p-Block Elemente I

Kapitel 3 Fragen und Antworten

Kapitel 3 Fragen und Antworten


M. B.
Diese Lernkarten behandeln die Chemie der p-Block-Elemente auf Universitätsniveau und konzentrieren sich auf die Struktur und Eigenschaften von Verbindungen wie Silikon, Glas, Wasserglas und Kohlenstoffallotropen. Sie decken auch die Herstellung und Reaktionen von Elementen wie Aluminium, Zinn und Blei ab. Ideal für Studierende der Chemie, die sich mit den Grundlagen und Anwendungen dieser Elemente vertraut machen möchten.
Karten
53
Lernende
7
Sprache
Deutsch
Kategorie
Chemie
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
06.09.2015 / 21.11.2017

Lernkarten

Zeichnen Sie das Schema und die chemische Reaktion des Hall-Prozesses zur
Erzeugung von Aluminium !

4 Al3+ (Schmelze) + 6 O2- (Schmelze) + 3 C (s, Gr) → 4 Al (l) + 3 CO2 (g)
 

Kryolith: Na3AlF6

Wofür wird amorphes Silizium eingesetzt ?

Amorphes Silizium wird in photovoltaischen Zellen verwendet, die Elektrizität
aus Sonnenlicht erzeugen.

Was sind Feldspate ?

Feldspäte sind Aluminiumsilikate, bei denen die Si4+-Ionen teilweise durch Al3+-Ionen
ersetzt wurden. Sie sind die häufigsten silikatischen Materialien auf der Erde.

Wie kann Stickstoff der Luft auf natürliche Weise in N-Verbindungen umgewandelt
werden ?

Durch natürliche Fixierungsreaktionen (durch Blitze, Bakterien). Ein Teil des Stickstoffs
wird dabei in seine Oxide umgewandelt.

Zeigen Sie die amphoteren Eigenschaften von Aluminium an Hand von
Aluminiumoxid !

Al2O3 (s) + 2 OH- (aq) + 3 H2O (l) → 2 Al(OH)4- (aq)
Al2O3 (s) + 6 H3O+ (aq) + 3 H2O (l) → 2 Al(H2O)63+ (aq)

Welche wichtigen Edelsteine ( Halbedelsteine ) kennen Sie auf der Basis von
Siliziumdioxid ?

Amethyst, Achat, Onyx (Farben durch ionogene Verunreinigungen)

Warum ist NH3 in Wasser gut löslich ?

Gasförmiger Ammoniak ist in Wasser sehr gut löslich, weil die NH3 Moleküle polar sind
und zu den H2O Molekülen Wasserstoffbrücken ausbilden.

Wie lautet die Strukturformel von Phosphor(III)-oxid ? Skizze !

P4O6

Formeln und Eigenschaften binärer Borverbindungen mit C und N.

Borkarbid (B12C3) entsteht, wenn Bor mit Kohlenstoff aufgeheizt wird, und ist fast so
hart wie Diamant, hoher Schmelzpunkt.
Bornitrid (BN) hat eine graphitähnliche Struktur aus flachen Sechsecken mit
alternierenden Bor- und Stickstoffatomen. Die Ebenen liegen aber anders
übereinander als beim Graphit (jedes B-Atom ist direkt über einem N-Atom). Es ist
weiß und nicht elektrisch leitend.

In welchen Verbindungen kommt Bor hauptsächlich natürlich vor ?

Borax (Na2B4O7.10H2O), Kernit (Na2B4O7.4H2O)

Warum ist bei Raumtemperatur CO2 ein Gas, SiO2 ein Feststoff ?

SiO2: Anordnung von SiO4-Tetraedern → jedes O-Atom an der Ecke wird zwischen 2
Si-Atomen geteilt. Daher trägt jeder Tetraeder ein Siliziumatom und 2 O-Atome (4*1/2)
zum Festkörper bei. CO2 hingegen ist ein Gas, weil die O-Atome nicht geteilt werden.

Was sind Silikone ?

Silikone bestehen aus langen Ketten von tetraedrischen O-Si-O Einheiten. Allerdings
werden jene Bindungsstellen des Si, die nicht durch O-Atome besetzt sind, von
organischen Gruppen gebunden, wie CH3. → biologisch inert, halten den Kontakt mit
Körperflüssigkeiten aus (Implantate).

