TU Wien:Chemie für Maschinenbau VO (Weil)/Prüfungstermin 01.03.2010 Unterlagen

Richtig oder falsch?

1. Sind folgende Aussagen richtig oder falsch? Wenn die Aussage falsch ist, begründen Sie warum!

Punkte max. erreicht 9

a) Im Periodensystem der Elemente wird die Ordnungszahl durch die Zahl der Elektronen definiert, die ein Element besitzt.

Falsch. Die Protonenzahl bestimmt die Ordnungszahl!

b) Das Haber-Bosch-Verfahren nutzt den Joule-Thompson Effekt aus, wodurch es möglich ist, Luft zu verflüssigen.

Falsch. Das Haber-Bosch-Verfahren dient zur Ammoniakherstellung. Hier ist nach dem Linde-Verfahren gefragt!

c) Der Tripelpunkt eines Phasendiagrams gibt den Punkt an, an welchem ein Gas nicht mehr durch Druckerhöhung verflüssigt werden kann.

Falsch. Der Tripelpunkt ist der Punkt, an dem alle drei Phasen (fest, flüssig, gasförmig) im Gleichgeweicht stehen.

e) Ein Mol eines Stoffes besteht aus 6.022 x 10 23 Teilchen (Atome, Moleküle). Richtig d) Exotherme Reaktionen laufen stets spontan ab. Falsch. Auch exotherme Reaktionen benötigen Aktivierungsenergie!

f) Ein Waschmittel besteht typischerweise aus einem langen hydrophoben Teil ("Schwanz") und einem kurzen hydrophilen Teil (Kopf).

Richtig

Für jeden richtigen Unterpunkt 1.5 Punkte

Redox-Reaktionen 2.

Aluminium steht in der dritten Hauptgruppe des Periodensystems. Es reagiert mit heißer verdünnter Schwefelsäure in einer Redoxreaktion unter Bildung von leicht löslichem Aluminiumsulfat und Wasserstoffgas.

a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung hierfür! b) Geben Sie die Bindungssituation des Produkts Aluminiumsulfat an! Handelt es sich um hierbei um eine ionische oder um eine kovalente Verbindung? Begründen Sie Ihre Antwort!

c) Formulieren Sie die Teilgleichungen für die Oxidation und für die Reduktion! d) Warum lässt sich Aluminium mit verdünnter Schwefelsäure auflösen, wohingegen dieses Metall bei Behandlung mit oxidierenden Säuren (z. B. Salpetersäure) erstaunlich stabil bleibt? a ) 2 Al (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) -> Al 2 (SO 4 ) 3(aq) + 3 H 2 (g)

Punkte max. erreicht 8 2 Punkte b) Aluminiumsulfat ist eine ionische Verbindung, die aus Al 3+ Kationen und aus SO 42- Anionen besteht, was auch die gute Löslichkeit in Wasser erklärt. 2 Punkte

c) Oxidation: Al -> Al 3+ + 3e - Reduktion: H + +e - -> 1/2H 2 bzw. 2H + + 2e - -> H2 2 Punkte

d) Es bildet sich eine Passivierungsschicht aus Al 2 O 3 aus, die das Metall vor weiterem Angriff schützt.

2 Punkte

Periodensystem 3. a) Gegeben ist ein Element mit der Elektronenkonfiguration 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 5 . - Um welches Element handelt es sich? - Ist dieses Element ein Metall oder ein Nichtmetall? - Wie heißt der Trivialname der Hauptgruppe, in dem dieses Element steht? b) Ordnen Sie die Elemente C, Ca, Cl, Cs nach sinkender Elektronegativität, beginnend mit dem höchsten Wert! c) Teilen Sie folgende Elemente in Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle ein: Ar, Au, Be, Ge, Mg, S! d) Zeichnen Sie die Lewisstruktur des Ammoniakmoleküls (inklusive aller Elektronenpaare)! e) In welchem der folgenden Lösungsmittel löst sich Kochsalz am besten? Wasser, Benzol, Methanal (Trivialname: Formaldehyd), Ethanol? Stellen Sie eine Reihe der Löslichkeit auf, beginnend mit der kleinsten Löslichkeit und begründen Sie Ihre Antwort!

