Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Chemie

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1 Sächsisches Staatsministerium für Kultus Geltungsbereich: - Allgemein bildendes Gymnasium - Abendgymnasium und Kolleg Schuljahr 2004/05 - Schulfremde Prüfungsteilnehmer Schriftliche Abiturprüfung Leistungskursfach Chemie NACHTERMIN Material für den Prüfungsteilnehmer Allgemeine Arbeitshinweise Ihre Arbeitszeit (einschließlich der Zeit zum Lesen aller Aufgaben und der Zeit zur Auswahl der Wahlaufgabe) 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 Berechnungen zu verwenden. Erlaubte Hilfsmittel: Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung Grafikfähiger, programmierbarer Taschenrechner ohne Computer-Algebra-System (GTR) Tabellen- und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele (im Unterricht eingeführt) Zeichengeräte

2 Prüfungsinhalt Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Teil A (25 BE ) Chemie und Umwelt 1 Bei der Verbrennung von Kraftstoffen bilden sich in Otto-Motoren u.a. die umweltbelastenden Gase Kohlenstoffmonooxid und Stickstoffmonooxid. 1.1 Kohlenstoffmonooxid und Stickstoffmonooxid reagieren bei der katalytischen Abgasreinigung miteinander zu Stickstoff und Kohlenstoffdioxid. Diese Reaktion verläuft exotherm. Entwickeln Sie dazu die Reaktionsgleichung. Erläutern Sie anhand eines Energiediagramms den Einfluss eines Katalysators auf die Aktivierungsenergie. 1.2 Erläutern Sie die Ausbildung der chemischen Bindung im Stickstoffmolekül unter energetischem Aspekt anhand der nachfolgenden Abbildung. Ordnen Sie die Begriffe Bindungsenergie und Bindungslänge zu. 1.3 Für die Umsetzung von Kohlenstoffmonooxid mit Wasserdampf zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff werden folgende temperaturabhängige Gleichgewichtskonstanten (K c ) ermittelt: Temperatur in K K C 16 4,5 Leiten Sie unter Einbeziehung der angegebenen Messwerte ab, ob die genannte Reaktion exotherm oder endotherm verläuft. Erreichbare BE-Anzahl: 9

3 2 Der Luftschadstoff Schwefeldioxid entsteht u.a. beim Verbrennen von schwefelhaltigen fossilen Brennstoffen in Kraftwerken. In einem zweistufigen Rauchgasentschwefelungsverfahren wird Schwefeldioxid in eine gesättigte Calciumsulfitlösung eingeleitet. Das dabei gebildete Calciumhydrogensulfit reagiert mit Calciumhydroxid und Luftsauerstoff weiter zu Calciumsulfat. 2.1 Entwickeln Sie die Reaktionsgleichungen für diese Rauchgasentschwefelung. 2.2 Berechnen Sie den ph-wert der Calciumhydrogensulfitlösung. Gehen Sie davon aus, dass die gesättigte Calciumsulfitlösung vollständig reagiert hat. Hinweis: K L (CaS0 3 ) = mol 2 l Im Tessiner Bergsee wirkt der hohe Anteil an Gibbsit (Aluminiumhydroxid) regulierend auf den ph-wert. Wird aber der ph-wert durch sauren Regen stark abgesenkt, löst sich der Gibbsit auf. Die entstehenden Hexaaquaaluminium-lonen wirken als Fischgift. Diskutieren Sie unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen modellhaft den Einfluss hoher Schwefeldioxideinträge in dieses wässrige System. Erreichbare BE-Anzahl: 11 3 Moderne und umweltschonendere Bleich- und Entkeimungsverfahren in der Textil- und Abwasserindustrie werden unter Verwendung von Natriumchlorit (NaCl0 2 ) durchgeführt. Die Natriumchloritgewinnung kann vereinfacht mit folgender Reaktionsgleichung beschrieben werden: 2 Cl0 2 + H NaOH 2 NaCl H Ermitteln Sie für diese Reaktion die Reaktionsart und entwickeln Sie dafür die Teilgleichungen in lonenschreibweise. 3.2 In Wasser eingeleitetes Chlordioxid wirkt auf Eisenwerkstoffe weniger korrodierend als eingeleitetes Chlor. Begründen Sie diese Aussage unter Einbeziehung von Redoxpotenzialen. Hinweis: E 0 (Fe/Fe 2+ ) = - 0,44 V E(Cl0 3 - /Cl 2 ) = 1,09 V (ph = 6) E(Cl0 3 - /Cl0 2 ) = 0, 51 V (ph = 6) Erreichbare BE-Anzahl: 5

