Fragenkatalog mit Lösungens

Fragenkatalog mit Losungen
¨
zum Aufnahmetest zum P raktikum in Anorganischer C hemie fur
¨ Neb enfachstudierende
Aufgab en aus den Jahren 1 994-2 005 ( nicht vollstandig
¨
)
zusammengestellt und bearbeitet von C hristian S cholz und Markus S panner
in eckigen Klammern:
Jahreszahl und Test ( 1 = Winter, 2 = S ommer) in dem die Aufgabe vorkam ( teilweise nicht ganz sicher)
¨
Ublicher
Umfang: 4-6 S ummenformeln, 4 Valenzstrichformeln, 5-1 0 weitere Aufgaben
Arbeitszeit: 30 min, keine Hilfsmittel außer Taschenrechner, PS E wird als Anhang mit ausgeteilt
I. Valenzstrich- und S ummenformeln
1 . G eben S ie die Formeln fur
¨ die nachfolgenden Verbindungen an:
Kaliumsulfit [ ? ? ? ]
...........................
C hlor-( III) -saure
¨
[???]
K2 S O 3
....................
HC lO 2
................
HC lO 3
C hlor-( V) -saure
¨
[ 2004-2]
Bariumperoxid [ ? ? ? ] [ 2004-1 ]
Natriumtetrathionat [ ? ? ? ]
.........
..............
BaO 2
Na 2 S 4 O 6
Eisen-( III) -sulfat [ 2 003 -1 ] [ 2002-2] [ 2004-2]
C alciumhydrogencarbonat [ ? ? ? ]
Natriumthiosulfat [ 2 003 -1 ]
.....
.............
C a( HC O 3 ) 2
Na 2 S 2 O 3
Natriumhydrogenperoxid [ 2003-1 ] [ 2004-2]
Kaliumsulfid [ 2003-1 ]
.....................
Natriumchlorit [ 2 003 -1 ]
..................
Natriumhypochlorit [ 2002-2 ]
..........
Bariumhydrogensulfit [ 2003-1 ]
.......
Fe 2 ( S O 4 ) 3
NaHO 2
K2 S
NaC lO 2
NaC lO
Ba( HS O 3 ) 2
Lithiumsulfid [ 2004-2]
....................
Li 2 S
Bariumchlorit [ 2004-2]
...................
Ba( C lO 2 ) 2
Kaliumthiosulfat [ 2 004-2 ]
..............
Kaliumhydrogencarbonat [ 2 004-1 ]
Lithiumhydrid [ 2004-1 ]
K2 S 2 O 3
.
..................
Aluminiumsulfat [ 2 004-1 ]
..............
C alciumhydrogensulfit [ 2 004-1 ]
Perchlorsaure
¨
[ 2 004-1 ]
.....
...................
C alciumhydrogensulfat [ 2002-2]
....
KHC O 3
LiH
Al 2 ( S O 4 ) 3
C a( HS O 3 ) 2
HC lO 4
C a( HS O 4 ) 2
Natriumperoxid [ 2002-2 ]
...............
Na 2 O 2
Eisen-( III) -oxid [ 2 005 -1 ]
................
Fe 2 O 3
Ammoniumsulfat [ 2 005 -1 ]
C alciumhydrid [ 2005-1 ]
.............
.................
Aluminiumhydroxid [ 2005-1 ]
.........
Bariumiodid [ 2 005 -1 ]
.....................
C alciumiodat [ 2005-2]
....................
S chwefelige S ¨aure [ 2005-2]
.............
( NH 4 ) 2 ( S O 4 )
C aH 2
Al( O H) 3
BaI 2
C a( IO 3 ) 2
H2 S O 3
1
Kaliumhydrogenphosphat [ 2005-2]
C hrom( III) sulfat [ 2005-2 ]
.
K 2 HPO 4
...............
Kaliummanganat( VI) [ 2 005 -2]
C r2 ( S O 4) 3
.......
K 2 MnO 4
fur
¨ andere Aufgaben benotigt
¨
:
Peroxidischwefelsaure
¨
H2 S 2 O 8
Kupfer-( II) -oxid C uO
Bariumhypochlorit Ba( C lO ) 2
2 . Z eichnen S ie die vollstandige
¨
Valenzstrich-/ S trukturformel - inkl. freier und ungepaarter Elektronen und ( Teil-) Ladungen:
C lO 2−
HC O 3−
[ 1 996-1 ]
⊕
O
[ 1 996-1 ] [ 2004-1 ]
N
O
O
C
oder
O
Cl
O
NO 2−
O
Cl
[ 1 996-1 ]
O
O
H
O C hlorit-Anion [ 1 998-1 ]
C hlordioxid
[ 1 998-1 ] [ 2005-2]
⊕
·
O
Cl
O
O
Cl
O
ein radikalisches
C hloroxid [ 2003-1 ]
·
Cl
O
z. B. : O
oder
Cl
O
S O 23 − [ 2 004-1 ]
O C lO 2 [ 2004-1 ]
·
O
Cl
O
O
O 3 [ 2 004-1 ]
⊕
O
O
S
O
O
H 3 PO 4 [ 2004-2]
NO 2 [ 2004-2]
O C O 2 [ 2004-2 ]
O
⊕
H
O
P
O
H
N
O
O
C
O
O
·
O
H
C lO 4− [ 2004-2]
O zon [ 2005-1 ] [ 2005-2]
O
O
O
Cl
S tickstoffmonoxid [ 2 005 -1 ]
