Übungsaufgaben für den 07.05.2010

1) Natrium kristallisiert kubisch-innenzentriert, die Kantenlänge beträgt 430 pm. Welchen metallischen Atomradius hat ein Na-Atom? Welche Dichte hat kristallines Na? M(Na) = 23 g/mol NA = 6,022 1023 mol-1

Abbildung 1 kubisch-innenzentriert

Abbildung 2 Darstellung der Elementarzelle durch geeignete Schnitte

z = 0,1 z = 1/2

Abbildung 3 Der Zusammenhang zwischen der Gitterkonstante a und der Länge der Raumdiagonale und der Flächendiagonale eines Würfels:

Atomradius. Da sich die Atome in Richtung der Raumdiagonalen eines Würfels berühren, muss die Raumdiagonale 4 Atomradien lang sein (siehe Abbildung 3)

pmpmaNar ⋅=⋅⋅⋅=⋅⋅= 1863430413

41)(

Dichte. Das Volumen der Elementarzelle ist:

323333 1095,7430 cmpmaV ⋅⋅=⋅== − Die Masse in einer Elementarzelle ist die Masse von zwei Na-Atomen. (Anzahl der Formeleinheiten ; Z = 2)

gmol

molgN

NaMNamA

⋅⋅=⋅⋅

⋅⋅⋅=⋅= −

−

−23

123

1

1064,710022,6

0,232)(2)(

Daraus errechnet sich die Dichte:

3323

23

961,01095,7

1064,7)( −−

−

⋅⋅=⋅⋅⋅⋅

== cmgcm

gVNamd

2a) Geben Sie den CsCl-Strukturtyp an, indem Sie geeignete Schnitte durch die Elementarzelle wählen. Nennen Sie außerdem für beide Elemente die jeweilige Koordinationszahl und das dazugehörige Koordinationspolyeder. 2b) Zeichnen Sie das Kristallgitter des NaCl-Ionenkristalls und bestimmen Sie die Anzahl der Formeleinheiten Z.

zu 2a:

Cs

Cl

Z = 0,1 Z = ½

Koordinationszahl (Cs) = 8 ⇒ Würfel Koordinationszahl (Cl) = 8 ⇒ Würfel

zu 2b:

NaCl-Ionenkristall weiße Kugeln: Cl

schwarze Kugeln: Na Anzahl der Formeleinheiten Z Cl-: auf allen 8 Ecken der Elementarzelle; auf allen 6 Flächenmitten der Elementarzelle

426

88

=+=⇒ Z

Na+: auf allen 12 Kantenmitten der Elementarzelle; im Zentrum der Elementarzelle

411

412

=+=⇒ Z

⇒ Z (NaCl) = 4 Jedes der beiden Ionen ist oktaedrisch von jeweils sechs anderen umgeben. Die Koordinationszahl beträgt somit für beide Ionensorten sechs.

3) CaF2 kristallisiert in einer kubischen Elementarzelle mit a = 545 pm. Ca: 0 0 0, ½ ½ 0, ½ 0 ½, 0 ½ ½ F: ¼ ¼ ¼, ¼ ¾ ¼, ¾ ¼ ¼, ¾ ¾ ¼, ¼ ¼ ¾, ¾ ¼ ¾, ¼ ¾ ¾, ¾ ¾ ¾ M(Ca) = 40 g/mol M(F) = 19 g/mol NA = 6,022 1023 mol-1

A: berechnen Sie die Dichte von CaF2B: wie groß ist der kürzeste Ca-Ca-bzw. F-F-Abstand? C: Welches Koordinationspolyeder formen die ein Ca2+-Ion umgebenden F--Ionen und welches die ein F--Ion umgebenden Ca2+-Ionen?

