Abschlussklausur Wahlpflichtfach AAnorganische Chemie für Geowissenschaftler@ (Modul BGGM1.3.1) Name, Vorname:... Matrikel.Nr.:... 1. Geben Sie die (vollständigen) Valenzstrichformeln für CO 2 und SO 2 an und beschreiben Sie die räumliche Anordnung der Atome in diesen Molekülen. Wie viele - und wie viele π -Bindungen gibt es in diesen Molekülen? + linear trigonal-eben (gewinkelt) 8 2 + 2π + 2 + 2π + CO 2 und SO 2 sind Nichtmetalloxide. Durch welches chemisches Verhalten unterscheiden sich Nichtmetalloxide von Metalloxiden? Nichtmetalloxide ergeben mit Wasser eine Säure? Metalloxide ergeben mit Wasser eine Lauge/Base? 5 Wenn Nichtmetalloxide mit Metalloxiden reagieren, dann ergibt das ein Salz?
2. Teilen Sie die Elemente des Periodensystems in zwei Gruppen mit unterschiedlichem chemischen Verhalten ein (jedes Element des Periodensystems muss entweder in der einen oder in der anderen Gruppe auftauchen!): Gruppe A Metalle 2 Gruppe B Nichtmetalle Können Sie sich auch eine entsprechende Einteilung der Elemente des Periodensystems in drei Gruppen vorstellen (jedes Element des Periodensystems muss in genau einer der drei Gruppen auftauchen können)? Geben Sie für jede dieser Gruppen ein Beispiel an! Gruppe 1 fest/feststoffe Li, C usw. Gruppe 2 flüssig(flüssigkeiten Br oder Hg 6 Gruppe 3 gasförmig/gase H, He usw. 3. Wenn Sie eine starke Säure in Wasser lösen, dann dissoziiert diese Säure vollständig, vorausgesetzt, dass ihre Konzentration nicht zu groß ist (oder volkstümlicher: das genügend Wasser vorhanden ist). Nennen Sie zwei starke Säuren, die Sie in Ihrem Praktikum benutzt haben (chemische Formel!): 2 HCl, HNO 3, H 2 SO 4, HClO 4 (Hauptsache, es stimmt!) Nehmen Sie an, Sie sollen 1 Liter einer wässrigen Lösung von HCl herstellen, der genau 0,1 mol an H + -Ionen enthalten soll. Wie viel Gramm HCl müssten Sie dazu für 1 Liter Lösung benutzen (relative Atommassen: H = 1 g/mol, Cl = 35,5 g/mol)? 2 1 + 35,5=36,5 g/mol ; 0,1 mol * 36,5 g/mol =3,65 g (HCl H + + Cl - ) Wie groß ist der ph-wert dieser Lösung? 1 ph=-lg[h + ] [H + ] = 0,1 mol/l = 10-1 mol/l ph = 1
Eine andere starke Säure ist die Schwefelsäure. Wie viel g H 2 SO 4 müssten Sie denn lösen, um auch 1 Liter einer Lösung zu bekommen, die genau 0,1 mol an H + -Ionen enthält (relative Atommassen: H = 1 g/mol, O = 16 g/mol, S = 32 g/mol)? 2*1 + 32 + 4*16 = 98 g/mol; 0,1 mol * 98 g/mol = 9,8 g (aber: H 2 SO4 2H + + SO 4 2- ) 2 9,8/2 = 4,9 g H 2 SO 4 Wenn Sie Phosphorsäure, H 3 PO 4, statt der Schwefelsäure verwenden, um eine entsprechende Lösung mit genau 0,1 mol H + -Ionen pro Liter herzustellen, werden Sie kein Glück haben, wenn Sie 1/3 von 100 g *0,1 (also 3,33 g) H 3 PO 4 (Molmasse von H 3 PO 4 ist 100 g/mol) verwenden. Warum? 2 mittelstarke Säure, dissoziiert nicht vollständig : H 3 PO 4 3H + + PO 4 3- Wenn Sie aber doch 3,33 g H 3 PO 4 zu 1 Liter in Wasser lösen, ist der ph-wert der Lösung dann größer, gleich oder kleiner 1 (ist also die Konzentration an H + -Ionen in dieser Lösung kleiner, gleich oder größer als 0,1 mol/l)? wenn H 3 PO 4 vollständig dissoziierte, dann wäre [H + ] = 0,1 mol/l 1 da aber weniger H + entsteht (nicht-vollständige Dissoziation): [H+] < 0,1, ph > 1 Kennen Sie andere mittelstarke oder schwache Säuren (Nennen Sie zwei weitere!) 2 CH 3 COOH (Essigsäure), H 3 BO 3 (Borsäure), H 2 CO 3 (Kohlensäure) usw. Wenn Sie das Salz einer mittelstarken/schwachen Säure und einer starken Lauge in Wasser lösen, wie ist dann der ph-wert dieser Lösung? 1 sauer / neutral / basisch (Bitte die richtige Lösung unter- UND die falschen Lösungen durchstreichen!) Nennen Sie ein Salz, auf das Gesagte zutrifft (und das Sie im Labor verwendet haben!): 1 Na 2 CO 3, NaOOCCH 3 (Na-acetat) usw.
