3. Übung Grundlagen der Hauptgruppenchemie

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1 Allgemeine und Anorganische Chemie 3. Übung Grundlagen der Hauptgruppenchemie Aufgabe 1: Beschreiben Sie die Herstellung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren mit Hilfe von chemischen Gleichungen und stichwortartigen Erläuterungen hierzu. Herstellung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren (3 Schritte): SO 2 wird mit Luftsauerstoff zu SO 3 oxidiert: SO 2 + ½O 2 SO 3 ΔH = -99 kj/mol mit zunehmender Temperatur: GG verschiebt sich in Richtung SO 2 (exotherme Rkt.) bei RT reagieren SO 2 und O 2 praktisch nicht miteinander Verwendung von Katalysatoren V 2 O 5 auf SiO 2 als Trägermaterial und arbeitet bei C Sauerstoffübertragung durch Katalysator: V 2 O 5 + SO 2 V 2 O 4 + SO 3 V 2 O 4 + ½ O 2 V 2 O 5 SO 3 löst sich besser in H 2 SO 4 als in Wasser Bildung von Dischwefelsäure Umsetzung mit Wasser zu H 2 SO 4 : SO 3 + H 2 SO 4 H 2 S 2 O 7 H 2 S 2 O 7 + H 2 O 2 H 2 SO 4

2 Aufgabe 2: Vervollständigen und gleichen Sie die folgenden Gleichungen aus: a) Mg 3 N H 2 O 3 Mg(OH) NH 3 b) 2 NO + O 2 2 NO 2 c) N 2 O 5 + H 2 O 2 H NO 3 d) NH 3 + H + + NH 4 e) N 2 H 4 + O 2 N H 2 O Aufgabe 3: Formulieren Sie jeweils die chemische Gleichung zu folgenden Fragen: In welche Verbindungen zerfällt Salpetersäure, wenn sie erhitzt wird bzw. salpetrige Säure schon bei Raumtemperatur? HNO 3 : 4 HNO 3 4 NO H 2 O + O 2 HNO 2 : 3 HNO 2 HNO NO + H 2 O (Disproportionierung) Aufgabe 4: Welche Erklärung haben Sie, dass Abfälle von Salpetersäure und Salzsäure nicht zusammen im Säurekanister entsorgt werden dürfen? Bildung von Königswasser, was sehr reaktiv ist: HNO HCl NOCl + 2 Cl + 2 H 2 O (HNO 3 als Oxidationsmittel) löst wegen aktivem Cl auch Au und Pt. Nur Nb, Ta und W werden nicht gelöst. Aufgabe 5: Erklären Sie folgende Beobachtungen: a) Phosphor existiert bei Zimmertemperatur nicht in Form von diatomaren Molekülen, Stickstoff hingegen schon. Da die Phosphoratome im Vergleich zu den Stickstoffatomen größer sind, kann sich zwischen zwei Phosphoratomen keine stabile p π -p π -Bindung ausbilden. b) Weißer Phosphor ist extrem reaktiv. Aufgrund der starken verengten Bindungswinkel (Spannung) im P 4 -Molekül ist weißer Phosphor hochgradig reaktiv.

