Chemiepraktikum für Mediziner Teil 5

5. Praktikumstag

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Energetik und Kinetik

Gegenstandskatalog (4. Aufl. 2001): 9 (Grundlagen der Thermodynamik und Kinetik)
Lehrbuch: Kapitel 9 und 10

Aufgaben: 5-1 bis 5-8

Fragenkatalog 5 (5. Praktikumstag)

1. Wie sind die folgenden Begriffe definiert:
a) abgeschlossenes (isoliertes) System,
b) geschlossenes System,
c) offenes System?
Nennen Sie jeweils ein selbstgewähltes Beispiel.

2. Geben Sie Symbol und Definition der folgenden Begriffe an:
a) freie Reaktionsenthalpie,
b) Reaktionsenthalpie,
c) Reaktionsentropie.
Welche Bedeutung hat es jeweils, wenn der Wert dieser Größen negativ ist?

3. Was besagt die Gibbs-Helmholtz-Gleichung?

4. Welche Bedeutung haben die folgenden Gleichungen?
a) G⁰ = -RT ln K
Was bedeutet es, wenn G⁰ größer, kleiner oder gleich Null ist? Liegt bei der Reaktion X Y im Gleichgewicht jeweils mehr X oder mehr Y vor? Was bedeutet es dagegen, wenn G größer, kleiner oder gleich Null ist? In welcher Richtung läuft jeweils die Reaktion X Y ab?
b) G = -nF E
Geben Sie ein selbstgewähltes Rechenbeispiel. Benutzen Sie dafür Werte für E⁰ aus der Tabelle der Frage 2 des Fragenkatalogs zum Teil 3. Was bedeutet es für G, wenn E größer oder kleiner als Null ist?

5. Was versteht man unter den folgenden Begriffen:
a) Lösungswärme,
b) Schmelzwärme?

6. Was verstehen Sie unter Reaktionen 0., 1. und 2. Ordnung (Beispiele)?

7. Was verstehen Sie unter Aktivierungsenthalpie?

8. Erläutern Sie die Wirkungsweise eines Katalysators.

Colloquiumsfragen

1. Von welchen Faktoren wird die Adsorption an festen Oberflächen beeinflußt?

2. Welche Trennverfahren für Stoffgemische beruhen auf
a) Dampfdruckunterschieden,
b) Löslichkeitsunterschieden,
c) unterschiedlichen Verteilungskoeffizienten?

3. Erläutern Sie an Beispielen die Begriffe homogen, heterogen, Suspension, Emulsion, Aerosol.

4. Erklären Sie das Zustandekommen von Gefrierpunktserniedrigung und Siedepunktserhöhung.

5. Erläutern Sie die Wirkungsweise eines Ionenaustauschers.

6. Formulieren Sie je eine Gleichung für die Bildung von primärem, sekundärem und tertiärem Calciumphosphat.
Wie unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer Löslichkeit in Wasser?

Aufgaben (5. Praktikumstag)

Aufgabe 5-1 Freie Enthalpie

Begriffe/Sachverhalte: Enthalpie, Entropie, Freie Enthalpie, Reaktionsenthalpie

Teil a (vgl. auch Lehrbuch Abb. 9-6 und 9-8) Für die reversible Reaktion A + B C + D ist das Energiediagramm zu zeichnen. Vorgegeben ist:

G_{A + B} > G_{C + D}

Teil b
Welche der beiden Reaktionen hat die größere Triebkraft und warum?



Teil c
Erläutern Sie die Tatsache, daß die freie Enthalpie (G) einer reversiblen Reaktion am Gleichgewichtspunkt ein Minimum hat.

