Chemie Aufgabensammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler: Mit Fragestellungen aus allen Teilgebieten der Chemie und Technik

229 Pages·2013·3.55 MB·German

by  Peter Kurzweil (auth.)

Peter Kurzweil
Chemie
Aufgabensammlung
für Ingenieure und
Naturwissenschaftler
Mit Fragestellungen aus allen Teilgebieten
der Chemie und Technik
Chemie Aufgabensammlung für Ingenieure und
Naturwissenschaftler
elahcS K L M N O P Q P Q
6p 18 0 4,0026 He22 1s020,18 Ne1026 2s2p0 39,948 Ar18263s3p083,798 Kr363d4s4p1026 0, (2, 4) 131,29 Xe544d5s5p1026 0,(2, 4, 6) (222,02) Rn*864f5d1410 6s6p26 0, (2)
345ppp 151617Hauptgruppen V a VI a VII a [He] = 14,007 15,9994 18,998 NOF7892324252s2p2s2p2s2p2,+3,4,5-2 (-1) -1(cid:404)(cid:404)(cid:404) 30,974 32,066 35,453 PSCl1516172324253s3p3s3p3s3p-3, 3, 5-2, 2, 4, 6-1,1,3,5,7(cid:404)(cid:404)(cid:404)74,922 78,96 79,904 AsSeBr3334353d4s4p3d4s4p3d4s4p102310241025 -2,4, 6 -1,1,3,5,7-3,3, 5 (cid:404)(cid:404)(cid:380)121,76 127,60 126,90 SbTeI5152534d5s5p4d5s5p4d5s5p102310241025 -1,1,3,5,7-3,3, 5-2,4, 6(cid:404)(cid:380)(cid:380)208,98 (209,98) (209,99) BiPo*At*8384854f5d4f5d4f5d1410 1410 1410 6s6p6s6p6s6p232425 3, 5 -1,1,3,5,72, 4, 6 (cid:374)(cid:404)(cid:380)(288) Uup* 115 168,93 173,05 174,97 TmYbLu6970711321424f5d6s14124f6s 4f6s2, 3 2, 3 3 (cid:374)(cid:374)(cid:374)(258,10) (259,10) (262,11) Md*No*Lr*1011021031321425f6d7s14125f7s 5f7s 3 2, 3 3
2p 14 IV a 12,011 C622 2s2p-4, 2, 4(cid:404) 28,086 Si14223s3p4(cid:404)72,61 Ge323d4s4p1022 4 (cid:401)118,71 Sn504d5s5p1022 2, 4 (cid:401)207,2 Pb824f5d1410 6s6p22 2, 4 (cid:401)(289) Uuq*114 167,26 Er681224f6s 3 (cid:374)(257,18) Fm*1001225f7s 3
1p 13 III a 10,811 B521 2s2p+3 (cid:404) 26,982 Al13213s3p+3 (cid:401)69,723 Ga313d4s4p1021 +3 (cid:401)114,82 In494d5s5p1021 3 (cid:401)204,38 Tl814f5d1410 6s6p21 1, 3 (cid:401)(284) Uut*113 164,93 Ho671124f6s 3 (cid:374)(252,08) Es*991125f7s 3
mente Nichtmetalle Säurebildner (cid:404) Halbmetalle amphoter (cid:401) Metalle Basenbildner (cid:374) ~ Übergangsmetalle gruppen) 78910dddd 9101112VIII I b II b 58,933 58,693 63,546 65,38 CoNiCuZn2728293072821023d4s1013d4s 3d4s3d4s2, 3 1, 2 2, 3 2 (cid:374)(cid:374)(cid:401)(cid:401)102,91 106,42 107,87 112,41 RhPdAgCd454647481024d5s 4d 4d5s81101014d5s 1 2 1, 2, 3, 42, 4(cid:374)(cid:374)(cid:374)(cid:374)192,22 195,08 196,97 200,59 IrPtAuHg77787980 4f5d6s 4f5d6s 4f5d6s 4f5d6s147214911410114102 1,2,3,4,62, 4 1, 3 1, 2 (cid:374)(cid:374)(cid:374)(cid:374)(268) (281) (272) (285) Mt*Ds*Rg*Cn*109110111112 151,96 157,25 158,93 162,50 EuGdTbDy6364656671722921024f5d4f6s6s4f6s 4f6s 2, 3 3 3, 4 3 (cid:374)(cid:374)(cid:374)(cid:374)(243,06) (247,07) (247,07) (251,08) Am*Cm*Bk*Cf*9596979871722921025f6d5f7s7s5f7s 5f7s 3, 4, 5, 6 3, 4 3, 4 3, 4
