2. Teilklausur zum Chemischen Grundpraktikum im WS 2008/09 vom ( Liebig-Laboratorium )

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1 2. Teilklausur zum Chemischen Grundpraktikum im WS 2008/09 vom ( Liebig-Laboratorium ) A1 A2 A3 A4 A5 Σ Note NAME:... VORNAME:...STICHPUNKTE ZU DEN LÖSUNGEN.. IMMATRIKULATIONSNUMMER:... Schreiben Sie bitte gut leserlich: Name und Vorname in Druckbuchstaben. Unleserliche Teile werden nicht gewertet! Die Bewertung der einzelnen Aufgaben ist jeweils in Klammern nach der Aufgabennummerierung angegeben. Insgesamt sind 50 Punkte erreichbar. Die Gesamtklausur gilt als bestanden, wenn 50% der erreichbaren Punkte erzielt wurden. Wichtig: 1. Schreiben Sie auf jedes Blatt oben Ihren Namen. 2. Schreiben Sie die Lösungen nur auf das Blatt der entsprechenden Aufgabe (wenn erforderlich die Rückseite benutzen). 3. Mit Bleistift geschriebene Aufgaben werden nicht gewertet! 4. Als Hilfsmittel ist nur ein nicht programmierbarer Taschenrechner zugelassen. 5. Falls Sie weitere Zusatzblätter benötigen, fordern Sie diese bitte beim Aufsichtspersonal an und verwenden Sie nur gekennzeichnete Zusatzblätter. Viel Erfolg beim Lösen der Aufgaben! Die Klausur umfasst 5 Aufgaben auf insgesamt 13 Blättern (1 Schmierblatt, PSE, Angaben zur Elektrochemie und eine Abbildung/Titrationskurve als Anhang). Überprüfen Sie unbedingt bei Erhalt der Klausur die Anzahl der Blätter auf Vollständigkeit!

2 Vorname: Nachname: 2/15 1. a) [6] Beschreiben Sie ausführlich, wie das Ansetzen und die Titerstellung einer Maßlösung erfolgt, die für eine Eisenbestimmung mittels Permanganatometrie benutzt werden soll. Verwenden Sie dazu Reaktionsgleichungen, die Sie aus Teilgleichungen herleiten. Vgl. Sie dazu die Übungsaufgaben 22, 25, 39 und 40. z.b m ansetzen: M(KMnO 4 ) = in der Regel wird zu 0.1 n angesetzt, also abwiegen und zu 1L im Maßkolben auffüllen; Einstellung mit Oxalsäure als Urtiter

3 Vorname: Nachname: 3/15 1. b) [2] Welche Faktoren beeinträchtigen die Titerbeständigkeit einer Kaliumpermanganat-Lösung? (Hinweis: Spannungsreihe) Wie kann der Zersetzung der Maßlösung bedingt entgegengewirkt werden? Vgl. Sie auch dazu die Übungsaufgaben 22, 25, 39 und 40. Kaliumpermanganat kann beim Stehen in wässriger Lösung teilweise Wasser zu Sauerstoff oxidieren (vgl. Potentialwerte im Anhang!) Zersetzung durch Licht, Staub usw., daher im Dunkeln und unter Schutz vor Verun- Reinigungen aufgewahren. 1. c) [2] Der Braunstein ist in Wasser schwer löslich. Beschreiben Sie eine Möglichkeit, wie Sie die Verbindung für den analytischen Nachweis des enthaltenen Metalls in eine wasserlösliche Form überführen können. (Reaktionsgleichungen verwenden!) Am einfachsten z.b. durch Lösen in Salzsäure: MnO HCl MnCl Cl H 2 O. Auch andere Lösungen möglich, z.b. auch Aufschließen mittels Oxidationsschmelze u.a.

