Leistungskurs - Bildungsserver Sachsen

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2003
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT
Abitur
Januar/Februar 2003
Chemie
(Leistungskurs)
Einlesezeit:
Bearbeitungszeit:
30 Minuten
300 Minuten
Thema 1
Schwefel und Schwefelverbindungen
Thema 2
Reaktionsverhalten
Thema 3
Nebengruppenelemente
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2003
Thema 1:
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Schwefel und Schwefelverbindungen
1
Schwefel
1.1
Schwefel ist eines der am längsten bekannten chemischen Elemente.
Leiten Sie aus der Stellung im Periodensystem der Elemente den Zusammenhang
zwischen Atombau und Reaktionsverhalten ab.
Beziehen Sie dabei grundlegende Aussagen zur Redoxreaktion als Donator-AkzeptorReaktion ein.
1.2
Experiment
Versetzen Sie zum einen ein Volumen V = 2 mL der gegebenen Natriumsulfit-Lösung
tropfenweise mit Bariumchlorid-Lösung im geringen Überschuss. Säuern Sie danach
mit Chlorwasserstoffsäure der Konzentration c(HCl) = 2 mol/L an.
Versetzen Sie zum anderen ein Volumen V = 2 mL der gegebenen NatriumsulfitLösung mit einigen Tropfen verdünnter Wasserstoffperoxid-Lösung. Säuern Sie dieses
Reaktionsgemisch mit wenigen Tropfen verdünnter Chlorwasserstoffsäure der Konzentration c(HCl) = 0,01 mol/L an. Geben Sie danach tropfenweise Bariumchlorid-Lösung
im geringen Überschuss hinzu. Versetzen Sie anschließend das Produktgemisch
tropfenweise mit Chlorwasserstoffsäure der Konzentration c(HCl) = 2 mol/L.
Erklären Sie Ihre Beobachtungen unter Einbeziehung der chemischen Zeichensprache.
2
Schwefelwasserstoff
2.1
Das Wassermolekül ist ein gewinkeltes, polares Molekül.
Geben Sie die LEWIS-Formel des Wassermoleküls an und begründen Sie drei
Eigenschaften des Wassers, die durch seine Dipolnatur bedingt sind.
Formal lassen sich Kohlenstoffdioxid, Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid wie
folgt zeichnen: OCO, HSH und OSO.
Ergänzen Sie diese Vorgaben zu LEWIS-Formeln mithilfe fehlender Doppelbindungen,
freier Elektronen bzw. freier Elektronenpaare.
Treffen Sie Aussagen zur räumlichen Geometrie der Moleküle.
Geben Sie mesomere Grenzstrukturen für das Schwefeldioxidmolekül an.
2.2
In der Umwelt-Analytik
spielen Gas-Sensoren zur
Bestimmung gasförmiger
Schadstoffe eine wichtige
Rolle. Die Bestimmung der
Konzentration des Schadstoffs Schwefelwasserstoff
in der Luft kann z. B. durch
Stromstärkemessung
erfolgen. Die Sensoren
arbeiten im Prinzip wie
Brennstoffzellen.
Abb. 1.1: Schwefelwasserstoff-Sensor
Beschreiben Sie die Vorgänge in einer Brennstoffzelle.
Übertragen Sie unter Einbeziehung der chemischen Zeichensprache Ihre Kenntnisse
auf die Funktionsweise des dargestellten Schwefelwasserstoff-Sensors.
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2003
2.3
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Schwefelwasserstoff kommt besonders in Faulgasen der Kanalisation vor und verursacht hauptsächlich bei gleichzeitiger Anwesenheit von Feuchtigkeit und Luft durch
Oxidation zu Schwefelsäure starke Schädigungsreaktionen an zementgebundenen
Abwasserkanälen (Betonrohren).
Formulieren Sie unter Einbeziehung der Abbildung 1.2 „Schädigungen durch Sulfate an
Abwasserkanälen“ drei Reaktionsgleichungen für die mikrobiologische Reaktion des
Schwefelwasserstoffs und für durch Sulfat-Ionen bewirkte werkstoffschädigende Folgereaktionen mit Betonbestandteilen.