Periodensystem der Ele Relative Atommasse ElementsymbolOrdnungszahl Elektronenkonfiguration Oxidationsstufen * radioaktives Element (stabilstes Isotop) Übergangsmetalle (Neben 3456dddd 5678V b VI b VII b 50,942 51,996 54,938 55,845 VCrMnFe232425263252623d4s513d4s3d4s 3d4s 2, 3, 4, 52, 3, 6 2,3,4,6,72, 3, 6 (cid:380)(cid:380)(cid:380)(cid:401)92,906 95,96 (98,906) 101,07 NbMoTcRu414243444d5s 4d5s 4d5s 4d5s 41516171 3, 52,3,4,5,67 3, 4, 8 (cid:380)(cid:380)(cid:380)(cid:380)180,95 183,84 186,21 190,23 TaWReOs73747576 4f5d6s 4f5d6s 4f5d6s 4f5d6s 1432144214521462 +52,3,4,5,62, 4, 72,3,4,6,8 (cid:380)(cid:380)(cid:380)(cid:380)(262) (266) (264) (277) Db*Sg*Bh*Hs*105106107108 140,91 144,24 (146,92) 150,36 PrNdPm*Sm59606162324252624f6s 4f6s 4f6s 4f6s 3, 4 3 3 2, 3 (cid:374)(cid:374)(cid:374)(cid:374)(231,04) (238,03) (237,05) (244,06) Pa*U*Np*Pu*91929394213141222625f6d5f6d5f6d7s7s7s5f7s 4, 5 3, 4, 5, 63, 4, 5, 63, 4, 5, 6(cid:374)(cid:401)(cid:401)(cid:401)
2d 4IV b 47,88 Ti22223d4s +3, +4(cid:401)91,224 Zr40224d5s+4 (cid:401)178,49 Hf72 4f5d6s 1422 +4 (cid:401)(261) Rf*104 140,12 Ce58224f6s 3, 4 (cid:374)(232,04) Th*90226d7s 4 (cid:374)
1d 3III b 44,956 Sc21123d4s +3 (cid:374)88,906 Y39124d5s +3 (cid:374)138,91 La57 125d6s +3 (cid:374)227,03 Ac89126d7s+3 (cid:374) 6[Xe] 7 [Rn]

12ssn -on12ietanrourgHauptgruppen tkifenloEkI a II a 1,0079 H 11 1s-1, +1 6,941 9,0122 LiBe 3412He]2s2s+1 +2 (cid:374)(cid:401) 22,990 24,305 NaMg111212Ne]3s3s+1 +2 (cid:374)(cid:374)39,098 40,078 KCa192012Ar] 4s4s +1 +2 (cid:374)(cid:374)85,468 87,62 RbSr373812Kr] 5s5s +1 +2 (cid:374)(cid:374)132,91 137,33 CsBa5556 12Xe] 6s6s +1 +2 (cid:374)(cid:374)(233,02) (226,03) Fr*Ra*878812Rn]7s7s +1 +2 (cid:374)(cid:374) Lanthanoide 114f…f Actinoide 114f…f
[ [ [ [ [ [
edoireP
1 2 3 4 5 6 7
Peter Kurzweil
Chemie Aufgabensammlung
für Ingenieure und
Naturwissenschaftler
Mit Fragestellungen aus allen Teilgebieten
der Chemie und Technik
Prof.Dr.. PeterKurzweil
Fak.Maschinenbau/Umwelttechnik
TechnischeHochschuleAmberg-Weiden
Amberg,Deutschland
ISBN978-3-658-01001-0 ISBN978-3-658-01002-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-01002-7
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V
Vorwort
I
ndererstenSemesterndesChemieunterrichtesanHochschulentreffenStudierendemitganz
unterschiedlichenVorkenntnissenzusammen.Vielfachsind Defizite ausdem Schulwissenaus-
zugleichen,ehesichkomplizierteFragestellungenerschließenko¨nnen.
