) \(f = \sqrt{8} \approx 2{,}83\) b) \(30 : 2{,}83 \approx 10{,}6\,\text{s}\)

Vollständige Lösung

Da bis zum gleichen Umsatz gemessen wird, ist \(v\) umgekehrt proportional zur Zeit: \(v(45) : v(25) = 240 : 30 = 8\). Für 20 °C gilt \(f^2 = 8\) → a) \(f = \sqrt{8} \approx 2{,}83\) (im Rahmen der RGT-Regel 2 … 4). b) Von 45 °C auf 55 °C ein weiterer Zehnerschritt: \(t = 30\,\text{s} : 2{,}83 \approx 10{,}6\,\text{s}\).

Stickstoffdioxid im Kolben

AFB II

In einen 1,00-L-Kolben werden 0,100 mol \(\ce{N2O4}\) gegeben und auf 100 °C erwärmt. Im Gleichgewicht \(\ce{N2O4 <=> 2 NO2}\) misst man photometrisch \(c(\ce{NO2}) = 0{,}120\,\text{mol/L}\). Berechnen Sie mit einer Anfang-Änderung-Gleichgewicht-Tabelle \(c(\ce{N2O4})\) im Gleichgewicht und \(K_c\).

c(N₂O₄) = mol/L

K_c = mol/L

Ansatz: Tabelle mit Umsatzvariable \(x\); Änderungen im Verhältnis der Koeffizienten.

Weiter: \(2x = 0{,}120\) → \(x = 0{,}060\); \(c(\ce{N2O4}) = 0{,}100 - x\).

Lösung: \(c(\ce{N2O4}) = 0{,}040\,\text{mol/L}\); \(K_c = 0{,}36\,\text{mol/L}\)

Vollständige Lösung

Anfang: 0,100 | 0. Änderung: \(-x\) | \(+2x\). Gleichgewicht: \(0{,}100 - x\) | \(2x = 0{,}120\) → \(x = 0{,}060\). \(c(\ce{N2O4}) = 0{,}040\,\text{mol/L}\); \(K_c = 0{,}120^2 : 0{,}040 = 0{,}36\,\text{mol/L}\).