2. Klausur zum Chemischen Grundpraktikum im WS 2009/10 vom (Wiederholungsklausur)

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1 2. Klausur zum Chemischen Grundpraktikum im WS 2009/10 vom (Wiederholungsklausur) A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 Σ Note NAME:... STICHPUNKTE ZUR LÖSUNG VORNAME:... IMMATRIKULATIONSNUMMER:... Schreiben Sie bitte gut leserlich: Name und Vorname in Druckbuchstaben. Unleserliche Teile werden nicht gewertet! Die Bewertung der einzelnen Aufgaben ist jeweils in Klammern nach der Aufgabennummerierung angegeben. Insgesamt sind 100 Punkte erreichbar. Die Gesamtklausur gilt als bestanden, wenn 50% der erreichbaren Punkte erzielt wurden. Wichtig: 1. Schreiben Sie auf jedes Blatt oben Ihren Namen. 2. Schreiben Sie die Lösungen nur auf das Blatt der entsprechenden Aufgabe (wenn erforderlich die Rückseite benutzen). 3. Mit Bleistift geschriebene Aufgaben werden nicht gewertet! 4. Als Hilfsmittel ist nur ein nicht programmierbarer Taschenrechner zugelassen. 5. Falls Sie weitere Zusatzblätter benötigen, fordern Sie diese bitte beim Aufsichtspersonal an und verwenden Sie nur gekennzeichnete Zusatzblätter. Viel Erfolg beim Lösen der Aufgaben! Die Klausur umfasst 10 Aufgaben auf insgesamt 11 Blättern (1 Schmierblatt, PSE). Überprüfen Sie unbedingt bei Erhalt der Klausur die Anzahl der Blätter auf Vollständigkeit!

2 Vorname: Nachname: 2/10 1. a) [3] 40 g einer Natronlauge mit einem Massenanteil von w = 0.45 werden mit 150 g reinem Wasser gemischt. Welche Konzentration weist die resultierende Lösung auf? z.b. Lösen durch Mischungsgleichung: (w = 0.45 bedeutet Massenanteil von 45%) Wenn hier von Konzentration die Rede ist, sollten Sie bedenken, dass auch der Massenanteil eine Konzentrationsangabe ist. Sie können hier zunächst nicht (!) in die Stoffmengenkonzentration umrechen, da Ihnen die Dichte bei dem entsprechenden Massenanteil nicht gegeben ist! Genau das haben aber fast alle versucht, das Ergebnis ist dann aber ungenau und war so nicht gefragt. Umstellen der Mischungsgleichung (c E = Endkonzentration) m 1 c 1 + m 2 c 2 = (m 1 + m 2 ) c E nach c E ergibt : c E = 18 / 190 = bzw. c E = 9.47%. 1. b) [3] Wieviel Gramm Silbernitrat sind in 175 g einer Lösung dieses Salzes enthalten, wenn sie einen Massenanteil von w = 0.05 aufweist? Es ist bedeutungslos, welcher Stoff vorliegt, deshalb brauchen Sie auch nicht die molare Masse des Silbernitrats auszurechnen. Aus der Definition des Massenanteils lässt sich errechnen: w = m / m Gem. m = w. m Gem. m = 175 g = 8.75 g. 1. c) [4] Eine Natriumhydroxidlösung der Stoffmengenkonzentration c = 0.25 mol L 1 soll durch Mischen einer Lauge mit der Konzentration c = 0.4 mol L 1 mit einer Lauge der Konzentration c = 0.15 mol L 1 hergestellt werden. In welchem Verhältnis sind die beiden Lösungen zu mischen und welchen ph-wert weist die resultierende Lösung auf? z.b. Lösen durch Mischungskreuz: ergibt ein Mischungsverhältnis von 1 : 1, 5 (0.4 m : 0.15 m) ph-wert: c(naoh) = 0.25 mol/l ph + poh = 14 ph = 14 poh poh = 0.60 ph = 13.40

3 Vorname: Nachname: 3/10 2 a) [2] Die massenspektrometrische Analyse ergab in allen natürlich vorkommenden Verbindungen des Schwefels folgende relative Isotopenverteilung: 32 S, %; 33 S, 0.75 %; 34 S, 4.21 % und 36 S, 0.02 %. Die Kernmassen dieser Isotope betragen jeweils ; ; und Errechnen Sie aus diesen Angaben die relative Atommasse des Schwefels. A r = (0.9502) (0.0075) (0.0421) (0.0002) = b) [3] Berechnen Sie die Dichte (in g L 1 ) von gasförmigen Kohlenmonoxid im Normzustand. Wie ist der Normzustand bei Gasen definiert? Normzustand bei Gasen: 0 C ( K) und 1 atm (1.013 bar) ρ = m / V, es gilt also auch: ρ = M / V m ρ = / 22.4 = [g/l]. 2. c) [2] Berechnen Sie über die gegebene Dichte von gasförmigen Sauerstoff (ρ = g L 1 ) seine molare Masse. Formel wie zuvor (2b) umstellen nach: M = = [g/mol]. Rechnen mit der Gleichung für das ideale Gas war nicht gefordert, zumal Ihnen die Gaskonstante auch nicht gegeben war.