Beschreiben Sie Ursachen für mechanisch bewirkte Schädigungserscheinungen des
Betons unter Einbeziehung der Gleichung für die Ettringitbildung.
3 CaO ⋅ Al2O3 + 3 (CaSO4 ⋅ 2 H2O) + 26 H2O → 3 CaO ⋅ Al2O3 ⋅ 3 CaSO4 ⋅ 32 H2O
Ettringit
Abb. 1.2: „Schädigungen durch Sulfate an Abwasserkanälen“
2.4
Bei Raumtemperatur und bei Normaldruck wird Schwefelwasserstoffgas in Wasser bis
zur Sättigung eingeleitet. Die Schwefelwasserstoff-Konzentration beträgt dann
c(H2S) = 0,1 mol/L.
Berechnen Sie beim Wert pH = 2 die Konzentration an Sulfid-Ionen in dieser wässrigen
Lösung.
Interpretieren Sie Ihr Ergebnis unter Einbeziehung der Abbildung 1.2 „Schädigungen
durch Sulfate an Abwasserkanälen“.
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2003
3
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Waschmittel, Kunststoffe, Arzneimittel
Bearbeiten Sie von den folgenden Aufgaben (a), (b), (c) genau eine.
(a) Alkansulfonate als wichtige Aniontenside sind biologisch gut abbaubar und
besitzen eine gute Hautverträglichkeit. Sie eignen sich sowohl für pulverförmige
als auch für flüssige Wasch-, Spül- und Reinigungsmittel. Ein Beispiel ist Natriumpentadecansulfonat mit der Summenformel C15H31SO3Na.
Das Verfahrensprinzip der Sulfochlorierung ist eine durch UV-Licht initiierte
radikalische Umsetzung bei 20 – 30 °C von Pentadecan mit einem SchwefeldioxidChlor-Gemisch zu Pentadecansulfochlorid (C15H31SO2Cl). Dieses wird
anschließend mit Natronlauge zum entsprechenden Tensid hydrolysiert:
Sulfochlorierung
→ C15H31SO2Cl + HCl
C15H32 + SO2 + Cl2      
Hydrolyse
C15H31SO2Cl + 2 NaOH   → C15H31SO3Na + NaCl + H2O
Zur Produktion einer Masse m = 20,0 kt des Tensids wird eine Masse m = 4,1 kt
Schwefeldioxid benötigt.
Berechnen Sie die Masse an Chlorwasserstoff, die bei der geforderten Produktion
des Tensids anfällt.
Ziehen Sie Schlussfolgerungen für eine ökologisch und ökonomisch orientierte
Produktion bzw. Verwendung von Waschhilfsstoffen.
Formulieren Sie den radikalischen Mechanismus für die Bildung des Pentadecansulfochlorids, wenn die Chlor-Radikalbildung durch UV-Licht erfolgt.
(b) Haupteinsatzgebiete für High-Tech-Kunststoffe sind der Automobilbau, die Elektrotechnik, der Maschinenbau, das Telekommunikationswesen, der medizinische
Bereich und die Luft- und Raumfahrt. Bei den High-Tech-Kunststoffen steht meist
nur eine einzige Eigenschaft im Vordergrund, während die technischen Kunststoffe
Werkstoffeigenschafts-Kombinationen bieten. Polyphenylensulfide sind eine
Gruppe solcher Hochleistungskunststoffe.
Beschreiben Sie mithilfe chemischer Gleichungen an je einem selbstgewählten
Beispiel drei verschiedene Reaktionsmöglichkeiten zur Bildung von Kunststoffen.
Die Herstellung von Polyphenylensulfid kann wie folgt beschrieben werden:
Geben Sie die Namen der Edukte und die Reaktionsart an.
