Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure

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1 Technische Universität Kaiserslautern Page 1 of 1 Technische Universität Kaiserslautern Kaiserslautern, den Fachbereich Chemie Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure 3. Übung Termin: Dienstag, den Ort: wird in der Vorlesung am bekanntgegeben Zeit: Uhr 1. Propionsäure der Konzentration 0.1 mol/l wird tropfenweise unter Rühren mit Natronlauge der gleichen Konzentration versetzt. Welchen ph-wert beobachtet man nach Zugabe der angegebenen Volumina an Natronlauge? a) 0 ml, b) 3 ml, c) 25 ml, d) 48 ml, e) 49.5 ml, f) 50 ml, g) 50.5 ml, h) 53 ml, i) 100 ml. Der pk S -Wert von Propionsäure beträgt Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante für die Bildung von Ammoniak aus den Elementen unter Standardbedingungen (SATP, standard ambient temperature and pressure, 25 C und 10 5 Pa; ΔG (NH 3 ) = kj/mol; R = J/mol. K). 3. Ein Becherglas enthält Kupfer(II)sulfatlösung der Konzentration 0.1 mol/l, ein zweites Kupfer(II) sulfatlösung der Konzentration 2.5 mol/l. In beide Bechergläser wird je ein Kupferstab eingetaucht. Was muss man noch hinzufügen, um zwischen den beiden Kupfer-Halbzellen eine Potentialdifferenz messen zu können und wie groß ist diese? 4. Das Standardpotential für die Reduktion von Ce 4+ in saurer Lösung zu Ce 3+ beträgt V, für die Reduktion von Fe 3+ zu Fe V. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante für die Oxidation von Fe 2+ zu Fe 3+ mit Ce 4+. Stellen Sie zu diesem Zweck die Brutto-Reaktionsgleichung sowie Nernst sche Gleichungen für beide Halbzellen auf und formulieren Sie gleiche Halbzellenpotentiale als Gleichgewichtsbedingung. Beachten Sie dabei, dass im Gleichgewicht vorhandenes Fe 2+ dem im Gleichgewicht noch unverbraucht vorliegenden Ce 4+ äquivalent ist (gleiches gilt für Fe 3+ und Ce 3+ ). 5. Nennen Sie die Ihnen bekannten Stickoxide, schreiben Sie jeweils eine Valenzstrichformel und geben Sie für drei Stickoxide eine Reaktionsgleichung an, die dessen Herstellung beschreibt. 6. Nennen Sie zwei Sauerstoffsäuren des Stickstoffs (Namen und Valenzstrichformel) und geben Sie jeweils eine charakteristische Eigenschaft an. 7. In welcher Form kommt Phosphor in der Natur vor, wie wird elementarer Phosphor gewonnen und welche Modifikationen des Phosphors sind bekannt? Geben Sie für zwei Modifikationen die Struktur an (Zeichnung). 8. Welche Vorgänge spielen sich bei der Herstellung von Kalk und bei der Erhärtung von Kalkmörtel ab? 9. Woraus besteht Gips und welche Veränderungen erfährt dieser bei der Verarbeitung? 10. Was unterscheidet metallische Leiter von Halbleitern und Isolatoren?

