Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure

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1 Note Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure am Die Klausur besteht aus 1 Fragen, die Bearbeitungszeit beträgt 120 Minuten Es können 80 Punkte erreicht werden, für die Note 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 Die Fragen 11 1 sind für die Studiengänge Maschinenbau Diplom oder Maschinenbau Bachelor nicht relevant Diese Studierenden malen den Kreis rechts oben auf diesem Blatt blau an, bearbeiten nur die Aufgaben 1 10 und erreichen maximal 60 Punkte (Dies gilt nicht für MB Lehramt und nicht für alle Studiengänge mit Bio-Komponente) Die Bearbeitungszeit beträgt daher nur 90 Minuten Markieren Sie bitte auch die erste Seite des Antwortbogens mit einem blauen Kreis 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 Name; Matr Nr Namen und Matrikelnummer sollen auch auf den Klausurbögen eingetragen werden U E 1) (5 Punkte) Kreuzen Sie an: falsch richtig Ein Paar von Isotopen kann auch ein Isobarenpaar sein Beim Rutherford-Versuch kollidieren -Teilchen mit Atomkernen Die Nebenquantenzahl l beschreibt die Form eines Atomorbitals Durch Überlappung zweier Atomorbitale entsteht ein Molekülorbital (es entstehen zwei M) Das höchste antibindende M im 2-Molekül ist unbesetzt 2) (6) a) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der ionischen Bindung (1) Elektrostatische Anziehung zwischen positiv und negativ geladenen Ionen b) Zeichnen Sie die Elementarzelle des Zinkblende-Gitters und geben Sie Koordinationszahl und geometrie für beide Bindungspartner an (3) Beide Bindungspartner sind tetraedrisch von je vier Gegenionen umgeben C N = für beide, Koordinationsgeometrie tetraedrisch für beide c) Begründen Sie die Sprödigkeit und die Isolatoreigenschaft der meisten Salzkristalle (1) Beim Verschieben einer Gitterebene gelangen leicht Kationen über Kationen und Anionen über Anionen Wegen der elektrostatischen Abstoßung von Ladungen mit gleichem Vorzeichen zerbricht der Kristall in diesem Fall d) rdnen Sie die drei folgenden ionischen Verbindungen nach ihrer Härte (1) Vergeben Sie die Ziffern 1 3 für zunehmende Härte: Rb (1), Al 2 3 (3), Ca (2) 3) () Kreuzen Sie an (nur bei einer Frage ist mehr als eine Antwort richtig) Für vier richtige Entscheidungen wird je ein Punkt erteilt, drei Richtige erbringen je einen halben Punkt a) Die Temperatur, bei der sich bei Abkühlung feuchter Luft Wassertröpfchen bilden (der so genannte Taupunkt), hängt ab vom Luftdruck Partialdruck Dampfdruck Quelldruck

2 b) Eine für unser Auge klare Flüssigkeit, die den Verlauf eines Lichtstrahls durch Lichtstreuung sichtbar macht, nennt man Emulsion Suspension Kolloid Dispersion c) Viele ionische Verbindungen lösen sich in Speiseöl flüssigem Argon Wasser flüssigem Ammoniak d) Löst man ein Mol Natriumsulfat in einem Liter Wasser von C und erwärmt die Lösung auf 50 C, so hat die Molarität der Molenbruch die Molalität der Prozentgehalt der Lösung den Zahlenwert 100 in der hierfür vorgesehenen Einheit ) () Gibt man Silberiodid in Wasser und rührt so lange, bis sich das Löslichkeitsgleichgewicht zwischen der Flüssigkeit und dem schwerlöslichen Feststoff eingestellt hat, findet man in der Lösung eine Konzentration an gelöstem Silberiodid von g/l Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Einstellung des Lösungsgleichgewichts (1) sowie das Massenwirkungsgesetz für diese Gleichgewichtsreaktion (1) und berechnen Sie aus dem angegebenen Zahlenwert das Löslichkeitsprodukt von Silberiodid (2) AgI Ag + + I - KL(AgI) = c(ag + ) c(i - ) (Reaktionsgleichung für das