Kommentierte Abschlussklausur >Allgemeine und Anorganische Chemie= Modul GN3.2 (Geologie, Geophysik und Mineralogie)

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1 Kommentierte Abschlussklausur >Allgemeine und Anorganische Chemie= Modul GN3.2 (Geologie, Geophysik und Mineralogie) 1. Im Periodensystem der Elemente (PSE) sind Metalle und Nichtmetalle vertreten. Nennen Sie drei charakteristische physikalische Eigenschaften von Metallen. 3 Metalle besitzen 1. metallischen Glanz 2. (gute) elektrische Leitfähigkeit 3. (gute) Wärmeleitfähigkeit Zur vollständigen Beantwortung dieser Frage gehören eigentlich immer auch diese beiden Worte >gute= dazu (s. unten). Sind diese drei charakteristischen Eigenschaften zusammen vorhanden, dann sollte ein Stoff eigentlich ein Metall sein. Ein hoher Schmelzpunkt ist dagegen kein Charakteristikum für ein Metall, die meisten haben ja schon die Ausnahme Hg erwähnt, und denken Sie nur an Blei oder Zinn, die auch ziemlich niedrige Schmelzpunkte haben. Richtigerweise haben einige Ihre (manchmal trotzdem leider falschen) Antworten mit den Besonderheiten der metallischen Bindung begründet - letzteres war aber nicht nötig. Wodurch unterscheiden sich Metalle denn chemisch von den Nichtmetallen? Denken Sie bei der Beantwortung an (alltägliche) Verbindungen, die es sowohl von Metallen als auch von Nichtmetallen gibt, und deren (unterschiedliches) chemisches Verhalten! 2 Metalloxide + Wasser: Laugen Diesmal ging es um das unterschiedliche chemische Verhalten von Metallen und Nichtmetallen. Was sind denn >alltägliche= Verbindungen? Doch etwas, das uns im Prinzip täglich begegnen kann, wenn Metalle mit unserer Umwelt reagieren, und da unsere Umwelt das chemisch reaktionsträge N 2, das Oxidationsmittel O 2 und auch H 2 O (neben vielen anderen Verbindungen) enthält... Es wurden auch Antworten wie: >Metalle bilden Kationen= und ähnliches gewertet, sogar wenn das Gegenteil der Frage beschrieben wurde, also, dass Nichtmetalloxide Säuren bilden (können). Es gibt auch Nichtmetalle, die sich hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften >metallisch= verhalten, beispielsweise den elektrischen Strom leiten. Geben Sie ein charakteristisches Beispiel für ein solches Nichtmetall an: 1 Kohlenstoff in Form/Modifikation Graphit oder Diamant Es war ja nicht einfach nach irgendeinem Nichtmetall gefragt, sondern nach einem Nichtmetall, das sich in wenigstens einer physikalischen Eigenschaft wie ein Metall verhält. Graphit zeigt metallischen Glanz und metallische Leitfähigkeit, Diamant (metallischen) Glanz und gute Wärmeleitfähigkeit, wenn auch aus völlig anderen Gründen, als Metalle. Wir haben recht großzügig gewertet, kein Wunder bei nur 1 Punkt. Allerdings konnten wir Neon, Phosphor und ähnliche Dinge nicht mit Punkten