4 Vorname: Nachname: 4/10 3. a) [3] Wieviel Gramm wasserfreie Soda sind zur Herstellung von 900 ml einer Lösung der Verbindung mit einer Äquivalentkonzentration von c = 0.2 mol L 1 erforderlich? Normalität : c n = (n / V ). z M (Na 2 CO 3 ) = , m = (c n. M. V) / z m = (c n. M. V) / z m = ( ) / 2 = [g]. 3 b) [3] Durch Volumetrie wurde der Gehalt einer Schwefelsäure bestimmt. Am Äquivalenzpunkt wurden 16.8 ml einer 0.1 n Natronlauge verbraucht. Geben Sie den Gehalt an Schwefelsäure in der Probe (in mg) an. m (H 2 SO 4 ) = [c n. M(H 2 SO 4 ). V(NaOH)] / z (z = 2) M (H 2 SO 4 ) = m (H 2 SO 4 ) = [ ] / 2 = g = 82.4 mg. (Sie sollten hier beachten, dass Sie zwei mol NaOH benötigen, um 1 mol H 2 SO 4 zu neutralisieren, d.h. wer stur nur nach c 1 V 1 = c 2 V 2 rechnet, muss eben am Ende das Ergebnis ( mg) durch 2 teilen! Genau das haben sehr viele nicht beachtet! Oft hilft eben das zusätzliche Aufstellen einer Reaktionsgleichung!) 3c) [3] Berechnen Sie den ph-wert einer wässrigen Lösung bestehend aus 1.00 g Phthalsäure und 2.00 g Kaliumhydrogenphthalat in ml Wasser. Gegeben: pk S1 = 2.95, pk S2 = In welchem Zusammenhang haben Sie im Praktikum mit Kaliumhydrogenphthalat gearbeitet? zunächst Molmassen ausrechnen: H 2 P = und KHP = (P = C 8 H 4 O 4 ) Es ist zu beachten, dass hier die Stufe des pk S1 von Bedeutung ist: H 2 P HP P 2 pk S1 pk S2 Puffergleichung anwenden: ph = pk S1 + lg ([HP ] / [H 2 P]) n(hp ) = 2.00 / = n(h 2 P) = 1.00 / = ph = lg (1.626) = Zur Einstellung einer Natronlauge-Maßlösung haben Sie im Praktikum mit Kaliumhydrogenphthalat (C 8 H 5 O 4 K) als Urtitersubstanz gearbeitet.

5 Vorname: Nachname: 5/10 3. d) [3] Wieviel Gramm Eisen(III)-oxid sind in der Reaktion mit Aluminium (aluminothermisches Verfahren) erforderlich, um 560 g Eisen herzustellen? Fe 2 O Al Al 2 O Fe M(Fe 2 O 3 ) = M(Fe) = (s. PSE) Im einfachsten Fall Dreisatzrechnung: m (Fe 2 O 3 ) = ( ) / = [g]. 3. e) [3] Eine Pufferlösung besteht aus Ethansäure (K S = mol L 1 ) und Natriumacetat; die Konzentration beider Bestandteile der Lösung ist jeweils c = 0.1 mol L 1. Berechnen Sie den ph-wert der Lösung. Puffergleichung anwenden: ph = pk S + lg ([NaOAc] / [AcOH]) Vorher K S in pk S umrechnen: pk S = lg K S = 4.74 ph = lg (0.1 / 0.1) = 4.74

