Übungsaufgaben Chemie Nr. 2
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Dr. Michael Gebinoga; Technische Universität Ilmenau; Institut für Chemie und Biotechnik; FG Nanobiosystemtechnik +49-3677-693382 +49-3677-693379 [email protected] Übungsaufgaben_Chemie_02a_MiG.docx 28.11.2012 Übungsaufgaben Chemie Nr. 2 11) Welche Elektronenkonfiguration haben Si, Cr, Gd, Au? 12) Zeichnen Sie das Orbitalschema für Sauerstoff (O2) auf. 13) Zeichnen Sie die Lewis-Formeln für folgende Moleküle: C6H6 (mind. 2 Formen), NH3, C2O2Cl2, HCNO (mind. 2 Formen), S8 (natürlich vorkommende Form von Schwefel), I2 (natürlich vorkommende Form von Iod), C3H6O3 (mind. 2 Formen). Beachten Sie dabei die freien Elektronenpaare bei den entsprechenden Atomen. 14) a) Wie groß ist die theoretische Masse eines 56Fe Atoms? b) Berechnen Sie daraus die theoretische Masse von 1 mol dieser Eisenatome und den resultierenden Massendefekt, wenn die tatsächliche Molmasse dieses Eisenisotops 55.844 g beträgt (Den Massebeitrag der Elektronen können sie für diese Rechnung vernachlässigen). 15) Gleichen sie folgende Reaktionsgleichung aus und ermitteln sie die ganzzahligen Faktoren a, b, c, x, y und z. Die Edukte verteilen sich gewichtsmäßig wie folgt: 75.9% KNO3 , 14.5% C und 9.6% S. a KNO3 + b C + c S x CO + 5 N2 + y K2CO3 + z K2SO3 16) Sie möchten Aluminium aus Aluminiumoxid (Reinbauxit) nach dem Hall-HeroultProzess herstellen. Die Heizung für den Prozess bekommen Sie umsonst (Aufheizung auf 950°C!), aber Sie müssen für den elektrolytischen Prozess und das Ausgangsmaterial (aufgereinigtes Bauxit in Form von Na[Al(OH)4]) bezahlen. Sie wollen 10 t Aluminium herstellen. Die Rahmenbedingungen und weitere Daten finden Sie hier und in den Hilfen. Preis Bauxit (Na[Al(OH)4]): 50 €/t Preis elektrischer Strom: 0.20 €/kWh Spannung bei der Elektrolyse: 5 V Glchg 1: Glchg 2: Na[Al(OH)4] Al(OH)3 + NaOH Al2O3 + H2O + NaOH Al2O3 Al3+ + O2- Al + O2 a) Gleichen Sie die Reaktionsgleichungen (1 und 2) aus. b) Wieviel Tonnen Bauxit benötigen Sie im Einkauf? c) Wieviel elektrische Energie (kWh) benötigen Sie in dem Beispiel für die Produktion von 1 kg Aluminium? d) Wie teuer wird für Sie insgesamt (Kosten für Bauxit und Elektrizität) die Herstellung der 10 t Aluminium (Das reicht für ca. 65 Mittelklasseautos)? 17) In einem Kernreaktor werden pro Stunde 1 g Uran-235 nach folgender Formel gespalten: 235 142 92 92U + 1 n 56Ba + 36Kr + 2 n Fragen: a) Wie groß ist die theoretische Masse eines 235U Atoms und wie groß ist der Massendefekt (in Gramm!) bezogen auf ein mol dieser Substanz? b) Wieviel Energie (in Joule) wird in dem obigen Reaktor primär aus der Kernspaltung gewonnen? (Beachten Sie dabei, dass die Spaltprodukte ebenfalls eine nukleare Bindungsenergie aufweisen. ) c) Wieviel kWh elektrischer Energie würde dieser Reaktor bei einem Wirkungsgrad von 35% pro Tag erzeugen können? (Beachten Sie, dass Dr. Michael Gebinoga; Technische Universität Ilmenau; Institut für Chemie und Biotechnik; FG Nanobiosystemtechnik +49-3677-693382 +49-3677-693379 [email protected] Übungsaufgaben_Chemie_02a_MiG.docx 28.11.2012 thermische Energie niemals vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden kann (2. HS TD). D.h., in dem Beispiel werden nur 35% der erzeugten Primärenergie in elektrische Leistung umgewandelt). 