Klausur zur Vorlesung Grundzüge der Chemie für Student(inn)en der Fächer Maschinenbau und Umwelt und Ressourcenmanagement 1 1.03.001 Bei den Rechenaufgaben sind die verwendeten Formeln, Ansätze und die wesentlichen Zwischenergebnisse aufzuschreiben. Die erreichbare Punktzahl ist in eckigen Klammern angegeben. (Gesamtpunktzahl: 84,0; zum Bestehen der Klausur benötigte Punktzahl: 4,0) 1. Wieviel Protonen, Neutronen und Elektronen weist das Chrom-Isotop 50 Cr auf? [1,5] 4 Protonen (0,5), 4 Elektronen (0,5), 6 Neutronen (0,5). Eine Analyse einer Substanz, die aus den Elementen Kalium, Mangan und Sauerstoff aufgebaut ist, ergab die folgenden Massenprozente: 4,74% K und 34,76% Mn. Ermitteln Sie die Substanzformel! [3,0] 100g der Substanz enthalten 4,74 g K, 34,76 g Mn und 40,50 g O (0,5). 4,74g n(k) = 0,633mol 1 39,0983gmol = 34,76g (0,5); n(mn) = 0,633mol 1 54,9380gmol = (0,5) 40,50g n(o) =,531mol 1 15,999gmol = (0,5) Stoffmengenverhältnisse: K : Mn : O wie 1 : 1: 4 (0,5) KMnO 4 (0,5) 3. Ein Element der mittleren Atommasse 0,3100 u besteht aus zwei Isotopen der Massen 0,01 u (Isotop 1) und 0,4134 u (Isotop ). Bestimmen Sie die prozentualen Anteile der beiden Isotope. [3,0] 0,3100 = x 0,01 + y 0,4134 (1,0) x + y = 1 (1,0) 0,3100 = x 0,01 + (1 - x) 0,4134 0,3100 0,4134 x = = 0, 5349 0,01 0,4134 (0,5) y = 1 x = 0,4651 53,5% Isotop 1 und 46,5% Isotop (0,5) 4. Geben Sie für die folgenden Moleküle Valenzstrichformeln an. a) Geben Sie alle gebundenen und freien Elektronenpaare, ggf. Formalladungen und ggf. mesomere Grenzstrukturen an. Sagen Sie unter Anwendung des VSEPR-Modells die Molekülstruktur (Koordinationspolyeder) und ggf. die jeweilige Pseudostruktur voraus. PH 3, NO 3, SiF 6, O 3 (Ozon) (9,0) b) Geben Sie für die folgenden Moleküle Valenzstrichformeln an. Geben Sie alle gebundenen und freien Elektronenpaare und ggf. Formalladungen an. C H (Acetylen), C H 4 O (Essigsäure). (3,0) [1,0]
5. a) Geben Sie die Struktur des Natriumchlorid-Typs an, indem Sie geeignete Schnitte der Elementarzelle wählen. Bezeichnen Sie die Achsen und geben Sie das Kristallsystem an. b) Geben Sie die Koordinationszahlen (CN) und die jeweiligen Koordinationspolyeder für beide Elemente an. c) Zählen Sie die Ionen pro Elementarzelle. Wieviel vollständige Kationen bzw. Anionen liegen pro Elementarzelle vor? [7,0]
3 6. Phosphortrichlorid [ H f (PCl 3 ) = 306,3 kj mol 1 ] und elementares Chlor stehen im Gaszustand mit gasförmigem Phosphorpentachlorid [ H f (PCl 5 ) = 399, kj mol 1 ] im chemischen Gleichgewicht. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und berechnen Sie die Standardreaktionsenthalpie H. b) Welchen Einfluss haben die folgenden Änderung auf die Stoffverteilung im Gleichgewicht? Erhöhung der Temperatur Erhöhung des Drucks Erhöhung der PCl 5 -Konzentration c) Machen Sie eine qualitative Aussage über die Entropieänderung S der Reaktion. [6,0] a) PCl 3 (g) + Cl (g) PCl 5 (g) (1,0) H = -399, kj mol -1 (-)306,3 kj mol -1 = -9,9 kj mol -1 (1,0) b) Erhöhung der Temperatur: Verschiebung des Gleichgewichts nach links (1,0) Erhöhung des Drucks: Verschiebung des Gleichgewichts nach rechts (1,0) Erhöhung der PCl 5 -Konzentration: Verschiebung des Gleichgewichts nach links (1,0) c) S < 0 (1,0) 7. Gehen Sie von dem hypothetischen Fall aus, dass Elektronen nicht nur zwei sondern vier mögliche Spinquantenzahlen aufweisen können. Wieviel Elemente würden dann