2 Page 1 of 4 Musterlösung zur 3. Übung vom mit Kommentaren Hierzu ein Hinweis: Mit den Kommentaren wird versucht, die Fragen zu beantworten, die während und nach der Übung aufgetaucht sind. Keinesfalls sollte in der Klausur derart ausführlich geantwortet werden. Auch sind fast alle Kommentare völlig überflüssig für alle, die den Lösungsweg verstanden haben. 1. Propionsäure der Konzentration 0.1 mol/l wird tropfenweise unter Rühren mit Natronlauge der gleichen Konzentration versetzt. Welchen ph-wert beobachtet man nach Zugabe der angegebenen Volumina an Natronlauge? a) 0 ml, b) 3 ml, c) 25 ml, d) 48 ml, e) 49.5 ml, f) 50 ml, g) 50.5 ml, h) 53 ml, i) 100 ml. Der pk S -Wert von Propionsäure beträgt Es fehlte die Angabe des Volumens der Propionsäure. In einer Klausur sollte das Beste aus einer solchen Situation gemacht werden, also wäre diese Angabe selbständig zu ergänzen. Die auffällige Häufung von Werten um 50 ml Zugabe von Natronlauge gleicher Konzentration suggeriert, dass die Annahme eines Volumens von 50 ml sinnvoll wäre. Wenn Sie sich entschließen sollten, 100 ml einzusetzen, wäre auch dagegen nichts einzuwenden. Die folgende Musterlösung geht von 50 ml Propionsäure aus, c = 0.1 mol/l. Zur Rechnung: Der Anfangswert (0 ml Natronlauge) wurde in der Vorlesung mit Berücksichtigung der Dissoziation der Säure berechnet, analog wurde am Äquivalenzpunkt (50 ml Natronlauge) verfahren: Der korrekte Ansatz ergibt sich aus der Überlegung, dass aus gleichen Stoffmengen Propionsäure und Natronlauge das Natriumsalz der Propionsäure gebildet wird. Dieses ist die zur Propionsäure korrespondierende Base, für die die einfache Beziehung pk S + pk B = 14 gilt, der pk B -Wert für Natriumpropionat ist daher Daraus ergeben sich folgende Ansätze und Resultate: a) (0 ml NaOH); die gesuchte H + -Konzentration sei x, die zweckmäßig vereinfachte Reaktionsgleichung für die Dissoziation der Säure (hier als HP abgekürzt) lautet: HP H + + P - pk S = 4.88, daher ist K S = mol/l = x 2 /[c (HP)-x] (Gleichung 1) Da keine Base zugesetzt wurde, entsteht bei der Dissoziation der Propionsäure ebensoviel H + wie P - (Reaktionsgleichung), deshalb erscheint x 2 im Zähler des Bruches anstelle von c(h + ). c(p - ). Die Dissoziation des Wassers wird hierbei vernachlässigt, weil deren Beitrag um ca. acht Zehnerpotenzen niedriger ist als die von der Propionsäure gelieferte H + -Konzentration. Im Nenner steht die Anfangskonzentration c der Propionsäure (0.1 mol/l), vermindert um den dissoziierten Anteil x, der in Form von Protonen und Säureanionen (P - ) im Zähler berücksichtigt wurde. Gleichung 1 lässt sich umformen: x x c = 0 und entspricht damit der Form ax 2 + bx + c = 0, für die es eine mathematische Lösungsformel gibt. Bei korrekter Lösung der quadratischen Gleichung nach x 1/2 = [-b±(b 2 4ac) 1/2 ] / 2a ergibt sich ein Wert von mol/l für x (die H + -Konzentration) und folglich 2.94 als ph-wert. f) Nach Zugabe von 50 ml Natronlauge liegt eine Lösung von Natriumpropionat (abgekürzt Na + P - ) vor, die Konzentration beträgt jetzt 0.05 mol/l, weil das Volumen sich verdoppelt hat. Die vereinfachte Reaktionsgleichung lautet: P - + H 2 O OH - + HP; die Konzentrationen von OH - und HP sind gleich (x einsetzen), die Dissoziation des Wassers wird vernachlässigt.

