Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Ingenieure und Biologen

9. März 2016 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 10–12 sind für die Studiengänge Maschinenbau Diplom oder Maschinenbau Bachelor nicht verpflichtend, können jedoch auf freiwilliger Basis bearbeitet werden (siehe Anmerkung vor Aufgabe 10) 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. Hilfsmittel: Taschenrechner ohne Textspeicher, Periodensystem der Elemente, Gaskonstante R = 8.314 J/(molK). 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. _____________________________________________ _______________________Studiengang_________________________ Name Matrikelnummer (Name, MN bitte auch auf den Klausurbögen eintragen) 1 6

2 7

3 6

4 10

5 7

6 7

7 3

8 9

9 5

10 10

11 4

12 6

U . E . . Note

1) (5 Punkte) Ein Atomkern besitzt 208 Nucleonen, unter denen sich 126 Neutronen befinden. a) Geben Sie ein vollständiges Atomsymbol für dieses Isotop eines Mischelements an (2).

b) Geben Sie in der üblichen Schreibweise die Elektronenkonfiguration des Elements an. Dafür dürfen Sie die Elektronenkonfiguration des nächstgelegenen Edelgases mit niedrigerer Ordnungszahl benutzen und brauchen nur die darauf folgenden Unterschalen mit der jeweiligen Besetzung anzugeben (1). (Beispiel Brom: [Ar]3d104s24p5)

[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p2; es durfte auch eine andere Reihenfolge gewählt werden, z. B. [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p2 Häufiger Fehler: 4f14 wurde nicht genannt. c) Zeichnen Sie schematisch eines der Orbitale, in denen sich die energetisch höchstgelegenen Valenzelektronen dieses Elements aufhalten. Berücksichtigen Sie in Ihrer schematischen Zeichnung auch die Hauptquantenzahl (2).

2) (8) a) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der kovalenten Bindung. (1) Gemeinsame Benutzung von Elektronenpaaren. b) Nennen Sie ein Material, das wegen seiner starken kovalenten Bindungen besonders hart ist (1).

Diamant, Siliciumcarbid, Eisencarbid wurde auch anerkannt. „Keramik“ ohne nähere Angaben wurde nicht anerkannt, weil es sich im Normalfall um Alumosilicate handelt, in denen das Aluminium ionisch gebunden ist. c) Nennen Sie ein technisches Verfahren zur Erzeugung besonders hoher Temperaturen, welches die Stärke der kovalenten Bindung im Wasserstoffmolekül zeigt (1). Langmuir-Fackel, „Wasserstoffschweißen“ wurde auch anerkannt. d) Zeichnen Sie die Struktur von elementarem Silicium (2) und beschreiben Sie mit einem Stichwort die Art der chemischen Bindung (1).

kovalente Bindung Nennen Sie den Grund für die Halbleitereigenschaft des Siliciums und beschreiben Sie die Art der beweglichen Ladungsträger, z. B. anhand einer Valenzstrichformel, durch eine kurze Erläuterung oder anhand eines Energiediagramms (2). Die Bandlücke des Halbleiters kann von einzelnen Elektronen durch thermische Anregung überwunden werden. Dies ist möglich, weil die Si-Si-Bindung viel schwächer als eine C-C-Bindung ist und deshalb durch thermische Anregung gespalten werden kann. So gelangen Elektronen ins Leitungsband, „Löcher“ bleiben im Valenzband zurück, beide sind Ladungsträger, die zur Leitfähigkeit beitragen.

Bei der linken Abbildung, die Valenz- und Leitungsband dar-stellt, genügt auch ein “+” im Valenzband, um das “Loch” zu bezeichnen. Die Valenzstrichformel (rechte Abbildung) zeigt ein fünftes Elektron an einem Si-Atom (links unten), das sich dort in einem antibindenden Orbital befindet (dies entspricht dem Leitungsband).

Der Hinweis auf die relativ schwache Si-Si-Bindung und eine der drei Möglichkeiten der näheren Erläuterung zur Art der Ladungsträger genügte für die beiden Punkte.

3) (6) a) Zeichnen Sie schematisch ein Phasendiagramm für Wasser, das drei Linien sowie drei markante Punkte aufzeigt (2). Beschriften Sie Achsen, Linien und Punkte sowie drei Bereiche des Diagramms (2). b) Wählen Sie einen Zustand auf einer der Linien im Diagramm und beschreiben Sie diesen Zustand des Wassers mit einer kurzen Formulierung (1). Geben Sie die Zahl der Freiheitsgrade für eine Zustandsänderung an, die das System in einen anderen Zustand bringt, der aber auf derselben Linie liegen soll (1).

Beispielantwort für B: Markieren Sie einen Punkt auf der Schmelzdruckkurve. Beschreibung dazu: In diesem Punkt des Phasendiagramms liegen feste Phase (Eis) und flüssige Phase im Gleichgewicht nebeneinander vor. Man hat einen Freiheitsgrad nach der Phasenregel K + 2 = F + P, um einen Parameter zu ändern und trotzdem das Zweiphasengleichgewicht beizubehalten. Ändert man die Temperatur, so findet man auf der Schmelzdruckkurve den dazu passenden Druck. Ändert man den Druck, so kann man auf der gleichen Kurve die dazu passende Temperatur ablesen.

4) (8) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz für die Dissoziation einer schwachen Säure HX in H+ und X- (2).

HX ⇌ H+ + X-; KS = c(H+) c(X-) / c(HX). b) In 50 mL der verdünnten schwachen Säure HX (cHX = 0.4 mol/L) werden 280.4 mg Calciumoxid (CaO) gelöst. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diesen Lösevorgang (2). CaO + 2 HX → Ca2+ + 2 X- + H2O (Wichtig war hier, dass ein Mol CaO zwei Mol Säure HX in die korrespondierende Base X- überführt). Man kann auch CaX2 schreiben. Eine pH-Messung ergibt den Wert pH = 4.88. Berechnen Sie aus diesen Angaben den pKS- (1) und den KS-Wert (1) der schwachen Säure HX. Hier mussten zuerst die Stoffmengen ausgerechnet werden: Stoffmenge der Säure: 50 mL 0.4 mol/L = 0.02 mol 20 mmol Stoffmenge CaO: 280.4 mg / 56.08 g mol-1 = 0.005 mol 5 mmol Jetzt die Überlegung: 5 mmol CaO reagieren mit 10 mmol Säure. Dabei entstehen 10 mmol X-. Von der Säure bleiben 10 mmol übrig. Diese Zahlen werden in die Gleichung nach Henderson und Hasselbalch eingesetzt. pH = pKS + log [c(Base)/c(Säure)]. Weil hier der pKS gefragt war, musste umgeformt werden: pKS = pH - log [c(Base)/c(Säure)]. Einsetzen ergibt:

(Man konnte auch die Stoffmengen einsetzen, ohne das Volumen zu berücksichtigen. Dieses kürzt sich heraus, weil Säure und Base im selben Volumen gelöst sind. Auch in der Praxis ändert sich der pH solcher Pufferlösungen nicht, wenn man sie mit Wasser verdünnt). c) Berechnen Sie den pH-Wert der Lösung nach Zugabe von weiteren 280.4 mg Calciumoxid (2). Gehen Sie davon aus, dass sich das Volumen der Lösung durch die Zugabe von Calciumoxid nicht ändert. Hat man b) bearbeitet, kommt man leicht darauf, dass jetzt die gesamte Säure in das Anion X- übergeführt wurde und daher der Äquivalenzpunkt erreicht wurde. Man braucht also die Formel für die reine Base: pOH = ½ [pKB – log c(Base)]. c(Base) entspricht jetzt der Anfangskonzentration der Säure (0.4 mol/L), denn das Volumen sollte ja konstant bleiben. pKB ergibt sich aus 14 – pKS zu 9.12. Also setzen wir ein: pOH = ½ (9.12 – log 0.4) = ½ [9.12 – (-0.398)] = 4.759 4.76 und daraus ergibt sich der pH zu 14 – 4.76 = 9.24.

5) (7) a) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Bleiverbindungen mit Namen und Formel (2). Hier eine Auswahl: PbS (Bleisulfid, Galenit) PbO (Bleioxid, seltenes Mineral) PbO2 (Blei(IV)oxid, noch seltener, kommt aber auch vor als Mineral Plattnerit) PbCl2 (Bleichlorid, Cotunnit) PbCrO4 (Bleichromat, Krokoit) PbSO4 (Bleisulfat, Anglesit) PbSe (Bleiselenid, Clausthalit) PbTe (Bleitellurid, Altait) Blei (sehr selten findet man auch elementares Blei in der Natur) b) Geben Sie an, auf welchem Weg Blei im Haushalt in die Nahrung gelangen kann (Stichworte zum Vorkommen im Haushalt, Bedingung für die Mobilisierung, Art der mobilen Bleiverbindung, Formel) (2). Wenn die Wasserleitungen Bleirohre enthalten und das Wasser weich ist, löst sich Blei in der Kohlensäure, die in niedriger Konzentration mit dem Kohlendioxid der Luft gebildet wird. Es entsteht das lösliche Bleihydrogencarbonat Pb(HCO3)2. Trinkt man dieses Wasser oder verwendet es zu Kochen, gelangt Blei in die Nahrung. In hartem Wasser ist Sulfat enthalten, das mit Blei schwerlösliches Bleisulfat bildet und so die Rohre vor Korrosion schützt.

c) Beschreiben Sie die Schwärzung von Bleiweiß (basisches Bleicarbonat, 2PbCO3.Pb(OH)2) auf alten Gemälden

durch ein Spurengas, das in Museen anzutreffen ist, anhand einer Reaktionsgleichung (2). 2PbCO3.Pb(OH)2 + 3 H2S → 3 PbS + 4 H2O + 2 CO2 d) Geben Sie Namen und Formel für die flüssige Substanz an, mit der das geschwärzte Bleiweiß wieder in eine weiße Substanz umgewandelt werden kann (1). H2O2, Wasserstoffperoxid

6) (7) a) Formulieren Sie Reaktionsgleichungen für das Brennen (2), Löschen (2) und Abbinden (2) von Kalk, das mit natürlich vorkommendem Calciumcarbonat beginnt.

CaCO3 → CaO + CO2

CaO + H2O → Ca(OH)2

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O b) Geben Sie die Herkunft der mächtigen Lager von Calciumcarbonat in der Natur an (1).

Schalen von Muscheln und Schnecken. 7) (3) Geben Sie für das Nitrat-Anion, Kohlendioxid, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid (je 0.5 Punkte) und für ein Silicat mit der Wiederholungseinheit [Si2O5]2- (1 Punkt) Valenzstrichformeln an.

Beim Stickstoffdioxid wurden gelegentlich zwei Doppelbindungen und ein Radikalelektron am Stickstoff eingetragen. Das geht deshalb nicht, weil Stickstoff nur vier Valenzorbitale hat. Beim Schwefeldioxid wurde dagegen meist alles richtig gemacht, nur selten wurde das nichtbindende Elektronenpaar am Schwefel vergessen. Bitte immer die Gesamtzahl der Valenzelektronen dokumentieren: Schwefel und Sauerstoff bringen je sechs VE mit, also müssen am Ende 18 VE aus der Skizze hervorgehen, also neun Elektronenpaare. Beim Silicat müssen wir noch üben: Verbrückende Sauerstoffatome zählen für beide Si-Bindungspartner je zur Hälfte. Deshalb kann die Wiederholungseinheit auch so einfach dargestellt werden wie links in der Abbildung: [OSi(O)3/2]- ist die Hälfte von [Si2O5]2-, nämlich „SiO2.5

-“. Aufwändiger ist die Darstellung der Schicht, in der jedes Tetraeder im Detail so aussieht wie links im Bild (das muss dann angegeben werden, sonst weiß man nicht, was gemeint ist).

8) (9) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für das Wassergas-Gleichgewicht, an dem Kohlenstoff und Wasser beteiligt sind (2) und gehen Sie für die folgende Teilaufgabe von einer ausgewogenen Gleichgewichtslage aus. C + H2O ⇌ CO + H2 b) Geben Sie an, wie sich die Gleichgewichtslage ändert, wenn Temperatur oder Druck erhöht werden (2). T erhöht: Mehr Produkte, weil die Reaktion endotherm ist („Heißblasen“ mit Luft, dann „Kaltblasen“ mit Dampf).

p erhöht: Mehr Edukte, weil auf der linken Seite der Reaktionsgleichung weniger Gasteilchen sind. (Mehr Details im Skript). c) Gehen Sie von Eisen(III)oxid mit der Formel Fe2O3 aus und formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Reduktion dieses Eisenoxids mit Kohlenstoffmonoxid als Reduktionsmittel (2). Berechnen Sie, wie viele Kubikmeter Kohlenstoffmonoxid (reines CO bei 20 °C und 101300 Pa) benötigt werden, um 1000 t Roheisen im Hochofen zu erzeugen (3). Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2 Stoffmenge Fe: 109 g/55.85 g mol-1 = 17 905 103 mol. Die für die Reduktion benötigte Stoffmenge Kohlenmonoxid ist 1.5 mal so hoch (siehe Reaktionsgleichung: dort werden 3 CO für 2 Fe benötigt), also 26 587 654 mol. Diese Stoffmenge wird in die Gleichung für ideale Gase eingesetzt: V = nRT/p = [(26 587 654 8.314 293.15)/101300] = 646 187.5 m3 Die meisten Fehler wurden bei der Stoffmenge gemacht.

