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Klausuraufgabensammlung
Allgemeine Chemie für Ingenieure und Biologen
Denken Sie bitte beim Lesen der Musterlösung daran, dass hier absichtlich nicht stichwortartig formuliert wird.
Die Musterlösung wendet sich hauptsächlich an diejenigen, die eine Aufgabe nicht lösen konnten und an die
nachfolgenden Jahrgänge, die anhand dieser Musterlösung üben möchten. Sollten Sie selbst nochmals an einer
Klausur teilnehmen, werden von Ihnen wiederum möglichst kurze Antworten erwartet. Das Korrekturteam
braucht keine Erklärungen zum Gedankengang, sondern möglichst dichte Informationen. Der Gang einer
Rechnung soll selbstverständlich ersichtlich sein.
Nachklausur vom Mai 2013 Die Klausur besteht aus 12 Fragen, die Bearbeitungszeit beträgt 120 Minuten. Es können 80 Punkte erreicht
werden, für die Note 4.0 sind 32 Punkte erforderlich. Bis zu vier Punkte aus den Übungen werden angerechnet.
Zur Beantwortung der Fragen genügen Formeln, Zeichnungen, Reaktionsgleichungen oder stichpunktartige
Angaben. Ein Punkt wird gewährt, wenn Ihre Antworten knapp formuliert und in der numerischen
Reihenfolge der Fragen angeordnet sind.
Die Fragen 11–13 sind für die Studiengänge Maschinenbau Diplom oder Maschinenbau Bachelor nicht
relevant. Diese Studierenden malen den Kreis rechts oben auf diesem Blatt blau an, bearbeiten nur die
Aufgaben 1–9 und erreichen maximal 60 Punkte. (Dies gilt nicht für MB Lehramt und nicht für alle Studiengänge
mit Bio-Komponente). Die Bearbeitungszeit beträgt daher nur 90 Minuten. Markieren Sie bitte auch die erste
Seite des Antwortbogens mit einem blauen Kreis.
Name______________________________________________________ Matrikelnummer ___ ___
___ ___ ___ ___
1) (5) Nennen Sie die vier Quantenzahlen, die ein Elektron in einem Atom beschreiben und geben Sie
für jede Quantenzahl ein oder zwei Stichworte zu deren anschaulicher Bedeutung an (4).
Geben Sie ein Atomsymbol für das chemische Element an, dessen Elektronenhülle bis zum fünften
Elektron der fünften Schale reicht. (1)
Hauptquantenzahl n (Nummer der Elektronenschale von innen nach außen)
Nebenquantenzahl l (Bahndrehimpuls, Form der Elektronenwolke)
Magnetische Quantenzahl ml (Ausrichtung der Elektronenwolke im Raum)
Spinquantenzahl s (Orientierung des Elektronenspins)
Atomsymbol Sb (Für die richtige Antwort musste erkannt werden, dass bei den Elementen Y – Cd die
d-Elektronen der vierten Schale aufgefüllt werden).
2) (6) a) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der kovalenten Bindung (1). Gemeinsame Benutzung von Elektronenpaaren.
b) Beschreiben Sie anhand von schematischen Zeichnungen der Molekülorbitale die
Bindungsverhältnisse im H2-Molekül.(2)
c) Zeichnen Sie ein Energieniveaudiagramm für die Molekülorbitale des H2-Moleküls und tragen Sie in
das Diagramm die Besetzung der Molekülorbitale mit Elektronen ein.(1)
d) Tragen Sie in das nebenstehend abgebildete Diagramm für das energetisch
ungünstigste Molekülorbital den Verlauf der Wellenfunktion ein (1)
e) Schreiben Sie eine Valenzstrichformel für das H2-Molekül und nennen Sie die Bedeutung des
Valenzstrichs.(1)
H-H, der Valenzstrich symbolisiert ein Elektronenpaar
3) (8) Nennen Sie den Namen eines Verfahrens zur Trennung von Flüssigkeiten, die miteinander
mischbar sind (1). Tragen Sie den Verlauf einer solchen
Trennung von Ethanol und Wasser in das nebenstehend
abgebildete Diagramm ein. Gehen Sie dabei von einem
zweistufigen Prozess aus und bezeichnen Sie sechs markante
Punkte im Diagramm mit Buchstaben, die Sie anhand von
Stichwörtern erläutern. Eine Stufe der Trennung ist durch drei
markante Punkte gekennzeichnet. Drei weitere markante Punkte
sind in der Abbildung bereits zu erkennen und sollen auch mit je
einem Stichwort erläutert werden. Beschriften Sie auch die Achsen des Diagramms.
4) (9) Beschreiben Sie in einem möglichst kurzen Satz die Bedeutung der SI-Einheit der
Stoffmenge.(1)
Ein Mol einer Substanz enthält ca. 6.02 1023
Teilchen.
a) Rechnen Sie in Mol um: 25 g Kohlendioxid, CO2; 11 Liter Wasserstoff (T = 25 °C, p = 99500 Pa).(2)
25g /44 g/mol = 0.568 mol; n = pV/RT = 99500 0.011 / (8.3145 298.15) = 0.4415 mol
b) Rechnen Sie in Gramm um: 2.5 mol Lithium (17,35 g), Li; 2.5 mol Glycerintristearat, C57H110O6.
(2229 g) (2)
c) Rechnen Sie in Gasvolumen um: 1 kg Wasserdampf bei 160 °C, p = 101300 Pa. (1.974 m3) (1)
d) Erklären Sie den Unterschied zwischen der Molarität und der Molalität einer Lösung (1) und
berechnen
Sie den Molenbruch einer Lösung, die 344.7 g/L Schwefelsäure enthält (der Rest ist Wasser, die Dichte
beträgt 1.149 g/cm3). (2)
Molarität: Mol gelöste Substanz pro Liter Lösung
Molalität:. Mol gelöste Substanz pro Kilogramm Lösungsmittel
Ein Liter verdünnte Schwefelsäure wiegt 1149 g und enthält 344.7 g Schwefelsäure, also 804.3 g
Wasser.
Molare Mengen: 344.7 / 98 g/mol = 3.517 mol; 804.3/18.015 = 44.65 mol
Molenbruch Schwefelsäure: 3.517 mol/(3.517 mol + 44.65 mol) = 0.073
Molenbruch Wasser: 44.65 mol/(3.517 mol + 44.65 mol) = 0.927
5) (9) Formulieren Sie je eine Reaktionsgleichung für
a) die Reduktion einer Metallverbindung zum Metall (2)
Fe2O3 + 3 C → 2 Fe + 3 CO
b) die Oxidation eines Metalls der vierten Gruppe mit Chlor zur höchsten Oxidationsstufe (2).
Zr + 2 Cl2 → ZrCl4
c) die reduzierende Chlorierung von Titandioxid (2)
TiO2 + 2 C + 2 Cl2 → TiCl4
d) die Gewinnung von elementarem Brom aus einer in der Natur vorkommenden Bromverbindung (3).
MgBr2 + Cl2 → Br2 + MgCl2
6) (11) Die Dissoziationskonstante von Essigsäure (CH3COOH) beträgt 1.78 10-5
mol/L.
a) Berechnen Sie den pKS vonEssigsäure. pKS = 10–K
S = 4.75 (1)
b) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Dissoziation von Essigsäure (abgekürzt HAc). (2)
HAc ⇌ H+ + Ac
-
c) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Auflösung von Magnesium in Essigsäure unter
Bildung von Magnesiumacetat. (2)
Mg + 2 HAc → H2 + MgAc2
d) Berechnen Sie den pH von Essigsäure der Konzentration 1 mol/L und geben Sie den
Essigsäuregehalt auch in Prozent an. Gehen Sie dabei von einer unveränderten Dichte der Lösung (1.00
g/cm3) aus. (3)
pH = ½ (pKS – log c°) = 2.375; 6%
e) Berechnen Sie die Konzentrationen von Magnesiumacetat und von übrig gebliebener Essigsäure nach
der Auflösung von 5 g Magnesium (0.206 mol) in einem Liter verdünnter Essigsäure der Konzentration
1 mol/L. (1)
Säureverbrauch = Acetatbildung = 0.412 mol; restliche Säure daher 0.588 mol.
f) Berechnen Sie den pH dieser Lösung. (2)
pH = pKS + log [c(Base)/c(Säure)] = 4.75 + log 0.412/0.588 = 4.60
7) (5) Beschreiben Sie die Vorgänge bei der Korrosion von Eisen unter einem Wassertropfen. (Drei
einfache Reaktionsgleichungen, schematische Zeichnung mit Stichworten).
2 H2O + O2 + 4 e- → 4 OH
-
Fe → Fe2+
+ 2 e-
Fe2+
+ 2 OH- Fe(OH)2
8) (4) Nennen Sie je ein Mineral mit Namen und Formel für die Elemente Bor, Phosphor, Chrom und
Kupfer.
Borax, Na2B4O7 . 8H2O
Fluorapatit, Ca5(PO4)3F
Chromit, FeCr2O4
Cuprit, Cu2O
9) (3) Formulieren Sie Valenzstrichformeln für die Moleküle folgender Substanzen: Ammoniak,
Stickstoffmonoxid, Kohlenstoffmonoxid, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphan.
Die drei folgenden Fragen gelten nicht für Studierende der Studiengänge Maschinenbau Diplom oder
Maschinenbau Bachelor.
10) (10) Zeichnen Sie Strukturformeln für die Moleküle der folgenden organischen Substanzen:
3-Bromhexan, 2-Hexanol, Heptanal, cis-4-Methyl-2-penten, Anilin, Toluol, 1-Naphthalincarbonsäure,
Nitrobenzol.
Markieren Sie zwei Chiralitätszentren und weisen Sie die Symbole R oder S zu. (Dazu muss die
Zeichnung die Stereochemie an den Chiralitätszentren erkennen lassen).
N
HHH
N O.
C O- +
N
O
OHO
+
-
S
O
O
OH
OH
P
HHH
O
H
COOH NO2NH2 CH3
Br H
OHH
S
R
11) (8) Beschreiben Sie die Herstellung von Chlormethan anhand von vier Reaktionsgleichungen.
Berücksichtigen Sie auch den Start und den Abbruch der Kettenreaktion.
Start Cl2 ⇌ 2 Cl.
Kette Cl. + CH4 → CH3
. + HCl
CH3. + Cl2 → CH3Cl + Cl
.
Abbruch Cl. + CH3
. → CH3Cl (oder eine andere Radikalrekombination, alternativ auch Reaktion
eines Radikals mit O2)
Eine Reaktionsgleichung für den Start, zwei für die Kette und eine für den Abbruch, zwei Punkte pro
Gleichung.
Der Start stand schon in der Aufgabe drin – zwei geschenkte Punkte, falls die Gleichung übernommen
wurde.
12) (2) Beschreiben Sie in Stichworten die Sekundärstruktur (1) und die Tertiärstruktur (1) von
Proteinen.
Sekundärstruktur: Anordnung der Aminosäuresequenz in -Helix- oder -Faltblatt-Struktur durch
Ausbildung von Wasserstoffbrücken (Anmerkung: Für einen Punkt muss die Antwort nicht alle
Aspekte enthalten. Vorschlag: Wenn zwei der drei Begriffe „Helix“, „Faltblatt“ oder
„Wasserstoffbrücken“ genannt werden, könnte der Punkt erteilt werden. Die Bewertung kann anhand
der gegebenen Antworten angepasst werden.
Tertiärstruktur: Faltung der Sekundärstruktur zu einem komplexen räumlichen Gebilde. Anbei der Text
aus dem Skript:
Die Tertiärstruktur von Proteinen Ihre Funktionsfähigkeit erlangt eine Proteinkette erst durch die Faltung zu einer meist
kompakten Gestalt. Die Faltung erfolgt in den meisten Fällen unsymmetrisch und ergibt ein
komlexes Gebilde. In der Regel sitzen außen hydrophile Gruppen. Der Innenraum ist meist
klein, hydrophob, mit funktionellen Gruppen in einer definierten räumlichen Anordnung
ausgestattet und enthält bei Enzymen das aktive Zentrum. Diese Art der Faltung erfolgt
spontan und ist energetisch begünstigt. Die hydrophilen Reste bleiben in Kontakt mit dem
umgebenden wässrigen Medium, die hydrophoben Reste verlassen die wässrige Phase und
bilden einen wasserfreien Innenraum. Zusätzlich zur Wechselwirkung mit Wasser stabilisieren
auch Disulfid-Brücken, elektrostatische Wechselwirkung zwischen positiv geladenen
Ammonium-und negativ geladenen Carboxylgruppen die Tertiärstruktur von Proteinen. Die
Oxidation der HS-Gruppen zweier Cystein-Reste zur Disulfid-Brücke des Cystins unter
Bildung von Wasser wurde bereits im Kapitel 8, Abschnitt „Aminosäuren“ erwähnt. (… es folgen Beispiele …)
Bitte hinterlassen Sie Ihren Platz in einem sauberen und aufgeräumten Zustand und rücken Sie den
Stuhl leise zurecht, bevor Sie die Halle verlassen.
Klausur vom 27. Februar 2013 1) (6 Punkte) Geben Sie ein Atomsymbol mit der üblichen Kennzahl links oben an für die Reinelemente
mit folgenden Eigenschaften:
a) das leichteste unter den bereits in sehr kleinen Mengen giftigen Elementen 9Be
b) das am stärksten elektronegative Element 19
F
c) ein Nichtmetall, das violette Dämpfe bildet 127
I
d) ein sehr reaktives Metall, das mit Handwärme geschmolzen werden kann 133
Cs
e) ein sehr unreaktives Metall, dessen besonders geschätzte Farbe der Farbe des unter d) beschriebenen
Metalls ähnlich ist. 197
Au
H H2 H
*
H H2 H
* E
1s 1s
Schreiben Sie mehrere Atomsymbole für ein Element, das nicht zu den Reinelementen gehört. 1H,
2H,
3H;
3He,
4He;
12C,
13C,
14C oder andere.
2) (6) Kochsalz schmilzt bei ca. 800 °C, Magnesiumoxid bei ca. 2800 °C.
a) Zeichen Sie für eine der beiden Verbindungen die Elementarzelle der Struktur im Kristall (2) und
geben Sie stichwortartige Hinweise auf die Struktur der anderen der beiden Verbindungen (1).
Natriumchlorid und Magnesiumoxid kristallisieren im gleichen Gittertyp.
b) Bezeichnen Sie für beide die Art der chemischen Bindung mit einem Stichwort (1). Ionisch
c) Begründen Sie die Unterschiede im Schmelzpunkt (1). Zweifache Ladung, daher stärkere
Coulomb-Kräfte
e) Nennen Sie für beide Substanzen je eine technische Verwendung (1). NaCl: Streusalz, Herstellung
von Natrium durch NaCl-Elektrolyse. MgO für hitzebeständige Keramik, auch als gesinterter Stift für
die Kalomel-Elektrode (das ist zwar ein Nischenanwendung, die weltweit kaum zehn Kilogramm
jährlich ausmacht, wurde aber anerkannt). Motorblöcke aus Magnesiumoxid wurden nicht anerkannt.
Falls es diese gibt, würde mich dies interessieren und würde dann auch berücksichtigt.
3) (6) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der kovalenten Bindung (2). Zwei Atome benutzen
ein oder mehrere Elektronenpaare gemeinsam.
Zeichnen Sie ein möglichst einfaches Teilchen aus zwei Atomen, die durch eine kovalente Bindung
zusammengehalten werden. (H2; Hier wurden oft unnötig komplizierte Moleküle gewählt wie z. B. O2
oder C2). Untermalen Sie Ihre stichwortartige Beschreibung der Bindung durch eine Orbitalskizze und
ein Energiediagramm mit Beschriftung der Niveaus und Elektronenbesetzung.
H-H
*
4) (6) Blei hat eine Dichte von 11.34 g/cm3. Berechnen Sie die Kantenlänge eines Würfels, der aus
einem Mol Blei besteht. Nutzen Sie für die Lösung eine Angabe aus dem Periodensystem der Elemente.
Errechnen Sie die Anzahl der Bleiatome, die entlang einer Würfelkante nebeneinander aufgereiht sind.
Ein Mol Blei wiegt 207.2 g, das entspricht (207.2 g/mol) : (11.34 g/cm3) = 18.27 cm
3/mol (das
Molvolumen). Die dritte Wurzel daraus ist die gesuchte Kantenlänge: 18.271/3
= 2.634 cm.
Anzahl der Atome längs einer Kante: (NA)1/3
= dritte Wurzel aus 0.622 1024
= 0.854 108 .
Geben Sie für verdünnte Schwefelsäure (10 Gew.- H2SO4, Dichte 1.066 g/cm3) die Konzentration der
Säure an: a) Molarität, b) Molalität, c) Molenbruch.
1 l der verdünnten Säure wiegt 1.066 kg, darin sind 10% H2SO4 enthalten, also 106.6 g.
Die Molmasse von Schwefelsäure ist 2 + 32 + 64 = 98 g/mol.
(106.6 g)/(98 g/mol) = 1.09 mol. Das ist die Stoffmenge an Schwefelsäure in einem Liter der
verdünnten Lösung.
a) 1.09 mol/L
b) hier musste auf 1 kg Wasser umgerechnet werden: 1 L Lösung enthält 1066 g – 106.6 g = 959.4 g
Wasser.
959.4 g Wasser enthalten 1.09 mol Schwefelsäure, 1 kg Wasser enthält x mol.
x = 1.09 1000/959.4 = 1.14 mol/kg
c) Molmasse von Wasser: 18.02 g/mol. 959.4 g Wasser sind also 53.22 mol. Die Stoffmenge (Wasser
plus Schwefelsäure) beträgt 53.22 + 1.09 mol = 54.31 mol.
Der Molenbruch der Schwefelsäure errechnet sich aus 1.09 mol / 54.31 mol = 0.02
5) (7) Berechnen Sie die Stoffmenge an Blei(II)sulfat in mmol und mg, die bei der Zugabe von 50 mL
einer Lösung von Natriumsulfat (0.2 mol/L) zu 100 mL einer Lösung von Blei(II)nitrat (0.4 mol/L) in
exothermer Reaktion ausfällt (2). Formulieren Sie für diese Fällung eine Reaktionsgleichung und das
MWG (3). Geben Sie hier auf dem Aufgabenblatt mit Hilfe von Vorzeichen (+ oder -) an, wie sich die
Menge des Niederschlags ändert, wenn a) mehr Bleinitrat hinzugefügt wird, b) die Lösung erwärmt
wird, c) ein Komplexbildner für Blei(II)-Ionen hinzugefügt wird, d) durch Zugabe von Natriumnitrat
die Aktiviätskoeffizienten aller gelösten Ionen gesenkt werden (je 0.5). KL(PbSO4) = 10-8
(mol/L)2
Hier hätte besser zuerst die Reaktionsgleichung abgefragt werden sollen:
Pb2+
+ SO42-
→ PbSO4
Oder Pb(NO3)2 + Na2SO4 →PbSO4 + 2 NaNO3
Stoffmengen
Natriumsulfat: 0.2 mol/L 0.05 L = 10 mmol
Bleinitrat: 0.4 mol/L 0.1 L = 40 mmol
Überlegung, (musste nicht geschrieben werden, soll hier aber der besseren Verständlichkeit dienen):
Blei liegt im Überschuss vor. Würde das gesamte Sulfat als Bleisulfat gefällt, enthielte die Lösung
immer noch 30 mmol Blei(II)-Kationen in 150 mL Volumen, das entspräche einer Konzentration von
0.2 mol/L.
MWG: KL = c(Pb2+
) c(SO42-
) = 10-8
(mol/L)2 Mit c(Pb
2+) = 0.2 mol/L wird klar, dass c(SO4
2-) unter 10
-
7 mol/L liegen muss. Diese winzige Menge Sulfat in Lösung ist vernachlässigbar, wir können also von
einer vollständigen Fällung ausgehen. Fazit: 10 mmol Bleisulfat fallen aus. Molmasse von Bleisulfat:
(207.2 + 96) g/mol = 303.2 g/mol;
10 mmol sind 3032 mg.