3 Page 2 of 4 pk B = 9.12, daher ist K B = mol/l = x 2 /[c (Na + P - )-x] (Gleichung 2) Daraus ergeben sich die Konzentration von Hydroxidionen zu mol/l und der poh-wert zu 5.21, der ph-wert (= 14 poh; denn c(h + ). c(oh - ) = mol 2 /l 2 ) ergibt sich zu Die Berechnung der Werte für b) bis e) erfolgt nach der Näherung von Henderson und Hasselbalch: ph = pk S + log c(p - ) / c(hp); die Dissoziation der Säure wird vernachlässigt. Da die Konzentration in der Näherungsformel nicht vorkommt, wird das Verhältnis (zugesetzte Natronlauge) / (übriggebliebene Propionsäure) gebildet. b) 3 ml Natronlauge neutralisieren 3 ml Propionsäure (beide haben die gleiche Konzentration), daher lautet das Verhältnis (Base) / (Säure) = 3 / 47 = , ph = (-1.195) = (Hierbei ist der Logarithmus von ) c) 25 ml Natronlauge neutralisieren 25 ml Propionsäure, das gesuchte Verhältnis ist also 25 / 25 = 1/1, ph = = 4.88 = pk S Wert der Säure. d) 48 ml Base, 2 ml Säure bleiben übrig, 48 / 2 = 24 / 1; log 24 = 1.38; ph = = e) 49.5 ml Base; 0.5 ml der Säure bleiben übrig, das Verhältnis beträgt 49.5 / 0.5 = 99 / 1, ph = Für die Aufgaben g) bis i) wird aus dem Überschuss an Natronlauge die aktuelle Hydroxidionenkonzentration berechnet, die Dissoziation des Wassers wird abermals vernachlässigt, das jeweils aktuelle Volumen wird jedoch berücksichtigt. Aus der Beziehung zwischen OH - - und H + - Ionenkonzentration (ph-wert = 14 poh; denn c(h + ). c(oh - ) = mol 2 /l 2 ) ergibt sich aus c(oh - ) die gesuchte Konzentration c(h + ): g) 50.5 ml NaOH (c = 0.1 mol/l); davon wurden 50 ml durch die Säure neutralisiert, 0.5 ml bleiben übrig, die Stoffmenge an überschüssigem Natriumhydroxid beträgt also 0.5 ml. 0.1 mol/l, das sind 0.05 Millimol oder mol (Milliliter. mol/l; Faktor 1/1000 berücksichtigen) in einem Volumen von ml, die Konzentration an OH - beträgt also mol / l mol/l, der negative dekadische Logarithmus dieses Zahlenwerts gibt den poh-wert an (3.30), welcher von 14 abgezogen wird und so den ph-wert ergibt: = h) 53 ml NaOH (0.1 mol/l) entsprechen 5.3 mmol Stoffmenge an Hydroxid-Ionen, davon wurden 5.0 mmol durch die Propionsäure neutralisiert, 0.3 mmol sind übrig geblieben und befinden sich nun in einem Gesamtvolumen von 103 ml Lösung. Die Konzentration beträgt also 0.3 mmol / 103 ml = mol/l (Millimol durch Milliliter, der Faktor ist 1000/1000), poh = 2.54 und ph = = i) 100 ml NaOH (0.1 mol/l) enthalten 10 mmol NaOH, davon 5.0 mmol neutralisiert, es bleiben 5.0 mmol in 150 ml Lösung, c(oh - ) = 5 mmol/150 ml = mol/l; poh = 1.48 und ph = Was sind Säure/Base-Indikatoren (kurze Definition)? Geben Sie eine typische Reaktionsgleichung an und nennen Sie drei Beispiele. Farbstoffe, die selbst (meist schwache) Säuren oder Basen sind und deren saure und basische Form sich in der Farbe unterscheiden. HInd + H 2 O H 3 O + + Ind - ; oder vereinfacht: HInd H + + Ind -. Beispiele: Phenolphthalein, im sauren Bereich farblos, im basischen Bereich rotviolett

4 Page 3 of 4 Lackmus, im sauren Bereich rot, im basischen Bereich blau Methylrot, im sauren Bereich rot, im basischen Bereich gelb. 3. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante für die Bildung von Ammoniak aus den Elementen unter Standardbedingungen (SATP, standard ambient temperature and pressure, 25 C und 10 5 Pa; ΔG (NH 3 ) = kj/mol; R = J/mol. K). ΔG = -RT lnk; ln K = -ΔG /RT = - ( J/mol) / [ J/mol. K K] = 6.656; K = Es lohnt sich, zur Reaktionsgleichung noch eine Überlegung anzustellen: Oben ist klar definiert, dass die Freie Bildungsenthalpie von Ammoniak kj/mol beträgt. Das kann nur heißen, dass bei der Bildung von einem Mol Ammoniak der genannte Energiebetrag frei wird. Schreibt man hingegen: N H 2 2 NH 3, dann findet sich in