Lösungen der Übungsaufgaben aus Kapitel 12.9

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1 Lösungen der Übungsaufgaben aus Kapitel Im Bohr schen Atommodell bew egen sich Elektronen ohne Energieverlust auf Kreisbahnen um den Kern. In der atriumdampflampe nehmen die atriumatome aus dem elektrischen Feld Energie auf. Dadurch w erden die Elektronen auf eine höhere, energiereichere Bahn gehoben, die sie nach kurzer Zeit w ieder verlassen. Beim Zurückfallen auf Bahnen mit niedrigerer Energie w ird die Energiedifferenz als charakteristische elektromagnetische Strahlung ausgesandt (Linienspektrum). Beim atrium liegen die sichtbaren Emissionslinien im gelben Bereich des elektromagnetischen Spekt rums (a- Doppellinie).. Se, Br, Kr, Rb +, Sr +. a) S Cl e b) Sm d e 6 6 c) WZ gerundet: 14, Tage Wochen 8 1 Anz. WZ 4 Aktivität 74 MBq 16 46, MBq Strahlung: eliumkerne ( e ) -Strahlung: Elektronen ( e 1 ) 1e) + -Strahlung: Positronen ( -Strahlung: elektromagnetische Wellenpaket e, Photonen, -Quanten Strahlung radioaktiver Stoffe entsteht im Atomkern.. Stichw orte: (Skript S. 1, Kap..1.) Ionenbindung: Atombindung: Metallbindung: Kationen (+ ) und Anionen ( ) im Kristallgitter, ungerichtete Bindung, hart und spröde, Schmelze elektrisch leitfähig, meist hohe Schmelz- und Siedepunkte Elektronenpaarbindung (gerichtet), geringe Bindungskräfte zw ischen den Molekülen niedrige Schmelz- und Siedepunkte, w eich, meist nicht leitend, eher niedrige Dichten (w ichtigste Ausnahme: Kohlenstoff in seinen Modifikationen Diamant und Graphit) Kationen (+ ) auf f esten Kristallgitt erplätzen, frei bew egliche Elektronen ( Elektronengas ), ungerichtete Bindung, oft hart aber verformbar, gut e elektrische und Wärmeleit - fähigkeit, meist hohe Schmelz- und Siedepunkte, eher hohe Dichten Komplexbindung: Anlagerungsverbindung aus einem zentralen Kation und einer (oft unerw artet großen) Zahl von Liganden mit neg. Ladung oder freien Elektronenpaaren. Das charakteristi- Dr. Koch, MI 1 Lös_Chemie 1, KMUB

2 sche Verhalten der Kationen w ird durch die Komplexierung gravierend verändert O C O Cl Cl O + e + 7. WC K[Al(O) 4 ] Co* Ba(O) K PtCl 6 ionisch komplex metallisch ionisch ionisch Rn* C 8 18 Zn(O ) P Co x i y keine kovalent ionisch kovalent metallisch * inw eis: Die chemische Formel steht hier nicht für das einzelne Atom sondern für den Stoff (vgl. Aufgabenstellung). 8. Gitterenergie (endotherm) ydratationsenergie (exotherm) Je nachdem w elche Wärmemenge überw iegt, löst sich das Salz insgesamt exotherm oder endotherm (Addition unter Berücksichtigung des Vorzeichens). 9. Mit dem Modell der sp -ybridisierung. Daraus resultiert zunächst eine ideal tetraedrische Umgebung mit Bindungsw inkeln von 19, (z. B. C 4 ). Da im Wassermolekül jedoch zw ei freie Elektronenpaare existieren, ist deren Platzbedarf größer und die O -Bindung w ird auf den Winkel von 14, zusammengedrückt. 1. a) b) Reaktionsprodukte: + 4 und + + Dr. Koch, MI Lös_Chemie 1, KMUB

