Praktikum Chemie für Biologen, SS 2004/Kurse SF

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1 1 Praktikum Chemie für Biologen, SS 2004/Kurse SF Klausur in Anorganischer Chemie (KlAC) - Sa Name:... Vorname:... Wenn Nachschreiber aus einem der Vorkurse, bitte eintragen: Matrikel-Nr. Semester und Jahr des Labor-Kurses Unterschrift... SS:...WS: Punkteschlüssel Aufgabe Thema max Pkte. Bewertung 1) Konzentrationen / ph-wert 2,0 2) Säure-Base-Reaktionen 1,5 3) Qualitative Analyse 3,5 4) Komplexometrie 2,0 5) Löslichkeitsprodukt 1,5 6) Blei-Akkumulator / Elektrochemie 1,5 7) Gravimetrie 1,5 8) Redoxreaktionen 2,5 9) Haber-Bosch-Verfahren 2,0 10) Phosphorsäure 2,0 Summe 20,00 Angaben M(C) = 12,01 g/mol M(H) = 1,01 g/mol M(Ca) = 40,08 g/mol M(Cl) = 35,45 g/mol M(S) = 32,07 g/mol M(Na) = 23,00 g/mol M(O) = 16,00 g/mol M(P) = 30,97 g/mol M(Ag) = 107,87 g/mol M(N) = 14,01 g/mol M(Ba) = 137,33 g/mol M(Cr) = 52,00 g/mol

2 2 1) Konzentrationen / ph-wert Am 30. Juni diesen Jahres havarierte im Hamburger Hafen ein Frachter mit konzentrierter Schwefelsäure (49,06 Massen-%). Bis zur Bergung liefen 100 Tonnen der Säure in das Hafenbecken. a) Welcher ph-wert stellte sich im Hafenbecken ( m 3 ) nach vollständiger Durchmischung mit der Säure ein, wenn Sie von reinem Wasser im Hafenbecken ausgehen? b) Wie viel Liter Wasser hätte in das Hafenbecken geleitet werden müssen, um den ph auf mindestens 6 zu bringen? c) Wie viel festes Natriumhydroxid hätte man im Hafenbecken auflösen müssen, um den ph-wert von 7 zu erreichen? d) Schwefelsäure wird prinzipiell durch die Verbrennung von reinem Schwefel an der Luft hergestellt. Wie viel Schwefel musste zur Herstellung der ausgelaufenen Menge Schwefelsäure hergestellt werden? mögliche/erreichte Punkte Formelkauf gegen einen Abzug von -0,1 Punkten / Verbindung. = 2,0 Pkt. Molmassen auf Seite 1.

3 3 2) Säure-Base-Reaktionen Ammoniak wirkt in Wasser als Base nach Brönstedt (pk B =4,75). a) Formulieren Sie zu dieser Reaktion eine Reaktionsgleichung und erläutern daran das Säure-Base-Konzept nach Brönstedt. Beziehen Sie dabei auch den angegebenen pk B -Wert mit ein (Massenwirkungsgesetz!). b) Wenn Sie zu 50 ml einer Ammoniak-Lösung (c=0,1 mol/l) 476 mg festes Ammoniumchlorid geben, entsteht eine Pufferlösung. Erläutern Sie den Hintergrund und berechnen den ph-wert der entstandenen Lösung. c) Reiner Ammoniak zeigt ähnlich wie Wasser eine Autoprotolyse (K=10-28 mol 2 /L 2 ). Formulieren Sie dazu eine Reaktionsgleichung und berechnen die Konzentrationen der beteiligten Ionen. Formelkauf gegen einen Abzug von -0,1 Punkten / Verbindung. = 1,5 Pkt.

