Grundzüge der Chemie für das Maschinenbauwesen u. a. Studiengänge

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1 Grundzüge der Chemie für das Maschinenbauwesen u. a. Studiengänge 1 Übungsaufgaben zur Vorlesung im Wintersemester 2009/10 an der RWTH Aachen Systeme, Stoffe, Substanzen 1) Definieren Sie die Begriffe: a) System b) zu System: offen; geschlossen; abgeschlossen c) Form; Zustand; Stoff d) Chemie e) chemisches Gleichgewicht; chemische Reaktion f) zu Zustand: stabil; metastabil; instabil g) Aggregatzustand; Phase h) Element; Verbindung i) Synthese; Analyse 2) Welche Elemente findet man besonders häufig: a) in der Erdkruste b) im menschlichen Körper c) im Weltall 3) Nennen Sie die vier häufigsten Bestandteile von reiner, trockener Luft in der Reihenfolge ihrer Häufigkeit. Aggregatzustände, Atombau 1) Definieren Sie die Begriffe: a) Fernordnung; Nahordnung b) Molekül (kinematische/atomistische Definition) c) kristallin; amorph d) Elementarzelle e) Kristallstruktur; Kristallsystem 2) a) Zu welchem Kristallsystem gehört das kristalline Natriumchlorid? b) Welche Packung bilden die Kationen- und Anionenteilgitter aus? c) Welche Punktlagen besetzen die Ionen in der Elementarzelle? d) Wieviele Formeleinheiten NaCl sind in der Elementarzelle enthalten? e) Leiten Sie den Zusammenhang zwischen der makroskopischen Dichte ρ und dem Zellparameter a der Natriumchloridstruktur ab. 3) a) Welche Strahlungsarten treten bei der natürlichen Radioaktivität auf? b) Bei welchen Aktivitäten setzt man sich erhöhter natürlicher Strahlenbelastung aus? c) Wodurch unterscheidet sich die künstliche von der natürlichen Radioaktivität? d) Wie kann man sich gegen radioaktive Strahlung schützen? 4) a) Welche Kennzahlen charakterisieren ein Nuklid? b) Welche zusätzlichen Kennzahlen sind notwendig bei einem Atom, bei einem Ion? 5) Was ist ein Reinelement, ein Mischelement? Geben Sie mindestens ein Beispiel an. 6) Welche stabilen Isotope besitzen die Elemente Wasserstoff und Kohlenstoff?

2 2 Quanten, Periodensystem 1) a) Welche Frequenz gehört im Vakuum zur Wellenlänge 400 nm? b) Welche Energie besitzt ein Photon dieser Wellenlänge? c) Erhöht sich durch den Einsatz eines WLAN das Hautkrebsrisiko? 2) a) Welche Quantenzahlen benötigt man, um die Schalen und Unterschalen der Elektronenhülle zu charakterisieren? b) Warum? c) Welche Quantenzahlen gehören also zur 2p- bzw. zur 3d-Unterschale? 3) a) Suchen Sie im Periodensystem der Elemente (PSE) nach Unregelmäßigkeiten bei der Elektronenkonfiguration. b) Was kann man aus diesen Unregelmäßigkeiten lernen? c) Begründen Sie, warum die nachfolgenden Elektronenkonfigurationen unmöglich bzw. problematisch sind: [Ne] 3s 1 3p 7 und [Ar] 4s 2 3d 9 4) Würde mehr oder weniger Energie erforderlich sein, um ein 3d-Elektron von Fe 2+ im Vergleich zu Co 3+ zu entfernen? Begründung? 5) a) Was ist ein Orbital? b) Welche Gestalt weisen s-, p- und d-orbitale auf? 6) a) Nach welchen Kriterien ist das PSE geordnet? b) Welche Grobeinteilungen sind im PSE zu erkennen? 7) Wie ändern sich folgende Atomeigenschaften im PSE von oben nach unten bzw. von links nach rechts: a) die erste Ionisierungsenergie b) die Elektronenaffinität c) die Elektronegativität d) der Atomradius 8) Ist die Elektronegativität eine meßbare Größe? Massen und Mengen 1) Das Element Aluminium ist ein Reinelement mit der atomaren Masse m = u. Welches Atomgewicht (bzw. welche molare Masse) besitzt Aluminium? 2) Das Element Chlor besteht aus zwei stabilen Isotopen mit folgenden atomaren Massen m und natürlichen Häufigkeiten h: 35 Cl: m = u, h = 75.53% 37 Cl: m = u, h = 24.47% a) Man berechne das Atomgewicht (bzw. die molare Masse) von Chlor. b) Man berechne das Massenspektrum von Chlor (Massen und relative Intensitäten); dabei sollen nur einfach positive Ionen berücksichtigt werden. 3) a) Bei der Kernspaltung von 1 kg 235 U (Uran-235) werden J = 82.3 TJ Energie freigesetzt. Welche Masse wird dabei zerstrahlt?

