Formelsammlung Anorganische Chemie PDF

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Anorganische Grundlagen der Umweltchemie und der nachhaltigen Chemie ...

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Anorganische Grundlagen der Umwelt-chemie und der nachhaltigen Chemie Leuphana Umweltwissenschaften 2. Semester (Stand SoSe 2018)

Inhalte 1.

Formelsammlung & Begriffsdefinition....................................................................................2 Allgemeines....................................................................................................................................2 Redoxreaktionen............................................................................................................................2 Thermodynamik.............................................................................................................................3 Kinetik.............................................................................................................................................4

2.

Aufgabentypen/ Typische Aufgabenstellungen......................................................................5 Grundlagen.....................................................................................................................................5 Gleichgewichte...............................................................................................................................5 Löslichkeitsprodukt.........................................................................................................................6 Thermodynamik.............................................................................................................................6 Wissensfragen................................................................................................................................9

3.

Ergänzungen/ Weiteres Relevantes Wissen..........................................................................11 Basiseinheiten..............................................................................................................................11 Mathematische Grundlagen.........................................................................................................11 Grundbegriffe...............................................................................................................................11 Thermodynamik...........................................................................................................................15 Kinetik...........................................................................................................................................17

1. Formelsammlung & Begriffsdefinition (ausführlichere Darstellung der aufgeführten Bereiche unter 3. Ergänzungen)

Allgemeines 

Molare Masse M (g/mol), Stoffmenge n (mol), Molmasse m (g)  Berechnung: m= M*n (bzw. M=m/n; n=m/M)

Gehaltsgrößen (c=geg. Konzentration)  

Molarität/Stoffkonzentration: c (g/cm³ bzw. mol/L) =n/V bzw. Massenanteil/Massenkonzentration: cm (in g/L) =m/V bzw. cm=c*M



Stoffmenge n (mol) =c*V, Volumen V (L)=n/c M = m / n (Molare Masse = Masse / Stoffmenge) ρ = m / V (Dichte = Masse / Volumen) Vm = V / n (Molares Volumen = Volumen / Stoffmenge)

  

Avogardo-Konstante: NA= 6,022*1023 Moleküle/mol Äquivalenzkonzentration: Stoffmenge*stoichometrischer Faktor (Potenz)

Redoxreaktionen     





 

Henderson-Hasselbalch/ Puffergleichung HA A- + H+ Oxidation: Abgabe von Elektronen (Ox-Zahl erhöht) Reduktion: Aufnahme von Elektronen (Ox-Zahl verkleinert) Säure: Protonendonator, Base: Protonenakzeptor Komproportionierung: 2 Oxidationszahlen werden zu einer (treffen sich in der Mitte), bei zusammengesetzten Molekülen, in denen das gleiche Element zwei Mal vorkommt z.B. NH4NO3  wirkt als Ox. Und Red. Mittel Disproportionierung: 1 Edukt  2 Produkte (aus einer Oxidationszahl werden zwei) Puffersysteme: halten pH-Wert trotz Zugabe von Säure bzw Base konstant o Base gepuffert durch schwache Säure und konjugierter Base, Säure dissoziiert durch OH- Ionen und hält damit den pH-Wert Protolyse: Übertragung eines Protons (Auto: Protolyse unter Wassermolekülen) Indikatoren: wechseln abhängig von pH-Wert die Farbe (z.B. Basen dissoziieren zu einem Teil an Indikatorpapier-Oberfläche, OH - wird frei und färbt Papier blau)

Massenwirkungsgesetz  

K= c (Produkte)/ c(Edukte) K1 – Gleichgewicht auf Produktseite

  

pH: neg.dek. Logarithmus der Hydronium-Konzentration pH=-log[c(H+)] bzw. c(H+)=x*10-pH pH+pOH=14, dementsprechend pKS+pKB=14 (pKW-Wert)



Säurekonstante: KS= (cH+*cA- )/ c(HA)  pKS =-logK bzw. pKS= pH-log (c(A-)/c(HA)) pH = pKS +log (c(A-)/c(HA)

Löslichkeitsprodukt   

Fällungsreaktion: Löslichkeitsprodukt überschritten KL = c(Kationen)*c (Anionen) Wenn c(Edukt)=c(Kationen)=c(Anionen), ist KL=c2(Edukt)

Thermodynamik 

1cal=4,185J

Hauptsätze:   



Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden. Die Entropie (Unordnung, Gesetz der energetisch günstigsten Verteilung der Atome) des Weltalls nimmt niemals ab. Der absolute Temperaturnullpunkt ist unerreichbar. Maschine, die diese HS verletzt: Perpeto mobile (unendlicher Kreislauf von Arbeit, ohne dass Energie von außen zugeführt wird)

Leistung P(W)= Energie E (J)/Zeit t(s) o Arbeit W (J)=Kraft F (m/s) *Strecke s (m)  J=m²*kg*s-²  1cal=4,185J  Kraft F = Masse m* Beschleunigung a