4 Vorname: Nachname: 4/15 2. a) [4] Zur Herstellung einer Maßlösung von Dinatrium-ethylendiammoniumtetraacetat-Dihydrat werden z.b. hochreine Metalle verwendet, die zu diesem Zweck vollständig in Säure gelöst werden. Beschreiben Sie die prinzipiellen Arbeitsschritte zur Herstellung und Einstellung einer solchen Maßlösung ausgehend von hochreinem Zink. Verwenden Sie die nötigen Reaktionsgleichungen (übliche IUPAC-Abkürzungen benutzen; Angabe von Indikatoren/pH-Wert nicht erforderlich!). Wie wird prinzipiell die Konzentration der Maßlösung berechnet? Vgl. Sie dazu die Übungsaufgaben 21. Zn + 2 HCl Zn Cl + H 2 (auch verdünnte Schwefelsäure möglich) Die erhaltene Zink(II)-Lösung dient nun als Urtiter. Na 2 H 2 edta (Kristallwassergehalt berücksichtigen, s.o.) einwiegen, zu 1 L im Maßkolben auffüllen und dann mit Zn-Urtiter den Faktor dieser Maßlösung bestimmen. Berechnung: z.b. 1 ml 0.01 m Titriplex III = mg Zn 2+

5 Vorname: Nachname: 5/15 2. b) [1] Warum sollten komplexometrische Maßlösungen in PE-Flaschen und nicht in Glasflaschen aufbewahrt werden? Aus der Glasoberfläche können sich u.u. Metallionen (z.b. Ca 2+ ) herauslösen, die mit der Zeit den Gehalt der edta-maßlösung verändern können. Durch die Verwendung von Kunststoff-Flaschen wird das vermieden. 2. c) [2] Die Bestimmung der Gesamthärte von Trinkwasser wird bei einem Wert von ph 10 vorgenommen. Wie realisieren Sie, dass diese Bedingung eingehalten wird? Der ph-wert sollte unbedingt konstant gehalten werden, da bei der Komplexbildungsreaktion Protonen in die Lösung abgegeben werden. Dadurch wird der ph- Wert erniedrigt; der Ca-Komplex verliert unter diesen Bedingungen an Stabilität, es kann Zersetzung des Komplexes erfolgen. Daher ist erforderlich, die Lösung mit dem System NH 3 /NH 4 + zu puffern. Das erfolgt über die Zugabe der Indikatorpuffertablette, oder besser noch durch eine zusätzliche Zugabe einer entsprechenden Pufferlösung.

6 Vorname: Nachname: 6/15 2. d [3] Das zur Präparation der Maßlösung (in Aufgabe 2a) verwendete Wasser sollte keine Spuren von Schwermetall- oder Erdalkalimetall-Ionen enthalten. Sie haben eine Methode kennen gelernt, wie störende Fremd-Ionen aus wässrigen Lösungen entfernt werden können. Beschreiben Sie das Prinzip der Methode am Beispiel von Ca 2+ -Ionen. Geben Sie dazu die notwendigen Erläuterungen. Ionenaustauschverfahren z.b. über einen sauren Kationenaustauscher, vgl. dazu Vorlesung zum GP der Vorjahre bis zum WS 2008/09. Prinzip: Austauschersäule mit Salzsäure in die H + -Form überführen; neutral waschen und anschließend das Ca- bzw. Mg- enthaltende Wasser über die Säule schicken. Dabei werden diese Ionen an den aktiven Zentren (z.b. -SO 3 oder - COO - Gruppen gebunden; es resultiert somit entionisiertes Wasser.

7 Vorname: Nachname: 7/15 3. a) [4] Wasserstoffperoxid kann als Oxidations- aber auch als Reduktionsmittel wirken ( Redoxamphoterie ). Beschreiben Sie diese Eigenschaft anhand der Reaktionsgleichungen für den analytischen Nachweis von Cr III in basischer Lösung bzw. der Zersetzung des Peroxids in Gegenwart von Chromat(VI) in saurer Lösung. Für die Oxidation in basischer Lösung gilt: 2 Cr H 2 O OH 2 CrO H 2 O. Farbwechsel von grün nach gelb, H 2 O 2 wirkt als Ox.-mittel, sein Sauerstoff wird zu oxidischem O reduziert. Für die Reduktion mit Chromat(VI) in saurer Lösung gilt: Sie sollten zunächst bedenken, dass sich hinter Chromat(VI) das CrO 4 2 verbirgt. Dieses existiert allerdings aufgrund des Chromat-Dichromat-Gleichgewichts nicht in saurer Lösung. Die Gleichung ist also sinnvoll nur mit dem Dichromat zu formulieren: Cr 2 O H 2 O H + 2 Cr O H 2 O. Farbwechsel von orange nach grün, H 2 O 2 wirkt als Red.-mittel, sein Sauerstoff wird zu elementarem Sauerstoff oxidiert.

