3 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie

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1 43 3 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie 3.1 Atombau, chemische Bindung, Periodensystem der Elemente Elektronegativität und Beurteilung der Polarität Zur Beurteilung der Polarität einer Verbindung spielt der Begriff «Elektronegativität» eine wichtige Rolle. a) Was bedeutet der Begriff «Elektronegativität»? b) Wie kann man erklären, dass die Verbindung Kohlenstoffdioxid eher unpolar ist? a) Die Elektronegativität, EN, ist ein Maß für die Fähigkeit eines Elements, in einer Bindung das bindende Elektronenpaar zu sich hinzuziehen. Die Elektronegativität lässt sich für jedes Element aus dem Periodensystem der Elemente ablesen. Die Elektronegativität von Fluor, dem elektronegativsten Element, wurde auf EN = 4,0 festgelegt. Somit besitzen alle anderen Elemente eine niedrigere Elektronegativität. In Bindungen berechnet man meist Elektronegativitätsdifferenzen ( EN). Je höher der Zahlenwert der Differenz ist, desto polarisierter ist die Bindung, bis hin zum vollständigen Elektronenübergang. Als «Faustregel» gilt: EN bis 0,4: EN bis 1,7: EN > 1,7: vorwiegend unpolare Atombindung vorwiegend polare Atombindung vorwiegend ionische Bindung b) Die jeweiligen Elektronegativitätsdifferenzen von EN = 1,0 (aus EN(C) = 2,5 und EN(O) = 3,5) lassen auf polare Atombindungen schließen. Als Gesamtmolekül betrachtet ist die Verbindung allerdings eher unpolar, da das Molekül CO 2 symmetrisch linear aufgebaut ist und sich die einzelnen EN-Werte somit gegenseitig aufheben. Über die Berechnung der EN-Werte hinaus muss somit auch immer die Struktur der Verbindung betrachtet werden Radioaktivitätsbegriff: a-, b- und g-strahlung Die Radioaktivität ist ein wichtiges Gebiet in der Naturwissenschaft. a) Was versteht man unter dem Begriff «Radioaktivität»? b) In Gl und Gl sind zwei typische Zerfallsarten aufgeführt. Vervollständigen Sie die Kästchen in dem Schema und geben Sie an, bei welcher Reaktionsgleichung es sich um a- und bei welcher es sich um b-strahlung handelt.

2 44 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie 1) 2) A A X Y + He 2+ (Gl ) Z Z 2 A Z A X Y + (Gl ) Z + c) Was versteht man unter g-strahlung? a) Der spontane Zerfall eines instabilen Nuklids unter Aussendung von Elementarteilchen, Kernbruchstücken oder elektromagnetischer Strahlung wird als Radioaktivität bezeichnet. b) 1) In Gl handelt es sich um a-strahlung. A A 4 4 X Y + He 2+ (Gl ) Z Z 2 2 2) In Gl handelt es sich um b-strahlung. A A 0 X Y + 1 Elektron ( e ) (Gl ) Z Z c) Die g-strahlung ist eine energiereiche elektromagnetische Strahlung, die schwer abschirmbar ist. Da die Anzahl der Nukleonen gleich bleibt, lässt sie sich nicht als Gleichung darstellen. Häufig läuft sie parallel als Begleitstrahl zum a- und b-zerfall ab Aufbau und Begriffe des Periodensystems (PSE) Im Periodensystem der Elemente (PSE) sind alle derzeit bekannten Elemente aufgeführt. a) Nach welchem Prinzip sind die Elemente im PSE angeordnet? b) Erläutern Sie die Begriffe «Periode» und «Hauptgruppe». a) Die Elemente sind nach steigender Ordnungszahl von links oben nach rechts unten angeordnet. b) Die senkrechten Spalten im gekürzten Periodensystem (ohne Nebengruppen) bilden die Hauptgruppen. In ihnen befinden sich jeweils Elemente ähnlicher chemischer Eigenschaften, da diese Elemente die gleiche Anzahl an Valenzelektronen besitzen. Es gibt insgesamt 8 Hauptgruppen. Die waagerechten Zeilen im Periodensystem werden als Perioden (bzw. Schalen nach dem Bohrschen Atommodell) bezeichnet. Es gibt insgesamt 7 Perioden bzw. Schalen. Elemente gleicher Periodennummer besitzen die gleiche Anzahl an Perioden bzw. Schalen.

