Kantonsschule Freudenberg. Chemie. Aufgaben zum Grundlagenfach. Übungen zum Unterricht von A. Bärtsch

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1 Kantonsschule Freudenberg Chemie Aufgaben zum Grundlagenfach Übungen zum Unterricht von A. Bärtsch Dez. 2013

2 Inhalt 1. Atombau 2. Radioaktivität 3. Kovalente Bindungen 4. Salze 5. Polarität und zwischenmolekulare Kräfte 6. Stöchiometrie 7. Reaktionsgeschwindigkeit 8. Gleichgewicht 9. Protolyse 10. Redoxrekationen 11. Luftschadstoffe 12. Labor Vorwort Vorteile einer Sammlung von ausaufgaben: Schüler können selbständig üben, weil es ausführliche Lösungen gibt. ausaufgaben müssen im Unterricht nicht besprochen werden. Prüfungsvorbereitung: Anforderung und Aufgabenstellung werden klar. Der Einsatz ist sehr flexibel. Nur jene Aufgaben empfehlen, die gerade zum Unterricht passen Achtung: Wenn Sie diese Aufgabensammlung übernehmen, müssen Sie die Lösungen mit Ihrem Unterricht abstimmen. Nur wenn die Aufgaben auf dieselbe Art und mit denselben Fachbegriffen erklärt werden wie in den Lektionen, werden die Schülerinnen und Schüler selbständig arbeiten können. Anhand der vorliegenden Aufgaben sehen Sie, welches Niveau in meinem Unterricht verlangt wird. Zürich, 28. Feb Amadeus Bärtsch

3 5. Aufgaben zu Polarität & zwischenmolekularen Kräften 5-1. Lösen sich die angegebenen Substanzen in Wasser? Begründen Sie Ihre Antwort. KN 3, CaC 3, C 3 C 2, C 3 CC 3, C 6 6, C 3 (C 2 ) 14 C 5-2. Wie viele Phasen entstehen, wenn KN 3, CaC 3, C 6 6, Wasser und C 3 (C 2 ) 14 C gemischt werden? 5-3 Geben Sie eine Flüssigkeit an, worin sich die angegebenen Substanzen lösen und begründen Sie Ihre Antwort. Cu(C 3 C) 2, C , C 2, C 7 16, (C 3 C 2 ) Zeichnen Sie die Lewisformeln der Moleküle und die Wasserstoffbrücken, die sie zu Wasser bilden: C 3 C 2, C 3 CC 3, C 6 6, C 3 (C 2 ) 14 C 5-5. Markieren Sie die Partialladungen in den angegebenen Molekülen. C 3 C 2, C 3 CC 3, C 6 6, C 3 CN Welche Moleküle sind polar? C 3 C, Cl, C 2, C 7 16 oder (C 3 C 2 ) 2? 5-7. Erklären Sie in wenigen Sätzen, warum sich Acetaldehyd C 3 C in Benzin löst Geben Sie an, welche der aufgeführten Stoffe wasserlöslich sind und begründen Sie Ihre Antwort: Cobalt(II)-nitrat, Schwefelwasserstoff, Magnesiumcarbonat, Natrium 5-9. rdnen Sie die angegebenen Stoffe nach steigendem Schmelzpunkt und begründen Sie Ihre Antwort. C 3 C C 2 C 3 (C 2 ) 16 C Al 2 3 Na 2 S 24

4 5-10. Zeichnen Sie die Lewisformeln der aufgeführten Moleküle. Geben Sie dann für jedes Molekül an, wo sich Wasserstoffbrücken bilden können. C, C 3 C 3, N(C 2 CNa) 3, SC 2 C(N 2 )C Zählen Sie fünf verschiedene Gase auf und überlegen Sie sich, wie Sie einer Formel ansehen können, dass es sich um ein Gas handelt Wie viel Wärme wird bei der Verbrennung von Acetylen C 2 2 in einem Schweissbrenner frei? Was wäre, wenn es keine Wasserstoffbrücken gäbe? Warum schwimmt Eis auf Wasser? rdnen Sie die angegebenen Stoffe nach steigendem Schmelzpunkt und begründen Sie Ihre Antwort. C 4 Zn C 3 S CC C 3 (C 2 ) 5 C C 3 (C 2 ) 5 CNa Warum leiten Metalle den elektrischen Strom? Warum bilden Metallatome keine kovalenten Bindungen? Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen: a) Butan C 4 10 brennt. b) Quecksilber(II)-oxid zerfällt beim Erhitzen zu Sauerstoff und Quecksilber. c) Kupfer(II)-acetat löst sich in Wasser. d) Chlorwasserstoff reagiert mit Natriumcarbonat zu Natriumchlorid, Wasser und Kohlendioxid e) Stickstoffmonoxid und Sauerstoff werden zu Stickstoffdioxid. f) Silber reagiert mit Chlor zu Silber(I)-chlorid. g) In einer wässrigen Lösung fallen Silber-Ionen und Chlorid-Ionen aus: es entsteht Silber(I)-chlorid. 25