Bleisulfat-Niederschlag 3032 mg, 10 mmol; a) ↑ ; b) ↓ ; c) ↓ ; d) ↓ Kommentare zu a) – d):
a) Schauen Sie das MWG an. Wenn c(Pb2+
) noch größer wird, muss c(SO42-
) entsprechend kleiner
werden. Weil die Konzentration an Sulfat in Lösung nach der Fällung bereits verschwindend
klein ist (<10-7
mol/L), werden auch Antworten akzeptiert, wonach die Menge des Bleisulfat-
Niederschlags gleich bleibe (es ist fast kein Sulfat mehr in Lösung, das noch ausfallen könnte) b) Die Fällung erfolgte exotherm (Aufgabenstellung). Beim Erwärmen versucht das System, der
äußeren Einwirkung entgegenzuwirken und reagiert endotherm, also unter vermehrter
Auflösung von Bleisulfat. Ein Teil des Niederschlags löst sich auf. c) Komplexbildner senken die Konzentration der Blei(II)-Ionen in Lösung durch
Komplexbildung. Sinkt die Konzentration an Pb2+
(MWG), so muss die Konzentration an SO42-
steigen. Auch hier löst sich der Niederschlag teilweise oder auch ganz auf, je nach Stärke und
Menge des Komplexbildners. d) Wenn die Aktivitätskoeffizienten sinken, sinkt die wirksame Konzentration der Reaktanden.
Ein wenig Bleisulfat geht in Lösung, bis die wirksame Konzentration groß genug ist, um das
MWG zu erfüllen.
Rk.gleichung: Pb2+
+ SO42-
→ PbSO4 MWG: KL = c(Pb2+
) c(SO42-
) = 10-8
(mol/L)2
6) (7) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz (MWG) für die
Dissoziation von Essigsäure (3). Die Gleichgewichtskonstante beträgt 1.78 10-5
mol/L.
Wir rechnen: pKS = -log KS = 4.75, denn 10-4.75
= 1.78 10-5
.
b) 530 mg Natriumcarbonat (Na2CO3) werden in 100 mL verdünnter Essigsäure (18 g/L CH3COOH)
gelöst. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und berechnen Sie den pH-Wert der Lösung. (4).
a) CH3COOH ⇌ CH3COO- + H
+ oder CH3COOH + H2O ⇌ CH3COO
- + H3O
+
b) Molmasse, Stoffmenge: M(Na2CO3) = 46 + 12 + 48 = 106 g/mol; Stoffmenge = 530 mg/(106 g/mol)
= 5 mmol.
Momasse und Stoffmenge der Essigsäure: M(CH3COOH) = (24 + 4 + 32) g/mol = 60 g/mol; 1.8 g
entsprechen also
30 mmol Essigsäure.
Reaktionsgleichung: Na2CO3 + 2 CH3COOH → 2 Na+ CH3COO
- + CO2 + H2O
Wichtig ist hier die 1 : 2 – Stöchiometrie: Ein Millimol Natriumcarbonat verbraucht zwei Millimol
Essigsäure und erzeugt zwei Millimol Acetat-Anionen.
Für die pH-Berechnung verwenden wir die Näherung nach Henderson und Hasselbalch:
pH = pKS + log c(Base)/c(Säure)
Die Volumen der Lösung ändert sich geringfügig bei der Reaktion und wirkt sich auf das Ergebnis der
Berechnung nicht aus, weil es im Zähler und im Nenner auftaucht. Wir können dieses Volumen (ca. 100
mL) als V abkürzen.
Stoffmenge Essigsäure nach der Reaktion mit Natriumcarbonat: 5 mmol Natriumcarbonat verbrauchen
10 mmol Essigsäure. Von anfangs 30 mmol Essigsäure sind nach der Reaktion mit 5 mmol
Natriumcarbonat noch 20 mmol übrig.
Stoffmenge Acetat (das ist die mit der Essigsäure korrespondierende Base) nach der Reaktion mit
Natriumcarbonat:
Aus 5 mmol Natriumcarbonat entstehen bei der Reaktion mit Essigsäure 10 mmol Acetat.
Einsetzen in die Näherung nach Henderson und Hasselbalch ergibt:
Eine zusätzliche Überlegung bestätigt das Resultat und erlaubt so eine Kontrolle. Liegen Säure und
korrespondierende Base im Stoffmengenverhältnis 1 : 1 vor, so ist pH = pKS, also 4.75. Hier überwiegt
die Säure, also muss der pH auch niedriger liegen.
7) (3 Punkte) Begründen Sie drei der vier Sachverhalte:
a) Die Häufigkeit der chemischen Elemente auf der Erde gleicht einer Zickzackkurve, denn Elemente
mit gerader Ordnungszahl sind gewöhnlich häufiger als Elemente mit ungerader Ordnungszahl.
Kerne mit einer geraden Protonenzahl sind stabiler als Kerne mit einer ungeraden Protonenzahl.
b) Eisen ist auf der Erde und im Kosmos das häufigste Schwermetall.
Der Kern 28
56Fe hat von allen bekannten Atomkernen die niedrigste Masse pro Nucleon und damit einen
sehr niedrigen Energieinhalt. Aus diesem Grund wird Eisen bei der Nucleosynthese in entsprechend
massereichen Sternen im letzten exergonischen Kernfusionsprozess in sehr großen Mengen gebildet.
1.78 x 10-5
mol/L =c(CH3COO
-) c(H
+)
c(CH3COOH)
pH = 4.75 + log 10 mmol V
20 mmol V= 4.75 + (-0.30) = 4.45
Bei der nachfolgenden Supernova-Explosion werden in endergonischen Prozessen die schwereren
Kerne unter Energieaufwand aufgebaut und in den Raum geschleudert.
c) Wasserstoff dominiert mengenmäßig im Kosmos, auf der Erde nicht.
Beim Wasserstoff beginnt die Nucleosynthese. Nach dem in der Physik akzeptierten kosmologischen
Modell entstanden beim so genannten Urknall Wasserstoff, Helium und Lithium. Bis heute konnte erst
ein kleiner Teil des ursprünglich vorhandenen Wasserstoffs in schwerere Elemente umgewandelt
werden. Die Massenverhältnisse der Elemente im Universum werden auf 74% Wasserstoff, 24%
Helium und ca. 2% schwerere Elemente geschätzt.
Auf der Erde ist Wasserstoff relativ selten, weil er als molekulares Gas H2 so leicht ist, dass er das
Gravitationsfeld der Erde verlässt und in den Weltraum diffundiert.
d) Das in der Natur in Verbindungen vorkommende Zinn ist eine Mischung von zehn Isotopen.
Mit der Ordnungszahl 50 verfügen Zinn-Atomkerne über eine so genannte „magische Zahl“ an
Protonen. Diese Kerne sind mit einer ganzen Reihe unterschiedlicher Neutronenzahlen stabil und
ergeben daher ein Gemisch aus verschiedenen Isotopen, die alle nicht radioaktiv sind und daher bis
heute nicht zerfallen sind.
8) (8) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Bleimineralien mit Namen und Formel (2). Geben Sie
in Stichworten an, auf welchem Weg Blei im Haushalt in die Nahrung gelangen kann (Vorkommen im
Haushalt, Bedingungen für die Mobilisierung, Art der mobilen Bleiverbindung, Formel) (2).
Beschreiben Sie die Schwärzung von Bleiweiß (basisches Bleicarbonat 2PbCO3.Pb(OH)2) auf alten
Gemälden durch ein Spurengas, das in Museen anzutreffen ist und die Aufhellung der geschwärzten
Partien bei der Restauration anhand von Reaktionsgleichungen (4).
Bleimineralien im Skript:
PbS Bleiglanz, Galenit
PbCO3 Cerussit, Weißbleierz
PbCrO4 Krokoit, Rotbleierz
PbMoO4 Wulfenit, Gelbbleierz, Bleimolybdat
PbWO4 Stolzit
Pb5(PO4)3Cl Pyromorphit
Pb5(VO4)Cl Vanadinit
PbSO4 Anglesit
Manche Wasserleitungen in alten Häusern enthalten noch Bleirohre. In weichem Wasser mit
Kohlendioxid löst sich Blei als lösliches Hydrogencarbonat, Pb(HCO3)2.
2PbCO3.Pb(OH)2) + 3 H2S →3 PbS + 3 H2O + CO2
PbS + 4 H2O2 → PbSO4 + 4 H2O
9) (5) Geben Sie für Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Nitrat und
Sulfat Valenzstrichformeln an (3).
Stickstoffdioxid steht im chemischen Gleichgewicht mit seinem Dimer, dem Distickstofftetroxid:
2 NO2 ⇌ N2O4
C O- + O OC N N
OO
.+
-
NO O
O
-- + S
O
OOO O-
O.
O-
Die Dimerisierung ist exotherm. Geben Sie an, ob bei Erhöhung von Druck oder Temperatur mehr NO2
oder mehr N2O4 gebildet wird (2).
Bei erhöhtem Druck mehr N2O4, bei erhöhter Temperatur mehr NO2, beides nach Le Chatelier: Wenn
wir den Druck erhöhen, versucht das System, diesen zu senken. Das System kann nur die
Reaktionsgleichung befolgen, das aber kann in beide Richtungen geschehen. Das System kann den
Druck verringern, indem es mehr N2O4 bildet, weil dann die Teilchenzahl abnimmt. Einer
Temperaturerhöhung kann das System entgegenwirken, indem es Wärme verbraucht. Das gelingt,
indem die Reaktion in der endothermen Richtung abläuft. Wenn die Dimerisierung exotherm ist, muss
die Spaltung der Dimeren in Monomere endotherm sein. Bei Temperaturerhöhung wird also mehr NO2
gebildet.
10) (6) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Oxidation von Schwefelwasserstoff mit
Kaliumpermanganat (KMnO4) zu Schwefelsäure (H2SO4) in einer sauren Lösung (zwei Teilgleichungen
aufstellen, zusammenfügen, 4 Punkte).
Die beiden Teilgleichungen beschreiben die Reduktion von Permanganat zu Mangan(II) und die
Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Schwefelsäure. (Kalium bleibt K+ und kann in der Gleichung
enthalten sein oder nicht).
MnO4- + 5e
- + 8 H
+ ⇌ Mn
2+ + 4 H2O Diese Gleichung ist in der Vorlesung, im Skript und in der Übung
aufgetaucht. Wir haben stets auf den Zusammenhang mit der Position von Mangan in Gruppe 7 des
Periodensystems geachtet und dabei festgestellt, dass die Oxidationsstufe +VII für Mangan mit seinen
sieben Valenzelektronen erreichbar ist. Die Reduktion zum Mn2+
muss man sich merken. Das gelingt
allerdings leicht, wenn man sich überlegt, was das für das Mangan bedeutet. Mn2+
besitzt fünf
Valenzelektronen in seinen fünf d-Orbitalen. Nach dem Pauli-Prinzip sind dann gerade alle fünf d-
Orbitale einfach besetzt, was einem energetisch sehr günstigen Zustand entspricht.
H2S + 4 H2O → H2SO4 + 8 e- + 8 H
+
Schwefel wird hier von der Oxidationsstufe –II zur Oxidationsstufe +VI oxidiert. Dabei werden acht
Elektronen abgegeben. Wir müssen also das kleinste gemeinsame Vielfache von acht und fünf suchen,
das ist vierzig. Wir zählen alles zusammen: 8 MnO4- + 64 H
+ + 5 H2S + 20 H2O → 5 H2SO4 + 40 H
+ + 8
Mn2+
- 32 H2O
Die Elektronen brauchen wir nicht hinzuschreiben, weil wir so gerechnet haben, dass genau so viele
Elektronen abgegeben wir aufgenommen werden. Wir streichen aber noch Wasser und Protonen, soweit
diese auf beiden Seiten der Gleichung auftauchen und erhalten: 8 MnO4- + 24 H
+ + 5 H2S → 5 H2SO4
+ 8 Mn2+
+ 12 H2O
Häufiger Fehler: KMnO4 + H2S → KMn + H2SO4
Dies ist falsch. Es würde bedeuten, dass neben Mangan sogar das Kalium-Kation zum Element
reduziert werden müsste. Das ist in wässriger Lösung nicht machbar, schon gar nicht mit einem so
milden Reduktionsmittel wie Schwefelwasserstoff. Ein unedles und ein extrem unedles Metall müssten
dann in einer wässrigen Lösung von Schwefelsäure stabil sein.
Youtube-Link, Reaktion von Kalium mit Wasser: http://www.youtube.com/watch?v=jxUGDsuJm4M.
Mit Schwefelsäure wäre die Reaktion heftiger.
Eine saure Lösung mit einer Anfangskonzentration von Kaliumpermanganat c(KMnO4) = 0.2 mol/L
reagiert mit Schwefelwasserstoff. Die Menge des Schwefelwasserstoffs reicht aus, um die Hälfte des
Permanganats zu reduzieren. Berechnen Sie das Redoxpotenzial nach dieser Reaktion für pH = 2.
Das Standard-Reduktionspotenzial E° für Kaliumpermanganat in saurer Lösung beträgt +1.58 V. (2)
Wir müssen hier das Potenzial E der Permanganat/Mn2+
-Halbzelle mittels der Nernst´schen Gleichung
berechnen. Die Gleichung für die Reduktion von Permanganat wurde bereits formuliert:
MnO4- + 5e
- + 8 H
+ ⇌ Mn
2+ + 4 H2O
Für die Nernst´sche Gleichung darf Wasser entfallen, weil wir in verdünnter Lösung mit einem
Überschuss an Wasser arbeiten und sich die Konzentration des Wassers bei der Reaktion praktisch nicht
verändert.
Wir befolgen beim Einsetzen genau die Regeln, die wir beim Aufstellen des MWG gelernt und geübt
haben. Diese entsprechen den Rechenregeln beim Umgang mit logarithmischen Größen: Plus wird Mal
und Mal wird Hoch. Die Konzentrationen der Reaktanden erhalten die stöchiometrischen Koeffizienten
als Hochzahl, Plus wird Mal.
Die Konzentration an Permanganat (anfangs 0.2 mol/L) soll durch die Reaktion mit H2S halbiert
werden: 0.1 mol/L.
Durch Reduktion von Permanganat entsteht Mn2+
, also auch 0.1mol/L.
Die H+-Ionenkonzentration ist gegeben: pH = 2 bedeutet, dass c(H
+) = 0.01 mol/L, denn pH = -log
c(H+).
Wir stellen für dieses System die Nernst´sche Gleichung auf:
E = E° + 0.059V/z log [c(Ox)/c(Red)]
E = 1.58 V + 0.059V/5 log [c(MnO4-) c
8(H
+)]/c(Mn
2+)]
Ab hier folgen Fragen, die für die MB-Studiengänge Bachelor oder Diplom nicht relevant sind.
11) (4) Skizzieren Sie Formeln für folgende Substanzen: 3-Methylheptan, 3-Cyclopenten-1-on, Butenin,
2,3-Dihydroxybutandisäure, 3-Nitrophenol, Anilin, Toluol, 2-Bromnaphthalin, 4-Methylpyridin,
Benzylchlorid. Markieren Sie drei Chiralitätszentren und kennzeichnen Sie die Konfiguration jeweils
passend zu Ihrer Zeichnung mit den Deskriptoren R oder S.
12) (10) Formulieren Sie zur radikalischen Chlorierung von Propan insgesamt vier Reaktionsgleichun-
gen für Start-, Ketten- und Abbruchreaktion (8). Skizzieren Sie Valenzstrichformeln für die beiden
unterschiedlichen Alkylradikale und geben Sie an, welches stabiler ist (2).
E = 1.58 V + 0.059 V
5log
0.1 . (0.01)8
0.1= 1.58 V + 0.0118 V log 10
-16= 1.58 V + (-0.19 V) = 1.39 V
Cl2h
2 Cl.
C3H8 + Cl.
HCl + C3H7.
Cl2 + C3H7.
C3H7Cl + Cl.
C3H7. + Cl
.C3H7Cl
Start
Kette
Abbruch
W18374
, auch
13) (6) Nennen Sie in Stichworten vier Verfahren zur Reinigung von Proteinen (2). Erfinden Sie eine
Primärstruktur aus zwanzig beliebigen Aminosäurebausteinen und demonstrieren Sie an diesem Oligo-
peptid schematisch das Prinzip der Bestimmung der Aminosäuresequenz (3). Gehen Sie von der Annah-
me aus, dass diese Kette bereits zu lang sei für die routinemäßige Sequenzanalyse in einem Durchlauf.
Verwenden Sie beliebige Buchstaben des Alphabets als Abkürzungen für verschiedene Aminosäuren.
Geben Sie für eine chirale Aminosäure den Namen und die Projektionsformel nach Fischer an (1).
Reinigung von Proteinen:
Zentrifugation, Ultrazentrifugation, Dialyse, Ultrafiltration, Gelfiltration, Elektrophorese, Aussalzen,
fraktionierende Fällung, isoelektrische Fällung, Affinitätschromatographie
MHACKMAKYKDZMPRDRMGS-COOH
Spaltung nach M mit Reagenz REA liefert folgende Bruchstücke: M-REA, HACKM-REA,
AKYKDZM-REA, PRDRM-REA und GS-COOH
Spaltung nach K oder R durch Hydrolyse liefert folgende Bruchstücke: MHACK-COOH,
MAK-COOH, YK-COOH, DZMPR-COOH, DR-COOH, MGS-COOH
Die Bruchstücke werden durch Gelelektrophorese getrennt und jeweils durch Edman-Abbau
sequenziert.
Der Vergleich der Puzzleteile erlaubt die Bestimmung der Sequenz.
Nachklausur vom 30. Mai 2012 1) (2 Punkte) Ein Atomkern besitzt 183 Nukleonen, unter denen sich
109 Neutronen befinden. Geben Sie hier auf dem Aufgabenblatt ein
vollständiges Elementsymbol an.
2) (2) Geben Sie die Elektronenkonfiguration eines Telluratoms an. (Beispiel Beryllium: 1s22s
2).
1s22s
22p
63s
23p
64s
23d
104p
65s
24d
105p
4
3) (2) Zeichnen Sie eine schematische Darstellung des Atomorbitals, in dem sich das Valenzelektron
(das äußerste Elektron) eines Natriumatoms befindet.
3s-Orbital
4) (9) a) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der ionischen Bindung (1).
b) Zeichnen Sie die räumliche Anordnung der Atome in zwei verschiedenen Ionengittern und geben Sie
die Anzahl der nächsten Nachbarn jedes Atoms an (4).
C
CH3
CH3
H C
H
CH2
H>
CH3 > ..
c) Begründen Sie die Sprödigkeit der meisten Salze und geben Sie an, worin sich harte und weniger
harte ionische Verbindungen unterscheiden (2).
d) Nennen Sie Namen und Formel für je ein natürliches Mineral des Strontiums und des Bariums (2).
a)Elektrostatische Anziehung
b)CsCl, NaCl, ZnS, CaF2
c)Verschiebung einer Gitterebene gegen die benachbarte Gitterebene bringt Kation über Kation und
Anion über Anion, aus elektrostatischer Anziehung wird Abstoßung. Höher geladene Ionen ergeben
härtere Kristalle.
Sulfate (Cölestin, Baryt), Carbonate: (Strontianit, Witherit)
5) (8) Wenn man 50 mL Wasser (H2O) mit 50 mL reinem Ethanol mischt (C2H6O), erhält man 97 mL
Gemisch. Die Dichte von Wasser beträgt bei 20 °C 1.00 g/mL, die Dichte von Ethanol ist 0.79 g/mL.
a) Berechnen Sie die Ethanol-Stoffmengenkonzentration in mol/L, die Molalität des gelösten Ethanols
sowie den Molenbruch der beiden Komponenten (4).
b) Nennen Sie den Vorteil bei der Angabe der Molalität gegenüber der Molarität (1).
c) Begründen Sie die Volumenkontraktion beim Mischen (1).
d) Berechnen Sie den Druck, der beim Aufheizen der 97 mL Lösung in einem stabilen Gefäß von 1.5 L
Rauminhalt auf 900 °C aufgebaut wird. (R = 8.314 J/mol K) (2).
