Schriftliche Vorprüfung
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Gymnasium St. Augustin Schuljahr 2007/2008 Schriftliche Vorprüfung Leistungskursfach Chemie Materialien für den Vorprüfungsteilnehmer Allgemeine Arbeitshinweise Ihre Arbeitszeit (einschließlich der Zeit für Lesen und Auswählen der Aufgaben) beträgt 270 Minuten. Die Prüfungsarbeit besteht aus den zu bearbeitenden Teilen A, B und C (experimenteller Teil). Informieren Sie den Aufsicht führenden Lehrer, wenn Sie mit der experimentellen Bearbeitung des Teils C beginnen möchten. Bei Berechnungen muss der Lösungsweg zu erkennen sein. Werden GTR-Programme genutzt, so muss in der Darstellung des Lösungsweges deutlich werden, aus welchen Eingabedaten mit Hilfe des Programms welche Ergebnisse gewonnen wurden. Die im Anhang angegebenen Daten sind für die Berechnung zu verwenden. Erlaubte Hilfsmittel: – 1 Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung – 1 Grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computer-Algebra-System – 1 Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele – Zeichengeräte 1 Vorprüfungsinhalt Teil A (25 BE) Bearbeiten Sie nachfolgende Aufgaben. Zink und Zinkverbindungen Zink ist ein lebensnotwendiges Spurenelement. Es ist in Organismen z.B. an der Regulierung von Oxidations- und Reduktionsprozessen beteiligt. 1 In wässrigen Lösungen sind Zink(II)-Ionen hydratisiert. 1.1 Erläutern Sie die Reaktion von hydratisierter Zink(II)-Ionen als Säure-Base-Reaktion nach BRÖNSTED. [Zn(H2O)6]2+ + H2O 1.2 ⇄ [Zn(OH)(H2O)5]+ + H3O+ Wird eine Lösung, die Zink(II)-Ionen enthält, mit Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung versetzt, so fällt ein braungelber Niederschlag von Zínk(II)-hexacyanoferrat(III)aus. Entwickeln Sie für die beschriebene Reaktion die Gleichung in Ionenschreibweise. Erreichbare BE-Zahl: 4 2 Die Konzentration von Zink(II)-Ionen in einer Lösung wir durch eine komplexometrische Titration bestimmt. Als Maßlösung dient eine EDTA-Lösung und als Indikator die Verbindung Eriochromschwarz T. 2.1 Erläutern Sie das Prinzip der komplexometrischen Titration unter Beachtung der Endpunktbestimmung. Beziehen Sie in Ihre Ausführungen die nachfolgenden allgemeinen Reaktionsgleichungen ein. Me2+ + HIn2- ⇄ [MeIn]- + H2EDTA2weinrot [MeIn]- + H+ ⇄ Hinweis: Me2+ : Metall-Ion, 2.2 HIn2- + [MeEDTA]2- + H+ blau In : Indikator, H2EDTA2- : EDTA-Lösung Der pH-Wert ist bei dem beschriebenen Analyseverfahren zwischen 8 bis 10 konstant zu halten. Treffen Sie aus den nachfolgenden Chemikalien eine Auswahl zur Herstellung eines geeigneten Puffersystems und begründen Sie Ihre Entscheidung unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen in Ionenschreibweise. Auszuwählende Chemikalien: Chlorwasserstoffsäure (Salzsäure), Natriumchloridlösung, Essigsäure, Ammoniakwasser (Ammoniaklösung), Natriumacetatlösung und Ammoniumchloridlösung. Erreichbare BE-Zahl: 6 2 3 Eine Bestimmung des Zink(II)-Ionengehalts kann auch auf elektrochemischem Wege erfolgen. Aus einer Silberhalbzelle und Zinkhalbzelle