3 c) polar d) In P ist aufgrund der geringeren Elektronegativitätsdifferenz der Dipolcharakter w eniger stark ausgeprägt als in. Die -Brückenbindung ist schw ächer und der Siedepunkt deshalb niedriger ( 88 C). 11. Trennung mittels konz. atronlauge Al(O) + ao a[al(o) 4 ] löslicher Komplex entsteht Fe O + ao./. bleibt schw erlöslich abfiltrieren 1. keine Lösungsvorgabe, eigene Formulierung verw enden! Stichw orte: Sonderstellung von O, F,, Dipolcharakter, -Brücken stärkere intermolekulare Wechselw irkung höhere Siedepunkte trotz kleinerer rel. Molmassen, C 4 ist unpolar (vgl. S. 41f Vorlesungsskript) 1. p V = n R T T = 1 C+ 7,1 C = 4,1 K p V n R T,977 1,4 1 m K mol =,1 mol m 8,14 m 4,1 K n M = 1, g,1 mol = 1 g/mol 14. p V = n R T T = 7 C+ 7,1 C = 8,1 K M( ) = 8, g/mol p V 7 1,6 m K mol = 18, mol R T m 8,14 m 8,1 K n m = n M = 18, mol 8 g/mol = 194 g =, kg Stickstoff 1. M(C 8 18 ) = 8 1 g/mol g/mol = 114 g/mol Q = 47,9 kj/g U = 47,9 kj/g 114 g/mol = 46,6 kj/mol = U + p V = U + n R T C 8 18 (l)+ 1, O (g) 8 CO (g) + 9 O(l) Stoffmengenänderung der gasförmigen Komponenten: n = 8 mol 1, mol = 4, mol = 466 J/mol + ( 4,) mol 8,14 J/(K mol) 98 K = 4717 J/mol = 471,7 kj/mol Berechnung der Standardbildungsenthapie f (C 8 18 ): (Pr odukte) (Edukte) f f Dr. Koch, MI Lös_Chemie 1, KMUB

4 8 f (CO ) 9 f ( O) 1, f (O ) 1 f (C8 18 ) ( 9,) 9 ( 8,8) 1, 1 (C ) 8 f 8 18 auflösen nach f (C 8 18 ): (C ) 8 (CO ) 9 f 8 18 f f ( O) f (C 8 18 ) = 7,6 ( 471,7) = 48,9 kj/mol 16. Die vom System aufgenommene Wärmemenge ist größer als die Änderung der inneren Energie, w eil ein Teil der Wärmemenge beim Übergang von der festen in die gasförmige Phase für die Volumenarbeit benötigt w ird: = U + p V 17. = Q = + 66 J p V = W = 14 J U = Q + W = + 66 J 14 J = + J 18. M( O) = 1, g/mol + 16, g/mol = 18, g/mol = + 4,1 J/g Umrechnung von J/g in J/mol 4,1J / g 18, g/ mol J S Sys, T 7,1 K mol K Entropiegewinn beim Phasenübergang von Eis zu Wasser inw eis zur Vorzeichenkonvention: Für die Entropieänderung in der Umgebung gilt stattdessen: S Umg T 19. C + O CO + f : 41,8 11, = 11, kj/mol ( 41,8) kj/mol = 11, kj/mol (endotherm) 1 t Kohle = 1 6 g M(C) = 1 g/mol n m M 6 1 g 8, 1 1 g/ mol 4 mol (ges.) = n = 8, 1 4 mol 11, kj/mol = 1,9 1 7 kj = 1,9 GJ. Rauminhalt V ges =, m m, m = 6, m V(C 4 ) = 6, m, = 1,1 m Ausgangsstoffmenge Methan unter Standardbedingungen: p V = n R T T = C+ 7,1 C = 98,1 K p V 1 1,1 m K mol =,8 mol R T m 8,14 m 98,1 K n Dr. Koch, MI 4 Lös_Chemie 1, KMUB

