Grundlagen der Thermodynamik und des Chemischen Gleichgewichts

Aggregatzustände der Materie

• In Flüssigkeiten wie in Gasen gibt es keine innere Ordnung.
• Der Wechsel von der flüssigen in die Gasphase beinhaltet eine Reduktion der Entropie.
• Für ein Gasgemisch gilt: PA = P°BxH
• Das Avogadro-Gesetz besagt, dass V1N2 = V2N1

Innere Energie und Enthalpie

• Die Änderung der inneren Energie in einem Prozess bei konstantem Druck ist gleich der Reaktionswärme.
• Die Änderung der Enthalpie in einem Prozess bei konstantem Druck ist gleich der Reaktionswärme bei konstantem Volumen plus PΔV.
• Die Wärme, die in einem Prozess bei konstantem Volumen eingebracht wird, ist wegunabhängig.
• Im Allgemeinen verhält sich die Wärme, die bei einem isothermen Prozess eingebracht wird, wie eine Zustandsfunktion.

Freie Energie und Entropie

• Der Zustand der Spontaneität entspricht ΔG_System < 0 oder ΔS_Universum > 0.
• Ein Prozess mit ΔH_System < 0 und ΔS_System > 0 ist immer spontan.
• Ein Prozess mit ΔH_System < 0 kann nicht spontan sein, wenn ΔS_System < 0.
• Für einen spontanen Prozess muss die Entropie des Universums zunehmen.

Mischungen

• Eine Lösung von Glucose in Wasser hat einen höheren Dampfdruck als reines Wasser.
• Eine exotherme Lösung zeigt eine negative Abweichung vom Raoult'schen Gesetz.
• Eine Lösung, bei der die Wechselwirkungskräfte zwischen Stoff und Lösungsmittel niedriger sind als in den getrennten Komponenten, ist exotherm.
• Die ideale Lösung erfüllt das Raoult'sche Gesetz endotherm.

Chemisches Gleichgewicht: 2A + 3B ↔ 1/2 C

• Die Gleichgewichtskonstante ist: Kc = ([A]² [C]^1/2) / [B]³
• Wenn man das Gleichgewicht umkehrt, ergibt sich die Konstante: K'c = [C]^1/2 / ([A]² [B]³)
• Wenn die Koeffizienten durch 2 geteilt werden, ist die Konstante: K''c = ([A] [B]^3/2) / [C]
• Wenn das Gleichgewicht D + E ↔ 2.5 C ist, ist die globale Konstante: Kc''' = ([D] [E]²) / ([A]² [B]³)

Weitere Beispiele zum Chemischen Gleichgewicht

• 2 A (g) + B (s) ↔ C (g). Wenn der Gesamtdruck erhöht wird, verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts.
• A (s) + B (g) + 2 C (g) ↔ 1/2 D (g). Wenn der Partialdruck von D erhöht wird (bei konstantem Gesamtdruck), ist Qc > Kc und das Gleichgewicht verschiebt sich nach links.
• A (l) ↔ B (l) + C (l); ΔH > 0. Wenn die Temperatur erhöht wird, nimmt der Anteil von A zu.
• A (s) + B (s) ↔ 2 C (g). Wenn die Konzentration von A erhöht wird, ist Qc.

Beziehung zwischen P, V und T für Gase

• (P1/V1) = (P2/V2)
• V1T2 = V2T1
• V = a / P
• (V1/n2) = (V2/n1)

Phasenübergänge

• Ein Wechsel zu einer weniger geordneten Phase bedeutet, dass das System Wärme ausstrahlt.
• Ein Wechsel zu einer ungeordneteren Phase als die vorherige bedeutet, dass das System Wärme ausstrahlt.
• Während eines Phasenwechsels bleibt die Temperatur konstant.
• Im dynamischen Gleichgewicht Flüssig-Gas gilt: Je höher die Temperatur, desto niedriger der Dampfdruck.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik und Innere Energie

• ΔE eines Systems in einem bestimmten Prozess ist gleich der Änderung der Energie der Umgebung, aber mit umgekehrtem Vorzeichen.
• Wenn wir ein geschlossenes System betrachten, ist ΔE > 0.
• Die Änderung der inneren Energie in einem Prozess bei konstantem Druck ist gleich der Reaktionswärme bei konstantem Druck.
• Die Änderung der inneren Energie eines Prozesses ist unabhängig von der Anzahl der Schritte im Verlauf.

Enthalpie

• Sie ist eine Zustandsfunktion nur in Prozessen mit konstantem Druck.
• Sie hängt nur vom Zustand des Systems ab.
• In einem exothermen Prozess bei konstantem Druck ist die Enthalpie des Endzustands größer als die des ursprünglichen Zustands.
• Für einen isothermen Prozess, der ideale Gase betrifft, ist die Wärme bei konstantem Druck durch den Ausdruck gegeben: qp = qv + RTΔn.

Spontaneität der Prozesse

• In einem irreversiblen Prozess erhöht sich die Entropie des Systems immer.
• In einem Prozess im Gleichgewicht ist die Entropie des Systems gleich der der Umgebung.
• Die Entropie eines Prozesses ist gleich der Summe der Entropieänderungen der Teilprozesse.
• Für ein System kann ein spontaner endothermer Vorgang stattfinden, wenn ΔS_System > 0 erfüllt ist.