CaF2 Elementarzelle schwarze Kugeln: Ca

graue Kugeln: F

Ca

F

Z = 0,1 Z = ¼, ¾ Z = ½

aus Elementarzelle ⇒ Z (CaF2) = 4

zu A:

312333

2 /20,310022,6545

)/192/40(4)( cmgmolpmmolgmolg

NVCaFMZd

A

⋅=⋅⋅⋅⋅

⋅⋅+⋅⋅=

⋅⋅

= −

zu B:

Ca

Z = 0,1

Da Ca auf der Hälfte der Flächendiagonalen liegt, errechnet sich der kürzeste Ca-Ca-Abstand zu (siehe Aufgabe 1, Abbildung 3):

pmaCaCa ⋅=⋅⋅=− 38522/1 Der kürzeste F-F-Abstand:

F

Z = ¼, ¾

pmaFF ⋅=⋅=− 5,2722/1 zu C: Ca2+: von acht F- umgeben ⇒ Würfel F-: von vier Ca2+ umgeben ⇒ Tetraeder

Übungsaufgaben für den 25.06.2010

1) Welche (Valenz)Elektronenkonfiguration haben folgende Übergangsmetall-Kationen? Ti3+, V3+, Cr3+, V2+, Cr2+ Mn3+, Mn2+, Fe3+, Fe2+, Co3+, Co2+, Ni2+, Cu2+

Ti3+ 3s2 3p6 3d1

V3+ 3s2 3p6 3d2

Cr3+, V2+ 3s2 3p6 3d3

Cr2+ Mn3+ 3s2 3p6 3d4

Mn2+, Fe3+ 3s2 3p6 3d5

Fe2+, Co3+ 3s2 3p6 3d6

Co2+ 3s2 3p6 3d7

Ni2+ 3s2 3p6 3d8

Cu2+ 3s2 3p6 3d9

2) Zeichnen Sie die energetische Aufspaltung von d-Orbitalen im a) oktaedrischen b) tetraedrischen c) quadratisch-planaren Ligandenfeld

E

dx2-y2 dz2

dx2-y2

dx2-y2

dz2

dz2

dxy dxz dyz

dxy

dxy

dxz dyzdxz dyz

tetraedrisch oktaedrisch quadratisch-planar

3a) Die oktaedrischen Komplexe [Fe(CN)6]3- und [FeF6]3- haben ein bzw. fünf ungepaarte Elektronen. Wie kann man das erklären?

b) Zeichnen Sie die d-Orbital-Aufspaltungsdiagramme für oktaedrische high-spin- und low-spin-Komplexe von Cr3+, Fe2+, Cr2+ und Ni2+.

zu a) [Fe(CN)6]3-, CN-: low spin Komplex; ein ungepaartes Elektron

E

[FeF6]3-, F-: high spin Komplex; fünf ungepaarte Elektronen

E

zu b) low spin high spin

Cr , d3+ 3

Fe , d2+ 6

Cr , d2+ 4

Ni , d2+ 8

Übungsaufgaben für den 16.07.2010

1a) Wie lauten die „Trivialnamen“ folgender Verbindungen?

a. CaMg(CO3)2 Dolomit b. MgSO4 7H2O Bittersalz c. CaF2 Flußspat (Fluorit) d. CaCO3 Kreide, Marmor e. CaSO4 2H2O Gips f. Na2SO4 Glaubersalz g. Na2CO3 Soda h. KNO3 Salpeter i. K2CO3 Pottasche

1b) Geben Sie die Valenzstrichformeln, mesomere Grenzformeln inkl. der freien Elektronenpaare sowie evtl. vorhandene Formalladungen für folgende Ionen an:

SO42-, NO2

-, NO3-, CO3

2-, PO43-

SO42-

NO2-

NO3-

CO32-

-

NOO -

NOO

C

N

O

O

O

O

O

O

-

-

-

-

C

N

O

O

O

O

O

O

-

-

-

-

S

O

O

O-

-O

PO43- P P

O O

O O

O O- -

- -

-

-

O O

S

O

O

O

-

-

O

+ +

2) Welche Sauerstoffverbindungen werden beim Erhitzen von Li, Na, K, Rb und Cs an der Luft gebildet? - Verbrennt man Li im O2-Strom ensteht Li2O (Lithiumoxid). - Verbrennt man Na im O2-Strom ensteht Na2O2 (Natriumperoxid). - Mit den größeren Alkalimetallen K, Rb, Cs entstehen bei der Oxidation

mit Luftsauerstoff die Hyperoxide MeO2 (Me = K, Rb, Cs). 3) Geben Sie die vollständigen Reaktionsgleichungen für die Reaktionen von Kalium mit: a) H2O

