Vorlesungsversuch zur Temperaturabhängigkeit des Volumens eines Gases: 3 Luftballons

Vorlesungsversuch zur Temperaturabhängigkeit desVolumens eines Gases: 3 Luftballons

Luft (g) (21% O2)

He (g)

CO2 (g)

N2 (l)

Siedepunkt N2: −195,79 °C

Siedepunkt O2: −182,9 °C

Siedepunkt He: −269 °C

Sublimationstemperatur CO2: - 78,5 °C

Siedediagramm für Stickstoff-Sauerstoff-Gemische

Siedebereich

g

Phasendiagramm von CO2

= “Gasmolekül in unserer Saal-Luft“

Wurde unabhängig entdeckt von Robert Boyle (1662) und Edme Mariotte (1676).

Entdeckt von Joseph Louis Gay-Lussac (1802).

Amadeo Avogadro(1811)

Allgemeine Zustandsgleichung idealer Gase

p V = n R T

R = 8,314472 J K-1mol-1

1 mol eines idealen Gases nimmt bei 101325 Pa und O°C = 273,15 K (Normalbedingungen) ein

Volumen von 22,4 L ein.

gedachte Trennwand

(T=25°C)

Aus: Chemie – die zentrale Wissenschaft von T.L. Brown, H.E. LeMay, B.E. Bursten, deutsche Bearbeitung von C. Robl, W. Weigand . Pearson Studium. 2007.

EFFUSION

Ausströmen eines Gases IN DEN LEEREN RAUM aus einem Behälter, der eine molekulare Öffnung besitzt.

Dabei sollte der Durchmesser der molekularen Öffnungen klein sein im Vergleich zur mittleren freien Weglänge des effundierenden Moleküls

Der Partikelstrom verläuft nur in eine Richtung (nach aussen)

1

2

2

1

m

m

v

v

Graham‘sches Gesetz: Die Effusionsgeschwindigkeiten zweier Gase verhalten sich umgekehrt wie die Quadratwurzeln ihrer Molekülmassen.

UF6 sublimiert bei 56,6°C

Fluor ist ein Reinelement , d.h. es existiert nur ein stabiles Isotop 19F

1833 Thomas Graham

(bei gleichem Druck)

Natururan besteht zu etwa 99,3 % aus 238U und zu 0,7 % aus 235U

Versuch: zwei Gase diffundieren in einem Glasrohr

HCl (g) + NH3 (g) NH4 Cl (s)

65 cm44,3 cm

HCl NH3

46,36

03,1768,0

65

3,443

33

HCl

NH

NH

HCl

NH

HCl

m

m

d

d

v

v

Träger des elektrischen Stroms sind Ionen, im Gegensatz zu metallischen Leitern, wo der Stromtransport durch Elektronen erfolgt.

= durch Elektrolyse zerlegbare Stoffe.

•Elektrolyte bilden in wässrigen Lösungen bewegliche Ionen.

•Dazu ist das Anlegen eines elektrischen Feldes nicht erforderlich.

•Kristallisieren die Elektrolyte in Ionengittern, so ist auch die Schmelze elektrisch leitend, ebenso wie die wässrigen Lösungen.

•Polare Molekülverbindungen, die im festen Zustand Nichtleiter sind, aber mit Wasser unter Bildung von Ionen reagieren, nennt man potentielle Elektrolyte.

•Die positiv geladenen Ionen (Kationen) wandern im elektrischen Feld zur Kathode (negative Elektrode)

•Die negativ geladenen Ionen (Anionen) zur Anode (positive Elektrode)

•Die Ionenbeweglichkeiten verschiedener Ionenspezies sind verschieden, eine besonders große Ionenbeweglichkeit besitzen H3O+ Ionen und OH- Ionen, diese tragen besonders stark zur Leitfähigkeit bei.

molkJHOHOHH 9,552

molkJOHCNOHHCN

molkJOHOHH

molkJCNHHCN

2,12

9,55

7,43

2

2

AB

BAK

BAAB

LmolA

A

Afa

A

10

0

AB

BAa a

aaK

Standardkonzentration

für die ideale Lösung ist f=1

. Eine experimentelle Bestimmung ist nicht möglich.

