Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure

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1 Page 1 of 9 Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure Kaiserslautern, 8. März 2006 Die Klausur besteht aus 16 Fragen, für deren Bearbeitung 100 Minuten Zeit zur Verfügung stehen. Es können 101 Punkte erreicht werden, wobei für das Bestehen der Klausur 40 Punkte erforderlich sind. Bis zu vier Punkte aus den Übungen werden angerechnet. Zur Beantwortung der Fragen genügen Formeln, Zeichnungen, Reaktionsgleichungen oder kurz formulierte, am besten stichpunktartige Angaben. Bitte achten Sie darauf, dass Ihre Antworten in der durch die Nummerierung der Fragen vorgegebenen Reihenfolge angeordnet sind. Dies wird Ihnen gelingen, wenn Sie für zunächst nicht geläufige Antworten einige Zeilen freilassen 1. (3 Punkte) Wie nennt man Atomkerne, die verschiedenen Elementen angehören und dennoch die gleiche Massenzahl aufweisen? Geben Sie als Beispiel zwei Kerne an, für die dies zutrifft und nennen Sie die Unterschiede zwischen diesen Kernen. Isobare; 3 H / 3 He; die beiden Kerne gehören verschiedenen Elementen an und unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen. 2. (3 Punkte) Mit welchem Experiment (Skizze zur Durchführung, kurze Angaben zu den Beobachtungen und Schlussfolgerungen) konnte Rutherford das bis dahin gültige Atommodell widerlegen und wie sieht das nach ihm benannte Atommodell aus? Goldfolie, α-strahlenquelle, die meisten Strahlen gehen ungehindert durch die Folie, wenige werden stark abgelenkt. Schlussfolgerung: Die Masse eines Atoms ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern in einem sehr dichten und schweren Kern konzentriert. 3. (5 Punkte) Warum nimmt bei Metallen die elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur ab, während sich Halbleiter umgekehrt verhalten? Illustrieren Sie die elektronischen Unterschiede zwischen Metallen und Halbleitern anhand einer einfachen Skizze. Welche Temperaturabhängigkeit erwarten Sie für die Leitfähigkeit der Lösung eines Salzes in Wasser? Die Schwingung der Metallatomrümpfe behindert bei erhöhter Temperatur die Bewegung des Elektronengases. Bei Halbleitern wächst mit zunehmender Temperatur die Anzahl der Elektronen, die durch thermische Anregung in das Leitfähigkeitsband gelangen. Mit der Anzahl der beweglichen Ladungsträger im Leitfähigkeitsband nimmt die Leitfähigkeit zu. Wegen der schnelleren Bewegung der gelösten Teilchen nimmt die Leitfähigkeit von Salzlösungen mit der Temperatur zu. 4. (9 Punkte) Zeichnen Sie drei der vier folgenden Strukturen und machen Sie Angaben zum Gittertyp und zu den Koordinationszahlen (a-c) oder zur Fortsetzung des gezeichneten Strukturelements im Raum (d): a) Kochsalz (Natriumchlorid), b) Diamant, c) Cristobalit (eine Modifikation von Siliziumdioxid), oder d) Hittorf scher violetter Phosphor.

2 Page 2 of 9 5. (12 Punkte) Welche Atomorbitale befinden sich in der Valenzschale eines Sauerstoffatoms? Zeichnen Sie je eine Skizze, aus der Form und Anordnung der Orbitale im Raum, eine sinnvolle Bezeichnung mit Symbolen sowie Vorzeichenwechsel (falls vorhanden) der betreffenden Wellenfunktion hervorgehen. (4 Punkte)

3 Page 3 of 9 Aus welchen unterschiedlichen Orbitalwechselwirkungen ergeben sich auf dieser Grundlage die Molekülorbitale für Moleküle oder Ionen aus zwei Sauerstoffatomen? Bitte fertigen Sie je eine Skizze für die unterschiedlichen Orbitalwechselwirkungen an und bezeichnen Sie jeden Typ mit einem passenden Symbol. Geben Sie zusätzlich ein MO-Diagramm an, in welchem die Atom- und die Molekülorbitale als Linien in unterschiedlicher Höhe dargestellt werden (die senkrechte Achse entspricht der Orbitalenergie). (4 Punkte) Tragen Sie die Valenzelektronen des O 2 -Moleküls in das Diagramm ein und bestimmen Sie die Bindungsordnung. (1 Punkt) Beim Verbrennen von Lithium, Natrium und Kalium an der Luft entstehen Oxide unterschiedlicher Zusammensetzung. Geben Sie Summenformeln sowie die O-O-Bindungsordnung an für die so erhaltenen Sauerstoffverbindungen der genannten Alkalimetalle. (3 Punkte)

