Musterlösung

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Klausur : Allgemeine und Anorganische Chemie
Mi. 29.03.17 : 08.30 – 11.30 Uhr
Musterlösungen ohne Gewähr
1.
Das Löslichkeitsprodukt von Magnesiumhydroxid beträgt 5.6  10–12 mol3 L–3.
Berechnen Sie den pH-Wert einer gesättigten Magnesiumhydroxidlösung.
LP = [Mg2+][OH–]2 = 4L3 (L ist die Löslichkeit)
L = 3 (5.6  1012 )/ 4 = 3 (1.4  10 12 ) = 1.119  10–4 M
[OH–] = 2L = 2.237  10–4 M
pOH = 3.65, pH = 14 – 3.65 = 10.35
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2.
Wie sind die charakteristischen Elektronenkonfigurationen der Valenzschalen bei (i)
den Edelgasen (ii) den Chalkogenen (iii) den Münzmetallen (iv) den Halogenen?
(i) s2 p6 (außer Helium 1s2);
(ii) s2 p4;
(iii) (n–1)d10 ns1;
(iv) s2 p5
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3.
Die sog. Konvertierung von Kohlenmonoxid wird mit folgender Gleichung
beschrieben:
CO + H2O
H2 + CO2.
Bei 600 K werden in ein evakuiertes Reaktionsgefäß 1 mol CO sowie 3 mol Wasserdampf eingeleitet. Bei Gleichgewicht enthält die Reaktionsmischung 0.971 mol H2.
Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante.
Molzahlen bei Gleichgewicht: H2, 0.971; CO2, 0.971; CO, (1 – 0.971) = 0.029; H2O, (3 –
0.971) = 2.029. Alle sind im selben Gefäß, also sind die Konzentrationen proportional zu den
Molzahlen.
K = [H2][CO2] / [CO][H2O] = (0.971  0.971) / (0.029  2.029) = 16.0 (dimensionslos)
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4.
Was verstehen Sie unter: (i) Kristallfeldaufspaltung (ii) einem Low-Spin-Komplex
(iii) Ligandenfeldstärke (iv) einem weichen Metallzentrum?
(i) Kristallfeldaufspaltung  ist die Energiedifferenz zwischen d-Orbital-Sätzen bei einem
Übergangsmetallkomplex bestimmter Koordinationsgeometrie, z.B. oktaedrisch:
(ii) Bei hoher Kristallfeldaufspaltung kann es günstiger sein, die unteren Orbitale doppelt zu
besetzen, bevor die oberen besetzt werden. Das ist ein Low-Spin-Komplex. Beispiel: d4
oktaedrisch mit Konfiguration t2g4 (statt t2g3 eg1).
(iii) Bestimmte Liganden haben die Tendenz, höhere bzw. niedrigere Kristallfeldaufspaltungen zu verursachen. Diese Tendenz ist die Ligandenfeldstärke des Liganden.
(iv) Ein weiches Metallzentrum ist groß und hat eine niedrigere Ladung, ist also leicht
polarisierbar (z. B. AuI). Solche Metalle bilden starke Bindungen mit weichen Liganden (z. B.
CO, Phosphine).
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5.
Was ist ein Radikal? Welche folgender Spezies sind Radikale: O2, NO2, ClO2, O3?
(Begründung!)
Ein Radikal ist eine Spezies mit mindestens einem ungepaarten Elektron.
O2 ist trotz seiner geraden Elektronenzahl ein Radikal; die zwei 2p*-Orbitale werden nach
den Hund'schen Regeln einzeln besetzt.
NO2 und ClO2 haben ungerade Elektronenzahlen (17 bzw. 19 Valenzelektronen) und sind
somit zwangsläufig Radikale. Diese Erklärung ist völlig ausreichend, aber natürlich zeigen
auch korrekte Lewis-Formeln die ungepaarten Elektronen:
O3 ist kein Radikal; vgl. Lewis-Formel
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6.
Beschreiben
Sie
das
Solvay-Verfahren
zur
großtechnischen
Synthese
von
Natriumcarbonat.
(i) Eine konz. NaCl-Lösung wird mit Ammoniak gesättigt.
