Klausur : Allgemeine und Anorganische Chemie

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1 1 Klausur : Allgemeine und Anorganische Chemie Di : Uhr 1. Nitrat: entweder (i) Reduktion zu Ammoniak (am Geruch oder mit ph-papier zu erkennen) in alkalischer Lösung mit einem reaktiven Metall (Zn, Al): 3NO 3 + 8Al + 5OH + 18H 2 O 3NH 3 + 8[Al(OH) 4 ] oder (ii) Brauner Ring mit Eisen(II)sulfat und unterschichteter konz. Schwefelsäure (Bildung eines Nitrosylkomplexes): HNO 3 + 3Fe H + 3Fe 3+ + NO + 2H 2 O [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ + NO [Fe(H 2 O) 5 (NO)] 2+ + H 2 O Ozon: schwarzes Bleisulfid wird zum weißen Sulfat oxidiert. PbS + 4O 3 PbSO 4 + 4O 2 Kupfer: mit Ammoniak im Überschuß als tiefblauer Amminkomplex [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ Bromid: der Nachweis basiert auf der Unlöslichkeit des Silbersalzes Ag + + Br AgBr Silberbromid ist gelb-weiß und löst sich erst in konz. Ammoniak AgBr + 2NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + + Br 2. (i) Bildung des löslichen Triiodid-Ions: I 2 + I I 3 (ii) Schwefelige Säure gibt es nicht!! dafür aber deren Anionen. Die Reaktion ist eher SO 2 + H 2 O H + + HSO 3 (oder mit H 3 O + ) (iii) nach le Chatelier; die Eigendissoziation ist endotherm 2H 2 O H 3 O + (aq) + OH (aq): ΔH positiv (iv) lösliche Oxide (z.b. von Alkalimetallen) reagieren mit Wasser zu Hydroxiden H 2 O + O 2 2OH

2 2 3. (a) PV = nrt mit V = Volumen (üblicherweise in L) P = Druck (in Pascal, bar oder atm ) T = Temperatur (K) n = Molzahl R = Gaskonstante in passenden Einheiten (b) Partialdruck: In einem Gasgemisch ist jedes einzelne Gas i in seinem Verhalten unabhängig von den anderen Gasen: P i = n i RT/V. Der Gesamtdruck eines Gasgemischs ist gleich der Summe der Partialdrucke der einzelnen Komponenten, P ges = Σ P i. Es folgt: P i /P ges = n i /n ges = x i (Molenbruch). (c) Wasserstoff: Molmasse 2. Luft: mittlere Molmasse bei 79% N 2 und 21% O 2 = ( )/1 = Faktor = Also darf He 2 + existieren, Mg 2 jedoch nicht. 5. NO tanzt aus der Reihe, alle Anderen sind isoelektronisch (2P für jedes korrekte Bild!)

3 3 6. K B braucht man nicht! Ammoniak als Base: NH 3 + H 2 O NH OH K B = [NH + 4 [NH ][OH 3 ] ] Fall 1: reine Pufferlösung. [OH ] 1 = K B [NH3]. Die Konzentrationen sind beide 1, + [NH ] 4 also [OH ] 1 = K B, oder log [OH ] 1 = log K B Fall 2: Mit Natriumhydroxid. Die Pufferwirkung ergibt sich dadurch, daß das Ammonium mit dem Hydroxid praktisch vollständig reagiert. Wenn x Mol des Ammoniums zu Ammoniak werden, so haben wir [OH 1+ x ] 2 = K B. Es folgt log 1 x [OH 1+ x ] 2 = log K B + log, oder 1 x log [OH ] 2 log [OH 1+ x 1+ x ] 1 =ph 2 ph 1 = 1 = log, oder 1 =, x = 9/11. 1 x 1 x 7. (i) nur bei konstantem Druck, sonst ΔH = ΔU + PΔV + VΔP (ii) nein, die Schmelzkurve ist steil, aber nicht genau senkrecht! (gekennzeichnetes Phasendiagramm hilft) (iii) natürlich nicht, reines HCl ist ein Gas (Chlorwasserstoff), löst sich nur zu etwa 36% in Wasser. (iv) nein, pyramidal nach VSEPR

