Fragen zu Kapitel 4: Chemische Gleichung, Isomerie
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Fragenkatalog: 4. Chemische Gleichung, Isomerie Fragen zu Kapitel 4: Chemische Gleichung, Isomerie 4.1 Folgende Ausgangsstoffe und Produkte chemischer Umsetzungen sind jeweils bekannt. Ergänzen Sie die Liste der jeweiligen Ausgangsstoffe und Produkte, falls notwendig, und schreiben Sie für jede dieser Reaktionen eine chemische Gleichung. Prüfen Sie jeweils, ob es sich um einen Redoxvorgang handelt. Schreiben Sie in diesem Fall zunächst die Redoxteilgleichungen getrennt auf. Schreiben Sie die Oxidationsstufen der Elemente in den verschiedenen Verbindungen jeweils mit an. Das einzige, was Sie brauchen, um diese Aufgabe zu lösen, ist Geduld und saubere „Buchführung“. Nummer Ausgangsstoffe Produkte 1 2 H2O, NH3 H2S, SO2 NH4+, OHS, H2O 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 NaHSO4 Na2HPO4 Si(OH)4 NH3, O2 Fe, H2O, O2 Na, H2O Cu, HNO3 Cu2+, IZn, OH-, H2O H2O2, IH2O2 MnO4-, H2O2, H+ Co2+, CN-, H2O CH3COOH, CH3OH C2H4, Br2 Al2O3, O2NaNO2, H+ PbS, O2 PbS, PbO S2O72-, … Na4P2O7, … SiO2, H2O N2, H2O FeO(OH), … NaOH, … Cu2+, NO2, … CuI, I2 (Zn(OH)4)2-, … I2, H2O H2O, O2 Mn2+, O2, H2O (Co(CN)6)3-, H2, OHCH3COOCH3, … BrH2C-CH2Br AlO32NO+, H2O, … PbO, SO2 PbO, SO2 Schreiben Sie die Valenzstrich- und Strukturformeln der Verbindungen an! Die Verbindungen PbO, PbS (Nummern 20,21) sind Feststoffe und keine Moleküle, so dass es keinen Sinn macht, für diese Verbindungen Valenzstrich- und Strukturformeln für die monomeren Einheiten anzuschreiben. PbS kristallisiert in einer Struktur, die man wie folgt beschreiben kann: S: dichtest gepackte Schichten Stapelfolge ABC; Pb in allen Oktaederlücken. Wie heißt dieser Strukturtyp? SiO2 ist ebenfalls ein Festkörper (Nummer 5). Jedes Silizium ist in diesem Festkörper an vier Sauerstoff-Funktionen gebunden. Jeder Sauerstoff verbrückt zwei Silizium-Zentren. Die 1 Fragenkatalog: 4. Chemische Gleichung, Isomerie Struktur von SiO2 kann mit der Struktur von elementarem Silizium in Beziehung gesetzt werden: In Si(s) ist jedes Silizium von vier anderen Siliziumzentren tetraedrisch umgeben. Die Silizium-Zentren bilden dabei als notwendig sich ergebendes Strukturmuster sechsgliedrige Ringe in „Sesselform“ . Welcher AB-Struktur entspricht diese Anordnung? In SiO2 besetzen die Silizium-Zentren die Plätze so, dass immer noch jedes Silizium von vier anderen Silicium-Zentren in „zweiter Koordinationssphäre“ tetraedrisch umgeben ist, wobei in der „ersten Koordinationssphäre“ zwischen jedem Paar von Silizium-Zentren ein Sauerstoffzentrum eine Brücke aufbaut. Die Struktur von kristallinem Wasser, = Eis, kann ihrerseits in Beziehung zur SiO2-Struktur gesetzt werden. Welches der Atome von H2O, O oder H, besetzt die Plätze, die in ihrer relativen Lage der Lage der Silizium-Zentren in SiO2 entsprechen? Welche Atomart besetzt die Brückenpositionen? Si(OH)4, „ortho-Kieselsäure“, (Nummer 5), ist nur unter streng kontrollierten Bedingungen beständig. Wenn ausreichend H+-Ionen zugegen sind, kondensiert es zu oligomeren und polymeren Aggregaten. FeO(OH) ist ebenfalls ein Festkörper (Nummer 7). Es bildet sich beim Verrosten von Eisen. Es ist „Rost“. Als kristallines Material kommt es in verschiedenen Kristallisationsformen als Mineral vor (z.B. „Goethit“ = FeO(OH)). 