Anorganik Altklausuren Flashcards
Kristallstruktur
Betrachten Sie die CsCl-Struktur.
* Bestimmen Sie die Koordinationszahlen der einzelnen Ionen in den Strukturen.
* Zeichnen Sie die Elementarzellen der einzelnen Strukturtypen.
* Bestimmen Sie die Anzahl der Atome pro Elementarzelle.
- Beide Ionensorten bilden eine kubisch primitiv Teilstruktur. Die Caesium-Ionen sind von acht Chlorid-Ionen in Form eines Würfels umgeben (und umgekehrt) (CN=8:8).
- Die CsCl-Struktur (BCC-Kristallstruktur) besteht aus kubisch dicht gepackten Ionen, wobei sich die Cs(I)-Ionen (Cäsium) in den kubischen Zwischenräumen befinden. Die Koordinationszahlen der Ionen und die Anzahl der Atome pro Elementarzelle können wie folgt beschrieben werden:
- Koordinationszahl für Cs(I)-Ionen: 8. Jedes Cs(I)-Ion ist von 8 Cl(I)-Ionen umgeben.
- Koordinationszahl für Cl(I)-Ionen: 8. Jedes Cl(I)-Ion ist von 8 Cs(I)-Ionen umgeben.
Elementarzelle der CsCl-Struktur:
- Die Elementarzelle der CsCl-Struktur ist eine einfache kubische Elementarzelle, in der sich ein Cs(I)-Ion in der Zentrumslage und ein Cl(I)-Ion in jeder der Ecken der Würfelflächen befindet.
Anzahl der Atome pro Elementarzelle:
+ Die CsCl-Struktur enthält 2 Atome pro Elementarzelle: 1 Cäsiumatom (Cs) und 1 Chloratom (Cl).
Betrachten Sie die NaCl-Struktur.
* Bestimmen Sie die Koordinationszahlen der einzelnen Ionen in den Strukturen.
* Zeichnen Sie die Elementarzellen der einzelnen Strukturtypen.
* Bestimmen Sie die Anzahl der Atome pro Elementarzelle.
Die Natriumionen besetzen alle Oktaederlücken in einer kubisch-dichtesten (kubisch-flächenzentrierten) Packung von Chloridionen (und umgekehrt).
Die NaCl-Struktur (kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur) besteht aus kubisch dicht gepackten Ionen, wobei sich die Na(I)-Ionen (Natrium) in den Zentrumslagen der Elementarzelle befinden und die Cl(I)-Ionen (Chlor) sich in den Mitte jeder der sechs Flächen des Würfels befinden. Die Koordinationszahlen der Ionen und die Anzahl der Atome pro Elementarzelle können wie folgt beschrieben werden:
- Koordinationszahl für Na(I)-Ionen: 6. Jedes Na(I)-Ion ist von 6 Cl(I)-Ionen umgeben.
- Koordinationszahl für Cl(I)-Ionen: 6. Jedes Cl(I)-Ion ist von 6 Na(I)-Ionen umgeben.
Elementarzelle der NaCl-Struktur:
- Die Elementarzelle der NaCl-Struktur ist eine flächenzentrierte kubische Elementarzelle, in der sich ein Na(I)-Ion in der Zentrumslage und ein Cl(I)-Ion in der Mitte jeder der sechs Flächen des Würfels befindet.
Anzahl der Atome pro Elementarzelle:
- Die NaCl-Struktur enthält 4 Atome pro Elementarzelle: 2 Natriumatom (Na) und 2 Chloratom (Cl).
Betrachten Sie die Zinkblende-Struktur.
* Bestimmen Sie die Koordinationszahlen der einzelnen Ionen in den Strukturen.
* Zeichnen Sie die Elementarzellen der einzelnen Strukturtypen.
* Bestimmen Sie die Anzahl der Atome pro Elementarzelle.
Bei der Zinkblene-Struktur bilden beide Ionensorten kubisch dichteste (kubisch flächenzentrierte) Teilgitter. Die Zn-Atome sind von vier S-Atomen in Form eines Tetraeders umgeben (und umgekehrt) (CN=4:4).
Die Zinkblende-Struktur besteht aus kubisch-flächenzentrierten Ionen, wobei sich die Zn(II)-Ionen (Zink) in den Zentrumslagen der Elementarzelle befinden, und die S(II)-Ionen (Schwefel) befinden sich in der Mitte jeder der sechs Flächen des Würfels. Die Koordinationszahlen der Ionen und die Anzahl der Atome pro Elementarzelle können wie folgt beschrieben werden:
- Koordinationszahl für Zn(II)-Ionen: 4. Jedes Zn(II)-Ion ist von 4 S(II)-Ionen umgeben.
