Note: Hinweise: Nur ein Schreibwerkzeug (kein Bleistift) und ein nicht programmierbarer Taschenrechner sind erlaubt!

Transkript

1 Note: Vorname: Matr.-Nr.: Nachname: Studiengang: Chemie und Biochemie Lehramt Chemie vertieft Lehramt Chemie nicht vertieft Musterlösung! Bitte beachten: Die hier aufgeführte Teilpunktevergabe ist nur ein Vorschlag. Daraus erwachsen keine Ansprüche! Es kommt auf die Gesamtlösung an. Biologie Pharmaceutical Sciences.. Hinweise: Nur ein Schreibwerkzeug (kein Bleistift) und ein nicht programmierbarer Taschenrechner sind erlaubt! Schreiben Sie bitte gut leserlich. Unleserliche oder mit Bleistift geschriebene Teile werden nicht gewertet. Geben Sie nachvollziehbare Lösungs- bzw. Rechenwege an. Lösungen ohne Ansätze bzw. ohne Lösungswege werden nicht gewertet. Im Anhang befinden sich ein Periodensystem, Tabelle mit Konstanten und Schmierblätter. Sämtliche Notizen auf den Schmierblättern werden nicht gewertet! Die pro Aufgabe erreichbare Punktzahl ist in [ ] Klammern angegeben (Höchstpunktzahl 100)..

2 1. [10] Kristallstrukturen, Kugelpackungen a.) [2] Skizzieren Sie die Elementarzelle von Kupfer. b.) [½ + ½] Was bedeuten die für diesen Strukturtyp gebräuchlichen Abkürzungen ccp und fcc? ccp = cubic closest packing (kubisch dichteste Kugelpackung) fcc = face centered cubic (kubisch flächenzentriert) c.) [1] Berechnen Sie die Anzahl Atome pro Elementarzelle im Cu-Typ. Z = 8 x 1/8 + 6 x ½ = 4 d.) [2] Berechnen Sie die theoretische Raumerfüllung der ccp-kugelpackung (in %) unter Annahme starrer, sich berührender Kugeln. Die Raumerfüllung beträgt ca. 74 % e.) [2] Wie groß ist die Koordinationszahl der Atome im Cu-Typ? Wie wird das auftretende Koordinationspolyeder genannt? Die Koordinationszahl ist CN = 12, das Polyeder ist ein Kuboktaeder f.) [2] Geben Sie an, welche der folgenden Elemente ebenfalls im Cu-Typ kristallisieren? (Punkteabzug bei falschen Antworten wird verrechnet mit Gesamtpunktzahl dieser Aufgabe) Na Mg B Al Si Pb Ne -Fe Au As Ebenfalls im Cu-Typ kristallisieren die rot markierten Elemente Al, Pb, Ne u. Au Na Mg B Al Si Pb Ne -Fe Au As Punkte 1:

3 2. [10] Löslichkeitsprodukt (Rechenwege angeben!) a) [2] Formulieren Sie das Löslichkeitsprodukt für: Sb 2 S 3 K L = [Sb 3+ ] 2 [S 2- ] 3 ½ P PbCrO 4 K L = [Pb 2+ ] [CrO 4 2- ] ½ P Fe(OH) 3 K L = [Fe 3+ ] [OH - ] 3 ½ P Sr 3 (PO 4 ) 2 K L = [Sr 2+ ] 3 [PO 4 3- ] 2 ½ P b) [8] Berechnen Sie mit Hilfe des Löslichkeitsproduktes welches Salz die bessere Löslichkeit (in mol/l) aufweist. (Löslichkeitsprodukte: Ag 2 CO 3 8.2*10-12 mol 3 /L 3 ; CuCO 3 2.5*10-10 mol 2 /L 2 ; Ag 2 S 5.5*10-51 mol 3 /L 3 ; CuS 8*10-37 mol 2 /L 2 ) Ag 2 CO 3 oder CuCO 3 c 2 (Ag + ) x c(co 3 2- ) = 8.2x10-12 mol 3 /L 3 c 2 (2 CO 3 2- ) x c(co 3 2- ) = 8.2x10-12 mol 3 /L 3 4 c 3 (CO 3 2- ) = 8.2x10-12 mol 3 /L 3 c(co 3 2- ) = 3 (8.2x0-12 /4) = 1.27x10-4 mol/l 2 P c(cu 2+ ) x c(co 3 2- ) = 2.5x10-10 mol 2 /L 2 c(cu 2+ ) x c(cu 2+ ) = 2.5x10-10 mol 2 /L 2 c 2 (Cu 2+ ) = 2.5x10-10 mol 2 /L 2 c(cu 2+ ) = (2.5x10-10 ) = 1.58x10-5 mol/l 2 P Löslichkeit Ag 2 CO 3 > CuCO 3 Ag 2 S oder CuS. c 2 (Ag + ) x c(s 2- ) = 5.5x10-51 mol 3 /L 3 c 2 (2 S 2- ) x c(s 2- ) = 5.5x10-51 mol 3 /L 3 4 c 3 (S 2- ) = 5.5x10-51 mol 3 /L 3 mol 3 /L 3 c(s 2- ) = 3 (5.5*10-51 /4) = 1.11x10-17 mol/l 2 P c(cu 2+ ) x c(s 2- ) = 8x10-37 mol 2 /L 2 c(cu 2+ ) x c(cu 2+ ) = 8x10-37 mol 2 /L 2 c 2 (Cu 2+ ) = 8x10-37 mol 2 /L 2 c(cu 2+ ) = (8x10-37 ) = 8.94x10-19 mol/l 2 P Löslichkeit Ag 2 S > CuS Punkte 2:

4 3. [10] ph-wert-berechnungen (Rechenwege angeben!) a) [3] Berechnen Sie den ph-werte von 25.0 ml 0.1-molarer Salpetriger Säure (pk s = 3.4) nach Zugabe von 25.0 ml 0.1-molarer Natronlauge. Die Lösung enthält: NaNO 2 c(nano 2 ) = 0.05 mol L -1 NO H 2 O HNO 2 + OH - pk B = 14- pk S = P NO 2 - ist eine schwache Base, somit: poh = ½ (pk B lg c 0 /mol L -1 ) = ½ (10.6 lg 0.05) = P ph = 14 poh = = P b) [3] In 1 L 0.1-molarer Natronlauge wird Kohlenstoffdioxid eingeleitet (Volumenänderung ist vernachlässigbar; pk S (H 2 CO 3 ) = 6.4; pk S (HCO 3 ) = 10.3). Berechnen Sie den ph-wert nach Zugabe von 0.05 mol Kohlenstoffdioxid. Die Lösung enthält: Na 2 CO 3 mit c 0 = 0.05 mol/l; => CO 3 2- ist eine schwache Base pk B (CO 3 2 ) = 14 - pk S (HCO 3 ) = = 3.7 1P poh = ½ (pk B lg c 0 /mol L -1 ) = ½ (3.7 lg 0.05) = P ph = 14 - poh = = P c) [2] Berechnen Sie den ph-wert einer 0.1 molaren NaHCO 3 -Lösung (pk S (H 2 CO 3 ) = 6.4; pk S (HCO 3 ) = 10.3). HCO 3 - ist ein Ampholyt HCO H 2 O CO H 3 O + HCO H 2 O H 2 CO 3 + OH - ph = ½ {pk S (HCO 3 - ) + pk S (H 2 CO 3 )} 1 P ph = ½ { } = P d) [1] Berechnen Sie den ph-wert einer 0.01-molaren Lösung einer schwachen organische Säure, die zu 6% dissoziiert vorliegt. c(ha) = 0.01 mol L -1 HA - + H 2 O A - + H 3 O + = => c(a - ) = c(h 3 O + ) = mol L -1 ph = lg (c(h 3 O + )/mol L -1 )) = -lg (0.0006) = P e) [ ½ + ½] NaH 2 PO 4 ist, in Wasser gelöst, ein Ampholyt. Geben Sie an (Formel): Korrespondierende Säure zu H 2 PO 4 - : H 3 PO 4 ½ P Korrespondierende Base zu H 2 PO 4 - : HPO 4 - ½ P Punkte 3:

5 4. [8] Skizzieren Sie die Lewis-Formeln bzw. charakteristischen Strukturmerkmale der folgenden Elemente bzw. Verbindungen (mit allen Valenzelektronen) und geben die jeweilige Summenformel an: a.) [2] Graphen C b.) [2] Tetraschwefeltetranitrid S 4 N 4 c.) [2] Phosphor(III)-oxid P 4 O 6 d.) [2] Schwarzer Phosphor (nur topologische Zeichnung ohne freie Elektronepaare) hier müsste ja eigentlich jedes P ein freies Elektronenpaar tragen, wegen der unübersichtlichen Zeichnung wird aber ohne Punkteabzug darauf verzichtet! P oder P x (polymer) Punkte 4:

6 5. [10] Geben Sie die Summenformeln und die Gesamtzahl der Valenzelektronen folgender Moleküle bzw. Molekül-Ionen an. Skizzieren Sie zudem eine korrekte Lewis-Formel unter Berücksichtigung sämtlicher Valenzelektronen. Beachten Sie dabei streng die Oktettregel (auch bei Elementen der höheren Perioden). Beschreiben Sie stichpunktartig die Koordination des Zentralatoms durch seine Nachbarn (z. B. gewinkelt, tetraedrisch). a.) Ozonid O 3 - Summenformel Gesamtzahl Valenzelektronen Lewis-Formel Koordination des Zentralatoms (z. B. gewinkelt, tetraedrisch) 19 gewinkelt b.) Xenon(IV)- fluorid XeF 4 36 quadratisch planar c.) Phosphorpentafluorid (Gasphase) PF 5 40 trigonal bipyramidal d.) Azid N 3-16 linear e.) Thiosulfat S 2 O tetraedrisch je ½ P pro richtiger Antwort Punkte 5:

7 6. [10] Tragen Sie in der letzten Spalte jeweils den Buchstaben der richtigen Antwort ein (A, B oder C). Falsche Antworten führen zum Punkteabzug in dieser Aufgabe: Frage A B C Ihre Antwort Flammenfärbung von rosa gelb blau Natrium B Schmelzpunkt von Cäsium 28 C -79 C 326 C (in C) A Dichte von Lithium- Metall (in g/cm 3 ) 0,53 1,42 4,65 A Farbe einer verdünnten Lösung von Na in flüssigem Ammoniak Welches Gasgemisch wurde in der Vorlesung beim Experiment Bellender Hund gezündet? Welche Verbindung hat den höchsten Schmelzpunkt? Eine wichtige praktische Anwendung von Hydrazin ist... Oxide von Nichtmetallen sind... Clemens Winkler hat welches Element entdeckt? Zink... farblos grün blau C NO + CS 2 H 2 + CS 2 N 2 H 4 + CS 2 A -Al 2 O 3 SiO 2 CO 2 A...die Entfernung von Sauerstoff in Wasserdampf-anlagen...immer gasförmig...die Siedepunktserniedrigung von Wasser...Baseanhydride...die Entkalkung von Wasser...Säure-anhydride Ga Ge Gd B...existiert in einer metallischen und einer nichtmetallischen Modifikation...ist ein edles Metall...ist ein Reduktionsmittel A C C je ½ P pro richtige Antwort (- ½ P bei falscher Antwort)

