Übungsaufgaben zur Qualitativen Analyse. 21. Warum sind +III und +V die stabilsten Oxidationsstufen von Phosphor? Geben Sie jeweils ein Beispiel an!

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1 Übungsaufgaben zur Qualitativen Analyse 21. Warum sind +III und +V die stabilsten Oxidationsstufen von Phosphor? Geben Sie jeweils ein Beispiel an! P +III [Ne] 3s 2 z.b. PCl 3 P +V [Ne] z.b. PF 5, P 2 O 5 Die Elektronenkonfiguration von III- und V-wertigem Phosphor sorgt für die Stabilität 22. Welche Substanz entsteht beim erhitzen von Magnesiumammoniumphosphat? Welcher Reaktionstyp liegt hier vor? 2 Mg(NH 4 )PO 4 T Mg 2 P 2 O NH 3 + H 2 O Es handelt sich um eine Kondensationsreaktion (Abspaltung eines Moleküls aus dem Edukt) 23. Auf welcher chemischen Reaktion basiert die technische Herstellung von Schwefelsäure? V 2 O 5 H S + O 2 SO 2 SO 2 O O 3 H 2 SO 4 2 Es handelt sich um die katalytische Oxidation von SO 2 zu SO Wie lässt sich das Element Eisen technisch aus Eisenoxid herstellen? Durch Reduktion mit Kohlenmonoxid: Fe 2 O CO C Fe + 3 CO 2

2 25. Erläutern Sie den Aufbau der in der Natur vorkommenden Modifikationen des Kohlenstoffs! Diamant C ist sp 3 -hybridisiert Raumnetzstruktur Hart Farblos Kubisch Große Bandlücke Isolator Graphit C ist sp 2 hybridisert, Delokalisation über p z Orbitale Schichtstruktur Weich Schwarz Hexagonal Kleine Bandlücke 2-dim elektrischer Leiter Dichte: 3,51 g/cm 3 Dichte: 2,26 g/cm a) Erläutern Sie die Begriffe Säure und Base nach der Bronstedt-Theorie b) Wie verhalten sich wässrige von Natriumacetat, Ammoniumchlorid bzw. Calciumchlorid: Neutral, sauer oder alkalisch? Reaktionsgleichungen angeben! a) Eine Säure ist ein Protonendonator (gibt leicht Protonen ab) Eine Base ist ein Protonenakzeptor (nimmt leicht Protonen auf) b) Natriumacetat: Na + CH 3 COO - + H 2 O Na + + CH 3 COOH + OH - (alkalisch) Ammoniumchlorid: NH 4 Cl + H 2 O NH 3 + Cl - + H 3 O + (sauer) Calciumchlorid: CaCl 2 + H 2 O Ca Cl - + H 2 O (neutral)

3 27. a) Definieren Sie die Begriffe Gitterenergie und Hydratationsenergie! b) Erklären Sie mit Hilfe dieser Begriffe, warum NaCl leicht löslich und AgCl schwerlöslich ist! a) Gitterenergie: Energie, die frei wird, wenn sich ein Kristall aus Ionen in der Gasphase aufbaut. Hydratationsenergie: Energie, die frei oder verbraucht wird, wenn ein Kristall in Wasser aufgelöst wird. b) NaCl ist leicht löslich, weil die Hydratationsenergie größer als die Gitterenergie ist. AgCl ist hingegen schwerlöslich, da hier die Gitterenergie größer als die Hydratationsenergie ist. Ag + lässt sich leicht reduzieren: Ag + + e - Ag 0 Dadurch bildet Ag im Ag-Cl eine starke kovalente Bindung aus hohe Gitterenergie 28. Wie reagieren Alkalimetalle mit Wasser? Reaktionsgleichungen angeben! 2 M + 2 H 2 O 2 MOH + H 2 (M = Li, Na, K, Rb, Sc) 29. Wie kann man mit Hilfe der Flammenfärbung Kalium neben Natrium nachweisen Na + gelbe Flammenfärbung und nm K + violette Flammenfärbung 404 und 768 nm Blaues Kobaltglas absorbiert gelbe Na + -Linie 30. Warum werden die Reaktionen von Ammonium zusammen mit denen von Kalium und Natrium behandelt? NH + 4 und K + besitzen die gleiche Ionenladungsdichte und reagieren daher sehr ähnlich, die Na + - und K + -Verbindungen, NH 4 -Verbindungen sind jedoch wesentlich instabiler! z. B. Reaktionen mit Chloratanionen:

4 NH ClO 4 - NH 4 ClO 4 (explosiv) K + + ClO 4 - KClO 4 (stabil) 31. Worauf beruht der Nachweis von Ammonium mit Natron- oder Kalilauge? NaOH und KOH sind starke Basen und verdrängen die schwächere Base NH 3 NH OH - NH 3 + H 2 O Blaukreuzprobe: NH 3 + H 2 O NH OH - (färbt Indikatorpapier blau) 32. Wie ändert sich die Löslichkeit folgender Salze der Erdalkalimetalle? a) Sulfate, b) Hydroxide, c) Chromate, d) Carbonate? Für die Löslichkeit von Salzen spielen folgende Faktoren eine Rolle - Gitterenergie: Ionenradienverhältnis, absolute Ionenladung - Hydratatsionsenthalpie: Ionenradius bzw. Ionenladungsdichte a) Sulfate: MgSO 4 CaSO 4 SrSO 4 BaSO 4 Löslichkeit Hydratationsenergie ist hier entscheidend, d.h. bei kleineren Ionen (Mg 2+ ) steigt die Hydratationsenergie an b) Hydroxide Mg(OH) 2 Ca(OH) 2 Sr(OH) 2 Ba(OH) 2 Löslichkeit Hier ist die Hydratationsenergie der OH - -Ionen und das Ionenradienverhältnis der Kationen zu Anionen entscheidend

5 c) Chromate MgCrO 4 > CaCrO 4 > SrCrO 4 > BaCrO 4 Hydratationsenergie der Kationen und das Ionenradienverhältnis ist entscheidend, Mg 2+ höchste Hydratationsenergie hat d) Carbonate MgCO 3 > CaCO 3 > SrCO 3 > BaCO 3 Hydratationsenergie der Kationen und das Ionenradienverhältnis ist entscheidend, Mg 2+ höchste Hydratationsenergie hat 33. Beim Glühen von Calciumoxalat entstehen CO und CO 2. Erklären Sie diese Beobachtung über die Oxidationszahlen des Kohlenstoffs im Oxalat! Es handelt sich um eine Disproportionierungsreaktion: +III +IV +II CaC 2 O 4 CaO + CO + CO 2 - e - (oxid.) + e - (red.) 34. Warum muss der Nachweis von Mg 2+ als MgNH 4 PO 4 aus ammoniakalischer Lösung erfolgen? Da das Dissoziationsgleichgewicht von H 3 PO 4 in ammonialkalischer Lösung vollständig auf der Seite von PO 3-4 liegt. H 3 PO 4 + H 2 O H 2 PO H 3 O + H 2 PO H 2 O HPO H 3 O + HPO H 2 O PO H 3 O +

6 Mg 2+ + PO NH 4 + Mg(NH 4)PO 4

7 35. Warum fällt bei Zugabe von NH 4 Cl und NH 3 zu einer wässrigen Mg 2+ -Lösung kein Mg(OH) 2 aus? (Massenwirkungsgesetz) Eine Mischung aus NH 3 und NH 4 Cl wirkt als Puffer, daher ist der ph-wert mit 9.25 zu niedrig, um Mg(OH) 2 zu fällen (ph = 12!) Mg OH - ph 12 Mg(OH) Was entsteht beim behandeln von a) SnS, SnS 2 b) As 2 S 3, As 2 S 5 c) Sb 2 S 3, Sb 2 S 5 d) CuS e) PbS f) HgS mit LiOH/KNO 3 -Lösung? Was passiert beim Wiederansäuern der? a) Bildung von löslichen Thiooxostannaten: SnS + 2 OH - [SnSO] 2- + H 2 O SnS OH - [SnS 2 O] 2- + H 2 O Durch NO 3 - kann Sn +2 zu Sn +4 oxidiert werden: SnS + 2 OH - LiOH / NO 3 [SnS 2 O] 2- + H 2 O b) Bildung von Thioarsenaten und Arsenaten As 2 S OH - LiOH / NO 3 [AsOS 2 ] 3- + [AsO 2 S] H 2 O As 2 S OH - LiOH / NO 3 [AsS 4 ] 3- + [AsO 4 ] H 2 O + H 2 S c) Bildung von Thioantimonaten und Antimonaten Sb 2 S OH - LiOH / NO 3 [SbOS 2 ] 3- + [SbO 2 S] H 2 O Sb 2 S OH - LiOH / NO 3 [SbS 4 ] 3- + [SbO 4 ] H 2 O + H 2 S d-f) CuS, PbS und HgS sind in LiOH/NO 3 - unlöslich Beim Ansäuern mit HCl kommt es zur Rückreaktion