2 belohnen. Neon zeigt nicht die Spur metallischer Eigenschaften, und wer dabei an die so genannte >Neonröhre= gedacht hat, dem sei gesagt: hierbei wird mit ziemlich brutaler Gewalt (Hochspannung) Leitfähigkeit erzeugt, und mit viel Gewalt geht fast alles, das war aber nicht gemeint. 2. Das >Prinzip vom kleinsten Zwang (LE CHATELIER=sches Prinzip)= besagt: Übt man auf ein System im Gleichgewicht einen Zwang aus, so reagiert es, indem es die Wirkung des Zwanges verkleinert. Wenn zum Beispiel die Kufe eines Schlittschuhs Druck auf Eis ausübt, dann weicht das System aus, indem es in den Zustand übergeht, in dem es das kleinste Volumen hat. Das ist bei Wasser der Zustand bei 4 C. Das bedeutet, das Eis wird flüssig, und auf diesem Flüssigkeitsfilm kann der Schlittschuh dann gleiten Bei der Herstellung von Ammoniak NH 3 wird dieses Prinzip ausgenutzt, um die Ausbeute zu erhöhen. Ammoniak wird entsprechend der folgenden, exothermen (Wärme freisetzenden) und von Ihnen zu vervollständigenden Gleichung aus den Elementen hergestellt: 3 1 N H 2 : 2 NH 3 NH 3 besteht aus zwei Elementen: N und H, die normalerweise als N 2 und H 2 vorkommen. Daraus sollte man doch die Gleichung hinbekommen können? Um eine möglichst hohe Ausbeute zu erzielen, muss man unter hohem Druck arbeiten. Warum? 5 4 Mole Gas als Ausgangsstoffe, 2 Mole Gas als Ergebnis; da 1 Mol Gas (unter Normbedingungen) 22,4 l Raum einnimmt, verringert sich bei der Reaktion der Druck, also hoher Druck, um mehr Ausbeute zu erhalten In der Erläuterung sind die Stichworte >Volumen= und >Druck= bereits gegeben worden. Da es sich bei N 2 und H 2 um Gase handelt, hätte man auch darauf kommen können, dass alle Gase (annähernd) das gleiche Molvolumen haben, ein Mol Gas nimmt einen bestimmten Raum ein (22,4 l bei Normalbedingungen). Da bei der Reaktion Wärme frei wird, müsste eigentlich bei niedrigen Temperaturen gearbeitet werden. Warum arbeitet man in der Technik trotzdem bei Temperaturen zwischen 400 und 500 C und nimmt Ausbeuten von weniger als 15% in Kauf? 2 Katalysator wirkt erst ab höheren T Stickstoff ist sehr reaktionsträge (daher der Name), was muss man also tun, um ihn anzuregen? Die NH 3 -Synthese ist das klassische Beispiel für eine katalytische Reaktion, denn dabei wurde dieses Prinzip zum ersten Mal richtig technisch umgesetzt. Hohe Temperaturen sind nicht immer für die Reaktion gut, denn das Le Chatelier=sche Prinzip gilt grundsätzlich!

3 H 2 H-N: H Zeichnen Sie die Valenzstrichformel von NH 3! Stickstoff hat 5 Valenzelektronen (steht in 5. Hauptgruppe), von denen 3 eine Elektronenpaarbindung mit 3 H eingehen, das verbleibende Elektronenpaar ist ein so genanntes freies Elektronenpaar, aber eben auch ein Elektronenpaar und durchaus vergleichbar mit den drei bindenden Elektronenpaaren! N braucht diese vier e-paare, um auf eine volle 8er Schale zu kommen! Wie ist das Ammoniakmolekül räumlich aufgebaut? NH 3 ist a) linear b) trigonal-planar (>Mercedesstern=) 1 c) tetraedrisch d) quadratisch-pyramidal e) trigonal-bipyramidal oder f) oktaedrisch aufgebaut? Wenn Sie das auch noch begründen können, dann haben Sie die Chance auf Zusatzpunkte! (3) vier (drei + ein) Elektronenpaare / sp 3 -Hybridisierung Bei vier Elektronenpaaren (gut, es sind drei bindende und ein freies, als 3+1) gibt es nur eine Chance, nämlich tetraedrisch (c), wobei richtig ist, dass dieser Tetraeder ein wenig aus der Form gebracht ist. Wofür kann man Ammoniak verwenden (1 Beispiel reicht!)? 