Übungsaufgaben Chemie Nr. 1

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1 Übungsaufgaben Chemie Nr Ein Smartphone hat eine quaderförmige Gestalt mit den Abmessungen 122 x 63 x 12 mm. Der eurasische Kontinent hat eine Fläche von 55 Millionen Quadratkilometern. Wenn wir 1.0 mol dieser Smartphones über diese Fläche dicht aneinandergelegt verteilen, wie hoch müssten die Smartphones gestapelt werden oder reicht die kontinentale Fläche für diese Menge aus? 2. Berechnen Sie bei den folgenden Verbindungen/Elementen die Stoffmenge (in mol) bzw. die Masse (in g): 10g NaCl 5 mmol Eisen (Fe) 2 mol Wasser (H 2 O) 50 g Fluorsulfonsäure (HSO 3 F) 250 mmol Quecksilber (Hg) 1 kg Lithiumdeuterid (LiD) 0.5 g Xenontetrafluorid (XeF 2 ) 3. Welche empirische Formeln haben die Verbindungen mit den folgenden Zusammensetzungen (Angaben in Masse-%)? 60.00% C ; 4.48% H ; 35.52% O 37.50% C ; 3.15% H ; 21.87% N ; 37.47% O 4. Welche Molekülformeln haben die Verbindungen mit folgenden empirischen Formeln und relativen Molekülmassen? SNH; g/mol CH 2 ; g/mol C 2 NH 2 ; g/mol HCO 2 ; g/mol 5. SiC wird bei hohen Temperaturen nach folgender Reaktionsgleichung erzeugt: SiO C SiC + 2 CO Wie viel kg Kohlenstoff sind zur Erzeugung von 50 kg SiC erforderlich? Wie viel kg CO (Kohlenmonoxid) entstehen bei dem Prozess? Wie viel m 3 Kohlenmonoxid sind dies unter Normalbedingungen? 6. Eine Lieferung Eisenerz besteht zu 50% aus Eisenglanz (Fe 2 O 3 ), 20% aus Ilmenit (FeTiO 3 ) und zu 30% aus Abraum. Wie viel kg Eisen sind in 2 Tonnen Erz enthalten? Wie viel kg Titan sind in diesen 2 Tonnen Erz enthalten? 7. Amblygonit LiAl[PO4]F ist ein Lithiummineral, welches genutzt wird, um Lithium zu gewinnen. Ihnen werden t zu einem Preis von 6.2 Mio $ angeboten. Der Preis für reines Lithium beträgt 4800 $/t. Ihre gesamten Aufarbeitungskosten für diese Menge würde ca. 2.5 Mio $ betragen und Sie wissen, dass ihr Prozess 90% des Lithiums aus diesem Mineral herausholen kann. Lohnt sich das Geschäft?

2 8. Wie hoch ist der prozentuale Wasseranteil in Glaubersalz (Na 2 SO 4 10 H 2 O)? 9. In einem evakuierten Behälter mit dem Volumen von 0.1 Liter werden 1 g Bleiazid (Pb(N 3 ) 2 ) zur Detonation gebracht. Pb(N 3 ) 2 Pb + 3 N 2 Wie hoch ist der Druck (in atm) im Behälter zum Zeitpunkt der Detonation, wenn die Explosionstemperatur von Bleiazid 3200 K beträgt? Hier kann nicht mit dem Molvolumen (22.4 Liter pro mol Gas) gerechnet werden! 10. In einem gut schließenden Hörsaal mit den Abmessungen 10 x 25 x 4 m, kommt es durch Unachtsamkeit zu einer Explosion von 150 g Bleiazid (siehe Aufgabe 9). Die Explosion findet im Raum, aber hinter einer transparenten und stabilen Schutzwand statt. Die Schutzwand wird durch die Explosion nicht beschädigt. Wie dürfte der Gesundheitszustand der Studenten und des Dozenten aufgrund des Schalldrucks sein (Gehörschäden können bereits bei einem kurzfristigen Schalldruck von 20 Pa auftreten)?

3 Hilfen zu den Aufgaben 1 mol = Teilchen 1 atm = Pa Molares Gasvolumen: 22.4 Liter; Gasgesetz: pv = nrt Gaskonstante: R = J/mol K; Explosionstemperatur von Pb(N 3 ) 2 : 3200 K Element Atommasse (g/mol) H 1.01 D 2.01 C N O Na Si Li 6.94 F Element Atommasse (g/mol) S Ti 47.9 Fe Cu Ag Pb Cl Hg Xe Was ist ein mol? Ein mol ist technisch gesehen etwas Ähnliches wie ein Dutzend, nur wesentlich mehr davon. Es ist folglich eine Mengenangabe über eine bestimmte Anzahl von Teilchen. Dies können Protonen, Wassermoleküle, Benzolmoleküle oder Äpfel sein (Bei Äpfeln wäre es unpraktisch, aber nicht unmöglich). 1 Dtzd = 12 Teilchen 1 mol = x Teilchen Weil wir es mit Teilchenzahlen zu tun haben, hat 1 mol Sauerstoff (O 2 ) ein anderes Gewicht als 1 mol Wasserstoff (H 2 ), bzw. 1 mol Chlor (Cl 2 ) oder 1 mol Wasser (H 2 O). Molgewicht (g/mol) O H Cl H 2 O Dies ist äquivalent zum täglichen Leben. Wir nehmen als Beispiel einen Bratapfel. Für zwölf Personen benötigen wir: Element Symbol Masse eines Teilchens 1 Dtzd. Äpfel Ap 120 g 4 Dtzd. Haselnüsse Hn 2 g 2 Dtzd. Mandeln Ma 4 g 1 Dtzd. Nelkennägel Nn 0.5 g 6 Dtzd. Rosinen Rs 1.0 g

