Übungsaufgaben zur Vorlesung hemie für Biologen, WS 2005/2006 Themenbereiche Atombau, chemische Bindung, Stöchiometrie, Aggregatzustände 1. Ergänzen Sie folgende Tabelle: Symbol Z M Protonen eutronen Elektronen 81 Br 35 81 35 46 35 132 s 55 132 55 77 55 122 Sb 51 122 51 71 51 15 7 15 7 8 7 35 l - (oder 37 l - ) 17 35 oder 37 17 18 oder 19 18 (negative Ladung) 16 8 16 8 8 8 65 Zn 2+ 30 65 30 35 28 (zweifach positive Ladung) 2. Bestimmen Sie die Atome mit folgenden Elektronenkonfigurationen: 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 Kohlenstoff hlor Vanadium Zink 3. Brom kommt als Gemisch der Isotope 79 Br und 81 Br vor. In welchem Verhältnis kommen die beiden Isotope vor, wenn die mittlere Atommasse 79,90 u beträgt? n m( 79 Br) + (1 - n) m( 81 Br) = n 79 u + (1 n) 81 u = 79,9 u n = 0,55 Brom ist ein Gemisch von 55 % 79 Br und 45 % 81 Br. 4. Welches Salz entsteht bei der Reaktion von Strontium (Sr) mit hlor (l 2 )? Geben Sie die Elektronenkonfiguration der Ionen an. Welchen Edelgasen entsprechen diese? Es entsteht Strontiumchlorid (Srl 2 ), das aus Sr 2+ - und l - -Ionen aufgebaut ist. Die Elektronenkonfiguration von Sr 2+ ist 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 und entspricht damit der des Kryptons (Kr). Die Elektronenkonfiguration von l - ist 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 und entspricht so der des Argons (Ar).
5. Wie schwer sind 3,5 mol Titan? 6. Wieviel Mol Fel 3 sind 75 g? m(ti) = n(ti) M(Ti) = 3,5 mol 47,87 g/mol = 167,54 g n(fel 3 ) = m(fel 3 )/M(Fel 3 ) = 75 g / 162,2 g/mol 0,46 mol 7. Wieviel Prozent Eisen enthält Fe 2 3? 2 M(Fe) / M (Fe 2 3 ) = 2 55,85 g/mol / 159,7 g/mol 0,699 Fe 2 3 enthält 69,9 % Eisen. 8. Sie benötigen 0,3 mol Schwefelsäure ( 2 S 4 ). Wieviel Gramm müssen Sie abwiegen? m( 2 S 4 ) = n( 2 S 4 ) M( 2 S 4 ) = 0,3 mol 98,09 g/mol 29,43 g 9. Eine Verbindung enthält 94,1 % Sauerstoff und 5,9 % Wasserstoff. Wie lautet die richtige stöchiometrische Formel der Verbindung? Wie sieht die Lewis-Formel der Verbindung aus? n() = m() / M() = 5,9 g / 1,01 g/mol 5,9 mol n() = m() / M() = 94,1 g / 16,00 g/mol 5.9 mol Die empirische Formel der Verbindung lautet. Dies wäre jedoch keine stabile Verbindung, da es sich um ein Radikal (ein ungepaartes Elektron) handeln würde. Die richtige stöchiometrische Formel lautet daher 2 2, die Verbindung heißt Wasserstoffperoxid. -Radikal oder 2 2 -Molekül oder 10. Welchen Bindungstyp findet man in elementarem atrium metallisch elementarem Fluor kovalent atriumchlorid ionisch Diamant kovalent hlorwasserstoff kovalent Wasser kovalent Bariumbromid ionisch alciumfluorid ionisch elementarem Gold metallisch elementarem Wasserstoff kovalent elementares eon atomar (keine Bindung)
11. Welche der folgenden Stoffe sind elektrisch leitend? Diamant nein Argon nein Graphit ja Quarz (Siliciumdioxid) nein Magnesium ja Eisen ja Brom nein Kupfer ja Stickstoff nein Wasser nein 12. Wieso sind im Methanmolekül ( 4 ) alle Bindungen zwischen dem Kohlenstoffatom und den vier Wasserstoffatomen gleich? Im Methan ist der Kohlenstoff sp 3 -hybridisiert. Dadurch sind alle vier aus der Kombination der 4 sp 3 -ybridatomorbitale des Kohlenstoffs und den 4 s-atomorbitalen der Wasserstoffatome entstehenden σ-molekülorbitale gleich. 