5 C 4 + O CO + O f (C 4 ) = 74,8 kj/mol f (O ) = kj/mol f (CO ) = 9, kj/mol f ( O) = 41,8 kj/mol = ( 41,8) + ( 9,) ( 74,8) = 8, kj pro Gleichung Da nur 1 mol C 4 in der Gleichung eingesetzt w ird gilt: (C 4 ) = 8, kj/mol (ges.) = n (C 4 ) =,8 mol 8, kj/mol = 44 kj Die Reaktion ist molzahlbeständig, d.h. die Stoffmenge der Gase vor und nach der Reaktion ist gleich. Eine Druckveränderung durch die St offmengenänderung der beteiligten Gase entfällt also. Die Druckerhöhung ist nur durch die freigesetzte Reaktionsw ärme und den daraus resultierenden Temperaturanstieg verursacht. Da alle im Raum befindlichen Gase erhitzt w erden, muss die Gesamtstoffmenge n ges (vor der Reaktion) berechnet w erden. p Vges 1 6, m K mol = 19 mol R T m 8,14 m 98,16 K nges Q = C V T n ges = = 44 kj 6 Q 4,4 1 J T = = C V n ges 4,8 J /(mol K) 19 = 1614, K mol T = T + T = 98,1 K , K = 191,6 K n R T 19 mol 8,14 m 191,6 K = 6416 Pa = 6,4 bar V 6, m K mol p 1. KMnO 4 : + 7, Kalium immer + 1 (Alkalimetall), Sauerstoff P 4 O 1 : +, Sauerstoff Cl :, da elementar CrO +4, Sauerstoff O 1, Peroxid, Wasserstoff + 1 Zn(O ) +, Zink immer +, Sauerstoff, auf Indizierung achten! SiCl +, Wasserstoff + 1, Chlor 1 Ba : 1, Barium immer + (Erdalkalimetall) K SO : + 4, Kalium immer + 1 (Alkalimetall), Sauerstoff a O : 1, atriumperoxid, atrium immer + 1 (Alkalimetall) O: + 1, Sauerstoff O : +, Sauerstoff, auf Außenladung des Ions achten! Fe :, da elementar a FeF 6 : +, atrium immer + 1 (Alkalimetall), Fluor immer 1 Dr. Koch, MI Lös_Chemie 1, KMUB

6 Fe O 4 : +,67, Eisen(II,III)-oxid, Mischkristall aus FeO Fe O, d. h. ein Drittel der Eisenionen ist -w ertig, zw ei Drittel sind -w ertig; die Oxidationszahl ist nur eine ilfsgröße und kann deshalb von den tatsächlichen Ladungen abw eichen; hier ist es der Mittelw ert. SO : + 6, Sauerstoff inw eis: Oxidationszahlen w erden mit den jew eiligen Indices multipliziert. Werden alle so erhaltenen Produkte aufsummiert, muss das Ergebnis gleich der Außenladung sein. Bei allen oben angegebenen Verbindungen außer O ist die Außenladung. Beispiel Zn(O ) : (+ ) + * (+ ) + * * ( ) = + ist die oben gesuchte Oxidationszahl des Stickstoffes. In diesem Fall hätte die Gleichung dann folgendes Aussehen: (+ ) + * x + * * ( ) = ach x aufgelöst erhält man +.. a) Übertragen Sie folgende Stoffbezeichnungen in Formeln: Mangan: Mn Chromtrioxid: CrO Eisen(II)-sulfid: FeS Kupfer(I)-oxid: Cu O Calciumoxid: CaO Aluminiumsulfat: Al (SO 4 ) Chrom(VI)-oxid: CrO Kupfer(II)-chlorid: CuCl Diantimontrioxid: Sb O Siliciumdioxid: SiO b) Welche Oxidationszahlen tragen die Metalle? Mn, 6 CrO, FeS, 1 Cu O, CaO, Al (SO 4 ), 6 CrO, CuCl, Sb O, 4 SiO a) FeCl S O O FeCl S O4 Cl (+ e ) e 6 4 b) Cr O CrO CrO (Komproportionierung) ( e ) (+ e ) c) 1 K 6 Cr O K I 8 6 S O 4 Cr 6 (S O 4) I 1 K 6 S O O (+ e ) ( e ) Dr. Koch, MI 6 Lös_Chemie 1, KMUB

