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Übung AFB II

Feuerzeug, Kerze, Spraydose: Zehn Alltagsfälle, in denen du Formeln, Namen und Kräfte anwenden musst.

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Aufgabenblock — AFB II

Zehn Sachaufgaben aus allen Abschnitten des Kapitels: erst die Situation in Chemie übersetzen, dann in zwei Schritten rechnen oder zählen — mit gestuften Tipps, wenn du nicht weiterkommst.

A1
Kerzenwachs
AFB II

Kerzenwachs (Paraffin) besteht aus langkettigen, unverzweigten Alkanen. Eine Analyse ergibt für einen Hauptbestandteil 52 Wasserstoffatome pro Molekül.

a) Bestimme die Anzahl der Kohlenstoffatome. b) Berechne die molare Masse dieses Alkans (M(C) = 12 g/mol, M(H) = 1 g/mol).

g/mol
Ansatz: Die allgemeine Summenformel CₙH₂ₙ₊₂ rückwärts benutzen: Die H-Zahl ist bekannt, gesucht ist n. Danach alle Atommassen addieren.
Rechenweg: 2n + 2 = 52 ⇒ 2n = 50 ⇒ n = 25. M = 25 · 12 g/mol + 52 · 1 g/mol.
Lösung: a) 25 C-Atome (C₂₅H₅₂) b) 352 g/mol
Vollständige Lösung
Aus 2n + 2 = 52 folgt n = 25, das Alkan ist C₂₅H₅₂ (Pentacosan). M = 300 g/mol + 52 g/mol = 352 g/mol. Hinweis: Lange Ketten bedeuten viele Van-der-Waals-Kontakte — deshalb ist Paraffin bei Raumtemperatur fest.
A2
Gasfeuerzeug im Winter
AFB II

Feuerzeuggas enthält Butan und sein Isomer 2-Methylpropan (Isobutan). Butan siedet bei −0,5 °C, 2-Methylpropan bei −11,7 °C.

a) Gib an, wie viele primäre C-Atome ein Molekül 2-Methylpropan enthält. b) Berechne, um wie viel Kelvin die Siedetemperatur von 2-Methylpropan niedriger liegt.

K
Ansatz: a) Zeichne das Molekül und zähle bei jedem C-Atom die C-Nachbarn (1 Nachbar = primär). b) Differenz der beiden Siedetemperaturen bilden.
Rechenweg: a) Zentrales C hat 3 C-Nachbarn, die drei CH₃-Gruppen je einen. b) −0,5 °C − (−11,7 °C) = 11,2 °C, und eine Differenz von 1 °C entspricht 1 K.
Lösung: a) 3 b) 11,2 K
Vollständige Lösung
2-Methylpropan hat ein tertiäres C-Atom und drei primäre (die CH₃-Gruppen). Die Siedetemperatur liegt um 11,2 K tiefer als bei Butan. Hinweis: Das kugeligere Isomer hat eine kleinere Kontaktfläche, also schwächere Van-der-Waals-Kräfte — es verdampft auch bei Frost noch. Temperaturdifferenzen gibt man in K an.
Butan2-Methylpropan
Gleiche Summenformel C₄H₁₀, verschiedene Struktur
A3
Isooctan im Benzin
AFB II

„Isooctan“ ist der Referenzstoff für die Klopffestigkeit von Benzin. Die Skelettformel ist rechts abgebildet.

a) Ermittle die Anzahl der C-Atome in der Hauptkette. b) Gib die Anzahl der H-Atome eines Moleküls an.

C-Atome
Ansatz: a) Suche die längste durchgehende Kette — sie muss nicht waagerecht liegen. b) Zähle alle C-Atome und benutze die Alkanformel.
Rechenweg: a) Keine Kette ist länger als 5 C-Atome, die drei übrigen C sind Methylgruppen an C2, C2 und C4. b) 8 C-Atome ⇒ H-Zahl = 2 · 8 + 2.
Lösung: a) 5 b) 18
Vollständige Lösung
Die Hauptkette ist Pentan, die drei Methylgruppen sitzen an C2, C2 und C4: 2,2,4-Trimethylpentan. Mit insgesamt 8 C-Atomen gilt C₈H₁₈ — Isooctan ist also ein Strukturisomer von Octan. Hinweis: „Isooctan“ ist ein Trivialname; der Name „Octan“ wäre falsch, weil die Hauptkette nur fünf C-Atome hat.
Isooctan
Skelettformel von Isooctan
A4
Gleiche Formel, anderer Stoff
AFB II

