Fragen zu Kapitel 4: Chemische Gleichung, Isomerie

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1 Fragen zu Kapitel 4: Chemische Gleichung, Isomerie 4.1 Folgende Ausgangsstoffe und Produkte chemischer Umsetzungen sind jeweils bekannt. Ergänzen Sie die Liste der jeweiligen Ausgangsstoffe und Produkte, falls notwendig, und schreiben Sie für jede dieser Reaktionen eine chemische Gleichung. Prüfen Sie jeweils, ob es sich um einen Redoxvorgang handelt. Schreiben Sie in diesem Fall zunächst die Redoxteilgleichungen getrennt auf. Schreiben Sie die Oxidationsstufen der Elemente in den verschiedenen Verbindungen jeweils mit an. Das einzige, was Sie brauchen, um diese Aufgabe zu lösen, ist Geduld und saubere Buchführung. Nummer Ausgangsstoffe Produkte 1 2 O, N 4 +, O S, SO 2 S, 2 O 3 NaSO 4 S 2 O 2-7, 4 Na 2 PO 4 Na 4 P 2 O 7, 5 Si(O) 4 SiO 2, 2 O 6, O 2 N 2, 2 O 7 Fe, 2 O, O 2 FeO(O), 8 Na, 2 O NaO, 9 Cu, NO 3 Cu 2+, NO 2, 10 Cu 2+, I - CuI, I 2 11 Zn, O -, 2 O (Zn(O) 4 ) 2-, 12 2 O 2, I - I 2, 2 O 13 2 O 2 2 O, O 2 14 MnO - 4, 2 O 2, + Mn 2+, O 2, 2 O 15 Co 2+, CN -, 2 O (Co(CN) 6 ) 3-, 2, O - 16 C 3 COO, C 3 O C 3 COOC 3, 17 C 2 4, 2 2 C-C 2 18 Al 2 O 3, O 2-2- AlO 3 19 NaNO 2, + NO +, 2 O, 20 PbS, O 2 PbO, SO 2 21 PbS, PbO PbO, SO 2 Schreiben Sie die Valenzstrich- und Strukturformeln der Verbindungen an! Die Verbindungen PbO, PbS (Nummern 20,21) sind Feststoffe und keine Moleküle, so dass es keinen Sinn macht, für diese Verbindungen Valenzstrich- und Strukturformeln für die monomeren Einheiten anzuschreiben. PbS kristallisiert in einer Struktur, die man wie folgt beschreiben kann: S: dichtest gepackte Schichten Stapelfolge ABC; Pb in allen Oktaederlücken. Wie heißt dieser Strukturtyp? SiO 2 ist ebenfalls ein Festkörper (Nummer 5). Jedes Silizium ist in diesem Festkörper an vier Sauerstoff-Funktionen gebunden. Jeder Sauerstoff verbrückt zwei Silizium-Zentren. Die 1

