KLAUSUR ZUR VORLESUNG "ALLGEMEINE CHEMIE" WS 04/05

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1 KLAUSUR ZUR VORLESUNG "ALLGEMEINE CHEMIE" WS 04/05 Prof. Dr. R. Schäfer S. Tayefeh / A. Seeger / S. Laubach WS 04/ Februar 2005 Name: Vorname: Matr.-Nr.: Studiengang: (bitte unten ankreuzen) Dipl. Materialwissenschaft Dipl. Chemie Dipl. Biologie Geowissenschaften Bachelor Chemie LaG (Biologie) Nebenfach / Sonst Σ Erg. Schreiben Sie bitte auf jedes Blatt Ihren Namen. Überprüfen Sie bitte selbst, ob die Seitenanzahl Ihrer Klausur vollständig und das Periodensystem am Ende der Klausur vorhanden ist. Zur Bearbeitung der Klausur haben Sie insgesamt 3 Stunden Zeit. Als Hilfsmittel ist nur ein nicht-programmierbarer Taschenrechner (kein Laptop / Handheld / Handy) zugelassen. Konzeptpapier bekommen Sie auf Anfrage bei den Assistenten. Falls Sie während der Klausur den Saal verlassen müssen, melden Sie sich bitte bei einem der Aufsicht führenden Assistenten. Die Maximalpunktzahl der Klausur beträgt 100 Punkte. Teilnehmer aus den Studiengängen Chemie (Dipl.), Materialwissenschaft (Dipl.), Geowissenschaften und Nebenfach Chemie benötigen 50 Punkte zum Bestehen der Klausur. Teilnehmer aus den Studiengängen Biologie (Dipl.) und LaG (Biologie) benötigen zum Bestehen 40 Punkte. Wichtige Naturkonstanten Viel Erfolg! Lichtgeschw. c = 2, m s -1 ; Faraday F = 9, C mol -1 ; Rydberg R H = cm -1 ; Gaskonstante R = 8,314 J mol -1 K -1 ; Planck h = 6, J s; Avogadro N A = 6, mol -1 ; atomare Masse u = 1, kg

2 Name, Vorname: 1/12 1) a) Geben Sie die Zahl der Elektronen, Neutronen und Protonen der folgenden Spezies an: (3 Punkte) Spezies Protonen Neutronen Elektronen Se K O 2- b) Geben Sie die Elektronenkonfiguration in der Kurzschreibweise an: (3 Punkte) Atom Elektronenkonfiguration Lithium Stickstoff Mangan c) Richten Sie die folgenden stöchiometrischen Gleichungen ein. Geben Sie bitte die kleinstmöglichen ganzzahligen stöchiometrischen Koeffizienten an: (2 Punkte) C 8 H 10 + O 2 CO 2 + H 2 O MnO 2 + HCl MnCl 2 + Cl 2 + H 2 O d) Geben Sie die Oxidationszahlen der unterstrichenen Atome in folgenden Verbindungen an: (3 Punkte) SO 3 CO HBrO 3 KMnO 4 I 2 Cu(NO 3 ) 2

3 Name, Vorname: 2/12 e) Geben Sie durch Einsetzen von ">" bzw "<" an, welches Teilchen größer ist! (2 Punkte) KBr NP CaCa 2+ SS 2- f) Geben Sie durch Einsetzen von ">" bzw "<" an, welches Atom die größere erste Ionisierungsenergie besitzt! (2 Punkte) NaCs CO ArBr AlSi h) Gegeben ist folgende exotherme Gasphasenreaktion: H 2 S (g) O2 (g) SO 2 (g) + H 2 O (g) (2 Punkte) Wie müssen Sie Druck und Temperatur ändern, um die Bildung des Produktes SO 2 zu begünstigen? 2) Vervollständigen Sie die Redoxgleichungen für die folgenden Reaktionen. Geben Sie die Gleichungen für die Reduktion und Oxidation zunächst getrennt an ("Methode der Halbreaktionen"), und benennen Sie jeweils das Oxidations- und Reduktionsmittel. (6 Punkte) a) H 3 AsO 4 + I - As 3+ + I 2 (in saurer Lösung)