Lösungsgleichgewicht) (Definition des Löslichkeitsprodukts des Silberiodids) Berechnen Sie zuerst die Molmasse und die Silberiodid-Konzentration: = 23 g/mol; g/l / 23 g/mol = mol/l KL(AgI) = c(ag + ) c(i - ); es gilt: c(ag + ) = c(i - ) = mol/l In die Gleichung für das Löslichkeitsprodukt setzen wir diesen Wert für beide Ionensorten ein: KL(AgI) = ( mol/l) 2 = (mol/l) 2 Das Löslichkeitsprodukt von Silberiodid beträgt (mol/l) 2 5) (8) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz für die Dissoziation von Essigsäure (2) Die Säuredissoziationskonstante K S für Essigsäure beträgt mol/l HAc H + + Ac - ; oder: CH3CH H + + CH3C - ; pks = -log ( ) = 5 b) g Calciumcarbonat (CaC 3) werden in 00 ml verdünnter Essigsäure (3003 g/l CH 3CH) gelöst Formulieren Sie die Reaktionsgleichung (2) und berechnen Sie den ph der Lösung (3) Gehen Sie davon aus, dass das im Carbonat enthaltene Kohlendioxid vollständig entweicht CaC3 + 2 CH3CH Ca(CH3C)2 + C2 + H2 Ein Mol Calciumcarbonat wandelt zwei Mol Essigsäure (Säure) in Acetat-Anionen (korrespondierende Base) um Stoffmenge CaC3: Zuerst Molmasse ausrechnen ( ) g/mol = g/mol; n = 20018/10009 = 020 mol Stoffmenge CH3CH: Zuerst Molmasse ausrechnen ( ) g/mol = 6006 g/mol; n = (3003 g/l 0 L) : 6006 g/mol = 020 mol Die gegebene Menge Essigsäure kann nach der ausdrücklich verlangten Reaktionsgleichung nur die Hälfte des Calciumcarbonats auflösen Der Rest bleibt ungelöst zurück und beeinflusst den ph der Lösung nicht Diese enthält 02 mol Acetat-Anionen in einem Volumen von 0 Liter Die Konzentration der Base Acetat beträgt also 05 mol/l Um den ph zu berechnen, brauchen wir den pkb-wert des Acetats Dieser ergibt sich aus dem pks-wert der korrespondierenden Säure nach der Gleichung: pkb = 1 pks = 1 5 = 825 Aus diesem Wert ergibt sich der ph der Lösung nach folgender Gleichung: ph = ½[ pkb log c(base)] = ½[825 - (-030)] = 25 Umrechnen in den gesuchten ph mittels ph = 1 ph ergibt den ph 925 c) Bezeichnen Sie den Punkt der Titrationskurve, der durch die Zugabe der Base Calciumcarbonat zur Essigsäure erreicht wurde und beschreiben Sie die Empfindlichkeit des ph der Lösung b) gegen Zugabe kleiner Mengen an Salzsäure oder Natronlauge (hoch, niedrig) (1)

3 Die Lösung ist am Äquivalenzpunkt Sie ist sehr empfindlich gegen Zugabe von Base Gegen Säurezugabe ist die vorliegende Mischung nicht empfindlich, weil überschüssiges Calciumcarbonat die Säure neutralisiert Entfernt man das Calciumcarbonat durch Filtration, ist die Lösung auch gegen Säurezugabe sehr empfindlich 6) () Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Aluminiummineralien mit Namen und Formel (2) Beschreiben Sie die technische Herstellung von Aluminium anhand von zwei Reaktionsgleichungen () und begründen Sie stichwortartig die Korrosionsbeständigkeit des unedlen Metalls (1) KAlSi38 Feldspat, rthoklas NaAlSi38 Feldspat, Albit CaAl2Si28 Feldspat, Anorthit KAl3Si310(H,F)2 Glimmer, Muskovit CaAlSi210(H)2 Glimmer, Margarit Al23 Korund Al23 mit Spuren von Cr23 Rubin Al23 mit Spuren von V25 oder Ti2 Saphir Aluminiumhydroxid-Mineralien Bauxit γ-al(h) Böhmit α-al(h) Diaspor γ-al(h)3 Hydrargillit Kathodenreaktion: Al e - Al Anodenreaktion: 2- + C C + 2 e - Aluminium wird durch eine dichte, harte und fest haftende xidschicht vor Korrosion geschützt ) () Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung zur Herstellung von Siliciumcarbid (SiC) (2) Nennen Sie eine technische Anwendung (1) Si C SiC + 2 C Anwendung: Siliciumcarbid-Keramik, Siliciumcarbidpulver zum Schleifen, auch in Form von größeren Kristallen als Schmuck Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für eine in der Technik übliche reduzierende