Grundzüge der Chemie für das Maschinenbauwesen u. a.

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Grundzüge der Chemie
für das Maschinenbauwesen u. a. Studiengänge
Übungsaufgaben zur Vorlesung im Wintersemester 2009/10 an der RWTH Aachen
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Systeme, Stoffe, Substanzen
1) Definieren Sie die Begriffe:
a) System b) zu System: offen; geschlossen; abgeschlossen c) Form; Zustand; Stoff
d) Chemie e) chemisches Gleichgewicht; chemische Reaktion
f) zu Zustand: stabil; metastabil; instabil g) Aggregatzustand; Phase
h) Element; Verbindung i) Synthese; Analyse
2) Welche Elemente findet man besonders häufig:
a) in der Erdkruste b) im menschlichen Körper c) im Weltall
3) Nennen Sie die vier häufigsten Bestandteile von reiner, trockener Luft in der
Reihenfolge ihrer Häufigkeit.
Aggregatzustände, Atombau
1) Definieren Sie die Begriffe:
a) Fernordnung; Nahordnung b) Molekül (kinematische/atomistische Definition)
c) kristallin; amorph d) Elementarzelle e) Kristallstruktur; Kristallsystem
2) a) Zu welchem Kristallsystem gehört das kristalline Natriumchlorid?
b) Welche Packung bilden die Kationen- und Anionenteilgitter aus?
c) Welche Punktlagen besetzen die Ionen in der Elementarzelle?
d) Wieviele Formeleinheiten NaCl sind in der Elementarzelle enthalten?
e) Leiten Sie den Zusammenhang zwischen der makroskopischen Dichte ρ und dem
Zellparameter a der Natriumchloridstruktur ab.
3) a) Welche Strahlungsarten treten bei der natürlichen Radioaktivität auf?
b) Bei welchen Aktivitäten setzt man sich erhöhter natürlicher Strahlenbelastung aus?
c) Wodurch unterscheidet sich die künstliche von der natürlichen Radioaktivität?
d) Wie kann man sich gegen radioaktive Strahlung schützen?
4) a) Welche Kennzahlen charakterisieren ein Nuklid?
b) Welche zusätzlichen Kennzahlen sind notwendig bei einem Atom, bei einem Ion?
5) Was ist ein Reinelement, ein Mischelement? Geben Sie mindestens ein Beispiel an.
6) Welche stabilen Isotope besitzen die Elemente Wasserstoff und Kohlenstoff?
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Quanten, Periodensystem
1) a) Welche Frequenz gehört im Vakuum zur Wellenlänge 400 nm?
b) Welche Energie besitzt ein Photon dieser Wellenlänge?
c) Erhöht sich durch den Einsatz eines WLAN das Hautkrebsrisiko?
2) a) Welche Quantenzahlen benötigt man, um die Schalen und Unterschalen der
Elektronenhülle zu charakterisieren?
b) Warum?
c) Welche Quantenzahlen gehören also zur 2p- bzw. zur 3d-Unterschale?
3) a) Suchen Sie im Periodensystem der Elemente (PSE) nach Unregelmäßigkeiten bei
der Elektronenkonfiguration.
b) Was kann man aus diesen Unregelmäßigkeiten lernen?
c) Begründen Sie, warum die nachfolgenden Elektronenkonfigurationen unmöglich
bzw. problematisch sind: [Ne] 3s13p7 und [Ar] 4s23d 9
4) Würde mehr oder weniger Energie erforderlich sein, um ein 3d-Elektron von Fe2+ im
Vergleich zu Co3+ zu entfernen? Begründung?
5) a) Was ist ein Orbital? b) Welche Gestalt weisen s-, p- und d-Orbitale auf?
6) a) Nach welchen Kriterien ist das PSE geordnet?
b) Welche Grobeinteilungen sind im PSE zu erkennen?
7) Wie ändern sich folgende Atomeigenschaften im PSE von oben nach unten bzw.
von links nach rechts:
a) die erste Ionisierungsenergie b) die Elektronenaffinität
c) die Elektronegativität d) der Atomradius
8) Ist die Elektronegativität eine meßbare Größe?
Massen und Mengen
1) Das Element Aluminium ist ein Reinelement mit der atomaren Masse m = 26.98154 u.
Welches Atomgewicht (bzw. welche molare Masse) besitzt Aluminium?
2) Das Element Chlor besteht aus zwei stabilen Isotopen mit folgenden atomaren Massen
m und natürlichen Häufigkeiten h:
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Cl: m = 34.96885 u, h = 75.53%
37
Cl: m = 36.96589 u, h = 24.47%
a) Man berechne das Atomgewicht (bzw. die molare Masse) von Chlor.
b) Man berechne das Massenspektrum von Chlor (Massen und relative Intensitäten);
dabei sollen nur einfach positive Ionen berücksichtigt werden.
3) a) Bei der Kernspaltung von 1 kg 235U (Uran-235) werden 8.23 · 1013 J = 82.3 TJ
Energie freigesetzt. Welche Masse wird dabei zerstrahlt?
