Vorprüfung in Chemie für Studierende des Maschinenbaus und des Gewerbelehramts Studiengang Bachelor

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1 Grundlagen der heie für Studierende des Maschinenbaus, Prof Deutschann Vorprüfung in heie für Studierende des Maschinenbaus und des Gewerbelehrats Studiengang Bachelor Montag, März 010, 14:00-17:00 Für die Bearbeitung der Aufgaben sind keine ilfsittel zugelassen Ausländische Studenten dürfen ein Wörterbuch (Muttersprache zur deutschen Sprache) benutzen, das keine handschriftlichen Eintragungen enthalten darf Jeder Versuch, ilfsittel zu benutzen, wird als Täuschung behandelt, führt zu unittelbaren Ausschluss von der Klausur und zur Bewertung der Ausarbeitung it 50! Zahlenwerte, die ohne Rechnung bzw ohne Begründung angegeben werden, bleiben ohne Wertung! Es genügen klar verständliche Stichworte als Antwort; es üssen keine Texte geschrieben werden Für bildliche Darstellungen genügen Skizzen, die das Prinzip verdeutlichen Die für jede Teilaufgabe axial erreichbare Punktzahl ist in Klaern angegeben Bewertung (Punkte/Note): 0-49, ,0 4,0 3,7 3,3 3,0,7,3,0 1,7 1,3 1,0 Aufgabe 1: a) Was versteht an unter der rdnungszahl und was sind Isotope? rdnungszahl = Zahl der Protonen Isotope = Atoe gleicher rdnungszahl aber verschiedener Masse (verschiedener Anzahl der Neutronen) b) Wodurch unterscheiden sich Atoe des Eleents Kohlenstoff it der Massenzahl 1 von denen it der Massenzahl 13? 1 : 6 Neutronen, 13 : 7 Neutronen c) Was sagt das Pauli- Prinzip aus? Jedes rbital kann axial durch Elektronen besetzt werden; diese haben antiparallelen Spin d) Geben Sie die Verteilung der Elektronen des Eleents Sauerstoff auf die rbitale an! 1s² s²p x ²p y p z (Kästchenschea it richtig eingezeichneten Pfeilen natürlich ebenfalls richtig) e) Geben Sie an, wie viele Elektronen die Eleente alciu und Fluor aufnehen bzw abgeben, wenn sie ionische Bindungen eingehen! Begründen Sie Ihre Aussage! a erreicht Edelgaskofiguration durch Abgabe von e -, F erreicht Edelgaskofiguration durch Aufnahe von 1 e -

2 f) Nennen Sie die vier Quantenzahlen, durch die die Energieniveaus der Elektronen beschrieben werden! Geben Sie in Stichworten die Bedeutung der einzelnen Quantenzahlen an! auptquantenzahl (Schale), Nebenquantenzahl (Unterniveaus, beschreiben verschiedene Typen von rbitalen), Magnetquantenzahl (Verhalten i Magnetfeld), Spinquantenzahl (Feinstruktur der Spektrallinien) g) Wodurch entsteht ein osotischer Druck? Diffusion von Lösungsittel durch eine seipereable Mebran zu Ausgleich von Konzentrationsgefällen entstehender Druckunterschied: osotischer Druck (richtig erläuterte Skizze der Messapparatur wird natürlich auch anerkannt) h) Auf welcher physikalischen Grundlage beruhen therische Trennverfahren, z B Extraktion und hroatographie? Verteilungsgleichgewicht: Verteilung einer Substanz in Lösung zweier nicht ischbarer Lösungsittel i) Geben Sie den räulichen Aufbau und die Lewis-Foreln (Elektronenschreibweise) von und an! Entscheiden Sie, ob das jeweilige Molekül ein Dipol ist! Kein Dipol δ δ- δ δ- δ δ Winkel = 104 Dipol (4) (4) j) Durch welche Wechselwirkungen zwischen Ionen und Wasser wird bei Lösen die Gitterenergie überwunden? Wechselwirkung zwischen Dipolen des und Ionen ( it Anionen, it Kationen) setzt ydratationsenthalpie frei Für die Lösung der Klausuraufgabe genügt es, wenn zu erkennen ist, dass die Kationen it de negativen, die Anionen it de positiven Ende des Dipols in Wechselwirkung treten; die verbale Beschreibung oben ist ebenfalls ausreichend k) Was sind Wasserstoffbrücken? Zwischenolekulare Anziehungskräfte zwischen stark polarisierten Molekülen l) Geben Sie die Zustandsgleichung für ideale Gase an! p V = n R T

