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Kapitel ORGANISCHE CHEMIE: • Alkane bis Aromaten: 106. Was sind Alkane? In welchem Aggregatzustand kommen sie unter Normalbedingungen vor? Sind sie wasserlöslich (Begründung)? = Paraffine, sind gesättigte Kohlenwasserstoffe. Sie bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff und besitzen keine Mehrfachbindungen. Sie können unter Normalbedingungen Gasförmig, flüssig, oder sogar als Feststoff vorkommen dies hängt von der länge der Kohlenwasserstoffkette ab. Sie sind schlecht wasserlöslich, da sie alle symmetrisch gebaut und vollbesetzt sind, sind sie unpolar und lösen sich somit schlecht im polaren Wasser. 107. Was sind Alkane allgemein? Alkane bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff und besitzen keine Mehrfachbindungen. Nennen Sie mindestens drei Beispiele und erläutern sie deren Aggregatzustand bei Raumtemperatur und Normaldruck (Atmosphärendruck) und deren Löslichkeit in Wasser. CH4 – Methan – gasförmig – schlecht löslich in Wasser (unpolar) C3H8 – Propan – gasförmig – schlecht löslich in Wasser (unpolar) C8H18 – Octan – flüssig – schlecht löslich in Wasser (unpolar) 108. Was sind Alkane? = Paraffine, sind gesättigte Kohlenwasserstoffe. Sie bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff und besitzen keine Mehrfachbindungen. Generelle Summenformel: CnH2n+2 Erläutern Sie die bei diesen Verbindungen vorliegende Hybridisierung. Der typische Hybridisierungszustand der C Atome der Alkane ist die sp3 Hybridiesierung. = aus einer Kombination eines 2s- mit drei 2p-Orbitalen entstehen 4 neue sp3 Hybridorbitale. Geben Sie drei Beispiele für Alkane an. CH4 – Methan – gasförmig – schlecht löslich in Wasser (unpolar) C3H8 – Propan – gasförmig – schlecht löslich in Wasser (unpolar) C8H18 – Octan – flüssig – schlecht löslich in Wasser (unpolar) Welche Lösungsmittel lösen Alkane (allg. Beschreibung)? Allgemein lösen unpolare Lösungsmittel wie anderen Alkanen, Benzen, Aromaten, … In welchem Aggregatzustand liegen langkettige Alkane bei Normalbedingungen (p = 1 atm (101,325 kPa); T = 0°C) vor (p und T in der Klammer einsetzen inklusive Einheit!)? Langkettige Alkane liegen unter Normalbedingungen flüssig, extrem lange in fester Form vor 109. Was sind Alkene? = Olefine, sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die mindestens eine nicht drehbare C=C Doppelbindung besitzen. Generelle Summenformel: CnH2n Nennen Sie mindestens drei Beispiele und erläutern sie deren Aggregatzustand bei Raumtemperatur und Normaldruck (Atmosphärendruck) und deren Löslichkeit in Wasser. C3H6 Propen – gasförmig – schlecht löslich in Wasser C4H8 Buten – gasförmig – schlecht löslich in Wasser C5H10 Penten – flüssig – schlecht löslich in Wasser 110. Was sind Alkene? = Olefine, sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die mindestens eine nicht drehbare C=C Doppelbindung besitzen. Generelle Summenformel: CnH2n Der typische Hybridisierungszustand der C Atome der Alkene ist die sp2 Hybridiesierung. = aus einer Kombination eines 2s- mit zwei 2p-Orbitalen entstehen 3 neue sp3 Hybridorbitale. Nennen Sie mindestens drei Beispiele. C3H6 Propen – gasförmig – schlecht löslich in Wasser C4H8 Buten – gasförmig – schlecht löslich in Wasser C5H10 Penten – flüssig – schlecht löslich in Wasser In welchem Aggregatzustand liegen kurzkettige Alkene (bis 5 C-Atome) unter Normalbedingungen vor? Sind diese in Wasser gut oder schlecht löslich (Begründung)? Bis 4 C Atome, gasförmig ab 5 C Atomen (Penten) flüssig. Sie sind generell schlecht in Wasser löslich, da sie alle unpolar sind. 111. Was sind Alkene? Erläutern Sie die bei diesen Verbindungen vorliegende Hybridisierung. = Olefine, sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die mindestens eine nicht drehbare C=C Doppelbindung besitzen. Generelle Summenformel: CnH2n Der typische Hybridisierungszustand der C Atome der Alkene ist die sp2 Hybridiesierung. = aus einer Kombination eines 2s- mit zwei 2p-Orbitalen entstehen 3 neue sp3 Hybridorbitale. Geben Sie drei Beispiele für Alkene an. C3H6 Propen – gasförmig – schlecht löslich in Wasser C4H8 Buten – gasförmig – schlecht löslich in Wasser C5H10 Penten – flüssig – schlecht löslich in Wasser Welche Lösungsmittel lösen Alkene (allg. Beschreibung)? Alkene lösen sich gut in unpolaren Lösungsmitteln. In welchem Aggregatzustand liegen langkettige Alkene bei Normalbedingungen (p = 1 atm (101,325 kPa); T = 0°C) vor? Langkettige Alkene, befinden sich, unter Normalbedingungen, bis zu Ketten von 15 C Atomen im flüssigen, mit mehr als 15 C Atomen im festen Aggregatzustand. 112. Was sind aromatische Verbindungen (im Sinne der organischen Chemie)? oder auch Arene werden in der organischen Chemie Verbindungen bezeichnet, die einen aromatischen Ring enthalten. Aromatische Ringe sind ein zyklisches Strukturmotiv aus konjugierten Doppelbindungen und/oder freien Elektronenpaaren. Aromaten sind mehrfach ungesättigte Verbindungen, die gegenüber der Addition an der Doppelbindung relativ reaktionsträge sind und die stattdessen relativ leicht direkt an einer Doppelbindung eine Substitution eingehen. Nennen Sie einen typischen Vertreter. Ist dieser wasserlöslich oder wasserunlöslich (Begründung!)? z.B.: Benzol C6H6 ist Wasser unlöslich da unpolarer Aufbau. 113. a) Zigarettenrauch enthält unter anderem Benzol. Schreiben Sie die chemische Formel dieser Verbindung auf. Benzol C6H6 b) Zu welcher Gruppe organischer Verbindungen gehört Benzol? Wodurch wird diese Gruppe charakterisiert? Es ist das einfachste und klassische Beispiel für aromatische Kohlenwasserstoffe.(Aromaten) Aromaten sind mehrfach ungesättigte Verbindungen, die gegenüber der Addition an der Doppelbindung relativ reaktionsträge sind und die stattdessen relativ leicht direkt an einer Doppelbindung eine Substitution eingehen. c) Benzol ist leicht entzündlich. Benzoldämpfe sind beim Einatmen giftig. Benzol ist kanzerogen. Welches Gefahrengutkennzeichen würden Sie zur Kennzeichnung eines Kanisters mit Benzol verwenden (Skizze, Begründung)? 