Wiederholungsklausur zur Vorlesung "Allgemeine Chemie" am 14.02.2007 Matrikelnummer: Name: Bitte eintragen: Vorname: Bitte eintragen Wievieltes Fachsemester: Fachrichtung: Sonstiges (bitte angeben): Bitte ankreuzen: Chemie Bachelor Chemie Lehramt Geowissenschaften (BA) Mol. Biotechnologie Pharmazie Bitte prüfen Sie Ihre Klausur sofort auf Vollständigkeit (Seiten fortlaufend nummeriert von 1 bis 11, Fragen von 1 bis 10) und Lesbarkeit. Spätere Reklamationen werden nicht berücksichtigt! Viel Erfolg! Aufgabe 1 a) Benennen Sie drei unterschiedliche Gittertypen für Salze der Zusammensetzung AB mit Angabe der Koordinationszahlen für A und B. (6 Punkte) Cäsiumchlorid CsCl KZ (A) = KZ (B) = 8 Natriumchlorid NaCl KZ (A) = KZ (B) = 6 Zinkblende ZnS KZ (A) = KZ (B) = 4 b) Wieviele Oktaeder- und Tetraederlücken gibt es in einer kubisch-dichtesten Kugelpackung? (2 Punkte) 4 Oktaederlücken Oder: Zahl der Oktaederlücken entspricht Zahl der Atome, die die kubisch-dichteste Kugelpackung aufbauen. 8 Tetraederlücken Oder: Zahl der Tetraederlücken ist doppelt so hoch wie Zahl der Atome, die die kubisch-dichteste Kugelpackung aufbauen. 1
c) Ein Salz ist aus Magnesium-, Aluminium- und Oxid-Ionen aufgebaut. In einer kubisch dichtesten Kugelpackung der Oxid-Ionen besetzen die Mg 2+ -Ionen ein Achtel aller Tetraederlücken und die Al 3+ -Ionen die Hälfte der Oktaederlücken. Welche Summenformel hat das Salz? (2 Punkte) Mg Al 2 O 4 Aufgabe 2 a) Die Reaktion C(s) + CO 2 2 CO (g) ist endotherm. (5 Punkte) Wie verschiebt sich die Gleichgewichtslage, wenn 1) der Druck erhöht wird? Nach links (in Richtung niedrigerer Molzahl an Gas) 2) die Stoffmenge des Kohlenstoffs erhöht wird? Nach rechts (System reagiert so, dass gestiegene Konz. an C verringert wird) 3) die Temperatur erhöht wird? Nach rechts (Verschiebung in Richtung Verbrauch von Wärme, bei endothermer Reaktion in Richtung Produkt) 4) das Volumen des Reaktionsgefäßes bei gleicher Anfangsmenge an CO 2 verkleinert wird? Nach links (Volumenverringerung führt zu Druckerhähung, Gleichgewicht verschiebt sich in die Richtung, welche die Molzahl von Gas verringert) 2
b) Gasförmiger Iodwasserstoff wird in einem geschlossenen Behälter bei 425 C gegeben, wo er sich teilweise in Wasserstoff und Iod zersetzt. Im Gleichgewicht findet man für die Konzentrationen, dass [HI] = 3,53 10-3 M, [H 2 ] = 4,79 10-4 M und [I 2 ] = 4,79 10-4 M beträgt. Berechnen Sie K C bei dieser Temperatur. (3 Punkte) 2 HI (g) I 2 (g) + H 2 (g) K C = [H 2 ] [I 2 ] [HI] 2 K C = [4,79 10-4 ] [4,79 10-4 ] = 1,838 10-2 [3,53 10-3 ] 2 c) Berechnen Sie G 0 für die folgenden Reaktionen bei 298 K. Falls die Reaktion unter Standardbedingungen bei 298 K nicht spontan ablaufen würde, bei welcher Temperatur (wenn überhaupt) würde die Reaktion spontan werden (> oder < als 298 K)? (5 Punkte) 2 PbS (s) + 3 O 2 (g) 2 PbO (s) + 2 SO 2 (g) H 0 = -844 kj mol 1, S 0 = -165 J mol -1 K 1 G 0 = H 0 - T S 0 = -844 kj mol 1 - (298 K. (-165 J mol -1 K 1 )) = = -844 kj mol 1 + 49,17 kj mol -1 = -794,83 kj mol -1 Reaktion läuft spontan ab 2 POCl 3 (g) 2 PCl 3 (g) + O 2 (g) H 0 = 572 kj mol 1, S 0 = 178 J mol -1 K 1 G 0 = H 0 - T S 0 = 572 kj mol 1 - (298 K. 178 J mol -1 K 1 )) = = 572 kj mol 1-53,044 kj mol -1 = 518, 956 kj mol -1 Reaktion läuft nicht spontan ab Reaktion läuft spontan ab, wenn T >>>>> 298 K 3