Wie sieht die Strukturformel der phosphorigen Säure aus ? Wieviel protonig ist sie ?

H3PO3, 2-protonig (ein H-Atom direkt an das P-Atom gebunden).

Warum ist festes Kohlendioxid ein gutes Kühlmittel ?

Kann bei normalem Druck nicht als Flüssigkeit existieren (Tripelpunkt bei 5,1 atm).
Festes Kohlendioxid (Trockeneis) sublimiert daher direkt zum Gas → daher gute
Eigenschaft als Kühlmittel.

Welche Methoden kennen Sie zur Gewinnung des elementaren Bors ?

Extraktionsprozess (amorphe Form des Bors wird gewonnen):
B2O3 (s) + 3 Mg (s) → 2 B (s) + 3 MgO (s)
Reduktion einer füchtigen Borverbindung an einem aufgeheizten Draht
2 BBr3 (s) + 3 H2 (g) → 2 B (s) + 6 HBr (g)

CO bildet Komplexverbindungen zu einigen Partnern aus. Wo ist das bedeutsam ?

Die Komplexbildung ist verantwortlich für die Giftigkeit des Kohlenmonoxids. Es bindet
sich stärker mit Sauerstoff als mit dem Eisen des Hämoglobins. Bsp. mit Nickel:
Ni + 4 CO → Ni(CO)4

Was sind Silikate ?

Silikate kann man sich als SiO4 -Tetraeder vorstellen. Si4+-Ion im Mittelpunkt von vier
umgebenden O2- -Ionen. Jede Si-O-Bindung hat einen bedeutsamen kovalenten
Charakter. Unterschiede zwischen den Silikaten auf Grund von Anzahl der negativen
Ladungen an jeder Ecke des Tetraeders, Anzahl der O-Atome an den Ecken, und der
Art und Weise, wie die Ketten und Ebenen der verbundenen Tetraeder sich aneinander
binden.

Wie lautet die Strukturformel von P4O10 ? Skizze !

P4O10 = Phosphor(V)oxid

Was sind Borane ? Beispiel !

(Diboran B2H6, Dekaboran B10H14)
Boran: binäre Verbindung von Bor mit Wasserstoff; Elektronenmangelverbindungen

Wie stellt man metallisches Al aus Bauxit her? Wie lauten die Reaktionsgleichungen?

Bayerprozess (Bauxit → Aluminiumoxid)
Al2O3.xH2O (s) + 2 OH- (aq) + 3 H2O (l) → (170°) 2 Al(OH)4- (aq) + xH2O (l)
Fe2O3.xH2O (s) + 3 H2O (l) → (170°) 2 Fe(OH)3 (s) + xH2O (l)
Al(OH)4- (aq) + CO2 (g) → Al(OH)3 (s) + HCO3- (aq)
2 Al(OH)3 (s) → (1200°) Al2O3 (s) + 3 H2O (g)
Hallprozess (Aluminiumoxid → metallisches Aluminium)
Mischung von Aluminiumoxid und Kryolith schmilzt schon bei 950°C!
Elektrolyse in einer Zelle mit einer Kohlenanode und Stahlkathode
4 Al3+ (Schmelze) + 6 O2- (Schmelze) + 3 C (s, Graphit) → 4 Al (l) + 3 CO2 (g)

Wie erzeugt man reinstes Si aus SiO2 ? Gleichungen !

Reduktion im el. Ofen: SiO2 + 2 C → (1500°) Si + 2 CO

Warum ist CO eine Lewis-Base ?

freies Elektronenpaar → Elektronenpaardonator → ausbildung von kovalenten
Bindungen

Wie kommt man zu einem „dreifachen“ Superphosphat ? Gleichung !

Ca3(PO4)2 + 4 H3PO4 → 3 Ca(H2PO4)2

Was ist Eloxal ?

Aluminium ist korrosionsresistent, da es durch einen stabilen Oxidfilm an der
Oberfläche passiviert. Die Dicke der Oxidschicht kann noch weiter vergrößert werden,
indem Aluminium als Anode in einer elektrolytischen Zelle geschalten wird → eloxieren

Ein Glas färbt sich bei Lichteinfall dunkel, wenn das Licht fehlt, wird das Glas wieder
hell. Gleichung !