8 37. Was entsteht bei der Reaktion von Boraten mit Alkoholen in Gegenwart einer Säure? Bildung von Borsäuretrialkylester H 3 BO R-OH B(OR) H 2 O Verbrennung mit grüner Flamme 38. Was versteht man unter der Leuchtprobe? Die Leuchtprobe basier auf der Lumineszenz des s 2 -Ions Sn 2+ (5s-5p-Übergang) Sn Cl - SnCl 2 (g) SnCl 2 (g) T * SnCl 2 * h SnCl Welche Vorprobe eignet sich zum Nachweis von As und Sb? Welches leider nicht eindeutige Kriterium deutet an, ob As oder Sb vorliegt Marsh sche Probe: AsO 4 3- (aq) + Zn(s) T AsH 3 (g) + Zn 2+ (aq) Beim Verbrennen von AsH 3 bzw. SbH 3 schlägt sich an kalten glatten Oberflächen ein As- bzw. Sb- Spiegel nieder. Der Arsenspiegel lässt sich durch ammoniakalische H 2 O 2 -Lösung auflösen: 2 As + 5 H 2 O NH 3 2 AsO NH H 2 O dagegen der Antimonspiegel nicht. 40. Eine Lösung enthält Sb 3+ und Pb 2+. Beschreiben Sie mit Hilfe von Reaktionsgleichungen, wie Sie die Ionen voneinander trennen und nachweisen können! Trennung: Pb 2+ + Sb Cl - PbCl 2 + Sb 3+

9 Nachweise: a) PbCl 2 + H 2 O(heiß) Pb Cl - Pb 2+ + CrO 4 2- PbCrO 4 (gelb) b) Sb 3+ kann mit der Marsh'schen Probe nachgewiesen werden. 41. Eine Lösung enthält Cu 2+, Sb 3+ und Bi 3+. Beschreiben Sie mit Hilfe von Reaktionsgleichungen, wie Sie die Ionen voneinander trennen und nachweisen können! Siehe Skript! 42. Eine salpetersaure Lösung enthält Pb 2+ und Cu 2+. Beschreiben Sie mit Hilfe von Reaktionsgleichungen, wie Sie diese Ionen trennen und qualitativ nachweisen können! Siehe Skript! 43. Warum löst sich Aluminium in Natronlauge und Salzsäure, aber nicht in Wasser? Wie nennt man diesen Effekt und bei welchen Metallen tritt dies noch auf? Aluminium hat amphoteren Charakter: [Al(H 2 O) 6 ] 3+ H O 3 Al(OH) OH 3 [Al(OH) 4 ] - Zn 2+ ist ebenfalls ein amphoter: Zn 2+ H O 3 Zn(OH) OH 2 [Zn(OH) 4 ] In welcher Form liegen die entsprechenden Ionen in stark alkalischer bzw. stark saurer Lösung vor? Es handelt sich um Aqua- bzw. Hydroxokomplexe

