Chemische Reaktionen Lernmaterial PDF

# CHLOR-KNALLGAS REAKTION: I ENERGETIK CHEMISCHER REAKTIONEN bei Kontakt mit UV-Licht wird Reaktion gestartet (uv-Licht besitzt genug Energie) UV-Licht H₂g + Cl₂g → 2 HCl UV-Licht spaltet Chlor-Moleküle in Radikale (Radikale werden mit abgebildet) > Aktivierungsenergie Ea =...

# CHLOR-KNALLGAS REAKTION: I ENERGETIK CHEMISCHER REAKTIONEN bei Kontakt mit UV-Licht wird Reaktion gestartet (uv-Licht besitzt genug Energie) UV-Licht H₂g + Cl₂g → 2 HCl UV-Licht spaltet Chlor-Moleküle in Radikale (Radikale werden mit abgebildet) > Aktivierungsenergie Ea = 340 kJ/mol (sobald ein Radikal gebildet ist -> Ketten reaktion) Lewis - Schreibweise Auskunft über bindende und nicht bindende EP Cl. + Cl. → 2 Cl. Berechnung Energie des Lichts: E = hr = hν/λ (für ein Photon) E=hN_Aν (für ein Mol Photonen) ν... Frequenz des Lichts h... Planksche Wirkungskonstante N_A... Avogadro Konstante Energie von Photonen bestimmen: 1 mol Photonen = 1 Einstein E(Photon)= hν E(1 mol Photonen) = N_Ahν = 6,022 * 10²³ Teilchen/mol * 6,626 * 10^-34 Js * 3 * 10⁸ = 3 * 10⁸ m/s = 6,022 * 10²³ * 6,626 * 10^-34 * 3 * 10⁸ = 0,380 * 10⁶ = 380 000 m = 380 km ## 1. LICHT ALS ENERGIE FORM: ### 1.1. EIGENSCHAFTEN VON LICHT: Licht = elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht ist charakterisiert durch Wellenlängen (λ) λ = 380-780nm | Wellenlänge | Farbe | Komplementarfarbe | Energie KJ | |---|---|---|---| | 500-550 nm | grün | violett | 518nm = 230 | | 400-435 nm | gelb | rot | 315 nm = 314 | ▷ farbiges Licht: definierte Wellenlänge (Monochromatisch) ▷ weißes Licht alle Wellenlängen (Polychromatisch) ### 1.2. WECHSELWIRKUNG VON LICHT UND MATERIE Absorption von Strahlung (bzw. Licht, Photonen) → durch Anregung von e im Molekül o. Festkörpern Emission von Strahlung → Übergänge von angeregten e in Molekülen o. Festhörpern ▷ Alkali metalle: → ein Valenzelektron das abgegeben werden kann | Lithium | LiCl | |---|---| | Natrium | NaBr, NaCl | | Kalium | KCI, KBr | | Rubidium | RbCl | | Caesium | C₆H₆1, | Frankium | | | | > Li → rot, > Na → gelb, > K → violett, fast weiß in einem Atom Elektron wird von innerer Schale auf äußere angehoben durch Absorption eines Photons ► Edelgase: | Helium | | |---|---| | Neon | (rotes Licht) | | Argon | (violettes Licht) | | Krypton | (violettes Licht) | | Xenon | (weißes licht) | | Radon | | He im Grundzustand bestimmte Elektronen konstelation He = 1s² ↑↓ 1s kann 1 a Spin sein | He | Ortho Helium | Triplett Helium | |---|---|---| | | ↑ ↑ | | > Para Helium | Singulett Helium | Elektronenspin: Drehimpuls des Elektrons um eigene Achse