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Chemie für Ernährungswissenschaftler (Subject) / Prüfungsvorbereitung (Lesson)

Allgemeine Trends, Formeln, wichtige Zahlen, wichtige Verbindungen

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  • Reaktionsquotienten Der Quotienten Q ermöglicht die Voraussage über die Richtung, in der eine Reaktion ablaufen wird. Q=Kc, GGWQ<Kc, so wird die Reaktion von links nach rechts ablaufen, damit die Konzentrationen der Substanzen im Zähler zunehmen und die Konzentrationen der Substanzen im Nenner abnehmen.Q>Kc, so wird die Reaktion von rechts nach links ablaufen.2So2(g)+O2(g)<->2SO3(g), Kc=36,9 L/mol bei 827C. In welche Richtung läuft die Reaktion, wenn sich 0,050 mol SO2(g), 0,030 mol O2(g) bei 827C in einem Volumen von 1 L befinden?Q=c^2(SO3)/c^2(SO2)*c(O2)=0,125^2/0,050^2*0,030=208 L/molDa Q>Kc, wird die Reaktion von rechts nach links verlaufen, SO3 zerfallen.
  • Die GGW-Konstant Kp Der Partialdruck eines Gases ist proportional zu seiner Stoffmengenkonzentration. Für Gase kann das Massenwirkungsgesetzt deshalb auch unter Verwendungen von Partialdrücken anstelle von Stoffmengenkonzentrationen formuliert werdenKp=p2(NH3)/p(N2)*p3(H2)N2(g)+3H2(g)<->2NH3(g)Für die Reaktion 2SO3<->2SO2(g)+O2(g), auf der rechten Seite stehen zusammen 3 mol Gas, links sind es 2. Δn=1ist Kc=0,0271 mol/L bei 1100K. WIe groß ist Kp bei dieser T?Kp=Kc*(RT)Δn Kp=KcRT=0,0271 mol/L*8,314 kPa*L/(mol*K)*1100K=248 kPa
  • Elektromagnetische Strahlung c=Λ*v, Λ=Wellenlänge, v=Frequenz, c=2,998*10^8 m/s•Lange Wellenlänge->Niedrige Frequenz, niedrige Energie •Kurze Wellenlänge->Hohe Frequenz, hohe EnergieQuentesierung der Energie: Ein Objekt kann durch die Absorption oder Emission von Strahlungsenergie in Quanten, Energie gewinnen und verlieren. E=h*v, h=Plack-Konstante=6,626*10^-34 J*sAlle bewegten Objekte haben Welleneigenschaften. E=mc^2, c=Λ*v, E=hv=hc/Λ-> mc=h/Λ für das Licht. Für Teilchen: h/Λ=masse*Geschwindigkeit Bespiel: Berechnen Sie die Energie von 1,00 mol Rotlicht Photonen. Λ=700nm, v=4,29*10^14 sec^-1Pro Photon: E=h*v=(6,63*10^-34)*(4,29*10^14)=2,85*10^-19 J pro Photon.Dann rechnen wir mit der Avogadro-Zahl, um E pro Mol zu finden:E=(2,85*10^-19)*(6,022*10^23)=172 kJ/mol 
  • Welche Energie hat ein Quant von rotem Licht der Wellenlänge 700nm? 700nm=700*10^-9m 1)Zuerst berechne die zugehörige Frequenz:c=л*v->v=c/л=2,998*10^8/700*10^-9=4,29*10^14 s^-1 2)E=h*v=6,62607*10^-34*4,29*10^14=2,84*10^-19 J
  • Welche Wellenlänge entspricht: a) einem Tennisball mit einer Masse von 50g, der mit 30 m/s fliegt? b)einem Elektron, das auf der ersten Bahn im Wasserstoff-Atom nach der Bohr-Theorie mit 2,19*10^6 m/s fliegt? m=9,11*10^-28g=9,11*10^-31 kg a) Λ=h/mv=6,63*10^-34/0,05*30=4,42*10^-34 m b)Λ=h/mv=3,32*10^-10m=332 pm.
