Prüfungsprotokoll

Chemie als Nebenfach im Physik-Vordiplom
Prüfer: PD Dr. Karaghiosoff
Prüfungsbeisitzer: Herr Neumann
Datum: 2004-09-06

Das folgende Protokoll habe ich nach der Prüfung nach meiner Erinnerung geschrieben. Alle Angaben ohne Gewähr und ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Was ist eine Redoxreaktion?
Eine gekoppelte Reduktion und Oxidation, also bei der einen Teilreaktion wird die Oxidationszahl erniedrigt, und bei der anderen erhöht. Oxidation und Reduktion müssen immer gekoppelt sein, weil Reduktion bedeutet Elektronenaufnahme und Oxidation bedeutet Elektronenabgabe und ein Elektron kann nur aufgenommen werden, wenn es irgendwo anders abgegeben wird...

Nennen Sie ein Beispiel!
Cu²⁺ + 2e^- → Cu  (Reduktion)
Zn → Zn²⁺ + 2e^- (Oxidation)
-------------------------------------------
Cu²⁺ + Zn → Cu + Zn²⁺

Wie erkennt man, dass diese Reaktion freiwillig abläuft?
Man sieht in der Spannungsreihe dass Zn weiter oben steht und Zn also unedler als Cu ist.

Wie erhält man die Spannungsreihe?

Man misst die Spannung in einem Galvanischen Element, wo auf einer Seite z.B. eine Zn-Halbzelle und auf der anderen Seite eine Wasserstoff-Standard-Elektrode ist. Das Potential der Standard-Wasserstoff-Elektrode wurde willkürlich gleich Null gesetzt.

Wie ist die Wasserstoff-Standard-Elektrode aufgebaut?
Man hat platiniertes Platin, das wird von H₂ mit einem Druck von 1 atm = 1013 hPa umströhmt und ist in Wasser mit einer H₃O⁺ Konzentration - oder genauer genommen H₃O⁺ Aktivität - von 1 Mol/Liter.
(Eigentlich könnte man auch noch die Standardtemperatur erwähnen)

Warum ist das Platin nochmals platiniert?
Damit die Oberfläche größer wird.

Was würde bei kleiner Oberfläche passieren, wenn sich am Platin H₂ bildet?
Es würde eine Überspannung entstehen.

Wie funktioniert denn der Bleiakku?
Plus-Pol:  PbO₂ + SO₄^2- + 2 e^- + 4 H⁺ → PbSO₄ + 2 H₂O
Minus-Pol: Pb + SO₄^2- → PbSO₄ +2 e^-
----------------------------------------------------------
Gesamt: PbO₂ + Pb + 2 H₂SO₄ → 2 PbSO₄ + 2e^-

Also wird beim Entladen Schwefelsäure verbraucht, und man kann daher wenn man die Dichte der Flüssigkeit bestimmt erkennen, ob die Batterie geladen ist.
Beim Aufladen laufen obige Reaktionen entsprechend von rechts nach links ab.

Welche Art von Reaktion ist das Entladen des Bleiakkus?
Eine Komproportionierung, weil links hat das Blei die Oxidationszahl +4 in PbO₂ und 0 in Pb, aber rechts hat es als PbSO₄ immer +2.

Kennen sie ein Beispiel für eine Disproportionierung?
Das Aufladen des Bleiakkus.

Vielleicht noch ein anderes Beispiel?
3 HNO₂ → HNO₃ + 2 NO + H₂O

Wo spielt diese Reaktion eine Rolle?
Bei der Herstellung von Salpetersäure (HNO₃).

Was ist bei der Salpetersäure-Herstellung der Ausgangsstoff?
NO. Das kann man aber nicht aus den Elementen herstellen, weil die Reaktion
N₂ + O₂ → 2 NO ist endotherm. Man müsste also auf große Temperaturen hochheizen, aber dann zerfällt das NO gleich wieder, weil man es nicht schnell genug aus der heißen Zone bringt. Deshalb macht man es heute nach der Reaktion
2 NH₃ + ⁵/₂ O₂ → 2 NO + 3 H₂O.

Warum läuft diese Reaktion ab?

Weil sie exotherm ist, weil Wasser energetisch sehr günstig ist.