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b) Bei der Explosion von 1 kg Nitroglycerin (der explosive Bestandteil von Dynamit)
werden 8.0 · 106 J Energie freigesetzt. Welche Masse wird dabei zerstrahlt?
4) a) Man berechne den Massendefekt der Isotope 238U (m = 238.0508 u),
56
Fe (m = 55.9349 u) und 1H (m = 1.007825 u). Die Massen der benötigten
Elementarteilchen finden sich im Anhang.
b) Man berechne den gleichen Massendefekt pro Nukleon.
c) Welche Energie entspricht einem Massendefekt pro Nukleon von 0.005 u?
5) Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlendioxid wird pro molarem
Formelumsatz eine Energie von 393 kJ frei. Welchem Massenverlust entspricht diese
Energiemenge pro Molekül (in u) bzw. pro Mol (in g)?
6) a) Natrium ist ein Reinelement mit m = 22.9898 u. Wieviel wiegt ein Atom Natrium
(in kg)?
b) Wieviel wiegt 1 mol Wasser und wieviel ein Wassermolekül?
c) Gegeben 1 mmol Quecksilber. Welche Masse und wieviele Atome liegen vor?
d) Gegeben 100 g Wasserstoff, Eisen, Uran, wasserfreie Schwefelsäure. Welche
Stoffmengen liegen jeweils vor?
7) Berechnen Sie die molare Masse von Fe, Wasser, CuSO4 · 5 H2O.
8) Berechnen Sie die prozentuale Elementarzusammensetzung von Eisen(III)-oxid,
Silbernitrat, Galliumarsenid, Lithiumcobaltat, Teflon.
9) Ein Eisenerz enthält 66% Fe2O3. Wieviel Eisen läßt sich theoretisch aus einer Tonne
Erz gewinnen?
10) Kupfer bildet zwei Oxide I und II der folgenden Zusammensetzung: I: Cu 79.8%,
O 20.2%; II: Cu 88.8%, O 11.2%. Bestimmen Sie die Substanzformeln von I und II.
Gasgesetze
1) Welche der folgenden Größen sind extensiv bzw. intensiv: p, V, T, R, m, n, V/n, V/M
2) Berechnen Sie für 100 g CO2 das Volumen und die Dichte unter Standardbedingungen
und die Dichte bei 20 ºC und 990 mbar.
3) Ein Gas hat bei 65 ºC und einem Druck von 89.8 kPa eine Dichte von 0.645 g/L.
Welche molare Masse hat dieses Gas?
4) Wieviel mal schwerer als O2 ist H2, N2, CO2, Br2 bei gleichen Bedingungen p und T?
5) Cyclopropan hat eine Dichte von 1.5 g/L bei 50 ºC und 95.6 kPa. Seine empirische
Formel ist CH2. Welches ist seine Molekularformel?
6) Wie groß ist die Durchschnittsgeschwindigkeit eines Stickstoffmoleküls an einem sehr
heißen Sommertag (37 ºC)?
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7) Bei der Kollision eines Automobils werden in einem Airbag 100 g Natriumazid (NaN3)
schlagartig in die Elemente zersetzt – gesünder leben mit Chemie.
a) Formulieren Sie die vollständige Reaktionsgleichung.
b) Wieviel Mol an Gas entstehen?
c) Welches Volumen (in Litern) nimmt das Gas bei einem Druck von
1.2 atm (121590 Pa) und einer Temperatur von 30 °C ein?
d) Warum enthält der Airbag einer Luxuskarosse nicht das sehr viel
kostbarere Silberazid (AgN3)?
Thermodynamik I
1) Wie ist eine Zustandsfunktion definiert?
2) Wie sind a) innere Energie und b) Enthalpie definiert?
3) Was versteht man unter exothermen und endothermen Reaktionen?
4) Beim Thermitverfahren wird ein Gemenge von Aluminium und Eisen(III)-oxid zur
äußerst heftigen Reaktion gebracht.
a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung.
b) Berechnen Sie die freigesetzte Wärmemenge, wenn 10 g Aluminium mit einem
Überschuß von Eisen(III)-oxid bei 25 °C reagieren. Es betragen
ΔHR0 (Al2O3) = –1675.7 kJ mol–1 und ΔHR0 (Fe2O3) = –824.2 kJ mol–1.
Chemische Bindung: Kovalenz
1) Welche Elemente sind bei Standardbedingungen atomar bzw. molekular aufgebaut,
welche besitzen Ketten-, Schicht- und Raumnetzstrukturen?
2) Welche Verbindungen und vorherrschenden Bindungsarten liegen bei den binären
Kombinationen der folgenden Elemente vermutlich vor: Mg/F, Cu/Zn, S/O, Ge/H, In/F.
3) a) Welche Verbindungen mit Sauerstoff bilden die Elemente Al, C, Mg, Si? Geben
Sie die Formeln der Verbindungen, die vorherrschende Bindungsart und den
Aggregatzustand bei 25 ºC und 1 bar an.
b) Verfahren Sie ebenso für die Chloride von Mg, C, Si, H, Ni.
