Name Matr.-Nr. Klausur Chemie für Verfahrenstechniker (1. Semester) 2010/2011 am 16.02.2011 Hilfsmittel: Schreibgerät, Taschenrechner, handschriftliche Aufzeichnungen, Präscriptum und Tafelwerk Notwendige Konstanten sind angegeben. Antworten, Rechnungen und Lösungen sind auf die ausgegebenen Aufgabenblätter zu schreiben. Zusätzliche Blätter sind nicht erlaubt. 1. Die ionische Verbindung LiCl in der Gasphase wird mit einer Coulomb-Kraft von 5,661·10-9 N zusammengehalten. (a) Berechnen Sie den Bindungsabstand und die Coulomb-Energie. (b) Ist der Bindungsabstand in der Gasphase im Vergleich zum Kristall gleich, größer oder kleiner (mit Begründung)? 1 2. (a) Ordnen Sie den Elementen in den folgenden Verbindungen formale Ladungen (formale Oxidationsstufen) zu HOCl N2H4 UO2+ Na(AlSO4) Na2O2 KClO4 (b) Geben Sie häufig vorkommende (ggf. formale) Oxidationsstufen des Schwefels an! (c) Vervollständigen Sie folgende Reaktionsgleichungen, indem Sie stöchiometrische Faktoren und ggf. H+, OH- und H2O ergänzen (keine neuen Produkte erfinden!)! Zn + AsH3 + Cr(OH)3 IO3- Cl2 + NO3- → Zn2+ Ag+ → As4O6 + Ag + OBr- → CrO42- + Br- → N2O4 → ClO- N2H4 NH4+ + + Cl- d) In Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerken entsteht neben Kohlendioxid und Wasser als schädliches Nebenprodukt NO2. Es lässt sich durch Reaktion mit Ammoniak (NH3) unschädlich machen (ggf. mit Hilfe eines Katalysators). Überlegen Sie, welche unschädliche Stickstoffverbindung entstehen kann und formulieren Sie die Reaktionsgleichung! 2 3. a) Sind die Verbindungen des Magnesiums ehr ionischer oder ehr kovalenter Natur? b) Erläutern Sie den Unterschied zwischen Elektronegativität und Elektronenaffinität! c) Die Elemente einer Hauptgruppe des Periodensystems werden als Chalkogene bezeichnet. Was bedeutet das? 3 4. (a) Skizzieren Sie die Geometrie eines ungeladenen Moleküls mit der Summenformel C6H12O (suchen Sie sich zwei von mehreren Möglichkeiten aus) und (b) geben Sie die Winkel zwischen den einzelnen Bindungen einer Ihrer Verbindungen nach a) an (bei cyclischen Verbindungen näherungsweise) und (c) nummerieren Sie die C-Atome und geben Sie an, welche Hybridisierung an den verschiedenen C-Atomen vorliegt und (d) Benennen Sie Ihre Verbindungen! 4 5. a) In einem 5-Liter-Gefäß befinden sich 38,4 g O2-Gas bei 10 °C. Berechnen Sie den Druck einmal nach dem Gesetz für ideale Gase und einmal nach der van-derWaals-Gleichung! (b) Welche Korrekturen werden durch die Konstanten a und b berücksichtigt und welche molekularen Eigenschaften sind daraus zu gewinnen? MO = 15,999 g/mol R = 8,314 J/(mol K), a(O2) = 1,378 bar dm6/mol2, b(O2) = 0,0318 dm3/mol 1 bar = 105 Pa pv = nRT (p + a/V2) (V - b) = RT V = v/n 5 6. Entscheiden Sie, ob die Reaktion 6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O unter Standardbedingungen freiwillig abläuft mit Hilfe folgender Angaben: NO2: NH3: N2: H2O (fl): ∆BH⊝ +33,1 kJ/mol -80,8 kJ/mol S⊝ 240.4 J mol–1 K–1 192.5 J/(mol K) 191.5 J mol–1 K–1 69.9 J mol–1 K–1 -285.8 kJ/mol ∆RG⊝ = ∆RH⊝ - T∆RS⊝ 6 7. a) In Kernkraftwerken entsteht u.a. 23994Plutonium, das sowohl im biochemischen Sinne hochgiftig als auch wegen seines radioaktiven Zerfalls unter Aussendung von α-Strahlung hochgefährlich ist. Die Halbwertszeit des radioaktiven Zerfalls beträgt τ1/2 = 24110 Jahre. Das Plutonium kann teilweise nach chemischer Aufarbeitung in neuen Brennstäben (oder für Atomwaffen) genutzt werden. Der Rest muss als Abfall sicher gelagert werden, bis das Plutonium zu einer unbedeutenden Restmenge zerfallen ist. Berechnen Sie, wie lange es dauert, bis nur noch 1 % der eingelagerten Menge vorhanden ist. ln N = ln N0 - k·t τ1/2 = ln2/k 7 8. a) Berechnen Sie die Elektromotorische Kraft EMK eines Elements bei 30 °C aus einer Kupferelektrode, die in eine 0,0003 molare Kupfersulfatlösung getaucht ist, und einer Nickelelektrode, die in eine 0,0006 molare Nickelsulfatlösung getaucht ist. b) Was gibt die Faradaykonstante an? c) Formulieren Sie die Zellreaktion und berechnen Sie deren freie Reaktionsenthalpie (Triebkraft)! EMK = ∆EΘ – [RT/(nE FF)] ln(c1ν1/c2ν2) ∆EΘ Differenz der Standardpotenziale EΘ (Differenz positiv einsetzen); EΘ(Cu2+/Cu) = +0,34 V, EΘ(Ni2+/Ni) = -0,24 V R siehe 5. Aufgabe nE: Zahl der bei der Zellreaktion umzusetzenden Elektronen FF: Faraday-Konstante. 96485 As/mol = 96485 C/mol c1(c2): Konzentration des Salzes des Metalls mit dem niedrigeren (höheren) Standardpotenzial ν: stöchiometrische Koeffizienten der Zellreaktion. ∆RG⊝ = – nE EMK FF 8 9. Benennen Sie folgende Verbindungen NH2 Cl OH CH3 NO2 O 9 10. Erläutern Sie ±I-Effekt und ±M-Effekt Ordnen Sie folgenden Substituenten ggf. obige Effekte zu -Br -CH=CH-O-R -NH2 10 11. Formulieren Sie folgende zwei Reaktionsmechanismen an je einem Beispiel: radikalische Substitution (an gesättigten Verbindungen) und elektrophile Addition an Doppelbindungen 11 12. Welche Verbindungen können aus folgenden Reaktanden entstehen? Geben Sie die Namen der zugehörigen Reaktionsmechanismen an! a) NH2 + Br + b) Br2 O c) OH + HO 12