H2O M = 18.015 g/mol, 50 g ≙ 2.776 mol; Ethanol M = 46.07 g/mol, 50 mL ≙ 39.5 g ≙ 0.857
mol
a) Stoffmengenkonzentration: 0.857 mol/0.097 L = 8.84 mol/L
Molalität: 0.857 mol/0.050 kg = 17.14 mol/kg
Molenbruch: 0.857 mol /(0.857 + 2.776)mol = 0.236 (für Ethanol), der Rest ist Wasser: 0.764
b) Vorteil der Molalität: Der Zahlenwert ist unabhängig von der Temperatur
c) Wasserstoffbrücken zwischen Wasser und Ethanol stärker als zwischen Ethanol-Molekülen
d) 3.633 mol, T = 1173 K, V = 0.0015 m3, R = 8.3143 J/mol K, Gasgleichung 23.62 MPa
6) (7) Formulieren Sie je eine Reaktionsgleichung für
a) die Reduktion einer Metallverbindung zum Metall (2)
b) die Oxidation eines Metalls der sechsten Gruppe mit Sauerstoff zur höchsten Oxidationsstufe (2).
(CrO3; Mo, W)
c) die Gewinnung von elementarem Brom aus einer in der Natur vorkommenden Bromverbindung (3).
MgBr2 + Cl2 → MgCl2 + Br2
7) (6) Die Dissoziationskonstante von Ameisensäure (HCOOH) beträgt 0.0002 mol/L.
a) 1 g Strontiumhydroxid, Sr(OH)2, löst sich glatt in 15 mL Ameisensäurelösung (2 mol/L).
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und berechnen Sie den pH-Wert der Lösung (4).
b) Wie viel Strontiumhydroxid wird benötigt, um 15 mL Ameisensäure (2 mol/L) auf pH = 3.77
einzustellen? (2)
pKS = 3.70
M (Sr(OH)2 ) = 121.64 u; 1 g entspricht 8.2 mmol Sr(OH)2, das entspricht 16.4 mmol Hydroxid-
Anionen.
Stoffmenge Ameisensäure: 15 mL 2 mol/L = 30 mmol
2 HCOOH + Sr(OH)2 ⇌ Sr(HCOO)2 + 2 H2O
pH = pKS + log c(Formiat)/c(Ameisensäure) = 3.7 + log 16.4/13.6 = 3.78
pH = 3.77: log c(Formiat)/c(Ameisensäure) = 0.07; c(Formiat)/c(Ameisensäure) = 1.1749/1; 30
mmol/2.1749 = 13.794; 30 – 13.79 = 16.21 mmol Base, das entspricht ca. 8.1 mmol Sr(OH)2, 985.7 mg.
C + CO2 2 CO
8) (3) Formulieren Sie hier auf dem Aufgabenblatt eine Reaktionsgleichung für das chemische Gleich-
gewicht zwischen Kohlenstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid (Boudouard-Gleichgewicht) (2).
Temp. Druck
↓ ↑ ↓
↑
Das Gleichgewicht soll so verschoben werden, dass mehr Kohlenmonoxid entsteht. Markieren Sie in
der Tabelle die korrekte Richtung für eine entsprechende Änderung der Temperatur und des Drucks.(1)
9) (5) Schreiben Sie Symbole für die chemischen Elemente, auf die folgende Aussagen zutreffen:
a) . b) . c) . d) . e) .
a) Metall mit der niedrigsten Dichte, löst sich in Wasser unter Wasserstoffentwicklung.
Lithium
b) ein Liter dieses Elements wiegt unter Normalbedingungen ca. 10 g. Radon
c) Ferromagnetisch, härter als Eisen, seine Salze färben Glas blau. Cobalt
d) glänzt metallisch, bildet beim Erwärmen blauviolette Dämpfe. Iod
e) gelbes Pulver, verbrennt mit blauer Flamme zu einem farblosen Gas mit stechendem Geruch.
Schwefel
10) (3) Zeichnen Sie Valenzstrichformeln für folgende Moleküle und berücksichtigen Sie auch
nichtbindende Elektronenpaare und formale Ladungen, falls vorhanden:
Iodwasserstoff, Wasser, Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdisulfid, Stickstoffmonoxid (3).
11) (5) a) Geben Sie Namen und Formel für ein Mineral des Phosphors an (1).
b) Berechnen Sie die Mineralmenge, die für die Herstellung von 1000 kg Phosphor benötigt wird (2).
c) Nennen Sie den Namen einer gasförmigen Phosphorverbindung. Zeichnen Sie eine
Valenzstrichformel und nennen Sie eine Eigenschaft (2). (PH3 oder PF3)
12) (5) Bezeichnen Sie diese Substanzen mit Namen (4):
(bitte alles hier auf dem Aufgabenblatt eintragen).
Markieren Sie ein Chiralitätszentrum und kenn-
zeichnen Sie die Konfiguration mit R oder S. (1)
13) (8) Beschreiben Sie anhand von Reaktionsgleichungen die Herstellung von Bromethan anhand von
vier Reaktionsgleichungen. Berücksichtigen Sie auch den Start und den Abbruch der Kettenreaktion.
Start Br2 ⇌ 2 Br.
14) (5) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Bildung von Polyethylen (2).
Skizzieren Sie eine Valenzstrichformel für ein Teilchen, mit dem die Polymerisation gestartet wird (1).
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für den Angriff dieses Starters am Monomer-Molekül (2).
15) (2) Skizzieren Sie schematisch zwei unterschiedliche Strukturen von Copolymeren.
O
NH2
O
OH
O
Cl
NO2
Br
a) b)c) d)
e) f) g) h)
16) (5) Beschreiben Sie in Stichworten die Primärstruktur (1) und die Sekundärstruktur (1) von
Proteinen. Nennen Sie die Faktoren, die diese Strukturierung steuern (3).
17) (3) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für den Entladevorgang an einer der beiden
Elektroden eines Bleiakkumulators (2). Geben Sie eine Summenformel an für das aktive Material der
anderen Elektrode des geladenen Bleiakkumulators. (1)
Klausur vom 27. Februar 2012
1) (4 Punkte) Schreiben Sie ein beziffertes Elementsymbol für ein chemisches Element, dessen
natürliche Vorkommen nur Atomkerne aus 209 Nukleonen enthalten, darunter 126 Neutronen.
Geben Sie ein beziffertes Elementsymbol an für einen anderen Atomkern mit 126 Neutronen.
Wie nennt man chemische Elemente, die aus unterschiedlich schweren Atomkernen bestehen?
209 208 83Bi 82Pb Mischelemente
2) (1) Die Rydbergkonstante beträgt 2.179 10-18
J. Welche Veränderung bewirkt dieser Energiebetrag,
wenn er von einem Wasserstoffatom aufgenommen wird?
Das Atom wird ionisiert.
3) (6) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der metallischen Bindung (1).
Zeichnen Sie die räumliche Anordnung der Atome in den drei häufigsten Metallgittern und geben Sie
die Anzahl der nächsten Nachbarn jedes Atoms an (4).
Begründen Sie die elektrische Leitfähigkeit und die Verformbarkeit der Metalle (1).
Metallkationen im Elektronengas
Kubisch dichteste Kugelpackung, hexagonal dichteste Kugelpackung, kubisch raumzentriert
12 nächste Nachbarn 12 nächste Nachbarn 8 nächste Nachbarn
Bewegliche Elektronen leiten den Strom.
Bei Verschiebung der Atomlagen gegeneinander bleibt die metallische Bindung erhalten, denn die
Elektronen folgen der Bewegung der Atome.
4) (4) Erstellen Sie eine Skizze zur Ausbildung von - und -Bindungen aus p-Atomorbitalen. Welche
der beiden unterschiedlichen Wechselwirkungen ist stärker? Geben Sie eine Valenzstrichformel für ein
Molekül an, in dem solche - und -Bindungen vorkommen.
Die -Bindung ist stärker
5) (4) Zeichnen Sie ein Siedediagramm für eine Mischung zweier Flüssigkeiten und beschriften Sie
Achsen, Kurven und Flächen (3). Tragen Sie den Verlauf einer Destillation in einer
Destillationskolonne mit zwei Böden in das Diagramm ein. Starten Sie mit einer Mischung, die 80%
der höher siedenden Komponente enthält (1).
Die mit a2 bezeichnete Zusammensetzung soll 80% der höher
siedenden Komponente A entsprechen. Beim Erwärmen
gelangt die Mischung auf den Punkt der Siedekurve bei der
Temperatur T2. Die Waagerechte durch T2 schneidet auch die
Taukurve. Die Zusammensetzung a3 entspricht dem
Kondensat. Erneutes Verdampfen auf dem zweiten Boden
führt zu einem Dampf der Zusammensetzung a4.
6) (2) Ammoniumhydrogencarbonat entsteht aus je einem Molekül Kohlendioxid, Wasser und
Ammoniak und ist im Supermarkt unter dem Namen „Hirschhornsalz“ als Backtriebmittel für
Kleingebäck erhältlich. Beim Erhitzen zerfällt es in die genannten Ausgangsverbindungen.
Berechnen Sie den Druck, der bei der Zersetzung von 10 g Ammoniumhydrogencarbonat in einem
luftleeren Behälter von 500 mL Inhalt bei einer Temperatur von 300 °C aufgebaut wird. (R = 8.3145
J/mol K).
H2O + NH3 + CO2 → NH4HCO3 (Die Gleichung wurde nicht verlangt und steht hier nur der besseren
Übersicht halber).
Die Molmasse zur Summenformel CH5NO3 ist 79 g/mol, 10 g entsprechen 10/79 mol = 0.127 mol.
Wichtig: Ein Mol Salz ergibt drei Mol Gas. Die Stoffmenge der Gase beträgt daher 0.38 mol.
p = 0.38 8.3145 573 / 0.0005 Pa = 3 620 798 Pa, das entspricht 35.74 bar.
7) (9) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetzt für die Dissoziation
von Essigsäure. Die Gleichgewichtskonstante beträgt 1.78 10-5
mol/L (4).
b) 1 g Calciumcarbonat wird in 30 g Essig (5% Essigsäure) gelöst. Formulieren Sie die Reaktions-
gleichung und berechnen Sie den pH-Wert der Lösung. (3). (Die Salze der Essigsäure sind
wasserlöslich).
c) Wie viel Calciumcarbonat wird benötigt, um 30 g Essigsäure (5%) auf pH = 4.75 einzustellen? (2)
HAc + H2O ⇋ H3O+ + Ac
- (alternativ kann auch die Formel CH3COOH eingesetzt werden.)
KS = c(H3O+) c(Ac
-) / c(HAc)
Molmasse Essigsäure: 60 g/mol. Stoffmenge Essigsäure: 5% von 30 g = 1.5 g, das sind 25 mmol.
M(CaCO3) = 100. 1 g entspricht daher 0.01 mol oder 10 mmol Calciumcarbonat.
Wichtig: Ein Mol Calciumcarbonat bindet 2 mol Essigsäure.
10 mmol CaCO3 führen 20 mmol Essigsäure in Acetat-Anionen über (und lassen nur 5 mmol
Essigsäure übrig):
CaCO3 + 2 CH3COOH → Ca2+
+ 2 CH3COO- + H2O + CO2
pH = pKS + log c(Base)/c(Säure) = pKS + log 20/5 = 5.35
Für pH = 4.75 müssen Säure und Base in gleicher Konzentration vorliegen. Von 25 mmol Essigsäure
müssen daher 12.5 mmol mit Calciumcarbonat reagieren. Dafür benötigen wir 6.25 mmol
Calciumcarbonat, das sind 625 mg.
8) (2) Wie viel Silberiodid (KL 1.510-16
(mol/L)2) löst sich in einem Liter Natriumiodidlösung (0.2
mol/L)? Geben Sie die Stoffmenge in Millimol und in Milligramm an.
KL = c(Ag+) c(I
-) = 1.510
-16 (mol/L)
2; für die Iodid-Ionenkonzentration ist ein Wert von 0.2 mol/L
angegeben. Daraus ergibt sich c(Ag+) = 1.510
-16 (mol/L)
2 / 0.2 mol/L = 7.510
-16 mol/L.
Die in einem Liter Lösung gelöste Stoffmenge an Silberiodid beträgt 7.510-16
mol, also 1.7610-10
mg.
9) (5) Geben Sie für Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Nitrat und
Sulfat Valenzstrichformeln an (3).
Stickstoffdioxid steht im chemischen Gleichgewicht mit seinem Dimer, dem Distickstofftetroxid:
2 NO2 ⇌ N2O4
Die Dimerisierung ist exotherm. Geben Sie an, ob bei Erhöhung von Druck oder Temperatur mehr NO2
oder mehr N2O4 gebildet wird (2).
Druck erhöht: Mehr N2O4
Temperatur erhöht: Mehr NO2
10) (9) a) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Schwefelmineralien mit Namen und Formel (2).
b) Nennen Sie zwei Modifikationen des Schwefels und beschreiben Sie den Unterschied zwischen
beiden auf der Teilchenebene (2).
c) Begründen Sie den Unterschied zwischen dem natürlichen (110.2 °C) und dem idealen Schmelzpunkt
(112.8 °C) des bei Raumtemperatur stabilen -Schwefels (1).
d) Geben Sie für Reaktionen des elementaren Schwefels mit zwei verschiedenen chemischen Elementen
je eine Reaktionsgleichung an. Eine soll einen Oxidationsprozess, die zweite eine Reduktion des
Schwefels beschreiben. Ordnen Sie den Schwefelverbindungen Oxidationszahlen zu (4).
Schwefelmineralien: Viele Metallsulfide, auch Sulfate, jedoch keine Gase wie SO2 oder H2S
Modifikationen: orthorhombischer Schwefel (-Schwefel), monokliner Schwefel (β-Schwefel) und
andere.
Unterschied zwischen und β: Andere Packung der S8-Ringe im Gitter.
11) (5) a) Geben Sie Namen und Formel für ein Mineral des Aluminiums an (1).
b) Berechnen Sie die Menge dieses Minerals, die für die Herstellung von 1000 kg Aluminium
theoretisch benötigt wird (1).
c) Beschreiben Sie die industrielle Herstellung von Aluminium anhand einer Reaktionsgleichung (2).
d) Geben Sie eine Formel und einen Mineralnamen für die als Lösungsmittel verwendete Schmelze an,
in der die Reaktion bei ca. 950 °C abläuft (1).
Mineral: Korund, Rubin, Saphir, Al2O3
M = 102 g/mol, Al-Gehalt ca. 52.9%, für 1000 kg Al werden daher 1000 kg/0.529 = 1888.9 kg Al2O3
benötigt.
Herstellung: Al3+
+ 3 e- → Al, es darf auch komplizierter formuliert werden, solange es richtig ist.
Mineralisches Lösungsmittel: Kryolith, Al2O3
12) (7) Skizzieren Sie Formeln in Kurzschreibweise für folgende Substanzen: 3-Methylheptan, 3-
Cyclopenten-1-on, Butenin, 2,3-Dihydroxybutandisäure, 3-Nitrophenol, Anilin, Toluol, 2-Brom-
naphthalin, 4-Methylpyridin, Benzylchlorid. Markieren Sie drei Chiralitätszentren und kennzeichnen
Sie die Konfiguration jeweils passend zu Ihrer Zeichnung mit den Deskriptoren R oder S.
13) (8) Skizzieren Sie den Reaktionsmechanismus für die Herstellung von Ethylbenzol durch
elektrophile Aromatensubstitution (6). Bei der Reaktion kann auch Diethylbenzol als Nebenprodukt
entstehen. Bezeichnen Sie drei Diethylbenzol-Isomere mit den passenden Vorsilben und mit Ziffern.
Kennzeichnen Sie bevorzugt gebildete Isomere mit (+), die anderen mit (-) (2).
HO
C
O
C
OH
O
x + x HO OH
C
O
C
O
O O
x+ 2x H2O
(R = C2H5) -Komplex
-Komplex -Komplex 1,2-Diethylbenzol 1,3- 1,4-
ortho meta para
+ - +
14) (5) Formulieren Sie Reaktionsgleichungen für die Bildung eines Polyesters aus zwei verschiedenen
Ausgangsverbindungen. Zeigen Sie, wie man einen räumlich vernetzten Polyester herstellen könnte.
Geben Sie in Stichworten an, wie sich die Materialeigenschaften durch die Vernetzung verändern.
Räumliche Vernetzung durch Zugabe von Tricarbonsäure oder
von einem Triol (z. B. Glycerin).
Aus dem thermoplastischen Polymer wird bei Vernetzung ein
Elastomer oder ein Duroplast.
Der Thermoplast ist schmelzbar, das Elastomer gummielastisch,
der Duroplast hart und nicht unzersetzt schmelzbar.
15) (5) Beschreiben Sie in Stichworten die Primärstruktur (1) und die Sekundärstruktur (1) von
Proteinen. Nennen Sie die Faktoren, die diese Strukturierung steuern (3).
Primärstruktur: Aminosäuresequenz
Sekundärstruktur: Helix oder Faltblatt, Schleifen und Haarnadelkehren.
Die Aminosäuresequenz legt bereits fest, welche Abfolge von Wasserstoffbrücken und Disulfidbrücken
die günstigste Anordnung ergibt.
16) (4) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Oxidation von Schwefelwasserstoff mit
Kaliumpermanganat zu Schwefelsäure in einer sauren Lösung.
Eine saure Lösung mit einer Anfangskonzentration von Kaliumpermanganat c(KMnO4) = 0.2 mol/L
reagiert mit Schwefelwasserstoff. Die Menge des Schwefelwasserstoffs reicht aus, um die Hälfte des
Permanganats zu reduzieren. Berechnen Sie das Redoxpotenzial nach dieser Reaktion für pH = 2.
Das Standard-Reduktionspotenzial E° für Kaliumpermanganat beträgt +1.58 V.
Oxidation von Schwefelwasserstoff: H2S + 4 H2O ⇌ SO42-
+ 10 H+ + 8 e
-
5
Reduktion von Kaliumpermanganat: MnO-4 + 8 H
+ + 5 e
- ⇌ Mn
2+ + 4 H2O
8
Gesamtreaktion:
5 H2S + 20 H2O + 8 KMnO4 + 64 H+ ⇌ 5 SO4
2- + 50 H
+ + 8 K
+ + 8 Mn
2+ + 32 H2O (- 20 H2O,
- 50 H+)
5 H2S + 8 KMnO4 + 14 H+ ⇌ 5 SO4
2- + 8 K
+ + 8 Mn
2+ + 12 H2O
E = 1.58 V + log c(Ox)/ c(Red) = 1.58 V + log c(MnO4-) c(H
+)8 / c(Mn
2+)
R-Cl, AlCl3R +
AlCl4-
R +
AlCl4-
H+
H +
AlCl4-
R
R- AlCl3- HCl
Einsetzen: c(MnO4-) = 0.1 mol/L, c(Mn
2+) = 0.1 mol/L, c(H
+) = 10
-2 mol/L;
E = 1.58 V + log 0.1 (10-2
)8 / 0.1 = 1.39 V
Nachklausur vom 15. Juni 2011
1) (8 Punkte) Benennen Sie die Teilchen, aus denen Atomkerne bestehen (Oberbegriff nicht
vergessen, 3 Punkte). Nennen Sie drei Arten des Zerfalls von Atomkernen und formulieren Sie
für zwei Zerfallsarten je eine Reaktionsgleichung als Beispiel. Nennen Sie zwei chemische
Elemente, von denen man nur radioaktive Isotope kennt.
Nucleonen: Protonen, Neutronen
-, -, -Zerfall 238
U → 234
Th + 4He (-Zerfall)
176Lu →
176Hf + e
- (-Zerfall)
99mTc →
99Tc + (-Zerfall)
Technetium, Promethium und alle Elemente mit Ordnungszahlen ab 84 (Polonium)
2) (4 Punkte) Vier verschiedene Arten der chemischen Bindung erschweren die im Folgenden
beschriebenen Vorgänge (verlangsamen die Strömung, widersetzen sich dem Schleifvorgang,
erfordern die Zufuhr von Energie beim Sieden oder beim Lösen) und müssen bei diesen
Vorgängen überwunden werden. Tragen Sie jeweils den passenden Begriff ein.
Pflanzenöl strömt durch eine Pipette. Van der Waals-Kräfte
Diamant wird geschliffen. kovalente Bindung
Wasser siedet. Wasserstoffbrückenbindung
Ammoniumsulfat löst sich in einem Lösungsmittel ionische Bindung
3) (4 Punkte) Beschreiben Sie in Stichworten die ionische Bindung und zeichnen Sie die Ele-
mentarzelle für das Caesiumchloridgitter. Begründen Sie in stichwortartigen Formulierungen
Sprödigkeit und Isolatoreigenschaften von Caesiumchlorid.