4. Wie weisen Sie Chlorid-Ionen in der chemischen Analyse nach? Geben Sie die Reaktionsgleichung für diesen Nachweis an: 1... Cl - +... Ag +... AgCl Was müssen/sollten Sie normalerweise bei fachgerechter Durchführung des Chlorid-Nachweises alles nacheinander machen, damit der Nachweis eindeutig ist? Gehen Sie davon aus, dass Sie einen Soda-Auszug Ihrer Analysensubstanz vorliegen haben! Sodaauszug mit verd. HNO 3 ansäuern AgNO 3 -Lösung zutropfen 4 weißer, käsiger Niederschlag von AgCl fällt aus Warum ist das Ansäuern in diesem Fall so wichtig? 1 sonst bildet sich mit dem CO 3 2- (Sodaauszug!) ein weißer Niederschlag von Ag 2 CO 3 5. Eine in der Technik häufig verwendete Säure ist die so genannte Salpetersäure, HNO 3. Stickstoff (N) ist ein Element der 5. Hauptgruppe und hat die Valenzelektronenkonfiguration 2s 2 2p 3, verfügt also über 5 Valenzelektronen. Könnte das O // 1 H-O-N JA / NEIN \\ O eine Valenzstrichformel für HNO 3 sein (Jedes O hat noch zwei e-paare, die nicht eingezeichnet sind!)? Geben Sie zwei chemische Grundsätze an, die für (+) oder gegen (-) diese Valenzstrichformel sprechen: (-)Oktettregel für N (Element der 1. Achterperiode!) nicht erfüllt 2 (-)N kann nur maximal 4 Bindungen ausbilden (hat nur 4 Atomorbitale in Valenzschale) 2 Geben Sie die/eine korrekte Valenzstrichformel für HNO 3 an: (An jedem O sind noch 2 freie e-paare und am O insgesamt 3 freie e-paare! Eine der beiden Formeln hätte gereicht!)
2 Geben Sie die Valenzstrichformel für H 3 PO 4 an: (an jedem O sind noch 2 freie e-paare!) Phosphor ist das Element, das in der 5. Hauptgruppe gleich unter Stickstoff steht und auch eine Valenzelektronenkonfiguration von (3)s 2 (3)p 3 hat. Warum kann P dann trotzdem fünf Bindungen zu den vier umgebenden O in der H 3 PO 4 ausbilden (und N in der HNO 3 eben nicht)? 2 als Element aus der 3. Periode hat P neben den s- und p-orbitalen, die auch N hat, noch d-orbitale, die zwar nicht mit Elektronen besetzt sind, aber für Bindungen genutzt werden können 6. Wenn Sie metallisches Zink mit verdünnter HNO 3 zur Reaktion bringen, dann entsteht ein farbloses Gas ( ) und das Zink löst sich auf. Stellen Sie die Reaktionsgleichung dafür auf: 1... Zn + 2 H +... Zn 2+ +... H 2 (Zn + 2HNO 3 Zn(NO 3 ) 2 + H 2 ) 1 H + Was ist bei dieser Reaktion das Oxidationsmittel? Wenn Sie metallisches Kupfer mit verdünnter HNO 3 zur Reaktion bringen, dann erfolgt keine Reaktion. Warum? 1 Cu ist ein (Halb)Edelmetall, deshalb ist Oxidationskraft von H + nicht ausreichend Wenn Sie metallisches Kupfer mit konzentrierter HNO 3 zur Reaktion bringen, dann entsteht ein braunes Gas und das Kupfer löst sich auf (blaugrüne Lösung). Stellen Sie die Reaktionsgleichung dafür auf: 2... Cu + 2 HNO 3... CuO + 2 NO 2 +... H 2 O (Cu gibt 2 e - ab, NO 3 - nimmt 1 e - auf) Was ist bei dieser Reaktion das Oxidationsmittel? 1 N in der (formalen) Oxidationsstufe +5 in der HNO 3 / HNO 3 konz.
