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Übungsaufgaben zur Allgemeinen und Anorganischen Chemie Aufgabenblatt I "Aggregatzustände und Phasen" 1. Geben Sie an, welche der in der folgenden Beschreibung angegebenen Eigenschaften intensiv und welche extensiv sind: a) "Die gelbe Substanz wird bei 25° C fest, sie besitzt eine Masse von 6.0 g und eine Dichte von 2.3 g/cm3." b) "Die Dichte von Wasser – einer bei Raumtemperatur farblosen Flüssigkeit – wurde durch Messung von Masse und Volumen einer Probe bestimmt." c) "Blei ist ein weiches Metall mit hoher Dichte und niedrigem Schmelzpunkt." 2. Chlor ist ein gelbgrünes Gas mit einer Dichte von 3.2 g/l. Bei –34.6° C verflüssigt es sich, es reagiert explosionsartig mit Natrium unter Bildung von Natriumchlorid. Welche dieser Eigenschaften sind physikalische und welche sind chemische Eigenschaften? 3. Welche der folgenden Prozesse sind chemische, welche sind physikalische Umsetzungen? a) b) c) d) e) f) g) 4. Ziehen eines Kupferdrahtes aus einem Kupferstab Verbrennen von Wasserstoff Zermahlen von Gestein Schmelzen von Eis Sauerwerden von Milch Hartkochen eines Eies Leuchten des Glühfadens einer Lampe Geben Sie an, ob es sich bei den folgenden Substanzen um Elemente, Verbindungen oder Gemische handelt: a) Milch, Kochsalz, Gold, Tinte. b) Beim Kochen von Meerwasser verdampft die Flüssigkeit vollständig, und im Gefäß verbleibt ein fester Rückstand. Kondensiert man den Dampf und leitet einen elektrischen Strom durch das Kondensat (führt man also eine Elektrolyse durch), so bilden sich die Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Wo liegt hier eine Mischung und wo eine Verbindung vor? c) Silicium erhält man durch Erhitzen von Quarz mit Kohlenstoff. Handelt es sich bei Quarz um eine Mischung oder eine Verbindung? 1 5. 6. 7. Welche der folgenden Substanzen sind unter Normalbedingungen gasförmig, flüssig oder fest? a) Quecksilber b) Eisen c) Sauerstoff d) Aluminium e) Helium f) Wasser Welche Arten von Gemischen stellen folgende Stoffe dar? a) Tee b) Lebertran c) Erdöl d) Stadtgas e) Bimsstein f) Wein mit Weinstein Durch welche Methode kann man die folgenden Gemische trennen? a) Sand-Wasser b) Kochsalz-Wasser c) Alkohol-Wasser d) Farbpigmente eines Blattes e) Zucker-Sand 2 Aufgabenblatt II "Eigenschaften von Gasen" 1. An einen gasgefüllten Behälter ist ein Manometer mit offenem Glasrohr angeschlossen. Statt mit Quecksilber wird das U-Rohr mit einer anderen schwerflüchtigen Substanz, Dibutylphthalat, gefüllt. Die Dichte des Phthalats beträgt 1.05 g/ml. Wie groß ist der Druck des eingeschlossenen Gases, wenn die Flüssigkeitssäulen in der in Abb. b) gezeigten Weise einen Höhenunterschied von h = 12.2 cm aufweisen (Luftdruck = 951 mbar)? Manometer mit geschlossenem Glasrohr (a) und offenem Glasrohr (b) und (c). In (b) ist der Druck des Gases in dem Behälter größer als der Luftdruck; in (c) ist der Atmosphärendruck größer als der Druck des Gases. 2. Eine Blitzlichtbirne hat ein Volumen von 2,6 cm3 und enthält gasförmigen Sauerstoff. Der Druck in der Birne beträgt 2,3 bar, die Temperatur 26° C. Welche Stoffmenge Sauerstoff ist darin enthalten? 3. Ein großer Vorratsbehälter für Erdgas ist so gebaut, daß der Innendruck konstant auf 2,2 bar gehalten wird. Bei einer Außentemperatur von –15° C nimmt das Gas in dem Behälter ein Volumen von 1000 m3 ein. Welches Volumen beansprucht die gleiche Stoffmenge Erdgas bei 31° C? 4. Der Gasdruck einer Spraydose beträgt bei 25° C 1,5 bar. Wie groß wäre der Druck in der Spraydose bei 450° C (ideales Gasgesetz)? 5. Welche der folgenden Behauptungen sind richtig? - Bei konstanter Temperatur und konstantem Volumen ist der Druck umgekehrt propotional zu der Stoffmenge des Gases. - Der Druck des Gases wächst proportional zur absoluten Temperatur, bei gleicher Stoffmenge und Volumen. - Das Volumen einer bestimmten Stoffmenge eines Gases nimmt bei einer Erhöhung der Temperatur zu, wenn der Druck konstant gehalten wird. - Bei konstantem Volumen ist der Druck eines Gases umgekehrt proportional zu seiner Temperatur. 3 6. Berechnen Sie, welches Volumen die Stoffmenge 1 Mol (10 g Chlor) eines Gases bei einer Temperatur von 273 K (-163° C) und einem Druck von 1013,25 mbar (2,87 ⋅ 105Pa) einnimmt. 