Kubisch dichteste Kugelpackung, hexagonal dichteste Kugelpackung, kubisch raumzentriert 12 nächste Nachbarn 12 nächste Nachbarn 8 nächste Nachbarn

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1 E Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure Die Klausur besteht aus 16 Fragen, die Bearbeitungszeit beträgt 120 Minuten. Es können 80 Punkte erreicht werden, für die Note 4.0 sind 32 Punkte erforderlich. Bis zu vier Punkte aus den Übungen werden angerechnet. Zur Beantwortung der Fragen genügen Formeln, Zeichnungen, Reaktionsgleichungen oder stichpunktartige Angaben. Ein Punkt wird gewährt, wenn Ihre Antworten knapp formuliert und in der numerischen Reihenfolge der Fragen angeordnet sind. Hilfsmittel: Taschenrechner ohne Textspeicher, Periodensystem der Elemente ohne handschriftliche Ergänzungen. Hinweis: Mit Ihrer Teilnahme an der Klausur versichern Sie zugleich, dass Sie prüfungsfähig sind. Im Falle einer plötzlich während der Prüfung auftretenden Erkrankung sind Sie verpflichtet, das Aufsichtspersonal umgehend zu informieren. Der Rücktritt von der Prüfung muss anschließend beim zuständigen Prüfungsausschuss beantragt werden und ein ärztliches Attest ausgestellt am Prüfungstag ist unverzüglich nachzureichen. Wird die Prüfung hingegen in Kenntnis einer gesundheitlichen Beeinträchtigung regulär beendet, kann im Nachhinein kein Prüfungsrücktritt aufgrund von Krankheit beantragt werden U... Note 1) (4 Punkte) Schreiben Sie ein beziffertes Elementsymbol für ein chemisches Element, dessen natürliche Vorkommen nur Atomkerne aus 209 Nukleonen enthalten, darunter 126 Neutronen. Geben Sie ein beziffertes Elementsymbol an für einen anderen Atomkern mit 126 Neutronen. Wie nennt man chemische Elemente, die aus unterschiedlich schweren Atomkernen bestehen? Bi 82Pb Mischelemente 2) (1) Die Rydbergkonstante beträgt J. Welche Veränderung bewirkt dieser Energiebetrag, wenn er von einem Wasserstoffatom aufgenommen wird? Das Atom wird ionisiert. 3) (6) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der metallischen Bindung (1). Zeichnen Sie die räumliche Anordnung der Atome in den drei häufigsten Metallgittern und geben Sie die Anzahl der nächsten Nachbarn jedes Atoms an (4). Begründen Sie die elektrische Leitfähigkeit und die Verformbarkeit der Metalle (1). Metallkationen im Elektronengas Kubisch dichteste Kugelpackung, hexagonal dichteste Kugelpackung, kubisch raumzentriert 12 nächste Nachbarn 12 nächste Nachbarn 8 nächste Nachbarn Bewegliche Elektronen leiten den Strom. Bei Verschiebung der Atomlagen gegeneinander bleibt die metallische Bindung erhalten, denn die Elektronen folgen der Bewegung der Atome.