4.2 Weißer Phosphor, P4, reagiert mit KOH in Wasser unter Redox-Disproportionierung zu PH3 und H3PO2. PH3 ist ein Analoges zu Ammoniak und hat pyramidale Struktur (Warum?). Die Verbindung H3PO2 nennt man unterphosphorige Säure. Sie enthält zwei Wasserstoff-PhosphorBindungen und eine Wasserstoff-SauerstoffBindung. (Siehe Diagramm!). Schreiben Sie die Gleichung für den Gesamtvorgang an. (Tipp: Schreiben Sie zunächst die Redox-Teilgleichungen an. Ähnlich werden auch die Gleichungen 8 - 15 aus 4.1 wesentlich leichter aufzustellen, wenn Sie zunächst Teilgleichungen anschreiben. 4.3 Die monomeren Verbindungen der Formel R2SiCl2 nennt man Dichlorsilane. Die Gruppen R sind, bei den technisch wichtigen Dichlorsilanen, jeweils organische Gruppen (z.B. Methyl = CH3, Phenyl = C6H5, also der Rest, der sich von Benzol, C6H6 dadurch ableitet, dass an einem der Kohlenstoffzentren ein Wasserstoff fehlt). Wenn man R2SiCl2 mit Wasser umsetzt, entstehen hochpolymere Stoffe und HCl. 2 Fragenkatalog: 4. Chemische Gleichung, Isomerie Schreiben Sie einen Ausschnitt aus der Formel dieser hochpolymeren Stoffe an. (Jedes Silizium hat die Koordinationszahl 4 und je Silicium gibt es zwei Si-C- und zwei Si-OBindungen!). Die polymeren Stoffe nennt man „Silikone“. Sie haben vielfache technische Anwendung. 4.4 Aminosäuren, RCH2C(H)(NH2)COOH, bilden durch Kondensation zwischen der COOHFunktion und der NH2-Funktion Polymere, in denen die einzelnen Aminosäure-Bausteine durch C(O)NH-Funktionen zu RCH2C(H)(NHR’)CONHC(H)CH2R- Einheiten verknüpft sind. Diese Polymeren nennt man, wenn nur wenige Aminosäuren auf diese Weise zusammentreten, „Peptide“, wenn viele Aminosäuren im Polymer zusammengebunden sind, heißen sie „Proteine“. Was bedeutet R’ in der oben angegebenen Formel? Schreiben Sie die Gleichung der Kondensation von 2 Aminosäuren zu einem Dimeren. Warum können bei diesem Prozess Polymere gebildet werden? 4.5 Verbindungen RSH haben die Eigenschaft, sehr leicht zu Verbindungen RS-SR oxidiert zu werden. In Proteinen, den Kondensationsprodukten von Aminosäuren RCH2C(H)(NH2)COOH werden die SH-Gruppen von Cystein häufig dazu benützt, nach Oxidation zu S-S-Brücken, die Polymer-Stränge der Proteine wechselseitig zu fixieren und gegebenenfalls durch reduktive Spaltung der S-S-Brücken wieder frei zu machen. Schreiben Sie die Gleichung für die oxidative Kupplung von zwei Cystein-Molekülen an. (Cystein: R = SH!). 4.6 Wie reagieren zwei Methyl-Radikale miteinander. Warum bilden sie eine Bindung miteinander aus? 4.7 Radikale sind in der Hauptgruppenchemie bis auf wenige Ausnahmen nicht stabil. Sie reagieren, wenn sie nur ihresgleichen als Reaktionspartner haben, miteinander unter Bildung dimerer Moleküle. Wenn man SO2 mit einem Elektron reduziert, bildet sich S2O42-. Schreiben Sie die Redoxteilgleichung der Einelektronenreduktion von SO2 an. Schreiben Sie die Gleichung für die Dimerisierung der Anion-Radikale SO2- an. Geben Sie die Struktur- und Valenzstrich-Formel der entstehenden Verbindung an (Tipp: S-SEinfachbindungen sind stabiler als O-O-Einfachbindungen und die Struktur ist „symmetrisch“). 