Chemie der Elemente

↓ Name, Vorname
AC-2 Übungen „Chemie der Metalle“ (Sundermeyer)
1. Geben Sie in den Betrag der Ligandenfeldstabilisierungsenergie LFSE für einen
oktaedrischen Komplex mit d6 low-spin und d6 high-spin Konfiguration an und konstruieren
Sie ein Beispiel eines solchen Komplexes
2. Ordnen Sie die folgenden Ionen und Liganden nach Zunahme der
Ligandenfeldaufspaltung in einem oktaedrischen Komplex:
a) N-Nitrit, Wasser, Carbonyl, Nitrat, Ammoniak, Bromid, Cyanid, Hydroxid.
b) Fe2+, Ru3+, Fe3+, V2+
3. Begründen Sie anhand des Aufspaltungsmusters, warum Komplexe der d7 low-spin und d4
high-spin Elektronenkonfiguration eine ausgeprägte Jahn-Teller-Verzerrung zeigen (und
nicht d7 hs und d4 ls). Nennen Sie jeweils zwei Metallkationen, die diese Konfiguration
besitzen.
4. Schreiben Sie die Übergangsmetalle geordnet nach Gruppen auf ein Blatt Papier.
Benennen Sie auswendig die Reihe der 4d Metalle. Beschreiben Sie: Ursache und Wirkung
der Lanthanoidenkontraktion? Nennen Sie jeweils eine Verbindung in der höchsten
Oxidationsstufe für jedes 3d und 5d Metall einer Gruppe.
2−
5. Der Komplex [Ni(CN) 4 ]
3−
2−
verhält sich magnetisch anders als [NiCl 4 ] . Das gleiche gilt
2+
für [Fe(CN) 6 ] und [Fe(H 2 O) 6 ] . Erklären Sie diese experimentellen Befunde mit Hilfe
der Ligandenfeld-Theorie und nennen Sie den Gesamtspin S für die vier Komplexe.
3+
3+
3−
6. [Co(NH 3 ) 6 ] , [Co(en) 3 ] und [Co(NO 2 ) 6 ]
3−
sind [CoF 6 ] und [CoF 3 (H 2 O) 3 ] blau.
+
sind orange-gelb. Im Gegensatz dazu
2+
[Cu(NH 3 ) 4 ] farblos, während [Cu(NH 3 ) 4 ] tiefblau ist.
Erklären Sie qualitativ diese Unterschiede in der Farbe und auch in den magnetischen
Eigenschaften. (en = Ethylendiamin)
2−
2−
7. Die Komplexe [NiCl 4 ] und [PtCl 4 ] unterscheiden sich beträchtlich in Bezug auf
Geometrie, Farbe und Magnetismus. Diskutieren Sie: die Elektronenkonfiguration, die
magnetischen, geometrischen und spektroskopischen Eigenschaften dieser beiden Komplexe.
8. Geben Sie den Spin S, die Elektronenkonfiguration, die Oxidationsstufe und die
Valenzelektronenzahl folgender Komplexe an: [Co(NH 3 ) 5 Cl]2+, [Fe(OH) 2 (H 2 O) 4 ]+,
[Fe(CN) 6 ]3−, [Cd(NH 3 ) 6 ]2+, [FeCl 4 ]−, [Au(CN) 4 ]−
9. Nennen Sie die Definition eines Komplexes nach der Werner’schen Koordinationslehre,
die beiden Werner’schen Postulate und die experimentellen Grundlagen, mit denen er seine
Postulate begründet.
10. Beschreiben Sie die Titangewinnung: Nasser + trockener Erzaufschluss, Abtrennung von
Verunreinigungen, Gewinnung von TiO 2 - auch Pigmentqualität - Gewinnung von Titan.
11. Beschreibe je 2 Beispiele von Komplexen der Koordinationszahl KZ 2, KZ 4, KZ 5 und
KZ 6 (Zusammenhang zwischen räumliche Konfiguration und d-Elektronenkonfiguration).