Aufgabe 5-2 Freie Enthalpie

Begriffe/Sachverhalte: Änderung der Freien Enthalpie bei Änderung der Konzentration

Berechnen Sie die Arbeit, die ungefähr nötig ist, um bei 37 °C H⁺-Ionen aus dem Blut (c₁) in den Magensaft (c₂) zu sekretieren.

	             c2
	G = RT ln ____          R = 8,31 J/K·mol

	             c1

Aufgabe 5-3 Gibbs-Helmholtzsche Gleichung

Begriffe/Sachverhalte: G, H und S bei Auflösung von Salzen in Wasser, exotherm/endotherm, exergon/endergon

Führen Sie die folgenden Versuche durch und erläutern Sie die Beobachtungen anhand der Gleichung

G = H - TS      (Gibbs-Helmholtzsche Gleichung)

Welche Angaben kann man jeweils über das Vorzeichen von G, H und S machen?

a) Becherglas (100 ml) + H2O (1/5 voll)	T =	°C
+ ca. 1 g (Spatel) NaCl	T =	°C
b) Becherglas (100 ml) + H2O (1/5 voll)	T =	°C
+ gleiches Vol. CaCl2 (wasserfrei)	T =	°C
c) Becherglas (100 ml) + H2O (1/5 voll)	T =	°C
+ 3faches Vol. CaCl2·6H2O	T =	°C

Erklären Sie kurz die bei den Teilen a-c gemachten Beobachtungen:

Aufgabe 5-4 Energetik von Lösungsvorgängen, Schmelzwärme von Eis

Begriffe/Sachverhalte: Gitterenergie, Hydratationsenergie, Schmelzwärme, Freie Enthalpie, Enthalpie, Entropie, Gibbs-Helmholtz-Gleichung, exergon/endergon, exotherm/endotherm

Teil a
Gleiche Mengen (jeweils ca. 20 g) NaCl und Eis werden in einem 100 ml-Becherglas miteinander verrührt.

Beobachtung:


Temperatur des Gemisches:

Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem von Aufg. 5-3a. Welche Aussagen lassen sich über G, H und TS des abgelaufenen Vorganges machen?





Wofür wurde die Wärme verbraucht, die der Umgebung entzogen wurde?




Teil b
Messen Sie in einem Meßzylinder 100 ml H₂O ab, geben Sie sie in ein 250 ml-Becherglas und messen Sie die Temperatur.

T₁ =      °C

Fügen Sie eine ca. gleiche Menge Eis hinzu und rühren Sie um, bis sich eine Temp. von ca. 0 °C eingestellt hat (1 - 2 min). Aus dem entstandenen Eis/Wasser-Gemisch gießen Sie dann unverzüglich die flüssige Phase in den Meßzylinder, um zu bestimmen, wieviel Gramm Eis geschmolzen sind. Gehen Sie davon aus, daß 1 ml entstandenes H₂O 1 g geschmolzenem Eis entspricht und daß 1 cal diejenige Wärmemenge ist, die aufgebracht werden muß, um die Temperatur von 1 g H₂O um 1 °C zu ändern.

Die flüssige Phase betrug      ml.


Es sind also wieviel g Eis geschmolzen?


Bei der Abkühlung von 100 ml H₂O von T₁ =      °C auf 0 °C wurden wieviel cal frei?


Wofür wurde diese Wärmemenge verbraucht?


Wie groß ist also die Schmelzwärme des Eises in cal/g, cal/mol, kcal/mol, J/mol und kJ/mol?
Literaturwert:

Aufgabe 5-5: Katalyse / H₂O₂-Zerfall

Beriffe/Sachverhalte: Reaktionsgeschwindigkeit, Aktivierungsenergie, Katalyse

In drei Reagenzgläser werden je 1 ml H₂O₂-Lösung (3 %, c = 30 g/l) gegeben. Folgende Katalysatoren werden hinzugefügt:

a) 1 Tropfen (etwa 0,05 ml) FeCl₃-Lösung (1 %, c = 10 g/l)

Beobachtung:



b) 1 kleine Spatelspitze Blutkohle (50 mg Blutkohle enthalten etwa 0,1 mg Eisen)

Beobachtung:



c) 1 Tropfen Blut (enthält etwa 3·10^-3 mg Katalase mit einem Eisengehalt von 0,1 %)

Beobachtung:


Reaktionsgleichung:


Vergleichen Sie die Sauerstoffentwicklung der einzelnen Proben.

