Klausur Juli 2005 LB - Universität Kassel
Klausur Juli 2005 LB - Universität Kassel
Klausur Juli 2005 LB - Universität Kassel
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
Fachgebiet Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien im FB 18 der <strong>Universität</strong> <strong>Kassel</strong><br />
<strong>Klausur</strong> zum Grundpraktikum Physikalische Chemie am 17.07.2006<br />
Name, Vorname (bitte leserlich) Studiengang Matr. Nr. oder Pseudonym<br />
.............................. ░ LA CHE ░ DS BIO ...........................<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 Σ<br />
(7) (4) (4) (3) (10) (6) (6) (4)<br />
<strong>Klausur</strong><br />
zum Grundpraktikum Physikalische Chemie im SS 2006, am 17.07.2006<br />
- Studiengänge Lehramt Chemie und Diplom Biologie -<br />
bestanden<br />
Hilfsmittel (Bücher, Skripte, vorbereitete Notizen, Taschenrechner usw.) sind nicht erlaubt. Schreiben<br />
Sie Ihre Antworten in den bei der Aufgabe vorgesehenen Kasten bzw. auf die Rückseite des jeweils<br />
vorhergehenden Blattes. Maximale Punktezahl 44 Punkte, erforderlich sind 22 Punkte im Studiengang<br />
LA CHE bzw. 20 Punkte in Studiengang DS BIO.<br />
Aufgabe 1 (7x1 Punkte)<br />
a) Formulieren Sie (in Worten oder in üblichen Symbolen) den Ersten Hauptsatz der Ther-<br />
modynamik für geschlossene Systeme.<br />
b) Eine Flüssigkeit mit überstehendem Gasraum ist in einem dichten, starren Gefäß mit<br />
wärmeundurchlässigen (adiabatischen) Wänden eingeschlossen. Flüssigkeit, Gasraum und<br />
Gefäß stellen das "System" dar. In der Flüssigkeit befindet sich ein elektrischer Widerstand,<br />
dessen Anschlüsse nach außen geführt sind (ohne dass dadurch die Stoff- und Wärmeun-<br />
durchlässigkeit der Systemwände beeinträchtigt sein soll).<br />
Nun legt man eine Spannung von 10 V an die elektrischen Anschlüsse und lässt eine elek-<br />
trische Ladung von insgesamt 100 C durch den Widerstand fließen. Die Wärmekapazität<br />
des Systems sei temperaturunabhängig 500 J/K. Beantworten Sie stichwortartig die folgen-<br />
den Fragen:<br />
Ist das System im thermodynamischen Sinn isoliert, geschlossen oder offen?<br />
Wie groß ist die mit der Umgebung ausgetauschte Wärme?<br />
1
Fachgebiet Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien im FB 18 der <strong>Universität</strong> <strong>Kassel</strong><br />
<strong>Klausur</strong> zum Grundpraktikum Physikalische Chemie am 17.07.2006<br />
Wie groß ist die mit der Umgebung ausgetauschte Volumenarbeit?<br />
Wie groß ist die mit der Umgebung ausgetauschte elektrische Arbeit?<br />
Wie groß ist die Änderung der Inneren Energie des Systems?<br />
Wie groß ist die Temperaturänderung des Systems?<br />
Hinweise: Für die SI-Einheiten V(olt),A(mpere),W(att),C(oulomb),J(oule) gilt:<br />
1 VA = 1 W; 1 As = 1 C; 1 Ws = 1 J.<br />
Beachten Sie, dass alle Antworten, die in einer physikalisch-chemischen Größe bestehen,<br />
die Angabe eines Vorzeichens, einer Zahl und einer Einheit erfordern.<br />
Aufgabe 2 (2x2 Punkte)<br />
Antworten ab hier bitte auf die Rückseite des jeweils vorhergehenden Blattes, also links!<br />
a) Bei allen Gasen und bei den meisten nichtgasförmigen Substanzen ist die molare Wär-<br />
mekapazität bei konstantem Druck größer als die molare Wärmekapazität bei konstantem<br />