18) Wieviel Gramm/Kilogramm würden Sie benötigen, um von den folgenden Substanzen, jeweils 2 Liter einer 1.5-molaren Lösung herzustellen? Halten Sie das in allen Fällen für machbar bzw. für eine gute Idee? a) Kochsalz NaCl b) Saccharose C12H22O11 c) Uranylacetat UO2(CH3CO2)2 · 2 H2O (Hierfür das „normale“ Uran nehmen) d) Plutoniumnitrat Pu(NO3)4 (Es handelt sich um das Pu-239 Isotop) e) Albumin (bestehend aus 584 Aminosäuren) 19) Wieviele ml einer 2-molaren Schwefelsäure benötigen sie, um eine Lösung von 10 g NaOH in Wasser zu neutralisieren? 20) Zink (Zn) und Salzsäure (wässrige HCl Lösung) werden zur Reaktion gebracht. Gleichen Sie (a) die Reaktionsgleichung aus und (b), wieviel Gramm Zink müssen umgesetzt werden, damit 20 Liter gasförmiger Wasserstoff (H2) entstehen (Normalbedingungen: 0°C, 101.3 kPa)? Nichtausgeglichene Reaktionsgleichung: Zn + HCl ZnCl2 + H2 21) Wieviel wiegen jeweils 3 mol der jeweiligen Verbindungen: Quecksilber, Iod, Sauerstoff, Chlorwasserstoff, Schwefel. Beachten Sie bei der Berechnung die Aufgaben 12 und 13! Hilfen für die Aufgaben 9 - 18 Element Atommasse (g/mol) H 1.01 C 12.01 N 14.01 O 16.00 F 19.00 Na 22.99 S 32.06 Cl 35.45 K 39.10 Al 26.98 Zn 65.41 I 126.9 Hg 200.59 U 238.03 (“normales” bzw. nicht angereichertes Uran) Pu-239 239.05 “Aminosäure” 109.5 (Es handelt sich um die durchschnittliche Molmasse einer Aminosäure, gemittelt über alle natürlichen Aminosäuren) --------------------------- Dr. Michael Gebinoga; Technische Universität Ilmenau; Institut für Chemie und Biotechnik; FG Nanobiosystemtechnik +49-3677-693382 +49-3677-693379 [email protected] Übungsaufgaben_Chemie_02a_MiG.docx 56 Fe U 142 Ba 92 Kr Proton Neutron 235 28.11.2012 55.844 235.043923 141.9164482 91.9261528 1.007276 mProton = 1,672621637 × 10-27 kg 1.008665 mNeutron = 1,674927211 × 10-27 kg 1 mol = 6.022 x 1023 Teilchen R = 8.3145 J/mol K e = 1.60218 x 10-19 C (Coulomb) 1 C = 1 A s (Ampere Sekunde) 1 kWh = 3600000 Ws c = 299792458 m/s (Für die Berechnungen hier kann der gerundete Wert: c = 3×108 m/s verwendet werden) E = mc2 (Masse-Energie Äquivalenzgleichung; Energie = Masse multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit) Gasgesetz: pV = nRT Molarität bzw. Stoffmengenkonzentration: Eine Lösung wird als 1-molar an Stoff X bezeichnet, wenn 1 mol des Stoffes X in einem Volumen von 1 Liter eines entsprechenden Lösungsmittels gelöst vorliegt. Beispiel: 250-millimolare Lösung von NaF in 40 ml Wasser NaF (Natriumfluorid) ist der Stoff X und Wasser ist das entsprechende Lösungsmittel. 