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38. Österreichische Chemieolympiade

Bundeswettbewerb

Lösungenmit Punktebewertung

38. Österreichische ChemieolympiadeBundeswettbewerb - WieselburgTheoretischer Teil - Angaben15. Juni 2012

Aufgabe 1: 14 rp ≙ 46 bp; f = 0,30434

Rund um das Element BorA. Kernumwandlungen des Bors

1.1.B+5

10 n → B→ α+24

511

01 Li3

7 1bp

1.2.1.3.

Gleichung: 1bp

Zerfallsart von X: β- 0,5bp Tochternuklid: 0,5bp

1.4.14N 0,042 g/g ≙ 0,003 mol / g10B 10-6 g/g ≙ 10-7 mol / g

Einfänge N❑14

Einfänge B❑10 =

0,003 molg

∙1,83 barn

10-7 molg

∙3838 barn= 0,00549

3,838 ∙10-4 =14,3

5bp

1.5.

N0 =A 0

λ=

t1/2A 0

ln 2= 1235520 s ∙0,1 s−1

ln 2=1,78 ∙105 Atome

λ=5,61 ∙10-7 ∙s-1 2bp

B. Eine Verbindung des Bors und ihre Untersuchung

1.6. 3bp1.7.

Formeleinheiten pro Elementarzelle: 4 1bp

1.8. Berechnen Sie die Gitterkonstante a der Elementarzelle.

1.9. Berechnen Sie die Dichte ρ von BP.

1

714 N +0

1 n→ 614 C+1

1 p

714 N


196 pm⋅sin(54 , 75 °)= a√24 a=453 pm 3,5bp

ρ=mEZ

V EZ=

4⋅41, 78 g⋅mol−1

6 , 022⋅1023mol−1

( 453⋅10−10 )cm 3 =2 ,99 g⋅cm−3

2bp

1.10.

d=n λ2sin θ

=1 72 pm⋅2 sin 7,8°

=265,26 pm

d= a

√ {h2+k2+ l2}⟹a=459 p m 3bp

D. und noch eine Borverbindung

1.11. 1.12.

Formel des Magnesiumborids: MgB2 2bp

2


4bp

Bindungsordnung: 2 0,5bp magnetisches Verhalten: diamagnetisch 0,5bp

D. Ein kleines Reaktionsschema

1.13.

B(OH)3

A 1bp

B2O3

B 1,5bp

B

C 0,5bp

BP

D 1bp

BF3

E 1bp

B2H6

F 1bp

3


BCl3

G 2bp

AlCl3

H 1bp

Al

I 0,5bp

Cl2

J 0,5bp

B4H10

K 2bp

1.14.2bp

1.15. Wie bezeichnet man die besondere Bindung im Molekül F?

3-Zentren-2-Elektronenbindung 1,5bp

1.16. Benennen Sie K.

Tetraboran(10) 1bp

4


Aufgabe 2 6 rp ≙ 19 bp; f = 0,31579

Platinkomplexe2.1.

Diammindichloroplatin(II) 1bp

2.2.

0,5+0,5 bp

2.3.d8; Ladung Pt: 2+ 0,5+0,5 bp

2.4.

1bp

2.5.

1+1bp

1+1+1+1bp

2.6.

6×0,5bp

2.7.

Je 1 bp

1+1bp

5


Aufgabe 3 7 rp ≙ 22 bp; f = 0,31818

Kinetik

3.1.

λ=ln 2τ

=5 ,332⋅10−2 h−1

15=100⋅e−5 ,332⋅10−2⋅t ln10015

=5 , 332⋅10−2 ¿ t

t=35 , 58≈36 h 2,5bp

3.2. [Ester]2/[Ester]1 = v2/v1 ⇒ 1. Ordnung[OH-]3/[OH-]2 = v3/v2 ⇒ 1. Ordnungv = k‧[Ester]‧[OH-] 1,5 bpk = v/([Ester]‧[OH-])k = 8,09‧10-2 L/mol.s 1,5bp

3.3.

3bp

3.4.

2bp

3.5.

3bp

3.6.

1,5 bp

t (s) 0 60 120 180 240 300pgesamt ×10-4 (Pa) 1,350 1,105 1,060 1,030 1,015 1,005p(O2) ×10-4 (Pa) 0,450 0,205 0,160 0,130 0,115 0,105

1/p2(O2) ×108 (Pa-2) 4,94 23,8 39,1 59,2 75,6 90,7

3.7. Werte in der Tabelle richtig:

3bpEntsprechende Graphik 3bpBerechnung für k‘3: 2 k‘3 = (90,7/300)‧10-8 Pa-2s-1

6

v=12⋅

d [ NO2 ]dt

=k 2[ N 2 O2 ][ O2 ]

K=k1

k−1=

[ N2 O2 ]