1 Düngemittel / Synthese von HNO 3 Was auch immer Sie (richtig) hingeschrieben haben, es wurde gewertet, obwohl die Verwendung in Haarfärbemitteln sicher nicht zu den Hauptverwendungszwecken von NH 3 gehört. 3. In einem Internetforum stand als guter Rat auf die (mineralogische) Frage, wie man von einer Silberstufe Verunreinigungen durch gediegenes Arsen entfernen könnte, dass dafür die Behandlung mit Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) geeignet sei. Außerdem wurde zur Vorsicht geraten, weil bei dieser Reaktion giftiger Arsenwasserstoff AsH 3 entstünde. Geben Sie eine Valenzstrichformeln für H 2 O 2 und AsH 3 sowie die (formalen) Oxidationszahlen für alle Atome an:

4 H 2 O 2 AsH H 6 H-O-O-H -3 :As-H H Formale Oxidationsstufen: ein Blick auf das Periodensystem reicht eigentlich aus: O gewinnt (fast) immer, nur gegen sich selbst (und gegen Fluor) nicht, also -1 im H 2 O 2. In der Frage steht übrigens dreimal der begriff >H 2 O 2 ', trotzdem ist es einigen gelungen, bei der Beantwortung aus H 2 O 2 H 2 O zu machen! Und auch für AsH 3 gilt: Elektronegativitäten heraus suchen und formale Ladungen berechnen. Warum ist die oben aufgestellte Behauptung, dass AsH 3 entsteht, falsch? im AsH 3 hat As die formale Oxidationsstufe 3-, da H 2 O 2 aber ein Oxidationsmittel ist, kann das nicht sein, denn O - im H 2 O 2 wird zu O 2-, also As zu As 3+ H 2 O 2 ist eben ein starkes Oxidationsmittel, was sollte es denn anders oxidieren, außer As? Wenn kein AsH 3 entsteht, welche Verbindung von Arsen könnte denn dann entstehen? 1 As 2 O 3 oder H 3 AsO 3 Wichtig war hier nur, dass eine Arsensauerstoff-Verbindung entsteht. 4. Beschreiben Sie stichwortartig die einzelnen Schritte, um ausgehend vom Sodaauszug Ihrer Analysensubstanz, die die vier so genannten einfachen Anionen Cl -, NO 3 -, SO 4 2- und CO 3 2- enthält, Chlorid nachzuweisen: 1 (1) Ansäuern mit HNO 3 1 (2) tropfenweise AgNO 3 -Lösung zugeben 1 (3) weißer, käsiger Niederschlag (Resultat) Ein paar sind schon an der Frage gescheitert: unserer Ansicht nach steht doch eindeutig da: Chlorid nachzuweisen... oder? Gut, wer alle Anionennachweise richtig hingeschrieben hat, bekam das auch (ein wenig) honoriert, das war aber völlig unnötig, der Chlorid-Nachweis hätte genügt. Zum Ansäuern darf man natürlich keine HCl verwenden, denn dadurch werden ja Chlorid-Ionen dazu gegeben, immer nur HNO 3 (oder H 2 SO 4 ) verwenden. Warum ist es wichtig den Sodaauszug anzusäuern? Schreiben Sie die Reaktionsgleichung für den Fall auf, dass Sie vergessen haben beim Chlorid- Nachweis anzusäuern. 2 2 Ag CO Ag 2 CO 3

5 Wenn Sie vergessen, den Sodaauszug anzusäuern und deshalb nicht alles CO 3 2- als CO 2 austreiben, dann erhalten Sie auch einen weißen Niederschlag, allerdings ist das Ag 2 CO 3. Warum sonst sollten Sie das Ansäuern nicht vergessen? Nennen Sie vier (Metall-)Ionen, die sich aus saurer Lösung durch Einleiten von H 2 S als schwerlösliche Sulfide ausfällen lassen und deshalb in der Analyse zur so genannten H 2 S-Gruppe gehören: 4 Ag + / Hg + / Hg 2+ / Pb 2+ / Bi 3+ / Cu 2+ / Cd 2+ / As 3+ / Sb 3+ / Sn 2+ Bei dieser Frage konnte man sich 4 Punkte erwerben (5% der Gesamtpunktzahl!), und das ohne viel chemisches Wissen. 