Klausur zur Vorlesung "Anorganische Chemie" am

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1 Klausur zur Vorlesung "Anorganische Chemie" am Matrikelnummer: Name: Bitte eintragen: Vorname: Bitte eintragen Wievieltes Fachsemester: Fachrichtung: Sonstiges (bitte angeben): Bitte ankreuzen: Chemie Bachelor Mol. Biotechnologie Pharmazie Bitte prüfen Sie Ihre Klausur sofort auf Vollständigkeit (Seiten fortlaufend nummeriert von 1 bis 11, Fragen von 1 bis 10) und Lesbarkeit. Spätere Reklamationen werden nicht berücksichtigt! Viel Erfolg! Aufgabe 1 4 Punkte a) Was versteht man unter temporärer und permanenter Härte des Wassers? b) Wie kann man einen beim Kochen von Wasser entstandenen Niederschlag von Calciumcarbonat wieder in Lösung bringen? a) Hartes Wasser: Hoher Gehalt an Mg 2+ und Ca 2+ Ionen Permanente Härte: SulfatHärte Temporäre Härte = Vorübergehende Härte = CarbonatHärte: Konzentration an HCO 3 (Hydrogencarbonat), kann durch Kochen entfernt werden (GG nach links verschoben) CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 b) Entfernt wird Kesselstein in der Regel durch Auskochen mit verdünnten Säuren, zum Beispiel Zitronensäure, Milchsäure oder Essigsäure. CaCO H 3 O + Ca 2+ + CO H 2 O 1

2 Aufgabe 2 15 Punkte a) Geben Sie Reaktionsgleichungen für folgende Reaktionen an: (12) (1) Cl NaOH NaCl + NaOCl + H 2 O (2) Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 (3) CaF 2 + H 2 SO 4 CaSO HF (4) SiO HF SiF H 2 O (5) Erhitzen von Ammoniumnitrat NH 4 NO 3 N 2 O + 2 H 2 O (6) CaC H 2 O C 2 H 2 + Ca(OH) 2 b) Bei welchen der oben genannten Reaktionen handelt es sich um Redoxreaktionen? (3) Nr. (1), (2) und (5) 2

3 Aufgabe 3 Erläutern Sie mit Angabe der Reaktionsgleichungen 12 Punkte a) das ClausVerfahren zur Herstellung von Schwefel (2) H 2 S + 3/2 O 2 SO 2 + H 2 O SO H 2 S 3/8 S H 2 O b) das OstwaldVerfahren zur Herstellung von HNO 3 (5) 4 NH O 2 4 NO + 6 H 2 O NO + ½ O 2 NO 2 2 NO 2 N 2 O 4 N 2 O 4 + H 2 O HNO 2 + HNO 3 3 HNO 2 HNO NO + H 2 O Oder: 2 N 2 O 4 + 2H 2 O + O 2 4 HNO 3 c) die Phosphorsäureherstellung ausgehend von weißem Phosphor (2) P O 2 P 4 O 10 P 4 O H 2 O 4 H 3 PO 4 d) Warum kann bei der HFElektrolyse zur Herstellung von F 2 nicht H 2 O als Elektrolyt verwendet werden? Welchen Elektrolyten verwendet man stattdessen? (3) Da gebildetes F 2 mit H 2 O reagiert: F 2 + H 2 O 2 HF + ½ O 2 bzw. in Gegenwart von Wasser erfolgt Oxidation von OH zu O 2. Grund: OH lässt sich leichter elektrolytisch oxidieren als F Verwendete Elektrolyten: KF/HF oder K[HF 2 ] oder NaF/HF 3

4 Aufgabe 4 Welche der folgenden Reaktionen verläuft exotherm / endotherm? 8 Punkte a) 2 H 2 + O 2 2 H 2 O exo b) N H 2 2NH 3 exo c) Si + 2 H 2 SiH 4 endo d) C + 2 H 2 CH 4 exo e) 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 exo f) 3 O 2 2 O 3 endo g) N 2 + O 2 2 NO endo h) Graphit Diamant endo 4

5 Aufgabe 5 11 Punkte a) Nennen Sie jeweils ein Beispiel (Redoxteilgleichungen und Gesamtgleichungen angeben) für die oxidierende und reduzierende Wirkung von Nitrit. (6) Geben Sie die Oxidationszahlen der NAtome in den beteiligten Stickstoffverbindungen an. (3) Als Oxidationsmittel: Reaktion mit I oder Fe 2+ NO 2 : +III; NO: +II Red. NO 2 + e + 2 H + NO + H 2 O Ox. 2 I I 2 + 2e Gesamt: 2 NO I + 4 H + 2 NO + I H 2 O Als Reduktionsmittel: Reaktion mit MnO 4, PbO 2 oder H 2 O 2 NO 2 : +III; NO 3 : +V Ox. NO 2 + H 2 O NO 3 + 2e + 2 H + /. 5 Red. MnO e + 8 H + Mn H 2 O /. 2 Gesamt: 5 NO MnO H + 5 NO Mn H 2 O b) Was passiert beim Abkühlen von NO 2 und welche messbaren Eigenschaften ändern sich? (2) Dimerisierung zu N 2 O 4 ; Farbänderung von braun nach farblos, NO 2 paramagnetisch, N 2 O 4 diamagnetisch 5