Aufgabe 5-6 Die Reaktionsgeschwindigkeit als Funktion der Temperatur (H₂-Entwicklung aus Zink und Salzsäure)

Gruppenversuch für 4 Praktikanten

Begriffe/Sachverhalte: Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit

Für die Gasvolumen-Messung wird ein mit 2 Markierungen (5 ml und 15 ml) versehenes Reagenzglas (B, s. Abb.) benutzt. 10 ml HCl (c = 6 mol/l, hergestellt vom Assistenten durch Mischen von konzentrierter HCl und Wasser im Verhältnis 1:1) werden in das an einem Stativ befestigte Reagenzglas A gegeben. Durch vorsichtiges Erwärmen wird das Wasserbad auf die gewünschte Temperatur (Thermometer) gebracht. Man wartet ca. 2 Minuten, damit zwischen dem Wasserbad und dem Reaktionsgefäß Temperaturausgleich stattfinden kann. Dann wird ein zylindrisches Zinkstück mit definierter Oberflächengröße, das zuvor ca. 1 min in das Wasserbad getaucht wurde, in das Reagenzglas A geworfen (der Zylindermantel und eine der beiden Kreisflächen ist durch einen Paraffinüberzug vor dem Angriff der Säure geschützt; auch bei fortschreitender Reaktion bleibt so die Größe der kreisförmigen blanken Reaktionsfläche konstant). Man verschließt A mit einem einfachdurchbohrten Stopfen, durch den ein Glasrohr führt und fängt den entstehenden Wasserstoff im markierten Reagenzglas B auf. Sobald die 5 ml Marke erreicht ist, beginnt die Messung. Es wird die Zeit (in Sekunden) bestimmt, die notwendig ist, um 10 ml H₂ (bis zur 15 ml Marke) zu entwickeln.
Es werden 3 Messungen durchgeführt und zwar bei 20 °C, 30 °C, 40 °C. Die Temperatur kann geringfügig von diesen Werten abweichen. Sie muß jedoch während der Messung konstant bleiben und bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Abbildung

Versuchsergebnis:

			10 ml H2-Entwicklung benötigen bei
			Messung 1	Messung 2	Messung 3
t ( °C)
Zeit (s)
Reaktionsgeschwindigkeit (ml/min)

Auswertung:

1.) In einer graphischen Darstellung (Millimeterpapier) wird die Reaktionsgeschwindigkeit v (ml/min) gegen die Temperatur t (°C) aufgetragen.

2.) Wie groß ist die Reaktionsgeschwindigkeit bei 37 °C (s. Kurve)

a) in ml/min?    b) in mmol/min?    c) in mg/min?

Aufgabe 5-7 Bestimmung von Reaktionsordnung und Reaktionsgeschwindigkeitskonstante bei vorgegebenen Meßwerten

Begriffe/Sachverhalte: Reaktionen nullter, erster und zweiter Ordnung, Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, Halbwertszeit

Wir betrachten den Zerfall von 3 verschiedenen Substanzen A, B, und C in je einem Liter einer wäßrigen Lösung. Das Gleichgewicht der Zerfallsreaktion soll dabei weit auf der Seite der Zerfallsprodukte liegen.
Es wurde jeweils eine Lösung mit c₁ = 1 mol/l und c₂ = 0,1 mol/l hergestellt und die Zeit t_1/2 bestimmt, nach der die Konzentration auf die Hälfte abgesunken war (diese Zeit nennt man Halbwertszeit).

Mit Hilfe der folgenden Tabelle der Meßergebnisse (in Sekunden) ist jeweils die Reaktionsordnung und die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k zu ermitteln.

Anfangskonzentration		Halbwertszeit für den Zerfall von
		A	B	C
1 mol/l		10 sec	10 sec	10 sec
0,1 mol/l		10 sec	100 sec	1 sec
Reaktions- ordnung:
k:

Erläutern Sie im Prinzip den Lösungsweg:

Aufgabe 5-8 Reaktionsordnung

Begriffe/Sachverhalte: Reaktionsordnung/Halbwertszeit

Der monomolekulare Zerfall einer Molekel AB verlaufe nach einem Zeitgesetz 1. Ordnung.

AB A + B

Die Konzentration des Stoffes AB beträgt zu Beginn der Reaktion 1 mol/l und ist nach 2 Stunden auf 0,1 mol/l gesunken.

a) Wie groß ist die Geschwindigkeitskonstante?

b) Wie groß ist die Halbwertszeit?

c) Wie groß war die Konzentration (mol/l) von AB nach 30 min?

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