2. Teilklausur zum Chemischen Grundpraktikum im WS 2010/11 vom

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1 2. Teilklausur zum Chemischen Grundpraktikum im WS 2010/11 vom A1 A2 A3 F1 F2 R1 R2 E1 Σ Note NAME/VORNAME:... LÖSUNGEN Matrikelnummer:... 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 50 Punkte erreichbar. Wichtig: 1. Überprüfen Sie zu Beginn das ausgegebene Klausurexemplar auf ordnungsgemäße Vollzähligkeit der Blätter! 2. Schreiben Sie bitte die Lösungen nur auf das Blatt der entsprechenden Aufgabe einschließlich der Rückseite. 3. Mit Bleistift geschriebene Aufgaben werden nicht gewertet! 4. Als Hilfsmittel ist nur ein nicht programmierbarer Taschenrechner zugelassen. 5. Falls Sie Zusatzblätter benötigen, fordern Sie diese bitte an und verwenden Sie nur gekennzeichnete Zusatzblätter! Viel Erfolg beim Lösen der Aufgaben! Die Klausur umfasst 8 Aufgaben auf insgesamt 14 Blättern (1 Schmierblatt und PSE als Anhang).

2 Vorname: Nachname: 2/15 1. [2] a) Geben Sie eine Reaktionsgleichung für das Auflösen von Kalkstein in der Natur (Verwitterungsprozesse) an. Welche Ionen sind für die Entstehung der Wasserhärte verantwortlich und wie kann deren Gehalt ermittelt werden? Erläutern Sie dazu kurz das Prinzip anhand einer Reaktionsgleichung. CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 (Kalkstein) ( H 2 CO 3 ) Ionen: Ca 2+ und Mg 2+ in gelöster Form Bestimmung z.b. komplexometrisch: Ca 2+ + (H 2 edta) 2 [Ca(edta)] H + 1. [1] b) Geben Sie eine Reaktionsgleichung für die Bildung von Kesselstein an und erläutern Sie kurz (Reaktionsgleichung), wie dieser entfernt werden kann. Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O (Kesselstein) Auflösen z.b. in Mineralsäuren: CaCO H + Ca 2+ + H 2 O + CO 2

3 Vorname: Nachname: 3/15 1. [5] c) Wieviel mg Calciumcarbonat lösen sich in 2.75 L Wasser vom ph = 7.00, wenn gilt: L(CaCO 3 ) = (25 C). Geben Sie an, welcher Wasserhärte dies in dh entspricht. Berechnen Sie außerdem, wieviel ml einer Titriplex-III- Maßlösung (c = 0.1 mol L 1 ) erforderlich sind, um die gelöste Menge an Calcium- Ionen in der gesamten Lösung zu bestimmen. molare Löslichkeit in 1 L Wasser aus dem Löslichkeitsprodukt errechnen: L(CaCO 3 ) = [Ca 2+ ] [CO 2 3 ]; [Ca 2+ ] = [CO 2 3 ] [Ca 2+ ] = L = = (molare Löslichkeit in mol/l). M(CaCO 3 ) = g/mol m = n M m = mol/l g /mol = g/l 6.86 mg/l in 1 Liter Wasser löslich, d.h. also mg in 2.75 L. Welcher Wasserhärte (in dh) entspricht das? m = n M M(Ca) = g/mol m(ca 2+ ) = mol/l g /mol = g/l also: 2.75 mg/l (Ca 2+ in Wasser gelöst). 1 dh entspricht 7.14 mg (Ca 2+ )/L (nach Definition), also ergibt sich hier als Ergebnis: Wasserhärte = 0.39 dh. aus Reaktionsgleichung (s. 1a) ergibt sich: 1 ml 0.1 molare Lösung an Na 2 H 2 edta entspricht mg Ca 2+ /ml. Also (z.b. über Dreisatz): ml Na 2 H 2 edta für 1L erforderlich, bzw. 1,89 ml für die gesamte Lösung mit 2.75 L.