DieseAufgabensammlungbietetHilfeundOrientierunginderLernphasefu¨rdasgrundlegende
Versta¨ndnisderTheorieunddiepra¨ziseAnwendungvonLo¨sungswegen.
DasbreitgefassteAufgabenspektrumu¨berstreichtdieanalytischeChemie,anorganischeundor-
ganischeStoffchemie,Elektrochemie,physikalischeundtechnischeChemie,sowieAnwendun-
genderWerkstofftechnik.
PraktischeRechenaufgabenundU¨bungenbegleitendurchphysikalisch-chemischeundstoffche-
mische Zusammenha¨nge.Sie entspringen einschla¨gigen Klausuraufgabenan Fachhochschulen
undUniversita¨tenimGrund-undHauptstudium.
Viele unkomplizierteRechenaufgabenko¨nnenvon Studienanfa¨ngerndurcheinsichtige Umfor-
mungundEinsetzenvonphysikalisch-chemischenGro¨ßengelo¨stwerden.AnspruchsvolleFrage-
stellungenfu¨rFortgeschrittenewurdenmiteinemAusrufezeichen ! gekennzeichnetundwen-
densich nurinsofernan Studienanfa¨nger,als sie die EntwicklungdesGrundlagenwissensauf-
zeigen.
QuerverweisemitdemZeichen(cid:2)anderKopfzeilejedesAufgabenblocksstellendenBezugzum
LehrbuchChemie:Grundlagen,Aufbauwissen,AnwendungenundExperimenteundzurPhysik-
FormelsammlungfurIngenieureundNaturwissenschaftlervomVerlagSpringerViewegher.
Das umfangreicheStichwortverzeichnisfu¨hrt zielsicher zu Lo¨sungswegen,damit das U¨bungs-
buchpraktischeBerechnungenauchinderBerufspraxisstu¨tzenkann.
EinRezeptzumUmgangmitdiesemU¨bungsbuchseiverraten:
1. DeckenSiedieLo¨sungunterderFragestellungab.
2. VersuchenSienun,mitHilfedesChemiebuches,derFormelsammlungunddenangegebenen
TippsdenAnsatzoderdierichtigeGleichungzufinden.
3. SpickenSiekurzinderLo¨sung:StimmtIhrVorgehen?Ja,dannsetzenSieZahlenwerteund
EinheiteneinundvergleichenSiedasEndergebnis.
Bei Zeitmangel– nicht unu¨blichvor Pru¨fungen– lesen Sie im Anschluss die verwandtenFra-
gestellungendesAufgabenblocksdurch.NotierenSie ausdemGeda¨chtnisdenentscheidenden
AnsatzaufeinStu¨ckPapier.GutesGelingen!
DemVerlag,vorandemLektorat,HerrnZipsnerundFrauZander,dankeichfu¨rdieunkompli-
zierteundzu¨gigeDrucklegungdesWerkeszueinemfu¨rStudierendeerschwinglichenPreis.