3 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie Identifizieren eines Elements mittels Ordnungszahl und molarer Masse Ein Element hat die Ordnungszahl 17 und eine molare Masse von M = 35,5 g/mol. Beantworten Sie folgende Fragen, ohne Zuhilfenahme eines Periodensystems. a) Wie viele Außenelektronen besitzt das Element? b) In welcher Hauptgruppe und in welcher Periode steht das Element? c) Um welches Element handelt es sich? a) Das Element besitzt 7 Außenelektronen. b) Das Element steht in der 7. Hauptgruppe und der 3. Periode. c) Es handelt sich um das Element Chlor Zuordnung von Elementarteilchen Protonen, Elektronen und Neutronen sind Bestandteile eines Atoms. a) Ordnen Sie diese Begriffe dem Atomkern und der Atomhülle zu. b) Welche Ladungen besitzen die einzelnen Teilchen und wie verhalten sich die Massen relativ zueinander? a) Im Atomkern befinden sich die Protonen und Neutronen, in der Atomhülle die Elektronen. Protonen und Neutronen werden auch als Kernbausteine, so genannte Nukleonen, bezeichnet. b) Protonen besitzen die kleinste elektrisch positive Ladung (+ 1 e), Elektronen die kleinste elektrisch negative Ladung ( 1 e). Neutronen sind elektrisch neutral. Damit das Atom insgesamt neutral ist, müssen die Anzahl an Protonen und Elektronen stets gleich sein. Die Abkürzung «e» steht für Elementarladung. Die Massen von Protonen und Neutronen verhalten sich ungefähr im Verhältnis 1 : 1 zueinander, die Masse eines Elektrons beträgt im Vergleich dazu nur 1/ BohRsches Atommodell Ein Element besitzt insgesamt 16 Elektronen. a) Geben Sie ohne Zuhilfenahme des Periodensystems die Besetzung der Schalen nach Bohr an. b) Wie viele Elektronen wären notwendig, um Edelgaskonfiguration zu erreichen und um welches Element würde es sich dann handeln? a) Nach Bohr finden maximal 2 n 2 Elektronen auf einer Schale Platz, sodass sich für das Element folgende Besetzung ergibt: 1. Schale: = 2 Elektronen 2. Schale: = 8 Elektronen Die restlichen 6 Elektronen befinden sich auf der 3. Schale. b) 2 Elektronen wären notwendig, um eine «volle 8er-Schale», also Edelgaskonfiguration, zu erreichen. Es würde sich dann um das Element Argon handeln.

4 46 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie Isotope Was verstehen Sie unter dem Begriff «Isotop»? Geben Sie ein Beispiel an. Unter einem Isotop versteht man die Nuklide eines Elements, die sich in der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden. Die Anzahl an Protonen und damit auch Elektronen bleibt gleich. Isotope gibt es z.b. von den Elementen Chlor, Kohlenstoff und Wasserstoff Unterscheiden von Ionenbindung und polarisierter Atombindung Erklären Sie die Unterschiede zwischen einer Ionenbindung und einer polarisierten Atombindung am Beispiel der beiden Verbindungen HBr und NaBr. Eine Ionenbindung wird aus einem Metall und einem Nichtmetall gebildet. In diesem Beispiel bildet Natrium das Metall und Brom das Nichtmetall. Bei der polarisierten Atombindung sind die beteiligten Partner beide Nichtmetalle (hier Wasserstoff und Brom). Soll eine Ionenbindung gebildet werden, muss es zu einem vollständigen Elektronenübergang kommen. Natrium erreicht durch die Abgabe seines einzigen Valenzelektrons Edelgaskonfiguration, Brom erreicht dies durch den anschließenden Einbau dieses Elektrons. Es entstehen geladene Teilchen: das Natrium-Kation und das Bromid- Anion. Sie ordnen sich in einem sog. Ionen- oder Kristallgitter an. Bei der polarisierten Atombindung werden Elektronen nicht vollständig übertragen, sondern von den beteiligten Partnern gemeinsam in Anspruch genommen, hier Wasserstoff und Brom. Die Partner sind allerdings bei einer polarisierten Atombindung nicht gleichberechtigt. Das gemeinsame bindende Elektronenpaar ist zum Brom, dem elektronegativen Partner, hin verschoben, womit Brom negativ und Wasserstoff positiv polarisiert ist. Die Atome besitzen Teilladungen, die jedoch nicht mit «echten» Ladungen, wie bei einer Ionenbindung, verwechselt werden dürfen Ableiten von Eigenschaften der Elemente aus dem Periodensystem Aus dem Periodensystem sind Tendenzen bestimmter Eigenschaften von Elementen ableitbar. Vervollständigen Sie dazu bitte Tabelle 3.1. Tabelle 3.1 Eigenschaften von Elementen Eigenschaft Änderung innerhalb einer Periode von links nach rechts Änderung innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten Atomradius Elektronegativität metallischer Charakter molare Masse Basizität der Oxide Ionisierungsenergie Elektronenaffinität

