Übungsaufgaben 1 zu ACIII (Symmetrie, Kristallographie)

1.	Erklären Sie die Begriffspaare homogen/inhomogen und isotrop/anisotrop.

  2.	Erklären Sie (mit Beispielen) die Größen E, Cn, Sn, i, σh, σv, σd.

..3.	Bestimmen Sie die Symmetrieelemente und Punktgruppen (Schönflies und Hermann/Mauguin) der folgenden (siehe Übungsblätter) Polyeder bzw. Moleküle

..4.	Was ist ein Translationsvektor und wie ist er definiert?

5.	Was sind kristallographische Symmetrieelemente und welche gibt es (in Notation nach Schönflies und Hermann-Mauguin).

6.	Was versteht man unter Koppelung bzw. Kombination von Symmetrieoperationen?

  7.	Erklären Sie die Begriffe Elementarzelle, Raumgitter, Basis, Kristallklasse, Kristallsystem, Kristallstruktur (kurze Definitionen) und ihre Beziehungen.

  8.	Welche Kristallsysteme gibt es und wie sind sie definiert?

  9.	Was sind Bravaisgitter? Wie viele gibt es? Wie werden sie bezeichnet und welche Typen treten in den verschiedenen Kristallsystemen auf? 

 10.	Erklären Sie die Begriffe Netzebene, Netzebenenschar, Netzebenenabstand und Miller-Indizes.

 11.	Zeichnen Sie die Netzebenen (110), (111), (123), (302), (-112), (320)
	jeweils in einen mit den Kristallachsen versehenen Kubus ein.

 12.	Was versteht man unter Morphologie? Was ist eine Kristallstruktur?
	Welche Beziehung besteht zwischen Morphologie und Kristallstruktur?

13.	Was versteht man unter Gleitspiegelung und Schraubung? Geben Sie Beispiele.

14.	Was sind Raumgruppen, was beschreiben sie, und welcher Zusammenhang besteht zwischen Raumgruppen und Kristallklassen?

Übungsaufgaben 2 zu ACIII (Strukturchemie)

  1.	Berechnen Sie die Raumerfüllungen für eine ccp- und eine bcc-Packung.

  2.	Nennen Sie vier Kristallsysteme und beschreiben Sie die Elementarzellen.

3.	Formulieren Sie geometrische Beziehungen für folgende Abstände bezügl. der jeweiligen Gitterkonstante(n):
a) Abstand des Mittelpunktes einer Tetraeder- bzw. Oktaederlücke in einer kubisch dichten Kugelpackung vom Mittelpunkt des nächst benachbarten Atoms der Kugelpackung
b) ibid. Eine hexagonal dichte Kugelpackung

4.	In einer hexagonal dichten Kugelpackung von A-Atomen seien 2/3 der Oktaederlücken durch Atome der Sorte B besetzt. Welche allgemeine Formel hat die resultierende Verbindung? Machen Sie einen Vorschlag für eine Verbindung, die diese Struktur im festen Zustand haben könnte.

4.	In der kubisch dichtesten Kugelpackung von Atomen der Sorte X seien 50% der Oktaederlücken durch B-Atome und 12,5 % der Tetraederlücken durch A-Atome besetzt. Welche chemische Formel hat die resultierende Verbindung?

5.	Welche Formel hat Perowskit? Beschreiben Sie die Perowskitstruktur auf der Basis einer dichtesten Kugelpackung.

6.	Gegeben sei eine Struktur, die nur aus eckenverknüpften Tetraedern der Sorte X besteht. Im Zentrum aller Tetraeder sitzen Atome der Sorte A. Jede Tetraederecke X gehört zu genau zwei A-Atomen. Welche chemische Zusammensetzung resultiert? Welcher Stoff könnte eine solche Struktur haben?

7.	Gegeben sei eine Struktur, die nur aus eckenverknüpften Oktaedern besteht. Jede Oktaederecke gehört zu genau zwei Oktaeder. Welche chemische Formel resultiert? Welche Beziehung besteht zwischen einer solchen Struktur und der Perowskitstruktur?

8.	Gegeben sei eine Struktur, die nur aus eckenverknüpften Würfeln der Sorte X besteht. Im Zentrum aller Würfel sitzen Atome der Sorte A. Jede Würfelecke X gehört zu genau zwei A-Atomen. Welche allgemeine chemische Formel AXn resultiert?

  9.	Beschreiben Sie die Flussspat- und die Rutilstruktur.

 10.	Vergleichen Sie die NiAs- und die NaCl-Struktur.

 11.	Welche Bedeutung haben die Abürzungen ccp, hcp und fcc?

12.	Vergleichen Sie die Perowskit- und die Kochsalz-Stuktur. Beschreiben Sie die Koordinationsverhältnisse (Koordinationszahlen) und erläutern Sie die Beziehungen dieser Strukturen zu dichtesten Kugelpackungen.

Übungsaufgaben 3 zu ACIII
(Elektromagetische Strahlung und Strukturbestimmungsmethoden)

1. Elektromagnetische Strahlung und ihre Wechselwirkungen mit Materie

1.	Nennen Sie die Charakteristika elektromagnetischer Strahlung sowie ihre Beziehungen untereinander (mit Formeln und Definitionen).