3 3 b) Bei der Explosion von 1 kg Nitroglycerin (der explosive Bestandteil von Dynamit) werden J Energie freigesetzt. Welche Masse wird dabei zerstrahlt? 4) a) Man berechne den Massendefekt der Isotope 238 U (m = u), 56 Fe (m = u) und 1 H (m = u). Die Massen der benötigten Elementarteilchen finden sich im Anhang. b) Man berechne den gleichen Massendefekt pro Nukleon. c) Welche Energie entspricht einem Massendefekt pro Nukleon von u? 5) Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlendioxid wird pro molarem Formelumsatz eine Energie von 393 kj frei. Welchem Massenverlust entspricht diese Energiemenge pro Molekül (in u) bzw. pro Mol (in g)? 6) a) Natrium ist ein Reinelement mit m = u. Wieviel wiegt ein Atom Natrium (in kg)? b) Wieviel wiegt 1 mol Wasser und wieviel ein Wassermolekül? c) Gegeben 1 mmol Quecksilber. Welche Masse und wieviele Atome liegen vor? d) Gegeben 100 g Wasserstoff, Eisen, Uran, wasserfreie Schwefelsäure. Welche Stoffmengen liegen jeweils vor? 7) Berechnen Sie die molare Masse von Fe, Wasser, CuSO 4 5 H 2 O. 8) Berechnen Sie die prozentuale Elementarzusammensetzung von Eisen(III)-oxid, Silbernitrat, Galliumarsenid, Lithiumcobaltat, Teflon. 9) Ein Eisenerz enthält 66% Fe 2 O 3. Wieviel Eisen läßt sich theoretisch aus einer Tonne Erz gewinnen? 10) Kupfer bildet zwei Oxide I und II der folgenden Zusammensetzung: I: Cu 79.8%, O 20.2%; II: Cu 88.8%, O 11.2%. Bestimmen Sie die Substanzformeln von I und II. Gasgesetze 1) Welche der folgenden Größen sind extensiv bzw. intensiv: p, V, T, R, m, n, V/n, V/M 2) Berechnen Sie für 100 g CO 2 das Volumen und die Dichte unter Standardbedingungen und die Dichte bei 20 ºC und 990 mbar. 3) Ein Gas hat bei 65 ºC und einem Druck von 89.8 kpa eine Dichte von g/l. Welche molare Masse hat dieses Gas? 4) Wieviel mal schwerer als O 2 ist H 2, N 2, CO 2, Br 2 bei gleichen Bedingungen p und T? 5) Cyclopropan hat eine Dichte von 1.5 g/l bei 50 ºC und 95.6 kpa. Seine empirische Formel ist CH 2. Welches ist seine Molekularformel? 6) Wie groß ist die Durchschnittsgeschwindigkeit eines Stickstoffmoleküls an einem sehr heißen Sommertag (37 ºC)?

4 4 7) Bei der Kollision eines Automobils werden in einem Airbag 100 g Natriumazid (NaN 3 ) schlagartig in die Elemente zersetzt gesünder leben mit Chemie. a) Formulieren Sie die vollständige Reaktionsgleichung. b) Wieviel Mol an Gas entstehen? c) Welches Volumen (in Litern) nimmt das Gas bei einem Druck von 1.2 atm ( Pa) und einer Temperatur von 30 C ein? d) Warum enthält der Airbag einer Luxuskarosse nicht das sehr viel kostbarere Silberazid (AgN 3 )? Thermodynamik I 1) Wie ist eine Zustandsfunktion definiert? 2) Wie sind a) innere Energie und b) Enthalpie definiert? 3) Was versteht man unter exothermen und endothermen Reaktionen? 4) Beim Thermitverfahren wird ein Gemenge von Aluminium und Eisen(III)-oxid zur äußerst heftigen Reaktion gebracht. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung. b) Berechnen Sie die freigesetzte Wärmemenge, wenn 10 g Aluminium mit einem Überschuß von Eisen(III)-oxid bei 25 C reagieren. Es betragen 0 ΔH R (Al 2 O 3 ) = kj mol 1 0 und ΔH R (Fe 2 O 3 ) = kj mol 1. Chemische Bindung: Kovalenz 1) Welche Elemente sind bei Standardbedingungen atomar bzw. molekular aufgebaut, welche besitzen Ketten-, Schicht- und Raumnetzstrukturen? 2) Welche Verbindungen und vorherrschenden Bindungsarten liegen bei den binären Kombinationen der folgenden Elemente vermutlich vor: Mg/F, Cu/Zn, S/O, Ge/H, In/F. 3) a) Welche Verbindungen mit Sauerstoff bilden die Elemente Al, C, Mg, Si? Geben Sie die Formeln der Verbindungen, die vorherrschende Bindungsart und den Aggregatzustand bei 25 ºC und 1 bar an. b) Verfahren Sie ebenso für die Chloride von Mg, C, Si, H, Ni. 4) Definieren Sie die Begriffe Molekularformel und Substanzformel. Von welchen der folgenden Stoffe kann man eine Molekularformel angeben: CO 2, SiO 2, NaCl, SiCl 4, CuSO 4 5 H 2 O, LiCoO 2, YBa 2 Cu 3 O 7 5) Was besagt die Oktettregel? Was besagt die Mehrfachbindungsregel? Nennen Sie wichtige Beispiele. 6) Mit welchen Bindungspartnern bilden Nichtmetalle hypervalente Verbindungen? 7) In welchem der beiden Ionen, NO + 2 und NO 2, ist die N O-Bindung kürzer? Warum?