⊕
O
O
O
N·
O O
Wasserstoffperoxid
[ 2005-1 ] [ 2005-2]
C arbonat [ 2005-1 ]
Kohlenmonoxid [ 2005-2]
⊕
O
C
H
O
O
O
H
oder
C
O
O 2
C
O
3 . Welche Ionen liegen den nachfolgenden S alzen zugrunde:
NaO 2
[ 1 998-1 ]
BaO 2
Na + und O 2−
[ 1 998-1 ]
Na 2 O
Ba 2 + und O 22 −
[ 1 998-1 ]
2 Na + und O 2 −
II. Reaktionsgleichungen ( allgemein)
1 . Fur
¨ die Umsetzung von C alcium mit Wasser ist die Reaktionsgleichung zu formulieren [ 1 994-1 ]
Ca
+
→
2 H2 O
C a ( O H) 2
+
H2
2 . Fur
¨ die Umsetzung von erhitztem Kupfer-( II) -oxid mit Wasserstoff ist die Reaktionsgleichung
zu formulieren [ 1 994-1 ]
→ Cu
C uO + H 2
+
H2 O
( Reduzierende Wirkung des H 2 )
3 . Kaliumchlorat disproportioniert beim Erhitzen auf 400 o C . Die Reaktionsgleichung ist zu formulieren [ 1 994-1 ]
4 KC lO 3 → KC l + 3 KC lO 4
4. Die Reaktionsgleichung fur
¨ die Darstellung von C hlor aus Braunstein und S alzsaure
¨
ist zu formulieren [ 1 994-1 ]
MnO 2
2 HC l + 2 H + → C l 2 + Mn 2 + + 2 H 2 O ( Herleitung: RedO x formulieren)
+
5 . Aus einer wassrigen
¨
Losung
¨
, die Natriumsulfat und Kaliumchlorid enthalt
¨ , sollen die jeweiligen
Anionen ausgefallt
¨ werden.
Welche Fallungsreagentien
¨
verwenden S ie ( Formeln angeben) ? Die Reaktionsgleichungen sind
zu formulieren [ 1 994-1 ]
i) KC l : Ausfallen
¨
von C l − mit S ilbernitrat :
K + + C l − + Ag( NO 3 )
→
K + + NO 3−
+ AgC l ↓ ( AgC l weisser Niederschlag)
ii) Na 2 S O 4 : Ausfallen
¨
von S ulfat immer mit Barium2 + ! !
Na 2 S O 4
+
→
BaC l 2
2 NaC l
+
BaS O 4 ↓
6. Peroxidischwefelsaure
¨
hydrolysiert vollstandig
¨
in Wasser [ 1 996-1 ]
H2 S 2 O 8
+
2 H2 O
→
2 H2 S O 4
+
H2 O 2
7. C hlor wird bei 0 o C in Wasser eingeleitet [ 1 996-1 ]
C l2
+
H2 O
→
HC l +
HC lO ( C hlor disproportioniert in Wasser bzw. Base)
8. Unedle Metalle werden durch S alzsaure
¨
aufgelost
¨ . Eine typische Reaktionsgleichung ist zu formulieren [ 1 998-1 ] [ 1 998-2]
Z n + 2 HC l
→ Z nC l 2 + H 2
9. Formulieren S ie eine Reaktionsgleichung zur Darstellung von Flourwasserstoff [ 1 998-1 ]
C aF 2 +
→ C aS O 4 + 2 HF ( Auch direkt aus den Elementen moglich
¨
)
H2 S O 4
1 0. Formulieren S ie eine typische Reaktionsgleichung fur
¨ die Darstellung von S chwefelwasserstoff
aus einem seiner S alze [ 1 998-1 ]
FeS + 2 HC l
→
FeC l 2
+
H2 S
1 1 . Ein Niederschlag von S ilberchlorid wird mit Natriumthiosulfat-Losung
¨
aufgelost
¨ [ 1 998-2]
3
AgC l
+
→
2 Na 2 S 2 O 3
[ Ag ( S 2 O 3 ) 2 ] 3 − +
C l − + 4 Na +
1 2 . Formulieren S ie die G esamtgleichung fur
¨ die C hloralkalielektrolyse nach dem Diaphragmaverfahren [ 1 998-2] [ 2 003 -2 ]
NaC l
+
→
H2 O
NaO H
+
1
H
2 2
+
1
C l2
2
1 3 . C hlor disproportioniert in alkalischer Losung
¨
. Die Gesamtgleichung ist zu formulieren. [ 1 998-2 ]
[ 2003-2]
C l2
2 O H−
+
C l−
→
+
O C l− +
H2 O
1 4. Natriumhypochlorit disproportioniert in der Warme
¨
. Die Reaktionsgleichung ist zu formulieren
[ 2001 -1 ] [ 2003-2]
→
3 NaO C l
2 C l − + C lO 3−
3 Na +
+
1 5 . Natriumchlorid und Natriumbromid werden mit konz. S chwefelsaure
¨
umgesetzt. Die Reaktionsgleichungen sind zu formulieren [ 2 001 -1 ]
i) 2 NaC l
ii) 2 Br
−
+
H2 S O 4
+ H2 S O 4 + 2 H
→ Na 2 S O 4 +
+
2 HC l
→ 2 H 2 O + S O 2 + Br 2 ( ox. Wirk. der S chwefelsaure
¨
, s. RedO x)