Ethanol und Dimethylether haben beide die Summenformel C₂H₆O. Ethanol siedet bei 78 °C, Dimethylether bei −24 °C (M(O) = 16 g/mol).

a) Berechne die molare Masse von C₂H₆O. b) Berechne den Unterschied der Siedetemperaturen in Kelvin.

g/mol
K
Ansatz: a) Atommassen addieren. b) Obere minus untere Siedetemperatur — Vorsicht beim Minuszeichen.
Rechenweg: a) 2 · 12 + 6 · 1 + 16 = 46. b) 78 °C − (−24 °C) = 78 + 24.
Lösung: a) 46 g/mol b) 102 K
Vollständige Lösung
Beide Stoffe haben M = 46 g/mol. Trotzdem siedet Ethanol um 102 K höher. Hinweis: Die gleiche Masse erklärt den Unterschied also nicht: Ethanol-Moleküle bilden über ihre O–H-Gruppe Wasserstoffbrücken, Dimethylether-Moleküle nur Dipol-Dipol-Kräfte.
A5
Hexan und seine Isomere
AFB II

Benzin enthält neben Hexan auch verzweigte Isomere. Hexan siedet bei 69 °C, 2,2-Dimethylbutan bei 50 °C.

a) Ermittle die Anzahl der Strukturisomere mit der Summenformel C₆H₁₄. b) Berechne den Unterschied der Siedetemperaturen von Hexan und 2,2-Dimethylbutan.

K
Ansatz: a) Systematisch vorgehen: Hauptkette 6, dann 5 (eine Methylgruppe), dann 4 (zwei Methylgruppen). b) Differenz bilden.
Rechenweg: a) Hexan; 2- und 3-Methylpentan; 2,2- und 2,3-Dimethylbutan. b) 69 °C − 50 °C.
Lösung: a) 5 b) 19 K
Vollständige Lösung
Es gibt fünf Isomere: Hexan, 2-Methylpentan, 3-Methylpentan, 2,2-Dimethylbutan und 2,3-Dimethylbutan. Das stark verzweigte 2,2-Dimethylbutan siedet 19 K tiefer. Hinweis: Typischer Fehler: 1-Methylpentan oder 2-Ethylbutan als „neue“ Isomere zählen — beides sind falsche Namen für Hexan bzw. 3-Methylpentan.
Hexan2,2-Dimethylbutan
Unverzweigt und stark verzweigt
A6
Ethen lässt Obst reifen
AFB II

Reife Äpfel geben Ethen ab, das anderes Obst schneller reifen lässt. Ethen ist das einfachste Alken; die Alkene bilden eine eigene homologe Reihe.

a) Gib die Anzahl der H-Atome im Alken mit vier C-Atomen (Buten) an. b) Bestimme die Anzahl der bindenden Elektronenpaare in einem Ethen-Molekül.

Ansatz: a) Alkene: CₙH₂ₙ. b) Lewis-Formel von Ethen zeichnen; eine Doppelbindung besteht aus zwei Elektronenpaaren.
Rechenweg: a) n = 4 ⇒ C₄H₈. b) C=C: 2 Paare, dazu 4 C–H-Bindungen.
Lösung: a) 8 b) 6
Vollständige Lösung
Buten hat die Formel C₄H₈. Ethen H₂C=CH₂ enthält 2 bindende Paare in der Doppelbindung und 4 in den C–H-Bindungen, zusammen 6. Hinweis: Wer CₙH₂ₙ₊₂ benutzt, kommt auf C₄H₁₀ — das ist Butan. Ein Alken erkennt man im Labor daran, dass es Bromwasser entfärbt.
A7
Salz schmilzt nicht in der Kerze
AFB II

Kerzenwachs schmilzt bei etwa 55 °C, Kochsalz erst bei 801 °C. Elektronegativitäten: Na 0,9; Cl 3,2; C 2,5; H 2,2.

a) Berechne ΔEN für Natrium und Chlor. b) Berechne ΔEN für die C–H-Bindung.