7 4. a) Indirekte Reduktion mit Kohlenmonoxid: Fe O + CO Fe O 4 + CO b) Direkte Reduktion mit (feinteiligem) Kohlenstoff: FeO + C Fe + CO. Phosphorsäure, PO 4, dissoziiert in: + / O +, PO 4, PO 4, PO Base: SO 4 O O S ame: ydrogensulfat Wasser itrat Ammoniak Sulfid korresp. Säure: SO 4 O + O + 4 S ame: Schwefelsäure ydronium Salpetersäure Ammonium ydrogensulfid Säure: Cl SO 4 S + 4 O ame: Salzsäure ydrogensulfawasserstoff Schwefel- Ammonium Wasser korresp. Base: Cl SO 4 S O ame: Chlorid Sulfat ydrogensulfid Ammoniak ydroxid 8. Cl + 4 Cl S 1 B S B 1 9. (Skript S. 111, Kap. 8.6) 4 Cl a CO a S acl sauer basisch basisch neutral. a),7 m Salzsäure: Cl, starke Säure p = lg c p = lg,7 =,1 b), m Kalilauge: KO, starke Base (s. Tabelle bei O!) po = lg c po = lg, =, p = 14, = 1,7 c), m Kohlensäure: CO, schw ache Säure, pk a = 6, p = ½ (pk a lg c ) p = ½ (6, lg,) =,6 d),8 m Kalkwasser: Ca(O), starke Base (O ), -wertig! c = c(o ) =,8 m =,16 m po = lg,16 =,8 p = 14,8 = 1, e), m Schwefelsäure: SO 4, starke Säure, -wertig!, c = c( O + ) =, m =,6 m p = lg,6 =, Dr. Koch, MI 7 Lös_Chemie 1, KMUB

8 f) 1 m Ammoniakwasser:, schw ache Base, pk b = 4,7 po = ½ (pk b lg c ) po = ½ (4,7 lg 1) =,7 p = 14,7 = 11,6 g),1 m Ameisensäure: COO, schw ache Säure, pk a =,7 p = ½ (pk a lg c ) p = ½ (,7 lg,1) =,7 h),1 m Phosphorsäure: PO 4, schw ache Säure, pk a = 1,96 p = ½ (pk a lg c ) p = ½ (1,96 lg,1) =,48 1. Isotope: Atome mit gleicher Ordnungszahl (d. h. von derselben Elementsorte) aber unterschiedlichen eutronen- oder Massenzahlen Oxidation: Elektronenabgabe Elektronegativität: Ein Maß für das Bestreben der Atome Elektronen an sich zu binden Base: Wasserstoffionenemfänger (Protonenakzeptor) Disproportionierung: Aufspalten einer mittleren Oxidationszahl des Eduktes in eine niedrigere und eine höhere Oxidationszahl auf der Produktseite amphoter: Der Stoff kann sow ohl als Säure als auch als Base reagieren.. artes Wasser enthält Ca + - und Mg + -Ionen. Wasserhärte w ird darüberhinaus nach den vorhandenen Anionen eingeteilt in temporäre ärte: CO (ydrogencarbonat), die sich durch Erhitzen beseitigen lässt. Ca(CO ) CaCO + O + CO permanente ärte: mit allen anderen Anionen, z. B. Cl, SO 4, O.. ärtew irksam sind Ca + - und Mg + -Ionen. Deren Gesamtkonzentration beträgt, mmol/l. M(CaO) = 4,1 g/mol + 16, g/mol = 6,1 g/mol bzw. mg/mmol Rechnerische CaO-Masse auf 1 Liter Wasser bezogen: m = n M =, mmol 6,1 mg/mmol = 19, mg CaO Wasserhärte: 19, mg CaO 1 mg CaO/ d = 1,9 d Ergänzender inw eis: ach DI 849 ist dieses Wasser in den ärtebereich, w eich, einzuordnen. ierzu reicht bereits die Kenntnis der Konzentration c(ca + + Mg + ) =, mmol/l. Weiteres im Skript S. 117f. 4. a) schw er löslich (w ie AgCl) b) leicht löslich (w ie alle itrate) c) schw er löslich d) leicht löslich (w ie acl) Dr. Koch, MI 8 Lös_Chemie 1, KMUB