4) Definieren Sie die Begriffe Molekularformel und Substanzformel. Von welchen der
folgenden Stoffe kann man eine Molekularformel angeben: CO2, SiO2, NaCl, SiCl4,
CuSO4 · 5 H2O, LiCoO2, YBa2Cu3O7
5) Was besagt die Oktettregel? Was besagt die Mehrfachbindungsregel? Nennen Sie
wichtige Beispiele.
6) Mit welchen Bindungspartnern bilden Nichtmetalle „hypervalente“Verbindungen?
7) In welchem der beiden Ionen, NO2+ und NO2−, ist die N−O-Bindung kürzer? Warum?
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8) Schreiben Sie Summenformeln und Valenzstrichformeln an
a) für die Kohlenwasserstoffe Methan, Ethan, Ethen (Ethylen), Ethin (Acetylen), Octan
und Benzol
b) für die Alkohole Methanol und Ethanol
c) für die Salpetersäure, die Perchlorsäure, die Schwefelsäure, die Phosphorsäure und
die Essigsäure.
9) Schreiben Sie Valenzstrichformeln (einschließlich der freien Elektronenpaare) für die
folgenden Spezies und bestimmen Sie die Struktur des Moleküls mit Hilfe des
VSEPR-Konzepts; skizzieren oder benennen Sie dazu die Struktur in
unmißverständlicher Weise. Geben Sie gegebenenfalls auch die Pseudostruktur an:
BrF5, PF5, CO, CCl4, CO2, NO2, SO2, PCl3, SF6, SF4, BrI3
10) Wiederholen Sie die Übung für die Ionen NO2−, CO32−, ClO4−, H2PO4−, NH4+
Chemische Bindung: Metalle, Salze
1) Durch welches Kriterium unterscheidet man Metalle von Halbleitern?
2) Welche Raumerfüllung besitzt
a) die kubisch-dichte (kubisch-flächenzentrierte) Kugelpackung (fcc)
b) die hexagonal-dichte Kugelpackung (hcp)
c) die kubisch-innenzentrierte Kugelpackung (bcc)
d) die kubisch-primitive Kugelpackung (sc) sowie
e) die Diamantstruktur?
3) Welche Lücken existieren in dichten Kugelpackungen? Wieviele Lücken gibt es?
4) Gibt es einen Zusammenhang zwischen kovalenter und metallischer Bindung?
5) Cu2O kristallisiert kubisch mit dem Gitterparameter a = 4.27 Å. Es werden folgende
Punktlagen besetzt: O auf 0 0 0 und ½ ½ ½; Cu auf ¼ ¼ ¼, ¾ ¾ ¼, ¾ ¼ ¾ und
¼ ¾ ¾. Geben Sie an:
a) Die Zahl der Formeleinheiten pro Elementarzelle
b) Den kürzesten Cu–O-Abstand
c) Die Zahl der nächsten O-Nachbarn von Cu
d) Die Zahl der nächsten Cu-Nachbarn von O
6) a) Welches Alkalimetallhalogenid hat die höchste Gitterenergie?
b) Der Spinell MgAl2O4 ist ein hochschmelzender, sehr harter, farbloser, elektrisch
isolierender Feststoff. Fe3O4 dagegen ist schwarz, sehr hart und metallisch leitend.
Erklären Sie diese Eigenschaften. Wozu kann man Spinell und Fe3O4 einsetzen?
7) Die Gitterenergie UG von Natriumchlorid beträgt 767 kJ/mol.
a) Welche Gitterenergie erwarten Sie für Magnesiumoxid (Begründung mit Gleichung)
im Falle unveränderter Kationen- und Anionenradien?
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b) Wird BaO eine größere oder eine kleinere Gitterenergie als MgO aufweisen?
Warum?
Intermolekulare Wechselwirkungen
1) Klassifizieren Sie auf klassische Weise die drei chemischen Hauptbindungsarten.
2) Definieren Sie a) Oxidation, b) Reduktion und c) Redoxreaktion.
3) Bestimmen Sie die Oxidationszahl von Stickstoff in N2, NH3, NO, NO2, N2H4, HNO3,
N5+, N3−.
4) Bestimmen Sie die Oxidationszahl aller Elemente in K2SO4, Ca(HCO3)2, H2O2, Fe2O3
sowie in den Molekülen CH4−nCln (n = 0, 1, 2, 3, 4).
5) Warum haftet in der Teflon-Pfanne nichts an?
6) Suchen Sie bei den physikalischen Eigenschaften der Wasserstoffverbindungen der
Nichtmetalle nach Auffälligkeiten und begründen Sie diese.
7) Wo „verwendet“ die Natur die Wasserstoffbrückenbindung am häufigsten?
Chemisches Gleichgewicht
1) Geben Sie Beispiele für exotherme und endotherme Reaktionen an.
2) Gegeben sei ein Gemisch von 100 g Wasserstoff und 100 g Kohlenmonoxid bei 1 bar.
Welchen Partialdruck haben die beiden Komponenten?
3) Umreißen Sie in groben Zügen den natürlichen Stickstoffkreislauf.