12. Was ist eine Pseudorotation. Erläutern Sie das Prinzip der Berry-Pseudorotation! Wie
viele Stereoisomere gibt es für oktaedrische Komplexe des Typs [M(A∩B) 2 C 2 ] mit
Chelatliganden A∩B und monodentaten Liganden C?
13. Was sind Heteropolysäuren bzw. Heteropolyanionen? Unter welchen Bedingungen
bilden sie sich? Bringen Sie als Beispiel den Phosphatnachweis mit
Ammoniumheptamolybdat (Formel?) und erläutern Sie die Zusammensetzung und
Strukturprinzip des gebildeten Anions.
14. Zeichnen Sie die Valenzstrichform von: mer-[CrCl 3 (H 2 O) 3 ], fac-[Mo(CO) 3 (MeCN) 3 ],
trans-[Ir(PPh 3 ) 2 (CO)Cl], cis-[Co(en) 2 Cl 2 ]Cl. Was versteht man unter Bindungsisomerie,
Stereoisomerie und Ionisationsisomerie in der Koordinationschemie?
15. Zeichnen Sie die Elementarzelle des Rutil und des Perowskit Gitters und analysieren Sie
das Verhältnis der Koordinationzahlen.
16. Was sind Isopolysäuren? Was sind Isopolymetallsäuren? Wie bilden sie sich mit
welchen charakteristischen Elementen und strukturellen Verknüpfungsprinzipien?
17. Leiten Sie die Aufhebung der Entartung der d-Orbitale im quadratisch planaren
Ligandenfeld ab und begründen Sie den räumlichen Bau für die Komplexe [Pd(PPh 3 ) 4 ] und
[PdCl 4 ]2−.
18. Welche Zusammensetzung besitzen Neodym-Supermagnete, 1,2,3-Supraleiter,
Wasserstoffspeichermaterialien (ein bekanntes Beispiel) und YAG-Lasermaterialien?
Erläutern Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Chemie von Aluminium und
Scandium.
19. Welche Verbindung der folgenden Paare besitzt
- höhere ionischen Bindungsanteile: TiCl 3 vs TiCl 4 , TiCl 4 vs ZrCl 4
- die höhere Koordinationszahl am Kation: TiCl 3 vs TiCl 4 , TiCl 4 vs ZrCl 4
- das basischere Sauerstoffatom: ZrO 2 vs TiO 2 , VO vs V 2 O 5
- ein höheres Oxidationspotential: MoO 3 vs WO 3 , VCl 4 vs NbCl 4
- eckenverknüpfte Oktaeder als Strukturmotiv: NbCl 4 vs NbF 4
20. Zeichnen Sie die Struktur von Cr(II)-acetat und erläutern Sie die Bindungsverhältnisse
anhand eines Orbitalbildes.
21. Ergänzen Sie die folgenden Reaktionsgleichungen und erläutern Sie den Reaktionstyp
(Redox-, Protolyse-, Ligandenaustausch-, Kondensations-Reaktion etc.).
V 2 O 5 + ?? → VOCl 3 + SO 2
Cr 2 O 7
2−
−
+ Cl + ?? → Cr3+ + ?? + ??
Na 4 SiO 4 + Na 2 MoO 4 + ?? →
CrO 4
2−
Na x [Si n Mo m O o ] + ??
−
+ ?? + H 2 O 2 → [Cr(O)(O 2 ) 2 (OH)] + ??
[Cr(H 2 O) 6 ]2+ + NaOAc → ??
22. Welches sind die Produkte der erschöpfenden Oxidation der Metalle Cr, Mo und W mit
elementarem Chlor? Warum der Trend?
23. Erläutern Sie anhand einer Reaktionsgleichung die Bestimmung des H 2 O 2 Gehaltes
einer wässrigen Lösung mittels Manganometrie!
