Klausur zur Vorlesung "Allgemeine Chemie" am

Transkript

1 Klausur zur Vorlesung "Allgemeine Chemie" am Matrikelnummer: Name: Bitte eintragen: Vorname: Bitte eintragen Wievieltes Fachsemester: Fachrichtung: Sonstiges (bitte angeben): Bitte ankreuzen: Chemie Bachelor Chemie Lehramt Geowissenschaften (BA) Mol. Biotechnologie Pharmazie Bitte prüfen Sie Ihre Klausur sofort auf Vollständigkeit (Seiten fortlaufend nummeriert von 1 bis 13, Fragen von 1 bis 10) und Lesbarkeit. Spätere Reklamationen werden nicht berücksichtigt! Viel Erfolg! Aufgabe 1 a) Benennen Sie drei unterschiedliche Gittertypen für Salze der Zusammensetzung AB 2 mit Angabe der Koordinationszahlen für A und B. (6 Punkte) Fluorit CaF 2 KZ (A) = 8 KZ (B) = 4 Rutil TiO 2 KZ (A) = 6 KZ (B) = 3 Cristobalit SiO 2 KZ (A) = 4 KZ (B) = 2 b) Wie können Sie mit Hilfe des Quotienten aus Kationen- und Anionenradius den Strukturtyp vorhersagen? (2 Punkte) Je größer r K /r A ist, umso größer ist die Koordinationszahl, die für einen Strukturtyp typisch ist. 1

2 Aufgabe 2 a) Welches Vorzeichen hat die Entropieänderung für die Bildung von festem Calciumoxid aus festem Calcium und gasförmigem Sauerstoff? Wie muss das Vorzeichen der Enthalpieänderung sein, wenn die Bildung des Produkts thermodynamisch günstig ist? Begründen Sie ihre Antwort. (3 Punkte) Ca (fest) + O 2 (gas) CaO (fest) Abnahme der Entropie, S < 0 G = H - T S H < 0 erforderlich, damit G < 0 werden kann. b) Ordnen Sie die folgenden Verbindungen nach zunehmender Gitterenthalpie: Magnesiumoxid, Lithiumfluorid, Natriumchlorid. Begründen Sie die von Ihnen gewählte Reihenfolge unter Zuhilfenahme des Coulomb-Gesetzes. (4 Punkte) NaCl < LiF < MgO Folgt aus Coulombgesetz : Energie Z K Z A e 2 r K + r A für MgO: höhere Ladungszahlen Z K = Z A = 2 für LiF: r Li + < r Na + und r F - < r Cl - c) Würden Sie erwarten, dass sich Natriumchlorid in Tetrachlormethan (CCl 4 ) löst? Begründen Sie Ihre Entscheidung. (2 Punkte) nein, denn CCl 4 ist unpolar. d.h. keine starken Wechselwirkungen mit Na + oder Cl -, die die Gitterenergie kompensieren können. 2

3 d) Konstruieren Sie einen Born-Haber-Kreisprozess für die fiktive Verbindung NaCl 3. Berechnen Sie für die Verbindung die Bildungsenthalpie. (5 Punkte) [theoretische Gitterenthalpie für NaCl 3 : kj mol 1 ; erste, zweite und dritte Ionisierungsenergie für Na: 502, 4569 bzw kj mol 1 ; Elektronenaffinität für Cl: -355 kj mol 1, Bildungsenthalpie für Na(g): 107 kj mol 1, Bindungsenthalpie für Cl 2 : 243 kj mol 1 ] Na (gas) + 3 Cl (gas) Elektronenaffinität von Cl Ionisierungsenergie von Natrium (I 1 + I 2 + I 3 ) ( ) kjmol -1 Na 3+ (gas) + 3 Cl - (gas) 3/ kjmol -1 Dissoziationsenthalpie von Cl 2 Na (gas) + 3/2 Cl 2 (gas) Gitterenergie kjmol kjmol -1 Sublimationsenthalpie von Natrium von NaCl 3 Na (fest) + 3/2 Cl 2 (gas) Bildungsenthalpie H B NaCl 3 (fest) H B = ( / ) kjmol -1 = 5996,5 kjmol -1 3

4 Aufgabe 3 a) Errechnen Sie das Halbzellenpotential (unter Standardtemperatur und Standarddruck) für die Reduktion von Pb 2+ -Ionen zu metallischem Blei in einer gesättigten Lösung von Bleisulfat mit einer Pb 2+ -Konzentration von 1, mol l 1. (3 Punkte) (E 0 = -0,3588 V, Faradaykonstante F = C mol 1, R = 8,3144 J K 1 mol 1 ) E = E + RT/nF. ln [Pb] 2+ oder E = E + 0,059V / n. log [Pb] 2+ E = - 0,3588 V + 0,059V / 2. log (1, ) E = - 0,3588 V - 0,1423 V = -0,5011 V b) Gegeben sind die Halbzellenpotentiale: Au 3+ (aq) + 3e = Au(s) E 0 = +1,50 V Au + (aq) + e = Au(s) E 0 = +1,69 V Errechnen Sie, mit Hilfe von G 0, das Potential für folgende Reaktion: Au 3+ (aq) + 2e = Au + (aq) (5 Punkte) Zuerst G bestimmen, dann E G = -nf. E Au 3+ (aq) + 3e = Au(s) E 0 = +1,50 V G (1) = -3. F. 1,5 V Au + (aq) + e = Au(s) E 0 = +1,69 V G (2) = -1. F. 1,69 V Au 3+ (aq) + 2e = Au + (aq) G = G (1) - G (2) G = -3. F. 1,5 V + F. 1,69 V = - F. 2,81 V E = G / nf = F. 2,81 V / 2 F = 1,405 V 4