5 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie 47 Tabelle 3.2 Lösung zu Tabelle 3.1 Eigenschaft Änderung innerhalb einer Periode von links nach rechts Änderung innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten Atomradius Abnahme Zunahme Elektronegativität Zunahme Abnahme metallischer Charakter Abnahme Zunahme molare Masse Zunahme Zunahme Basizität der Oxide Abnahme Zunahme Ionisierungsenergie meist Zunahme Abnahme Elektronenaffinität Zunahme (Ausnahme Edelgase) Abnahme Elektronenaffinität und Ionisierungsenergie Was verstehen Sie unter den Begriffen «Elektronenaffinität» und «Ionisierungsenergie»? Unter der «Elektronenaffinität» versteht man den Energiebetrag, der benötigt oder frei wird, wenn ein Elektron zum Zustandekommen einer Bindung in ein Atom eingebaut wird. Ob Energie frei oder benötigt wird, hängt davon ab, ob das Atom durch den Einbau eines Elektrons einen stabileren Zustand, im günstigsten Fall Edelgaskonfiguration, erreicht. Die «Ionisierungsenergie» ist der Energiebetrag, der benötigt wird, damit ein Atom für das Zustandekommen einer Bindung ein Elektron abgibt Intermolekulare und intramolekulare Bindungen Bei Bindungsarten wird zwischen intermolekularen und intramolekularen Bindungen unterschieden. a) Ordnen Sie in diesem Zusammenhang die Begriffe Wasserstoffbrückenbindung, Van-der-WaaLs-Bindung, Atombindung zu. b) Machen Sie eine Aussage über die Stärke der Bindungen. a) Bei Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-WaaLs-Bindungen handelt es sich in beiden Fällen um intermolekulare Bindungen, also Bindungen zwischen mindestens 2 Molekülen. Die Atombindung ist ein Beispiel für eine intramolekulare Bindung. Hierbei handelt es sich um eine Bindung innerhalb eines Moleküls.

6 48 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie b) Intermolekulare Bindungen sind schwächer ausgeprägt als Bindungen innerhalb eines Moleküls. Die Wasserstoffbrückenbindung ist im Vergleich zwischen intermolekularen Bindungen stärker als die Van-der-WaaLs-Bindung. Sie kann nur auftreten, wenn ein Dipolmolekül mit Wasserstoff als beteiligtem Partner vorliegt. Van-der- WaaLs-Bindungen finden sich auch zwischen unpolaren Molekülen wieder Komplexbindungen Komplexbindungen stellen eine wichtige Bindungsart dar. a) Erklären Sie in diesem Zusammenhang die Begriffe «Koordinationszahl» und «Zähnigkeit». b) Was ist das Besondere, wenn Komplexionen in Lösung gebracht werden? a) Die «Koordinationszahl» gibt die Anzahl der direkt an das Zentralatom gebundenen Liganden an und entscheidet somit über den räumlichen Bau des Komplexes. Unter der «Zähnigkeit» versteht man die Anzahl an Elektronenpaaren, die ein Ligand zur Verfügung stellen kann. b) Komplexionen sind in Lösung praktisch nicht dissoziiert. Gl verdeutlicht dies am Beispiel von Kaliumhexacyanoferrat(II). H2O K 4 [Fe(CN) 6 ] 4 K + (aq) + [Fe(CN) 6 ] 4 (aq) (Gl ) Das Komplexanion (Hexacyanoferrat(II)) dissoziiert nicht in Eisen- und Cyanidionen, sondern bleibt als vierfach negativ geladenes Anion in wässriger Lösung bestehen Metallkomplexe und deren Gehaltsberechnung Gegeben sei die Komplexverbindung: Natriumtetrachloropalladat(II) a) Geben Sie die Summenformel der Komplexverbindung an. b) Für die Schwermetallbestimmung mittels AES sollen 100 ml wässrige Lösung mit 5 mg Palladium hergestellt werden. Wie viel mg Palladium-Komplex muss die Lösung enthalten? c) Wie viel ppm Palladium sind in 100 ml der wässrigen Lösung enthalten, wenn r(lösung) = 0,98 g/ml beträgt? M(Pd) = 106,4 g/mol, M(Na) = 23 g/mol, M(Cl) = 35,5 g/mol a) Na 2 [PdCl 4 ] b) Die Stoffmenge an Palladium (bzw. Pd-Komplex) in V = 100 ml Lösung errechnet sich nach Gl : (Gl )

