Rechnen mit Größen in der Chemie: eine Einführung mit Experimenten und Übungsaufgaben
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Frankfurt am Main ; München [u.a.]
Diesterweg [u.a.]
1980
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| Ausgabe: | 1. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Arbeitsbücher Chemie
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| adam_text | Titel: Rechnen mit Größen in der Chemie
Autor: Brinkmann, Heinrich
Jahr: 1980
Inhaltsverzeichnis Teil 1 Einige Grundbegriffe ....................... 1 1.1 Was sind und weshalb gebraucht man Größen in den Naturwissenschaften? .... 1 1.1.1 Quantifizieren - ein Merkmal der Naturwissenschaften............ 1 1.1.2 Was sagt das Experiment? - Zur Entwicklung von Größengleichungen i$ er experimentell ermittelte Größenwerte ................... 3 1.1.3 Beispiele für das Rechnen mit Größengleichungen..............15 1.2 Wichtige Größen aus den Bereichen der Chemie und Physik ..........22 1.2.1 Zu den Begriffen «extensive» und «intensive» Größenarten..........22 1.2.2 Grundgrößenarten, Einheiten, Dimensionen ................23 1.2.2.1 Basisgrößenarten............................24 1.2.2.2 Einheiten ...............................25 1.2.2.3 Dimensionen..............................30 1.2.3 Abgeleitete Größenarten.........................31 1.2.3.1 Fläche, Volumen............................31 1.2.3.2 Dichte ................................32 1.2.3.3 Geschwindigkeit ............................32 1.2.3.4 Beschleunigung.............................33 1.2.3.5, Kraft.................................33 1.2.3.6 Druck ................................34 1.2.3.7 Energie, Arbeit............. 35 1.2.3.8 Leistung.(Energiestrom).........................38 1.2.3.9 Wirkung ...............................38 1.2.4 Zur experimentellen Ermittlung einiger physikalischer Größen ........39 1.2.4.1 Volumenbestimmung ..........................40 1.2.4.2 Massenbestimmung...........................41 1.2.4.3 Dichtebestimmung ...........................42 1.2.4.4 Druckbestimmung ...........................44 1.2.4.5 Temperaturmessung ..........................49 Übungsaufgaben ............................52 Teil 2 Zu den Größen, die besonders in der Chemie gebraucht werden ........................53 2.1 Stöchiometrische Gesetze im Lichte der modernen Größenlehre........53 2.1.1 Zu den Begriffen
Stoffportion, Menge, Anzahl ...............53 2.1.2 Einige wichtige experimentelle Befunde, die zur Atomtheorie führten......54 2.1.3 Daltonsche Atomtheorie.........................56 2.1.4 Empirische Formel . . . .........................59 2.2 Grundlagen für stöchiometrische Berechnungen ...............62 2.2.1 Reaktionsschema............................62 2.2.2 «Atommassen in Gramm»........................63 III
2.2.3 Teilchenmengen (Stoffmengen) ......................64 2.2.4 Formelkonstanten (Teilchenmengenbezogene Massen) ............66 2.2.5 Berechnung von Formelkonstanten ....................68 2.2.6 Teilchen, auf die in der Stöchiometrie häufig Bezug genommen wird......69 2.2.7 Zum Bezug von Stoffnamen und empirischen Formeln............70 2.2.8 Aufstellung eines Reaktionsschemas mit Hilfe von Oxidationszahlen......71 2.2.9 Äquivalente ..............................73 2.3 Beispiele zu den erläuterten stöchiometrischen Beziehungen ..........74 2.3.1 Berechnung von Teilchenmengen, Formelkonstanten und Massen.......75 2.3.2 Berechnung von Formeln und Reaktionsschemata..............76 2.3.3 Berechnungen an vorgegebenen Reaktionsschemata.............76 2.4 Zu den Begriffen «Atommasse», «Molekülmasse», «Grammatom» und «Molmasse» ............................78 Übungsaufgaben ............................80 2.5 Rechnen mit Anteilen, Konzentrationen und Molalitäten............83 2.5.1 Zu den Begriffen Anteil, Konzentration und Molalität............83 2.5.2 Anwendungsbeispiele für Massenanteile . .................87 2.5.2.1 Anwendung bei der Herstellung von Mischungen aus Reinstoffen .......87 2.5.2.2 Anwendung bei der Massenbestimmung mit Hilfe chemischer Reaktionen ... 88 2.5.2.3 Anwendung beim Verdünnen von Lösungen ................88 2.5.2.4 Anwendung beim Vermischen von Lösungen mit verschiedenem Massenanteil . . 89 2.5.2.5 Bestimmung des Massenanteils eines Elementes in einer Verbindung......91 2.5.2.6 Bestimmung der empirischen Formel einer Verbindung ...........92 2.5.3 Anwendungsbeispiel für Volumenanteile..................94 2.5.4 Anwendungsbeispiele für Massenkonzentrationen..............96 2.5.4.1 Berechnung der Massenkonzentration einer Lösung.............96 2.5.4.2 Anwendung bei der Herstellung von Lösungen ...............96 2.5.43 Anwendung bei der Massenbestimmung mit Hilfe chemischer