7. Welcher Druck herrscht in einem Behälter mit einem Volumen von 0,8 L, wenn man 0,2 L Sauerstoff mit einem Druck von 2 bar sowie 0,2 L Stickstoff mit einem Druck von 2 bar bei einer Temperatur von 0° C einfüllt? 8. Welchen Druck weist ein Gemisch aus 2 g Wasserstoff und 8 g Stickstoff bei 273 K in einem Behälter auf, der ein Volumen von 10 L hat? 9. Eine bestimmte Menge Helium nimmt bei 78° C und 46.2 bar ein Volumen von 16.5 L ein. Welches Volumen hat sie im Normzustand? 10. 2.55 g NH4NO2 werden nach folgender Gleichung zersetzt: NH4NO2(f) Æ N2(g) + 2 H2O(g) Es wird ein Gasvolumen von 1.03 L frei. Zur Zeit der Messung beträgt die Temperatur 299 K und der Druck 960 mbar. Welche Stoffmenge N2 ist gebildet worden? 11. Welches Volumen hat eine Tonne Chlor im Normalzustand (0° C und 1 atm)? 12. Berechnen Sie den idealen und realen Druck von 2,5 mol Methan (a = 2,25 L2⋅atm⋅Mol-2; b = 0,0428 L ·Mol-1) in einem 10 L Behälter bei einer Temperatur von 75° C. 13. Berechnen Sie die Korrekturfaktoren für Druck und Volumen von 1 Mol CO2 im Normzustand (a = 3,64 L2⋅bar⋅Mol-2, b = 0,0427 L ·Mol-1). Vergleichen Sie diese mit den aus der idealen Gasgleichung ermittelten Werten für p und V. 4 Aufgabenblatt III "Chemische Formeln und Verbindungsstöchiometrie" 1. Ein Chemiestudent stellte eine Reihe von Verbindungen her, die nur Stickstoff und Sauerstoff enthielten: - Verbindung A 16,8 g Stickstoff und 19,2 g Sauerstoff Verbindung B 17,1 g Stickstoff und 39,0 g Sauerstoff Verbindung C 33,6 g Stickstoff und 57,3 g Sauerstoff Zeigen Sie, daß diese Ergebnisse dem Gesetz der multiplen Proportionen gehorchen! 2. Welche Stoffmenge hat eine Stoffportion Methan, die 100.000.000 Teilchen enthält? 3. Wie viele Kohlenstoffatome sind in 2 Mol Cellulose (C6H12O6) enthalten? 4. Wie groß sind die molaren Massen von a) Ca(NO3)2 , b) C12H22O11 (Rohrzucker), c) (NH4)2 Fe(SO4)2, d) K2Cr2O7 und e) [Al(OH)4]-? 5. Welche Stoffmenge Glucose ist in einer Stoffportion von a) 538 g und b) 1,0 g dieser Substanz enthalten? 6. Welche Masse weist eine Stoffmenge von 0,433 Mol C12H24O12 auf? 7. Wie viele Cellulose-Teilchen sind in einer Masse von 5,23 g C6H12O6 enthalten? 8. Welche Masse haben 1,0 ⋅ 1020 Teilchen Calciumhydrogencarbonat? 9. Das als Anästhetikum verwendete Gas mit der empirischen Formel CH2 hat eine Dichte von 1,66 g/l bei 35° C und Normaldruck. Welche Molekularformel hat die Verbindung? 10. Die Analyse einer Substanz X ergab 12,06 % Natrium, 11,34 % Bor, 29,38 % Sauerstoff und 47,22 % Wasser. Aus der Molmassenbestimmung folgt: MG = 381 g/Mol. Welche empirische und welche Summenformel hat X? 5 Aufgabenblatt IV "Reaktionsstöchiometrie I " 1. Welche Stoffmengenkonzentration erhält man, wenn 23,4 g Natriumsulfat in so viel Wasser auflöst, daß 125 ml Lösung entstehen? 2. Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentrationen folgender Lösungen a) 5,44 g Na2CrO4 in 250 ml Lösungsmittel b) 7,6 ⋅ 10-3 g Magnesiumfluorid in 100 ml Lösung c) 361 mg Kupfersulfatpentahydrat in 450 ml Lösung 3. Wieviel prozentig ist eine Eisen(II)sulfatlösung, die aus 39,61 g Eisen(II)sulfatheptahydrat und 245,38 g Wasser hergestellt wurde? 4. In einem kg Seewasser mit der Dichte = 1,035 g/mL sind 0,075 mg Iodidionen enthalten. Wie groß ist die Stoffmengenkonzentration der I--Ionen? 5. Wie groß ist der Massenanteil von HCl in Prozent in einer Salzsäure mit der Stoffmengenkonzentration von 6 Mol/l ( (HCl-Lösung) = 1,187 g/ml)? 6. Es ist die Molalität einer 15,7 %igen Natriumnitratlösung zu bestimmen! 7. Welche Masse Kaliumsulfat benötigt man, um 350 ml einer Kaliumsulfatlösung herzustellen, die eine Stoffmengenkonzentration von 0,5 Mol/l aufweist? 8. Welches Volumen einer Schwefelsäurelösung der Stoffmengenkonzentration 3 Mol/l benötigt man, um 500 ml einer Lösung herzustellen, die eine Konzentration von 0,1 Mol/l aufweist? 9. Aus den konzentrierten Säuren H2SO4 (18 Mol/l), H3PO4 (14,5 mol/l) und HCl (12 Mol/l) sind a) 10 l mit c (H2SO4)2; c(H3PO4) = 0,75 Mol/l b) 200 ml mit c(H3PO4); c(HCl) = 2,5 Mol/l c) 0,05 l mit c (HCl); c(H2SO4), c (H3PO4) = 5 Mol/l herzustellen. Wieviel ml der konzentrierten Säuren müssen jeweils verdünnt werden? 