Elektrostatische Anziehung zwischen Kationen und Anionen
Sprödigkeit: Scherkräfte, Verschiebung von Schichten gegeneinander,
Kation-Kation- und Anion-Anion-Abstoßung führt zum Bruch
Isolatoreigenschaften: Alle Elektronen lokalisiert in Edelgasschalen,
bewegliche Ladungsträger im Kristall nicht vorhanden
4) (8 Punkte) Zeichnen Sie Valenzstrichformeln für Ammoniak, Stichstoffmonoxid und das
Nitrat-Anion und geben Sie Oxidationsstufen der beteiligten Atome an.
Geben Sie eine Reaktionsgleichung an für die Herstellung von Ammoniak.
N2 + 3 H2 ⇋ 2 NH3
Berechnen Sie das Volumen einer Mischung aus 20 g Ammoniak und 80 g Wasser bei 97 kPa
und 520 K. Setzen Sie dabei ideales Verhalten voraus.
Stoffmenge Ammoniak: 20 g/17.03 g/mol = 1.174 mol
Stoffmenge Wasser: 80 g/18.02 g/mol = 4.440 mol
Stoffmenge insgesamt: 5.614 mol
V = nRT/p = 5.614 mol 8.3143 J/mol.K 520 K / 97 000 J/m
3 = 0.250 m
3 = 250 Liter
Um sicher zu sein, sei eine Überschlagsrechnung empfohlen: Ein Mol Gas nimmt unter
Standardbedingungen ein Volumen von ca. 22.4 Liter ein (Diesen Wert sollte man sich
merken, er kann für Schätzungen hilfreich sein). Da der Druck ziemlich nahe am Standard liegt
und die doppelte Temperatur fast verdoppelt ist (Standard: 273 K, hier: 520 K), können wir
grob von 5 mol 22.4 Liter/mol 2 (für die nahezu verdoppelte Temperatur) ausgehen und
landen ohne großen Rechenaufwand bei ca. 224 Liter.
Unter welchen Bedingungen weichen Gase zunehmend vom idealen Verhalten ab?
Bei hohem Druck oder bei tiefer Temperatur
5) (5 Punkte) Definieren Sie folgende Begriffe in Stichworten:
Schaum: heterogenes Gemisch flüssig/gasförmig, Gasblasen und flüssige Membranen
Nebel: heterogenes Gemisch flüssig/gasförmig, Tröpfchen im Gas
Aerosol: heterogenes Gemisch flüssig/fest/gasförmig, Tröpfchen und feste Partikel im Gas
Molalität: Konzentration eines gelösten Stoffes in Mol pro Kilogramm Lösungsmittel
Molenbruch: Konzentration eines Stoffes in Mol (Stoff A) pro Mol (gesamte Stoffmenge)
6) (7 Punkte) Nennen Sie einen Vorgang, der freiwillig unter Abkühlung der Umgebung
abläuft.
Auftauen von Eis durch Aufstreuen von Kochsalz
Beschreiben Sie stichwortartig die einzelnen Energiebeiträge, die zu diesem Ergebnis führen.
Die Reaktionsenthalpie ΔH ist positiv, die Entropiezunahme durch Übergang zweier
Kristallgitter in eine Lösung ist jedoch so groß, dass die Freie Reaktionsenthalpie negativ wird.
Formulieren Sie die thermodynamische Bedingung, die für freiwillig ablaufende Vorgänge
erfüllt sein muss. ΔG = ΔH - TΔS
Betrachten Sie die thermodynamischen Effekte bei der Auflösung eines Gases in einer
Flüssigkeit. Fast immer exotherm: Gasteilchen müssen nicht getrennt werden, Die Atmosphäre
verrichtet Volumenarbeit am System, wenn das Gas sich löst und in die flüssige Phase
übergeht, Solvatation meist exotherm. Die Entropie nimmt freilich ab, deshalb sind nicht alle
Gase in allen Flüssigkeiten löslich.
7) (8 Punkte) Berechnen Sie den pH-Wert folgender Lösungen:
a) Chlorwasserstoff in Wasser, c(HCl) = 10-9
mol/L
pH = 7 (die Säure ist extrem verdünnt, Eigendissoziation des Wassers)
b) Ammoniak in Wasser, c(NH3) = 0.2 mol/L. pKB = 4.75 (Achtung, Base!)
pOH = ½[pKB – log c(NH3)] = ½(4.75 + 0.7) = 2.725; pH = 14 – pOH = 11.275
c) 6 g Essigsäure und die halbe molare Menge (halbe Stoffmenge in mol) Natriumhydroxid
werden in 100 mL Wasser gelöst und auf 1 Liter aufgefüllt. pKS (Essigsäure) = 4.75
M(C2H4O2) = 60.053; 6 g /60.053 g/mol = 0.100 mol; dazu 0.05 mol NaOH ergibt eine
Mischung von 0.05 mol/L Essigsäure mit 0.05 mol/L Natriumacetat. pH = pKS = 4.75
(Näherung Henderson/Hasselbalch: pH = pKS + log c(Base)/c(Säure) ).
d) 6 g Essigsäure und die gleiche molare Menge (äquivalente Stoffmenge) Natriumhydroxid
werden in 100 mL Wasser gelöst und auf 1 Liter aufgefüllt. pKS (Essigsäure) = 4.75
Es entsteht eine Lösung von Natriumacetat, Konzentration 0.1 mol/L. Dieses ist eine Base, es
gilt: pOH = ½[pKB – c(Acetat)]; pKB = 14 - pKS = 9.25. Einsetzen ergibt: pOH = ½[9.25 – log
0.1] = 5.125; pH = 14 – pOH = 8.875.
e) 6 g Essigsäure und die 1.2fache molare Menge Natriumhydroxid (das entspricht 20%
NaOH-Überschuss) werden in 100 mL Wasser gelöst und auf 1 Liter aufgefüllt.
Rechnung: Natriumacetat wird vernachlässigt (pOH ca. 5, siehe Teilaufgabe 7d) ), die
überschüssige Natronlauge dominiert, die Lösung enthält 0.02 mol/L Natriumhydroxid, pOH =
1.70, pH = 14 – 1.7 = 12.3
Kommentar: Ein Fehler, der bei Aufgabe c) oft gemacht wurde, vernachlässigte die Reaktion
von Natronlauge mit der Essigsäure. Wenn wir von einem Liter Lösung ausgehen, dann geben
wir zu 0.1 mol Essigsäure 0.05 mol Natronlauge. Wenn wir dann in die Gleichung nach
Henderson und Hasselbalch die Werte 0.1 mol/l für die Säure und 0.05 mol/l für die Base
einsetzen, ist das falsch. Die Natronlauge reagiert nämlich mit der Essigsäure zu
Natriumacetat. Aus 0.1 mol Essigsäure werden also 0.05 mol Natriumacetat, es bleiben nur
0.05 mol Essigsäure übrig. Außerdem ist nicht Natronlauge die Base, deren Konzentration in
die Gleichung eingesetzt werden soll. Nach der Zugabe gibt es in dem System keine
Natronlauge mehr, weil diese ja mit der Essigsäure reagiert. Die Base, von der in der
Gleichung die Rede ist, ist die mit der Säure (Essigsäure) korrespondierende Base (Acetat-
Anion). Also hatte bei Aufgabe c) die Lösung einen pH, der dem pKS entspricht (4.75).
Ganz folgerichtig wurde denn auch bei d) die Konzentration der Säure häufig mit 0.1 mol/l
eingesetzt, als könnte die Säure völlig unbeeindruckt neben der Natronlauge existieren … Bei
Aufgabe d) entsteht eine Lösung, die man auch durch Auflösen von reinem Natriumacetat in
der entsprechenden Menge Wasser erhalten hätte. Natriumacetat ist eine Base, deren pKB-Wert
sich aus 14 – pKS zu 9.25 ergibt. Mit dieser Base ist rechnerisch genau so zu verfahren wie mit
Ammoniaklösung in Teilaufgabe b), die häufig korrekt bearbeitet wurde.
8) (3 Punke) Gibt man Silberiodid in Wasser und rührt so lange, bis sich das
Löslichkeitsgleichgewicht zwischen der Flüssigkeit und dem schwerlöslichen Feststoff
eingestellt hat, findet man in der Lösung eine Konzentration an gelöstem Silberiodid von 2.88
10-6
g/L.
Berechnen Sie aus diesem Zahlenwert das Löslichkeitsprodukt von Silberiodid.
Zuerst die Molmasse und die Konzentration von Silberiodid: 107.87 + 126.90 = 234.77 g/mol;
2.88 10-6
g/L / 234.77 g/mol = 1.23 10-8
mol/L
KL(AgI) = c(Ag+) c(I
-); es gilt: c(Ag
+) = c(I
-) = 1.23 10
-8 mol/L;
KL(AgI) = (1.23 10-8
mol/L)2 = 1.5110
-16 (mol/L)
2 .
9) (10 Punkte) Nennen Sie Namen und Formel für zwei Mineralien, in denen Aluminium in der
Natur gefunden wird.
Geben Sie außerdem Namen und Formel an für je ein Mineral der Elemente Bor und Indium.
Al2O3 Korund, Rubin, Saphir Na2[B4O5(OH)4] . 8H2O Borax
Al(OH)3 Hydrargillit Na2B4O7 . 10H2O Borax, andere Formulierung
KAlSi3O8 Feldspat CuInS2 Roquésit FeInS4 Indit
Technische Herstellung von Aluminium:
Nennen Sie ein Stichwort für die Methode, mit der Aluminium in der Technik hergestellt wird
und geben Sie eine Reaktionsgleichung an für den Schritt, in dem elementares Aluminium
gebildet wird.
Schmelzflusselektrolyse: Al3+
+ 3 e- → Al
Wählen Sie aus den folgenden Begriffspaaren die für Aluminium zutreffenden Aussagen aus
(je 0.5 Punkte):
a) edel/unedel;
b) an der Luft beständig/unbeständig;
c) eines der zehn häufigsten Elemente auf der Erde/eher selten;
d) ein guter/schlechter elektrischer Leiter.
10) (3 Punkte) Nennen Sie in Stichworten die Umstände, unter denen im Haushalt eine
Bleivergiftung auftreten kann.
(Leitfragen für die Beantwortung: Wo findet man noch Blei in manchen Haushalten? Wie
findet es seinen Weg in den Körper? In welcher Form wird das Blei aufgenommen?)
Bleirohre für Leitungswasser, Blei löst sich in weichem Wasser mit Kohlendioxid als
Hydrogencarbonat Pb(HCO3)2 und wird mit Speisen und Getränken aufgenommen, die aus
Leitungswasser zubereitet werden.
11) (8 Punkte) Formulieren Sie Reaktionsgleichungen (je 2 Punkte) für die Herstellung von
Calciumcarbid und für dessen Reaktion mit Wasser.
CaO + 3 C → CaC2 + CO
CaC2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + C2H2
Geben Sie für die Reaktionspartner Oxidationsstufen der beteiligten Atome (2 Punkte) und für
das organische Reaktionsprodukt eine Valenzstrichformel an (1 Punkt).
Ca +II in allen drei Calciumverbindungen
C entweder ±0 im Element oder –I im Carbid und im Ethin oder +II im Kohlenstoffmonoxid
O –II
H stets +I
Valenzstrichformel: H-C≡C-H
Welchem der einfachen Strukturtypen ähnelt die Kristallstruktur von Calciumcarbid
(Stichwort, 1 Punkt)?
NaCl-Typ (das genügte für den Punkt; die länglichen C22-
- Ionen bewirken eine Streckung der
Elementarzelle in einer Richtung).
12) (6 Punkte) Korrigieren Sie die falschen Namen:
1-Methylheptan, Octan
4-Methylheptan ist korrekt
Ethanon. Ethanal
Zeichnen Sie für eines der drei Moleküle die beiden Stereoisomeren und bezeichnen Sie diese
mit einem Deskriptor. Dieser Teil der Frage entfiel, weil Stereoisomerie bei den drei
Substanzen nicht vorkommt (mein Fehler). Es gab deshalb für jede korrekte Zuordnung der
drei Namen zwei Punkte.
13) (5 Punkte) Zeichnen Sie eine Valenzstrichformel für Phenylmethylketon („Acetophenon“)
und unterbreiten Sie einen Synthesevorschlag (Reaktionsgleichung), der von Benzol ausgeht.
Bezeichnen Sie den Reaktionstyp mit einem Stichwort.
Elektrophile Aromatensubstitution
14) (6 Punkte) Geben Sie Reaktionsgleichungen an für die Herstellung von Polyestern aus drei
unterschiedlichen Arten von Ausgangsmaterialien. (Hier ist nicht die geringfügige
Abwandlung der Grundidee gefragt, die etwa eine C6-Kette durch eine C4-Kette ersetzt,
sondern es werden verschiedene Stoffklassen zum Polyester umgesetzt).
x HOOC-(CH2)4-COOH + x HO-C2H4-OH -[OC-(C4H8)-COO-C2H4O]x- + 2x H2O
Cyclische Ester (Lactone) werden durch Addition von Wasser geöffnet und bilden hernach
unter Wasserabspaltung Polyester.
Man kann auch aus Hydroxycarbonsäuren durch
Wasserabspaltung Polyester herstellen. Diese enthalten eine Carboxylgruppe und eine
Hydroxylgruppe, sind also gleichzeitig Säure und Alkohol. So kann man z. B. aus
Zitronensäure durch Erhitzen Polymere herstellen.
15) (7 Punkte) Beschreiben Sie anhand einer schematischen Zeichnung den Aufbau der
Desoxyribonucleinsäure (DNA) und beschriften Sie die Bausteine (3 Punkte). Machen Sie
stichwortartige Angaben zur Umsetzung der in solchen DNA-Molekülen abgelegten
Information in die Aminosäuresequenz von Proteinen. (Vier fragmentartige Phrasen genügen
für vier Punkte).
CH3
O
+ H3C CO
Cl
AlCl3 CH3
O
+ HCl
O
O
xO
O
O
x
O
O
H OHx
- x H2O
H2O
- H2O
(Wasser als Katalysator)
Es sollte eine leiterartige
Struktur aus zwei Strängen gezeichnet werden. Die spiralige Verdrillung kann zeichnerisch
oder durch den Zusatz Helix“, „helical“, „spiralig“ oder ähnlich zum Ausdruck gebracht
werden. Die drei Bausteine sind Zucker, Phosphat und Base.
Hier eine nicht erschöpfende Auswahl von möglichen Aussagen, die in Form von
„fragmentartigen Phrasen“ gefragt waren:
Drei Basen eines Stranges codieren eine Aminosäure.
Für viele Aminosäuren existieren mehrere „Basentripletts“
An einem DNA-Einzelstrang als „Matrize“ werden „Arbeitskopien“ vom RNA-Typ
synthetisiert („Messenger-Ribonucleinsäure“, als Enzym fungiert RNA-Polymerase)
Transfer-Ribonucleinsäuren (tRNA) binden spezifisch je eine bestimmte Aminosäure.
Die so beladenen tRNA-Moleküle werden nacheinander an die Messenger-RNA (mRNA)
angelagert.
Jedes mRNA-Molekül fügt eine Aminosäure an die wachsende Polypeptidkette an .
16) (8 Punkte) Erstellen Sie eine schematische Zeichnung mit Beschriftung und beschreiben
Sie in stichwortartiger Formulierung die Funktion der Silber/Silberchlorid-Elektrode.
Berechnen Sie das Potenzial dieser Elektrode in einer Metallchloridlösung der Konzentration
0.1 mol/L.
Benutzen Sie für diese Rechnung das Standardredoxpotenzial 0.80 V für das Redoxpaar
Ag+/Ag und das Löslichkeitsprodukt 1.4310
-10 (mol/l)
2 für Silberchlorid.
MgO
Ag
Metallchloridlösung
0.1 mol/l
Funktion als Referenzelektrode: Die Redoxreaktion Ag+ + e
- ⇌ Ag ergibt bei konstanter
Temperatur ein konstantes Elektrodenpotenzial, weil die Konzentration der Silber-Kationen in
der Lösung konstant ist. Dies wird erreicht durch eine hohe Konzentration von Chlorid-Ionen,
die über das Löslichkeitsprodukt die Konzentration der Silber-Kationen in der Lösung
bestimmt: KL(AgCl) = 1.4310-10
(mol/l)2 = c(Ag
+) c(Cl
-) = x 3.0 mol/L.
x = 1.4310-10
(mol/l)2 / 0.1 mol/l = 1.43 10
-9 mol/l = c(Ag
+).
Diese Konzentration der Silber-Kationen wird in die Nernst´sche Gleichung eingesetzt:
E = 0.80 V + 0.059 log 1.43 10-9
/ 1 = 0.28 V.
Kommentar: Probleme traten auf beim Einsetzen in die Nernt´sche Gleichung. Was ist unter
c(Ox) und c(Red) zu verstehen?
Klären Sie zu Beginn Ihrer Überlegungen, welches die beiden Redoxpartner sind. Hier ist
Silber die reduzierte Form, Silber-Kationen stellen die oxidierte Form dar.
Welche Funktion hat das Chlorid? Silberchlorid ist schwerlöslich. In Gegenwart von gelösten
Chlorid-Ionen nimmt die geringe Löslichkeit weiter ab. Diesen Zusammenhang beschreibt das
Löslichkeitprodukt. Die Chlorid-Ionenkonzentration bestimmt also die Konzentration der
Silber-Kationen in Lösung. Kennen wir diese Konzentration, können wir den Zahlenwert in die
Nernst´sche Gleichung einsetzen.
Woher kommt der Zahlenwert 1 für die reduzierte Form?
Da die Konzentration von Silber im reinen Silber der Silberelektrode konstant ist, wird diese
bereits bei der Bestimmung des Standardpotenzials mit berücksichtigt. Eine konstante
Konzentration wird deshalb in die Konstante E° einbezogen. Wir schreiben nur noch die 1, was
wir für alle reinen Feststoffe oder Flüssigkeiten tun können (denken Sie an eine flüssige
Elektrode aus reinem Quecksilber oder einem anderen geschmolzenen Metall).
Klausur vom 24. Februar 2011 1) (3 Punkte) Stellen Sie durch eine schematische Zeichnung eine Elektronenwolke dar, die durch
folgende Angaben definiert wird: n = 3, l = 2. Geben Sie an, welche Werte die nicht genannten
Quantenzahlen annehmen können.
ml = -2, -1, 0, 1, 2; s = ½ oder -½
2) (3 Punkte) Definieren Sie stichwortartig die Ionisierungsenergie (EIon.) eines Atoms und nennen Sie
je einen Grund für folgende Beziehungen: EIon.(S) < EIon.(P); EIon.(Al2+
) < EIon.(Mg2+
). (Anmerkung: (S)
steht für Schwefel, u.s.w.)
Der für die Entfernung eines Elektrons von einem Atom oder einem Ion in der Gasphase erforderliche
Energiebetrag ist die Ionisierungsenergie dieses Atoms oder Ions.
Ein Schwefelatom ist leichter zu ionisieren als ein Phosphoratom, weil Phosphor mit drei Elektronen in
den 3p-Orbitalen über eine energetisch günstige halbbesetzte p-Unterschale verfügt. Das vierte p-
Elektron des Schwefels ist aus diesem Grund relativ leicht zu entfernen. Das Mg2+
-Kation verfügt über
eine abgeschlossene Edelgasschale, weshalb die Entfernung eines weiteren Elektrons
3) (8 Punkte) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der metallischen Bindung (1). Zeichnen Sie
die räumliche Anordnung der Atome in einem der drei häufigsten Metallgitter und geben Sie die Anzahl
der nächsten Nachbarn jedes Atoms an (2). Begründen Sie die elektrische Leitfähigkeit und die
Verformbarkeit der Metalle (2). Beschreiben Sie die Art der chemischen Bindung im Diamant
(Stichwort, Orbitalskizze für eine Bindung) (1.5) und begründen Sie dessen Isolatoreigenschaft, die
Härte und die herausragende Wärmeleitfähigkeit (1.5).
Metall-Kationen von Elektronengas umgeben.
Kubisch dichteste Hexagonal dichteste kubisch raumzentrierte Kugelpackung
12 12 8 nächste Nachbarn
Bewegliche Elektronen transportieren Ladung und Wärme
Diamant: Kovalente Bindung, grob schematisch sind zwei
Kohlenstoffatome und je ein Lappen eines sp3-Hybridorbitals zu erkennen.