114. Was sind Alkine? In welchem Aggregatzustand liegen sie bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck vor? Sind sie wasserlöslich (Begründung)? Alkine sind sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer C≡C Dreifachbindung. Die an der Bindung beteiligten Kohlenstoffatome sind sp hybridisiert. Allgemeine Summenformel CnH2n-2 115. Was sind Alkine? Nennen Sie mindestens drei Beispiele. In welchem Aggregatzustand liegen kurzkettige Alkine (bis 5 C-Atome) unter Normalbedingungen vor? Sind diese in Wasser gut oder schlecht löslich? Alkine sind sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer C≡C Dreifachbindung. Die an der Bindung beteiligten Kohlenstoffatome sind sp hybridisiert. Allgemeine Summenformel CnH2n-2 Bis 5 C-Atome sind Alkine Gasförmig, ab 5 flüssig. Sie sind generell schlecht in Wasser löslich. 116. Was sind Alkine? Erläutern Sie die bei diesen Verbindungen vorliegende Hybridisierung. Alkine sind sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer C≡C Dreifachbindung. Die an der Bindung beteiligten Kohlenstoffatome sind sp hybridisiert. Geben Sie drei Beispiele für Alkine an. Ethin: C2H2 Propin: C3H4 Butin: C4H6 Welche Lösungsmittel lösen Alkine (allg. Beschreibung)? Alkine lösen sich gut in unpolaren Lösungsmitteln (Öle, Fette, Lacke und Harze) In welchem Aggregatzustand liegen langkettige Alkine bei Normalbedingungen (p = 1 atm (101,325 kPa); T = 0°C) vor? Bis 5 C-Atome sind Alkine Gasförmig, ab 5 flüssig, und über 15 C-Atomen fest. Derivate – Funktionelle Gruppen: Alkohole: 117. a) Was sind Alkohole? Geben Sie drei Beispiele mit Formel und Namen an. = Derivate der Kohlenwasserstoffe, bei denen mindestens ein Wasserstoff durch eine Hydroxygruppe ersetzt ist. Methanol H3C-OH Ethanol H3C-CH2-OH Propanol H3C-CH2-CH2-OH b) Welche Eigenschaften haben Alkohole? Bis C10 farblose Flüssigkeiten, darüber Parafinähnliche Feststoffe. Methanol, Ethanol und Propanol sind gut mit Wasser mischbar, darüber nur begrenzt löslich. Mit steigender Kettenlänge sinkt der Einfluss der OH Gruppe. Durch Wassersrtoffbrückenbindungen, höhere Schmelz- bzw. Siedepunkte In alkoholen, liegt infolge der Elektronegativität des Sauerstoffes, eine polare Atombindung vor, daher sind sie als schwache Säuren aufzufassen, in denen das H-Atom der OH Gruppe durch ein Metall (Na) ersetzt werden kann. c) In welchem Aggregatzustand kommen die ersten drei Alkohole der homologen Reihe bei Normalbedingungen vor? In flüssiger Form 118. Was sind Alkohole? Nennen Sie mindestens drei Beispiele und erläutern sie deren Löslichkeit in Wasser. = Derivate der Kohlenwasserstoffe, bei denen mindestens ein Wasserstoff durch eine Hydroxygruppe ersetzt ist. Methanol H3C-OH Ethanol H3C-CH2-OH Propanol H3C-CH2-CH2-OH Methanol, Ethanol und Propanol sind gut mit Wasser mischbar, darüber nur begrenzt löslich, da mit zunehmender länge der Kohlenwasserstoffkette der Einfluss der OH Gruppe sinkt. 119. Was sind Alkohole? Nennen Sie mindestens drei Beispiele und erläutern sie deren Aggregatzustand bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck und deren Löslichkeit in Wasser. = Derivate der Kohlenwasserstoffe, bei denen mindestens ein Wasserstoff durch eine Hydroxygruppe ersetzt ist. Methanol H3C-OH Ethanol H3C-CH2-OH Propanol H3C-CH2-CH2-OH Bis C10 farblose Flüssigkeiten, darüber Parafinähnliche Feststoffe. Methanol, Ethanol und Propanol sind gut mit Wasser mischbar, darüber nur begrenzt löslich. Mit steigender Kettenlänge sinkt der Einfluss der OH Gruppe. 120. a) Was sind Alkohole? Nennen Sie drei Beispiele (inkl. Chem. Formel). = Derivate der Kohlenwasserstoffe, bei denen mindestens ein Wasserstoff durch eine Hydroxygruppe ersetzt ist. Methanol H3C-OH Ethanol H3C-CH2-OH Propanol H3C-CH2-CH2-OH b) Was entsteht bei der Reaktion von Alkoholen mit Carbonsäuren? Bei dieser Art von Reaktion entstehen Carbonsäureester Formulieren Sie hiefür eine entsprechende Reaktionsgleichung. R-COOH + HO-C2H5 → R-COO-C2H5 + H2O c) Wo kommen Alkohole in der Natur vor? Ether: 121. a) Was sind Ether? = organische Verbindung vom Typ R’- O - R’ bei denen man je nach Art des Kohlenwasserstoffrestes zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Ethern unterscheidet. Geben Sie die charakteristischen Eigenschaften an. Angenehm riechend; Reaktionsträge; Unpolarer als Alkohole;Können keine Wasserstoffbrücken ausbilden (fehlendes H Atom); Nicht mischbar mit Wasser Etherdämpfe sind schwerer als Luft und bilden explosive Gemische An Luft unter Lichteinwirkung, entstehen Hochexplosive Peroxide b) Reagiert Diethylether mit Sauerstoff – und wenn ja wie (Reaktionsgleichung)? H Ja, er reagiert H3C-C-O-C-CH3 + O2 → H3C-C -O - C-CH3 (Methylethylhydroperoxid) H2 H2 O-OH H2 122. Was ist beim Hantieren mit Diethylether (Formel aufzeichnen) alles zu beachten? H3C-C-O-C-CH3 H2 H2 Die Verbindung ist besonders leicht flüchtig und hochentzündlich. Seine Dämpfe sind schwerer als Luft. Wegen seiner ansonsten aber verhältnismäßig geringen Reaktivität wird Diethylether für viele Reaktionen als Lösungsmittel (bspw. in Grignard-Reaktionen) eingesetzt, wegen seiner geringen Löslichkeit in Wasser ebenso als Extraktionsmittel. Durch Einwirkung von Licht in Anwesenheit von Luft-Sauerstoff bilden sich jedoch organische Peroxide, die leicht und explosionsartig wieder zerfallen können. Darum wird Ether in dunklen Flaschen aufbewahrt; vor Verwendung (Destillation) muss daher auf das Vorhandensein von Peroxiden geprüft werden. Aldehyde und Ketone: 123. a) Was sind Aldehyde? = Carbonylverbindungen die aus oxidierten primären Alkoholen entstehen. Geben Sie drei Beispiele mit Formel und Namen an. b) Welche Eigenschaften haben Aldehyde? Stechend bis angenehmer Geruch Keine intramolekularen Wasserstoffbrücken Nur Formaldehyd und Acetaldehyd gut Wassermischbar Leicht oxidierbar = reagiert untr anwesenheit von Oxidationsmittel zu Carbonsäure (Ketone sind schwerer) Meist Additions- oder Kondensations- Reaktionen. c) Was entsteht bei der Oxidation von Aldehyden (Reaktionsgleichung)? Organische Säuren (Carboxyl-Gruppen (-COOH) (Carbonsäuren) -COH + O2 → -COOH 124. a) Zigarettenrauch enthält unter anderem Formaldehyd. Schreiben Sie die chemische Formel dieser Verbindung auf. HCHO b) Zu welcher Gruppe organischer Verbindungen gehört Formaldehyd? Wodurch wird diese Gruppe charakterisiert? Zu den Aldehyden = chemische Verbindungen, die als funktionelle Gruppe eine endständige Carbonylgruppe (genauer Aldehydgruppe, CHO) enthalten = Carbonylverbindungen die aus oxidierten primären Alkoholen entstehen. c) Formaldehyd kann bei unsachgemäßer Anwendung Allergien, Haut-, Atemwegsoder Augenreizungen verursachen. Eine Kanzerogenität wird vermutet. Welches Gefahrengutkennzeichen würden Sie zur Kennzeichnung eines Kanisters mit Formaldehyd verwenden (Skizze)? 