10. Welche Konzentrationen entstehen, wenn man folgende Lösungen verdünnt? a) b) c) d) e) f) 1 l einer 1 M Salzsäure werden auf 20 l verdünnt 3 l einer 0,01 M Kaliumnitratlösung werden auf 27 l verdünnt 250 ml einer 4 M Ammoniumsulfatlösung werden in 5 l verdünnt 100 ml einer 0,3 M Magnesiumbromidlösung werden in 20 l verdünnt 2 ml einer 10 M Nickelsulfatlösung werden in 120 ml verdünnt 0,6 l einer 0,1 M Lithiumsulfitlösung werden in 10 l verdünnt 6 Aufgabenblatt V "Reaktionsstöchiometrie II" 1. Gleichen Sie folgende Reaktionsgleichungen ab: a) b) c) d) e) f) g) h) 2. Al + Cl2 Æ AlCl3 N2O5 + H2O Æ HNO3 CuFeS2 + O2 Æ Cu + FeO + SO2 Sn2+ + OH- Æ [Sn(OH)6]4Fe2O3 + H+ Æ Fe3+ + H2O HCl + CaO Æ CaCl2 + H2O CaO + C Æ CaC2 + CO2 CH4 + NH3 + O2 Æ HCN + H2O Stellen Sie für folgende, in Worten beschriebene Reaktionen eine vollständige chemische Gleichung auf: a) Phosphin, PH3(g), wird in Luft unter Bildung von gasförmigem Wasser und festem Diphosphorpentoxid verbrannt. b) Metallisches Barium reagiert mit Methanol, CH3OH(fl), zu gasförmigem Wasserstoff und gelöstem Bariummethanolat, Ba(OCH3)2. c) Borsulfid reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von gelöster Borsäure und Schwefelwasserstoff-Gas. d) Leitet man Ammoniak-Gas über heißes, flüssiges Natrium (metallisch), so wird Wasserstoff frei, und es bildet sich ein Feststoff aus Natriumamid (NaNH2). e) Cyansäure, HOCN, ist sehr unbeständig und wird in Wasser unter Bildung von Ammoniak und gasförmigem Kohlendioxid hydrolysiert. f) Wird festes Quecksilber(II)nitrat erhitzt, so zersetzt es sich zu festem Quecksilber(II)oxid sowie zu gasförmigem Stickstoffdioxid und Sauerstoff. g) Gibt man flüssiges Phosphortrichlorid in Wasser, so reagiert es heftig zu gelöster Salzsäure und phosphoriger Säure. h) Erhitzt man festes Kaliumnitrat, so zersetzt es sich zu festem Kaliumnitrit unter Bildung von Sauerstoff-Gas. i) Leitet man Schwefelwasserstoff-Gas über festes, heißes Eisen(III)hydroxid, so entstehen festes Eisen(III)-sulfid und gasförmiges Wasser. 3. 8,4 g Kalium reagieren mit 180 g Wasser. Welchen KOH-Gehalt in Mol/l hat die entstandene Kalilauge? 4. 29 ml einer Natronlaugelösung neutralisieren 0,1 g Oxalsäure (H2C2O4≈2H2O). Welche Konzentration besaß die Natronlaugelösung? 5. Chlor kann durch Zugabe von Salzsäure zu Mangandioxid dargestellt werden. Wieviel g HCl werden benötigt, wenn 12,25 g Mangandioxid eingesetzt werden? Wieviel Liter Cl2 entstehen? 7 6. 20 g Jod sollen aus Kaliumjodid, 90%igem Braunstein und 48%iger Schwefelsäure hergestellt werden. Wieviel Gramm der Ausgangssubstanzen sind einzusetzen, wenn bei der Reaktion neben Jod noch Mangansulfat, Wasser und Kaliumsulfat entsteht? 7. Fester Schwefel läßt sich in heißer Natriumsulfit-Lösung unter Bildung von Na2S2O3 lösen. Wieviel ml einer 0,5 M Sulfitlösung werden benötigt, um 1,56 g Schwefel zu lösen? 8. In der Jodometrie wird Jod mit Natriumthiosulfat zu Natriumjodid und Natriumtetrathionat umgesetzt. Wieviel ml einer 0,125 M Natriumthiosulfatlösung werden zur vollständigen Umsetzung mit 1,465 g Jod benötigt? 9. Bestimmen Sie den Prozentgehalt von Zinn in einer Bronze, wenn bei der Titration einer Lösung, in der 304 mg Bronze gelöst sind, 5,24 ml einer 0,018 M Jodlösung verbraucht werden. Dabei reagiert der als Zinn(II) vorliegende Zinnanteil mit Jod zu Zinn(IV) und Jodidionen. 10. 5 g Ammoniumeisen(II)sulfat mit 6 Kristallwassern wurden in verd. Schwefelsäure gelöst und mit 0,1 M Kaliumpermanganatlösung titriert. Wieviel ml der Kaliumpermanganatlösung werden bei der Titration verbraucht? Bei der Reaktion entstehen Eisen(III)- und Mangan(II)-Ionen. 11. 3,76 g Strontiumcarbonat werden durch Erhitzen vollständig zersetzt. Welches Volumen nimmt das entstandene Kohlendioxid bei Normalbedingungen ein? 12. Bei der Umsetzung von Eisen(III)oxid mit Kohlenmonoxid wird elementares Eisen gewonnen. Es entsteht dabei noch Kohlendioxid. Wieviel Liter Kohlenmonoxid sind zur Reduktion von 1,55 kg Eisen(III)oxid bei Normalbedingungen erforderlich? 13. Wieviel g Kaliumdichromat sind erforderlich, um aus 15 %iger Salzsäure 15 l Chlor bei Normaldruck und 0° C herzustellen? 