Klausurvorbereitung Allgemeine Chemie für Ingenieure und Biologen

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1 Klausurvorbereitung Allgemeine Chemie für Ingenieure und Biologen

2 Atombau 1) (5 Punkte) Kreuzen Sie an: falsch richtig Ein Paar von Isotopen kann auch ein Isobarenpaar sein Beim Rutherford-Versuch kollidieren -Teilchen mit Atomkernen Die Nebenquantenzahl l beschreibt die Form eines Atomorbitals Durch Überlappung zweier Atomorbitale entsteht ein Molekülorbital Das höchste antibindende MO im O 2 -Molekül ist unbesetzt

3 Chemische Bindung Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der ionischen Bindung. (1) Elektrostatische Anziehung zwischen positiv und negativ geladenen Ionen Zeichnen Sie die Elementarzelle des Zinkblende-Gitters und geben Sie Koordinationszahl und geometrie für beide Bindungspartner an. (3)

4 Zinkblende-Gitter C.N. = 4, tetraedrische Umgebung für Kation und Anion

5 Chemische Bindung Ordnen Sie die folgenden Verbindungen nach ihrer Härte (1) Vergeben Sie die Ziffern 1 3 für zunehmende Härte RbCl, Al 2 O 3, CaO

6 Chemische Bindung Ordnen Sie die folgenden Verbindungen nach ihrer Härte (1) Vergeben Sie die Ziffern 1 3 für zunehmende Härte RbCl (1), Al2O3 (3), CaO (2)

7 Aggregatzustände Begründen Sie die Sprödigkeit und die Isolatoreigenschaft der meisten Salzkristalle. (1)

8 Aggregatzustände Begründen Sie die Sprödigkeit und die Isolatoreigenschaft der meisten Salzkristalle. (1) Beim Verschieben einer Gitterebene gelangen leicht Kationen über Kationen und Anionen über Anionen. Wegen der elektrostatischen Abstoßung von Ladungen mit gleichem Vorzeichen zerbricht der Kristall in diesem Fall.

9 Aggregatzustände Kreuzen Sie an (nur bei einer Frage ist mehr als eine Antwort richtig). Für vier richtige Entscheidungen wird je ein Punkt erteilt, drei Richtige erbringen je einen halben Punkt. a) Die Temperatur, bei der sich bei Abkühlung feuchter Luft Wassertröpfchen bilden (der so genannte Taupunkt), hängt ab vom Luftdruck Partialdruck Dampfdruck Quelldruck

10 Aggregatzustände Kreuzen Sie an (nur bei einer Frage ist mehr als eine Antwort richtig). Für vier richtige Entscheidungen wird je ein Punkt erteilt, drei Richtige erbringen je einen halben Punkt. a) Die Temperatur, bei der sich bei Abkühlung feuchter Luft Wassertröpfchen bilden (der so genannte Taupunkt), hängt ab vom Luftdruck Partialdruck Dampfdruck Quelldruck

11 Aggregatzustände Eine für unser Auge klare Flüssigkeit, die den Verlauf eines Lichtstrahls durch Lichtstreuung sichtbar macht, nennt man Emulsion Suspension Kolloid Dispersion

12 Aggregatzustände Eine für unser Auge klare Flüssigkeit, die den Verlauf eines Lichtstrahls durch Lichtstreuung sichtbar macht, nennt man Emulsion Suspension Kolloid Dispersion

13 Aggregatzustände Viele ionische Verbindungen lösen sich in Speiseöl flüssigem Argon Wasser flüssigem Ammoniak

14 Aggregatzustände Viele ionische Verbindungen lösen sich in Speiseöl flüssigem Argon Wasser Ammoniak flüssigem

15 Löst man ein Mol Natriumsulfat in einem Liter Wasser von 4 C und erwärmt die Lösung auf 50 C, so hat die Molarität der Molenbruch die Molalität der Prozentgehalt der Lösung den Zahlenwert 1.00 in der hierfür vorgesehenen Einheit.

16 Löst man ein Mol Natriumsulfat in einem Liter Wasser von 4 C und erwärmt die Lösung auf 50 C, so hat die Molarität der Molenbruch die Molalität der Prozentgehalt der Lösung den Zahlenwert 1.00 in der hierfür vorgesehenen Einheit.