9) (7) Wasserstoffperoxid (H2O2) lässt sich mit Kaliumpermanganat zu Sauerstoff oxidieren. a) Formulieren Sie die Teilgleichung für die Reduktion von Kaliumpermanganat in einer sauren Lösung (2). b) Formulieren Sie die Teilgleichung für die Oxidation von Wasserstoffperoxid in einer Sauren Lösung (2). KMnO4 + 5 e- + 8 H+ ⇌ K+ + Mn2+ + 4 H2O H2O2 ⇌ O2 + 2 H+ + 2 e- c) 915 mL einer sauren Lösung (pH = 1 und bleibt konstant) enthalten 0.2 mol MnO4

--Ionen. Berechnen Sie das Redoxpotenzial dieser Lösung nach Einwirkung von 85 g einer wässrigen Lösung von Wasserstoffperoxid (10 Gewichtsprozent) (3). (Das Gesamtvolumen beträgt 1000 mL und bleibt konstant). Zahlenangabe: Das Standardpotenzial E° für die Reduktion von Permanganat zu Mn2+ beträgt +1.51 V. Stoffmenge H2O2: 8.5 g, das sind 0.25 mol, denn die Molmasse beträgt 34.02 g/mol. Diese Stoffmenge gibt 0.5 mol Elektronen ab, denn ein Molekül gibt zwei Elektronen ab. Nun nehmen 0.2 mol Permanganat genau ein Mol Elektronen auf, deshalb reduzieren 0.25 mol H2O2 genau die Hälfte des eingesetzten Permanganats. Wir finden also nach der Reaktion noch die Hälfte des Permanganats in der Lösung, die andere Hälfte wurde zu Mn2+ reduziert. Jetzt können wir die Nernst´sche Gleichung formulieren: E = 1.51 V + 0.059V/5 log [(0.1) (0.1)8]/0.1] = 1.51 V + 0.059V/5 (-8) = 1.4156 V. Häufiger Fehler: Die chemische Reaktion wurde nicht berücksichtigt. Diese macht sich im Verbrauch von Permanganat und in der Bildung von Mn2+ bemerkbar und muss im Argument des Logarithmus zum Ausdruck gebracht werden.

Die folgenden Fragen entfallen für die MB-Studiengänge Bachelor oder Diplom.

10) (10) a) Zeichnen Sie Strukturformeln für folgende Verbindungen: 4-Ethyloctan, trans-4-Methyl-hex-2-enal, 3-Methylpentanol-2, Pentandiol-2,4, Buttersäureamid, Toluol, p-Nitrobenzoësäure, 1-Chlornaphthalin (4).

b) Markieren Sie vier Chiralitätszentren mit je einem Stern (2). Wählen Sie ein Molekül mit mehreren Chiralitätszentren aus. Skizzieren Sie dieses so, dass die räumliche Anordnung der Substituenten erkennbar ist und beschreiben Sie die Konfiguration der Stereozentren mit den Buchstaben R oder S (1). c) Skizzieren Sie Valenzstrichformeln für einen Vertreter aus dem "dreckigen Dutzend" (1), für ein Molekül eines Speisefetts (1) und für ein Phospholipid (1). Vertreter aus dem dreckigen Dutzend

Speisefettmolekül, Beispiel

Phospholipid, Beispiel

11) (4) Formulieren Sie die radikalische Bromierung von Ethan zu Bromethan anhand von Reaktionsgleichungen für Startreaktion, Radikalkettenreaktion und Kettenabbruch.

Br2 → 2 Br. Start

C2H6 + Br. → .CH2CH3 + HBr Kette .CH2CH3 + Br2 → CH3CH2Br + Br. .CH2CH3 + Br. → CH3CH2Br Abbruch

12) (6) (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 zur Schemazeichnung an (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 =

O

O

O

O

OO

PO

HO

OH

O

H2N

Stearinsäure

Ölsäure

Serin

PhosphorsäureGlycerin

O

OO

O

OO

HOHO

OH

OH

NH2

OH

SphingosinCH2OH

NH2

OH

O O

OH

OHHO

OH

O

CH3 CHH3C CH3

H2CCH

H3C CH3

CHH3C CH2

CH3

Aufgaben für Membranproteine: Ionenkanal, Transportprotein, Signalübertragung, Zelladhäsion, Rezeptor u. v. a. Bitte hinterlassen Sie Ihren Platz in einem sauberen und aufgeräumten Zustand und rücken Sie den Stuhl leise zurecht, bevor Sie die Halle verlassen.

CH2

H2N CH

CH2CH2

H2C

COO-

+CH2

H2C SCH3

NH

H2C

Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Ingenieure und Biologen

21. Mai 2016 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 entfallen für die Studiengänge Maschinenbau Diplom oder Maschinenbau Bachelor. 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, für die Note 4.0 reichen 24 Punkte. Markieren Sie bitte auch die erste Seite des Antwortbogens mit einem blauen Kreis. Hilfsmittel: Taschenrechner ohne Textspeicher, Periodensystem der Elemente, Gaskonstante R = 8.314 J mol-1 K-1). 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. _____________________________________________ _______________________Studiengang_________________________ Name Matrikelnummer (Name, MN bitte auch auf den Klausurbögen eintragen) 1 8

2 7

3 5

4 7

5 6

6 6

7 6

8 3

9 5

10 7

11 8

12 8

13 4

U . E . . Note

1) (8 Punkte) a)(1) Geben Sie Atomsymbole für das Element mit der höchsten und das Element mit der niedrigsten Elektronegativität an. (Radioaktive Elemente werden nicht berücksichtigt). F/Cs; wenn jemand Fr angibt, gilt das auch. b) (2) Geben Sie die höchste und die niedrigste Oxidationsstufe der Elemente N, Si, S und Cl an. Beispiel: Gefragt sei „O:“, Antwort: „+II/-II“ N +V/-III Si +IV/-IV S +VI/-II Cl +VII/-I c) (1) Geben Sie die Elektronenkonfiguration des Thalliums an. (Beispiel Brom: [Ar]3d104s24p5) [Xe]6s2,4f145d106p1, durfte aber auch komplett aufgelistet werden: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s2, 4f14, 5d10, 6p1. d) (2) Skizzieren Sie das Tl-Atomorbital mit dem energetisch höchsten Elektron, beachten Sie die Hauptquantenzahl. Das p-Orbital sollte in beiden Lappen je aus fünf Schichten bestehen, in denen sich die Phasen der Wellenfunktion abwechseln. Für ein p-Orbital ohne solche Schichten (also wie ein 2p-Orbital gezeichnet) gibt es einen Punkt.

e) Zeichnen Sie die Apparatur von Stern und Gerlach und formulieren Sie die Erkenntnis aus diesem Experiment. (2) Das ungepaarte Elektron des Silberatoms kann nicht jeden beliebigen Winkel zum äußeren Magnetfeld einnehmen. Es treten nur zwei definierte Orientierungen des Elektronenspins zum äußeren Magnetfeld auf.