14. In 7,5 g einer Kochsalzslösung werden durch Fällung mittels Silberionen 326,5 mg Silberchlorid gefunden. Wieviel % Natriumchlorid enthält die Ausgangslösung? 15. Durch Einwirken von Chlor und Wasser auf 12,5 g Eisenpulver soll Eisen(III)chlorid mit 6 Kristallwassern hergestellt werden. Wieviel g erhält man, wenn die Ausbeute 94 % beträgt? 8 Aufgabenblatt VI "Massenwirkungsgesetz" 1. Formulieren Sie für die Reaktionsgleichungen der Aufgabe 1 und 2 des Aufgabenblattes V das Massenwirkungsgesetz. 2. Formulieren Sie das Massenwirkungsgesetz für die folgenden Reaktionen: a) CO2(g) + H2(g) ⇆ CO(g) + H2O(fl) b) SnO2(f) + 2 CO(g) ⇆ Sn(f) + 2 CO2(g) 3. Die Reaktion zwischen Sauerstoff und Stickstoff unter Bildung von Stickstoffmonoxid könnte auch als Methode zur Stickstofffixierung verwendet werden. Die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion besitzt bei 25° C einen Wert von 1≈10-30. Ist diese Reaktion zur Stickstoff-Fixierung geeignet? 4. In einem von Haber und Mitarbeitern durchgeführten Versuch wurde ein Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff in ein Reaktionsgefäß gegeben und bis zur Einstellung des Gleichgewichts bei einer Temperatur von 472° C belassen. Danach wurde das Gleichgewichtsgemisch analysiert und 0,1207 Mol/l H2, 0,0402 Mol/l N2 und 0,00272 Mol/l NH3 gefunden. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante KC der Reaktion N2(g) + 3 H2(g) ⇆ 2 NH3(g) mit Hilfe dieser Daten. 5. Ein Gemisch aus 5,00 ⋅ 10-3 Mol H2 und 1,00 ⋅ 10-2 Mol I2 wird in ein Reaktionsgefäß mit dem Volumen 5 Liter gegeben und bei einer Temperatur von 448° C bis zur Einstellung des Gleichgewichts belassen. Die Analyse des Gleichgewichtsgemisches ergibt, daß die HI-Konzentration 1,87 ⋅ 10-3 Mol/l beträgt. Berechnen Sie KC bei 448° C für die Reaktion H2(g) + I2(g) ⇆ 2 HI(g) 6. Die folgenden Gemische werden in einen verschlossenen Behälter gegeben und stehengelassen. Welche Gemische erreichen schließlich ein chemisches Gleichgewicht: a) reines CaCO3; b) CaO und CO2, wobei der CO2-Druck größer als der Gleichgewichtsdruck ist; c) CaCO3 und CO2, wobei der CO2-Druck größer als der Gleichgewichtsdruck ist; d) CaCO3 und CaO? 9 7. Für das Ammoniakgleichgewicht ist Kp mit Hilfe der Gleichgewichtskonstanten folgender Reaktionen a) N2(g) + O2(g) Æ 2 NO(g) K1 b) H2(g) + 0,5 O2(g) Æ H2O(g) K2 c) 2 NH3(g) + 2,5O2(g) Æ 2 NO(g) + 3 H2O(g) K3 zu berechnen. 8. Wie groß waren die Ausgangskonzentrationen an H2 und N2, wenn im Gleichgewichtszustand der Reaktion N2 + 3 H2 ⇆ 2 NH3 die Konzentrationen c(N2) = 2,65 Mol_l-1, c(H2) = 1,87 Mol_l-1, c(NH3) = 3,65 Mol_l-1 vorliegen und Kc = 0,768 beträgt? 9. Für die Reaktion H2 + I2 ⇆ 2 Hl ist die Gleichgewichtskonstante Kc = 50,4 bei 445° C. Welche Stoffmengen liegen im Gleichgewichtszustand vor, wenn je ein Mol H2 und I2 eingesetzt wurden? 10. Wird eine KBr-Lösung mit Chlorwasser versetzt, stellt sich das Gleichgewicht Cl2 + 2 Br- ⇆ 2 Cl- + Br2 ein. Wie groß ist die Gleichgewichtskonstante Kc, wenn im Gleichgewicht 9⋅10-5 Mol_l-1 Br- vorliegen und die Ausgangskonzentrationen je 0,1 Mol_l-1 waren? 11. Die Gleichgewichtskonstante Kc der Reaktion H2(g) + I2(g) ⇆ 2 HI(g) hat bei einer Temperatur von 448° C den Wert 50,5. In welche Richtung läuft die Reaktion ab, wenn ein Gemisch von 2,0 ⋅ 10-2 Mol HI, 1,0 ⋅ 10-2 Mol H2 und 3,0 ⋅ 10-2 Mol I2 in ein Gefäß mit 2,0 L Inhalt gegeben werden? 12. Wie groß ist der Partialdruck von NH3, das sich bei einer Temperatur von 500° C im Gleichgewicht mit H2 (p(H2) = 742 mbar) und N2 (p(N2) = 533 mbar) befindet [Kp = 1,42 ⋅ 10-5 bar-2 bei 500° C]? N2(g) + 3 H2(g) ⇆ 2 NH3(g) 10 13. Betrachten Sie folgende Reaktion N2O4(g) ⇆ 2 NO2(g) ∆H° (N2O4) = 58,0 kJ/Mol In welche Richtung verschiebt sich das Gleichgewicht, wenn folgende Änderungen am Gleichgewichtssystem vorgenommen werden: a) b) c) d) e) 14. N2O4 wird zugegeben; NO2 wird entfernt; der Druck wird erhöht; das Volumen wird vergrößert; die Temperatur wird verringert? Betrachten Sie das folgende Gleichgewichtssystem: C(f) + CO2(g) ⇆ 2CO(g) ∆H(c) = 119,8 kJ/Mol Wie wird das Gleichgewicht durch a) Zugabe von CO2(g); b) Zugabe von C(f); c) Wärmezufuhr; d) Erhöhung des Drucks auf das System durch Verkleinerung des Volumens, e) Zugabe eines Katalysators; f) Entfernung von CO(g) beeinflußt? 