5 5 8) Schreiben Sie Summenformeln und Valenzstrichformeln an a) für die Kohlenwasserstoffe Methan, Ethan, Ethen (Ethylen), Ethin (Acetylen), Octan und Benzol b) für die Alkohole Methanol und Ethanol c) für die Salpetersäure, die Perchlorsäure, die Schwefelsäure, die Phosphorsäure und die Essigsäure. 9) Schreiben Sie Valenzstrichformeln (einschließlich der freien Elektronenpaare) für die folgenden Spezies und bestimmen Sie die Struktur des Moleküls mit Hilfe des VSEPR-Konzepts; skizzieren oder benennen Sie dazu die Struktur in unmißverständlicher Weise. Geben Sie gegebenenfalls auch die Pseudostruktur an: BrF 5, PF 5, CO, CCl 4, CO 2, NO 2, SO 2, PCl 3, SF 6, SF 4, BrI 3 10) Wiederholen Sie die Übung für die Ionen NO 2, CO 2 3, ClO 4, H 2 PO + 4, NH 4 Chemische Bindung: Metalle, Salze 1) Durch welches Kriterium unterscheidet man Metalle von Halbleitern? 2) Welche Raumerfüllung besitzt a) die kubisch-dichte (kubisch-flächenzentrierte) Kugelpackung (fcc) b) die hexagonal-dichte Kugelpackung (hcp) c) die kubisch-innenzentrierte Kugelpackung (bcc) d) die kubisch-primitive Kugelpackung (sc) sowie e) die Diamantstruktur? 3) Welche Lücken existieren in dichten Kugelpackungen? Wieviele Lücken gibt es? 4) Gibt es einen Zusammenhang zwischen kovalenter und metallischer Bindung? 5) Cu 2 O kristallisiert kubisch mit dem Gitterparameter a = 4.27 Å. Es werden folgende Punktlagen besetzt: O auf und ½ ½ ½; Cu auf ¼ ¼ ¼, ¾ ¾ ¼, ¾ ¼ ¾ und ¼ ¾ ¾. Geben Sie an: a) Die Zahl der Formeleinheiten pro Elementarzelle b) Den kürzesten Cu O-Abstand c) Die Zahl der nächsten O-Nachbarn von Cu d) Die Zahl der nächsten Cu-Nachbarn von O 6) a) Welches Alkalimetallhalogenid hat die höchste Gitterenergie? b) Der Spinell MgAl 2 O 4 ist ein hochschmelzender, sehr harter, farbloser, elektrisch isolierender Feststoff. Fe 3 O 4 dagegen ist schwarz, sehr hart und metallisch leitend. Erklären Sie diese Eigenschaften. Wozu kann man Spinell und Fe 3 O 4 einsetzen? 7) Die Gitterenergie U G von Natriumchlorid beträgt 767 kj/mol. a) Welche Gitterenergie erwarten Sie für Magnesiumoxid (Begründung mit Gleichung) im Falle unveränderter Kationen- und Anionenradien?