(ii) Calciumcarbonat wird "gebrannt":
CaCO3  CaO + CO2
(iii) Die Lösung aus (i) wird mit dem CO2 aus (ii) und (iv) gesättigt; dabei fällt das nicht
sehr lösliche Natriumhydrogencarbonat (Natriumbicarbonat) aus:
NaCl + NH3 + CO2 + H2O  NaHCO3 + NH4Cl
(iv) Das NaHCO3 wird abfiltriert und "calciniert" (stark erhitzt, um flüchtige
Bestandteile zu entfernen):
2NaHCO3  Na2CO3 + CO2 + H2O
(v) Das Ammoniak wird aus CaO und NH4Cl neu generiert:
CaO + 2NH4Cl  CaCl2 + 2NH3 + H2O
Gesamtreaktion:
CaCO3 + 2NaCl  Na2CO3 + CaCl2
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7.
Sind folgende Behauptungen richtig oder falsch (Begründung!)? (i) Die Elektronenaffinität eines Elements X ist die Energie, die pro Mol benötigt wird, um X– zu X zu
ionisieren. (ii) Aus der genau gemessenen Masse eines Atoms
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C kann man die
Avogadro-Zahl berechnen. (iii) Ein gutes Reduktionsmittel hat ein hohes positives
Elektrodenpotential. (iv) Die meisten Gase lösen sich endotherm im Wasser (solange
keine Reaktion eintritt).
(i) Korrekt! Die Elektronenaffinität (EA) ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Atom
ein Elektron aufnimmt; X + e−  X−. Wird hierbei n kJ Energie freigesetzt (Reaktionsenthalpie –n kJ), so wird für die Rückreaktion (X−  X + e−) n kJ benötigt.
(ii) Korrekt! NA = (Masse 1 mol 12C = 12 g) / (Masse eines Atoms 12C in Gramm)
(iii) Falsch! Elektrodenpotentiale sind für Reduktion definiert. Positives Potential entspricht
negativer freier Enthalpie (günstig). Gute Oxidationsmittel werden leicht reduziert und
weisen somit hohe positive Potentiale auf. Gute Reduktionsmittel haben hohe negative
Potentiale.
(iv) Falsch! Da das Gas in den flüssigen Zustand übergeht, ist das eine Art Kondensation, was
immer exotherm ist.
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8.
Zink wird als "amphoteres Metall" beschrieben. Was bedeutet das? Geben Sie je eine
ausgeglichene Reaktionsgleichung für entsprechende Reaktionen an.
Amphoter bedeutet: Zink reagiert mit Säuren und mit Laugen.
Mit Säuren:
Zn + 2H+  Zn2+ + H2
(mit H3O+ auch OK!)
Mit Laugen: Zn + 4OH–  [Zn(OH)4]2– + 2e–
2H2O + 2e–  H2 + 2OH–
(geht auch über 2H+ + 2e–  H2 !)
Zn + 4OH– + 2H2O  [Zn(OH)4]2– + H2 + 2OH–
Zn + 2OH– + 2H2O  [Zn(OH)4]2– + H2
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9.
Geben Sie je eine Lewis-Formel an für: Blausäure, das Cyanat-Ion, das ThiocyanatIon, das Cyanamid-Ion. Alle freien Elektronenpaare sowie alle etwaigen
Formalladungen angeben!
Gleiche Aufgabe wie bei der Erstklausur!
Beim Thiocyanat ist die Form mit C=S-Doppelbindung weniger wahrscheinlich.
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10.
Wie sind die Oxidationszahlen der Kohlenstoffatome bei (i) Methan (ii) Tetrafluorkohlenstoff (iii) Ameisensäure (iv) dem Cyanat-Ion?
(i) CH4; Kohlenstoff ist elektronegativer als Wasserstoff, also C –IV.
(ii) CF4; Fluor ist elektronegativer als Kohlenstoff, also C +IV.
(iii) Die elektronegativsten Atome sind die Sauerstoffe O –II. Der OH-Wasserstoff ist H+I und
der CH-Wasserstoff auch H +I. Da das ganze Molekül neutral ist, bleibt C+II.
OH
H
C
Ameisensäure
O
(iv) Cyanat: Stickstoff und Sauerstoff sind beide elektronegativer als Kohlenstoff, wodurch
die Elektronen aller vier Bindungen des Kohlenstoffs den beiden anderen Partnern
formal zugeschlagen werden; also C +IV.