Es gibt keine beweglichen Elektronen, alle Valenzelektronen sind in starken Bindungen
lokalisiert. Deshalb ist Diamant ein Isolator und besitzt eine herausragende Härte. Die
Wärmeleitfähigkeit kommt durch Energieübertragung über Gitterschwingungen zustande.
4) (7 Punkte) Bei der Explosion von 10 g Glycerintrinitrat (der dreifache Salpetersäureester des
Glycerins, Trivialname „Nitroglycerin“) in einem geschlossenen Metallzylinder von 2 Liter Rauminhalt
entsteht eine Temperatur von 1100 K. Der Zylinder war vor der Explosion bei 298 K mit Luft gefüllt,
der Druck betrug 101.3 kPa. Geben Sie eine Reaktionsgleichung an (2) und machen Sie stichwortartige
Angaben zur Änderung von Enthalpie, Entropie und Freier Reaktionsenthalpie während der Reaktion
(2). Schreiben Sie die Fundamentalgleichung, die einen Zusammenhang zwischen diesen Größen
herstellt (1) und berechnen Sie den Druck nach der Explosion (2).
4 C3H5(ONO2)3 → 12 CO2 + 10 H2O + 6 N2 + O2 (aus 4 mol Nitroglycerin entstehen 29 mol Gase)
Die Reaktionsenthalpie ist stark negativ, die Reaktionsentropie stark positiv und die Freie
Reaktionsenthalpie stark negativ wie für alle Sprengstoffe.
Fundamentalgleichung: ΔG = ΔH – TΔS
C3H5(ONO2)3, M = 227.09 g/mol, Stoffmenge = 44.0 mmol, daraus entstehen 44 29/4 = 319 mmol
Gase. Im Zylinder waren zwei Liter Luft, die Stoffmenge n = 101300 Pa 0.002 m3/8.3143 J/mol K
298 K = 0.0818 mol.
Die gesamte Stoffmenge der Gase im Zylinder beträgt 401 mmol. Daraus errechnet sich der Druck wie
folgt:
p = 0.401 8.3143 1100 / 0.002 = 1.834 MPa = 18.10 bar
5) (2 Punkte) Nennen Sie ein technisches Verfahren, bei dem man sich den Joule-Thomson-Effekt
zunutze macht und definieren Sie in diesem Zusammenhang den Begriff der Inversionstemperatur.
Luftverflüssigung, der Joule-Thomson-Effekt bewirkt Abkühlung bei der Expansion komprimierter
Gase. Dies gilt jedoch nur unterhalb der Inversionstemperatur. Oberhalb dieser Temperatur erwärmt
sich ein Gas bei der Expansion. Bei der Inversionstemperatur tritt der Effekt nicht auf, Expansion eines
Gases ist dann nicht mit einer Temperaturänderung verbunden.
6) (2 Punkte) Geben Sie die Ursache des Tyndall-Effektes an und nennen Sie ein Substanzgemisch, das
diesen Effekt zeigt.
C C
Lichtstreuung an Partikeln, deren Dimensionen im Bereich der Wellenlänge von sichtbarem Licht
liegen. Beispiele sind Lösungen von Makromolekülen (Proteine, Stärke, Tapetenkleister, DNA) oder
Kieselgel.
7) (3 Punkte) Geben Sie Valenzstrichformeln und Oxidationsstufen der beteiligten Atome für
Wasserstoffperoxid, Stickstoffdioxid und Sulfat an.
8) (7 Punkte) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für eine katalytische Reaktion Ihrer Wahl.
Nennen Sie den Katalysator und beschreiben Sie dessen Funktion in Stichworten. Stellen Sie die
Änderung der Freien Enthalpie (senkrechte Achse) im Reaktionsverlauf dar (die waagerechte Achse
beginnt links mit den reinen Ausgangsverbindungen bei 0% Umsatz und endet rechts bei den reinen
Reaktionsprodukten und 100% Umsatz) und zeichnen Sie eine entsprechende Kurve für die gleiche
Reaktion ohne Katalysator.
Beispiele: Ammoniaksynthese, NO, H2SO4 etc.
9) (5 Punkte) Berechnen Sie pH-Werte für a) Essigsäure (pKS = 4.75, Konzentration 0.2 mol/L), b) eine
Mischung von Essigsäure (0.1 mol/L) und Natriumacetat (0.3 mol/L), c) die gleiche Mischung wie in
Aufgabe b), jedoch mit dem neunfachen Volumen Wasser verdünnt, d) eine Lösung von Natriumacetat
(0.1 mol/L). Benutzen Sie für die Berechnung geeignete Näherungsverfahren. Wie nennt man
Mischungen nach der in Teilaufgabe b) und c) genannten Art?
a) pH = ½[pKS – log c°] = 2.72
b) pH = pKS – log c(S)/c(B) = 4.75 – log 0.1/0.3 = 5.23
c) 5.23, die Verdünnung ändert nicht den pH
d) pKB = 14 – pKS = 9.25; pOH = ½[pKB – log c°] = 5.125; pH = 8.875
Die Mischungen aus schwacher Säure und deren Salz nennt man Pufferlösungen.
10) (6 Punkte) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Auflösung von Bariumchromat
(BaCrO4) in Wasser. Das Löslichkeitsprodukt beträgt 1.6 × 10-10
(mol/L)2. Berechnen Sie die
Konzentration der Chromat-Ionen (CrO42-
) in einer gesättigten Lösung. Wie ändert sich diese
Konzentration, wenn in einem Liter Lösung 0.01 mol Bariumchlorid gelöst werden? Wie viel
Bariumchlorid wird benötigt? (Angabe in Milligramm).
BaCrO4 ⇌ Ba2+
+ CrO42-
c(CrO42-
) = x; x2 = 1.6 × 10
-10 (mol/L)
2; x = 1.26 × 10
-5 (mol/L)
Um einen Liter Bariumchloridlösung der Konzentration 0.01 mol/L herzustellen, benötigt man 10 mmol
BaCl2. Die Molmasse beträgt 137.33 + 2 35.453 = 208.236 g/mol, man benötigt also 2.082 g
Bariumchlorid. In dieser Lösung löst sich jetzt entsprechend weniger Bariumchromat:
x 0.01 mol/L = 1.6 × 10-10
(mol/L)2; x = 1.6 × 10
-8 (mol/L)
Reaktionskoordinate
G
ProdukteEdukte
ohne
mitKatalysator
EA
GR
- +
11) (7 Punkte) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Entstehung eines Helium-, Beryllium-
oder Kohlenstoffkerns durch eine Fusionsreaktion. (Ein Beispiel genügt). Beschreiben Sie anhand einer
Skizze das Verhalten von drei verschiedenen Arten der radioaktiven Strahlung im elektrischen Feld
senkrecht zur Strahlrichtung. Beschreiben Sie eine Reaktion aus der Zerfallsreihe von 238
U anhand einer
Reaktionsgleichung.
2H
+ +
1H
+ →
3He
2+ +
3He
2+ +
3He
2+ → 4He
2+ + 2
1H
+
4He
2+ +
3He
2+ → 7
Be4+
+ 7Li
3+ +
1H
+ → 2
4He
2+
4He
2+ +
4He
2+ ⇋ 8Be
4+ +
8Be
4+ +
4He
2+ → 12C
6+ +
12) (9 Punkte) Nennen Sie drei in der Natur vorkommende Schwefelverbindungen mit Namen und
Summenformel und beschreiben Sie anhand von Reaktionsgleichungen die Herstellung von
Schwefelsäure aus einer der von Ihnen genannten Verbindungen. (Falls die von Ihnen gewählten
Schwefelverbindungen nicht zur Herstellung von Schwefelsäure geeignet sein sollten, dürfen Sie auch
eine andere Schwefelverbindung verwenden).
Jede in der Natur vorkommende Schwefelverbindung ergibt einen Punkt, wenn Formel und Name
korrekt angegeben werden – bis zu drei Punkte.
Für die Herstellung von Schwefelsäure soll durch Rösten eines Metallsulfids Schwefeldioxid erzeugt
und dann in Schwefelsäure umgewandelt werden. Jede korrekte Reaktionsgleichung ergibt zwei Punkte,
bis zu sechs Punkte können mit drei korrekten Reaktionsgleichungen hier erworben werden.
2 CuS + 3 O2 → 2 CuO + 2 SO2 oder 4 CuS + 5 O2 → 2 Cu2O + 4 SO2
2 SO2 + O2 ⇋ 2 SO3 Katalysator: Platin oder V2O5
SO3 + H2SO4 → H2S2O7 Dischwefelsäure
H2S2O7 + H2O → 2 H2SO4 Schwefelsäure
234 Th90
- 4He2
234Pa91
234U92
- 4He2
222Rn86
218Po84
218Po84218At85
- 4He2-e-
-e-- 4He2
214Bi83
210 Tl81214Po84
- 4He2-e-
-e-- 4He2
210Pb82
206Hg80210Bi83
- 4He2-e-
-e-- 4He2
206 Tl81210Po84
-e-
-e-- 4He2
206Pb82
238U92238U92
- 4He2- 4He2
-e-
-e-
- 4He2- 4He2
230 Th90
- 4He2- 4He2
226Ra88
13) (7 Punkte) Geben Sie eine vereinfachte Reaktionsgleichung für die Herstellung von Carbonsäuren
an. Nennen Sie fünf Carbonsäuren mit Namen und Formel, darunter eine ungesättigte Carbonsäure, eine
Carbonsäure mit einem aromatischen Ring, eine Dicarbonsäure, eine chirale Carbonsäure und eine α-
Aminosäure.
(auch andere Gleichungen können hier anerkannt
und mit zwei Punkten honoriert werden, z. B.:
Eine Auswahl von Carbonsäure bietet folgende Tabelle:
Tab. 1 Namen, Formeln und Eigenschaften einiger Carbonsäuren
R-CH2-OH- H2O
R C
O
H[O][O]
R C
O
OH
H CO
OHH3C OH
2 [O]
- H2O
HCCl3 + 4 KOH H CO
O- K
++ 2 H2O
NaOH + CO6 - 8 bar
120 - 130 °CH C
O
O- Na
+
Name Formel oder rationeller
Name
Carbonsäuren
F.p.
/°C
K.p.
/°C
Anion a) Bemerkung
Ameisensäur
e
HCOOH 8.4 101 Formiat Ameise, Brennnessel
Essigsäure CH3COOH 17 118 Acetat Ethanoloxidation
Propionsäure C2H5COOH -21 141 Propiona
t
Löcher im Käse b)
Buttersäure CH3 (CH2)2COOH -5 163 Butyrat Ranzige Butter
Valeriansäur
e
CH3 (CH2)3COOH -32 184 Valerat Ester→Fruchtaromen
Capronsäure CH3 (CH2)4COOH -3.9 206 Capronat in Milchfett, Aromen
Oenanthsäur
e
CH3 (CH2)5COOH -10 222 Oenanth
at
in Weinhefe entdeckt
Caprylsäure CH3 (CH2)6COOH +10 237 Caprylat Kokosfett, Insektenspray c)
Pelargonsäur
e
CH3 (CH2)7COOH 12 255 Pelargonat Pelargonien, Hopfenöl
Caprinsäure CH3 (CH2)8COOH 31 268 Caprinat Ziegenbock-Geruch
Palmitinsäur
e
CH3 (CH2)14COOH 61 271.4 Palmitat häufigste Säure in
Fetten
Stearinsäure CH3 (CH2)16COOH 69 370 Stearat in fast allen Fetten
Ölsäure d) CH3(CH2)7CH=CH-
(CH2)7COOH
17 360 Oleat Sonnenblumenöl u. v.
a.
Linolsäure Z,Z-9,12-Octadecadiensäure -5 229 Linolat in Safloröl u. v. a.
Ölen
Linolensäure Z,Z,Z -9,12,15-
Octadecatriensäure -5 229 Linolat Chiaöl, Perillaöl,
Leinöl …
Cerotinsäure CH3 (CH2) 24COOH 86 – 87 Cerotat Bienenwachs
Montansäure CH3 (CH2) 26COOH 91 – 93 Montana
t
Montanwachs e)
Melissinsäur
e
CH3 (CH2) 28COOH 92 – 94 Melissat Bienenwachs,
Schellack
Benzoësäure C6H5COOH 122.1 250 Benzoat Benzoëharz,
Heidelbeere
Acrylsäure H2C=CHCOOH 13 141 Acrylat industriell aus Propen
Sorbinsäure CH3(CH=CH)2COOH 134 153
f)
Sorbat Vorstufe in
Vogelbeeren
Milchsäure CH3CH(OH) COOH 18 rac
53 R,S
g)
122
h)
Lactat Saure Milch
Dicarbonsäuren
HOOC-X-COOH
Oxalsäure HOOC-COOH 189.5, Z. Oxalat Rhabarber,
Nierensteine
Malonsäure HOOCCH2COOH 136 Z. Malonat im Zuckerrübensaft
Bernsteinsäu
re
HOOCCH2CH2COOH 184 235 Succinat in Algen, Pilzen
Fumarsäure trans-
HOOCCH=CHCOOH
287 Z. Z. Fumarat Pflanzen, Pilze,
Flechten
Maleinsäure cis- HOOCCH=CHCOOH >135 Z. Z. Maleinat industriell aus Butan
Adipinsäure HOOC(CH2) 4COOH 151 330.5 Adipat Zuckerrübe, Rote
Beete
Phthalsäure o-C6H4(COOH)2 191 Z. Phthalat industriell aus o-Xylol
Weinsäure HOOCCH(OH)CH(OH)CO
OH
206 rac
g)
169 R,S
140 meso
Z. Tartrat im Weinstein als
Kalium-
hydrogentartrat
Äpfelsäure HOOCCH2CH(OH)COOH 131 rac
101 R,S
Z. Malat in unreifen Früchten
wie Äpfeln, Quitten,
Beeren
Carbonsäuren mit mehr
als zwei Carboxylgruppen
Citronensäur
e
HOOC-C(OH)(CH2COOH)2 153 Z. - Citrat in Zitronen
Ethylendiamin-
tetraessigsäure C2H4(CH2COOH)4
Abkürzung EDTA
Z. >150 i) Synthetisch aus Ethylendi-
amin, Komplexbildner
Mellithsäure C6(COOH)6 288 - Mellitat Honigstein k)
Z.: Zersetzung, a) die Anionen werden auch mit dem Namen des Kohlenwasserstoffs mit der
gleichen Anzahl C-Atome + Endung ‚oat‘ benannt, z. B. Methanoat für Formiat oder
Hexandioat für Adipat. b) Propionsäurebakterien bilden bei der Käsereifung Propionsäure und
Kohlendioxid, welches im Emmentaler Blasen treibt; c) Caprylsäure ist nicht giftig, löst
jedoch den Chitinpanzer von Insekten und tötet diese dadurch; d) cis-Verbindung; e) aus
Braunkohle extrahierte Ester langkettiger Carbonsäuren mit langkettigen Alkoholen; f) bei
66.7 mbar; g) zum Verständnis der Begriffe rac, meso, R und S siehe die folgenden
Ausführungen zur Chiralität von Ibuprofen und Weinsäure; h) bei 2 kPa; i)
Ethylendiamintetraacetat k) Honigstein ist das Aluminiumsalz der Mellithsäure und wird in
Braunkohle in Form von Drusen gefunden.
Aminosäuren: R =
u. a. (Skript S. 203, 204)
14) (7 Punkte) Geben Sie je eine allgemein formulierte, schematische Reaktionsgleichung an für die
Herstellung von a) Polyestern und b) von Polyamiden. Beschreiben Sie (in Stichworten und/oder
anhand von Schemazeichnungen), wie einer der von Ihnen genannten Kunststoffe so variiert werden
kann, dass nach Wunsch ein Thermoplast, ein Elastomer oder ein Duroplast entsteht.
COOH
C
R
H2N H HC
COOH
RNH2
CH3 CHH3C CH3
H2C
CHH3C CH3
CHH3C CH2
CH3
Polyester Polyamid
Man kann ein Triol oder eine Tricarbonsäure, bei den Polyamiden ein Triamid verwenden, um eine
Vernetzung zu erzielen. Mit wenig Vernetzungsreagenz resultiert eine weitmaschige Vernetzung, die
einem Elastomer entspricht. Mit einer höheren Konzentration der vernetzenden trifunktionellen
Bausteine wird die Vernetzung engmaschig, es entsteht ein Duroplast.
Alternative: Enthält die Diol- oder die Dicarbonsäure-Komponente Doppelbindungen, so kann nach
der Polykondensation eine radikalische Polymerisation der enthaltenen Doppelbindungen oder eine
Vulkanisation mit Schwefel stattfinden, die ebenfalls zur Vernetzung führt. Diese Strategie lässt sich
auch auf Polyamide übertragen..
15) (11 Punkte) Bitte direkt auf dem folgenden Blatt mit den Formelzeichnungen beantworten: Ordnen
Sie den folgenden Valenzstrichformeln Namen zu. Markieren Sie ein Chiralitätszentrum mit einem
Stern. Kennzeichnen Sie den kondensierten Aromaten durch Umkreisen und geben Sie den Rohstoff
an, aus dem er gewonnen wird. Welche der gezeigten Verbindungen ist bereits bei Raumtemperatur
empfindlich gegen Luftsauerstoff? Bezeichnen Sie die Bindung, die angegriffen wird, mit einem Pfeil.
3-Methylpentanal, Butylacetat oder Essigsäurebutylester (beide Namen auch mit n-), trans-4-Methyl-
3-hexen-2-on, o-Nitrophenol oder o-Hydroxynitrobenzol (auch Zahlen 1,2- erlaubt), Benzoësäure oder
Benzolcarbonsäure, 3-Chloranilin oder m-Chloranilin oder 3-Aminochlorbenzol, Naphthalin.
HO
C
O
C
OH
O
x + x HO OH
C
O
C
O
O O
x+ 2x H2O
HO
C
O
(CH2)4 C
OH
O
x + x H2N (CH2)6 NH2
C
O
(CH2)4 C
O
NH (CH2)6 NH
x+ 2x H2O
H
O
O
O
O
NO2
OH COOH NH2
Cl
Chiralitätszentrum beim 3-Methylpentanal, Naphthalin einkreisen, Steinkohlenteer als Quelle
angeben. Der Aldehyd ist empfindlich gegen Luftsauerstoff, die C-H-Bindung der CHO-Gruppe wird
angegriffen.
16) (6 Punkte, ein Extrapunkt wird erteilt für eine Valenzstrichformel eines konkreten Moleküls zum
Aufbau von Zellmembranen) Zeichnen Sie grob schematisch ein typisches Molekül für den Aufbau
von Zellmembranen und geben Sie Stichworte an zur Schemazeichnung (3). In die Zellmembran soll
ein Protein eingefügt werden. Nennen Sie die Gruppe von Aminosäuren, die sich für den Aufbau eines
Proteinsegments eignet, welches sich gut in die Membran einfügen lässt (1). Geben Sie ein konkretes
Beispiel aus dieser Gruppe von Aminosäuren an mit Name und Strukturformel in der Fischer-
Projektion (2). Nennen Sie eine Aufgabe, die von einem Membranprotein wahrgenommen werden
könnte (1).
hydrophiler Kopf, zwei lipophile Ketten
als Beispiele
Sequenzen aus lipophilen Aminosäuren sind geeignet für den Einbau in die Membran.
Beispiele: H2N-CHR-COOH, R =
Aufgaben für Membranproteine: Ionenkanal, Transportprotein, Signalübertragung,
Zelladhäsion, Rezeptor u. v. a.
17) (7 Punkte) Stellen Sie den Aufbau eines Natrium-Schwefel-Akkumulators schematisch dar. Geben
Sie Reaktionsgleichungen für die beiden Elektrodenreaktionen an und machen Sie die Richtung der
Reaktion deutlich (Laden/Entladen). Bezeichnen Sie zwei für die Funktion des Akkumulators wichtige
Materialien außer Natrium, Schwefel und den beiden Elektroden.
O
O
O
O
OO
HO
HO
OH
OH
NH2
OH
Sphingosin
CH2OH
NH2
OH
OO
OH
OH
HO
OH
O
CH3 CHH3C CH3
H2C
CHH3C CH3
CHH3C CH2
CH3
CH2
H2N CH
CH2
CH2
H2C
COO-
+
CH2
H2CS
CH3N
H
H2C
Graphit in der Schwefelschmelze für elektrische Leitfähigkeit, Natriumaluminat – Keramik.
