Abschlussklausur Wahlpflichtfach AAnorganische Chemie für Geo

Abschlussklausur Wahlpflichtfach AAnorganische Chemie
für Geowissenschaftler@ (Module GN3.1 und GN3.2)
Name, Vorname: ................................................................................
70
Matrikel.Nr.: ..............................
1.
Geben Sie den folgenden Oxiden richtige chemische Namen:
a)
CO2
Kohlen(stoff)dioxid
1
b)
SO2
Schwefeldioxid
1
c)
ClO2
Chlordioxid
1
Der erste Teil der Frage ist von praktisch allen richtig beantwortet worden.
Geben Sie die Valenzstrichformeln dieser drei Oxide an und beschreiben Sie die
räumliche Anordnung der Atome in den Molekülen:
O=C=O
linear
3
O=S=O
trigonal-eben
3
C
O=Cl=O
(verzerrt) tetraedrisch
4
Aber nun begannen die Probleme, bloß warum? Das geht doch alles nach dem gleichen
Schema: Valenzelektronen zählen = Nummer der Hauptgruppe, in dem das
entsprechende Element steht, überlegen, wie das Element am besten zu einer vollen
Schale (=Edelgaskonfiguration) kommt. C hat 4 Valenzelektronen, braucht (formal) noch
4, O hat 6 Valenzelektronnen (2 e-Paare + 2 einzelne e), ergibt 2σ- + 2π-Bindungen, die
maximalen Abstand haben wollen (Abstoßung der e-Paare), also linear. S hat wie O 6
Valenzelektronen, davon werden jeweils 2 mit jedem O gebunden, ein e-Paar bleibt
übrig, also 3 ‚Arme’, deshalb trigonal-eben (‚Mercedesstern’). Cl hat 7 Valenzelektronen,
davon wieder 4 mit den beiden O gebunden, bleibt 1 e-Paar und 1 einzelnes e, also 4
‚Arme’, deshalb (verzerrte) tetraedrisch.
2.
Formal gesehen sind diese drei Oxide die Säureanhydride welcher Säuren
(Namen oder Formeln)?
a)
Kohlensäure / H2CO3
1
b)
Schweflige Säure / H2SO3
1
c)
Chlorsäure und Chlorige Säure / HClO3 und HClO2
1+1
Säureanhydrid + Wasser ergibt Säure, also zählt man bei den ersten beiden nur die
Oxide und Wasser zusammen und erhält die entsprechende Säure. Dass aus SO2
dabei nicht H2SO4 entsteht, sollte bereits bei dieser einfachen Überlegung folgen, ganz
klar wird das, wenn man sich die Oxidationszahl von S anschaut, die ist in SO2 nämlich
+4, in der Schwefelsäure aber +6, und da Wasser kein Oxidationsmittel ist …
Etwas schwieriger war c), aber ein Teil der Lösung stand ja auf der nächsten Seite!
Beim Lösen von ClO2 in Wasser entsteht unter anderem Chlorsäure (HClO3).
Vervollständigen Sie die folgende chemische Reaktionsgleichung:
+4
+5
+3
2 ClO2 + ..... H2O 6 ..... HClO3 + ..... HClO2
5
Redoxgleichungen können auch nach stets dem gleichen Schema gelöst werden. Für
die (formalen) Oxidationszahlen muss man sich nur merken, dass O fast immer der
elektronegativste Partner ist, also die Elektronen, die es für die Edelgaskonfiguration
braucht, nämlich 2 Stück, auch bekommt, also ist die Oxidationszahl von O -2. Deshalb
muss die von Cl in ClO2 +4 sein. In HClO3 ist sie aber +5 (3*-2; 1*+1 vom H; Rest von
+5 kommt vom Cl), das Cl im ClO2 ist also oxidiert worden, folglich muss auch etwas
reduziert worden sein, das kann aber nur Cl in ClO2 sein, denn H wird wohl kaum zum
elementaren H2 reduziert werden. Und deshalb wird es neben Cl in der Stufe +5 auch
noch Cl in der Stufe +3 geben müssen, also HClO2. Das ergibt sich doch eigentlich auch
schon aus dem vorgegebenen Teil der Gleichung: wenn HClO3 entsteht, dann bleibt
noch ein H+ übrig, das braucht doch auch einen ‚Partner’, Ladungen müssen ja
ausgeglichen sein.