8 Vorname: Nachname: 8/15 3. b) [2] Die gravimetrische Bestimmung von Nickel erfolgt über die Ausfällung als inneres Komplexsalz der Zusammensetzung Bis(dimethylglyoximato)nickel(II). Berechnen Sie den gravimetrischen Faktor und geben Sie an, wie der Gehalt an Nickel in einer Probelösung zu berechnen ist. (Abkürzung für Bis(dimethylglyoxim) = dmgh verwenden) Ni dmgh [Ni(dmg) 2 ] + 2 H + (roter Niederschlag) dmg = C 4 H 7 N 2 O 2 ; M = ; Die Zusammensetzung [Ni(C 4 H 7 N 2 O 2 ) 2 ] ist hier die Fällungs- und Wägeform! Gravimetrischer Faktor, λ = M (Ni) / M (Komplex) Molare Masse von [Ni(C 4 H 7 N 2 O 2 ) 2 ]: λ = / = Berechnung des Ni-Gehaltes: die Auswaage einer Einzelbestimmung wird mit dem gravimetrischen Faktor multipliziert, da λ im Prinzip den Massenanteil an Nickel in der reinen Substanz darstellt.

9 Vorname: Nachname: 9/15 3. c) [4] Zeigen Sie, wie die Änderungen der Konzentrationen der Einzelkomponenten (Edukt/Produkt) das Potential eines Daniell-Elements beeinflussen. Wann wird eine Potentialerhöhung, wann eine Potentialerniedrigung auftreten? Hinweis: Gehen Sie bei Ihren Überlegungen zunächst von c = 1 mol. L 1 aus und beziehen Sie die EMK in die Berechnung mit ein. Reaktionsgleichung: Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ Berechnung der EMK, aus der Tabelle im Anhang entnehmen: E 1 (Zn 2+ /Zn) = 0.76 V E 2 (Cu 2+ /Cu) = V. EMK = ΔE = E 2 E 1 = V (= Zellenspannung). Nernst-Gleichung auf die Reaktion des Daniell-Elements angewendet (die festen Phasen Cu bzw. Zn werden in der Formulierung des MWG hier jeweils gleich 1 gesetzt!): E = / 2 lg ([Zn 2+ ] / [Cu 2+ ] ) Volt. E = lg ([Zn 2+ ] / [Cu 2+ ] ) Volt. Interpretation dieser Gleichung: Eine erhöhte Konzentration an Produkt (Zn 2+ ) wird das Potential erniedrigen, eine Konzentrationserhöhung des Edukts (Cu 2+ ) wird dagegen das Potential erhöhen.

10 Vorname: Nachname: 10/15 4. a) [2] Im Anhang finden Sie eine Abbildung der Titrationskurve einer Aminosäure (HA) mit einer Natronlauge-Maßlösung der Konzentration c = 0.5 mol. L 1. Zur Aufnahme der Kurve wurden mg der Säure in 200 ml Lösung vorgelegt. Am Startpunkt der Titration lag die Säure vollständig in Form des Hydrochlorids vor. Wieviel ml der Maßlösung wurden bis zum Titrationsgrad τ = 0.5 verbraucht? Welcher Punkt ist an dieser Stelle erreicht worden und welche Information kann der Kurve entnommen werden? (mathematische Beziehung verwenden!) Gegeben wurden noch die Werte pk S1 = und pk S2 = Am Punkt τ = 0.5 wurden genau 2 ml der Maßlösung verbraucht; in diesem Punkt ist der erste Pufferpunkt erreicht, der ph-wert-achse könnte bei genauerer Einteilung der Wert pk S1 entnommen werden. Es gilt an diesem Punkt die Puffergleichung: ph = pk S1 + lg ([HA] / [H 2 A + ]), da hier ([HA] / [H 2 A + ]) = 1, ist ph = b) [2] Wieviel ml der Maßlösung wurden bis zum Titrationsgrad τ = 1 zugegeben? Welcher Punkt ist an dieser Stelle erreicht worden und in welcher Form lag die Aminosäure hierbei vor? Am Punkt τ = 1 wurden genau 4 ml der Maßlösung verbraucht; in diesem Punkt ist der isoelektrische Punkt (ph IP ) erreicht, die Aminosäure liegt als Zwitterion vor, keine Beweglichkeit mehr im elektrischen Feld.