  • Welche ist die konjugierte Base? a)H3PO4 (Phosphorsäure)->H2PO4^-b)H2PO4^-->HPO4^2-c)NH3->NH2^-d)HS^-->H^2-e)H2SO4->HSO4^-f)HCO3^-->CO3^2-
  • Welche ist die konjugierte Säure? a)H2O->H3O^+b)HS^- ->H2Sc)NH3->NH4^+d)H2AsO4^- ->H3AsO4e)F^- ->HFf)NO2^- ->HNO2
  • Ionenprodukt des Wassers Kw=c(H+)*c(OH-)=1,0*10^-14 mol^2/L^2 (bei 25ºC)c(H+)=c(OH-)=1,0*10^-7 mol/LWird eine Säure in Wasser gelöst, so ist die H+(aq)-Konzentration größer als 10^-7 mol/L und die OH-(aq)-Konzentration kleiner als 10^-7 mol/L. Wir sprechen von einer sauren Lösung. Umgekehrt ist in einer basischen Lösung c(OH-)>10^-7 und c(H+)<10^-7 mol/L. pH=-log c(H+)pOH=-log c(OH-) pH+pOH=pKw=-log Kw=14 Die Dissoziation von H2O in H+ und OH- ist ein endothermer Vorgang. Das Ionenprodukt des Wassers ist daher temperaturabhängig. Erhöhung der T führt zur Zunahme der Dissoziation und Erhöhung der H+ Konzentration; der pH-Wert sinkt mit steigender T. Reines, siedendes Wasser bei 100ºC ist neutral und hat einen ph-Wert von 6,13.•Wie groß sind c(H+) und c(OH-), pH und pOH für Salzsäure mit c=0,02 mol/L HCl? Da HCL ein starker Elektrolyt ist, entspricht die Konzentration der H+ Ionen der eingesetzten HCl-Konzentration. Der Anteil der H+ Ionen, die aus dem Wasser stammen, kann dagegen vernachlässigt werden.c(H+)=0,02 mol/L=2,0*10^-2 mol/LpH=-log c(H+)=1,7 c(OH-)=Kw/c(H+)=10^-14/2,0*10^-2=5,0*10^-13 mol/LpOH=14-pH=12,3 •Welchen pH-Wert hat Natronlauge mit 0,0005 mol NaOH pro Liter? Wie groß ist c(H+)=?c(OH-)=0,0005 mol/L=5,0*10^-4 mol/LpOH=-log c(OH-)=3,3 pH=14- pOH=10,7c(H+)=10^-pH=10^-10,7=2,00*10^-11 mol/L
  • Schwache Elektrolyte Schwache Elektrolyte sind in wässriger Lösung unvollständig dissoziiert. Gelöste Moleküle stehen im GGW mit Ionen.Dissoziation von Essigsäure:c(H3O+)*c(CH3CO2-)/c(CH3CO2H)*c(H2O)=Kmit c(H2O)=konstant und c(H+)=c(H3O+)c(H+)*(CH3CO2-)/c(CH3CO2H)=Ks Dies entspricht der vereinfachten Reaktionsgleichung CH3CO2H<->H+ +CH3CO2- •Wir haben 1,00 mol HOAC. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentrationen von HOAc, H3O+, OAc- und den pH-Wert.   HOAc  H3O+   OAc-I  1,00   0           0C  -x      +x        +xE 1,00-x   x          xKs=c(H3O+)*c(OAc-)/c(HOAc)=1,8*10^-5Ks=x2/1,00-x=1,8*10^-5 Wir nehmen an, dass x sehr klein ist weil Ks sehr klein ist.Ks=x2/1,00=1,8*10^-5Man löst die Gleichung.x=c(H3O+)=c(OAc-)=(Ks*c(HOAc))1/2x=c(H3O+)=c(OAc-)=4,2*10^-3 MpH=-log c(H3O+)=2,37
  • Der pH-Wert einer 0,10 M Lösung einer schwachen Säure, HA,ist 2,97. Wie groß ist die Dissoziationskonstante? pH=2,97c (H+)=10^-pH=10^-2,97=1,1*10^-3 das ist was dissoziert wurde. Wie viel von H+ wir haben.im GGW sind es (0,10-1,1*10^-3)=∼0,10 für HA, 1,1*10^-3 für H+ und 1,1*10^-3 für A-.Ks=c(H+)*c(A-)/c(HA)=(1,1*10^-3)*(1,1*10^-3)/0,10Ks=1,2*10^-5