[ NO ]2⇒ [ N2 O2 ]=

k1

k−1[ NO ]2

v=k1 k2

k−1[ NO ]2 [O2 ] ⇒ a=2 b=1 c=0

[ NO ][O2 ]

=2 ⇒ [ NO ]=2[O2 ]

d [O2 ]dt =−k 3 ' [ O2 ](2[ O2 ])

2=−4 k3 ' [O2 ]3

x=3 k=4 k3 '

∫[O2 ]0

[O2 ] d [O2 ]

[ O2 ]3 =−4 k3 '∫

0

t

dt ⇒ −12[ O2]

2 +12[ O2]0

2 =−4 k3 ' t (×(−2 ))

1[O2 ]2

=1[ O2 ]0

2 +2 k3 ' t

pV=nRT ⇒ p= nV

RT ⇒ p=cRT ⇒ c= pRT


k‘3 = 1,51‧10-7 Pa-2s-1 1bp

20

40

60

80

100

1/p2(O2) ×108 (Pa-2)

t (s)•

•

100 200

•

•

•

•

7


Aufgabe 4 8 rp ≙ 26 bp; f = 0,30769

Thermochemie und GleichgewichtGroßtechnische Synthese von Wasserstoff

4.1.

CH4 + H2O ⇄ 3 H2 + CO 1bp

4.2.

lnK (T 2 )K (T 1 )

=Δ R H θ

R (T 1−1−T 2

−1)

ln 2 , 66⋅104

1 , 45⋅10−25 =ΔR H θ

8 , 314(298−1−1580−1)

ΔR H θ=205 , 75 kJ≈206 kJ3bp

−RT ln K= ΔR H θ−T⋅Δ R ΔSθ

−8 , 314⋅298⋅ln (1 , 45⋅10−25)=205750−298⋅ΔR Sθ

ΔR Sθ=205750−141700298

=214 , 93

ΔR Sθ=215 J / K2bp

ΔR G1100θ =205750−1100⋅214 , 93=−30673

ΔR G1100θ =−30 , 7 kJ

2bp

K1100=e30673

8 , 314⋅1100=28 , 6K P

1100=28 ,61,5bp

4.3. Berechnen Sie mit Hilfe von KP den prozentuellen Umsatz von CH4 bei 1100 K. Sollten Sie in 4.2. keinen Wert dafür erhalten haben, so verwenden Sie KP = 30,0.

CH4 H2O H2 COnvorher 1 1 0 0Δn -a -a +3a +anEq 1-a 1-a 3a a Σn = 2(1+a)

pEq

1−a2(1+a)

⋅p

1−a2(1+a)

⋅p

3 a2(1+a)

⋅p

a2(1+a)

⋅p

3bp

8


K P=(3 a )3⋅a⋅2⋅(1+a )⋅2⋅(1+a)23⋅(1+a )3⋅2⋅(1+a )⋅(1−a )⋅(1−a )

⋅p2

K P=27⋅a4

4⋅(1+a)2 (1−a )2⋅p2 ⇒ 1p⋅√4 K P

27=a2

1−a2

3,5bpEinsetzen und Auflösen mit K = 28,6, p = 1,6 bar führt zu:a = 0,749875% setzen sich um

1,5bp

4.4.

p1T1 = p2T2 ⇒ pG = (1100/400)‧1,6 pG = 4,40 bar 1bP

4.5.

p(CH4) = p(H2O) = ½pG pi = 2,20 bar 1bp

4.6. Berechnen Sie jetzt die Partialdrucke aller Gase und den Gesamtdruck im Gleichgewicht.

CH4 H2O H2 COpvorher 2,2 2,2 0 0Δp -b -b +3b +bpEq 2,2-b 2,2-b 3b b pG = 4,4+2b

2bp

K P=27 b4

(2,2−b )2

√28 , 6=√27 b2

2,2−b2bp

Einsetzen und Auflösen mit führt zu:b = 1,08 barpG = 6,56 barp(CH4) = p(H2O) = 1,12 bar p(CO) = 1,08 barp(H2) = 3,23 bar 1,5bp

4.7.

Umsatz = 100‧(2,2-1,124)/2,2 = 48,9% 1bp

Aufgabe 5 6 rp ≙ 19 bp; f = 0,31579

Wasserstoffperoxid5.1.

pH=0,5 · (11,65−log (0,1 ) )=6,325 1,5 bp

5.2.

9


H2O2 + 2 H+ + 2 I- ⇌ 2 H2O + I2 1bp

5.3.

ΔEƟ = EƟ2 - EƟ

1 = 1,763 - 0,535 = 1,228 V 1bp

5.4.ΔGƟ = -z·F·ΔEƟ = -2·96485·1,228 = -237,0 kJ/mol

K=e∆ GƟ

−R · T=3,45 · 1041 1,5+1,5 bp

5.5.

2 KMnO4 + 5 H2O2 + 6 H+ ⇌ 2 K+ + 2 Mn2+ + 5 O2 + 8 H2O 2bp

5.6.