Orbitale: He → He* (angeregtes Helium) 2s 2p 3s 3p 3d neue Elektron kann spin-up o. spin-down haben bei Sprung auf 3p Orbital 587 nm ein Orbital kann nur von 2 antiparallelen Elektronen besetzt werden > Pauli-Prinzip Orthohelium: Elektronen haben einen parallelen Spin S = 1 Parahelium: Elektronen haben einen antiparallelen Spin S = 0 s = ∑ msi | = 1/2 + 1/2 = 1 Gesamt-Spinquantenzahl (immer positiv) Multiplizitāt-Triplett = 2.S +1 Beispiel: Singulett O₂ durch Cl₂ + 2NaOH → NaOCl + NaCl + H₂O (Natriumhypochlorid) H₂O₂ + NaCl → O₂ + NaCl + H₂O ↳ O₂ + hr (λ = 633,4 nm + 703,2 nm) ## 2. WARME ALS ENERGIEFORM: ### 2.1. ERSCHEINUNGSFORMEN VON ENERGIE: - Kinetische Energie E_kin = m * v² - potentielle Energie E_pot= m * g * h - elektrische Energie E_elek = ε₀. E²V - Licht Energie E = hr > Wärmeenergie (thermische Energie): > Einheiten: > früher | heute > ---|--- > A cal | 1 cal = 4,184 J ### 2.2. ENERGIE + WARME: Neutralisationsreaktion: Saure + Base → Salz + Wasser Säure -> Elektronendonator HCl _(aq) + NaOH _(aq) → NaCl + H₂O + Wärme (ag... in Wasser gelöst) HCl + NH₃ → NH₄Cl + Wärme > Edukte > Produkte > Energie steckt sowohl in den Bindungen der Edukte als auch der Produkte > wenn beides unterschiedlich ist tritt thermische Energie als Nebenprodukt auf Wärmeenergie ist Teilchen bewegung Wärmemenge = m _H2O * cp * ΔT →wird mit einem Kalorimeter gemessen (Temperaturänderung) cp...spezifische Wärme kapazität Beispiel: 400g * 4,184 J/(kg* K) *10 K ≈16 000 J ≈16 kJ | Verbindung | cp (k) |---|---| | H₂O | 4,184 | | C₂H₅OH | 2,42 | → höher da Wasserst. offbrückenbindung lösen zu können. Fe₂O₃+ 2 Al → Al₂O₃ + 2 Fe Reaktionsenthalpie: △H = Σ△H_f° (Produkte) - Σ△H_f° (Eduhte) △H (Fe₂O₃) = -824 kJ/mol △H (Al₂O₃) = -1676 kJ/mol △Hf(Produkte) = △Hf (Al₂O₃)+2△Hf (Fe) = - 1676 kJ/mol + 2 * 0 = -1676 kJ/mol △Hf (Edukte) = △Hf (Fe₂O₃) + 2. △Hf (Al) = -824 kJ/mol + 2 * 0 = -824 kJ/mol △H = (- 1676 KJ/mol)-(-824 kJ/mol) = -1676 + 824 = -852 KJ/mol > es werden 852 KJ Wärme freigesetzt - "offenes Kalorimeter △H Reaktionsenthalpie" (p (Druck) Konstant) - "Bombenkalorimeter s_u Reaktionsenergie" (V (volumen) konstant) △H = △U + p△V Volumenarbeit | P | Druck Pa (Pascal) | |---|---| | △V | Volumenänderung | ## 2.3. REAKTIONSENERGIE US. REAKTIONSENTHALPIE betrachtete Reaktion in einem geschlossenem Gefäß, bei der ein Gas entsteht → Beobachtung Druck steigt Realition in einem offenem Gefäß, bei der ein Gos entsteht > Volumenarbeit: > AV = V₂- V₁ = A * S > p * AV = p * A * S Beispiel: 1 H₂SO₄(l) + CaCO₃ (s) → CaSO₄(s) + H₂O(l) + CO₂(g) > Volumenarbeit für Entstehung 1 mol CO₂(g) > = PAV = 101.325 