Übungsaufgaben Chemie Nr. 2

Dr. Michael Gebinoga; Technische Universität Ilmenau; Institut für Chemie und Biotechnik; FG Nanobiosystemtechnik
 +49-3677-693382  +49-3677-693379  [email protected]
Übungsaufgaben_Chemie_02a_MiG.doc
24.11.2014
Übungsaufgaben Chemie Nr. 2
9) Welche Elektronenkonfiguration haben Si, Cr, Gd, Au?
10) Zeichnen Sie das Orbitalschema für Sauerstoff (O2) auf.
11) Zeichnen Sie die Lewis-Formeln für folgende Moleküle:
C6H6 (mind. 2 Möglichkeiten), NH3, C2O2Cl2, HCNO (mind. 2 Möglichkeiten)
12) a) Wie groß ist die theoretische Masse eines 56Fe Atoms? b) Berechnen Sie daraus die
theoretische Masse von 1 mol dieser Eisenatome und den resultierenden
Massendefekt, wenn die tatsächliche Molmasse dieses Eisenisotops 55.844 g beträgt
(Den Massebeitrag der Elektronen können sie für diese Rechnung vernachlässigen).
13) Gleichen sie folgende Reaktionsgleichung aus und ermitteln sie die ganzzahligen
Faktoren a, b, c, x, y und z. Die Edukte verteilen sich gewichtsmäßig wie folgt: 75.9%
KNO3 , 14.5% C und 9.6% S.
a KNO3 + b C + c S  x CO + 5 N2 + y K2CO3 + z K2SO3
14) Sie möchten Aluminium aus Aluminiumoxid (Reinbauxit) nach dem Hall-HeroultProzess herstellen. Die Heizung für den Prozess bekommen Sie umsonst (Aufheizung
auf 950°C!), aber Sie müssen für den elektrolytischen Prozess und das
Ausgangsmaterial (aufgereinigtes Bauxit in Form von Na[Al(OH)4]) bezahlen. Sie
wollen 10 t Aluminium herstellen. Die Rahmenbedingungen und weitere Daten finden
Sie hier und in den Hilfen.
 Preis Bauxit (Na[Al(OH)4]):
50 €/t
 Preis elektrischer Strom: 0.20 €/kWh
 Spannung bei der Elektrolyse: 5 V
Glchg 1:
Glchg 2:
Na[Al(OH)4]  Al(OH)3 + NaOH  Al2O3 + H2O + NaOH
Al2O3  Al3+ + O2-  Al + O2
a) Gleichen Sie die Reaktionsgleichungen (1 und 2) aus.
b) Wieviel Tonnen Bauxit benötigen Sie im Einkauf?
c) Wieviel elektrische Energie (kWh) benötigen Sie in dem Beispiel für die
Produktion von 1 kg Aluminium?
d) Wie teuer wird für Sie insgesamt (Kosten für Bauxit und Elektrizität) die
Herstellung der 10 t Aluminium (Das reicht für ca. 65 Mittelklasseautos)?
15) In einem Kernreaktor werden pro Stunde 1 g Uran-235 nach folgender Formel
gespalten:
235
142
92
92U + 1 n 
56Ba + 36Kr + 2 n
Fragen:
a) Wie groß ist die theoretische Masse eines 235U Atoms und wie groß ist der
Massendefekt (in Gramm!) bezogen auf ein mol dieser Substanz?
b) Wieviel Energie (in Joule) wird in dem obigen Reaktor primär aus der
Kernspaltung gewonnen? (Beachten Sie dabei, dass die Spaltprodukte
ebenfalls eine nukleare Bindungsenergie aufweisen. )
c) Wieviel kWh elektrischer Energie würde dieser Reaktor bei einem
Wirkungsgrad von 35% pro Tag erzeugen können? (Beachten Sie, dass
thermische Energie niemals vollständig in elektrische Energie
umgewandelt werden kann (2. HS TD). D.h., in dem Beispiel werden nur
35% der erzeugten Primärenergie in elektrische Leistung umgewandelt).
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24.11.2014
16) Wieviel Gramm/Kilogramm würden Sie benötigen, um von den folgenden
Substanzen, jeweils 2 Liter einer 1.5-molaren Lösung herzustellen? Halten Sie das in
allen Fällen für machbar bzw. für eine gute Idee?
a) Kochsalz NaCl
b) Saccharose C12H22O11
c) Uranylacetat UO2(CH3CO2)2 · 2 H2O (Hierfür das „normale“ Uran nehmen)
d) Plutoniumnitrat Pu(NO3)4 (Es handelt sich um das Pu-239 Isotop)
e) Albumin (bestehend aus 584 Aminosäuren)
17) Wieviele ml einer 2-molaren Schwefelsäure benötigen sie, um eine Lösung von 10 g
NaOH in Wasser zu neutralisieren?
18) Zink (Zn) und Salzsäure (wässrige HCl Lösung) werden zur Reaktion gebracht.
