Aufgaben: Gitterenergie, Solvatationsenergie und Lösungsenthalpie

Natriumchlorid $\mathrm{NaCl}$ bildet ein Ionengitter aus $\mathrm{Na^+}$- und $\mathrm{Cl^-}$-Ionen.

1. a) Beschreiben Sie den Aufbau des Ionengitters von Natriumchlorid (Art der Teilchen, Anordnung, Art der wirkenden Kräfte).
2. b) Erklären Sie, warum ein Natriumchlorid-Kristall spröde ist.

Beim Lösen von Salzen in Wasser müssen Ionen aus dem Gitter gelöst und von Wassermolekülen umgeben werden.

1. a) Definieren Sie die Begriffe Gitterenergie und Solvatationsenergie (Hydratationsenergie).
2. b) Erläutern Sie, welches Vorzeichen die Energieänderung beim Zerstören des Gitters und beim Hydratisieren der Ionen jeweils hat.

Beim Lösen von $\mathrm{NH_4NO_3}$ in Wasser sinkt die Temperatur der Lösung, beim Lösen von $\mathrm{CaCl_2}$ steigt sie.

1. a) Ordnen Sie beide Lösungsvorgänge als endotherm oder exotherm ein.
2. b) Geben Sie an, wie sich bei beiden Salzen jeweils der Betrag der Gitterenergie zum Betrag der Solvatationsenergie verhält.

Für Natriumhydroxid gelten bei der Betrachtung des Lösungsvorgangs folgende Werte: Gitterenergie $+ 887\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, Solvatationsenergie (alle Ionen zusammen) $- 932\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$.

1. a) Berechnen Sie die molare Lösungsenthalpie von $\mathrm{NaOH}$.
2. b) Berechnen Sie die Wärme, die beim Lösen von $10{,}0\,\text{g}$ $\mathrm{NaOH}$ ($M = 40{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) frei wird.
3. c) Berechnen Sie die Temperaturerhöhung in $200\,\text{g}$ Wasser ($c = 4{,}19\,\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$), wenn die Wärme vollständig vom Wasser aufgenommen wird.

Eine Kühlpackung (Kompresse) für Sportverletzungen enthält Ammoniumnitrat und ein getrennt verpacktes Wasserbeutelchen. Für $\mathrm{NH_4NO_3}$ beträgt die molare Lösungsenthalpie $+ 25{,}7\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$.

1. a) Erklären Sie das Funktionsprinzip der Kühlpackung auf Teilchenebene.
2. b) Berechnen Sie die aufgenommene Wärme, wenn $40{,}0\,\text{g}$ $\mathrm{NH_4NO_3}$ ($M = 80{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) gelöst werden.
3. c) Berechnen Sie die Temperaturabnahme von $100\,\text{g}$ Wasser ($c = 4{,}19\,\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$).

Magnesiumoxid ($\mathrm{Mg^{2+}}$, $\mathrm{O^{2-}}$) schmilzt bei etwa $2.800\,^{\circ}\text{C}$, Natriumchlorid bei $801\,^{\circ}\text{C}$.

1. a) Begründen Sie den Unterschied der Schmelztemperaturen mithilfe von Ionenladung und Ionenradius.
2. b) Erklären Sie, warum Magnesiumoxid trotz sehr hoher Gitterenergie in Wasser praktisch unlöslich ist, Natriumchlorid dagegen gut löslich.

Die Lösungsenthalpie allein bestimmt nicht, ob sich ein Salz löst. Ammoniumnitrat löst sich bei $20\,^{\circ}\text{C}$ gut in Wasser, obwohl der Vorgang endotherm ist.

1. a) Erläutern Sie, welche zweite Größe neben der Enthalpie für die Freiwilligkeit des Lösungsvorgangs maßgeblich ist.
2. b) Begründen Sie, warum der Lösungsvorgang trotz positiver Lösungsenthalpie abläuft.
3. c) Sagen Sie begründet voraus, wie sich die Löslichkeit von Ammoniumnitrat mit steigender Temperatur ändert.

Für Lithiumchlorid und Kaliumchlorid sind Gitterenergie und Hydratationsenergie (in $\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$) gegeben:

LiCl: Gitterenergie $+ 853$, Hydratationsenergie $- 884$

KCl: Gitterenergie $+ 701$, Hydratationsenergie $- 685$

1. a) Berechnen Sie die Lösungsenthalpien beider Salze und ordnen Sie diese als exo- oder endotherm ein.
2. b) Erklären Sie, warum die Hydratationsenergie von $\mathrm{Li^+}$ betragsmäßig deutlich größer ist als die von $\mathrm{K^+}$.
3. c) Beurteilen Sie, welches der beiden Salze sich zur Herstellung einer Kältemischung eignet.

Ein Schüler löst in einem Kalorimeter ($C_{\text{Kal}} = 85\,\text{J}\cdot\text{K}^{-1}$) $5{,}35\,\text{g}$ Ammoniumchlorid ($M = 53{,}5\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) in $100{,}0\,\text{g}$ Wasser ($c = 4{,}19\,\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$). Die Temperatur sinkt von $21{,}0\,^{\circ}\text{C}$ auf $18{,}2\,^{\circ}\text{C}$.

1. a) Berechnen Sie die molare Lösungsenthalpie von Ammoniumchlorid.
2. b) Der Literaturwert beträgt $+ 14{,}8\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$. Berechnen Sie die relative Abweichung und nennen Sie zwei mögliche Fehlerquellen.
3. c) Erklären Sie, warum die Masse der Lösung nicht exakt $100{,}0\,\text{g}$ beträgt und welchen Einfluss das auf das Ergebnis hat.