Nachklausur vom 26. Mai 2010
1) (10 Punkte) Beschreiben Sie den Aufbau des Streuversuchs von Rutherford anhand einer
Skizze (2 Punkte) und anhand von Stichworten (4 Punkte). Goldfolie, -Strahl,
strahlenempfindlicher Film, Bleiblock. Beschreiben Sie die Beobachtung in stichwortartigen
Formulierungen (2 Punkte). Wie wurde das Ergebnis von Rutherford gedeutet (2 Punkte)?
Die meisten -Teilchen gehen ungehindert durch, wenige
werden abgelenkt, diese aber können sehr stark abgelenkt werden.
Deutung: Die Hauptmasse des Atoms sitzt im Atomkern, der Raum ist nahezu leer. Der Kern
ist positiv geladen, in der Hülle sind praktisch masselose negative Ladungsträger.
2) (12 Punkte) Frage zur ionischen Bindung: Geben Sie eine Reaktionsgleichung an als
Beispiel für die Entstehung von Ionen aus neutralen Atomen (2 Punkte). Welche treibende
Kraft bringt die Elektronen dazu, von einem neutralen Atom auf ein anderes neutrales Atom
überzugehen? (Elektronegativität, 1 Punkt). Beschreiben Sie in Stichworten oder kurzen
Phrasen die ionische Bindung (3) und fertigen Sie eine Zeichnung für eines der beiden
folgenden Ionengitter an: Entweder Zinkblende (ZnS) oder Fluorit (CaF2) (2 Punkte). Geben
Sie für die beiden Ionensorten die Koordinationszahl an. Nennen Sie die
Strukturverwandtschaft zwischen Zinkblende und Diamant (Austausch von Zink und
Schwefel gegen Kohlenstoff ergibt das Diamantgitter, 1 Punkt) und geben Sie an, welche Art
der chemischen Bindung im Diamant vorliegt (kovalent, 1 Punkt). Welche der beiden
Graphit Eisen
Na(l)S8(l)
Na2O/Al2O3-Keramik
Goldfolie
-Strahl
Bindungsarten ist stärker (kovalent, 1 Punkt), an welcher physikalischen Eigenschaft kann
man dies gut erkennen? (Härte, 1 Punkt).
3 (3 Punkte) Nennen Sie je ein natürlich vorkommendes Beispiel für folgende Mischungen.
Geben Sie den Namen des Gemisches an und eine Bezeichnung für diese Klasse von
Gemisch.
Beispiel: Heterogen, fest / flüssig ? Antwort: Regenwasser mit Staubpartikeln, Suspension
a) Heterogen, fest / fest Holz, Granit
b) Homogen, fest / flüssig Meerwasser (filtriert) Lösung
c) Heterogen, flüssig / flüssig Milch, Mayonnaise, Salben, Soßen, Cremes, Emulsion
4 (10 Punkte) wenn man 50 mL Wasser (H2O) mit 50 mL reinem Ethanol mischt (C2H5OH),
erhält man 97 mL Gemisch. Die Dichte von Wasser beträgt bei 20 °C 1.00 g/mL, die Dichte
von Ethanol ist 0.79 g/mL. Berechnen Sie die Ethanol-Stoffmengenkonzentration in mol/L (2
Punkte), die Molalität des gelösten Ethanols (2 Punkte) sowie den Molenbruch der beiden
Komponenten (2 Punkte). Welchen Vorteil hat die Angabe der Molalität gegenüber der
Molarität? (1 Punkt). Warum erhält man beim Mischen weniger als 100 mL Lösung? (1
Punkt) Welcher Druck wird aufgebaut, wenn die 97 mL Lösung in einem stabilen Gefäß von
1.5 L Rauminhalt auf 900 °C aufgeheizt werden? (2 Punkte, R = 8.3143 J/mol K)
Lösung:
H2O M = 18.015 g/mol, 50 g ≙ 2.776 mol; Ethanol M = 46.07 g/mol, 50 g ≙ 1.085 mol
Stoffmengenkonzentration: 1.085 mol/0.097 L = 11.19 mol/L
Molalität: 1.085 mol/0.050 kg = 21.70 mol/kg
Molenbruch: 1.085 mol /(1.085 + 2.776)mol = 0.281 (für Ethanol), der Rest ist Wasser: 0.719
Vorteil der Molalität: Der Zahlenwert ist unabhängig von der Temperatur
Wasserstoffbrücken zwischen Wasser und Ethanol stärker als zwischen Ethanol-Molekülen
3.861 mol, T = 1173 K, V = 0.0015 m3, R = 8.3143 J/mol K einsetzen in Gasgleichung
5) (8 Punkte) Beschreiben Sie anhand von Reaktionsgleichungen (je 2 Punkte)
a) die Reduktion einer Metallverbindung zum Element
b) die Bildung eines Salzes aus Metall und Säure
c) die Bildung eines Salzes aus Base und Säure
Geben Sie für Reaktion a) Oxidationsstufen an für alle beteiligten Atome. (2 Punkte)
6) (12 Punkte) 50 ml Ameisensäure der Konzentration 0.1 mol/l werden titriert mit
Natronlauge der gleichen Konzentration. Berechnen Sie den pH-Wert der Lösung nach
Zugabe von 0 ml, 3 ml, 25 ml, 50 ml und 60 ml Natronlauge und zeichnen Sie eine
Titrationskurve mit Angabe von Stichwörtern zu markanten Punkten und Bereichen der
Kurve. (pKS (HCOOH) = 3.70, sinnvolle Näherungen bei der pH-Berechnung sind erlaubt).
0 mL: pH = ½[pKs – log c(Säure)]
3 mL: pH = pKs – log [c(Säure)/c(Base)] = 3.70 + log 3/47 = 4.90
25 mL: pH = pKs = 3.70
50 mL: pKB = 14 – pKs = 10.30; pOH = ½[pKB – log c(Base)] = 5.80, pH = 14 – pOH = 8.20
60 mL: 1 mmol Basenüberschuss in 110 mL Volumen; c(OH-) = 1/110 mol/L = 0.0091
mol/L; pOH = 2.04; pH = 11.96
7) (6 Punkte) Wie viel Silberchlorid löst sich in 1 L reinem Wasser? Geben Sie die
Stoffmenge in mol und die Masse in mg an (3 Punkte). Das Löslichkeitsprodukt von
Silberchlorid beträgt 1.43 10-10
(mol/L)2. Berechnen Sie das elektrochemische Potenzial
einer Silberelektrode, die in eine Natriumchloridlösung mit c(Cl-) = 0.1 mol/l eintaucht (3
Punkte, Stichwort Silber-Silberchlorid-Elektrode). Das Standardpotenzial einer Ag/Ag+-
Halbzelle beträgt +0.80 V.
Lösung:
M(AgCl) = 143.323 g/mol; c(Ag+) = c(Cl
-) = [1.43 10
-10 (mol/L)
2]
1/2 = 1.2 10
-5 (mol/L) ≙
1.72 mg
In NaCl-Lösung: c(Ag+) = 1.43 10
-9 (mol/L); E = 0.80 + 0.059 log 1.43 10
-9 = 0.80 V –
0.52 V = 0.28 V
8) (3 Punkte) Nachstehend finden Sie einige Reaktionsgleichungen für
Gleichgewichtsreaktionen. Geben Sie in der folgenden Tabelle an, ob Druck- oder
Temperaturerhöhung zu mehr Produkt (bitte Pluszeichen + eintragen) oder zu weniger
Produkt führt (bitte Minuszeichen – eintragen). Gehen Sie im Zweifelsfall davon aus, dass vor
der Druckerhöhung Normaldruck vorliegt.
Reaktionsgleichung Druckerhöhung Temperaturerhöhung
C + CO2 ⇄ 2 CO - +
N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3 + -
Eis ⇄ Wasser + +
9) (12 Punkte) Nennen Sie mit Mineralnamen und Formel je ein natürlich vorkommendes
Mineral für Lithium, Natrium, Kalium, Beryllium, Magnesium, Barium, Zinn, Blei, Antimon
und Tellur.
In welcher löslichen Form kann Blei z. B. aus Bleirohren über das Trinkwasser in den Körper
gelangen? (1 Punkt). Wo finden wir Lithiumverbindungen im Haushalt? (Stichwort, 1 Punkt)
Die wichtigsten Mineralien der Hauptgruppenelemente sind nachfolgend aufgelistet. Merken
Sie sich bitte pro Element ein Mineral, wenn im Vorlesungsskript bis zu drei Mineralien
genannt werden. Merken Sie sich zwei Mineralien, wenn 4 – 6 Mineralien genannt werden
und drei, wenn mehr als sechs natürliche Mineralien im Skript aufgelistet sind.
Alkalimetalle LiCl in Salzseen
LiAlSi4O10 Petalit
LiAlSi2O6 Spodumen
K2(Li,Al)5-6[Si6-7Al2-1O20](OH,F)4 Lepidolith
NaCl Steinsalz, Meerwasser
NaNO3 Chilesalpeter
Na2[B4O5(OH)4]. 8H2O Borax (z. B. Mojave-Wüste, Californien)
KCl Sylvin
KCl.MgCl2
.6H2O Carnallit
Rubidium (≥ 1%) im Lepidolith
CsAl[SiO3]2. 0.5 H2O Pollux (selten)
Erdalkalimetalle Be3Al2Si6O18 Idealformel mit Varianten, hexagonales Cyclosilikat, bildet meterlange Säulen
Mg6(O)8(Si4O10) Serpentin MgSO4 . H2O Kieserit
Mg2SiO4 Forsterit KCl . MgSO4
. 3 H2O Kainit
Mg3(OH)2(Si4O10) Talk, Speckstein MgCl2. 6 H2O Bischofit
MgCO3 Magnesit, Bitterspat
Calcium ist Bestandteil fast aller Erstarrungsgesteine. So sind im Granit ca. 2%, im Diorit 7-8%, im Trachit 3%,
im Syenit 4.3% und im Basalt 9% CaO gebunden, meist als Feldspat.
Das natürliche Mineral Gips CaSO4.2H2O bildet die größten bekannten Einkristalle (außer den spekulativen
Eisenkristallen im Erdkern) mit bis zu elf Metern Länge.
CaSO4 Anhydrit SrCO3 Strontianit
CaSO4 . 2 H2O Gips SrSO4 Cölestin
Ca5(PO4)3(F,OH) Apatit
CaF2 Flussspat BaSO4 Baryt
CaCO3 . MgCO3 Dolomit BaCO3 Witherit
KCl . MgCl2
. 6 H2O Carnallit
CaCO3 Kalk, Calcit, Kalkspat, aus Muschelschalen entstanden, mächtige Lager
Borgruppe Na2[B4O6(OH)2]
. 3H2O Kernit
Na2[B4O5(OH)4] . 8H2O Borax
Na[Mg3Al6(OH)4(BO3)3(Si6O18)] Turmalin (Dravit, braun bis grün)
Na[FeII
3(Al,Fe)6(OH)4(BO3)3(Si6O18)] Turmalin (Schörl, farblos bis tiefgrün, rot, blau)
KAlSi3O8 Feldspat, Orthoklas
NaAlSi3O8 Feldspat, Albit
CaAl2Si2O8 Feldspat, Anorthit
KAl3Si3O10(OH,F)2 Glimmer, Muskovit
CaAl4Si2O10(OH)2 Glimmer, Margarit
Al2O3 Korund
Al2O3 mit Spuren von Cr2O3 Rubin
Al2O3 mit Spuren von V2O5 oder TiO2 Saphir
Aluminiumhydroxid-Mineralien Bauxit (Gemisch)
γ-AlO(OH) Böhmit
α-AlO(OH) Diaspor
γ-Al(OH)3 Hydrargillit
Kohlenstoffgruppe SiO2 Quarz, optisch aktiv (Rechtsquarz und Linksquarz)
SiO2 Cristobalit
SiO2 Tridymit
Im Mineral Ag8GeS6 (Argyrodit) entdeckte Clemens Winkler 1886 das Germanium, weil er nicht bereit war, die
konstante Abweichung seiner Analysenergebnisse (die gefundenen Werte für Silber und Schwefel ergaben
zusammen nur ca. 93% der Einwaage) als Fehler zu akzeptieren.
Cu13Fe2Ge2S16 Germanit
(Cu,Zn)11(Ge,As)2Fe4S16 Reniérit
Cu10ZnGe2Fe4S16 Zinkreniérit
Cu11GeAsFe4S16 Arsenreniérit
SnO2 Zinnstein, Cassiterit
Cu2FeSnS4 Zinnkies, Stannit
PbS Bleiglanz, Galenit
PbCO3 Cerussit, Weißbleierz
PbCrO4 Krokoit, Rotbleierz
PbMoO4 Wulfenit, Gelbbleierz, Bleimolybdat
PbWO4 Stolzit
Pb5(PO4)3Cl Pyromorphit
Pb5(VO4)Cl Vanadinit
PbSO4 Anglesit
Pnicogene Distickstoff, N2 ca. 3.9
. 10
15 t in der Atmosphäre
Natriumnitrat, NaNO3 im Chilesalpeter
Kaliumnitrat, Calciumnitrat in kleinen Mengen, ebenso Ammoniumchlorid
Alle lebenden Organismen enthalten Stickstoff (Proteine und andere Verbindungen)
Phoshpor kommt meist in Form von Calciumphosphaten vor:
Ca5(PO4)3(OH) Hydroxylapatit
Ca5(PO4)3(F) Fluorapatit
Ca10(PO4)6(CO3) Carbonatapatit
Seltener sind: Fe3(PO4)2 .
8 H2O (Vivianit, Blaueisenerz), Monazitsand (Silikate und Phosphate von Cer und
anderen Seltenerdmetallen sowie Thorium) oder als Aluminiumphosphate unterschiedlicher Zusammensetzung,
die Fluorid und Hydroxid enthalten.
Arsen kommt als Scherbenkobalt (auch Fliegenstein genannt) elementar sowie in Verbindungen mit Metallen,
mit Schwefel oder mit Sauerstoff in der Natur vor.
FeAsS Arsenopyrit
(Co,Fe)AsS Cobaltin
Ag3AsS3 Proustit, lichtes Rotgültigerz
Cu3As Arsenkupfer
FeAs2 Löllingit
PtAs2 Sperrylith
As4S4 Realgar
As2S3 Auripigment
As2O3 Arsenik, Arsenblüte, Arsenolith (Verwitterungsprodukt)
Antimon kommt ebenfalls elementar vor, hauptsächlich jedoch in Form von Sulfiden, seltener als
Metallverbindungen. Beispiele sind
Sb2S3 Grauspießglanz (Antimonglanz, Antimonit, Stibnit)
Ag3SbS3 Antimonsilberblende, Pyrostilpnit, Feuerblende
CuSbS2 Wolfsbergit, Kupferantimonglanz
AgSbS2 Silberantimonglanz
NiSb Breithauptit
Ag3Sb Dykrasit, Antimonsilber
Bismut wird als Element wie auch in Form von Sulfiden und anderen Chalcogeniden gefunden, z. B.
Bi2S3 Bismutglanz, Bismutin
PbBi2S4 Galenobismutit
AgBiS2 Argentobismutit, Schapbachit
Bi2Se3 Selenbismutglanz
Bi2O3 Bismutocker, Bismit
Bi2Te2S Tellurbismut
Chalcogene Disauerstoff, O2 ca. 10
15 t in der Atmosphäre
In sehr vielen Mineralien ist Sauerstoff ein Hauptbestandteil, aufgrund des großen Durchmessers der Oxid-
Dianionen erreicht deren Volumen ca. 90% Anteil an den Gesteinen der Erdkruste (Granit, Sandstein u. a.). Eine
Aufzählung von sauerstoffhaltigen Mineralien erübrigt sich, weil bei den Gruppen 1,2, 13, 14, 15 bereits viele
Vertreter genannt wurden.
Schwefel kommt elementar vor (z. B. in Sizilien, aber auch auf dem Jupitermond Io, dessen Oberfläche
größtenteils mit Schwefel und kristallinem Schwefeldioxid bedeckt ist). Viele sulfidische Verbindungen der
Metalle wurden bereits zuvor aufgelistet.
Selenide und die selteneren Telluride treten oft als Begleiter von Sulfiden auf, Tellur wird auch in elementarer
Form gefunden. Einige Selenide und Telluride, die als eigene Mineralien auftreten, wurden beim Bismut
genannt, weitere Beispiele sind
PbSe Clausthalit
BiSeTe2 Kawazulith
AuTe2 Calaverit
Im Anodenschlamm der Kupferraffination finden sich die Oxide SeO2 und TeO2.
Polonium ist als Zerfallsprodukt in Uran- und Thoriumerzen in Spuren enthalten.
Halogene
CaF2 Calciumfluorid, Fluorit
Na3AlF6 Kryolith
In geringerer Konzentration, aber in wesentlich größeren Mengen findet sich Fluorid im Fluorapatit
(Ca5(PO4)3F).
Chlor kommt kaum in elementarer Form vor (evtl. in Vulkangasen), Chloride der Alkali- und Erdalkalimetalle
wurden bereits genannt. Chlororganische Naturstoffe wurden aus Algen isoliert.
Brom kommt in Form von Bromwasserstoff in Vesuvgasen vor, ca. 99% der Weltvorräte sind vermutlich in den
Ozeanen als Bromide gelöst, im Toten Meer sind etwa 1.5% Bromid enthalten.
Iod findet sich vor allem in den Ozeanen als Iodid (ca. 50 ppp) und wird von Algen und Schwämmen
angereichert. Bis zu 0.1 % Iod sind im Chilesalpeter als Natriumiodat, in geringeren Mengen auch als
Natriumperiodat und Calciumiodat enthalten.
Astat findet sich in Spuren in Uran- und Thorium-Mineralien.
10) (6 Punkte) Wie wird Kalkmörtel hergestellt und was geschieht beim Abbinden an der
Luft? (Drei Reaktionsgleichungen)
CaCO3 → CaO + CO2
CaO + H2O → Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
11) (12 Punkte) Zeichnen Sie Valenzstrichformeln für H2O(-II), H2O(-I)2, HN(+V)O(-II)3,
H2S(+VI)O(-II)4, Propen, Propin, Propanon, 2-Propanol, , Anilin (N –III), 3-Bromtoluol (Br –
I), Milchsäure (O –II), 1-Methylnaphthalin. Geben Sie für alle Atome außer Kohlenstoff und
Wasserstoff die Oxidationsstufe an.
12) (6 Punkte) Geben Sie je eine Reaktionsgleichung an für die Herstellung je eines
thermoplastischen Kunststoffs durch Polymerisation und durch Polykondensation. Nennen
Sie für einen der beiden Kunststoffe zwei Möglichkeiten der Vernetzung zum Elastomer oder
zum Duroplast.
x C2H4 CH2-CH2
x
HO
C
O
(CH2)4 C
OH
O
x + x H2N (CH2)6 NH2
C
O
(CH2)4 C
O
NH (CH2)6 NH
x+ 2x H2O
HO
C
O
C
OH
O
x + x HO OH
C
O
C
O
O O
x+ 2x H2O
Beim Polyester (Mitte und rechts) bietet es sich an, durch Zusatz eines dreiwertigen Alkohols
bei der Synthese (z. B. Glycerin) eine Vernetzung herbeizuführen.
Klausur vom 23. Februar 2010
1) (7 Punkte) Wählen Sie aus den Atomkernen
3H,
3He,
4He zwei Atomkerne aus und bezeichnen
Sie die Beziehung zwischen diesen Kernen mit einem passenden Ausdruck. Wählen Sie ein anderes
Paar aus und finden Sie eine zweite Beziehung, die Sie ebenfalls mit einem Fachausdruck bezeichnen.
Geben Sie für einen der drei Atomkerne drei charakteristische Kennzahlen an. Beschreiben Sie für
einen der drei Atomkerne den Vorgang seiner Entstehung anhand einer Reaktionsgleichung.
