Abiturprüfung auf Basis der Kernlehrpläne Beispielaufgabe 1

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1 Seite 1 von 4 Name: Abiturprüfung auf Basis der Kernlehrpläne Beispielaufgabe 1 Chemie, Grundkurs Vorbemerkung: Mit dem Abiturjahrgang 2017 legen die ersten Schülerinnen und Schüler ihre Abiturprüfung ab, die in der Gymnasialen Oberstufe nach den neuen kompetenzorientierten Lehrplänen (Inkraftsetzung ) unterrichtet wurden. Grundlage für die Anforderungen im Zentralabitur sind damit von 2017 an die Kompetenzerwartungen der neuen Lehrpläne sowie die fachlichen Vorgaben für das Zentralabitur des jeweiligen Prüfungsjahres. Die neuen Lehrpläne weisen Überprüfungsformen zur Lernerfolgsüberprüfung und Leistungsbewertung aus, aus denen sich auch bezogen auf das Zentralabitur je nach Fach unterschiedlich weit reichende Modifizierungen oder Ergänzungen der bisher üblichen Aufgabenstellungen und -formate im Zentralabitur ergeben. Die folgende Beispielaufgabe dient der Orientierung der Schulen und unterstützt die Vorbereitung der Schülerinnen und Schüler auf die Abiturprüfung von 2017 an. Fragen oder Hinweise zu den Aufgaben richten Sie bitte an abitur.nrw@qua-lis.nrw.de. MSW, Referat 521 / QUA-LiS, Arbeitsbereich 5 1 Weiterentwicklung einer Abituraufgabe aus dem Jahr 2011 im Sinne des neuen Kernlehrplans.

2 Seite 2 von 4 Name: Aufgabenstellung: Blaulauge zur Bestimmung der Säurekonzentration in Wein 1. Erläutern Sie auch anhand einer Skizze des Versuchsaufbaus die Titration von Wein mit Blaulauge. Berechnen Sie die Konzentration der Gesamtsäure der Weinprobe (Versuch) unter der vereinfachenden Annahme, dass nur Weinsäure vorliegt. Überprüfen Sie, ob der Zahlenwert des Blaulaugevolumens der Gesamtsäurekonzentration in g/l entspricht. (22 Punkte) 2. Erläutern Sie unter Angabe von Reaktionsgleichungen die beim Lösen von Weinsäure in Wasser ablaufenden Reaktionen anhand der Säure-Base-Theorie von Brönsted. Stellen Sie jeweils eine begründete Hypothese auf, welche Auswirkungen die malolaktische Gärung auf die Gesamtsäurekonzentration und den ph-wert eines Weins hat. (16 Punkte) 3. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Struktur und Farbigkeit von Bromthymolblau in alkalischer Lösung. Geben Sie die Bereiche der erwarteten Absorptionsmaxima jeweils für die saure und die alkalische Lösung von Bromthymolblau an und erklären Sie die unterschiedliche Farbe auch unter Angabe jeweils einer weiteren mesomeren Grenzstruktur. (22 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: Grafikfähiger Taschenrechner oder CAS Periodensystem Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung

3 Seite 3 von 4 Name: Fachspezifische Vorgaben: Von wesentlicher Bedeutung für den Geschmack und die Haltbarkeit eines Weins ist sein Gehalt an Säuren, der ebenso wie der Gehalt an Alkohol großen Schwankungen unterliegt. Im Wein liegen neben Weinsäure und Äpfelsäure, die den größten Anteil der Gesamtsäure ausmachen, auch zahlreiche weitere Säuren in kleinen Konzentrationen vor. Vereinfacht gibt man die Gesamtsäurekonzentration als Weinsäurekonzentration an. Bei vielen Weinen beträgt die Massenkonzentration der Gesamtsäure zwischen 7,1 g und 7,9 g pro Liter Wein. Nach der Gärung kommt es u. a. zur Umwandlung eines Teils der Äpfelsäure unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid zu Milchsäure, der sogenannten malolaktischen Gärung. Kohlenstoffdioxid entweicht aus dem Wein. Bei einigen Weinen leitet man aus Geschmacksgründen die malolaktische Gärung absichtlich ein. Zur Bestimmung der Säurekonzentration von Wein verwenden Winzer Blaulauge. Blaulauge ist eine Natronlauge der Konzentration c(naoh) = 0,133 mol/l, die mit einigen Tropfen Bromthymolblau-Lösung blau gefärbt ist. Bei der Titration von 10,0 ml Wein entspricht der Zahlenwert des bis zum Farbumschlag des Weins verbrauchten Blaulaugevolumens der Gesamtsäurekonzentration in g/l In einem Laborversuch wurde eine Weinprobe mit Blaulauge zur Bestimmung der Säurekonzentration titriert. Versuch: Titration von Weißwein im Labor 10 ml Wein werden mit Blaulauge (c(naoh) = 0,133 mol/l) titriert. Bis zum Farbumschlag werden 6,4 ml Natronlauge verbraucht. Zusatzinformationen: Weinsäure und Äpfelsäure sind zweiprotonige Säuren. Tabelle 1: Säure vereinfachte Formel pk S -Werte molare Masse Weinsäure HOOC R 1 COOH pk S1 = 2,9 pk S2 = 4,2 150 g/mol Äpfelsäure HOOC R 2 COOH pk S1 = 3,5 pk S2 = 5,1 134 g/mol Milchsäure R 3 COOH pk S = 3,9 90 g/mol Vereinfachend kann angenommen werden, dass die meisten Weine und verdünnte Weinsäure-Lösungen eine Dichte von ρ = 1,0 g/ml haben.