Ag+ (s) + Cu+ (s) → (Licht) Ag (s) + Cu2+ (s)

Welche Arten von Karbiden gibt es ? Beispiele für diese Karbide, wie stellt man sie
her, welche Eigenschaften haben sie, wie reagieren sie mit Wasser ? Gleichungen !

salzartige Karbide (CaC2):
Die Metalle der Gruppe I und II und Aluminium bilden salzartige Karbide, wenn ihre
Oxide in gegenwart von Kohlenstoff aufgeheizt werden.
Reaktion mit Wasser: CaC2 (s) + 2 H2O (l) → Ca(OH)2 (s) + HC≡CH (g)


kovalente Karbide (SiC: sehr hart, Verwendung als Schleifmittel):
SiO2 (s) + 3 C (s) → (2000°) SiC (s) + 2 CO (g)


interstitielle Karbide (W2C) werden durch direkte Reaktion eines d-Blockmetalls mit C
bei 2000° gebildet. Extrem harte Substanzen.

Was ist Superphosphat, wie wird es hergestellt ? Gleichung !

Phosphatgestein wird zerkleinert und mit Schwefelsäure behandelt → Mischung von
Phosphaten und Sulfaten, Verwendung als Düngemittel:
Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4 → 2 CaSO4 + Ca(H2PO4)2

Zeigen Sie die amphoteren Eigenschaften von Al am Beispiel von Aluminiumhydroxid

Al(OH)3 (s) + OH- (aq) → Al(OH)4- (aq)
Al(OH)3 (s) + 3 H3O+ (aq) → Al(H2O)63+ (aq)

Was ist Ruß, wie wird Ruß erzeugt, wozu wird Ruß verwendet ?

Ruß besteht aus sehr kleinen Graphitkristallen. Fein verteilter Kohlenstoff, wird durch
Erhitzen von gasförmigen Kohlenwasserstoffen auf nahezu 1000°C unter
Sauerstoffmangel erzeugt. Verwendung: Verstärkung von Gummi, in Pigmenten und in
Druckfarben

Die chemische Struktur des Grafits ist verantwortlich für dessen Verwendung als
elektrischer Leiter und als Schmiermittel. Erklären Sie !

Graphit besteht aus planaren Schichten von sp2 hybridisierten Kohlenstoffatomen in
einem hexagonalen Netz. Da sich Elektronen frei zwischen zwei unhybridisierten
Oribitalen durch ein unendlich weit delokalisiertes π-Netz über die Ebene hin bewegen
können, ist Graphit elektrisch leitend und schwarz glänzend. Gut als
Trockenschmiermittel geeignet, weil sich die einzelnen Schichten gut verschieben
lassen.

Wofür wird Ammoniumnitrat verwendet ? Begründung !

Ammoniumnitrat ist eine Komponente im Dynamit. Grund: Reaktion verläuft heftig:
2 NH4NO3 → (300°) 2 N2 + O2 + 4 H2O
Ammoniumnitrat wird auch als Düngemittel verwendet, da es einen hohen
Stickstoffgehalt (33%) hat und in Wasser sehr gut löslich ist.

Wie kommt man von der Phosphorsäure zu einer Polyphosphorsäure ? Gleichung !

Phosphorsäure (H3PO4) wird erhitzt, es kommt zur Kondensationsreakton →
Pyrophosphorsäure (H4P2O7) entsteht. Bei weiterem Erhitzen gibt es noch
kompliziertere Produkte, die Ketten und Ringe von PO4 Gruppen haben, und
Polyphosphorsäuren genannt werden.

Boroxid ist das Anhydrid der Borsäure. Welche chemische Reaktion steckt dahinter ?

2 B(OH)3 (s) → B2O3 (s) + 3 H2O (l)

Wozu verwendet man Boroxid ?

Verwendung von Boroxid:
Löten und Schweißen (um Oxidüberzug von Metallen zu entfernen),
Flammenschutzmittel, Herstellung von Fiberglas und Borsilikatglas.

Einige unreine Formen von α-Al2O3 können sehr teuer sein. Warum ist das so, um
welche Verunreinigungen handelt es sich ?

Teuer, weil selten → Edelsteine. Die Verunreinigungen im α-Al2O3 sind

  • Cr3+ (Rubin),
  • Fe3+ und Ti4+ (Saphir),
  • Fe3+ (Topas)

Beschreiben Sie den Bayerprozeß. Wie wird Al2O3 (Aluminiumoxid) hergestellt? Warum wird CO2 durch die Aluminiumlösung geblasen? Gleichung?