Geben Sie bitte auch die (formalen) Oxidationszahlen der Cl-Atome in den
einzelnen Verbindungen an!
Die oben angeführte Reaktion ist eine Redoxreaktion
1
Um welchen besonderen Typ einer Redoxreaktion handelt es sich dabei?
Disproportionierung
1
Es gab sogar einige, denen ist nicht klar, dass es sich bei dieser Reaktion um eine
Redoxreaktion handelt (, obwohl es in der Zeile darunter steht). Wenn Sie das mit der
Disproportionierung nicht wussten, dann trösten Sie sich, es muss auch Fragen geben,
an Hand derer wir zwischen den Noten 1 und 2 entscheiden können.
3.
Die Salze der (hypothetischen) Kohlensäure heißen Carbonate
1
Das wiederum sollten Sie wissen!
Nennen Sie zwei typische Vertreter dieser Salze der Kohlensäure (Formel) und
geben Sie deren Verwendungszweck an!
CaCO3, chemischer Grundstoff, Kreide ...
Na2CO3, chemischer Grundstoff, Glasindustrie ...
2
2
oder alles, was sinnvoll ist!
Zwei beliebige Carbonate und zwei (auch nur einigermaßen) sinnvolle Anwendungen
waren hier gefragt, das ist doch nicht schwierig. Gips CaSO4 ist kein Salz der
Kohlensäure, sondern eines der Schwefelsäure, das sollten auch (angehende)
Geowissenschaftler bereits im 1. Semester wissen.
.
Wie werden die Salze der Kohlensäure in der qualitativen Analyse nachgewiesen
(Reaktionsgleichung genügt!)?
CO32- + 2 H+ 6 CO2 + H2O
Zugabe von (verd.) Säure führt zur Gasentwicklung / Aufschäumen von CO2 1
Auch das gehört zum Grundwissen eines Geowissenschaftlers, denn Sie nehmen ja
verd. HCl mit auf Ihre Exkursionen, oder?
Was kann man tun, um nachzuweisen, dass das dabei entstehende Glas wirklich
CO2 ist (Reaktionsgleichung genügt)?
Gas mit Ba(OH)2-Lösung zur Reaktion bringen (z.B. in der Mikrogaskammer), führt
zur Bildung eines Niederschlages von BaCO3, sichtbar als Trübung
Ba(OH)2 + CO2 6 BaCO3 + H2O
2
Der Schreibfehler ‘Glas’ statt ‘Gas’ war nicht wirklich hilfreich, aber wohl auch nicht
allzu irreführend. Wir haben auch gewertet, wenn ‚Spanprobe’ als Antwort gegeben
wurde, da CO2 ja wirklich den Span erlöschen lässt. Ganz korrekt geht das aber, wie
beschrieben.
Welches allgemeine chemische Prinzip nutzen Sie bei diesem Nachweis aus?
Starke Säure verdrängt schwäche Säure aus ihrem Salz und bildet selbst ein Salz
sowie die schwache Säure, die in diesem Fall in Wasser und das Säureanhydrid
zerfällt
2
Das habe ich ja nun zur Genüge in den Seminaren wiederholt, und das gehört auch zu
den wenigen chemischen Grundprinzipien, die man lernen muss, um die Chemie zu
begreifen, oder jedenfalls einen ‚Roten Faden’ zu haben.
4.
Ein technisch sehr wichtiges Carbonat ist die Soda, die im SOLVAY-Verfahren aus
NaCl und CaCO3 hergestellt wird. Stellen Sie die (formale) Reaktionsgleichung für
diese Umsetzung auf:
2 NaCl + ..... CaCO3 6 ..... Na2CO3 + ..... CaCl2
2
Spätestens hier hätte man sich an die vorhergehende Frage erinnern und ein paar mehr
Punkte erreichen können. Was soll bei einer solchen Reaktion passieren? Je zwei
Kationen und je zwei Anionen, die tauschen sich einfach aus, es war ja nur nach der
formalen Reaktion gefragt!
Begründen Sie, warum die Reaktion auf diese Weise nicht ablaufen kann!