4 Seite 4 von 4 Name: Indikator Bromthymolblau Umschlagsbereich Farben ph 6,0 7,5 sauer: gelb alkalisch: blau O H 3 C CH 3 H 3 C Br OH Br H 3 C CH 3 O O - - H 3 C Br H 3 C CH 3 SO 3 H CH 3 Br H3C CH 3 SO 3 - CH 3 Bromthymolblau, saure Lösung, gelb Bromthymolblau, alkalische Lösung, blau Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe Wellenlänge λ in nm Spektralfarbe Komplementärfarbe < 400 ultraviolett farblos violett gelbgrün blau gelb grünblau orange blaugrün rot grün purpur gelbgrün violett gelb blau orange grünblau rot blaugrün

5 Qualitäts- und Unterstützungsagentur Landesinstitut für Schule Seite 1 von 5 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung auf der Basis der Kernlehrpläne - Beispielaufgabe Chemie, Grundkurs 1. Aufgabenart Bearbeitung einer Aufgabe, die auf fachspezifischen Vorgaben basiert 2. Aufgabenstellung 1 Blaulauge zur Bestimmung der Säurekonzentration in Wein 1. Erläutern Sie auch anhand einer Skizze des Versuchsaufbaus die Titration von Wein mit Blaulauge. Berechnen Sie die Konzentration der Gesamtsäure der Weinprobe (Versuch) unter der vereinfachenden Annahme, dass nur Weinsäure vorliegt. Überprüfen Sie, ob der Zahlenwert des Blaulaugevolumens der Gesamtsäurekonzentration in g/l entspricht. (22 Punkte) 2. Erläutern Sie unter Angabe von Reaktionsgleichungen die beim Lösen von Weinsäure in Wasser ablaufenden Reaktionen anhand der Säure-Base-Theorie von Brönsted. Stellen Sie jeweils eine begründete Hypothese auf, welche Auswirkungen die malolaktische Gärung auf die Gesamtsäurekonzentration und den ph-wert eines Weins hat. (16 Punkte) 3. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Struktur und Farbigkeit von Bromthymolblau in alkalischer Lösung. Geben Sie die Bereiche der erwarteten Absorptionsmaxima jeweils für die saure und die alkalische Lösung von Bromthymolblau an und erklären Sie die unterschiedliche Farbe auch unter Angabe jeweils einer weiteren mesomeren Grenzstruktur. (22 Punkte) 3. Materialgrundlage Würdig, G.; Woller, R.: Chemie des Weines (Handbuch der Lebensmitteltechnologie), Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart 1989, S , nat-working.uni-jena.de/pdf/thema_wein.pdf ( ) Römpps Chemie-Lexikon, 8. Auflage 1985, Stichwort Bromthymolblau 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab.

6 Qualitäts- und Unterstützungsagentur Landesinstitut für Schule Seite 2 von 5 4. Bezüge zu den Vorgaben Inhaltliche Schwerpunkte Inhaltsfeld 2: Säuren, Basen und analytische Verfahren Eigenschaften und Struktur von Säuren und Basen Konzentrationsbestimmung von Säuren und Basen durch Titration Inhaltsfeld 4:Organische Produkte Werkstoffe und Farbstoffe Farbstoffe und Farbigkeit 2. Medien/Materialien entfällt 5. Zugelassene Hilfsmittel Grafikfähiger Taschenrechner oder CAS Periodensystem Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung

7 Qualitäts- und Unterstützungsagentur Landesinstitut für Schule Seite 3 von 5 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen Der Prüfling 1 erläutert auch anhand einer Skizze des Versuchsaufbaus die Titration von Wein mit Blaulauge. (Hinweis: Es wird erwartet, dass der Prüfling Vorlage und Bürette mit eingefüllten Flüssigkeiten beschriftet skizziert und darstellt, dass die Blaulauge unter Umschwenken tropfenweise zum Wein zugesetzt wird.) 2 berechnet die Konzentration der Gesamtsäure der Weinprobe (Versuch) unter der vereinfachenden Annahme, dass nur Weinsäure vorliegt, z. B.: Weinsäure ist eine zweiprotonige Säure. Bei Farbumschlag des Indikators gilt in guter Näherung: n(weinsäure) = ½ n(naoh), also gilt auch: c(weinsäure) V(Weinsäure) = ½ c(naoh) V(NaOH). c(weinsäure) = ½ 0,133 mol/l 6,4 ml : 10 ml = 0,0426 mol/l. Die Stoffmengenkonzentration der Gesamtsäure im Wein berechnet als Weinsäure beträgt c = 0,0426 mol/l. 3 überprüft, ob der Zahlenwert des Blaulaugevolumens der Gesamtsäurekonzentration in g/l entspricht, z. B.: Die Massenkonzentration der Säuren im Wein entspricht β(weinsäure) = c(weinsäure) M(Weinsäure) = 0,0426 mol/l 150 g/mol = 6,38 g/l. Der Zahlenwert der Massenkonzentration der titrierten Weinprobe entspricht der Maßzahl des verbrauchten Natronlaugevolumens. 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) maximal erreichbare Punktzahl Teilaufgabe 2 Anforderungen Der Prüfling 1 erläutert unter Angabe von Reaktionsgleichungen die beim Lösen von Weinsäure in Wasser ablaufenden Reaktionen anhand der Säure-Base-Theorie von Brönsted, z. B.: HOOC R 1 COOH + H 2 O HOOC R 1 COO + H 3 O +. Weinsäure-Moleküle: Säure; Hydrogentartrat-Ionen: korrespondierende Base, Wasser-Moleküle: Base; Oxonium-Ionen: korrespondierende Säure. HOOC R 1 COO + H 2 O OOC R 1 COO + H 3 O +. Hydrogentartrat-Ionen: Säure; Tartrat-Ionen: korrespondierende Base, Wasser-Moleküle: Base; Oxonium-Ionen: korrespondierende Säure. (Hinweis: Die Bezeichnungen Hydrogentartrat- bzw. Tartrat-Ionen werden nicht erwartet.) 2 stellt jeweils eine begründete Hypothese auf, welche Auswirkungen die malolaktische Gärung auf die Gesamtsäurekonzentration und den ph-wert eines Weins hat. maximal erreichbare Punktzahl 8 8

8 Qualitäts- und Unterstützungsagentur Landesinstitut für Schule Seite 4 von 5 (Hinweis: Es wird erwartet, dass der Prüfling auf der Grundlage, dass bei der malolaktischen Gärung aus der Dicarbonsäure Äpfelsäure die Monocarbonsäure Milchsäure entsteht, die Hypothese aufstellt, dass die Gesamtsäurekonzentration sinkt. Es wird weiterhin erwartet, dass der Prüfling mithilfe der angegebenen Informationen zu den pks-werten und Säureanteilen im Wein, die Hypothese aufstellt, dass der ph-wert gleich bleibt bzw. geringfügig steigt.) 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe 3 Anforderungen Der Prüfling 1 erklärt den Zusammenhang zwischen Struktur und Farbigkeit von Bromthymolblau in alkalischer Lösung. (Hinweis: Es wird erwartet, dass der Prüfling in seiner Erklärung Aussagen macht zum Zusammenhang zwischen der blauen Farbe der alkalischen Form von Bromthymolblau und der Absorption gelben Lichts (Komplementärfarbe), zur Anregung von delokalisierten Elektronen sowie zum Vorliegen eines ausgedehnten π- Elektronensystems, das sich über durch ein zentrales Kohlenstoff-Atom verbundene Phenylringe erstreckt.) 2 gibt einen Bereich für das erwartete Absorptionsmaximum von Bromthymolblau begründet an, z. B.: Die sichtbare Farbe von Bromthymolblau ist blau in alkalischer bzw. gelb in saurer Lösung. Das Absorptionsmaximum der blauen alkalischen Lösung liegt im gelben Spektralbereich von λ = nm, das Absorptionsmaximum der gelben sauren Lösung liegt im blauen Spektralbereich von. λ = nm. 3a erklärt die unterschiedliche Farbigkeit von Bromthymolblau in saurer und alkalischer Lösung, z. B.: In alkalischer Lösung erfolgt eine Deprotonierung der Sulfonsäuregruppe und der Hydroxygruppe. Durch die Deprotonierung der Hydroxygruppe wird der +M-Effekt verstärkt, sodass sich die Absorption in den langwelligeren Bereich von blau nach blaugrün verschiebt, die beobachtete Farbe ändert sich von gelb zu blau. 3b erklärt die unterschiedliche Farbigkeit von Bromthymolblau in saurer und alkalischer Lösung auch unter Angabe jeweils einer weiteren mesomeren Grenzstruktur: (Hinweis: Es muss jeweils eine Grenzstruktur angegeben werden, die für die Erklärung der unterschiedlichen Farbigkeit von Bedeutung ist.) 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) maximal erreichbare Punktzahl b) Darstellungsleistung Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 führt seine Gedanken schlüssig, stringent und klar aus. 4

9 Qualitäts- und Unterstützungsagentur Landesinstitut für Schule Seite 5 von 5 2 strukturiert seine Darstellung sachgerecht und übersichtlich, verwendet eine differenzierte und präzise Sprache, veranschaulicht seine Ausführungen durch geeignete Skizzen, Schemata etc., gestaltet seine Arbeit formal ansprechend. 3