2) (7) a) Beschreiben Sie in knapper Form das Prinzip der kovalenten Bindung. (1) Zwei Atome benutzen gemeinsam ein bindendes Elektronenpaar. b) Nennen Sie das chemische Element, dessen Moleküle die stärkste kovalente Bindung enthalten. (1) Stickstoff

c) Zeichnen Sie die Struktur von elementarem Silicium (2) und beschreiben Sie die Art der chemischen Bindung (1). Kovalente Bindung d) Nennen Sie den Grund für die Halbleitereigenschaft des Siliciums und beschreiben Sie die beweglichen Ladungsträger z. B. mit einer Valenzstrichformel, einer kurzen Erläuterung oder anhand eines Energiediagramms (2).

Elektronen können durch thermische Energie vom Valenzband (bindende Molekülorbitale) in das Leitungsband (antibindende Molekülorbitale) angeregt werden. Im Valenzband bleiben dann Löcher, im Leitungsband befinden sich Elektronen. Beide fungieren als bewegliche Ladungsträger.

3) (5) Skizzieren Sie den Aufbau einer Kältemaschine (2) und beschreiben Sie in Stichworten deren Wirkungsweise (3). Niedriger Druck: Kältemittel verdampft und nimmt bei niedriger Temperatur Wärme auf. Nach der Druckerhöhung im Kompressor kann Wärme bei höherer Temperatur abgegeben werden.

4) (7) a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz für die Dissoziation von Ameisensäure HCOOH in H+ und HCOO- (2). Die Konstante KS beträgt 0.0002 mol/L.

HCOOH ⇌ H+ + HCOO- K = {c(H+) c(HCOO-)}/c(HCOOH) pKS = log 0.0002 = 3.7 b) In 15 mL Ameisensäure (cHCOOH = 2 mol/L) wird 1.001g Calciumcarbonat (CaCO3) gelöst. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diesen Lösevorgang (2). CaCO3 + 2 HCOOH Ca2+ + 2 HCOO- + H2O + CO2 c) Berechnen Sie aus diesen Angaben den pH-Wert (1) der Lösung. Stoffmenge der Ameisensäure: 15 mL 2 mol/L = 0.03 mol. Stommenge des Calciumcarbonats: M = 100.09 g/mol; 1.001 g entspricht 0.01 mol. 0.01 mol CaCO3 neutralisieren 0.02 mol Säure, es bleiben also 0.01 mol Säure übrig. Diese Werte können in die Näherung nach Henderson und Hasselbalch eingesetzt werden: pH = 3.7 + log{c(Base)/c(Säure)} = 3.7 + log 0.02/0.01 = 4.0 d) Berechnen Sie den pH-Wert der Lösung nach Zugabe von weiteren 500.05 mg Calciumcarbonat (2). Gehen Sie davon aus, dass sich das Volumen der Lösung durch die Zugabe von Calciumcarbonat nicht ändert. Jetzt ist die Säure komplett neutralisiert, die Lösung hat den pH des reinen Calciumformiats, das als korrespondierende Base zur Ameisensäure fungiert und den pKB 14 – 3.7 = 10.3 aufweist. Die Konzentration der Base Formiat entspricht der Anfangskonzentration der Ameisensäure (2 mol/L), da sich das Volumen ja nicht ändern sollte. Rechnung: pOH = 0.5 [10.3 + log 2] = 0.5 10.6 = 5.3; pH = 14 – pOH = 14 – 5.3 = 8.7. 5) (6) Tragen Sie Pfeile für energetische Effekte chemischer Reaktionen ein H S G

Beispiel: Auflösung von Natrium in Wasser (2 Na + 2 H2O → 2 Na+ OH- + H2) ↓ ↑ ↓

a) (1) Auflösung von CaCl2 in Wasser ↓ ↑* ↓

b) (1) Auflösung von CaCl2.6H2O in Wasser ↑ ↓ ↓

c) (1) Auflösung von Lachgas (N2O) in Salatöl ↓ ↑ ↓

d) (1) Bildung von Wassergas aus Kohle und Wasserdampf ↑ ↑ ↑

e) (2) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für Vorgang d): C + H2O ⇌ CO + H2 6) (6) a) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Aluminiumverbindungen (nicht Bauxit) mit Namen und Formel (2). 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 γ-AlO(OH) Böhmit α-AlO(OH) Diaspor γ-Al(OH)3 Hydrargillit b) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für den Aufschluss von Bauxit (AlO(OH)) mit Natronlauge (2).

AlO(OH) + H2O + NaOH ⇌ Na+ [Al(OH)4]- (ein einfacher Reaktionspfeil wird auch anerkannt) c) Beschreiben Sie die technische Herstellung von Aluminium aus Aluminiumoxid mit einer Reaktionsgleichung (2).

Al2O3 + 3 C → 2 Al + 3 CO (Elektrolyse an Eisen als Kathode und Graphit als Anode)

2 Al2O3 + 3 C → 4 Al + 3 CO2 (Elektrolyse an Eisen als Kathode und Graphit als Anode)

Al3+ + 3 e- → Al (Elektrolyse) wird anerkannt. Jede der drei Gleichungen wird anerkannt. Ohne das Stichwort „Elektrolyse“ oder eine äquivalente Angabe wird ein halber Punkt abgezogen. 7) (6) a) Formulieren Sie für die technische Herstellung von chloridfreier Natronlauge aus Kochsalz eine Reaktionsgleichung für den zweiten Teilschritt, der nach dem Elektrolyseschritt im Zersetzer stattfindet (2).

2 NaHgx + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + 2x Hg b) Nennen Sie ein Haushaltsprodukt aus dem Supermarkt, das hauptsächlich aus Natriumhydroxid besteht und beschreiben Sie dessen Gefahrenpotenzial mit wenigen Stichworten (2). Abfluss frei – Chemikalien; sehr stark ätzend, gefährlich für die Augen, Selbsterhitzung mit Wasser, reagiert heftig mit Aluminium in Gegenwart von Feuchtigkeit c) Beschreiben Sie die Beobachtung bei kurzzeitigem Kontakt von verdünnter Natronlauge mit der Fingerspitze und begründen Sie die Erscheinung (2). Fühlt sich seifig an, Grund: Aus dem Hautfett entsteht Seife.

8) (3) Geben Sie für das a) Nitrit-Anion, b) Kohlenmonoxid, c) Distickstoffmonoxid, d) Schwefeltrioxid (je 0.5 Punkte) und e) für ein Silicat mit der Wiederholungseinheit [Si4O11]6- (1 Punkt) Valenzstrichformeln an.

