am 31.05.2014

Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure
am 31.05.2014
Die Klausur besteht aus 14 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 11–14 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 1–10 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.
Hilfsmittel: Taschenrechner ohne Textspeicher, Periodensystem der Elemente ohne handschriftliche Ergänzungen.
Hinweis: Mit Ihrer Teilnahme an der Klausur versichern Sie zugleich, dass Sie prüfungsfähig sind. Im Falle einer plötzlich während
der Prüfung auftretenden Erkrankung sind Sie verpflichtet, das Aufsichtspersonal umgehend zu informieren. Der Rücktritt von der
Prüfung muss anschließend beim zuständigen Prüfungsausschuss beantragt werden und ein ärztliches Attest - ausgestellt am
Prüfungstag - ist unverzüglich nachzureichen. Wird die Prüfung hingegen in Kenntnis einer gesundheitlichen Beeinträchtigung
regulär beendet, kann im Nachhinein kein Prüfungsrücktritt aufgrund von Krankheit beantragt werden.
Name; __________________________________________________________ Matr. Nr. ____________________________
Namen und Matrikelnummer sollen auch auf den Klausurbögen eingetragen werden
1
2
3
4
5
5
6
4
4
8
6
7
7
8
7
3
9 10 11 12 13 14
4
9 7 10 4
2
1) (5 Punkte) Kreuzen Sie an:
Ein Paar von Isotopen kann auch ein Isobarenpaar sein
Beim Rutherford-Versuch kollidieren -Teilchen mit Atomkernen
Die Nebenquantenzahl l beschreibt die Form eines Atomorbitals
Durch Überlappung zweier Atomorbitale entsteht ein Molekülorbital
Das höchste antibindende MO im O2-Molekül ist unbesetzt
U
.
E
.

.
Note
falsch richtig







 (es entstehen zwei MO)


2) (6) a) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der ionischen Bindung. (1)
Elektrostatische Anziehung zwischen positiv und negativ geladenen Ionen.
b) Zeichnen Sie die Elementarzelle des Zinkblende-Gitters und geben Sie Koordinationszahl und –geometrie für beide
Bindungspartner an. (3)
Beide Bindungspartner sind tetraedrisch von je vier Gegenionen umgeben.
C. N. = 4 für beide, Koordinationsgeometrie tetraedrisch für beide.
c) Begründen Sie die Sprödigkeit und die Isolatoreigenschaft der meisten Salzkristalle. (1)
Beim Verschieben einer Gitterebene gelangen leicht Kationen über Kationen und Anionen über Anionen. Wegen der
elektrostatischen Abstoßung von Ladungen mit gleichem Vorzeichen zerbricht der Kristall in diesem Fall.
d) Ordnen Sie die drei folgenden ionischen Verbindungen nach ihrer Härte. (1)
Vergeben Sie die Ziffern 1 – 3 für zunehmende Härte:
RbCl (1), Al2O3 (3), CaO (2).
3) (4) Kreuzen Sie an (nur bei einer Frage ist mehr als eine Antwort richtig). Für vier richtige Entscheidungen wird je
ein Punkt erteilt, drei Richtige erbringen je einen halben Punkt.
a) Die Temperatur, bei der sich bei Abkühlung feuchter Luft Wassertröpfchen bilden (der so genannte Taupunkt), hängt
ab vom
 Luftdruck
 Partialdruck
 Dampfdruck
 Quelldruck
b) Eine für unser Auge klare Flüssigkeit, die den Verlauf eines Lichtstrahls durch Lichtstreuung sichtbar macht, nennt
man
 Emulsion
 Suspension
 Kolloid
 Dispersion
c) Viele ionische Verbindungen lösen sich in
 Speiseöl
 flüssigem Argon
 Wasser
 flüssigem Ammoniak
d) Löst man ein Mol Natriumsulfat in einem Liter Wasser von 4 °C und erwärmt die Lösung auf 50 °C, so hat
 die Molarität  der Molenbruch
 die Molalität
 der Prozentgehalt
der Lösung den Zahlenwert 1.00 in der hierfür vorgesehenen Einheit.
