Übungen mit Lösungen

Günter Baars
E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe
Modul: Quantenchemie und Pigmente
Übungen mit Lösungen
Korrektorat: Dina Baars, Bern
Illustrationen: Christoph Frei, Bern
1. Auflage 2010
Alle Rechte vorbehalten
Copyright Pädagogische Hochschule PHBern
2
Quantenchemie und Pigmente
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1
Übungen
4
2
Lösungen zu den Übungen
7
3
Quantenchemie und Pigmente
1 Übungen
1.
Übungen
1.
Thénards Blau [CoAl2O4] ist ein synthetisches Pigment, das anfangs des 19. Jahrhunderts erstmals grosstechnisch hergestellt wurde. Für authentische Himmelblautöne in
der Landschaftsmalerei ist es das Pigment der Wahl.
1.a
Welche Ladung trägt das Kobalt-Ion in diesem Pigment?
1.b
Wie viele d-Elektronen trifft man in diesem Ion an?
1.c
Auf welchem Mechanismus beruht die Farbigkeit des Pigments?
1.d
Zeichnen Sie eine mögliche Elektronenkonfiguration der d-Elektronen im Grundzustand und die entsprechende Konfiguration im angeregten Zustand.
2.a
Versetzt man gebrannten Kalk (CaO) mit Wasser, so entsteht eine alkalische Lösung
(eine Lauge). Formulieren Sie für diesen Vorgang die Reaktionsgleichung.
2.b
Die Farben eines Freskos sind durch eine feine Kalkschicht geschützt. Wie kommt es
zur Ausbildung dieser Kalkschicht (nur Reaktionsgleichung)?
3.
Gegeben ist ein oktaedrischer Komplex, der als Zentralteilchen ein Übergangsmetallion besitzt. Welche der mit A, B, C, D und E bezeichneten d-Orbitale des Zentralteilchens sind im oktaedrischen Komplex energiereicher, welche energieärmer? (Die
Kreise stellen die Liganden dar.)
A
B
C
energiereicher:
energieärmer:
4
D
E
Quantenchemie und Pigmente
4.a
1 Übungen
Gegeben ist ein oktaedrischer Komplex, dessen Zentralteilchen sechs d-Elektronen
besitzt. Kreuzen Sie diejenige der abgebildeten Elektronenverteilungen an, welche
dem Grundzustand dieses Komplexes entspricht.
o
4.b
o
o
o
o
Zeichnen Sie die Elektronenverteilung für den bei Aufgabe 4.a angekreuzten Komplex
im angeregten Zustand.
4.c
Warum ist der Komplex von 4.a farbig?
5.
In einem Edelstein sind Eisen(II)- und Titan(IV)-Ionen vorhanden. Durch Lichteinfall
wird ein Elektron zwischen den beiden verschoben. Welche Ionen liegen nach der
Lichtabsorption im Edelstein vor? Vervollständigen Sie die Reaktionsgleichung.
Fe2+ + Ti4+ →
6.
Welche der folgenden Aussagen treffen auf Berliner Blau zu?
trifft zu
2+
Wenn Licht auf Berliner Blau fällt, gibt ein Fe -Ion ein
Elektron ab.
Wenn Licht auf Berliner Blau fällt, gibt ein Fe3+-Ion ein
Elektron ab.
Die Farbigkeit von Berliner Blau resultiert aus einem
Charge-Transfer-Prozess.
Die Farbigkeit von Berliner Blau resultiert aus einem d-dÜbergang.
5
trifft
weiss
nicht zu
nicht
Quantenchemie und Pigmente
7.
1 Übungen
Ein Pigment, das aufgrund eines Elektronenübergangs zwischen Bändern farbig ist,
absorbiert nicht nur eine einzige Wellenlänge weil...
trifft zu
... ein Band verschiedene Energiebereiche enthält.
... ein Band nur einem einzigen Energiezustand entspricht.
... die Bandlücke im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung liegt.
... es verschiedene mögliche Elektronenübergänge zwischen Bändern gibt.
6
trifft
weiss
nicht zu
nicht
Quantenchemie und Pigmente
2 Lösungen zu den Übungen
2
Lösungen zu den Übungen
1.a
Co2+Al 32+ O 24−
1.b
Das Ion besitzt 5 d-Elektronen.
1.c
d-d-Übergang
1.d
Grundzustand
angeregter Zustand
2.a
CaO(s) + H2O(l) → Ca2+(aq) + 2 OH-(aq)
2.b
Ca2+(aq) + 2 OH-(aq) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O(l)
3.
energiereicher:
A, B
energieärmer:
C, D, E
4.a
o
o
o
o
x
4.b
4.c
Die für den Übergang eines Elektrons in den höheren Schwingungszustand nötige
Energie ist im sichtbaren Licht enthalten und wird deshalb vom Komplex absorbiert.
Das reflektierte „Restlicht“ entspricht der Farbe des Stoffs.
5.
Fe2+ + Ti4+ → Fe3+ + Ti3+
7
Quantenchemie und Pigmente
2 Lösungen zu den Übungen
trifft zu
6.
trifft nicht
weiss nicht
zu
2+
Wenn Licht auf Berliner Blau fällt, gibt ein Fe -Ion ein
x
Elektron ab.
Wenn Licht auf Berliner Blau fällt, gibt ein Fe3+-Ion ein
x
Elektron ab.
Die Farbigkeit von Berliner Blau resultiert aus einem
x
Charge-Transfer-Prozess.
Die Farbigkeit von Berliner Blau resultiert aus einem d-
x
d-Übergang.
7.
Ein Pigment, das aufgrund eines Elektronenübergangs zwischen Bändern farbig ist,
absorbiert nicht nur eine einzige Wellenlänge weil...
trifft zu
... ein Band verschiedene Energiebereiche enthält.
trifft nicht
weiss
zu
nicht
x
... ein Band nur einem einzigen Energiezustand ent-
x
spricht.
... die Bandlücke im sichtbaren Bereich der elektroma-
x
gnetischen Strahlung liegt.
... es verschiedene mögliche Elektronenübergänge zwischen Bändern gibt.
8
x