1 6. Wie kann Wasserstoff chemisch aus Wasser erhalten werden? Eine entsprechende Reaktionsgleichung ist zu formulieren [ 2 001 -1 ]
Na
+
H2 O
→
NaO H
+
1
H
2 2
1 7. Z ink wird mit S alzsaure
¨
versetzt [ 2001 -2]
Z n + 2 HC l
→ Z nC l 2 + H 2 ( siehe 8. )
1 8. Eine wassrige
¨
Natriumiodid-Losung
¨
wird mit konzentrierter S chwefelsaure
¨
versetzt [ 2 001 -2 ]
[ 2002-2] [ 2004-1 ]
2 I − + H 2 S O 4 + 2 H + → 2 H 2 O + S O 2 + I 2 ( s. 1 5 ii , auf die Kationen wurde verzichtet. . . )
1 9. C hlor wird bei 20 o C ( 0 o C ) in eine wassrige
¨
Natronlauge eingeleitet [ 2 001 -2] [ 2004-1 ]
C l 2 + 2 NaO H → NaC l + NaO C l + H 2 O ( siehe 1 3. )
20. Eine saure Kaliumpermanganat-Losung
¨
wird mit Wasserstoffperoxid versetzt [ 2 001 -2 ] [ 2004-1 ]
2 MnO 4− ( Permanganat) + 6 H + + 5 H 2 O 2
→
2 Mn 2 + +
5 O2
+ 8 H2 O
21 . Braunstein wird mit S alzsaure
¨
versetzt [ 2001 -2] [ 2003-1 ] [ 2 003 -2 ] [ 2004-1 ]
MnO 2 + 2 HC l + 2 H + → C l 2 + Mn 2 + + 2 H 2 O ( siehe 4. )
22 . Flusssaure
¨
¨atzt Glas. Die Reaktionsgleichung ist zu formulieren [ 2001 -2] [ 2 003 -1 ]
[ 2004-1 ] [ 2004-2] [ 2 005 -2 ]
4 HF + S iO 2
→ S iF 4 + 2 H 2 O
( G las ≈ S iO 2 )
23 . Formulieren S ie eine Reaktion, bei der ein Element sowohl oxidiert als auch reduziert wird
[ 2002-2]
Disproportionierungsreaktion z. B. C hlor ins Wasser/ Base u. ä. z. B. 1 3. , 1 4. , 9.
24. Natrium ist ein Reduktionsmittel. Wahlen
¨
sie Wasser als Reaktionspartner und formulieren S ie
die Reaktionsgleichung [ 2 003 -1 ]
2 Na + 2 H 2 O → 2 NaO H + H 2
4
25 . Formulieren S ie die Reaktionsgleichung fur
¨ die Umsetzung von Natronlauge mit konz. S chwefelsaure
¨
. Verlauft
¨
die Reaktion exotherm oder endotherm? [ 2 003 -1 ] [ 2004-2]
2 NaO H + H 2 S O 4 → Na 2 S O 4
+ 2 H 2 O , M H < 0 exotherm, klar ( starke) S ¨aure + Base
26. Ein Niederschlag von S ilberchlorid kann mit Ammoniak aufgelost
¨ werden. Die Reaktionsgleichung ist zu formulieren [ 2 003 -1 ] [ 2003-2]
+ 2 NH 3 → [ Ag( NH 3 ) 2 ] + + C l −
Ag C l
Der gebildete Komplex soll durch S alpetersaure
¨
zerstort
¨ werden. Die Reaktionsgleichung ist zu
formulieren.
[ Ag( NH 3 ) 2 ] + + 2 HNO 3 → Ag + + 2 NH 4+ + 2 NO 3−
27. Wie kann aus einer wassrigen
¨
Bariumchloridlosung
¨
das Ba 2 + moglichst
¨
quantitativ ausgefallt
¨
werden? Die Reaktionsgleichung ist zu formulieren [ 2 003 -2 ]
Mit S ulfat :
Ba 2 + + Na 2 S O 4 → Ba S O 4 ↓ + 2 Na +
28. Formulieren S ie die Reaktionsgleichung eines Metalloxids und eines Nichtmetalloxids mit
Wasser [ 2003-2]
Metalloxid : C aO + H 2 O → C a ( O H) 2
Nichtmetalloxid : S O 2 + H 2 O → H 2 S O 3
29. Warum kann Flour nicht aus einer wassrigen
¨
Losung
¨
von Flouriden dargestellt werden? Eine
erklarende
¨
Reaktionsgleichung ist zu formulieren [ 2004-1 ]
weil Flour sofort mit Wasser reagieren wurde
¨
: 2 F 2 + 2 H 2 O → 4 HF + O 2
30. G eben S ie eine Reaktionsgleichung zur G ewinnung von Flourwasserstoff aus C alciumflourid an
[ 2005-1 ]
C aF 2 + H 2 S O 4 → C aS O 4 + 2 HF
( siehe 9. )
31 . Formulieren S ie die Reaktionsgleichung von Eisen( II) sulfid mit S alzsaure
¨
[ 2005-2]
FeS
+
2 HC l
→
FeC l 2
+
H2 S
III. Redoxgleichungen
Anstatt mit H + auszugle iche n kann man auch H 3 O + ve rwe nde n, de r Einfac hhe it halbe r ve rwe nde ic h
abe r H + .
Io ne n die an de r Reaktio n nic ht te ilne hme n wurde n wegge lasse n.
