Was ist eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff:
2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O + Wärme & Licht
Wasserstoff wird oxidiert:
2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
Sauerstoff wird reduziert:
4e⁻ + O₂ + 2H₂O → 4OH⁻
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| Term | Definition |
|---|---|
| Was ist eine Brennstoffzelle? | Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O + Wärme & Licht Wasserstoff wird oxidiert: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻ Sauerstoff wird reduziert: 4e⁻ + O₂ + 2H₂O → 4OH⁻ |
| Was ist Energie? | Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten oder Wärme zu übertragen. |
| Was ist Wärme? | Wärme ist eine Form von Energie, die zwischen zwei Objekten aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen wird. |
| Was ist potentielle Energie? | - Potentielle Energie ist Energie, die ein unbeweglicher Körper aufgrund seiner Position besitzt (z. B. ein Mensch auf dem Sprungbrett). - Positive und negative Ionen ziehen sich an. Wenn sich Ionen annähern, sinkt ihre potentielle Energie, wodurch sich Atome verbinden können. |
| Was ist kinetische Energie? | Kinetische Energie ist Bewegungsenergie (z. B. ein Mensch springt vom Sprungbrett). |
| Was ist innere Energie? | Innere Energie (U) ist die Summe aus potentieller Energie (PE) und kinetischer Energie (KE) der Teilchen. |
| Wovon hängt die innere Energie ab? | Von Anzahl und Art der Teilchen sowie von der Temperatur und dem Aggregatzustand. Je höher die Temperatur, desto höher die innere Energie. |
| Was ist Thermodynamik? | Die Thermodynamik ist die Wissenschaft vom Energietransfer, besonders in Form von Wärme. |
| Wie wird Wärmeenergie in der Thermodynamik beschrieben? | Wärmeenergie steht mit molekularen Bewegungen in Verbindung und wird übertragen, bis thermisches Gleichgewicht erreicht ist. |
| Wie kann übertragene Wärmeenergie gemessen werden? | Über die Temperaturänderung ΔT (Delta T). |
| System | untersuchte Objekt |
| Umgebung | alles außerhalb des Systems |
| in welche Richtung wird Energie als Wärme übertragen? | Energie wird immer vom wärmeren Objekt zum kühleren Objekt übertragen. |
| Was bedeutet exotherm? | Exotherm bedeutet: Energie wird vom System an die Umgebung abgegeben (Energie wird freigesetzt). |
| Was bedeutet endotherm? | Endotherm bedeutet: Energie wird aus der Umgebung vom System aufgenommen (Energie wird benötigt). |
| Gesetz der Erhaltung der Energie | Die Gesamtenergie einer chemischen Reaktion bleibt immer unverändert. |
| Energieerhaltung bei chemischen Reaktionen (PE & KE) | Ist die potentielle Energie der Produkte kleiner als die der Reaktanten, wird die Differenz als kinetische Energie frei → Temperatur steigt. |
| Zusammenhang zwischen PE, KE und Temperatur | Sinkt die potentielle Energie des Systems, steigt die kinetische Energie → Erhöhung der Temperatur. |
| Definition einer Kalorie und Umrechnung in Joule | 1 Kalorie ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1,00 g Wasser um 1,0 °C zu erwärmen. 1 cal = 4,184 J |
| Was ist Wärmekapazität? | Die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur eines Körpers um 1 °C zu erhöhen. |