125. a) Was sind Ketone? Nennen Sie mindestens drei Beispiele. = Carbonylverbindungen die aus oxidierten sekundären Alkoholen entstehen. b) Was ist der Unterschied zwischen Aldehyden und Ketonen? Im Gegensatz zu den Aldehyden ist hier der Carbonylkohlenstoff in beide Bindungsrichtungen mit Kohlenstoffatomen verbunden c) Wie nennt man die funktionelle Gruppe der Ketone? d) Erwarten Sie, dass sich das Keton Aceton (Formel. C3H6O.) mit Wasser mischt? Ja es mischt sich gut mit Wasser, da es sich mit generell mit organische Lösungsmitteln gut löst. Carbonsäuren und Ester: 126. a) Was sind Carbonsäuren? = organische Säuren die aus Oxidation von primären Alkoholen bzw. Aldehydgruppen entstehen. b) Geben Sie drei Beispiele für in der Natur vorkommende Carbonsäuren inkl. ihrer Formel an. Methan- (Ameisen-) Säure HCOOH Ethan- (Essig-) Säure CH3COOH Propan-(Propion-) Säure CH3CH2COOH 127. Was sind Carbonsäuren? Nennen Sie zwei typische Vertreter, die wasserlöslich sind. = organische Säuren die aus Oxidation von primären Alkoholen bzw. Aldehydgruppen entstehen. Methan- (Ameisen-) Säure HCOOH Ethan- (Essig-) Säure CH3COOH Propan-(Propion-) Säure CH3CH2COOH Mit zunehmender Kettenlänge nimmt der lipophile Charakter zu und der hydrophile Charakter damit ab. 128. Was sind Carbonsäuren? Geben Sie drei Beispiele mit Formel und Namen an. = organische Säuren die aus Oxidation von primären Alkoholen bzw. Aldehydgruppen entstehen. Methan- (Ameisen-) Säure HCOOH Ethan- (Essig-) Säure CH3COOH Propan-(Propion-) Säure CH3CH2COOH Was entsteht wenn Carbonsäuren mit Alkoholen zur Reaktion gebracht werden (inkl. Reaktionsgleichung)? Bei dieser Art von Reaktion entstehen Carbonsäureester R-COOH +HO-C2H5 → R-COO-C2H5 + H2O 129. Was sind Carbonsäuren? = organische Säuren die aus Oxidation von primären Alkoholen bzw. Aldehydgruppen entstehen. Wo kommen Sie in der Natur vor? Sind sie wasserlöslich (Begründung)? Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion einer kurzkettigen Carbonsäure und Ethanol. Wie nennt man diese Reaktion? R-COOH +HO-C2H5 → R-COO-C2H5 + H2O 130. a) Was sind Carbonsäuren? = organische Säuren die aus Oxidation von primären Alkoholen bzw. Aldehydgruppen entstehen. Sind sie wasserlöslich (Begründung)? b) Benennen sie den Ausgangsstoff und das Endprodukt der folgenden Reaktionsgleichung und ergänzen Sie die Gleichung. c) Welche Art der Reaktion läuft hier ab? redox d) Berechnen Sie den pH-Wert einer Propansäure, die in einer Konzentration von c = 0,1 mol/L vorliegt (KS= 1,8.10-4). 131. a) Benennen Sie die Verbindungen der unten stehenden Reaktion. b) Um welche Art von Reaktion handelt es sich? 132. a) Zu welcher Gruppe organischer Verbindungen gehört die Butansäure (Formel.CH3(CH2)2COOH.)? = Buttersäure, sie gehört zu den Carbonsäuren = eine oxidierte Aldehydgruppe b) Handelt es sich hierbei um eine schwache oder eine starke Säure? Die Butansäure ist eine schwache organische Säure (Ks = 1,5*10-5) c) Berechnen Sie den pH-Wert einer Butansäure, die in Konzentration von c = 0,3 mol/L vorliegt (KS= 1,5.10-5). 133. a) Zu welcher Gruppe organischer Verbindungen gehört die Methansäure (Formel. HCOOH; Trivialname: Ameisensäure)? Zu den Carbonsäuren = eine oxidierte Aldehydgruppe b) Handelt es sich hierbei um eine schwache oder eine starke Säure ? Ameisensäure ist wie alle Carbonsäuren eine schwache organische Säure (KS= 1,8* 10-4) c) Berechnen Sie den pH-Wert einer Methansäure, die in Konzentration von c = 0,5 mol/L oder c = 0,3 mol/L vorliegt (KS= 1,8.10-4). 134. a) Zu welcher Gruppe organischer Verbindungen gehört die Propansäure (Formel.CH3CH2COOH)? = Propionsäure, sie gehört zu den Carbonsäuren = eine oxidierte Aldehydgruppe b) Handelt es sich hierbei um eine schwache oder eine starke Säure? Propansäure ist wie alle Carbonsäuren eine schwache organische Säure (KS= 1,4* 10-5) c) Berechnen Sie den pH-Wert einer Propansäure, die in Konzentration von c = 0,3 mol/L vorliegt (KS= 1,4.10-5). Heterocyclische Verbindungen: 135. Was versteht man in der organischen Chemie unter „Heteroatomen“? Führen Sie ein Beispiel für eine ein Heteroatom beinhaltende Verbindung an. sind innerhalb der organischen Chemie solche Atome die kein Kohlenstoff oder Wasserstoff sind. Es sind oft, aber nicht ausschließlich, Stickstoff-, Sauerstoff-, Schwefel-, oder Phosphoratome, die Bestandteil einer organischen Verbindung (wie etwa cyclischen Verbindungen – Heterocyclen) sind. z.B.: Der Sauerstoff in Alkoholen: Ethanol H3C-CH2-OH Kapitel WASSER: • Inter- und intramolekulare Wechselwirkungen: 136. Erläutern Sie die Bedeutung von Van der Waals Kräften für unser Leben. 137. Was versteht man unter Wasserstoffbrückenbindungen? Erläutern Sie deren Bedeutung für unser Leben (in welchen Verbindungen kommen sie vor, etc.). = in Bindung mit stark elektronegativen Elementen hat d. Wasserstoff eine deutlich positive Teilladung => tritt gerne mit einem freien elektronenpaar in Wechselwirkung. Wasserstoffbrücken bewirken hohe Siedepunkte, und durch den begrenzten Platz am Atom richten sich die Wasserstoffbrücken räumlich aus. Sie bilden sich nur mit den Elementen F, O, N Deswegen lösen sich Verbindungen mit diesen Stoffen auch gut in Wasser Die hohen EN Unterschiede zwischen H und O bewirken besonders starke Wasserstoffbrücken im Wasser. Diese prägen die typischen Eigenschaften von Wasser, das in dieser Form Leben überhaupt ermöglicht. In der Natur haben Wasserstoffbrücken wegen ihrer räumlichen Ausrichtung zentrale Bedeutung. Sie sind in Stoffen wie z.B.: Cellulose, DANN, Enzymen,… verantwortlich für die Ausbildung der dreidimensionalen Molekülstruktur 138. Was versteht man unter Wasserstoffbrückenbindung? Wo spielt diese Art der Bindung in der Natur eine große Rolle? = in Bindung mit stark elektronegativen Elementen hat d. Wasserstoff eine deutlich positive Teilladung => tritt gerne mit einem freien elektronenpaar