Allgemeine Chemie I Herbstsemester 2011

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1 Lösung 2 Allgemeine Chemie I Herbstsemester Aufgabe Für die Berechnung der mittleren Atommasse m von Nickel sind die Massen m i der einzelnen Isotope i in ihrer Häufigkeit p i zu berücksichtigen. m(ni) = m i p i (1) i m(ni) = } {{ } } {{} (2) = = m(ni) = [u] (3) m(ni) = [u] (4) Im Mortimer ist die relative Atommasse des Nickels mit g mol 1 angegeben. Die Angabe in u pro Atom ist identisch mit jener in g mol 1, weil u N A = Aufgabe Polare Moleküle (Moleküle mit einem Dipolmoment) können durchaus elektrisch neutral sein und keine elektrische Ladung aufweisen. Neutrale Spezies sind: O 3 (g), H 2 O (l), Nb (g), C 60 (solv), Benzen (l), Kr (g), I 2 (s) und Cu (s) Anionische Spezies sind F (aq), PO 4 3 (aq), CN (aq) Das einzige kationische Spezies der Liste ist Rb + (g) Bei Raumtemperatur liegen sowohl Iod als auch Kupfer als kristalline Festkörper vor. Sie unterscheiden sich darin, dass Kupfer ein elektrisch leitendes Atomgitter besitzt (Metallbindung), während bei Iod das Gitter mit Molekülen besetzt ist: erst unter sehr hohem Druck wird es zum Atomgitter und Leiter. 1

2 3. Aufgabe Die empirischen Formeln La 2 O 3, TiO 2, K 2 O, Al 2 O 3, Nb 2 O 5 und MoO 3 beschreiben Oxide. Aus der Formel kann i. a. nicht auf die Gegenwart entsprechender Moleküle geschlossen werden 4. Aufgabe Die Summenformel für den Hochtemperatur-Supraleiter lautet YBa 2 Cu 3 O 7. Mit der molaren Masse einer Formeleinheit ( g/mol) wird die Stoffmenge ( mol) berechnet. Diese wird mit den relativen Atommassen der beteiligten Elemente und dem korrespondierenden stöchiometrischen Koeffizienten ν i zu multipliziert: m(cu) = n(yba 2 Cu 3 O 7 ) M(Cu) ν(cu) (5) m(cu) = mol gmol 1 3 (6) m(cu) = 0.29 g (7) Yttrium Barium Kupfer Sauerstoff YBa 2 Cu 3 O 7 n [mmol] m [g] Aufgabe Je Formeleinheit Mangandioxid (MnO 2 ) kann genau eine Formeleinheit Mangan (Mn) erhalten werden: MnO 2 Mn + O 2. Die Berechnung der maximal isolierbaren Masse des Mangans m(mn) nutzt aus, dass die Stoffmenge Mangandioxid n(mno 2 ) (Gleichung 8) in die Bestimmungsgleichung (10) eingesetzt werden kann: n(mno 2 ) = m(erz) c(mno 2) M(MnO 2 ) (8) c(mno 2 ) = (9) m(mn) = n(mno 2 ) M(Mn) (10) m(mn) = m(erz) c(mno 2) M(Mn) M(MnO 2 ) (11) 31.5 kg g/mol m(mn) = g/mol (12) m(mn) = 12.6 kg (13) 2

3 6. Aufgabe Es wird vorausgesetzt, dass die Substanz (a) nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehe, und (b) totale Verbrennung (formal C + O 2 CO 2 und 2 H + O H 2 O) stattfindet. Rechnung für Kohlenstoff: w(c in CO 2 ) = M(C) g/mol = M(CO 2 ) g/mol (14) w(c in CO 2 ) = 27.29% (15) m(c im Aldehyd) = g (16) m(c im Aldehyd) = g (17) w(c im Aldehyd) = g 100% g (18) w(c im Aldehyd) = 81.8% (19) Rechnung für Wasserstoff: w(h in H 2 O) = 2M(H) g/mol = M(H 2 O) g/mol (20) w(h in H 2 O) = 11.19% (21) m(h im Aldehyd) = g (22) m(h im Aldehyd) = g (23) w(h im Aldehyd) = g 100% g (24) w(h im Aldehyd) = 6.09% (25) Die Differenz zu 100 % ist gleich dem Massenanteil Sauerstoff im Aldehyd (28), woraus auch seine Masse (30) berechnet werden kann: w(o im Aldehyd) = 100% w(c im Aldehyd) w(h im Aldehyd) (26) w(o im Aldehyd) = 100% 81.8% 6.09% (27) w(o im Aldehyd) = 12.11% (28) m(o im Aldehyd) = g (29) m(o im Aldehyd) = g (30) Zur Bestimmung der empirischen Formel werden die Stoffmengen der beteiligten Elemente bestimmt ( C: g/12.01 g mol 1 = 141 mmol, H: g/ g mol 1 = 125 mmol, 3