17 Das chemische Gleichgewicht (4) Gibt man Silberiodid in Wasser und rührt so lange, bis sich das Löslichkeitsgleichgewicht zwischen der Flüssigkeit und dem schwerlöslichen Feststoff eingestellt hat, findet man in der Lösung eine Konzentration an gelöstem Silberiodid von g/l. Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Einstellung des Lösungsgleichgewichts (1) sowie das Massenwirkungsgesetz für diese Gleichgewichtsreaktion (1) und berechnen Sie aus dem angegebenen Zahlenwert das Löslichkeitsprodukt von Silberiodid. (2)

18 Das chemische Gleichgewicht AgI Ag + + I - K L (AgI) = c(ag + ) c(i - ) (Reaktionsgleichung für das Lösungsgleichgewicht) (Definition des Löslichkeitsprodukts des Silberiodids) Berechnen Sie zuerst die Molmasse und die Silberiodid-Konzentration: = g/mol; g/l / g/mol = mol/l K L (AgI) = c(ag + ) c(i - ); es gilt: c(ag + ) = c(i - ) = mol/l

19 Das chemische Gleichgewicht AgI Ag + + I - K L (AgI) = c(ag + ) c(i - ) (Reaktionsgleichung für das Lösungsgleichgewicht) (Definition des Löslichkeitsprodukts des Silberiodids) K L (AgI) = c(ag + ) c(i - ); es gilt: c(ag + ) = c(i - ) = mol/l In die Gleichung für das Löslichkeitsprodukt setzen wir diesen Wert für beide Ionensorten ein: K L (AgI) = ( mol/l) 2 = (mol/l) 2. Das Löslichkeitsprodukt von Silberiodid beträgt (mol/l) 2

20 Chemisches Gleichgewicht (8) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz für die Dissoziation von Essigsäure (2). Die Säuredissoziationskonstante K S für Essigsäure beträgt mol/l.

21 Chemisches Gleichgewicht (8) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz für die Dissoziation von Essigsäure (2). Die Säuredissoziationskonstante K S für Essigsäure beträgt mol/l. HAc H + + Ac - ; oder: CH 3 COOH H + + CH 3 COO - ; pk S = -log ( ) = 4.75

22 Chemisches Gleichgewicht g Calciumcarbonat (CaCO 3 ) werden in 400 ml verdünnter Essigsäure (30.03 g/l CH 3 COOH) gelöst. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung (2) und berechnen Sie den ph der Lösung. (3) Gehen Sie davon aus, dass das im Carbonat enthaltene Kohlendioxid vollständig entweicht.

23 Chemisches Gleichgewicht g Calciumcarbonat (CaCO 3 ) werden in 400 ml verdünnter Essigsäure (30.03 g/l CH 3 COOH) gelöst. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung (2) und berechnen Sie den ph der Lösung. (3) Gehen Sie davon aus, dass das im Carbonat enthaltene Kohlendioxid vollständig entweicht. CaCO CH 3 COOH Ca(CH 3 COO) 2 + CO 2 + H 2 O Ein Mol Calciumcarbonat wandelt zwei Mol Essigsäure (Säure) in Acetat-Anionen (korrespondierende Base) um.

24 Chemisches Gleichgewicht g Calciumcarbonat (CaCO 3 ) werden in 400 ml verdünnter Essigsäure (30.03 g/l CH 3 COOH) gelöst. CaCO CH 3 COOH Ca(CH 3 COO) 2 + CO 2 + H 2 O Stoffmenge CaCO 3 : Zuerst Molmasse ausrechnen ( ) g/mol = g/mol; n = / = 0.20 mol. Stoffmenge CH 3 COOH: Zuerst Molmasse ausrechnen ( ) g/mol = g/mol; n = (30.03 g/l 0.4 L) : g/mol = 0.20 mol.

25 Chemisches Gleichgewicht Die gegebene Menge Essigsäure kann nach der ausdrücklich verlangten Reaktionsgleichung nur die Hälfte des Calciumcarbonats auflösen. Der Rest bleibt ungelöst zurück und beeinflusst den ph der Lösung nicht. Diese enthält 0.2 mol Acetat-Anionen in einem Volumen von 0.4 Liter. Die Konzentration der Base Acetat beträgt also 0.5 mol/l. Um den ph zu berechnen, brauchen wir den pk B -Wert des Acetats. Dieser ergibt sich aus dem pk S -Wert der korrespondierenden Säure nach der Gleichung: pk B = 14 pk S = = Aus diesem Wert ergibt sich der poh der Lösung nach folgender Gleichung: poh = ½[ pk B log c(base)] = ½[ (-0.30)] = Umrechnen in den gesuchten ph mittels ph = 14 poh ergibt den ph