- Koordinationszahl für S(II)-Ionen: 4. Jedes S(II)-Ion ist von 4 Zn(II)-Ionen umgeben.
Elementarzelle der Zinkblende-Struktur:
- Die Elementarzelle der Zinkblende-Struktur ist eine flächenzentrierte kubische Elementarzelle, in der sich ein Zn(II)-Ion in der Zentrumslage und ein S(II)-Ion in der Mitte jeder der sechs Flächen des Würfels befindet.
Anzahl der Atome pro Elementarzelle:
- Die Zinkblende-Struktur enthält 2 Atome pro Elementarzelle: 1 Zinkatom (Zn) und 1 Schwefelatom (S).
Betrachten Sie die Struktur von Aluminiumchlorid.
- CN = 6:2
- Die Chloridionen bilden eine kubisch-dichteste (kubisch-flächenzentrierte) Kugelpackung, in der jede übernächste Oktaederlückenschicht zu 2/3 mit Aluminiumionen besetzt ist.
- Die Aluminiumionen sind also oktaedrisch von sechs Chloridionen umgeben.
- Jedes Chloridion ist gewinkelt von zwei Aluminiumionen umgeben
- (CN=6:2).
Aluminiumchlorid (AlCl3) kristallisiert in der Chromtrichlorid-Struktur, auch bekannt als Schichtstruktur oder trigonale Kristallstruktur.
In der Chromtrichlorid-Struktur sind die Aluminiumionen (Al3+) in einer hexagonalen Schichtstruktur angeordnet, und die Chloridionen (Cl-) befinden sich zwischen diesen Schichten. Die Schichtstruktur führt zu einer Koordinationszahl von 6 für die Aluminiumionen, da jedes Aluminiumion von sechs Chloridionen umgeben ist.
Bilden die Anionen statt einer kubisch-dichtesten Packung eine hexagonal-dichteste Packung und wird jede übernächste Oktaederlückenschicht vollständig mit Kationen besetzt, so gelangt man zum Cadmiumiodid-Typ.
Betrachten Sie die Struktur von Cadmiumiodid.
- Cadmiumchlorid CN = 6:3
- Die Chloridionen bilden eine kubisch-dichteste (kubisch-flächenzentrierte) Kugelpackung, in der jede zweite Oktaederlückenschicht vollständig mit Cadmiumionen besetzt ist.
- Die Cadmiumionen sind also oktaedrisch von sechs Chloridionen umgeben. Jedes Chloridion bildet die Spitze einer trigonalen Pyramide mit drei Cadmiumionen als Grundfläche
- (CN=6:3).
- Die resultierende Struktur besteht aus einem geschichteten Gitter.
Bilden die Anionen statt einer hexagonal-dichtesten Packung eine kubisch-dichteste Packung und wird jede übernächste Oktaederlückenschicht nur zu 2/3 mit Kationen besetzt, so gelangt man zum Chromtrichlorid-Typ.
Die Cadmiumionen sind also oktaedrisch von sechs Chloridionen umgeben. Jedes Iodidion bildet die Spitze einer trigonalen Pyramide mit drei Cadmiumionen als Grundfläche (CN=6:3).
Die Koordinationszahl der Cadmiumionen in Cadmiumiodid beträgt 6, da jedes Cadmiumion von sechs Iodidionen umgeben ist und somit eine oktaedrische Koordinationsgeometrie aufweist (CN=6).
Jedes Iodidion ist gewinkelt von zwei Cadmiumionen umgeben (CN=3). Die Schichtstruktur von Cadmiumiodid verleiht ihm besondere Eigenschaften und ermöglicht spezifische Wechselwirkungen in chemischen Prozessen.
Wie wird der Coloumbanteil berechnet?
Wie wird die Gitterenergie berechnet?
Die Gitterenergie wird mithilfe der Born-Haber-Zyklus-Methode berechnet. Diese Methode basiert auf thermodynamischen Überlegungen und verwendet die Hess’schen Gesetze, um die Gitterenergie einer ionischen Verbindung zu ermitteln.
Der Born-Haber-Zyklus besteht aus mehreren Schritten:
- Bildung der ionischen Verbindung: Der erste Schritt ist die Bildung der ionischen Verbindung aus den entsprechenden Elementen.