6 6 b) Wird BaO eine größere oder eine kleinere Gitterenergie als MgO aufweisen? Warum? Intermolekulare Wechselwirkungen 1) Klassifizieren Sie auf klassische Weise die drei chemischen Hauptbindungsarten. 2) Definieren Sie a) Oxidation, b) Reduktion und c) Redoxreaktion. 3) Bestimmen Sie die Oxidationszahl von Stickstoff in N 2, NH 3, NO, NO 2, N 2 H 4, HNO 3, N + 5, N 3. 4) Bestimmen Sie die Oxidationszahl aller Elemente in K 2 SO 4, Ca(HCO 3 ) 2, H 2 O 2, Fe 2 O 3 sowie in den Molekülen CH 4 n Cl n (n = 0, 1, 2, 3, 4). 5) Warum haftet in der Teflon-Pfanne nichts an? 6) Suchen Sie bei den physikalischen Eigenschaften der Wasserstoffverbindungen der Nichtmetalle nach Auffälligkeiten und begründen Sie diese. 7) Wo verwendet die Natur die Wasserstoffbrückenbindung am häufigsten? Chemisches Gleichgewicht 1) Geben Sie Beispiele für exotherme und endotherme Reaktionen an. 2) Gegeben sei ein Gemisch von 100 g Wasserstoff und 100 g Kohlenmonoxid bei 1 bar. Welchen Partialdruck haben die beiden Komponenten? 3) Umreißen Sie in groben Zügen den natürlichen Stickstoffkreislauf. 4) a) Welche Rohstoffe werden für die technische Ammoniak-Synthese benötigt? b) Formulieren Sie das der Haber Bosch-Synthese zugrundeliegende Gleichgewicht. c) Welchen Einfluß haben Druck, Temperatur und die Eigenschaften des eingesetzten Katalysators auf die Gleichgewichtslage? d) Nennen Sie die wichtigsten Verwendungszwecke von Ammoniak. 5) Formulieren Sie sämtliche Teilschritte der technischen Salpetersäure-Synthese. 6) a) Welche Rohstoffe werden für die technische Schwefelsäure-Synthese eingesetzt? b) Formulieren Sie die drei Teilschritte der Schwefelsäure-Synthese. c) Welchen Einfluß haben Druck und Temperatur auf die Gleichgewichtslage bei der Oxidation von Schwefeldioxid? d) Welche Verwendung findet die Schwefelsäure technisch? 7) a) Welche Gleichung verknüpft das Löslichkeitsprodukt K L mit den Konzentrationen der beteiligten Ionen für die schwerlöslichen Salze AgCl, PbSO 4, CaF 2, Ca 3 (PO 4 ) 2? b) Welche Gleichungen verknüpfen die Löslichkeit L mit den Konzentrationen der beteiligten Ionen für diese Salze?

7 7 8) Ein Liter einer bei 25 ºC gesättigten Lösung von AgCl in reinem Wasser liefert beim Eindampfen einen Rückstand von 1.92 mg AgCl. Welches Löslichkeitsprodukt besitzt AgCl bei 25 ºC? 9) Das Löslichkeitsprodukt von BaSO 4 beträgt bei 25 ºC genau mol 2 L 2. Welche Löslichkeit (in mol/l und in g/l) besitzt BaSO 4 a) in reinem Wasser b) in 0.01 molarer K 2 SO 4 -Lösung? 10) Warum löst sich Calciumcarbonat in verdünnter Salzsäure? Thermodynamik II 1) Schätzen Sie den Verlauf der Entropie für die folgenden Prozesse ab: a) Sublimation von Kohlendioxid b) Lösen von festem Iod in Wasser c) Auskristallisieren von NaCl aus wäßriger Lösung 2) Wie sind a) Entropie und b) freie Enthalpie (Gibbs-Energie) definiert? 3) Was versteht man unter exergonischen und endergonischen Reaktionen? 4) Schreiben Sie die vollständige Reaktionsgleichung für die exotherme Reaktion von gasförmigem Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak auf. a) Berechnen Sie die freie Standardreaktionsenthalpie ΔG 0 R für diese Reaktion; es gilt ΔH 0 R = kj mol 1 und ΔS 0 R = J K 1 mol 1. b) Die Reaktionstemperatur werde künstlich gesteigert; wird sich der Partialdruck von Ammoniak im Gleichgewichtsgemisch erniedrigen oder erhöhen? Geben Sie eine kurze Begründung an. c) Warum benötigt man für diese Reaktion einen Katalysator? 5) Für die Reaktion PCl 5(g) PCl 3(g) + Cl 2(g) gilt bei 25 C ΔH 0 R = 92.5 kj mol 1 und ΔS 0 R = 182 J K 1 mol 1. a) Wie groß ist ΔG 0 R bei 25 C? Läuft die Reaktion spontan ab? b) Wie groß ist ΔG R bei 300 C? Läuft die Reaktion bei dieser Temperatur spontan ab? Nehmen Sie vereinfachend an, ΔH R und ΔS R seien temperaturunabhängig. 6) Definieren Sie die Begriffe Reaktionshemmung und Katalyse. 7) Den politisch korrekten Ausdruck Leben im Gleichgewicht mit der Natur haben Sie sicher schon einmal irgendwo gelesen. Was ist davon aus wissenschaftlicher Perspektive (Thermodynamik) zu halten? Säuren und Basen I 1) a) Was sind die Bedingungen für die elektrische Leitfähigkeit eines Mediums? b) Wodurch unterscheiden sich Leiter II. Art von Leitern I. Art?