9 e) schw er löslich (w ie alle ydoxide außer Alkali- und zum Teil Erdalkalihydoxide) f) leicht löslich (w ie alle itrate). L(Ca (PO 4 ) ) =, 1 9 mol /l = [Ca + ] [Ca + ] [ Ca + ] [PO 4 ] [PO 4 ] = [Ca + ] [PO 4 ] c = 9 mol, 1 = 1,8 1 6 mol/l l 6. L(CaSO 4 ) = 9,1 1 6 mol /l [Ca + ] [SO 4 ] = 9,1 1 6 mol /l [SO 4 ] = 9, c >,91 mol/l mol / l mol/ l =,91 mol/l 7. a),9 % =,9 g/1 ml = 9 g/l M(aCl) =, g/mol +, g/mol = 8, g/mol m 9 g n = = =,14 mol c(acl) =,14 mol/l M 8, g/ mol w egen der Dissoziation: acl a + + Cl muss die berechnete acl- Konzentration in die osmotisch w irksame Konzentration korrigiert w erden. Abgeschätzt w ird der van t off -Faktor demgemäß zu i =, lt. Aufgabenstellung beträgt er jedoch empirisch ermittelt nur 1,86. c = c(acl) i =,14 mol/l 1,86 =,864 mol/l = 86,4 mol/m = c R T = 86,4 mol/m 8,14 m/(mol K) 1 K = 78, kpa = 7,8 bar b) Glucose löst sich molekular, d. h. der van t off -Faktor i = 1 78, 1 c = = m = 86,4 mol/m =,864 mol/l R T 8,14 m 1 K mol K Da der osmotische Druck nur von der gelösten Stoffmenge abhängt, w ird dieselbe Konzentration an Einzelteilchen erhalten, w ie unter a): c(c 6 1 O 6 ) = c(a + ) + c(cl ) 8. Die molare Leitfähigkeit bezieht sich auf die in der Lösung vorhandene Stoffmenge, d. h. die Teilchenzahl. atrium und Magnesium stehen im Periodensystem unmittelbar nebeneinander, sind also hinsichtlich ihrer Masse und Größe in etw a vergleichbar. Wesentlich ist hier der Ladungsunterschied von a + und Mg +, d. h. dass ein Mg + -Ion doppelt so viel Ladung transportiert w ie ein a + -Ion. Dadurch besitzt das Magnesiumion die doppelte molare Leitfähigkeit. Dr. Koch, MI 9 Lös_Chemie 1, KMUB