4 4 3) Qualitative Analyse Mitten in der Nacht klingelt bei ihnen das Telefon. Ein Bekannter, der etwas spät mit dem Lernen für eine Chemieklausur begonnen hat, muss unbedingt noch den Kationentrennungsgang lernen und hat deswegen noch ein paar Fragen an Sie als Experten. a) Welche Gruppen gibt es im Trennungsgang und in welcher Reihenfolge geht man bei deren Bestimmung vor? b) Außerdem fragt er: Wenn ich nun meine Analysenlösung mit halb konzentrierter Salzsäure koche, wie muss dann der Niederschlag bei Anwesenheit von Silber aussehen? Wie kann ich den Niederschlag wieder lösen? Bitte schreib mir auch die Reaktionsgleichungen zu den Schritten auf und bring sie mir mit. Der Niederschlag soll nicht zu lange im Licht stehen. Warum (Reaktionsgleichung)? c) Dann kocht man alles mit Schwefelwasserstoff. Was könnte es sein, wenn ein oranger Niederschlag ausfällt, der sich beim Kochen mit Ammoniumpolysulfid wieder löst und dann mit Salzsäure wieder orange ausfällt? Welche Formel besitzt der orange Niederschlag? Ein Eisennagel färbt sich im gelösten Niederschlag schwarz. Wie lautet die Reaktionsgleichung und um welche Art von Reaktion handelt es sich? d) Als nächstes wird die Lösung mit Ammoniumsulfid versetzt, hierbei fällt ein rosa farbener Niederschlag aus. Kocht man den Niederschlag mit Salzsäure, so löst er sich wieder auf. Kocht man diese Lösung mit Bleidioxid und Schwefelsäure so färbt sie sich violett. Um welches Element handelt es sich hierbei? Wie lautet die Reaktion des in Lösung befindlichen Elementes mit der Bleiverbindung (Reaktionsgleichung)? e) Wie fällt Aluminium beim Kochen mit Ammoniumsulfid aus? Wie lässt sich dies erklären (Begründung)? f) Die Lösung wird nun mit Ammoniumcarbonat versetzt, hierbei fällt ein weißer Niederschlag aus. Der Niederschlag löst sich in konz. Salpetersäure. In einem Gemisch aus Ethanol und Diethylether löst sich der aus dem Abdampfen der Salpetersäure erhaltene Niederschlag nicht. Der verbliebene Niederschlag wird in konz. Salzsäure gelöst und eingedampft. Bei Zugabe eines Gemisches von Ethanol und Diethylether löst sich der Niederschlag ebenfalls nicht. Löst man den Niederschlag in Wasser und gibt Kalimdichromat hinzu, so entsteht ein gelber Niederschlag. Um welches Kation handelt es sich? Woraus besteht der gelbe Niederschlag (Formel)? g) Bringt man die restliche Lösung in eine Flamme, so kann man eine gelbe Flammenfärbung beobachten. Welches Kation zeigt diese Flammenfärbung? Wie entsteht die Färbung der Flamme (Erklärung)? = 3,5 Pkt. Lösung bitte auf der folgenden Seite. Lösungsblatt zu Aufgabe 3.

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6 6 4) Komplexometrie Jörg hat gehört, dass Calcium beruhigend auf das Nervensystem wirkt und kauft bei ALDI Calcium-Brausetabletten. Um den angegebenen Gehalt an Calciumoxid von 400 mg pro Tablette zu überprüfen, führt er eine Komplexometrische Titration durch. a) Beschreiben Sie kurz das Vorgehen bei einer Komplexometrischen Calcium-Bestimmung mit EDTA. b) Jörg verbraucht durchschnittlich 70 ml EDTA-Lösung (c=0,1 mol/l) zur Titration einer Brausetablette. Stimmt die Angabe auf der Packung mit einer Abweichung von ± 3% überein? c) Skizzieren Sie den Calcium-EDTA-Komplex und erläutern daran folgende Begriffe: Zentralatom, Ligand, Koordinationszahl, Chelatkomplex, dative Bindung. d) Bei der Komplexometrischen Calcium-Bestimmung sind vier verschiedene Komplexe von Bedeutung. Ordnen Sie diese nach ihrer Stabilitätskonstante! 0,4 Pkt. 0,6 Pkt. Formelkauf gegen einen Abzug von -0,1 Punkten / Verbindung. = 2,0 Pkt.

7 7 5) Löslichkeitsprodukt Bariumchromat ist ein schwerlösliches, gelbes Salz (pk L =9,7), Bariumchlorid ein gut lösliches, weißes Salz. a) Wie viel Bariumchromat können Sie in 100 ml reinem Wasser lösen? b) Wie viel Bariumchlorid können Sie in 100 ml einer Chromat- Lösung (c=0,1 mol/l) lösen, bis ein gelber Niederschlag von Bariumchromat auftritt? c) Bei Zugabe von Säure zur Chromat-Lösung aus b. färbt diese sich orange und es lässt sich mehr Bariumchlorid lösen. Erklären Sie auch mit Reaktionsgleichungen. = 1,5 Pkt.