Wenn Sie metallisches Zink mit konzentrierter HNO 3 zur Reaktion bringen, dann entsteht das gleiche braune Gas und das Zink löst sich auf (farblose Lösung). Warum entsteht bei dieser Reaktion nicht auch wie im ersten Fall Wasserstoff, wo doch Zink ein unedles Metall ist? 2 HNO 3 konz. ist nur wenig dissoziiert, also sind kaum H + vorhanden 7. Wie viele -Bindungen können die Elemente Si, P, S und Cl maximal ausbilden? 2 Si: 4 P: 5 S: 6 Cl: 7 Geben Sie jeweils eine Verbindung (Formel reicht) an, in der das zumindest prinzipiell möglich ist, dass entsprechend viele -Bindungen ausgebildet werden und schlagen Sie vor, wie der räumliche Aufbau der entsprechenden Verbindungen ist (Name des Polyeders reicht). Si: SiO 2 = SiO 4/2 Tetrader (natürlich auch SiF 4, SiCl 4, SiH 4 usw.) P: PF 5 trigonale Bipyramide / >normale= Pyramide S: SF 6 Oktaeder 8 Cl: ClF 7 pentagonale Bipyramide - (ClO 4 Tetraeder) Summe 68
Kommentare zur Abschlussklausur vom 15. Februar 2010: Zunächst einmal können Sie davon ausgehen, dass wir bei der Punktevergabe eher großzügig gewesen sind und eigentlich alles gewertet haben, wo wir auch nur im Ansatz etwas entdeckt haben, das zur Beantwortung beiträgt. Manchmal waren wir trotzdem geneigt Minuspunkte zu vergeben! Frage 1: C hat 4 Valenzelektronen, und O geht normalerweise 2 Bindungen ein, also sollte jedes der beiden O über eine Doppelbindung mit dem C verknüpft sein. 1 Doppelbindung = 1 σ- + 1 π-bindung, also insgesamt 2σ und 2π. Da am C keine weiteren Elektronen mehr vorhanden sind: lineares Molekül. S hat 6 Valenzelektronen, wieder ist jedes O über eine Doppelbindung mit dem C verknüpft sein. 1 Doppelbindung = 1 σ- + 1 π-bindung, also insgesamt 2σ und 2π. Da am S aber noch ein freies Elektronen-Paar vorhanden ist, das ähnlich viel Raum wie die Bindungen zum O beansprucht: trigonal-ebenes (gewinkeltes) Molekül. Man kann, muss aber nicht mit dem MO-Schema arbeiten, um die Bindungen zu erklären, warum auch? Ich zum Beispiel würde mir nicht zutrauen das MO-Schema für CO 2 richtig aufzustellen. Ein einfaches Abzählen reicht: zwischen zwei Atomen gibt es genau 1 Stück σ-bindung, jeder weitere Strich muss dann eine π-bindung darstellen! Sauerstoff kann nicht mehr als 2 Bindungen ausbilden, braucht er auch nicht, denn mehr als 2 Elektronen fehlen ihm nicht zur Edelgaskonfiguration! Nichtmetalloxid + Wasser ergibt Säure Metalloxid + Wasser ergibt Lauge Nichtmetalloxid + Metalloxid ergibt Salz (denn Säure + Lauge ergibt Salz + Wasser!) Das ist allerdings chemisches Grundwissen, und das sollte ein zukünftiger Geowissenschaftler auch beherrschen. Frage 2: Es war nach einer Einteilung in 2 Gruppen mit unterschiedlichem chemischen Verhalten gefragt, und die Frage auf der Seite vorher hatte doch schon die Antwort parat: Metalle und Nichtmetalle. Natürlich lassen sich auch noch andere Einteilungen vornehmen (obere und untere Hälfte, Elemente mit gerader und ungerader Ordnungszahl), die haben aber erst einmal nichts mit dem chemischen Verhalten zu tun. Beim zweiten Teil der Frage haben viele viel zu kompliziert gedacht: fest, flüssig, gasförmig, also die drei Aggregatzustände, hätten völlig ausgereicht. Wir haben aber auch andere Aufteilungen akzeptiert, aber warum dann die Beispiele vergessen (und die Punkte dafür verschenkt) wurden, bleibt unverständlich.