15. Wie ändert sich der Wert der Gleichgewichtskonstanten einer exothermen Reaktion durch folgende Änderungen: a) b) c) d) Entfernung eines Eduktes oder Produktes; Erhöhung des Gesamtdrucks; Temperaturerniedrigung; Katalysatorzugabe? 11 Aufgabenblatt VII "Säuren und Basen" 1. Blausäure, HCN, ist im Wasser nach der Reaktion HCN(a) ⇆ H+(aq) + CN-(aq) in geringerem Maße als eine HF-Lösung (Flußsäure) derselben Ausgangsstoffmengenkonzentration ionisiert. Welches Teilchen ist die konjugierte Base von HCN? Ist es eine stärkere oder schwächere Base als F-? 2. a) Eine Probe frisch ausgepressten Apfelsafts hat einen pH-Wert von 3,76. Berechnen Sie die aH+! b) Ascorbinsäure (Vitamin C) hat die Formel HC6H7O6. Eine Vitamin C Tablette der Masse 1 g wird in so viel Wasser gelöst, daß eine Lösung mit dem Volumen 0,350 L entsteht. Welchen pH-Wert hat die Lösung (pKs = 4,09)? 3. Ein Student stellte eine Lösung von Ameisensäure, HCOOH, der Konzentration 0,10 Mol/l her, und bestimmte den pH-Wert mittels eines pH-Meters. Der pH-Wert betrug 2,38 bei 25° C. a) Berechnen Sie Ks von Ameisensäure bei dieser Temperatur. b) Wieviel Prozent der eingesetzten Säure sind bei dieser Temperatur dissoziiert? 4. Berechnen Sie den Stoffmengenanteil der dissoziierten HF-Moleküle in FlußsäureLösungen der Konzentrationen 0,1 Mol/l und 0,01 Mol/l. (KS = 6,8 ⋅ 10-4). 5. Die Löslichkeit von CO2 in reinem Wasser beträgt bei 25° C und 100 mbar 0,0037 Mol/l. Normalerweise wird angenommen, daß das gelöste CO2 vollständig in Form von H2CO3 vorliegt, das durch Reaktion zwischen CO2 und H2O gebildet wird: CO2(aq) + H2O(fl) ⇆ H2CO3(aq) Welchen pH-Wert besitzt eine H2CO3-Lösung der Konzentration 0,0037 Mol/l? (Ks1 = 4,3 ≈ 10-7; Ks2 = 5,6 ≈ 10-11) 6. Berechnen Sie die OH--Konzentration in einer NH3-Lösung der Konzentration 0,15 Mol/l (KB = 1,8⋅10-5). 7. Berechnen Sie den pH-Wert einer Natriumhypochloritlösung der Konzentration 0,01 Mol/l (KB = 3,3⋅10-7 Mol/L). 8. Berechnen Sie a) die Basenkonstante KB des Fluoridions (KS von HF = 6,8⋅10-4) b) die Säurekonstante KS des Ammoniumions (KB von Ammoniak = 1,8⋅10-5). 12 9. Bildet sich beim Lösen des Salzes Dinatriumhydrogenphosphat eine saure oder basische Lösung (KS von H2PO4- = 6,2⋅10-8; KB von HPO42- = 1,6⋅10-7)? 10. 8,2 g (0,100 Mol) Natriumacetat (NaC2H3O2) werden zu 1 L einer Lösung, die 0,100 Mol Essigsäure (HC2H3O2) enthält, gegeben. Welchen pH-Wert hat die Lösung (KS = 1,8⋅10-5)? 11. Berechnen Sie die Fluorid-Konzentration und den pH-Wert einer Lösung, die 0,1 Mol HCl und 0,2 Mol HF in 1 Liter Lösung enthält (KS von HF = 6,8⋅10-4). 12. Es werden 600 ml einer NH4Cl-Lösung der Konzentration 0,1 Mol/l mit 400 ml einer NaOH-Lösung der Konzentration 0,1 Mol/l gemischt. Berechnen Sie den pH-Wert (KB von NH3 = 1,8⋅10-5). 13. a) In welcher Weise verändert sich der pH-Wert einer wäßrigen NH3-Lösung bei Zugabe von NH4Cl? b) Welche Konzentration an NH4Cl muß zu einer NH3-Lösung der Konzentration 0,1 Mol/L gegeben werden, um den pH-Wert von 9 einzustellen? 14. Es wird eine Pufferlösung aus 0,1 Mol Essigsäure und 0,1 Mol Natriumacetat hergestellt. Der resultierende pH-Wert des Puffers ist also 4,74. Berechnen Sie den pH-Wert der Lösung unter Vernachlässigung der Volumenänderungen a) nach Zugabe von 0,02 Mol NaOH; b) nach Zugabe von 0,02 Mol HCl. 13 Aufgabenblatt VIII "Löslichkeitsprodukt" 1. Festes Bariumsulfat wird bei 25° C mit reinem Wasser geschüttelt. Die Ba2+-Konzentration beträgt 1,04·10-5 Mol/l. Welchen Wert besitzt das Löslichkeitsprodukt KL von BaSO4? 2. Das Löslichkeitsprodukt von Calciumfluorid beträgt 3,9·10-11 (Mol/l)3. Wie groß ist die spezifische Löslichkeit von Calciumfluorid (Einheit g/l)? 3. Wie groß ist die molare Löslichkeit von Calciumfluorid in einer Lösung, die 0,010 Mol/l Natriumfluorid enthält? 4. Bildet sich ein Niederschlag, wenn 0,1 l einer Blei(II)nitratlösung der Konzentration 3,0·10-3 Mol/l zu 400 ml einer Natriumsulfatlösung der Konzentration 5,0·10-3 Mol/l gegeben werden? (KL von Blei(II)sulfat = 1,6·10-8 (Mol/l)2). 