Kurzprüfung Analytische Chemie 2 CH10 16. Mai 2011, 15:50 ... Chemie/AC2/AC2_2011... · CH / AChe2

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CH / AChe2 Kurzprfung FS10

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Kurzprfung Analytische Chemie 2 CH10 16. Mai 2011, 15:50 16:35 Erlaubte Hilfsmittel : - Vorlesungs-Skript Analytische Chemie 2 - Lineal - Taschenrechner Alle Berechnungen und diese Aufgabenbltter sind am Schluss abzugeben. Schreiben Sie auf jedes Blatt Ihren Namen. Antworten mssen begrndet werden, bzw. bei quantitativen Antworten ist der Rechenweg aufzufhren.

Resultate ohne sichtbare Herleitung, bzw. Begrndung werden als falsch gewertet. 1. Sure-Base-Gleichgewichte

Bei einer chemischen Reaktion in einem wsserigen System von 10 Liter entsteht als Reaktionsprodukt 0.5 mol Schwefel-wasserstoff SH 2 . Schwefelwasserstoff ist ein bel riechendes, stark giftiges Gas, welches in Wasser deprotoniert und sich in HS umwandelt. Der 06.7)( 2 SHpKS .

1a) Was ist der Protolysegrad von Schwefelwasserstoff SH 2 in der wsserigen Lsung, nach Ablauf der Reaktion? Be-rechnen Sie den Protolysegrad exakt und alternativ ber die Nherungsformel fr schwache Suren. Vergleichen Sie die beiden Werte fr den Protolysegrad (exakt Nherung). (2P) 1b) Was ist die Konzentration von Schwefelwasserstoff nach Ablauf der Reaktion? (1P) 1c) Auf welchen pH msste man das Reaktionsgemisch puffern, so dass der Anteil an Schwefelwasserstoff )( 2SHc , im Vergleich zur ursprnglich (gesamthaft) gebildeten Menge an )()()( 220

HScSHcSHc in Reaktionsgemisch, ge-rade 0.01% betrgt? (1P) 1d) Machen Sie einen guten Vorschlag fr ein Pufferpaar, das den in (1c) berechneten pH einstellt. Falls Sie in 1c) den pH nicht berechnet haben, nehmen Sie als pH-Wert des Puffers pH = 9.1 an. (1P) 1e) Berechnen Sie fr dieses Paar, wieviele mol von jeder Komponente des Pufferlsung bei einer Totalkonzentration des Puffers von 0.1 mol/l eingewogen werden mssen (Gesamtmenge des wsserige Systems ist 10 Liter). Falls Sie in 1c) den pH nicht berechnet haben, nehmen Sie als pH-Wert des Puffers pH = 9.1 an. (2P)

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2. Hgg-Diagramm a) Zeichnen Sie, im unten aufgespannten Koordinatensystem, das Hgg-Diagramm fr das folgende System: (2P)

2-protonige Sure AH 2

MAcHAcAHcAHctot 01.0)()()()(2

22

OHAH 22 OHHA 3 ; 41 SpK

OHHA 2 OHA 3

2 ; 112 SpK

2b. Bestimmen Sie unter Verwendung des aufgezeichneten Hgg-Diagramms den pH der folgenden beiden Lsungen:

1. Die Lsung MAcHAcAHcAHctot 01.0)()()()(2

22 wird

durch Zugabe von MAHc 1.0)( 20 hergestellt. (1P)

2. Die Lsung MAcHAcAHcAHctot 01.0)()()()(2

22 wird

durch Zugabe von MAc 1.0)( 20 hergestellt. (1P)

2c. Berechnen sie den Protolysegrad von )( 2 AHc , fr den Fall 1, d.h. fr den Fall dass die Lsung durch Zugabe von MAHc 01.0)( 20 hergestellt wird. (1P)

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3. Verteilungsfunktion 3a.) Zeichnen Sie, im unten aufgespannten Koordinatensystem, die Verteilungsfunktionen

)(;)(;)( 22120 AHAAH der verschiedenen Protolysestufen fr das folgende System: (2P)