8 8 2) a) Definieren Sie die Begriffe starker und schwacher Elektrolyt. b) Diskutieren Sie, ob Natriumchlorid ein starker Elektrolyt ist; welche Angaben müssen zu dieser Frage spezifiziert werden? 3) a) Formulieren Sie das Eigendissoziationsgleichgewicht von Wasser. b) Schreiben Sie das MWG für dieses Gleichgewicht an. Wie heißt hier die Gleichgewichtskonstante? c) Geben Sie die elementare Definition des ph-werts an. d) Welchen ph-wert hat ultrareines Wasser? 4) a) Wie werden Säure und Base in wäßriger Lösung definiert? b) Erstellen Sie Definitionen der Säurekonstanten K A und des pk A -Werts in Form von Gleichungen. c) Welche der beiden Größen ph und pk A beschreibt eine Stoffeigenschaft, welche die Eigenschaft einer Lösung? d) Was unterscheidet starke und schwache Säuren (bzw. Basen)? 5) Nennen Sie: a) vier starke anorganische Säuren b) zwei schwache Säuren c) zwei starke Basen und d) zwei schwache Basen 6) 3 g Essigsäure werden mit Wasser zu 100 ml Lösung gelöst. Welche Molarität C (bzw. Stoffmengenkonzentration ) hat diese Lösung? 7) 40%ige Schwefelsäure (Akkumulatorensäure) hat eine Dichte von kg/l. Welche Molarität C hat diese Säure? Säuren und Basen II 1) a) Berechnen Sie den ph-wert folgender wäßriger Lösungen: 0.1 M HCl; 0.05 M HCl; 0.1 M KOH; 0.05 M NaCl; 0.05 M K 2 O b) Wie können Sie eine wäßrige Lösung von ph = 2 und eine von ph = 12 herstellen? 2) Berechnen Sie den ph-wert folgender wäßriger Lösungen: 10 7 M HClO 4 ; 0.1 M CH 3 CO 2 H (pk A = 4.75); 0.1 M NaCH 3 CO 2, 0.1 M NH 4 Cl (pk B = 4.79 für NH 3 ) 3) Zu mäßig verdünnter NaCH 3 CO 2 -Lösung wird HClO 4 bis ph = 4 zugegeben. Welcher Anteil des Acetats liegt jetzt als Essigsäure vor? 4) Zur Herstellung einer Pufferlösung werden 100 ml Wasser mit 0.25 mol HF versetzt; die Säurekonstante beträgt K A (HF) = mol/l. Wieviel g an NaF müssen bei konstantem Volumen zugefügt werden, um einen ph-wert von 3.76 einzustellen? Hinweis: Beginnen Sie mit dem Säure-Base-Gleichgewicht. 5) Welche der wäßrigen Lösungen folgender Verbindungen reagieren sauer, neutral oder basisch: Ba(OH) 2, Na 2 CO 3, KClO 4, KHSO 4, NH 4 (CH 3 CO 2 ), FeCl 3, CaO, CsBr

9 9 Redoxchemie: Grundlagen 1) Formulieren Sie die vollständigen Reaktionsgleichungen für folgende Redoxvorgänge: a) Cu + NO 3 + H + Cu 2+ + NO 2 + b) Ca 3 (PO 4 ) 2 + SiO 2 + C CaSiO 3 + CO + P 4 2) Ergänzen Sie die folgenden Angaben über Redoxreaktionen zu vollständigen Reaktionsgleichungen: a) Zn + HCl b) Fe + HCl c) Fe + Cl 2 d) Cu + H 2 SO 4 (konz.) SO 2 3) Ergänzen Sie die folgenden Angaben über Redoxpaare in wäßriger Lösung zu Halbreaktionen: a) Fe 3+ / Fe 2+ b) Zn 2+ / Zn c) H + / H 2 d) Cl 2 / Cl e) O 2 + H + / H 2 O f) MnO 4 + H + / Mn 2+ 4) Beschreiben Sie die Elektrodenreaktionen und die Brutto-Reaktion a) im Daniell-Element b) im Blei-Akkumulator c) im Leclanché-Element. d) Wie läßt sich mit einfachen Mitteln (keine Spannungsmessung, keine ph-wert- Messung) der Ladungszustand des Bleiakkumulators bestimmen? 5) a) Von welchen Größen hängt die Urspannung (EMK) des Daniell-Elements ab? b) Wie muß man die Konzentrationen in den Halbzellen wählen, damit die EMK möglichst groß wird? 6) Berechnen Sie die EMK der Zelle Ni (s) / Ni 2+ (aq) (0.01 mol/l) // Cd 2+ (aq) (0.01 mol/l) / Cd (s) mit E 0 = 0.40 V für Cd 2+ / Cd und E 0 = 0.25 V für Ni 2+ / Ni. Bezeichnen Sie die Polarität der Elektroden. 7) Berechnen Sie die EMK der Zelle Ni (s) / Ni 2+ (aq) (1 mol/l) // Ni 2+ (aq)(0.01 mol/l) / Ni (s). Bezeichnen Sie die Polarität der Elektroden. Um welchen Typ von elektrochemischer Zelle handelt es sich? Redoxchemie: Elektrochemie 1) Eine verdünnte Kupfersulfat-Lösung wird 15 min bei einer Stromstärke von 0.4 A elektrolysiert. Es scheiden sich 0.12 g Kupfer ab. Berechnen sie aus diesen Angaben die Faraday-Konstante. 2) Wieviel Gramm Bleisulfat müssen theoretisch bei der Ladung eines ganz entladenen 12 V-Akkumulators auf 60 Ah pro Zelle umgesetzt werden? 3) Welche Typen von elektrochemischen Stromquellen unterscheidet man? Zu welchem Typ gehören Taschenlampenbatterien, Lithiumakkus und Autobatterien?

