Читать книгу Physikalische Chemie - Peter W. Atkins - Страница 182

Wenn nicht anders angegeben, sollen alle Gase als ideal angenommen werden. Die thermochemischen Daten beziehen sich auf 298.15 K, wenn nicht anders vermerkt.

1 A2.1a Welche Arbeit verrichtet eine 65 kg schwere Person beim Klettern auf eine Höhe von 4.0 m (a) von der Erdoberfläche und (b) von der Mondoberfläche (gMond = 1.60 ms–2) aus?

2 A2.1b Welche Arbeit verrichtet ein 120g schwerer Vogel mindestens, wenn er von der Erdoberfläche aus 50 m hoch fliegt?

3 A2.2a In einem Behälter mit der Grundfläche A = 100cm2, dessen obere Begrenzung ein lose aufgesetzter Kolben bildet, läuft eine chemische Reaktion ab, in deren Verlaufder Kolben um 10cm gegen den äußeren Druck p =1.0atm angehoben wird. Welche Arbeit wird dabei vom System verrichtet?

4 A2.2b In einem Behälter mit der Grundfläche A = 50.0 cm2, dessen obere Begrenzung ein lose aufgesetzter Kolben bildet, läuft eine chemische Reaktion ab, in deren Verlaufder Kolben um 15 cm gegen den äußeren Druck p = 121 kPa angehoben wird. Welche Arbeit wird dabei vom System verrichtet?

5 A2.3a 1.00 mol Argongas expandieren bei 0°C isotherm von 22.4 auf 44.8 L, und zwar (a) reversibel, (b) gegen einen konstanten äußeren Druck, dessen Wert gleich dem Enddruck des Gases sein soll, (c) ungehindert (gegen einen äußeren Druck von null). Berechnen Sie für alle drei Prozesse q, w, ΔH und ΔU.

6 A2.3b 2.00 mol Heliumgas expandieren bei 22 °C isotherm von 22.8 auf31.7 L, und zwar (a) reversibel, (b) gegen einen konstanten äußeren Druck, dessen Wert gleich dem Enddruck des Gases sein soll, (c) ungehindert (gegen einen äußeren Druck von null). Berechnen Sie für alle drei Prozesse q, w, ΔH und ΔU.

7 A2.4a 1.00 mol eines einatomigen idealen Gases mit werden bei konstantem Volumen von T1 = 300K auf T2 = 400 K aufgeheizt; der Anfangsdruck p1 beträgt 1.00 atm. Berechnen Sie den Druck p2 im Endzustand, ΔU q und w.

8 A2.4b 2.00 mol eines molekularen idealen Gases mit werden bei konstantem Volumen von T1 = 277 K auf T2 =356 K aufgeheizt; der Anfangsdruck p1 beträgt 111 kPa. Berechnen Sie den Druck p2 im Endzustand ΔU q und w.

9 A2.5a 4.50g Methan nehmen bei 310 K ein Volumen von 12.7 L ein. (a) Berechnen Sie die verrichtete Arbeit, wenn sich das Gas isotherm gegen einen konstanten äußeren Druck von 200 Torr um 3.3 L ausdehnt. (b) Berechnen Sie die Arbeit unter der Annahme eines reversiblen Prozessverlaufs.

10 A2.5b 6.56 g Argon nehmen bei 305 K ein Volumen von 18.5 L ein. (a) Berechnen Sie die verrichtete Arbeit, wenn sich das Gas isotherm gegen einen konstanten äußeren Druck von 7.7 kPa um 2.5 L ausdehnt. (b) Berechnen Sie die Arbeit unter der Annahme eines reversiblen Prozessverlaufs.

11 A2.6a 1.00 mol H2O(g) werden bei 100°C isotherm und reversibel zu flüssigem Wasser kondensiert. Die Standardverdampfungsenthalpie von Wasser bei 100 °C beträgt + 40.656 kJ mol–1. Zu berechnen sind w, q, ΔU und ΔH für den angegebenen Prozess.

12 A2.6b 2.00mol CH3OH(g) werden bei 64°C isotherm und reversibel zu flüssigem Methanol kondensiert. Die Standardverdampfungsenthalpie von Methanol bei 64 °C beträgt + 35.3 kJ mol–1. Zu berechnen sind w, q, ΔU und ΔH für den angegebenen Prozess.

13 A2.7a Ein Magnesiumspan der Masse m = 15 g wird in ein Becherglas mit verdünnter Salzsäure gegeben. Berechnen Sie die Arbeit, die durch das System während der Reaktion verrichtet wird; der Atmosphärendruck betrage 1.0 atm und die Temperatur 25 °C.