4 Die Reaktionsformel für den Bratapfel würde also wie folgt aussehen: 1 Ap + 4 Hn + 2 Ma + 1 Nn + 6 Rs ApHn 4 Ma 2 NnRs 6 + Kh Wir haben aus 14 Dtzd. (168) Teilchen 1 Dtzd. größere Teilchen synthetisiert und erhalten als Nebenprodukt 1 Dtzd. Kerngehäuse (Kh). Das Gewicht des Bratapfels (107.5 g) ist sogar kleiner als das eines normalen Apfels, da die Masse des Kerngehäuses (35 g) größer ist als die Summe der Masse der Zutaten. In der Chemie sieht das ganz genauso aus. Ein Beispiel aus der organischen Chemie: Bei einer Verbindung mit den Massenanteilen 52.14% C, 34.73% O und 10.96% H soll die empirische Formel bestimmt werden. Gesamtmasse der Verbindung als 100 g annehmen (äquivalent zu den 100%) Massenanteil durch das jeweilige Atomgewicht dividieren (z.b /12.01 bei C) Kleinsten gemeinsamen Teiler ermitteln Im obigen Fall erhalten wir folgenden Verlauf: % g a.wt. Teiler C H O d.h. die Verbindung hat die empirische Formel C 2 H 5 O bzw. Vielfache davon (z.b. C 6 H 15 O 3 )

5 Lösungen der Aufgaben 1. Die Smartphones würden sich 1010 km hoch stapeln. 1 mol Smartphones von der beschriebenen Abmessung bedecken eine Gesamtfläche von mm 2, entsprechend km 2, dies entspricht dem 84 Mio fachen der Kontinentalfläche. Daraus folgt: x 12 mm = 1010 km. 2. Verbindung g mol a. 10g NaCl b. 5 mmol Eisen (Fe) c. 2 mol Wasser (H 2 O) d. 50 g Fluorsulfonsäure (HSO 3 F) 0.50 e. 250 mmol Quecksilber (Hg) f. 1 kg Lithiumdeuterid (LiD) g. 0.5 g Xenontetrafluorid (XeF 2 ) C 25 H 22 O 11 (größter gemeinsamer Teiler: 0.2) C 4 H 4 N 2 O 3 (größter gemeinsamer Teiler: 0.78) 4. S 4 N 4 H 4 ; C 5 H 10 ; C 6 N 3 H 6 ; H 2 C 2 O kg SiC entsprechen 1247 mol. Es werden folglich kg (3 x 1247 mol) Kohlenstoff benötigt. Daneben entstehen 69.9 kg (2 x 1247 mol) CO. Dieses Gas würde ein Volumen von 55.9 m 3 ausfüllen (1 mol Gas = 22.4 Liter). SiC g/mol CO g/mol 6. In den 2 t Erz sind kg Eisen und kg Titan enthalten. Fe 2 O g/mol; kg Eisen FeTiO g/mol; kg Eisen und kg Titan 7. Molmasse Amblygonit: g/mol; Anteil Li: 4.69% Aus den t können 2345 t Lithium extrahiert werden. Davon 90% sind 2110 t mit einem Wert von Mio $. Ihr Gewinn beträgt also: = 1.43 Mio $ 8. Glaubersalz als Dekahydrat besteht zu 55.9% aus Wasser. Na 2 SO 4 10 H 2 O g/mol 9. 1 g Bleiazid = mol. Aus einem mol Bleiazid entstehen 3 mol Stickstoff. Dieser Stickstoff entfaltet bei der besagten Temperatur einen Druck von 2.74 MPa (ca. 27 atm) in einem Volumen von 0.1 Litern. 10. Raumgröße: 1000 m 3, 150 g Bleiazid = mol bzw mol Stickstoff. Bei der Explosion wird kurzfristig eine Druckänderung von 41.1 Pa im Raumvolumen erzeugt. Es wird vermutlich bei allen Beteiligten zu Gehörschäden kommen. Zur Rechnung: p = nrt/v p= /1000 = 41.1 Pa