6 Vorname: Nachname: 6/10 4. a) [5] Zur Einstellung einer Titriplex-III-Lösung werden hochreine Metalle wie z.b. Zink als Urtiter verwendet, indem das Metall vollständig in Säure gelöst wird. Beschreiben Sie in diesem Zusammenhang die nötigen Arbeitsschritte zur Faktorbestimmung einer Maßlösung von Dinatrium-ethylendiammoniumtetraacetat-Dihydrat. Verwenden Sie dazu alle notwendigen Reaktionsgleichungen und mathematischen Beziehungen. Geben Sie an, wie schließlich die Konzentration der Maßlösung berechnet wird. Unter welchen Bedingungen ist eine Maßlösung von Na 2 H 2 edta titerbeständig? Genau eingewogene Menge an reinem Zink in z.b. Salzsäure lösen (z.b g): Zn + 2 HCl Zn Cl + H 2 liefert definierte Zn(II)- Urtiterlösung (hier 0.1 molar, wenn zu 1 L aufgefüllt). Na 2 H 2 edta. 2 H 2 O (ca. 0.1 mol) einwiegen und auf 1 L im Maßkolben exakt auffüllen und Faktorbestimmung mit Zn- Urtiter vornehmen: Zn 2+ + Na 2 H 2 edta [Zn(edta)] Na H + Berechnung: 1 ml 0.1 m Zn(II)-Lösung = 1 ml 0.1 m Na 2 H 2 edta-lösung (bzw. mit Faktor) Na 2 H 2 edta-lösung nur lange Zeit titerbeständig in PE-Flaschen, da bei Glas die Gefahr besteht, dass sich Ca- oder Mg-Ionen herauslösen. (Hinweis: Verwendung von CaCO 3 als Urtiter wurde auch akzeptiert.) 4. b) [3] Ein Trinkwasser weist einen Gehalt an Hydrogencarbonat von 5 mmol L 1 auf. Berechnen Sie, wie viele Tropfen einer Salzsäure der Konzentration c = 1 mol L 1 zugegeben werden müssen, um das gesamte Hydrogencarbonat in Kohlensäure umzuwandeln (Volumen 1 L). Gehen Sie davon aus, dass 1 Tropfen einem Volumen von 0.05 ml entspricht. HCO 3 + H + H 2 CO 3 5 mmol/l 5 mmol (nach Gleichung) pro Liter erforderlich c(hcl) = 1 mol/l, also 1 mmol/ 1 ml 5 mmol = 5 ml 5 : 0.05 = 100 (Tropfen der 1m HCl).

7 Vorname: Nachname: 7/10 5. Zur Konservierung von Fleischwaren wird Pökelsalz, eine Mischung aus Kochsalz und Natriumnitrit (E 250) verwendet. Da letzteres giftig ist, gelten bestimmte Grenzwerte bzw. Empfehlungen für die Verwendung. Beispielsweise darf 1 kg Rohschinken max. 250 mg Natriumnitrit enthalten und täglich sollten pro kg Körpergewicht max. 0.1 mg Natriumnitrit aufgenommen werden. Bei einer titrimetrischen Bestimmung von Pökelsalz wurden 25 g der Substanz in einen Maßkolben (500 ml) gegeben und dieser bis zur Eichmarke mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Von dieser Lösung wurden 25 ml entnommen, mit Schwefelsäure versetzt und anschließend mit einer Kaliumpermanganat-Maßlösung (c = mol L 1 ) titriert. Am Äquivalenzpunkt wurde ein Verbrauch an Maßlösung von 10.2 ml registriert. 5. a) [7] Geben Sie für diese analytische Bestimmung eine vollständige Reaktionsgleichung an (aus Teilgleichungen hergeleitet!) und berechnen Sie den Massenanteil an Natriumnitrit im vorgegebenen Pökelsalz. MnO 4 + 5e + 8 H + Mn H 2 O x 2 NO 2 + H 2 O NO H e x 5 2 MnO NO H + 2 Mn NO H 2 O M (NaNO 2 ) = Aus der Stöchiometrie der Gleichung ergibt sich im konkreten Fall: 1 ml m KMnO 4 = mmol NaNO 2 = mg NaNO 2 für die 25-mL-Probe gilt: 10.2 ml Verbrauch an Maßlösung heißt 10.2 x = [mg] NaNO 2 Es wurden nun 25 g Pökelsalz zu 500 ml gelöst, d.h. für die gesamten 500 ml gilt: [mg] NaNO 2 x 20 = mg NaNO 2 (in den 25 g enthalten). Als Massenanteil ausgedrückt: w(nano 2 ) = g / 25 g = oder 0.28 %.