3 Aufgabe : a) Geben Sie die Gleichungen an, nach denen an Reaktionsenthalpie, Reaktionsentropie und freie Reaktionsenthalpie berechnet! R = ν i 0 f (Produkte) - ν i 0 f (Edukte) R S = ν i S 0 f (Produkte) - ν i S 0 f (Edukte) R G = ν i G 0 f (Produkte) - ν i G 0 f (Edukte) oder R G = R - T R S (ν i = stöchioetrische Verhältniszahl) b) Ein Geisch aus und (bekannt als Wassergas oder Synthesegas) entsteht bei Überleiten von Wasserdapf über glühenden Koks () Geben Sie die Reaktionsgleichung an! Berechnen Sie die Standard- Reaktionsenthalpie ( R ), die Standard- Reaktionsentropie ( R S) und die freie Standard- Reaktionsenthalpie nach Gibbs ( R G)! Verwenden Sie folgende Werte: o f() = -111 kj ol -1, o f( ) = -418 kj ol -1 S o () = 198 J ol -1 K -1, S o ( ) = 1888 J ol -1 K -1, S o ( ) = 1307 J ol -1 K -1, S o () = 57 J ol -1 K -1 R = -111 kj/ol 0 - (- 41,8 kj/ol) - 0 = 130,8 kj/ol R S = 198 J/(ol K) 130,7 J/(ol K) - 188,8 J/(ol K) 5,7 J/(ol K) = 134, J/(ol K) R G = [ (98 134,)] J/ol = 90808,4 J/ol = 90,8084 kj/ol c) Bei Rauteperatur ist das Löslichkeitsprodukt von Pbl 3, 10-5 (Mol/l)³ Welche Konzentration von Pb stellt sich in neutrale Wasser ein und welche Konzentration stellt sich ein, wenn die Konzentration von l - 0,1 Mol/l beträgt? Neutrales Wasser: [Pb ] [l ]² = (ol/l)³ [l ] = [Pb ] 5 [Pb ] 4[Pb ]² = 4[Pb ]³ = 3 10 (ol/l)³ [Pb ] = ( ) 1/3 ol/l = 10 - ol/l 01- l - : 5 [Pb ] 10 (ol/l)² = 3 10 (ol/l)³ [Pb ] = ol/l Berechnen Sie aus den Konzentrationen des Pb die jeweilige Löslichkeit des Pbl in g/l! L = [Pb ] M(Pbl ) ; M(Pbl ) = 78 g/ol Neutrales Wasser: L(Pbl ) = g/l = 5564 g/l 01- l - : L(Pbl ) = g/l = 089 g/l d) Geben Sie in den Verbindungen LiAl 4,, K r 7 und K 4 Fe(N) 6 die xidationszahl der fett gedruckten Atoe an! LiAl 4 : : -1; : :-1; K r 7 : r: 6 und K 4 Fe(N) 6 : Fe: (4)

4 e) Geben Sie für die Gesatreaktion die Teilgleichungen für die xidations- und für die Reduktionsreaktion an! xidation: e - Reduktion: 4 e - - f) Geben Sie die Gleichungen der Redoxreaktionen an, die bei Entladen eines Bleiakkuulators ablaufen! Was geschieht bei Laden? Pb S - 4 PbS 4 e - Pb S e - PbS 4 6 Bei Laden: Ukehrung der Reaktionen durch Upolen g) Geben Sie die Reaktionen bei Entladen einer Lithiu-Ionen-Batterie an! Anode (-): Li x n n x Li x e - Kathode (): Li n-x Mn 4 x Li x e - Li n Mn 4

5 Aufgabe 3: a) Nennen Sie ein Verfahren zur erstellung von Wasserstoff und forulieren Sie die zugehörige Reaktionsgleichung! Elektrolyse von Wasser Abspaltung von aus Alkanen n n n n Wassergasreaktion Pyrolyse von Methan 4 erstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen Aus Erdgas ( 4 ) Steareforing 4 3 Partielle xidation 4 ½ Methanol / Ethanol ATR 3 ½ 5 Erdöl Steareforing n n n (n /) Partielle xidation n n/ n (/) Eine Methode genügt! b) Zeichnen Sie die Lewis- Forel von zon ( 3 ) und geben Sie die Reaktionsgleichungen für die Bildung von zon an! Bildungsreaktionen: ohe Teperatur; elektrentladung; UV (g) (g) R > 0 (g) (g) (g) R < 0 3 c) Was versteht an unter Los Angeles Sog, auch Soer-Sog genannt? Geben Sie die Gleichung der Reaktion an, nach der Los Angeles Sog entsteht! 3 -haltiger Sog Entsteht nach der Reaktionsgleichung Sonne, λ < 40 n N N d) Geben Sie die Gleichungen der Reaktionen an, die für die Entstehung des zonlochs unter Beteiligung von FKW (z B l 3 F) verantwortlich geacht werden!