4) (4) 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.
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Einstellung des Lösungsgleichgewichts (1) sowie das
Massenwirkungsgesetz für diese Gleichgewichtsreaktion (1) und berechnen Sie aus dem angegebenen Zahlenwert das
Löslichkeitsprodukt von Silberiodid. (2)
AgI ⇌ Ag+ + IKL(AgI) = c(Ag+)  c(I-)
(Reaktionsgleichung für das Lösungsgleichgewicht)
(Definition des Löslichkeitsprodukts des Silberiodids)
Berechnen Sie zuerst die Molmasse und die Silberiodid-Konzentration: 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.
In die Gleichung für das Löslichkeitsprodukt setzen wir diesen Wert für beide Ionensorten ein:
KL(AgI) = (1.23 10-8 mol/L)2 = 1.5110-16 (mol/L)2.
Das Löslichkeitsprodukt von Silberiodid beträgt 1.5110-16 (mol/L)2.
5) (8) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz für die Dissoziation von Essigsäure
(2). Die Säuredissoziationskonstante KS für Essigsäure beträgt 1.78  10-5 mol/L.
HAc ⇌ H+ + Ac-; oder: CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO-;
pKS = -log (1.78  10-5) = 4.75
b) 20.018 g Calciumcarbonat (CaCO3) werden in 400 mL verdünnter Essigsäure (30.03 g/L CH3COOH) gelöst.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung (2) und berechnen Sie den pH der Lösung. (3) Gehen Sie davon aus, dass das
im Carbonat enthaltene Kohlendioxid vollständig entweicht.
CaCO3 + 2 CH3COOH → Ca(CH3COO)2 + CO2 + H2O
Ein Mol Calciumcarbonat wandelt zwei Mol Essigsäure (Säure) in Acetat-Anionen (korrespondierende Base)
um.
Stoffmenge CaCO3: Zuerst Molmasse ausrechnen (40.08 + 12.01 + 3  16.00) g/mol = 100.09 g/mol;
n = 20.018/100.09 = 0.20 mol.
Stoffmenge CH3COOH: Zuerst Molmasse ausrechnen (2  12.01 + 4  1.01 + 2  16.00) g/mol = 60.06 g/mol;
n = (30.03 g/L  0.4 L) : 60.06 g/mol = 0.20 mol.
Die gegebene Menge Essigsäure kann nach der ausdrücklich verlangten Reaktionsgleichung nur die Hälfte
des Calciumcarbonats auflösen. Der Rest bleibt ungelöst zurück und beeinflusst den pH der Lösung nicht.
Diese enthält 0.2 mol Acetat-Anionen in einem Volumen von 0.4 Liter. Die Konzentration der Base Acetat
beträgt also 0.5 mol/L.
Um den pH zu berechnen, brauchen wir den pKB-Wert des Acetats. Dieser ergibt sich aus dem pKS-Wert der
korrespondierenden Säure nach der Gleichung: pKB = 14 – pKS = 14 – 4.75 = 8.25.
Aus diesem Wert ergibt sich der pOH der Lösung nach folgender Gleichung: pOH = ½[ pKB – log c(Base)] =
½[8.25 - (-0.30)] = 4.275. Umrechnen in den gesuchten pH mittels pH = 14 – pOH ergibt den pH 9.725.
c) Bezeichnen Sie den Punkt der Titrationskurve, der durch die Zugabe der Base Calciumcarbonat zur Essigsäure
erreicht wurde und beschreiben Sie die Empfindlichkeit des pH der Lösung b) gegen Zugabe kleiner Mengen an
Salzsäure oder Natronlauge (hoch, niedrig). (1)
Die Lösung ist am Äquivalenzpunkt. Sie ist sehr empfindlich gegen Zugabe von Base. Gegen Säurezugabe ist
die vorliegende Mischung nicht empfindlich, weil überschüssiges Calciumcarbonat die Säure neutralisiert.