4 4 8. (a) (i) Es sind Metalle (physikalische Eigenschaften wie Glanz, Leitfähigkeit; chemische Eigenschaft = Kationenbildung) (ii) hohe Tendenz zur Komplexbildung, häufigste Geometrie oktaedrisch (z.b. [Fe(CN) 6 )] 3 ) (iii) Komplexe sind oft gefärbt (d-d-übergänge im sichtbaren Bereich, z.b. Cu 2+ blau) (iv) Komplexe sind oft paramagnetisch (z.b. Fe 2+, d 5 ) (v) Ein gegebenes Metall weist mehrere Oxidationsstufen auf (z.b. Fe, +2, +3,...) Beispiele nicht vergessen! (b) Nach Kristallfeldtheorie ist die Aufspaltung so: Der Cyanidligand ruft eine große Kristallfeldaufspaltung Δ hervor (eher low spin), Chlorid jedoch eine kleine (eher high spin). 9. TiO 2 kann nicht mit Kohlenstoff reduziert werden, denn Titan bildet ein Carbid TiC. Deswegen wird das Kroll-Verfahren verwendet; das Dioxid wird doch mit Kohlenstoff umgesetzt, jedoch in Chlor-Atmosphäre bei 9 C, wobei sich Titantetrachlorid TiCl 4 bildet. TiO 2 + 2C + 2Cl 2 TiCl 4 + 2CO Nachher wird das Tetrachlorid bei 1 C mit Magnesium unter Argon reduziert (TiCl 4 + 2Mg 2MgCl 2 + Ti). Nach Entfernung des Magnesiums mit einer Säure kann der Titan-Schwamm unter Argon zu Barren geschmolzen werden. (ZnS) wird zum Oxid geröstet (2ZnS + 3O 2 2ZnO + 2SO 2 ). Bei der anschließenden Reduktion mit Kohlenstoff wird gasförmiges Zink gebildet, was zu Zinkstaub kondensiert werden muß, um die erneute Bildung des Zinkoxids zu vermeiden: Zn (g) + CO 2 (g) ZnO (f) + CO (g) Die Dämpfe werden mit flüssigem Blei berieselt; das Zink löst sich im Blei, ist aber bei niedrigeren Temperaturen nicht mehr löslich, so daß sich die flüssigen Metalle getrennt abscheiden. Erneute Destillation (Luftausschluß!) ergibt das Feinzink.

5 5 1. Die Gesamtreaktion setzt sich zusammen aus: 1 (2) BB2H 6 (g) + 6H 2 O (fl) 2H 3 BO 3 (f) + 6H 2 (g) : ΔH = ΔH 6 (3) 6H 2 (g) + 6Cl 2 (g) 12HCl (g) : ΔH = 6ΔH 2 (1) 2H 3 BO 3 (f) + 6HCl (g) 2BCl 3 (g) + 6H 2 O (fl) : ΔH = 2ΔH Also ΔH (ges.) = ΔH + 6ΔH 2ΔH = 1376 kj *** Der Rechenweg muß nachvollziehbar sein (keine Willkürzahlen, auch wenn am Ende das richtige Ergebnis steht!) 11. L = (LP) = M für eine gesättigte Lösung, M für eine halbgesättigte. CaO: M = Äquivalente Menge CaO = =.197 g. 1 Härtegrad = 1 mg CaO/ml, also 19.7 Härtegrad. 12. (i) Ein Mischelement besteht aus mehr als einem Isotop, z.b. Chlor aus 35 Cl und 37 Cl. (ii) Ein Säureanhydrid reagiert mit Wasser, um die entsprechende Säure zu bilden, z.b. Schwefeltrioxid ist das Anhydrid der Schwefelsäure (SO 3 + H 2 O H 2 SO 4!) (iii) Lewis-Säuren sind Spezies mit einer Elektronen(paar)lücke, die von Lewis-Basen ein Elektronenpaar akzeptieren, z.b. Bortrifluorid, BF 3 (iv) Die Unschärfebeziehung (Unbestimmtheitsbeziehung) lautet: "Es ist unmöglich, Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig mit beliebiger Präzision zu bestimmen": ΔxΔp h (Δx = Unbestimmtheit des Orts, Δp des Impulses, h Planck'sche Konstante) Verschiedene Definitionen der "Ungenauigkeit" führen zu etwas anderen Konstanten, z.b. ΔxΔp h/4π 2 3 1