- Sublimationsenergie: Energie, die benötigt wird, um ein Metall aus dem Feststoff in die Gasphase zu überführen. Für ionische Verbindungen betrifft dies die Dissoziation der Metallkationen aus dem Feststoff.
- Ionisierungsenergie: Energie, die benötigt wird, um ein Gasatom oder -ion in ein geladenes Ion umzuwandeln. Für ionische Verbindungen betrifft dies die Umwandlung von Gasatom oder -ion in ein Kation.
- Dissoziationsenergie: Energie, die benötigt wird, um ein Gasatom oder -molekül in Atome zu zerlegen. Für ionische Verbindungen betrifft dies die Dissoziation des Diatommoleküls des nichtmetallischen Elements.
- Elektronenaffinität: Energie, die frei wird, wenn ein Atom oder Molekül ein Elektron aufnimmt. Für ionische Verbindungen betrifft dies die Aufnahme von Elektronen durch ein Nichtmetallatom, um das entsprechende Anion zu bilden.
- Gitterenergie: Die Gitterenergie ist die Gesamtenergieänderung, die bei der Bildung eines ionischen Gitters aus seinen Bestandteilen auftritt. Sie entspricht der Summe aller oben genannten Energien.
Die Gitterenergie kann somit berechnet werden, indem die Energieänderungen in jedem Schritt des Born-Haber-Zyklus berücksichtigt und die Gitterenergie als Differenz zwischen der Energie, die benötigt wird, um die Ionen zu trennen, und der Energie, die frei wird, wenn sie zu einer ionischen Verbindung verbunden werden, berechnet wird.
???
Betrachen Sie die Struktur von AuCu3.
* Beschreiben Sie die Kristallstruktur.
- Die Kristallstruktur besteht aus würfelförmigen Elementarzellen mit kubisch dichtester Kugelpackung, was einem kubisch flächenzentrierten Gitter entspricht.
- Jedes Goldatom ist dabei von je 12 Kupferatomen als direkten Nachbarn umgeben beziehungsweise jedes Kupferatom von je 4 Gold- und 8 Kupferatomen.
- CN=12:12
Inwiefern hängen Miller’sche Indizes, Netzabstände und Kristallgitterzahl a zusammen.
* Nennen Sie die Formel und berechnen Sie für dxxx.
d = a / √(h^2 + k^2 + l^2)
- d = Netzabstände
- a = Kristallgitterzahl
- hkl = Miller’sche Indices
- Nennen Sie die Formel für Coloumbenergie.
- Berechnen Sie diese von CsCL und TiO2.
(Elementarladung e=1,6022·10^-19 C, elektrische Feldkonstante 0 = 8,854·10^-12 C2J^-1m^-1, Avogadro-Konstante NA = 6.022140857 10^23, R = kleinster Kation- Anion Abstand, A = Madelung-Konstante)
- Einheit: kJ mol-1 (wenn ppm gewählt. 1 ppm = 10^-9 m)
- Einheit der Avogadro-Konstante = mol
Warum ist bei einer Ionenverbindung wie Erdalkalimetall NaCl nur die Coloumbenergie und nicht die Gitterenergie zu berechnen?
- Erdalkalimetalle wie Natrium (Na) haben nur eine positive Ladung (+1), während Halogene wie Chlor (Cl) nur eine negative Ladung (-1) haben. Daher bilden sie eine 1:1-Ionenverbindung, bei der jeweils ein Erdalkalimetallion mit einem Halogenion eine elektrisch neutrale Verbindung bildet.
- Die Coulombenergie bezieht sich auf die elektrostatische Anziehung zwischen den positiven und negativen Ionen. Sie wird berechnet, indem man die Ladungen der Ionen berücksichtigt und den Abstand zwischen ihnen berücksichtigt. In diesem Fall ist die Coulombenergie die Hauptenergiekomponente, die die Stärke der Bindung zwischen den Ionen bestimmt.
- Die Gitterenergie bezieht sich hingegen auf die Energie, die benötigt wird, um das gesamte Kristallgitter zu zerlegen und die Ionen voneinander zu trennen. Bei einer 1:1-Ionenverbindung mit Erdalkalimetall ist diese Energiekomponente nicht relevant, da es sich um eine einfache und gleichmäßige Anordnung von Ionen handelt.