Ansatz: ΔEN = größerer minus kleinerer Wert. Danach einordnen: unter 0,4 unpolar, 0,4 bis 1,7 polar, über 1,7 Ionenbindung.
Rechenweg: a) 3,2 − 0,9 = 2,3. b) 2,5 − 2,2 = 0,3.
Lösung: a) 2,3 b) 0,3
Vollständige Lösung
ΔEN = 2,3 > 1,7: Natrium und Chlor bilden Ionen, Kochsalz ist eine Ionenverbindung mit starken Anziehungskräften im Ionengitter — hohe Schmelztemperatur. ΔEN = 0,3: Die C–H-Bindung ist praktisch unpolar, zwischen Paraffin-Molekülen wirken nur schwache Van-der-Waals-Kräfte. Hinweis: Die Grenze 1,7 ist nur eine Faustregel. Entscheidend für die Schmelztemperatur ist, ob Ionen oder ganze Moleküle auseinandergerissen werden.
A8
Siedetemperatur vorhersagen
AFB II

Hexan siedet bei 69 °C, Heptan bei 98 °C, Octan bei 126 °C. Nonan fehlt in deiner Tabelle.

a) Berechne die mittlere Zunahme der Siedetemperatur pro CH₂-Gruppe von Hexan bis Octan. b) Schätze damit die Siedetemperatur von Nonan (Toleranz ± 5 °C).

K
°C
Ansatz: a) Gesamtzunahme durch die Anzahl der CH₂-Schritte teilen. b) Die Zunahme einmal zu Octan addieren.
Rechenweg: a) (126 − 69) K : 2 Schritte. b) 126 °C + 28,5 °C.
Lösung: a) 28,5 K b) etwa 155 °C
Vollständige Lösung
a) 57 K : 2 = 28,5 K pro CH₂-Gruppe. b) Schätzung: 126 °C + 28,5 °C ≈ 155 °C. Der Tabellenwert ist 151 °C. Hinweis: Die Zunahme wird mit wachsender Kette kleiner, weil eine zusätzliche CH₂-Gruppe die Kontaktfläche relativ weniger vergrößert. Die Schätzung liegt deshalb etwas zu hoch.
A9
Heptan und Wasser
AFB II

In ein Reagenzglas werden 10 mL Wasser und 10 mL Heptan (Dichte 0,68 g/mL) gegeben. Es bilden sich zwei Phasen (Abbildung).

a) Berechne die Masse der Heptan-Portion. b) Nun werden 5 mL Hexan zugegeben. Bestimme das Volumen der oberen Phase (Volumina addieren sich näherungsweise).

g
mL
Ansatz: a) m = ρ · V. b) Überlege, mit welcher Phase sich Hexan mischt: „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“.
Rechenweg: a) 0,68 g/mL · 10 mL. b) Hexan ist unpolar wie Heptan und geht vollständig in die obere Phase.
Lösung: a) 6,8 g b) 15 mL
Vollständige Lösung
a) m = 0,68 g/mL · 10 mL = 6,8 g. Heptan hat eine kleinere Dichte als Wasser und bildet die obere Phase. b) Hexan mischt sich mit Heptan, nicht mit Wasser: obere Phase 10 mL + 5 mL = 15 mL, untere Phase weiterhin 10 mL Wasser. Hinweis: Dass Heptan oben schwimmt, liegt an der Dichte. Dass es sich nicht mit Wasser mischt, liegt an der fehlenden Polarität — das sind zwei verschiedene Fragen.
Heptan10 mLWasser10 mLPhasen-grenze
Zwei Phasen im Reagenzglas
A10
Treibgas in der Spraydose
AFB II

Dimethylether H₃C–O–CH₃ wird als Treibgas in Spraydosen verwendet.

a) Gib die Anzahl der freien Elektronenpaare im Molekül an. b) Gib die Anzahl der bindenden Elektronenpaare an.

Ansatz: Zeichne die Lewis-Formel. Jedes Atom außer H soll ein Elektronenoktett haben.
Rechenweg: O hat 6 Valenzelektronen, bildet 2 Bindungen und behält 4 Elektronen = 2 freie Paare. Bindungen: 6 C–H und 2 C–O.
Lösung: a) 2 b) 8
Vollständige Lösung
Die beiden freien Elektronenpaare sitzen am Sauerstoffatom. Bindende Paare: 6 C–H + 2 C–O = 8. Hinweis: Die freien Elektronenpaare und die gewinkelte C–O–C-Anordnung machen das Molekül zum Dipol — H-Brücken zwischen Dimethylether-Molekülen gibt es trotzdem nicht, weil kein H-Atom an O gebunden ist.