4 Page 4 of 9 6. (4 Punkte) Geben Sie Reaktionsgleichungen an für die Herstellung und für die Reinigung von elementarem Silizium und nennen Sie stichpunktartig zwei weitere Reinigungsschritte. SiO C Si + 2 CO Si + 3 HCl HSiCl 3 + H 2 (bei C) (ca. 350 C, HSiCl 3 wird destilliert, danach rein)

5 Page 5 of 9 HSiCl 3 + H 2 Si + 3 HCl (Aus HSiCl 3 wird wieder Si) 7. (8 Punkte) Ergänzen Sie das Formelschema: Pb (3 ist ein weißes Pigment für Malerfarben) (das mit 3 gemalte Bild dunkelt stark ab) Äquivalente Äquivalente 2 (6 wird weiß, das Bild sieht aus wie neu) Pb + CO 2 + H 2 O PbCO 3 + H 2 PbCO 3 + H 2 S PbS + CO 2 + H 2 O PbS + 4 H 2 O 2 PbSO H 2 O 8. (12 Punkte) Das natürlich vorkommende Berylliumaluminiumsilikat Beryll wird zuweilen in meterlangen hexagonalen Säulen gefunden und hat folgende Zusammensetzung: 10.04% Al, 5.03% Be, 53.58% O, 31.35% Si. Die relativen Atommassen betragen: Al , Be 9.012, O , Si Worauf beziehen sich die relativen Atommassen? Berechnen Sie aus diesen Angaben die Summenformel und machen Sie einen Strukturvorschlag für das im Beryll enthaltene Silikat-Anion. Nennen Sie drei weitere Strukturtypen, die bei Silikat-Anionen vorkommen. Geben Sie jeweils Namen und Summenformel an und skizzieren Sie schematisch den Bau des Anions. Division der Prozentangaben durch die relative Atommasse berücksichtigt die Massenunterschiede und ergibt Verhältniszahlen, aus denen durch Erweitern möglichst einfache ganze Zahlen erhalten werden sollen: Verhältnis Annahme: Erweitern: 2 Al: 10.04/ = Be: 5.03/9.012 = O: 53.58/ = Si: 31.35/ = Al 2 Be 3 Si 6 O 18 ist die gesuchte Summenformel Strukturvorschlag: Si 6 O 6-18 kann ein Ringsilikat sein oder einer Kette entsprechen (der Ring ist richtig und passt zur Symmetrie der Kristalle, die Kette wurde ebenfalls anerkannt) Inselsilikat, SiO 4 4- Gruppensilikat, Si 2 O 7 6- Bandsilikat, Si 4 O Schichtsilikat, Si 2 O 5 2-

6 Page 6 of 9 9. (6 Punkte) Schreiben Sie eine Reaktionsgleichung für die großtechnische Herstellung von Ammoniak, geben Sie die Reaktionsbedingungen an (hier genügen geschätzte Werte, die in die richtige Richtung gehen) und begründen Sie, warum gerade solche Bedingungen notwendig oder von Vorteil sind. Nennen Sie zwei weitere Wasserstoffverbindungen des Stickstoffs mit Namen sowie Valenzstrichformel und Oxidationsstufen der beteiligten Atome. N H 2 2 NH 3 (ca. 350 C, ca. 300 bar) Die Reaktion ist exotherm, deshalb wird bei hohen Temperaturen das Gleichgewicht zu den Elementen hin verschoben (unerwünscht). Ein Katalysator wird benötigt, damit die Reaktion bei möglichst niedrigen Temperaturen schnell genug abläuft. Hoher Druck verschiebt das Gleichgewicht zu den gewünschten Produkten, weil aus vier Gasteilchen zwei werden. 10. (10 Punkte) 50 ml Benzoësäure der Konzentration 0.1 mol/l werden titriert mit Natronlauge der gleichen Konzentration. Berechnen Sie den ph-wert der Lösung nach Zugabe von 0 ml, 3 ml, 25 ml, 49 ml, 50 ml und 51 ml Natronlauge und zeichnen Sie eine Titrationskurve mit Angabe von Stichwörtern zu markanten Punkten und Bereichen der Kurve. (pk S (C 6 H 5 COOH) = 4.20, sinnvolle Näherungen bei der ph-berechnung sind erlaubt). Anfangswert: ph = 2.61 Aus K S = c(h + ) c(b - ) / c(hb) = x 2 / (0.1-x) durch Lösen der quadratischen Gleichung erhältlich. Analog erhält man der Wert ph = 8.45 für Zugabe von 50 ml NaOH-Lösung, wenn man Na + B - (das reine Natriumsalz der Benzoesäure am Äquivalenzpunkt) als Base auffasst und den pk B -Wert ausrechnet: pk B = 14 - pk S = Dann ergibt sich K B = c(oh - ) c(hb) / c(b - ) = x 2 / (0.05-x). (0.05, weil bis zur Neutralisation das Volumen genau verdoppelt und die Konzentration folglich halbiert wurde). Am Ende mus aus der erhaltenen Konzentration an OH -