4 der oben angegebenen 10 hätten dafür ausgereicht. 5. Nitrate zersetzen sich thermisch auf unterschiedliche Weise: Beim Erhitzen von KNO 3 entsteht ein farbloses Gas, das einen in dieses Gas gehaltenen glimmenden Holzspan zum Aufglühen bringt. Welches Gas ist entstanden? 1 O 2 (Sauerstoff) Farbloses Gas und fördert die Verbrennung? Eigentlich eindeutig... oder? Wie heißt KNO 3 mit Trivialnamen und wozu hat man es lange Zeit verwendet? 2 (Kali-)Salpeter Herstellung von Sprengstoff Von Geowissenschaftlern erwarten wir eigentlich, dass sie wenigstens ein paar Salze/Mineralien auch mit Trivialnamen kenne. Und Salpeter ist wahrlich ein Mineral, das man kennen sollte, zumal es auch von Bedeutung weit über die Geowissenschaften hinaus ist. Und neben der Herstellung von Sprengstoff dient es zu sehr vielen anderen Dingen, die alle gewertet worden wären. auf: Schreiben Sie die Reaktionsgleichung für die thermische Zersetzung von KNO KNO KNO O 2 Welches Gas ist denn für die Verbrennung (Aufglimmen des Holzspanes) unbedingt notwendig? Der Rest ist doch wieder einfach, sogar KNO wäre noch mit einem halben Hilfspunkt belohnt worden. Beim Erhitzen von Pb(NO 3 ) 2 entsteht dagegen ein braunes Gas, das den glimmenden Holzspan zum Erlöschen bringt. Welches Gas ist hier entstanden? 1 NO 2

6 Selbst wenn man nicht weiß, dass NO 2 entsteht und dass es ein braunes Gas ist, welche Chancen bestehen denn noch? Manche haben PbO angegeben, das entsteht zwar auch, ist aber auf gar keinen Fall ein braunes Gas. NO wäre auch akzeptiert worden, N 2 nicht, weil N 2 mit Sicherheit nicht braun ist, sonst hätten wir ja eine braune Luft! Schreiben Sie die Reaktionsgleichung für die thermische Zersetzung von Pb(NO 3 ) 2 auf: 3 1 Pb(NO 3 ) 2 6 PbO + 2 NO 2 + 1/2 O 2 Immer wieder diese blöden chemischen Gleichungen, aber warum einfach, wenn es auch umständlich (oder gar nicht) geht? Also: links stehen 1* Pb, 2* N und 6* O, rechts ist bereits PbO (also 1* Pb, 1* O) gegeben, bleiben 2* N und 5* O übrig. Folgendes wäre als richtig akzeptiert worden: 2NO 2 + 1/2O 2 oder 2NO + 3/2O 2 oder sogar N 2 O Wenn Sie hingegen NH 4 NO 3 thermisch zersetzen, dann entsteht N 2 O. Schreiben Sie die Reaktionsgleichung dafür auf: 2 1 NH 4 NO N 2 O + 2 H 2 O Wie für jede normale chemische Gleichung, so gilt auch hier: rechte und linke Seite müssen die gleichen Inhalte haben: also, wenn schon angegeben ist, dass N 2 O entsteht, dann sollte es doch nicht zu schwierig sein herauszufinden, dass die Differenz (also das, was nach Abzug von 2*N und 1*O links übrig bleibt) aus 4*H und 2*O besteht, also 2* H 2 O. Geben Sie NH 4 NO 3 u N 2 O richtige chemische Namen: 1 Ammoniumnitrat 1 Distickstoff(mon)oxid Die Salze der Base Ammoniak (NH 3 ) heißen immer Ammonium- und die der Salpetersäure HNO 3 immer -nitrat. N 2 O ist ein Oxid, und da immer zu erwarten ist, dass es von einem Element mehrere Oxide gibt, sollte man einfach die entsprechenden Anzahlen einfügen. Schreiben Sie die formalen Oxidationsstufen für alle Atome in NH 4 NO 3 auf: NH 4 NO Immer wieder ein leidiges Problem: formale Oxidationszahlen, dabei ist das einfach nur nach Schema F. Ein Blick in das Periodensystem zeigt: O steht am weitesten oben und am weitesten rechts, also hat O die größte Elektronegativität, danach kommt N und