Pa * 24,5 * 10^-3 m³/mol > = 2500 J/mol > = 2,5 kJ/mol > △U = 96,1 kJ/mol > △H = 96, 1 kJ/mol + 2,5 kJ/mol = 93,6 kJ/mol > ↳ ein Teil der Energie wird benötigt für Volumenarbeit, da ein Gas gebildet wird > Standarddruck: > P: 101.325 Pa > △V≈ 24,5 * 10^-3 m³/mol ## 2.4. EXOTHERME U. ENDOTHERME REAKTIONEN: Wärme + Ba(OH)₂ * 8 H₂O + 2NH₄SCN → Ba(SCN)₂ + 2NH₃ + 10 H₂O > Bariumhydroxid-Kristallwasser + Amonium thiocyanid > Salz + Amoniak + Wasser > 3 Teilchen > 13 Teilchen > (Erdalkalimetall) > starke Base > Neutralisation, Kristallwasser) - endotherme Reaktionen nehmen Wärme aus Umgebung auf (△H=+) - exotherme Reaktionen geben Wärme an die Umgebung ab (△H=-) > Entropie (Maß für Unordnung) > → bei Reaktion Anzahl der Teilchen bei Eduhten u. Produkten > > aus wenig Teilchen entstehen mehr Teilchen Zunahme Entropie, förderlich für Reaktion ## 2.5. STANDARDREAKTIONSENTHALPIE: Reaktionswärme f(PT) ¹ ↳ Bezugspunkt muss definiert werden p=101.325 Pa △f° (288,15K, Aggregatzustand der Reaktionspoutner), reine Verbindungen ▷ Beispiele: H₂(g) + O₂(g) → H₂O(g) △HR (Reaktionsenthalpie) = -241,8 kJ/mol H₂ (g) + O₂(g) → H₂O(l) △HR = -285,8 kJ/mol ▷ Versuche: - unterkühlte Lösung Natriumacetat (NaOCOCH₃) > dadurch weniger Energie nötig damit Lösung Kristalisieren kann Standardbildungsenthalpie: △Hf° = Reaktionsenthalpie für die Bildung von 1 Mol einer Verbindung aus den Elementen in ihrer stabilsten Form △Hf (Element) = 0 ▷ Beispiel: △Hf (H₂O(g)) = △H⁰_R H₂(g) + O₂(g) → H₂O(g) > H-H > O₂ > △H⁰_R = 241,8 kJ/mol = △H⁰_f > → da es unter Standardbedingungen statt findet > Berechnung von Reaktionsenthalpien aus Standardbildungs enthalpien > △H_R° = Ση. △H_f° (Produkte) - Ση. △H_f°(Edukte) > > = 1.(-1669,8)+2.0 - (1.1- 822,2)+ 2.0) > > = -1669,8 + 822,2 = - 847, 6 kJ/mol > > → Werte können sich von Tabelle zu Tabelle unterscheiden > > Satz von Hess: Gesamtreaktionsenthalpie einer über Zwischenstufen verlaufenden Reaktion setzt sich additiv aus den Reaktionsenthalpien der Einzelschritte zusammen > > |C (s)| C (Graphit) | CO₂(g) | > |---|---|---| > | O₂ | O₂ (g) | CO(g)| > | I | C(Graphit) + O₂(g) → CO(g) | △H = △H_R° = - 110,5 kJ/mol | > | O₂ | O₂ (g) | CO₂(g) | > | CO₂ | CO(g) + 1/2 O₂ (g) → CO₂(g) | △H_f° = △H_R° = - 393,5 KJ/mol| > > | I+II | C(Graphit) + O₂(g) → CO₂(g) | -393,5 = △H_R° = 110,5 + x | > | II | CO(g) + 1/2 O₂ (g) → CO₂(g) | △H_f°= △H_R° = -393,5 KJ/mol | > > | | | -393,5 + 110,5 = -283 kJ/mol | > > ▷ Beispiel: > | H₂(g) + O₂(g) → |H₂O(l) | △H_R° = △Hf (H₂O (l)) = -285,9 KJ/mol | > | H₂O(l) → | H₂(g) + O₂(g) | △H_verd = 44,1 KJ/mol | > | H₂O(g) → | H₂(g) + O₂(g)| △H_R° = -241,8 