in der ersten Periode des Periodensystems stehen? (Pauli-Prinzip und Hundtsche Regel sollen nach wie vor gelten.) Begründen Sie kurz ihre Antwort. [3,0] 4 Elemente, da das 1s-Orbital nun unter Beachtung des Pauli-Prinzips 4 Elektronen aufnehmen kann. (3,0) 8. Stellen sie sich vor, Sie würden 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen zunächst getrennt wiegen und dann zu einem Atom zusammenfügen. a) Nennen Sie den Namen und das Elementsymbol des so aufgebauten Atoms. b) Ist die Masse des Atoms größer, kleiner oder gleich im Vergleich zu der aus den 18 Elementarteilchen errechneten Masse? Begründen Sie ihre Antwort. [3,0] a) Kohlenstoff (0,5), 1 C (0,5) b) Die Masse des Atoms ist kleiner als die Summe der Massen der 18 Elementarteilchen (1,0). Die beim Atomaufbau freiwerdende Energie entspricht nach E = mc einer Masse (1,0). 9. Die endotherm verlaufende Zersetzung des Natriumazids wird im Airbag genutzt und verläuft nach NaN 3 (s) Na(s) + 3 N (g). Wieviel Gramm Natriumazid werden benötigt um 50 Liter N -Gas bei O C und 10 5 Pa zu erzeugen? Gehen Sie von idealem Verhalten aus. [3,0] Ideales Gasgesetz: pv = nrt pv n = (1,0) RT 50 L = 50 dm 3 = 50. 10-3 m 3 (0,5) n =,016 mol (0,5) n. /3. M = 95,4 g ;mit M(NaN 3 ) = 65,01 g mol -1 (1,0) 10. Zu einer gesättigten Lösung eines schwerlöslichen Sulfats der allgemeinen Zusammensetzung MSO 4 wird eine verdünnte wässrige Lösung des leichtlöslichen Natriumsulfats (Na SO 4 ) hinzugefügt. a) Formulieren Sie das Lösungsgleichgewicht und das Löslichkeitsprodukt L(MSO 4 ) des Sulfats.
4 b) Wie ändert sich die Löslichkeit von MSO 4 durch die Natriumsulfat-Lösung? Begründen Sie kurz ihre Antwort. [4,0] a) MSO 4 (s) M + (aq) + SO - 4 (aq) (1,0) L(MSO 4 ) = c(m + ) c(so 4 - ) (1,0) b) Der gleichionische Zusatz von SO 4 Ionen verringert die Löslichkeit von MSO 4. (1,0), da L(MSO 4 ) konstant ist (1,0). 11. Natrium reagiert spontan mit Wasser unter Normalbedingungen. a) Geben Sie die stöchiometrisch richtige Redoxgleichung an. b) Geben Sie die Halbreaktionen unter Angabe der Oxidationszahlen (SIND HIER NICHT ANGEGEBEN!!) an. c) Wie ändert sich der ph-wert im Fortschreiten der Reaktion? [3,0] a) Na(s) + H O H (g) + Na + (aq) + OH (aq) (1,0) b) Oxidation: Na Na + (aq) + e (0,5) Reduktion: H O + e H (g) + OH (aq) (0,5) c) Der ph-wert nimmt zu. (1,0) 1. Stellen Sie die folgenden Redoxgleichungen stöchiometrisch richtig. Geben Sie die Oxidationszahlen (SIND HIER NICHT ANGEGEBEN!!) aller beteiligten Elemente und die Halbreaktionen an. a) Die Darstellung von Mangan aus festen Stoffen: Al(s) + MnO (s) Al O 3 (s) + Mn(s). b) Reaktion von Aluminium in alkalischer Lösung: Al(s) + H O [Al(OH) 4 ] (aq) + H (g). c) Manganometrische Bestimmung von Fe + (aq) in saurer Lösung: MnO 4 (aq) + Fe + (aq) Fe 3+ (aq) + Mn + (aq). [9,0] a) Oxidation: Al(s) + 3 O Al O 3 (s) + 6e x (1,0) Reduktion: MnO (s) + 4 e Mn(s) + O x 3 (1,0) 4 Al(s) + 3 MnO (s) Al O 3 (s) + 3 Mn(s) (1,0) b) Oxidation: Al(s) + 4 OH (aq) [Al(OH) 4 ] (aq) + 3e x (1,0) Reduktion: H O + e H (g) + OH (aq) x 3 (1,0) Al(s) + OH (aq) + 6 H O [Al(OH) 4 ] (aq) + 3 H (g) (1,0) c) Oxidation: Fe + (aq) Fe 3+ (aq) + e x 5 (1,0) Reduktion: MnO 4 (aq) + 5 e + 8 H + (aq) Mn + (aq) + 4 H O (1,0) MnO 4 (aq) + 5 Fe + (aq) + 8 H + (aq) 5 Fe 3+ (aq) + Mn + (aq) + 4 H O (1,0) 13. 0,750 mol elementarer Stickstoff und,50 elementarer Wasserstoff werden in einem geschlossenen Reaktionsgefäß bei 450 C und 10 bar zur Reaktion gebracht, wobei sich Ammoniak nach der folgenden Gleichung bildet: N (g) + 3 H (g) NH 3 (g)