2 Struktur von SiO 2 kann mit der Struktur von elementarem Silizium in Beziehung gesetzt werden: In Si (s) ist jedes Silizium von vier anderen Siliziumzentren tetraedrisch umgeben. Die Silizium-Zentren bilden dabei als notwendig sich ergebendes Strukturmuster sechsgliedrige Ringe in Sesselform. Welcher AB-Struktur entspricht diese Anordnung? In SiO 2 besetzen die Silizium-Zentren die Plätze so, dass immer noch jedes Silizium von vier anderen Silicium-Zentren in zweiter Koordinationssphäre tetraedrisch umgeben ist, wobei in der ersten Koordinationssphäre zwischen jedem Paar von Silizium-Zentren ein Sauerstoffzentrum eine ücke aufbaut. Die Struktur von kristallinem Wasser, = Eis, kann ihrerseits in Beziehung zur SiO 2 -Struktur gesetzt werden. Welches der Atome von 2 O, O oder, besetzt die Plätze, die in ihrer relativen Lage der Lage der Silizium-Zentren in SiO2 entsprechen? Welche Atomart besetzt die ückenpositionen? Si(O) 4, ortho-kieselsäure, (Nummer 5), ist nur unter streng kontrollierten Bedingungen beständig. Wenn ausreichend + -Ionen zugegen sind, kondensiert es zu oligomeren und polymeren Aggregaten. FeO(O) ist ebenfalls ein Festkörper (Nummer 7). Es bildet sich beim Verrosten von Eisen. Es ist Rost. Als kristallines Material kommt es in verschiedenen Kristallisationsformen als Mineral vor (z.b. Goethit = FeO(O)). 4.2 Weißer Phosphor, P 4, reagiert mit KO in Wasser unter Redox-Disproportionierung zu P 3 und 3 PO 2. P 3 ist ein Analoges zu Ammoniak und hat pyramidale Struktur (Warum?). Die Verbindung 3 PO 2 nennt man unterphosphorige Säure. Sie enthält zwei Wasserstoff-Phosphor- Bindungen und eine Wasserstoff-Sauerstoff- Bindung. (Siehe Diagramm!). Schreiben Sie die Gleichung für den Gesamtvorgang an. (Tipp: Schreiben Sie zunächst die Redox-Teilgleichungen an. Ähnlich werden auch die Gleichungen 8-15 aus 4.1 wesentlich leichter aufzustellen, wenn Sie zunächst Teilgleichungen anschreiben. 4.3 Die monomeren Verbindungen der Formel R 2 Si 2 nennt man Dichlorsilane. Die Gruppen R sind, bei den technisch wichtigen Dichlorsilanen, jeweils organische Gruppen (z.b. Methyl = C 3, Phenyl = C 6 5, also der Rest, der sich von Benzol, C 6 6 dadurch ableitet, dass an einem der Kohlenstoffzentren ein Wasserstoff fehlt). Wenn man R 2 Si 2 mit Wasser umsetzt, entstehen hochpolymere Stoffe und. 2

3 Schreiben Sie einen Ausschnitt aus der Formel dieser hochpolymeren Stoffe an. (Jedes Silizium hat die Koordinationszahl 4 und je Silicium gibt es zwei Si-C- und zwei Si-O- Bindungen!). Die polymeren Stoffe nennt man Silikone. Sie haben vielfache technische Anwendung. 4.4 Aminosäuren, RC 2 C()(N 2 )COO, bilden durch Kondensation zwischen der COO- Funktion und der N 2 -Funktion Polymere, in denen die einzelnen Aminosäure-Bausteine durch C(O)N-Funktionen zu RC 2 C()(NR )CONC()C 2 R- Einheiten verknüpft sind. Diese Polymeren nennt man, wenn nur wenige Aminosäuren auf diese Weise zusammentreten, Peptide, wenn viele Aminosäuren im Polymer zusammengebunden sind, heißen sie Proteine. Was bedeutet R in der oben angegebenen Formel? Schreiben Sie die Gleichung der Kondensation von 2 Aminosäuren zu einem Dimeren. Warum können bei diesem Prozess Polymere gebildet werden? 4.5 Verbindungen RS haben die Eigenschaft, sehr leicht zu Verbindungen RS-SR oxidiert zu werden. In Proteinen, den Kondensationsprodukten von Aminosäuren RC 2 C()(N 2 )COO werden die S-Gruppen von Cystein häufig dazu benützt, nach Oxidation zu S-S-ücken, die Polymer-Stränge der Proteine wechselseitig zu fixieren und gegebenenfalls durch reduktive Spaltung der S-S-ücken wieder frei zu machen. Schreiben Sie die Gleichung für die oxidative Kupplung von zwei Cystein-Molekülen an. (Cystein: R = S!). 4.6 Wie reagieren zwei Methyl-Radikale miteinander. Warum bilden sie eine Bindung miteinander aus? 4.7 Radikale sind in der auptgruppenchemie bis auf wenige Ausnahmen nicht stabil. Sie reagieren, wenn sie nur ihresgleichen als Reaktionspartner haben, miteinander unter Bildung dimerer Moleküle. Wenn man SO 2 mit einem Elektron reduziert, bildet sich S 2 O Schreiben Sie die Redoxteilgleichung der Einelektronenreduktion von SO 2 an. Schreiben Sie die Gleichung für die Dimerisierung der Anion-Radikale SO 2 - an. Geben Sie die Struktur- und Valenzstrich-Formel der entstehenden Verbindung an (Tipp: S-S- Einfachbindungen sind stabiler als O-O-Einfachbindungen und die Struktur ist symmetrisch ). 3