Der Aluminiumgehalt in den meisten Mineralien ist niedrig und die gängige Aluminiumquelle (Bauxit) ist ein hydratisiertes, unreines Oxid, Al2O3 * xH2O. Das Bauxiterz wird im Bayerprozeß zu Aluminiumoxid verarbeitet. Das Rohbauxit wird zuerst mit wäßrigem Natriumhydroxid behandelt, das amphotere Aluminiumoxid und saures Siliziumoxid auflöst, wobei die Eisen- und Titanhydroxide als roter Schlamm zurückbleiben.
Al2O3 * xH2O(s) + 2OH-(aq) + 3H2O(l) →(170°C) 2Al(OH)4-(aq) + xH2O(l)
Fe2O3 * xH2O(s) + 3H2O(l) → (170°C) 2Fe(OH)3(s) + xH2O(l)

Dann wird das saure Oxid Kohlendioxid durch die Aluminatlösung geblasen. Dadurch wird die OH- Konzentration abgesenkt und es kommt zu einer teilweisen Zersetzung des Aluminations und zu Ausfällen von Aluminiumhydroxid:
Al(OH)4-(aq) + CO2(g) → Al(OH)3(s) + HCO3-(aq)
Das Aluminiumhydroxid wird entfernt und durch Erhitzen auf 1200°C zum Oxid entwässert:
2Al(OH)3(s) →(1200°C) Al2O3(s) + 3H2O(g)

Beschreiben Sie den Hallprozeß. Wie wird metallisches Aluminium gewonnen? Wozu dient Kryolith? Gleichung und Skizze.

Metallisches Aluminium wird aus dem Hallprozeß gewonnen, der darauf basiert, daß eine Mischung von Aluminiumoxid und Kryolith, Na3AlF6, bei 950°C schmilzt (reines Aluminiumoxid schmilzt bei 2050°C). die Schmelze wird in einer Einheit elektrolysiert, die aus Graphitanoden und einem mit Stahl ausgekleideten Behälter der als Kathode dient, besteht. Die Elektrolysenreaktionen sind.

Kathodenreaktion:
Al3+(Schmelze) + 3e- → Al(l)


Anodenreaktion:
2O2-(Schmelze) + C(s, Gr) → CO2(g) + 4e-


Die Gesamtreaktion lautet:
4Al3+(Schmelze) + 6O2-(Schmelze) + 3C(s, Gr) → 4Al(l) + 3CO2(g)

Im Hallprozeß wird Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith gelöst und die Mischung wird in einer Zelle mit Kohlenanoden und einer Stahlkathode elektrolysiert.

Wo wird die Thermitreaktion von Aluminium angewandt?

Eine Aluminiumanwendung basiert auf der stark exothermen Thermitreaktion mit Metalloxiden:
Fe2O3(s) + 2Al(s) → 2Fe(l) + Al2O3(s) ΔH0 = -852kJ

Diese Reaktion wird zum Schweißen von Schienen oder anderen großen Rohren verwendet, ebenso wie zum Reduzieren jener oxidischen Erze, für die Kohlenstoff ein zu schwaches Reduktionsmittel ist.

Nennen Sie den Unterschied zwischen einem Anhydrid und einem formalen Anhydrid.

Anhydrid einer Sauerstoffsäure ist eine Verbindung, die eine Säure bildet, wenn sie mit Wasser reagiert.
Formales Anhydrid, eine Verbindung, die zwar die Formel einer Säure minus H2O hat, aber beim Auflösen in Wasser keine Säure produziert. Ein Beispiel ist das CO, das ein formales Anhydrid der Ameisensäure, HCOOH ist.

Wie funktionieren Feststoffraketen im Space Shuttle?

Pulverförmiges Aluminiumoxid wird als Bestandteil des Raketenbrennstoffes der Boosterrakten zur Beförderung des Space Shuttles eingesetzt. Das Aluminium wird durch Ammoniumperchlorat (NH4ClO4) oxidiert und dabei entsteht eine so riesige Wärmemenge, dass die Gase mit sehr hoher Geschwindigkeit aus der Brennkammer entweichen und so das Space Shuttle nach oben befördern.
 

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