7 Page 7 of 9 die H + -Konzentration ausgerechnet werden c(h + ) c(oh - ) = oder: ph + poh = 14. Für 3, 25 und 49 ml NaOH-Zugabe ergeben sich 3.01, 4.20 und 5.89 als ph-werte nach der Näherung von Henderson und Hasselbalch: ph = pk S + log c(b - )/c(hb), wobei nacheinander 3/47, 25/25 bzw. 49/1 eingesetzt werden für c(b - )/c(hb). Für den Basenüberschuss nach Zugabe von 51 ml NaOH-Lösung gilt: Die in einem ml NaOH enthaltene Menge von OH - (das sind 0.1 mmol) ist gelöst in 101 ml Lösung, daraus ergibt sich eine OH - -Konzentration von ca. 1 mmol pro Liter, das sind 10-3 mol/l, der ph beträgt folglich 11. Für die Kurve wurden akzeptable Näherungen mit einem Punkt bewertet, für die Beschriftung der entsprechenden Kurvenäste mit Säure wird gepuffert (für den ph-anstieg zu Beginn) Pufferbereich (für den Bereich von ca. 10 bis ca. 40 ml NaOH-Zugabe) Äquivalenzpunkt Basenüberschuss wurden drei weitere Punkte vergeben, wenn drei der vier Nennungen oder ähnliche Formulierungen gebracht wurden. 11. (5 Punkte) Geben Sie Valenzstrichformeln an sowie Oxidationsstufen der beteiligten Atome für zehn der folgenden Moleküle und Ionen: CO, CO 2, NO, NO 2, NO - 3, PO 3-4, H 2 O 2, NF 3, BF - 4, XeF 2-6, IF 5, CN -. Häufigster Fehler: Fünf Orbitale wurden von Elementen der ersten Achterperiode erwartet (besonders vom Stickstoff im Nitrat, teilweise auch im NO 2 ). Gelegentlich wurden formale Ladungen mit Oxidationsstufen verwechselt. 12 (3 Punkte) Wie wird Phosphor hergestellt (Reaktionsgleichung) und welche Modifikation entsteht bei diesem Prozess? 2 Ca 3 (PO 4 ) C + 6 SiO 2 6 CaSiO CO + P 4 (weißer Phosphor) 13. (4 Punkte) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Herstellung eines Oxids des Kohlenstoffs außer Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Geben Sie für dieses Oxid eine Valenzstrichformel und einen Namen an. C 6 (COOH) 6 C 12 O H 2 O Mellithsäureanhydrid, (erhöhte Temperatur, H 3 C-COCl zur Wasserabspaltung) HOOC-CH 2 -COOH O=C=C=C=O + 2 H 2 O (P 2 O 5 zur Wasserabspaltung) 14. (11 Punkte) Welche thermodynamische Bedingung muss erfüllt sein, damit eine chemische

