Hinweise für den Schüler Aufgabenauswahl: Von den 2

Abitur 2003 Chemie LK
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Hinweise für den Schüler
Aufgabenauswahl:
Von den 2 Prüfungsblöcken A und B ist nur einer zu bearbeiten.
Bei Entscheidung für den Block B ist von den dortigen Wahlaufgaben
ebenfalls nur ein Aufgabenkomplex zu lösen.
Bearbeitungszeit:
Die Arbeitszeit beträgt 300 Minuten, zusätzlich stehen 30 Minuten für die
Wahl des Prüfungsblockes zur Verfügung.
Hilfsmittel:
- nicht programmierbarer Taschenrechner
- Tafelwerk, das an der Schule verwendet wird
- Duden oder ein Nachschlagewerk zur Neuregelung der deutschen
Rechtschreibung
Sonstiges:
Die chemische Zeichensprache und die chemischen Gesetzmäßigkeiten
sind in angemessener Form anzuwenden, auch wenn es die Aufgabenstellung nicht unmittelbar fordert.
Die Lösungen sind in sprachlich einwandfreier Form darzustellen.
Für Berechnungen sind die Tabellenwerte des Anhangs zu nutzen. Der
Lösungsweg muss erkennbar sein.
Die Ergebnisse der Berechnungen sind in einem sinnvollen Antwortsatz
zu formulieren.
Benötigte Chemikalien und Geräte sind schriftlich anzufordern.
Entwürfe können ergänzend zur Bewertung nur herangezogen werden,
wenn sie zusammenhängend konzipiert sind und die Reinschrift etwa
Dreiviertel des erkennbar angestrebten Gesamtumfanges entspricht.
Abitur 2003 Chemie LK
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Block A
Chemisches Menü: Aluminium mit Methanol und Traubenzucker
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
Aluminium ist ein Gebrauchsmetall mit vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten.
Beim aluminothermischen Schweißen erhält man flüssiges Eisen durch die Reaktion von Aluminium mit Eisen(III)-oxid.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung!
In einem Laborversuch reagieren 10,8 g Aluminium mit Eisen(III)-oxid. Durch die
dabei freiwerdende Wärme werden 508 g Eis geschmolzen. Die Schmelzenthalpie
von Eis beträgt ∆SH = 335 J·g-1.
Berechnen Sie mit diesen Werten die molare Reaktionsenthalpie für das aluminothermische Schweißen bezogen auf 2 mol Aluminium!
Entscheiden Sie ohne Berechnung, ob die molare Reaktionsentropie dieser Reaktion einen wesentlichen Beitrag zum spontanen Ablauf der Reaktion leistet!
Begründen Sie Ihre Aussage!
Berechnen Sie, ab welcher Temperatur diese Reaktion formal theoretisch nicht
mehr spontan ablaufen würde!
Interpretieren Sie das Ergebnis auf der Grundlage der Gibbs-Helmholtz-Gleichung!
Aluminium wird großtechnisch durch Schmelzflusselektrolyse aus Aluminiumoxid
hergestellt.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Vorgänge an den Elektroden!
Begründen Sie, warum die als Anoden geschalteten Kohleblöcke im Verlauf der
Elektrolyse nachgeschoben werden müssen!
Berechnen Sie die elektrische Arbeit W für die Produktion von 2 Tonnen Aluminium
bei einer Badspannung von U = 4,5 V und einer Ausbeute von 80 %!
Werten Sie das Ergebnis unter dem Aspekt des verstärkten Einsatzes von Aluminium in der Wirtschaft!
Bei der Gewinnung von reinem Aluminiumoxid aus Bauxit wird schwer lösliches
Aluminiumhydroxid in heißer Natronlauge unter Bildung eines Komplex-Ions gelöst.
Formulieren Sie für diese Reaktion die Reaktionsgleichung und geben Sie den Namen des Komplex-Ions an! (Aluminium hat die Koordinationszahl 4).