2-protonige Sure AH 2

MAcHAcAHcAHctot 01.0)()()()(2

22

OHAH 22 OHHA 3 ; 61 SpK pKS1=6

OHHA 2 OHA 3

2 ; 112 SpK

3b) Mit Hilfe eines Puffers wird der pH des Systems festgelegt auf pH = 11. Bestimmen Sie die Werte der Verteilungsfunkti-onen i der unterschiedlichen Protolysestufen )(;)(;)( 22120

AHAAH . (1P)

3c) Mit Hilfe eines Puffers wird der pH des Systems festgelegt auf pH = 4. Bestimmen Sie an Hand der graphischen Darstel-lung des Verteilungsfunktionen die Werte fr )(;)(;)( 22120

AHAAH . (2P)

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4. Fllungsanalytik Im Produktionsprozess der Firma RobEarthAlk GmbH in Mainz fallen im Abwasser eine Reihe von Erdalkali- und Alkalime-talle an, welche in einem 200 Liter Abwassertank aufgefangen werden. Um einige von diesen vor der Entsorgung des Ab-wassers abzutrennen, werden sie als Carbonate gefllt und abfiltriert. RobEarthAlk GmbH hat sich selber strenge Grenz-werte vorgegeben, welche ber den gesetzlichen Grenzwerten hinausgehen. Vor dem Einleiten des Abwassers in die Ge-wsser sollen fr drei Metalle Lithium, Strontium und Barium die in der folgenden Tabelle aufgefhrten Grenzwert nicht berschreiten. Die jeweiligen Lslichkeitskonstanten sind ebenfalls in der Tabelle gegeben. Festkrper Grenzwert ;

mg/L log KL (25C)

Li2CO3 500 -3.1 SrCO3 0.01 -10.0 BaCO3 0.01 -9.3

Zur Fllung werden 2.0 kg "Soda" (= Natriumcarbonat; 32CONa ) in den Tank gegeben und ber lngere Zeit umgerhrt.

Die Basenkonstanten der Carbonat und Hydrogencarbonat sind: 5.6)(5.7)(

4.10)(6.3)(

323

323

COHpKHCOpKHCOpKCOpK

SB

SB

Die Molmassen der Verbindungen sind: molgOMmolgCMmolgNaMmolgBaMmolgSrMmolgLiM

/0.16)(;/0.12)(;/0.23)(;/3.137)(;/6.87)(;/9.6)(

4a. Reicht die Soda-Zugabe aus, um die drei Metalle bis unter die Grenzwerte auszufllen? Vernachlssigen Sie fr diese

Berechnung die Verluste durch ausgefallenes Carbonat, die Einflsse der Ionenstrke und die Protolyse des Carbona-tes. (2P)

4b. Im Tank herrscht nach der Carbonatzugabe ein pH von 11.0. Wieviele mg Lithium bleibt in dem Tank gelst, wenn

man die Carbonatprotolyse bei diesem pH-Wert von 11 bercksichtigt? (2P)

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Lsungen: Kurzprfung Analytische Chemie 2, Mai 2011 1. Sure-Base-Gleichgewichte Bei einer chemischen Reaktion in einem wsserigen System von 10 Liter entsteht als Reaktionsprodukt 0.5 mol Schwefel Bei einer chemischen Reaktion in einem wsserigen System von 10 Liter entsteht als Reaktionsprodukt 0.5 mol Schwefel-wasserstoff SH 2 . Schwefelwasserstoff ist ein bel riechendes, stark giftiges Gas, welches in Wasser deprotoniert und sich in HS umwandelt. Der 06.7)( 2 SHpKS .