Berechnen Sie die Masse an Natriumchlorid, das als Nebenprodukt bei der
Umsetzung der Masse m = 1 t des chlorhaltigen Monomers anfällt.
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CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
(c) Derivate der 2-Hydroxybenzoesäure
(Salicylsäure) sind sowohl wichtige
Zwischenprodukte als auch eine
Wirkstoffklasse für Arzneistoffe.
Iodiertes Salicylsäureanilid führt
pharmakologisch zu einer Verarmung
an Adenosintriphosphat (ATP), was
schließlich zum Absterben von Parasiten
durch Energiemangel führt.
Das Schema zeigt den Syntheseweg zum
Salicylsäureanilid.
Geben Sie die Strukturformeln der
Verbindungen A und B an.
Cl2
(FeCl3)
A
OH
COOH
O2N
Cl2
(FeCl3)
Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für die Bildung der
Verbindungen A oder B.
Berechnen Sie das Volumen an Chlor
unter Normbedingungen, das für die
Herstellung einer Masse m = 1 t des
Zwischenproduktes Chlorsalicylsäure
erforderlich ist.
HNO3
(H2SO4)
Cl
Cl2
(FeCl3)
OH
COOH
B
Cl
H2(Pt)
SOCl2
OH
H2N
COCl
Cl
Cl
Cl
OH
Cl
O
C
N
H
Cl
Salicylsäureanilid
Cl
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Thema 2:
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Reaktionsverhalten
1
Säuren
1.1
Experiment
Eine Masse m = 0,2 g Magnesium ist mit einem Volumen V = 20 mL einer EthansäureLösung (c = 1 mol/L) so zur Reaktion zu bringen, dass die Zeit bis zur Bildung eines
Gasvolumens V = 25 mL gemessen werden kann.
Das Experiment ist mit Chlorwasserstoffsäure (c = 1 mol/L) unter sonst gleichen
Bedingungen zu wiederholen.
Skizzieren Sie eine mögliche Experimentieranordnung.
Beziehen Sie in die Auswertung des Experimentes den Vergleich der Durchschnittsgeschwindigkeiten beider Reaktionen und die Interpretation des Wesens der
Reaktionsart ein.
Geben Sie drei Möglichkeiten für die Beschleunigung der Reaktion von Ethansäure mit
Magnesium an. Begründen Sie diese.
1.2
Leiten Sie aus den Säurestärken von Ethansäure und Chlorwasserstoffsäure Vorhersagen zum Reaktionsverhalten der entsprechenden Natriumsalze in wässriger Lösung
ab.
Für die Neutralisation eines Volumens V = 110 mL einer Ethansäure-Lösung wird ein
Volumen V = 4 mL einer Natriumhydroxid-Lösung (c = 0,5 mol/L) bis zum Äquivalenzpunkt verbraucht.
Berechnen Sie den pH-Wert der entstehenden Salzlösung unter Vernachlässigung der
Volumenzunahme.
1.3
Gegeben seien die folgenden Lösungen:
Lösung 1: 100 mL Ethansäure der Konzentration c = 1 mol/L und
Lösung 2: Gemisch aus je 50 mL Ethansäure (c = 2 mol/L) und
Natriumethanoat(Natriumacetat)-Lösung (c = 2 mol/L).
Erläutern Sie den Einfluss der Zugabe eines Volumens V = 1 mL einer Chlorwasserstoffsäure (c = 1 mol/L) auf die pH-Werte der beiden Lösungen.
Berechnen Sie unter Vernachlässigung der Volumenzunahme die entsprechenden
pH-Wert-Änderungen.
2
Aromaten
2.1
Benzol reagiert in Anwesenheit von Aluminiumbromid mit Monobrommethan.
Geben Sie eine entsprechende Reaktionsgleichung an und erläutern Sie die Wirkung
des Aluminiumbromids.
Beschreiben Sie den Mechanismus der Reaktion von Benzol mit Chlorfluorid (CIF)
mithilfe von Strukturformeln.
