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Mecklenburg-Vorpommern Abitur Chemistry: Physikalische Chemie: Energetik, Reaktionskinetik, Gleichgewicht und Elektrochemie

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Physikalische Chemie: Energetik, Reaktionskinetik, Gleichgewicht und Elektrochemie

Die Physikalische Chemie prüft Energetik, Reaktionskinetik, chemisches Gleichgewicht und Elektrochemie. Im Mittelpunkt stehen quantitatives Argumentieren mit Enthalpie, Entropie und Gibbs-Energie, die Interpretation von Geschwindigkeitsgesetzen sowie die Verknüpfung von Zellspannung, Konzentration und freier Enthalpie.

Energetik

  • Enthalpieänderungen werden kalorimetrisch bestimmt oder mit dem Satz von Hess aus Teilreaktionen berechnet; Vorzeichen und Bezug auf die Reaktionsgleichung müssen stimmen.
  • Entropie misst die Verteilung von Energie und Teilchen; Gase haben hohe, geordnete Festkörper niedrige molare Entropie.
  • ΔG = ΔH - TΔS; negativ bedeutet spontan unter den gewählten Bedingungen, nicht automatisch schnell.

Reaktionskinetik

  • Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von Konzentration, Temperatur, Katalysator und Oberfläche ab; das Geschwindigkeitsgesetz wird experimentell bestimmt.
  • Reaktionsordnung: nullte Ordnung bedeutet konstante Geschwindigkeit; erste Ordnung ergibt eine Exponentialfunktion der Konzentration.
  • Arrhenius: k = A·e^(-Ea/RT); eine höhere Aktivierungsenergie senkt die Geschwindigkeit stärker. Katalysatoren senken Ea, verschieben aber nicht die Gleichgewichtslage.

Chemisches Gleichgewicht

  • Das Massenwirkungsgesetz K = Produkt der Produktkonzentrationen (mit Koeffizienten als Exponenten) geteilt durch die Eduktkonzentrationen; reine Feststoffe und Lösungsmittel gehen nicht ein.
  • Q beschreibt den aktuellen Zustand; Q < K bedeutet Ablauf nach rechts, Q > K nach links.
  • Le Chatelier: Änderungen von Konzentration, Druck oder Temperatur verschieben das Gleichgewicht; nur Temperatur ändert K.

Elektrochemie

  • Galvanische Zellen wandeln chemische in elektrische Energie; Oxidation an der Anode, Reduktion an der Kathode.
  • Standardzellspannung: E°Zelle = E°Kathode - E°Anode; Nernst-Gleichung berücksichtigt Konzentrationen: E = E° - (0,0592 V/n)·lg Q.
  • Elektrolyse erfordert eine äußere Spannung; Faraday-Gesetz verknüpft Ladung, Stoffmenge und Elektronenzahl.

Worked example

Daniell-Element: Zn + Cu2+ -> Zn2+ + Cu, n = 2, E° = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V. Mit [Zn2+] = 0,10 mol/L und [Cu2+] = 0,010 mol/L ist Q = 0,10/0,010 = 10. Nernst: E = 1,10 V - (0,0592 V/2)·lg 10 = 1,10 V - 0,0296 V = 1,07 V. Die niedrigere Kupferkonzentration senkt die Zellspannung, weil das Reduktionspotenzial der Kathode kleiner wird.

Typische Fallen

ΔG und ΔG° werden gleichgesetzt; das Vorzeichen von ΔS wird ignoriert; Q und K werden verwechselt; Katalysatoren werden als Gleichgewichtsverschieber beschrieben; Feststoffe werden in K oder Q eingesetzt; bei Nernst wird der Elektronenübergang n falsch gezählt.