in Wechselwirkung. Die hohen EN Unterschiede zwischen H und O bewirken besonders starke Wasserstoffbrücken im Wasser. Diese prägen die typischen Eigenschaften von Wasser, das in dieser Form Leben überhaupt ermöglicht. In der Natur haben Wasserstoffbrücken wegen ihrer räumlichen Ausrichtung zentrale Bedeutung. Sie sind in Stoffen wie z.B.: Cellulose, DANN, Enzymen,… verantwortlich für die Ausbildung der dreidimensionalen Molekülstruktur 139. Was versteht man unter der Anomalie des Wassers? Wie lässt sich diese erklären? Wasser hat unter Normaldruck seine größte Dichte von 1000 Kilogramm pro Kubikmeter bei 3,98 °C und zeigt damit eine Dichteanomalie. Diese besteht darin, dass sich Wasser unterhalb von 3,98 °C bei weiterer Temperaturverringerung, auch beim Wechsel zum festen Aggregatzustand, wieder ausdehnt, was man nur von wenigen Stoffen kennt. Der Grund der Anomalie des Wassers ist die Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Durch sie benötigt die Struktur des festen Zustands mehr Platz als die Struktur bei beweglichen Molekülen. Im Eiskristall ordnen sich je 4 H Atome tetraedisch um ein O Atom diese Kristallform benötigt mehr Platz 140. Definieren Sie den Begriff Siedepunkt. Welche Faktoren beeinflussen den Siedepunkt eines Lösungsmittels? = Die Temperatur bei der, der Dampfdruck einer Flüssigkeit, gleich groß wie der äußere Atmosphärendruck ist. Die Temperatur einer Flüssigkeit bleibt konstant, bis die ganze Flüssigkeit verdampft ist. Der Siedepunkt ist von der molaren Masse bzw. Molekülmasse des Stoffes abhängig. Es gilt: Je größer die molare Masse ist, desto höher ist der Siedepunkt. Der Siedepunkt ist zudem von der Stärke der Bindungskräfte zwischen den kleinsten Teilchen der flüssigen Phase abhängig: Je stärker die Bindungskräfte sind, desto höher ist der Siedepunkt, da diese zunächst überwunden werden müssten. 141. a) Warum hat Wasser gegenüber den anderen Wasserstoffverbindungen der 6. Hauptgruppe (=16. Gruppe) einen unerwartet hohen Siedepunkt von 99,9743°C? Wegen seiner Wasserstoffbrücken Bindungen. b) Geben Sie die Formeln für die Wasserstoffverbindungen der anderen Vertreter der 6. Hauptgruppe an. H2O – H2S – H2Se – H2Te 142. a) Warum hat Fluorwasserstoff gegenüber den anderen Wasserstoffverbindungen der 7. Hauptgruppe (=17. Gruppe) einen unerwartet hohen Siedepunkt von ca. 20°C? Wegen seiner Wasserstoffbrücken Bindungen. b) Formulieren und benennen Sie die Wasserstoffverbindungen der anderen Vertreter der 7. Hauptgruppe. HF – HCl – HBr – HI 143. Warum hat Fluorwasserstoff einen unerwartet hohen Siedepunkt von ca. +20 °C verglichen mit anderen Wasserstoffverbindungen der 7. Hauptgruppe (z.B. HCl Siedepunkt = -80°C)? Wegen seiner Wasserstoffbrücken Bindungen. Geben Sie die Formeln und Namen für die Wasserstoffverbindungen der anderen Vertreter der 7. Hauptgruppe an. HF – Flourwasserstoff (Hydrogenfluorid) HCl – Chlorwasserstoff (Hydrogenchlorid) HBr – Bromwasserstoff (Hydrogenbromid) HI – Iodwasserstoff (Hydrogeniodid) 144. Warum hat Ammoniak gegenüber den anderen Wasserstoffverbindungen der 5. Hauptgruppe (=15. Gruppe) einen unerwartet hohen Siedepunkt von -33°C? Wegen seiner Wasserstoffbrücken Bindungen. b) Geben Sie die Formeln für die Wasserstoffverbindungen der anderen Vertreter der 5. Hauptgruppe an. NH3 – PH3 – AsH3 – SbH3 145. Diskutieren Sie Unterschiede und Ähnlichkeiten der untenstehenden Kurven. Diese Kurven veranschaulicht den Siedepunktunterschied zwischen Stoffen mit und ohne Wasserstoffbrücken Bindungen. Im Gegensatz zu Wasser hat CH4 keine Wasserstoffbrücken, daher ist sein Siedepunkt so deutlich unter dem von Wasser. Die restlichen Moleküle haben auch alle keine Wasserstoffbrücken und daher verlaufen die Kurven ab der 2ten Verbindung wieder nahezu paralell. Der Siedepunkt ist von der molaren Masse bzw. Molekülmasse des Stoffes abhängig. Es gilt: Je größer die molare Masse ist, desto höher ist der Siedepunkt. • Lösungen: 146. Was versteht man unter Hydration oder Hydratation? die Anlagerung von Wassermolekülen an gelöste Ionen. Dadurch entsteht eine Hydrathülle (auch als Hydrat-Sphäre bezeichnet). die Anlagerung von Wassermolekülen an polare Neutralmoleküle, insbesondere wenn Wasserstoffbrückenbindungen gebildet werden können die Anlagerung von Wassermolekülen in Festkörper (Mineralien) als Kristallwasser 147. Was versteht man unter Solvatation? = allgemein wenn ein anderer Stoff als Wasser als Lösungsmittel verwendet wird. Solvatation findet statt, wenn Ionen in einem polaren Lösungsmittel aufgrund ihrer elektrischen Ladung Kräfte auf die Lösungsmitteldipole ausüben. Diese Kräfte führen auch zu einer geordneten Struktur in einem Lösungsmittel. 148. Erklären Sie die Hydratation von Kaliumchlorid (Formel:...........) Oder Natriumchlorid (Formel:...........) oder Kaliumbromid (Formel:...........). 149. Welche der folgenden Substanzen sind nicht in Wasser löslich: CH3 OH SiO2 N2 Fett Benzin C6H12O6 Oder CH3OH SiO2 N2 NaCl C6H18 C6H12O6 ? egründen sie Ihre Antwort! Polar unpolar 150. a) Was versteht man unter einem polaren Lösungsmittel? Geben Sie Beispiele für polare Lösungsmittel. Polare Lösungsmittel bestehen aus polaren Molekülen und lösen polare Stoffe gut. Die Moleküle weisen ein Dipolmoment auf. Zwischenmolekular tritt nun also elektrostatische Anziehung dauerhafter Dipole zu den immer noch vorhandenen, aber total überlagerten Van-der-WaalsKräften hinzu. z.B.: Wasser, Ether, Carbonsäureester, Ketone (Aceton), b) Begründen Sie warum folgende Lösungsversuche erfolgreich bzw. nicht erfolgreich ablaufen (ev. mit Reaktionsgleichungen verdeutlichen): KCl mit Wasser; SiO2 in CH3CH2OH; CO2 in H2O c) Benennen Sie sowohl die Lösungsmittel als auch die zu lösenden Stoffe in den oben angeführten Beispielen. d) Wie können Sie die Löslichkeit einer Substanz beeinflussen? Durch Veränderung der Temperatur: Bei endothermen (wärmeaufnehmend) Lösungsvorgängen steigt Löslichkeit mit steigender Temp. Bei exothermen (wärmeabgebend) Lösungsvorgängen sinkt die Löslichkeit mit steigender Temp. Durch Veränderung des Druckes: Bei festen und flüssigen Substanzen nur wenig Einfluss Bei Gasen bewirkt eine Druckerhöhung, dass eine größere Gasmenge in Lösung geht Durch beifügen anderer Elektrolyten (bei Salzen) 151. a) Was versteht man unter einem unpolaren Lösungsmittel? Alle Stoffe dieser Gruppen ineinander leicht löslich, sie sind sehr lipophil (eigentlich noch lipophiler als die sehr schwach polaren, namensgebenden Fette), und sehr hydrophob. Aber nicht nur Wasser kann sich nicht lösen, sondern alle anderen stark polaren Stoffe auch nicht, wie z. B. kurzkettige Alkohole, Chlorwasserstoff oder Salze. In der Flüssigkeit werden die Teilchen lediglich von Van-der-Waals-Kräften zusammengehalten. Deshalb fallen bei dieser Stoffgruppe die Siedetemperaturen im Vergleich zu Molekülgröße und –masse wesentlich niedriger aus als bei permanenten Dipolen. b) Begründen Sie warum folgende Lösungsversuche erfolgreich bzw. nicht erfolgreich ablaufen (ev. Mit Reaktionsgleichungen verdeutlichen): Fett in Benzin; SiO2 in CH3CH2OH; SO2 in H2O Oder: CuCl2 mit Wasser; SiO2 in CH3CH2OH; CaCO3 in Hexan c) Benennen Sie sowohl die Lösungsmittel als auch die zu lösenden Stoffe in den oben angeführten Beispielen. 152. a) Wovon hängt die Wasserlöslichkeit eines Gases ab? Von Temperatur und Druck und Polarität b) Wovon hängt die Wasserlöslichkeit eines Salzes ab? Von der Temperatur und der Polarität Der Zusatz eines anderen Elektrolyten, kann die Löslichkeit eines Salzes erhöhen 153. Was versteht man unter dem Gefrierpunkt einer Flüssigkeit und was unter dem Siedepunkt? Gefrierpunkt = Die Temperatur, bei der Flüssigkeit und Festkörper unter Normaldruck miteinander im Gleichgewicht sind. (Während des Gefrierens bleibt die Temperatur des fest/flüssig Systems konstant) Siedepunkt = Die Temperatur bei der, der Dampfdruck einer Flüssigkeit, gleich groß wie der äußere Atmosphärendruck ist. Die Temperatur einer Flüssigkeit bleibt konstant, bis die ganze Flüssigkeit verdampft ist. Der Siedepunkt ist von der molaren Masse bzw. Molekülmasse des Stoffes abhängig. Es gilt: Je größer die molare Masse ist, desto höher ist der Siedepunkt. Der Siedepunkt ist zudem von der Stärke der Bindungskräfte zwischen den kleinsten Teilchen der flüssigen Phase abhängig: Je stärker die Bindungskräfte sind, desto höher ist der Siedepunkt, da diese zunächst überwunden werden müssten. Natürliche Wässer: Wasserhärte, Wasser Qualität: 154. a) Was versteht man unter „hartem“ Wasser Hartes Wasser Bei der Wasserhärte geht es um den Gehalt an Calcium-, Magnesium-, Strontium- und Bariumionen. Als Härtebildner werden die im Wasser gelösten Ca- und Mg-Salze zusammengefasst. (z.B.: Ca(HCO3)2; Mg(HCO3)2; CaCl; CaSO4;…) Hartes Wasser führt zur Verkalkung von Haushaltsgeräten, erhöht den Verbrauch von Spül- und Waschmitteln, beeinträchtigt den Geschmack und das Aussehen empfindlicher Speisen und Getränke (z. B. Tee). Hartes Wasser kommt aus Regionen, in denen Sand- und Kalkgesteine vorherrschen. Oder „weichem“ Wasser; Weiches Wasser ist günstiger für alle Anwendungen, bei denen das Wasser erhitzt wird, zum Waschen, zum Gießen von Zimmerpflanzen etc. Nachteilig sind jedoch die starke Schaumbildung bei Waschmitteln und die schlechte Entfernbarkeit von Seife z. B. beim Händewaschen. Weiches Wasser steht in Regionen mit Granit, Gneis, Basalt und Schiefer-Gesteinen zur Verfügung. Auch Regenwasser ist weiches Wasser. Oder der permanenten Härte des Wasser? = durch den Gehalt an CaSO4 bedingt. Durch Erhitzen kann der Gehalt an Ca2+ Ionen nicht verringert werden. Oder der temporären Härte von Wasser? Wird durch den Gehalt an Ca(HCO3)2, seltener durch die entsprechenden Mg2+ und Fe2+ Salze bestimmt. Durch Erwärmen (60°C) werden die gelösten Ca2+ Ionen ausgefällt, das Wasser wird wieder „weich“. b) Welche Bestandteile sind verantwortlich für die Härte eines Wassers? Bei der Wasserhärte geht es um den Gehalt an Calcium-, Magnesium-, Strontium- und Bariumionen. Als Härtebildner werden die im Wasser gelösten Ca- und Mg-Salze zusammengefasst. (z.B.: Ca(HCO3)2; Mg(HCO3)2; CaCl; CaSO4;…) c) In welcher Einheit wird die Härte von Wasser angegeben? In deutschen Härtegraden (°d oder °dH) 1°d entspricht 7,15mg Ca2+Ionen pro Liter Wasser. d) Erwarten sie in Puchberg am Schneeberg oder Innsbruck oder Saalbach (Grauwackenzone) oder Leoben oder Zwettl (Waldviertel) oder München oder Wien (Zusatzfrage: Warum gibt es in Wien Wasser unterschiedlicher Härtegrade?) oder im Waldviertel oder im Mühlviertel ein eher hartes oder ein weiches Wasser vorzufinden? Begründen Sie Ihre Antwort. 155. Was ist der CSB- Wert und wie wird er ermittelt? Chemischer Sauerstoff Bedarf von Gewässern = der benötigte Sauerstoff für die natürliche Oxidation organischer Substanzen (wird chemisch ermittelt durch Oxidationsmittel) KMnO4: Dabei werden nicht alle organischen Substanzen erfasst. K2Cr2O7: Kohlenwasserstoffe und einige Stickstoffverbindungen werden nicht erfasst. Oder BSB- oder BSB5Biologischer Sauerstoffbedarf von Gewässern = der benötigte Sauerstoff für die natürliche Oxidation organischer Substanzen (wird mikrobiologisch ermittelt durch Mikroorganismen(biologisches Indikatorsystem)) Hierbei wird die Abnahme des O2 Gehalts, der durch Mikroorganismen innerhalb einer Zeitspanne von 5 Tagen und einer Temperatur von 20°C verursacht wird, bestimmt. • Löslichkeitsprodukt: 156. a) Was versteht man unter dem Löslichkeitsprodukt einer Substanz? Der Zahlenwert des Löslichkeitsproduktes L lässt eine quantitative Aussage über die Löslichkeit einer Verbindung zu. (Wie viel gelöst ist/gelöst werden kann) b) Was versteht man unter dem Ionenprodukt? = Produkt der Ionenkonzentration in einer Lösung c) Bei 25°C lösen sich 1,7 . 10-5mol/L Cd(OH)2 (Name Cadmium(di)hydroxid ). Berechnen Sie das Löslichkeitsprodukt. C(Cd+) *c (OH-)² = 1,7*10-5 *(1,7*10-5)² 157. a) Was versteht man unter dem Löslichkeitsprodukt einer Substanz? Der Zahlenwert des Löslichkeitsproduktes L lässt eine quantitative Aussage über die Löslichkeit einer Verbindung zu. (Wie viel gelöst ist/gelöst werden kann) b) Bei 25°C lösen sich 5 . 10-33mol/l Al(OH)3 (Name...........................) Wie groß ist das Löslichkeitsprodukt? 158. Kalziumhydroxid (Ca(OH)2) löst sich in Wasser. Die gesättigte Lösung enthält 0.93g Kalziumhydroxid pro Liter. Berechnen Sie das Löslichkeitsprodukt. 