13. Wieso ist Ethen ein ebenes Molekül? Im Ethen sind die Kohlenstoffatome sp 2 -hybridisiert und damit planar 3-fach koordiniert (jeweils ein Kohlenstoffatom und zwei Wasserstoffatome). Zwischen den Kernen bilden sich eine σ-bindung durch die Kombination zweier sp 2 -ybridorbitale und eine π- Bindung durch die Kombination der beiden senkrecht dazustehenden p-atomorbitale aus. Folglich müssen auch die vier Wasserstoffatome, die über σ-bindungen an die Kohlenstoffatome gebunden werden, in der Ebene liegen, da sonst keine Überlappung der p-rbitale der Kohlenstoffatome möglich wäre. 14. Warum ist Sauerstoff paramagnetisch? Durch die Linearkombination der Atomorbitale der Sauerstoffatome ergeben sich folgende Molekülorbitale, die entsprechend des Aufbauprinzips, des Pauli-Prinzips und der undtschen Regel besetzt werden. -Atom 2 -Molek l * σ p -Atom π x * * π y 2p x,y,z π x π y 2p x,y,z Energie σ p 2s * σ s σ s 2s
Da die beiden antibindenden Molekülorbitale energetisch gleich sind, werden Sie mit jeweils einzeln mit Elektronen des gleichen Spins aufgefüllt. Damit enthält das Sauerstoffmolekül ungepaarte Elektronen, die den Paramagnetismus erklären. 15. Erläutern Sie den Begriff Mesomerie am Beispiel des itrations. Wie ist die Bindungsordnung der -Bindungen? Bei einigen kovalent aufgebauten Molekülen kann man die tatsächliche Bindungssituation mit der einfachen Lewis-Schreibweise nur unzureichend beschreiben. So lassen sich mehrere Strukturformeln angeben, die allerdings jeweils nur Grenzformen der tatsächlichen Situation widerspiegeln. Beim itration z.b. sind alle Bindungen gleichwertig, so dass die Bindungsordnung 4/3 oder 1,33 ist. 16. Wieviel Gramm atriumchlorid (al) können Sie aus 1g a und 1g hlor herstellen? Die Reaktionsgleichung für die Bildung von atriumchlorid aus elementarem atrium und elementarem hlor (l 2 ) lautet: 2 a + l 2 2 al D. h., man benötigt 2 mol atrium um 1 mol hlor umzusetzen. Vorliegen hat man n(a) = m(a) / M(a) = 1 g / 23,00 g/mol 0,043 mol n(l 2 ) = m(l 2 ) / M(l 2 ) = 1 g / 70,90 g/mol 0,014 mol Limitierender Faktor ist also das hlor. Da aus jedem mol hlor zwei mol atriumchlorid entstehen. Können bei vollständigem Umsatz höchstens 0,028 mol atriumchlorid gebildet werden. m(al) = n(al) M(al) = 0,028 mol 58,45 g/mol 1,6367 g. 17. Wie sehen die Lewis-Formeln und die dreidimensionalen Strukturen folgender Verbindungen aus? - Methan ( 4 ) tetraedrisch - Ammoniak ( 3 ) pyramidal - Wasser gewinkelt
- Kohlendioxid ( 2 ) linear - Ethin ( 2 2 ) - Methanol ( 3 ) linear - ydroxylamin ( 2 ) - Brom (Br 2 ) Br Br - Blausäure () linear - arnstoff ( 2 2 ) planar (durch Konjugationseffekte) 18. Ein Gasbehälter ist mit reinem Sauerstoff gefüllt. Wieviele Sauerstoffatome befinden sich in dem Gasballon, wenn er bei 25 und 1 atm (1013 mbar) ein Volumen von 15 l aufweist? Wie hoch wäre der Druck, wenn der Behälter bei derselben Temperatur statt mit Sauerstoff mit Argon gefüllt wäre? p V = n R T ideales Gasgesetz (R = 8,314 J / (mol K) = 8,314 Pa m 3 /(mol K) n( 2 ) = p V / (R T) n( 2 ) = (101300 Pa 0,015 m 3 ) / (8,314 Pa m 3 /(mol K) 298 K) 0,61 mol Da in 2 zwei Sauerstoffatome enthalten sind, ist die Anzahl der Atome () = n( 2 ) 2 A ( A = 6,02 10 23 mol -1, Avogadro Konstante) () = 7,34 10 23 Wenn in dem Ballon diegleiche Stoffmenge an Argon (n(ar) = n( 2 )) wäre, wäre der Druck gleich groß. Wären aber diegleiche Anzahl an Atomen vorhanden (() = (Ar), so dass n(ar) = 2 n( 2 ) wäre) so wäre der Druck doppelt so groß.