3 Fragenkatalog: 4. Chemische Gleichung, Isomerie 4.8 In welcher Beziehung stehen die abgebildeten Molekülpaare jeweils zueinander? Sind sie identisch und nur verschieden gezeichnet? Sind sie Konformere? Sind sie Isomere ? - Cl H Cl H C C Br H H H 3N Cl Cl Cl C H C Br Br H 3N Cl Co H3N OH H Br + H 3N H 3N Cr OH Cl NH3 + NH3 H 3N Cl Cl Cr Cl Co NH3 Cl - O NH3 S Cl R' O S R R R' NH3 NH3 CH3 Cl H3N Pt NH3 Cl H 3N Cl Pt Cl Cl NH3 CH3 Cl Wenn ja, welcher Art Isomere sind sie? Welche Moleküle sind chiral? Schreiben Sie eine Valenzstrichformel für R(R’)SO und leiten Sie daraus den Bau der Verbindung ab! (Die Symbole R und R’ bedeuten verschiedene Reste R). 4.9 Um eine „Maßlösung“ von KMnO4 in H2O herzustellen, die 0.1 Mol KMnO4 pro Liter enthält, müssen wie viel g KMnO4 im Liter Lösung enthalten sein? Wie stellt man eine solche Lösung her? 4.10 10 ml einer 0.1 molaren Lösung von HCl in H2O werden solange mit Lösung versetzt, welche 0.5 Mol Silbernitrat in verdünnter Salpetersäure enthält, bis kein weiteres Silberchlorid mehr ausfällt. Die zugrundeliegende Reaktionsgleichung ist: Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s) Silberchlorid ist sehr schwer löslich und fällt quantitativ aus. Wie viel g Silberchlorid entstehen bei der Reaktion? 4.11 Erklären Sie die Aufspaltung der d-Niveaus in einem tetraedrischen Komplex. Zeichnen Sie dazu das Tetraeder in einen Würfel ein. Legen sie den Ursprung eines rechtwinkligen Koordinatensystems in das Zentrum des Würfels und orientieren Sie es so, dass die Achsen des Koordinatensystems parallel zu den Würfelkanten verlaufen (Siehe Analyse der σ-Wechselwirkung der p-Orbitale mit den Liganden in einem Tetraeder!). 4 Fragenkatalog: 4. Chemische Gleichung, Isomerie Zeichnen Sie die d-Orbitale in das Achsensystem ein und prüfen Sie, welche der d-Orbitale eine symmetriegeeignete Kombination mit den σ-geeigneten Orbitalen der Liganden eingehen können. Analysieren Sie unter Verwendung der bereits gezeichneten Bilder das System im Modell des Kristallfeld-Ansatzes (Sie brauchen nur die Ligandorbitale durch negative Punktladungen zu ersetzen!). 4.12 Wie ändert sich das Energieniveauschema der d-Orbitale, wenn man, vom Oktaeder ausgehend, zwei trans-ständige Liganden entfernt, so dass eine quadratisch planare Koordination des Metalls durch nur mehr vier Liganden erhalten wird? (Verwenden Sie den Kristallfeld-Ansatz um das sehr einfach ableiten zu können!). 4.13 Wie ändert sich die Ionisierungsenergie in den Gruppen und in den Perioden des Periodensystems? 4.14 Welche Elektronenkonfiguration hat W(VI)? 4.15 Bei der Spaltung von 235 92 U entstehen im Durchschnitt etwa drei Neutronen je gespaltenem Urankern. Woher kommt die Energie, die bei der Spaltung freigesetzt wird? Nennen Sie zwei Elemente, von denen Sie annehmen, dass sie sich unter den Spaltprodukten befinden! 4.16 11 5B reagiert mit thermischen Neutronen sehr effektiv zu 12 6C . Warum gehören wässrige Lösungen von Boraten zur Sicherheitsausrüstung eines Reaktors? 4.17 Warum kann ein ebenes Molekül nicht chiral sein? Was sind linkshändige und rechtshändige Koordinatensysteme? Ist das nebenstehend skizzierte Haus ein chirales Objekt? 5