7 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie 49 Eingesetzt in Gl erhält man: Die Masse an benötigtem Pd-Komplex errechnet sich nach Gl : (Gl ) c) Gl zeigt die Umrechnung des angegebenen Volumens in die Masse. (Gl ) Eingesetzt in Gl , erhält man: Die Masse an Palladium in 1000 g Lösung errechnet sich nach Gl (Gl ) Der Palladiumgehalt der wässrigen Lösung beträgt somit 51 ppm Benennung von Komplexen Je nach Art eines Komplexes erfolgt dessen Benennung. Vervollständigen Sie Tabelle 3.3. Tabelle 3.3 Benennung von Komplexen Summenformel Name Art des Komplexes Na 3 [Fe(CN) 6 ] Natrium-hexacyanoferrat(III) [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4 [Co(CO) 6 ] neutraler Komplex Tabelle 3.4 Lösung zu Tabelle 3.3 Summenformel Name Art des Komplexes Na 3 [Fe(CN) 6 ] Natrium-hexacyanoferrat(III) anionischer Komplex [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4 Kupfertetr(a)amin(II)-sulfat kationischer Komplex [Co(CO) 6 ] Hexacarbonylcobalt(0) neutraler Komplex

8 50 Gestreckte Abschlussprüfung, Teil 1 Allgemeine und Präparative Chemie Elektrostatische Anziehungskräfte bei Metallbindungen Die Metallbindung ist durch starke elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den beteiligten Partnern charakterisiert. a) Erklären Sie die Bindung unter Verwendung der Begriffe «Atomrumpf» und «Elek tronengas». b) Metalle besitzen darüber hinaus eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie die Fähigkeit, den elektrischen Strom zu leiten. Erklären Sie diese Eigenschaften. a) Die Valenzelektronen eines Metalls bilden das sog. Elektronengas, das die zurückgebliebenen Metallkationen (Atomrümpfe) umgibt. Die Atomrümpfe ordnen sich in Form eines regelmäßigen Metallgitters auf festen Plätzen an. Die Valenzelektronen (bzw. das Elektronengas) hingegen sind frei beweglich. Elektronengas und Atomrümpfe haben entgegengesetzte Ladungen, wodurch es zu starken elektrostatischen Anziehungskräften kommt. b) Die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallen beruht auf der guten Übertragung der Schwingungen der Metallkationen mit Hilfe des Elektronengases. Der Grund für die Fähigkeit eines Metalls, den elektrischen Strom zu leiten, liegt in der freien Beweglichkeit der Elektronen Atomdarstellung nach BohR Bild 3.1 zeigt die Darstellung eines Atoms nach dem Bohrschen Atommodell Bild 3.1 Atomdarstellung eines Elements nach Bohr a) Um welches Element handelt es sich? b) Geben Sie die allgemeine Formel für die maximale Schalenbesetzung für Elektronen nach Bohr an. Wie viele Elektronen haben somit auf der 2. Schale Platz? a) Es handelt sich um das Element Sauerstoff. b) Die allgemeine Formel lautet: 2 n 2. Folglich haben auf der 2. Schale maximal 8 Elektronen Platz.