| Was beschreibt die spezifische Wärmekapazität? | Sie gibt an, wie viel Energie bei einem Temperaturunterschied übertragen wird (gewonnen oder verloren). Sie gibt an, wie viel Energie ein Stoff pro Gramm und Kelvin aufnimmt oder abgibt. |
| Wovon hängt die übertragene Wärme q ab? | Von der Masse der Probe, der Temperaturänderung und der spezifischen Wärmekapazität. |
| Formel für die spezifische Wärmekapazität | c = q / (m · ΔT) |
| Spezifische Wärmekapazität von Wasser | c(Wasser) = 4,184 J / (g · K) |
| Was passiert bei einem Aggregatzustandswechsel? | Beim Schmelzen oder Verdampfen wird Energie benötigt, obwohl die Temperatur konstant bleibt. |
| Was ist Schmelzwärme? | Die Energie, die benötigt wird, um einen Stoff vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen (z. B. Eis → Wasser). |
| Was ist Dampfwärme (Verdampfungswärme)? | Die Energie, die benötigt wird, um eine Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand zu überführen (Wasser → Dampf) |
| Warum bleibt die Temperatur beim Schmelzen konstant? | Die zugeführte Energie wird für den Aggregatzustandswechsel genutzt, nicht zur Temperaturerhöhung. |
| Formel für die Schmelzwärme | q = Schmelzwärme · Masse (g) |
| Warum friert man nach dem Schwimmen? | Wasser verdampft auf der Haut und entzieht dem Körper Verdampfungswärme → Abkühlung. |
| Warum eignet sich Wasser zum Feuerlöschen? | Wegen seiner hohen spezifischen Wärmekapazität und hohen Verdampfungswärme nimmt es viel Energie auf. |
| Warum ist ein Temperatur-Diagramm bei Aufgaben hilfreich? | Es zeigt die einzelnen Phasen und hilft zu erkennen, wie viele Rechenschritte nötig sind. |
| Temperaturänderung ΔT | ΔT = TEnde − TAnfang (K oder °C sind gleichwertig) |
| Formel für die übertragene Wärme q | q = c · m · ΔT |
| Bedeutung des Vorzeichens von q | q > 0 → Energie wird aufgenommen q < 0 → Energie wird abgegeben |
| Wärmeaustausch zwischen zwei Stoffen | q(Stoff 1) + q(Stoff 2) = 0 |
| wann wird Wasser zu eis | bei 0 grad celsius |
| wann wird Wasser zu dampf | bei 100 grad celsius |
| Schritte: Eis zu Dampf bei 100 °C | 1. Diagramm zeichnen 2. qEis = m · 333 J/g 2. qWasser = m · 4,184 · ΔT 3. qDampf = m · 2260 J/g 4. qGesamt = qEis + qWasser + qDampf |
| Chemische Reaktivität | Die Fähigkeit von Stoffen, chemisch zu reagieren; beschrieben durch Thermodynamik und Kinetik. |
| Was bedeutet produktbevorzugend? | Reaktanten werden fast vollständig zu Produkten umgesetzt (z. B. Verbrennungen). |
| Warum sind exotherme Reaktionen produktbevorzugend? | Sie geben Energie an die Umgebung ab und erreichen kein Gleichgewicht. |
| Antreibende Kräfte produktbevorzugender Reaktionen | Fällungsbildung, Gasbildung, Wasserbildung (Säure-Base), Elektronenübertragung (Batterie). |
| Eigenschaften gasförmiger Moleküle | Hohe kinetische Energie, leisten Volumenarbeit und verdrängen Umgebungsluft. |
| Änderung der inneren Energie bei fest → gasförmig | ΔU = U(Gas) − U(Feststoff) |
| Erster Hauptsatz der Thermodynamik | ΔU = q + w (Energie wird konserviert) ΔU = Energieänderung q = Wärme w = Arbeit |
| Vorzeichenkonvention bei q und w | +q endotherm | −q exotherm +w Arbeit hinein | −w Arbeit hinaus |
