Chemie Lernzettel: Thermodynamik, Bindungslehre und Zwischenmolekulare Kräfte

Umfassende Fragesammlung zu den Themen Thermodynamik (Systemarten, Enthalpie, Entropie, Freie Enthalpie, Brenn- und Heizwert), Atombau (Elektronenkonfiguration, Bindungen, Oktettregel) und zwischenmolekulare Kräfte (Polarität, Löslichkeit, Dipol-Kräfte, Wasserstoffbrücken, Van-der-Waals-Kräfte).

Was unterscheidet ein offenes, ein geschlossenes und ein abgeschlossenes System in der Thermodynamik?

Ein offenes System (z. B. Kochtopf) ermöglicht den Austausch von Energie und Materie mit der Umgebung. Ein geschlossenes System (z. B. Druckkochtopf) ermöglicht Energieaustausch, aber keinen Materienaustausch. Ein abgeschlossenes System (z. B. Thermoskanne) erlaubt weder Energie- noch Materienaustausch.

Was beschreiben die Enthalpie und die Entropie im Zusammenhang mit System und Umgebung?

Die Enthalpie beschreibt den Wärmeumsatz einer Reaktion bei konstantem Druck. Die Entropie beschreibt, wie stark Energie und Teilchen verteilt sind.

Was gibt die Enthalpieänderung ($\Delta H$) an und wie lautet ihre allgemeine Berechnungsformel?

Sie gibt an, wie viel Energie bei einer Reaktion als Wärme bei konstantem Druck aufgenommen oder abgegeben wird. Die Formel lautet: $\Delta H = H_{\text{Produkte}} - H_{\text{Edukte}}$.

Was kennzeichnet exotherme und endotherme Reaktionen hinsichtlich Wärmeumsatz und Enthalpie ($\Delta H$)?

Bei einer exothermen Reaktion wird Wärme abgegeben ($\Delta H < 0$) und die Umgebung wird wärmer. Bei einer endothermen Reaktion wird Wärme aufgenommen ($\Delta H > 0$) und die Umgebung wird kälter.

Wie lautet die Gibbs-Helmholtz-Gleichung zur Berechnung der Freien Enthalpie ($\Delta G$)?

$$\Delta G^\circ_R = \Delta H^\circ_R - \Delta S^\circ_R \cdot T$$

Wann läuft eine chemische Reaktion anhand der Freien Enthalpie ($\Delta G$) freiwillig bzw. nicht freiwillig ab?

Bei $\Delta G < 0$ (negativ) läuft die Reaktion freiwillig ab (sie ist exergon). Bei $\Delta G > 0$ (positiv) läuft die Reaktion nicht freiwillig ab (sie ist endergon).

Unter welchen Vorzeichenkombinationen von $\Delta H$ und $\Delta S$ ist eine Reaktion bei allen bzw. bei keiner Temperatur freiwillig?

Die Reaktion ist bei allen Temperaturen freiwillig, wenn $\Delta H$ negativ und $\Delta S$ positiv ist. Sie ist bei keiner Temperatur freiwillig, wenn $\Delta H$ positiv und $\Delta S$ negativ ist.

Wie beeinflusst die Temperatur die Freiwilligkeit einer Reaktion, wenn Enthalpie und Entropie dasselbe Vorzeichen haben?

Sind $\Delta H$ und $\Delta S$ beide negativ, ist die Reaktion bei niedrigen Temperaturen freiwillig. Sind $\Delta H$ und $\Delta S$ beide positiv, ist sie bei hohen Temperaturen freiwillig.

Was gibt die Entropie ($\Delta S$) an und welcher Grundsatz gilt für die Unordnung?

Die Entropie gibt den Ordnungsgrad eines Systems an. Die Unordnung muss insgesamt immer zunehmen, allerdings nicht zwingend im betrachteten Einzelsystem.

Was zeigt die Elektronenkonfiguration und wie lautet sie für Sauerstoff ($O$)?

Sie zeigt, wie die Elektronen eines Atoms auf die Orbitale verteilt sind. Für Sauerstoff (Ordnungszahl $8$) lautet sie ungekürzt $1s^2\,2s^2\,2p^4$ und gekürzt $[\text{He}]\,2s^2\,2p^4$.

Wie viele Bindungen gehen die Elemente $H$, $C$, $N$, $O$, $Cl$, $Ne$ und $F$ typischerweise ein?

Wasserstoff ($H$): $1$, Kohlenstoff ($C$): $4$, Stickstoff ($N$): $3$, Sauerstoff ($O$): $2$, Chlor ($Cl$): $1$, Neon ($Ne$): $0$, Fluor ($F$): $1$.

Wie lautet die Besetzungsreihenfolge der Orbitale bis zur Hauptquantenzahl $5$ und welche Regel gilt für den Spin?

Die Reihenfolge lautet: $1s^2,\,2s^2,\,2p^6,\,3s^2,\,3p^6,\,4s^2,\,3d^{10},\,4p^6,\,5s^2$. Elektronen dürfen keinen gleichen Spin im selben Orbital haben, da sie sich sonst abstoßen.

Wann gilt ein Molekül als polar?

Ein Molekül ist polar, wenn die Ladung darin ungleichmäßig verteilt ist und sich die einzelnen Bindungsdipole nicht gegenseitig aufheben.

Warum ist Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) unpolar, obwohl es polare Bindungen besitzt?

Weil sich die einzelnen Bindungsdipole aufgrund der Geometrie des Moleküls gegenseitig aufheben.

Welche Grundregel bestimmt, ob sich ein Stoff in einem anderen löst?

„Gleiches löst sich in Gleichem“ bzw. „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“: Polare Stoffe lösen sich meistens gut in polaren Lösungsmitteln (hydrophil/lipophob), unpolare Stoffe lösen sich in unpolaren Lösungsmitteln (hydrophob/lipophil).

Wie lauten die Formeln für die Stoffmenge ($n$) und die molare Konzentration ($c$)?

Für die Stoffmenge gilt $n = \frac{m}{M}$ (bzw. $m = n \cdot M$) und für die molare Konzentration gilt $c = \frac{n}{V}$.

Was sind Dipol-Dipol-Kräfte und bei welchen Molekülen treten sie auf?

Dipol-Dipol-Kräfte wirken zwischen polaren Molekülen mit permanentem Dipol. Beispiele sind $PCl_3$ und $H_2S$.

Was sind Wasserstoffbrückenbindungen und welche Beispiele nennt das Skript?

Wasserstoffbrückenbindungen sind zwischenmolekulare Kräfte, die zwischen Molekülen mit sehr starken permanenten Dipolen auftreten. Beispiele sind $HF$ und $H_2O$.

Wie entstehen Van-der-Waals-Kräfte und bei welchen Molekülen treten sie auf?

Sie entstehen zwischen unpolaren Molekülen ohne permanente Dipole aufgrund von induzierten Dipolen. Beispiele sind $CH_4$, $CO_2$, $C_2H_4$, $O_2$ und $H_2$.

Zwischen welchen Teilchen wirken Dipol-Ionen-Kräfte?

Sie wirken zwischen polaren Molekülen mit permanentem Dipol und Ionen (Beispiele: $H_2O$, $NH_4Cl$).

Worin liegt der Unterschied zwischen Brennwert und Heizwert?

Der Brennwert berücksichtigt zusätzlich die Wärme, die bei der Kondensation des entstandenen Wasserdampfs frei wird. Der Heizwert berücksichtigt diese Kondensationswärme nicht; daher gilt: $\text{Brennwert} > \text{Heizwert}$.