Erläutern Sie an diesem Beispiel den Aufbau eines Komplexes!
Nutzen Sie das Bindungsmodell der koordinativen Atombindung!
In drei Reagenzgläsern befinden sich folgende Lösungen der Konzentration
c = 0,1 mol·l-1:
- Aluminiumchloridlösung,
- Ammoniumchloridlösung und
- Natriumchloridlösung.
Zwei dieser Lösungen färben Unitest rot bzw. orange.
Geben Sie die Protolysegleichungen dieser beiden Lösungen an!
Berechnen Sie die pH-Werte der beiden Lösungen!
Eine der Lösungen reagiert mit Magnesiumspänen unter heftiger Gasentwicklung,
die andere nur schwach.
Erklären Sie das unterschiedliche Reaktionsverhalten der beiden sauren Lösungen
mit Magnesium!
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion mit Magnesium!
20 BE
(1 BE)
(2 BE)
(4 BE)
(3 BE)
(5 BE)
(5 BE)
7 BE
(2 BE)
(3 BE)
(1 BE)
(1 BE)
Abitur 2003 Chemie LK
Seite 4
3.
Methanol ist ein bedeutendes Zwischenprodukt in der chemischen Industrie. Es
wird großtechnisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff hergestellt.
3.1 Entwickeln Sie für das sich einstellende chemische Gleichgewicht die Reaktionsgleichung!
Bestimmen und begründen Sie die Reaktionsart!
3.2 Formulieren Sie das MWG für diese Reaktion, und nutzen Sie es, um den Einfluss
der Konzentrationserhöhung des Wasserstoffs auf die Gleichgewichtslage zu diskutieren!
3.3 Bei einer bestimmten Temperatur hat sich aus einem Gemisch von 100 Litern Wasserstoff und 50 Litern Kohlenstoffmonoxid 30 Liter Methanol gebildet.
3.3.1 Berechnen Sie die Volumina der Ausgangsstoffe im Gleichgewicht!
3.3.2 Berechnen Sie über die Partialdrücke die Gleichgewichtskonstante Kp! Der Gesamtdruck beträgt 20 MPa, Methanol liegt gasförmig vor.
3.4 Mikroorganismen können aus Methanol in Gegenwart von Nährsalzen Proteine
bilden.
Erläutern Sie die Struktur von Proteinen! Gehen Sie dabei auf die Begriffe Peptidbindung, Primär- und Sekundärstruktur ein!
4.
Der klassische Weg der Strukturaufklärung führt über den qualitativen Nachweis
der Elemente zu deren quantitativer Bestimmung.
4.1 Experiment:
Weisen Sie in der vorliegenden Substanz (Traubenzucker) den Kohlenstoff mit Hilfe
eines geeigneten Oxidationsmittels nach!
Fordern Sie die benötigten Geräte und Chemikalien an!
Nennen Sie die Beobachtungen und deuten Sie sie unter Verwendung von Reaktionsgleichungen!
4.2 Bei der Oxidation von 255 mg einer leicht flüchtigen organischen Substanz, die nur
aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff besteht, entstanden 580 mg Kohlenstoffdioxid und 238 mg Wasser.
Zur Ermittlung der molaren Masse wurde die Dampfdichte der Verbindung bestimmt.
Bei 100°C und Normaldruck beträgt sie ρ = 1,9 g·l-1 und das molare Volumen
Vm = 30,6 l·mol-1.
4.2.1 Berechnen Sie die Summenformel!
4.2.2 Entwickeln Sie für die Summenformel 2 Strukturformeln und benennen Sie diese!
4.2.3 Beschreiben Sie eine Nachweisreaktion (Nachweisreagens und Beobachtung,
chemische Vorgänge), um beide Stoffe zu unterscheiden!