Wie man auf die Lo¨ sung ko mmt so llte klar se in. O xidatio nszahle n e rmitte ln - > Abgabe (O x) b zw Aufnahme (Red) vo n Ele ktro ne n - > Ausgle ic he n mit H+ , O H- je nac h Milie u u. H2O
Billige Me rkrege l : Red- U!- ktio n = A - U!- fnahme
Die O xidatio nzahle n ste he n (be i nic ht- Io ne n) je we ils ube
¨ r de m Ele me nt
1 . S tellen S ie zu folgenden Reaktionen die beiden Redoxteilgleichungen auf:
a) C hlordioxid mit Wasser [ 1 996-1 ] [ 1 998-2 ]
Disproportionierung
+4
O x:
Cl O2
+5
+ H2 O
→ C l O 3−
5
+ e− + 2 H+
| ·5
−1
+4
Red: C l O 2 + 5 e − + 4 H + → C l − + 2 H 2 O
P
{
6 C lO 2 + 3 H 2 O → 5 C lO 3− + C l − + 6 H + nicht verlangt }
b) Braunstein mit S alzsaure
¨
in wassriger
¨
Losung
¨
[ 1 996-1 ]
−1
0
1
C
l2
2
→
O x: H C l
+4
+ e− + H+ | · 2
Red: Mn O 2 + 2 e − + 4 H + → Mn 2 + + 2 H 2 O
P
{
2 HC l + MnO 2 + 2 H + → C l 2 + Mn 2 + + 2 H 2 O nicht verlangt }
c) fur
¨ die Reduktion von Kupfer-( II) -oxid mit Wasserstoff [ 1 998-1 ]
0
O x:
H2
+
O2−
+1
→ H 2O + 2 e−
0
Red: C u 2 + + 2 e − → C u
P
{
H 2 + C uO → H 2 O + C u nicht verlangt }
d) Natriumhypochlorit disproportioniert in der Warme
¨
[ 2001 -2]
+1
O x:
+5
O Cl−
→ C l O 3− + 4 e − + 4 H +
+ 2 H2 O
+1
Red: O C l − + 2 e − + 2 H + → C l − + H 2 O
P
{
3 O C l − → C lO 3− + 2 C l − nicht verlangt }
| ·2
2 . S tellen S ie zu folgenden Reaktionen die Redoxgleichungen uber
¨
Teilgleichungen auf:
a) elementares C alcium reagiert mit Wasser [ 2004-2]
0
→ C a2 + + 2 e −
Ox : Ca
+1
1
0
Red : H 2 O + e −
→ 2 H2 + O H − | * 2
P
C a + 2 H2 O → C a2 + + H2 + 2 O H −
b) elementares Flour reagiert mit Wasser [ 2 004-2 ]
−2
O x : H2 O
→
0
1
O
2 2
+ 2 e− + 2 H+
Red : F 2 + 2 e − → 2 F −
P
1
H2 O + F2 → 2 O 2 + 2 H+ + 2 F −
c) Kaliumbromid mit ( konz. ) S chwefelsaure
¨
[ 1 996-1 ] [ 1 998-2 ] [ 2004-2]
O x : Br −
+6
→
0
1
Br
2
2
+ e−
| ·2
+4
Red : H 2 S O 4 + 2 e − + 2 H + → S O 2 + 2 H 2 O
P
2 Br − + H 2 S O 4 + 2 H + → Br 2 + S O 2 + 2 H 2 O
d) Eisen-( II) -sulfat reagiert mit Wasserstoffperoxid [ 2005-1 ]
( Milieu je nach belieben, Musterlsg. im alkalischen)
O x : Fe 2 +
→
Fe 3 + + e − | * 2
6
−1
−2
Red : H 2 O 2 + 2 e − → 2 O H −
P
2 Fe 2 + + H 2 O 2 → 2 Fe 3 + + 2 O H −
e) Mangandioxid reagiert mit Kaliumchlorid [ 2005-1 ]
( Milieu je nach belieben, Musterlsg. im sauren)
O x : 2 C l−
+4
0
→ C l2 + 2 e −
Red : Mn O 2 + 2 e − + 4 H + → Mn 2 + + 2 H 2 O
P
2 C l − + MnO 2 + 4 H + → C l 2 + Mn 2 + 2 H 2 O
f) Kaliumpermanganat mit Wasserstoffperoxid in wassriger
¨
Losung
¨
[ 1 996-1 ] [ 2005-1 ] /
schwefelsaurer Losung
¨
[ 2005-2] . Wasserstoffperoxid kann eine saure wassrige
¨
Kaliumpermanganat-Losung
¨
entfarben
¨
[ 1 998-1 ]
−1
0
→ O 2 + 2 e− + 2 H+ | · 5
O x : H2 O 2
+7
Red : Mn O 4− + 5 e − + 8 H +
→ Mn 2 + + 4 H 2 O | · 2
P
2 MnO 4− + 5 H 2 O 2 + 6 H + → 2 Mn 2 + + 5 O 2 + 8 H 2 O
g) elementares Z ink reagiert mit S alzsaure
¨
[ 2 005 -2 ]
O x : Z n → Z n2 + + 2 e −
Red : 2 H + + 2 e − → H 2
P
Z n + 2 H + → Z n2 + +
H2
h) Aus Wasserdampf und gluhendem
¨
Eisen entsteht H 2 und Fe 3 O 4 [ 2005-2]
8
O x : 3 Fe
+
4 H2 O
+3
→ Fe 3 O 4 + 8 e − + 8 H +
Red : 2 H + + 2 e − → H 2 | · 4
P
3 Fe + 4 H 2 O → Fe 3 O 4 + 4 H 2
3 . Formulieren S ie die Reaktionsgleichung fur
¨ einen typischen Redoxvorgang. Die Begriffe O xidation und Reduktion sind durch Einzelgleichungen zu erklaren
¨
[ 1 998-1 ]
Bel. Redox-G leichung hinschreiben. ( siehe oben)
Reduktion = Elektronenaufnahme : O xidation = Elektronenabgabe
4. Die G leichung fur
¨ den Reduktionsvorgang der Reaktion von Eisen mit S auerstoff zu Fe 2 O 3
[ 1 998-1 ]
Red :
0
1
O
2 2
+ 2 e−
→ O2−
5 . Der Begriff Disproportionierung ist anhand einer typischen Reaktionsgleichung zu erklaren
¨
[ 1 998-1 ]
Disproportionierung : ein Element wird bei einer Reaktion reduziert und oxidiert
Bsp. C hlor disproportioniert in Wasser. . .