10 10 4) a) Wieviel Liter gasförmigen Sauerstoff (unter Standardbedingungen) liefert die elektrolytische Zersetzung von Wasser durch 10 Ah? b) Die Wasser-Elektrolyse läßt sich unter besonderen Bedingungen so lenken, daß Wasserstoffperoxid entsteht. Wieviel Gramm Wasserstoffperoxid lassen sich durch 100 Ah erhalten? c) Zeigen Sie, daß die Zersetzungsspannung des Wassers ph-unabhängig ist (Nernst-Gleichung). 5) a) Warum erscheint die elektrochemische Stromerzeugung (Brennstoffzelle) so besonders attraktiv? Trifft die Einschätzung überhaupt zu? b) Wo bestehen Probleme? c) Woher kommt der Brennstoff? 6) Durch ein Coulombmeter wird eine Elektrizitätsmenge von 2 Ah geleitet. Berechnen Sie die Masse des in einem Silber-Coulombmeter abgeschiedenen Silbers und das in einem Knallgas-Coulombmeter produzierte Gasvolumen (Standardbedingungen).

11 11 Grundgrößen und Basiseinheiten Basisgröße Name SI-Einheit Länge Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Sekunde s Elektrische Stromstärke Ampere A Temperatur Kelvin K Stoffmenge Mol Mol Leuchtstärke Candela Cd Abgeleitete SI-Einheiten Basisgröße Name SI-Einheit Druck Pascal Pa 1 Pa = 1 kg s 2 m 1 = 1 N m 2 Kraft Newton N 1 N = 1 kg m s 2 Energie Joule J 1 J = 1 kg m 2 s 2 = 1 N m = 1 W s Leistung Watt W 1 W = 1 kg m 2 s 3 = 1 J s 1 Frequenz Hertz Hz 1 Hz = 1 s 1 Elektrische Ladung Coulomb C 1 C = 1 A s Elektrische Spannung Volt V 1 V = 1 kg m 2 A 1 s 3 =1 W A 1 Stoffmengenkonzentration mol m 3 gebräuchlich mol L 1 Wichtige physikalische Größen Atomare Masseneinheit 1 u = kg Protonenmasse m p = u Neutronenmasse m n = u Elektronenmasse m e = u Lichtgeschwindigkeit c = m s 1 Avogadro-Konstante N A = mol 1 Plancksches Wirkungsquantum h = J s Faraday-Konstante F = C mol 1 Gaskonstante R = J K 1 mol 1 Elektrische Elementarladung e = C Elektrische Feldkonstante ε 0 = A 2 s 4 kg 1 m 3 Elektronenvolt 1 ev = J

12 12 Vielfache und Teile der Basiseinheiten Zehnerpotenz Vorsatz Vorsatzzeichen Zehnerpotenz Vorsatz Vorsatzzeichen Tera T 10 1 Dezi d 10 9 Giga G 10 2 Zenti c 10 6 Mega M 10 3 Milli m 10 3 Kilo k 10 6 Mikro μ 10 2 Hekto h 10 9 Nano n 10 1 Deka da Piko p Femto f Atto a