9) (5) Gehen Sie für die technische Ammoniaksynthese (N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3) von einer ausgewogenen Gleichgewichtslage aus. a) Geben Sie an, wie sich die Gleichgewichtslage ändert, wenn Temperatur oder Druck erhöht werden (2). Druckerhöhung: Mehr Ammoniak; Temperaturerhöhung: mehr Stickstoff und Wasserstoff b) Berechnen Sie Volumen und Masse der wasserdampfhaltigen Luft, die getrocknet und von Sauerstoff befreit werden muss, um den Stickstoff für die Weltjahresproduktion von 160 Millionen Tonnen Ammoniak zu gewinnen. Gehen Sie dabei von folgenden Bedingungen aus: Luftdruck 101300 Pa, Lufttemperatur 20 °C, Dampfdruck von Wasser bei dieser Temperatur 2370.4 Pa, relative Luftfeuchtigkeit 60%, Stickstoffgehalt trockener Luft 78 Vol-%. Berechnen Sie zuerst die benötigte Stoffmenge an Stickstoff (1), dann Volumen und Masse der benötigten Luft (2).

Molmasse von Ammoniak: 14.01 + (3 1.01) = 17.04 g/Mol. 160 1012 g / 17.04 g/mol = 9.39 1012 mol Ammoniak. Man benötigt also 4.695 1012 mol N2. N2-Partialdruck: Von 101300 Pa wird der Wasserdampf-Partialdruck abgezogen, der Rest wird mit 0.78 multipliziert: 0.78 [101300 Pa – (2370.4 Pa 0.6)] = 77904.7 Pa V = nRT/p = [9.39 1012 mol 8.314 293.15]/ 77904.7 = 293.77 109 m3 (Das ist das Luftvolumen). Für die Berechnung der Masse der Luft kann man die Stoffmengen an Sauerstoff und Wasserdampf ermitteln und jeweils mit der Molmasse multiplizieren: Stoffmenge Sauerstoff = Stoffmenge Stickstoff (0.21/0.78) = 4.695 1012 mol (0.21/0.78) = 1.264 1012 mol O2. Stoffmenge Wasser nach dem Gesetz für ideale Gase aus dem Gesamtvolumen der Luft: n = (pV)/(RT) n(H2O) = [2370.4 293.77 109]/[8.314 293.15] = 1.132 109 mol, Für die Masse muss noch die Stoffmenge mit der Molmasse multipliziert werden: m(N2) = 4.695 1012 mol 28.14 g/mol = 132.12 1012 g = 132.12 Mio. t m(O2) = 32.00 g/mol 1.264 1012 mol = 40.448 1012 g = 40.448 Mio. t m(H2O) = 18.02 g/mol 1.132 109 mol = 20.399 109 g = 20 399 t Die Gesamtmasse der Luft beträgt also ca. 172.59 Mio. t.

10) (7) Schwefelwasserstoff (H2S) lässt sich mit Kaliumpermanganat zu Schwefelsäure (H2SO4) oxidieren. a) Formulieren Sie die Teilgleichung für die Reduktion von Kaliumpermanganat in einer sauren Lösung (2).

KMnO4 + 5 e- + 8 H+ ⇌ K+ + Mn2+ + 4 H2O b) Formulieren Sie die Teilgleichung für die Oxidation von Schwefelwasserstoff in einer sauren Lösung (2).

H2S + 4 H2O ⇌ H2SO4 + 8 H+ + 8 e- c) Eine saure Lösung enthält 158.04 g Kaliumpermanganat. Berechnen Sie das Redoxpotenzial dieser Lösung nach der chemischen Reaktion mit 17.045 g Schwefelwasserstoff (3). (Lösungsvolumen nach der Reaktion 1.00 Liter, pH = 1). Zahlenangabe: Das Standardpotenzial E° für die Reduktion von Permanganat zu Mn2+ beträgt +1.51 V. Molmasse Permanganat: 39.10 + 54.94 + (4 16.00) = 158.04. Die Stoffmenge beträgt genau 1.00 Mol. Molmasse Schwefelwasserstoff: 32.07 + (2 1.01) = 34.09. Stoffmenge Schwefelwasserstoff: 0.50 Mol 5 Mol Schwefelwasserstoff reduzieren 8 Mol Permanganat (dies ergibt sich aus der Elektronenaufnahme des Permanganats und der Elektronenabgabe des Schwefelwasserstoffs nach obigen Reaktionsgleichungen). 0.5 mol H2S reduzieren also 0.8 mol KMnO4. Nach der Reaktion liegen also 0.8 mol Mn2+ vor (reduzierte Spezies). Vom Permanganat (oxidierte Spezies) sind noch 0.2 mol übriggeblieben. In der Nernst´schen Gleichung brauchen wir K+ nicht zu berücksichtigen, weil dieses an der Reaktion völlig unbeteiligt ist. Die Wasserstoffionenkonzentration muss aber berücksichtigt werden, weil die Protonen für die Bildung von Wasser aus den Oxid-Ionen des Permanganats gebraucht werden, sie sind also an der Reaktion beteiligt. E = E° + (0.059/Z) log{c(ox)/c(red)} = 1.51 V + (0.059V/5) log{[c(MnO4

-) c8(H+)]/c(Mn2+)} = = 1.51 + (0.0118) log{[0.2 10-8]/0.8} = 1.51 V – 0.155 V = 1.355 V.

Die folgenden Fragen entfallen für die MB-Studiengänge Bachelor oder Diplom.

11) (8) a) Bezeichnen Sie diese Substanzen mit Namen (4):

3-Methylhexan, trans-Hex-2-enal oder trans-2-Hexenal oder trans-Hexenal-2, Pentanon-2 oder 2-Pentanon oder Pentan-2-on, Propionsäureamid oder Propansäureamid oder Ethancarbonsäureamid, Toluol oder Methylbenzol, 3-Bromanilin oder 3-Nitro-brombenzol oder 3-Brom-nitrobenzol, 2-Chlornaphthalin, 2-Pentanol oder Pentanol-2. b) Markieren Sie ein Chiralitätszentrum, zeichnen Sie das Molekül so, dass die räumliche Anordnung der Substituenten erkennbar wird und kennzeichnen Sie die Konfiguration mit R oder S. (1) (Hier müssen die CIP-Regeln auf 3-Methylhexan oder 2-Pentanol angewendet werden) c) Skizzieren Sie Valenzstrichformeln für einen Vertreter aus dem "dreckigen Dutzend" (1), für ein Molekül eines Speisefetts (1) und für ein Phospholipid (1).

Beispiele für das „Dreckige Dutzend“ Beispiel für Speisefett Beispiel für ein Phospholipid, weitere Beispiele im Skript auf S. 229 (Zusammenbau des Grundgerüsts mit einem der Alkoholderivate aus Abb. 245).