4 Vorname: Nachname: 4/15 2. [5] a) Leiten Sie für eine neutrale Aminosäure her, dass für sie an einem bestimmten Punkt die Beziehung ph IP = ½(pK S1 + pk S2 ) gilt, indem Sie die Verbindung als zweibasige schwache Säure der allgemeinen Form H 2 A behandeln. am 1. Pufferpunkt (z.b. bei Titration aus dem sauren Bereich heraus) ergibt sich aus der Gleichung: H 2 A + + H 2 O HA + H 3 O + (pk S1 ) die Puffergleichung: ph = pk S1 + lg ( [HA] / [H 2 A + ] ). am 2. Pufferpunkt (z.b. bei Titration aus dem sauren Bereich heraus) ergibt sich aus der Gleichung: HA + H 2 O A + H 3 O + (pk S2 ) die Puffergleichung: ph = pk S2 + lg ( [A ] / [HA] ) Isoelektrischer Punkt (IP): Anzahl der positiven Ladungen = Anzahl der negativen Ladungen, d.h. nach außen neutral, es gilt also: [H 2 A + ] = [A ] Umformen der beiden Puffergleichungen ergibt: lg [H 2 A + ] = ph + pk S1 + lg [HA] bzw. lg [A ] = ph pk S2 + lg [HA]. Gleichsetzen der beiden Gleichungen ergibt: ph IP + pk S1 + lg [HA] = ph IP pk S2 + lg [HA] und Umformen somit schließlich: ph IP = ½ (pk S1 + pk S2 ).

5 Vorname: Nachname: 5/15 2. [2] b) Der Gehalt einer Ammoniumacetatlösung wurde durch Titration mit Salzsäure aus dem stark basischen Bereich heraus bestimmt. Berechnen Sie wieviel mg Ammoniumacetat 100 ml einer Analysenlösung enthalten, wenn Sie am Äquivalenzpunkt 1 einen Verbrauch an Titratorlösung (c = 0.09 mol L 1 ) von 3.76 ml und am Äquivalenzpunkt 2 von 6.25 ml registriert haben. Das vorgelegte Volumen pro Einzeltitration betrug 25 ml. (Wir gehen davon aus, dass die Werte für die Mehrfachbestimmungen exakt reproduziert wurden.) M(NH 4 OAc) = g/mol CH 3 COO + H + CH 3 COOH 1 ml 0.1 m HCl entsprechen mg NH 4 OAc bzw. 1 ml 0.09 m HCl entsprechen mg NH 4 OAc. Für die Berechnung wird die Differenz (EP2 EP1) benötigt: 6.25 ml 3.76 ml = 2.49 ml Für die Einzeltitration (25 ml): 2.49 x = mg (ml HCl) (mg NH 4 OAc) Gesamtmenge an NH 4 OAc in den 100 ml (gesamte Probe): 4 x = 69.1 mg.

6 Vorname: Nachname: 6/15 3. [4] a) Was ist im Zusammenhang mit gravimetrischen Bestimmungen unter homogener bzw. heterogener Fällung zu verstehen? Nutzen Sie für die Erklärung die im Praktikum selbst durchgeführte Bestimmung von Eisen mit den entsprechenden Reaktionsgleichungen. Fe 3+ wird zunächst als Hydroxid gefällt: Fe OH Fe(OH) 3 (Fällungsform) heterogene Fällung: mit z.b. Natronlauge ergibt den Nachteil, dass es bei der Fällung partiell zur starken Übersättigung in der Lösung kommen kann, was u.a. Fremdioneneinschlüsse im Niederschlag zur Folge haben kann. Bei sofortiger Abtrennung kann es daher zu Wertverfälschungen kommen. homogene Fällung: langsames und kontinuierliches Freisetzen des Fällungsreagenz durch eine chemische Reaktion: hier mit Urotropin (Hexamethylentetraamin): C 6 H 12 N H 2 O 4 NH HCHO NH 3 + H 2 O NH OH (Hydroxidionen für die Fällung) Vermeiden der Fremdioneneinschlüsse, gut filtrierbare Niederschläge werden erhalten, die sofort filtriert werden können.