8 Vorname: Nachname: 8/10 5. b) [3] Erklären Sie, warum bei dieser Art der Bestimmung eine umgekehrte Titration (was ist gemeint?) durchgeführt werden muss. Was ist in diesem Zusammenhang noch bei dieser Titration unbedingt zu beachten? Die nitrithaltige Probe darf nicht vorgelegt werden, da bei der Permanganatometrie im stark sauren Milieu titriert werden muss. Die Zugabe von Säure zu nitrithaltigen Lösungen setzt aber sofort HNO 2 frei, die sich wiederum rasch unter Disproportionierung zersetzt: 3 HNO 2 HNO NO + H 2 O Das NO würde aus der Lösung austreten und an der Luft nitrose Gase bilden. Insofern muss hier ein definiertes Volumen an Maßlösung vorgelegt werden, die zu bestimmenden Probe wird in die Bürette gefüllt (umgekehrte Titration), und es wird langsam mit leicht eingetauchter Bürettenspitze titriert. 6 a) [5] Schreiben Sie in den nachfolgenden Formeln die Oxidationszahlen über die Elementsymbole der fett gedruckten Elemente. Elektronegativitätswerte (nach Allred-Rochow): H, 2.20; C, 2.50; N, 3.07; O, 3.50; F, 4.10; Na, 1.01; S, 2.44; Cl, 2.83; Pb, 1.55; Fe, 1.65; Cr, I +/ 0 I +II +III FeS 2 HOF CH 3 CH 2 OH Na 2 S 2 O 3 CH 3 CN II +III +II 8/3 + VI CH 3 OH HClO 2 CHCl 3 Pb 3 O 4 CrO 5 +II +IV bzw. 2 PbO. PbO 2

9 Vorname: Nachname: 9/10 6. b) [5] Welche Summenformel hat eine Verbindung folgender Zusammensetzung: C, 32.00; H, 6.71; N, 18.66%, der Rest ist Sauerstoff. Die Molmasse der Verbindung wurde mit g/mol bestimmt. Durch Differenzbildung den fehlenden Anteil an Sauerstoff berechnen. auf 100 g Substanz beziehen: Element m E [g] M E [g/mol] n = m/m n/x C H N (X) 1 O Daraus ergibt sich zunächst die empirische Formel C 2 H 5 NO 2. Berechnung der molaren Masse der empirischen Formel: 2 x x x = Da dies der experimentell bestimmten Molmasse entspricht, entspricht in diesem Fall die berechnete empirische Formel auch der Summenformel der Verbindung.

10 Vorname: Nachname: 10/10 7. a) [6] Wasserstoffperoxid kann als redoxamphoter angesehen werden. Erläutern Sie dies einerseits an der Reaktion des Peroxids mit Cr III in basischer Lösung und andererseits an der Reaktion mit Chromat(VI) in saurer Lösung. Verwenden Sie dazu Reaktionsgleichungen, die Sie aus Teilgleichungen herleiten. a) basisch (H 2 O 2 wirkt als Oxidationsmittel gegenüber Cr III, der Sauerstoff der Verbindung wird reduziert, Ox.-zahl sinkt): Cr OH 2 CrO 4 + 3e + 4 H 2 O x 2 H 2 O e 2 OH x 3 2 Cr H 2 O OH 2 2 CrO H 2 O Beachten Sie, dass in basischer Lösung nur mit CrO 2 4 zu formulieren ist! b) sauer (H 2 O 2 wirkt als Reduktionsmittel gegenüber Dichromat, der Sauerstoff der Verbindung wird oxidiert, Ox.-zahl steigt): Cr 2 O H e 2 Cr H 2 O H 2 O 2 O H e x 3 Cr 2 O H 2 O H + 2 Cr O H 2 O Beachten Sie, dass in saurer Lösung nur mit Cr 2 O 7 2 zu formulieren ist! 7. b) [4] Beschreiben Sie kurz das Prinzip, wie Sie im Praktikum Peroxodisulfat hergestellt und dessen Gehalt bestimmt haben. Verwenden Sie dazu vollständige Reaktionsgleichungen. Darstellung: durch Elektrolyse (anodische Oxid. von Sulfat bzw. Hydrogensulfat): 2 2 HSO 4 S 2 O e + 2 H + An der Kathode Wasserstoffentwicklung: 2 H e H 2 Gehaltsbestimmung: Wegen des sehr großen (positiven) Potentialwertes von S 2 O 2 8 ist es nicht möglich, eine direkte Bestimmung mit Permangant vorzunehmen. Es wird in einer Art Rücktitration eine definierte Menge an Fe 2+ im Überschuss zum Peroxodisulfat zugegeben, dabei wird der Peroxosauerstoff zu oxidischem O (im Sulfat) reduziert, ein Teil des Fe 2+ zu Fe 3+ oxidiert: 2 Fe S 2 O 8 2 SO Fe 3+ Anschließend wird der nichtverbrauchte Teil an Fe 2+ normal manganometrisch bestimmt.