4 Teil B (20 BE ) Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe. Die Vielfalt der organischen Stoffe 1 Mehrfachbindungen können in Molekülen von Kohlenwasserstoffverbindungen neben denen zwischen C-Atomen auch zwischen C- und 0- Atomen auftreten. 1.1 Geben Sie zwei funktionelle Gruppen mit chemischen Zeichen und Namen an, in denen eine C-0-Doppelbindung auftritt. 1.2 Durch Elementaranalyse wurde für zwei verschiedene Substanzen die Summenformel C 3 H 6 O 2 bestimmt. Der eine Stoff reagiert ohne Nebenprodukte mit Brom und lässt sich mit Säuren verestern. Erstellen Sie unter Nutzung dieser Angaben einen Strukturvorschlag und benennen Sie diesen Stoff mit dem systematischen Namen. Der zweite Stoff lässt sich durch Kochen mit Natronlauge zersetzen. Dabei entweicht ein Produkt, welches mit Borsäure verestert mit intensiv grüner Flamme brennt. Geben Sie auf dieser Grundlage die Formel und den Namen des untersuchten Stoffes an. 1.3 Entwickeln Sie die Reaktionsgleichungen für die Reaktion des zweiten Stoffes mit Natronlauge und für die nachfolgende Reaktion des dabei entweichenden Produktes mit Borsäure. Erreichbare BE-Anzahl: 8 2 Styrol (Styren) und trans-stilben sind Derivate des Ethens. Sie werden als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Thermoplasten bzw. Farbstoffen eingesetzt. 2.1 Die Herstellung von Styrol erfolgt in zwei Schritten. Zuerst reagieren Ethen und Benzol (Benzen) zu Ethylbenzol, das anschließend zu Styrol dehydriert wird. Entwickeln Sie für beide Schritte die Reaktionsgleichungen. 2.2 Trans-Stilben hat folgende vereinfachte Formel: CH H 6 5 \, C= C Erläutern Sie, warum Stilben unter Normbedingungen fest, Styrol dagegen flüssig ist.

5 2.3 Styrol-Butadien-Kautschuk ist ein Ausgangsstoff für die Reifenproduktion. Geben Sie einen charakteristischen Strukturausschnitt des linearen Makromoleküls an. 2.4 Polystyrol kann durch Pyrolyse (Erhitzen unter Luftabschluss) in Monomere zerlegt werden. Diskutieren Sie unter Einbeziehung der GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung, dass die Pyrolyse ein thermodynamisch freiwilliger Vorgang ist. Erreichbare BE-Anzahl: 8 3 Nitroglycerin (Trisalpetersäureglycerinester) ist ein wichtiger Explosivstoff, welcher durch das Einleiten von Glycerin (Propan-1,2,3-triol) in konzentrierte Salpetersäure unter starker Kühlung entsteht. 3.1 Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung für die Bildung des Nitroglycerins und nennen Sie die Reaktionsart. 3.2 Die unter 3 genannte Reaktion läuft in Anwesenheit von konzentrierter Schwefelsäure ab. Geben Sie zwei Funktionen dieses Zusatzes an. Erreichbare BE-Anzahl: 4