24. Erläutern Sie die chemischen Vorgänge in den gängigen Mangan-Alkali-Batterien!
25. Schreiben Sie die Valenzstrichformeln für drei Eisen-, ein Cobalt und ein
Nickelcarbonyl auf. Erläutern Sie anhand dieser Verbindungen den Gültigkeitsbereich der
18-VE-Regel ! Was versteht man unter einer π-Rückbindung ? (Bonuspunkt: mit
Orbitalskizze)
26. Erläutern Sie das Boudouard-Gleichgewicht nach folgenden Gesichtspunkten:
exotherm? Entropieänderung? Verschiebung des Gl.gew. durch Temp.erhöhung?
Funktion im Hochofenprozess?
27. Nennen Sie Unterschiede und Gemeinsamkeiten
a) in der Amphoterie von Fe(OH) 3 und Al(OH) 3
b) von FeCl 3 und AlCl 3 bei der Reaktion mit Natriumchlorid bzw. Wasser.
c) von FeCl 3 und AlCl 3 im Aufbau und physikalischen Eigenschaften
d) von FeCl 3 und AlCl 3 im Redoxverhalten, Farbe, Magnetismus.
28. Erklären Sie die Farbe folgender Verbindungen: Zinnober, [Cd(NH 3 ) 6 ]2+ (Farbe?)
Mennige, Permanaganat, Ferroin Redoxindikator bzw. [Ru(bipy) 3 ]2+, Peroxotitanyl,
[Co(NH 3 ) 6 ]3+ (Rot), Molybdänblau.
29. Erläutern Sie den strukturellen Aufbau und die Ursache für die Farbigkeit von Berliner
Blau! (Skizze).
30. Aus welchen Baueinheiten (und durch welche Konnektivität verknüpft) ist das
Porphyrin-Grundgerüst aufgebaut (Skizze ohne periphere Reste). Welche Oxidationsstufe
besitzt das Zentralatom in der Hämgruppe, wenn es zur Reaktion mit Sauerstoff bereit ist.
31. Schreiben Sie die 6 Platinmetalle gruppenweise untereinander und erläutern Sie:
a) Welches ist das edelste, das unedelste Metall dieser Gruppe?
b) Welches besitzt das am stärksten reduzierende / oxidiernde Dikation ?
c) Welches erreicht in welcher Verbindung die höchste Oxidationsstufe der Edelmetalle?
d) Welches Edelmetallfluorid oxidiert selbst Sauerstoff oder Xenon?
32. Erläutern Sie die drei grundlegenden Reaktionswege des Abgas 3-Wege-Katalysators
anhand je einer Reaktionsgleichung.
33. Erläutern Sie anhand von zwei Reaktionsgleichungen die chemischen Prozesse beim
Laden / Entladen des Ni-Cd-Akkus und des Ni-Metallhydrid-Akkus , schließlich sind dies
Gegenstände des täglichen Gebrauches!
34. Beschreiben Sie anhand einer Valenzstichformelgleichung den Nickelnachweis mittels
Diacetylglyoxim.
35. Unterschiede und Gemeinsamkeiten im strukturellen Aufbau / Oxidationsstufe von
Fe 3 O 4 und Co 3 O 4 . Bitte namensgebenden Stuktur-Urtyp und Variante erläutern.
36. Erläutern Sie anhand je einer Reaktionsgleichung die Stabilität von [Co(NH 3 ) 6 ]
3+
[Co(OH 2 ) 6 ] in wässriger Lösung an Luft.
2+
und
37. Wie trennt man Kupfer und Nickel technisch in die Elemente, wenn man von Cu-NiKies als Erz (ein gemischtes Sulfid) ausgeht? Erläutern Sie zwei Verfahren zur technischen
Nickelraffination, insbesondere Abtrennung von Kupfer !
38. Was versteht man unter Tetrachlorogoldsäure und Hexachloroplatinsäure? Durch welche
Reaktion werden diese aus den Metallen gebildet (Gleichung) ?