Und wie stellt man das NH₃ her?
Nach dem Haber-Bosch-Verfahren aus den Elementen:
N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃   ΔH<0
Eigentlich liegt bei niedrigen Temperaturen das Gleichgewicht auf der rechten Seite, weil die Reaktion exotherm ist. Damit die Reaktion aber schnell genug abläuft müsste man die Temperatur erhöhen, aber dann liegt das Gleichgewicht auf der linken Seite. Daher arbeitet man bei mäßig erhöhten Temperaturen und nimmt Eisen-Katalysatoren, weil diese die N-N Bindung beim N₂ aufheben. Man arbeitet zusätzlich bei hohem Druck von ein paar hundert bar, weil nach dem Le Chatelierschen Prinzip des kleinsten Zwangs wird dann die rechte Seite begünstigt (4 Teilchen links, aber nur 2 rechts). Es gibt aber Probleme weil der H₂ diffundiert durch die Stahl-Behälter, in denen die Reaktion stattfindet und reagiert mit dem Kohlenstoff der im Stahl enthalten ist und schwächt dadurch den Behälter, so dass er wegen dem hohen Druck platzt. Deshalb muss der Druck-Behälter aus einer speziellen Legierung bestehen, oder man wickelt Stahlbänder um ihn, oder man macht Löcher in die äußerste Schicht, sodass der H₂ nicht durch die äußerste Schicht diffundieren muss...

Was heißt eigentlich isoster?
Das heißt gleiche Summe der Kernladungen und isoelektronisch, also gleiche Anzahl und Anordnung der Atome und auch gleiche Anzahl und Anordnung der Elektronen.

Was gibt es da für Beispiele?
N₂ ist isoster zu CO.
N₂O ist isoster zu CO₂.
Kohlenstoff (Graphit) ist isoster zu BN.

Wie ist denn BN verglichen mit Graphit.
Beide male gibt es Schichten aus Sechserringen, aber bei BN sind die π-Bindungen weniger gut delokalisiert, deshalb leitet es nicht und ist weiß. Bei Graphit liegt immer ein C-Atom in der Mitte der Sechserringes der darunterliegenden Schicht, bei BN liegen B und N übereinander. Bei hohem Druck gibt es aber auch eine diamantartige Struktur von BN.

Warum hat Si nur die Diamandstruktur?
Si geht als Element der 3. Periode ungern Doppelbindungen ein, weil die p-Orbitale schlechter überlappen. Deshalb gibt es bei Si nur die Diamantstruktur, die dem Zinkblende-Gitter entspricht, wenn in allen Positionen nur Si-Atome sind. Kohlenstoff kann aber als Diamant und Graphit vorkommen.

Es gibt aber noch eine weitere Kohlenstoff-Struktur.
Fullerene, also Fußball-artige Moleküle wie C₆₀, C₇₀,... .

Wie würde man denn Si dazu bringen, eine Doppelbindung einzugehen?
Ich würde SiO₂ verdampfen und hoffen, dass in der gasförmigen Phase SiO₂-Moleküle vorkommen oder so große Liganden an das Si anlagern, dass nicht genug von ihnen Platz haben und Si also Doppelbindungen eingehen muss.

Angenommen, man hätte dieses Molekül:

Was wird passieren?
Vielleicht zerfällt es in die Elemente? (geratene, falsche Antwort)

Nein. Welche andere Möglichkeit gibt es?
Es können sich mehrere derartige Moleküle zu so etwas wie einem Ring zusammenschließen.
Ich hab es zwar in der Prüfung nicht gezeichnet, aber ich glaube es sieht ungefähr so aus:

>Wie verhindert man das?
Das Zusammenschließen ist bestimmt exotherm. Also würde ich die Temperatur erhöhen. Ich nehme an, dass ein Gleichgewicht zwischen den einzelnen und zusammengeschlossenen H₄Si₂ besteht. Also würde man durch senken der Konzentration/Verdünnen die Seite der einzelnen H₄SiO₂ begünstigen, weil sich die stark verdünnten H₄Si₂ nicht mehr so leicht "finden". (Lässt sich auch mit Massenwirkungsgesetz begründen.)

Das geht aber auch nicht. Was könnte man denn statt den H Atomen in dem Molekül nehmen?
F oder irgendwas anderes einbindiges.

Was könnte man denn noch nehmen, damit sich keine Si-Ringe bilden können?
Irgendwelche größeren Teile statt H, so dass diese durch ihre Größe das Si abschirmen.

Wie liegen die Metalle elementar vor?
In Kugelpackungen. Da gibt es z.B. die Innenzentrierte Kugelpackung , z.B. bei Alkalimetallen. Diese ist keine dichteste Kugelpackung, also lassen sich die Alkalimetalle leicht schneiden. Dann gibt noch die hexagonal-dichteste-Kugelpackung mit Schichtenfolge ABAB. Es gibt auch noch die kubisch-dichteste-Kugelpackung, die das gleiche wie die kubisch-flächenzentrierte Kugelbackung ist. Bei dieser gibt es viele "Gleitebenen" und daher sind Metalle in der kubisch-dichtesten-Kugelpackung leicht verformbar. Die Raumausnutzung bei dichtesten Kugelpackungen ist 74%.