Ideales Gasgesetz: p*V=n*R*T   

 

  

Druck p (Pa) Volumen V (m³) Stoffmenge n (mol)

Gaskonstante R=8,314 J/K*mol Temperatur T (K)

Isochor: Volumen konstant Isobar: Druck konstant o Volumenarbeit Wvol=p*dV Isotherm: Temperatur konstant (Annahme: Gasmoleküle besitzen kein Eigenvolumen, keine Wechselwirkungen zwischen Molekülen/ Atomen finden statt)

Enthalpien (kJ/mol) 

Enthalpie: Wärmeentwicklung unter isobaren Bedinungung o ∆H= ∆U+p*∆V(innere Energie+Druck*Volumenänderung) o





bzw. U+nRT

Standardbildungsenthalpie: Energie, die bei Bildung von 1 mol Substanz o frei wird: exotherm ∆bH0 0 (positiv) : Standardreaktionsenthalpie: Differenz der Bildungsenthalpien der Produkte und der Edukte o ∆rH0=∑HProdukte-∑HEdukte (kJ/mol)

Entropie (J/K*mol)  

∆rS0=∑HProdukte-∑HEdukte (J/K*mol) o Wenn neg, dann exotherm Freie Standardreaktionsenthalpie o o ∆rG0=∆rH0-∆rS0*T o Wenn neg. dann freiwillig

Kinetik Reaktion 1. Ordnung:

c=c0*e-k*t 

 

 ln[c(A)]= ln[c(A0)]- k * t

c0=c/ekt

Geschwindigkeitskonstante k bezeichnet proportionale Konzentrationsänderung pro Zeit (pos. Wert ohne Einheit/Zeit bzw. s -1)  K=ln(c0)/ln(c)*1/t Lebensdauer (s): τ =1/k (37% sind noch da) Halbwertszeit: t1/2=ln2/k (ln2 entspricht ½) d.h. τ *ln2 (Zeiteinheit)

Reaktion 0. Ordnung Aufenthaltsdauer 

Solarkonstante: 1364 W/m*r²



Henry-Konstante

Wasserhärte 

Gesamthärte: c(ca2+)+c(Mg2+) in mmol/L, >2,5 hart, daher: ln/T, bei 1. Ordnung linear

Wie groß ist die Ausgangskonzentration? T1    

Berechnung von k  Steigung ∆y/∆x (von ln/t) Lebensdauer und halbwertszeit aus k berechnen Bei Reaktion 0. Ordnung wäre c/t linear

Vergleich der mittleren Aufenthaltsdauer in Kompartimenten  

Da Zu- und Abflüsse nicht gleich nur mit einem davon rechnen

τ berechnen (mit Volumen oder Masse): Masse eines Kompartiments/ gesammelte Zuflüsse  τ=V/FV (in d oder a)

Ionenbilanz aufstellen







dazu gehört: 1.Summenformel 2. Molare Masse (mg/mol), 3. Äq-Zahl (Potenz, faktor x), 4.cm mg/L, 5. Mmol/L, 6. cAq in mval/L, 3*5 o 4. Spalte: da Lösung 1 L, wird hier einfach nur in mg umgerechnet o 5.Spalte: c= m (in mg/L)/M (mg/mol)  mol/L (1/2) o 6. Spalte: caq =c*x (Stoffkonzentration*Äquivalent) pH-Wert: caq(Kat)-cAq(An) o wenn >0, dann basisch, wenn ???)

pH-Wert

 

Neg. log der H+ Konzentration -log[c(H+)] bzw. *10pH pH+pOH=14

Säurekonstante    

KS=(cH3O+)2 c(HA) (kann ebenso auf Basen bezogen werden, pK B Wert) pKS+pKB=14 (pKW-Wert) (bzw. pH+pOH=14) Starke Säuren bzw. Basen dissoziieren vollständig: Gleichgewicht liegt auf Produkt-Seite (c(HA)=c(H+)) www.chemie.de/lexikon/Säurekonstante.html

pKS: qualitatives Maß für Acidität einer Säure  pKS: neg. dakadischer Logarithmus KS  pKS =-logK  pKS und pH stehen im Verhältnis zueinander, wenn pK S = pH (Rest=0), dann 50% Dissoziationsgrad/ Halbäquivalenzpunkt (gibt Aufschluss über beide Reaktionspartner)  pKS 3  schwache Säure (je kleiner pKS, umso stärker die Säure, umso weniger dissoziiert)  pKS= pH-log (c(A-)/c(HA))  pH= pKS +log (c(A-)/c(HA))

Löslichkeitsprodukt: Konzentration von Ionen, bei der Stoff gelöst ist bei best. Temperatur, entscheidenender Einfluss durch pH-Wert  KL=c(Kationen)*c(Anionen)  Max. lösliche Konzentration (mol/L)