6 UV, λ < 0 n l3 F lf l l 3 l l l e) Was versteht an unter Treibhauseffekt und aufgrund welcher Eigenschaft trägt Kohlendioxid ( ) dazu aßgeblich bei? absorbiert Infarotstrahlung, die dann nicht ehr von der Erde in das Weltall abgestrahlt wird, was zur Erwärung der Atosphäre führen kann (Treibhauseffekt) f) Nennen Sie zwei Rohstoffe, aus denen Eisen gewonnen wird! Magnetit (Fe 3 4 ), äatit (Fe 3 ), Lionit (Fe 3 ) in, Eisenspat (Fe 3 ), Pyrit (FeS ) davon sind ausreichend g) I ochofen wird durch die Boudouard-Reaktion freier Kohlenstoff gebildet, der sich i Eisen löst Forulieren Sie die Reaktionsgleichung der Boudouard-Reaktion! Welche nachteilige Auswirkung hat der gelöste Kohlenstoff auf die Eigenschaften von Roheisen? Roheisen wird spröde Nennen Sie ein Verfahren bei der erstellung von Stahl, durch das der Gehalt an Kohlenstoff herabgesetzt wird! Sauerstoff- Blasverfahren ( Windfrischen ) h) Welche Eigenschaft von Aluiniu wird bei der Verwendung dieses Metalls als Konstruktionswerkstoff ausgenutzt? Geringe Dichte, Passivität (eine davon genügt) i) Was versteht an unter Korrosion und was ist ein Lokaleleent? Korrosion: Zerstörung von Werkstoffen durch cheische Reaktionen Lokaleleent: Kurzgeschlossene galvanische Zelle j) Geben Sie zwei Methoden zu Korrosionsschutz an! Überzüge, pferelektroden, Eigenschutz = Passivierung, Fredstro Die Studenten haben unter den oa Stichworten die freie Auswahl; Nennung konkreter Verfahren wie Eaillieren, Lackieren, Galvanisieren, pferanoden aus Mg, Passivierung durch Zusatz von r, Al oder Si lassen wir ebenfalls gelten! k) Nennen Sie (außer Platin) einen weiteren Vertreter der Gruppe der Platinetalle! Worin besteht die technische Bedeutung der Platinetalle? Ru, Rh, Pd, s, Ir Pt- Metalle sind Katalysatoren

7 Aufgabe 4: a) Welche ybridisierung haben -Atoe in Einfach-, Doppel- und in Dreifachbindungen? Welche räuliche Anordnung der von eine zentralen - Ato ausgehenden Bindungen ergibt sich daraus? Einfachbindung: sp³, Winkel: 109 oder Tetraederwinkel, Doppelbindung: sp², Winkel: 10, Dreifachbindung: sp, Winkel: 180 (Skizzen, aus denen die Anordnung hervorgeht sind ebenfalls erlaubt) b) Nennen Sie 3 für Benzol charakteristische Strukturerkale und zeichnen Sie die Lewis- Foreln der esoeren Grenzstrukturen! regeläßiges Sechseck aus -Atoen; Bindungswinkel 10 ; alle Bindungen gleich lang; 6 delokalisierte π- M (3 davon sind ausreichend) Mesoere Grenzstrukturen: c) Geben Sie die Lewis- Forel der Verbindung 3,3-Diethyl-Pentanol an! d) Geben Sie die funktionellen Gruppen der Verbindungsklassen Alkohole, Alkine und Alkene an! Alkohole: Alkine: Alkene: R =- e) Erklären Sie anhand einer einfachen Skizze den Unterschied zwischen einer einfachen Destillation und einer Destillation it Fraktionierkolonne!