4) a) Welche Rohstoffe werden für die technische Ammoniak-Synthese benötigt?
b) Formulieren Sie das der Haber–Bosch-Synthese zugrundeliegende Gleichgewicht.
c) Welchen Einfluß haben Druck, Temperatur und die Eigenschaften des eingesetzten
Katalysators auf die Gleichgewichtslage?
d) Nennen Sie die wichtigsten Verwendungszwecke von Ammoniak.
5) Formulieren Sie sämtliche Teilschritte der technischen Salpetersäure-Synthese.
6) a) Welche Rohstoffe werden für die technische Schwefelsäure-Synthese eingesetzt?
b) Formulieren Sie die drei Teilschritte der Schwefelsäure-Synthese.
c) Welchen Einfluß haben Druck und Temperatur auf die Gleichgewichtslage bei der
Oxidation von Schwefeldioxid?
d) Welche Verwendung findet die Schwefelsäure technisch?
7) a) Welche Gleichung verknüpft das Löslichkeitsprodukt KL mit den Konzentrationen
der beteiligten Ionen für die schwerlöslichen Salze AgCl, PbSO4, CaF2, Ca3(PO4)2?
b) Welche Gleichungen verknüpfen die Löslichkeit L mit den Konzentrationen der
beteiligten Ionen für diese Salze?
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8) Ein Liter einer bei 25 ºC gesättigten Lösung von AgCl in reinem Wasser liefert beim
Eindampfen einen Rückstand von 1.92 mg AgCl. Welches Löslichkeitsprodukt besitzt
AgCl bei 25 ºC?
9) Das Löslichkeitsprodukt von BaSO4 beträgt bei 25 ºC genau 8.7 · 10−11 mol2 L–2.
Welche Löslichkeit (in mol/L und in g/L) besitzt BaSO4
a) in reinem Wasser b) in 0.01 molarer K2SO4-Lösung?
10) Warum löst sich Calciumcarbonat in verdünnter Salzsäure?
Thermodynamik II
1) Schätzen Sie den Verlauf der Entropie für die folgenden Prozesse ab:
a) Sublimation von Kohlendioxid b) Lösen von festem Iod in Wasser
c) Auskristallisieren von NaCl aus wäßriger Lösung
2) Wie sind a) Entropie und b) freie Enthalpie (Gibbs-Energie) definiert?
3) Was versteht man unter exergonischen und endergonischen Reaktionen?
4) Schreiben Sie die vollständige Reaktionsgleichung für die exotherme Reaktion
von gasförmigem Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak auf.
a) Berechnen Sie die freie Standardreaktionsenthalpie ΔGR0 für diese Reaktion;
es gilt ΔHR0 = –46.19 kJ mol–1 und ΔSR0 = –98.91 J K–1 mol–1.
b) Die Reaktionstemperatur werde künstlich gesteigert; wird sich der Partialdruck von
Ammoniak im Gleichgewichtsgemisch erniedrigen oder erhöhen? Geben Sie
eine kurze Begründung an.
c) Warum benötigt man für diese Reaktion einen Katalysator?
5) Für die Reaktion PCl5(g) → PCl3(g) + Cl2(g) gilt bei 25 °C
ΔHR0 = 92.5 kJ mol–1 und ΔSR0 = 182 J K–1 mol–1.
a) Wie groß ist ΔGR0 bei 25 °C? Läuft die Reaktion spontan ab?
b) Wie groß ist ΔGR bei 300 °C? Läuft die Reaktion bei dieser Temperatur spontan ab?
Nehmen Sie vereinfachend an, ΔHR und ΔSR seien temperaturunabhängig.
6) Definieren Sie die Begriffe Reaktionshemmung und Katalyse.
7) Den politisch korrekten Ausdruck „Leben im Gleichgewicht mit der Natur“ haben Sie
sicher schon einmal irgendwo gelesen. Was ist davon aus wissenschaftlicher
Perspektive (Thermodynamik) zu halten?
Säuren und Basen I
1) a) Was sind die Bedingungen für die elektrische Leitfähigkeit eines Mediums?
b) Wodurch unterscheiden sich Leiter II. Art von Leitern I. Art?
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2) a) Definieren Sie die Begriffe starker und schwacher Elektrolyt.
b) Diskutieren Sie, ob Natriumchlorid ein starker Elektrolyt ist; welche Angaben müssen
zu dieser Frage spezifiziert werden?
3) a) Formulieren Sie das Eigendissoziationsgleichgewicht von Wasser.
b) Schreiben Sie das MWG für dieses Gleichgewicht an. Wie heißt hier die
Gleichgewichtskonstante?
c) Geben Sie die elementare Definition des pH-Werts an.
d) Welchen pH-Wert hat ultrareines Wasser?
4) a) Wie werden Säure und Base in wäßriger Lösung definiert?
b) Erstellen Sie Definitionen der Säurekonstanten KA und des pKA-Werts in Form von
Gleichungen.
c) Welche der beiden Größen pH und pKA beschreibt eine Stoffeigenschaft, welche
die Eigenschaft einer Lösung?
d) Was unterscheidet starke und schwache Säuren (bzw. Basen)?
