Übung 8 (Chemie der Elemente der Gruppe 14)
Literatur: Housecroft „Chemistry“, Kap. 22.6-7
1. Prüfungsaufgabe W2011
Um Sonnenlicht in Energie zu verwandeln wird aktuell die Möglichkeit untersucht, aus Strom, der aus Solar- oder Windkraftwerken generiert wird, in leicht transportierbares Methan zu verwandeln. Der Strom soll für die Elektrolyse von Wasser verwendet werden. Dieses Verfahren sollen auch dazu dienen, bemannte Raumflüge zum Mars durchführen zu können.
Hinter diesem Konzept stecken einige seit mehr als 100 Jahren wohlbekannte chemische Reaktionen.
Schreiben Sie stöchiometrische richtige Gleichungen für folgende Gleichgewichtsreaktionen
a) C + O2 b) CO2 + C c) C + H2O
d) Welche dieser Reaktionen sind exotherm, welche endotherm ? Es ist nur eine qualitative Aussage notwendig (keine Rechnung).
e) Nach welchem französischem Chemiker ist die Gleichgewichtsreaktions b) benannt worden?
f) Wie lassen sich die Reaktionen a) und b) zusammenfassen?
Die NASA plant bemannte Raumflüge zum Mars. Der Sauerstoff für die Atmung wird durch Elektrolyse von Wasser gewonnen [Gleichung g)]. Das durch Atmung entstandene CO2 [näherungsweise beschrieben durch Gleichung a)] soll in der Reaktion h) mit Wasserstoff zu Methan umgesetzt werden. Anschliessend kann Methan zu Kohlenstoff und Wasserstoff pyrolysiert werden.
Schreiben Sie stöchiometrische richtige Gleichungen für folgende Gleichgewichtsreaktionen und klassifizieren Sie diese als exotherm oder endotherm:
g) H2O + Strom h) CO2 + H2 i) CH4 + Hitze
Auf der Erde kann ein modifiziertes Verfahren dazu genutzt werden, unter idealen Voraussetzungen CO2-neutral Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen. CH4 wird dabei als Treibstoff mit Sauerstoff umgesetzt.
j) Formulieren Sie alle für dieses Verfahren relevanten chemischen Reaktionsgleichungen. Stöchiometrie beachten!
k) Handelt es sich beim Gesamtprozess um ein Energie lieferndes oder ein Energie speicherndes Verfahren.
Gegeben sind folgende Standard-Bildungsenthalpien:
∆fH° (H2O) = -285.8 kJ/mol
∆fH° (CO2) = -393.5 kJ/mol
∆fH° (CO) = -110.5 kJ/mol
∆fH° (CH4) = -74.8 kJ/mol
2. Prüfungsaufgabe H2007
Das Silizium-Sauerstoff-Verhältnis einfacher Si-O-Verbindungen (d.h. jedes Si-Atom ist tetraedrisch von vier O-Atomen umgeben und jedes O-Atom von zwei Si-Atomen umgeben) variiert zwischen Si : 4 O und Si : 2 O wie folgt: [SiO4]n, [SiO3.5]n, [SiO3]n, SiO2]n.
a) Geben Sie die jeweiligen Ladungen für jede Verbindungsklasse an und skizzieren Sie den strukturellen Aufbau.
b) Welche Struktur könnte eine Verbindung der Zusammensetzung H6Si2O8 haben (alle Elemente verhalten sich normalvalent, d.h. Si ist vierfach, O zweifach an die Nachbaratome gebunden)?
c) Was ändert sich wenn ein Si-Atom in einem Silikat durch ein Al-Atom ersetzt wird? Wie heißen diese Materialien und welche Eigenschaften haben sie?
3. Prüfungsaufgabe S2009
a) Vergleichen Sie die Elemente Kohlenstoff und Stickstoff hinsichtlich folgender Eigenschaften. Setzen Sie jeweils ein „<“ (kleiner als) oder „>“ (grösser als) zwischen die Elemente.
Atomradius C N
1.Ionisierungsenergie C N Elektronegativität C N Stärke der Sauerstoffsäure C N
b) Vervollständigen Sie folgende Reaktionsgleichung:
LiCH3 + NH3 →
Gegeben sind folgende pKa-Werte: NH3: 36; CH4: ≈ 50. Auf welcher Seite liegt das Gleichgewicht?
c) Zeichnen Sie Valenzstrichformeln der Verbindungen N2H2 und C2H2 (einschliesslich freier Elektronenpaare). Bestimmen Sie die Oxidationszahlen aller Atome.
d) Zeichnen Sie Valenzstrichformeln von Cyanamid CN22- und Kohlendioxid . In welchem Verhältnis stehen beide Teilchen bezüglich ihrer Elektronenstruktur zueinander?
e) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Umsetzung von Kohlendioxid mit Wasser. Zeichnen Sie die Valenzstrichformel des Reaktionsproduktes.
Warum haben offene Gewässer häufig einen pH < 7? Formulieren Sie die dafür relevante Reaktionsgleichung.
4. Zeichnen Sie die Strukturen von α-Silicium und α-Arsen. Welcher Zusammenhang besteht zwischen beiden Strukturen?
(s. auch Housecroft „Chemistry“, Kap.9) 5. Prüfungsaufgabe W2009
a) Vergleichen Sie die Elemente Silicium und Phosphor hinsichtlich folgender Eigenschaften. Setzen Sie jeweils ein „<“ (kleiner als) oder „>“ (grösser als zwischen die Elemente.
Atomradius Si P
1.Ionisierungsenergie Si P Elektronegativität Si P Stärke der Sauerstoffsäure Si P
b) Bestimmen Sie die Oxidationszahlen von Silicium in den folgenden Verbindungen.
SiH4 , SiO2 , Ca2Si, (CH3)3SiCl
b) Silicium kommt in der Natur unter anderem als Siliciumdioxid SiO2 vor. Es ist Ausgangstoff für das in der Halbleiterindustrie verwendete Trichlorsilan HSiCl3. Formulieren Sie für diesen zweistufigen Prozess korrekte Reaktionsgleichungen.
c) Tetrahydroxidosilicium (Orthokieselsäure) H4SiO4 ist nur in verdünnter saurer Lösung stabil. Bei höheren pH-Werten und Konzentrationen kondensiert die Verbindung unter anderem zum cyclischen Trimer [H2SiO3]3. Formulieren Sie Valenzstrichformeln beider Säuren.
Warum gibt es kein monomeres H2SiO3?
d) Vervollständigen Sie folgende Reaktionsgleichungen. Die stöchiometrischen Faktoren müssen Sie selbst finden. Sollte eine Reaktion nicht ablaufen, so ist der Reaktionspfeil durchzustreichen.
e) Skizzieren Sie mit Hilfe des VSEPR-Modells die Strukturen folgender Verbindungen.
SiF4, PF4+, SF4, IF4+, IF4−, XeF4