5 5. Lösungen 5-1. K + N 3 ist ein Salz und löst sich gut in Wasser, da es sich um ein Nitrat handelt. Ca 2+ C 3 2 (Kalk), ist ebenfalls ein Salz, doch löst es sich schlecht in Wasser, da es sich um ein Carbonat handelt. (1) und (2) sind gut wasserlöslich, weil sie mit Wassermolekülen Wasserstoffbrücken bilden können und ihre apolaren Molekülteile verhältnismässig klein sind. (3) und (4) lösen sich nicht in Wasser, da die apolaren Molekülteile überwiegen. (1) (2) (3) (4) 5-2. Es bilden sich 3 Phasen. Begründung: C 6 6 und C 3 (C 2 ) 14 C mischen sich und bilden eine apolare, flüssige Phase; KN 3 löst sich in Wasser und bildet eine polare, flüssige Phase; CaC 3 ist in beiden Phasen unlöslich und liegt in einer dritten, festen Phase vor Cu 2+ (C 3 C) 2 ist ein Salz, das sich leicht in Wasser lösen lässt: Acetate C 3 C lösen sich gut in Wasser. C (Glukose, (1)) kann zahlreiche Wasserstoffbrücken bilden und lässt sich demnach leicht in Wasser lösen. C 2 (Formaldehyd, (2)) ist wegen seiner Fähigkeit, mit Wasser Wasserstoffbrücken zu bilden, ebenfalls gut in Wasser löslich. C 7 16 (eptan, (3)) vermag keine Wasserstoffbrücken zu bilden und widersetzt sich einer Vermischung mit apolaren Flüssigkeiten nicht. Es löst sich beispielsweise in Benzin Benzol C 6 6 oder Ether (4). (C 3 C 2 ) 2 ("Ether", genauer Diethylether (4)) bildet mit Wasser zu wenig Wasserstoffbrücken und ist daher nur schlecht in Wasser löslich. ingegen löst sich Ether gut in apolaren Flüssigkeiten wie (3) oder Benzol C

6 (1) (2) (3) (4) 5-4. Benzol (3) kann weder aktiv noch passiv Wasserstoffbrücken eingehen. (1) (2) (3) (4) 5-5. Benzol (3) weist praktisch keine Partialladungen auf. δ δ δ+ δ + δ + δ N δ + δ δ + (1) (2) (3) (4) 5-6. Weil Sauerstoffatome eine grosse Elektronegativität besitzen, weisen die Moleküle (1)-(3) viele Partialladungen auf und sind polar. Der Kohlenwasserstoff (4) dagegen ist apolar, weil die C- und -Atome fast dieselbe Elektronegativität aufweisen und deshalb nur winzige Partialladungen vorliegen. Dieethylether (5) hat 2 polare Bindungen zum Sauerstoff und viele apolare Bindungen zwischen C- und -Atomen. Dieethylether wird deshalb als apolar eingestuft. 27