- Die Gitterenergie wird insbesondere bei Ionenverbindungen mit mehreren Ionen oder komplexeren Kristallstrukturen relevant, bei denen die Wechselwirkungen zwischen den Ionen im Kristallgitter berücksichtigt werden müssen.
**Zusammenfassend wird bei einer 1:1-Ionenverbindung mit einem Erdalkalimetall wie NaCl in der Regel nur die Coulombenergie berücksichtigt, da die Gitterenergie keine wesentliche Rolle spielt.
Ordne den Stoffen die Gitterenergie A und Schmelzpunkte zu:
* BaO
* SrO
* CaO
* MgO
- MgO hat die höchste Gitterenergie aufgrund der größten Ladungen und kleinsten Ionengrößen.
- CaO hat eine etwas geringere Gitterenergie als MgO.
- SrO hat eine geringere Gitterenergie als CaO.
- BaO hat die geringste Gitterenergie aufgrund der kleinsten Ladungen und größten Ionengrößen.
Schmelzpunkte:
- MgO hat den höchsten Schmelzpunkt aufgrund der starken ionischen Bindung und der hohen Gitterenergie.
- CaO hat einen etwas niedrigeren Schmelzpunkt als MgO.
- SrO hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als CaO.
- BaO hat den niedrigsten Schmelzpunkt aufgrund der geringsten Gitterenergie und der schwächeren ionischen Bindung.
NaF hat den gleichen Radius wie CaO.
* Vergleichen Sie die Schmelzpunkte.
* Begründen Sie, warum diese sich unterscheiden.
- CaO hat einen höheren Schmelzpunkt als NaF.
- CaO weist eine stärkere ionische Bindung aufgrund der größeren Ladungen der Calciumionen (Ca2+) und der Oxidionen (O2-) als NaF auf.
- Die erhöhte Ladungsdichte und die stärkere elektrostatische Anziehung zwischen den Ionen führen zu einer höheren Gitterenergie und einem höheren Schmelzpunkt.
- NaF hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als CaO.
- NaF besitzt eine ionische Bindung, bei der das Natriumion (Na+) ein Elektron an das Fluoridion (F-) abgibt.
- Diese elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Ionen ist relativ schwächer als die bei CaO.
Vergleich Aluminiumchlorid mit Cadmiumiodid.
Unterschiede in der Verknüpfung:
- Cadmiumiodid: Die Cadmiumionen (Cd2+) sind in einer kubisch-dichtesten (kubisch-flächenzentrierten) Kugelpackung angeordnet, während die Iodidionen (I-) zwischen diesen Schichten liegen.
- Aluminiumchlorid: Die Chloridionen bilden eine kubisch-dichteste (kubisch-flächenzentrierte) Kugelpackung, in der jede übernächste Oktaederlückenschicht zu 2/3 mit Aluminiumionen besetzt ist.
Unterschiede in der Schichtstruktur:
- Cadmiumiodid: Die Schichtstruktur von Cadmiumiodid ist trigonal (CdI2-Typ). Jede übernächste Oktaederlückenschicht ist zu 2/3 mit Cadmiumionen besetzt, und die Iodidionen liegen zwischen diesen Schichten.
- Aluminiumchlorid: Die Schichtstruktur von Aluminiumchlorid ist hexagonal (Chromtrichlorid-Struktur). Die Aluminiumionen (Al3+) bilden eine hexagonale Schichtstruktur, während die Chloridionen (Cl-) zwischen diesen Schichten liegen.
Koordinationszahlen:
- Cadmiumiodid: Die Koordinationszahl für Cadmiumionen beträgt 6 (CN=6) und die Koordinationszahl für Iodidionen beträgt 2 (CN=2).
- Aluminiumchlorid: Die Koordinationszahl für Aluminiumionen beträgt 6 (CN=6), da jedes Aluminiumion von sechs Chloridionen umgeben ist. Die Koordinationszahl für Chloridionen beträgt 3.
Beide Verbindungen haben aufgrund ihrer Strukturen und Eigenschaften spezifische Anwendungen in der chemischen Industrie und werden als Lewis-Säuren und Katalysatoren in organischen Synthesen eingesetzt. Die Schichtstruktur beider Verbindungen verleiht ihnen eine besondere Stabilität und ermöglicht spezifische Wechselwirkungen in chemischen Prozessen.
Wie wird die elektrostatische Bindungsstärke von Kationen berechnet?
