Klausur : Allgemeine und Anorganische Chemie

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1 1 Klausur : Allgemeine und Anorganische Chemie Mi : Uhr Musterlösungen ohne Gewähr 1. Das Löslichkeitsprodukt von Magnesiumhydroxid beträgt mol 3 L 3. Berechnen Sie den ph-wert einer gesättigten Magnesiumhydroxidlösung. LP = [Mg 2+ ][OH ] 2 = 4L 3 (L ist die Löslichkeit) 12 L = 3 ( )/ 4 = 3 ( ) = M 12 [OH ] = 2L = M poh = 3.65, ph = = 10.35

2 2 2. Wie sind die charakteristischen Elektronenkonfigurationen der Valenzschalen bei (i) den Edelgasen (ii) den Chalkogenen (iii) den Münzmetallen (iv) den Halogenen? (i) s 2 p 6 (außer Helium 1s 2 ); (ii) s 2 p 4 ; (iii) (n 1)d 10 ns 1 ; (iv) s 2 p 5

3 3 3. Die sog. Konvertierung von Kohlenmonoxid wird mit folgender Gleichung beschrieben: CO + H 2 O H 2 + CO 2. Bei 600 K werden in ein evakuiertes Reaktionsgefäß 1 mol CO sowie 3 mol Wasserdampf eingeleitet. Bei Gleichgewicht enthält die Reaktionsmischung mol H 2. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante. Molzahlen bei Gleichgewicht: H 2, 0.971; CO 2, 0.971; CO, ( ) = 0.029; H 2 O, ( ) = Alle sind im selben Gefäß, also sind die Konzentrationen proportional zu den Molzahlen. K = [H 2 ][CO 2 ] / [CO][H 2 O] = ( ) / ( ) = 16.0 (dimensionslos)

4 4 4. Was verstehen Sie unter: (i) Kristallfeldaufspaltung (ii) einem Low-Spin-Komplex (iii) Ligandenfeldstärke (iv) einem weichen Metallzentrum? (i) Kristallfeldaufspaltung ist die Energiedifferenz zwischen d-orbital-sätzen bei einem Übergangsmetallkomplex bestimmter Koordinationsgeometrie, z.b. oktaedrisch: (ii) Bei hoher Kristallfeldaufspaltung kann es günstiger sein, die unteren Orbitale doppelt zu besetzen, bevor die oberen besetzt werden. Das ist ein Low-Spin-Komplex. Beispiel: d 4 oktaedrisch mit Konfiguration t 4 2g (statt t 3 2g e 1 g ). (iii) Bestimmte Liganden haben die Tendenz, höhere bzw. niedrigere Kristallfeldaufspaltungen zu verursachen. Diese Tendenz ist die Ligandenfeldstärke des Liganden. (iv) Ein weiches Metallzentrum ist groß und hat eine niedrigere Ladung, ist also leicht polarisierbar (z. B. Au I ). Solche Metalle bilden starke Bindungen mit weichen Liganden (z. B. CO, Phosphine).

5 5 5. Was ist ein Radikal? Welche folgender Spezies sind Radikale: O 2, NO 2, ClO 2, O 3? (Begründung!) Ein Radikal ist eine Spezies mit mindestens einem ungepaarten Elektron. O 2 ist trotz seiner geraden Elektronenzahl ein Radikal; die zwei 2p *-Orbitale werden nach den Hund'schen Regeln einzeln besetzt. NO 2 und ClO 2 haben ungerade Elektronenzahlen (17 bzw. 19 Valenzelektronen) und sind somit zwangsläufig Radikale. Diese Erklärung ist völlig ausreichend, aber natürlich zeigen auch korrekte Lewis-Formeln die ungepaarten Elektronen: O 3 ist kein Radikal; vgl. Lewis-Formel