Aufgabe 3 a) Geben Sie die Valenzelektronenkonfiguration folgender Elemente an (3 Punkte): Silizium 3s 2 3p 2 Stickstoff 2s 2 2p 3 Phosphor 3s 2 3p 3 b) Für welches Element erwarten Sie eine höhere Ionisierungsenergie? Begründen Sie Ihre Entscheidung. (4 Punkte) 1) Silizium bzw. Phosphor P Ionisierungsenergie nimmt innerhalb einer Periode von links nach rechts zu, da höhere Kernladungszahl und kleinerer Atomradius 2) Stickstoff bzw. Phosphor N Ionisierungsenergie nimmt innerhalb einer Gruppe von oben nach unten ab, da kleinerer Atomradius c) Für welches Element, Natrium oder Magnesium, erwarten Sie eine Elektronenaffinität, die näher bei Null liegt? Begründen Sie Ihre Entscheidung. (2 Punkte) Mg Erdalkali-Elemente haben positive Elektronenaffinität; zeigt das Widerstreben an, die energetisch günstige s 2 -Konfiguration um ein zusätzliches Elektron zu erweitern. 4
Aufgabe 4 a) Zeichnen Sie die Strukturen der folgenden Verbindungen unter Zuhilfenahme der VSEPR- Regeln. (4 Punkte) NH 3 POCl 3 SF 6 XeF 2 b) Welche Struktur würden Sie für ein CO 2 -Ion erwarten? Zu welchem neutralen Molekül ist es isoelektronisch? Geben Sie die Valenzstrichformel für das Molekül an. (3 Punkte) isoelektronisch zu NO 2 c) Zeichnen Sie die Strukturen der beiden Isomere cis- und trans-pt(nh 3 ) 2 Cl 2. Welches der beiden Isomere besitzt ein Dipolmoment? (4 Punkte) cis-platin trans-platin Cis-Platin hat Dipolmoment. 5
d) Konstruieren Sie die Molekülorbitaldiagramme und stellen Sie die Elektronenkonfigurationen für das O 2 -Molekül und das O 2 -Anion auf. Bestimmen Sie jeweils die Bindungsordnung. (6 Punkte) O 2 Elektronenkonfiguration O 2 : σ(1s) 2 σ*(1s) 2 σ(2s) 2 σ*(2s) 2 σ(2p) 2 π(2p) 4 π*(2p) 2 Bindungsordnung: BO = ½ (Zahl der bindenden Zahl der antibindenden Elektronen) BO (N 2 ) = (8 4) = 2 2 Elektronenkonfiguration O - 2 : σ(1s) 2 σ*(1s) 2 σ(2s) 2 σ*(2s) 2 σ(2p) 2 π(2p) 4 π*(2p) 3 BO (N 2 ) = (8-5) / 2 = 1,5 6
Aufgabe 5 a) Formulieren Sie die Nernstgleichung. (2 Punkte) E = E + RT/nF. ln [C ox ] / [C Red ] oder E = E + 0,059V / n. log [C ox ] / [C Red ] b) Gegeben sind die Halbzellenpotentiale: Fe 2+ (aq) + 2e = Fe(s) E 0 = -0,440 V Fe 3+ (aq) + e = Fe 2+ (aq) E 0 = +0,771 V Errechnen Sie, mit Hilfe von G 0, das Potential für folgende Reaktion: Fe 3+ (aq) + 3e = Fe(s) (5 Punkte) (Faradaykonstante F = 96485 C mol 1 ) Zuerst G bestimmen, dann E G = -nf. E Fe 2+ (aq) + 2e = Fe(s) E 0 = -0,440 V G (1) = -2. F. (-0,440 V) = 0,88 V. 2 F Fe 3+ (aq) + e = Fe 2+ (aq) E 0 = +0,771 V G (2) = -1. F. 0,771 V = -0,771 V. F Fe 3+ (aq) + 3e = Fe(s) G(3) = G (1) + G (2) G(3) = 0,88 V. 2 F - (-0,771 V. F) = 0,109 V. F E(3) = - G(3) / nf = - 0,109 V. F / 3 F = - 0,036 V Aufgabe 6 a) Bestimmen Sie die Oxidationszahlen der angegebenen Elemente in folgenden Verbindungen: (5 Punkte) N in NH 3 = -III S in H 2 SO 4 = +VI O in H 2 O 2 = -I S in SO 3 = +VI Mn in KMnO 4 = +VII 7