| Was ist Enthalpie (H)? | Enthalpie ist der Wärmeinhalt eines Systems bei konstantem Druck. |
| Zusammenhang zwischen ΔU und ΔH | ΔU = ΔH + w (w meist sehr klein) |
| Definition der Enthalpieänderung | ΔH = HEnde − HAnfang |
| Vorzeichen von ΔH | ΔH > 0 → endotherm ΔH < 0 → exotherm |
| Energie im Reaktionsschema | Energie auf Produktseite → exotherm Energie auf Eduktseite → endotherm |
| Satz von Hess | Der Satz von Hess (Gesetz der konstanten Wärmesummen) besagt: Die Enthalpieänderung einer Gesamtreaktion ist die Summe der Enthalpieänderungen der Teilreaktionen. |
| Mathematische Form des Satzes von Hess | ΔrH₃ = ΔrH₁ + ΔrH₂ |
| Was bedeutet ΔrH? | ΔrH ist die Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion. |
| Was sind Standard-Bildungsenthalpien (ΔfH°)? | Die Enthalpieänderung bei der Bildung von 1 mol einer Verbindung aus ihren Elementen im Standardzustand unter Standardbedingungen: p = 1 atm = 101,3 kPa c = 1 mol/L T = 25 °C |
| Was ist der Standardzustand eines Elements? | Die stabilste Form eines Elements bei Standardbedingungen (z. B. C als Graphit, O₂ als Gas). |
| Standard-Bildungsenthalpie von Elementen | Für Elemente im Standardzustand gilt: ΔfH° = 0 |
| Zusammenhang zwischen Stoffmenge und Energie | Doppelte Stoffmenge (mol) → doppelte Enthalpieänderung |
| Was passiert bei Umkehrung einer Reaktion? | Das Vorzeichen der Enthalpieänderung ändert sich. |
| Warum sind Brüche (½, ⅓ …) erlaubt? | Weil sich Standard-Bildungsenthalpien immer auf 1 mol beziehen. |
| Warum sind Aggregatzustände wichtig? | Die Enthalpie hängt vom Aggregatzustand ab (z. B. H₂O(l) ≠ H₂O(g)). |
| Berechnung von ΔrH° mit Bildungsenthalpien | ΔrH° = Σ ΔfH°(Produkte) − Σ ΔfH°(Edukte) |
| Was ist ein Kalorimeter/Bombenkalorimeter? | - Ein Gerät zur Messung der bei einer Reaktion freiwerdenden oder aufgenommenen Wärme. - Kalorimeter mit konstantem Volumen, in dem eine Probe verbrannt wird. - Die Änderung der inneren Energie ΔU über die Temperaturerhöhung wird gemessen. |
| Wärmeaufnahme des Wassers im Kalorimeter | q(Wasser) = c(Wasser) · m(Wasser) · ΔT |
| Wärmeaufnahme der Bombe | q(Bombe) = C(Bombe) · ΔT (C = Wärmekapazität der Bombe in J/K) |
| Gesamtwärme im Kalorimeter | q(Gesamt) = q(Wasser) + q(Bombe) |
| Vorgehen: Reaktionsenthalpie berechnen (Hess) | 1. Enthalpien müssen gegeben sein 2. Enthalpien addieren 3. Richtungsänderungen beachten (Vorzeichen!) H₂O → H₂(g) + O₂(g) ⇒ ΔH wird negativ |
| Was ist Verbrennungswärme? | Die Enthalpieänderung bei vollständiger Verbrennung eines Stoffes. |
| Voraussetzungen zur Berechnung der Verbrennungswärme | Alle Standard-Bildungsenthalpien müssen bekannt sein. |
| Formel für Verbrennungsenthalpie | ΔrH° = Σ ΔfH°(Produkte) − Σ ΔfH°(Edukte) |
| Energie bei Verbrennung im Kalorimeter berechnen | 1. q(Wasser) berechnen 2. q(Bombe) berechnen 3. q(Gesamt) = q(Wasser) + q(Bombe) |
| Elemente im Standardzustand Regeln | Regeln: - Metalle → fest (s), außer Hg → flüssig - Nichtmetalle → meist diatomar gasförmig (H₂, O₂, N₂, Cl₂, …) - Schwefel & Phosphor → stabile allotrope Form (S rhombisch, P weiß oder rot, fest) - Kohlenstoff → Graphit (s) - Flüssige Nichtmetalle: Br₂(l) diatomisch: "BrINClHOF" |