Benzalchlorid ist ein Zwischenprodukt bei der Herstellung des Aromastoffes
Benzaldehyd. Benzaldehyd ist künstliches Bittermandelöl.
Cl
H
H
C
H
H
C
Cl
C
O
H
1
Toluol
B enz alc hlorid
B enz aldehy d
Geben Sie für den Syntheseschritt c eine Reaktionsgleichung und nötige Reaktionsbedingungen an. Benennen Sie den Mechanismus.
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2.2
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Ein wichtiger Ausgangsstoff zur Herstellung von Kunststoffen und Arzneimitteln ist das
Hydroxybenzol (Phenol).
Begründen Sie, dass Phenol nicht direkt aus Benzol und Natriumhydroxid gewonnen
werden kann.
Ordnen Sie die drei folgenden pKS-Werte: pKS1 = 0,25, pKS2 = 10 und pKS3 = 18
den Verbindungen Phenol, Cyclohexanol und 2,4,6-Trinitrophenol (Pikrinsäure) begründet zu.
2.3
Benzol, Methylbenzol (Toluol) und Nitrobenzol lassen sich nitrieren. Die entsprechenden Nitrierungsgeschwindigkeiten sind sehr unterschiedlich.
Begründen Sie eine vergleichende Abschätzung dieser Reaktionsgeschwindigkeiten.
Geben Sie jeweils die Strukturformel eines gebildeten Reaktionsproduktes an.
3
Konsequenzen
Die Kenntnis des Reaktionsverhaltens von Stoffen ermöglicht dem Experimentierenden
die Verringerung von Gefahren, den Schutz des Materials und die erfolgreiche
Versuchsdurchführung.
Erklären Sie unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen die chemischen Grundlagen folgender Maßnahmen:
(1) Zur Herstellung von Bromwasser werden Kaliumbromat (KBrO3) und Kaliumbromid
in wässriger Lösung unter Zusatz von Schwefelsäure umgesetzt.
Diese Reaktion ermöglicht den Ersatz der ätzend wirkenden, sehr giftigen Flüssigkeit Brom als Ausgangsstoff zur Herstellung dieses Nachweismittels.
(2) In einer Chlorid-Ionen/Chlor-Halbzelle werden im Allgemeinen keine Platinelektroden eingesetzt.
(3) Zum Ansäuern einer Kaliumpermanganat-Lösung wird Schwefelsäure, aber nicht
Chlorwasserstoffsäure verwendet.
(4) Zum Nachweis von Sulfat-Ionen in einer wässrigen Lösung mithilfe von Bariumchlorid-Lösung wird angesäuert.
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Thema 3:
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Nebengruppenelemente
1
Identifizierung von Stoffen
1.1
Experiment
Ihnen werden in vier mit A, B, C und D gekennzeichneten Reagenzgläsern wässrige
Lösungen von Kupfer(II)-chlorid, Bariumchlorid, Silbernitrat sowie Eisen(II)-sulfat zur
Verfügung gestellt. Außerdem erhalten Sie wässrige Lösungen von Ammoniak und
Kaliumhexacyanoferrat(III).
Erstellen Sie einen Experimentierplan zur Identifizierung der Stoffe in den gekennzeichneten Reagenzgläsern.
Führen Sie die notwendigen Experimente durch und protokollieren Sie. Nutzen Sie
auch Reaktionen der Lösungen untereinander.
1.2
Nickel(II)-Ionen bilden mit Dimethylglyoxim einen roten Niederschlag. Diese Nachweisreaktion wird durch die Anwesenheit von Eisen(II)-Ionen gestört. Deshalb wird die
Lösung zunächst mit schwach saurer Wasserstoffperoxid-Lösung gekocht, um die
Eisen(II)-Ionen zu Eisen(III)-Ionen reagieren zu lassen.
Erläutern Sie am Beispiel der Reaktion von Eisen(II)-Ionen mit Wasserstoffperoxid das
Wesen der vorliegenden Reaktionsart.