5) Nennen Sie:
a) vier starke anorganische Säuren
c) zwei starke Basen und
b) zwei schwache Säuren
d) zwei schwache Basen
6) 3 g Essigsäure werden mit Wasser zu 100 mL Lösung gelöst. Welche Molarität C
(bzw. „Stoffmengenkonzentration“) hat diese Lösung?
7) 40%ige Schwefelsäure (Akkumulatorensäure) hat eine Dichte von 1.303 kg/L. Welche
Molarität C hat diese Säure?
Säuren und Basen II
1) a) Berechnen Sie den pH-Wert folgender wäßriger Lösungen: 0.1 M HCl; 0.05 M HCl;
0.1 M KOH; 0.05 M NaCl; 0.05 M K2O
b) Wie können Sie eine wäßrige Lösung von pH = 2 und eine von pH = 12 herstellen?
2) Berechnen Sie den pH-Wert folgender wäßriger Lösungen: 10−7 M HClO4;
0.1 M CH3CO2H (pKA = 4.75); 0.1 M NaCH3CO2, 0.1 M NH4Cl (pKB = 4.79 für NH3)
3) Zu mäßig verdünnter NaCH3CO2-Lösung wird HClO4 bis pH = 4 zugegeben. Welcher
Anteil des Acetats liegt jetzt als Essigsäure vor?
4) Zur Herstellung einer Pufferlösung werden 100 mL Wasser mit 0.25 mol HF versetzt;
die Säurekonstante beträgt KA(HF) = 3.5 · 10−4 mol/L. Wieviel g an NaF müssen bei
konstantem Volumen zugefügt werden, um einen pH-Wert von 3.76 einzustellen?
Hinweis: Beginnen Sie mit dem Säure-Base-Gleichgewicht.
5) Welche der wäßrigen Lösungen folgender Verbindungen reagieren sauer, neutral oder
basisch: Ba(OH)2, Na2CO3, KClO4, KHSO4, NH4(CH3CO2), FeCl3, CaO, CsBr
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Redoxchemie: Grundlagen
1) Formulieren Sie die vollständigen Reaktionsgleichungen für folgende Redoxvorgänge:
a) Cu + NO3– + H+ → Cu2+ + NO2 + …
b) Ca3(PO4)2 + SiO2 + C → CaSiO3 + CO + P4
2) Ergänzen Sie die folgenden Angaben über Redoxreaktionen zu vollständigen
Reaktionsgleichungen:
a) Zn + HCl
b) Fe + HCl
c) Fe + Cl2
d) Cu + H2SO4(konz.) → SO2
3) Ergänzen Sie die folgenden Angaben über Redoxpaare in wäßriger Lösung zu
Halbreaktionen:
a) Fe3+ / Fe2+
b) Zn2+ / Zn
c) H+ / H2
d) Cl2 / Cl−
e) O2 + H+ / H2O
f) MnO4− + H+ / Mn2+
4) Beschreiben Sie die Elektrodenreaktionen und die Brutto-Reaktion
a) im Daniell-Element b) im Blei-Akkumulator c) im Leclanché-Element.
d) Wie läßt sich mit einfachen Mitteln (keine Spannungsmessung, keine pH-WertMessung) der Ladungszustand des Bleiakkumulators bestimmen?
5) a) Von welchen Größen hängt die Urspannung (EMK) des Daniell-Elements ab?
b) Wie muß man die Konzentrationen in den Halbzellen wählen, damit die EMK
möglichst groß wird?
6) Berechnen Sie die EMK der Zelle
Ni(s) / Ni2+(aq) (0.01 mol/L) // Cd2+(aq) (0.01 mol/L) / Cd(s)
mit E 0 = −0.40 V für Cd2+ / Cd und E 0 = −0.25 V für Ni2+ / Ni.
Bezeichnen Sie die Polarität der Elektroden.
7) Berechnen Sie die EMK der Zelle
Ni(s) / Ni2+(aq) (1 mol/L) // Ni2+(aq)(0.01 mol/L) / Ni(s).
Bezeichnen Sie die Polarität der Elektroden. Um welchen Typ von elektrochemischer
Zelle handelt es sich?
Redoxchemie: Elektrochemie
1) Eine verdünnte Kupfersulfat-Lösung wird 15 min bei einer Stromstärke von 0.4 A
elektrolysiert. Es scheiden sich 0.12 g Kupfer ab. Berechnen sie aus diesen Angaben
die Faraday-Konstante.
2) Wieviel Gramm Bleisulfat müssen theoretisch bei der Ladung eines ganz entladenen
12 V-Akkumulators auf 60 Ah pro Zelle umgesetzt werden?
3) Welche Typen von elektrochemischen Stromquellen unterscheidet man? Zu welchem
Typ gehören Taschenlampenbatterien, Lithiumakkus und „Autobatterien“?
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4) a) Wieviel Liter gasförmigen Sauerstoff (unter Standardbedingungen) liefert die
elektrolytische Zersetzung von Wasser durch 10 Ah?
b) Die Wasser-Elektrolyse läßt sich unter besonderen Bedingungen so lenken, daß
Wasserstoffperoxid entsteht. Wieviel Gramm Wasserstoffperoxid lassen sich durch
100 Ah erhalten?
c) Zeigen Sie, daß die Zersetzungsspannung des Wassers pH-unabhängig ist
(Nernst-Gleichung).