Reaktionen ... 96 2.5.4.4 Berechnung der Massenkonzentration an verschiedenen Stoffen in einer Lösung . 97 2.5.5 Anwendungsbeispiel für Volumenkonzentrationen..............97 2.5.6 Anwendungsbeispiele für Teilchenmengenkonzentrationen ..........98 2.5.6.1 Anwendung bei der Herstellung von Lösungen ...............99 2.5.6.2 Anwendung bei der Massen- und Konzentrationsbestimmung mit Hilfe chemischer Reaktionen ..............................99 2.5.63 Anwendung beim Verdünnen von Lösungen ................100 2.5.6.4 Berechnungen mit «Normallösungen»...................101 2.5.7 Umrechnung von Anteilen in Konzentrationen und umgekehrt ........104 2.5.7.1 Umrechnung von Massenanteilen in Massenkonzentrationen .........104 2 . 5 . 1.2 Umrechnung von Massenanteilen in Volumenkonzentrationen ........104 2.5.73 Umrechnung von Massenkonzentrationen in Teilchenmengenkonzentrationen . . 105 2.5.7.4 Umrechnung von Massenanteilen in Äquivalentmengenkonzentrationen .... 105 Übungsaufgaben ............................106 2.6 Größen, die die Auswirkung einer chemischen Reaktion beschreiben.......107 2.6.1 Das Massenwirkungsgesetz .......................107 2.6.2 Berechnung der Ausbeute bei einer chemischen Reaktion...........110 IV
2.6.3 Berechnung von pH-Werten .......................110 2.6.3.1 Berechnung von pH-Werten ohne Berücksichtigung von Massenwirkungskonstanten ..................................110 2.Ö.3.2 Berechnung von pH-Werten unter Berücksichtigung von Massenwirkungskonstanten ..................................113 Übungsaufgaben ............................115 Teil 3 Zur experimentellen Ermittlung einiger stöchiometrischer Größen ...............................116 3.1 Bestimmung von Massen-und Volumenverhältnissen bei chemischen Reaktionen . .116 3.1.1 Zum Gesetz von der Erhaltung der Masse.................116 3.1.2 Zum Gesetz der konstanten Massen-und Volumen Verhältnisse ........117 3.1.2.1 Bestimmung der Dichte von Gasen ....................117 3.1.2.2 Analyse und Synthese von Wasser ....................118 3.1.2.3 Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff..................120 3.1.3 Zum Gesetz der vielfachen Massenverhältnisse ...............123 3.2 Zur Bestimmung von Teilchenmengen, Formelkonstanten und Massen mit Hilfe der Gasgesetze...............................124 3.2.1 Die Zustandsgleichung idealer Gase («allgemeine Gasgleichung») .......124 3.2.1.1 Abhängigkeit des Volumens von der Temperatur ..............124 3.2.1.2 Abhängigkeit des Volumens vom Druck..................126 3.2.1.3 Abhängigkeit des Volumens von der Teilchenmenge.............126 3.2.1.4 Zusammenfassung der «Gasgesetze» ...................127 3.2.1.5 Zur Anwendung der erläuterten «Gasgesetze» ...............129 Übungsaufgaben............................130 3.2.2 Zum Dampfdruck des Wassers......................131 3.2.3 Zur Bestimmung der Formelkonstanten einer leicht verdampfbaren Flüssigkeit nach dem Prinzip der Luftverdrängung.....................133 3.2.4 Zur Bestimmung der Formelkonstanten von Metallen, die sich von Protonen oxidieren lassen.............................134 3.2.5 Zur Bestimmung der Formelkonstanten von Gasen mit
Hilfe der Ausströmungsgeschwindigkeit ..............................136 3.2.6 Zur Bestimmung der Formelkonstanten eines Gases mit Hilfe der Diffusionsgeschwindigkeit ..............................137 3.3 Zur Bestimmung der Formelkonstanten mit Hilfe der Gefrierpunktserniedrigung . 139 3.4 Zur experimentellen Bestimmung von Massen Uber chemische Reaktionen . . . .140 3.4.1 Zum Prinzip der quantitativen Analyse ..................140 3.4.2 Gravimetrie ..............................140 3.4.3 Volumetrie ..............................141 3.4.3.1 Neutralisationsanalysen.........................141 3.4.3.2 Redoxanalysen.............................142 3.4.3.3 Beispiel für eine Rücktitration ......................143 V