2 4) (4) Erstellen Sie eine Skizze zur Ausbildung von und Bindungen aus patomorbitalen. Welche der beiden unterschiedlichen Wechselwirkungen ist stärker? Geben Sie eine Valenzstrichformel für ein Molekül an, in dem solche und Bindungen vorkommen. Die Bindung ist stärker 5) (4) Zeichnen Sie ein Siedediagramm für eine Mischung zweier Flüssigkeiten und beschriften Sie Achsen, Kurven und Flächen (3). Tragen Sie den Verlauf einer Destillation in einer Destillationskolonne mit zwei Böden in das Diagramm ein. Starten Sie mit einer Mischung, die 80% der höher siedenden Komponente enthält (1). Die mit a 2 bezeichnete Zusammensetzung soll 80% der höher siedenden Komponente A entsprechen. Beim Erwärmen gelangt die Mischung auf den Punkt der Siedekurve bei der Temperatur T 2. Die Waagerechte durch T 2 schneidet auch die Taukurve. Die Zusammensetzung a 3 entspricht dem Kondensat. Erneutes Verdampfen auf dem zweiten Boden führt zu einem Dampf der Zusammensetzung a 4. 6) (2) Ammoniumhydrogencarbonat entsteht aus je einem Molekül Kohlendioxid, Wasser und Ammoniak und ist im Supermarkt unter dem Namen Hirschhornsalz als Backtriebmittel für Kleingebäck erhältlich. Beim Erhitzen zerfällt es in die genannten Ausgangsverbindungen. Berechnen Sie den Druck, der bei der Zersetzung von 10 g Ammoniumhydrogencarbonat in einem luftleeren Behälter von 500 ml Inhalt bei einer Temperatur von 300 C aufgebaut wird. (R = J/mol K). H 2 O + NH 3 + CO 2 NH 4 HCO 3 (Die Gleichung wurde nicht verlangt und steht hier nur der besseren Übersicht halber). Die Molmasse zur Summenformel CH 5 NO 3 ist 79 g/mol, 10 g entsprechen 10/79 mol = mol. Wichtig: Ein Mol Salz ergibt drei Mol Gas. Die Stoffmenge der Gase beträgt daher 0.38 mol. p = / Pa = Pa, das entspricht bar. 7) (9) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetzt für die Dissoziation von Essigsäure. Die Gleichgewichtskonstante beträgt mol/l (4). b) 1 g Calciumcarbonat wird in 30 g Essig (5% Essigsäure) gelöst. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und berechnen Sie den phwert der Lösung. (3). (Die Salze der Essigsäure sind wasserlöslich). c) Wie viel Calciumcarbonat wird benötigt, um 30 g Essigsäure (5%) auf ph = 4.75 einzustellen? (2) HAc + H 2 O H 3 O + + Ac (alternativ kann auch die Formel CH 3 COOH eingesetzt werden.) K S = c(h 3 O + ) c(ac ) / c(hac) Molmasse Essigsäure: 60 g/mol. Stoffmenge Essigsäure: 5% von 30 g = 1.5 g, das sind 25 mmol. M(CaCO 3 ) = g entspricht daher 0.01 mol oder 10 mmol Calciumcarbonat. Wichtig: Ein Mol Calciumcarbonat bindet 2 mol Essigsäure.

3 10 mmol CaCO 3 führen 20 mmol Essigsäure in AcetatAnionen über (und lassen nur 5 mmol Essigsäure übrig): CaCO CH 3 COOH Ca CH 3 COO + H 2 O + CO 2 ph = pk S + log c(base)/c(säure) = pk S + log 20/5 = 5.35 Für ph = 4.75 müssen Säure und Base in gleicher Konzentration vorliegen. Von 25 mmol Essigsäure müssen daher 12.5 mmol mit Calciumcarbonat reagieren. Dafür benötigen wir 6.25 mmol Calciumcarbonat, das sind 625 mg. 8) (2) Wie viel Silberiodid (K L (mol/l) 2 ) löst sich in einem Liter Natriumiodidlösung (0.2 mol/l)? Geben Sie die Stoffmenge in Millimol und in Milligramm an. K L = c(ag + ) c(i ) = (mol/l) 2 ; für die IodidIonenkonzentration ist ein Wert von 0.2 mol/l angegeben. Daraus ergibt sich c(ag + ) = (mol/l) 2 / 0.2 mol/l = mol/l. Die in einem Liter Lösung gelöste Stoffmenge an Silberiodid beträgt mol, also mg. 9) (5) Geben Sie für Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Nitrat und Sulfat Valenzstrichformeln an (3). Stickstoffdioxid steht im chemischen Gleichgewicht mit seinem Dimer, dem Distickstofftetroxid: 2 NO 2 N 2 O 4 Die Dimerisierung ist exotherm. Geben Sie an, ob bei Erhöhung von Druck oder Temperatur mehr NO 2 oder mehr N 2 O 4 gebildet wird (2). Druck erhöht: Mehr N 2 O 4 Temperatur erhöht: Mehr NO 2 10) (9) a) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Schwefelmineralien mit Namen und Formel (2). b) Nennen Sie zwei Modifikationen des Schwefels und beschreiben Sie den Unterschied zwischen beiden auf der Teilchenebene (2). c) Begründen Sie den Unterschied zwischen dem natürlichen (110.2 C) und dem idealen Schmelzpunkt (112.8 C) des bei Raumtemperatur stabilen Schwefels (1). d) Geben Sie für Reaktionen des elementaren Schwefels mit zwei verschiedenen chemischen Elementen je eine Reaktionsgleichung an. Eine soll einen Oxidationsprozess, die zweite eine Reduktion des Schwefels beschreiben. Ordnen Sie den Schwefelverbindungen Oxidationszahlen zu (4). Schwefelmineralien: Viele Metallsulfide, auch Sulfate, jedoch keine Gase wie SO 2 oder H 2 S Modifikationen: orthorhombischer Schwefel ( Schwefel), monokliner Schwefel (βschwefel) und andere. Unterschied zwischen und β: Andere Packung der S 8 Ringe im Gitter. 11) (5) a) Geben Sie Namen und Formel für ein Mineral des Aluminiums an (1). b) Berechnen Sie die Menge dieses Minerals, die für die Herstellung von 1000 kg Aluminium theoretisch benötigt wird (1). c) Beschreiben Sie die industrielle Herstellung von Aluminium anhand einer Reaktionsgleichung (2). d) Geben Sie eine Formel und einen Mineralnamen für die als Lösungsmittel verwendete Schmelze an, in der die Reaktion bei ca. 950 C abläuft (1). Mineral: Korund, Rubin, Saphir, Al 2 O 3 M = 102 g/mol, AlGehalt ca. 52.9%, für 1000 kg Al werden daher 1000 kg/0.529 = kg Al 2 O 3 benötigt. Herstellung: Al e Al, es darf auch komplizierter formuliert werden, solange es richtig ist. Mineralisches Lösungsmittel: Kryolith, Al 2 O 3 12) (7) Skizzieren Sie Formeln in Kurzschreibweise für folgende Substanzen: 3Methylheptan, 3 Cyclopenten1on, Butenin, 2,3Dihydroxybutandisäure, 3Nitrophenol, Anilin, Toluol, 2Brom