0
+1
O x : C l 2 + 2 H 2 O → 2 HO C l
0
+ 2 e− + 2 H+
−1
Red : C l 2 + 2 e − + 2 H + → 2 H C l
7
6. Fur
¨ die Umsetzung von Kupfer-( II) -oxid mit Wasserstoff ist der O xidationsvorgang zu formulieren [ 1 998-2]
0
+1
O x : H2 + O 2 − → H2 O + 2 e−
7. Wasserstoffperoxid kann als O xidationsmittel und als Reduktionsmittel wirken. ( Wahlen
¨
S ie
geeignete Reaktionspartner [ 2001 -1 ] ) Formulieren S ie die entsprechenden Reaktionsgleichungen
( O xidation und Reduktion getrennt) [ 2003-1 ] / erklaren
¨
S ie am Reaktionsverhalten von Wasserstoffperoxid die Begriffe O xidation und Reduktion [ 2003-2]
O xidationsmittel ( wird selbst reduziert) :
Reaktion mit Iodid :
0
→ I2 + 2 e −
O x : 2 I−
−1
−2
Red : H 2 O 2 + 2 e − + 2 H + → 2 H 2 O
P
2 I − + H2 O 2 + 2 H+ → I2 + 2 H2 O
Reduktionsmittel ( wird selbst oxidiert) :
Reaktion mit Permanganat :
−1
0
→ O 2 + 2 e− + 2 H+
O x : H2 O 2
+7
| ·5
→ Mn 2 + + 4 H 2 O | · 2
Red : Mn O 4− + 5 e − + 8 H +
P
2 MnO 4− + 5 H 2 O 2 + 6 H + → 2 Mn 2 + + 5 O 2 + 8 H 2 O
8. Natrium ist ein Reduktionsmittel. Wahlen
¨
S ie einen geeigneten Reaktionspartner und formulieren S ie die Reaktionsgleichung [ 2002-2]
z. B. Reaktion von Natrium mit Wasser
0
O x : Na
+1
→ Na + + e −
0
Red : 2 H 2 O + 2 e − → H 2 + 2 O H −
P
2 Na + 2 H 2 O + 2 e − → H 2 + 2 NaO H
9. Konz. S chwefelsaure
¨
hat oxidierende Wirkung. Die Reduktion ist zu formulieren [ 2003-1 ]
+6
Red : H 2 S O 4 + 2 e − + 2 H + →
+4
S O 2 + 2 H2 O
1 0. Formulieren S ie die Elektrodenreaktionen in einer alkalischen Knallgas-Brennstoffzelle [ 2005-1 ]
0
+1
O x : H2 + 2 O H − → 2 H2 O + 2 e − | · 2
0
Red : O 2 + 4 e − + 2 H 2 O
P
2 H2 + O 2 → 2 H2 O
−2
→ 2 O H− + 2 O H−
IV. Elektrochemie
Ne rnst G le ic hung zur Be rec hnung de s Ele ktrode npo te ntials e ine r Ele ktrode :
E = E0 -
RT
nF
ln Q
, wo be i : R = G asko nstante ; F = Faradayko nstante ; T = Te mp.
n = Anzahl de r e − ; Q : Aktivitate
¨ nquo tie nt ; E 0 No rmalpo t.
Mit e inge se tzte n Ko nstante n und auf log umge rec hne t(die se G le ic hung wird ve rlangt) :
E = E0 +
0, 0592V
n
00
[ O x] 0 0
log 0 0 [ Red] 0 0
, o xidie rte Se ite = Se ite mit fre ie n e − (also O xidatio nszahl ho¨ he r)
8
Faraday- G e se tz de r Ele ktro lyse :
m =
M
z
Q
F
; M/z = mo lare A¨ quivale ntmasse ; Q = Ladung (= I · t) ; F = Faradayko nstante
1 . Fur
¨ den Vorgang Z n → Z n 2 + + 2 e −
[ 2001 -2] [ 2003-1 ]
Z n → Z n2 + + 2 e −
⇒ E = E0 +
0, 0592V
2
ist die Nernstsche Gleichung zu formulieren [ 1 994-1 ]
[ Z n2 +]
[ Z n]
log
2 . Berechnen S ie das Elektrodenpotential einer Z n 2 + / Z n-Elektrode, wenn eine 0. 1 -molare Z n 2 +
Losung
¨
vorliegt. E0 = − 0. 76 V [ 2002-2]
Nernst - G leichung fur
¨ Z n/ Z n 2 + Elektrode, siehe 1 .