4 Name, Vorname: 3/12 b) Ce 3+ + MnO 4 - Ce(OH) 4 + MnO(OH) 2 (in basischer Lösung) Hilfe: Denken Sie daran, daß auch Wasser zugegen ist! 3) a) Zeichnen Sie für folgende Moleküle je eine sinnvolle Valenzstrichformel mit freien Elektronenpaaren: (4 Punkte) (i) CO 3 2- (ii) H 2 SO 3 (iii) SbF 3 (iv) NO 2 +

5 Name, Vorname: 4/12 b) Beschreiben Sie mit Hilfe des VSEPR-Modells die Molekülgestalt der folgenden Verbindung und skizzieren Sie deren räumliche Anordnung. Zeichnen Sie außerdem den Richtungsvektor des Gesamtdipolmoments ein und geben Sie an den Enden des Vektors die Vorzeichen der Partialladungen an. (4 Punkte) (i) BrF 3 (ii) CH 2 Cl 2 4) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Verbrennungsreaktion von C 3 H 8 im Sauerstoffüberschuß. Ermitteln Sie außerdem die Standardreaktionsenthalpie bei 25 C aus den Standard-Bildungsenthalpien der Komponenten. (3 Punkte) b H (CO 2 (g), 25 C) = -398 kj/mol b H (H 2 O(l), 25 C) = -286 kj/mol b H (C 3 H 8 (g), 25 C) = -104 kj/mol

6 Name, Vorname: 5/12 5) a) Vervollständigen Sie die Molekülorbital-Schemata für den Grundzustand der Verbindungen F 2 und O 2. b) Bestimmen Sie jeweils die Bindungsordnung. Schließen Sie aus der von Ihnen bestimmten Bindungsordnung, wie viele Bindungen zwischen den F-Atomen im F 2 - Molekül bzw. den O-Atomen im O 2 -Molekül ausgebildet werden. c) Wodurch läßt sich die Reaktivität des Sauerstoffs erklären? (8 Punkte) p * p * 2p * x,y 2p 2p * x,y 2p x,y x,y p p s * s * 2s 2s 2s 2s s s s * s * 1s 1s 1s 1s s s

7 Name, Vorname: 6/12 6) SO Ionen lassen sich durch Zugabe von Ca 2+ Ionen als schwerlöslicher Niederschlag von CaSO 4 ausfällen. Zu 75 ml einer Schwefelsäurelösung unbekannter Konzentration werden 25 ml einer 0,05 M CaCl 2 -Lösung zugegeben. Dadurch werden 15,2 mg CaSO 4 ausgefällt. Das Löslichkeitsprodukt von CaSO 4 beträgt Gehen Sie von ideal verdünnten Lösungen aus. (10 Punkte) a) Berechnen Sie die Stoffmenge der als CaSO 4 gefällten SO Ionen. b) Berechnen Sie die Stoffmenge der nach der Fällung von CaSO 4 in Lösung verbleibenden SO Ionen. c) Wie groß war der ph-wert der Schwefelsäurelösung vor der Zugabe der CaCl 2 - Lösung? Beachten Sie, daß Schwefelsäure eine zweiprotonige Säure ist!

8 Name, Vorname: 7/12 7) Pd kristallisiert in einer kubisch dichtesten Packung und hat die Dichte = 12,023 kg/l. (12 Punkte) a) Zeichnen Sie die Pd-Atome in die unten dargestellte Elementarzelle ein. Wie viele Pd-Atome enthält die Elementarzelle? b) Berechnen Sie die Gitterkonstante a sowie den Atomradius r von Pd. c) Zeichnen Sie in die Elementarzelle zusätzlich zu den Pd-Atomen auch eine Oktaederlücke ein. Verwenden Sie dafür das Symbol. Wie viele Oktaeder- und Tetraederlücken gibt es pro Einheitszelle im Pd-Gitter? d) Von Pd weiß man, daß in seinem Gitter Wasserstoff in atomarer Form zwischen den regulären Gitterplätzen der Pd-Atome gelöst werden kann. Wasserstoff besetzt dabei z.b. Tetraeder- und Oktaederlücken im Pd-Gitter. Berechnen Sie die Dichte in kg/m 3 für einen Pd-Festkörper, bei dem die Hälfte der Oktaederlücken im Pd-Gitter statistisch belegt sind. Gehen Sie davon aus, daß der Gitterabstand sich durch die Einlagerung von H um 3% in alle drei Dimensionen aufweitet, der Gittertyp der Pd-Atome (kubisch dichteste Packung) aber erhalten bleibt.