0.93g = 0.013Mol = Lp = 0.013 mol/L Lp= c(Ca2+) * c²(OH-) = 0.013Mol*0.013²Mol² 159. a) Für Calciumfluorid (Formel:CaF2) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 3,9.10-11mol3/L3 bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Ca2+ - und F- -Ionen in einer gesättigten Lösung? Lp = 3,9*10-11mol³/L³ = c(Ca2+) * c²(F-)² dritte wurzel daraus. = c(Ca2+) c(Ca+)² = c(F+) b) Wieviel Gramm Calciumfluorid lösen sich in 100 mL Wasser? 160. a) Wovon hängt die Löslichkeit einer Substanz in Wasser ab? b) Für Bleisulfat (Formel:...........) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 1,8.10-8mol2/L2 bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Bleiionen und Sulfationen in einer gesättigten Lösung? c) Wieviel Gramm Bleisulfat lösen sich in 1000 mL oder 100 mL Wasser? 161. a) Wovon hängt die Löslichkeit einer Substanz in Wasser ab? b) Für Eisensulfid (Formel:...........) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 3.7.10-19 mol2/L2 bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Eisenionen und Sulfidionen in einer gesättigten Lösung? c) Wieviel Gramm Eisensulfid lösen sich in 100 mL Wasser? 162. a) Wovon hängt die Löslichkeit einer Substanz in Wasser ab? b) Für SnS (Name:........................) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 1.10-26mol2/L2bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Sn-Ionen und S-Ionen in einer gesättigten Lösung? c) Wieviel Gramm SnS lösen sich in 100 mL Wasser? 163. a) Wovon hängt die Löslichkeit einer Substanz in Wasser ab? Von der Temperatur: Bei endothermen (wärmeaufnehmend) Lösungsvorgängen steigt Löslichkeit mit steigender Temp. Bei exothermen (wärmeabgebend) Lösungsvorgängen sinkt die Löslichkeit mit steigender Temp. Vom Druck: Bei festen und flüssigen Substanzen nur wenig Einfluss Bei Gasen bewirkt eine Druckerhöhung, dass eine größere Gasmenge in Lösung geht Von anderern Elektrolyten (bei Salzen) b) Für ZnS (Name:........................) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 2,5.10-22mol2/L2 bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Zn-Ionen und S-Ionen in einer gesättigten Lösung? c) Wieviel Gramm ZnS lösen sich in 100 mL Wasser? 164. a) Wovon hängt die Löslichkeit einer Substanz in Wasser ab? b) Für Magnesiumcarbonat (Formel:MgCO3) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 1.10-5mol2/L2 bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Magnesium-Ionen und Carbonationen in einer gesättigten Lösung? c) Wieviel Gramm Magnesiumcarbonat lösen sich in 100 mL Wasser? d) Welchen Bindungstyp ordnen Sie dem Magnesiumcarbonat zu (Begründung)? Ionenbindung (Metall und Nichtmetall) = Salz 165. a) Wovon hängt die Löslichkeit einer Substanz in Wasser ab? Von ihrer Polarität und den Wasserstoffbrücken also dem Bindungstyp. Temperatur spielt auch eine wichtige Rolle. ^-b) Für Kalziumcarbonat (Formel:...........) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 4,7.10-9mol2/L2 bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Kalziumionen und Carbonationen in einer gesättigten Lösung? c) Wieviel Gramm Kalziumcarbonat lösen sich in 100 mL Wasser? d) Welchen Bindungstyp ordnen Sie dem Kalziumcarbonat zu (Begründung)? 166. a) Wovon hängt die Löslichkeit einer Substanz in Wasser ab? b) Für Kalziumsulfat (Formel:..........) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 2,4.10-5mol2/L2 bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Kalzium-Ionen und Sulfationen in einer gesättigten Lösung? c) Wieviel Gramm Kalziumsulfat lösen sich in 100 mL Wasser? d) Welchen Bindungstyp ordnen Sie dem Kalziumsulfat zu (Begründung)? 167. a) Wovon hängt die Löslichkeit einer Substanz in Wasser ab? b) Für Bariumsulfat (Formel:...........) ist das Löslichkeitsprodukt Lp = 1,5.10-9mol2/L2 bei 25°C. Wie groß sind die Konzentrationen an Bariumionen und Sulfationen in einer gesättigten Lösung? c) Wieviel Gramm Bariumsulfat lösen sich in 100 mL Wasser? d) Welchen Bindungstyp ordnen Sie dem Bariumsulfat zu (Begründung)? 168. Für AgBr (Name der Substanz..........................)ist Lp= 1.10-12mol2/l2bei 25°C. a) Wie groß sind die Konzentrationen der Ag+ und der Br--Ionen in der gesättigten Lösung? b) Wieviel Gramm AgBr lösen sich in 100ml Wasser bei 25°C? 169. Für AgCl (Name...................................) ist L = 1,7 . 10-7mol2/l2bei 25°C. a) Wie groß sind die Konzentrationen der Ag+und der Cl--Ionen in der gesättigten Lösung? b) Wieviel Gramm AgCl lösen sich in100ml Wasser bei 25°C? 170. Für CaF2 ist L = 3,9 . 10-11mol3/l3bei 25°C. a) Wie groß sind die Konzentrationen der Ca2+und der F- -Ionen in der gesättigten Lösung? b) Wieviel Gramm CaF2 lösen sich in 100 mL oder 200 mL oder 2000 mL Wasser bei 25°C? 171. Das Mineral Fluorit hat die Formel CaF2. Wenn Sie 1000 mL einer wässrigen Lösung haben, die 0,004 mol Ca2+/L enthält, Wieviele mg KF müssen Sie zugeben damit CaF2 ausfällt (LCaF2 = 3,9.10-11mol3/L3). 172. Magnesium wird aus Meerwasser durch Fällung gewonnen. Wenn die Konzentration der Mg2+-Ionen in Meerwasser 1350 mg/L ist, welche OH--Ionen-Konzentration wird benötigt um Mg(OH)2 zu fällen (L(Mg(OH)2) = 8,9.10-12mol3/L3)? 173. a) Wird Mg(OH)2 (Name der Verbindung.................................) ausgefällt, wenn in einer Lösung von Mg(NO3)2 (Name des Salzes......................................), c = 0,0010 mol/L, der pH-Wert auf 9,0 eingestellt wird (L(Mg(OH)2) = 8,9 . 10-12mol3/L3)? b) Um welche Art von Bindung handelt es sich im Falle des Mg(NO3)2? 174. Kommt es zur Fällung, wenn 10 mL einer Lösung von Silbernitrat, c(AgNO3) = 0,02 mol/L mit 10 mL einer Kochsalzlösung, c(NaCl) = 0,0001 mol/L, vermischt wird (L(AgCl) = 1,7.10-10mol2/L2)? 175. a) Löst sich eines der folgenden Salze leicht in Wasser? Begründen Sie Ihre Antwort. b) Reagiert die wässrige Lösung sauer, basisch oder neutral? Begründen sie ihre Antwort mit einer Reaktionsgleichung. c) Benennen Sie alle drei Salze. Salz Löslichkeitsprodukt Name CaCO3 4,7.10-9mol2/L2 NaCl 3,8.10-5mol2/L2 SnS 1.10-26mol2/L2 oder Salz Löslichkeitsprodukt Name BaSO41,5.10-9mol2/L2 NaCl 3,8.10-5mol2/L2 AgCl 1,56.10-10mol2/L2 oder Salz Löslichkeitsprodukt Name PbCl2 1,6.10-5mol3/L3 CaC2O4 1,3.10-9mol2/L2 SnS 1.10-26mol2/L2 oder Salz Löslichkeitsprodukt Name CaF2 3,9.10-11mol3/L3 Mg(OH)2 8,9.10-12mol3/L3 AgCl 1,56.10-10mol2/L2 Kapitel BODEN: • Geosphäre: 176. Was sind Sedimentgesteine und welche Prozesse führen zu Ihrer Entstehung? Geben Sie 2 Beispiele für typische Sedimentgesteinen an. auch Ablagerungsgesteine oder Schichtgesteine, entstehen durch Ablagerung (Sedimentation) von Material an Land und im Meer. Chemische Sedimentite bzw. chemische Sedimentgesteine entstehen durch die Fällung gelöster Stoffe aus übersättigten Lösungen. Häufig werden dabei die Evaporite (Karbonate wie Kalkstein, Sulfate, Halogenide und andere Salze) gebildet, die mächtige Gesteinspakete umfassen und Formationen bilden können, wie z. B. der Zechstein in Nord- und Süddeutschland. 