26 Chemisches Gleichgewicht Bezeichnen Sie den Punkt der Titrationskurve, der durch die Zugabe der Base Calciumcarbonat zur Essigsäure erreicht wurde und beschreiben Sie die Empfindlichkeit des ph der Lösung b) gegen Zugabe kleiner Mengen an Salzsäure oder Natronlauge (hoch, niedrig). (1)

27 Chemisches Gleichgewicht Bezeichnen Sie den Punkt der Titrationskurve, der durch die Zugabe der Base Calciumcarbonat zur Essigsäure erreicht wurde und beschreiben Sie die Empfindlichkeit des ph der Lösung b) gegen Zugabe kleiner Mengen an Salzsäure oder Natronlauge (hoch, niedrig). (1) Die Lösung ist am Äquivalenzpunkt. Sie ist sehr empfindlich gegen Zugabe von Base. Gegen Säurezugabe ist die vorliegende Mischung nicht empfindlich, weil überschüssiges Calciumcarbonat die Säure neutralisiert. Entfernt man das Calciumcarbonat durch Filtration, ist die Lösung auch gegen Säurezugabe sehr empfindlich.

28 Chemische Elemente (7) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Aluminiummineralien mit Namen und Formel (2). Beschreiben Sie die technische Herstellung von Aluminium anhand von zwei Reaktionsgleichungen (4) und begründen Sie stichwortartig die Korrosionsbeständigkeit des unedlen Metalls. (1)

29 (7) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Aluminiummineralien mit Namen und Formel (2). Beschreiben Sie die technische Herstellung von Aluminium anhand von zwei Reaktionsgleichungen (4) und begründen Sie stichwortartig die Korrosionsbeständigkeit des unedlen Metalls. (1) KAlSi 3 O 8 Feldspat, Orthoklas NaAlSi 3 O 8 Feldspat, Albit CaAl 2 Si 2 O 8 Feldspat, Anorthit KAl 3 Si 3 O 10 (OH,F) 2 Glimmer, Muskovit CaAl 4 Si 2 O 10 (OH) 2 Glimmer, Margarit Al 2 O 3 Korund Al 2 O 3 mit Spuren von Cr 2 O 3 Rubin Al 2 O 3 mit Spuren von V 2 O 5 oder TiO 2 Saphir Aluminiumhydroxid-Mineralien Bauxit γ-alo(oh) Böhmit α-alo(oh) Diaspor γ-al(oh) 3 Hydrargillit Chemische Elemente

30 Chemische Elemente Beschreiben Sie die technische Herstellung von Aluminium anhand von zwei Reaktionsgleichungen (4) und begründen Sie stichwortartig die Korrosionsbeständigkeit des unedlen Metalls. (1) Kathodenreaktion: Al e - Al Anodenreaktion: O 2- + C CO + 2 e - Aluminium wird durch eine dichte, harte und fest haftende Oxidschicht vor Korrosion geschützt.

31 Anorganische Verbindungen Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung zur Herstellung von Siliciumcarbid (SiC) (2). Nennen Sie eine technische Anwendung. (1)

32 Anorganische Verbindungen Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung zur Herstellung von Siliciumcarbid (SiC) (2). Nennen Sie eine technische Anwendung. (1) SiO C SiC + 2 CO Anwendung: Siliciumcarbid-Keramik, Siliciumcarbidpulver zum Schleifen, auch in Form von größeren Kristallen als Schmuck.

33 Anorganische Verbindungen Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für eine in der Technik übliche reduzierende Chlorierung (2) und eine Gleichung für eine Folgereaktion, bei der das so hergestellte Chlorid zum Element reduziert wird (2).

34 Anorganische Verbindungen Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für eine in der Technik übliche reduzierende Chlorierung (2) und eine Gleichung für eine Folgereaktion, bei der das so hergestellte Chlorid zum Element reduziert wird (2). ZrO Cl C ZrCl CO ZrCl Mg Zr + 2 MgCl 2

35 Anorganische Verbindungen Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die exotherme Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff (2). Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion.

36 Anorganische Verbindungen Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die exotherme Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff (2). Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion. N H 2 2 NH 3

37 Anorganische Verbindungen Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die exotherme Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff (2). Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion. N H 2 2 NH 3 Geben Sie an, wie sich die Gleichgewichtslage ändert, wenn Temperatur oder Druck erhöht werden (2).