10 45. Warum fällt Al(OH) 3 aus NH 3 und NH 4 Cl versetzten aus, nicht aber Mg(OH) 2? Al 3+ NH 3 NH 4 H O Cl 2 Al(OH) 3 Al(OH) 3 fällt aufgrund der höheren Ionenladungsdichte (370 C/mm 3 ) von Al 3+ bereits bei ph 9,25 aus (r Al 3+ -Ion 68 pm) Mg 2+ NH 3 NH 4 H O Cl 2 Mg 2+ ph 1112 Mg(OH) 2 Mg 2+ hat eine niedrigere Ionenladungsdichte als Al 3+ (120 C/mm 3 ) und fällt daher erst bei ph (r Mg 2+ -Ion 86 pm) 46. Wie nennt man Hydroxide, die sich sowohl in Laugen wie auch in Säuren lösen? Amphoter 47. Wie ändert sich die Säure- bzw. Basenstärke innerhalb einer Periode, innerhalb einer Gruppe, in Abhängigkeit von der Oxidationszahl? P 5+ Alkalität As 5+ Sb 5+ Bi 3+/5+ Acidität Mit steigendem Ionenradius nimmt die Alkalität zu, da die schweren Ionen mit niedriger Ionenladungsdichte weniger negative Ladung von den umgebenden Sauerstoffionen abziehen. Dadurch erhöht sich die neg. Ladungsdichte auf den Sauerstoffionen und damit deren nukleophiler Charakter.

11 Cr 2+ Cr(OH) 2 Cr 3+ Cr(OH) 3 Alkalität Cr 6+ CrO 4 - Mit höherer Oxidationszahl nimmt die Alkalität ab, da Ionen mit höherer Ladung stärker die umgebenden Sauerstoffionen polarisieren (Ladung abziehen) und damit die Ladungsdichte auf den Sauerstoffionen sinkt. 48. Welches der Cyanoferrate ergibt mit Fe 2+, welches mit Fe 3+ Berliner Blau? Fe 3+ + K 4 Fe(CN) 6 (gelbes Blutlaugensalz) Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 Fe 2+ + K 3 Fe(CN) 6 (rotes Blutlaugensalz) Fe 4 [Fe(CN) 6 ] Was besagt die Endung "-at" in Chromat, Sulfat, Nitrat, Carbonat? Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Oxidation von HBr mit K 2 Cr 2 O 7 in saurer Lösung. Warum lässt sich Cr 3+ in alkalischer Lösung mit Br 2 zu Chromat oxidieren? Endung -at bedeutet, dass das Zentralatom die jeweils höchstmögliche Oxidationsstufe besitzt. Nitrat N +V - O 3 Phosphat P +V 2- O 4 Sulfat S +VI 2- O 4 Chromat Cr +VI 2- O 4 Oxidation von HBr durch K 2 Cr 2 O 7 Redoxsystem I: Cr VI 2O e - 2 Cr 3+ /x 1 Redoxsystem II: 2 Br - Br e - /x 3 Redoxgleichung: Cr 2 O H Br - 2 Cr Br H 2 O Oxidation von Cr 3+ zu CrO 2-4 durch Br 2 Durch die geringe H-Ionenkonzentration sinkt die Oxidationskraft von Chromat: Redoxsystem I: 2 Cr 3+ 2 Cr VI 2- O e - /x 2 Redoxsystem II: Br e - 2 Br - /x 3 Redoxgleichung: 2 Cr Br OH CrO Br H 2 O

12 50. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Oxidation von Cr 3+ mit H 2 O 2 in alkalischer Lösung! -I 2 Cr H 2 O OH - 2 CrO H 2 O +VI + 3 e - + e Welche Reaktionen eignen sich zum Nachweis von Co, Ni, Mn? Co 2+ lässt sich mit Thiocyanat (SCN - ) nachweisen: Co SCN - Co(SCN) 2 (löst sich blau in Amylalkohol) Ni 2+ über die Fällung mit Dimethylglyoxim: Ni H 2 dmg + 2 OH - [Ni(Hdmg) 2 ] + 2 H 2 O Mn 2+ über Oxidation zu MnO 4 - : 2 Mn PbO H + 5 Pb MnO H 2 O 52. In welchen Wertigkeitsstufen kommt Mangan vor? Mangan spielt in vielen biologischen Prozessen eine Rolle und ist daher ein wichtiges Spurenelement 2+, 3+, 4+, 5+, 6+, 7+ Es kommt in vielen Oxidationsstufen vor, z.b. Mn 53. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Oxidation von H 2 O 2 mit KMnO 4 in saurer Lösung! 2 KMnO H 2 O H + 2 Mn O K H 2 O