8 -Bindungen... Welche der folgenden Verbindungen wird als Zintl-Phase bezeichnet? Wasserglas ist... Isotope eines Elementes unterscheiden sich in der Anzahl der......sind rotationssymmetrisch...haben eine Knotenebene...spielen nur in der organischen Chemie eine Rolle CaSi BaS NaH...ein Natriumsilicat/Wasser- Gemisch...gefrorenes, amorphes Wasser...unterkühltes Wasser...Neutrinos...Protonen...Neutronen B Salmiak ist... NH 4 Cl NH 4 OH NH 2 OH A B A A Das häufigste chem. Element in der Erdrinde ist... Der kleinstmögliche pks-wert einer sehr starken Säure in H 2 O ist... Das stärkste bekannte chem. Oxidationsmittel ist... Welche ist die stärkste Säure... Silicium Stickstoff Sauerstoff C 0-1,74-14 B Ozon Fluor Kryptondifluorid C HCl HClO 3 HClO 4 C Natrium wird sicher aufbewahrt unter... Paraffin Ethanol Schwefelsäure A je ½ P pro richtige Antwort (- ½ P bei falscher Antwort) Punkte 6:

9 7. [10] Elektrochemie a.) [4] Ergänzen Sie die Skizze zum Aufbau eines Daniell-Elementes. Aus welchen Materialien bestehen die Elektroden? Markieren Sie Anode und Kathode. Woraus bestehen die Elektrolyt-Lösungen in den beiden Halbzellen? Zeichnen Sie die Richtung des Stromflusses bei Entladung sowie die Diffusionsrichtung der Ionen in den Lösungen (mit Pfeilen) ein. Woraus besteht die Trennwand zwischen den Halbzellen? b.) [1] Wie lautet die insgesamt ablaufende chemische Reaktion und warum läuft diese freiwillig ab? Zn 2+ + Cu + Zn + Cu 2+ Kupfer ist edler als Zink (Kupfer hat das höhere Standardpotential) c.) [3] Formulieren Sie die Nernst-Gleichung für das edlere Element und erläutern Sie in Stichpunkten sämtliche in der Gleichung auftretenden Größen. E = E(Cu/Cu 2+ ) 0 + (R T/z F) ln[cu 2+ ] E= elektrochem. Potential E(Cu/Cu 2+ ) 0 = elektrochem. Standardpotential von Kupfer (bei Standardbedingungen: Konz. 1 mol/l, 25 C und 1 bar) R = allgemeine Gaskonstante (0, bar L/K mol) T = absolute Temperatur (K) z = Anzahl Ladungsträger (Elektronen) pro Formelumsatz (hier ist z = 2) F = Faraday-Konstante A s /mol, entspricht der Ladungsmenge zur Entladung von 1 Mol eines einwertigen Ions. [Cu 2+ ] = Aktivität der Cu 2+ -Ionen im Elektrolyt d.) [2] Berechnen Sie die EMK des Daniel-Elementes, wenn beide Elektrolyt-Lösungen eine identische Konzentration von 0,1 mol/l haben. Die Standardpotentiale betragen -0,76 V bzw. +0,35 V (bitte den beiden Elektrodenmaterialien zuordnen). EMK = E Kathode - E Anode = E(Cu/Cu 2+ ) 0 - E(Zn/Zn 2+ ) 0 + (R T/2 F) ln([cu 2+ ]/[Zn 2+ ] = 1,11 V + 0,0292 = 1,14 V Punkte 7:

10 8. [10] Stellen Sie die vollständigen Redox-Gleichungen für die folgenden Umsetzungen auf (nur Gesamtgleichung, keine Teilgleichungen!): a.) [2] Umsetzung von Zink mit konzentrierter Salpetersäure 2 HNO H 3 O + + Zn 2 NO 2 + Zn H 2 O oder 4 HNO 3 + Zn 2 NO 2 + Zn(NO 3 ) + 2 H 2 O b.) [2] Reaktion von Permanganat und Hydrogensulfit im Sauren 2 MnO H 3 O HSO 3-2 Mn H 2 O + 5 HSO 4 - c.) [2] Umsetzung von Natrium mit Ammoniakgas bei höheren Temperaturen Na + NH 3 NaNH 2 + H 2 d.) [2] Umsetzung von Kohlendioxid mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen CO 2 + H 2 CO + H 2 O e.) [2] Umsetzung von Zink mit Schwefeldioxid in wäßriger Lösung Zn + 2 SO 2 S 2 O Zn 2+ Punkte 8:

11 9. [10] Wasserstoff-Synthese: a.) [3] Industriell kann Wasserstoff mit dem sog. Steamreforming-Verfahren aus Propan gewonnen werden. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und geben Sie die Reaktionsbedingungen an. C 3 H H 2 O 3 CO + 7 H 2 2 P 900 C (oder: hohe Temperatur) und Ni-Katalysator 1 P b.) [3] Das im obigen Steamreforming-Verfahren neben Wasserstoff ebenfalls entstehende Gas kann in Hochtemperaturkonvertern weiter umgesetzt und anschließend abgetrennt werden. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diese Umsetzung. Wie kann die Abtrennung erfolgen? CO + H 2 O CO 2 + H 2 2 P Abtrennung von CO 2 durch Ausfrieren oder Auswaschen mit Wasser oder Binden mit Basen 1 P c.) [4] Wasserstoff wird industriell auch unter Verwendung von Kohle gewonnen. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung: C + H 2 O CO + H 2 2 P Ist die Reaktion exotherm oder endotherm? Die Reaktion ist endotherm, es wird also Energie benötigt 1 P Wie wird das entstehende Gasgemisch genannt? Das entstehende Gasgemisch aus CO und H 2 wird Wassergas oder Synthesegas genannt. 1 P Punkte 9:

12 10. [12] MO-Diagramm a.) [7] Erstellen Sie ein qualitatives Molekülorbital(MO)-Schema für das Sauerstoffmolekül. 2 P Welche Größe wird dabei in vertikaler Richtung (Ordinate) aufgetragen? Zeichnen Sie alle Valenzelektronen als Pfeile ein und beachten dabei die Hund`sche Regel und das Pauli-Prinzip. 2 P Bezeichnen Sie eindeutig alle - bzw. -Orbitale und geben dabei in Klammern an, aus welchen AOs diese gebildet wurden (z.b. (p z )). Unterscheiden Sie zwischen bindenden (z.b. (p z )) und antibindenden (z.b. (p z )) Orbitalen. je 1/2 P = 3 P b.) [4] Definieren Sie die Bindungsordnung (B.O.) und berechnen Sie die Bindungsordnung jeweils für das Sauerstoff-Molekül, das Dioxygenyl-Kation und das Peroxid-Ion. 1 P + 3 P B.O. = (Anzahl bindender Elektronen - Anzahl antibindender Elektronen)/2 oder B.O. = (Anz. bindender Elektronenpaare - Anz. antibindender Elektronenpaare) Bindungsordnung (O 2 + ) = 2.5 Bindungsordnung (O 2 ) = 2.0 Bindungsordnung (O 2 2- ) = 1.0 c.) [1] Ordnen Sie das Sauerstoff-Molekül, das Dioxygenyl-Kation und das Peroxid-Ion nach ihren Bindungslängen. 1 P d(o 2 + ) < d(o 2 ) < d(o 2 2- ) Punkte 10:

13 ANHANG 1 2 He H Ne F O N C B Be Li Ar Cl S P Si Al Mg Na Kr Br Se As Ge Ga Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr V Ti Sc Ca K Xe I Te Sb Sn In Cd Ag Pd Rh Ru Tc Mo Nb Zr Y Sr Rb Rn At Po Bi Pb Tl Hg Au Pt Ir Os Re W Ta Hf La Ba Cs Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg E-Hg Fr Ra Ac Lu Yb Tm Er Ho Dy Tb Gd Eu Sm Pm Nd Pr Ce Lr No Md Fm Es Cf Bk Cm Am Pu Np U Pa Th Quelle: CRC 86th 2005 Konstanten: Avogadro-Konstante N A = mol -1 Universelle Gaskonstante R = J K -1 mol -1 Faraday-Konstante F = C mol -1 Atomare Masseeinheit u = kg

14 Schmierblatt Sämtliche Notizen auf diesem Blatt werden nicht gewertet!

15 Schmierblatt Sämtliche Notizen auf diesem Blatt werden nicht gewertet!