Da Z n Feststoff, ist die Aktivitat
¨ 1 ⇒ die Konzentration [ Z n] = 1 , fallt
¨ also weg
0, 0592V
2
⇒ E = E0 +
log[ Z n 2 + ] = - 0, 76 V +
0, 0592
log 1 0 − 1
2
V = − 0, 79 V
3 . An einer Elektrode wird aus einer Losung
¨
, die Fe 3 + -Ionen enthalt
¨ , Eisen abgeschieden. Wieviel
G ramm Eisen erhalt
¨ man, wenn man 0. 2 Faraday an Ladung aufwendet? [ 1 996-1 ]
g
M( Fe) = 56 m ol
Losung
¨
uber
¨
das Faraday-G esetz : m =
Halbreaktion : Fe 3 + + 3 e − → Fe
Aus der Angabe :
Q
F
,
⇒ z= 3
= 0, 2 Faraday
Ins Far. G esetz einsetzen ⇒ m( Fe) =
4. Fur
¨ den Vorgang 2 H + + 2 e −
E = E0 +
M Q
z F
M ( Fe)
3
· 0, 2 Faraday =
56
15
g ≈ 3, 73 g
H 2 ist die Nernstsche G leichung zu formulieren [ 1 998-2]
+ 2
[H ]
0, 0592V
log [ H ]
2
2
5 . In welcher Z eit entstehen bei der Elektrolyse von angesauertem
¨
Wasser unter Normalbedingungen 2 . 33 l Wasserstoff, wenn die S tromstarke
¨
2 A betragt
¨ ? [ 2001 -1 ] [ 2 001 -2 ]
l
m ol
Wichtig fur
¨ diese Aufgabe : Molvolumen : 22, 41 41
( d. h. Volumen von 1 mol ideales G as)
Faradaykonstante : F= 96485
Halbreaktion : 2 H + + 2 e − → H 2
M Q
z F
Far. G esetz : m =
=
M I· t
z F
⇒ z = 2
⇔ t=
F · z· m
I· M
=
F· z
I
·
C
m ol
m
M
, und
m
M
= n also die S toffmenge
S toffmenge n berechnet sich mit dem Molvolumen:
m
M
= n=
V
2 2 , 41 41
l
mol
=
2, 33l
2 2 , 41 41
l
mol
=
2, 33
2 2 , 41 41
mol
As
oben ins Far. G esetz einsetzen : t =
9 6 48 5 m o l · 2
2A
·
2, 33
2 2 , 41 41
mol = 2, 79 h
6. Fur
¨ die Reduktion von S n 4 + zu S n 2 + ist die Nernstsche Gleichung zu formulieren [ 2004-1 ]
Halbreaktion : S n 4 + + 2 e − → S n 2 +
⇒ E = E0 +
0, 0592V
[ S n4+]
log [ S n 2 + ]
2
9
V. S ¨aure -B ase-Reaktionen
1 . Die Umsetzung einer Anionsaure
¨
mit Wasser ist zu formulieren [ 1 994-1 ]
z. B. : HS O 4− + H 2 O
S O 24 − + H 3 O +
→
oder: H 2 PO 4− + H 2 O
HPO 24 − + H 3 O + . . .
→
2 . Welche korrespondierenden S ¨auren bzw. Basen sind den folgenden Ionen zuzuordnen [ 1 994-1 ]
NH +
4 ↔ B: NH 3
HS O 4− ↔ B: S O 24 − , S : H 2 S O 4
[ Al( H 2 O ) 6 ] 3 + ↔ B: [ Al( H 2 O ) 5 ( O H) ] 2 +
3 . Was versteht man unter dem Ionenprodukt des Wassers? [ 1 994-1 ]
c( H + ) · c( O H − ) = 1 0 − 1 4
m ol
l
Produkt aus H + - und O H − -Konzentration bleibt also immer Konst.
4. Wie groß ist die O H − -Konzentration bei pH= 7 ? Die Dimension fur
¨ die Konzentration ist
anzugeben. [ 1 994-1 ] / H + -Konzentration bei pO H= 3 ? [ 2004-2]
i. pH = 7 ⇒ c( H + ) = 1 0 − 7
m ol
l
ii. pO H = 3 ⇒ c( O H − ) = 1 0 − 3
c( H + ) · c( O H − ) = 1 0 − 1 4
m ol
l
m ol
l
c( H + ) · c( O H − ) = 1 0 − 1 4
⇒ c( O H − ) = 1 0 − 7
m ol
l
m ol
l
⇒ c( O H − ) = 1 0 − 1 1
m ol
l
oder naturlich
¨
pH + pO H = 1 4 verwenden
5 . Anhand der Basenkonstante K B ist der Basenexponent zu definieren [ 1 994-1 ]
pK B = − lg( K B )
6. Von einer 0. 001 -molaren KO H-Losung
¨
ist der pH-Wert zu berechnen ( die Angabe des Z ahlenwerts allein genugt
¨ nicht) [ 1 994-1 ]
starke Base ⇒ vollstandige
¨
Dissoziation
c( O H − ) = c( KO H) = 1 0 − 3
m ol
l
⇒ pO H = 3 ⇒ pH = 1 1
7. Das S ¨aure -Base Konzept von Bronsted
¨
ist anhand des Hydrogensulfat-Anions eindeutig zu
erlautern
¨
[ 1 996-1 ] Die entsprechenden G leichungen sind zu formulieren [ 1 998-2]
S ¨aure : Protonendonator: HS O 4− + B → S O 24 − + HB +
Base:
Protonenakzeptor: HS O 4− + HA → H 2 S O 4 + A −
wobei HA eine allgemeine S ¨aure und B eine Base darstellen soll
8. Wie ist der pO H-Wert definiert? In welchem mathematischen Z usammenhang steht er zum pHWert? [ 1 996-1 ] [ 1 998-2 ]
pO H = − lg( c( O H − ) ) = 1 4 − pH
9. Wieviel Gramm Natriumhydroxid enthalten 740 ml Natriumhydroxidlosung
¨
mit dem pH-Wert
1 3 ? [ 1 996-1 ]
NaO H dissoziiert vollstandig
¨
⇒ c( NaO H) = c( O H − ) = 1 0 − p O H