14 A2.7b Ein Stückchen Zink der Masse m = 5.0 g wird in ein Becherglas mit verdünnter Salzsäure gegeben. Berechnen Sie die Arbeit, die durch das System während der Reaktion verrichtet wird; der Atmosphärendruck betrage 1.1 atm und die Temperatur 23 °C.

15 A2.8a Für die Temperaturabhängigkeit von Cp eines idealen Gases wurde folgender empirischer Ausdruck gefunden: Cp/(JK–1) = 20.17 + 0.3665(T/K). Wie groß sind q, w, ΔU und ΔH beim Erhitzen von 1.00mol des Gases von 25 °C auf 200°C bei (a) konstantem Druck, (b) konstantem Volumen?

16 A2.8b Für die Temperaturabhängigkeit von Cp eines idealen Gases wurde folgender empirischer Ausdruck gefunden: Cp/(JK–1) = 20.17 + 0.4001(T/K). Wie groß sind q, w, ΔU und ΔH beim Erhitzen von 1.00mol des Gases von 0°C auf 100 °C bei (a) konstantem Druck, (b) konstantem Volumen?

17 A2.9a 12.0 g Argon bei 273.15 K expandieren reversibel und adiabatisch von 1.0dm3 auf 3.0dm3. Berechnen Sie die Temperatur des Gases im Endzustand.

18 A2.9b 16.0 g Kohlendioxid bei 298.15 K expandieren reversibel und adiabatisch von 500cm3 auf 2.00dm3. Berechnen Sie die Temperatur des Gases im Endzustand.

19 A2.10a 2.45 g Kohlendioxid bei 27.0°C expandieren reversibel und adiabatisch von 500 cm3 auf 3.00 dm3. Welche Arbeit wird dabei von dem Gas verrichtet?

20 A2.10b 3.12 g Stickstoff bei 23.0°C expandieren reversibel und adiabatisch von 400 cm3 auf 2.00 dm3. Welche Arbeit wird dabei von dem Gas verrichtet?

21 A2.11a Eine Probe Kohlendioxid unter einem Druck von 57.4 kPa expandiert reversibel und adiabatisch von 1.00 dm3 auf 2.00 dm3. Berechnen Sie den Druck im Endzustand; es sei γ = 1.4.

22 A2.11b Eine Probe Wasserdampfunter einem Druck von 87.3 Torr expandiert reversibel und adiabatisch von 500 cm3 auf 3.00dm3. Berechnen Sie den Druck im Endzustand; es sei γ = 1.3.

23 A2.12a Wenn einer Probe von 3.0 mol Ar(g) eine Wärmemenge von 229 J bei konstantem Druck zugeführt wird, steigt die Temperatur des Gases um 2.55 K. Zu berechnen sind die molaren Wärmekapazitäten des Gases bei konstantem Druck und bei konstantem Volumen.

24 A2.12b Wenn einer Probe von 1.9 mol eines molekularen Gases eine Wärmemenge von 178 J bei konstantem Druck zugeführt wird, steigt die Temperatur des Gases um 1.78 K. Zu berechnen sind die molaren Wärmekapazitäten des Gases bei konstantem Druck und bei konstantem Volumen.

25 A2.13a Beim Erhitzen von 3.0 mol O2 steige seine Temperatur von 260 K auf 285 K; der Druck sei konstant 3.25 atm. Berechnen Sie q, ΔH und ΔU bei gegebener Wärmekapazität von O2 bei konstantem Druck (Cp,m = 29.4J K–1 mol–1).

26 A2.13b Beim Erhitzen von 2.0 mol CO2 steige seine Temperatur von 250 K auf 277 K; der Druck sei konstant 1.25 atm. Berechnen Sie q, ΔH und ΔU bei gegebener Wärmekapazität von CO2 bei konstantem Druck (Cp,m 37.11J K–1 mol–1).

27 A2.14a Eine Probe von 4.0 mol O2 mit einer Temperatur von 270 K befinde sich anfänglich in einem Behälter mit einem Volumen von 20dm3. Nun expandiere das Gas gegen einen konstanten Druck von 600Torr aufdas Dreifache seines Volumens. Berechnen Sie q, w, ΔU, ΔH und AT.(Der Enddruck des Gases muss nicht unbedingt 600Torr betragen.)

28 A2.14b Eine Probe von 5.0 mol CO2 mit einer Temperatur von 280 K befinde sich anfänglich in einem Behälter mit einem Volumen von 15 dm3. Nun expandiere das Gas gegen einen konstanten Druck von 78.5 kPa aufdas Vierfache seines Volumens. Berechnen Sie q, w, ΔU, ΔH und ΔT. (Der Enddruck des Gases muss nicht unbedingt 78.5 kPa betragen.)