2K + 2H2O → 2KOH + H2 b) H2

2K + H2 → 2KH c) NH3

2K + 2NH3 → 2KNH2 + H2 d) O2

K + O2 → KO2 e) Br2

2K + Br2 → 2KBr an !

Übungsaufgaben für den 19.07.2010

1) Welche binären Metallcarbonyle der Übergangsmetalle der 4. Periode sind ihnen bekannt?

Cr(CO)6Fe(CO)5Ni(CO)4V(CO)6Mn2(CO)12Co2(CO)8Fe2(CO)9Fe3(CO)12Co4(CO)12Co6(CO)16

2) Zeichnen Sie die Strukturen folgender Metallcarbonyle: Cr(CO)6, Mn2(CO)12, Fe2(CO)9, Co4(CO)12

Cr Mn

Fe Co

Co

Co

Mn

Fe Co

COCO

CO

CO

CO

CO

CO

CO

CO

CO

CO

COCO

CO

OC OC

OC

OC

OCOC

OC

OCOC

OC

CO

CO

CO

CO

CO

CO

CO

CO

COCOCO

CO

CO

3) Wie kommt Aluminium in der Natur vor, wo wird es verwendet und wie wird es technisch dargestellt?

Vorkommen und Verwendung : Hauptsächlich als Alumosilicate (Feldspäte, Tone und Glimmer). Für die Al-Darstellung wichtiger sind Bauxit, das reich an Böhmit AlO(OH) und Al(OH)3 ist.

- Kraftfahrzeug- und Flugzeugindustrie ; Apparatebau - Verpackungen und Gebrauchsgüter

Bayer-Verfahren Bei diesem Verfahren wird aus Bauxit Al2O3 für die Schmelzflußelektrolyse dargestellt. Gemahlener Rohbauxit wird mit heißer NaOH umgesetzt, wobei [Al(OH)4]−in Lösung geht. Diese wird zur Abscheidung von Al(OH)3 verdünnt. Bei etwa 1200°C wird Al(OH)3 zu Al2O3 entwässert. Schmelzflußelektrolyse Neben 80% Kryolith und etwa 8% Tonerde enthält der Elektrolyt noch Aluminium- und Lithiumfluorid. Dies erhöht die Leitfähigkeit und senkt die Schmelztemperatur. Der so hergestellte Elektrolyt bleibt erhalten, da ein Teil der elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Anode : 2 Al2O3 + 4[AlF6]3− → 3O2 + 8AlF3 + 12e−

Kathode : Na+ + e− → Na

Elektrolyt : 3Na + AlF3 ↔ Al + 3NaF, 3NaF + AlF3 ↔ Na3[AlF6]

Das flüssige Aluminium ist dichter als der Elektrolyt. Es sinkt zu Boden und wird von dem Elektrolyten vor der Oxidation geschützt.

Übungsaufgaben für den 20.07.2010

1) Beim Freiberger Aufschluss wird der unlösliche Rückstand der Analysensubstanz u.a. mit Soda geglüht, um ihn in eine lösliche Form zu überführen.

a. Was ist die zweite Komponente des Aufschlussmittels? elementarer Schwefel

b. Für welche Verbindungen ist diese Methode geeignet? schwerlösliche As- (Thioarsenat), Sb- (Thioantimonat) und Sn-Oxide werden zu löslichen Thioverbindungen umgesetzt; nach Ansäuern entstehen instabile Thiosäuren, die in H2S und die entsprechende Sulfide zerfallen.

c. Was entsteht dabei / in welche Verbindung werden die Oxide überführt?