ImSeptember2013 Prof.Dr.rer.nat.PETERKURZWEIL
TechnischeHochschuleAmberg-Weiden(OTH)
(cid:112)(cid:46)(cid:107)(cid:117)(cid:114)(cid:122)(cid:119)(cid:101)(cid:105)(cid:108)(cid:64)(cid:111)(cid:116)(cid:104)(cid:45)(cid:97)(cid:119)(cid:46)(cid:100)(cid:101)
VII
Inhaltsverzeichnis
1 SI-EinheitenundDatenanalyse 1 8 Fa¨llungsreaktionenundanalytischeMethoden 93
1 Gro¨ßenundEinheiten . . . . . . . . . 1 1 Lo¨slichkeitundWasserchemie . . . . . 93
2 UmgangmitdemTaschenrechner . . . 1 2 GravimetrischeAnalyse . . . . . . . . 97
3 StatistischeAuswertung . . . . . . . . 7 3 Fotometrie . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 RefraktometrieundPolarimetrie . . . . 101
2 AufbauderMaterie 14 5 Chromatografie . . . . . . . . . . . . . 102
1 Atombau . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Wasserstoffatom . . . . . . . . . . . . 16 9 Elektrochemie 104
1 OxidationsstufenundRedoxreaktionen 104
3 PeriodensystemderElemente 17 2 GalvanischeElemente . . . . . . . . . 107
1 PeriodischeEigenschaften . . . . . . . 17 3 Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . 110
2 ElektronenkonfigurationundSpektral- 4 Elektrolytlo¨sungen . . . . . . . . . . . 113
terme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
10 OrganischeChemie 115
4 KernchemieundKernenergie 21 1 NomenklaturundStruktur . . . . . . . 115
1 Radioaktivita¨t . . . . . . . . . . . . . . 21 2 FunktionelleGruppenundReaktionen . 119
2 Kernreaktionen . . . . . . . . . . . . . 23 3 Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . 120
4 Halogenverbindungen . . . . . . . . . 136
5 ChemischeBindungundStruktur 24 5 Alkohole,PhenoleundEther . . . . . . 142
1 ChemischeFormeln . . . . . . . . . . 24 6 Carbonylverbindungen . . . . . . . . . 146
2 BindungstypenundOxidationsstufen . 26 7 Stickstoffverbindungen . . . . . . . . . 158
3 AtombindungundMoleku¨lorbitale. . . 30 8 Heterozyklen . . . . . . . . . . . . . . 162
4 Koordinationsverbindungen . . . . . . 34
11 Strukturaufkla¨rung 164
5 TheoriederchemischenBindung . . . 35
1 Elementaranalyse . . . . . . . . . . . . 164
6 KristallgitterundLegierungen . . . . . 36
2 Spektreninterpretation . . . . . . . . . 167
7 Zustandsdiagramme . . . . . . . . . . 38
8 TechnologiedesStahls . . . . . . . . . 41
12 Polymerchemie 173
6 ChemischeReaktionen:Sto¨chiometrie,Thermo- 13 ChemiederElemente 176
dynamikundKinetik 46
1 Hauptgruppenelemente . . . . . . . . . 176
1 ChemischeReaktionen . . . . . . . . . 46 2 U¨bergangsmetalle (Nebengruppenele-
2 Sto¨chiometrie . . . . . . . . . . . . . . 48 mente) . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3 IdealesGas:ThermodynamikundGas- 3 QualitativeanorganischeAnalyse . . . 197
kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Mischphasen,Gasgemische,Lo¨sungen 55 14 NachhaltigeChemie 201
5 MechanischeStofftrennung . . . . . . 60 1 MetallorganischeChemie . . . . . . . 201
6 ThermischeStofftrennung . . . . . . . 62 2 Festko¨rperchemie . . . . . . . . . . . . 205
7 ChemischesGleichgewicht . . . . . . . 68 3 Gruppentheorie . . . . . . . . . . . . . 206
8 Reaktionskinetik . . . . . . . . . . . . 71
15 ToxikologieundGefahrstoffe 207
7 Sa¨uren,Basen,pH-Rechnung,Maßanalyse 74 1 Arbeitssicherheit . . . . . . . . . . . . 207
2 Umweltchemikalien . . . . . . . . . . 209
1 KonzentrationsangabeninLo¨sungen . . 74
2 pH-Rechnung . . . . . . . . . . . . . . 76
Anhang:Nomenklatur 212
3 NeutralisationundTitrationskurven . . 83
4 Maßanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 84 Index 214
VIII
Abku¨rzungen und Benutzerhinweise
FormelzeichenwerdennachDINkursiv,Maßeinheitenaufrechtgedruckt.