KJ/mol | > > Verdampfungsenthalpie ## 3. ELEKTRIZITĀT ALS ENERGIE FORM: ### 3.1. ELEKTROCHEMISCHE STROMQUELLE: DANIELL ELEMENT | | | | | |---|---|---|---| | | Minuspol | | Pluspol | | | Zn-Blech löst sich auf | | Cu Blech | | Zn-Blech | | | Cu²⁺ setzen sich an Blech | | | | | CuSO₄ Losung 1 mol/l | | | | | | | | | | | > KCI-Lösung (Ionentransport) > Oxidation (Abgabe von e^-) > Reduktion (Aufnahme von e^-) > ZnSO₄-Lösung 1 mol/l > △V = 1 Volt > Alle ≈ 2*18 kJ/mol > Oxmittel: CuSO₄ > Redmittel: Zn ▷ weitere Redoxreaktionen: > Reduktionsmittel + Oxidationsmittel → oxidiertes Reduktionsmittel + reduziertes Oxidationsmittel' | I | Zn + CuSO₄ → Zn²⁺ + Cu | |---|---| | II | Fe³⁺ + Cu → Fe²⁺ + Cu²⁺| → Reaktion nicht sichtbar | III | Zn + Ag⁺ → Zn²⁺ + Ag | Fe³⁺ + 3e → Fe⁰ E⁰ = 0,036 V | IV | Cu + Ag⁺ → Cu²⁺ + Ag | Fe²⁺ + 2e → Fe⁰ E⁰ = - 0,44 V | V | Zn + Pb²⁺ → Zn²⁺ + Pb | Cu²⁺ + 2e → Cu⁰ E⁰ = 0,34V | | | > ↳ braucht immer Oxmittel und Redukmittel auf einer Seite > Spannungsreihe der Metalle (-> > gibt an wie starle das Bedürfnis ist Elektronen ab zu geben) > → edler Charakter (je größer E° desto edler ist das Metall) | Normalpotenzial | E° |---|---| | Zn²⁺ / Zn | -0,763 V | | Cu²⁺ / Cu | +0,337 V | | VII | Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂ | > Redoxr. in Biochemie: > Glucose + 2Ag⁺ → Gluconsäure + 2Ag⁰ > Silberspiegel > > C₆H₁₂O₆ → C₆H₁₂O₇ > H- C=O → C=O-OH > OH OH > HO-H HO-H > OH OH > H H > OH OH > CH₂OH CH₂OH ## 4. TRIEBKRAFT CHEMISCHER REAKTIONEN: ### 4.1. ENTROPIE: - s ist ein Maß für die Unordnung eines Systems - Einheit: J/(mol * K) ▷ molare Standardentropie S_m° > AGR freie Enthalpie G > freie Reaktionsenthalpie △G_R° > △G_R° ist < 0 negativ exergonisch > △G_R° ist > 0 positiv endergonisch →ist Entropie von 1mol der reinen Substant unter Standard bedingungen (101325 Pa, Tangeben), S_m° (288,15K) S_m° (H₂O) bei vers. Tu. Aggregatzuständen: | Temperatur | Phase | S_m° (J/mol*K) | |---|---|---| | 0° 273, 15 K | Eis | 43,2 | | 0° 273, 15 K | fl. Wasser | 65,2 | | 25° 298, 15 K | fl. Wasser | 69,86 | | 100° 373, 15 K | fl. Wasser | 86,8 | | 100 373,15 K | g. Wasser | 196,8 | > S(Festkörper) < S(Flüssigkeit) < S (Gas) > → Entropie steigt →Temperatur steigt -> Entropie ist mit steigender Temperatur höher ### 4.2 ENTROPIE ANDERUNG: △S = S_ende - S_Anfang ▷ Beispiel: molare Schmelzentropie > Anfang Entzustand AS > Eis > H₂O (Ertasig) > 43,2 > 65,2 > molare △S_R = 65,2 - 43,2 = 22 J/(mol*K) > physikalischer Vorgang. > Standardreaktionsentropie △S_R° (298,15K) > △S_R° = Ση S_m° (Produkte) - ∑n. S_m° (Edukte ) > Fe₂O₃ (s) + 2 Al (s) → Al₂O₃ (s) + 