Klausur zur Vorlesung AC1 (Anorganische Experimentalchemie) am Wiederholungsklausur. Σ Note:

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1 Σ 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 1. [12] Kristallstrukturen Im Folgenden sind die Kristallstrukturen einiger Verbindungen bzw. Elemente abgebildet. Unterschiedlich große oder verschieden gefärbte Kugeln symbolisieren unterschiedliche Atomsorten. Ordnen Sie die in der Tabelle angegebenen Verbindungen bzw. Elemente den dargestellten Strukturen zu (Nummern in Tabelle eintragen!). Achtung, nicht alle angegebenen Verbindungen bzw. Elemente können den Strukturen richtig zugeordnet werden. Tragen Sie bei diesen Verbindungen/Elementen ein X ein. (1) (2) (3) (4) (5) Verbindung/Element Struktur-Nr. Verbindung/Element Struktur-Nr. H 2 O (Eis-I) 2 C 3 N 4 X Al 2 O 3 X GaN 4 Si 3 PbO 2 1 NaCl 5 SiO 2 (Tridymit) 2 Diamant 3 Stishovit (SiO 2, Hochdruck-Polymorph) 1 ZnS (Wurtzit) 4 ZnO 4 1 P pro richtiger Antwort Punkte 1:

3 2 2. [10] Gleichgewichtsreaktionen / Löslichkeitsprodukt a) [3] Formulieren Sie das Löslichkeitsprodukt für: Bi 2 S 3 K L = [Bi 3+ ] 2 [S 2- ] 3 1 P BaCrO 4 K L = [Ba 2+ ] [CrO 4 2- ] 1 P Ba 3 (PO 4 ) 2 K L = [Ba 2+ ] 3 [PO 4 3- ] 2 1 P (b) [3] Bei 25 C beträgt das Löslichkeitsprodukt von Fe(OH) Wie hoch ist die Fe 3+ - Konzentration in einer gesättigten Lösung? (Rechenweg angeben) K L = [Fe 3+ ] [OH - ] 3 = P mit [OH - ] = 3 [Fe 3+ ] [Fe 3+ ] (3[Fe 3+ ]) 3 = [Fe 3+ ] 4 = ([Fe 3+ ] 4 )= 4 ( /27) [Fe 3+ ] = P (c) [4] Eine Säure HX ist bei c 0 (HX) = 0.25 mol/l zu 2.2% dissoziiert. Wie viel % sind bei c 0 (HX) = mol/l dissoziiert? HX + H 2 O H 3 O + + X - mit α = (K s /c 0 ) bzw.: K s = α 2 c 0 K s = α 2 c 0 = = P α = (K s /c 0 ) = ( /0.030) = oder 6.4% 2P Punkte 2:

4 3 3. [10] ph-wert-berechnungen In einem Kolben werden 25 ml 0.4-molarer Natriumacetatlösung und 25 ml 0.4 molarer Essigsäure vorgelegt (pk S (Essigsäure) = 4.7), gerührt und mit 0.2-molarer Natronlauge titriert. Berechnen Sie (Rechenweg angeben!) die ph-werte für die Titrationskurve nach Zugabe von: a.) [3] 0 ml Natronlauge Die Lösung enthält: NaAc und HAc c(naac) = 0.2 mol L -1 1/2 P c(hac) = 0.2 mol L -1 1/2 P Puffergleichung: ph = pk S lg([ha]/[a - ]) 1 P ph = 4.7 lg(0.2/0.2) = P b.) [4] 50 ml Natronlauge Die Lösung enthält: NaAc c(naac) = 0.2 mol L -1 1P Ac - + H 2 O HAc + OH - pk B = 14- pk S = 9.3 Ac - ist eine schwache Base, somit: 1P poh = ½ (pk B lg c 0 /mol L -1 ) = ½ (9.3 lg 0.2) = P ph = 14 poh = = P c.) [3] 250 ml Natronlauge Die Lösung enthält: NaAc und NaOH c(naac) = mol L -1 1/2 P c(naoh) = mol L -1 1/2 P Der ph-wert wird von der starken Base dominiert, somit: poh = lg(c[oh - ]) = lg(0.133) = P ph = 14 poh = = P Punkte 3:

5 4 4. [8] Lewis-Formeln. Skizzieren Sie die Lewis-Formeln der folgenden Verbindungen bzw. Molekülionen und geben Sie die Summenformel an. Geben Sie alle Valenzelektronen sowie ggf. die korrekten Formalladungen an. Beachten Sie streng die Oktettregel! a.) [2] Peroxodisulfat b.) [2] schwarzer Phosphor [S 2 O 8 ] 2- P oder P x (polymer). Hier müsste eigentlich jedes P ein freies Elektronenpaar tragen. Wegen der dann unübersichtlichen Zeichnung wird aber ohne Punkteabzug darauf verzichtet. c.) [2] weißer Phosphor P 4 (Tetraeder) d.) [2] Graphit (bitte nur eine Schicht zeichnen) 2 P pro richtiger Antwort C (Doppelbindungen müssen korrekt eingezeichnet sein) Punkte 4:

6 5 5. [10] Lewis-Formeln: Tragen Sie die Summenformeln und die Gesamtzahl der Valenzelektronen folgender Moleküle bzw. Molekül-Ionen in die Tabelle ein. Skizzieren Sie zudem eine korrekte Lewis-Formel (mit korrekten Formalladungen) unter Berücksichtigung sämtlicher Valenzelektronen, beachten Sie dabei streng die Oktettregel (auch bei Elementen der höheren Perioden). Beschreiben Sie stichpunktartig die Koordination des Zentralatoms/der Zentralatome durch seine Nachbarn (z. B. gewinkelt, tetraedrisch). Gesamtzahl Valenzelektronen Monostickstoff- disauerstoff- Kation (sog. Nitryl-Ion) Summenformel NO 2 + Lewis-Formel 16 linear Koordination Zentralatom Nitrit NO 2-18 gewinkelt Hydrazin (Diazan) N 2 H 4 14 pyramidal bzw. pseudotetraedrisch (mit E.-Paar) Kohlenmonoxid CO 10 linear Ozonid O 3-19 gewinkelt je ½ P pro richtiger Antwort Punkte 5:

7 6 6. [10] Allgemeine Fragen: Tragen Sie in der letzten Spalte jeweils den Buchstaben der richtigen Antwort ein (A, B, C): Frage A B C Bindungslänge einer C-C-Einfachbindung Die Oktettregel besagt, dass... Der Schmelzpunkt einer Reinsubstanz... Die Hund`sche Regel besagt, dass im Grundzustand in einer Unterschale... Das Metall mit dem niedrigsten Schmelzpunkt ist Das stärkste Oxidationsmittel Die Anzahl Teilchen pro Mol... Ihre Antwort 100 Angstrom 254 pm 154 pm C Atome max. 8 Bindungen ausbilden erhöht sich durch Zufügen eines zweiten Stoffes maximal 8 Elektronen sind Hauptgruppenelemente max. 8 Valenzelektronen haben können ist konstant die Anzahl der Elektronen mit gleicher Spinrichtung maximal ist Isotope mit 8 n Nukleonen besonders stabil sind erniedrigt sich durch Zufügen eines zweiten Stoffes möglichst viele Elektronen gepaart sind Hg Li Cs A KrF 2 F 2 O 3 A ist proportional zu Druck und Temperatur hängt vom Atombzw. Molekülgewicht ab ist 6, Farbe von NO 2 bei 20 C blau braun farblos B B C B C Welches Gas ist auch in kleinen Mengen akut toxisch? Welche Verbindung ist ein Pseudohalogen? Schwefelhexafluorid Stickstoff Dicyan C IF 5 Dicyan HCl B je 1 P pro richtiger Antwort Punkte 6:

8 7 7. [10] Elektrochemie a.) [4] Ergänzen Sie die Skizze zum Aufbau einer elektrochemischen Konzentrationskette mit dem Redoxpaar Cu/Cu 2+ mit den beiden Konzentrationen c 1 = 0,1 mol/l und c 2 = 0,01 mol/l: was ist der Elektrolyt in den beiden Zellen? Benennen Sie Kathode und Anode und zeichnen Sie c 1 und c 2 ein. b.) [1] Wie wird der Stromkreislauf geschlossen? Zeichnen Sie das verwendete Bauteil ein und benennen Sie es. Salzbrücke mit KNO 3 c.) [2] Formulieren Sie die Teilreaktionen an Anode und Kathode. Zeichnen Sie die Richtung des Stromflusses ein. Cu Cu e - (Oxidation, Anode) Cu e - Cu (Reduktion, Kathode) d.) [1] Wie lautet die Nernst-Gleichung für jede Halbzelle? ΔE Cu/Cu2+ =E 0 + 0,059/2(log c(cu 2+ )) e.) [2] Berechnen Sie die auftretende Spannung in der o.a. Konzentrationskette. ΔE Cu/Cu2+ =0,059/2(log 0,01 log 0,1) = -0,059/2 V = V Punkte 7:

9 8 8. [10] Redox-Gleichungen: Stellen Sie die vollständigen Redox-Gleichungen für die folgenden Umsetzungen auf: a.) [2] Umsetzung von Permanganat mit Hydrogensulfit im Sauren 2 MnO H 3 O HSO 3-2 Mn H 2 O + 5 HSO 4 - b.) [2] Umsetzung von Stickstoffdioxid mit Natronlauge (im Alkalischen) 2 NO OH - NO NO H 2 O c.) [2] Umsetzung von Permanganat mit Wasserstoffperoxid im Alkalischen 2 MnO H 2 O 2 2 MnO O OH H 2 O d.) [2] Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Schwefeldioxid (Claus-Prozess) SO H 2 S 3/8 S H 2 O e.) [2] Formulieren Sie das Boudouard-Gleichgewicht und geben Sie den Wärmeumsatz pro Formelumsatz (173 KJ) als Summand mit in der Gleichung an 173 KJ + CO 2 + C 2 CO (Gleichgewichtspfeile erforderlich!) Punkte 8:

10 9 9. [10] Industrielle Verfahren Silicium-Darstellung Silicium ist ein wichtiges Material, das industriell in großer Menge und sehr hoher Reinheit gewonnen wird. a.) [1] Formulieren Sie die Reaktionsgleichung zur Darstellung von Roh-Silicium SiO C Si + 2 CO b.) [1] Von welchem kostengünstigen Rohstoff (Mineral) wird dabei ausgegangen? Quarzsand SiO 2 c.) [2] Zur weiteren Reinigung wird Roh-Silicium in eine flüchtige, destillierbare Silicium- Verbindung überführt. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung. Si + 3 HCl SiHCl 3 + H 2 d.) [1] Geben Sie den Namen der flüchtigen Silicium-Verbindung an. Silicochloroform oder Trichlorsilan e.) [2] Formulieren Sie die Reaktionsgleichung, wie anschließend reines elementares Silicium aus der flüchtigen Siliciumverbindung (s. Teilaufgabe c) erhalten wird. 4 SiHCl H 2 3 Si + 8 HCl + SiCl 4 f.) [1] Mit welchem physikalischen Verfahren kann das so erhaltene Silicium derart gereinigt werden, dass die extrem hohen industriellen Anforderungen erfüllt werden? Zonenschmelzen g.) [2] Benennen Sie stichpunktartig zwei wirtschaftlich besonders wichtige Anwendungen von Silicium. (einkristallin) als Halbleiter für die Mikroelektronik (polykristallin) als Solarsilicium für die Photovoltaik Punkte 9:

11 [10] MO-Theorie a.) [3] Bezeichnen Sie in Stichpunkten, welche grundlegenden Kriterien dafür verantwortlich sind, ob die Kombination von Atomorbitalen (AOs) zu Molekülorbitalen (MOs) zu energetisch stabileren Zuständen führt? Energie (rel. energetische Lage sollte mögl. ähnlich sein) Symmetrie (AOs müssen bzgl. Symmetrie zueinander passen) Überlappung (AOs müssen möglichst gut überlappen) b.) [2] Molekülorbitale (MOs) werden eingeteilt in solche mit σ-, π- oder δ-charakter. Was ist das entscheidende Kriterium für diese Einteilung? σ-orbitale haben keine Knotenebene (sind somit rotationssymmetrisch), π-orbitale haben 1 Knotenebene und δ-orbitale haben 2 Knotenebenen. Als Antwort reicht auch, dass σ-, π- bzw δ-orbitale jeweils 0, 1 bzw. 2 Knotenebenen aufweisen c.) [4] Skizzieren Sie ein qualitatives MO-Schema von Fluorwasserstoff (HF). Berücksichtigen Sie dabei nur die Valenzorbitale und bezeichnen diese korrekt und eindeutig. Zeichnen Sie die Energieachse ein und achten Sie auf die richtige relative energetische Lage der eingezeichneten Orbitale. Die Kernverbindungslinie sei die x-achse. Geben Sie die Besetzung von AOs und MOs mit Elektronen an. Hinweis: Überlegen Sie zunächst, ob (und wenn ja, welche) p-orbitale von F bindende Kombinationen mit den s-orbitalen von H bilden können. Korrekturhinweise: richtige energetische Reihenfolge der MOs [1] richtige Kombination der AOs [1] richtige Beschriftung (inkl. Energieachse) [1] Auffüllen mit Elektronen [1] Hinweis: Absenkung bzw. Beteiligung von 2s muss nicht unbedingt berücksichtigt werden. d.) [1] Welches MO ist das LUMO (Lowest Unoccupied Molecular O)? Das antibindende s*-orbital Punkte 10:

12 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 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

13 Schmierblatt Sämtliche Notizen auf diesem Blatt werden nicht gewertet! 12

14 Schmierblatt Sämtliche Notizen auf diesem Blatt werden nicht gewertet! 13