Säuren und BasenDie Begriffe „Säure“ und „Base“ wurden 1887 von Arrhenius und Ostwald erstmals definiert. Sie verstanden unter einer Säure einen sauer schmeckenden Stoff, der in wässriger Lösung unter Bildung von Wasserstoff-Ionen dissoziiert

z.B. HCl = H+ + Cl-

bzw. unter einer Base einen seifig schmeckenden Stoff, der in wässriger Lösung unter Bildung von Hydroxid-Ionen dissoziiert

z.B. Ca(OH)2= Ca2+ + 2 OH-

Versuch: Täuschung des Geschmacksinnes möglich!

Viele Hydroxidionen-freie Stoffe wie Metalloxide verwandeln sich erst beim Auflösen durch Reaktion mit dem Wasser in Basen z.B.

Na2O + H2O = 2 Na+ + 2 OH-

pH – Wert

Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität (bei verdünnten Lösungen des Zahlenwerts der H+ Ionen Konzentration)

Protolysegleichgewicht und Ionenprodukt des Wassers:

2214

12

22

3

322

100,1

55,55

LmolK

LmolconstOH

OH

OHOHK

OHOHOHOH

W

Spezifische elektrische Leitfähigkeit bei 18°C:

Reinstwasser: 4x10-8 Ω-1cm-1

Kupfer: 6x105 Ω-1cm-1

d.h. 1 mm3 Reinstwasser besitzt den gleichen elektrischen Widerstand wie ein Kupferdraht von 1 mm2 Querschnitt und 15 Millionen km Länge (40 fache Entfernung zwischen Erde und Mond)

Die Autoprotolyse des Wassers ist der Grund dafür, dass auch chemisch reines Wasser eine (geringe) elektrische Leitfähigkeit besitzt:

Die Autoprotolyse des Wassers ist abhängig von Druck und Temperatur

Das Ionenprodukt KW des Wassers beträgt (bei Normaldruck) (mol2/L2)

bei 0 °C KW=0,13 · 10−14

Bei 50 °C KW=5,6 · 10−14

bei 100 °C KW=74 · 10−14

Dementsprechend ist auch der pH- Wert temperaturabhängig:

reines Wasser bei 0 °C pH=7,45 reines Wasser bei 25 °C pH=7,0 reines Wasser bei 50 °C pH=6,63 reines Wasser bei 100 °C pH=6,07

(Daten aus Jander/Blasius, Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, Hirzel Verlag, Stuttgart)

Bei 25°C gilt:

14

10

log

log

143

2

3

32

BS

WBS

BB

B

SS

S

pKpK

KOHOHKK

KpK

A

OHHAK

OHHAOHA

KpK

HA

AOHK

AOHOHHA

Der pH-Wert lässt sich ungefähr mittels pH-Indikatoren bestimmen.

Es handelt sich um schwache Säuren, bei denen sich die Farbe der undissoziierten Säure von der des Säure-Anions unterscheidet.

HInd

IndpKpH

HInd

IndHK

IndHHInd

Ind

Ind

log

Phenolphtalein

Methylorange

pH-Wert Farbe

2 rot

4 lila

6 violett

8 blau

10 blaugrün

12 gelb

Versuch: Rotkrautsaft als pH Universal-Indikator

Farbstoff: Cyanidin

in Abhängigkeit vom pH-Wert erfährt das Cyanidinsystem strukturelle Veränderungen

Vorlesungsexperiment: Titration

Bei der Titration (Volumetrie) erfolgt die portionsweise Zugabe einer Maßlösung eines Reagenz zur Lösung des Reaktionspartners, dessen Konzentration bestimmt werden soll, unter ständiger Kontrolle des Zugabevolumens bis zum vollständigen Umsatz (Äquivalenzpunkt) .

Die Volumenmessung der Maßlösung erfolgt mit einer Bürette oder mit einem PC-gekoppelten Titrationsgerät.

Der Äquivalenzpunkt kann z.B. mittels eines Farbindikators bestimmt werden.