Originalprüfung 2007 Brandenburg

Originalklausur
mit Musterlösung
Abitur Chemie
Aufgabe A: Schwefel(verbindungen) / Metalle
Aufgabe B: Rotkohlsaft / Komplexverbindungen
In den Aufgabenstellungen werden unterschiedliche Operatoren (Arbeitsanweisungen) verwendet; sie weisen auf unterschiedliche Anforderungsbereiche
(Schwierigkeitsgrade) hin und bedeuten, dass unterschiedlich viele Punkte
erzielt werden können. Die Lösungen zeigen beispielhaft, welche Antworten
die verschiedenen Operatoren erfordern.
Alles Wissenswerte rund um die Abiprüfung finden Sie im Buch im Kapitel
„Prüfungsratgeber und Prüfungsaufgaben“.
Originalklausuren mit Musterlösungen zu weiteren Fächern finden Sie auf
www.duden.de/abitur in der Rubrik „SMS Abi“. Das Passwort zum Download
befindet sich auf der vorderen Umschlagklappe.
Die Veröffentlichung der Abitur-Prüfungsaufgaben erfolgt mit Genehmigung des zuständigen Kultusministeriums.
Das Schnell-Merk-System fürs Abi – aufschlagen, nachschlagen, merken
Buch …
■
Prüfungswissen für Oberstufe und Abitur systematisch aufbereitet nach dem SMS-Prinzip
■ Extrakapitel mit Prüfungsaufgaben zu allen Unterrichts einheiten, zu Operatoren und Anforderungsbereichen
■
… und Download ■
Originalklausuren mit Musterlösungen als Beispiele für den Umgang mit Operatoren
■ kostenlos auf www.duden.de/abitur
Für die Fächer Deutsch, Englisch, Mathematik, Geschichte,
Biologie, Chemie, Physik sowie Politik und Wirtschaft
Musterlösung für die
Prüfungsaufgaben Abitur
Prüfungsfach:
Chemie (Brandenburg 2007, Aufgabenstellungen A1 und B2)
Hinweis: Die gesamte Abiturprüfung besteht aus den Teilen A1 oder A2 und B1 oder B2.
Hier wird die Lösung der Wahlaufgaben A1 und B2 beschrieben.
I.
Aufgabenstellung A1
Schwefel und Schwefelverbindungen
1
Modellvorstellungen
1.1 Im Text werden u. a. folgende Schwefel enthaltende Verbindungen erwähnt:
Name
Formel Oxidationsstufe
des Schwefels
Cyclooctaschwefel
S8
Begründung
±0
Im elementaren Schwefel gibt es nur
Bindungen zwischen gleichartigen
Atomen. Die Elektronenkonfiguration
jedes Schwefelatoms entspricht der im
Periodensystem gegebenen:
[Ne] 3s2 3p4.
Schwefelwasserstoff H2S
-II
Dem Schwefel werden die Elektronen
aus den S—H-Bindungen vollständig
zugeordnet.
Elektronenkonfiguration: [Ne] 3s2 3p6,
Schwefel hat also 2 Elektronen mehr
als im elementaren Zustand.
Schwefeldioxid
+IV
Die Elektronen aus den S—OBindungen werden vollständig dem
Sauerstoff zugeordnet.
Elektronenkonfiguration: [Ne] 3s2,
Schwefel hat also 4 Elektronen
weniger als im elementaren Zustand.
SO2
Anmerkung: Die Ermittlung der Oxidationszahl ist ein formaler Vorgang. Dabei werden
die Elektronen einer Elektronenpaarbindung dem elektronegativeren Partner
zugeordnet. Die dabei entstehenden formalen Ladungen entsprechen den
Oxidationszahlen. Es handelt sich hierbei nicht um reale Elektronenübertragungen!