39. Erläutern Sie: a) Wie wird Gold aus natürlichen Vorkommen von findigen Chemikern
durch Cyanidlaugerei gewonnen (Reaktionsgleichungen bis zum elementaren Gold in Ihren
Händen).
b) Wie wurde elementares Gold zu Zeiten des Goldrausches in Amerika gewonnen?
40. Erläutern Sie anhand zweier Reaktionsgleichungen Parallelen in der Reaktion von
2+
Cu (aq) mit Iodid und Cyanid.
41. Erläutern Sie die einzelnen Schritte des photographischen Prozesses der Schwarz-WeißPhotographie (bis zum positiven Bild).
42. Erläutern Sie anhand einer Skizze oder in Worten folgende wichtigen Strukturtypen:
Wurtzit, Zinkblende, Cadmiumiodid, Cuprit.
43. Formulieren Sie die Komproportionierungsreaktion unter Bildung von Kalomel und
Kupfer(I)-chlorid
44. Verschaffen Sie sich selbst den Überblick: Welche Metalle (Haupt- und Nebengruppen)
werden durch Reduktion mit a) H 2 , b) CO, c) Koks, d) elektrolytisch, e) durch Reaktion mit
unedlen Metallen (Na, Mg, Ca bzw. aluminothermisch) gewonnen. Bitte jeweils zwei
Beispiele benennen.
−
−
45. Beschreiben Sie die Struktur von Al 2 Cl 6 (g), Au 2 Cl 6 , [AlCl 4 ] bzw. [AuCl 4 ] .
Begründen Sie den Befund!
46. Ergänzen Sie die Reaktionsgleichungen (mit Erläuterung):
NO 3 − + Fe(OH) 2 +
FeCO 3 +
FeS +
+
→
+ Fe(OH) 3 +
Fe(HCO 3 ) 2
O2  ∆ →
Cr3+ + OH− + H 2 O 2 →
47. Ergänzen Sie die Reaktionsgleichungen (mit Erläuterung):
Ni2+ +
+
−
+ OH →
NiO(OH)aq. +
→ O 2 +[PtF 6 ]
[Ag(NH 3 ) 2 ]+ + N 2 H 4
Mn2++ S2O8 2−+
−
Br +
−
−
+ OH →
→ MnO4− +
48. Erläutern Sie die Struktur, Bindungsverhältnisse, Oxidationsstufe und dElektronenkonfiguration einer Chrom- und einer Rheniumverbindung mit Metall-MetallVierfachbindung.
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Weitere Fragen für schriftliche Hausaufgaben (in der letzten VLStunde des Semesters freiwillig abzugeben von Kandidaten, die
aus Zeitgründen nicht dazu kamen, eine Aufgabe an der Tafel zu
entwickeln). Bitte namentlich eintragen und Frist wahren.
49. Erläutern Sie in Worten und durch Skizze die Struktur- und Bindungsverhältnisse von
Koordinationspolymeren MCl 4 (M= V, Nb).
50. Erläutern Sie in Worten und durch Skizze die Struktur- und Bindungsverhältnisse von
Koordinationspolymeren NbF 4 und NbCl 4 .
51. Erläutern Sie in Worten und durch Skizze die Struktur- und Bindungsverhältnisse von
Koordinationspolymeren VF 3 und ReO 3 .
52. Erläutern Sie in Worten und durch Skizze die Struktur- und Bindungsverhältnisse von
WCl 2 und ReCl 3 .
53. Beschreibe die Struktur der beiden wichtigen Modifikationen von ZnS in Stichworten
und durch Skizze.
54. Nennen Sie Unterschiede zwischen der Chemie des Titans und des Zirkoniums
(ausgewählte Strukturmotive / KZ von Halogenido- / Oxoverbindungen / stabile
Oxidationsstufen).