2 Fe (s) > △S_R° = (51 + 2.27,2) - (90+2.28,3) = -41,2 J/(mol*K) = - 0,0412 J/(mol*K) > △H_R° = 835 J/mol > -> exotherme Reaktion Entropie nimmt ab (△S<0) | Eis | Wasser | Gas | |---|---|---| | 0000 | 0000 | 0000 | | gerige Unordnung | höhere Unordnung | | Stickstoffdioxid NO₂ | NzO₄ | 2 NO₂ | |---|---| > Distichstofftetroxid > Radikal > 10 = 1 > 2=일 > 0 > Entropieänderung △S° > hohe Temperatur dunkel braun Gleichgewicht liegt links > Raumtemperatur braun > tiefe Temperaturen. farblos Gleichgewicht liegt rechts N₂^(g)O₄ ⇌ 2 NO₂^(g) | | | | |---|---|---| | | | | | | | | | | | | | | | | > T _(K) | △H⁰_R | △S⁰_R | > |---|---|---| > 304,3 | 9,67 | 175,7 | > △G = △H- T△S > Gibb'sche freie Entalpie (Gibb'sche/Helmhatz-Gleichung) > > △G(373K) = 57,93-373*0,175= -7,345 > negativ exergonisch > > △G(90K) = 57,93-90*0,175 = 42,18 > positiv endergonisch > Vereint zu > S_m⁰ > | N₂O₄^(g) | 2NO₂^(g) | > |---|---| > | 304,3 | 240,5 | > △S⁰_R = 2*240,5-304,3=175,7 > △G = △H- T△S > Gibb'sche freie Entalpie (Gibb'sche/Helmhatz-Gleichung) > > Entropie steigt > △S > 0 > △H mol/l > | 9,67 | 33,8 > △H_R° = 2*33,8-9,67 = 57,83 > △G(373K) = 57,93-373*0,175= -7,345 > negativ exergonisch > > endotherm > △G(90K) = 57,93-90*0,175 = 42,18 > positiv endergonisch > Ση. △G_f° (Eduhte) > I △G_R° = Ση. △G_f° (Produkte) > ↳ molare freie Standard bildung senthalpie > △G_f° (Elemente) = 0 > △G_f° (Verbindungen) = 0 > | | BaSO₄ | 2 KCl| > |---|---|---| > | △G_f° | -1362 | -408 | > | △H_R° | -811 | -1316 | > △G_R° = (-1362+2*(-408)) - (-811+ (-1316))=-51 exotherm > Fällungsname eines Salzes > BaCl₂ + K₂SO₄ > II Berechnung △G_R° aus Standardreaktionsenthalpien (△H_R°) und Standardreaktionsentropien (△S_R°) △G_R° = △H_R° - T△S_R° Bsp.: Fe₂O₃ + 2 AI → 2 Fe + Al₂O₃ I △G_R° = -1576,4-1. (-741) = -835,4 J/mol exergonisch II △H_R° = Ση. △Hf° (Produkte) - Ση. △Hf° (Eduhte) = - 1669,8-(-822,2) = -847,6 △S_R° = Ση. S_m° (Produkte) - Ση. S_m° (Edukte) = (2.27,2 (Fe)+51 (Al₂O₃) - (90 (Fe₂O₃) +2.28,3 (Al)) = - 41,2 J/(mol*K) =-0,0412 J/(mol*K) △G_R°=-847,6-288,75 * (-0,0412) = - 835,4 > H₂ + O₂ → H₂O > △G^°_f 0 0 237, 19 > > △G △H △S > > 0 > > 0 > > 0 > > T > < 0 > > 0 > > 0 > > △H > > 0 > < 0 > △G > T > > 0 > < 0 > > S_m⁰ > | Al₂O₃ | Al | Fe₂O₃ | Fe | > |---|---|---|---| > | -1669,8 | -1576,4 | 51 | 0 | > | -822,2 | -741,0 | 27,2 | 90 | > > exergonisch, > → sollte freiwillig (spontan) ablaufen > > Erfahrung (Experiment) zeigt: kinetisch gehemmte Reaktion Anstoß benötigt (Wärmezufuhr, Katalysator) > thermodynamische Angaben Information über Reaktion > -> bedeutet nicht zwingend, dass Reaktion auch wirklich abläuft