Klausur : Allgemeine und Anorganische Chemie. Musterlösungen

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1 1 Klausur : Allgemeine und Anorganische Chemie Mo : Uhr Musterlösungen 1. Zeichnen Sie je eine Lewis-Formel (mit allen Formalladungen und freien Elektronenpaaren) für folgende Moleküle/Ionen: Kohlendioxid, Cyanat, Blausäure, Distickstoffmonoxid. Kein fünfbindiger Stickstoff! 2. Die Gleichung für das katalytische Reforming von Propan lautet C O 3CO Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie aus folgenden Bindungsenergien: C C 348, C 416, 436, O 463, C O (in Kohlenmonoxid) 1075 kj/mol. Kommentieren Sie die Zuverlässigkeit Ihres Ergebnisses. Bindungsenergien der Edukte: = 6802 Bindungsenergien der Produkte = = 6277 Δ = = 525 kj Limitierender Faktor: Bindungsenergien sind nicht konstant. 3. (a) Natürliches Aluminiumoxid hat die Zusammensetzung Al 2 O 3 x 2 O (variabler Wassergehalt). Welcher Wert von x entspräche der Verbindung Aluminiumhydroxid? (b) Apatit hat die Formel 3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaX 2 (X = einwertiges Anion wie F, O, Cl ). Die Formel lässt sich alternativ als Ca p (PO 4 ) q X ausdrucken. Berechnen Sie p und q. Al 2 O 3 x 2 O = Al 2 O (3+x) 2x ; 2Al(O) 3 wäre Al 2 O 6 6, also x = 3. 3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaX 2 = Ca 10 (PO 4 ) 6 X 2 ; also (teilerfremd!) p = 5, q = 3.

2 2 4. Zeichnen Sie ein MO-Diagramm für das Molekül N 2 (alle Orbitale kennzeichnen!). Wie ändert sich die Bindungsordnung, wenn man das Molekül (i) zu N 2 + ionisiert (ii) mit minimaler Energie elektronisch anregt? 5. Sind folgende Behauptungen richtig oder falsch (Begründungen!)?: (i) K w steigt mit der Temperatur (ii) Starke Basen haben kleine pk B -Werte (iii) 3 O + kann zu Wasserstoff reduziert werden (iv) Der Stromleitungsmechanismus "Protonensprung" funktioniert nicht bei Basen. (i) ja, Eigendissoziation des Wassers (2 2 O 3 O + + O ) ist endotherm (le Chatelier) (ii) ja, K B = [B + ][O ]/[B] und ist bei stärkeren Basen größer, aber pk B = log(k B ). (iii) ja, z.b. Reaktion zwischen Säure und unedlem Metall, Zn O + Zn ! (iv) doch, 6. Was verstehen Sie unter: (i) einer binären Verbindung (ii) gebranntem Kalk (iii) Dissoziationsgrad (iv) einer mehrbasigen Säure? (i) besteht aus zwei Elementen (ii) Calciumoxid, nach CaCO 3 CaO + CO 2 (bei etwa 1000 C) (iii) Der Dissoziationsgrad eines schwachen Elektrolyts ist der Bruchteil der Moleküle, der dissoziiert ist. (iv) Eine mehrbasige Säure hat mehr als ein -Atom, das als Proton dissozieren kann; z.b. 3 PO 4 (bildet drei Salzreihen). Normalerweise handelt es sich um O-Gruppen.