Entfernt man das Calciumcarbonat durch Filtration, ist die Lösung auch gegen Säurezugabe sehr empfindlich.
6) (7) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Aluminiummineralien mit Namen und Formel (2). Beschreiben Sie die
technische Herstellung von Aluminium anhand von zwei Reaktionsgleichungen (4) und begründen Sie stichwortartig
die Korrosionsbeständigkeit des unedlen Metalls. (1)
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
γ-AlO(OH)
Böhmit
α-AlO(OH)
Diaspor
γ-Al(OH)3
Hydrargillit
Kathodenreaktion:
Al3+ + 3 e- ⇌ Al
Anodenreaktion:
O2- + C ⇌ CO + 2 e-
Aluminium wird durch eine dichte, harte und fest haftende Oxidschicht vor Korrosion geschützt.
7) (7) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung zur Herstellung von Siliciumcarbid (SiC) (2). Nennen Sie eine
technische Anwendung. (1)
SiO2 + 3 C SiC + 2 CO
Anwendung: Siliciumcarbid-Keramik, Siliciumcarbidpulver zum Schleifen, auch in Form von größeren Kristallen als
Schmuck.
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für eine in der Technik übliche reduzierende Chlorierung (2) und eine
Gleichung für eine Folgereaktion, bei der das so hergestellte Chlorid zum Element reduziert wird (2).
ZrO2 + 2 Cl2 + 2 C → ZrCl4 + 2 CO
ZrCl4 + 2 Mg → Zr + 2 MgCl2
8) (3) Geben Sie für Kohlendioxid, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid und für das C22- - Anion des Calciumcarbids (je
0.5 Punkte) und für das Schichtsilicat mit der Wiederholungseinheit [Si2O5]2- (1 Punkt) Valenzstrichformeln an.
9) (9) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die exotherme Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und
Wasserstoff (2). Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion.
N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3
b) Geben Sie an, wie sich die Gleichgewichtslage ändert, wenn Temperatur oder Druck erhöht werden (2).
Druck erhöhen: mehr Ammoniak
Temperatur erhöhen: mehr Stickstoff und Wasserstoff
c) Berechnen Sie, wie viele Kubikmeter Erdgas (gehen Sie von reinem Methan bei 20 °C und 101300 Pa aus) nach der
Gesamtgleichung CH4 +2 H2O → CO2 + 4 H2 für die Gewinnung von Wasserstoff jährlich verbraucht werden, wenn
pro Jahr 160 Millionen Tonnen Ammoniak benötigt werden. (3)
Molmasse von Ammoniak: (14.01 + 3  1.01) g/mol = 17.04 g/mol
Stoffmenge Ammoniak: 160 Mio. Tonnen / 17.04 g/mol = 9.39  1012 mol Ammoniak.
Verhältnis Methanverbrauch zu Ammoniakproduktion: 3 CH4 ergeben mit Wasser 12 H2, das reicht für die
Herstellung von 8 NH3. Der Methanverbrauch ergibt sich demnach aus der Stoffmenge des Ammoniaks durch
Multiplikation mit dem Faktor 3/8: 9.39  1012 mol  3/8 = 3.52  1012 mol. In Kubikmetern ergibt sich diese
Menge durch Einsetzen in das Gesetz für ideale Gase: V = nRT / p = (3.52  1012 mol  8.3145 [J/(molK)]
 293.15 K) / 101300 Pa = 84.7  109 m3.
Nennen Sie zwei Anwendungen für Ammoniak. (2)
Herstellung von Düngemitteln, Sprengstoffen, Salpetersäure.