wird ein galvanisches Element aufgebaut. Die gemessene Spannung zwischen beiden Halbzellen beträgt U=1,56 V. Berechnen Sie unter Angabe aller Lösungsschritte die Stoffmengenkonzentration an Zink(II)-Ionen in der Halbzelle. Hinweis: Gehen Sie davon aus, dass das Elektrodenpotenzial E(Ag/Ag+)=0,74V beträgt. Erreichbare BE-Zahl: 3 4 Die Phosphatierung von Metallen dient u. a. zum Korrosionsschutz und zur Erhöhung des Haftvermögens von Lacküberzügen auf Metallen. 4.1 Zur Vorbereitung der Zinkphosphatierung werden die Metalle mit Säurelösungen behandelt. Beim Eintauchen von Eisenwerkstücken in eine Phosphorsäurelösung reagieren HydroniumIonen mit Eisenatomen auf der Oberfläche des Metalls u. a. zu Eisen(II)-Ionen. Entwickeln Sie für die beschriebene Vorbehandlung die Gleichung in Ionenschreibweise und erläutern Sie die Veränderung des pH-Wertes in der Lösung. 4.2 Durch Zusatz von Nitrit-Ionen als Oxidationsmittel wird die Wasserstoffentwicklung auf der Metalloberfläche eingeschränkt. Erläutern Sie diese Maßnahme unter Einbeziehung der nachfolgend angegebenen Standardpotenziale. Beziehen sie in Ihre Darlegung die Gleichung für die Reaktion der NitritIonen ein. Hinweis: NO2- reagieren zu NH4+. 4.3 E0=(NH4+/NO2-)=0,87 V E0=(H2/ 2H3O+)=0 V Eine Besonderheit der Zinkphosphatierung ist die Bildung eines schwerlöslichen Zink(II)phosphat-Tetrahydrats aus Hexaaquazink(II)-Ionen und Dihydrogenphosphat-Ionen auf der Werkoberfläche. Entwickeln Sie für die beschriebene Reaktion die Gleichung in Ionenschreibweise. Erreichbare BE-Zahl: 6 5 Die Herstellung von Zink(II)-sulfat erfolgt großtechnisch durch das Auflösen von u.a. mit Mangan- und Eisenverbindungen verunreinigtem Zinkoxid. 5.1 In einer sich anschließenden Reinigungsstufe werden die Eisen(II)-Ionen oxidiert und als schwerlösliches Eisen(III)hydroxid abgetrennt. Ermitteln Sie rechnerisch die mögliche Stoffmengenkonzentration an gelösten Eisen-Ionen in einer Eisen(II)-bzw. einer Eisen(III)hydroxidlösung beim jeweiligen pH-Wert von pH=7. Begründen Sie, weshalb die Oxidation von Eisen nötig ist. 5.2 Die Abtrennung von Mangan(II)-Ionen wird durch nachfolgende Reaktion beschrieben: 2 KMnO4 + 3 MnSO4 + 2 H2O ⇄ 5 MnO2 + K2SO4 + 2 H2SO4 Ermitteln Sie aus der vorgegebenen Gleichung die zugehörigen Teilgleichungen in Ionenschreibweise. Erreichbare BE-Zahl: 6 3 Teil B (20 BE) Bearbeiten Sie nachfolgende Aufgaben. Organische Verbindungen in Natur, Medizin und Technik 1 Die meisten chemisch-techn. Verfahren zur Herstellung von Glycerol gehen von Propen aus. Trivialname: Glycerol (Glycerin) Systematischer Name: Propan-1,2,3.triol 1.1 Geben Sie die Strukturformel für Propen an und erläutern Sie die Bindungsverhältnisse in einer C=C-Doppelbindung anhand des Orbitalmodells. Erklären Sie die unterschiedlichen Bindungslängen (Anhang) in C-C -Einfach-und C=C -Doppelbindungen. 1.2 Der 1. Schritt der Herstellung von Glycerol ist die Chlorierung von Propen zu 3-Chlorprop-1-en. Entwickeln Sie dafür die chemische Gleichung und begründen Sie die Art der Reaktion. 