12) (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). -Komplex

-Komplex -Komplex 1,2-Diethylbenzol, ortho-Diethylbenzol (+); 1,3-Diethylbenzol, meta-Diethylbenzol (-),1,4-Diethylbenzol, para-Diethylbenzol (+)

13) (4) Beschreiben Sie in Stichworten folgende Methoden zur Reinigung von Proteinen (Je ein Punkt, die Beschreibung muss nicht alle Details wiedergeben): a) Ultrazentrifugation: Zentrifugation mit Dichtegradienten und mit sehr starken Zentrifugalkräften bis 106 g. In der Lösung wird durch einen gelösten Stoff (Zucker oder Salze) ein Konzentrationsgefälle erzeugt. b) Gelfiltration: Das Substanzgemisch durchläuft eine Säule, die mit einem wässrigen Gel gefüllt ist. Das Gel besteht aus einem mit Wasser quellbaren Polymer, das locker vernetzt ist und unterschiedlich große Poren enthält. Auf ihrem Weg durch die Säule finden die großen Moleküle nur wenige Poren, die geräumig genug sind, um die großen Moleküle zum Verweilen einzuladen. Sie durchwandern die Säule deshalb relativ schnell. Die Kleinen hingegen sind ständig auch in den kleinen Poren des Gels unterwegs und brauchen daher wesentlich länger. c) Elektrophorese: Nicht die Molekülmasse, sondern die elektrische Ladung von Proteinmolekülen ist die Grundlage der Proteinreinigng durch Elektrophorese. Dabei wandern geladene Teilchen im elektrischen

ClCl

ClCl

Cl

Cl ClnClm

O

O O Cln

Hexachlorbenzol Polychlorierte Biphenyle

Polychlorierte DibenzodioxinePolychlorierteDibenzofurane

ClCl

Cl

Cl Cl

Dichlordiphenyltrichlorethan

Clm ClnClm

ClmClm

O

O

O

O

OO

PO

HO

NH3C

CH3H3C+

R-Cl, AlCl3R +

AlCl4-

R +

AlCl4-H

+

H +

AlCl4-

R

R- AlCl3- HCl

Feld durch ein Trägermaterial, meist ein Polyacrylamid-Gel. Die Wanderungsgeschwindigkeit ist propor-tional zum Verhältnis aus Ladung und Masse des Moleküls. d) Dialyse: Kleine Moleküle werden durch Osmose durch eine halbdurchlässige Membran entfernt. Große Moleküle können die Membran nicht durchdringen und bleiben zurück.

Klausur zur Vorlesung Allgemeine Chemie für Maschinenbauer und Bauingenieure

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 10–12 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 Studiengänge mit Bio- oder Chemie-Komponente). Die Bear-beitungszeit beträgt daher 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. 1 7

2 8

3 6

4 8

5 7

6 6

7 6

8 6

9 6

10 7

11 6

12 7

U . E . . Note

1) (7 Punkte) Geben Sie ein Atomsymbol mit der üblichen Kennzahl links oben an für die Reinelemente mit folgenden Eigenschaften [gilt für a) – f)]: a) das einzige Reinelement mit gerader Ordnungszahl, ein Leichtmetall 9Be b) ein blassgelbes, giftiges und ätzendes Gas 19F c) das am wenigsten elektronegative Element, das zu mehr als 1 ppm in der Erdkruste vorkommt 133Cs d) ein giftiges Halbmetall, von dem in der Literatur, der Kriminalgeschichte und in Kinofilmen berichtet wurde 75As e) ein sehr reaktives Metall, das bei 97.7 °C schmilzt 23Na f) ein sehr edles, schweres Metall mit einer besonders geschätzten Farbe 197Au g) Schreiben Sie Atomsymbole für die beiden Isotope, die in dem bei Normalbedingungen als rotbraune Flüssigkeit vorliegenden Element im Verhältnis 1:1 vorkommen. 79Br, 81Br

2) (8 Punkte) (a) Zeichen Sie die Struktur von Zinkblende und geben Sie für alle beteiligten Atome die Koordinationszahl und -geometrie an (3). Zn und S je C.N. = 4

b) Berechnen Sie die Menge an Schwefel, die für die Bildung von Zinksulfid aus 1.00 g Zink benötigt wird (Stoffmenge und Masse) (2). (1.00 g / 65.38 g mol-1 ) × 32.06 g mol-1 = 0.490 g (Stoffmenge = 15.3 mmol) c) Gehen Sie gedanklich von einer chemischen Reaktion zwischen Zinkdampf aus Zn-Atomen und Schwefeldampf aus S2-Molekülen aus. Nennen Sie vier Schritte, die zur Bildung von festem Zinksulfid durchlaufen werden und geben Sie an, bei welchem Schritt der Hauptanteil der Energie freigesetzt wird (5).

Ionisierung der Zinkatome, Dissoziation der Dischwefelmoleküle, Schwefelatome nehmen Elektronen auf (Elektronenaffinität), Zn2+ - und S2- - Ionen finden sich zum Ionengitter zusammen (dies ist der Schritt, bei dem die Hauptmenge der Energie freigesetzt wird). 3) (6) Kreuzen Sie die Substanzen an, die sich als Beispiel für die am Zeilenanfang genannte Wechselwirkung eignen. (Pro Zeile wird ein Punkt gewährt für vier richtige Entscheidungen, ein halber Punkt für drei Richtige). a) Ionische Bindung Ammoniak Essigsäure Marmor × Eisen b) Metallische Bindung Bleisulfat Silicium Graphit Kupfer × c) Kovalente Bindung Natrium Germanium × Argon Kohlendioxid × d) Wasserstoffbrücken Methan Wasserstoff Ammoniak × Fluorwasserstoff × e) Van der Waals-Kräfte Radon × Wasser Zinn Methan × Kreuzen Sie an: Eine O-H-Bindung in einem Wasserstoffperoxid ist … f) ionisch kovalent × metallisch eine Wasserstoffbrückenbindung 4) (8) Eine wässrige Lösung mit 20 Gewichtsprozent Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker, Formel C12H22O11) hat eine Dichte von 1.081 g/cm3. Berechnen Sie a) die Molarität, b) die Molalität und c) den Molenbruch des Zuckers in dieser Lösung. (a – f je 1 Punkt, Teilfrage g 2 Punkte)