Volumen. Erklären Sie diesen Sachverhalt.<br />
b) Bei flüssigem Wasser ist in einem kleinen Temperaturintervall um 4 °C die molare Wär-<br />
mekapazität bei konstantem Druck kleiner als die molare Wärmekapazität bei konstantem<br />
Volumen. Erklären Sie diesen Sachverhalt.<br />
Aufgabe 3 (2x2 Punkte)<br />
a) Erklären Sie, inwiefern bei der Bestimmung von Verbrennungsenthalpien mit der Kalori-<br />
meterbombe die Frage eine Rolle spielt, ob die Stoffmenge gasförmiger Reaktionsteilneh-<br />
mer sich bei der Verbrennungsreaktion ändert.<br />
2
Fachgebiet Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien im FB 18 der <strong>Universität</strong> <strong>Kassel</strong><br />
<strong>Klausur</strong> zum Grundpraktikum Physikalische Chemie am 17.07.2006<br />
b) Berechnen Sie die Differenz ΔH - ΔU der Verbrennungsenthalpie ΔH und der Verbren-<br />
nungsenergie ΔU, beide bei 300 K, für die Verbrennungsreaktion von Methan, CH 4. Zum<br />
Zwecke dieser Rechnung dürfen Sie die Gaskonstante R = 10 J/(mol K) setzen.<br />
Aufgabe 4 (3 Punkte)<br />
Betrachten Sie die Reaktion A + B → C bei konstanter Temperatur 25 °C und konstantem<br />
Druck 1 bar. Unter diesen Bedingungen seien die molaren Wärmekapazitäten (bei konstan-<br />
tem Druck) der beteiligten Spezies C pA=10 J/(mol K), C pB=20 J/(mol K), C pC=80 J/(mol K),<br />
und die Reaktionsenthalpie sei Δ RH 25 = -200 kJ/mol.<br />
Nehmen Sie an, dass die angegebenen Wärmekapazitäten im Bereich 25 °C bis 45 °C nicht<br />
von der Temperatur abhängen. Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie Δ RH 45 bei 45 °C und<br />
1 bar.<br />
Aufgabe 5 (5x2) Punkte)<br />
In dem galvanischen Element, das Sie im Praktikum untersucht haben, hat die Cadmium-<br />
amalgam-Elektrode im Vergleich zur Cadmium-Elektrode ein um ungefähr 60 mV positiveres<br />
Potential. Dieser Wert gilt im elektrochemischen Gleichgewicht, d.h. für die reversible Be-<br />
triebsweise der Zelle. Belastet man die Zelle mit einem Verbraucher, der einen elektrischen<br />
Widerstand von z.B. 100 kΩ hat, bleibt die Cadmiumamalgam-Elektrode die positivere Elek-<br />
trode, der Potentialunterschied zwischen den Elektroden nimmt allerdings auf etwa 50 mV<br />
ab.<br />
In dieser irreversiblen Betriebsweise fließen, wie man das von negativen Teilchen erwartet,<br />
ständig Elektronen e - im äußeren Stromkreis durch den Verbraucher von der negativen zur<br />
positiven Elektrode der Zelle. Im Inneren der Zelle bewegen sich jedoch die Cadmium-Ionen<br />
Cd ++ ebenfalls ständig von der negativen zur positiven Elektrode, wie man das zunächst<br />
von positiven Teilchen nicht erwarten würde.<br />
a) Welche "Kraft" treibt die Cadmium-Ionen gegen die wirkende elektrostatische Kraft zur<br />
Cadmiumamalgam-Elektrode?<br />
b) Warum nimmt der Potentialunterschied zwischen den Elektroden ab, je stärker man die<br />
Zelle belastet (d.h. je kleiner der elektrische Widerstand des Verbrauchers ist bzw. je weni-<br />
ger reversibel man arbeitet)?<br />
c) Sie haben in unserem Praktikum festgestellt, dass der Potentialunterschied im elektro-<br />
chemischen Gleichgewicht zwischen den Elektroden der Cadmium/Cadmiumamalgam-Zelle<br />
mit steigender Temperatur zunimmt.<br />
3
Fachgebiet Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien im FB 18 der <strong>Universität</strong> <strong>Kassel</strong><br />