2.		Die Frequenz- bzw. Wellenlängenbereiche der zur Strukturanalyse verwendeten elektromagnetischen Strahlung liegt bei 106-1020 Hz bzw. 10-12 – 102 m.
Geben Sie die Frequenzen (Hz), Wellenlängen (m) und Energien (eV und kJ/mol) der jeweiligen Bereiche für γ-, Röntgen-, UV/VIS-, Infrarot- (IR), Mikro-, Radiowellen-Strahlung an.

  2.	Wie lassen sich Röntgen-, UV/VIS-, IR- und Mikrowellenstrahlung erzeugen?
Geben Sie die jeweiligen Energien, Wellenlängen und Frequenzen an.

3.	Welche Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie kennen Sie? Nennen und beschreiben Sie die wichtigsten Effekte, die damit verbundenen Energien und die daraus resultierenden Anwendungsmöglichkeiten (z. B. Analyseverfahren).

  4.	Was versteht man unter kohärenter bzw. inkohärenter Streuung?

  5.	Was ist Rayleigh-Streuung? Was ist Compton-Streuung?

6.	Was läßt sich aus den Wellenlängen bzw. Frequenzen und was aus den Phasen elektro-magnetischer Wellen bestimmen?

  7.	Nennen und beschreiben Sie die wichtigsten Strukturbestimmungsmethoden.

  8.	Mit welchen Methoden und wie können Sie funktionelle Gruppen bestimmen?

  9.	Wie unterscheiden sich phasen- und energiesensitive Strukturbestimmungsmethoden
	hinsichtlich Prinzip und Ergebnis?

Übungsaufgaben 4 zu ACIII (Röntgenbeugung)

 1.	Welche Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlen und Materie kennen Sie? Beschreiben Sie die wichtigsten Effekte und die daraus resultierenden Gefahren, Anwendungsmöglichkeiten und Analyseverfahren.

 2.		Wovon hängt die Lage der Intensitätsmaxima beim kontinuierlichen und beim charakteristischen Röntgenspektrum ab?

 3.		Erklären Sie die Linienstruktur von Röntgen-Emissionsspektren und die Kanten-struktur von Röntgen-Absorptionsspektren.

 4.	Was sind die Streuzentren bei der Röntgenbeugung?

 5.	Skizzieren Sie die Unterschiede in den Röntgenbeugungsbildern eines monoatomaren Gases, einer monomolekularen Flüssigkeit und einer kristallinen Probe anhand geeigneter I(q) vs. q-Diagramme und erklären Sie die Gründe für die Unterschiede.

 6.		W.L. Bragg deutete die Beugung von Röntgenstrahlen an kristallinen Proben als „Reflexion“ an den Netzebenen des Kristalls.
Wie lautet die nach ihm benannte „Reflexionsbedingung“? Wie lässt sie sich ableiten?
Erklären Sie die verwendeten Größen.

 7.	Was ist ein Röntgenreflex?
	Was ist ein Beugungs- bzw. Interferenzmuster eines Kristalls?

 8.	Wie unterscheidet sich das Beugungsmuster eines kristallinen Pulvers von dem eines Einkristalls?

 9.	Welche röntgenographischen Strukturbestimmungsverfahren kennen Sie?
	Was lässt sich mit den jeweiligen Verfahren bestimmen?

10.	Was lässt sich aus den Lagen und was aus den Intensitäten von Röntgenreflexen ableiten?

12.	Was ist das „Phasenproblem“ der Röntgenstrukturanalyse?

Übungsaufgaben 5 zu ACIII (Rasterelektronenmikroskopie)

  1.	Welche prinzipiellen Wechselwirkungen treten zwischen einem hochenergetischen Elektronenstrahl und Materie in einem Elektronenmikroskop auf.

2.	Erklären Sie die Stichworte Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen. Wie unterscheiden sich diese Elektronen und wie unterscheiden sich die Bildinformationen die man aus ihnen gewinnt.

3.	Welche Zusatzgeräte sind notwendig damit ein Rasterelektronenmikroskop zur Analyse eingesetzt werden kann.

4.	Wie wird der Elektronenstrahl in einem konventionellen Rasterelektronenmikroskop erzeugt? 

5.	Beschreiben Sie die Form des Wechselwirkungsvolumens eines Elektronenstrahls in Materie. Von welchen Faktoren hängt die Eindringtiefe ab?

  6.	Wie funktioniert die Bilderzeugung in einem Rasterelektronenmikroskop?

  7.	Sind die u.a. Antworten richtig? Kreuzen Sie ja oder nein an.

Ein Rasterelektronenmikroskop besitzt atomare Auflösung	Ja	Nein	
Die Tiefenschärfe eines REM ist gering	Ja	Nein	
Bei der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit Materie entstehen in einem Rasterelektronenmikroskop Röntgenstrahlen	Ja	Nein	
Die Eindringtiefe des Elektronenstrahls ist für Silizium höher als für SiO2	Ja	Nein	
Im Elektronenmikroskop können nur leitende Proben untersucht werden	Ja	Nein	
Die Probe muß in einem Rasterelektronenmikroskop während der Untersuchung gekühlt werden.	Ja	Nein	
Der Elektronenstrahl wird in einem Rasterelektronenmikroskop durch Linsen aus Wolfram fokussiert	Ja	Nein