5. Welche OH--Konzentration muß überschritten werden, damit aus einer Nickelnitratlösung der Konzentration 0,01 Mol/l Nickelhydroxid ausgefällt wird (KL von Nickelhydroxid = 1,6·10-14 (Mol/l)2; Verdünnung vernachlässigen)? 6. Aus Laborrückständen sind Ag+-Ionen für die weitere Aufarbeitung durch Fällung abzutrennen. a) Sollte man die Ag+-Ionen als Phosphat, Carbonat oder Chlorid ausfällen? b) Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Restkonzentration an Ag+ in den Fällungslösungen und dem Löslichkeitsprodukt der Fällungen? KL (Ag3PO4) = 1,8·10-18 (Mol/l)4, KL(Ag2CO3) = 8,2·10-12 (Mol/l)3, KL(AgCl) = 1,7·10-10 (Mol/l) 7. Aus Salzlösungen sollen die umweltschädigenden Cadmium-, Arsen- und Quecksilber(I)-Ionen durch Fällung möglichst vollständig entfernt werden. Zu diesem Zweck ist die Restkonzentration der Ionen in g·l-1 nach ihrer Fällung als CdS, As2S3 und Hg2S zu berechnen. Ist die Fällung vollständiger, wenn die Hg22+-Ionen zunächst oxidiert und anschließend als HgS mit KL(HgS) = 1,6·10-54 Mol2 · l-2 gefällt werden? KL(CdS) = 10-28 (Mol/l)2, KL(As2S3) = 5·10-26 (Mol/l)5 und KL(Hg2S) = 10-47 (Mol/l)2 14 8. Welche der folgenden Substanzen lösen sich in saurer Lösung besser als in basischer Lösung? a) b) c) d) 9. Nickelhydroxid Calciumcarbonat Bariumsulfat Silberchlorid Das Löslichkeitsprodukt von Mg(OH)2 beträgt bei 25° C 8,9·10-12 (Mol/l) a) Welchen pH-Wert hat eine gesättigte Mg(OH)2-Lösung? b) Wie lassen sich eventuelle Abweichungen des berechneten vom experimentell bestimmten pH-Wert erklären? 10. In der quantitativen Analyse gilt eine Fällung allgemein als vollständig, wenn die Konzentration des zu fällenden Ions auf 10-6 Mol/l gesunken ist. a) Bei welchem pH-Wert wäre dann die Fällung von Pb(OH)2 mit KL = 4,2·10-15 Mol3 l-3 abgeschlossen? b) Bei welchem pH-Wert beginnt aus einer PbCl2-Lösung (c = 0,1 Mol/l) die Ausfällung von Pb(OH)2? 11. Die Bestimmung des Bleigehaltes einer gesättigten PbCl2-Lösung ergab 164,45 mg Pb2+/50 ml Lösung. Wie groß ist das Löslichkeitsprodukt von PbCl2? 12. Nach Fällung von AgCl wird die gesättigte Lösung abfiltriert und zu 1000 ml 1 mg Kl gegeben. Kommt es zur Fällung von Agl? KL(Agl) = 8,5·10-17 (Mol/l)2; KL(AgCl) = 1,7·10-10 (Mol/l)2 13. Wieviel Milligramm AgOH lösen sich in 100 ml KOH (c = 0,01 Mol l-1)? KL(AgOH) = 2·10-8 (Mol/l)2 14. Aus einer Lösung mit je 0,2 Mol l-1 Zn2+- und Cd2+-Ionen soll das giftige Cadmium durch Sättigung der Lösung mit H2S (0,1 Mol/l) als CdS entfernt werden. Bei welchem pH-Wert erfolgt eine quantitative Trennung? KL(CdS) = 10-28 (Mol/l)2 KL(ZnS) = 2,5·10-22 (Mol/l)2 KS (H2S) = 1,25·10-21 15 Aufgabenblatt IX "Redoxreaktionen" 1. Benennen Sie die folgenden Verbindungen und Ionen und geben Sie die Oxidationszahlen aller Elemente in diesen Verbindungen an: H2SO4, KNO3, Na2HPO4, Li2CO3, Na2C2O4, Cu(ClO4)2, Na2B4O7 und H2O2 B ClO2-, NO2-, HSO4-, Fe3+, NH4+, [Al(OH)4]- und MnO42. Geben Sie die Formeln für die folgenden Verbindungen an und bestimmen Sie die Oxidationszahlen aller Elemente dieser Verbindungen. Eisen(II)sulfat, Ammoniumsulfat, Kupfer(I)chlorid, Kupfer(II)chlorid, Blei(II)oxid, Blei(IV)oxid, Arsen(V)bromid, Kaliumsulfit, Calciumphosphat, Quecksilber(I)nitrat, Kaliumchlorat, Mangandioxid, Aluminiumoxid, Kohlenmonoxid, Natriumdihydrogenphosphat, Eisen(III)sulfid , Lithiumchromat, Natriumhydrogencarbonat und Strontiumhypochlorit. 3. Welche der folgenden Umsetzungen sind Redox-Reaktionen? Bestimmen Sie in diesen Oxidations- und Reduktionsmittel. a) 2H2SO4 + 2NaBr Æ Br2 + SO2 + Na2SO4 + 2H2O b) PBr3 + 3H2O Æ H3PO3 + 3HBr c) SiO2 + 6HF Æ H2SiF6 + 2H2O d) 2KClO3 Æ 2KCl + 3O2 e) 2Hg2+ + N2H4 Æ 2Hg + N2 + 4H+ 4. Bestimmen Sie in den folgenden Reaktionen die oxidierte bzw. reduzierte Substanz, das Oxidations- bzw. Reduktionsmittel: a) Zn + Cl2 Æ ZnCl2 b) Mg + CuCl2 Æ MgCl2 + Cu c) 2NO + O2 Æ 2NO2 d) Cl2 + 2NaBr Æ 2NaCl + Br2 e) Zn + 2HCl Æ ZnCl2 + H2 f) Fe2O3 + Al Æ Al2O3 + 2Fe g) 2HgO Æ 2Hg + O2 5. Handelt es sich bei den folgenden Teilreaktionen um eine Oxidation oder eine Reduktion? Vervollständigen Sie außerdem und gleichen Sie ab: a) Al(OH)3 Æ Al(OH)4b) Ni Æ Ni2+ c) ClO- Æ ClO3d) H2S Æ S e) CrO42- Æ Cr2O72- (basische Lösung) (saure Lösung) (basische Lösung) (saure Lösung) (saure Lösung) 16 6. Gleichen Sie ab, und ermitteln