15 BE
(2 BE)
(3 BE)
(2 BE)
(4 BE)
(4 BE)
18 BE
(8 BE)
(6 BE)
(2 BE)
(2 BE)
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Seite 5
Block B
Mit chemischem Gespür immer der Nase nach
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.
2.1
2.2
2.3
3.
3.1
3.2
3.3
4.
4.1
4.2
5.
5.1
5.2
Ein in reifen Früchten vorkommender Aromastoff ist der Butansäureethylester.
Dieser Stoff wird auch synthetisch hergestellt, um beispielsweise Süßwaren den
entsprechenden Duft und Geschmack zu verleihen.
Formulieren Sie für die Synthese dieses Stoffes die Reaktionsgleichung!
Experiment: Mischen Sie 2 ml Ethanol mit 1 ml Ethansäure (oder Butan- bzw.
Propansäure). Versetzen Sie das Gemisch mit wenigen Tropfen konzentrierter
Schwefelsäure und erwärmen Sie es 5 Minuten vorsichtig im Wasserbad (Schutzbrille). Anschließend gießen Sie das Gemisch in ein kleines mit Wasser gefülltes
Becherglas.
Notieren Sie Ihre Beobachtungen!
Woran ist zu erkennen, dass sich ein Ester gebildet hat?
Erklären Sie die Funktion der konzentrierten Schwefelsäure!
Ein Gemisch aus 8,8 mol Butansäure und 8,8 mol Ethanol werden zur Reaktion
gebracht.
Berechnen Sie die Stoffmengen aller Stoffe im Gleichgewicht wenn Kc = 4 ist!
Berechnen Sie die Masse an Ester im Reaktionsgefäß!
Ammoniumcarbonat, das Bestandteil des Backtriebmittels Hirschhornsalz ist, zerfällt bei Temperaturen über 62 °C in zwei Gase und Wasser.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung!
Erläutern Sie an dieser Reaktion die Triebkräfte der chemischen Reaktion ohne
konkrete Werte zu verwenden!
Berücksichtigen Sie dabei auch den Einfluss der Temperatur!
Berechnen Sie das Gesamtvolumen der Reaktionsprodukte, wenn 10 g Ammoniumcarbonat bei 170 °C Backtemperatur zersetzt werden!
Hinweis: Bei dieser Temperatur und Normaldruck beträgt das molare Volumen der
Gase Vm = 36,36 l · mol –1.
Vitamin C (Ascorbinsäure) reguliert u.a. Stoffwechselprozesse und stabilisiert das
Immunsystem. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung ermittelte für Erwachsene einen täglichen Bedarf von mindestens 75 mg Vitamin C. Der Gehalt in Lebensmitteln kann mit dem Oxidationsmittel Kaliumpermanganat maßanalytisch
bestimmt werden.
Für die Maßanalyse wurden 4 g Zitronensaft in 10 ml Wasser mit einer angesäuerten Kaliumpermanganatlösung c = 0,001 mol·l-1 titriert. Bei dieser Redoxtitration
wurden 4,52 ml Kaliumpermanganatlösung verbraucht.
Hinweis: Ascorbinsäure und Permanganat-Ionen reagieren im Verhältnis 5: 2.
Berechnen Sie die Stoffmenge an Vitamin C in der Probe!
Berechnen Sie die Masse an Vitamin C in 4 g Zitronensaft!
M(Vitamin C) = 180 g·mol-1
Entscheiden Sie, ob der Verzehr von 100 g Zitronensaft ausreicht, um den Tagesbedarf an Vitamin C zu decken!
10 BE
(1 BE)
(3 BE)
(1 BE)
(4 BE)
(1 BE)
6 BE
(1 BE)
(3 BE)
(2 BE)
5 BE
(3 BE)
(1 BE)
(1 BE)
Das Redoxpotential von Kaliumpermanganat ist vom pH-Wert abhängig.
Berechnen Sie das Potential des Redoxpaares Permanganat-Ionen / Mangan(II)Ionen (jeweils mit einer Konzentration c = 1 mol·l-1) bei pH = 0 und bei pH = 4!