6 Aufgabe 6 5 Punkte a) Wie lässt sich PCl 5 herstellen? (1) PCl 3 + Cl 2 PCl 5 Oder : ¼ P 4 + 5/2 Cl 2 PCl 5 b) Welche Struktur besitzt es in der Gasphase und im Festkörper? (2) Gas: fest: [PCl 4 ] + [PCl 6 ] c) Was versteht man unter einer BerryPseudorotation? (2) Austausch äquatorialer / axialer Liganden in trigonal bipyramidalen Verbindungen (geringe Energiedifferenz zu quadratisch pyramidaler Struktur) 6

7 Aufgabe 7 a) Definieren Sie die Begriffe isoelektronisch und isoster. (2) 5 Punkte Isoelektronisch sind zwei Atome, Ionen oder Moleküle, wenn sie dieselbe Elektronenzahl besitzen Isoster sind zwei Moleküle oder Ionen, die bei gleicher Atomanzahl die gleiche Zahl an Elektronen besitzen. Tragen sie auch noch die gleiche Gesamtladung bzw. gleiche Protonenzahl (Kernladungszahl), dann bezeichnet man sie als isoster; (ist die Ladung unterschiedlich, so sind die Teilchen lediglich isoelektronisch.) b) Nennen Sie eine zu N 2 isostere Verbindung. (1) CO c) Geben Sie ein Beispiel für zwei isoelektronische Verbindungen, die nicht isoster sind. (2) CO und NO + oder CN N 2 und NO + oder CN CO 3 2 und BF 3 oder NO 3 7

8 Aufgabe 8 (1. Teil) 14 Punkte a) Erläutern Sie den Begriff Allotropie am Beispiel Sauerstoff und Schwefel. (5) Allotropie: Erscheinung, dass ein chemisches Element in zwei oder auch mehr Strukturformen im gleichen Aggregatzustand auftritt. Allotrope Modifikationen von Sauerstoff (gasförmig): O 2 und Ozon (O 3 ) Allotrope Modifikationen von Schwefel: z.b. Fest: S 8 Ringe, αschwefel (rhombisch), βschwefel (monoklin) Flüssig: S 6, S 7, S 8, S 9, S 10, S 12, S 18 Ringe (λschwefel), niedermolekulare S n Ketten (π Schwefel) und hochmolekulare S x Ketten (µschwefel) Gasphase: S 8, S 7, S 6, S 5,.S 2 Moleküle b) Vergleichen Sie die beiden Verbindungen CO 2 und SiO 2 (Aggregatzustand, Struktur, Bindungsordnung) (6) CO 2 SiO 2 Aggregatzustand: Gas Feststoff Struktur: O=C=O BO: Doppelbindung Einfachbindung c) Vergleichen Sie die Reaktivitäten von CH 4 und SiH 4 gegenüber O 2. (3) CH O 2 CO H 2 O exotherm, aber kinetisch gehemmt SiH O 2 SiO H 2 O exotherm, spontan SiH 4 ist selbstentzündlich 8

9 Aufgabe 8 (2. Teil) 9 Punkte d) Warum ist H 2 O unter Normalbedingungen eine Flüssigkeit und H 2 S ein Gas? (3) HBrückenbindungen zwischen den H 2 OMolekülen Da O elektronegativer als S ist die OHBindung stärker polarisiert als die SHBindung. e) Skizzieren Sie die Struktur von Graphit und Silizium. Wie sind die Koordinationszahlen? Warum ist die elektrische Leitfähigkeit von Graphit anisotrop? (6) Graphit: KZ = 3, Silizium: KZ = 4, DiamantStruktur Magnetische Anisotropie beschreibt die Tatsache, dass Körper für die Magnetisierung eine Vorzugsrichtung aufweisen können. Bei Graphit ist die elektrische Leitfähigkeit (porbitale bilden delokalisierte πbindungen) parallel zur Schicht sehr viel größer als senkrecht zur Schicht. (10 4 mal kleiner) 9

10 Aufgabe 9 11 Punkte Schreiben Sie die Valenzstrichformeln für die nachfolgend angegebenen Verbindungen (Denken Sie an mesomere Grenzformeln): 10

11 Aufgabe 10 Wie lassen sich folgende Verbindungen im Labor herstellen? 6 Punkte a) SO 2 H 2 SO 4 + Cu CuO + SO 2 + H 2 O Oder: H 2 SO 3 SO 2 + H 2 O b) PH 3 Ca 3 P H 2 O 2 PH Ca(OH) 2 Oder: P KOH + 3 H 2 O PH KH 2 PO 2 Oder: 4 PCl LiAlH 4 4 PH LiAlCl 4 c) SiH 4 SiCl NaH SiH NaCl Oder: SiCl 4 + LiAlH 4 SiH 4 + LiAlCl 4 Oder: Mg 2 Si + H 2 SO 4 SiH 4 + MgSO 4 11