9 Name, Vorname: 8/12 8) In einem verschlossenen Gefäß mit dem Volumen V = 4,0 m 3 befindet sich folgende Gasphasenreaktion bei einer Temperatur von 200 C im chemischen Gleichgewicht: 3 H 2 (g) + N 2 (g) 2 NH 3 (g) Das Gasgemisch hat eine Masse m = 1,73 kg und setzt sich folgendermaßen zusammen: Verbindung Massenanteil x i N 2 0,71 H 2 0,07 NH 3 0,22 a) Berechnen Sie für jede Verbindung den Partialdruck p i und den Stoffmengenanteil y i. Geben Sie außerdem den Gesamtdruck im Gefäß an. b) Geben Sie einen Ausdruck für die Gleichgewichtskonstanten K p und K c an und berechnen Sie deren Wertefür die angegebenen Bedingungen. Nehmen Sie bei allen Berechnungen ideales Verhalten der Gase an. (9 Punkte)

10 Name, Vorname: 9/12 9) Die Reaktion 2A 2B + C läuft nach einem Geschwindigkeitsgesetz erster Ordnung bezüglich A ab. Das Volumen bleibt dabei konstant. a) Formulieren Sie die Gleichung für die allgemeine Reaktionsgeschwindigkeit als Änderung der Stoffmengenkonzentration von A. Stellen Sie auch das Geschwindigkeitsgesetz auf. b) 40 s nach Beginn der Reaktion hat die Stoffmengenkonzentration von A bereits um 40 % abgenommen. Berechnen Sie die Geschwindigkeitskonstante k. c) Nach welcher Zeit hat sich die Stoffmengenkonzentration von A auf 10% des Anfangswerts reduziert? (8 Punkte)

11 Name, Vorname: 10/12 10) 100 ml einer Lösung enthalten 0,6 g Essigsäure. Der ph-wert dieser Lösung beträgt 2,87. a) Berechnen Sie den pks-wert der schwachen Säure. b) Im Laufe von Laborarbeiten werden 1,5 L dieser Säurelösung zusammen mit 0,5 L Natriumacetatlösung der Konzentration c(naoac) = 0,2 M in einem Behälter gesammelt. Der Abwasserbehälter enthält ausschließlich diese Lösungen. Berechnen Sie den ph-wert der Lösung im Abwasserbehälter. c) Zur Entsorgung soll der ph-wert auf einen Wert von ph = 7 gebracht werden. Dafür steht eine NaOH-Lösung der Konzentration c(naoh) = 0,4 M zur Verfügung. Wieviel dieser NaOH-Lösung wird benötigt, um den ph-wert der Lösung auf ph = 7 anzuheben? (10 Punkte)

12 Name, Vorname: 11/12 11) Eine 0,04 M AgNO 3 -Lösung, in die eine Silber-Elektrode eintaucht, wird mit einer 0,4 M ZnSO 4 -Lösung, in die eine Zink-Elektrode eintaucht, über eine Salzbrücke zu einer elektrochemischen Zelle verbunden (s. Abbildung). Die Elektrolytlösungen sollen als ideal verdünnt betrachtet werden, die Temperatur beträgt 298 K, und es herrscht ein Druck von 1 bar. Die Standardelektrodenpotentiale bei 298 K betragen E (Ag/Ag + ) = 0,80 V und E (Zn/Zn 2+ ) = -0,76 V. Zn Ag ZnSO 4 AgNO 3 a) Berechnen Sie jeweils für 298 K die Standard-EMK der elektrochemischen Zelle, die Freie Standardreaktionsenthalpie und die Gleichgewichtskonstante der Reaktion. b) Formulieren Sie die Teilreaktionen in der rechten und linken Halbzelle sowie die Gesamtreaktion der Zelle. c) Benennen Sie das Oxidations- und das Reduktionsmittel sowie die Anode und die Kathode der elektrochemischen Zelle unter Standardbedingungen. d) Berechnen Sie die EMK der Zelle unter den oben angegebenen Versuchsbedingungen. (9 Punkte)

13 Name, Vorname: 12/12