13 13 Zum Schmunzeln: Chemie bizarr (d.h. bar jeglicher Grundkenntnisse) Fundsachen ( ), gesammelt durch die Gesellschaft Deutscher Chemiker Wegen der im Vergleich zur Erde niedrigeren Schwerkraft kann der Mond auch keine Atmosphäre halten. Sie hat sich mit der Zeit verflüchtigt. Trotzdem ist der Sauerstoff auf der Oberfläche des Erdtrabanten genau wie auf der Erde das häufigste chemische Element. Er ist in Form von Silizium, Sauerstoff und Metallen im Mondgestein gebunden. (Der Tagesspiegel) Das Methan wird von Mikroorganismen zu Kohlendioxid und Sulfid umgesetzt. Letzteres bildet die Basis für ein artenreiches Ökosystem. (Neue Ruhr Zeitung) Bei der Verbrennung von Rapsöl entstehen weder Ruß noch das schädliche Kohlendioxid. (Mannheimer Morgen) EU-Parlament plant Verbot von Chemie in Zigaretten. (Die Welt) Die Reifen der Formel-I-Boliden werden nicht mit Luft, sondern mit einem Stickstoff- Gemisch gefüllt genau wie bei einem Space Shuttle. Grund: Das Gas dehnt sich nicht aus, wenn es heiß wird. Damit bleibt der Reifendruck konstant. (Express) Die Bakterien im Wasser brauchen den Sauerstoff, um Schmutzstoffe abzubauen und den Nährstoffhaushalt auszugleichen. Das Abfallprodukt dieses Vorgangs schwebt zentimeterhoch über der Wasseroberfläche: Stickstoff. (Oldenburg Report) Der Stickstoff der Luft dringt in die Konstruktion ein und macht den Beton sauer. Dies bringt den Stahl im Beton zum Rosten. (Wetzlarer Neue Zeitung) Chemikalien, die man braucht, um Sprengstoff herzustellen: Ammoniak, Salpetersäure, Stickstoff, Düngemittel. (Der Spiegel) Kohlenstoff, der vom Athleten in Form von Nahrung aufgenommen wurde und sich in den Körpermolekülen widerspiegelt, unterscheidet sich grundlegend von Kohlenstoff, der im Labor hergestellt wurde. (Landshuter Zeitung) Es wird berichtet, dass ein Lichtblitz aus den Wolken in den Boden einschlägt, Silizium heraussprengt und entzündet, das dann irrlichternd sein brandgefährliches Unwesen treibt. (Lausitzer Rundschau) Die Kohle soll das Co 2 speichern und dabei gleichzeitig Methangas abgeben. In Wirklichkeit laufen dabei natürlich komplizierte chemische und physikalische Prozesse ab. (Super Mittwoch) Zehn Stunden lang dampfte ein norwegisches Forschungsschiff zwischen Aberdeen (Schottland) und Jütland durch eine geschlossene Masse toter Fische. Verdacht auf Vergiftung durch Hydro-Carbon. (Rute und Rolle, Angelsportzeitschrift) Zement besteht aus 70 Prozent Calcium, 20 Prozent Silicium, das ist Quarzsand, und jeweils vier bis fünf Prozent Eisen und Aluminium. (Frankfurter Rundschau)

14 14 Bei einer neuen Untersuchung ist im Inneren der Haare von Napoleon Bonaparte eine besonders giftige Variante von Arsen entdeckt worden, die gemeinhin Rattengift genannt wird. (Westdeutsche Zeitung) Säureunfall geht glimpflich aus: Der Schlauch eine Säurebehälters war in der Nacht zu Donnerstag geplatzt. Zehn Kubikmeter Amoniak traten aus. Die Feuerwehr konnte das Amoniak-Gas mit einem Wassergemisch binden. (Freie Presse) In Meschede war die Chemikalie Chlordioxid ausgetreten, berichtete der Werksleiter. Der Stoff wird in der Trinkwasser-Gewinnungsanlage für die Wasserdesinfektion verwendet und aus Salzsäure und Natriumchlorid gemischt. (Aachener Zeitung) Der 19-Jährige hatte für die Weinschwefelung aus einem in der Kälte stehenden Behälter Schwefel in einen Glasbehälter gefüllt und diesen dann in warmes Wasser gestellt, um den Schwefel flüssig zu machen. Wegen der Temperaturunterschiede zersprang der Glaseinsatz des Behälters, wodurch Säure und Gase freigesetzt wurden. (Mannheimer Morgen) Die Brennstoffzelle ist eine abgasfreie und von fossilen Brennstoffen unabhängige Energiemaschine, in welcher der Strom aus der Elektrolyse des Wasserstoffs gewonnen wird. (Sächsische Zeitung) Knochen und Zähne: Beide bestehen zu 99% aus Kalzium. (Bild der Frau) Die poröse Fassadenfarbe lässt Stickstoffpartikel eindringen, neutralisiert sie und entzieht sie so der Atemluft. (Welt am Sonntag) Deswegen unser Tipp für die nächste Wohnungsrenovierung: Teebeutel vertreiben den Geruch von frischer Farbe, weil ihr Tannin die Formaldehyd-Ausdünstungen bindet. (Frankfurter Rundschau) Beim Erhitzen des Radmaterials im gasbefeuerten Ofen entsteht Zunder, der so genannte Glühspan. Es sind oxydierte Teilchen, die verbrennen. (Deutsche Bahn) Methanol ist eine Mischung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff [und] hat nur den halben Heizwert von Benzin. Der Vorteil: Methanol verbrennt sauberer als Benzin. Der Nachteil: Es brennt unsichtbar. Und ist deshalb noch gefährlicher als das leicht entzündliche Formel-1-Benzin. (Deutsche Post) In einem speziellen Katalysator werden dort mit der Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung die Stickstoffemissionen um bis zu 80 Prozent reduziert. (Rhein-Main-Zeitung) Es geht um die Synthese von Zuckermolekülen, deren Kohlenstoffatome durch radioaktive Kohlenstoff-13-Isotope ersetzt wurden. (Frankfurter Allgemeine Zeitung) In den Böden der Arktis ist einer neuen Studie zu Folge viel mehr Kohlenstoff gespeichert als vermutet. Durch die globale Erwärmung könnte daraus schnell weiteres Treibhausgas werden. Offen bleibt, ob der Kohlenstoff als Kohle, Graphit oder Diamant in der Arktis gespeichert ist. (Spiegel.de) Es ist ein mit 23 Tonnen Schwefelsäure beladener LKW [ ] im Strassengraben gelandet. Der Gefahrgutbehälter blieb dicht; andernfalls hätte Explosionsgefahr bestanden. (Nordwest-Zeitung)