Beurteilen Sie die oxidierende Wirkung der Permanganat-Ionen in Abhängigkeit
vom pH-Wert!
4 BE
(3 BE)
Benzoesäure verhindert Gärung und Fäulnis von Nahrungsmitteln. Ihre technische
Herstellung erfolgt durch katalytische Oxidation von Toluol (Methylbenzol) mit
Luftsauerstoff.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diese Synthese!
In einen Messkolben werden 0,3 g Benzoesäure gegeben und mit Wasser auf
250 ml aufgefüllt.
14 BE
(1 BE)
(1 BE)
Abitur 2003 Chemie LK
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.3
6.
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
Seite 6
Geben Sie die Gleichung für die Reaktion von Benzoesäure mit Wasser an!
Bestimmen Sie die Reaktionsart und die korrespondierenden Paare!
Bei dieser Reaktion stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein.
Begründen Sie!
Entwickeln Sie für den Reaktionsverlauf anhand der Konzentrationsveränderung
der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte eine grafische Darstellung!
Formulieren Sie für die Reaktion das MWG und leiten Sie daraus eine Möglichkeit
zur pH-Wertberechnung für die Lösung aus 5.2 ab!
Berechnen Sie den pH-Wert für diese Lösung!
Erhöht man die Temperatur der Lösung, so steigt der pH-Wert an.
Erläutern Sie, wie sich dabei der KS-Wert der Benzoesäure ändert!
(3 BE)
Eine Kochsalzlösung der Konzentration c = 1 mol·l-1 und pH = 7 soll bei 25 °C an
Graphit-Elektroden bei einer Stromdichte von 1·10-2 A·cm-2 elektrolysiert werden.
Formulieren Sie für alle in der Lösung befindlichen Stoffe mögliche Reaktionen an
den Elektroden! Entscheiden und begründen Sie mit Hilfe der Redoxpotentiale,
welche Stoffe sich theoretisch an den Elektroden bilden müssten!
Warum bildet sich unter den gegebenen Bedingungen Chlor?
Schüler erhalten die Aufgabe, die Elektrolyse von Natriumchlorid praktisch durchzuführen.
7 Arbeitsgruppen elektrolysieren 3 Minuten bei einer Stromstärke von I = 1 A.
Der Wirkungsgrad beträgt 80 %.
Berechnen Sie das Volumen an Chlor unter Normbedingungen, das in dieser Zeit
im gesamten Fachraum entsteht!
Entscheiden Sie, ob durch das Schülerexperiment der Grenzwert der maximalen
Arbeitsplatzkonzentration für Chlor von 3 mg pro m3 Luft überschritten wird, wenn
für den Klassenraum ein Luftvolumen von 200 m3 angenommen wird!
Geben Sie an, in welche Richtung sich der pH-Wert der Elektrolytlösung während
der Elektrolyse ändert! Begründen Sie!
Nach Abschalten der Spannungsquelle ist kurzzeitig eine Spannung messbar.
Beschreiben Sie, wie es dazu kommt!
15 BE
Wahlaufgaben nur für Block B
Bearbeiten Sie unbedingt einen der folgenden Aufgabenkomplexe W oder F!
W - Waschmittel
W1
In einem Chemiepraktikum wird unter Verwendung von Fett Seife hergestellt.
Formulieren Sie für ein selbstgewähltes Beispiel eine Reaktionsgleichung!
W2
Erläutern Sie mit Hilfe einer beschrifteten Skizze die emulgierende Wirkung eines
Tensides!
W3
Das Wäschewaschen kann in Gegenden mit hartem Wasser zu Problemen führen. Deshalb wurde früher dem harten Wasser Soda (Natriumcarbonat) zugesetzt,
um es „weich“ zu machen.
Was versteht man unter dem Begriff „hartes Wasser“?