7 schließlich H. O benötigt 2 Elektronen, um die Edelgaskonfiguration (volle 8er-Schale) zu erreichen. N hat zwei Möglichkeiten: Abgabe von 5 oder Aufnahme von 3 Elektronen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Und H hat überhaupt keine Alternative, sondern wird einfach H + (als oxidationsstufe +1). Das Molekül besteht aus NH 4 + und NO 3 -. Wegen der Unterschiede in den Elektronegativitäten hat N in NH 4 + den >Kampf= um die Elektronen gewonnen: 4 werden von den 4 H zur Verfügung gestellt, drei davon bekommt N und wird -3, das 4. H + sorgt für die Ionenladung. Im Falle von NO3- gilt: O gewinnt und bekommt insgesamt 3*2 Elektronen (3* O 2- ), eine negative Ladung sorgt für die Ladung des Ions, also muss N die restlichen 5 Elektronen liefern und wird +5. N 2 O heißt mit Trivialnamen Lachgas und wird auch als Narkosemittel verwendet. Was passiert denn, wenn Sie einen glimmenden Holzspan in das N 2 O-Gas halten: Glimmt er auf oder verlöscht er? 1 er glimmt auf OK, wenn Sie das nicht wussten, dann hätten Sie wenigstens nach dem Durchlesen der nächsten Frage darauf kommen müssen, denn da steht ja implizit die Antwort, vorausgesetzt, man weiß, dass Atmung und Sauerstoff und Verbrennung irgendwie miteinander zu tun haben! N 2 O wirkt im Gegensatz zu Stickstoff und dessen anderen Oxiden nicht erstickend, sondern unterstützt die Atmung, weil es sich relativ leicht zersetzt. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diese Zersetzung: 2 2 N 2 O 6 2 N O 2 Stickstoff (N 2 ) ist eine sehr stabile und reaktionsträge Verbindung, nicht umsonst heißt sie ja entsprechend. Auch Sauerstoff ist ja eine wohldefinierte und stabile, wenn auch deutlich reaktionsfreudigere Verbindung als N2, also kann die Gleichung nur so lauten. Warum auch sonst würde man Lachgas relativ gefahrlos atmen können. Es liefert übrigens deutlich mehr O 2 als die Luft enthält (33,3% gegen 20%). Nitrate sind die Salze der Salpetersäure HNO 3, die man durch Einleiten von NO 2 in Wasser herstellen kann. Stellen Sie die Reaktionsgleichung für diese Redoxreaktion auf: 3 2 NO H 2 O 6 1 HNO HNO 2 Diese Gleichung ist zugegebenermaßen nicht so ganz einfach aufzustellen, aber wie für alle chemischen Gleichungen gilt, dass rechts und links die gleiche Stoffmenge (also die gleichen Elemente und in der gleichen Zahl!) vorhanden sein muss, und dass bei Redoxreaktionen, und um eine solche handelt es sich hier, auch die Zahl der ausgetauschten Elektronen/Ladungen gleich sein muss. Warum ist das eine Redoxreaktion? Im NO 2 hat der Stickstoff die (formale) Oxidationszahl +4 (O hat -2, 2x - 2 = -4, das muss ausgeglichen sein!), in HNO 3 hat Stickstoff aber die Oxidationszahl +5 (3x -2 vom O zu kompensieren durch 1x +1 vom H + 1x +5 vom N). Gegenüber NO 2 gibt der Stickstoff also 1 Elektron ab, und wer nimmt das auf? O kann nicht, da schon abgesättigt mit -2, H könnte im Prinzip, aber Elektronegativität von N ist