15 15 Piezo-Injektoren spritzen den Kraftstoff so fein zerstäubt in den Brennraum ein, dass er unmittelbar und ohne Mischung mit Luft gezündet werden kann. (Kölner Stadt-Anzeiger) Allein der Verdampfungsprozess von Pflanzenölen besteht aus einer Abfolge von mehr als chemischen Reaktionen. (Rheinischer Merkur) Der Energieträger Wasserstoff läßt sich offenkundig effizient aus Sojaöl und Glukose gewinnen, ohne daß dabei Kohlenstoff entsteht. (Frankfurter Allgemeine Zeitung) Kernkraftwerke sind Bomben, die unter strenger Kontrolle explodieren. Dies gilt für alle AKW, die nach dem Prinzip der Kernfusion arbeiten. (Welt am Sonntag) Mit Ultraschall kann man chemische Reaktionen hervorrufen, ohne Chemie einzusetzen. Das ist was ganz Spannendes. (VDI-Nachrichten) Nylonstrümpfe entstehen beim einfachen Mischen von Kohlenstoff, Wasser und Luft. Das ist so simpel, dass man mal im Neandertal nachgraben sollte. (Mitteldeutsche Zeitung) Carbon-Carbon ist ein Werkstoff aus Silikon, der beim Verarbeiten aufgeschäumt und dann aufgesprüht wird. (Rheinischer Merkur) Während der Kremation werden bei etwa 1000 bis 1200 Grad [ ] die Knochen zu reinem Kalzium mineralisiert. (Westfälische Rundschau) CO 2 reagiert mit dem Meerwasser zu Wasserstoff-Ionen. (VDI-Nachrichten) Flüssiges Kohlendioxid ist zum Beispiel in Fleckenentfernern, weil es organische Stoffe zerstört. (spiegel.de) Auch das Stadium des Fußball-Klubs Arsenal London zeigte sich atomfrei. (Mannheimer Morgen) Von Jod raten Notfallmediziner dringend ab, weil es [ ] Farbstoffe und Schwermetalle enthält. (RTL-Videotext) Erstens: Geschmacksmoleküle besitzen mehr Masse als Alkoholmoleküle. Durch das Schütteln gelangen sie an die Oberfläche, der Drink schmeckt besser. Zweitens: Der geschüttelte Martini ist gesünder, weil sich darin die freien Radikalen, zum Beispiel aggressive Wasserstoffperoxid-Moleküle, besser auflösen. (Süddeutsche Zeitung) Auf seinem Weg zum Meer löst das Flusswasser Natrium aus dem Gestein, das sich dann mit Gasen zu Natriumchlorid, also Salz, verbindet. (tz München) Beim Einsturz zweier Chemiefabriken in China: Ammoniak ist entwichen und Schwefelsäure in Brand geraten. (Süddeutsche Zeitung) Substanzen unter Verdacht: Die EU will festlegen, wann Chemie verboten wird. (Tageszeitung) Beim Bestrahlen der Jeans spalten sich die Sandkörner unter dem Hochdruck der Kompressoren. [ ] Dabei tritt Silizium aus, reagiert mit dem Sauerstoff und verwandelt sich in Quarz. (Darmstädter Echo)

16 16 Nach mehreren Stunden bei rund 200 Grad Hitze spalten sich in der Brühe Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Das Ergebnis ist schwarzer Schlamm. (Wirtschaftswoche) Abhängig von den geologischen Gegebenheiten weisen Wässer mitunter Urangehalte bis zu 100 g/l auf. (Iserlohner Zeitung) Kohlendioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, das aus zwei Teilen Wasserstoff und einem Teil Kohlenstoff besteht. (Lübecker Nachrichten) Die Folia-Müllbeutel sind aus Polyethylen und verbrennen ohne Rückstände und giftige Gase abzugeben. Die freiwerdenden Stoffe verbinden Sauerstoff der Luft zu Wasser (H 2 O 2 ) und Kohlendioxyd (CO 2 ). (Aldi-Information) Italienischer Billigwein enthält höchstens ein Drittel Traubenmost; der Rest ist Wasser, Chemie, Zucker, Düngemittel, Schwefel- und sogar Salzsäure. (Potsdamer Neueste Nachrichten) Die Ergebnisse der US-Forschungssonde Phoenix überraschten das Forschungsteam mit einem relativ hohen Säuregehalt mit einem ph-wert von acht bis neun. (Gießener Allgemeine) Mehr als 20 Menschen sind erstickt. Bei der Havarie des russischen Atom-U-Boots ist in einer Feuerlöschanlage die tödliche Chemikalie Freon ausgeströmt. Die Marine bleibt dabei: Der Reaktor ist unbeschädigt. (Die Zeit)

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