6 Teil C (15 BE) Wählen Sie eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeiten Sie diese. Aufgabe C 1 Elektrochemische Korrosion und Korrosionsschutz Korrosionserscheinungen verursachen in Deutschland jährlich Schäden in Milliardenhöhe. Untersuchen Sie Korrosionserscheinungen unter verschiedenen Bedingungen. 1 Rost kann als Folge der Sauerstoffkorrosion an Eisen entstehen. 1.1 Das bereitgestellte Reagenzglas ist mit Sauerstoff gefüllt. Geben Sie etwas angefeuchtete Eisenwolle in das Reagenzglas und verschließen Sie es sofort mit dem Stopfen, welcher ein Kapillarrohr enthält. Das Kapillarrohr wird in Wasser getaucht. Notieren Sie alle Beobachtungen. Hinweis: Versuchsdauer ca. 10 Minuten 1.2 Werten Sie Ihre Beobachtungsergebnisse aus. 1.3 Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung der Sauerstoffkorrosion. Gehen Sie von den Elektrodenreaktionen aus und ordnen Sie die Begriffe Anode und Katode zu. 2 Untersuchen Sie experimentell die Reaktionen in einem galvanischen Element aus Eisen und Kupfer. 2.1 Bauen Sie das galvanische Element anhand der Abbildung auf. Notieren Sie alle Beobachtungen. Hinweis: Versuchsdauer ca. 5 Minuten. 2.2 Entscheiden und begründen Sie, welche Vorgänge an den Elektroden durch die Farbänderung angezeigt werden. 2.3 Geben Sie die Richtung des Elektronenflusses an. 2.4 Entwickeln Sie für die Reaktion der Kaliumhexacyanoferrat(III)-lösung eine Reaktionsgleichung in lonenschreibweise.

7 3 Korrosionsschäden können durch geeignete Maßnahmen verhindert werden. Beschreiben Sie den elektrochemischen Schutz von Metallen durch das Verwenden von sogenannten Opferanoden an einem selbstgewählten Beispiel. Entwickeln Sie für die Anodenreaktion die Reaktionsgleichung in lonenschreibweise. Aufgabe C 2 Estergleichgewichte Untersuchen Sie die Einstellung eines Estergleichgewichts und bestimmen Sie experimentell die Gleichgewichtskonstante. 1 Propansäure und Propanol reagieren in einer Gleichgewichtsreaktion zu einem Ester. Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung für die Bildung des Esters unter Verwendung von Strukturformeln. 2 Untersuchen Sie die Einstellung des chemischen Gleichgewichts nach folgender Anleitung. Hinweis: Es muss auf sehr genaues Arbeiten (Messen und Ablesen) geachtet werden Geben Sie in 5 Messzylinder jeweils 2 Tropfen Sudan(III)-Rotlösung und füllen Sie mit destilliertem Wasser auf 5 ml auf. - Versetzen Sie in 5 Reagenzgläsern je 1 ml Propanol mit 1 ml Propansäure (C) und 3 Tropfen konzentrierter Schwefelsäure (C). - Erwärmen Sie die Reagenzgläser im Wasserbad auf 60 C. - Nehmen Sie anschließend das 1. Reagenzglas nach 20 Sekunden 2. Reagenzglas nach 1 Minute 3. Reagenzglas nach 5 Minuten 4. Reagenzglas nach 10 Minuten 5. Reagenzglas nach 15 Minuten aus dem Wasserbad und gießen Sie das Reaktionsgemisch jeweils in einen der vorbereiteten Messzylinder. - Lesen Sie die Volumina der oberen Phasen ab. - Erfassen Sie tabellarisch Volumina und Reaktionszeiten. 2.2 Stellen Sie Ihre experimentell ermittelten Werte grafisch dar und interpretieren Sie diese.

8 2.3 Berechnen Sie unter Einbeziehung des erhaltenen Volumens an Ester nach 15 Minuten die Gleichgewichtskonstante unter der Annahme, dass sich das Gleichgewicht dann eingestellt hat. Nutzen Sie dazu folgende Angaben zur Dichte der Verbindungen: Propansäure Propanol Propansäurepropylester Dichte 0,99 g cm -3 0,8 g cm -3 0,85 g cm -3 Hinweis: Das vorgelegte Wasser ist bei der Berechnung nicht zu berücksichtigen. 2.4 Vergleichen Sie die experimentell ermittelte Gleichgewichtskonstante mit dem Literaturwert K c = 4. Nennen Sie zwei mögliche Fehlerquellen.