29 A2.15a Eine Probe von 1.0 mol eines molekularen idealen Gases mit CV = 20.8JK–1 befinde sich bei einem Druck von 3.25 atm und einer Temperatur von 310 K. Das Gas expandiere reversibel und adiabatisch, bis sein Druck auf 2.50 atm abgesunken ist. Wie groß ist jetzt das Volumen des Gases? Berechnen Sie die verrichtete Arbeit.

30 A2.15b Eine Probe von 1.5 mol eines molekularen idealen Gases mit Cp,m = 20.8 J K–1 mol–1 befinde sich bei einem Druck von 230 kPa und einer Temperatur von 315 K. Das Gas expandiere reversibel und adiabatisch, bis sein Druck auf 170 kPa abgesunken ist. Wie groß ist jetzt das Volumen des Gases? Berechnen Sie die verrichtete Arbeit.

31 A2.16a Für eine Flüssigkeit wurde gemessen. Berechnen Sie q, w, ΔH und ΔU für die Verdampfung von 0.50 mol dieser Flüssigkeit bei 250 K und 750 Torr.

32 A2.16b Für eine Flüssigkeit wurde gemessen. Berechnen Sie q, w, ΔH und ΔU für die Verdampfung von 0.75 mol dieser Flüssigkeit bei 260 K und 765 Torr.

33 A2.17a Berechnen Sie die Gitterenthalpie von Srl2 aus den folgenden Daten:ProzessΔH/(kJ mol–1)Sublimation von Sr(s)+164lonisation von Sr(g) zu Sr2+ (g)+1626Sublimation von I2(s)+62Dissoziation von I2(g)+151Elektronenanlagerung an I(g)–304Bildung von SrI2(s) aus Sr(s) und I2(s)–558

34 A2.17b Berechnen Sie die Gitterenthalpie von MgBr2 aus den folgenden Daten:ProzessΔH/(kJ mol–1)Sublimation von Mg(s)+148Ionisation von Mg(g) zu Mg2+(g)+2187Verdampfung von Br2(l)+31Dissoziation von Br2(g)+193Elektronenanlagerung an Br(g)–331Bildung von MgBr2(s) aus Mg(s) und Br2(l)–524

35 A2.18a Berechnen Sie die Standardverbrennungsenthalpie von Ethylbenzol aus seiner Standardbildungsenthalpie von – 12.5 kJmol–1.

36 A2.18b Berechnen Sie die Standardverbrennungsenthalpie von Phenol aus seiner Standardbildungsenthalpie von –165.0 kJ mol–1.

37 A2.19a Die Standardverbrennungsenthalpie von Cyclopropan bei 25 °C beträgt –2091 kJ mol–1. Berechnen Sie daraus und unter Verwendung der Bildungsenthalpien von CO2(g) und H2O(l) die Bildungsenthalpie von Cyclopropan. Berechnen Sie die Enthalpie der Isomerisierung von Cyclopropan zu Propen, wenn die Standardbildungsenthalpie von Propen +20.42 kJ mol–1 beträgt.

38 A2.19b Bestimmen Sie ΔBH⦵ von Diboran, B2H6(g), bei 298 K aus folgenden Angaben:(1) B2H6(g) + 3O2(g) → B2O3(s) + 3H2O(g),ΔRH⦵ = – 2036 kJ mol–(2)(3)

39 A2.20a Bei Verbrennung von 120 mg Naphthalin, C10H8(s), stieg die Temperatur eines Bombenkalorimeters um 3.05 K. Berechnen Sie die Wärmekapazität des Kalorimeters. Welchen Temperaturanstieg misst man bei Verbrennung von 10 mg Phenol, C6H5OH(s), unter denselben Bedingungen?

40 A2.20b Bei Verbrennung von 2.25 mg Anthracen, C14H10(s), stieg die Temperatur eines Bombenkalorimeters um 1.35 K. Berechnen Sie die Wärmekapazität des Kalorimeters. Welchen Temperaturanstieg misst man bei Verbrennung von 135 mg Phenol, C6H5OH(s), unter denselben Bedingungen? Die Verbrennungsenthalpie von Anthracen beträgt –7061 kJ mol–1.

41 A2.21a Zu berechnen ist die Standardlösungsenthalpie von AgCl(s) in Wasser aus den Bildungsenthalpien des Feststoffs und der hydratisierten Ionen.

42 A2.21b Zu berechnen ist die Standardlösungsenthalpie von AgBr(s) in Wasser aus den Bildungsenthalpien des Feststoffs und der hydratisierten Ionen.