11 Vorname: Nachname: 11/15 4. c) [2] Wieviel ml der Maßlösung wurden bis zum Titrationsgrad τ = 1.5 zugegeben? Welcher Punkt wurde erreicht und in welcher Form liegt die Aminosäure nun vor? Welche Information kann der Kurve entnommen werden? (mathematische Beziehung verwenden!) Am Punkt τ = 1.5 wurden genau 6 ml der Maßlösung verbraucht; in diesem Punkt ist der zweite Pufferpunkt erreicht, der ph-wert-achse könnte bei genauerer Einteilung der Wert pk S2 entnommen werden. Es gilt an diesem Punkt die Puffergleichung: ph = pk S2 + lg ([A ] / [HA]), da hier ([A ] / [HA]) = 1, ist ph = d) [4] Wie ist der isoelektrische Punkt (IP) definiert und wie errechnet sich der zugehörige ph-wert (im konkreten Fall)? Welche Aussage zur Wanderungsfähigkeit der α-aminosäuren im elektrischen Feld kann am IP gegeben werden? Wie kann aus den Angaben der Titrationskurve auf die Molekülmasse der Aminosäure geschlossen werden und welche Molmasse wird im konkreten Fall errechnet? ph IP = ½ (pk S1 + pk S2 ) = ½( ) = 5.70 Aminosäure liegt als Zwitterion vor, keine Beweglichkeit mehr im elektrischen Feld. Berechnung der Molmasse der Aminosäure (am IP, bei τ = 1): c 1 V 1 = c 2 V 2 c = n/v n 1 = n 2 m 1 /M 1 = m 2 / M 2 M 1 (AS) = (m 1 M 2 / m 2 ) Vereinfacht: M 1 (AS) = Einwaage (in mg) / mmol zugegebene OH -Ionen. Hier: M 1 (AS) = / 2 = (Info: Es handelte sich hierbei um die Aminosäure Serin, war aber nicht gefragt!)

12 Vorname: Nachname: 12/15 5. a) [5] Wie lauten die Geschwindigkeitsgesetze für Reaktionen 0., 1. und 2. Ordnung? v = d[a] / dt [A] = c 0. Ordnung: v = d[a] / dt = k 1. Ordnung: v = d[a] / dt = k [A] 0 2. Ordnung: v = d[a] / dt = k [A] 0 2

13 Vorname: Nachname: 13/15 5 b) [5] Bei der Untersuchung der Reaktion 2 AB 2 A + B 2 wurden die nachfolgenden Messwerte ermittelt. Bestimmen Sie daraus die Reaktionsordnung und die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion. t [s] c AB [mol/l] 1 0,5 0,33 0,25 0,2 Lösung: zunächst berechnen ln c AB / c AB Es handelt sich um eine Reaktion zweiter Ordnung, da der Kehrwert der Konzentration [L/mol] aufgetragen gegen die Zeit [s] (Skizze, nicht mit Bleistift!!) eine Gerade ergibt. k = Δ (1/ c AB ) / Δt = 1 L / mol s.

14 Vorname: Nachname: 14/15 Anhang: Ausgewählte Normalpotentiale (bei 25 C, saure Lösung) Halbreaktion E 0 /Volt Zn e Zn 0.76 Cu e Cu O H e 2 H 2 O MnO H e Mn H 2 O Cr 2 O H e 2 Cr H 2 O Cl e 2 Cl Au e Au MnO H e Mn H 2 O Au + + e Au MnO H e MnO H 2 O H 2 O H e 2 H 2 O

15 Vorname: Nachname: 15/15 Anhang: Titrationskurve einer Aminosäure mit einer NaOH-Maßlösung Die Titrationskurve finden Sie hier auf der Internetseite unter dem Link: Titrationskurve vom Serin (s. letzter Link unter Schnell zu )