8 Page 8 of 9 Reaktion freiwillig ablaufen kann? Formulieren Sie die Fundamentalgleichung der Thermodynamik, in der die treibende Kraft für den Ablauf einer chemischen Reaktion auf zwei Energiebeiträge zurückgeführt wird. Diskutieren Sie in kurzen, stichwortartigen Formulierungen Vorgänge und Änderungen der beiden Energiebeiträge, wenn a) einer Flüssigkeit im Gleichgewicht mit dem entsprechenden Dampf (Gasphase) in einem druckfesten, geschlossenen Gefäß über ein Wärmebad Wärme zugeführt und wieder entnommen wird (es gelte die Annahme, dass dies reversibel erfolgt, die Energieänderungen sollen für den Gefäßinhalt und auch für das äußere Wärmebad getrennt betrachtet werden) b) ein fester Brennstoff der Zusammensetzung C 22 H 46 mit Sauerstoff abreagiert (bitte auch eine Reaktionsgleichung formulieren) c) aus Kohlenstoff und Kohlendioxid Kohlenmonoxid hergestellt wird. ΔG = ΔH + TΔS; ΔG muss negative sein. a) beim Erwärmen des Gefäßinhalts verdampft Flüssigkeit bei gleichbleibender Temperatur, ΔH und ΔS im Gefäß sind positiv, im Wärmebad sind beide negativ. Bei Umkehrung des Wärmeflusses kehren sich alle Effekte um. Weil der Vorgang reversibel geführt wird, ist das ganze System stets im thermodynamischen Gleichgewicht, ΔG sowie ΔS und folglich auch ΔH sind Null für den Gesamtvorgang in beiden Richtungen. b) 2 C 22 H O 2 44 CO H 2 O (stark exotherm, ΔH negativ, ΔS positiv, weil die Teilchenzahl zunimmt, ΔG nimmt also stark negative Werte an) Anerkannt wurden auch viele von der obigen Gleichung abweichende Reaktionsgleichungen, wenn sinnvolle Produkte formuliert wurden und die Anzahl der Atome links und rechts vom Reaktionspfeil ausgeglichen war. Die Diskussion der Parameter ΔH, ΔS und ΔG musste zu der jeweils gewählten Reaktionsgleichung passen. c) C + CO 2 2 CO Die Reaktion von links nach rechts ist endotherm, die Entropie nimmt zu, weil rechts zwei Gasteilchen stehen und links nur eines. Fazit: Bei niedrigen Temperaturen liegt das Gleichgewicht auf der linken Seite, bei höheren Temperaturen überwiegt der Entropiebeitrag (-TΔS). 15. (4 Punkte) Nennen Sie eine Säure, die in der Lage ist, einer wässrigen Lösung bei entsprechender Konzentration einen ph-wert von -1 zu erteilen und berechnen Sie die Potenzialdifferenz, die zwischen einer Wasserstoffelektrode mit einer solchen Lösung und einer weiteren Wasserstoffelektrode mit konzentrierter Natronlauge (c(naoh) = 10 mol/l) auftritt. Salzsäure (HCl), Bromwasserstoffsäure (HBr), Iodwasserstoffsäure (HI), Perchlorsäure (HClO 4 ), Schwefelsäure (H 2 SO 4 ), Salpetersäure (HNO 3 ) sind geeignet und wurden in der Vorlesung genannt. Die Differenz wäre recht einfach zu berechnen gewesen, doch dachten leider nur sehr wenige daran, dass zu einer Wasserstoffelektrode auch Wasserstoff(gas) gehört. Die Reaktionsgleichung lautet: 2 H e - H 2, daraus ergibt sich für die Nernst sche Gleichung: E = E V/n log c 2 (H + )/c (H 2 ). Bildet man die Differenz für die beiden Halbzellem mit unterschiedlicher H + -Konzentration, so fällt C(H 2 ) wegen der Subtraktion heraus, man kann dann auch auf den Exponenten im Ausdruck c 2 (H + ) verzichten und einfach c(h + ) einsetzen, wenn zugleich n im Vorfaktor 0.059/n von n = 2 auf n = 1 zurückgesetzt wird (n ist aus der Reaktionsgleichung ersichtlich und gibt die Anzahl der Elektronen an, die für einen Formelumsatz benötigt werden). In der einfachsten Form lautet der korrekte Ausdruck demnach: E 2 -E 1 = ΔE = V log 10/10-15 = V 16 = V, wobei 10 für die H + -Konzentration in einer sehr starken Säure der Konzentration 10 mol/l steht und die H + -Konzentration in einer

9 Page 9 of 9 Natronlauge der Konzentration 10 mol/l angibt, denn ph + poh = 14 (in wässriger Lösung). 16. (2 Punkte) Wie kann man im Labor elementares Chlor herstellen? (Reaktionsgleichung) 2 KMnO HCl 5 Cl MnCl KCl + 8 H 2 O MnO HCl Cl H 2 O + MnCl 2 Elektrolyse von HCl wurde nicht anerkannt, weil dabei auch H 2 entsteht und das Gemisch bereits bei Lichteinwirkung unter Rückbildung von HCl explodiert, auch die Elektrolyse von NaCl ist wegen des apparativen Aufwandes ein Verfahren für die Technik und nicht für das Labor.

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