177. Was sind metamorphe Gesteine oder Metamorphite und welche Prozesse führen zu Ihrer Entstehung? Metamorphe Gesteine entstehen aus älteren Gesteinen beliebigen Typs durch Metamorphose, das heißt durch Umwandlung unter hohem Druck, hoher Temperatur und gegebenenfalls durch chemischen Stoffaustausch im festen Zustand. Bei der Umwandlung ändert sich die Mineralzusammensetzung des Gesteins, weil neue Minerale und Mineralaggregate gebildet werden, die unter den gegebenen neuen Druck- und Temperaturbedingungen stabil sind; daneben wird auch das Gesteinsgefüge transformiert. Typisch für metamorphe Gesteine ist die Schieferung. Verwitterung: 178. Welche Arten der chemischen Verwitterung gibt es? Nennen Sie jeweils ein Beispiel! oder Führen Sie drei Beispiele an! Lösung/Fällung bei wasserlöslichen Salzen (NaCl; CaSO4; H2O) vorherrschend (Ionen werden aus dem Kristallverband herausgelöst) Säure/Base Reaktion Redoxreaktion Hydrolyse Komplexierung 179. a) Um welche Art von Reaktion handelt es sich im Folgenden? CaSO4.2 H2O(s)(Wasser)→ Ca2+(aq)+ SO42-(aq)+ 2 H2O Um einen Lösungsprozess (chemische Verwitterung) leicht Wasserlösliches Salz in Wasser gelöst b) Wo kommt diese Reaktion in der Natur vor? Regen auf Gipsgestein, Auswaschung salzreicher Böden 180. Kalk wird besonders von saurem Regenwasser angegriffen. oder Kalk löst sich besonders unter Einwirkung von saurem Regenwasser. a) Erklären Sie diese Aussage und untermauern Sie diese mit Hilfe einer Reaktionsgleichung. =saure HydrolyseRegenwasser = weitgehend frei von gelösten Mineralien, aber leicht sauer (CO2)(viel CO2 = saurer Regen) löst CaCO3 gut durch die vielen H+ Ionen aus der schwachen Kohlensäure H2CO3 die sich durch Reaktion des luft CO2 mit H2O bildet CaCO3(s) + H2O + CO2(aq) → Ca2+(aq) + 2HCO3-(aq) b) Um welchen chemischen Prozess oder welche Art einer chemischen Reaktion handelt es sich dabei? Das ist eine saure Hydrolyse • Erze, Metallgewinnung: 181. Von den rund 75 Metallen kommen nur wenige als Elemente “gediegen” vor. a) Nennen Sie vier Beispiele für Elemente oder Metalle, die in der Natur elementar vorkommen. Gold, Platin, Palladium, in kleineren Mengen auch Kupfer und Silber b) Alle anderen Metalle müssen aus ihren in der Natur vorkommenden Verbindungen gewonnen werden. Wie können Sie zum Beispiel aus einem sulfidischen Eisenerz (Formel FeS2) oder Carbonat-Eisenerz (Formel FeCO3) Eisen gewinnen (mit Reaktionsgleichungen verdeutlichen)? Da Oxide direkt reduziert werden können, werden Sulfide und Carbonate zuerst in Oxide umgewandelt 2FeS2 + 5 ½O2 → Fe2O3 + 4SO2 FeCO3 → FeO + CO2 Die Oxide werden dann mit verschiedenen Reduktionsmitteln (z.B.: Kohlenstoff) reduziert und so das reine Erz gewonnen. 182. a) Wie kann metallisches Eisen prinzipiell aus seinem sulfidischen Erz (Formelbeispiel inkl. Geologischem und chemischem Namen.............) oder oxidischen Erz (Formelbeispiel inkl. Geologischem und chemischem Namen.................) oder Carbonat-Eisenerz (Formel..........Name..…....) gewonnen werden? Formulieren Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen. b) Um welche Art von chemischer Reaktion handelt es sich dabei? 183. Aus einem sulfidischen Eisenerz soll Eisen gewonnen werden. Welche chemischen Reaktionen laufen ab? Welche giftigen Abgase haben sie zu entsorgen? Da Oxide direkt reduziert werden können, werden Sulfide und Carbonate zuerst in Oxide umgewandelt 2FeS2 + 5 ½O2 → Fe2O3 + 4SO2 FeCO3 → FeO + CO2 Die Oxide werden dann mit verschiedenen Reduktionsmitteln (z.B.: Kohlenstoff) reduziert und so das reine Erz gewonnen. Schwefeldioxid und Kohlendioxid entsorgt werden Elektrolyse: 184. Was versteht man unter Elektrolyse? = die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung des elektrischen Stroms. Auch die elektrolytische Auflösung von Metallen in oder die Abscheidung aus einem wässrigen Medium zur Reinigung oder Schichterzeugung wird oft als Elektrolyse bezeichnet. Hierunter fallen die katalytische Metallabscheidung, die elektrolytische Raffination z. B. von Kupfer und im Prinzip auch das Laden eines Akkumulators. Die Umwandlung elektrischer in chemische Energie kommt im Mechanismus der ElektrodenReaktion und der Ionenwanderung zum Ausdruck. • Edle und unedle Metalle, elektrochemische Spannungsreihe: 185. a) Was versteht man unter der Spannungsreihe? Was kann man aus ihr ablesen? = Anordnung der Halbzellen nach ihren Standardpotentialen, so dass zu Beginn das negativate Standardpotential steht. b) Wie wird die Spannungsreihe erstellt? c) Wie ist der Nullpunkt definiert? Der Nullpunkt ist mit H2/2H+ also potential 0 definiert. Bildet grenze zwischen edlen und unedlen Metallen. 186. Ein Zinnstab (Elementsymbol Sn) taucht in eine Zinksulfatlösung (Formel ZnSO4 ) ein. Was beobachten Sie? E°Sn2+/Sn = -0,136V E°Zn2+/Zn = -0,7628V Die Atome des unedleren Metalls werden Oxidiert, sie gehen in Lösung. 187. Ein Magnesiumstab taucht in eine Nickelsulfatlösung (Formel. NiSO4(aq).) ein. Messen Sie eine Spannung? Wenn ja wie hoch ist diese? (E°Ni2+/Ni = -0,25; E°Mg2+/Mg = - 2,4) 188. Ein Strontiumstab taucht in eine Magnesiumsulfatlösung (Formel.............) ein. Messen Sie eine Spannung? Wenn ja wie hoch ist diese? (E°Sr2+/Sr = -2,9;E°Mg2+/Mg = - 2,4) 189. a) Ein Nickelstab (Elementsymbol Ni) taucht in eine Bleisulfatlösung (Formel PbSO4) ein. Was beobachten Sie? E°Ni/Ni2+= -0,25 V E°Pb/Pb2+= -0,13V Die Atome des unedleren Metalls werden Oxidiert, sie gehen in Lösung. Der Stab überzieht sich mit metallischem Pb und wird selbst dabei teilweise aufgelöst. b) Berechnen Sie die Potentialdifferenz, die Sie bei der Zusammenschaltung einer Ni/Ni2+ Halbzelle und einer Pb/Pb2+ Halbzelle messen würden. 