7 Cl (1) (2) (3) (4) (5) 5-7. Acetaldehyd lässt sich in Benzin lösen, weil sich zwischen den Acetaldehydmolekülen keine Wasserstoffbrücken bilden können und die Benzinmoleküle deshalb zwischen Acetaldehydmoleküle die schlüpfen können. C C C C Anders ausgedrückt: Es gibt keine Kräfte, die einer Vermischung, welche infolge der Wärmebewegung von selbst stattfindet, entgegenwirken Co(N 3 ) 2 ist ein Salz und wie alle Nitrate leicht wasserlöslich. Schwefelwasserstoff 2 S bildet keine Wasserstoffbrücken und löst sich darum kaum in Wasser. MgC 3 ist ein schwerlösliches Salz (fast alle Carbonate sind schwerlöslich). Natrium ist ein Metall und lässt sich in elementarer Form nicht in Wasser lösen. In Wasser gegeben, wird es zu Na +, das sich gerne aquotisiert. Natrium löst sich also, weil es mit Wasser reagiert Reihenfolge der Schmelzpunkte, beginnend mit dem tiefsten Wert: C 2 < C 3 C < C 3 (C 2 ) 16 C < Na 2 S < Al 2 3 Begründung: C 2 -Moleküle bilden unter sich keine Wasserstoffbrücken. C 3 C-Moleküle können untereinander Wasserstoffbrücken bilden. C 3 (C 2 ) 16 C-Moleküle können untereinander ebenfalls Wasserstoffbrücken bilden. Sie besitzen aber mehr Elektronen. Die Moleküle üben beachtliche vdw-kräfte aufeinander aus. Natriumsulfid ist ein Salz, dessen Ionen wegen der elektrischen Ladung zusammengehalten werden. Aluminiumoxid ist ebenfalls ein Salz. Weil dessen Ionen stärker geladen sind als die Ionen des Natriumsulfids, ergeben sich zwischen ihnen stärkere Kräfte als beim Natriumsulfid und damit ein höherer Schmelzpunkt. 28

8 5-11. Diejenigen -Atome, die Wasserstoffbrücken ausbilden können, sind fett gedruckt: Na N Na N Na S Bei Raumtemperatur gasförmig sind z. B.: 2, N 2, C 2, C 4 (Methan), C 2 6, 2 S, Cl 2 oder C (Formaldehyd). Gase bestehen aus kleinen Molekülen, die keine Wasserstoffbrücken untereinander bilden. Weil die Moleküle klein sind, enthalten sie wenige Elektronen und die vdw-kräfte sind schwach Verbrennung von Ethin (=Acetylen, C 2 2 ): C C C C C C + C C kj kj kj kj = 2456 kj Es werden 2456 kj frei Es gibt viele Antworten. ier einige Beispiele: Die Schmelz- und Siedetemperaturen vieler Stoffe wären tiefer. Es gäbe deshalb weder Regen noch Meer auf der Erde und Kolumbus hätte Amerika zu Fuss entdeckt. Weil das Wasser bei Raumtemperatur gasförmig wäre, müssten Lebewesen verdursten. Die Erbsubstanz DNA könnte ohne Wasserstoffbrücken nicht funktionieren. Die Proteine würden ihre Form und damit ihre Funktion verlieren. Eisberge würden im Wasser versinken. Alle Flüssigkeiten würden sich miteinander mischen und apolare Stoffe würden sich in Wasser lösen. 29

9 5-14. Im Eis rücken die Wassermoleküle ein wenig auseinander, damit sie viele Wasserstoffbrücken bilden können. Eis hat damit eine geringere Dichte und schwimmt auf dem Wasser Reihenfolge der Schmelzpunkte, beginnend mit dem tiefsten Wert: C 4 < C 3 S < C 3 (C 2 ) 5 C < CC < C 3 (C 2 ) 5 CNa < Zn Begründung in Stichworten: C 4 -Moleküle: keine Wasserstoffbrücken; geringe vdw C 3 S: keine Wasserstoffbrücken; mittelstarke vdw C 3 (C 2 ) 5 C: Wasserstoffbrücken; grössere vdw CC: viele Wasserstoffbrücken; mittelstarke vdw C 3 (C 2 ) 5 CNa: Salz mit einfach geladenen Ionen Zinkoxid: Salz mit doppelt geladenen Ionen Weil sich die äussersten Elektronen bewegen können und nicht bei einem Atom bleiben müssen. Wenn Strom fliesst werden Elektronen vom Minus- zum Plus-Pol verschoben Metallatome besitzen einige wenige Valenzelektronen. Wenn diese Elektronen kovalente Bindungen eingehen erreicht das Metallatom den Edelgaszustand nicht a) 2 C C b) 2 g 2 g + 2 c) Cu(C 3 C) 2 Cu 2+ (aq) + 2 C 3 C (aq) d) 2 Cl + Na 2 C 3 2 NaCl + C e) 2 N N 2 Bemerkung: Sowohl Stickstoffmonoxid als auch Stickstoffdioxid sind Luftschadstoffe. Die Lewisformeln dieser Stoffe weist ein einzelnes Elektron auf. f) 2 Ag + Cl 2 2 AgCl g) Ag + (aq) + Cl (aq) 2 AgCl(s) Bemerkung: Silberchlorid ist schwer löslich. 30