CaCO3 ist in Wasser (praktisch) unlöslich und deshalb das bevorzugte Produkt der
Reaktion
2
OK, wenn man nicht weiß, dass CaCO3 praktisch unlöslich ist in Wasser …
Weshalb spielt Ammoniak (NH3) beim SOLVAY-Verfahren eine Rolle, obwohl es in
der obigen Gleichung überhaupt nicht vorkommt?
wird benötigt für Bildung von NH4HCO3, aus dem dann NaHCO3 hergestellt wird,
das relativ schwer löslich ist und durch Filtration abgetrennt werden kann, aus
NaHCO3 entsteht durch Erhitzen / Kalzinierung Na2CO3
NH3 + CO2 + H2O 6 NH4HCO3
NH4HCO3 + NaCl 6 NaHCO3 + NH4Cl
2 NaHCO3 6 Na2CO3 + H2O + CO2
3
Das ist die (mehr oder weniger) vollständige Antwort, darüber hatten wir im Seminar
ausführlich gesprochen, in der Vorlesung kam das sicher auch! Und nein, NH3 ist hier
kein Katalysator, denn NH3 wird chemisch umgewandelt, und NH4Cl ist eigentlich ein
Abfallprodukt. NH3 wird nur wiedergewonnen, weil es so teuer in der Herstellung ist!
5.
In einer zu untersuchenden Analysensubstanz dürfen nur Li+, Na+, K+, NH4+, Mg2+,
Ca2+, Sr2+ und Ba2+ sowie die so genannten vier einfachen Anionen Cl-, NO3-,
SO42- und CO32- enthalten sein. Durch Löseversuche haben Sie festgestellt, dass
die Analysensubstanz weder in Wasser noch in verdünnter HCl vollständig löslich
ist.
Welches Anion ist deshalb sicher in der Analyse enthalten? Sulfat / SO42-
1
Nitrate (NO3-) sind grundsätzlich löslich, die Chloride der angegebenen Kationen auch,
die Carbonate von Ca2+, Sr2+ und Ba2+ sind in Wasser schwerlöslich, lösen sich aber in
verd. Säuren (s. Carbonatnachweis, also werden eigentlich zersetzt), die Sulfate dieser
3 Elemente aber sind sowohl in Wasser als auch in Säuren schwer löslich, z.B. CaSO4
= Gips, liegt ja herum.
Wenn diese Analysensubstanz mit Hilfe eines Magnesiastäbchens in die Flamme
des Bunsenbrenners gebracht wird, dann wird die Flamme nicht gefärbt. Auch
beim Betrachten der Flamme durch ein Handspektroskop ist außer der (immer
vorhandenen) gelben Linie nichts weiter zu sehen. Welche der folgenden
Aussagen stimmen deshalb:
in der Analyse kann Mg2+ enthalten sein
JA
NEIN
1
in der Analyse ist sicher kein NH4+ enthalten
JA
NEIN
1
in der Analyse ist Li+ enthalten
JA
NEIN
1
in der Analyse ist kein Na+ enthalten
JA
NEIN
1
in der Analyse kann Ca2+, Sr2+ und/oder Ba2+ enthalten sein JA
NEIN
1
Flammenfärbung sagt nichts über Mg2+ (warum sonst nehmen Sie ein
Magnesiastäbchen = MgO), kann also enthalten sein. Flammenfärbung sagt nichts über
NH4+, also ist die Aussage falsch. Li+ gibt stets eine intensive rote Färbung der Flamme,
da keine Färbung aufgetreten ist: Aussage falsch. Da die Flamme nicht gefärbt ist, ist
auch kein Na+ enthalten. Die letzte Aussage stimmt wieder, denn diese 3 Ionen können
als schwerlösliche Sulfate vorliegen, die erst mittels Zn-Granalie + HCl ‚aufgeschlossen’
werden müssen.
Sie wollen diese Substanz auf Sulfationen prüfen und lösen sie dazu in verd. HCl,
zentrifugieren vom schwerlöslichen Rückstand ab und geben dann Ba(NO3)2Lösung zu. Es bildet sich aber kein (feiner weißer) Niederschlag. Was haben Sie
nicht beachtet?
schwerlösliche Erdalkalisulfate (s. Verhalten oben), deshalb nicht genügend SO42in der Lösung
2
Wenn sich kein (oder nur wenig) SO42- löst, was wollen Sie dann nachweisen?