a) Wenden Sie das Massenwirkungsgesetz für diesen Fall an. b) Nachdem sich das Gleichgewicht eingestellt hat, beträgt das Reaktionsvolumen 1 Liter und es haben sich 0,060 mol Ammoniak gebildet. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K c. [5,0] 5 a) c Kc c( N ( NH 3) 3 ) c ( H ) (1.0) b) N (g) + 3 H (g) NH 3 (g) t o 0,750 mol,50 mol (1,0) t (0,750-1 x) mol (,50-3 x) mol x mol (1,0) mit x = 0,060 (0,5) Im Gleichgewicht: c(nh 3 ) = 0,06 mol c(n ) = 0,7 mol (0,5) c(h ) =,16 mol (0,5) K c = 4,96. 10-4 L mol - (0,5) 14. Berechnen Sie die ph-werte der folgenden Lösungen. Vernachlässigen Sie Volumeneffekte und geben Sie die Ergebnisse auf zwei Nachkommastellen an. a) 500 ml einer wässrigen Lösung, die 1,00 g HCl enthält. b) Ein Liter einer Lösung, die eine schwache Säure HA [c(ha) = 0,1 mol L 1 ] und ihrer korrespondierenden Base A [c(a ) = 0,1 mol L 1 ] enthält. (Säurekonstante K HA = 1 x 10 5 mol L 1 ) c) Eine Lösung hergestellt aus 0,05 mol NaOH in einem Liter Wasser. [5,5] M(HCl) = 36,4609 g mol -1 (0,5) 1,00g 0,5L M ( HCl) 1 c ( HCl) = = 0,0549mol L (0,5) ph = 1,6 (1,0) 0,1 b) ph = pk HA log 0,1 (1,0) ph = 5,08 (1,0) c) poh = 1,30 (0,5) ph = 1,70 (1,0) 15. Das folgende Galvanische Element weist eine EMK von 0,40 V bei 5 C auf. Cd(s) Cd + (aq) Ni + (1,0 mol L 1 ) Ni(s) a) Geben Sie die Elektrodenhalbreaktionen und die Gesamtreaktion an. b) Bestimmen Sie die Konzentration der Cadmium-Ionen. [E (Cd + Cd) = 0,400 V und E (Ni + Ni) = 0,30 V] [5,5] a) Oxidation: Cd(s) Cd + (aq) + e (1,0) Reduktion: Ni + (aq) + e Ni(s) (1,0)
6 Cd(s) + Ni + (aq) Cd + (aq) + Ni(s) (0,5) b) E = -0,30 V (-) 0,400V = 0,170 V (1,0) E = 0,40 V = 0,170 V - 0,059V c( Cd log c( Ni + + ) ) (1,0) c(cd + ) = 10 -,37 mol L -1 = 4. 10-3 mol L -1 (1,0) 16. Beantworten Sie kurz die folgenden Fragen. a) Wie heißt die Zustandsfunktion, die man betrachten muss, um über die Spontaneität einer chemischen Reaktion eine Aussage zu machen? Freie Reaktionsenthalphie G (1,0) b) Muss die unter 16.a) gefragte Zustandsfunktion im Falle einer von links nach rechts spontan verlaufenden Reaktion kleiner, gleich oder größer Null sein? kleiner Null (0,5) c) Welches ist das elektronegativste Element? Fluor F (0,5) d) Nennen Sie die drei Hauptbindungsarten der Chemie? metallische-, ionische- und kovalente Bindung (1,5) e) Nennen Sie ein Beispiel für einen Puffer. H 3 CCO H / NaO CCH 3 oder Essigsäure-Acetat-Puffer (1,0) f) Ein Bleiakkumulator hat chemisches Gleichgewicht erreicht. Wie groß ist die Spannung zwischen beiden Elektroden? 0 Volt (0,5) g) Wie wird in der Technik elementares Natrium hergestellt? Nennen Sie den Ausgangsstoff und den Namen des Verfahrens. NaCl, Schmelzflusselektrolyse (1,0) h) Wodurch zeichnet sich im Rahmen des Bändermodells ein Isolator aus? Eine große Bandlücke (0,5) i) Welches der drei Elemente N, Li und Ne weist das niedrigste erste Ionisierungspotential auf? Li (0,5) k) Wie lautet die Definition der Elektronenaffinität? Reaktionsenthalphie der folgenden Reaktion M + e M (1,0) l) Nennen Sie den Namen und die Formel einer zweiprotonigen Säure. H SO 4, Schwefelsäure (1,0) m) Nennen Sie die drei häufigsten Metallgitter. kubisch innenzentriert kubisch dichteste Packung hexagonal dichteste Packung (1,5) [10,5]