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008
1
1.2 Elementarer Schwefel enthält im festen Aggregatzustand S8-Moleküle, während im
gasförmigen Aggregatzustand S2-Moleküle vorliegen. Die Schwefelatome sind in beiden
Fällen über Elektronenpaarbindungen verknüpft. Es gibt also keine nennenswerten
Unterschiede in den intramolekularen Wechselwirkungen. Die Stoffeigenschaften
werden durch die intermolekularen Wechselwirkungen bestimmt. Hierbei kommen nur
VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen in Frage. Zwischen S8-Molekülen können wegen
der größeren Moleküloberfläche mehr VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen ausgebildet
werden als zwischen S2-Molekülen. Die vermutlich relativ regelmäßig aufgebauten S8Moleküle werden im festen Zustand bereitwillig ein Molekülgitter ausbilden (Textzitat:
„zitronengelbe Brocken oder Stangen“). S2-Moleküle werden auch aufgrund der
geringeren Molekülmasse (sie beträgt nur 1/4 des Werts von S8) eine deutlich niedrigere
Verdampfungstemperatur aufweisen.
1.3 Die genutzte Modellvorstellung ist die kovalente Bindung (Elektronenpaarbindung).
Elementarer Schwefel hat sechs Valenzelektronen mit der Elektronen-Konfiguration
[Ne] 3s2 3p4. Zum Erreichen einer Edelgas-Konfiguration benötigt ein Schwefelatom
noch zwei weitere Elektronen in seinem Einflussbereich. Dies kann durch die Ausbildung
von zwei kovalenten Bindungen erreicht werden. Im S2-Molekül erwartet man daher das
Vorliegen einer Doppelbindung:
Dass diese Doppelbindung nicht sehr stabil sein kann, sieht man daran, dass die S2Moleküle im festen Zustand zu S8-Ringen reagieren, wobei die Doppelbindung
zugunsten von zwei Einfachbindungen gelöst wird.
2
Herstellung von Schwefel
2.1 Schwefelwolken entstehen durch die Reaktion von Schwefelwasserstoff mit
Schwefeldioxid:
4 H2S + 2 SO2 → 3 S2 + 4 H2O.
Anmerkung: Dass als weiteres Reaktionsprodukt Wasser entsteht, geht bei der
Beschreibung des CLAUS-Verfahrens aus dem Text hervor.
Die Reaktionsenthalpie kann nach dem Satz von HESS aus den jeweiligen
Bildungsenthalpien der beteiligten Stoffe berechnet werden. Dazu subtrahiert man die
Bildungsenthalpien der Edukte von denen der Produkte:
ΔHR = Σ(ΔHB, Produkte) – Σ(ΔHB, Edukte).
Die Bildungsenthalpie von elementarem Schwefel ist Null. Aus dem Tabellenwerk
entnimmt man für die übrigen beteiligten Stoffe:
ΔHB (H2S) = –20 kJ · mol–1
ΔHB (SO2) = –297 kJ · mol–1
ΔHB (H2O) = –287 kJ · mol–1.
Damit ergibt sich
ΔHR = 4 · ΔHB(H2O) – 4 · ΔHB(H2S) – 2 · ΔHB(SO2)
= 4 · (–287 kJ · mol–1) – 4 · ( –20 kJ · mol–1) – 2 · ( –297 kJ · mol–1)
= –474 kJ · mol–1.
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008
2
2.2 Reaktionen im CLAUS-Verfahren:
a)
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O
b)
4 H2S + 2 SO2 → 3 S2 + 4 H2O
(wenn als Reaktionsprodukt S2 auftritt)
16 H2S + 8 SO2 → 3 S8 + 16 H2O (wenn als Reaktionsprodukt S8 auftritt)
Anmerkung: Im Text gibt es keinen Hinweis darauf, ob das Reaktionsprodukt als S2
oder S8 formuliert werden soll.