1a) Was ist der Protolysegrad von Schwefelwasserstoff in der wsserigen Lsung, nach Ablauf der Reaktion? Berechnen Sie den Protolysegrad exakt und alternativ ber die Nherungsformel fr schwache Suren. Vergleichen Sie die beiden Werte fr den Protolysegrad (exakt Nherung). (2P) 1b) Was ist die Konzentration von Schwefelwasserstoff nach Ablauf der Reaktion? (1P) 1c) Auf welchen pH msste man das Reaktionsgemisch puffern, so dass der Anteil an Schwefelwasserstoff )( 2SHc , im Vergleich zur ursprnglich (gesamthaft) gebildeten Menge an )()()( 220

HScSHcSHc in Reaktionsgemisch, ge-rade 0.01% betrgt? (1P) 1d) Machen Sie einen guten Vorschlag fr ein Pufferpaar, das den in (1c) berechneten pH einstellt. Falls Sie in 1c) den pH nicht berechnet haben, nehmen Sie als pH-Wert des Puffers pH = 9.1 an. (1P) 1e) Berechnen Sie fr dieses Paar, wieviele mol von jeder Komponente des Pufferlsung bei einer Totalkonzentration des Puffers von 0.1 mol/l eingewogen werden mssen (Gesamtmenge des wsserige Systems ist 10 Liter). Falls Sie in 1c) den pH nicht berechnet haben, nehmen Sie als pH-Wert des Puffers pH = 9.1 an. (2P) Lsungen: 1a) Was ist der Protolysegrad von Schwefelwasserstoff in der wsserigen Lsung, nach Ablauf der Reaktion? Berechnen Sie den Protolysegrad exakt und alternativ ber die Nherungsformel fr schwache Suren. Vergleichen Sie die beiden Werten fr den Protolysegrad (exakt Nherung). (2P) Die hier untersuchte Reaktion ist: OHSH 22 OHHS 3 ; 06.7)( 2 SHpKS

Bentigt werden: L

mollitermolSHc 05.0

105.0)( 20

06.72 1006.7)( SS KSHpK

(i) Exakte Lsung:

%13.01032.1

05.0205.01041010

)(2)(4 3

06.7206.706.7

20

202

SHcSHcKKK SSS

(ii) Nherungsformel: %13.01032.105.0

10 306.7

0

cKS

Die Nherungsformel fhrt fr diesen Fall zum gleichen Ergebnis wie die Exakte Lsung.

1b) Was ist die Konzentration von Schwefelwasserstoff nach Ablauf der Reaktion? (1P)

LmolLmolSHcSHHScSHc

HScSH /106.6/05.01032.1)()()()()(:)( 53202

202

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1c) Auf welchen pH msste man das Reaktionsgemisch puffern, so dass der Anteil an Schwefelwasserstoff )( 2SHc , im Vergleich zur ursprnglich (gesamthaft) gebildeten Menge an )()()( 220

HScSHcSHc in Reaktionsgemisch, ge-rade 0.01% betrgt? Damit exakt 1 % SH 2 vorliegt muss der Schwefelwasserstoff zu 99% protolysiert sein, d.h. %9999.0 sein, bzw., der pH muss 2 Einheiten ber dem 06.7)( 2 SHpKS sein. D.h. 06.9206.72)( 2 SHpKpH S

06.9 SollpH

OHSH 22 OHHS 3

Diese Lsung lsst sich auch einfach rechnerisch erhalten:

06.90206.71log99log06.71

99log06.7)()(log

HAcAcpKpH S

1d) Machen Sie einen guten Vorschlag fr ein Pufferpaar, das den in (1c) berechneten pH einstellt. Falls Sie in 1c) den pH nicht berechnet haben, nehmen Sie als pH-Wert des Puffers pH = 9.1 an. (1P) Ziel ist die Lsung auf 06.9SollpH zu puffern. Um eine gute Pufferwirkung zu erreichen muss ein Puffersystem einsetzen, welche einen spK aufweist, welche nahe bei Ziel-pH liegt. Aus der Tabelle unten finden wir als mgliches Puffersystem : 34 / NHNH

(Ammonium / Ammoniak), wobei

21.9)( 4 NHpKS .

SH2 HS

1%

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Dissoziationskonstanten von Sure/Base-Paaren geordnet nach Surestrke

Sure konjugierte Base pKs

HClO4 Perchlorsure ClO4- Perchlorat -9* HCl Salzsure Cl- Chlorid -6* H2SO4 Schwefelsure HSO4- Hydrogensulfat -3* H3O+ Oxonium-Ion H2O Wasser -1.74 HNO3 Salpetersure NO3- Nitrat -1.32 HClO3 Chlorsure ClO3- Chlorat 0