13 54. Welche Verbindung bildet sich bei der Reduktion von KMnO 4 in alkalischer Lösung, zum Beispiel mit H 2 O 2 oder Mn 2+? (Reaktionsgleichung angeben!) MnO 2 bzw. MnO(OH) 2 (Braunstein) 55. Die wässrige Lösung einer grünlich (a) gefärbten Substanz wird in zwei Teile geteilt. Beim Versetzen eines Teils mit BaCl 2 -Lösung fällt ein weißer, in Säuren unlöslicher Niederschlag (b) aus. Der zweite Teil wird in eine stark alkalische Lösung, die H 2 O 2 enthält, gegossen und aufgekocht. Der braune Niederschlag, der sich hierbei gebildet hat (c), ist in Salzsäure löslich (d). Nach Zugabe von KSCN fällt ein roter Niederschlag aus (e) dieser Lösung aus. Um welche Substanz handelt es sich? Geben Sie die Reaktionsgleichungen zu den genannten Vorgängen an! a) Es kann sich um eine Ni 2+ -, Fe 2+ - oder Cu 2+ -Lösung handeln (b) Ba 2+ + SO 4 2- BaSO 4 (s) (c) Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ Fe OH - Fe(OH) 3 (brauner Niederschlag) d) Fe(OH) HCl Fe Cl H 2 O e) Fe SCN - Fe(SCN) Wie kann man die folgenden Kationen qualitativ nachweisen? (Reaktionsgleichungangeben!) a) Fe 3+ b) Zn 2+ c) Mn 2+ d) Ba 2+ a) Fe SCN - Fe(SCN) 3 b) ZnO + Co 2 O 3 ZnCo 2 O 4 (Rinmannsgrün) c) 2 Mn PbO H + 5 Pb MnO H 2 O (Bildung einer violetten MnO 4 - -Lösung)

14 d) Ba 2+ + SO 4 2- BaSO 4 (s) (weißer in Säuren unlöslicher Niederschlag) 57. Wird Cr 3+ bevorzugt in saurer oder alkalischer Lösung durch Br 2 zu Chromat oxidiert Argumentieren Sie mit einer Reaktionsgleichung und dem Massenwirkungsgesetz! Redoxgleichung: 2 Cr Br OH - 2 CrO Br H 2 O Cr 3+ wir bevorzugt in alkalischer Lösung oxidiert, da bei der Oxidation OH - Ionen verbraucht werden. Nach dem Prinzip von LeChatelier wird in einer GG-Reaktion das GG so verschoben, das den extrinsischen Größen (p, T, c) nachgegeben wird. 58. Was versteht man unter einem Sodaauszug und wie wird er durchgeführt? Wie können Sie diese Anionen nachweisen (Reaktionsgleichungen)? Cl -, NO 3 -, SO 4 2-, CO 3 2-, BO 3 3-, PO 4 3-, BrO 3 - und Cl - nebeneinander, Cl - und I - nebeneinander. Fällung der störenden Metallkationen durch Fällung als schwerlösliche Carbonate. Nachweise siehe Skript 59. Die wässrige Lösung einer schwach rosafarbenen Substanz (a) ergibt bei Zugabe von AgNO 3 -Lösung einen gelblichen, schwerlöslichen Niederschlag (b). Nach dem Abtrennen dieser Fällung versetzt man das Filtrat mit konz. HNO 3 und PbO 2. Nach längerem Aufkochen färbt sich die Lösung tiefviolett (c). Den zu Beginn abgetrennten, gelben Niederschlag löst man in verd. H 2 SO 4 und Zn. Dabei entsteht ein dunkler Niederschlag, welcher zusammen mit unverbrauchtem Zink abgetrennt wird. Die verbleibende Lösung unterschichtet man mit CCl 4 und gibt dann tropfenweise Cl 2 -Wasser zu. Nach dem Ausschütteln ist die organische Phase braun gefärbt (d). Um welche Verbindung handelt es sich? Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die oben beschriebenen Vorgänge an! (a) Schwach rosa Mn 2+ (b) Ag + + Br - AgBr (gelblicher Niederschlag) (c) 2 Mn PbO H + 5 Pb MnO H 2 O