3H,
3He: Isobare (1)
3He,
4He: Isotope (1)
Beispiel 3H: 3 Nucleonen, 1 Proton, Ordnungszahl 1, Massenzahl 3, Neutronenzahl 2. (3)
Die Elektronenzahl gilt nicht als Kennzahl für den Atomkern
Beispiele zur Kernentstehung: 2H
+ +
1H
+ →
3He
2+ +
(2 Punkte) 3He
2+ +
3He
2+ → 4He
2+ + 2
1H
+
7Li
3+ +
1H
+ → 2
4He
2+
14
N + 1n →
3H +
12C
2) (5 Punkte) Zeichnen Sie einen Querschnitt durch ein 3s-Atomorbital und geben Sie in einem
Diagramm schematisch den Verlauf der Elektronendichte entlang einer radialen Geraden vom
Atomkern nach außen an. Beschriften Sie Ihre Zeichnungen mit wenigen Stichworten.
(Zeichnungen je 2 Punkte)
Beschriftung: Knotenebenen kenntlich machen in beiden Zeichnungen (1)
3) (8 Punkte) Geben Sie zwei Valenzstrichformeln an für Sauerstoff (O2). Nennen Sie zu jeder der
beiden Formeln je ein Stichwort zum Vorteil und zum Nachteil dieser Formel. (In anderen Worten:
Was wird durch die Formel korrekt beschrieben, welche Eigenschaft des Sauerstoffs beschreibt die
Formel nicht korrekt?) (3 Punkte). Zeichen Sie ein Molekülorbitaldiagramm für das O2-Molekül und
tragen Sie die Valenzelektronen ein. Welche Bindungsordnung ergibt sich daraus? (5 Punkte)
Links: Rechts:
Bindungsordnung korrekt Diradikal erkennbar
Diradikalcharakter nicht erkennbar BO nicht korrekt
Bewertung: Zwei Valenzstrichformeln je 1 Punkt, ein dritter Punkt wird erteilt, wenn zwei der vier
Aussagen zur Bindungsordnung und zum Diradikalcharakter korrekt angegeben werden.
O O O O. .
MO-Diagramm für O2; BO = 2
4) (11 Punkte) Nennen Sie sechs Arten der chemischen Bindung und teilen Sie ein in zwei Gruppen
für starke und schwache Bindungskräfte. Geben Sie für jede Bindungsart ein Formelbeispiel, in dem
diese Art der chemischen Bindung vorliegt. Wählen Sie in zwei Fällen Beispiele, bei denen
ausgedehnte Festkörper (keine diskreten Moleküle) vorliegen. Falls in einem von Ihnen gewählten
Beispiel verschiedene Arten der chemischen Bindung verwirklicht sind, kennzeichnen Sie, was
gemeint ist. Zeichnen Sie die Strukturen der beiden ausgedehnten Festkörper, die Sie gewählt haben.
Starke Kräfte Schwache Kräfte
Kovalent (z. B. Diamant, C) Wasserstoffbrückenbindung (z. B. Wasser)
Metallisch (z. B. Kupfer, Cu) Dipol-Dipol-Wechselwirkung (z. B. SO2)
Ionisch (z. B. Kochsalz, NaCl) Van der Waals-Kräfte (z. B. CH4, Xe)
Dazu Zeichnungen, in unserem Beispiel zwei von dreien (Diamant, Kupfer, Kochsalz)
Bewertung: Jede Bindungsart 1 Punkt, korrekte Einteilung stark/schwach 1 Punkt, zwei
Zeichnungen je 2 Punkte
5) (6 Punkte) Zeichnen Sie Valenzstrichformeln für Ammoniak, Brom, Kohlenmonoxid,
Stickstoffmonoxid, Schwefelwasserstoff und Salpetersäure. Geben Sie jeweils die Oxidationsstufen
der beteiligten Atome an.
6) (9 Punkte) Ein würfelförmiges Molekül aus acht Kohlenstoffatomen mit einer Nitrogruppe an
jedem Kohlenstoffatom heißt Octanitrocuban und ist ein Sprengstoff. Formulieren Sie eine
Reaktionsgleichung für die Explosion dieser Substanz. Beschreiben Sie anhand von Stichworten die
Gründe für die Freisetzung von Energie. Benutzen Sie dabei auch die Namen dreier verschiedener
Energiefunktionen aus der Thermodynamik. Berechnen Sie den Druck, der sich bei der Explosion von
5,00 g Octanitrocuban in einem fest verschlossenen Zylinder von 1.0 Liter Rauminhalt aufbaut, wenn
O O2 O
s
s*
2s2s
p*
pp
p*
der Zylinder zu Beginn des Versuchs bei 25 °C und 101.3 kPa Druck mit Luft gefüllt war und bei der
Explosion eine Temperatur von 950 °C erreicht wird. (Nehmen Sie für alle Bestandteile im Zylinder
an, dass diese sich bei 950 °C wie ideale Gase verhalten, R = 8.3145 J/molK). Atommassen: C
12.01115, H 1.00794, N 14.0067, O 15.9994 .
C8(NO2)8 → 8 CO2 + 4 N2 (2) Reaktonsenthalpie ist stark negativ (1) Entropie nimmt zu wegen Gasbildung, Teilchenzahl (1) Freie Reaktionsenthalpie sehr stark negativ (1) M[C8N8O16] = 464.13 g/mol (1) n(Octanitrocuban) = 10.8 mmol (1) n(Gase insgesamt) = Reaktionsgase plus Luft
= 12 10.8 mmol + (101300 Pa 0.001 m3)/(8.3145 J/molK 298 K) = 170.5 mmol Gase (1)
p = nRT/V = 0.1705 8.3145 J/molK 950 K / 0.001 m3 = 1346.7 kPa (1)
7) (7 Punkte) Nennen Sie eine natürliche Quelle für Schwefelwasserstoff und geben Sie zwei
Eigenschaften dieses Gases an. Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Dunkelfärbung von
Bleiweiß oder für das Anlaufen von Silber im Kontakt mit Schwefelwasserstoff. Wie kann in dem von
Ihnen gewählten Fall die ursprüngliche Farbe des Pigments oder der Silberoberfläche wieder
hergestellt werden? (Reaktionsgleichung).
Natürliche Quellen: Erdöl, Erdgas, Fäulnisprozesse
Eigenschaften: farblos, Geruch nach faulen Eiern, sehr giftig, leicht entflammbar
Reaktionen: 2PbCO3.Pb(OH)2 + 3 H2S → 3 PbS + 3 H2O + CO2
2 Ag + H2S + ½ O2 → Ag2S + H2O (auch ohne O2 Anerkennung der Reaktionsgleichung)
Wiederherstellung beim Bleiweiß: PbS + 4 H2O2 → PbSO4 + 4 H2O
Wiederherstellung beim Silber: 2 Al → 2 Al3+
+ 6 e-
3 Ag2S + 6 e- → 6 Ag + 3 S
2-
3 S2-
+ 6 H2O ⇋ 3 H2S + 6 OH-
2 Al + 3 Ag2S + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 6 Ag + 3 H2S
8) (12 Punkte) Berechnen Sie den pH-Wert folgender Lösungen in Wasser: a) 2,4-Dinitrophenol 0.1
mol/L; b) Natrium-2,4-dinitrophenolat 0.05 mol/L, c) Mischung von 2,4-Dinitrophenol (0.025 mol/L)
und Natrium-2,4-dinitrophenolat (0.075 mol/L), d) HI (10-4
mol/L), e) HClO4 (10-10
mol/L). Benutzen
Sie für die Rechnungen geeignete Näherungsverfahren. Skizzieren Sie eine Titrationskurve für die
Titration von 50 mL Lösung c(2,4-Dinitrophenol) = 0.1 mol/L mit Natronlauge (0.1 mol/L) und
beschriften Sie die Kurve mit Stichworten.
Der pKS-Wert von 2,4-Dinitrophenol beträgt 4.09. Begründen Sie die saure Reaktion von 2,4-
Dinitrophenol anhand von mesomeren Grenzformeln des 2,4-Dinitrophenolat-Anions.
a) pH = 1/2 [pKS – log (0.1)] = 2.545
b) pKB = 14 - pKS = 9.91
pOH = 1/2 [pKB – log (0.05)] = 5.61
pH = 14 – pOH = 8.39
c) pH = pKS + log[c(Säure)/c(Base)] = 4.09 + log 0.025/0.075 = 4.57
d) sehr starke Säure; c(H+) = 10
-4 mol/L; pH = 4
e) pH = 7, daran kann die sehr geringe Säurekonzentration nichts ändern
9) (12 Punkte) Vergleichen Sie Eisen hinsichtlich dreier von Ihnen gewählter Eigenschaften mit
Kupfer (bitte nicht anhand von Dichteangaben, Schmelz/Siedepunkt oder Atomkern-Kennzahlen aus
dem mitgeführten PSE) und schreiben Sie für die technische Herstellung von beiden
Gebrauchsmetallen je zwei Reaktionsgleichungen, von denen Sie je eine mit Oxidationsstufen
beziffern. Nennen Sie eine in der Natur vorkommende Kupferverbindung mit Namen und Formel.
Eisen Kupfer
härter
ferromagnetisch nicht ferromagnetisch
höhere elektrische Leitfähigkeit
silberglänzend rötlicher Glanz
unedel edel
Beispiele für Reaktionsgleichungen zur technischen Herstellung von Eisen und Kupfer:
FeO + CO → CO2 + Fe
3 Fe2O3 + CO → CO2 + 2 Fe3O4
Fe3O4 + CO → CO2 + 3 FeO
FeO + CO → CO2 + Fe
3 Cu2S + 3 O2 → 3 SO2 + 6 Cu
2 Cu2O + Cu2S → SO2 + 6 Cu
Anode: Cu → Cu2+
+ 2 e-
Kathode: Cu2+
+ 2 e- → Cu
Kupfer kommt als Kupferkies CuFeS2, Buntkupferkies Cu5FeS4, Kupferglanz Cu2S oder auch
als elementares Kupfer in der Natur vor.
10) (9 Punkte) Schreiben Sie Valenzstrichformeln für folgende Substanzen: 3-Methyl-1-hepten, 2E-
Nonen-4,5-diol-6-on, 2,3-Dihydroxybutandisäure, m-Bromanilin, o-Chlortoluol, Benzylbromid, 2,6-
Dimethylpyridin, Anthrachinon. Identifizieren Sie mittels je eines Sternchens zwei chirale
Kohlenstoffatome.
11) (9 Punkte) Beschreiben Sie das thermische Verhalten von Thermoplasten anhand einer
schematischen Zeichnung mit Stichwortangaben zu markanten Ereignissen beim Erhitzen. Geben Sie
je eine Reaktionsgleichung an für die Herstellung je eines thermoplastischen Kunststoffs durch
Polymerisation und durch Polykondensation. Nennen Sie für einen der beiden Kunststoffe zwei
Möglichkeiten der Vernetzung zum Elastomer oder zum Duroplast.
Beispiele für Reaktionsgleichungen zur Herstellung von Thermoplasten durch Polymerisation
n
n
x
x
Ein Beispiel für eine Reaktionsgleichung zur Herstellung von Thermoplasten durch
Polykondensation
Vernetzung des Polyesters durch Verwendung von Glycerin als Alkohol-Komponente oder durch
Einsatz einer ungesättigten Komponente (Disäure oder Diol mit einer C-C-Doppelbindung), die
nachträglich durch Vulkanisation mit Schwefel oder durch Olefinpolymerisation vernetzt werden
kann.
Bewertung: Schematische Zeichnung der vier Stadien 2 Punkte, vier Ereignisse beim Erhitzen 2
Punkte, zwei Reaktionsgleichungen je 2 Punkte, eine Vernetzungsmethode reicht für den 9. Punkt. Für
eine zweite Vernetzungsmethode wird ein Sonderpunkt gewährt.
12) (5 Punkte) Berechnen Sie das Potenzial einer MnO4-/Mn
2+-Halbzelle bei pH=0 und pH=7. Stellen
Sie zu diesem Zweck die Reaktionsgleichung für die Reduktion von Permanganat in saurer Lösung
auf, formulieren Sie die Nernst´sche Gleichung für dieses System und benutzen Sie den Wert E° =
+1.51 V. Die Temperatur beträgt 298 K, die Konzentrationen der Manganverbindungen sind c(MnO4-)
= 0.4 mol/L; c(Mn2+
) = 0.02 mol/L. RT/F = 0.059 V.
MnO4- + 8 H
+ + 5 e
- ⇋ Mn
2+ + 4 H2O (2)
E = 1.51 + 0.059/5 log [c(MnO4-) c
8(H
+) / c(Mn
2+)] (1)
pH = 0: E = 1.51 + 0.059/5 log [0.4 1/ 0.02] = 1.51 + 0.0118 log 20 = 1.53 V (1)
pH = 7: E = 1.51 + 0.059/5 log [0.4 (10-7
)8 / 0.02] = 1.51 - 0.65 = 0.86 V (1)
Nachklausur vom 12. Juni 2009 1) (8 Punkte) Welches neutrale Atom hat die Elektronenkonfiguration 1s
2 2s
2 2p
5? Welche und wie
viele Elementarteilchen enthält der Kern eines 119
Sb-Atoms? Wie ist die Elektronenhülle dieses
Atoms strukturiert? (Geben Sie Schalen und Unterschalen sowie deren zahlenmäßige Besetzung mit
Elektronen an in der Schreibweise, die bei der ersten Teilfrage benutzt wurde).
Wie nennt man folgende Paare von Atomen? a) 119
Sb/121
Sb oder 1H/
3H; b)
119Sb/
119Sn oder
3H/
3He?
ClCl
x
x
OO
x
x
O
CH3
O
CH3
HO
C
O
C
OH
O
x + x HO OH
C
O
C
O
O O
x+ 2x H2O
Welches Element aus den folgenden Zweiergruppen weist jeweils die höhere erste Ionisierungsenergie
auf? c) Si/P; d) Mg/Al; (geben Sie jeweils eine kurze Begründung, maximal eine Zeile)
Eine 1s2 2s
2 2p
5 –Konfiguration kennzeichnet Fluor;
Im Periodensystem nachschauen: Ein 119
Sb-Kern besitzt 51 Protonen (Ordnungszahl) und folglich 68
Neutronen (51 + 68 = 119); Schalenaufbau: 1s2, 2s
2, 2p
6, 3s
2, 3p
6, 3d
10, 4s
2, 4p
6, 4d
10, 5s
2, 5p
3 .
a) Isotope, b) Isobare
2) (14 Punkte) Formulieren Sie je zwei Reaktionsgleichungen für die Herstellung von
Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid und geben Sie je eine Valenzstrichformel an. Beschreiben
Sie anhand von Pfeilen über den C- und O-Atomen je eine Schwingung der beiden Moleküle, die im
IR-Spektrum (Infrarot) beobachtet werden kann. Beschreiben Sie für Kohlenstoffdioxid auch eine IR-
inaktive Schwingung und geben Sie an, mit welcher anderen spektroskopischen Methode man diese
Schwingung beobachten kann.
C + H2O ⇌ CO + H2
CO2 + C ⇌ 2 CO SiO2 + 2 C Si + 2 CO
CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2
4 CH4 + O2 C2H2 + 2 CO + 7 H2
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
CO + H2O ⇌ CO2 + H2;
CO + Fe2O3 CO2 + 2 FeO;
2 CO + O2 2 CO2;
← → ← ← →
O=C=O |C≡O|
- + ← →
IR-inaktiv: O=C=O ; beobachtbar im Raman-Spektrum.
3) (5 Punkte) Geben Sie eine Valenzstrichformel an für Wasser. Welche Art der chemischen Bindung
liegt hier innerhalb eines Moleküls vor (Stichwort)? Unterscheiden Sie zwei Typen dieser
Bindungsart. Welche Wechselwirkung besteht zwischen unterschiedlichen Wassermolekülen? Welche
physikalische Eigenschaft des Wassers wird durch diese intermolekulare Wechselwirkung beeinflusst?
Innerhalb der Wassermoleküle: Kovalente Bindung; man kennt die polare und die unpolare kovalente
Bindung.
Zwischen verschiedenen Wassermolekülen: Wasserstoffbrückenbindung
Hoher Schmelz- und Siedepunkt, Volumenausdehnung beim Erstarren, Viskosität,
Oberflächenspannung (ein Stichwort war gefragt)
4) (9 Punkte) Geben Sie eine Valenzstrichformel an für Ethylenglycoldinitrat (Diese explosive
Substanz entsteht bei der Veresterung von 1,2-Ethandiol, C2H6O2, mit Salpetersäure, HNO3) und
ordnen Sie den darin enthaltenen Atomen Oxidationsstufen zu. Schreiben Sie eine Reaktionsgleichung
für die Zersetzung, bei der ausschließlich Moleküle aus zwei oder drei Atomen gebildet werden.
Berechnen Sie den Druck, der sich in einem Gefäß mit 1 Liter Rauminhalt aufbaut, wenn bei der
plötzlichen Zersetzung von 100 g Ethylenglycoldinitrat eine Temperatur von 900 °C erreicht wird.
(Gehen Sie davon aus, dass bei dieser Temperatur alle Produkte gasförmig vorliegen). Wie ändert sich
der Druck, wenn das Reaktionsgefäß samt Inhalt auf 25 °C abgekühlt wird? (Berücksichtigen Sie bei
dieser Rechnung, dass sich das Gefäßvolumen bei der Explosion geändert hat und jetzt 1.3 Liter
beträgt).
Nur wenige haben die korrekte Summenformel für Ethylenglycoldinitrat angegeben: C2H4N2O6,
strukturierte Formel O2N-O-CH2-CH2-O-NO2 (vgl. „Nitroglyzerin“ und den Abschnitt zur Veresterung
im Kapitel „Organische Verbindungen“), Molmasse 152.06; Stoffmenge 100 g / 152.06 g/mol = 0.658
mol. (Man konnte aber auch bei einer falschen Summenformel landen und damit bei den folgenden
Teilaufgaben Punkte sammeln).
Reaktionsgleichung: Sprengstoffe sind absichtlich so zusammengesetzt, dass bei der Explosion kleine,
energiearme Teilchen freigesetzt werden. In unserem Zusammenhang kommen H2O, CO2 und N2 in
Frage: C2H4N2O6 2 CO2+ 2 H2O + N2 . Die Stoffmenge der gasförmigen Produkte beträgt:
0.658 mol 5 = 3.29 mol.
Beim Einsetzen in die Gasgleichung beachten: Volumen in m3, als Molzahl die Anzahl der
Gasmoleküle (die Explosion besteht in der schnellen Zersetzung des Sprengstoffs, der folglich nach
der Explosion nicht mehr existiert).
p = nRT/V = 3.29 mol 8.3143 J/mol K 1173.15 K / 0.001 m3 = 32.072 MPa (das sind etwa 317
bar, eine Umrechnung war jedoch nicht verlangt).
Häufige Fehler: Volumen in Liter angegeben, Molzahl des intakten Sprengstoffs eingesetzt, Fehler bei
der Umwandlung der Temperatur in Grad Celsius in absoluteTemperaturangabe.
Druck nach der Explosion: Hier sollte berücksichtigt werden, dass Wasser bei 25 °C flüssig ist. Es
ändert sich also die Anzahl der Moleküle in der Gasphase und damit außer der Temperatur und dem
Gefäßvolumen auch die Stoffmenge n. Eine Berücksichtigung des jetzt geringeren Gasvolumens
wurde nicht erwartet, der größere Fehler dürfte ohnehin dadurch entstehen, dass die Löslichkeit von
Kohlendioxid in der kleinen Menge an flüssigem Wasser nicht berücksichtigt wird. Die einfache
Abschätzung lautet also:
p = nRT/V = 1.97 mol 8.3143 J/mol K 298.15 K / 0.0013 m3 = 3.764 MPa.
5) (14 Punkte) Wie lautet die Gibbs´sche Gleichung? Formulieren Sie Reaktionsgleichungen a) für die
Verbrennung von Ethanol mit Sauerstoff, b) für die Bildung von Traubenzucker (C6H12O6) durch
Photosynthese, c) für die Herstellung von Polyethylen aus Ethylen. Schätzen Sie für jedes Beispiel die
Änderung der drei durch Gibbs´schen Gleichung verknüpften Energiefunktionen in tabellarischer
Form ab (grob qualitative Angaben im Stil von ++, +, 0, -, -- genügen).
G = H - TS
a) C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O
b) 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6
c) x C2H4 (C2H4)x
H S G
a -- + --
b ++ -- ++
c + + (+) oder 0
6) (7 Punkte) Beschreiben Sie die technische Herstellung von Ammoniak anhand einer
Reaktionsgleichung und geben Sie an, welchen Einfluss Druck und Temperatur auf die
Gleichgewichtslage ausüben. Begründen Sie Ihre Angaben knapper Form und nennen Sie ein
entscheidendes Hilfsmittel, welches in der Technik eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit unter den
gewünschten Reaktionsbedingungen ermöglicht.