Frage 3: Mittlerweile sollten Sie wirklich alle ein Gefühl dafür haben, was (welche Substanz) eine starke Säure ist. Wie kommen die H + -Ionen aus der HCl in die wässrige Lösung? Richtig, HCl dissoziiert gemäß -, also werden aus 0,1 Mol HCl auch 0,1 Mol H + gebildet. Der Rest ist eigentlich nur die Bildung einer Summe und die Division/Multiplikation. Wenn schon gegeben ist, dass die Lösung 0,1 Mol H + pro Liter enthält, dann ist doch der ph-wert schnell auszurechnen bzw. besser sofort hinzuschreiben. Warum wohl haben wir als 2. Beispiel H 2 SO 4 genommen? Sie schreiben eine Chemie- und - keine Mathematikklausur! H 2 SO 4 dissoziiert in, aus 0,1 Mol H2 SO 4 entstehen dann 2*0,1 Mol H +, um 0,1 Mol H+ pro Liter Lösung zu haben muss man also nur die Hälfte von 0,1 Mol H 2 SO 4 nehmen. Die meisten haben (so wie wir das erwartet haben) einfach die Masse von 0,1 Mol H 2 SO 4 hingeschrieben. Hätte Ihnen da nicht ein Licht bei der verqueren Formulierung der nächsten Teilfrage aufgehen müssen (1/3 von 100 g * 0,1)? H 3 PO 4 ist eine mittelstarke Säure und dissoziiert deshalb nur teilweise, spaltet also nur einen (geringen) Teil der H + -Ionen ab. Wenn Sie also die von uns richtig berechnete Menge von 1/3*0,1 Mol H 3 PO 4 zu 1 Liter in Wasser lösen, entstehen nicht 0,1 Mol H +, sondern die [H + ] ist kleiner als 0,1 Mol/L, folglich ist der ph-wert größer 1. Andere (also außer H 3 PO 4 ) mittelstarke oder schwache Säuren haben auch einige nicht gewusst. Grundregel: Alles, was an Säuren ans Essen kommt, ist keine starke Säure! Also: Essigsäure, Zitronensäure, Kohlensäure usw. Salze aus einer starken Lauge und einer mittelstarken/schwachen Säure reagieren basisch, warum sollte das anders sein? Dazu muss man noch nicht einmal die Dissoziationsgleichgewichte aufschreiben! Starke Lauge viele OH -, mittelstarke/schwache Säure viel weniger H +. Ein Beispiel für ein solches Salz ist Na 2 CO 3, ein anderes NaOOCCH 3 (Na-acetat). Einige haben NH 4 Cl angeführt, das ist zwar falsch, weil HCl eine starke Säure und NH 3 eine mittelstarke Lauge ist, also gerade anders herum als gefordert, aber weil wenigstens das Prinzip verstanden wurde, gab es hierfür sozusagen Gnadenpünktchen. Frage 4: Wie oft habe ich das im Seminar und im Praktikum erwähnt? Und man muss sich ja auch nichts weiter merken, als dass Ag + -Ionen zugegeben werden. Natürlich sollte man auch die richtige Reihenfolge (s. Lösungen der Klausuraufgaben!) beachten. Wenn Sie nicht wissen, dass sich bei ungenügendem Ansäuern Ag 2 CO 3 bildet, wäre das noch nicht einmal so schlimm, denn dafür gab es ja nur 1 Punkt. Schade ist es trotzdem, denn dann haben Sie ja nur nachgekocht, was ich Ihnen vorgeschrieben habe.
