Energetik: Übungen AFB III – Chemie Grundkurs

Dein Fortschritt:

0 / 0 Aufgaben

Aufgabenblock — AFB III

Beurteilen, begründen, Stellung nehmen: Formulieren Sie Ihre Antwort zuerst selbst, bevor Sie die Musterlösung aufklappen.

Heiß, aber ΔU = 0?

AFB III

Beurteilen Sie die Aussage: „In einer ideal isolierten, verschlossenen Thermoskanne läuft eine exotherme Reaktion ab. Weil Wärme frei wird, nimmt die innere Energie des Inhalts ab.“

Hinweis: Welche Energieformen kann ein isoliertes System mit der Umgebung austauschen?

Strategie: Den ersten Hauptsatz auf das isolierte System anwenden und dann fragen, wohin die „frei werdende“ Energie geht.Warum so? Die Aussage verwechselt Energieumwandlung innerhalb des Systems mit Energieaustausch über die Systemgrenze.

Lösungsskizze: isoliert → \(Q=0\), \(W=0\) → \(\Delta U=0\); chemische Energie → thermische Energie → Temperatur steigt.

Musterlösung anzeigen (zählt als erledigt)

Musterlösung: Die Aussage ist falsch. Ein isoliertes System tauscht weder Wärme noch Arbeit mit der Umgebung aus, also gilt \(Q=0\), \(W=0\) und nach dem ersten Hauptsatz \(\Delta U=Q+W=0\).

Die innere Energie bleibt konstant; sie wird nur umverteilt: Energie aus Bindungen (chemische Energie) wird in Bewegungsenergie der Teilchen umgewandelt, deshalb steigt die Temperatur. „Exotherm“ beschreibt, dass bei konstanter Temperatur Wärme an die Umgebung abgegeben würde — das geht erst, wenn die Kanne geöffnet wird bzw. die Wärme nach außen gelangen kann.

Wann unterscheiden sich ΔU und ΔH?

AFB III

Begründen Sie, warum bei der Verbrennung von Kohlenstoff \(\ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)}\) die Werte von \(\Delta U\) und \(\Delta_r H\) praktisch gleich sind, bei \(\ce{2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(l)}\) dagegen nicht.

Hinweis: Zählen Sie die Gasteilchen vor und nach der Reaktion.

Strategie: \(\Delta H=\Delta U+p\cdot\Delta V\) — der Unterschied ist die Volumenarbeit. Volumenänderungen entstehen fast nur durch Gase.Warum so? Feststoffe und Flüssigkeiten haben ein im Vergleich winziges Volumen.

Lösungsskizze: C: 1 mol Gas → 1 mol Gas, \(\Delta V\approx0\). Knallgas: 3 mol Gas → 0 mol Gas, \(\Delta V\approx-73\,\mathrm{L}\).

Musterlösung anzeigen (zählt als erledigt)

Musterlösung: Es gilt \(\Delta_r H=\Delta U+p\cdot\Delta V\). Bei der Kohlenstoffverbrennung entsteht aus \(1\,\mathrm{mol}\) Gas wieder \(1\,\mathrm{mol}\) Gas; das Volumen des festen Kohlenstoffs ist vernachlässigbar. Also ist \(\Delta V\approx0\) und \(\Delta U\approx\Delta_r H\).

Bei der Knallgasreaktion verschwinden \(3\,\mathrm{mol}\) Gas, das Volumen sinkt um etwa \(73\,\mathrm{L}\) (bei \(25\,{}^\circ\mathrm{C}\)). Die Umgebung verrichtet dabei rund \(7{,}4\,\mathrm{kJ}\) Arbeit am System, daher unterscheiden sich \(\Delta U\approx-564\,\mathrm{kJ}\) und \(\Delta_r H=-571{,}6\,\mathrm{kJ}\) deutlich.

Exotherm = läuft von selbst?

AFB III

Nehmen Sie Stellung zu der Behauptung: „Exotherme Reaktionen laufen immer sofort von selbst ab, endotherme nie.“

Hinweis: Denken Sie an ein Streichholz und an einen Kältepack.

Strategie: Die Behauptung in zwei Teile zerlegen und je ein Gegenbeispiel suchen.Warum so? Eine Allaussage ist schon durch ein einziges Gegenbeispiel widerlegt.

Lösungsskizze: Teil 1: Holz, Erdgas, Knallgas — exotherm, aber Zündung nötig (\(E_A\)). Teil 2: Ammoniumnitrat löst sich freiwillig, obwohl endotherm.

Musterlösung anzeigen (zählt als erledigt)

Musterlösung: Beide Teile sind falsch. Holz, Erdgas oder ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch reagieren stark exotherm, bleiben aber an der Luft lange unverändert. Erst ein Funke oder eine Flamme liefert die Aktivierungsenergie; danach hält die frei werdende Wärme die Reaktion in Gang.

Umgekehrt löst sich Ammoniumnitrat im Kältepack von selbst in Wasser, obwohl der Vorgang endotherm ist (\(\Delta_L H=+25{,}7\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)). Das Vorzeichen von \(\Delta_r H\) entscheidet also weder darüber, ob noch wie schnell ein Vorgang abläuft. (Welche Größe das Ablaufen tatsächlich entscheidet, ist kein Thema des Grundkurses.)