3 3 7. Leiten Sie die übliche Näherungsformel ab, die den p-wert einer Lösung einer schwachen Säuren berechnet. + [ 3O ][A ] Bei einer schwachen Säure gilt K S = [A] Soweit es keine sonstigen Quellen von + und A gibt, gilt [ 3 O + ] = [A ] = K [A S ] Bei einer schwachen Säure ist nur ein geringer Anteil der eingesetzten Konzentration C dissoziiert: [A] = C [ 3 O + ] C (da [ 3 O + ] << C) [ 3 O + ] (K S C) p ½(pK S log 10 C) 8. Beschreiben Sie die großtechnische Gewinnung von Schwefelsäure. Ausgangsstoff ist Schwefeldioxid. auptreaktion ist die exotherme Oxidation zu Schwefeltrioxid, die jedoch sehr langsam ist. SO 2 (g) + ½O 2 (g) SO 3 (g) Δ 0 = 99 kj Die übliche Lösung (erhitzen!) würde zu schlechteren Gleichgewichtsausbeuten führen (le Chatelier, exotherm), man verwendet also einen Katalysator (Vanadiumpentoxid) bei Temperaturen von C. Ein hoher Druck hilft auch (le Chatelier, weniger Gasmole bei den Produkten) 2VO 2 (f) + ½O 2 (g) V 2 O 5 (f) V 2 O 5 (f) + SO 2 (g) SO 3 (g) + 2VO 2 (f) Das Schwefeltrioxid könnte prinzipiell mit Wasser zu Schwefelsäure weiterreagieren (Δ 130 kj/mol), bildet aber einen Nebel über der Flüssigkeit. Deswegen wird das SO 3 in Schwefelsäure schnell absorbiert, wobei Dischwefelsäure (Oleum) gebildet und anschließend mit der berechneten Menge Wasser zu Schwefelsäure verdünnt wird. 2 SO 4 + SO 3 2 S 2 O 7 ; 2 S 2 O O 2 2 SO 4 9. Folgende Gleichungen sind zu ergänzen und auszugleichen: (i) MnO 4 + SO 2 3 Mn SO 4 (in wässriger Lösung) (ii) Ag (f) + NO 3 (konz.) AgNO 3 + NO (g) (iii) Mn(O) 2 (f) + O 2 Mn(O) 3 (f) (in alkalischer Suspension) (iv) P 4 O 6 (f) + 2 O? (i) (ii) MnO 4 + 5e Mn O SO O SO e 2MnO 4 + 5SO Mn SO O Ag + NO 3 AgNO e NO e NO O 3Ag + 4NO 3 3AgNO 3 + NO O Mn(O) 2 + O Mn(O) 3 + e O O + 4e 4O (iii) 4Mn(O) 2 + O O 4Mn(O) 3 (iv) P 4 O 6 (f) O 4 3 PO 3

4 4 10. (a) Was ist ein ideales Gas? Nennen Sie ein Gas, das sich in etwa ideal verhält. (b) Berechnen Sie das Volumen in Liter von 1 Mol eines idealen Gases bei 1 bar und 273 K. (Gaskonstante R = J K 1 mol 1 ). Ein ideales Gas hat keine intermolekularen Wechselwirkungen und kein Eigenvolumen der Moleküle. Die Edelgase oder die "permanenten" Gase ( 2, O 2, N 2 ) sind in etwa ideal. V = /10 5 = m 3 = 22.7 L 11. Warum sind folgende Substanzen bei Laborarbeiten gefährlich: (i) Flußsäure (ii) Ozon (iii) Kohlenmonoxid (iv) Poloniumchlorid? (i) F erzeugt schwere und schlecht verheilende Ätzwunden (und ätzt Glasgeräte). (ii) Ozon ist stark endergonisch und kann explodieren (bei hohen Konzentrationen, besonders in Kontakt mit organischem Material). Es ist auch giftig. (iii) CO ist giftig (blockiert den CO-Transport). (iv) Po ist radioaktiv und als α-emitter besonders gefährlich. 12. Erklären Sie den Begriff Wasserstoffbrücke. Skizzieren Sie die Wasserstoffbrückensysteme bei (i) Ameisensäure COO (ii) Eis (alle Brücken an einem Wassermolekül). Eine Wasserstoffbrücke ist eine Art Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Sie kommt in Systemen δ X δ+ L Y (δ) bei elektronegativen Atomen X und Y (haupts. F, O, N, Cl) zustande. Die Energie einer -Brücke liegt zwischen denen der vdw-kräfte und der kovalenten Bindungen. Dimer Polymer