<strong>Klausur</strong> zum Grundpraktikum Physikalische Chemie am 17.07.2006<br />
Verhält sich auf diese Weise jedes galvanische Element? Wenn ja, begründen Sie diese<br />
Regel.<br />
Oder gibt es galvanische Elemente, bei denen der Potentialunterschied im elektrochemi-<br />
schen Gleichgewicht mit steigender Temperatur abnimmt? Wenn ja, nennen Sie ein Beispiel<br />
für eine solche Zelle.<br />
d) Neben der Erhöhung der Temperatur gibt es eine weitere experimentelle Möglichkeit,<br />
den Potentialunterschied im elektrochemischen Gleichgewicht zwischen den Elektroden der<br />
Cadmium/Cadmiumamalgam-Zelle zu erhöhen. Nämlich?<br />
e) Zeichnen Sie ein Schaltbild, aus dem zweifelsfrei hervorgeht, mit welcher Polarität man<br />
eine äußere Spannungsquelle zum Wiederaufladen an die Cadmium/Cadmiumamalgam-<br />
Zelle anlegen muss, nachdem diese durch Entnahme elektrischer Arbeit vollständig entladen<br />
wurde.<br />
Aufgabe 6 (2+2+2 Punkte)<br />
Viele physikalische und chemische Eigenschaften (z.B. der Atomradius oder die Elektrone-<br />
gativität) nehmen in einer bestimmten Gruppe des Periodensystems der Elemente durch-<br />
gehend in einer Richtung zu oder ab. In mathematischer Sprechweise sind solche Eigen-<br />
schaften "monotone" Funktionen der Ordnungszahl der Elemente. Die Ionenbeweglichkeiten<br />
der einwertigen Ionen der Ersten Hauptgruppe (Wasserstoff-Ion bis Cäsium-Ion) erfüllen<br />
diese plausible Regel jedoch nicht, sondern gehen durch ein markantes Minimum.<br />
Hinweis: Das Cäsium-Ion Cs + hat bei 25 °C in verdünnter wässriger Lösung eine Ionenbe-<br />
weglichkeit von ungefähr 5*10 -4 cm 2 /(V s).<br />
a) Definieren Sie den Begriff Ionenbeweglichkeit.<br />
b) Skizzieren und begründen Sie den nichtmonotonen Verlauf der Ionenleitfähigkeiten in<br />
der Ersten Hauptgruppe des Periodensystems.<br />
c) Wie lange braucht ein Cäsium-Ion (bei den im Hinweis genannten Bedingungen) unter<br />
dem Einfluss eines elektrischen Feldes der Feldstärke 1 V/cm, um eine Strecke von 1 cm<br />
zurückzulegen?<br />
4
Fachgebiet Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien im FB 18 der <strong>Universität</strong> <strong>Kassel</strong><br />
<strong>Klausur</strong> zum Grundpraktikum Physikalische Chemie am 17.07.2006<br />
Aufgabe 7 (3x2 Punkte)<br />
Es werde vermutet, dass eine gewisse Enzymreaktion dem Michaelis-Menten-Mechanismus<br />
mit dem Geschwindigkeitsgesetz der allgemeinen Form<br />
gehorcht. Die Größen k b und K M sind (bei fester Temperatur) Konstanten.<br />
Hinweis: Die Beantwortung der folgenden Fragen erfordert nur allgemeine Kenntnisse der<br />
formalen chemischen Kinetik, keine Detailkenntnisse der Enzymkinetik.<br />
a) Wenn das vermutete Geschwindigkeitsgesetz gilt, ist die Reaktionsteilordnung bezüglich<br />
der Spezies E offenbar gleich 1. Geben Sie in allgemeinen Worten ein Experiment an, mit<br />
dessen Hilfe man die Reaktionsteilordnung bezüglich E bestimmen kann.<br />
b) Wenn das vermutete Geschwindigkeitsgesetz gilt, ist die Reaktionsteilordnung bezüglich<br />
der Spezies S nicht definiert. Für Grenzfälle der Konzentration [S] kann man aber Reaktions-<br />
teilordnungen bezüglich S angeben, und zwar<br />
● wenn [S] >> K M<br />
● bzw. wenn [S]