Aufgaben und Lösungen 2005

1. Aufgaben und Lösungen 2005

2. 2. Seminar: Stöchiometrisches Rechnen 4. Aus einer 37 %igen Salzsäure und einer 3 %igen Salzsäure sollen 100 g 10 %ige Salzsäure hergestellt werden. Wie viel g von jeder Säure benötige ich? 6. In der Kanalisation von Berlin wurden Tracer-Versuche durchgeführt. Dazu wurde aus 0,345 kg NaBr und 12,33 kg H2O eine Lösung angesetzt. Die Dichte der Lösung betrug 1,03 g/ml. Berechnen Sie die Konzentration an Bromid in g/l und in mol/l in der Lösung! 7. Wie viel Mol Wasserstoffionen werden bei der Nitrifikation von 1 mol NH4+ gebildet? Wie viel Mol Wasserstoffionen werden bei der Denitrifikation von 1mol NO3- verbraucht? Welche Auswirkungen hat die Nitrifikation / Denitrifikation auf den pH-Wert? 9. Wie viel Gramm Stickstoff (N2) können aus einem Mol NO3- durch Denitrifikation gebildet werden? Wie viel Liter trockenes Stickstoffgas entstehen bei der Denitrifikation von einem Mol NO3- (T = 20 °C, p = 1,013 bar)? 3. Seminar: Wasseraufbereitung 12.Wir befinden uns auf einem Kreuzfahrtschiff und wollen Trinkwasser aus Meerwasser durch Umkehrosmose gewinnen. Dazu ist ein Druck notwendig, der über dem osmotischen Druck des Meerwassers liegt. Welcher Druck ist mindestens erforderlich? (c(NaCl) = 30 g/kg; T = 25 °C;  = 1,02 g/cm3) 13.1. Im Labor soll Wasser mit Hilfe eines Ionenaustauschers entsalzt werden. Das Wasser enthält: 60 mg/l Ca2+; 14 mg/l Na+; 12 mg/l Mg2+ und 2 mg/l K+. Es werden pro Tag 10 Liter Wasser entnommen. Der Ionenaustauscher enthält 10 Liter Austauscherharz mit einer Austauscherkapazität von 2 Äq/l. Für wie viel Tage reicht der Austauscher? 15. Wie viel Liter Chlorbleichlauge mit 13 % Chlor sind theoretisch erforderlich, um 1 kg Cyanid zu Stickstoff und Kohlendioxid zu oxidieren ( = 1,2 g/cm3)? 4. Seminar: Fällungs- und Löslichkeitsgleichgewichte: 17. Berechnen Sie die Löslichkeit von Phosphat aus dem Löslichkeitsprodukt von Fe3(PO4)2 (pKL = 32)! 20. Wie viel Tonnen Kalkhydrat sind erforderlich, um 5·106 m3 Wasser eines Tagebauloches zu neutralisieren? Bei der Titration wurden 2 ml Kalkmilch (c(CaO) =7,5 g/l) pro Liter Wasser verbraucht.

3. 5. Seminar: Säure-Base-Gleichgewichte • 2 b.) Berechnen Sie den pH - Wert von H2SO4 mit einer Äquivalentkonzentration von 0,1 mol/l und von 10 % iger H2SO4! • 10.) Nennen Sie drei Puffersysteme und den dazugehörigen Pufferschwerpunkt! • 11.) Zu berechnen sind die pH - Werte von Pufferlösungen, die je Liter • a.) 1 mol NH3 + 0,2 mol NH4Cl (pKs = 9,25) • b.) 0,1 mol KH2PO4 und 0,2 mol Na2HPO4 enthalten. (pKs = 7,2) • 12.) In einem Liter Wasser seien 44 mg CO2 gelöst. Welchen pH - Wert hat die Pufferlösung, wenn außerdem 420 mg NaHCO3 enthalten sind? Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die Pufferreaktion mit Säure und mit Base an! (pKs = 6,35) • 6. Seminar: Anaerober Abbau von organischen Stoffen • 14.) Erstellen Sie folgende Reaktionsgleichungen: • Butanol  Kohlendioxid und Methan • Glycerose (CH2OH-CHOH-CHO)  Ethanol und Kohlendioxid • 15.) Berechne den Gasanfalls (l/g und cm3/g) und die Gaszusammensetzung für die vollständige Zersetzung der angegebenen Stoffe: • a.) Fette: Essigsäure  CH4 + CO2 • b.) Aminosäuren: • Alanin: CH3-CHNH2-COOH + H2O  CH4 + CO2 + NH3 • in l/g und in cm3/g. Vervollständigen Sie die Reaktionsgleichungen! • 16.) Zeige an den Beispielen CH4 und CO2, wie man die Dichte von Gasenaus der Molmasse berechnet? • 7. Seminar: • 11. Wie viel Liter H2O2 muss ich pro Tag zu meinem Abwasser dazugeben, um eine H2S- Fracht von 3 kg/d (ß = 1) zu elementarem Schwefel zu oxidieren? (H2O2-Lösung: 50 Gew %;  = 1,2 g/cm3) • 12. Wie viel FeSO4 wird pro Jahr benötigt, um eine H2S-Fracht von 4 kg/d zu beseitigen (ß = 1)? • 15. Wie viel Gramm Sauerstoff werden für die Umsetzung von • a.) einem Gramm Buttersäure • b.) einem Gramm Phenol (C6H5OH) benötigt? • 17. Kann die Oxidation von Hydrogensulfid durch Sauerstoff zu Sulfat stattfinden? Wenn ja, welche Energie wird dabei freigesetzt?