5 5 13. Schreiben Sie einen Born-aber-Kreisprozess für das Salz Calciumfluorid. Zahlenwerte werden nicht benötigt. Geben Sie jedoch bei jeder Teilreaktion an, ob sie exotherm oder endotherm ist (Begründung!). Teilreaktion Enthalpieumsatz (qualitativ) Ca (f) Ca (g) Atomisierungs- oder Sublimierungsenthalpie (Δ at /Δ sub ) - ENDOTERM Ca (g) Ca 2+ (g) + 2e Summe der ersten beiden Ionisierungspotentiale ( IP) - ENDOTERM F 2 (g) 2F (g) Dissoziationsenergie (D 0 ) - ENDOTERM 2F (g) + 2e 2F (g) 2 Elektronenaffinität ( 2EA) - EXOTERM Ca 2+ (g) + 2F (g) CaF 2 (f) Gitterenergie ( U) - EXOTERM 0 Gesamtreaktion: Bildungsenthalpie (Δ f (CaF2)) - EXOTERM Ca (f) + F 2 (g) CaF 2 (f) 14. Was ist der prinzipielle Unterschied zwischen den Reaktionen von (i) Aluminium mit verdünnter Schwefelsäure und (ii) Kupfer mit konz. Schwefelsäure? Reagieren diese Metalle auch mit Basen? (i) ist eine Standardreaktion zwischen Säure und unedlem Metall (vgl. Aufgabe 5!): 2Al SO 4 Al 2 (SO 4 ) (ii) Kupfer ist ein Edelmetall und reagiert mit Säuren deswegen unter Wasserstoffentwicklung nicht. Konz. Schwefelsäure ist aber ein Oxidationsmittel, das zu SO 2 reduziert wird: Cu SO 4 CuSO 4 + SO O. Aluminium ist ein amphoteres Metall und reagiert auch mit Basen unter Wasserstoffentwicklung: 2Al + 2O O 2[Al(O) 4 ] Kupfer ist gegenüber Basen unreaktiv.

6 6 Sonderfragen Die Reaktion A + B Produkte wird mit einem großen Überschuss an B durchgeführt. Die Abbildung zeigt die Änderung der [A]-Konzentration im Verlauf der Reaktion. Welche Ordnung hat das Geschwindigkeitsgesetz bezogen auf Verbindung A? Das Geschwindigkeitsgesetz lautet allgemein d[a]/dt = k [A] x [B] y. Da aber B in großem Überschuss vorliegt, bleibt seine Konzentration in etwa konstant, so dass d[a]/dt = k [A] x. Die Abb. zeigt, dass d[a]/dt konstant ist, also keine Funktion von [A], so dass x = 0; nullte Ordnung bezogen auf A! 16. "auptgruppenmetalle bilden Kationen, indem sie ihre Valenzelektronen komplett abgeben und dabei eine Oktettkonfiguration erreichen". Kommentieren Sie diese Behauptung. Die Behauptung ist in vielen Fällen korrekt, z.b. Ca 2+, Al 3+. öher geladene Ionen können nicht gebildet werden, denn es kostet zu viel Energie, um eine untere Schale anzubrechen. Niedriger geladene Ionen wie Ca + werden üblicherweise nicht gebildet, da die Gitterenergie bzw. ydratationsenergie der maximalgeladenen Ionen ist zu günstig. Bei den schwersten Elementen der mittleren auptgruppen sieht man einige Ausnahmen, denn das häufigste Kation behält zwei s-elektronen in der Valenzschale (z.b. Pb 2+ ) der Inert-Paar-Effekt. Triviale Bemerkung: das Li + -Ion hat kein Oktett!

7 7 17. Wie viele ungepaarte Elektronen weisen folgende Übergangsmetallsysteme auf: (i) oktaedrisch, d 6 low spin (ii) oktaedrisch, d 7 high spin (iii) tetraedrisch d 7 (iv) quadratisch d 9? Zahl der ungepaarten Elektronen: Im tetraedrischen Fall sind die e-orbitale niedriger als die t 2 -Orbitale. Im quadratischen Fall hat das x 2 y 2 -Orbital bei weitem die höchste Energie (es ist das einzige, das direkt gegen alle vier Liganden gerichtet ist); die Reihenfolge der einzelnen Orbitale xy und z 2 kann je nach System unterschiedlich sein. Alternativ: bei 9 Elektronen auf 5 Orbitale verteilt muß gerade ein Elektron ungepaart bleiben!. 18. (a) Wie ist der Torsionswinkel Cl C C Cl bei cis- bzw. trans-1,2-dichlorethen? (b) Wie ist der kleinste Torsionswinkel C C bei der gestaffelten bzw. der ekliptischen Form des Ethans? C C C C Ethen Ethan (a) 0 (entlang der C=C-Bindung sind die Cl-Atome ekliptisch), 180 (b) 60, 0

8 8 Links: cis-1,2-dichlorethen (mitte: entlang der C=C-Bindung). Rechts: gestaffeltes Ethan entlang der C-C-Bindung. Eine Skizze (oder passende Erklärung in Worten) pro Torsionswinkel bitte!