Welche AB₂ Kristall-Strukturen basieren auf der kubisch-dichtesten-Kugelpackung?
Kristoballit, also SiO₂, wo man eine kubisch-dichteste-Kugelpackung aus Si hat und in jeder zweite Tetraederlücke einen SiO₄ Tetraeder ist.
Es gibt auch Flurit, also CaF₂. Hier hat man eine kubisch-dichteste-Kugelpackung auf Ca²⁺ und in jeder Tetraederlücke ein F^-.

Es gibt noch ein bekanntes anderes AB₂ Gitter.
Ja, den Rutil-Typ, also TiO₂, wobei jedes O in Form von einem leicht verzerrten gleichseitigen Dreieck von 3 Ti und jedes Ti in Form von einem leicht verzerrten Oktaeder von 6 O umgeben ist.
Und weil ich vorher schon die kubisch-innenzentrierte Elementarzelle gezeichnet hatte, hab ich diese noch zur Rutil-Elementarzelle weitergezeichnet.

Wofür verwendet man TiO₂?
Als Schleifmittel oder als Aufgangsstoff zur Ti Darstellung. (geratene, falsche Antwort)

Nein, aber schauen sie mal an die weiße Wand!
Als Wandfarbe?
Ja, genau.

Welche Edelgas-Halogen-Verbindungen kennen Sie?
Also eigentlich will ein Edelgas gar keine Bindungen eingehen, weil es schon ein Oktett hat. Man muss also erst Elektronen auf ein höheres Energieniveau anheben. Das geht besser, bei weit vom Kern entfernten Schalen, also z.B. bei Xe. Es gibt z.B. XeF₂, XeF₄ und XeF₆...

Warum gibt es eigentlich kein XeF₅?
Weil wenn man ein Elektron anhebt erhält man 2 ungepaarte Elektronen (das Elektron selbst und dasjenige, mit dem es zuerst gepaart war), daher kommt hier immer eine gerade Anzahl von F Atomen vor.

Wie ist XeF₄ aufgebaut?

XeF₄ ist also planar, weil man hat eine "quadratisch-Bipyramidale Struktur"...

Dafür gibt es aber einen anderen Namen!
Oktaedrisch! Und die Eckpositionen sind prinzipiell alle gleichwertig, aber die ungepaarten Elektronenpaare brauchen besonders viel Platz und sind daher an entgegengesetzten Ecken.

Wie nennt man dieses Modell, mit dem Sie hier argumentieren?
VSEPR für "Valence Shell Electron Pair Repulsion", also Valenz-Elektronenpaar-Abstoßungs-Modell.

Und wie würde man XeF₅^- herstellen?
Aus Xe und F₂ stellt man XeF₂ her. Daraus stellt man mit F₂ dann XeF₄ her. Das XeF₄ reagiert mit einem F^- Ion zu XeF₅^-.

Und wie nähert sich das F^- wohl dem XeF₄?
Von der Seite, weil F^- negativ geladen ist, und von den freien Elektronenpaaren des XeF4 würde es besonders stark abgestoßen werden. (Cornelius, der ein paar Stunden vor mir geprüft wurde, hatte mir bereits von dieser Frage erzählt.)

Welche Form hat das XeF₅^-?
Planar, wobei die freien Elektronenpaare nach oben und untern rausstehen.

Und wie ist wohl XeF₆ aufgebaut?
Oktaedrisch. Das freie Elektronenpaar vom Xenon wird nicht hybridisiert und bleibt als

s-Orbital vom Xenon erhalten. Daher spielt es für die räumliche Anordnung eigentlich keine Rolle. (Auch diese Antwort wusste ich von Cornelius, denn er hatte nach seiner Prüfung noch aus Interesse Dr. Karaghiosoff nach dem Aufbau von XeF₆ gefragt. Vielleicht war das auch eine Art "Fangfrage" und Dr. Karaghiosoff hat spätestens jetzt erkannt, dass ich mit Cornelius uber seine Prüfung geredet habe.)

Jetzt eine letzte Frage: Was ist die Säure-Base-Definition nach Lewis?
Säure ist ein Elektronenpaar-Akzeptor und Base ein Elektronenpaar-Donator, also ist diese Definition nicht an die H⁺ Ionen gebunden und somit allgemeiner. Als Beispiel nannte ich die Reaktion von BF₃ mit NH₃.

Was wäre denn isoelektronisch zu BF₃?
Bei BF₃ gibt es verschiedene mesomere Grenzformeln. Isoelektronisch ist CO₃^2- und NO₃^-.

Allgemeine Bemerkungen:

Die Prüfung hat insgesamt ca. 25 min gedauert.

Gelernt hatte ich hauptsächlich nach dem Skript, den Übungsblättern, und dem gelben Riedel (einzelne Kapitel aber auch nach dem großen schwarzen Riedel).

Ein Großteil der Fragen kam mir schon aus anderen Prüfungsprotokollen bekannt vor.

Viele Grüße
Hartmut

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