Bei Reaktion b) handelt es sich um eine Redoxreaktion. Der Schwefel aus dem
Schwefelwasserstoff wird oxidiert (Wechsel der Oxidationsstufe von –II zu ±0, vgl. auch
Teilaufgabe 1.1), während der Schwefel aus dem Schwefeldioxid reduziert wird
(Wechsel der Oxidationsstufe von +IV zu ±0, vgl. auch Teilaufgabe 1.1).
Anmerkung: Eine solche spezielle Redoxreaktion, bei der durch gleichzeitige Reduktion
und Oxidation aus einer höheren und einer niedrigeren Oxidationsstufe zweier Atome
des gleichen Elements eine mittlere Oxidationsstufe gebildet wird, bezeichnet man auch
als Synproportionierung bzw. Komproportionierung (Gegenteil einer
Disproportionierung).
3
Schwefelsäure und Sulfate
3.1 Reaktionen bei der Schwefelsäure-Herstellung:
a)
Bildung von Schwefeldioxid aus elementarem Schwefel
S + O2 → SO2
b)
Bildung von Schwefeltrioxid aus Schwefeldioxid in einer Gleichgewichtsreaktion in
Gegenwart von Vanadium(V)-oxid
2 SO2 + O2 ⇄ 2 SO3
c)
Absorption des Schwefeltrioxids durch konzentrierte Schwefelsäure ergibt Oleum
SO3 + H2SO4 → H2S2O7
d)
Verdünnung von Oleum
H2S2O7 + H2O → 2 H2SO4.
3.2 Gleichgewichtslage bei der Synthese von Schwefeltrioxid:
ˆ Einfluss des Gesamtdrucks: Alle Reaktionspartner sind unter den gegebenen
Bedingungen gasförmig. Da auf der Seite der Edukte insgesamt drei, auf der
Produktseite aber nur zwei Moleküle stehen, verschiebt sich das Gleichgewicht nach
dem Prinzip von LE CHATELIER bei Druckerhöhung auf die Produktseite, also auf die
Seite mit weniger gasförmigen Teilchen.
ˆ Einfluss der Konzentration: Verdünnen mit einem Inertgas (hier N2) führt zu einer
Erniedrigung der Konzentration der Edukte und damit zu einer Verschiebung des
Gleichgewichts auf die Seite der Edukte. Die Zugabe eines Inertgases führt bei gleich
bleibendem Gesamtdruck nämlich zu einer Absenkung der Partialdrucke der
Reaktanden und hat damit den gleichen Effekt wie eine Druckerniedrigung.
ˆ Einfluss der Temperatur: Aus Text und Material (Tabelle) sind hierzu keine Angaben
zu entnehmen. Berechnet man für die Reaktion c) aus Teilaufgabe 3.1 die
Reaktionsenthalpie, erhält man mit den nachgeschlagenen Werten
ΔHB(SO2) = –297 kJ · mol–1 und ΔHB(SO3) = –396 kJ · mol–1 eine Reaktionsenthalpie
von ΔHR = –99 kJ · mol–1. Die Reaktion ist damit exotherm (bzw. exergonisch); eine
Temperaturerhöhung verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite der Edukte (also in
die endotherme Richtung).
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008
3
3.3 Berechnung der Gleichgewichtskonstanten Kp:
Kp =
p 2 (SO 3 )
(100900 Pa) 2
=
= 68927 Pa −1 ≈ 6,9 ⋅10 4 Pa −1.
p 2 (SO 2 ) ⋅ p(O 2 ) (66,6 Pa) 2 ⋅ (33,3 Pa)
Aus dem berechneten Wert von Kp geht hervor, dass das Gleichgewicht weit auf der
Produktseite liegt.
Im Gegensatz hierzu liegt das Gleichgewicht bei der Ammoniak-Synthese auf der Seite
der Edukte. Begründung: Für die Reaktion
N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3
kann man die Gleichgewichtskonstante formulieren gemäß
p 2 (NH 3 )
Kp = 3
p (H 2 ) ⋅ p (N 2 )
Aus dem gegebenen Wert Kp = 1,46 · 10–6 Pa–2 folgt, dass der Nenner in diesem
Ausdruck viel größer sein muss als der Zähler, was nur möglich ist, wenn der
Partialdruck des Produkts kleiner ist als die Partialdrucke der Edukte.