Wie sollten Sie deshalb grundsätzlich bei der Bestimmung der Anionen in der
qualitativen Analyse vorgehen?
Sodaauszug (Soda-Pottasche-Aufschluss)
nach Zentrifugieren klare Lösung ansäuern
1
1
Wie oft haben wir darauf hingewiesen?
Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Vorschrift zur qualitativen Bestimmung eines
ansonsten schwierig nachzuweisenden Ions gefunden, bei der Sie die zu
untersuchende Substanz mit einer im Labor ausstehenden organischen
Verbindung zur Reaktion bringen müssen, damit bei Vorhandensein des
betreffenden Ions ein sudetenveilchenfarbiger Niederschlag entsteht. Da Sie
botanisch nicht besonders beschlagen sind, haben Sie keine Vorstellung, wie
>sudetenveilchenfarbig= aussieht. Wie sollten Sie in so einem Fall grundsätzlich
vorgehen?
nebeneinander untersuchen: zu testende Substanz * Substanz, die das
nachzuweisende Ion garantiert enthält * Substanz, die das nachzuweisende Ion
garantiert nicht enthält
2
Also, Sudetenveilchen (Viola lutea ssp. sudetica oder so ähnlich) blühen gelb, aber das
ist eigentlich völlig egal, so dass sich auch niemand von Ihnen bei Botanikern, in
entsprechenden Lehrbüchern oder bei Google ‚schlau’ machen müsste. Erinnern Sie
sich denn nicht an den Mg2+-Nachweis? Da ging es um einen kornblumenblauen
Farblack, der entsteht, wenn Mg2+ in der Substanz vorhanden ist, wenn nicht, dann blieb
die Lösung rötlich violett. Wenn Sie einen (Ihnen unbekannten) Nachweis so machen,
wie oben angegeben, dann sind Sie immer auf der richtigen Seite!
6.
Vervollständigen Sie die folgenden Reaktionsgleichungen:
2 H2S + ..... O2 6 2 H2O + 2 S / 2 H2S + 3 O2 6 2 H2O + 2 SO2
2
Hier gibt es also zwei Lösungen, was aber soll denn anderes entstehen, wenn man S in
der Oxidationsstufe -2 mit einem Oxidationsmittel (O2) reagieren lässt?
..... NO2- + ..... NH4+ 6 ..... N2 + 2 H2O
2
Zugegeben, das ist ein wenig knifflig, aber liegt das Ergebnis nicht nahe? Im NO2 hat N
die Oxidationszahl +3, im NH4+ dagegen -3, N2 ist genauso wie H2O eine sehr stabile
und allgegenwärtige Verbindung. Einen Versuch wäre es doch wert gewesen?
2 NH4Cl + ..... Ca(OH)2 6 ..... CaCl2 + 2 NH3 + 2 H2O
2
Teilreaktion des SOLVAY-Verfahrens, Rückgewinnung des NH3, starke Lauge verdrängt
schächere Lauge (NH3) aus ihrem Salz (chemisches Grundprinzip, s. 3.)
2 PbO + ..... PbS 6 3 Pb + ..... SO2
2
Was kann sich aus diesen 3 Elementen wohl alles bilden? O ist ein Oxidationsmittel, S
ist ein Reduktionsmittel bzw. lässt sich leicht oxidieren (s. Schwarzpulver).
..... Fe2O3 + 3 CO 6 2 Fe + 3 CO2
2
Auch hier die Frage: was soll sich sonst bilden? Wenn da schon CO steht, hätte man
auch an CO2 denken können, das ist ja das stabile und allgegenwärtige Oxid von C.
Geben Sie eine Valenzstrichformel für das Kohlenstoffmonoxid CO an:
s r
*C/O*
4
C und O sind Elemente der 2. Periode, also gilt die Oktettregel (= 4 e-Paare). C bringt 4,
O bringt 6 Valenzelektronen mit = 10 e, also 5 Stück e-Paare, die lassen sich z.B. so
aufteilen. Dabei hat C ein e mehr und O eines weniger als vorher, deshalb die
Ladungen!
Wo spielen die drei zuletzt genannten Reaktionen in der Technik eine Rolle?
Herstellung von Na2CO3 nach dem SOLVAY-Verfahren
1
Herstellung von metallischem Blei
1
Hochofenprozess
1