Definieren Sie die Begriffe d) Tripelpunkt, e) kritischer Punkt, f) Eutektikum und g) nennen Sie die drei Kräfte, die Pflanzen befähigen, eine Baumkrone bis in mehr als 90 m Höhe mit Wasser zu versorgen. 1 L Lösung wiegt 1081 g und enthält 20%, also 216.2 g Rohrzucker (Molmasse 342.35 g mol-1, Stoffmenge 0.632 mol. Die Lösung ist also 0.632 molar. Auf 1 kg Wasser (80%) kommen 250 g Rohrzucker (20%, das sind 0.730 mol), die Molalität beträgt 0.73 mol/kg. Auf 55.49 Mol Wasser (1 kg) entfallen 0.739 mol Rohrzucker. Die gesamte Stoffmenge ist 56.229 mol. Der Molenbruch des Zuckers beträgt 0.739 mol / 56.229 mol = 0.01314. Tripelpunkt: Punkt, an dem drei Phasen eines Stoffes (meist fest, flüssig und gasförmig) miteinander im Gleichgewicht sind. (Beim Helium gibt es zwei Tripelpunkte, weil dort zwei verschiedene flüssige Phasen existieren). Kritischer Punkt: Das Ende der Siededruckkurve im Bereich hoher Temperaturen und Drücke, bei dem die Dichte der flüssigen und der Gasphase gleich und die beiden Phasen daher nicht mehr unterscheidbar sind. Eutektikum: Diejenige Zusammensetzung einer flüssigen Phase aus zwei Komponenten, die dem Schmelzpunktminimum in diesem System beider Komponenten entspricht. Auch: Die feste Phase, die beim Erstarren einer solchen Flüssigphase entsteht. Osmotischer Druck, Kapillarkräfte und Transpirationssog. 5) (7) Die gefürchteten Nierensteine bestehen häufig aus Calciumoxalat, das im menschlichen Organismus nach dem Genuss oxalsäurehaltiger Lebensmittel wie Rhabarber, Mangold, Spinat, Kakao oder Rote Rüben mit Calciumionen gebildet wird. Das Löslichkeitsprodukt von Calciumoxalat-Monohydrat (das Calciumsalz der Oxalsäure mit der Summenformel CaC2O4 . H2O) beträgt 1.8 × 10-9 (mol/L)2. a) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Auflösung von Calciumoxalat in Wasser sowie das Massenwirkungsgesetz für diesen Lösevorgang (3).

CaC2O4 ⇌ Ca2+ + C2O42-

KL = c(Ca2+) × c(C2O42-) = 1.8 × 10-9 (mol/L)2

b) Berechnen Sie die Konzentration einer gesättigten wässrigen Lösung von Calciumoxalat Sättigungskonzentration = Wurzel aus KL = 4.24 × 10-5 mol/L

sowie c) die Calcium-Ionenkonzentration in einer Natriumoxalatlösung (0.1 mol/L Na2C2O4), die mit Calciumoxalat gesättigt wurde (2). c(Ca2+) × 0.1 mol/L = 1.8 × 10-9 (mol/L)2; c(Ca2+) = 1.8 × 10-9 mol/L / 0.1 mol/L = 1.8 × 10-8 mol/L. Geben Sie an, wie sich die Löslichkeit von Calciumoxalat in Wasser ändert, wenn d) Komplexbildner für Calcium-Ionen zugesetzt werden (+), e) Gips im Wasser gelöst wird (-), f) die Temperatur erhöht wird (+), (+ für höhere

Löslichkeit, - für niedrigere …); g) das Calciumoxalat in einer Natriumchloridlösung (0.2 mol/L) gelöst wird (+) (je 0.5 Punkte für d – g). 6) (6) Der pKB-Wert für Ammoniak beträgt 4.75. Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die alkalische Reaktion des Ammoniaks in wässriger Lösung sowie das Massenwirkungsgesetz für diesen Vorgang (3). Berechnen Sie den pH einer Ammoniaklösung (0.1 mol/L) (1) sowie den pH einer Lösung von Ammoniumchlorid (0.1 mol/L) (2).

NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-

KB = [c(NH4+) × c(OH-)] / c(NH3) = 10-4.75 = 1.78 × 10-5

pOH = 0.5 [pKB – c°(NH3)] = 2.875; pH = 14 – pOH = 11.125 pKB + pKS = 14 für korrespondierende Base/Säure – Paare wie Ammoniak und Ammonium-Ionen. Deshalb ist Ammoniumchlorid eine schwache Säure mit pKS = 9.25. pH = 0.5 [pKS – c°(NH4

+)] = 0.5 [9.25 – (-1)] = 5.125. 7) (6) Nennen Sie zwei natürlich vorkommende Kupfermineralien mit Namen und Formel (2). Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die technische Herstellung von Kupfer aus einem der beiden Mineralien (2). Das Rohkupfer sei nur mit Zink und Silber verunreinigt. Machen Sie Angaben zum Verbleib dieser Verunreinigungen bei der elektrolytischen Kupferraffination (2). Kupfer kommt als Kupferkies CuFeS2, Buntkupferkies Cu5FeS4, Kupferglanz Cu2S oder auch als elementares Kupfer in der Natur vor.

3 Cu2S + 3 O2 → 3 SO2 + 6 Cu

2 Cu2S + 3 O2 → 2 Cu2O + 2 SO2

2 Cu2O + Cu2S → SO2 + 6 Cu Zink ist weniger edel als Kupfer. Es löst sich anodisch auf (zusammen mit dem Kupfer), wird aber an der Kathode nicht abgeschieden und bleibt daher in der Elektrolytlösung gelöst. Silber ist edler als Kupfer. Es löst sich deshalb bei der Auflösung der Rohkupferanode nicht auf und fällt als Anodenschlamm zu Boden. 8) (6) a) Geben Sie für Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid, Nitrat und Sulfat Valenzstrichformeln an (2).

b) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für das Boudouard-Gleichgewicht, an dem Kohlenmonoxid und

Kohlendioxid beteiligt sind (2). CO2 + C ⇌ 2 CO Geben Sie an, wie sich die Gleichgewichtslage c) bei Druckerhöhung (mehr Kohlenstoff) d) bei Temperaturerhöhung ändert (2) (mehr Kohlenmonoxid). 9) (6) Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung zur Oxidation von SO2 mit KMnO4 in saurer Lösung (2). Berechnen Sie das Halbzellenpotenzial der Permanganatlösung nach der Reaktion für folgenden Fall: 3.159 g KMnO4 wurden in wenig Wasser gelöst, mit verdünnter Schwefelsäure versetzt und die Lösung auf 200 mL aufgefüllt. Der pH beträgt 2 und bleibt konstant. In diese Lösung wurden bei 1018.2 hPa Druck und einer Temperatur von 20 °C 490 mL mit Wasserdampf gesättigtes Schwefeldioxid eingeleitet. (Dampfdruck von Wasser bei 20 °C: 23.4 hPa; 1 Hektopascal = 100 Pa). Das Volumen bleibt konstant. Ermitteln Sie anhand der Stoffmengen und der Reaktionsgleichung die Zusammensetzung der Lösung nach der Reaktion und berechnen Sie deren Halbzellenpotenzial. Gehen Sie von einem Standard-Reduktionspotenzial E° = 1.51 V für die Reduktion von Permanganat in saurer Lösung aus.

2 KMnO4 + 5 SO2 + 2 H2O → K2SO4 + 2 MnSO4 + 2 H2SO4

C O- + O OC N N

OO

.+-

NO O

O

-- + SO

OOO O -

O.