3.4 Schülerexperimente
Alle fünf Substanzen sind weiße, kristalline Feststoffe. Eine optische Unterscheidung ist
nicht möglich.
Gibt man jeweils eine kleine Menge jeder Substanz in Wasser, werden sich vier davon
leicht lösen. Calciumsulfat ist dagegen schwer löslich und kann ausgesondert werden.
Von den vier verbleibenden klaren Lösungen gibt man jeweils eine Probe in ein
Reagenzglas und gibt Natriumhydroxid-Lösung (Natronlauge) hinzu. Die
Ammoniumsulfat-Lösung erkennt man am Geruch nach Ammoniak, der dabei entsteht.
Erklärung: Natronlauge als stärkere und weniger flüchtige Base verdrängt Ammoniak
aus Ammonium-Salzen:
(NH4)2SO4 (aq) + 2 NaOH (aq) → Na2SO4 (aq) + 2 NH3 (g) + 2 H2O (l).
Von den drei verbleibenden Lösungen ist eine die Bariumchlorid-Lösung. Man erkennt
sie, indem man nacheinander je eine kleine Menge der drei Lösungen zu jeweils
frischen Proben der Ammoniumsulfat-Lösung gibt. Das Auftreten eines weißen
Niederschlags von schwer löslichem Bariumsulfat verrät die Bariumchlorid-Lösung.
Nun gibt man jeweils eine kleine Menge der Bariumchlorid-Lösung zu den beiden
verbleibenden Proben. Das Auftreten eines weißen Niederschlags von schwer löslichem
Bariumsulfat verrät jetzt die Kaliumsulfat-Lösung.
K2SO4 (aq) + BaCl2 (aq) → BaSO4 (s) + 2 KCl (aq).
Bei diesem Lösungsweg wird das Indikator-Papier nicht benötigt.
3.5 Thermische Zersetzung der Dünnsäure
2 H2SO4 → 2 SO2 + 2 H2O + O2.
Der Prozess ist sehr energieaufwändig, denn zunächst muss überschüssiges Wasser
verdampft werden (Aufkonzentrieren der Dünnsäure), bevor man bei 1000 °C die eigentliche
thermische Zersetzung durchführen kann. Als Produkt erhält man u.a. SO2, das aus den
Pyrolysegasen ausgewaschen und wieder für chemische Verfahren eingesetzt werden kann,
z. B. für die Schwefelsäuresynthese. Allerdings ist SO2 aus natürlich vorkommenden
Rohstoffen deutlich günstiger herzustellen. Die beiden anderen Produkte – O2 und H2O –
können nicht unmittelbar weiter verwendet werden. Außerdem müssen diese einer weiteren
Abgasreinigung unterzogen werden, bevor sie in die Atmosphäre abgelassen werden. Denn
die organischen Verunreinigungen der Dünnsäure werden unter den Pyrolyse-Bedingungen
zu umweltgefährdenden Nebenprodukten führen. Die thermische Zersetzung der Dünnsäure
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008
4
ist also aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht sehr ungünstig. Betrachtet man aber die
Umweltverschmutzung, die durch die früher übliche Dünnsäure-Verklappung hervorgerufen
wurde, wird klar, dass man bei der Abwägung zwischen beiden Verfahren nicht allein
wirtschaftliche Gründe heranziehen kann.