6 6 6. Beschreiben Sie das Solvay-Verfahren zur großtechnischen Synthese von Natriumcarbonat. (i) Eine konz. NaCl-Lösung wird mit Ammoniak gesättigt. (ii) Calciumcarbonat wird "gebrannt": CaCO 3 CaO + CO 2 (iii) Die Lösung aus (i) wird mit dem CO 2 aus (ii) und (iv) gesättigt; dabei fällt das nicht sehr lösliche Natriumhydrogencarbonat (Natriumbicarbonat) aus: NaCl + NH 3 + CO 2 + H 2 O NaHCO 3 + NH 4 Cl (iv) Das NaHCO 3 wird abfiltriert und "calciniert" (stark erhitzt, um flüchtige Bestandteile zu entfernen): 2NaHCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O (v) Das Ammoniak wird aus CaO und NH 4 Cl neu generiert: CaO + 2NH 4 Cl CaCl 2 + 2NH 3 + H 2 O Gesamtreaktion: CaCO 3 + 2NaCl Na 2 CO 3 + CaCl 2

7 7 7. Sind folgende Behauptungen richtig oder falsch (Begründung!)? (i) Die Elektronenaffinität eines Elements X ist die Energie, die pro Mol benötigt wird, um X zu X zu ionisieren. (ii) Aus der genau gemessenen Masse eines Atoms 12 C kann man die Avogadro-Zahl berechnen. (iii) Ein gutes Reduktionsmittel hat ein hohes positives Elektrodenpotential. (iv) Die meisten Gase lösen sich endotherm im Wasser (solange keine Reaktion eintritt). (i) Korrekt! Die Elektronenaffinität (EA) ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Atom ein Elektron aufnimmt; X + e X. Wird hierbei n kj Energie freigesetzt (Reaktionsenthalpie n kj), so wird für die Rückreaktion (X X + e ) n kj benötigt. (ii) Korrekt! N A = (Masse 1 mol 12 C = 12 g) / (Masse eines Atoms 12 C in Gramm) (iii) Falsch! Elektrodenpotentiale sind für Reduktion definiert. Positives Potential entspricht negativer freier Enthalpie (günstig). Gute Oxidationsmittel werden leicht reduziert und weisen somit hohe positive Potentiale auf. Gute Reduktionsmittel haben hohe negative Potentiale. (iv) Falsch! Da das Gas in den flüssigen Zustand übergeht, ist das eine Art Kondensation, was immer exotherm ist.

8 8 8. Zink wird als "amphoteres Metall" beschrieben. Was bedeutet das? Geben Sie je eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für entsprechende Reaktionen an. Amphoter bedeutet: Zink reagiert mit Säuren und mit Laugen. Mit Säuren: Zn + 2H + Zn 2+ + H 2 (mit H 3 O + auch OK!) Mit Laugen: Zn + 4OH [Zn(OH) 4 ] 2 + 2e 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH (geht auch über 2H + + 2e H 2!) Zn + 4OH + 2H 2 O [Zn(OH) 4 ] 2 + H 2 + 2OH Zn + 2OH + 2H 2 O [Zn(OH) 4 ] 2 + H 2

9 9 9. Geben Sie je eine Lewis-Formel an für: Blausäure, das Cyanat-Ion, das Thiocyanat- Ion, das Cyanamid-Ion. Alle freien Elektronenpaare sowie alle etwaigen Formalladungen angeben! Gleiche Aufgabe wie bei der Erstklausur! Beim Thiocyanat ist die Form mit C=S-Doppelbindung weniger wahrscheinlich.

10 Wie sind die Oxidationszahlen der Kohlenstoffatome bei (i) Methan (ii) Tetrafluorkohlenstoff (iii) Ameisensäure (iv) dem Cyanat-Ion? (i) CH 4 ; Kohlenstoff ist elektronegativer als Wasserstoff, also C IV. (ii) CF 4 ; Fluor ist elektronegativer als Kohlenstoff, also C +IV. (iii) Die elektronegativsten Atome sind die Sauerstoffe O II. Der OH-Wasserstoff ist H +I und der CH-Wasserstoff auch H +I. Da das ganze Molekül neutral ist, bleibt C +II. OH H C Ameisensäure O (iv) Cyanat: Stickstoff und Sauerstoff sind beide elektronegativer als Kohlenstoff, wodurch die Elektronen aller vier Bindungen des Kohlenstoffs den beiden anderen Partnern formal zugeschlagen werden; also C +IV.