4. 8. Seminar: Fällung 3. Wie groß ist der Fällungsgrad, wenn aus einer 0,01 m Eisen(II)-Sulfatlösung a.) bei pH = 3 b.) bei pH = 6 Eisensulfid gefällt wird? (pKL(FeS) = 18, pKS1(H2S) = 7, pKS2(HS-) =13, c0(H2S) = 0,1 mol/l, keine Volumenänderung) 4. Abzuschätzen sind die pH-Werte für den Fällungsbeginn der Hydroxide folgender Metallionen aus 10-2 m Lösung: Cu2+,Sn2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Al3+, Cr3+, Cd2+ und Zn2+! 11.) Bei der Fällung von Phosphat mit Fe3+ und Ca2+ entstehen die Verbindungen FePO4, CaHPO4 und Ca3(PO4)2,( KL(FePO4)=10-23, KL(CaHPO4) = 10-7, KL(Ca3(PO4)2 = 10-32)! Bei welchem Fällmittel liegt nach der Fällung die geringste Phosphatkonzentration im Abwasser vor? 16a.) Phosphat soll mit Hilfe von FeCl2 als FePO4 gefällt werden. In der Vorklärung einer Kläranlage wurde eine Phosphatkonzentration von 31 mg/l gemessen. Wie viel Milliliter Fällmittel muss ich bei einem ß-Wert von 2,0 zudosieren? Wie viel Sauerstoff benötige ich zur Oxidation des Eisen-(II)? (FeCl2: 30 %ig,  = 1,33 g/cm3? b.) Wie viel 10 %ige FeSO4* 7 H2O-Lösung benötige ich zur Phosphatfällung? Um wie viel mg/l erhöht sich der Sulfatgehalt im Abwasser?

5. 10. Seminar: Chemische Analytik 5. Wie hoch ist der CSB, der BSB5, der TOC und der Stickstoffgehalt von Harnstoff? • 6. Nitrit ist ein Zwischenprodukt bei der mikrobiellen Oxidation zum Nitrat und bei der Reduktion zum Stickstoff oder zum Ammonium. Stelle die Reaktionsgleichungen auf ! • 7. Bei einer Abwasseranalyse ergaben sich folgende Werte: • Nitrat: 4,0 mg/l Ammonium: 60 mg/l • Nitrit: 0,7 mg/l TKN: 45 mg/l • Berechne die Konzentration an TN und diskutiere die Messwerte! • 11. Welche Verbindungen können, unter der Voraussetzung, dass keine anderen Säuren und Basen als die Protolyte der Kohlensäure vorliegen, bei den jeweiligen Titrationen bestimmt werden? • Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen dazu auf! • a.) KS 4,3 b.) KS 8,2 • c.) KB 8,2 d.) KB 4,3 • 14. Wie viel NaOH (c =1 mol/l) muss ich dazugeben, um einen Liter H2SO4 (c = 39,2 g/l) zu neutralisieren? Wie viel prozentig ist die H2SO4?

6. Lösungen: • 2 . Seminar: • 4.) 20,6 g 37 % ige HCl und 79,4 g 3 %ige HCl • 6.) c (Br-) = 21,75 g/l • c (Br-) = 0,27 mol/l • 9.) m (N2) = 14 g • V (N2) = 12,03 l • 3. Seminar: • 12.)  = 25,6 atm • 13.1.) 430 Tage • 15.) V = 43,65 l • 4. Seminar: • 17.) L = 1,56 • 10-7 mol/l • 20.) m (Ca(OH)2)) = 99,1 t • 5. Seminar: • 2 b.) 0,1 mol/l H2SO4: pH = 1,0 • 10 %ige H2SO4:pH = - 0,3 • 11 a.) pH = 9,95 • 11 b.) pH = 7,5 • 12.) pH = 7,05

7. 6. Seminar • 14.) Butanol  Kohlendioxid und Methan: • CH3-CH2-CH2-CH2OH + H2O  3 CH4 + CO2 • Glycerose (CH2OH-CHOH-CHO)  Ethanol und Kohlendioxid: • CH2OH-CHOH-CHO  CH3-CH2OH + CO2 • 15.) Essigsäure: • CH3-COOH  CH4 + CO2 • 50 % CH4 + 50 % CO2 • 746,2 cm3/g = 0,746 l/g • Alanin: • 2 CH3-CHNH2-COOH + 2 H2O  3 CH4 + CO2 + 2 CO2 + 2 NH3 • gasförmiggebunden • 75 % CH4 + 25 % CO2 • 503 cm3/g = 0,503 l/g • 16.)  = M/ VM •  (CH4) = 0,717 g/l •  (CO2) = 1,96 g/l • 7. Seminar • 11.) V = 5 l • 12.) m(FeSO4) = 6522 kg/a = 6,52 t/a • 15a.) m = 1,82g/g Buttersäure • 15b.) m = 2,38 g/g Phenol • 17.) Reaktion läuft ab • RG = - 751 kJ/mol