Sie Oxidations- und Reduktionsmittel: a) MnO4- + I- + H2O Æ MnO2 + I2 + OHb) Fe + NO3- + H+ Æ Fe2+ + NO + H2O c) H2O2 + HClO Æ O2 + Cl- + H2O + H+ d) MnO4- + CH3OH Æ Mn2+ + HCO2H e) As2O3 + NO3- Æ H3AsO4 + N2O3 f) [Pb(OH)4]2- + ClO- Æ PbO2 + Cl- 7. (saure Lösung) (saure Lösung) (basische Lösung) Da der Sauerstoff in H2O2 entweder oxidiert (zu O2) oder reduziert (zu H2O) werden kann, wirkt Wasserstoffperoxid sowohl als Oxidationsmittel als auch als Reduktionsmittel. Beschreiben Sie Gleichungen für folgende Reaktionen des H2O2: a) die Oxidation von PbS zu PbSO4 in saurer Lösung b) die Oxidation von Cr(OH)3 zu CrO42- in alkalischer Lösung c) die Reduktion von MnO4- zu Mn2+ in saurer Lösung d) die Reduktion von Ag2O zu Ag in alkalischer Lösung 8. Die Standard-EMK, der in Abb. 18-2 gezeigten galvanischen Zelle, betrage 1.10 V. Das Standard-Oxidationspotential von Zn ist 0.76 V. Berechnen Sie das Reduktionspotential von Cu2+ zu Cu: Cu2+ + 2e- Æ Cu Abb. 18-2: Galvanische Zelle 9. Berechnen Sie die Standard-EMK einer galvanischen Zelle, in der folgende RedoxReaktion stattfindet: Cr2O72- + 14H+ + 6I- Æ 2Cr3+ + 3I2 + 7H2O (Die erforderlichen Daten finden Sie in Tabelle 1.) 17 Tabelle 1: Standard-Elektrodenpotentiale in wäßriger Lösung bei 25° C Standard-Elektrodenpotential in Volt Reduktionsreaktion 1.51 1.36 1.33 1.23 1.06 0.96 0.59 0.54 0.34 0 -0.28 -0.44 -0.76 MnO4- + 8H+ + 5e- Æ Mn2+ + 4H2O Cl2 + 2e- Æ 2ClCr2O72- + 14H+ + 6e- Æ 2Cr3+ + 7H2O O2 + 4H+ + 4e- Æ 2H2O Br2 + 2e- Æ 2BrNO3- + 4H+ + 3e- Æ NO + 2H2O MnO4- + 2H2O + 3e- Æ MnO2 + 4OHI2 + 2e- Æ 2ICu2+ + 2e- Æ Cu 2H+ + 2e- Æ H2 Ni2+ + 2e- Æ Ni Fe2+ + 2e- Æ Fe Zn2+ + 2e- Æ Zn 10. Bestimmen Sie mit Hilfe der Standard-Elektrodenpotentiale in Tabelle 1, ob die folgenden Reaktionen im Standardzustand spontan ablaufen: a) Cu + 2H+ Æ Cu2+ + H2(g) b) Cl2 + 2I- Æ 2Cl- + I2 c) 3Cu + 2NO3- + 8H+ Æ 2NO + 4H2O + 3Cu d) Fe + O2 + 2H2O Æ Fe2+ + 4OH11. Berechnen Sie die EMK einer galvanischen Zelle, die wie die in Abbildung 18-2 beschriebene aufgebaut ist, und deren Reaktionspartner folgende Stoffmengenkonzentrationen aufweisen: c(Cr2O72-) = 1.0 mol/L; c(H+) = 0.50 mol/L; c(I-) = 0.50 mol/L; und c(Cr3+) = 0.50 _ 10-5mol/L. Die Reaktionsgleichung lautet: Cr2O72- + 14H+ + 6I- Æ 2Cr3+ + 3I2 + 7H2O 18 Aufgabenblatt X "Periodensystem und chemische Bindung" 1. Betrachten Sie die Elemente der dritten Periode (Na bis Ar). a) b) c) d) e) f) 2. Welches Element der 2. Hauptgruppe des PSE hat a) b) c) d) 3. Welches besitzt den größten Atomradius? Welches besitzt das höchste erste Ionisierungspotential? Welches ist das elektronegativste? Welches ist das reaktivste Metall? Welches ist das reaktivste Nichtmetall? Welches Element ist chemisch am wenigsten reaktiv? den größten Atomradius? das höchste erste Ionisierungspotential? ist das elektronegativste? ist das reaktivste Element? Erklären Sie auf der Basis von Energieeffekten bei der Ionenbildung warum a) Na kein Na2+, sondern Na+ bildet? b) Cl kein Cl2-, sondern Cl- bildet? c) Fe sowohl Fe2+ als auch Fe3+ bildet? 4. Zeichnen Sie die Lewis-Formeln der folgenden Moleküle: PCl3, HCN, ClO3-, NH2OH, SO32-, PO43- und CO 5. Welche der folgenden Verbindungen ist polarer: B-Cl oder C-Cl; P-F oder P-Cl; O-H oder O-F; O-H oder S-H und Cs-Br oder K-Br? In welche Richtung sind die Bindungen polarisiert? 6. Sagen Sie mit Hilfe des VSEPR-Modells die geometrischen Strukturen der folgenden Moleküle und Ionen voraus: SnCl4, CO2, AsF3, SbCl5, HgJ42- und TlCl2+. 7. Geben Sie auf der Basis von Elektronegativitäten an, ob die Bindung zwischen den folgenden Elementen ionischen oder kovalenten Charakter besitzt. Wenn eine kovalente Bindung vorliegt, geben Sie den Polarisierungsgrad der Bindung an. Mg-O, P-Cl, P-H, Hg-Cl, C-Br, Cs-Br, N-Cl, B-H, Al-I, N-H 19 8. Ergänzen Sie die folgende Tabelle. Symbol Z M Se Hg 34 80 202 114 48 Ce Bi Cr3+ Protonen 10. Elektronen 82 126 29 7 209 7 9. Neutronen a) Betrachten Sie die Elektronenfiguration für Xe im Grundzustand. Wieviele Elektronen haben m = -1 als eine ihrer Quantenzahlen? Wieviele Elektronen haben l = 2 als eine ihrer Quantenzahlen? b) Betrachten Sie die Elektronenkonfiguration für Rb im Grundzustand. Wieviele Elektronen haben m = 0 als eine ihrer Quantenzahlen? Wieviele Elektronen haben m = +2 als eine ihrer Quantenzahlen? 