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  • Schwache Basen In wässrigen Lösungen von schwachen Basen stellt sich ein GGW ein, an dem OH- Ionen beteiligt sind. Basenkonstane Kb=c(HA)*c(OH-)/c(A-)•NH3 mit 0,010 M. Berechnen Sie den pH-Wert. Kb=1,8*10^-5NH3+H2O<->NH4+ +OH-0,010              0         0-x                    +x      +x0,010-x             x        xKb=c(NH4+)*c(OH-)/c(NH3)=1,8*10^-5Kb=x2/0,010-x, da x klein ist-> Kb=x2/0,010x=c(NH4+)=c(OH-)=4,2*10^-4 Mc(NH3)=0,010-4,2*10^-4∼0,010MpOH=-log c(OH-)=3,37pH=14-pOH=10,63
  • Pufferlösungen Sie halten den pH-Wert weitgehend konstant, auch wenn Säuren und Basen und begrenzter Menge zugesetzt werden. Eine Pufferlösung enthölt eine relativ hohen Konzentration einer schwachen Säure und ihre konjugierten Base. z.B. Eine Essigsäure-Acetat-Pufferlösung, die x mol/L Essigsäure und x mol/L Acetat, also jeweils gleiche Stoffmengenanteile enthält:CH3CO2H<->H+ + CH3CO2-c(H+)*c(CH3CO2-)/c(CH3CO2H)=c(H+)*x mol/L/x mol/L=Ks=1,8*10^-5 mol/LpH=pKs=-log(Ks)=4,74 Für eine Lösung, die eine schwache Säure und ihre konjugierte Base im Stoffmengenverhältnis 1:1 enthält, gilt es immer pH=pKsSetzen wir der Lösung in begrenztem Maß H+ Ionen zu, werden sie mit dem großen Vorrat an Acetat-Ionen zu Essigsäure reagieren. Setzten wir eine begrenzte Menge an OH- Ionen zu, werden sie mit der vorhandenen Essigsäure reagieren. Die zugesetzten H+ oder OH- Ionen verschwinden somit, der pH-Wert hält sich weitgehend konstant.
  • Henderson-Hasselbalch-Gleichung pH=pKs-log c(HA)/c(A-)  •Eine Pufferlösung enthalte 1,00 mol/L Essigsäure und 1,00 mol/L Natriumacetat (C2H3NaO2). Sie hat einen pH-Wert von pH=pKs=4,742. Welchen pH-Wert hat sie nach Zusatz vona)0,01 mol/L HClb)0,1 mol/L HClc)0,01 mol/L NaOHCH3CO2H<->H+ +CH3CO2-                      c(CH3CO2H)    c(CH3CO2-)Pufferlösung         1,00                  1,00Nach Zusatz von x mol/L H+    1,00+x            1,00-xNach Zusatz von y mol/L OH-         1,00-y              1,00+y C(H+)*c(CH3CO2-)/c(CH3CO2H)=Ksc(H+)=Ks*c(CH3CO2H)/c(CH3CO2-)pH=pKs-log(c(CH3CO2H)/(c(CH3CO2-)zu a) Zusatz von x=0,01 mol/L H+pH=4,742-log(1,01 mol/L)/(0,99 mol/L)=4,733 Der pH-Wert ändert sich um 0,009 Einheiten. zu b) Zusatz von x=0,1 mol/L H+pH=4,742-log(1,1)/(0,9)=4,655 zu c) Zusatz von y=0,01 mol/L OH-pH=4,742-log(0,99)/(1,01)=4,751  
  • pKs+pKb=pKw=14 pKs=-log(Ks) pKb=-log(Kb)
  • Aus Cyansäure (HOCN) und Kaliumcyanat (KOCN) soll eine Pufferlösung mit pH=3,30 hergestellt werden. Welches Stoffmengenverhältnis wird benötigt? pKs(HOCN)=3,46 pH=pKs-log(c(HA))/(c(A-)) pH=pKs-log(c(HOCN)/(c(NCO-))log(c(NOCN))/(c(NCO-))=pKs-pH=3,46-3,30=0,16c(NOCN)/c(NCO-)=1,45
  • Mehrprotonige Säuren Mehrprotonige Säuren enthalten mehr als ein dissoziierbares Wasserstoff-Atom. z.B. Schwefelsäure H2SO4, Oxalsäure H2C2O4, Phosphorsäure H3PO4 und Arsensäure H3AsO4. Mehrprotonige Säuren dissoziieren schrittweise, und jeder Schritt hat seine eigene Dissoziationskonstante. Ks1>Ks2>Ks3 Das erste Proton wird am leichtesten abgegeben. Die Abtrennung des zweiten Protons von z.B. dem negativ geladenen H2PO4^- geht weniger leicht, und noch schwieriger ist die Abtrennung des dritten Protons vom doppelt negativ geladenen HPO4^2- Ion.