8 deutlich größer, also wird ein zweites NO 2 benötigt, das ohnehin zum Stoffmengenausgleich gebraucht wird (2x H im H 2 O!), und wenn der Stickstoff mit der Oxidationszahl +4 im NO 2 ein Elektron aufnimmt, dann wird er (formal) +3, und die Verbindung ist HNO Sie sollen 1 Liter einer 0,1 molare Lösung von HCl herstellen. Wie viel g HCl müssen Sie dazu in 1 l Wasser lösen (H: 1 g/mol); Cl: 35,5 g/mol)? 2 HCl: ,5 = 36,5 g/mol ² 0,1 molar = 0,1 mol/l: 3,65 g HCl 1 Mol HCl hat die Masse von 1x 1 g(/mol) (von H) + 1x 35,5 g(/mol) (von Cl) = 36,5 g/mol, 0,1 Mol haben demnach die Masse von 36,5/10 = 3,65 g. Da HCl ein Gas ist, wird es leichter sein, das entsprechenden Volumen abzumessen. Wie viel ml HCl müssen Sie denn abmessen, um 1 Liter 0,1 molarer HCl-Lösung herstellen zu können? 2 1 mol HCl = 22,4 l; 0,1 mol HCl = 2,24 l 1 Mol eines jeden Gases nimmt (unter Normbedingungen) das gleiche Volumen, nämlich 22,4 Liter ein, folglich nehmen 0,1 Mol eines Gases 22,4/10 = 2,24 Liter ein. Wie groß ist die Konzentration an H + -Ionen in dieser Lösung? 1 0,1 mol/l Die Antwort steht eigentlich schon in der Frage: 0,1 molare Lösung von HCl, bedeutet, dass in 1 Liter jeweils 0,1 Mol H + und Cl - vorhanden sind, weil HCl vollständig dissoziiert ist. Welchen ph-wert messen Sie deshalb in dieser Lösung? 2 -lg (0,1) = -lg (10-1 ) = 1 Der ph-wert ist definitionsgemäß der negative dekadische (nicht der natürliche) Logarithmus der H + -Ionenkonzentration. Wie heißt HCl-Lösung mit Trivialnamen und wie mit richtigem chemischen Namen? 1 Salzsäure 1 Chlorwasserstoffsäure Zum Glück haben das wenigstens die meisten gewusst, wenn auch Namen, wie Wasserstoffchlorid eher ungebräuchlich sind! 1 Gibt es für die HCl ein Säureanhydrid? JA NEIN

9 Nein, es gibt natürlich kein Anhydrid der Salzsäure, Anhydride gibt es nur bei sauerstoffhaltigen Säuren (s. nächste Teilfrage)! 1 Was ist denn das Säureanhydrid der Schwefelsäure H 2 SO 4? SO 3 Anhydrid heißt >ohne Wasser=, also H 2 SO 4 - H 2 O = SO 3... oder? Mit anderen Worten: das Säureanhydrid ist der Stoff (das Nichtmetalloxid!), das ich in Wasser lösen muss, um eine Säure zu bekommen. 8. Geben Sie den folgenden chemischen Verbindungen eindeutige chemische Namen 2 FeSO 4 Eisen(II)-sulfat 2 Fe 2 (SO 4 ) 3 Eisen(III)-sulfat Da bei Salzen (Ionenverbindungen) die Ladungen immer ausgeglichen sein müssen, und das Anion SO 4 2- ist - also 2 negative Ladungen trägt, muss im ersten Fall Fe zweifach positiv und im zweiten Fall (3x zweifach positiv)/2 = dreifach positiv sein. Die Wertigkeit von Metallkationen gibt man in römischen Ziffern in runden Klammern an. 2 NaH 2 PO 4 Natriumdihydrogenphosphat 2 Na 2 HPO 4 Dinatriumhydrogenphosphat 2 NaHCO 3 Natriumhydrogencarbonat Wenn in Salzen H + -Ionen als Kationen vorkommen, dann wird das immer durch - hydrogen-, niemals aber durch -wasserstoff- bezeichnet, wenn ein Kation mehr als einmal vorkommt, dann wird die Anzahl mit -di-, -tri-, -tetra- usw. gekennzeichnet. Es ist schon erstaunlich, dass eine ganze Anzahl von Ihnen zwar Natriumhydrogencarbonat richtig benannt haben, aber viel weniger auf die Idee gekommen sind, dann auch die darüber stehenden beiden Phosphate entsprechend richtig zu benennen.