10) (7) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Oxidation von Silan (SiH4) mit Kaliumpermanganat
(KMnO4) zu Kieselsäure (H4SiO4) in einer sauren Lösung (zwei Teilgleichungen aufstellen, zusammenfügen, 4 Punkte).
b) Ein Liter einer wässrigen Lösung enthält 0.4 mol Permanganat-Ionen. Berechnen Sie das Reduktionspotenzial dieser
Lösung bei pH 2 nach Einwirkung von 25 mmol Schwefelwasserstoff (H2S), welcher zu Schwefelsäure (H2SO4) oxidiert
wird. (3 Punkte) (Tipp: Sie brauchen keine Reaktionsgleichung, wenn Sie sich anhand der Oxidationsstufen überlegen,
wie viele Elektronen ein Molekül Schwefelwasserstoff abgibt, wenn es zu Schwefelsäure oxidiert wird).
Zahlenangabe: Das Standard-Reduktionspotenzial E° für Kaliumpermanganat in saurer Lösung beträgt +1.58 V.
a) SiH4 + 4 H2O ⇌ Si(OH)4 + 8 H+ + 8 eKMnO4 + 8 H+ + 5 e- ⇌ Mn2+ + 4 H2O + K+ (K+ kann auch auf beiden Seiten der Gleichung entfallen).
5 SiH4 + 8 KMnO4 + 24 H+ ⇌ 5 Si(OH)4 + 8 Mn2+ + 12 H2O + 8 K+
b) Die Nernst´sche Gleichung war gegeben. Das Problem besteht in der Angabe von c(Ox) und c(Red). Es
muss sich um ein korrespondierendes Redoxpaar handeln, nämlich um die oxidierte und die reduzierte Form
des Permanganat/Mn2+ - Redoxsystems.
Die oxidierte Form (Permanganat) wird vorgelegt, der Term für c(Ox) lautet: c(Ox) = c(MnO4-)  c8(H+) oder
c(Ox) = c(KMnO4)  c8(H+). Für c(Red) setzen wir c(Mn2+) ein. Das ist der formale Teil der Problemlösung.
Von den drei Konzentrationen c(MnO4-), c(H+) (geht mit der Hochzahl Acht ein!) und c(Mn2+) können wir
c(H+) am pH ablesen. pH = 2 bedeutet c(H+) = 10-2 mol/L. Von den 0.4 mol Permanganat-Ionen in dem einen
Liter Lösung werden 0.04 mol durch die Zugabe von 0.025 mol Schwefelwasserstoff reduziert, weil 0.025
mol H2S die achtfache „Stoffmenge“ an Elektronen, nämlich 200 mmol Elektronen abgeben. Da zur
Reduktion von einem Permanganat-Ion zu Mn2+ fünf Elektronen nötig sind, werden 40 mmol Permanganat zu
Mn2+ reduziert. Aus ursprünglich 400 mmol Permanganat werden durch diese Redoxreaktion 360 mmol
Permanganat, der Mn2+-Gehalt der Lösung wächst dabei von Null auf 40 mmol (alles in einem Liter
Lösungsvolumen). Wir setzen also ein:
E = E° + 0.059/5 log [{c(MnO4-  c8(H+)}/c(Mn2+)] = E° + 0.0118 V  log [(0.36  10-16) / 0.04] = 1.58 V –
0.1775 V = 1.4025 V.
a)
Ab hier folgen Fragen, die für die MB-Studiengänge Bachelor oder Diplom nicht relevant sind.
11) (10) Zeichnen Sie vereinfachte Strukturformeln für die folgenden Substanzen (je 0.5 Punkte):
a) cis-1-Amino-3-propyl-hex-4-en-1-in, b) 2-Methyl-cyclohexanol, c) Ethanal, d) 2-Hydroxyhexandisäure, e) einen
Vertreter aus dem „dreckigen Dutzend“ (Beispiele aus dem Skript anbei), f) 3-Nitrophenol, g) einen Vertreter der
Speisefette, h) 1-Naphthol.