  • Einige Mehrprotonige Säuren H2S-Schwefelwasserstoff H2SO3-Schweflige SäureH2SO4-Schwefelsäure H3PO3-Phosphorige Säure H3PO4-Phosphorsäure H3AsO4-Arsensäure H2CO3-Kohlensäure H2C2O4-Oxalsäure
  • Salze schwacher Säuren und Basen Wässrige Lösungen von Salzen wie Natriumchlorid oder Kaliumnitrat sind neutral. Lösungen von Salzen wie Natriumacetat, Natriumnitrit (NaNO2), Ammoniumchlorid oder Aluminiumsulfat reagieren jedoch basisch oder sauer. Allgemein kann man feststellen:•Anionen, die sich von schwachen Säuren ableiteb (z.B. CH3CO2^- oder NO2^-) verhalten sich in Lösungen basisch.  •Kationen, die sich von schwachen Basen ableiten (z.B. NH4^+ oder Al^3+) verhalten sich in Lösungen sauer.  Die Ursache dafür ist dass je schwächer eine Säure ist, desto stärker ist ihre konjugierte Base; diese ist identisch mit dem Anion in Salzen, die sich von der Säure ableiten. Die konjugierte Base der Essigsäure, das Acetat-Ion, ist basisch genug, um mit Wasser unter Bildung von OH- Ionen zu reagieren. Das wird Hydrolyse genannt.  Welchen pH-Wert hat eine Lösung von Ammoniumchlorid mit c(NH4Cl)=0,30 mol/L?NH4+<->N++NH3 pKs(NH4+)=14-pKb(NH3)=14-4,7=9,3Nach Gleichung pH=1/2*(pKs-log(c H+))=4,9 Die Anionen starker Säure,z.B. Cl^- (konjugierte Base von HCl), sind so schwach basisch, dass sie nicht mit Wasser reagieren. Solche Ionen beeinflussen den pH-Wert nicht. Entsprechend sind die Kationen starker Basen zu schwach sauer, d.h. schwächer sauer als Wasser, und ohne Wirkung auf den pH-Wert; zu ihnen zählen die Ionen Li+, Na+, K+, Rb+; Cs+; Ca2+, Sr2+ und Ba2+. Nur solche Ionen, die durch Reaktion mit Wasser einen schwachen Elektrolyten bilden können,wirken sich auf den pH-Wert aus.
  • Säure-Base-Titrationen •Titration einer starken Säure mit einer starken Base. pH=7 •Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base. pH>7Vor der Zugabe der Natronlauge haben wir reine Essigsäure mit c0=0,100 mol/L. pH=2,87.Durch Zugabe der Natronlauge werden die Essigsäure-Moleküle in Acetat-Ionen überführt. Solange noch nicht alle Essigsäure verbraucht ist, sind Essigsäure-Moleküle und Acetat-Ionen in der Lösung vorhanden. Beim Erreichen des Äquivalenzpunktes ist die gesamte Essigsäure exakt neutralisiert, es liegt eine reine Natriumacetat-Lösung vor. •Titration einer schwachen Base mit einer starken Säure
  • Redox-Reaktionen Eine Oxidation ist ein Prozess, bei dem einem Atom Elektronen entzogen werden. Erhöhung der Oxiadationszahl.  Bei einer Reduktion werden einem Atom Elektronen zugeführt. Erniedrigung der Oxidationszahl. z.B. S0+O20->S+4O2-2 es entsteht Schwefeldioxid; dabei nimmt die Oxiadationszahl des Schwefel-Atoms von Null nach +4 zu, der Schwefel wird oxidiert. Die Oxidationszahl der Sauerstoff-Atome erniedrigt sich von Null auf -2, Sauerstoff wird reduziert.  Die Substanz, die dem Reaktionspartner die Elektronen entzieht und damit dessen Oxidation bewirkt, nennt man das Oxidationsmittel, es wird selbst reduziert.  Umgekehrt wirk eine Substanz, die selbst oxidiert wird, als Reduktionsmittel. Im Beispiel oben ist Schwefel das Reduktionsmittel und Sauerstoff das Oxidationsmittel.

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