5) a) Warum erscheint die elektrochemische Stromerzeugung (Brennstoffzelle) so
besonders attraktiv? Trifft die Einschätzung überhaupt zu?
b) Wo bestehen Probleme? c) Woher kommt der Brennstoff?
6) Durch ein Coulombmeter wird eine Elektrizitätsmenge von 2 Ah geleitet. Berechnen Sie
die Masse des in einem Silber-Coulombmeter abgeschiedenen Silbers und das in
einem Knallgas-Coulombmeter produzierte Gasvolumen (Standardbedingungen).
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Grundgrößen und Basiseinheiten
Basisgröße
Name
SI-Einheit
Länge
Meter
m
Masse
Kilogramm
kg
Zeit
Sekunde
s
Elektrische Stromstärke
Ampere
A
Temperatur
Kelvin
K
Stoffmenge
Mol
Mol
Leuchtstärke
Candela
Cd
Abgeleitete SI-Einheiten
Basisgröße
Name
Druck
Pascal
Pa
1 Pa = 1 kg s−2 m−1 = 1 N m−2
Kraft
Newton
N
1 N = 1 kg m s−2
Energie
Joule
J
1J
Leistung
Watt
W
1 W = 1 kg m2 s−3 = 1 J s−1
Frequenz
Hertz
Hz
1 Hz = 1 s−1
Elektrische Ladung
Coulomb
C
1C =1As
Elektrische Spannung
Volt
V
1 V = 1 kg m2 A−1 s−3 =1 W A−1
Stoffmengenkonzentration
SI-Einheit
mol m−3
= 1 kg m2 s−2 = 1 N m = 1 W s
gebräuchlich mol L−1
Wichtige physikalische Größen
Atomare Masseneinheit
1 u = 1.660540 · 10−27 kg
Protonenmasse
mp = 1.007277 u
Neutronenmasse
mn = 1.008665 u
Elektronenmasse
me = 0.0005486 u
Lichtgeschwindigkeit
c = 2.998 · 108 m s−1
Avogadro-Konstante
NA = 6.022 · 1023 mol−1
Plancksches Wirkungsquantum
h = 6.6261 · 10−34 J s
Faraday-Konstante
F = 9.6485 · 104 C mol−1
Gaskonstante
R = 8.3145 J K−1 mol−1
Elektrische Elementarladung
e = 1.6022 · 10−19 C
Elektrische Feldkonstante
Elektronenvolt
−12 2 4
−1
−3
ε0 = 8.854 · 10 A s kg m
1 eV = 1.6022 · 10−19 J
12
Vielfache und Teile der Basiseinheiten
Zehnerpotenz
Vorsatz
Vorsatzzeichen
Zehnerpotenz
Vorsatz
Vorsatzzeichen
1012
Tera
T
10−1
Dezi
d
109
Giga
G
10−2
Zenti
c
106
Mega
M
10−3
Milli
m
103
Kilo
k
10−6
Mikro
μ
102
Hekto
h
10−9
Nano
n
101
Deka
da
10−12
Piko
p
10−15
Femto
f
10−18
Atto
a
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Zum Schmunzeln: Chemie bizarr (d.h. bar jeglicher Grundkenntnisse)
Fundsachen (2005–2009), gesammelt durch die Gesellschaft Deutscher Chemiker
„Wegen der im Vergleich zur Erde niedrigeren Schwerkraft kann der Mond auch keine
Atmosphäre halten. Sie hat sich mit der Zeit verflüchtigt. Trotzdem ist der Sauerstoff auf der
Oberfläche des Erdtrabanten genau wie auf der Erde das häufigste chemische Element. Er
ist in Form von Silizium, Sauerstoff und Metallen im Mondgestein gebunden.“
(Der Tagesspiegel)
„Das Methan wird von Mikroorganismen zu Kohlendioxid und Sulfid umgesetzt. Letzteres
bildet die Basis für ein artenreiches Ökosystem.“ (Neue Ruhr Zeitung)
„Bei der Verbrennung von Rapsöl entstehen weder Ruß noch das schädliche Kohlendioxid.“
(Mannheimer Morgen)
„EU-Parlament plant Verbot von Chemie in Zigaretten.“ (Die Welt)
Die Reifen der Formel-I-Boliden werden nicht mit Luft, „sondern mit einem StickstoffGemisch gefüllt – genau wie bei einem Space Shuttle. Grund: Das Gas dehnt sich nicht
aus, wenn es heiß wird. Damit bleibt der Reifendruck konstant.“ (Express)
„Die Bakterien im Wasser brauchen den Sauerstoff, um Schmutzstoffe abzubauen und den
Nährstoffhaushalt auszugleichen. Das Abfallprodukt dieses Vorgangs schwebt
zentimeterhoch über der Wasseroberfläche: Stickstoff.“ (Oldenburg Report)
„Der Stickstoff der Luft dringt in die Konstruktion ein und macht den Beton sauer. Dies bringt
den Stahl im Beton zum Rosten.“ (Wetzlarer Neue Zeitung)
„Chemikalien, die man braucht, um Sprengstoff herzustellen: Ammoniak, Salpetersäure,
Stickstoff, Düngemittel.“ (Der Spiegel)
„Kohlenstoff, der vom Athleten in Form von Nahrung aufgenommen wurde und sich in den
Körpermolekülen widerspiegelt, unterscheidet sich grundlegend von Kohlenstoff, der im