1.3 Erklären Sie ausgehend von den Strukturmerkmalen folgende Eigenschaften des Glycerols: (a) unbegrenzte Mischbarkeit mit Wasser (b) Reaktionsfähigkeit gegenüber Salpetersäure. Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung für die Umsetzung von Glycerol mit Salpetersäure zu Trisalpetersäureglycerolester. Erreichbare BE-Zahl: 11 2 Die quantitative Analyse eines Analgetikums (Schmerzmittel) ergab für den Wirkstoff eine molare Masse M=180,2 g*mol-1. Davon entfallen folgende Massenanteile auf: Kohlenstoff: 60,0 % Wasserstoff: 4,4 % Sauerstoff: 35,6 % Die Verbindung kann auf Grund der beteiligten Strukturen sowohl den Aromaten, den Carbonsäuren und den Estern zugeordnet werden. Ermitteln Sie die Summenformel der Verbindung und eine mögliche Strukturformel. Erreichbare BE-Zahl: 3 3 Unter Biopol versteht man eine Gruppe von vollständig biologisch abbaubaren Kunststoffen, die zunehmend als Verpackungsmaterial Verwendung finden. 3.1 Leiten Sie aus dem folgenden Strukturausschnitt die Strukturformel und die systematischen Namen der Monomere ab. 3.2 Bipol kann in einer exotherm verlaufenden Reaktion zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut werden. Diskutieren Sie einen freiwilligen Verlauf dieser chemischen Reaktion unter Einbeziehung der GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung. Erreichbare BE-Zahl: 6 4 Teil C (15 BE) Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1 Silbernitrat Die quantitative Bestimmung von Silbernitrat in einer wässrigen Lösung kann elektrochemisch durch Potentiometrie oder durch eine Fällungstitration erfolgen. 1 Experiment A: Potentiometrische Bestimmung Im Gefäß 1 befinden sich 50ml Silbernitratlösung bekannter Stoffmengenkonzentration c(AgNO3) = 0,1 mol*l-1. Die Stoffmengenkonzentration der Silbernitratlösung im Gefäße 2 (50ml) ist geringer als die im Gefäß 1. Tauchen Sie nunmehr die beiden Silberbleche in die jeweiligen Gefäße und messen Sie die Spannung zwischen den metallischen Phasen. Als elektrolytischer Stromschlüssel dient ein mit gesättigter Kaliumnitratlösung getränkter Filterpapierstreifen. 1.1 Führen Sie das Experiment durch und notieren Sie Ihr Messergebnis. 1.2 Ordnen Sie den Elektroden des Konzentrationselements die Funktionsräume Anode und Katode zu. Begründen Sie Ihre Entscheidung. 1.3 Berechnen Sie ausgehend von Ihrem Messergebnis die Stoffmengenkonzentration der Silbernitratlösung im Reagenzglas 2. 2 Experiment B: Fallungstitration Bestimmen Sie durch Fällnungstitration die Masse an gelöstem Silbernitrat in der gegebenen Silbernitratlösung. Anbeitsanleitung: Säuern Sie 10ml der Silbernitratlösung aus Gefäß 2 in einem Weithalserlmeyerkolben mit einigen Tropfen verdünnter Salpetersäure an. Geben Sie als Indikator 2ml Ammonium-Eisen(II)sulfatlösung dazu und füllen Sie das Gemisch mit destilliertem Wasser auf ca. 100ml auf. Titrieren Sie anschließend mit Ammoniumthiocyanatlösung als Maßlösung (c=0,05 mol*l-1) bis zum Farbumschlag nach hellorange. 