0.12V 190. a) Ein Aluminiumstab (Elementsymbol...........) taucht in eine Zinksulfatlösung (Formel.............) ein. Was beobachten Sie? E° Al/Al3+= -1,662V E°Zn/ Zn2+= -0,7628V b) Berechnen Sie die Potentialdifferenz, die Sie bei der Zusammenschaltung einer Al/Al3+ Halbzelle und einer Zn/ Zn2+ Halbzelle messen würden. 191. Eine Aluminium-Halbzelle wird mit einer Zink-Halbzelle gekoppelt. Skizzieren Sie den experimentellen Aufbau und berechnen Sie die zu erwartende Spannung. E° Al/Al3+= -1,662V E°Zn/ Zn2+= -0,7628V 192. Eine Zinn-Halbzelle wird mit einer Zink-Halbzelle gekoppelt. Skizzieren Sie den experimentellen Aufbau und berechnen Sie die zu erwartende Spannung. E°Sn2+/Sn = -0,136V E°Zn2+/Zn = -0,7628V 193. a) Ordnen Sie folgende Metalle nach steigendem edlen Charakter und unterstreichen Sie jenes, das das stärkste Oxidationsmittel ist (verwenden sie zur Ermittlung der Reihenfolge die angefügte Tabelle): Eisen Aluminium Quecksilber Zink oder Eisen Lithium Zink Kupfer oder Eisen Kalium Quecksilber Blei oder Eisen Blei Aluminium Kupfer oder Aluminium Lithium Silber Cadmium oder Quecksilber Lithium Silber Chrom oder Kalium Kupfer Aluminium Chrom Redoxreihe (Spannungsreihe) Redoxpaar red. Form ox. Form E° (V) Li/Li+ Li Li+ -3,03 K/K+ K K+ -2,82 Ca/Ca2+ Ca Ca2+ -2,76 Al/Al3+ Al Al3+ -1,69 Zn/Zn2+ Zn Zn2+ -0,76 Cr/Cr3+ Cr Cr3+ -0,51 Fe/Fe2+ Fe Fe2+ -0,44 Cd/Cd2+ Cd Cd2+ -0,40 Ni/Ni2+ Ni Ni2+ -0,25 Sn/Sn2+ Sn Sn2+ -0,16 Pb/Pb2+ Pb Pb2+ -0,13 H2/2 H+ H2 2 H+ ±0,00 Cu/Cu2+ Cu Cu2+ +0,35 Ag/Ag+ Ag Ag+ +0,81 Hg/Hg2+ Au/Au3+ Hg Hg2+ Au Au3+ +0,86 +1,38 b) Eine Aluminium-Halbzelle wird mit einer Zink-Halbzelle gekoppelt. Skizzieren Sie den experimentellen Aufbau und berechnen Sie die zu erwartende Spannung. E°Al3+/Al = -1,662V E°Zn2+/Zn = -0,7628V • Korrosion: 194. Erläutern Sie den Vorgang der Korrosion von Eisen oder Beton. Formulieren Sie die zugehörigen Reaktionsgleichungen. Worauf beruht dieser Korrosionsprozess (welche Art von Reaktion)? Korrosion von Eisen: Korrosion von Metallen ist eine langsam, ablaufende Oxidation bei der das Metall zerstört wird, bis auf die Edelmetalle, sind alle Metalle auf lange sicht instabil, wenn sie der Atmosphäre oder mit Wasser in Kontakt kommen. Fe + ½O2 +H2O → Fe(OH)2 Fe(OH)2 + 2O2 → 2FeO(OH) + H2O = Redoxreaktion allgemein ist die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils oder Systems führen kann. (Eisen Rostet Beton wird brüchig) 195. Erklären sie die Korrosion von Eisen oder Beton. (chem. Bezeichnung dieses Vorganges, Reaktionsgleichungen, Erläuterung der ablaufenden Vorgänge) • Bodenchemie: 196. Welche Arten von Humus unterscheidet man? Woraus besteht Humus? 197. Was versteht man unter Komplexverbindungen? Warum spielen diese gerade in der Bodenchemie eine große Rolle? 198. Ionenaustausch spielt eine große Rolle in der Chemie des Bodens. Was versteht man darunter? Erläutern Sie dies an Hand eines Beispiels! � Puffer: 199. Erklären Sie den Begriff "Puffer". Wozu dient ein Puffer? Welche natürlichen Puffersysteme kennen Sie? Eine Pufferlösung beziehungsweise ein Puffersystem, kurz Puffer, ist ein Stoffgemisch, dessen pH-Wert (Konzentration der Hydroniumionen) sich bei Zugabe einer Säure oder Lauge wesentlich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Puffer dienen dazu den pH Wert weitgehend konstant zu halten auch wenn Säuren oder Basen in begrenzten Mengen beigegeben werden. Die Ozeane, Blut, der Boden, Zellsaft,… haben ein sehr großes Puffervermögen 200. Erklären Sie den Begriff "Puffer". Welche natürlichen Systeme besitzen hohe Pufferkapazität und wozu dient diese? Eine Pufferlösung beziehungsweise ein Puffersystem, kurz Puffer, ist ein Stoffgemisch, dessen pH-Wert (Konzentration der Hydroniumionen) sich bei Zugabe einer Säure oder Lauge wesentlich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Puffer dienen dazu den pH Wert weitgehend konstant zu halten auch wenn Säuren oder Basen in begrenzten Mengen beigegeben werden. Die Ozeane, Blut, der Boden, Zellsaft,… haben ein sehr großes Puffervermögen 201. Erklären Sie den Begriff "Pufferkapazität". Welche natürlichen Systeme besitzen hohe Pufferkapazität und warum? Die Menge an starker Base (oder Säure), die durch eine Pufferlösung ohne wesentliche Änderung des pH-Wertes aufgenommen werden kann, wird durch die Pufferkapazität ausgedrückt. 202. Welche Bedingungen muss eine Lösung erfüllen um sie als Pufferlösung bezeichnen zu können? Nennen Sie drei Beispiele für Pufferlösungen. Warum ist die Pufferung natürlicher Systeme so wichtig? 203. Was versteht man unter einer Pufferlösung und wozu dient sie? Nennen Sie ein Beispiel für ein in der Natur vorkommendes Puffersystem und erklären Sie warum dieses essentiell ist. Eine Pufferlösung beziehungsweise ein Puffersystem, kurz Puffer, ist ein Stoffgemisch, dessen pH-Wert (Konzentration der Hydroniumionen) sich bei Zugabe einer Säure oder Lauge wesentlich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Puffer dienen dazu den pH Wert weitgehend konstant zu halten auch wenn Säuren oder Basen in begrenzten Mengen beigegeben werden. Die Ozeane, Blut, der Boden, Zellsaft,… haben ein sehr großes Puffervermögen 204. Woraus besteht eine Pufferlösung und was bewirkt sie? Geben Sie drei Beispiele für Puffersysteme an und führen Sie weiters drei Beispiele für natürliche Puffersysteme an. 205. Was versteht man unter einer Pufferlösung? Geben Sie zwei Beispiele für im sauren Bereich wirkende Puffer. Geben Sie weiters drei Beispiele für natürliche Puffersysteme an. 206. a) Für eine Lösung, die eine schwache Säure und ihre konjugierte Base im Stoffmengenverhältnis 1:1 enthält, gilt immer pH = pKs b) Wie nennt man diese Lösung und wofür verwendet man sie? Das ist eine Pfferlösung, Puffer dienen dazu den pH Wert weitgehend konstant zu halten auch wenn Säuren oder Basen in begrenzten Mengen beigegeben werden. 207. Wenn eine Pufferlösung x Mol einer schwachen Säure und x Mol deren konjugierten Base enthält, in welchem Bereich hält sie dann den pH-Wert stabil? Geben Sie drei Beispiele für natürliche Puffersysteme an. pH = pKs ± 0.1 satbil wenn maximal 0.115 * x Mol Säure oder Base zugesetzt werden. Ozeane, Boden, Blut