II. Aufgabenstellung B2
Komplexverbindungen
1
Aufbau von Komplexverbindungen
1.1 Im Text wird der Nachweis von Cu2+-Ionen durch Fällung mit Hexacyanoferrat(II)-Ionen
beschrieben. Reaktionsgleichung:
2 Cu2+ + K4[Fe(CN)6] → Cu2[Fe(CN)6] + 4 K+.
Das gebildete Komplexsalz ist Kupferhexacyanoferrat(II). Das komplexe Anion
[Fe(CN)6]4– besteht aus einem Fe2+-Ion als Zentralteilchen, welches oktaedrisch von
sechs Cyanid-Ionen CN– umgeben ist. Die Cyanid-Ionen bilden jeweils eine koordinative
Bindung zum Zentral-Ion aus, und zwar mit dem freien Elektronenpaar am Kohlenstoff
(und nicht etwa mit demjenigen am Stickstoff), da am Kohlenstoff der negative
Ladungsüberschuss größer ist als am Stickstoff. Dies verdeutlicht eine Betrachtung der
mesomeren Grenzformen:
Dabei kommt der linken Grenzform wegen der Erfüllung der Oktettregel ein deutlich
höheres Gewicht zu als der rechten.
Das Zentralteilchen Fe2+ hat die Elektronenkonfiguration [Ar] 4s0 3d6. Zusammen mit den
12 Elektronen der koordinativen Bindungen kommt Eisen auf 18 Valenzelektronen. Dies
entspricht der Edelgaskonfiguration des Kryptons, was auf eine hohe Stabilität des
Komplexes hindeutet.
1.2 Nach der VB-Methode entsteht die chemische Bindung in Komplexen durch
Überlappung leerer, geeignet hybridisierter Metallorbitale mit doppelt besetzten
Ligandenorbitalen.
Im Tetracyanoniccolat(II)-Ion [Ni(CN)4]2– liegt als Zentralteilchen ein Ni2+-Ion mit der
Elektronenkonfiguration [Ar] 4s0 3d8 vor:
Ni2+-Ion
3d
4s
4p
Vor der Bildung des Komplexes werden die 3d-Elektronen umgeordnet („durch die
starken Liganden CN– zusammengedrängt“), sodass alle Elektronen gepaart sind:
Ni2+-Ion
3d
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008
4s
4p
5
Für 4 Liganden werden 4 Hybridorbitale benötigt, die durch die Kombination dsp2
entstehen:
[Ni(CN)4]2–
3d
4s
4p
Die dsp -Hybridisierung führt zu einer quadratisch-planaren Geometrie des Komplexes.
2
Im Gegensatz dazu liegt im Nickeltetracarbonyl [Ni(CO)4] als Zentralteilchen ein
neutrales Nickelatom der Oxidationsstufe 0 mit der Elektronenkonfiguration [Ar] 4s0 3d10
vor:
Ni0-Zentralatom
3d
4s
4p
Die vier Hybridorbitale für die Bindung zu den Carbonyl-Liganden werden hier durch
eine sp3-Hybridisierung erzeugt. Die sp3-Hybridorbitale sind tetraedrisch angeordnet:
[Ni(CO4]
3d
4s
4p
1.3 Bei der Goldgewinnung wird das Golderz – das gediegenes, also elementares Gold
enthält – unter Luftzutritt mit Kaliumcyanid-Lösung ausgelaugt. Es bildet sich ein
Cyanokomplex mit Au+ als Zentralteilchen und zwei Cyanid-Ionen als Liganden:
4 Au + 8 CN– + O2 + 2 H2O → 4 [Au(CN)2]– + 4 OH–.
Bei dieser Reaktion wird Gold durch elementaren Sauerstoff oxidiert. Die Reduktion des
Goldes erfolgt durch Zinkstaub:
2 [Au(CN)2]– + Zn → [Zn(CN)4]2– + 2 Au.
2
Eigenschaften von Komplexen
2.1 Die Summenformel des im Text genannten Platinkomplexes
cis-Diammindichloroplatin(II) lautet:
[PtCl2(NH3)2] (bzw. PtCl2N2H6).