2
Nickelherstellung
2.1
Nickel wurde 1751 von CRONSTEDT als neues Metall entdeckt. Bereits 2000 v. Chr.
waren in China Nickellegierungen bekannt. Auch heute wird Nickel als Legierungsbestandteil bei der Erzeugung hochwertiger, zäher und fester Stähle verwendet.
Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen dem Bau des Nickelatoms und der
Stellung des Elements im Periodensystem.
Nickel zeigt typische Metalleigenschaften. Geben Sie drei Eigenschaften an und
begründen Sie diese.
2.2
Nickel kommt in der Natur z. B. in Form sulfidischer Erze vor. Daraus wird zuerst Rohnickel gewonnen, das entweder auf elektrolytischem Wege zu 99,5 %igem Elektrolytnickel oder nach dem MOND-Verfahren zu 99,9 %igem Nickel weiterverarbeitet wird.
Beim MOND-Verfahren wird Rohnickel bei höheren Drücken mit Kohlenstoffmonooxid
behandelt. Dabei entsteht flüchtiges Tetracarbonylnickel(0), das beim Erhitzen in
Nickel und Kohlenstoffmonooxid zerfällt. Wesentliche Prozessschritte sind in der Abbildung 3.1 „Verfahrensschritte der Nickelgewinnung“ dargestellt.
Entwickeln Sie für die Reaktionen 1 bis 4 die entsprechenden Reaktionsgleichungen.
Abb. 3.1: „Verfahrensschritte der Nickelgewinnung“
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2003
2.3
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
In einem Prozessschritt der Nickelherstellung entsteht Tetracarbonylnickel(0).
Beschreiben Sie den Aufbau und die chemische Bindung von Komplexverbindungen
am Beispiel dieses Nickelkomplexes.
Vergleichen Sie die chemische Bindung und den Aufbau von Tetracarbonylnickel(0)
und Kaliumhexacyanoferrat(II).
Die Reaktionen 3 und 4 in der Abbildung 3.1 „Verfahrensschritte der Nickelgewinnung“
können als Hin- und Rückreaktion eines chemischen Gleichgewichts betrachtet
werden.
Berechnen Sie für die Reaktionen 3 und 4 die molaren freien Reaktionsenthalpien bei
den Temperaturen ϑ1 = 50 °C und ϑ2 = 180° C.
Stellen Sie den Zusammenhang zwischen den molaren freien Reaktionsenthalpien und
den Temperaturen grafisch dar und interpretieren Sie.
3
Chrom(III)-chlorid
3.1
Wasserhaltiges Chrom(III)-chlorid kommt in drei verschiedenen Formen vor: als dunkelgrünes Dichlorotetraaquachrom(III)-chlorid, als hellgrünes Chloropentaaquachrom(III)-chlorid und als graublaues Hexaaquachrom(III)-chlorid.
Geben Sie die Formeln für die drei genannten Komplexverbindungen an.
3.2
Wird die Lösung von Hexaaquachrom(III)-chlorid mit Universalindikatorpapier geprüft,
so ist eine deutliche Rotfärbung zu beobachten.
Erläutern Sie an diesem Beispiel das Wesen einer Säure-Base-Reaktion. Beziehen Sie
in Ihre Ausführungen die Reaktionsgleichungen für das Protolysegleichgewicht ein.
Berechnen Sie den pH-Wert einer Hexaaquachrom(III)-chlorid-Lösung mit der Konzentration c = 0,001 mol/L.
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2003
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Konstantenanhang
Thermodynamische Daten
0
∆ BHm
in kJ/mol
0
Sm
in J/( K ⋅ mol )
0
30
Tetracarbonylnickel(0)
-615
313
Kohlenstoffmonooxid
-111
198
Nickel
Säurekonstanten
a)
für die vollständige Protolyse von Schwefelwasserstoff: K S = 10 −21 mol 2 / L2
b)
für die erste Protolysestufe des Hexaaquachrom(III)-Ions: K S = 10 −4 mol / L