10 9. Beschleunigt oder ermöglicht eine Reaktion durch Absenken der Aktivierungsenergie, beeinflusst nicht das chemische Gleichgew icht (Ausbeute) (Skript S. 99f, Kap. 7.4) Fe 4 O Pt/ Rh 4 O 6 O V O SO O SO 4. a) verzinktes Blech: Zink ist unedler als Eisen und w irkt als Opferanode Korrosionsschutz bis die Zinkschicht verbraucht ist b) Weißblech (verzinnt): Zinn ist edler als Eisen, bei Beschädigung w ird Eisen leichter oxidiert als Zinn Lochfraß c) verkupfertes Blech: Kupfer ist edler als Eisen, bei Beschädigung w ird Eisen leichter oxidiert als Kupfer Lochfraß 41. Pb PbO (+) ( ) % SO 4 Kathode (Reduktion) : 4 O + + SO 4 + PbO + e PbSO O Anode (Oxidation): Pb + SO 4 PbSO 4 + e Gemäß der Reaktionsgleichungen w ird beim Entladevorgang Schw efelsäure verbraucht; die SO 4 -Konzentration und die Dichte der Elektrolytflüssigkeit sinken. Dichtemessung 4. Spannungsreihe: Ordnung der Metalle nach ihrem Reduktionsvermögen; Metalle, die aus Säuren Wasserstoff freisetzen, sind unedel (z. B. Magnesium, Zink), sind sie dagegen in Säuren beständig, heißen sie edel (z. B. Kupfer, Gold). ormalpotential: Spannung einer galvanischen albzelle gegenüber der Wasserstoffelektrode unter ormalbedingungen (p = 1 Pa, T = 98 K, c = 1 mol/l) gemessen Elektrolyt: Eine durch Ionen leitfähige Flüssigkeit 4. Sn + Cu + Sn + + Cu Pt + Cu +./. 44. p V = n R T T = C+ 7,1 C = 98,1 K p V n R T 1 Pa,1 m 8,14 J /(mol K) 98,1 K 6,1 mol bei 8 % Wirkungsgrad: n = n = 6,1 mol,8 = 4,841 mol Faraday-Konstante F = 96 C/mol (1-w ertig) 1 mol entspricht F Dr. Koch, MI 1 Lös_Chemie 1, KMUB

11 v in [mmol/(l s)] Ladung Q = n F = 4,841 mol 19 C/mol = 941 C t = 1 h = 6 s I Q t As = 9, A s 1 C = 1 As 4. M(Zn) = 6,4 g/mol ZnSO 4 enthält Zn + -w ertig F = 96 C/mol(1-w ertig) 46. m g n,76 mol Zink M 6,4 g/ mol n =,76 mol =,1 mol Elektronen Q = n F =,1 mol 96 C/mol = 14764, C t = Q I 14764, As 984, s = 16,4 min 1 A 1. Ordnung c in [mol/l] Aus dem Diagramm w ird abgelesen: v( mol/l) = 17,7 mmol/(l s) = v bei C RGT: pro 1 C Faktor bei C Temperaturdifferenz Faktor 4, bei einer Reaktionstemperatur von 1 C statt C ¼ v 17,7 mmol/(l s) v = 4,4 mmol/(l s) v = k c bei -facher Konzentration steigt die Geschw indigkeit auf das -fache ( ) v = 8 mol/(l s) = mol/(l s) = v bei 9 C RGT: pro 1 C Faktor bei C Temperaturdifferenz Faktor 8 (= ), bei einer Reaktionstemperatur von 6 C statt 9 C 1 8 v mol/(l s) v =, mmol/(l s) 8 8 Dr. Koch, MI 11 Lös_Chemie 1, KMUB

12 48. a) SO 4 + ( 4 ) SO 4 b) SO 4 + a SO 4 aso 4 c) CuSO O Cu(O) + ( 4 ) SO 4 (mit w enig Ammoniakw asser steht die basische Wirkung im Vordergrund: + O O ) d) AlCl + AgO AgCl + Al(O ) e) CuSO [Cu( ) 4 ]SO 4 (in Gegenw art von viel Ammoniakw asser steht die komplexierende Wirkung im Vordergrund) f) 4 Al + O Al O g) FeCl + ao Fe(O) + acl h) Ca(O) + CO CaCO + O i) O + O O + O j) AlCl + 4 ao a[al(o) 4 ] + acl k) Fe O + Al Al O + Fe l) Cu + 4 O Cu(O ) + O + O m) Mg + Cl MgCl + n) Al (SO 4 ) + BaCl BaSO 4 + AlCl o) Cl + O Cl + ClO + O + vereinfacht: Cl + O Cl + ClO p) KO + O KO + O q) MgO + Cl MgCl + O r) SO + O SO s) CaO + O Ca(O) inw eis: Zu den hier angegebenen Reaktionsgleichungen gibt es manchmal auch alternative Lösungen, vor allem durch Anw endung der Ionenschreibw eise. Dr. Koch, MI 1 Lös_Chemie 1, KMUB