Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und ...

Note
Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure
Die Klausur besteht aus 13 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 1–10 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.
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U E
.
.
.
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.
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
9 Be
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
Schreiben Sie mehrere Atomsymbole für ein Element, das nicht zu den Reinelementen gehört.
1 H, 2 H, 3 H; 3 He, 4 He; 12 C, 13 C, 14 C 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. (H 2 ; Hier wurden oft unnötig komplizierte Moleküle gewählt wie z. B. O 2 oder C 2 ).
Untermalen Sie Ihre stichwortartige Beschreibung der Bindung durch eine Orbitalskizze und ein Energiediagramm mit
Beschriftung der Niveaus und Elektronenbesetzung.
* E
H-H
*
1s
1s
H H 2 H
4) (6) Blei hat eine Dichte von 11.34 g/cm 3 . 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/cm 3 ) = 18.27 cm 3 /mol (das Molvolumen). Die
dritte Wurzel daraus ist die gesuchte Kantenlänge: 18.27 1/3 = 2.634 cm.
Anzahl der Atome längs einer Kante: (N A ) 1/3 = dritte Wurzel aus 0.622 10 24 = 0.854 10 8 .
Geben Sie für verdünnte Schwefelsäure (10 Gew.- H 2 SO 4 , Dichte 1.066 g/cm 3 ) die Konzentration der Säure an: a)
Molarität, b) Molalität, c) Molenbruch.
1 l der verdünnten Säure wiegt 1.066 kg, darin sind 10% H 2 SO 4 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).
K L (PbSO 4 ) = 10 -8 (mol/L) 2
Hier hätte besser zuerst die Reaktionsgleichung abgefragt werden sollen:
Pb 2+ + SO 2- 4 → PbSO 4
Oder Pb(NO 3 ) 2 + Na 2 SO 4 →PbSO 4 + 2 NaNO 3
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: K L = c(Pb 2+ ) c(SO 2- 4 ) = 10 -8 (mol/L) 2 Mit c(Pb 2+ ) = 0.2 mol/L wird klar, dass c(SO 2- 4 ) 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(Pb 2+ ) noch größer wird, muss c(SO 2- 4 ) entsprechend kleiner werden. Weil
die Konzentration an Sulfat in Lösung nach der Fällung bereits verschwindend klein ist (

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. 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 H 2 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 2PbCO . 3 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
PbCO 3
Cerussit, Weißbleierz
PbCrO 4
Krokoit, Rotbleierz
PbMoO 4
Wulfenit, Gelbbleierz, Bleimolybdat
PbWO 4
Stolzit
Pb 5 (PO 4 ) 3 Cl Pyromorphit
Pb 5 (VO 4 )Cl Vanadinit
PbSO 4
Anglesit
Manche Wasserleitungen in alten Häusern enthalten noch Bleirohre. In weichem Wasser mit Kohlendioxid löst sich
Blei als lösliches Hydrogencarbonat, Pb(HCO 3 ) 2 .
2PbCO 3 . Pb(OH) 2 ) + 3 H 2 S →3 PbS + 3 H 2 O + CO 2
PbS + 4 H 2 O 2 → PbSO 4 + 4 H 2 O
9) (5) Geben Sie für Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Nitrat und Sulfat
Valenzstrichformeln an (3).
- + O O
C
O
.
+.
C N O N
O
O
-
-
O
O
O
N+ O S O -
O
-
O
-
Stickstoffdioxid steht im chemischen Gleichgewicht mit seinem Dimer, dem Distickstofftetroxid:
2 NO 2 ⇌ N 2 O 4

Die Dimerisierung ist exotherm. Geben Sie an, ob bei Erhöhung von Druck oder Temperatur mehr NO 2 oder mehr
N 2 O 4 gebildet wird (2).
Bei erhöhtem Druck mehr N 2 O 4 , bei erhöhter Temperatur mehr NO 2 , 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 N 2 O 4 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 NO 2 gebildet.
10) (6) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Oxidation von Schwefelwasserstoff mit Kaliumpermanganat
(KMnO 4 ) zu Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) 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).
-
MnO 4 + 5e - + 8 H + ⇌ Mn 2+ + 4 H 2 O 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 Mn 2+ muss man sich merken. Das gelingt allerdings leicht, wenn man sich überlegt, was das für das
Mangan bedeutet. Mn 2+ 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.
H 2 S + 4 H 2 O → H 2 SO 4 + 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 MnO 4 - + 64 H + + 5 H 2 S + 20 H 2 O → 5 H 2 SO 4 + 40 H + + 8 Mn 2+ - 32 H 2 O
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 MnO 4 - + 24 H + + 5 H 2 S → 5 H 2 SO 4 + 8 Mn 2+ + 12 H 2 O
Häufiger Fehler: KMnO 4 + H 2 S → KMn + H 2 SO 4
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(KMnO 4 ) = 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/Mn 2+ -Halbzelle mittels der Nernst´schen Gleichung berechnen. Die
Gleichung für die Reduktion von Permanganat wurde bereits formuliert:
-
MnO 4 + 5e - + 8 H + ⇌ Mn 2+ + 4 H 2 O
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 H 2 S halbiert werden: 0.1 mol/L.
Durch Reduktion von Permanganat entsteht Mn 2+ , 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(MnO - 4 ) c 8 (H + )]/c(Mn 2+ )]

E = 1.58 V + 0.059 V
5
log 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
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 Reaktionsgleichungen für Start-,
Ketten- und Abbruchreaktion (8). Skizzieren Sie Valenzstrichformeln für die beiden unterschiedlichen Alkylradikale
und geben Sie an, welches stabiler ist (2).
Cl 2
h
2 Cl .
C 3 H 8 + Cl . .
HCl + C 3 H 7
.
Cl 2 + C 3 H 7 C 3 H 7 Cl + Cl .
Start
Kette
C 3 H 7 . + Cl .
C 3 H 7 Cl
Abbruch
H
C
CH 3
CH 3
>
H
C
H
CH 2
.
CH 3 >
, 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 Oligopeptid schematisch das Prinzip
der Bestimmung der Aminosäuresequenz (3). Gehen Sie von der Annahme 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,
AKYKDZM-REA, PRDRM-REA und GS-COOH
HACKM-REA,

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.
Bitte hinterlassen Sie Ihren Platz in einem sauberen und aufgeräumten Zustand und rücken Sie den Stuhl leise zurecht,
bevor Sie die Halle verlassen.