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11.
Ordnen Sie folgende Verbindungen (nur die Formeln sind angegeben) in der
Reihenfolge zunehmender Siedepunkte und erklären Sie diese Reihenfolge (ohne
Erklärungen keine Punkte!): CCl4, SiC, NH3, LiF, CsI, CH4.
Methan CH4 ist ein kleines Molekül mit schwachen intermolekularen Dispersionskräften, hat
also den niedrigsten Siedepunkt.
Dann kommt Ammoniak, bekanntlich ein Gas, aber mit Dipol-Dipol-Wechselwirkungen
zwischen H+ und N–. (entspricht H-Brücken in Flüssigkeit und Feststoff).
Tetrachlorkohlenstoff CCl4 ist bei Zimmertemperatur flüssig (es ist ein bekanntes Lösungsmittel mit Anwendung bei der Trockenreinigung usw.). Die stärkeren Dispersionskräften zwischen den größeren Cl-Atomen sind stark genug, dass CCl4 bei Zimmertemperatur kein Gas mehr ist.
CsI ist eine Ionenverbindung mit großen Ionen, da ist die Gitterenergie verhältnismäßig klein;
der Siedepunkt wird trotzdem ziemlich hoch sein (1280 °C nach Wiki!) … aber LiF
mit seinen kleinen Ionen hat eine höhere Gitterenergie und siedet noch höher (1680
°C)
Carborund SiC ist ein dreidimensionales Polymer mit starken kovalenten Bindungen, analog
dem Diamant. Wenn es überhaupt zum Sieden zu bringen wäre, dann erst bei sehr
hohen Temperaturen (Wiki meint, es zersetze sich bei Temperaturen > 2300 °C, bevor
es schmelze …).
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12.
Eine Lösung Salzsäure (100 mL, 0.5 M) wird mit einer Lösung Natronlauge (100 mL,
0.5
M)
versetzt. Die Temperatur der gemischten Lösung steigt um 3.1 K. Berechnen
Sie die molare Neutralisationswärme. [Die spezifische Wärme von Wasser beträgt
4.18 J/K/g.]
(Die Lösungen sind effektiv Wasser, was die spezifische Wärme angeht)
Bei diesem Versuch wird 200  3.1  4.18 = 2591.6 J Wärme freigesetzt.
Die Molmengen sind 0.05 mol Säure bzw. Base. Pro Mol wird also 2591.6 / 0.05 = 51832 J
freigesetzt. Die molare Neutralisationswärme beträgt also 51.8 kJ.
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13.
Wie sind die Koordinationszahlen der Metallatome bei Metallstrukturen, die (i)
kubisch innenzentriert (ii) kubisch primitiv (iii) hexagonal dichtest gepackt sind? Je
eine Skizze angeben!
(i) 8; (ii) 6 (zwei entlang jeder kartesischen Achsenrichtung); (iii) 12 (drei helle oberhalb und
drei (nicht eingezeichnet) unterhalb der Ebene des zentrierten Sechsecks!
(i)
(ii)
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14.
Was sind (i) Wassergas (ii) Wasserglas (iii) Chlorwasser (iv) Königswasser?
(i) Wassergas: bei der Kohlevergasung wird Wasserdampf über heißen (1000 °C) Koks
geleitet. Das Produkt heißt Wassergas:
C + H2O  CO + H2
(ii) Natriumsilicat Na4SiO4 (idealisiert) wird aus Natriumcarbonat und SiO2 beim Erhitzen
gebildet. Die zähflüssige wässrige Lösung Wasserglas ist stark alkalisch:
SiO44– + 3H2O  H3SiO4– + 3OH–
(iii) Eine Lösung von Chlor im Wasser heißt Chlorwasser. Es unterliegt einer
Gleichgewichtsreaktion, die zu Salzsäure und hypochloriger Säure HClO führt:
Cl2 + H2O
H+ + Cl– + HClO
(iv) Eine Mischung aus konz. Salzsäure und konz. Salpetersäure (etwa 3:1) heißt
Königswasser. Dieses ist so stark oxidierend, dass es auch Edelmetalle wie Gold unter
Bildung von HAuCl4 ("Goldsäure", besser Tetrachlorgoldsäure) lösen kann.