Punkte max. erreicht 12 a) Chlor, Nichtmetall, Halogene 3 Punkte b) Cl, C, Ca, Cs 2 Punkte c) Metall: Mg, Au, Be Halbmetall: Ge Nichtmetall: S, Ar 0.5 Punkte für jede richtige Antwort d) 2 Punkte e) Benzol, Ethanol, Methanal, Wasser. In Wasser ist die Löslichkeit am besten, weil dies das polarste LM ist und die Verbindung somit am besten in Ionen dissoziieren kann.

2 Punkte

Säuren und Basen 4.

max. erreicht a) Kalilauge ist eine starke Base und ist daher in wässriger Lösung vollständig dissoziiert. - Wie hoch ist die Basenkonzentration einer Kalilauge, die einen pOH-Wert von 4 zeigt (Angabe der Einheit!)? - Wie hoch ist der entsprechende pH-Wert? b) Salze können in wässriger Lösung den pH-Wert beeinflussen. Welches Medium (sauer, neutral, basisch) erwarten Sie, wenn Sie folgende Salze in Wasser auflösen? Begründen Sie Ihre Antwort! NaCl, K 2 SO 4 , NH 4 Cl, Na 2 CO 3 8 c) Benennen Sie in folgender Säure-Base-Reaktion die konjugierten Säure/Base-Paare mit den Bezeichnungen Säure 1/2, Base 1/2 ! H 2 PO 4- (aq) + H 2 O (aq) HPO 42- (aq) + H 3 O + (aq) a) 10 -4 mol/l; pH = pKW-pOH = 14-4 = 10 2 Punkte b) NaCl und Na 2 SO 4 neutral, da beides Salze starker Säuren und Basen; NH 4 Cl sauer, da Ammonium in Wasser protolysiert gemäß NH 4+ + H 2 O -> NH 3 + H 3 O + ; Na 2 CO 3 basisch, da Carbonat in Wasser protolysiert gemäß CO 32- + H 2 O -> HCO 3- + OH - . 4 Punkte c) H 2 PO 4- (aq) + H 2 O (aq) S1 B2

HPO 42- (aq) + H 3 O + (aq) B1 S2 2 Punkte

Elektrochemie 5.

Das Daniellelement ist eine galvanische Zelle, die aus einer Zink-(Standardpotential -0.76 V) und einer Kupfer-Halbzelle (Standardpotential 0.34 V) besteht.

a) Skizzieren Sie in einer Schemazeichnung den Aufbau einer solchen Zelle mit Angabe der Pole!

b) Formulieren Sie die beiden Elektrodenreaktionen beim Entladungsvorgang, setzen Sie diese zu einer Gesamtreaktion zusammen und geben die Oxidationsstufen aller beteiligten Redoxpartner an!

c) Berechnen Sie die resultierende Zellspannung beim Zusammenschalten der beiden Halbzellen!

Punkte max. Erreicht 10 a) 6 Punkte b)

Anode (Minuspol): Oxidation Zn -> Zn 2+ +2e - Kathode (+-Pol): Reduktion Cu 2+ +2e - -> Cu Gesamtreaktion Cu 2+ + Zn -> Zn 2+ + Cu 2 Punkte

c) delta E 0 (Zelle) = E 0 (Kathode) - E 0 (Anode) = 0.34 - (-0.76) = 1.10 V. 2 Punkte

Phasendiagramme und Massenwirkungsgesetz

Punkte max. erreicht

a) In der unteren Abbildung ist ein allgemeines Phasendiagramm eines Reinstoffes gegeben. Beschriften Sie alle Achsen, Bereiche, Linien und ausgezeichneten Punkte in diesem Diagramm!