43 A2.22a Die Standardreaktionsenthalpie für den Zerfall des gelben Komplexes H3NSO2(s) in NH3(g) und SO2(g) beträgt + 40 kJ mol–1. Wie groß ist die Standardbildungsenthalpie des Komplexes H3NSO2(s)?

44 A2.22b Berechnen Sie die Enthalpie der Umwandlung von Graphit in Diamant; gegeben seien die Standardverbrennungsenthalpien von Graphit, –393.51 kJ mol–1, und von Diamant, –395.41 kJ mol–1.

45 A2.23a Berechnen Sie unter Verwendung der Reaktionen (1) und (2) (a) ΔRH⦵ und ΔRU⦵ für Reaktion (3), (b) ΔBU⦵ von H2O(g) und HCl(g) jeweils bei 298 K. Alle Gase sollen sich ideal verhalten.(1) H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g), ΔRH⦵ = – 184.62 kJ mol–1(2) 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g), ΔRH⦵ = – 184.62 kJ mol–1(3) 4 HCl(g) + O2(g) → 2Cl2(g) + 2H2O(g).

46 A2.23b Berechnen Sie unter Verwendung der Reaktionen (1) und (2) (a) ΔRH⦵ und ΔRU⦵ für Reaktion (3), (b) ΔBH⦵ von H2O(g) und Hl(g) jeweils bei 298 K. Alle Gase sollen sich ideal verhalten.(1) H2(g) + I2(s) → 2 HI(g), ΔRH⦵ = + 52.96 kJ mol–1(2) 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g), ΔRH⦵ = – 483.64 kJ mol–1(3) 4 HI(g) + O2(g) → 2 I2(s) + 2H2O(g)

47 A2.24a Berechnen Sie ΔRH⦵ für die Reaktion C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(g), für die ΔRU⦵ ist.

48 A2.24b Berechnen Sie ΔRH⦵ für die Reaktion 2 C6H5COOH(s) + 13O2(g) → 12CO2(g) + 6H2O(g), für die ΔRH⦵(298 K) = – 772.7 kJ mol–1 ist.

49 A2.25a Berechnen Sie die Standardbildungsenthalpie von (a) KClO3(s) aus der Standardbildungsenthalpie von KCl und (b) NaHCO3(s) aus den Bildungsenthalpien von CO2 und NaOH. Folgende Daten sind gegeben:2KClO3(s) → 2 KCl(s) + 3O2(g), ΔRH⦵ = – 89.4 kJ mol–1NaOH(s) + CO2(g) → NaHCO3(s), ΔRH⦵ = – 127.5 kJ mol–1

50 A2.25b Berechnen Sie die Standardbildungsenthalpie von NOCl(g) aus der Standardbildungsenthalpie von NO (siehe Tabelle 2-8).ΔRH⦵ der Reaktion 2 NOCl(g) → 2NO(g) + Cl2(g) beträgt +75.5 kJ mol–1.

51 A2.26a Sagen Sie mithilfe der Daten aus Tabelle 2-8 die Standardreaktionsenthalpie der Reaktion 2 NO2(g) → N2O4(g) bei 100 °C aus dem Wert bei 25 °C voraus.

52 A2.26b Sagen Sie mithilfe der Daten aus Tabelle 2-8 die Standardreaktionsenthalpie der Reaktion 2 H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) bei 100°C aus dem Wert bei 25 °C voraus.

53 A2.27a BerechnenSie ausden Daten in Tabelle 2-8 ΔRH⦵ und ΔRU⦵ bei (a) 298 K und (b) 378 K für die Reaktion C(Graphit) + H2O(g) → CO(g) + H2(g). Alle Wärmekapazitäten sollen im betrachteten Temperaturbereich nicht von der Temperatur abhängen.

54 A2.27b Berechnen Sie ΔRH⦵ und ΔRU⦵ bei 298 K und ΔRH⦵ bei 348 K für die Hydrierung von Ethin zu Ethen; verwenden Sie dazu die Verbrennungsenthalpien und Wärmekapazitäten aus den Tabellen 2-6 und 2-8. Nehmen Sie die Wärmekapazitäten im betrachteten Temperaturbereich als konstant an.

55 A2.28a Berechnen Sie ΔRH⦵ für die Reaktion Zn(s) + CuSO4(aq) → ZnSO4(aq) + Cu(s) mithilfe der Angaben aus Tabelle 2-8 im Tabellenanhang.

56 A2.28b Berechnen Sie ΔRH⦵ für die Reaktion NaCl(aq) + AgNO3(aq) → AgCl(s) + NaNO3 (aq) mithilfe der Angaben aus Tabelle 2-8 im Tabellenanhang.