10 Bestimmen Sie die Atome, die im Grundzustand die folgende Elektronenkonfiguration in ihren äußeren Schalen besitzt. 3s23p63d84s2 4s24p4 4s24p64d25s2 5s25p3 5s25p66s1 6s26p6 11. Geben Sie die Elektronenkonfiguration der folgenden Ionen im Grundzustand an. Ca2+, Co3+, Pd2+, Ag+, I-, Au3+, S2- 20 Aufgabenblatt XI "Hauptgruppen des PSE" 1. Welche Eigenschaften unterscheiden Metalle von Nichtmetallen? 2. Erklären Sie, warum es nicht überraschend ist, folgende Erze in der Natur zu finden. a) b) c) d) gediegenes Platin, Gold und Silber Sulfaterze von Barium, Strontium und Blei Na+ und Mg2+ im Meerwasser sulfidische Erze von Blei, Bismut und Nickel 3. Warum kann man das Element Wasserstoff weder der 1. noch der 17. Gruppe zuordnen? 4. Welcher Art ist die Bindung in folgenden Hydriden (Ionenbindung, metallische Bindung oder kovalente Bindung): (a) BaH2; (b) H2Te; (c) B2H6; (d) RbH? 5. Diskutieren Sie die Unterschiede der Chemie des Lithiums und seiner Verbindungen und der des Natriums und seiner Verbindungen. 6. Geben Sie eine Gleichung für jede Reaktion an, die zwischen Natrium und den folgenden Agenzien abläuft. H2, O2, Cl2, H2O 7. Schreiben Sie eine Gleichung für jede Reaktion, die zwischen Al und folgenden Agenzien eintritt. Cl2, O2, S, H+(aq) 8. Nennen Sie die Summenformeln der folgenden Verbindungen: (a) Siliciumcarbid; (b) Calciumacetylid; (c) Natriumcyanid; (d) Calciumcarbonat; (e) Kaliumhydrogencarbonat. 9. Hochreines Germanium wird, wie Silicium, in der Halbleitertechnik verwendet. Das Element kann man im normalen Reinheitsgrad durch Reduktion von GeO2 mit Kohlenstoff herstellen. Das Germanium wird dann mit Chlor zu GeCl4 umgesetzt und destilliert. Anschließend hydrolysiert man das Tetrachlorid zu GeO2 und reduziert mit Wasserstoff erneut zum Element. Zum Schluß wird das Germanium noch durch Zonenschmelzen von letzten Verunreinigungen befreit. Stellen Sie die Reaktionsgleichungen für jede chemische Umsetzung auf, die zur Herstellung des hochreinen Germaniums vorgenommen wird. 10. Erklären Sie die Beobachtungen. (a) Die Mg2+-Ionen in Mineralen lassen sich nicht ohne weiteres durch Ba2+-Ionen ersetzen. (b) Basische Böden sind nährstoffarm, da sie den Pflanzen nicht genug Kationen zur Verfügung stellen können. (c) Zu saure Böden können verbessert werden, wenn man sie kalkt, d.h. mit CaO versetzt. 21 11. Suchen Sie das Element der 4. Hauptgruppe des PSE heraus, das jeweils den folgenden Beschreibungen am besten entspricht: (a) Es bildet das sauerste Oxid; (b) es tritt meistens in Form von X2+-Ionen auf; (c) es hat die niedrigste Ionisierungsenergie; (d) es bildet am besten Ketten und Ringe mit sich selbst; (e) es bildet die stärkste Bindung zu Wasserstoff aus; (f) es ist ein Bestandteil von Sand. 12. Stellen Sie die Strukturformeln für die Ionen SiO44- und Si2O76- auf. Zeichnen Sie alle Valenzelektronen ein. Vergleichen Sie die beiden Strukturen miteinander. 13. In dem Feldspat Anorthit sind die Hälfte aller Si-Atome von SiO2 durch Al-Atome ersetzt. Zum Abgleich der Ladungen befinden sich Ca2+-Ionen in den Hohlräumen des Alumosilicats. Welche empirische Formel weist dieses Mineral auf? 14. Nennen Sie die Formeln für folgende Verbindungen, und geben Sie jeweils die Oxidationszahl des Stickstoffs an: (a) Salpetrige Säure; (b) Hydrazin; (c) Kaliumazid; (d) Natriumcyanid; (e) Ammoniumchlorid; (f) Distickstoffoxid; (g) Ammoniak; (h) Hydroxylamin; (i) Stickstoffmonoxid; (j) Salpetersäure; (k) Distickstoffpentoxid; (l) Lithiumnitrid. 15. Was geschieht, wenn man folgende Substanzen miteinander vermischt: (a) I-(aq) und Br2(fl); (b) Cl-(aq) und I2(f). Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die stattfindenden Umsetzungen. 16. Erklären Sie die folgenden Beobachtungen. - F2 kann man nicht durch elektrolytische Oxidation von F--Ionen in wäßriger Lösung herstellen. - Der Siedepunkt von HF liegt sehr viel höher als der der anderen Halogenwasserstoffe. - Flußsäure darf nicht in Glasflaschen aufbewahrt werden. - Jod löst sich nicht so gut in reinem Wasser wie in Lösungen, die bereits I--Ionen enthalten. 22