N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 Die Bildung von Ammoniak ist exotherm.
Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht auf die Produktseite, weil das System durch Bildung
von mehr Ammoniak den erhöhten Druck teilweise abbauen kann.
Erhöhung der Temperatur verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite der Ausgangsverbindungen.
Durch Zersetzung von Ammoniak wird Wärme verbraucht und so die Temperaturerhöhung teilweise
kompensiert.
(Das System versucht stets, dem äußeren Einfluss entgegenzuwirken: Prinzip von Le Chatelier)
7) (11 Punkte) Formulieren Sie Reaktionsgleichungen für die Herstellung von Propionsäure
(Propansäure, pKS 4.88) aus einer geeigneten Ausgangsverbindung. Berechnen Sie den pH-Wert
folgender Lösungen in Wasser: a) Propansäure 0.1 mol/L; b) Natriumpropanoat 0.05 mol/L, c)
Mischung von Propansäure (0.07 mol/L) und Natriumpropanoat (0.03 mol/L), d) NaOH (10 mol/L).
Benutzen Sie für die Rechnungen geeignete Näherungsverfahren.
CH3CH2CH2OH + ½ O2 CH3CH2CHO;
CH3CH2CHO + ½ O2 CH3CH2COOH;
a) Die Dissoziation der Propionsäure: HP ⇌ H+ + P
- ; c(H
+) = x
pKS = 4.88, daher ist KS = 1.32 . 10
-5 mol/l = x
2/[c°(HP)-x] (Gleichung 1)
Da keine Base zugesetzt wurde, entsteht bei der Dissoziation der Propionsäure ebensoviel H+
wie P- (Reaktionsgleichung), deshalb erscheint x
2 im Zähler des Bruches anstelle von
c(H+).c(P
-). Die Dissoziation des Wassers wird hierbei vernachlässigt, weil deren Beitrag um
ca. acht Zehnerpotenzen niedriger ist als die von der Propionsäure gelieferte H+-
Konzentration. Im Nenner steht die Anfangskonzentration c° der Propionsäure (0.1 mol/l),
vermindert um den dissoziierten Anteil x, der in Form von Protonen und Säureanionen (P-) im
Zähler berücksichtigt wurde.
Gleichung 1 lässt sich umformen: x2 + 1.32
. 10
-5 . x - 1.32
. 10
-5. c° = 0 und entspricht damit
der Form ax2 + bx + c = 0, für die es eine mathematische Lösungsformel gibt.
Bei korrekter Lösung der quadratischen Gleichung nach x1/2 = [-b±(b2 – 4ac)
1/2] / 2a ergibt
sich ein Wert von 0.00115 mol/l für x (die H+-Konzentration) und folglich 2.94 als pH-Wert.
b) Natriumpropanoat ist das Natriumsalz der Propionsäure
Die vereinfachte Reaktionsgleichung lautet:
P- + H2O ⇋ OH
- + HP; die Konzentrationen von OH
- und HP sind gleich (x einsetzen), die
Dissoziation des Wassers wird vernachlässigt.
pKB = 14 – pKS = 9.12, daher ist
KB = 7.59 . 10
-10 mol/l = x
2/[c°(Na
+P
-)-x] (Gleichung 2)
Daraus ergeben sich die Konzentration von Hydroxidionen zu 6.16 . 10
-6 mol/l und der pOH-
Wert zu 5.21, der pH-Wert (= 14 – pOH; denn c(H+)
. c(OH
-) = 10
-14mol
2/l
2) ergibt sich zu
8.79.
c) Die Berechnung des dritten Werts erfolgt nach der Näherung von Henderson und
Hasselbalch: pH = pKS + log c(P-) / c(HP); die Dissoziation der Säure wird
vernachlässigt.
Das Verhältnis (Base) / (Säure) = 3 / 7 = 0.4286, pH = 4.88 + (-0.368) = 4.51.
(Hierbei ist -0.368 der Logarithmus von 0.4286)
d) Der pH von 10 molarer Natronlauge ist 15, denn pH = 14 – pOH und pOH = -1 in diesem Fall.
9) (12 Punkte) In welcher Form findet man Siliciumdioxid in der Natur (Mineralname)? Nennen Sie
ein Strukturmerkmal und eine physikalische Eigenschaft. Wie kann man aus SiO2 elementares
Silicium herstellen (Reaktionsgleichung) und wie wird dieses gereinigt (eine Reaktionsgleichung, ein
Stichwort zu einem nachfolgenden Reinigungsverfahren)? Skizzieren Sie die Struktur des elementaren
Siliciums und nennen Sie eine technische Anwendung.
SiO2-Mineralien: Quarz, Sandstein (verunreinigt), Cristobalit, Tridymit (ein Begriff war gefragt)
Strukturmerkmal: Dreidimensionales Gitter aus SiO4-Tetraedern
SiO2 + 2 C Si + 2 CO
Si + 3 HCl ⇋ HSiCl3 + H2 (Destillation des Trichlorsilans, Ziehen von Einkristallen aus der
Schmelze, Zonenschmelzverfahren; ein Begriff genügte)
10) (8 Punkte) Zeichnen Sie Formeln, aus denen die Struktur folgender organischer Verbindungen
hervorgeht:
a) 2,2,4-Trimethylpentan, b) 2-Chlorbutan, c) Cyclohexen, d) Toluol (Methylbenzol), e) 2,4,6-
Trinitrotoluol, f) cis-Octadec-9-ensäuremethylester (Methyloleat), g) 2-Naphthylamin. h) Finden Sie
das asymmetrische C-Atom und markieren Sie dieses mit einem Sternchen.
Das markierte C-Atom trägt vier unterschiedliche Substituenten: Methyl, Ethyl, Chlor und ein H-
Atom, das in der Kurzschreibweise nicht eingezeichnet wird.
11) (5 Punkte) Nennen Sie drei verschiedene Typen der Copolymerisation und geben Sie für zwei
davon schematisch die Zusammensetzung des Copolymers an.
Block-Copolymerisation, statistische Copolymerisation, Pfropf-Copolymerisation
…-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A-A-A-A-A-
… -A-B-B-A-B-A-B-B-B-A-A-B-B-A-B-A-B-A-A-A-B-…
B-B-B-B-B-
|
…-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-
|
B-B-B-B-B-B-
12) (7 Punkte) Beschreiben Sie den schematischen Aufbau der DNA in knapper Form: Nennen Sie die
Bestandteile und geben Sie die Molekülgestalt an.
Bestandteile: Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, Gerüst: Phosphat und Desoxyribose.
Gestalt: Doppelhelix
Klausur vom 10. Februar 2009 1) (5 Punkte) Im Massenspektrum von Natrium findet man ein Signal, das der Atommasse 23
entspricht, Zinn zeigt zehn Signale, die Atommassen zwischen 112 und 124 entsprechen.
Worin unterscheiden sich unterschiedlich schwere Zinnatome, was haben diese gemeinsam und wie
bezeichnet man solche Atome?
Neutronenzahl und Massenzahl sind unterschiedlich, allen gemeinsam ist die gleiche Protonenzahl und
damit auch die Ordnungszahl. Solche Atome bezeichnet man als Isotope.
Wie nennt man Elemente, die aus nur einer Sorte von Atomen bestehen, wie nennt man die anderen
Elemente? Reinelemente, andere: Mischelemente
Cl
NO2
NO2
O2N
O OCH3
NH2
*
2) (3 Punkte) Das Wasserstoffatom zeigt im UV-Spektrum eine Serie von Spektrallinien, die nach
Johann Jakob Balmer benannt wurde. Welches Energieniveauschema ergibt sich aus den beobachteten
Linien (Skizze, bitte die Energieübergänge eintragen, die den Spektrallinien der Serie entsprechen)
und welche physikalische Bedeutung haben diese Energieniveaus im Bohr´schen Atommodell?
Die Energieniveaus n = 1, 2, 3, … entspre-
chen den Schalen des Bohr´schen Atom-
modells.
n = 1
n = 2Balmer-Serie
n = 3
n = 4n = 5 n = 5 n = 7
n = oo
n = 6
3) (5 Punkte) Geben Sie eine Valenzstrichformel an für Ethen (Ethylen) und beschreiben Sie die Kohlenstoff-
Kohlenstoff-Bindung im Ethen anhand von Skizzen der betreffenden Atom- und Molekülorbitale, die Sie bitte auch
mit Stichworten beschriften.
4) (4 Punkte) Welche Art der chemischen Bindung verknüpft die atomaren Bausteine in folgenden Substanzen: a)
Magnesium b) Phosphor c) Natriumchlorid d) Argon (gefrorener Feststoff)?
Magnesium: metallische Bindung
Phosphor: kovalente Bindung
Natriumchlorid: ionische Bindung
Argon: Van der Waals-Wechselwirkung
5) (12 Punkte) Die Gibbs´sche Gleichung lautet ΔG = ΔH – TΔS. Nennen Sie unterschiedliche Verhaltensweisen von
Salzen beim Verrühren mit Wasser und füllen Sie die Tabelle aus. (Wenn Sie keine Formelbeispiele kennen, können
Sie immer noch neun Punkte sammeln).
Salz Beispiel
(Formel) .
Bitte größer als oder
kleiner als einsetzen;
Auswahl: >>, >, <, <<
Lösungswärme
Exo-/endotherm,
löst sich nicht?
Was bedeutet das Symbol?
A
NaCl EGitter > EHydratation
endotherm
G freie Enthalpie
B
CaCl2 EGitter < EHydratation
exotherm
H Enthalpie
C
AgCl EGitter >> EHydratation
schwerlöslich
S Entropie
Bitte ankreuzen: Die Entropie nimmt beim Lösevorgang zu, nicht ab.
Bei exothermen Reaktionen wird Wärme frei, nicht verbraucht; falsch: ΔH > 0; richtig: ΔH < 0 (´´<´´ musste
von Hand eingefügt werden, weil aus Versehen zweimal ´´>´´ im Aufgabenblatt stand).
6) (8 Punkte) Ammoniumnitrat zerfällt beim Erhitzen in Distickstoffmonoxid (Lachgas) und Wasser. Stellen Sie eine
Reaktionsgleichung auf, ordnen Sie allen beteiligten Atomen Oxidationsstufen zu und berechnen Sie den Druck in
einem Gefäß mit 10 Liter Volumen, in dem eine Lösung aus 1500 g Wasser und 500 g Ammoniumnitrat durch
Erhitzen zersetzt und anschließend auf 35 °C abgekühlt wurde. Gehen Sie von einer Dichte des Wassers von 1 g/cm3
aus und vernachlässigen Sie die Löslichkeit von Lachgas in Wasser. Nennen Sie eine Anwendung für Lachgas und
formulieren Sie eine Gleichung für die Reaktion von Lachgas mit Methan.
+I -II
N H4 N O3 → N2 O + 2 H2 O;
-III +V +I -II +I –II
Molmasse NH4NO3: 2 14 + 4 1 + 3 16 = 80; Stoffmenge = 500 g / 80 g mol-1
= 6.25 mol .
Wasser aus der Zersetzung: 2 6.25 mol = 12.5 mol entspricht 225 g Wasser (M = 18 g/mol).
Wasser insgesamt 1500 g + 225 g = 1725 g entspricht einem Volumen von 1.725 l (Dichteangabe)
Gasvolumen also 10 l – 1.725 l = 8.275 l (Löslichkeit von N2O sollte vernachlässigt werden).
p = nRT/V = 6.25 mol 8.3143 J mol-1
K-1
308 K / 0.008275 m3 = 2.001 MPa (ca. 19.75 bar).
Empfehlung dazu: Grobe Schätzung des Drucks wie folgt: 6 mol 22 l/mol 132 l, komprimiert auf 8 Liter ergibt ca.
16.5 bar, die Größenordnung stimmt, der Rest passt zum Temperatureinfluss, außerdem haben wir die Stoffmenge und
das Molvolumen für unsere Schätzung abgerundet.
Anwendungen für Lachgas: Schlagsahne, Narkose, Leistungssteigerung in Verbrennungsmotoren
Reaktion mit Methan: CH4 + 4 N2O → CO2 + 2 H2O + 4 N2
7) (15 Punkte) Formulieren Sie Reaktionsgleichungen für die Herstellung von Schwefelsäure aus Schwefel. Schreiben
Sie Valenzstrichformeln mit Oxidationsstufen für alle beteiligten schwefelhaltigen Moleküle. Geben Sie auch den
Katalysator sowie eine allgemeine Definition für Katalysatoren an. Nennen Sie zwei in der Natur vorkommende Salze
der Schwefelsäure.
S + O2 → SO2
2 SO2 + O2 → 2 SO3 (Katalysator: V2O5 oder V2O4 oder NO oder NO2 oder Platin)
SO3 + H2SO4 → H2S2O7
H2S2O7 + H2O → 2 H2SO4
Katalysatoren beschleunigen eine chemische Reaktion, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Dabei werden
sie nicht verbraucht.
In der Natur vorkommende Sulfate (eine Auswahl): Bariumsulfat, Strontiumsulfat, Calciumsulfat, Magnesiumsulfat
sowie Natrium- oder Kaliumsulfat in Doppelsalzen.
8) (12 Punkte) Formulieren Sie Reaktionsgleichungen für die Herstellung von Buttersäure (Butansäure, pKS 4.82) aus
einer geeigneten Ausgangsverbindung. Berechnen Sie den pH-Wert folgender Lösungen in Wasser: a) Butansäure 0.1
mol/L; b) Natriumbutanoat 0.05 mol/L, c) Mischung von Butansäure (0.025 mol/L) und Natriumbutanoat (0.075
mol/L), d) H2SO4 (10-4
mol/L), e) HNO3 (10-9
mol/L). Benutzen Sie für die Rechnungen geeignete
Näherungsverfahren.
H3C-CH2-CH2-CH2-OH + ½ O2 → H3C-CH2-CH2-C(O)H + H2O;
H3C-CH2-CH2-C(O)H + ½ O2 → H3C-CH2-CH2-C(O)OH;
Andere Formulierung:
pH-Wert a) von 0.1 mol/l Anfangskonzentration dissoziiert der Anteil x mol/l. Aus dem Massenwirkungsgesetz kann
man ableiten: KS = c(H+) c(Bu
-) / c(HBu) = x
2 / (0.1 – x), mit erlaubter Näherung KS = x
2 / 0.1 . Da KS = 10
-4.82 =
1.51 10-5
, ergibt sich x = (1.51 10-6
)1/2
= 1.2 10-3
mol/l und pH = 2.91. Für spätere Klausuren sei eine einfache
OH + 1/2 O2
O
H
O
H + 1/2 O2
O
OH
Näherungsformel empfohlen, die viele mit Erfolg eingesetzt haben: pH = ½ [pKS - log c(Säure)]; in diesem Fall also:
pH = ½ [4.82 - (-1)] = 2.91.
b) Natriumbutanoat wird als Base aufgefasst, der pKB-Wert beträgt 14 – 4.82 = 9.18. Die Rechnung ist analog zu a),
nur erhält man jetzt die OH-Konzentration und muss am Ende noch auf den pH umrechnen. KB = 6.61 10
-10 = x
2 /
0.05 (Näherung bereits enthalten). x = [6.61 10-10
0.05]1/2
= 5.75 10-6
, pOH ist demnach 5.24 und pH = 8.76
(wegen pH = 14 – pOH).
Alternative Formel: pOH = ½ [pKB - log c(Base)] = ½ [9.18 – log 0.05] = 5.24, Umrechnung wie zuvor.
Ein häufig aufgetretener Fehler bestand darin, dass Natriumbutanoat als starke Base aufgefasst wurde, was bei weitem
nicht der Fall ist (siehe pKB). In diesem Fall wurde pH = 12.7 errechnet, das ist eine etwa 10 000fach zu hohe OH—
Konzentration.
c) pH = pKS + log c(Bu-) / c(HBu) (Näherung nach Henderson und Hasselbalch).
pH = 4.82 + log 0.075 / 0.025 = 4.82 + 0.48 = 5.30
d) Ohne nähere Angaben dürfen Sie davon ausgehen, dass die sehr starke Schwefelsäure vollständig dissoziiert. Es ist
zu beachten, dass dabei zwei Protonen abgespalten werden, c(H+) beträgt daher 2 10
-4 mol/l, der pH-Wert ergibt sich
zu pH = 3.7. Die Antwort pH = 4 wurde ebenfalls akzeptiert, weil diese nahe am wahren Wert liegt (die zweite
Dissoziationsstufe der Schwefelsäure hat einen pKS-Wert von 1.96 mol/l)
e) pH = 7, die Salpetersäure kann trotz großer Säurestärke aufgrund der extrem niedrigen Konzentration den pH-Wert
des reinen Wassers nicht wesentlich senken.
9) (10 Punkte) Nennen Sie drei Eigenschaften von Ethin und geben Sie eine Valenzstrichformel an. Formulieren Sie
zwei Reaktionsgleichungen zur Herstellung und zwei Stichworte zur Lagerung.
Eigenschaften, Auswahl: brennbar, farblos, nahezu geruchlos, gasförmig, im Gemisch mit Luft explosiv, sehr hohe
Verbrennungswärme, narkotische Wirkung, sehr reaktiv.
Herstellung: 4 CH4 + O2 2 CO + C2H2 + 7 H2; (Teilverbrennung von Methan)
2 CH4 C2H2 + 3 H2 (Erhitzen von Methan, Abschrecken der Reaktionsgase)
CaC2 + 2 H2O C2H2 + Ca(OH)2
Lagerung: Acetonlösung in Kieselgur (oder in Holzkohle)
10) (11 Punkte) Tragen Sie die Namen von zehn der zwölf Substanzen ein. Drei Verbindungen besitzen je ein
Chiralitätszentrum. Finden Sie eines davon und markieren Sie es mit einem Sternchen.
Obere Zeile: 3-Methylhexan (* an C3), 4-Methyl-2,5-octadien (* an C4), cis-Hept-2-in-4-en-1-ol (cis durfte fehlen)
Mittelzeile: p-Chlornitrobenzol, m-Aminophenol, Pentansäureethylester, Butansäure-N-methylamid
Untere Zeile: Propanal oder Propionaldehyd, 3-Ethylpyridin, α-Aminopropionsäure (Alanin; * an C2), Glyzerin
(Propantriol-1,2,3), Propenal (Acrolein).
11) (5 Punkte) Aus welchen Komponenten entstehen Nylon, Polyester, Polystyrol?
(Bitte hier auf dem Aufgabenblatt eintragen)
Nylon: Hexamethylendiamin und Adipinsäure (H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2 und HOOC-CH2-CH2-CH2-
CH2-COOH)
Polyester: Dicarbonsäure und Diol
Polystyrol: Styrol
12) (4 Punkte) Berechnen Sie das Potenzial einer Silber/Silberchlorid-Elektrode, die in eine Lösung von
Kaliumchlorid eintaucht, c(Cl-) = 5.0 mol/l. Das Löslichkeitsprodukt von Silberchlorid beträgt 1.43 10
-10 mol
2/l
2, das
Normalpotenzial einer Halbzelle Ag+/Ag liegt bei +0.80 V.
Lösungsweg: Aus der angegebenen Chlorid-Konzentration und dem Löslichkeitsprodukt von Silberchlorid ergibt sich
die Konzentration der Silber-Ionen in Lösung, die hernach in die Nernst´sche Gleichung eingesetzt wird, um das
Potenzial der Silber/Silberchlorid-Elektrode zu berechnen:
1.43 10-10
mol2/l
2 = c(Ag
+) 5.0 mol/l; c(Ag
+) = 1.43 10
-10 mol
2/l
2 / 5 mol/l = 2.86 10
-11 mol/l .
E = E° + 0.059 log c(Ag+) = 0.80 + 0.059 V (-10.54) = 0.178 V .
13) (6 Punkte) Nennen Sie die Namen der vier Basen, aus denen der genetische Code der DNA gebildet wird. Welche
beiden Basenpaare finden zusammen und welche Art der chemischen Bindung bewirkt den Zusammenhalt?
Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, die Paare sind A-T und G-C, die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten
werden.
OH
Cl
NO2
OH
NH2
O
O
O
N
H
CH3
N O
OH
NH2
OH
OH
HO
O
H
O
H