3NOCl + HCl + Au  3NO + HAuCl4
(die Gleichung ist nicht unbedingt notwendig – und ist sowieso spekulativ; zumindest die
Formel HAuCl4 sollte angegeben werden)
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15.
Die Beobachtung, dass chemisch erzeugter Stickstoff eine unterschiedliche Dichte zu
aus der Luft gewonnenem Stickstoff hat, führte zur Entdeckung der Edelgase. Welcher
hat die höhere Dichte? Berechnen Sie das Verhältnis der beiden Dichten.
Normale trockene Luft enthält 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und 1% Edelgase
(hauptsächlich Argon) neben Spuren anderer Gase.
Luft ohne Sauerstoff besteht aus Stickstoff N2 (M = 28.02) mit ein wenig Argon (M = 39.95).
Durch das schwerere Argon ist "Luftstickstoff" etwas schwerer als chemisch erzeugter
Stickstoff.
Etwas genauer: Luft ohne Sauerstoff besteht aus 78 Teilen N2 (M = 28.02) zu einem Teil
Argon (M = 39.95). Die mittlere Molmasse des "Luftstickstoffs" beträgt [(78  28.02) + (1 
39.95)] / 79 = 28.17. Das Verhältnis der Dichten beträgt 28.17 / 28.02 = 1.0054 (oder der
Kehrwert 0.9946).
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16.
Die Abbildung zeigt die Struktur eines enantiomerenreinen Aminosäure-Derivats.
Ausgewählte Atome sind nach dem Schema "Elementsymbol, Nummer" gekennzeichnet. Nicht gekennzeichnete Atome sind Kohlenstoff (größere Kreise) bzw.
Wasserstoff (kleinere Kreise). Bestimmen Sie die absolute Konfiguration an den
Atomen P1 und C1 (Begründung!). [Phenyl hat eine höhere Priorität als t-Butyl].
"Lenkradmodelle":
Bei C1 sind die Prioritäten N1 > Phenyl > Methyl > H. Das Molekül wird so gedreht, dass der
der Substituent mit der niedrigsten Priorität, das H-Atom, nach hinten zeigt (somit
kommt die Methylgruppe nach unten in der Papierebene!); die anderen drei
nehmen gegen Uhrzeigersinn ab  S.
Bei P1 sind die Prioritäten O1 > N1 > Phenyl > Butyl. Das Molekül wird so gedreht, dass der
Substituent mit der niedrigsten Priorität, die t-Butyl-Gruppe, nach hinten zeigt; die
anderen drei nehmen gegen Uhrzeigersinn ab  S.
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17.
Wie sind nach Kristallfeldtheorie die 3d -Orbitaldiagramme bei (i) tetraedrischen (ii)
quadratischen Metallkomplexen? Was für Auswirkungen gibt es auf die magnetischen
Eigenschaften der jeweiligen Komplexe?
Tetraedrisch:
Die Aufspaltung  ist kleiner als bei oktaedrischen Komplexe, so dass tetraedrische
Komplexe "high-spin"-Konfigurationen aufweisen.
Quadratisch (Quadratebene ist xy):
(je nach System kann das d(z2)-Orbital auch ganz unten liegen). Die hohe Energie des d(x2y2)-Orbitals verglichen mit d(xy) führt dazu, dass die Konfiguration d8 bevorzugt wird; diese
ist diamagnetisch.
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18.
(a) Wie viel Energie wird benötigt, um einen Apfel mit Masse 150 g um 2 m gegen die
Schwerkraft anzuheben? [Gravitationsbeschleunigung der Erde = 9.807 m s–2]. (b)
Wie viel Energie wird verbraucht, wenn ein Heizstrahler bei einer Spannung von
230 V und einer Stromstärke von 5 A einen Tag läuft? Beide Antworten in Einheiten
Joule angeben!
Nette Überraschung für Physiker!
(a) Bei SI-Einheiten sind Massen in Kilogram zu verwenden. Die Schwerkraft ist 0.15 
9.807 N. Um 2 m gegen diese Kraft zu arbeiten, beträgt die Energie 0.15  9.807  2 = 2.942
J.
(b) Energie = Spannung  Stromstärke  Zeit = 230  5  3600  24 = 9.936  107 J.