8 f) Nennen Sie eine wichtige Aufgabe von Schierstoffen! Verringerung der Reibung zwischen zwei gegeneinander bewegten Metalloberflächen; Bildung eines Schierfils (eine davon genügt) g) Nennen Sie einen festen Schierstoff und eine Anwendung fester Schierstoffe! Graphit, hexagonales α- Bornitrid, MoS Anwendung: Füllen von Rauhtiefen, Additive für Schieröle (1 Stoff und 1 Anwendung genügen) h) Was ist eine Radikalkettenreaktion? Erläutern Sie den Reaktionsechanisus anhand der Verbrennung von Wasserstoff! Kettenverzweigung: Kettenfortpflanzung: Kettenabbruch: i) Was versteht an unter eine Makroolekül und was versteht an unter Polyerisation? Makroolekül: aus vielen gleichen oder unterschiedlichen Atoen und Atogruppen bestehendes Molekül Polyerisation: heische Verknüpfung kleiner Moleküle (Monoere) zu eine Makroolekül (Polyer) durch Reaktion zwischen Mehrfachbindungen (eist Doppelbindungen) oder durch Aufspaltung ringföriger Atoverbände j) Geben Sie die Konstitutionsforeln der charakteristischen Gruppen von Polypropylen, Polyvinylchlorid und Polyacrylnitril an! Aus welchen Monoeren werden die genannten Polyere hergestellt? Polypropylen erstellung aus Propen: 3 n Polyvinylchlorid erstellung aus hlorethen (Vinylchlorid): l n Polyacrylnitril erstellung aus Acrylnitril N n

9 Aufgabe 5: a) Wodurch wird Motorklopfen ausgelöst und welche Kennzahl wird als Maß für die Klopffestigkeit von Benzin verwendet? Unkontrollierte Verbrennung des Kraftstoffs durch Selbstzündung; ktanzahl b) Welche Kennzahl wird als Maß für die Qualität von Dieseltreibstoff verwendet und was beschreibt sie? etanzahl, beschreibt die Zündwilligkeit des Kraftstoffs c) Was versteht an unter der Zündverzugszeit bei eine Verbrennungsprozess? Zeit zu Aufbau eines genügend großen Radikalpools (Zündung) d) Welche Schadstoffe entstehen, wenn ein Verbrennungsotor stöchioetrisch (λ 1) und welche Schadstoffe entstehen, wenn er ager (λ > 1) betrieben wird? Stöchioetrisch: Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (), N x, Mager: N x, Ruß e) Durch welches Verfahren der Abgasbehandlung wird der Ausstoß von Schadstoffen bei eine stöchioetrisch betriebenen Verbrennungsotor verindert? Geben Sie die wichtigsten Reaktionsgleichungen an! Dreiwegekatalysator N N 4n n N n 4 4n n N n 4n n 4 n 4n N 8 4n N 4 f) Skizzieren Sie scheatisch das Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden! Geben Sie die Gleichungen der Reaktionen an, die zur Minderung der Schadstoffe führen! (4) (N ) N 3 8 N 3 6 N 7 N 1 (N ) N 3 4 N 3 6 N 5 N 6 Antworten, die it N N (N x ) foruliert sind, sind ebenfalls richtig! g) Beschreiben Sie das Prinzip eines Speicherkatalysators zur Verringerung der N x -Eission! Magere Betriebsphase: N x wird an Ba 3 gebunden Fette Betriebsphase: N x wird desorbiert und an Pt zu N reduziert

10 h) Erklären Sie anhand einer scheatischen Skizze die Funktionsweise eines Russfilters! Aus welchen Werkstoffen werden die Filter gefertigt? Welche Problee treten auf? Zu erkennen sein sollen die einseitig geschlossenen Kanäle und der Gasfluss, als Problee werden die Stichworte Regenerierung und die hohe Teperatur erwartet i) Wie viel (in g/k) eittiert ein Benzinotor, der 5,65 l/100 k verbraucht? Verwenden Sie für die Rechnung einen aus 100 % etan ( 16 34, Dichte ρ = 0,8 g/c³) bestehenden Dieselkraftstoff! Punkteverteilung: V a Rechne ( ) u in ( ) : ( ) = V( ) ρ( ) n b Berechne ( ) : n( ) = ( M( ) )

11 n n c Reaktionsgleichung ergibt: ( ) = 16 ( ) d Berechne ( ): ( ) n = ( ) M( ) ( & ) V(1634 ) ρ( 8 100k M( ) 1000c³ g ) 16 = 0, M( ) l k = 18 = ,8 a bis d je 05 Punkte, zusaenfassen und Zahlenwert ausrechnen: 1 P Nur letzte Zeile, aber Forel und Zahlenwert richtig: Volle Punktzahl g k