2.1 Führen Sie die Titration mindestens zweimal durch und notieren Sie Ihre Messergebnisse 2.2 Entwickeln Sie für die Fällung von Silberthiocyanat die Reaktionsgleichung in Ionenschreibweise. 2.3 Begründen Sie unter Einbeziehung einer Reaktionsgleichung die auftretende Farbänderung im Bereich des Äquivalenzpunktes der Titration. 2.4 Berechnen Sie ausgehend von Ihren Messergebnissen die Masse an gelöstem Silbernitrat in 50ml Analyselösung. 5 Teil C Aufgabe C 2 (15 BE) Komplexreaktionen des Kupfer(II)-sulfats 1 Die Stabilität von Komplexverbindungen kann qualitativ durch gekoppelte Komplexgleichgewichtsreaktionen überprüft werden. 1.1 Vergleichen Sie experimentell das Stabilitätsverhalten von Kupfer(II)- und Zink(II)-Komplexen. Notieren Sie Ihre Beobachtungen. Experiment A Versetzen Sie in einem Reagenzglas 7ml Zink(II)-sulfatlösung mit 2 Tropfen Ammoniaklösung (ω=10%) und schütteln Sie. Geben Sie 4 ml Ammoniaklösung zum Reaktionsgemisch. Schütteln Sie erneut. Experiment B Teilen Sie die Lösung aus Experiment A und geben Sie in einen Teil der Lösung 3ml Kupfer(II)-sulfatlösung. Nutzen Sie den Inhalt des zweiten Reagenzglases (zweiter Teil der Lösung) als Vergleichslösung. 1.2 Werten Sie die Beobachtungsergebnisse von Experiment A unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen aus. 1.3 Leiten Sie anhand der Beobachtungsergebnisse aus Experiment B Aussagen zu den Komplexstabilitäten der unterschiedlichen Zink(II)und Kupfer(II)-Komplexverbindungen ab und begründen sie diese. Nutzen Sie Reaktionsgleichungen. 2 Bei farbigen Komplexverbindungen lassen sich die stöchiometrischen Verhältnisse des Zentralteilchens zum Liganden durch die „Methode der molaren Verhältnisse“ ermitteln. 2.1 Bestimmen Sie die Anzahl der Ammoniakliganden im Kupfer(II)-Komplex experimentell. Experiment C Geben Sie in 7 Reagenzgläser, die jeweils 1g Ammoniumnitrat enthalten, destilliertes Wasser von 9ml, 8ml, 7ml, 6ml, 5ml, 4ml und 3ml dazu. Schütteln Sie jedes Reagenzglas so lange, bis sich das Salz aufgelöst hat. Versetzen Sie jede Lösung nacheinander mit 1ml Kupfer(II)-sulfatlösung (c=0,1mol*l-1). Vergleichen Sie die jeweiligen Farbänderungen. 2.2 Begründen Sie die Notwendigkeit der Zugabe von Ammoniumnitrat zur Kupfer(II)-sulfatlösung. Beziehen Sie Reaktionsgleichungen ein. 2.3 Leiten Sie aus dem Farbvergleich des Amminkupfer(II)komplexes das Stoffmengenverhältnis von Zentralteilchen und Liganden ab. Geben Sie die Formel für dieses Komplex-Ion an. 6 Anhang: Säurekonstante KS in mol * l-1 KS ( [Zn(H2O)6]2+ ) = 2,45 * 10-10 Basenkonstante KB in mol * l-1 KB ( [Zn(OH)(H2O)5]+ ) = 4,07 * 10-5 Standardpotenziale E0 E0 (Ag/Ag+) = + 0,80 V E0 (Zn/Zn2+) = - 0,76 V HENDERSON-HASSELBALCH-Puffergleichung: pH = pKS + NERNST-Gleichung (bei 25°C) E = E0 + c A - c HA c oxm 0,059V ⋅lg z c rdm Löslichkeitsprodukte KL Stoff KL Fe(OH)2 8 * 10-16 mol3 * l-3 Fe(OH)3 4 * 10-40 mol4 * l-4 Bindungslängen Bindung Bindungslänge in pm Einfachbindung C-C 154 Doppelbindung C=C 134 Molares Volumen von Gasen unter Standardbedingungen: Vm = 24,4 l * mol-1 GIBBS-HELMHOLZ-Gleichung: ∆RG = ∆RH – T * ∆RS 7