Paulingregel Nr.2: si = ni/ki
- si: Bindungsstärke
- ni: Ladung des Kations
- ki: Koordinationszahl des Kations
Beispiel: AlCl3: si = 3/6 = 1/2 ; CdI2 si = 2/6 = 1/3
Wenn die Ladung des Anions berechnet werden soll, so wird die Bindungsstärke des Kations mit der CZ multipliziert. Für ein stabiles Ionengitter muss z bei ca. -1 liegen. Bei AlCl3 wäre dies eine CZ von 2 (1/2 + 1/2) und bei CdI2 wäre dies 3 (1/3, 1/3, 1/3).
Nennen Sie die erste Pauling-Regel.
Erste Regel: Koordinationspolyeder
Um jedes Kation bildet sich ein Koordinationspolyeder von Anionen. Der Abstand zwischen Kation und Anion wird durch die Summe, die Koordinationszahl des Kations durch den Quotienten der Ionenradien bestimmt.
Nennen Sie die zweite Pauling-Regel.
Zweite Regel: Die elektrostatische Valenzregel
Ein Anion habe die Koordinationszahl a. Von der Menge a der Kationen, die das Anion direkt umgeben, sei ni die Ladung des i-ten Kations und ki sei seine Koordinationszahl.
Die elektrostatische Bindungsstärke des i-ten Kations: si = ni/ki (n = Ladung; k = Koordinationszahl)
Koordinationszahl des Atoms: Ca. der Kehrwert von Si, so dass sich annähernd -1 ergibt.Oder:
Die Ladung zj des j-ten Anions ist exakt oder annähernd gleich der negativen Summe der elektrostatischen Bindungsstärken si der a Kationen, die es umgeben:
Beschreiben Sie den Born-Haber-Prozess der Synthese von NaCl.
Der Born-Haber-Kreisprozess beschreibt die Berechnung der Gitterenergie von Natriumchlorid (NaCl) mithilfe von thermodynamischen Zyklus basierend auf den Hess’schen Gesetzen. Dieser Kreisprozess ist wichtig, da die direkte Messung der Gitterenergie oft schwierig ist, daher ermöglicht er die indirekte Berechnung dieser wichtigen Energiegröße.
- Bildung von Natriumchlorid (NaCl):
- 2 Na (s) + Cl2 (g) → 2 NaCl (s)
- Sublimationsenergie von Natrium S
- 2 Na (s) → 2 Na (g) (Energieaufnahme, Sublimationsenergie von Natrium)
- Dissoziationsenergie von Chlor D, 1/2 D, da nur die Hälfte benötigt
- Cl2 (g) → 2 Cl (g) (Energieaufnahme, Dissoziationsenergie von Chlor)
- Ionisierungsenergie von Natrium IP
- Na (g) → Na+ (g) + e- (Energieaufnahme, Ionisierungsenergie von Natrium)
- Elektronenaffinität von Chlor EA
- Cl (g) + e- → Cl- (g) (Energieabgabe, Elektronenaffinität von Chlor)
- Gitterenergie E
- Na+ (g) + Cl- (g) → NaCl (s) (Energieabgabe, Gitterenergie)
- Der Born-Haber-Kreisprozess schließt den Zyklus:
- Die Summe aller Energien (Energieaufnahme minus Energieabgabe) in diesem Kreisprozess sollte null sein, da es sich um einen geschlossenen Zyklus handelt.
- Die gesuchte Gitterenergie kann berechnet werden, indem die anderen bekannten Energien addiert und die Gitterenergie isoliert wird.
Mit der Unterteilung in Sublimationsenergie und Ionisierungsenergie werden die Energieänderungen während des Born-Haber-Kreisprozesses genauer beschrieben, wodurch eine präzisere Berechnung der Gitterenergie von Natriumchlorid ermöglicht wird.
Beschreiben Sie den ReO3-Strukturtyp.
- Re-CN: 6
- O-CN:2
- Die Rheniumatome besetzen die Ecken eines Würfels.
- Auf den Kantenmitten liegen zwischen je zwei Re-Atomen O-Atome.
- So entstehen ReO6-Oktaeder, die nach allen drei Richtungen des Raums hin mit anderen ReO6-Oktaedern eckenverknüpft sind.
- Ecken sind Sauerstoff
- Jedes Re-Atom ist von sechs O-Atomen in Form eines Oktaeders, jedes O-Atom von zwei Re-Atomen linear umgeben (CN=6:2).
- eckenverknüpft
- TiOF2