250-millimolar NaF in 1 Liter Wasser bedeutet 10.5 g pro Liter und entsprechend in 40 ml sind es dann 420 mg NaF. Dr. Michael Gebinoga; Technische Universität Ilmenau; Institut für Chemie und Biotechnik; FG Nanobiosystemtechnik +49-3677-693382 +49-3677-693379 [email protected] Übungsaufgaben_Chemie_02a_MiG.docx 28.11.2012 Lösungen der Aufgaben 11 - 21 11) Si Cr Gd Au [Ne] 3s2 3p2 [Ar] 3d5 4s [Xe] 4f7 5d 6s2 [Xe] 4f14 5d10 6s 12) 13) 13) 14) a) b) 56.449126 g 0.605126 g 15) 10 KNO3 + 16 C + 4 S 15 CO + 5 N2 + 1 K2CO3 + 4 K2SO3 16 a) b) c) d) 2 Na[Al(OH)4] 2 Al(OH)3 + 2 NaOH Al2O3 + 3 H2O + 2 NaOH 2 Al2O3 4 Al3+ + 6 O2- 4 Al + 3 O2 43.74 t für 1 mol Al 289449,8388 C; bei 5 V : 1447250 Ws 1 kg Al = 37.06 mol Al Pro kg Al: 5.364 x 107 Ws 14.9 kWh (Literaturwert: Der Energieeinsatz liegt bei 12.9–17.7 kWh pro produziertem Kilogramm Roh-Aluminium.) Kosten (Bauxit): 2187 €; Kosten (Elektrizität): 29800 € Dr. Michael Gebinoga; Technische Universität Ilmenau; Institut für Chemie und Biotechnik; FG Nanobiosystemtechnik +49-3677-693382 +49-3677-693379 [email protected] Übungsaufgaben_Chemie_02a_MiG.docx 17 a) b) c) 18) 28.11.2012 235 Theoretische Masse von U: 236.9085 u Massendefekt: 1.864564 u 0.192657 g/mol Masse werden in Energie verwandelt. Daraus folgt für 1 g 235U, dass 8.2×10-4 g in Energie umgewandelt werden. Dies entspricht einer Energie von 7.38×1010 J 2.95×105 kWh Substanz NaCl Saccharose Uranylacetat Plutoniumnitrat Albumin m.w. (g/mol) f. 2 Liter 1.5M Lsg. Macht Sinn? 58.44 175.32 g ok 342.30 1026.9 g ok (für Cocktails) 424,15 1272.45 g nein, es sind nur 76.94 g/L von der Substanz in Wasser löslich 487,09 1461.27 g NEIN!* 63948,0 191,85 kg NEIN; unmöglich *Die Menge könnte sich durchaus in Wasser lösen, aber es ist dringend davon abzuraten. Die Plutoniummenge wäre prinzipiell noch unterkritisch, da Wasser jedoch als Neutronenmoderator fungiert, würden Sie dennoch eine überkritische Menge von Plutonium erzeugen und damit eine extreme Leistungsexkursion mit erhöhter Neutronenstrahlung verursachen. Als beteiligter Experimentator müssten Sie mit einer letalen Strahlenbelastung von ca. 5001000 rem (5-10 Sievert) Neutronenstrahlung rechnen. 19) 10.0 g NaOH entsprechen 0.125 mol; Schwefelsäure hat 2 Protonen pro Schwefelsäuremolekül zur Verfügung, d.h. für die Neutralisierung reichen 0.0625 mol aus und dies sind bei einer 2-molaren Lösung 31.25 ml. 20) (a) Zn + 2 HCl ZnCl2 + H2 (b) Unter Normalbedingungen entsprechen 22.4 Liter eines Gases genau 1 mol desselben Gases und nach der Reaktionsgleichung benötigen Sie 1 mol Zink, um 1 mol Wasserstoffgas (H2) zu erzeugen. 20 Liter Gas bedeuten nach Dreisatz 0.893 mol H2, respektive Zink und dies sind 58.4 g. 21) Bei den Berechnungen ist zu beachten, dass Iod und Sauerstoff als Dimer (I2 und O2) vorkommen und dass Schwefel als Oktamer (S8) vorkommt. Folglich ergeben sich diese Werte: Quecksilber: 3 · 200.59 = 601.77 g Iod: 3 · 126.9 · 2 = 761.4 g Sauerstoff: 3 · 3 · 2 = 96.0 g Chlorwasserstoff: 3 · 3 = 109.38 g Schwefel: 3 · 32.06 · 8 = 769.44