Lehrbüchern auch die Angabe ΔG = 33.0 kj/mol. Diese Angabe bezieht sich allerdings auf die Bildung von zwei Mol Ammoniak, nämlich auf einen Formelumsatz. (die Angabe pro Mol kann hier am besten im Hinblick auf N 2 gesehen werden). Die Rechnung liefert jedoch äquivalente Werte für K, weil wir jetzt schreiben: K = [c (NH 3 )] 2 / [c(n 2 )] 1. [c(h 2 )] 3 und für ln K den doppelten Wert erhalten, nämlich ln K = -ΔG /RT = - ( J/mol) / [ J/mol. K K] = ; K = , das ist das Quadrat des zuerst errechneten Wertes, weil sich dort K auf die Bildung von einem Mol Ammoniak bezieht und der Ausdruck für K aus der Gleichung ½ N 2 + 3/2 H 2 NH 3 gewonnen wird: K = [c(nh 3 )] 1 / [c(n 2 )] 1/2. [c(h 2 )] 3/2. Diese letztgenannte Gleichung kann durch Quadrieren in die zuvor genannte Form K = [c(nh 3 )] 2 / [c(n 2 )] 1. [c(h 2 )] 3 übergeführt werden. Am deutlichsten wird der Unterschied, wenn man sich die Dimension von K in den beiden unterschiedlichen Ausdrücken anschaut: K = [c(nh 3 )] 1 / [c(n 2 )] 1/2. [c(h 2 )] 3/2 (Hier steht ist die Dimension l/mol) K = [c(nh 3 )] 1 / [c(n 2 )] 1/2. [c(h 2 )] 3/2 (Hier steht ist die Dimension l 2 /mol 2 ) 4. Nennen Sie die Ihnen bekannten Stickoxide, schreiben Sie jeweils eine Valenzstrichformel und geben Sie für drei Stickoxide eine Reaktionsgleichung an, die dessen Herstellung beschreibt. N 2 + O 2 2 NO (hohe Temperatur, Rhodium-Katalysator, Ostwald-Verfahren) 2 NO + O 2 2 NO 2 (bei Raumtemperatur an Luft)

5 Page 4 of 4 NH 4 NO 3 N 2 O + 2 H 2 O (beim Erhitzen von Ammoniumnitrat) 5. Geben Sie für folgende Moleküle und Ionen Valenzstrichformeln und die Oxidationsstufen der beteiligten Atome an: CO, CO 3 2-, HN 3, H 2 O 2, H 3 PO 4, NaH, OF 2, SO 4 2-, PF 6 -, XeF Für die Oxidationsstufen geht man am besten von den Summenformeln aus. Dabei ordnet man nach den in den Regeln für die Bestimmung von Oxidationsstufen genannten Elementen sinnvolle Oxidationsstufen zu und errechnet dann die weniger bekannte Oxidationsstufe so zu, dass die Summe der Oxidationsstufen gleich der Ladung des gesamten Teilchens ist: CO: O (-II), C(+II) CO 2-3 : O(-II), C(+IV) HN 3 : H(+I), N(- 1/3) H 2 O 2 : H(+I), O(-I) H 3 PO 4 : H(+I), O(-II), P(+V) NaH: Na(+I), H(-I) OF 2 : F(-I), O(+I) SO 2-4 O(-II), S (+VI) PF - 6 : F(-I), P(+V) XeF 2-8 : F(-I), Xe(+VI) 6. Nennen Sie eine Sauerstoffsäure des Stickstoffs (Namen und Valenzstrichformel), beschreiben Sie die Herstellung derselben anhand von Reaktionsgleichungen und geben Sie eine Anwendung an. Salpetersäure, HNO 3, zur Lewis-Formel siehe Distickstoffpentoxid, ersetzen Sie die rechte NO 2 -Einheit durch ein Proton. N 2 + O 2 2 NO; 2 NO + O 2 2 NO 2 2 NO 2 + H 2 O HNO 3 + HNO 2 2 HNO 2 H 2 O + NO + NO 2 u. s. w. Bruttogleichung: 4 NO + 3 O H 2 O 4 HNO 3 7. In welcher Form kommt Phosphor in der Natur vor und wie wird elementarer Phosphor gewonnen? Geben Sie für zwei Modifikationen die Struktur an (Zeichnung). Calciumphosphat, Ca 3 ) 2, Hydroxylapatit Ca 5 ) 3 OH, Fluorapatit Ca 5 ) 3 F Aus Calciumphosphat, Siliziumdioxid und Kohle: 2 Ca 3 ) C + 6 SiO 2 6 CaSiO 3 + P CO (Elektroofen, C) 8. 2 NO 2 befinden sich im Gleichgewicht mit N 2 O 4, die Bildung des dimeren Moleküls ist exotherm. Wie wird das Gleichgewicht beeinflusst, wenn man a) den Druck erhöht Mehr N 2 O 4 b) die Temperatur erhöht? Mehr NO 2 In beiden Fällen weicht das System dem äußeren Einfluss aus, indem es sich a) zu einer kleineren Teilchenzahl verschiebt; b) Wärme verbraucht

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