ZeichenundIndices
(cid:2) siehe Kap. 1 bis 15; Verweis auf eine (cid:7) negativgeladen,Anion
Erkla¨runginChemie:Grundlagen,Auf- A elektrophileAdditionan(cid:8)C=C(cid:9)
E
bauwissen, Anwendungen und Experi-
mente,SpringerVieweg. AN nucleophileAdditionan(cid:8)C=O
(cid:2) siehe Kap. A bis Z; Verweis auf ei- E Eliminierung
ne Formel in Physik-Formelsammlung
L Index:Luft
fu¨r Ingenieure und Naturwissenschaft-
(cid:2) Liter
ler,SpringerVieweg.
lim Grenzwert
! schwereAufgabe
(cid:2) einfacheAufgabezumStudienbeginn m Index:molareGro¨ße
≈ ungefa¨hrgleich min Index:Minimum,kleinsterWert
=! zweiGro¨ßensindgleichzusetzen max Index:Maximum,gro¨ßterWert
∼ proportional rel Index:relativ
∞ unendlich S elektrophileSubstitutionamBenzolring
E
0 hochgestellt:Standardbedingungen;
S nucleophileSubstitutionamC-Atom
N
Index:Anfangswert,Nullwert
S radikalischeSubstitutionamC-Atom
∗ hochgestellt:konjugiertkomplexeZahl; R
Phasengrenze W Index:Wasser(H2O)
⊕ positivgeladen,Kation z¯ MittelwertderGro¨ßez
GriechischesAlphabet
groß klein Benennung groß klein Benennung
A α Alpha N ν Ny
B β Beta (cid:6) ξ Xi
(cid:8) γ Gamma O o Omikron
(cid:10) δ Delta (cid:12) π Pi
E ε,(cid:15) Epsilon R (cid:16),ρ Rho
Z ζ Zeta (cid:19) σ,ς Sigma
H η Eta T τ Tau
(cid:24) ϑ,θ Theta Y,ϒ υ Ypsilon
I ι Iota (cid:30) ϕ,φ Phi
K κ Kappa X χ Chi
# λ Lambda % ψ Psi
M μ My ’ ω Omega
1
1 SI-Einheiten und Datenanalyse
1 Gro¨ßen und Einheiten
(cid:2) AUFGABE1-1:UmrechnungvonEinheiten (cid:2)A.2
RechnenSiefolgendeAngabeninsSI-Systemum:
1. EinDruckvon670mmHgwirktaufeineFla¨chevon2mm×2mm.
2. 2,6cal/(min·in2)
3. EinTerawattjahr
(cid:2) TIPP1-1:
Ersetzen Sie dezimale Vorsatzzeichen durch Exponentialzahlen, z. B. milli = 10−3. Potenzen
geltensowohlfu¨rdieBasiseinheitalsauchfu¨rdendezimalenVorsatz.
SI-Einheiten:Pa=Nm−2;W=Js−1;Tera=1012
Inkoha¨renteEinheiten:1mmHg=133,322Pa;1cal=4,1868J;1in=2,54cm.
(cid:2) LO¨SUNG1-1:
1. F = p· A =670mmHg·2mm·2mm=670·133,322Pa·4·(10−3m)2 ≈0,357N
2. 2,6 cal =2,6· 4,1868J ≈108,2 J ≈281,2 W
min·in2 60s·(2,54·10−2m)2 sm2 m2
3. 1TWa=1012W·1a=1012W·(365·24·3600)s≈3,15·1019J
2 Umgang mit dem Taschenrechner
2.1 Statistikfunktionen
(cid:2) AUFGABE1-2:ArithmetischerMittelwertundUnsicherheiteinesMessergebnisses
BerechnenSieMittelwert,Messunsicherheit,relativenFehler,vollsta¨ndigesMessergebnisund
dieVertrauensgrenzenbei68,23%-igemVertrauensniveaufu¨rdiefolgendeMessreihevonpH-
Werten?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
pH 7,81 7,80 7,79 7,60 7,90 7,75 7,71 7,72 7,92 8,00
P. Kurzweil, Chemie Aufgabensammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler,
DOI 10.1007/978-3-658-01002-7_1, © Springer Fachmedien Wiesbaden 2013
2 1 SI-EinheitenundDatenanalyse
(cid:2) TIPP1-2:
ImModus STAT/VAR erleichternTaschenrechnerdie Runden:
statistischeAuswertungvonMessdaten. • Rundestellevonu:dieStellederersten
Nachkommaziffer ungleich Null (erste
signifikanteStelle).FallsZiffer 1“oder
EingabevonMesswerten: (cid:9)Wert(cid:8) DATA ”
2“:diedarauffolgendeStelle.