Beschreiben Sie anhand einer Reaktionsgleichung, was die Zugabe von Soda zu
hartem Wasser bewirkt!
(3 BE)
(5 BE)
(2 BE)
(6 BE)
(1 BE)
(3 BE)
(2 BE)
(1 BE)
(2 BE)
6 BE
(2 BE)
(2 BE)
(2 BE)
oder
F - Farbstoffe
F1
Von den zwei Verbindungen mit den Formeln
H - (CH = CH)4 - H und
(CH3)2N - (CH = CH)4 - CHO
absorbiert nur eine Licht im sichtbaren Spektralbereich.
Entscheiden Sie, welche der beiden Verbindungen farbig ist und begründen Sie!
F2
Erläutern Sie am Beispiel von Baumwolle und Seide (oder Wolle), aufgrund welcher Wechselwirkungen Farbstoffe auf Textilien haften können!
F3
Geben Sie eine Begründung dafür an, dass Indikatorfarbstoffe nicht für das Färben von Textilien verwendet werden können!
6 BE
(2 BE)
(3 BE)
(1 BE)
Abitur 2003 Chemie LK
Seite 7
Standardelektrodenpotentiale
Element/Verbindung
oxidierte Form ℑ reduzierte Form
E° in V
2+
Blei
Pb (aq) + 2 e ℑ Pb(s)
- 0,13
PbO2(s) + 4 H+(aq) + 2 e- ℑ Pb2+(aq) + 4 H2O(l)
1,46
Chlor
Cl2(g) + 2 e ℑ 2 Cl (aq)
1,36
Eisen
Fe2+(aq) + 2 e- ℑ Fe(s)
- 0,41
Fe3+(aq) + e- ℑ Fe2+(aq)
0,77
Kupfer
Cu2+(aq) + 2 e- ℑ Cu(s)
0,35
+
2+
Mangan
MnO4 (aq) + 8 H (aq) + 5 e ℑ Mn (aq) + 4 H2O(l)
1,51
+
Natrium
Na (aq) + e ℑ Na(s)
- 2,71
Nickel
Ni2+(aq) + 2 e- ℑ Ni(s)
- 0,23
Sauerstoff
O2 (g) + 2 H2O(l) + 4 e ℑ 4 OH (aq)
0,40
O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 e- ℑ 2 H2O(l)
1,23
Silber
Ag+(aq) + e- ℑ Ag(s)
0,80
0,00
Wasserstoff
2 H+(aq) + 2 e- ℑ H2(g)
2 H2O(l) + 2 e ℑ H2(g) + 2 OH (aq)
- 0,83
Zink
Zn2+(aq) + 2 e- ℑ Zn(s)
- 0,76
Zinn
Sn2+(aq) + 2 e- ℑ Sn(s)
- 0,14
Hinweis: Die Elektrodenpotentiale sind alphabetisch nach Elementen geordnet.
Thermodynamische Daten
Formel
Aluminium
Aluminiumoxid
Ammoniak
Chlor
Chlorwasserstoff
Distickstofftetraoxid
Eisen
Eisen(III)-oxid
Ethanol
Hydronium-Ionen
Hydroxid-Ionen
Kohlendioxid
Kohlenmonoxid
Kupfer(II)-sulfat
Kupfer(II)-sulfat-5hydrat
Methan
Nonan
Wasser
Wasser
Wasserstoff
Wasserstoff-Ionen
Al
Al2O3
NH3
Cl2
HCl
N2O4
Fe
Fe2O3
C2H5OH
H3O+
OHCO2
CO
CuSO4
CuSO4 · 5
H2O
CH4
C9H20
H2O
H2O
H2
H+
Zustand
s
s
g
g
g
g
s
s
g
aq
aq
g
g
s
s
g
l
g
l
g
aq
molare Standard- molare Standardentropie
bildungsenthalpie
-1
-1
0
0
-1
.
