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.