4 4.8 In welcher Beziehung stehen die abgebildeten Molekülpaare jeweils zueinander? Sind sie identisch und nur verschieden gezeichnet? Sind sie Konformere? Sind sie Isomere? - - C C C C Co O Co O + + Cr Cr R' O S R R O S R' C 3 Pt Pt C 3 Wenn ja, welcher Art Isomere sind sie? Welche Moleküle sind chiral? Schreiben Sie eine Valenzstrichformel für R(R )SO und leiten Sie daraus den Bau der Verbindung ab! (Die Symbole R und R bedeuten verschiedene Reste R). 4.9 Um eine Maßlösung von KMnO 4 in 2 O herzustellen, die 0.1 Mol KMnO 4 pro Liter enthält, müssen wie viel g KMnO 4 im Liter Lösung enthalten sein? Wie stellt man eine solche Lösung her? ml einer 0.1 molaren Lösung von in 2 O werden solange mit Lösung versetzt, welche 0.5 Mol Silbernitrat in verdünnter Salpetersäure enthält, bis kein weiteres Silberchlorid mehr ausfällt. Die zugrundeliegende Reaktionsgleichung ist: Ag + (aq) + - (aq) Ag (s) Silberchlorid ist sehr schwer löslich und fällt quantitativ aus. Wie viel g Silberchlorid entstehen bei der Reaktion? 4.11 Erklären Sie die Aufspaltung der d-niveaus in einem tetraedrischen Komplex. Zeichnen Sie dazu das Tetraeder in einen Würfel ein. Legen sie den Ursprung eines rechtwinkligen Koordinatensystems in das Zentrum des Würfels und orientieren Sie es so, dass die Achsen des Koordinatensystems parallel zu den Würfelkanten verlaufen (Siehe Analyse der σ-wechselwirkung der p-orbitale mit den Liganden in einem Tetraeder!). 4

5 Zeichnen Sie die d-orbitale in das Achsensystem ein und prüfen Sie, welche der d-orbitale eine symmetriegeeignete Kombination mit den σ-geeigneten Orbitalen der Liganden eingehen können. Analysieren Sie unter Verwendung der bereits gezeichneten Bilder das System im Modell des Kristallfeld-Ansatzes (Sie brauchen nur die Ligandorbitale durch negative Punktladungen zu ersetzen!) Wie ändert sich das Energieniveauschema der d-orbitale, wenn man, vom Oktaeder ausgehend, zwei trans-ständige Liganden entfernt, so dass eine quadratisch planare Koordination des Metalls durch nur mehr vier Liganden erhalten wird? (Verwenden Sie den Kristallfeld-Ansatz um das sehr einfach ableiten zu können!) Wie ändert sich die Ionisierungsenergie in den Gruppen und in den Perioden des Periodensystems? 4.14 Welche Elektronenkonfiguration hat W(VI)? Bei der Spaltung von 92U entstehen im Durchschnitt etwa drei Neutronen je gespaltenem Urankern. Woher kommt die Energie, die bei der Spaltung freigesetzt wird? Nennen Sie zwei Elemente, von denen Sie annehmen, dass sie sich unter den Spaltprodukten befinden! B reagiert mit thermischen Neutronen sehr effektiv zu 6 C. Warum gehören wässrige Lösungen von Boraten zur Sicherheitsausrüstung eines Reaktors? 4.17 Warum kann ein ebenes Molekül nicht chiral sein? Was sind linkshändige und rechtshändige Koordinatensysteme? Ist das nebenstehend skizzierte aus ein chirales Objekt? 5