3 Aufgabe 6: Warum existieren N 2 und O 2 in der Luft nebeneinander und reagieren nicht zu Stickstoffmonoxid NO? Das Gleichgewicht liegt von N 2 + O 2 zu NO liegt bei Raumtemperatur völlig auf der linken Seite. Aufgabe 7: Erklären Sie, warum der Siedepunkt von NH 3 hoch im Vergleich zu den Siedepunkten von PH 3, AsH 3 und SbH 3 ist? Im NH 3 sind sind relativ starke Wasserstoff-Brücken vorhanden. Bei PH 3, AsH 3 und SbH 3 sind die Wasserstoff-Brücken wesentlich schwächer, da die Bindungen weniger polar und die einsamen Elektronenpaare ausgedehnter sind. Aufgabe 8: a) Was versteht man unter dem Begriff isoelektronisch? Als isoelektronisch bezeichnet man zwei Atome, Ionen, Moleküle oder Formeleinheiten, wenn sie identische Elektronenzahl, Elektronenkonfiguration und Atomanzahl besitzen, obwohl sie aus unterschiedlichen Elementen bestehen. Bei Verbindungen ergibt sich daraus auch eine übereinstimmende Bindungsgeometrie. b) Geben Sie Verbindungen an, die isoelektronisch sind zu: Bitte Lewis-Strukturen hinzeichnen. NO + -Ion ist isoelektronisch zu CO, CN - und N 2 NO 2 + -Ion ist isoelektronisch zu CO 2 NO Ion ist isoelektronisch zu O 3 (Ozon) Aufgabe 9: Formulieren Sie die Gleichungen für die Reaktion von Wasser mit: PCl H 2 O H 3 PO HCl PCl 5 + H 2 O POCl HCl P 4 O H 2 O 4 H 3 PO 4 Ca 3 P H 2 O 3 Ca(OH) PH 3

4 Aufgabe 10: Beschreiben Sie kurz die technische Herstellung von Salpetersäure nach dem Ostwald-Verfahren mit chemischen Gleichungen. Das Verfahren läuft in drei Teilschritten ab. Ein Ausgangsstoff ist mittels Haber-Bosch- Verfahren erzeugtes Ammoniakgas. Weitere Ausgangsstoffe sind Luft und Wasser. Schritt 1: Heterogen katalysierte Verbrennung von Ammoniakgas Im ersten Schritt wird Ammoniak (NH 3 ) mit Sauerstoff (O 2 ) gemischt und in Gegenwart eines Platin-Rhodium-Katalysators bei 800 C bis 900 C zu Wasser (H 2 O) und Stickstoffmonoxid (NO) umgesetzt (Bei neueren Anlagen wird ein spezielles Rückgewinnungsnetz eingesetzt, um das teure Platin zurückzugewinnen). Das Gasgemisch darf den Katalysator nur ganz kurz nur etwa eine tausendstel Sekunde berühren, da ansonsten das Stickstoffmonoxid wieder in die Elemente zerfällt: 4 NH O 2 4 NO + 6 H 2 O H = -906,11 kj/mol Eine unerwünschte Nebenreaktion, die auch ohne Katalysator abläuft, ist die Oxidation des Ammoniaks zu elementarem Stickstoff unter Bildung von Wasser: 4 NH O 2 2 N H 2 O Eine weitere unerwünschte Nebenreaktion ist die Bildung von Lachgas: 4 NH O 2 2 N 2 O + 6 H 2 O Die Nebenreaktionen werden nach dem Prinzip von Le Chatelier durch eine möglichst hohe Netztemperatur und niedrigen Druck zurückgedrängt. Schritt 2: Erzeugung von Stickstoffdioxid In Schritt 2 senkt man die Temperatur des Stickstoffmonoxids (NO) auf unter 50 C und mischt es mit Luft. Es läuft eine weitere Oxidation mit Sauerstoff (O 2 ) zu Stickstoffdioxid (NO 2 ) ab, welches anschließend zu Distickstofftetraoxid dimerisiert: 2 NO + O 2 2 NO 2 H = -114,22 kj/mol 2 NO 2 N 2 O 4 H = -57,23 kj/mol Schritt 3: Reaktion in der Oxidations- und Absorptionskolonne Die Stickoxide werden im dritten Schritt in Rieseltürmen mit Wasser zu Salpetersäure (HNO 3 ) umgesetzt: 2 N 2 O 4 + O 2 + H 2 O 4 HNO 3 Als Zwischenprodukte entstehen hierbei Stickstoffmonoxid (NO) und die Salpetrige Säure (HNO 2 ), denn die Reaktion verläuft über folgende Zwischenschritte:

5 N 2 O 4 + H 2 O HNO 3 + HNO 2 3 HNO 2 HNO NO + H 2 O 2 NO + O 2 2 NO 2 (wie Schritt 2!)