57 A2.29a Schreiben Sie einen thermodynamischen Kreisprozess zur Bestimmung der Hydratationsenthalpie von Mg2+-Ionen auf. Gegeben sind folgende Daten: Sublimationsenthalpie von Mg(s) +167.2 kJ mol–1, erste bzw. zweite lonisierungsenergie von Mg(g) +7.646/ + 15.035 eV, Dissoziationsenthalpie von Cl2(g) +241.6 kJ mol–1, Elektronenaffinität von Cl(g) – 3.78 eV, Lösungsenthalpie von MgCl2(s) –150.5 kJ mol–1, Hydratationsenthalpie von Cl–(g)–383.7 kJ mol–1.

58 A2.29b Schreiben Sie einen thermodynamischen Kreisprozess zur Bestimmung der Hydratationsenthalpie von Ca2+-Ionen auf. Gegeben sind folgende Daten: Sublimationsenthalpie von Ca(s) +178.2 kJ mol–1, erste bzw. zweite lonisierungsenergie von Ca(g) +598.7/ + 1145 kJ mol–1, Verdampfungsenthalpie von Br(l) +30.91 kJ mol–1, Dissoziationsenthalpie von Br2(g) +192.9 kJ mol–1, Elektronenaffinität von Br(g) –331.0 kJ mol–1, Lösungsenthalpie von CaBr2(s) –103.1 kJ mol–1, Hydratationsenthalpie von Br–(g) –337.0kJ mol–1.

59 A2.30a In einer Kältemaschine wurde ein Freon adiabatisch von 32 atm und 0°C auf 1.00 atm entspannt, die Temperatur sank dabei um 22 K. Berechnen Sie den Joule–Thomson-Koeffizienten μ bei 0°C. Die Temperaturabhängigkeit von μ im gegebenen Bereich soll vernachlässigt werden.

60 A2.30b Ein Dampf wurde adiabatisch von 22 atm und 5 °C auf 1.00 atm entspannt, die Temperatur sank dabei um 10 K. Berechnen Sie den Joule–Thomson-Koeffizienten μ bei 5°C. Die Temperaturabhängigkeit von μ im gegebenen Bereich soll vernachlässigt werden.

61 A2.31a Für ein Van-der-Waals-Gas gilt . Berechnen Sie ΔUm für die isotherme Expansion gasförmigen Stickstoffs von 1.00 Lauf 24.8 L bei 298 K. Wie groß sind q und w ?

62 A2.31b Wiederholen Sie Aufgabe A2.31a für die Expansion von Argon von 1.00 L auf 22.1 L bei 298 K.

63 A2.32a Die Abhängigkeit des Volumens einer Flüssigkeit von der Temperatur werde beschrieben durch(Vʹ ist das Volumen bei 300 K). Berechnen Sie den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung, α, der Flüssigkeit bei 320K.

64 A2.32b Die Abhängigkeit des Volumens einer Flüssigkeit von der Temperatur werde beschrieben durch(Vʹ ist das Volumen bei 298 K). Berechnen Sie den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung, α, der Flüssigkeit bei 310K.

65 A2.33a Der Koeffizient der isothermen Kompressibilität von Kupfer bei 293 K beträgt 7.35 × 10–7 atm–1. Berechnen Sie, welcher Druck ausgeübt werden müsste, damit die Dichte des Materials um 0.08 % zunimmt.

66 A2.33b Der Koeffizient der isothermen Kompressibilität von Blei bei 293 K beträgt 2.21 × 10–6 atm–1. Berechnen Sie, welcher Druck ausgeübt werden müsste, damit die Dichte des Materials um 0.08 % zunimmt.

67 A2.34a Gegeben sei für Stickstoff μ = 0.25 K atm–1. Zu berechnen ist der isotherme Joule–Thomson-Koeffizient des Gases. Berechnen Sie, welche Wärmemenge zugeführt werden muss, um die Temperatur von 15.0 mol des Gases bei Entspannung durch eine Drossel konstant zu halten (isothermes Joule–Thomson-Experiment). Der Druckabfall an der Drossel betrage 75 atm.

68 A2.34b Gegeben sei für Kohlendioxid μ = 1.11 K atm–1. Zu berechnen ist der isotherme Joule–Thomson-Koeffizient des Gases. Berechnen Sie, welche Wärmemenge zugeführt werden muss, um die Temperatur von 12.0 mol des Gases bei Entspannung durch eine Drossel konstant zu halten (isothermes Joule–Thomson-Experiment). Der Druckabfall an der Drossel betrage 55 atm.