6. b) Eisenphosphat, FePO 4 , wird im Korrosionsschutz verwendet. Dabei wird in einer vereinfachteten Betrachtungsweise Eisen(III)oxid mit Phosphorsäure als sogenannter "Rostumwandler" umgesetzt. Geben Sie die chemische Reaktionsgleichung für diesen Vorgang an und stellen hierfür das Massenwirkungsgesetz auf!

c) Eine Eigenschaft des oben genannten Eisenphosphats ist seine Schwerlöslichkeit. Formulieren Sie das Löslichkeitsprodukt für die Bildung von FePO4 unter Zuhilfenahme der Löslichkeits-produktkonstante

 K L (FePO 4 ) =   1 x 10 -15 mol 2 /l 2 .

6 Punkte

b) Fe2O3 + 2H3PO4 -> 2 FePO 4 + 3 H 2 O c(FePO4)2 c(H2O)3 K = c ( Fe 2 O 3 ) c ( H 3 PO 4 ) 2 2 Punkte c) K L (FePO 4 ) = 1 x 10 -15 mol 2 /l 2 = [Fe 3+ ][PO 43- ] 2 Punkte

Korrosion 7.

Punkte max. a) Gegeben sind folgende Standardpotentiale:

 Fe 2+ + 2 e - <--> Fe; E 0 = -0,44 V
 Sn 2+ + 2 e - <--> Sn; E 0 = -0,14 V
 Zn 2+ + 2 e - <--> Zn; E 0 = -0,76 V

Vergleichen Sie das Korrosionsverhalten von verzinntem und verzinktem Eisenblech und begründen Sie Ihre Antwort!

b) Weshalb wird durch das winterliche Streuen von Salz die Korrosionsgefahr an Fahrzeugen erhöht? c) Erklären Sie, warum gerade Chrom sehr gerne als Veredelungsschicht für Metalle eingesetzt wird, obwohl es nicht zu den Edelmetallen gehört! d) Zu welchem Typ von Korrosionsschutz gehören folgende Beispiele? - Emailüberzug auf Stahl; - Magnesiumelektrode verbunden mit Ölpipeline erreicht

a) Fe/Sn (Weißblech): Fe ist unedler und löst sich bei der Beschädigung der Schutzschicht (Sn) auf. 2 Punkte Fe/Zn : Zink ist unedler und löst sich auf (echter Korrosionsschutz). b) Korrosion ist ein elektrochemischer Prozess, der über Elektronentransfer

  abläuft, wobei ein Elektrolyt diese Reaktion beschleunigt. Durch Streuen
  von Salz wird die Elektrolytkonzentration erhöht und Korrosion kann
  schneller ablaufen. (2 Punkte)

c) Es bildet eine festanhaftende Passivierungsschicht aus Cr 2 O 3 aus. d) Bildung einer anorganischen Schutzschicht 2 Punkte kathodischer Korrosionsschutz (Opferanode) 2 Punkte

8. Organische Chemie

a) Iso-Pentan, C 5 H 12, ist einer der Bestandteile von Normalbenzin. Geben Sie an, zu welcher Gruppe der aliphatischen Kohlenwasserstoffe diese Verbindung gehört und wie die Kohlenstoffatome in dieser Verbindung hybridisiert sind! b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von

  Iso-Pentan auf!

c) Welches Produkt (Name und Formel) erwarten Sie bei der unvollständigen

  Verbrennung von Iso-Pentan?

d) Geben Sie die funktionellen Gruppen eines Ethers, eines Aldehyds und

  einer Carbonsäure an!

Punkte max. erreicht 9 a) Zu den Alkanen, sp3. (2 Punkte) b) C5H12 + 8 O 2 -> 5 CO 2 +6 H 2 O 2 Punkte c) Kohlenmonoxid, CO 2 Punkte d) R1-O-R2: Ether; 3 Punkte R-CHO: Aldehyd R-COOH: Carbonsäure