Klausur zur Vorlesung AC1 (Anorganische Experimentalchemie) am Klausur B

Transkript

1 B* Note: (*nur für Biologie, Lehramt) 1 Vorname: Matr.-Nr.: Nachname: Studiengang: Chemie und Biochemie Lehramt Chemie vertieft Musterlösung! Bitte beachten: Die hier aufgeführte Teilpunktevergabe ist nur ein Vorschlag. Daraus erwachsen keine Ansprüche! Es kommt auf die Gesamtlösung an. Lehramt Chemie nicht vertieft Biologie Pharmaceutical Sciences.. Hinweise: Nur ein Schreibwerkzeug (kein Bleistift) und ein nicht programmierbarer Taschenrechner sind erlaubt! Schreiben Sie bitte gut leserlich. Unleserliche oder mit Bleistift geschriebene Teile werden nicht gewertet. Geben Sie nachvollziehbare Lösungs- bzw. Rechenwege an. Lösungen ohne Ansätze bzw. ohne Lösungswege werden nicht gewertet. Im Anhang befinden sich ein Periodensystem, Tabelle mit Konstanten und Schmierblätter. Sämtliche Notizen auf den Schmierblättern werden nicht gewertet! Die pro Aufgabe erreichbare Punktzahl ist in [ ] Klammern angegeben (Höchstpunktzahl 100)..

2 1. Geben Sie alle Oxidationszahlen an für: 2 (a) [1] O2 + O: +1/2 1 P (b) [2] S2O3 2- S: +II 1 P O: -II 1 P (c) [2] NO2 + N: +V 1 P O: -II 1 P (d) [2] NaAlH4 Na: +I 1 P H: -I 1 P (e) [2] AsF6 - As: +V 1 P F: -I 1 P (f) [1] PO3 3- P: +III 1 P Achtung: -1 P (einmalig), wenn die gradzahligen Oxidationsstufen in arabischen Zahlen angegeben wurden) Punkte 1:

3 2. Zeichnen Sie die Lewisformeln mit allen Valenzelektronen an allen Atomen und geben Sie die Gestalt der Moleküle (bzw. Ionen) an für: 3 (a) [2] NO2 + O + N O 1 P linear 1 P (b) [2] N3 Linear (c) [2] PF5 1 P 1 P eine Grenzstruktur ist ausreichend 1 P eine Grenzstruktur ist ausreichend gewinkelt 1 P (d) [2] SiO4 4 1 P tetraedrisch 1 P (e) [2] NO3 1 P Trigonal-planar 1 P Punkte 2:

4 3. [10] Im Folgenden sind die Kristallstrukturen einiger Verbindungen bzw. Elemente gezeigt. Unterschiedlich große oder verschieden gefärbte Kugeln symbolisieren unterschiedliche Atomsorten. Ordnen Sie die in der Tabelle angegebenen Verbindungen bzw. Elemente den dargestellten Strukturen zu (Nummern in Tabelle eintragen!). Nicht alle angegebenen Verbindungen bzw. Elemente können den Strukturen zugeordnet werden. Tragen Sie bei diesen Verbindungen/Elementen ein x ein. : 4 (1) (2) (3) (4) (5) Verbindung/Element Struktur-Nr. Mg Nr. 1 NaCl -rhomboedr. Bor x x CsCl Nr. 2 CaO Diamant x x He Nr. 1 ZnS (Zinkblende) Nr. 4 Na Bi x x 1 P pro Antwort Punkte 3:

5 4. Stoffeigenschaften 5 a.) [5] Kreuzen Sie an, welchen Aggregatzustand die folgenden Stoffe bei Normalbedingungen (20 C) haben (Falsche Antworten in dieser Teilaufgabe führen zum Punkteabzug!): Brom Ammoniumbromid weißer Phosphor Schwefeldioxid fest flüssig gasförmig X X Oleum X 1 P pro richtige Antwort, Punkteabzug bei falscher Antwort! (Sollten bei dieser Teilaufgabe insgesamt Minuspunkte rauskommen, wird als Gesamtpunktzahl 0P gerechnet) X X b.) [5] Geben Sie die Farben der folgenden Elemente, Verbindungen bzw. Ionen an: Brom: Rotbraun / (rot) Lackmus im Sauren: rot Phenolphthalein im Sauren: farblos Bleisulfid: schwarz BaSO4: farblos Graphit: schwarz Ozon (Gas): farblos Permanganat MnO4 - : violett Ultramarin (Lapis Lazuli): blau AgCl (frisch gefällt): farblos ½ P pro richtige Antwort Punkte 4:

6 5. Elektrochemie a.) [5] Ergänzen Sie die Skizze zum Aufbau einer elektrochemischen Konzentrationskette mit dem Redoxpaar Ag/Ag + mit den beiden Konzentrationen c1 = 0,1 mol/l und c2 = 0,01 mol/l: was ist der Elektrolyt in den beiden Zellen? Benennen Sie Kathode und Anode und zeichnen Sie c1 und c2 sowie die Richtung des Stromflusses ein. 6 Je 1 P für die Benennungen (Salzbrücke wird ja in (b) gefragt! b.) [1] Wie wird der Stromkreislauf geschlossen? Zeichnen Sie das verwendete Bauteil ein und benennen Sie es. Salzbrücke mit KNO3 1 P c.) [2] Formulieren Sie die Teilreaktionen an der Anode und Kathode. Ag Ag + + e - (Oxidation, Anode) 1 P Ag + + e - Ag (Reduktion, Kathode) 1 P d.) [1] Wie lautet die Nernst-Gleichung für jede Halbzelle? EAg/Ag+ =E 0 + 0,059(log c(ag + )) 1 P e.) [1] Berechnen Sie die auftretende Spannung in der o.a. Konzentrationskette? EAg/Ag+ =0,059(log 0,01 log 0,1) = -0,059 V trigonal-pyramidal 1 P Punkte 5:

7 6. Formulieren Sie die Gleichungen für die Reaktionen von: 7 (a) [2] weißem Phosphor mit Sauerstoff P O 2 P 4 O 10 2 P (b) [2] Sauerstoff mit Ammoniak nach Zündung 4 NH O 2 2 N H 2 O 2 P (c) [2] Magnesium mit Stickstoff nach Zündung 3 Mg + N 2 Mg 3 N 2 2 P (d) [2] Natriumoxid mit Kohlenstoffdioxid Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3 2 P (e) [2] Kohlenstoffmonoxid mit Wasserdampf bei 500 C und Anwesenheit eines Katalysators H 2 O + CO H 2 + CO 2 2 P Punkte 6:

8 7. [10] Stellen Sie die vollständigen Redox-Gleichungen für die folgenden Umsetzungen auf (nur Gesamtgleichung, keine Teilgleichungen!): 8 a.) Oxidation von kaliumnitrit mit Permanganat im Sauren 5 NO MnO H 3 O + 5 NO Mn H 2 O 2 P b.) Disproportionierung von Chlor in Natronlauge bei Raumtemperatur Cl NaOH NaCl + NaOCl + H 2 O 2 P c.) Thermische Zersetzung von Stickstoffmonoxid bei > 400 C 2 NO N 2 + O 2 2 P d.) Umsetzung von Kohle mit Wasser bei 900 C C + H 2 O CO + H 2 2 P e.) Umsetzung von Thiosulfat mit Iod 2 S 2 O I 2 S 4 O I - 2 P Punkte 7:

9 8. ph-wert-berechnungen. 9 In 1 L 0.1-molare Salzsäure wird Ammoniak eingeleitet (Volumenänderung ist vernachlässigbar; pk B (NH3) = 4.7. Berechnen Sie (Rechenweg angeben!) die ph-werte nach Zugabe von: (a) [2] 0 mol Ammoniak HCl ist eine starke Säure, somit: c(h 3 O + ) = c 0 (HCl) = 0.1 mol L -1 ph = lg[h 3 O + ] = lg(0.1) = 1 2 P (c) [4] 0.1 mol Ammoniak Die Lösung enthält: NH 4 Cl c(nh 4 Cl) = 0.1 mol L -1 NH H 2 O NH 3 + H 3 O + pk S = 14- pk B = 9.3 NH 4 + ist eine schwache Säure, somit: ph = ½ (pk S lg c 0 /mol L -1 ) = ½ (9.3 lg 0.1) = P (d) [4] 0.2 mol Ammoniak Die Lösung enthält: NH 4 Cl und NH mol L 1 NH 4 Cl (also NH + 4 ) 0.1 mol L 1 NH 3 ph = pk S lg([ha]/[a - ]) Puffergleichung ph = 9.3 lg(0.1/0.1) = P Punkte 8:

10 9. Bei 25 C beträgt das Löslichkeitsprodukt von PbS (a) [4] Wieviel Pb 2+ -Ionen (Anzahl!) enthalten 250 ml einer gesättigten Lösung? K L = [Pb 2+ ] [S 2- ] = P mit [S 2- ] = [Pb 2+ ] [Pb 2+ ] [Pb 2+ ] = [Pb 2+ ] 2 = ([Pb 2+ ] 2 )= 2 ( ) [Pb 2+ ] = P n(pb 2+ ) = moll -1 x 0.25 L = mol 1 P N(Pb 2+ ) = n(pb 2+ ) x N A = mol x mol -1 = P (b) [4] In einem Liter der gesättigten PbS-Lösung werden 39.0 g Natriumsulfid aufgelöst (Volumenänderung vernachlässigbar). Wieviel Pb 2+ -Ionen (Anzahl!) enthält die Lösung? c(s 2- ) = 39.0 g /78.0 gmol -1 /1 L = 0.5 moll -1 1 P K L = [Pb 2+ ] [S 2- ] = P mit [S 2- ] = 0.5 moll -1 [Pb 2+ ] 0.5 = [Pb 2+ ] = / 0.5 = 1.4x10-28 n(pb 2+ ) = moll -1 x 1 L = mol 1 P N(Pb 2+ ) = n(pb 2+ ) x N A = mol x mol -1 = P (c) [2] Das Löslichkeitsprodukt von PbCO3 beträgt Zu einem Liter einer gesättigten PbS-Lösung werden 100 ml 0.1 molare Na2CO3-Lösung hinzugegeben. Fällt hierbei ein Feststoff aus? (mit Begründung) Nein. Löslichkeitsprodukt von PbS ist kleiner 2 P Punkte 9:

11 10. Industrielle Verfahren: Schwefelsäureherstellung: 11 a) [6] Erläutern Sie an Hand von Reaktionsgleichungen (ohne Reaktionsbedingungen/Katalysatoren), wie man in der Technik in einem mehrstufigen Prozess, dem sog. Kontakt-Verfahren, Schwefelsäure ausgehend von elementarem Schwefel gewinnt. 1/8 S 8 + O 2 SO 2 2 P Auch gelten lassen: S + O2 SO2 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 2 P SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 2 P b) [2] Für einen der Reaktionsschritte benötigt man einen Katalysator. Erläutern Sie kurz (stichpunktartig!), warum ein Katalysator erforderlich ist und geben Sie an, ob die von Ihnen genannten Aspekte thermodynamischer oder kinetischer Natur sind. Welcher Katalysator wird verwendet? Katalysator: V2O5 1 P Begründung: exotherme Reaktion (Thermodynamik) ½ P Schnellere Gleichgewichtseinstellung (Kinetik) ½ P c) [2] Ein Großteil der Schwefelsäure wird zur Herstellung von Phosphorsäure benötigt. Formulieren Sie die Gleichung zur Herstellung der sogenannten Aufschlussphosphorsäure. Ca 3 (PO 4 ) H 2 SO 4 3 CaSO H 3 PO 4 2 P Punkte 10:

12 ANHANG: 1 2 He H Ne F O N C B Be Li Ar Cl S P Si Al Mg Na Kr Br Se As Ge Ga Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr V Ti Sc Ca K Xe I Te Sb Sn In Cd Ag Pd Rh Ru Tc Mo Nb Zr Y Sr Rb Rn At Po Bi Pb Tl Hg Au Pt Ir Os Re W Ta Hf La Ba Cs Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg E-Hg Fr Ra Ac Lu Yb Tm Er Ho Dy Tb Gd Eu Sm Pm Nd Pr Ce Lr No Md Fm Es Cf Bk Cm Am Pu Np U Pa Th Quelle: CRC 86th Konstanten: Avogadro-Konstante NA = mol -1 Universelle Gaskonstante R = J K -1 mol -1 Faraday-Konstante F = C mol -1 Atomare Masseeinheit u = kg