4 O: g/ g mol 1 = 16 mmol ) und als kleinstes ganzzahlige Verhältnis dieser Mengen (C 9 H 8 O) x erhalten. Daraus errechnet sich das atomare Verhältnis von C : H : O wie 50 : 44.4 : 5.5 [%]. O H C 9 H 8 O M = g/mol C: 81.79% H: 6.10% O: 12.11% Abbildung 1: Molekulare Struktur von Zimtaldehyd 7. Aufgabe Je Schwefelatom wird genau eine Formeleinheit BaSO 4 gebildet, n(s) = n(baso 4 ). n(baso 4 ) = m(baso 4) M(BaSO 4 ) (31) n(baso 4 ) = n(s) (32) c(s) = m(s) m(öl) = n(s) M(S) m(öl) (33) c(s) = n(baso 4) M(S) = m(baso 4) M(S) m(öl) M(BaSO 4 ) m(öl) (34) g g/mol c(s) = 100% g/mol g (35) c(s) = 2.31% (36) 8. Aufgabe 4 Fe (s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s) CH 3 CH 2 OH (l) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O (g) 2 Na (s) + Cl 2 (g) 2 NaCl (s) CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO (aq) + H 3 O + (aq) 2 Al (s) + 6 HCl (g) 2 AlCl 3 (s) + 3 H 2 (g) TiCl 4 (g) + 2 H 2 O (g) TiO 2 (s) + 4 HCl (g) B 2 O 3 (s) + 3 C (s) + 3 Cl 2 (g) 2 BCl 3 (g) + 3 CO (g) CuS (s) + 2 O 2 (g) CuO (s) + SO 3 (g) 4

5 P 2 O 5 (s) + 3 H 2 O (l) 2 H 3 PO 4 (l) Hier wurden einseitige Pfeile gesetzt für Reaktionen, welche nahezu vollständig auf der Produktseite liegen. 9. Aufgabe Hauptaufgabe G.H. Hess war ein schweizer Wissenschaftler, der in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts gelebt und nach seinem Studium der Medizin und einem Aufenthalt in Stockholm in Russland gearbeitet, geforscht und gelebt hat (vgl. Skript, Kapitel 2, und Mortimer, Kapitel 5). Der Energieerhaltungssatz von G.H. Hess besagt: In einem stofflich geschlossenen Kreisprozess ist die Summe aller Reaktionsenthalpien gleich Null. Dieser Satz erlaubt es, die Reaktionsenthalpie einer (Brutto-)Reaktion aus den Reaktionsenthalpien der Teilreaktionenen berechnen. Die stöchiometrisch ausgeglichenen Gleichungen (37 39) und ihre Reaktionsenthalpien lauten: Bruttogleichung: 4 NH 3 (g) + 3 O 2 (g) 2 N 2 (g) + 6 H 2 O(g) H = kj/mol (37) N 2 O(g) + H 2 (g) N 2 (g) + H 2 O(g) H = kj/mol (38) H 2 (g) O 2 (g) H 2 O(g) H = kj/mol (39) 2 NH 3 (g) + 3 N 2 O(g) 4 N 2 (g) + 3 H 2 O(g) H = kj/mol (40) Die ausgeglichene Bruttogleichung (40) ist das Resultat von folgendender Addition: oder numerisch 1/2 Gleichung (37) + 3 Gleichung (38) 3 Gleichung (39) H = 0.5 ( ) + 3 ( 323.9) 3 ( 241.8) = kj/mol. Vergleiche auch MM, S. 52, Beispiel 5.5. Im Unterschied zum Buch wird in dieser Übung Wasser als gasförmig angenommen. Zu G. H. Hess finden Sie beispielsweise Informationen im Skript, Kapitel 2, sowie im Mortimer, Kapitel 5. 5

6 Wer sich für Mathematik interessiert, kann das Problem auch allgemein angehen und eine Lösungsstrategie für beliebige Stöchiometrien ausarbeiten. Dabei ist es sinnvoll, zunächst den einfacheren Fal einer aus zwei Teilreaktionen vom Typ zusammengesetzte Bruttoreaktion vom Typ zu betrachten. x 1 A + y 1 B z 1 C x 2 A + y 2 B z 2 C y 3 B z 3 A 6