5 Aufgabe 4 a) Was versteht man unter Stereoisomerie? Geben Sie zwei Beispiele für Stereoisomerie. (4 Punkte) Stereosisomere sind Isomere mit gleichen Bindungspartnern (gleiche Konstitution), die aber räumlich unterschiedlich angeordnet sind (verschiedene Konfiguration). Stereoisomere können Diastereomere (z.b. cis-trans-isomere) oder Enantiomere sein. Beipiele: Enantiomere: L-Alanin und D-Alanin Diastereomere: cis-trans-platin b) Ist das Auftreten von Isomeren zu erwarten, wenn ein Komplex des Typs [MX 2 Y 2 ] tetraedrisch aufgebaut ist? (1 Punkt) nein, denn Aufgabe 5 a) Zeichnen Sie die Strukturen der folgenden Verbindungen unter Zuhilfenahme der VSEPR- Regeln. (4 Punkte) PF 3 SF 4 ClF 3 XeF 4 5

6 b) Die Moleküle PF 3 und PI 3 haben Bindungswinkel von 98 bzw Wie lässt sich der Unterschied erklären? (2 Punkte) 3. Regel des VSEPR-Modells (nach Vorlesung): Elektronegative Substituenten ziehen bindende Elektronenpaare stärker zu sich heran, d.h. verminderter Raumbedarf. Fluor ist elektronegativer als Iod, d.h. kleinerer Bindungswinkel. c) Konstruieren Sie die Molekülorbitaldiagramme und stellen Sie die Elektronenkonfigurationen für das N 2 -Molekül und das C 2 -Anion auf. Bestimmen Sie jeweils die Bindungsordnung. (6 Punkte) N 2 Elektronenkonfiguration N 2 : σ(1s) 2 σ*(1s) 2 σ(2s) 2 σ*(2s) 2 π(2p) 4 σ(2p) 2 Bindungsordnung: BO = ½ (Zahl der bindenden Zahl der antibindenden Elektronen) BO (N 2 ) = 6 = 3 2 Elektronenkonfiguration C 2 - : σ(1s) 2 σ*(1s) 2 σ(2s) 2 σ*(2s) 2 π(2p) 4 σ(2p) 1 BO (N 2 ) = 5 / 2 = 2,5 6

7 Aufgabe 6 a) Welche Strukturen treten bei Metallen besonders häufig auf? Welche Koordinationszahlen haben die Metallatome in diesen Strukturen? (6 Punkte) kubisch dichteste Packung ( = kubisch flächenzentriert), KZ = 12 hexagonal dichteste Packung, KZ = 12 kubisch-raumzentriert Packung (innenzentriert), KZ = 8 b) Erklären Sie anhand eines Bänderdiagramms, warum Magnesium metallisches Verhalten aufweist. (2 Punkte) Überlappung der 3p und 3s Bänder bei Magnesium 7

8 Aufgabe 7 a) Berechnen Sie jeweils den ph der folgenden Lösungen starker Säuren. (7 Punkte) (A) 0,1 M HCl ph = -log [H + ] = -log (0,1) = 1 (B) 1,52 g HNO 3 in 575 ml Lösung [M(HNO 3 ) = 63 g mol 1 ] 1,52g mol HNO 3 = 0,024 mol HNO 3 63g [H + ] = 0,024 mol. l -1 = 0,0417 mol. l -1 ph = -log (0,0417) = 1,38 0,575 (C) eine Mischung aus 10,0 ml 0,100 M HBr und 20,0 ml 0,200 M HCl. HBr: 0,01. 0,1 mol = 0,001 mol HCl: 0,02. 0,2 mol = 0,004 mol [H + ] = 0,005 mol. l -1 = 0,167 mol. l -1 ph = -log (0,167) = 0,78 0,03 b) Eine 0,100 M-Lösung von Chloressigsäure (ClCH 2 COOH) ist zu 11,0% dissoziiert. Berechnen Sie aus diesen Informationen [ClCH 2 COO ], [H + ], [ClCH 2 COOH] und die Konstante K s von Chloressigsäure.(3 Punkte) 0,011 mol. l -1 sind dissoziiert [H + ] = [ClCH 2 COO - ] = 0,011 mol. l -1 [ClCH 2 COOH] = 0,1-0,011 mol. l -1 = 0,089 mol. l -1 K S = (0,011) 2 mol. l -1 = 1, mol. l -1 0,089 8