4 naphthalin, 4Methylpyridin, Benzylchlorid. Markieren Sie drei Chiralitätszentren und kennzeichnen Sie die Konfiguration jeweils passend zu Ihrer Zeichnung mit den Deskriptoren R oder S. 13) (8) Skizzieren Sie den Reaktionsmechanismus für die Herstellung von Ethylbenzol durch elektrophile Aromatensubstitution (6). Bei der Reaktion kann auch Diethylbenzol als Nebenprodukt entstehen. Bezeichnen Sie drei DiethylbenzolIsomere mit den passenden Vorsilben und mit Ziffern. Kennzeichnen Sie bevorzugt gebildete Isomere mit (+), die anderen mit () (2). (R = C 2 H 5 ) Komplex RCl, AlCl 3 R + AlCl 3 HCl H R + R + R + H Komplex Komplex 1,2Diethylbenzol 1,3 1,4 ortho meta para ) (5) Formulieren Sie Reaktionsgleichungen für die Bildung eines Polyesters aus zwei verschiedenen Ausgangsverbindungen. Zeigen Sie, wie man einen räumlich vernetzten Polyester herstellen könnte. Geben Sie in Stichworten an, wie sich die Materialeigenschaften durch die Vernetzung verändern. O OH x C C + x HO OH HO O O C O O C O + 2x H 2 O x Räumliche Vernetzung durch Zugabe von Tricarbonsäure oder von einem Triol (z. B. Glycerin). Aus dem thermoplastischen Polymer wird bei Vernetzung ein Elastomer oder ein Duroplast. Der Thermoplast ist schmelzbar, das Elastomer gummielastisch, der Duroplast hart und nicht unzersetzt schmelzbar. 15) (5) Beschreiben Sie in Stichworten die Primärstruktur (1) und die Sekundärstruktur (1) von Proteinen. Nennen Sie die Faktoren, die diese Strukturierung steuern (3). Primärstruktur: Aminosäuresequenz Sekundärstruktur: Helix oder Faltblatt, Schleifen und Haarnadelkehren. Die Aminosäuresequenz legt bereits fest, welche Abfolge von Wasserstoffbrücken und Disulfidbrücken die günstigste Anordnung ergibt. 16) (4) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Oxidation von Schwefelwasserstoff mit Kaliumpermanganat zu Schwefelsäure in einer sauren Lösung. Eine saure Lösung mit einer Anfangskonzentration von Kaliumpermanganat c(kmno 4 ) = 0.2 mol/l reagiert mit Schwefelwasserstoff. Die Menge des Schwefelwasserstoffs reicht aus, um die Hälfte des Permanganats zu reduzieren. Berechnen Sie das Redoxpotenzial nach dieser Reaktion für ph = 2. Das StandardReduktionspotenzial E für Kaliumpermanganat beträgt V. Oxidation von Schwefelwasserstoff: H 2 S + 4 H 2 O SO H e 5

5 Reduktion von Kaliumpermanganat: MnO H e Mn H 2 O 8 Gesamtreaktion: 5 H 2 S + 20 H 2 O + 8 KMnO H + 5 SO H K Mn H 2 O ( 20 H 2 O, 50 H + ) 5 H 2 S + 8 KMnO H + 5 SO K Mn H 2 O E = 1.58 V + log c(ox)/ c(red) = 1.58 V + log c(mno 4 ) c(h + ) 8 / c(mn 2+ ) Einsetzen: c(mno 4 ) = 0.1 mol/l, c(mn 2+ ) = 0.1 mol/l, c(h + ) = 10 2 mol/l; E = 1.58 V + log 0.1 (10 2 ) 8 / 0.1 = 1.39 V