Der Komplex hat vier Liganden mit quadratisch-planarer Anordnung um das
Zentralteilchen. Es gibt zwei Isomere:
cis-Diammindichloroplatin(II)
trans-Diammindichloroplatin(II)
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008
6
2.2 (1) Die Dissoziationsgleichungen lauten:
A:
K2[PtCl6] → 2 K+ + [PtCl6]2–
B:
[Pt(NH3)6]Cl4 → [Pt(NH3)6]4+ + 4 Cl–
C:
[Pt(NH3)3Cl3]Cl → [Pt(NH3)3Cl3]+ + Cl–.
Bei der Dissoziation von A entstehen 3 mol Ladungsträger (Ionen) pro mol des
Komplexsalzes, bei B sind es 5 mol und bei C 2 mol. Daher sollte man bei der wässrigen
Lösung von B die höchste Leitfähigkeit mit 523 S · cm-2 · mol-1 erwarten, bei A die
zweithöchste mit 256 S · cm-2 · mol-1 und bei C die geringste mit 97 S · cm-2 · mol-1.
(2) Bei Zugabe von Silbernitrat-Lösung zu den o. g. Lösungen sollte man bei der Lösung
von A keinen Niederschlag von AgCl beobachten, da keine freien Chlorid-Ionen in der
Lösung enthalten sind. Bei den Lösungen von B und von C sollte man dagegen eine
Fällung von AgCl beobachten, die bei B deutlich stärker sein sollte, da in der Lösung von
B die Konzentration an Chlorid-Ionen viermal höher ist als bei C.
2.3 Der abgebildete Häm-Komplex enthält ebenso wie der Hexacyanoferrat(II)-Komplex aus
Aufgabe 1.1 ein Fe2+-Ion als Zentralteilchen. Die koordinative Bindung wird im
Hexacyanoferrat(II)-Komplex zwischen Eisen und den Kohlenstoffatomen der CyanidIonen ausgebildet, wogegen es sich beim Häm-Komplex um Stickstoff-Liganden handelt.
Während das Zentralteilchen im Hexacyanoferrat(II)-Komplex oktaedrisch umgeben ist,
zeigt die Abbildung des Häm-Komplexes nur vier Liganden um das Zentralteilchen.
Allerdings ist die Umgebung dennoch oktaedrisch, da die fünfte Koordinationsstelle von
einem Stickstoff-Liganden aus einer Proteinkette besetzt ist (was die Fixierung des HämKomplexes an das Hämoglobin bewirkt) und die sechste Koordinationsstelle reversibel
von Sauerstoff (O2) besetzt werden kann.
Die Bindung von molekularem Sauerstoff an den Häm-Komplex ist reversibel, folglich
handelt es sich um eine Gleichgewichtsreaktion.
Häm + O2 ⇄ [Häm-O2].
Die Anlagerung von Sauerstoff erfolgt exotherm, wie aus dem Text hervorgeht. Eine
Temperaturerhöhung verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite der Edukte. Hierdurch
wird die Konzentration an [Häm-O2] im Blut gesenkt, der Sauerstofftransport wird
beeinträchtigt. Dieser biologische Nachteil wird aber durch die Unterstützung der
Immunabwehr mehr als ausgeglichen, die eine solche Erhöhung der Körpertemperatur
bewirkt. Aus diesem Grund hat sich die Fieberreaktion zur Ankurbelung des
Immunsystems in der Evolution bewährt. Lediglich bei Menschen mit wenig
Widerstandskraft wie Kleinkindern oder älteren Menschen führt die erhöhte
Körpertemperatur zu den im Text beschriebenen gesundheitlichen Problemen.
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008
7
Die hier abgedruckten Lösungsvorschläge sind nicht die amtlichen Lösungen des
zuständigen Kultusministeriums.
Impressum:
Alle Rechte vorbehalten.
Nachdruck, auch auszugsweise, vorbehaltlich der Rechte die sich aus den Schranken des
UrhG ergeben, nicht gestattet.
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim 2008
Redaktion: Heike Krüger-Beer, Christa Becker, Dr. Angelika Fallert-Müller
© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008
8