7 Vorname: Nachname: 7/15 3. [6] b) In basischer Lösung wird Permanganat durch Sulfitlauge nur bis zur Oxidationsstufe +IV reduziert. Geben Sie eine Reaktionsgleichung für diesen Vorgang an, die Sie aus Teilgleichungen herleiten. Welche Stoffmengenkonzentration muss eine Natriumsulfitlösung besitzen, wenn exakt 100 ml dieser Lösung zur quantitativen Ausfällung von 1.5 g Braunstein aus einer Permanganatlösung führen? MnO e + 2 H 2 O MnO OH x 2 SO OH SO H 2 O + 2e x 3 2 MnO SO H 2 O 2 MnO SO OH M(MnO 2 ) = g/mol n = m / M Molzahl für 1.5 g MnO 2? n = 1.5 g / g mol 1 = mol. Umsatz nach Gleichung? 1.0 mol Permanganat erfordert 1.5 mol Sulfit; das ergibt 1 mol MnO 2. Also: 1.5 x = mol Sulfit sind erforderlich. Auf 1 L bezogen: würde 1 L einer molaren Sulfitlösung bedeuten. Es war aber nach 100 ml gefragt, diese Lösung müsste also eine Stoffmengenkonzentration von c = 0.26 mol/l aufweisen.

8 Vorname: Nachname: 8/15 Farben Aufgabe 1: a) [1] Sortieren Sie die folgenden Farben nach ihrer Frequenz: Grün, Orange, Blau und Rot. Beginnen Sie mit der kleinsten Frequenz. b) [1] Eine Indikatorlösung erscheint in der Durchsicht blau. Welche Farbe wird absorbiert? c) [2] Betrachten Sie die Brechung des Lichts an einer ebenen Grenzfläche zwischen Luft und Wasser. Brechungsindex von Wasser n Wasser = 1.33, Brechungsindex von Luft n Luft = 1. Ein Lichtstrahl trifft ausgehend von Luft unter einem Winkel von 60 (gemessen gegen die Oberflächennormale) auf die Grenzfläche. Bestimmen Sie den Winkel des reflektierten und des ins Wasser gebrochenen Strahls.

9 Vorname: Nachname: 9/15 Farben Aufgabe 2: a) [2] Eine Probe habe die optische Dichte OD = 1. Wie viel Prozent der eingestrahlten Intensität wird transmittiert? Wie viel Prozent werden absorbiert? b) [2] Eine Farbstofflösung habe die optische Dichte OD = 2 für die Schichtdicke d = 1 cm. Der Extinktionskoeffizient des Farbstoffs ist ε = L/(mol cm). Berechnen Sie die Konzentration des Farbstoffs. c) [1] Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Absorptions- und der Fluoreszenzwellenlänge eines Farbstoffmoleküls?

10 Vorname: Nachname: 10/15 Reaktionskinetik Aufgabe 1: [3] Die Bildungsgeschwindigkeit von C in der Reaktion 2A + 2B 3C + D beträgt 3.0 mol/(ls). Wie groß sind die Reaktionsgeschwindigkeit und die Bildungs- und Verbrauchsgeschwindigkeiten der anderen Reaktionspartner?

11 Vorname: Nachname: 11/15 Reaktionskinetik Aufgabe 2: [6] Lachgas zersetzt sich thermisch gemäß N 2 O N 2 + 1/2 O 2 Bei 1000K wurde folgender Partialdruck von N 2 O gemessen: t [s] P N2 O [Pa] , , Bestimmen Sie daraus die Reaktionsordnung und die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion. Verwenden Sie statt der Konzentration den Partialdruck.

12 Vorname: Nachname: 12/15 Reaktionskinetik Lösung Aufgabe 2 - Fortsetzung:

13 Vorname: Nachname: 13/15 Elektrochemie Aufgabe 1: Betrachten Sie folgende Halbzellenreaktionen mit ihren Standardpotentialen bei 298 K. Zn e Zn, Δφ = V Cu e Cu, Δφ = V Cr e Cr, Δφ = V Verwenden Sie die Zahlenwerte R = 8,3145 J/(mol K) und F = C/mol. a) [3] Bestimmen Sie die Konzentration der Kationen, bei der die Nernstspannung der jeweiligen Halbzelle verschwinden würde.

14 Vorname: Nachname: 14/15 Elektrochemie b) [4] Bestimmen Sie die Nernstspannung für die galvanische Zelle mit den Halbelementen Cu und Zn, wenn eine Konzentration der Zinkionen von 0,4 mol/liter und eine Konzentration der Kupferionen von mol/liter in der Lösung vorliegt. Verwenden Sie dazu die in Aufgabe a) angegebenen Standardpotentiale.

15 Vorname: Nachname: 15/15 Schmierblatt: sämtliche Notizen auf diesem Blatt werden nicht gewertet!