9 c) Die Konstante K s von Essigsäure ist 1, mol l 1 und K s von hypochloriger Säure (HOCl) beträgt mol l 1. Welche ist die stärkere Säure? Welcher Stoff ist die stärkere Base, das Acetat- oder das Hypochlorit (OCl )-Ion? Berechnen Sie K B von CH 3 COO und ClO. (4 Punkte) K S = [H + ] [A - ] allgemein für eine Säure HA [HA] je größer K S, desto weiter liegt das Gleichgewicht auf der Seite der dissoziierten Spezies d.h. Essigsäure ist die stärkere Säure (größerer K S -Wert) OCl - ist die stärkere Base Säure und korrespondierende Base: K S. K B = K W = mol 2. l -2 Acetat: K B = 0, mol. l -1 OCl - : K B = 0, mol. l -1 d) Nennen Sie zwei Beispiele für Puffersysteme (2 Punkte) Beispiele: Essigsäure / Natriumacetat H 3 CCOOH / H 3 CCOO - Ammoniak / Amoniumchlorid NH 3 / NH 4 Cl Natriumdihydrogenphosphat / Dinatriumhydrogenphophat NaH 2 PO 4 / Na 2 HPO 4 Natriumhydrogencarbonat / Natriumcarbonat NaHCO 3 / Na 2 CO 3 Aufgabe 8 Geben Sie die Reduktions- und Oxidationsteilgleichungen sowie die Gesamt- Reaktionsgleichungen für folgende Redox-Reaktionen an. (15 Punkte) a) Kaliumpermanganat mit H 2 O 2 in saurer wässriger Lösung Ox. H 2 O 2 O H e - /. 5 Red. MnO e H + Mn H 2 O /. 2 Gesamt: 2 MnO H 2 O H + 3 Mn O H 2 O 9

10 b) Fe 2+ mit Ag + in Wasser Ox. Fe 2+ Fe 3+ + e - Red. Ag + + e - Ag Gesamt: Fe 2+ + Ag + Fe 3+ + Ag c) Natrium mit Wasser Ox. Na Na + + e - Red. H 2 O + e - ½ H 2 + OH - Gesamt: Na + H 2 O ½ H 2 + NaOH d) Aluminium mit Fe(III)oxid nach Zündung (Thermit) Ox. Al Al e - Red. Fe e - Fe Gesamt: Fe 2 O Al Fe + Al 2 O 3 Oder 3 Fe 3 O Al 9 Fe + 4 Al 2 O 3 e) Schwefeldioxid mit Schwefelwasserstoff zu Schwefel Ox. H 2 S 1/8 S H e - /. 2 Red. SO e H + 1/8 S H 2 O Gesamt: 2 H 2 S + SO 2 3/8 S H 2 O 10

11 Aufgabe 9 a) Welche molare Löslichkeit hat Ag 2 CrO 4 in Wasser? (K L = 1, mol 3 l 3 für Ag 2 CrO 4 ) (3 Punkte) Ag 2 CrO 4 = 2 Ag + + CrO 4 2- [Ag + ] = 2 [CrO 4 2- ] = 2 c sätt K L = [Ag + ] 2 [CrO 4 2- ] = (2 c sätt ) 2. c sätt = 4 c sätt 3 c sätt = 3 K L / 4 = 7, mol. l -1 b) Welche molare Löslichkeit hat BaSO 4 in 1 l Wasser, wenn 7,1 g Na 2 SO 4 zugegeben wurden? (Molmasse für Na 2 SO 4 : 142 g mol 1, K L = 1, mol 2 l 2 für BaSO 4 ) (3 Punkte) [SO 4 2- ] = 7,1/142 mol. l -1 = 0,05 mol. l -1 K L = [Ba 2+ ] [SO 4 2- ] ; [Ba 2+ ] = K L / [SO 4 2- ] [Ba 2+ ] = 1, mol. l -1 = 3, mol. l -1 0,05 11

12 Aufgabe 10 a) Wie werden die d-niveaus in einem oktaedrischen Ligandenfeld aufgespalten? Wie kann man die Größe der Aufspaltung experimentell bestimmen? (3 Punkte) b) Wie viele ungepaarte Elektronen besitzen folgende Komplexe: (6/3 Punkte) [Fe(CN) 6 ] 4- Fe 2+ d 6, low spin, keine ungepaarten Elektronen [Co(NH 3 ) 6 ] 2+ Co 2+ d 7, high spin, 3 ungepaarte Elektronen [Mn(H 2 O) 6 ] 2+ Mn 2+ d 5, high spin, 5 ungepaarte Elektronen 12

13 c) Leiten Sie, ausgehend von der Aufspaltung der d-orbitale im oktaedrischen Ligandenfeld, die Aufspaltung der d-orbitale in einem entlang der z-achse gestauchten Oktaeder ab! (4/2 Punkte) Orbitale in z-richtung werden energetisch angehoben. 13