11 Ordnen Sie folgende Verbindungen (nur die Formeln sind angegeben) in der Reihenfolge zunehmender Siedepunkte und erklären Sie diese Reihenfolge (ohne Erklärungen keine Punkte!): CCl 4, SiC, NH 3, LiF, CsI, CH 4. Methan CH 4 ist ein kleines Molekül mit schwachen intermolekularen Dispersionskräften, hat also den niedrigsten Siedepunkt. Dann kommt Ammoniak, bekanntlich ein Gas, aber mit Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen H + und N. (entspricht H-Brücken in Flüssigkeit und Feststoff). Tetrachlorkohlenstoff CCl 4 ist bei Zimmertemperatur flüssig (es ist ein bekanntes Lösungsmittel mit Anwendung bei der Trockenreinigung usw.). Die stärkeren Dispersionskräften zwischen den größeren Cl-Atomen sind stark genug, dass CCl 4 bei Zimmertemperatur kein Gas mehr ist. CsI ist eine Ionenverbindung mit großen Ionen, da ist die Gitterenergie verhältnismäßig klein; der Siedepunkt wird trotzdem ziemlich hoch sein (1280 C nach Wiki!) aber LiF mit seinen kleinen Ionen hat eine höhere Gitterenergie und siedet noch höher (1680 C) Carborund SiC ist ein dreidimensionales Polymer mit starken kovalenten Bindungen, analog dem Diamant. Wenn es überhaupt zum Sieden zu bringen wäre, dann erst bei sehr hohen Temperaturen (Wiki meint, es zersetze sich bei Temperaturen > 2300 C, bevor es schmelze ).

12 Eine Lösung Salzsäure (100 ml, 0.5 M) wird mit einer Lösung Natronlauge (100 ml, 0.5 M) versetzt. Die Temperatur der gemischten Lösung steigt um 3.1 K. Berechnen Sie die molare Neutralisationswärme. [Die spezifische Wärme von Wasser beträgt 4.18 J/K/g.] (Die Lösungen sind effektiv Wasser, was die spezifische Wärme angeht) Bei diesem Versuch wird = J Wärme freigesetzt. Die Molmengen sind 0.05 mol Säure bzw. Base. Pro Mol wird also / 0.05 = J freigesetzt. Die molare Neutralisationswärme beträgt also 51.8 kj.

13 Wie sind die Koordinationszahlen der Metallatome bei Metallstrukturen, die (i) kubisch innenzentriert (ii) kubisch primitiv (iii) hexagonal dichtest gepackt sind? Je eine Skizze angeben! (i) 8; (ii) 6 (zwei entlang jeder kartesischen Achsenrichtung); (iii) 12 (drei helle oberhalb und drei (nicht eingezeichnet) unterhalb der Ebene des zentrierten Sechsecks! (i) (ii)

14 Was sind (i) Wassergas (ii) Wasserglas (iii) Chlorwasser (iv) Königswasser? (i) Wassergas: bei der Kohlevergasung wird Wasserdampf über heißen (1000 C) Koks geleitet. Das Produkt heißt Wassergas: C + H 2 O CO + H 2 (ii) Natriumsilicat Na 4 SiO 4 (idealisiert) wird aus Natriumcarbonat und SiO 2 beim Erhitzen gebildet. Die zähflüssige wässrige Lösung Wasserglas ist stark alkalisch: SiO H 2 O H 3 SiO 4 + 3OH (iii) Eine Lösung von Chlor im Wasser heißt Chlorwasser. Es unterliegt einer Gleichgewichtsreaktion, die zu Salzsäure und hypochloriger Säure HClO führt: Cl 2 + H 2 O H + + Cl + HClO (iv) Eine Mischung aus konz. Salzsäure und konz. Salpetersäure (etwa 3:1) heißt Königswasser. Dieses ist so stark oxidierend, dass es auch Edelmetalle wie Gold unter Bildung von HAuCl 4 ("Goldsäure", besser Tetrachlorgoldsäure) lösen kann. 3NOCl + HCl + Au 3NO + HAuCl 4 (die Gleichung ist nicht unbedingt notwendig und ist sowieso spekulativ; zumindest die Formel HAuCl 4 sollte angegeben werden)