Frage 5: Die angegebene Valenzstrichformel ist und bleibt falsch, und es gibt auch keinerlei (chemisch) sinnvolle Begründung dafür, warum sie stimmen sollte! Es ist weder die Oktettregel erfüllt (N hat Anteil an 5 Elektronenpaaren (10 Elektronen) und nicht an 4 (8 Elektronen = Oktett!), und die sollte für N als Element der 1. Achterperiode zutreffen, noch ist N mit 1 Stück 2s und 3 Stück 2p Orbitalen in der Lage mehr als 4 Elektronenpaarbindungen einzugehen, warum auch? Ein Anteil an insgesamt 8 Elektronen (4 Elektronenpaaren) reicht ja aus, um Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die einzige Möglichkeit, um diese beiden Bedingungen zu erfüllen, ist die in den Lösungen angegebene Valenzstrichformel (eigentlich 2 Stück!) mit einem positiv geladenem N und einem negativ geladenem O. Vielleicht resultiert ja aus dem positiv geladenem N die Wirkung von HNO 3 konz. als Oxidationsmittel (s. Frage 6)? Die Valenzstrichformel von H 3 PO 4 folgt dem gleichen Strukturprinzip wie H 4 SiO 4, H 2 SO 4 oder HClO 4 : P (oder Si, S bzw. Cl) sind tetraedrisch mit 4 O umgeben, dafür werden 4 Elektronen der 5 (4, 6 oder 7) in der Valenzschale vorhandenen verbraucht. Das (oder die) restliche(n) Valenzelektron(en) wird/werden für die Doppelbindung(en) verbraucht : 0 bei SiO 4 4-, 1 bei PO 4 3-, 2 bei SO 4 2- und 3 bei ClO 4 -. Und das sind auch nicht irgendwelche chemischen Spitzfindigkeiten, denken Sie nur bitte an die große Strukturvielfalt bei den Silikaten und den Phosphaten, die genau auf diesen Grundstrukturen beruhen. Bei P sind mehr als 4 Bindungen möglich, denn P steht in der 3. Periode (n = 3, also l = 0, 1 und 2, also s-, p- und d-zustände), also sind neben s- und p-atomorbitalen wie beim N auch d-orbitale vorhanden, wenn auch leere. Frage 6: Zink reagiert mit Säuren zu Wasserstoff (und bildet dabei Zn 2+ ). Dabei ist es grundsätzlich erst einmal gleich, ob die Säure HCl, HNO 3, H 2 SO 4 oder HAc (Essigsäure) ist, wenn nur H + -Ionen vorhanden sind, denn die sind das Oxidationsmittel. Wenn Ihnen die H + -Ionen an sich nicht geheuer vorgekommen sind, warum haben Sie denn dann nicht einfach die Reaktionsgleichung mit HNO 3 verd. darüber geschrieben? Zink ist ein unedles Metall, weil es von H + -Ionen oxidiert werden kann, Cu kann nicht von H + -Ionen oxidiert werden, da diese ein zu schwaches Oxidationsmittel für Cu sind. Cu zählt (deshalb) zu den (Halb)Edelmetallen. Natürlich entsteht bei der Reaktion von HNO 3 konz. mit Cu NO 2, und weder N 2 noch NH 3 oder N 2 O. N 2 ist ein farbloses Gas, wenn es braun wäre, dann müsste ja die Luft, die zu 80% aus N 2 besteht, auch braun sein. Auch die anderen beiden Kandidaten sind farblose Gase. Da Cu zu Cu 2+ oxidiert wird (CuO) und dabei 2 Elektronen abgibt (abgenommen bekommt), müssen die ja von einem Partner, dem Oxidationsmittel, aufgenommen werden. Das Oxidationsmittel kann nur N 5+ in der konz. HNO 3 sein, und die Bildung von braunem NO 2 ist die einzige sinnvolle Lösung.
Wenn Zink mit H + zu H 2 reagiert, dann muss doch bei der Reaktion von Zn mit HNO 3 konz. zu einem braunen Gas etwas anderes passieren. Gleich, ob das braune Gas richtig als NO 2 oder falsch als NH 3, N 2 oder N 2 O angesehen wird, auf gar keinen Fall ist es H 2. Aber warum? Es wurde eine konzentrierte Säure verwendet, das heißt: viel Säure und wenig oder gar kein Wasser, also findet vielleicht gar keine Dissoziation gemäß HNO 3 H + + NO 3 - statt und die konz. HNO 3 enthält keine (oder nur wenige) H +? Das wäre doch einer Überlegung wert! Frage 7: Mal abgesehen davon, dass diese Frage erst vor wenigen Tagen im Seminar andiskutiert wurde, wie viele Elektronenpaar-Bindungen können denn mit 4, 5, 6 und 7 Valenzelektronen maximal ausgebildet werden, wenn die entsprechenden Elemente der 3. Periode angehören (also über leere d-orbitale verfügen)? Im Prinzip hätten Sie nur die entsprechenden Element-Fluor-Verbindungen hinschreiben müssen: SiF 4 bis ClF 7, es war ja nur nach der prinzipiellen Möglichkeit gefragt. Der Bindungspartner muss also einwertig sein (wie F) und er muss eine hohe Elektronegativität haben (wie F), denn sonst bilden sich zum Beispiel mit H solche stabilen Verbindungen wie HCl oder H 2 S. Dass Geowissenschaftler die regelmäßigen Körper mit 4, 5, 6 (und vielleicht auch 7 Ecken) kennen, hätten wir aber vorausgesetzt. Übrigens haben wir ClO 4 - als Beispiel für Cl auch als richtig bewertet, da es dieses Anion im Gegensatz zum ClF 7 tatsächlich gibt, sofern Sie 4 σ-bindungen und tetraedrischer Aufbau angegeben haben.