ΔEƟ = EƟ2 - EƟ

3 = 1,763 - 0,695 = 1,068 V 2bp

5.7.H2O2 + 2 Fe3+ ⇌ O2 + 2H+ + 2Fe2+ 1bp

ΔEƟ = EƟ4 - EƟ

3 = 0,77 - 0,695 = 0,075 V 1bpΔGƟ = -z·F·ΔEƟ = -2·96485·0,075 = -14,5 kJ/mol 1bp

H2O2 + 2 H+ + 2 Fe2+ ⇌ 2 H2O + 2 Fe3+ 1bpΔEƟ = EƟ

2 - EƟ4 = 1,763 - 0,77 = 0,993 V 1bp

ΔGƟ = -z·F·ΔEƟ = -2·96485·0,993 = -191,6 kJ/mol 1bp

5.8.Fe3+ - Ionen können als Katalysator wirken, weil beide Reaktionen eine negative freie Reaktionsenthalpie aufweisen und daher freiwillig ablaufen. 1,5bp

5.9.Ein anderer Katalysator muss ein Standardpotential zwischen + 0,695 und + 1,763 aufweisen. 1bp

Aufgabe 6 5 rp ≙ 15 bp; f = 0,33333

Nierensteine

6.1.

Da der pH-Wert deutlich über dem pKA2 liegt, liegen nur C2O42- - Ionen vor. 2bp

6.2.

nH 2 C2O 4= 0,46

90,04=0,00511mol=nC a2+¿¿

mC a2+¿=0,0051 ·40,08=0,205 g¿ 2bp

6.3.

10


K L=¿¿ 2bp

6.4. ¿¿ 1bp¿¿ 1bp¿ 1bp¿

¿

0,0012−¿¿ [Ca2+] = 1,119·10-3 mol/L 2bp¿ 1bp

6.5.pH = pKA2 ⇒ [HC2O4

-] = [C2O42-]

cGesamtoxalat = 1,93·10-6·2 = 3,86·10-6 mol/L 3bp

Aufgabe 7 10 rp ≙ 34 bp; f = 0,29412

Synthese von Carbozuckern und Shikimisäure über einen „Norbornyl“-Weg

7.1. A 2bp B 1bp C 2bp

D 2bp E 3bp

11


7.2. Retro-Diels-Alder 0,5bp

7.3. Diels-Alder 0,5bp

7.4. Ketal 0,5bp

7.5. endo 0,5bp

7.6. G 2bp H 2bp I 2bp

7.7.

MCPBA = m-Chlorperbenzosäure oder Persäure 1bp

7.8. L 2bp M 2bp

7.9.

MeOH/OH- (oder MeOH/NaOH oder MeOH/KOH); Umesterung 0,5+0,5bp

7.10. 3bp

7.11. 1bp 7.12.1+1bp

12


7.13. 7.14.Enantiomer 1bp

Aufgabe 8 4 rp ≙ 11 bp; f = 0,36364

Chymotrypsin

8.1. ⊗ Methionino Aspartato Glycin⊗ Isoleucino Arginin 2bp

8.2.

Das Sauerstoff-Atom von Ser-195. 2bp

8.3. ⊗ His-57 fungiert als Base und erleichtert damit die Ablösung des Protons.o Hohe pKA-Werte zeigen eine leichte Ablösbarkeit von Protonen an.o Die Wasserstoffbrücke von Gly-193 erhöht die Acidität.o Die Wechselwirkungen in der hydrophoben Tasche erhöhen die

Polarisierbarkeit der C=O – Doppelbindung.2bp

8.4.o Sie erhöht den pH-Wert.⊗ Sie stabilisiert die positive Ladung, die sich nach Schritt 2 an His-57 bildet.o Sie stabilisiert die Position von Gly-193.o Sie fixiert die Position von His-57 durch van der Waals-Kräfte.

2bp

8.5.o Bei der Reaktion handelt es sich um eine Reaktion zweiter Ordnung.o Die Reaktion wird, je länger sie andauert, immer langsamer.o Die Reaktion verläuft sehr schnell bis ca. ein Drittel aller Enzyme reagiert

haben.⊗ Die Reaktion verläuft sehr schnell bis alle Enzymmoleküle besetzt sind.o Die Reaktion verlangsamt sich nach einer Minute.o Die Reaktion beschleunigt sich nach einer Minute.

R 3bp

13


o Die Geschwindigkeit der Reaktion ist unabhängig von der Enzym-Konzentration.⊗ Nach einem raschen Beginn verlangsamt sich die Reaktion, sobald alle Enzyme besetzt sind.⊗ Die Reaktionen von 1-3 verlaufen rascher als die Reaktionen 4-5.

o Die Reaktionen von 1-3 verlaufen langsamer als die Reaktionen 4-5. 3bp

14

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