Chlorierung (2) und eine Gleichung für eine Folgereaktion, bei der das so hergestellte Chlorid zum Element reduziert wird (2) Zr C Zr + 2 C Zr + 2 Mg Zr + 2 Mg 2 8) (3) Geben Sie für Kohlendioxid, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid und für das C Anion des Calciumcarbids (je 05 Punkte) und für das Schichtsilicat mit der Wiederholungseinheit [Si 2 5] 2- (1 Punkt) Valenzstrichformeln an 9) (9) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die exotherme Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff (2) Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion N H 2 2 NH 3 b) Geben Sie an, wie sich die Gleichgewichtslage ändert, wenn Temperatur oder Druck erhöht werden (2) Druck erhöhen: mehr Ammoniak Temperatur erhöhen: mehr Stickstoff und Wasserstoff

4 c) Berechnen Sie, wie viele Kubikmeter Erdgas (gehen Sie von reinem Methan bei 20 C und Pa aus) nach der Gesamtgleichung CH +2 H 2 C 2 + H 2 für die Gewinnung von Wasserstoff jährlich verbraucht werden, wenn pro Jahr 160 Millionen Tonnen Ammoniak benötigt werden (3) Molmasse von Ammoniak: ( ) g/mol = 10 g/mol Stoffmenge Ammoniak: 160 Mio Tonnen / 10 g/mol = mol Ammoniak Verhältnis Methanverbrauch zu Ammoniakproduktion: 3 CH ergeben mit Wasser 12 H2, das reicht für die Herstellung von 8 NH3 Der Methanverbrauch ergibt sich demnach aus der Stoffmenge des Ammoniaks durch Multiplikation mit dem Faktor 3/8: mol 3/8 = mol In Kubikmetern ergibt sich diese Menge durch Einsetzen in das Gesetz für ideale Gase: V = nrt / p = ( mol 8315 [J/(mol K)] K) / Pa = m 3 Nennen Sie zwei Anwendungen für Ammoniak (2) Herstellung von Düngemitteln, Sprengstoffen, Salpetersäure 10) () a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die xidation von Silan (SiH ) mit Kaliumpermanganat (KMn ) zu Kieselsäure (H Si ) in einer sauren Lösung (zwei Teilgleichungen aufstellen, zusammenfügen, Punkte) b) Ein Liter einer wässrigen Lösung enthält 0 mol Permanganat-Ionen Berechnen Sie das Reduktionspotenzial dieser Lösung bei ph 2 nach Einwirkung von 25 mmol Schwefelwasserstoff (H 2S), welcher zu Schwefelsäure (H 2S ) oxidiert wird (3 Punkte) (Tipp: Sie brauchen keine Reaktionsgleichung, wenn Sie sich anhand der xidationsstufen überlegen, wie viele Elektronen ein Molekül Schwefelwasserstoff abgibt, wenn es zu Schwefelsäure oxidiert wird) Zahlenangabe: Das Standard-Reduktionspotenzial E für Kaliumpermanganat in saurer Lösung beträgt +158 V a) SiH + H2 Si(H) + 8 H e - KMn + 8 H e - Mn 2+ + H2 + K + (K + kann auch auf beiden Seiten der Gleichung entfallen) 5 SiH + 8 KMn + 2 H + 5 Si(H) + 8 Mn H2 + 8 K + b) Die Nernst sche Gleichung war gegeben Das Problem besteht in der Angabe von c(x) und c(red) Es muss sich um ein korrespondierendes Redoxpaar handeln, nämlich um die oxidierte und die reduzierte Form des Permanganat/Mn 2+ - Redoxsystems Die oxidierte Form (Permanganat) wird vorgelegt, der Term für c(x) lautet: c(x) = c(mn - ) c 8 (H + ) oder c(x) = c(kmn) c 8 (H + ) Für c(red) setzen wir c(mn 2+ ) ein Das ist der formale Teil der Problemlösung Von den drei Konzentrationen c(mn - ), c(h + ) (geht mit der Hochzahl Acht ein!) und c(mn 2+ ) können wir c(h + ) am ph ablesen ph = 2 bedeutet c(h + ) = 10-2 mol/l Von den 0 mol Permanganat-Ionen in dem einen Liter Lösung werden 00 mol durch die Zugabe von 0025 mol Schwefelwasserstoff reduziert, weil 0025 mol H2S die achtfache Stoffmenge an Elektronen, nämlich 200 mmol Elektronen abgeben Da zur Reduktion von einem Permanganat-Ion zu Mn 2+ fünf Elektronen nötig sind, werden 0 mmol Permanganat zu Mn 2+ reduziert Aus ursprünglich 00 mmol Permanganat werden durch diese Redoxreaktion 360 mmol Permanganat, der Mn 2+ -Gehalt der Lösung wächst dabei von Null auf 0 mmol (alles in einem Liter Lösungsvolumen) Wir setzen also ein: E = E /5 log [{c(mn - c 8 (H + )}/c(mn 2+ )] = E V log [( ) / 00] = 158 V 015 V = 1025 V a)