 Fällungsreaktion: Feststoff entsteht (dient selektivem Ausfällen- Extrahieren), d.h. maximal gelöste Konzentration wurde überschritten

Thermodynamik Kann die Reaktion energetisch ablaufen? Newtonsche Axiome: Trägheitsprinzip, Aktionsprinzip (Richtung und Reichweite der Bewegung angestoßener Körper, Prinzip der Gegenwirkungen (Körper wirken immer gemeinsam, Bsp. Druck) Hauptsätze:   

Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden. Die Entropie (Unordnung, Gesetz der energetisch günstigsten Verteilung der Atome) des Weltalls nimmt niemals ab. Der absolute Temperaturnullpunkt ist unerreichbar. Maschine, die diese HS verletzt: Perpeto mobile (unendlicher Kreislauf von Arbeit, ohne dass Energie von außen zugeführt wird)

Ideales Gasgesetz: Gasmoleküle besitzen kein Eigenvolumen, keine Wechselwirkungen zwischen Molekülen/ Atomen finden statt 

Ideales Gasgesetz: p*V=n*R*T  

Druck p (Pa)* Volumen V (m³)



Stoffmenge n (mol)

 

Temperatur T (K)

Gaskonstante R=8,314 J/K*mol

Freiwerdende Energie in chem. Reaktionen. Welche Größe wird verändert? 

Leistung P(W)= Energie E/Zeit t (J/s) o Arbeit W=Kraft F (m/s) *Strecke s (m)  W(J)=m²*kg/s  1cal=4,185J  Kraft F = Masse m* Beschleunigung a



Innere Energie: Wärmeentwicklung bei V=konst. (isochor) o dU = dQ (Wärme)+dW (Arbeit)  Arbeit W: Kraft*Strecke, Kraft= Masse*Beschleunigung  Wärmeänderung= Wärmekapazität*Temperturänderung dQ= C*∆T  o

o 



o





(H=U+pVProdukte-pVEdukte )

Reaktionsenthalpie: Enthalpieänderungen chemischer Reaktionen bei Standardbedingungen  Differenz der Bildungsenthalpien der Produkte und der Edukte Wird Energie benötigt oder wird Energie frei? o ∆rH0=∑bH0 Produkte-∑bH0 Edukte (kJ/mol) Standardbildungsenthalpie: Energie, die bei Bildung von 1 mol Substanz o frei wird: exotherm ∆bH0 0 o H0 = 0 bei elementar vorliegenden Stoffen o



Volumenarbeit: Veränderung des Volumens unter isochoren Bed. dWvol=-pdV Bei p=kost. Ist dQ=dW

Enthalpie: Zustandsfunktion bei kost. Druck o ∆H= ∆U+p*∆V bzw. U+nRT o



C=dQ/dT

Standardverbrennungsenthalpie ∆rH0: Energieveränderung bei vollständiger Verbrennung von 1 mol Substanz unter O2 Überschuss (eine mögliche Reaktionsenthalpie)  in den meisten Fällen neg. Wert, da exotherme Reaktion Bsp: Die Reaktionsenthalpie von H und O ist gleichzeitig die Bildungsenthalpie von H2O

Möglich: Reaktionsenthalpie für best. Reakrionen berechnen, oder ges. ∆U  ∆rH0=∆rU0+p∆V Satz der konstanten Wärmesummen: Die Reaktionsenthalpie ist vom Reaktionsweg unabhängig, d.h. mehrstufige Enthalpieänderungen einer chem.Reaktion können aufsummiert werden Entropie (2. HS): spontane Vorgänge in Folge des Strebens nach größerer Unordnung Spontane Prozesse o

Ausdehnung eines Gases auf ein zur Verfügung stehendes Volumen (zieht sich nicht zsm)

o o

Ein heißer Körper kühlt sich auf Umgebungstemperatur ab (wird nicht von selbst wärmer) Beim Verbrennen von Diamanten entsteht CO2 (andersherum nicht)

 Spontane Prozesse laufen in Richtung auf Zustände mit höherem statistischen Gewicht Wab.; Arbeit kann in Wärme umgewandelt werde, Wärme nie (vollst.) in Arbeit umgewandelt



Irrevisible Reaktionen (dS>dQ/T): Umkehren von spontanen Prozessen braucht Energie als Tribut o Entropie einer Reaktion ∆rS0=∑HProdukte-∑HEdukte (J/K*mol) o Wenn neg, dann exotherm



Freie Standardreaktionsenthalpie o Thermodynamisches Potenzial, Verknüpfung von HS1+ HS2: Enthalpie eines Systems wird durch T und Entropie S verringert (J/kg oder J/mol) o Gibbs-Helmholz-Gleichung: ∆rG0=∆rH0-∆rS0*T o

Als exergonisch bezeichnet man die Eigenschaft chemischer Reaktionen, unter Abgabe von freier Energie zu verlaufen:

o

Exergonisch (freiwillig): wenn kJ/mol 2,5 hart,...