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Thermodynamik – Einführung

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Die Autor*innen
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André Otto
Thermodynamik – Einführung
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Thermodynamik – Einführung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Thermodynamik – Einführung kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die Gleichung an, mit der man Gibbs freie Energie berechnen kann.

    Tipps

    Gibbs freie Energie wurde nach dem Entdecker benannt und abgekürzt.

    Lösung

    Gibbs freie Energie wird durch die Formel $\Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S$ berechnet. Dabei gibt $\Delta H$ Auskunft über die Veränderung der Bindungsstärken der beteiligten Reaktionspartner. Nehmen die Bindungsstärken zu, wird die Energie geringer und $\Delta H$ wird negativ. $T$ ist die Temperatur und $\Delta S$ gibt Auskunft über die Veränderungen des Ordnungszustandes des ungeordneten Verhaltens.

  • Entscheide, ob folgende Reaktionen endergon oder exergon sind.

    Tipps

    Ist $\Delta G$ kleiner als Null, läuft die Reaktion freiwillig ab.

    Lösung

    Es gibt Reaktionen, die freiwillig ablaufen und dabei Energie abgeben. Dann ist Gibbs freie Energie kleiner als Null und die Reaktion ist exergon. Ist sie größer als Null, benötigt die Reaktion Energiezufuhr, um abzulaufen. Solche Reaktionen sind endergon.

  • Schätze ab, ob die folgende Reaktion freiwillig abläuft.

    Tipps

    Die Temperatur spielt in Gibbs Gleichung eine Rolle.

    Nimmt die Entropie zu, wird Gibbs Energie kleiner.

    Lösung

    Um abzuschätzen, ob eine Reaktion freiwillig abläuft oder nicht, solltest du dir die Reaktion genauer anschauen. Ein guter Indikator dafür ist die Entropie. Ähnlich wie in deinem Zimmer, ergeben viele kleine Teilchen, die sich unkoordiniert bewegen, einen sehr unordentlichen Zustand. Dies entspricht dem gasförmigen Zustand. Der „ordentlichste“ Zustand ist der feste Zustand.

    Bei der gegebenen Reaktion wird aus der („ordentlichen“) festen Glucose mit gasförmigem („unordentlichem“) Sauerstoff Kohlenstoffdioxid („unordentlich“) und Wasser („mäßig unordentlich“). Auf der Produktseite ist es also insgesamt „unordentlicher“ als auf der Eduktseite. Die Entropie nimmt also von Edukt zu Produkt zu. Gibbs Energie ist abhängig von der Entropie. Und wenn diese zunimmt, nimmt Gibbs freie Energie ab.

    Ist $\Delta G < 0$, läuft diese Reaktion freiwillig ab.

  • Berechne die freie Enthalpie bei der Entstehung von Kohlenstoffmonoxid.

    Tipps

    $\Delta H$ und $\Delta S$ haben unterschiedliche Einheiten und müssen deshalb umgerechnet werden.

    Die Summe der Edukte wird von den Produkten abgezogen.

    Lösung

    Bei der Berechnung von Gibbs freier Enthalpie solltest du immer beachten, dass Elemente immer eine Enthalpie von $0~kJ/mol$ besitzen. Außerdem besitzen sie nicht die gleiche Einheit, weshalb du dir merken solltest:

    $1000~J = 1~kJ$

    Grundsätzlich gilt: Die Summe der Werte der Edukte muss vom Wert der Produkte abgezogen werden.

    Und vergiss nicht die Stoffmenge. Es entstehen $2~mol$ $CO$, daher musst du den Wert des Produktes mit 2 multiplizieren.

  • Bestimme, wie sich die Entropie verändert, wenn im Organismus Moleküle aufgebaut werden.

    Tipps

    Entropie ist das Maß der Unordnung.

    Lösung

    Die Entropie ist das Maß der Unordnung. Sie ist also umso größer, je unordentlicher es ist. Wenn nun in einem Organismus Moleküle aufgebaut werden, ist es wie beim Aufräumen in deinem Zimmer. Viele kleine Teilchen werden zusammengepackt. Die Unordnung sinkt - und damit auch die Entropie.

  • Berechne die freie Enthalpie bei der Entstehung von Chlorwasserstoff.

    Tipps

    Benutze die Formel: $\Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S$.

    Die Reaktion läuft bei 25°C ab, also beträgt die Temperatur $298~K$.

    Beachte: Es stehen 2 mol $HCl$ im Produkt.

    Die Eduktwerte müssen als Summe von den Produktwerten abgezogen werden.

    Du musst manche Werte umrechnen, um das Ergebnis zu erhalten: $1000~J$ sind $1~kJ$.

    Lösung

    Um Gibbs Energie zu berechnen, benutzt du die Formel:

    $\Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S$.

    Du solltest beachten, dass die Temperatur in Kelvin umgerechnet werden muss. 25°C entsprechen also 298K.

    Die Werte der Edukte und Produkte werden jeweils addiert. Eduktwerte werden von den Produktwerten abgezogen.

    Vorsicht! Du solltest außerdem beachten, dass du die Stoffmengen der einzelnen Reaktionspartner einrechnest. Es entstehen zum Beispiel 2 mol HCl.

    Komplett eingesetzt sieht die Gleichung so aus:

    $\Delta G = 2 mol \cdot (-92~kJ/mol) - 298~K \cdot [(2 mol \cdot 187~J/(K \cdot mol)] - [131~J/(K \cdot mol) + 223~J/(K \cdot mol)])$

    $\Delta G = -184~kJ - 298~K \cdot (0,02~kJ)$

    $\Delta G = -189,96~kJ$

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