n( NaO H) = c( NaO H) · V = 0. 1
m ol
l
m ol
l
= 1 0− 1
m ol
l
· 0. 740 l = 0. 074 mol
g
m( NaO H) = n( NaO H) · M( NaO H) = 0. 074 mol · ( 23 + 1 6 + 1 ) m ol = 2. 96 g
Atommassen konnen
¨
aus dem PS E abgelesen werden
1 0. Im S inne des S ¨aure -Basen-Begriffs nach Bronsted
¨
ist jeweils eine Reaktion zu formulieren, in
der Wasser als Base bzw. als S ¨aure fungiert: [ 1 998-1 ]
10
als S ¨aure : H 2 O + NH 3 O H − + NH +
4
als Base: H 2 O + HC l → H 3 O + + C l −
1 1 . Der pH-Wert einer 0. 01 n Essigsaure
¨
ist zu berechnen ( S ¨aurekonstante : 1 0 − 5 ) . Das Ergebnis
muss eindeutig aus dem Rechengang hervorgehen. [ 1 998-1 ] [ 1 998-2]
HAc + H 2 O Ac − + H 3 O +
KS =
c( H + ) · c( Ac − )
c( H Ac)
≈
c2 ( H + )
c 0 ( H Ac)
p
⇒ c( H + ) =
pH = − lg( c( H + ) ) = 3. 5
KS · c( HAc) =
√
1 0− 5 · 1 0− 2
m ol
l
= 3. 1 62 · 1 0 − 4
m ol
l
1 2 . Fur
¨ die S ¨auren HPO 24 − und NH +
4 sind die korrespondierenden Basen zu nennen. Wie reagieren
diese Basen mit Wasser ( Reaktionsgleichungen) ? [ 2001 -1 ]
i. PO 34 − + H 2 O HPO 24 − + O H −
−
ii. NH 3 + H 2 O NH +
4 + OH
1 3 . Berechnen S ie den pH-Wert einer Ammoniumchloridlosung
¨
der Konzentration 0. 01
m ol
Basenkonstante betragt
¨ 1 0 − 5 l . [ 2001 -1 ] [ 2 001 -2] [ 2005-1 ]
m ol
.
l
Die
+
NH +
4 + H 2 O NH 3 + H 3 O
KS =
KS =
mol2
l2
mol
0− 5 l
1 0− 14
1
= 1 0− 9
c( H + ) · c( N H 3 )
c( N H +
4 )
≈
m ol
l
c2 ( H + )
c0 ( N H +
4 )
⇒ c( H + ) =
pH = − lg( c( H + ) ) = 5. 5
q
KS · c( NH +
4) =
√
1 0− 9 · 1 0− 2
m ol
l
= 3 . 1 62 · 1 0 − 6
m ol
l
1 4. Die Protolysegleichungen ( im S inne von Bronsted
¨
) fur
¨ einen anorganischen Ampholyten sind zu
formulieren [ 2 001 -2]
z. B. HPO 24 − , H 2 PO 4− oder HS O 4−
Reaktion als S ¨aure : HPO 24 − + H 2 O → PO 34 − + H 3 O +
Reaktion als Base: HPO 24 − + H 2 O → H 2 PO 4− + O H −
1 5 . Fur
¨ eine Kationsaure
¨
und eine Anionbase sind die Protolysegleichungen im S inne von Bronsted
¨
zu formulieren [ 2 002 -1 ] / Kation- und Anionsaure
¨
[ 2 002 -2 ] / Kationsaure
¨
, Anionsaure
¨
, Anionbase und Kationbase [ 2003-1 ]
z. B. :
Kationsaure
¨
:
+
NH +
4 + H 2 O NH 3 + H 3 O
Anionsaure
¨
:
HS O 4− + H 2 O
Kationbase:
[ Al( H 2 O ) 5 ( O H) ] 2 + + H 2 O [ Al( H 2 O ) 6 ] 3 + + O H −
Anionbase:
PO 34 − + H 2 O HPO 24 − + O H −
S O 24 − + H 3 O +
1 6. Der pH-Wert einer Losung
¨
ist zu berechnen, deren [ O H − ] = 0. 03
m ol
l
ist. [ 2002-2]
pO H = − lg( [ O H − ] ) = 1 . 52
pH = 1 4 − pO H ≈ 1 2. 5
1 7. Der pH-Wert eines ¨aquimolaren Acetatpuffers ist zu berechnen. K C H 3 C O O H = 1 0 − 5 [ 2003-2]
HAc + H 2 O Ac − + H 3 O +
KS =
c( H + ) · c( Ac − )
c( H Ac)
¨aquimolar ⇒ c( Ac − ) = c( HAc)
11
KS = c( H + ) ⇒ pH = − lg( KS ) = 5
1 8. Welchen pH-Wert zeigt eine 0. 005-molare S chwefelsaure
¨
? Es ist eine vollstandige
¨
Dissoziation
der S chwefelsaure
¨
anzunehmen. [ 2 004-1 ]
H 2 S O 4 + 2 H 2 O → S O 24 − + 2 H 3 O +
⇒ c( H + ) = 2 c 0 ( H 2 S O 4 ) = 0. 01
m ol
l
pH = − lg( c( H + ) ) = 2
VI. S onstige Aufgab en
1 . Was versteht man unter der Atommasseneinheit? [ 1 994-1 ]
1u
1
m( 1 2 C )
12
2 . Welche Nebenquantenzahlen l sind der Hauptquantenzahl n = 3 zuzuordnen [ 1 994-1 ] [ 1 998-2 ]
[ 2004-2]
0 6 l < n ⇒ l = 0 ( s)
l = 1 ( p)
l = 2 ( d)
3 . Was versteht man unter dem Pauliprinzip? [ 1 994-1 ] [ 2 004-1 ]
In einem Atom durfen
¨
sich keine 2 exakt gleichen Elektronen befinden
sie mussen
¨
sich also stets in mind. einer Q uantenzahl unterscheiden ( Hauptquantenzahl n,
Nebenquantenzahl l, magn. Q uantenzahl m oder S pin)
4. Was versteht man unter der Hundschen Regel? [ 1 994-1 ]
Es werden alle O rbitale eines Energieniveaus zuerst mit je einem Elektron befullt
¨ , bevor ein 2 .
spingekoppeltes hinzukommt, da dies energetisch gunstiger
¨
ist.