Wieviel Gramm Zink müssen umgesetzt werden, damit 11.2 Liter gasförmiger
Wasserstoff (H2) entstehen (Normalbedingungen: 0°C, 101.3 kPa)?
Hilfen für die Aufgaben 9 - 18
Element
Atommasse (g/mol)
H
1.01
C
12.01
N
14.01
O
16.00
F
19.00
Na
22.99
S
32.06
Cl
35.45
K
39.10
Al
26.98
Zn
65.41
U
238.03
(“normales” bzw. nicht angereichertes Uran)
Pu-239
239.05
“Aminosäure” 109.5 (Es handelt sich um die durchschnittliche Molmasse der
natürlichen Aminosäuren)
--------------------------56
Fe
55.844
235
U
235.043923
142
Ba
141.9164482
92
Kr
91.9261528
Proton
1.007276
 mProton = 1,672621637 × 10-27 kg
Neutron
1.008665
 mNeutron = 1,674927211 × 10-27 kg
1 mol = 6.022 x 1023 Teilchen
R = 8.3145 J/mol K
e = 1.60218 x 10-19 C (Coulomb)
1 C = 1 A s (Ampere Sekunde)
1 kWh = 3600000 Ws
c = 299792458 m/s
(Für die Berechnungen hier kann der gerundete
Wert: c = 3×108 m/s verwendet werden)
2
E = mc
(Masse-Energie Äquivalenzgleichung;
Energie = Masse multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit)
Gasgesetz:
pV = nRT
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Molarität bzw. Stoffmengenkonzentration: Eine Lösung wird als 1-molar an Stoff X
bezeichnet, wenn 1 mol des Stoffes X in einem Volumen von 1 Liter eines entsprechenden
Lösungsmittels gelöst vorliegt.
Beispiel: 250-millimolare Lösung von NaF in 40 ml Wasser
NaF (Natriumfluorid) ist der Stoff X und Wasser ist das entsprechende
Lösungsmittel. 250-millimolar NaF in 1 Liter Wasser bedeutet 10.5 g pro Liter
und entsprechend in 40 ml sind es dann 420 mg NaF.
Lösungen der Aufgaben 9 - 18
9)
Si
Cr
Gd
Au
10)
[Ne] 3s2 3p2
[Ar] 3d5 4s
[Xe] 4f7 5d 6s2
[Xe] 4f14 5d10 6s
11)
12
a)
56.449126 g
b)
0.605126 g
13) 10 KNO3 + 16 C + 4 S  15 CO + 5 N2 + 1 K2CO3 + 4 K2SO3
14 a)
b)
c)
d)
15 a)
b)
c)
2 Na[Al(OH)4]  2 Al(OH)3 + 2 NaOH  Al2O3 + 3 H2O + 2 NaOH
2 Al2O3  4 Al3+ + 6 O2-  4 Al + 3 O2
43.74 t
für 1 mol Al  289449,8388 C; bei 5 V : 1447250 Ws
1 kg Al = 37.06 mol Al
Pro kg Al: 5.364 x 107 Ws  14.9 kWh (Literaturwert: Der Energieeinsatz
liegt bei 12.9–17.7 kWh pro produziertem Kilogramm Roh-Aluminium.)
Kosten (Bauxit): 2187 €; Kosten (Elektrizität): 29800 €
Theoretische Masse von 235U:
236.9085 u
Massendefekt:
1.864564 u
0.192657 g/mol Masse werden in Energie verwandelt.
Daraus folgt für 1 g 235U, dass 8.2×10-4 g in Energie umgewandelt werden.
Dies entspricht einer Energie von 7.38×1010 J
2.95×105 kWh
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16)
Substanz
NaCl
Saccharose
Uranylacetat
Plutoniumnitrat
Albumin
24.11.2014
m.w. (g/mol) f. 2 Liter 1.5M Lsg. Macht Sinn?
58.44
175.32 g
ok
342.30
1026.9 g
ok (für Cocktails)
424,15
1272.45 g
nein, es sind nur
76.94 g/L von der Substanz in Wasser löslich
487,09
1461.27 g
NEIN!*
63948,0
191,85 kg!
NEIN; unmöglich
*Die Menge könnte sich durchaus in Wasser lösen. Da Wasser aber Neutronen moderiert,
würden Sie eine überkritische Menge von Plutonium zusammenbringen und damit eine
extreme Leistungsexkursion mit erhöhter Neutronenstrahlung verursachen. Für Sie als
Experimentator würde das eine Strahlenbelastung von ca. 500-1000 rem (5-10 Sievert)
Neutronenstrahlung bedeuten.
17)
10.0 g NaOH entsprechen 0.125 mol; Schwefelsäure hat 2 Protonen pro
Schwefelsäuremolekül zur Verfügung, d.h. für die Neutralisierung reichen
0.0625 mol aus und dies sind bei einer 2-molaren Lösung 31.25 ml.