2SnO2 + 2Na2CO3 -> 2Na2[SnO3] + 2CO2 Stannat 2Na2[SnO3] + 9S -> 2Na2[SnS3] + 3SO2 Thiostannat

2SnO2 + 2Na2CO3 + 9S -> 2Na2[SnS3] + 3SO2 + 2CO2

2SnO2 + 5Na2CO3 + 9S -> 2Na2[SnS3] + 3Na2SO3 + 5CO2

4Sb2O3 + 12Na2CO3 + 44S -> 8Na3[SbS4] + 9SO2 + 12CO2

4As2O3 + 12Na2CO3 + 44S -> 8Na3[SnS4] + 9SO2 + 12CO2

2) Wie weist man BrO3- und IO3

- nebeneinander nach? Bitte geben Sie die Reaktionsgleichungen bzw. Schemata, Valenzstrukturen und Oxidationsstufen der Halogene an.

BrO3

- / IO3- + H2SO3 -> Br- / I- + H2SO4

Red: BrO3

- + 6H+ + 6e- -> Br- + 3H2O Ox: H2O + SO3

2- -> SO42- + 2e- + 2H+ /x3

BrO3- + 3SO3

2- -> Br- + 3SO42-

Br- neben I- mit Cl2-Wasser in CHCl3 nachweisen: Violettfärbung der organischen Lösung zeigt Entstehung von I2, Braunfärbung von Br2 an 2I- + Cl2 -> I2 + 2Cl-

Br

O

OO

-

AB3E: trig. pyramidal pseudo Tetraeder

3) Zum Nachweis welcher Elemente wird die Marsh’sche Probe verwendet? Geben Sie die Reaktionsgleichungen ausgehend von entsprechenden Oxid an. Was genau verbrennt beim Anzünden der gebildeten Gase? Was muss bei der Reaktion beachtet werden und wie werden die nachweisbaren Elemente voneinander unterschieden? Marsh’sche Probe: gerichtsmedizinischer Nachweis von As-Spuren in Leichenteilen („forensischer As-Nachweis“; auch für Sb geeignet)

As2O3 + 6Zn + 12H+ -> 2AsH3 + 6Zn2+ + 3H2O mit H2SO4 verd. ansäuern

entstehendes AsH3 verbrennt mit blauer Flamme und schlägt sich an kalter Porzellanschale als schwarzer Fleck von elementarem As /Sb nieder

4AsH3 + 3O2 -> 4As + 6H2O

As: schnell löslich in ammoniakalischer Peroxid- oder frischer NaClO-Lösung. Sb: langsamer löslich in ammoniakalischer Peroxid-Lösung; meistens erst nach Erwärmen.

2As + 5H2O2 + 6NH3 -> 2AsO43- + 6NH4

+ + 2H2O

Achtung: Zn + H+ hierbei entsteht (auch) H2; -> Knallgas-Reaktion! Achtung: AsH3, und SbH3, beide hochgiftig! Knoblauchgeruch beachten!

4) Wird Mg(OH)2 ausgefällt, wenn in einer Lösung von Mg(NO3)2 (c = 0,001 mol/L) der pH-Wert auf 9 eingestellt wird? Ab welchem pH-Wert fängt die Bildung von Mg(OH)2 an? LP(Mg(OH)2) = 8,9·10-12 mol3/L3

c(Mg(NO3)2) = 10-3 mol/L pH = 9 => pOH = 14 – pH = 5 => c(OH-) = 10-5 mol/L LP(Mg(OH)2) = c(Mg2+) · c2(OH-) = 10-3 · (10-5)2 = 10-13 mol3/L3

Das Löslichkeitsprodukt wird nicht überschritten; es fällt kein Mg(OH)2 aus.

( ) ( )( )( )

( ) 10414pH4pOH10L/mol104,9OHc

L/mol109,810

109,8Mgc

OHMgLOHc

45

2293

12

22P2

≈−≈⇒≈⇒≈⋅=

⋅=⋅

==

−−−

−−

−

+−

Mg(OH)2 fällt ab einem pH-Wert von ca. 10 aus.