8. 8. Seminar: 3a.)  = 0,9 3b.)  = 0,999 4.) Cu2+: pH = 5,35 Sn2+: pH = 2,35 Mg2+: pH = 9,65 Fe3+: pH = 2,2 Fe2+ pH = 7,35 11.) FePO4 c(PO43-) = 3,16* 10-12 mol/l 16a.) Fällmittelmenge = 207,3 ml/m3 (FeCl2) m = 143g O2/ kg Fe b.) Fällmittelmenge = 1796 ml/m3 (FeSO4 * 7 H2O) Sulfaterhöhung = 61,6 g/m3 10.Seminar: 5.) CSB = 0; BSB = 0; TOC = 0,2 g/g Harnstoff TN = 0,46 g/g Harnstoff 7.) TN = 46,1 mg/l c(NH4-N) > c(TN)  geht nicht, Analysenfehler 11.) Ks 4,3 : NaOH, Na2CO3, Ca(OH)2, CaCO3, NaHCO3, Erdalkalihydrogencarbonate Ks 8,2: NaOH, Na2CO3, Ca(OH)2, CaCO3 KB 8,2: freie Mineralsäure (CO2) und freie Kohlensäure H2CO3 KB 4,3: freie Mineralsäure (CO2) 14.) V = 0,8 l H2SO4 = 3,92 %

9. Formelsammlung: • Massenwirkungsgesetz: a A + b B = c C + d D • 1. pH-Berechnung: • Starke Säure:Starke Base: • pH = - lg c(H3O+) pOH = - lg c(OH-) • pH = 14 – pOH • Schwache Säure:Schwache Base: Ampholyt = Salz (Schwache Säure + schwache Base): Mittelstarke Säure: Salz aus schwacher Säure + starker Base = schwache Base Salz aus starker Säure + schwache Base = schwache Säure Protolysegrad:

10. 2. Redoxgleichgewichte wenn z = 1, dann gilt p° = lg K 3. Fällungsgleichgewichte mM + nA = MmAn KL = c(M)m· c(A)n ...Löslichkeitsprodukt Löslichkeit = Sättigungskonzentration pKL = - pKF

11. Verzeichnis der Symbole und Abkürzungen: a Aktivität, Konzentrationsaktivität (in mol/l) c Stoffmengenkonzentration (in mol/l) = Molarität (alt in: m = mol/l) c Massenkonzentration (g/l) cm Molalität (in mol/kg) c0 Ausgangskonzentration (in mol/l) csä Sättigungskonzentration, Löslichkeit (in mol/l) ceqc(1/z* Ion) Äquivalentkonzentration (in mol/l) mit z* = Äquivalentzahl (alt: Normalität in n = normal)) Bsp: ceq (H2SO4) = 2 c(H2SO4) (alt: 0,5 m H2SO4 = 1,0 n) EH Redoxpotential (in V) EH° Standardredoxpotential (in V) RG freie Reaktionsenthalpie H HENRY- Konstante (in mol m-3*bar-1) I Ionenstärke (in mol/l) K Gleichgewichtskonstante KB Basekonstante KL Löslichkeitsprodukt KS Säurekonstante KS4,3 Säurekapazität bis pH = 4,3 (in mol/l) KW Autoprotolysekonstante (Ionenprodukt) des Wassers (in mol2/l2) M Molare Masse (in g/mol) MWG Massenwirkungsgesetz m Masse (in g) n Stoffmenge (in mol) p Partialdruck (in bar) pH negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität (bzw. -konzentration)

12. pKB negativer dekadischer Logarithmus der Basekonstante, Baseexponent pKL negativer dekadischer Logarithmus des Löslichkeitsprodukts, Löslichkeitsexponent pKS negativer dekadischer Logarithmus der Säurekonstante, Säureexponent pKW negativer dekadischer Logarithmus des Ionenprodukts des Wassers pOH negativer dekadischer Logarithmus der Hydroxidionenaktivität (bzw.- konzentration) p Redoxintensität p° Standardredoxintensität R allgemeine Gaskonstante w Massenanteil z Ionenladung (vorzeichenbehaftet) z* Äquivalentzahl (hier: Ionenwertigkeit, Betrag der Ionenladung)  allgemein: Umsatzgrad, speziell: Dissoziationsgrad, Protolysegrad  Dichte (g/cm3) [Ox] Produkt der mit den stöchiometrischen Koeffizienten potenzierten Konzentrationen auf der Oxidationsmittelseite einer Redoxreaktion [Red] Produkt der mit den stöchiometrischen Koeffizienten potenzierten Konzentrationen auf der Reduktionsmittelseite einer Redoxreaktion Konstanten: R …8,314 J K-1 mol-1 F = 96490 J V-1 mol-1