S m in J.K .mol
∆BH m in kJ mol
0
28
- 1676
51
- 46
192
0
223
- 92
187
9
304
0
27
- 824
87
- 235
283
- 286
70
- 230
- 11
- 393
214
- 111
198
- 771
109
- 2280
280
- 75
- 275
- 242
- 285
0
0
186
394
189
70
131
0
Abitur 2003 Chemie LK
Seite 8
Säurekonstanten und Basekonstanten bei 22° C
Formel der
Formel der Säure
Säurekonstante
-1
Base
KS in mol ⋅ l
7
HCl
1,0 · 10
O2H2SO4
1,0 · 103
NH2+
1
H3O
5,5 · 10
OH1
HNO3
2,1 · 10
PO43HSO41,2 · 10-2
CO32-3
H3PO4
7,5 · 10
NH3
-5
C6H5COOH
6,5 · 10
HPO42CH3COOH
1,8 · 10-5
HCO33+
-5
[Al(H2O)6]
1,4 · 10
[AlOH(H2O)5]2+
-7
H2CO3
3,0 · 10
CH3COOH2PO46,2 · 10-8
C6H5COO+
-10
NH4
5,6 · 10
H2PO4-11
HCO3
4,0 · 10
SO42HPO422,2 · 10-13
H2O
H2O
1,8 · 10-16
ClLöslichkeitsprodukte bei 25°C
Name
Formel
Bariumsulfat
BaSO4
Calciumphosphat
Ca3(PO4)2
Calciumsulfat
CaSO4
Eisen(II)-sulfid
FeS
Kupfer(II)-sulfid
CuS
Magnesiumhydroxid
Mg(OH)2
Silberbromid
AgBr
Silberchlorid
AgCl
Silberiodid
AgI
Basekonstante
KB in mol ⋅ l-1
1,0 · 1010
1,0 · 109
5,5 · 101
4,5 · 10-2
2,5 · 10-4
1,8 · 10-5
1,6 · 10-7
3,3 · 10-8
7,1 · 10-10
5,6 · 10-10
1,5 · 10-10
1,3 · 10-12
8,3 · 10-13
1,8 · 10-16
1,0 · 10-21
Zahlenwert
1 · 10-10
2 · 10-29
2 · 10-5
5 · 10-18
6 · 10-36
1 · 10-11
5 · 10-13
2 · 10-10
8 · 10-17
Normbedingungen:
Einheit
mol2 · l-2
mol5 · l-5
mol2 · l-2
mol2 · l-2
mol2 · l-2
mol3 · l-3
mol2 · l-2
mol2 · l-2
mol2 · l-2
Tn = 273 K;
pn = 101,3 kPa
 c A− 
c(HA)


Henderson-Hasselbalch-Gleichung: c(H3 O+ ) = K S ⋅
oder
pH
=
pKs
+
log
 c (HA ) 
c(A - )


1
pH-Wert mittelstarker bis sehr schwacher Säuren: pH = ( pK s − lg{c0 [HA]})
2
m(H 2 O) ⋅ c p (H2 O) ⋅ ∆T
molare Reaktionsenthalpie (Kalorimetergleichung): ∆ RHm = n
c p (H 2 O) = 4,19 J ⋅ K -1 ⋅ g -1
Faradaysches Gesetz:
Nernst-Gleichung:
I⋅ t = n ⋅F ⋅ z
0,059 V
c (Ox)
U = U0 +
⋅ lg
z
c(Red)
Faraday-Konstante: F = 9,65 ⋅ 10 4 A ⋅ s ⋅ mol −1
oder
0,059 V
U = U0 +
⋅ lg c (Me z + )
z
∆G = ∆H − T ⋅ ∆S
Gibbs-Helmholtz-Gleichung:
Allgemeine Gaskonstante
R = 8,314 kPa · l · K-1 · mol –1
Zustandsgleichung ideales Gas
n=
p ⋅V
R ⋅T
( )