”
• uwirdimmeraufgerundet.
ArithmetischerMittelwert
(cid:2)n • uwirdmit2(oder3)signifikantenStel-
x¯ x¯ = n1 xi = [nx] lenangegeben.
i=1 • x¯ undu werdenimmeraufdiegleiche
EmpirischeStandardabweichung AnzahlNachkommastellengerundet.
(mittlererFehlerdesEinzelwertes)
xσn−1 (cid:3)(cid:4)(cid:4)(cid:6)n fut¨-rWgeefroterd(eSrTteUsDVEeNrtTra-Vueenrtseniliuvenagu):
sx =(cid:4)(cid:4)(cid:5)i=1(nx−i −1x¯)2 =(cid:7)[x2]n−−x¯1·[x] n 6(18,·2s6x%) (≈952,0·0s%x) 9(39,·7s3x%)
3 1,32 4,30 19,21
Variationskoeffizient v = sx 5 1,14 2,78 6,62
x 6 1,11 2,57 5,51
(relativeStandardabweichung)
8 1,08 2,36 4,53
10 1,06 2,26 4,09
Messunsicherheit u= √sx 20 1,03 2,09 3,45
n
(mittlererFehlerdesMittelwertes) 50 1,01 2,01 3,16
100 1,00 1,98 3,08
Vollsta¨ndigesMessergebnis x =x¯±u ∞ 1,00 1,96 3,00
Untere,obereVertrauensgrenze x¯−t·u, x¯+t·u
(cid:2) LO¨SUNG1-2:
pH= 1 (cid:2)6 pH =7,800
10 i
i=1
(cid:27)(cid:15)(cid:20) (cid:83)(cid:43)
u = √sx =0,0368...≈0,037
10 (cid:3)(cid:4)
(cid:27)(cid:15)(cid:19)
(1.Ziffer=3:Rundestelle)
Somitlautetdasvollsta¨ndigeMessergebnis: (cid:26)(cid:15)(cid:28) (cid:14)(cid:86)
pH=pH±u =(7,800±0,037) (cid:14)(cid:88)
(cid:26)(cid:15)(cid:27)
(cid:16)(cid:88)
DerrelativeFehlerdesMessergebnissesbetra¨gt:
(cid:26)(cid:15)(cid:26)
(cid:16)(cid:86)
u = 0,037 ≈0,0047=0,47%
pH 7,800 (cid:26)(cid:15)(cid:25)
Vertrauensgrenzenmitu∗ =t ·u =1,06·u:
(cid:20) (cid:21) (cid:22) (cid:23) (cid:24) (cid:25) (cid:26) (cid:27) (cid:28) (cid:20)(cid:19)
pH =(7,800−0,039) (cid:48)(cid:72)(cid:86)(cid:86)(cid:88)(cid:81)(cid:74)
u
pH =(7,800+0,039)
o
Mit 68,23%-iger Wahrscheinlichkeit liegt der wahreWert innerhalb der Vertrauensgrenzen.Im
Bild eingezeichnetsind der Mittelwert, di√e Vertrauensgrenzen+u und −u und zum Vergleich
dieeinfacheStandardabweichungs =u· 10.
Fu¨r99,73%SicherheitlautendieVertrauensgrenzen:pHu,o =(7,80±4,09·0,039).
Wert4undWert10liegenknappaußerhalbderdreifachenStandardabweichungdesMittelwertes
unddu¨rftenalsAusreißerfortgelassenwerden.