Labor hergestellt wurde.“ (Landshuter Zeitung)
Es wird berichtet, „dass ein Lichtblitz aus den Wolken in den Boden einschlägt, Silizium
heraussprengt und entzündet, das dann irrlichternd sein brandgefährliches Unwesen treibt.“
(Lausitzer Rundschau)
„Die Kohle soll das Co2 speichern und dabei gleichzeitig Methangas abgeben. In
Wirklichkeit laufen dabei natürlich komplizierte chemische und physikalische Prozesse ab.“
(Super Mittwoch)
„Zehn Stunden lang dampfte ein norwegisches Forschungsschiff zwischen Aberdeen
(Schottland) und Jütland durch eine geschlossene Masse toter Fische. Verdacht auf
Vergiftung durch Hydro-Carbon.“ (Rute und Rolle, Angelsportzeitschrift)
„Zement besteht aus 70 Prozent Calcium, 20 Prozent Silicium, das ist Quarzsand, und
jeweils vier bis fünf Prozent Eisen und Aluminium.“ (Frankfurter Rundschau)
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„Bei einer neuen Untersuchung ist im Inneren der Haare von Napoleon Bonaparte eine
besonders giftige Variante von Arsen entdeckt worden, die gemeinhin Rattengift genannt
wird.“ (Westdeutsche Zeitung)
„Säureunfall geht glimpflich aus: Der Schlauch eine Säurebehälters war in der Nacht zu
Donnerstag geplatzt. Zehn Kubikmeter Amoniak traten aus. Die Feuerwehr konnte das
Amoniak-Gas mit einem Wassergemisch binden.“ (Freie Presse)
In Meschede war „die Chemikalie Chlordioxid ausgetreten, berichtete der Werksleiter. Der
Stoff wird in der Trinkwasser-Gewinnungsanlage für die Wasserdesinfektion verwendet und
aus Salzsäure und Natriumchlorid gemischt.“ (Aachener Zeitung)
„Der 19-Jährige hatte für die Weinschwefelung aus einem in der Kälte stehenden Behälter
Schwefel in einen Glasbehälter gefüllt und diesen dann in warmes Wasser gestellt, um den
Schwefel flüssig zu machen. Wegen der Temperaturunterschiede zersprang der
Glaseinsatz des Behälters, wodurch Säure und Gase freigesetzt wurden.“
(Mannheimer Morgen)
Die Brennstoffzelle ist eine „abgasfreie und von fossilen Brennstoffen unabhängige
Energiemaschine“, in welcher „der Strom aus der Elektrolyse des Wasserstoffs gewonnen
wird.“ (Sächsische Zeitung)
„Knochen und Zähne: Beide bestehen zu 99% aus Kalzium.“ (Bild der Frau)
„Die poröse Fassadenfarbe lässt Stickstoffpartikel eindringen, neutralisiert sie und entzieht
sie so der Atemluft.“ (Welt am Sonntag)
„Deswegen unser Tipp für die nächste Wohnungsrenovierung: Teebeutel vertreiben den
Geruch von frischer Farbe, weil ihr Tannin die Formaldehyd-Ausdünstungen bindet.“
(Frankfurter Rundschau)
„Beim Erhitzen des Radmaterials im gasbefeuerten Ofen entsteht Zunder, der so genannte
Glühspan. Es sind oxydierte Teilchen, die verbrennen.“ (Deutsche Bahn)
Methanol ist eine „Mischung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff [und] hat nur den
halben Heizwert von Benzin. Der Vorteil: Methanol verbrennt sauberer als Benzin. Der
Nachteil: Es brennt unsichtbar. Und ist deshalb noch gefährlicher als das leicht entzündliche
Formel-1-Benzin.“ (Deutsche Post)
„In einem speziellen Katalysator werden dort mit der Einspritzung einer wässrigen
Harnstofflösung die Stickstoffemissionen um bis zu 80 Prozent reduziert.“
(Rhein-Main-Zeitung)
Es geht um „die Synthese von Zuckermolekülen, deren Kohlenstoffatome durch radioaktive
Kohlenstoff-13-Isotope ersetzt wurden.“ (Frankfurter Allgemeine Zeitung)
In den Böden der Arktis ist „einer neuen Studie zu Folge viel mehr Kohlenstoff gespeichert
als vermutet. Durch die globale Erwärmung könnte daraus schnell weiteres Treibhausgas
werden.“ Offen bleibt, ob der Kohlenstoff „als Kohle, Graphit oder Diamant in der Arktis
gespeichert ist.“ (Spiegel.de)
Es „ist ein mit 23 Tonnen Schwefelsäure beladener LKW […] im Strassengraben gelandet.