O-

3.159 g Kaliumpermanganat entspricht 0.02 mol, also 20 mmol. Schwefeldioxid-Stoffmenge: Von 1018.2 hPa sind 23.4 hPa Wasserdampf, der SO2-Partialdruck beträgt also 994.8 hPa = 99480 Pa. Wir setzen ein: n = pV/RT = (99480 × 0.00049) / (8.314 × 293.15) = 0.020 mol = 20 mmol. 20 mmol Schwefeldioxid reduzieren nur 8 mmol Permanganat zu Mn2+ . Deshalb liegen nach der Reaktion noch 12 mmol unverändertes Permanganat vor. Wir setzen in die Nernst´sche Gleichung ein. E = 1.51 V + 0.0059 V /5 × log [{c(MnO4

-) × c8(H+)} / c(Mn2+)] = 1.51 + 0.0118 log [{12 × (10-16)} / 8] = (1.51 – 0.187) V = 1.323 V.

Ab hier folgen Fragen, die für die MB-Studiengänge Bachelor oder Diplom nicht relevant sind.

10) (7) 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 (je 0.5). Markieren Sie zwei Chiralitätszentren (1) und kennzeichnen Sie an zwei Beispielen die Konfiguration jeweils passend zu Ihrer Zeichnung mit den Deskriptoren R oder S (1).

11) (6) Formulieren Sie zur radikalischen Chlorierung von Propan zwei Reaktionsgleichungen für die Kettenreaktion (4).

C3H8 + Cl. → C3H7. + HCl (2)

C3H7. + Cl2 → C3H7Cl + Cl. (2)

Skizzieren Sie Valenzstrichformeln für die beiden unterschiedlichen Alkylradikale und geben Sie an, welches stabiler ist (2).

Das rechts gezeigte 2-Propylradikal ist stabiler. 12) (7) Nennen Sie in Stichworten vier Verfahren zur Reinigung von Proteinen (2). Zentrifugation, Ultrazentrifugation, Ultrafiltration, Gelfiltration, Dialyse, Gelpermeationschromatographie, Elektrophorese, Aussalzen, Fraktionierende Fällung, isoelektrische Fällung, Affinitätschromatographie. Erfinden Sie eine Primärstruktur aus zwanzig beliebigen Aminosäurebausteinen und demonstrieren Sie an diesem Oligopeptid schematisch das Prinzip der Bestimmung der Aminosäuresequenz (3). Erfundene Struktur: A-C-M-L-B-D-M-C-L-U-M-A-B-D-C-M-U-P-L-B-COOH Enzymatische Spaltung mit einem Reagenz Rea nach jedem Baustein „M“ ergibt folgende Spaltstücke: A-C-M-Rea, L-B-D-M-Rea, C-L-U-M-Rea, A-B-D-C-M-Rea, U-P-L-B-COOH. Spaltung nach jedem Buchstaben “L” mit einem anderen Enzym ergibt andere Spaltprodukte: B-COOH, U-M-A-B-D-C-M-U-P-L-COOH, A-C-M-L-COOH, B-D-M-C-L-COOH.

Die beiden Produktmischungen der Enzymreaktionen werden in die einzelnen Spaltprodukte aufgetrennt. Die Aminosäuresequenz jedes Spaltprodukts wird ermittelt. Das Ergebnis besteht in den kurzen Buchstabensequenzen, die voranstehend genannt wurden. Auswertung des Experiments: „B“ muss am COOH-Ende der Kette gewesen sein, denn das Enzym spaltet eine Polypeptidkette nicht nach der Aminosäure, die mit „B“ abgekürzt wurde. Der Baustein „B-COOH“ muss vielmehr an „L“ gebunden gewesen und durch die Spaltungsreaktion nach „L“ freigesetzt worden sein. Die Spaltung nach „L“ gibt hierüber keinen weiteren Aufschluss, denn jedes dieser Spaltstücke endet mit „L“, „B-COOH“ könnte mit jedem davon verbunden gewesen sein. Ein Blick auf die Spaltprodukte mit „Rea“ zeigt jedoch, dass nur in einem Spaltprodukt das Ende „L-B-COOH“ vorkommt, nämlich in „U-P-L-B-COOH“. Wir kennen jetzt die vier letzten Aminosäuren am –COOH-Ende der Kette: „U-P-L-B-COOH“. Wir schauen wieder in die Zeile mit den Spaltprodukten nach „L“. Genauer gesagt, suchen wir ein Spaltprodukt, das mit der Sequenz „U-P-L“ endet: Weil nach „L“ gespalten wurde, muss es ein solches Bruchstück geben. Wir finden „U-M-A-B-D-C-M-U-P-L-COOH“ und können festhalten, dass das –COOH-Ende „U-M-A-B-D-C-M-U-P-L- B-COOH“ sein muss. In der Zeile mit „Rea“ finden wir ein Bruchstück „A-B-D-C-M-Rea“, das einen Teil der bislang gefundenen Sequenz bestätigt und müssen noch Ausschau halten nach einem Bruchstück, das mit „U-M-Rea“ endet. Wir finden „C-L-U-M-Rea“ und halten fest: Die Kette endet folglich mit „C-L-U-M-A-B-D-C-M-U-P-L- B-COOH“. In der anderen Zeile der Spaltprodukte suchen wir nach dem „C-L-COOH“-Bestandteil, der in der Sequenz „B-D-M-C-L-COOH“ enthalten ist: Wir sind jetzt bei „B-D-M-C-L-U-M-A-B-D-C-M-U-P-L-B-COOH“ und finden in der zweiten Zeile nur noch ein Spaltstück „A-C-M-L-COOH“, das am Amino-Ende gewesen sein muss. In der Spaltung mit „Rea“ kann die Sequenz durch Vergleich bestätigt werden: „A-C-M-L-B-D-M-C-L-U-M-A-B-D-C-M-U-P-L-B-COOH“ Das Problem lässt sich auch grafisch mit Papier und Schere lösen:

Bruchstücke aus der Spaltung nach „M“ Bruchstücke aus der Spaltung nach „L“ Es gibt für diese Kette nur eine Lösung, die zu den Resultaten der beiden Enzymreaktionen passt:

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 zwei chirale Aminosäuren den Namen und die Projektionsformel nach Fischer an (2).

Allgemeine Formel, R soll angegeben werden:

COOHCR

H2N H HC

COOH

RNH2

Alanin Leucin Isoleucin

Glycin Asparagin Glutamin Serin Threonin Cystein Tyrosin Aspartat Glutamat

Arginin Lysin Histidin

CH3 CHH3C CH3

H2CCH

H3C CH3

CHH3C CH2

CH3

CH2

H2N CH

CH2CH2

H2C

COO-

+CH2

H2C SCH3

NH

H2C

H CH2

NH2OCH2

NH2O

CH2 CH2

OH

H OHCH3

CH2

SHCH2

OH

CH2

O-OCH2

O-O

CH2

(CH2)3

HN NH2

NH2+

(CH2)4

NH3+

CH2

HNN