Hexachlorbenzol
Polychlorierte Biphenyle
Cl
Cl
OH
OH
O
HO
H
H2N
O
Cl
OH
O
O
Cl
Clm
Cln
Cl
Cl
Polychlorierte Dibenzodioxine
O
Clm
Cln
Polychlorierte
Dibenzofurane
Cln
O
O
OH
O
O
NO2
Clm
O
O
Dichlordiphenyltrichlorethan
O
Cl
Cl
Cl
OH
Cl
Cl
Beispiele aus dem Skript für die chlororganischen
Verbindungen, die als „dreckiges Dutzend“ bezeichnet werden.
Finden und korrigieren Sie den einen Namen, der ein Molekül eindeutig beschreibt, dabei aber eine Regel verletzt.(1)
Der falsche Name ist unter Buchstabe a) zu finden: 3-Propyl kann nur falsch sein, die längste Kette im Molekül
hat sieben C-Atome, nicht sechs.
Markieren Sie sechs Chiralitätszentren (3) (Hier ist ein Fehler, es sind nur vier: a) (1); b) (2); c) (1). Vorschlag
zur großzügigen Bewertung: Ein Punkt pro Chiralitätszentrum bis zum Maximum von drei Punkte; für drei
oder vier Zentren werden die drei Punkte erteilt). und zeichnen Sie ein Molekül mit zwei Chiralitätszentren so,
dass die Konfiguration erkennbar ist. Bezeichnen Sie beide Chiralitätszentren mit den Deskriptoren R oder S (2 Punkte).
(Hier durfte ein beliebiges Molekül gezeichnet werden, auf das die CIP-Regel angewendet werden sollte).
12) (4) Formulieren Sie die radikalische Chlorierung von Ethan mit Chlor anhand von vier Reaktionsgleichungen (Start,
zwei Gleichungen zur Kettenreaktion und ein Beispiel für den Abbruch der Kettenreaktion).
Cl Cl
h
2 Cl.
C2H6 + Cl.
C2H5. + HCl
C2H5. + Cl2
C2H5Cl + Cl.
C2H5. + Cl.
C2H5Cl
oder andere Radikalrekombinationen, auch:
2 C2H5.
C2H4 + C2H6
13) (4) Beschreiben Sie in Stichworten das Prinzip der Abtrennung eines bestimmten Proteins aus einem Proteingemisch
mit Hilfe eines so genannten Liganden. Aus Ihrer Antwort sollte hervorgehen,
a) die hochspezifische Eigenschaft, die einen solchen Liganden kennzeichnet (1)
b) die beiden unterschiedlichen Verfahrensschritte, in denen der Ligand benutzt wird (2)
c) der Ablauf des Trennverfahrens von der Auftragung des Proteingemischs bis zur Freisetzung des gereinigten Proteins.
(1)
Der Ligand bietet Bindungsstellen für Wasserstoffbrücken in einer Anordnung, die genau zu dem
gewünschten Protein passen (Schlüssel-Schloss-Prinzip).
Der Ligand wird an ein polymeres Säulenmaterial gebunden und bindet das gewünschte Protein aus einer
Lösung des Proteingemischs an das Säulenmaterial.
Hernach wird eine Lösung des freien Liganden im Überschuss benutzt, um das Protein von der Säule zu lösen.
Das Proteingemisch durchläuft die Säule mit dem immobilisierten Liganden. Das Zielprotein bindet an den
Liganden und wird so auf dem Trägermaterial fixiert.
Eine Lösung des freien Liganden gestattet die Elution des Zielproteins, das als Protein-Ligand-Komplex
isoliert wird.
14) (2) Geben Sie eine schematische Reaktionsgleichung an für die Endgruppenbestimmung, die als Grundlage für die
Sequenzanalyse nach Edman dient (2).
Kette-AS-NH2 + REA → Kette + AS-NH-REA
Kette: Polypeptidkette
AS-NH2 : Aminosäure am N-Terminus der Polypeptidkette
Bitte hinterlassen Sie Ihren Platz in einem sauberen und aufgeräumten Zustand und rücken Sie den Stuhl leise zurecht,
bevor Sie die Halle verlassen.