Teil 4 Versuchsbeschreibungeil .....................145 Versuch 1 Ableitung einer Größengleichung.....................145 Versuch 2 Das Gesetz von Boyle-Mariotte .....................146 Versuch 3 Barometermodell............................147 Versuch 4 Das Gesetz von Gay-Lussac.......................148 Versuch 5 Das Gesetz von der Erhaltung der Masse .................149 Versuch 6 Bestimmung der Dichte von Gasen ....................150 Versuch 7 Elektrolyse des Wassers.........................150 Versuch 8 Wassersynthese.............................151 Versuch 9 Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff..................152 Versuch 10 Das Gesetz der vielfachen Massenverhältnisse ...............153 Versuch 11 Die Abhängigkeit des Volumens einer Gasportion von der Teilchenmenge . . . 153 Versuch 12 Herstellung einer Lösung mit bestimmtem Massenanteil ...........154 Versuch 13 Bestimmung des Volumenanteils der Luft an Sauerstoff ...........155 Versuch 14 Herstellung einer Lösung mit bestimmter Massenkonzentration........156 Versuch 15 Herstellung einer «Normallösung» aus einer Lösung, deren Dichte und Massenanteil bekannt ist .............................157 Versuch 16 Bestimmung der Formelkonstanten einer leicht verdampfbaren Flüssigkeit (nach Malewski)........ 158 Versuch 17 Bestimmung der Formelkonstanten von Metallen, die sich von Protonen oxidieren lassen.................................159 Versuch 18 Bestimmung der Formelkonstanten von Gasen mit Hilfe der Auströmuungsge- schwindigkeit..............................160 Versuch 19 Bestimmung der Formelkonstanten bzw. der mittleren Geschwindigkeit eines Gases mit Hilfe der Diffusionsgeschwindigkeit...................161 Versuch 20 Bestimmung einer Formelkonstanten mit Hilfe der Gefrierpunktserniedrigung . .162 Versuch 21 Gravimetrische Analyse.........................163 Versuch 22 Neutralisationsanalyse..........................164 Versuch 23
Manganometrische Bestimmung der Masse einer Oxalsäureportion ......164 Versuch 24 Iodometrische Bestimmung der Masse einer Schwefeldioxidportion ......165 Anhang ....................................167 Aí Zu den mathematischen Grundlagen ....................167 Al.l Rechnen mit Potenzen .........................167 A 1.1.1 Zum Begriff Potenz............................167 A 1.1.2 Beispiel für das Rechnen mit Potenzen...................167 A 1.1.3 Erweiterung des Potenzbegriffes .....................168 A 1.1.4 Umwandlung von Zahlen in Zehnerpotenzen................168 A 1.1.5 Überschlagsrechnen...........................169 A 1.2 Rechnen mit Logarithmen........................169 A 1.2.1 Zum Begriff Logarithmus ........................169 A 1.2.2 Dekadische Logarithmen ........................171 A 1.2.3 Gebrauch einer Logarithmentafel.....................172 A 1.2.4 Anwendung von Logarithmen .................. 173 A 1.2.5 Natürliche Logarithmen.........................175 A1.3 Funktionsgleichung ersten Grades und ihre graphische Darstellung ......176 VI
A 1.3.1 Zum Begriff Funktion..........................176 A 1.3.2 Direkte Proportionalität.........................178 A 1.3.3 Reziproke Proportionalität........................179 A 1.3.4 Koordinatentransformation .......................180 A 1.4 Lösung von Gleichungen zweiten Grades mit einer Unbekannten .......182 A 1.5 Verknüpfung mehrerer Größengleichungen zu einer neuen ..........182 A 1.6 Fehlerbetrachtung, Ausgleichsrechnung ..................184 A2 Lösungen der Übungsaufgaben ......................188 Literaturverzeichnis...........................191 A3 Größen, Einheiten, Größengleichungen und Tabellen .............192 A3.1 Auswahl einiger Größen mit Einheiten und Größengleichungen........192 A3.2 Werte für konstante Größen.......................196 A3.3 Griechisches Alphabet..........................196 A3.4 Tabellen................................196 A 3.4.1 Umrechnungsfaktoren für Einheiten....................196 A 3.4.2 Barometrische Korrektion k .......................197 A 3.4.3 Sättigungsdampfdruck des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur .... 198 A3.5 Formelkonstanten der Elemente .....................199 VII
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