6 6 13. (i) Die Struktur besteht aus Schichten, in denen jedes Atom von 6 Nachbarn umgeben ist. Zu jeder Schicht B gibt es 2 identische und miteinander deckungsgleiche Nachbarschichten A (oben und unten), die auf B so versetzt sind, das jedes A-Atom in eine Dreieckslücke von B paßt (und umgekehrt). Die Gesamt-KZ ist also 12. (ii) Jedes Ion ist oktaedrisch umgeben (KZ 6) von Ionen entgegengesetzter Ladung. (Skizzen müssen nicht schön, dafür aber die Prinzipien erkennbar sein!) 14. (i) Die Reaktion zwischen Feststoffen muß angezündet werden, ist aber stark exotherm, so daß flüssiges Eisen (neben Aluminiumoxid) entsteht: 2Al + Fe 2 O 3 Fe (fl!) + Al 2 O 3 (ii) Die Reaktion läuft erst dann, wenn die Oxidschicht angebrochen wird (z.b. bei kochender Lauge). Produkte Wasserstoff und ein Hydroxoaluminat-Komplex (genauer Name nicht unbedingt notwendig): 2Al + 2OH + 6H 2 O 2[Al(OH) 4 ] + 3H 2 (iii) heiße k. H 2 SO 4 ist ein Oxidationsmittel und bildet dabei Schwefeldioxid! Das Kupfer wird zu Kupfersulfat. Gesamtgl. H 2 SO 4 + 2H + + Cu Cu 2+ + SO 2 + 2H 2 O oder 2H 2 SO 4 + Cu CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O (iv) "Verdrängung einer schwächeren durch eine stärkere Säure": 2NaCl + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2HCl. Das HCl entsteht allerdings als Chlorwasserstoff-Gas.

7 7 15. (i) Die mittlere kinetische Energie eines Moleküls ist proportional zur Temperatur. Mittlere KE = 3kT/2, k ist die Boltzmann-Konstante (ii) Die lineare Zusammenhang zwischen Fahrenheit-Temperatur F und Celsius- Temperatur C sei F = ac + b, wo a und b zu bestimmende Konstanten sind. Aus den äquivalenten Intervallen 18 F und 1 C zwischen Schmelz- und Siedepunkten ist a = 9/5; am Schmelzpunkt ergibt sich b = 32, also F = (9/5)C Entsprechend der Problemstellung ergibt sich dann x = (9/5)x + 32, (14/5)x = 32, x = 11.4 (gerundet) 16. (a) Bei solchen Liganden (z.b. CO) gibt es zwei Komponenten der Bindung: Danach muß das Metallatom seine überschüssige Elektronendichte loswerden... das kann nur über π-akzeptorliganden erfolgen. (4P bis hierher) Phosphine können zu diesem Zweck die zunächst leeren 3d-Orbitale am Phosphor verwenden und sind somit klassische π-akzeptorliganden.

8 8 (b) Auswahlregeln besagen, d-d-übergänge seien für oktaedrische Komplexe sowie für d 5 high-spin verboten (Gesamtspin darf sich nicht ändern). Bei Mn 2+ trifft beides zu. 17. (a) Verbindung A mit Anfangskonzentration zerfällt nach A Produkte d dt Integrieren: = k (k ist die Geschwindigkeitskonstante) d [ A] = k t dt ln = kt oder = exp ( kt) Die Halbwertzeit t ½ errechnet sich bei = /2 zu t ½ = ln 2. k (b) Verbindung A mit Anfangskonzentration dimerisiert nach 2A A 2 d dt = k 2 Integrieren: d 2 t = k dt, 1 1 = + kt Die Halbwertzeit errechnet sich zu t ½ = Anfangskonz., also weniger sinnvoll!) 1 k (abhängig von der 18. (i) Ultraviolett; Die Energie des Photons reicht gerade aus, um ein Elektron aus der Oberfläche herauszuschlagen: (ii) E = hc/λ = ( )( )/( ) = J. (iii) in der Gleichung bei (ii) ersetze man 258 nm durch 2 nm, E = J. Die überschüssige Energie J wird zur kinetischen Energie des Elektrons.