15 Die Beobachtung, dass chemisch erzeugter Stickstoff eine unterschiedliche Dichte zu aus der Luft gewonnenem Stickstoff hat, führte zur Entdeckung der Edelgase. Welcher hat die höhere Dichte? Berechnen Sie das Verhältnis der beiden Dichten. Normale trockene Luft enthält 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und 1% Edelgase (hauptsächlich Argon) neben Spuren anderer Gase. Luft ohne Sauerstoff besteht aus Stickstoff N 2 (M = 28.02) mit ein wenig Argon (M = 39.95). Durch das schwerere Argon ist "Luftstickstoff" etwas schwerer als chemisch erzeugter Stickstoff. Etwas genauer: Luft ohne Sauerstoff besteht aus 78 Teilen N 2 (M = 28.02) zu einem Teil Argon (M = 39.95). Die mittlere Molmasse des "Luftstickstoffs" beträgt [( ) + ( )] / 79 = Das Verhältnis der Dichten beträgt / = (oder der Kehrwert ).

16 Die Abbildung zeigt die Struktur eines enantiomerenreinen Aminosäure-Derivats. Ausgewählte Atome sind nach dem Schema "Elementsymbol, Nummer" gekennzeichnet. Nicht gekennzeichnete Atome sind Kohlenstoff (größere Kreise) bzw. Wasserstoff (kleinere Kreise). Bestimmen Sie die absolute Konfiguration an den Atomen P1 und C1 (Begründung!). [Phenyl hat eine höhere Priorität als t-butyl]. "Lenkradmodelle": Bei C1 sind die Prioritäten N1 > Phenyl > Methyl > H. Das Molekül wird so gedreht, dass der der Substituent mit der niedrigsten Priorität, das H-Atom, nach hinten zeigt (somit kommt die Methylgruppe nach unten in der Papierebene!); die anderen drei nehmen gegen Uhrzeigersinn ab S. Bei P1 sind die Prioritäten O1 > N1 > Phenyl > Butyl. Das Molekül wird so gedreht, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität, die t-butyl-gruppe, nach hinten zeigt; die anderen drei nehmen gegen Uhrzeigersinn ab S.

17 Wie sind nach Kristallfeldtheorie die 3d-Orbitaldiagramme bei (i) tetraedrischen (ii) quadratischen Metallkomplexen? Was für Auswirkungen gibt es auf die magnetischen Eigenschaften der jeweiligen Komplexe? Tetraedrisch: Die Aufspaltung ist kleiner als bei oktaedrischen Komplexe, so dass tetraedrische Komplexe "high-spin"-konfigurationen aufweisen. Quadratisch (Quadratebene ist xy): (je nach System kann das d(z 2 )-Orbital auch ganz unten liegen). Die hohe Energie des d(x 2 - y 2 )-Orbitals verglichen mit d(xy) führt dazu, dass die Konfiguration d 8 bevorzugt wird; diese ist diamagnetisch.

18 (a) Wie viel Energie wird benötigt, um einen Apfel mit Masse 150 g um 2 m gegen die Schwerkraft anzuheben? [Gravitationsbeschleunigung der Erde = m s 2 ]. (b) Wie viel Energie wird verbraucht, wenn ein Heizstrahler bei einer Spannung von 230 V und einer Stromstärke von 5 A einen Tag läuft? Beide Antworten in Einheiten Joule angeben! Nette Überraschung für Physiker! (a) Bei SI-Einheiten sind Massen in Kilogram zu verwenden. Die Schwerkraft ist N. Um 2 m gegen diese Kraft zu arbeiten, beträgt die Energie = J. (b) Energie = Spannung Stromstärke Zeit = = J.