5 Ab hier folgen Fragen, die für die MB-Studiengänge Bachelor oder Diplom nicht relevant sind 11) (10) Zeichnen Sie vereinfachte Strukturformeln für die folgenden Substanzen (je 05 Punkte): a) cis-1-amino-3-propyl-hex--en-1-in, b) 2-Methyl-cyclohexanol, c) Ethanal, d) 2-Hydroxyhexandisäure, e) einen Vertreter aus dem dreckigen Dutzend (Beispiele aus dem Skript anbei), f) 3-Nitrophenol, g) einen Vertreter der Speisefette, h) 1-Naphthol Hexachlorbenzol Polychlorierte Biphenyle m n H 2 N H H H H H H Polychlorierte Dibenzodioxine m n n m Polychlorierte Dibenzofurane N 2 Dichlordiphenyltrichlorethan H Beispiele aus dem Skript für die chlororganischen Verbindungen, die als dreckiges Dutzend bezeichnet werden Finden und korrigieren Sie den einen Namen, der ein Molekül eindeutig beschreibt, dabei aber eine Regel verletzt(1) Der falsche Name ist unter Buchstabe a) zu finden: 3-Propyl kann nur falsch sein, die längste Kette im Molekül hat sieben C-Atome, nicht sechs Markieren Sie sechs Chiralitätszentren (3) (Hier ist ein Fehler, es sind nur vier: a) (1); b) (2); c) (1) Vorschlag zur großzügigen Bewertung: Ein Punkt pro Chiralitätszentrum bis zum Maximum von drei Punkte; für drei oder vier Zentren werden die drei Punkte erteilt) und zeichnen Sie ein Molekül mit zwei Chiralitätszentren so, dass die Konfiguration erkennbar ist Bezeichnen Sie beide Chiralitätszentren mit den Deskriptoren R oder S (2 Punkte) (Hier durfte ein beliebiges Molekül gezeichnet werden, auf das die CIP-Regel angewendet werden sollte) 12) () Formulieren Sie die radikalische Chlorierung von Ethan mit Chlor anhand von vier Reaktionsgleichungen (Start, zwei Gleichungen zur Kettenreaktion und ein Beispiel für den Abbruch der Kettenreaktion) C 2 H 6 + h 2 C 2 H 5 + H C 2 H C 2 H 5 + C 2 H 5 + C 2 H 5 oder andere Radikalrekombinationen, auch: 2 C 2 H 5 C 2 H + C 2 H 6 13) () Beschreiben Sie in Stichworten das Prinzip der Abtrennung eines bestimmten Proteins aus einem Proteingemisch mit Hilfe eines so genannten Liganden Aus Ihrer Antwort sollte hervorgehen, a) die hochspezifische Eigenschaft, die einen solchen Liganden kennzeichnet (1) b) die beiden unterschiedlichen Verfahrensschritte, in denen der Ligand benutzt wird (2) c) der Ablauf des Trennverfahrens von der Auftragung des Proteingemischs bis zur Freisetzung des gereinigten Proteins (1) Der Ligand bietet Bindungsstellen für Wasserstoffbrücken in einer Anordnung, die genau zu dem gewünschten Protein passen (Schlüssel-Schloss-Prinzip)

6 Der Ligand wird an ein polymeres Säulenmaterial gebunden und bindet das gewünschte Protein aus einer Lösung des Proteingemischs an das Säulenmaterial Hernach wird eine Lösung des freien Liganden im Überschuss benutzt, um das Protein von der Säule zu lösen Das Proteingemisch durchläuft die Säule mit dem immobilisierten Liganden Das Zielprotein bindet an den Liganden und wird so auf dem Trägermaterial fixiert Eine Lösung des freien Liganden gestattet die Elution des Zielproteins, das als Protein-Ligand-Komplex isoliert wird 1) (2) Geben Sie eine schematische Reaktionsgleichung an für die Endgruppenbestimmung, die als Grundlage für die Sequenzanalyse nach Edman dient (2) Kette-AS-NH2 + REA Kette + AS-NH-REA Kette: Polypeptidkette AS-NH2 : Aminosäure am N-Terminus der Polypeptidkette Bitte hinterlassen Sie Ihren Platz in einem sauberen und aufgeräumten Zustand und rücken Sie den Stuhl leise zurecht, bevor Sie die Halle verlassen