38 Anorganische Verbindungen Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die exotherme Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff (2). Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion. N H 2 2 NH 3 Geben Sie an, wie sich die Gleichgewichtslage ändert, wenn Temperatur oder Druck erhöht werden (2). Druck erhöhen: mehr Ammoniak Temperatur erhöhen: mehr Stickstoff und Wasserstoff

39 Stöchiometrische Berechnung Berechnen Sie, wie viele Kubikmeter Erdgas (gehen Sie von reinem Methan bei 20 C und Pa aus) nach der Gesamtgleichung CH 4 +2 H 2 O CO H 2 für die Gewinnung von Wasserstoff jährlich verbraucht werden, wenn pro Jahr 160 Millionen Tonnen Ammoniak benötigt werden. (3)

40 Stöchiometrische Berechnung Berechnen Sie, wie viele Kubikmeter Erdgas (gehen Sie von reinem Methan bei 20 C und Pa aus) nach der Gesamtgleichung CH 4 +2 H 2 O CO H 2 für die Gewinnung von Wasserstoff jährlich verbraucht werden, wenn pro Jahr 160 Millionen Tonnen Ammoniak benötigt werden. (3) Molmasse von Ammoniak: ( ) g/mol = g/mol Stoffmenge Ammoniak: 160 Mio. Tonnen / g/mol = mol Ammoniak.

41 Stöchiometrie Verhältnis Methanverbrauch zu Ammoniakproduktion: 3 CH 4 ergeben mit Wasser 12 H 2, das reicht für die Herstellung von 8 NH 3. Der Methanverbrauch ergibt sich demnach aus der Stoffmenge des Ammoniaks durch Multiplikation mit dem Faktor 3/8: mol 3/8 = mol. In Kubikmetern ergibt sich diese Menge durch Einsetzen in das Gesetz für ideale Gase: V = nrt / p = ( mol [J/(mol K)] K) / Pa = m 3.

42 Nernst sche Gleichung Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Oxidation von Silan (SiH 4 ) mit Kaliumpermanganat (KMnO 4 ) zu Kieselsäure (H 4 SiO 4 ) in einer sauren Lösung (zwei Teilgleichungen aufstellen, zusammenfügen, 4 Punkte). b) Ein Liter einer wässrigen Lösung enthält 0.4 mol Permanganat-Ionen. Berechnen Sie das Reduktionspotenzial dieser Lösung bei ph 2 nach Einwirkung von 25 mmol Schwefelwasserstoff (H 2 S), welcher zu Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) oxidiert wird. (3 Punkte) (Tipp: Sie brauchen keine Reaktionsgleichung, wenn Sie sich anhand der Oxidationsstufen überlegen, wie viele Elektronen ein Molekül Schwefelwasserstoff abgibt, wenn es zu Schwefelsäure oxidiert wird). Zahlenangabe: Das Standard-Reduktionspotenzial E für Kaliumpermanganat in saurer Lösung beträgt V.

43 Elektrochemie SiH H 2 O Si(OH) H e - KMnO H e - Mn H 2 O + K + (K + kann auch auf beiden Seiten der Gleichung entfallen). 5 SiH KMnO H + 5 Si(OH) Mn H 2 O + 8 K + der Term für c(ox) lautet: c(ox) = c(mno 4- ) c 8 (H + ) Für c(red) setzen wir c(mn 2+ ) ein Das ist der formale Teil der Problemlösung

44 Elektrochemie der Term für c(ox) lautet: c(ox) = c(mno 4- ) c 8 (H + ) Für c(red) setzen wir c(mn 2+ ) ein Das ist der formale Teil der Problemlösung. ph = 2 bedeutet c(h + ) = 10-2 mol/l Von den 0.4 mol Permanganat-Ionen in dem einen Liter Lösung werden 0.04 mol durch die Zugabe von mol Schwefelwasserstoff reduziert, weil mol H 2 S die achtfache Stoffmenge an Elektronen, nämlich 200 mmol Elektronen abgeben

45 Da zur Reduktion von einem Permanganat-Ion zu Mn 2+ fünf Elektronen nötig sind, werden 40 mmol Permanganat zu Mn 2+ reduziert. Aus ursprünglich 400 mmol Permanganat werden durch diese Redoxreaktion 360 mmol Permanganat, der Mn 2+ -Gehalt der Lösung wächst dabei von Null auf 40 mmol (alles in einem Liter Lösungsvolumen). Wir setzen also ein: E = E /5 log [{c(mno - 4 c 8 (H + )}/c(mn 2+ )] = E V log [( ) / 0.04] = 1.58 V V = V.