55. Nennen Sie Unterschiede zwischen der Chemie des Vandadins und des Niobs
(ausgewählte Strukturmotive / KZ von Halogenidoverbindungen / stabile Oxidationsstufen).
56. Nennen Sie Unterschiede zwischen der Chemie des Chroms und des Molybäns
(ausgewählte Strukturen / KZ von Halogenido- / Oxoverbindungen / stabile
Oxidationsstufen).
57. Nennen Sie Unterschiede zwischen der Chemie des Mangans und des Rheniums
(ausgewählte Strukturen / KZ von Halogenido- / Oxoverbindungen / stabile
Oxidationsstufen).
58. Nennen Sie Unterschiede zwischen der Chemie des Eisens und des Osmiums
(ausgewählte Strukturen / KZ von Halogenido- / Oxoverbindungen / stabile
Oxidationsstufen).
59. Nennen Sie Unterschiede zwischen der Chemie des Kupfers, Silbers und des Goldes
(ausgewählte Strukturen bei den prominenten Oxidationsstufen / KZ und Konfiguration am
Metall / stabile Oxidationsstufen).
60. Nenne Analogien in der Chemie von ausgesuchten Verbindungen der 4. Haupt-/
Nebengruppe
61. Nenne Analogien in der Chemie von ausgesuchten Verbindungen der 5. Haupt- und
Nebengruppe
62. Nenne Analogien in der Chemie von ausgesuchten Verbindungen der 6. Haupt- und
Nebengruppe
63. Nenne Analogien in der Chemie von ausgesuchten Verbindungen der 7. Haupt- und
Nebengruppe
64. Wer Schach beherrscht, setze sich mit dem Läufer, dem Pferd und dem Turm auf das
einzige radioaktive künstliche Metall der 3,4 und 5d-Reihe und beschreibe, welche Felder
des PSE er im Sinne eines Schachzuges mit diesen drei Figuren erreichen kann.
65. Wer Schach beherrscht setze sich mit dem Läufer, dem Pferd und dem Turm auf das
einzige bei RT flüssige Metall der 3,4 und 5d-Reihe und beschreibe, welche Felder des PSE
er im Sinne eines Schachzuges mit diesen drei Figuren erreichen kann.
66. Formuliere die folgenden Reaktionen:
Braunstein plus konz. HCl
Oxidationsschmelzaufschluss von Chrom(III)oxid
Saurer Aufschluss von Rutil TiO 2 .
67. Beschreibe die Gewinnung von Kupfer durch den Röstreduktionsprozess und die
elektrochemische Raffination des Rohkupfers.
68. Wie wird Roheisen gewonnen? Aufbau der Reaktionsanlage, beteiligte Reaktionen und
zwei moderne Verfahren zur Gewinnung von Edelstahl.
69. Wie können Cu(II) und Cd(II) im Trennungsgang und in der Technik über eine
„Maskierung als Komplex“ getrennt werden?
70. Chemie im Spiegel der Kultur / Benenne qualitativ die Zusammensetzung der folgenden
Legierungen: Bronze, Messing, Neusilber, Weißgold, Rotgold, Konstantan, Monel, V2A
Edelstahl.
71. Beschreibe das chemische Prinzip einer Halogenleuchtbirne mit Wolframwendel!
72. Auf welcher altbekannten Reaktion beruht die Gewinnung des Cassius’schen
Goldpurpurs, des mitteralterlichen Goldrublinglases für Kirchenfenster – immerhin ist dies
ein Kulturerbe, das ein Chemiker im Nano-Zeitalter verstehen sollte.
73. Wie gewinnt man Kaliumperrhenat durch Hochtemperaturreaktion aus Rheniumpulver
und Sauerstoff und…? Reaktionsgleichung? Wie reagieren OsO 4 und RuO 4 mit
Hydroxidionen in wässriger Lösung?
74. Formuliere die Reaktion von Zink mit überschüssiger NaOH
sowie die Reaktion von Eisen(III)oxid mit überschüssiger NaOH und Chlor.