b) Geben Sie die Reduktions- und Oxidationsteilgleichungen sowie die Gesamt- Reaktionsgleichungen für folgende Redox-Reaktionen an. (15 Punkte) 1) Kaliumpermanganat mit H 2 O 2 in saurer wässriger Lösung Ox. H 2 O 2 O 2 + 2 H + + 2 e - /. 5 Red. MnO 4 - + 5 e - + 8 H + Mn 2+ + 4 H 2 O /. 2 Gesamt: 2 MnO 4 - + 5 H 2 O 2 + 6 H + 2 Mn 2+ + 5 O 2 + 8 H 2 O 2) Cu 2+ mit Zn in Wasser Ox. Zn Zn 2+ + 2e - Red. Cu 2+ + 2e - Cu Gesamt: Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu 3) Aluminium mit Salzsäure Ox. Al Al 3+ + 3e - Red. H + + e - ½ H 2 /. 3 Gesamt: Al + 3 HCl AlCl 3 + 3/2 H 2 4) Wasserstoffperoxid mit Kaliumiodid Ox. 2 KI I 2 + 2e - + 2 K + Red. H 2 O 2 + 2e - 2 OH - Gesamt: 2 KI + H 2 O 2 I 2 + 2 KOH 5) Verbrennung von NH 3 mit O 2 zu N 2 und H 2 O Ox. NH 3 ½ N 2 + 3e - + 3 H + /. 2 Red. ½ O 2 + 2 e - + 2 H + H 2 O /. 3 Gesamt: 2 NH 3 + 3/2 O 2 N 2 + 3 H 2 O 8
Aufgabe 7 (9 Punkte) a) Welchen ph-wert hat eine 0,01 M HCl-Lösung? ph = -log [H + ] = -log (0,01) = 2 b) Welchen ph-wert hat eine 0,1 M Essigsäure-Lösung (pk S = 4,75)? ph = ½ (pk s log c o ) = ½ (4,75 log 10-1 ) = ½ (4,75 + 1) = 2,875 c) Welchen ph-wert hat eine Lösung aus Essigsäure (pk S = 4,75) und Natriumacetat im Molverhältnis 1:1? ph = pks = 4,75 (beim Molverhältnis 1:1) d) Schätzen Sie die Änderung des ph-werts bei Zugabe von 0,1 mol einer starken Säure zu der unter c) genannten Essigsäure/Natriumacetat-Lösung ab. Versetzt man eine Pufferlösung mit H 3 O + - Ionen, werden die H 3 O + - Ionen durch die Acetat- Ionen gepuffert; der ph-wert nimmt nur geringfügig ab. e) Welchen ph-wert hat eine 0,1 M NaOH-Lösung? poh = -log c(oh - ) = 1 ph + poh = 14 ph = 14 poh = 13 9
Aufgabe 8 (4 Punkte) a) Formulieren Sie das ideale Gasgesetz. p V = n R T b) Die molare Masse eines Stoffes soll bestimmt werden. Hierzu werden 33,5 mg des Stoffes in eine evakuierte Apparatur mit einem Volumen von 0,1 Liter eingebracht und auf 423 K erhitzt. Die Substanz liegt bei diesen Bedingungen vollständig gasförmig vor. Der Druck beträgt 6,2 10 3 Pa. Berechnen Sie die molare Masse des Stoffes. (R = 8,314 kpa L mol -1 K -1 ) P V = n R T n = m / M M = m R T / p V M = 0,0335 g. 423 K. 8,314 10 3 Pa mol -1 L K -1 = 190 g mol -1 6,2 10 3 Pa. 0,1 L Aufgabe 9 Erläutern Sie den Begriff Chelateffekt. Warum sind Chelatkomplexe allgemein sehr stabil? Geben Sie zwei Beispiele für Chelat-Liganden. (5 Punkte) Komplexe mit mehrzähnigen Liganden haben höhere thermodynamische Stabilität im Vergleich zu Komplexen mit einzähnigen Liganden. Erhöhung der Teilchenzahl bei Bildung der Chelatkomplexe; d.h. positive Reaktionsentropie S > 0 (Unordnung nimmt zu) Beispiele: EDTA, Ethylendiamin, Carbonat-Ion, Oxalat-Ion. 10
Aufgabe 10 a) Skizzieren Sie die energetische Aufspaltung der d-orbitale und deren Besetzung mit Elektronen für ein Ni 2+ - Ion im oktaedrischen Kristallfeld. (3 Punkte) b) Geben Sie jeweils ein Beispiel für einen oktaedrischen high-spin und low-spin Komplex. (2 Punkte) Beispiele Low-Spin: [Fe(CN) 6 ] 3- / 4-, [Mn(CN) 6 ] 3-, fast alle Co 3+ - Komplexe Beispiele High-Spin: Fe 2+ -, Fe 3+ -, Co 2+ - Komplexe mit Liganden wie H 2 O, F -, Cl -, NH 3,. c) Wie nennt man den lichtinduzierten Elektronenübergang im MnO 4 - - Ion, der für die violette Farbe verantwortlich ist? (1 Punkt) charge Transfer - Übergänge 11