15 (d) 2 Br - + Cl 2 Br Cl - (Br 2 ist braun gefärbt und löst sich in CCl 4 ) Es handelt sich hier um MnBr Eine Substanz zeigt folgende Reaktionen: Sie ist in Wasser leichtlöslich. Nach dem Ansäuern dieser Lösung mit HNO 3 und Zugabe von PbO 2 färbt sich die Lösung beim Kochen tiefviolett (a). Aus der mit HNO 3 angesäuerten Lösung fällt nach Zugabe von AgNO 3 -Lösung ein weißer Niederschlag (b), der sich nach NH 3 -Zugabe wieder auflöst (c). Wie heißt diese Verbindung? Erklären Sie das Reaktionsverhalten anhand von Reaktionsgleichungen! (a) 2 Mn PbO H + 5 Pb MnO H 2 O (b) Ag + + Cl - AgCl (c) AgCl + 2 NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + + Cl - Es handelt sich um MnCl Welche Oxidationszahlen haben die Elemente in den folgenden Verbindungen? a) H 2 SO 4 b) Ni 2 S 3 c) FeS 2 a) H +I 2S +VI O -II 4 b) Ni +III 2S -II 3 c) Fe +II S -I Beim Ansäuern einer Chromatlösung tritt ein Farbwechsel von gelb nach orange auf. Erklären Sie diesen Befund anhand einer Reaktionsgleichung! Das Chromatanion (gelb) wird beim Ansäuern in das Dichromatanion (orange) überführt: 2 CrO H 3 O + Cr 2 O H 2 O

16 63. Geben Sie die Oxidationsstufen von Iod in den folgenden Verbindungen an! a) I - b) IO 3 - c) IO - d) CI 4 a) I - (-I) b) IO - 3 (+V) c) IO - (+I) e) CI 4 (-I) 64. Geben Sie die Valenzstrichformeln der folgendenverbindungen an! AlCl 3, CS 2, XeF 2, NOCl, PCl 4 +, NH 3, NO 2, SO 2, Cl 2 CO, SiH 2, BrF 3, CH 4, H 2 S! Welche Geometrien besitzen sie? Geben Sie die Oxidationszahlen der Zentralatome an! Verbindung Struktur nach VSEPR Oxidationsstuife des Zentralatoms AlCl 3 trigonal-planar +III CS 2 linear +IV XeF 2 linear +II NOCl gewinkelt +III + PCl 4 tetraedrisch +V NH 3 trigonal-pyramidal -III NO 2 gewinkelt +IV SO 2 gewinkelt +IV Cl 2 CO trigonal-planar +IV SiH 2 gewinkelt +II BrF 3 T-förmig +III CH 4 tetraedrisch -IV H 2 S gewinkelt -II 65. Für welche Elemente ist die Bleitiegelprobe eine Nachweismethode (Reaktionsgleichungen angeben!)? Nachweismethode für Fluorid und Silikat (Kriechprobe): CaF 2 + H 2 SO 4 2 HF + CaSO 4 (HF ätzt Glas) SiO HF + 2 H + SiF H 2 O 3 SiF H 2 O H 2 SiO 3 (weiß) + H 2 SiF 6

17 66. Vervollständigen Sie die folgenden Reaktionsgleichungen! a) SrCO 3 + H 2 SO 4 SrSO 4 + CO 2 + H 2 O b) 2 CrO H 3 O + Cr 2 O H 2 O c) 3 Cu + 2 NO H 3 O + 3 Cu NO + 12 H 2 O (Alternativ NO 2 ) d) 2 Cu I - I CuI e) 2 MnO H 2 SO 3 2 Mn SO H 2 O + 4 H + f) Ag NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + g) 2 Al NaOH + 6 H 2 O 2 Na[Al(OH)] H 2 h) 2 Mn S 2 O H 2 O 2 MnO SO H 3 O + i) 3 As BrO H 3 O + 3 As 5+ + Br H 2 O j) 2 MnO C 2 O H + 2 Mn CO H 2 O k) 2 Cr OH H 2 O 2 2 CrO H 2 O l) 4 Ag + O H 2 S 2 Ag 2 S + 2 H 2 O m) 6 MnO Br H 3 O + 6 Mn BrO H 2 O