8 8 6) Blei-Akkumulator/Elektrochemie a) Beschrieben Sie kurz den Aufbau eines Blei-Akkumulators. Stellen Sie Reaktionsgleichungen auf und berechnen die Spannungsdifferenz unter Standardbedingungen. E (Pb 2+ /Pb) = -0,13 V; E (PbO 2 /Pb 2+ ) = 1,46 V b) In der Praxis ist die Spannung eines Blei-Akkumulators zu 2 V angegeben. Begründen Sie dies anhand der vollständigen Nernstschen Gleichung für diese Redoxreaktion. c) Wie können Sie in der Praxis den Ladezustand eines Blei- Akkumulators ermitteln? Erläutern Sie! = 1,5 Pkt.

9 9 7) Gravimetrie a) Zur gravimetrischen Bestimmung des Silbergehalts einer Münze wurde eine 687 mg schwere Probe in verdünnter Salpetersäure in Lösung gebracht und das Silber durch Zugabe eines Überschusses von Chlorid-Ionen quantitativ ausgefällt. Der abfiltrierte Niederschlag wog nach der Trocknung 350,5 mg. Berechnen Sie den Massenanteil an Silber in der Münze in %. b) Wie können Sie die Niederschläge von Silberchlorid, Silberbromid und Silberiodid unterscheiden. Geben Sie auch Reaktonsgleichungen! c) Welches weitere Element können Sie einfach gravimetrisch bestimmen? Reaktionsgleichung! 0,6 Pkt. 0,4 Pkt. = 1,5 Pkt.

10 10 8) Redoxreaktionen Formulieren Sie für die unten genannten Reaktionen die vollständigen Redoxgleichungen auch unter Berücksichtigung der entsprechenden Teilgleichungen. a) Wasserstoffperoxid mit Chrom(III)-Ionen in alkalischer Lösung b) Eisen(II)-Ionen mit Salpetersäure zu Stickstoffmonooxid c) Blei(IV)oxid mit Mn(II)-Ionen zu Permanganat in saurer Lösung d) Mn(II)-Ionen mit Peroxodisulfat zu Permanganat in saurer Lösung e) Chlorat zu Chlorid und Perchlorat =2,5 Pkt.

11 11 9) Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak wird großindustriell nach dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. a) Formulieren Sie zu diesem Verfahren die grundlegende Reaktionsgleichung. Woher stammen die Ausgangsstoffe? Ist die Reaktion exotherm oder endotherm? b) Erläutern Sie, warum diese Reaktion bei C Temperatur, bar Druck und unter Verwendung von Katalysatoren durchgeführt wird? c) Nennen Sie drei wichtige Anwendungen für die Ammoniak benötigt wird. 0,8 Pkt. 0,8 Pkt. 0,4 Pkt. = 2,0 Pkt.

12 12 10) Phosphorsäure ph IV O III O II O I O V (NaOH 0,1 M) [ml] Sie bestimmen den Gehalt an Phosphorsäure einer unbekannten Probe durch Titration mit Natronlauge (c=0,1 mol/l) und erhalten die oben abgebildete Titrationskurve. a) Wie viel mg Phosphorsäure sind in der Probe enthalten? 0,6 Pkt. b) Geben Sie kurze Erläuterungen zu der dargestellten Titrationskurve 0,6 Pkt. unter besonderer Berücksichtigung der markierten Punkte I IV. c) Stimmt die abgebildete Titrationskurve mit den Erwartungen für eine 0,6 Pkt. dreiprotonige Säure überein? Erläutern Sie! d) Formulieren Sie die Lewis-Formel für Phosphorsäure. 0,2 Pkt. Formelkauf gegen einen Abzug von -0,1 Punkten / Verbindung. = 1,5 Pkt. Fortsetzung zu Aufgabe Nr. :

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14 14 Fortsetzung zu Aufgabe Nr. :

15 15 Fortsetzung zu Aufgabe Nr. :

16 16 Fortsetzung zu Aufgabe Nr. :