Der Gefahrgutbehälter blieb dicht; andernfalls hätte Explosionsgefahr bestanden.“
(Nordwest-Zeitung)
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Piezo-Injektoren spritzen den „Kraftstoff so fein zerstäubt in den Brennraum ein, dass er
unmittelbar und ohne Mischung mit Luft gezündet werden kann.“
(Kölner Stadt-Anzeiger)
„Allein der Verdampfungsprozess“ von Pflanzenölen „besteht aus einer Abfolge von mehr
als 10 000 chemischen Reaktionen.“ (Rheinischer Merkur)
„Der Energieträger Wasserstoff läßt sich offenkundig effizient aus Sojaöl und Glukose
gewinnen, ohne daß dabei Kohlenstoff entsteht.“ (Frankfurter Allgemeine Zeitung)
Kernkraftwerke sind „Bomben, die unter strenger Kontrolle explodieren.“ Dies gilt „für alle
AKW, die nach dem Prinzip der Kernfusion arbeiten.“ (Welt am Sonntag)
„Mit Ultraschall kann man chemische Reaktionen hervorrufen, ohne Chemie einzusetzen.
Das ist was ganz Spannendes.“ (VDI-Nachrichten)
Nylonstrümpfe entstehen „beim einfachen Mischen von Kohlenstoff, Wasser und Luft.“ Das
ist „so simpel, dass man mal im Neandertal nachgraben sollte.“
(Mitteldeutsche Zeitung)
„Carbon-Carbon ist ein Werkstoff aus Silikon, der beim Verarbeiten aufgeschäumt und dann
aufgesprüht wird.“ (Rheinischer Merkur)
Während der Kremation werden „bei etwa 1000 bis 1200 Grad […] die Knochen zu reinem
Kalzium mineralisiert.“ (Westfälische Rundschau)
„CO2 reagiert mit dem Meerwasser zu Wasserstoff-Ionen.“ (VDI-Nachrichten)
„Flüssiges Kohlendioxid ist zum Beispiel in Fleckenentfernern, weil es organische Stoffe
zerstört.“ (spiegel.de)
„Auch das Stadium des Fußball-Klubs Arsenal London zeigte sich atomfrei.“
(Mannheimer Morgen)
„Von Jod raten Notfallmediziner dringend ab, weil es […] Farbstoffe und Schwermetalle
enthält.“ (RTL-Videotext)
„Erstens: Geschmacksmoleküle besitzen mehr Masse als Alkoholmoleküle. Durch das
Schütteln gelangen sie an die Oberfläche, der Drink schmeckt besser. Zweitens: Der
geschüttelte Martini ist gesünder, weil sich darin die freien Radikalen, zum Beispiel
aggressive Wasserstoffperoxid-Moleküle, besser auflösen.“
(Süddeutsche Zeitung)
„Auf seinem Weg zum Meer löst das Flusswasser Natrium aus dem Gestein, das sich dann
mit Gasen zu Natriumchlorid, also Salz, verbindet.“ (tz München)
Beim Einsturz zweier Chemiefabriken in China: „Ammoniak ist entwichen und
Schwefelsäure in Brand geraten.“ (Süddeutsche Zeitung)
„100.000 Substanzen unter Verdacht: Die EU will festlegen, wann Chemie verboten wird.“
(Tageszeitung)
„Beim Bestrahlen der Jeans spalten sich die Sandkörner unter dem Hochdruck der
Kompressoren. […] Dabei tritt Silizium aus, reagiert mit dem Sauerstoff und verwandelt sich
in Quarz.“ (Darmstädter Echo)
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„Nach mehreren Stunden bei rund 200 Grad Hitze spalten sich in der Brühe Kohlenstoff,
Wasserstoff und Sauerstoff. Das Ergebnis ist schwarzer Schlamm.“ (Wirtschaftswoche)
„Abhängig von den geologischen Gegebenheiten weisen Wässer mitunter Urangehalte bis
zu 100 g/l auf.“ (Iserlohner Zeitung)
„Kohlendioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, das aus zwei Teilen Wasserstoff und
einem Teil Kohlenstoff besteht.“ (Lübecker Nachrichten)
„Die Folia-Müllbeutel sind aus Polyethylen und verbrennen ohne Rückstände und giftige
Gase abzugeben. Die freiwerdenden Stoffe verbinden Sauerstoff der Luft zu Wasser (H2O2)
und Kohlendioxyd (CO2).“ (Aldi-Information)
„Italienischer Billigwein enthält höchstens ein Drittel Traubenmost; der Rest ist Wasser,
Chemie, Zucker, Düngemittel, Schwefel- und sogar Salzsäure.“
(Potsdamer Neueste Nachrichten)
„Die Ergebnisse der US-Forschungssonde Phoenix überraschten das Forschungsteam mit
einem relativ hohen Säuregehalt mit einem pH-Wert von acht bis neun.“
(Gießener Allgemeine)
„Mehr als 20 Menschen sind erstickt. Bei der Havarie des russischen Atom-U-Boots ist in
einer Feuerlöschanlage die tödliche Chemikalie Freon ausgeströmt. Die Marine bleibt dabei:
Der Reaktor ist unbeschädigt.“ (Die Zeit)