5 . Benennen S ie die einzelnen O rbitale, die der Nebenquantenzahl l = 1 [ 2004-1 ] bzw. l = 2 [ 2 001 -1 ]
zuzuordnen sind.
l = 1:
px py pz
l = 2:
dz 2 dx z d y z dx y dx 2 − y 2
m ol 2
6. Das Loslichkeitsprodukt
¨
von AgC l betragt
¨
1 0 − 1 0 l 2 . Berechnen S ie die Loslichkeit
¨
. Das
Ergebnis muss aus dem Rechengang hervorgehen. [ 2 001 -1 ] [ 2002-2 ] [ 2003-2]
AgC l → Ag (+aq) + C l (−aq)
m ol 2
l2
c( Ag + ) = c( C l − )
q
m ol 2
m ol
⇒ c S ¨at t i gu ng ( AgC l) = c( Ag + ) = 1 0 − 1 0 l 2 = 1 0 − 5 l
c( Ag + ) · c( C l − ) = 1 0 − 1 0
7. In 1 Liter losen
¨
sich 1 . 55 · 1 0 − 5 mol S ilberphosphat. Berechnen S ie das Loslichkeitsprod
¨
[ 2 005 -2 ]
Ag 3 PO 4 → 3 Ag (+aq) + PO 34 − ( aq)
c S ¨at t igun g ( Ag 3 PO 4 ) = 1 . 55 · 1 0 − 5
m ol
l
KL = c 3 ( Ag + ) · c( PO 34 − ) = ( 3 c S ( Ag 3 PO 4 ) ) 3 · c S ( Ag 3 PO 4 ) = 27 · ( 1 . 55 · 1 0 − 5
8. Das Loslichkeitsprodukt
¨
KL von C alciumchlorid betragt
¨
3. 2 · 1 0− 1 1
die S ¨attigungskonzentration von C alciumchlorid. [ 2005-1 ]
+
C aC l 2 → C a (2aq)
+ 2 C l (−aq)
12
m ol 4
)
l
m ol 3
.
l3
≈ 1 . 56 · 1 0 − 1 8
m ol 4
l4
Berechnen S ie daraus
c( C a 2 + ) · c 2 ( C l − ) = 3. 2 − 1 1
m ol 3
l3
2 c( C a 2 + ) = c( C l − )
q
1
m ol 3
m ol
⇒ c S ¨at t i gu ng ( C aC l 2 ) = c( C a + ) = 3 ( 2 ) 2 3 . 2 − 1 1 l 3 = 2 · 1 0 − 4 l
9. Die Reaktion A ( g) + B ( g ) C( g ) ( g= G as) verlauft
¨
von links nach rechts exotherm. Wie wurde
¨
sich die Gleichgewichtskonzentration von C( g) ¨andern ? [ 2 002 -2 ]
a) bei Temperaturzunahme
verringern ( endotherme Ruckreaktion
¨
wird gefordert
¨
)
b) bei Druckzunahme
erhohen
¨
( Produkte ‘ ‘ brauchen weniger Platz‘ ‘ )
c) bei Entfernung von B ( g)
verringern ( Ruckreaktion
¨
wird gefordert
¨
)
d) bei Z ugabe eines Katalysators
garnicht ( durch Kat. stellt sich G G nur schneller ein)
1 0. Wie heißt das G emisch von Wasserstoff und S auerstoff? [ 2 003 -2]
Knallgas
1 1 . Wie lautet die Formel fur
¨ die G leichgewichtskonstante, wenn sich geloste
¨
S toffe nach
2 A + B C + 3 D [ 2004-1 ] A + 3 B 2 C + 2 D [ 2004-2] umsetzen?
K=
c( C ) · c 3 ( D )
c 2 ( A ) · c( B )
K=
c2 ( C ) · c2 ( D )
c( A ) · c 3 ( B )
1 2 . Welche Farbe hat der Indikator Phenolphtalein bei pH= 2 ? [ 2005-2]
(Phe no lphtale in ist e in typisc he r Indikato r um alkalisc he Reaktio n anzuze ige n, e r ist im alkalische n vio le tt, anso nste n farb lo s. Da pH= 2 e inde utig saue r ist, laute t die Antwo rt hie r: )
farblos
1 3 . Wie reagieren die wassrigen
¨
Losungen
¨
folgender S alze ( sauer, neutral, alkalisch) :
Natriumsulfat Kaliumcarbonat Ammoniumbromid C alciumphosphat
Na 2 S O 4 : neutral ( S alz einer starken S ¨aure und einer starken Base, keine Reaktion)
K 2 C O 3 : alkalisch ( Kohlensaure
¨
ist nur eine schwache S ¨aure , ihre S alze reagieren deshalb mit
2−
Wasser als Base: C O 3 + H 2 O → HC O 3− + O H − , die K + -Ionen dagegen zeigen keine Reaktion)
NH 4 Br: sauer ( Ammoniak ist eine schwache Base, Ammoniumsalze reagieren deshalb als
+
S ¨aure : NH +
4 + H 2 O → NH 3 + H 3 O , die Bromidionen zeigen keine Reaktion)
C a 3 PO 4 :
alkalisch ( Phosphationen reagieren als Base: PO 34 − + H 2 O → HPO 24 − + O H − )
13