KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT. Abitur Chemie (Leistungskurs) Arbeitszeit: 300 Minuten. Thema 1. Aluminium.

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1 KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT Abitur 2001 Chemie (Leistungskurs) Arbeitszeit: 300 Minuten Thema 1 Aluminium Thema 2 Kohlenwasserstoffe Thema 3 Verlauf chemischer Reaktionen Katalyse

2 Thema 1: Aluminium 1 Aluminiumkomplexe 1.1 Bei der Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse wird Kryolith Na 3 [AlF 6 ] eingesetzt. Benennen Sie diese Komplexverbindung und erläutern Sie die auftretenden chemischen Bindungen. 1.2 Experiment Versetzen Sie in zwei Reagenzgläsern jeweils 5 ml Aluminiumchlorid-Lösung einer Konzentration c = 0,5 mol/l tropfenweise mit Natriumhydroxid-Lösung einer Konzentration c = 2 mol/l bis zum Ausfallen eines Niederschlages. In das erste Reagenzglas geben Sie weiterhin Natriumhydroxid-Lösung tropfenweise hinzu, bis sich der Niederschlag gerade wieder gelöst hat. Dann fügen Sie 5 ml Ammoniumchlorid-Lösung hinzu und erwärmen das Gemisch leicht. In das zweite Reagenzglas geben Sie 3 ml Chlorwasserstoffsäure der Konzentration c = 2 mol/l hinzu und schütteln Sie. Notieren Sie Ihre Beobachtungen und werten Sie diese unter Einbeziehung der Reaktionsgleichungen und der Abbildung 1.1 Löslichkeit des Aluminiumhydroxids in Abhängigkeit vom ph-wert aus. Berechnen Sie die Löslichkeit des Aluminiumhydroxids in reinem Wasser und im Punkt A. 2 Herstellung und Verwendung von Aluminium 2.1 Reinstaluminium wird hauptsächlich in der Kondensatoren- und Halbleiterindustrie, für optische Speichermedien und für Verpackungszwecke eingesetzt. Reinstaluminium stellt man aus Rohaluminium durch elektrolytische Raffination her. Rohaluminium enthält unter anderem die Verunreinigungen Zink, Eisen und Kupfer. Die Raffination wird als Dreischichten-Schmelzflusselektrolyse bei einer Temperatur von ϑ = 750 C durchgeführt (siehe Abbildung 1.2 Schema einer Zelle zur Aluminium-Raffination ). Erläutern Sie das Prinzip einer Raffinationselektrolyse an diesem Beispiel. Geben Sie für die Elektrodenreaktionen Gleichungen an. 2.2 Eisen korrodiert an feuchter Luft beständig weiter. Begründen Sie, warum Aluminium diese Eigenschaft nicht zeigt und erklären Sie, unter welchen Bedingungen reines Aluminium korrodieren könnte. Beziehen Sie dabei die Abbildung 1.3 Einfluss des ph-wertes auf die Korrosion von Aluminium ein. Geben Sie eine Möglichkeit an, den Schutz des Aluminiums elektrochemisch zu verstärken. 2.3 Schwarz angelaufene Silberbestecke können in Geschirrspülmaschinen gereinigt werden, wenn man Aluminiumkörbe und säurehaltige Klarspülmittel verwendet. Erklären Sie den Reinigungsprozess.

3 2.4 Die Thermitreaktion, die Reaktion von Aluminium mit Metalloxiden, ist stark exotherm. Berechnen Sie die Wärmemenge, die bei der Reaktion von 1 mol Mangan(IV)-oxid mit Aluminium entsprechend nachfolgender Gleichung 3 MnO Al 3 Mn + 2 Al 2 O 3 frei wird. Berechnen Sie die Enthalpieänderung, wenn 1 g stöchiometrische Mischung der beiden Ausgangsstoffe reagiert. (Zwischenergebnis zur Kontrolle: In 1 g stöchiometrischer Mischung sind 0,71 g Mangan(IV)-oxid enthalten.) 3 Aluminiumhalogenide Im Jahre 1877 entdeckten FRIEDEL und CRAFTS, dass Benzol mit Halogenalkanen in Gegenwart von Aluminiumhalogeniden reagiert, ebenso reagieren Benzolderivate. Formulieren Sie für folgende Synthesen die Reaktionsgleichungen und benennen Sie jeweils den Reaktionsmechanismus: a) Methylbenzol wird aus Benzol und Monochlormethan hergestellt und b) 2-Hydroxymethylbenzol (2-Hydroxytoluol) wird aus Phenol und Monochlormethan hergestellt. Ordnen Sie die Verbindungen der folgenden Gruppe nach abnehmender Reaktivität gegenüber elektrophiler Substitution und begründen Sie ihre Anordnung: C C l 3 C H 3 C H C l 2 C H 2 C l In einer weiteren Reaktion soll das Methylbenzol an der Methylgruppe bromiert werden. Geben Sie dazu geeignete Versuchsbedingungen an. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und erläutern Sie den Reaktionsmechanismus.

4 Thema 2: Kohlenwasserstoffe 1 Ethin 1.1 Früher wurde Ethin (Acetylen) aus Calciumcarbonat (Kalkstein) über die Zwischenstufen Calciumoxid (Branntkalk) und Calciumcarbid (CaC 2 ) unter Einsatz von Koks und Wasser hergestellt. Heute gewinnt man Ethin bevorzugt durch Umsetzung von Methan im elektrischen Lichtbogen, wobei neben Ethin auch noch Wasserstoff entsteht. Formulieren Sie für beide Verfahren die Reaktionsgleichungen. Beschreiben Sie auf der Grundlage des Orbitalmodells die Bindungsverhältnisse im Ethinmolekül. 1.2 In der folgenden Tabelle sind molare Standardbildungsenthalpien ( B H ) und molare Standardverbrennungsenthalpien ( V H ) gegeben. B H in kj/mol V H in kj/mol Ethan Ethen Ethin Bestätigen Sie den Wert der molaren Standardverbrennungsenthalpie für Ethin, indem Sie die molare Standardreaktionsenthalpie für die Verbrennung von 1 mol dieses Stoffes berechnen. Die molaren Standardverbrennungsenthalpien sind auf flüssiges Wasser als Produkt zu beziehen. Erklären Sie die Unterschiede innerhalb der molaren Standardbildungsenthalpien und der molaren Standardverbrennungsenthalpien der drei tabellarisch erfassten Kohlenwasserstoffe. Bei der Verbrennung von Ethan mit reinem Sauerstoff wird wesentlich mehr Wärme frei als bei der Verbrennung von Ethen und Ethin. Formulieren Sie die jeweiligen Reaktionsgleichungen. Unter vergleichbaren Bedingungen ist dennoch die Ethinflamme heißer als die der anderen beiden Kohlenwasserstoffe und kann 3000 K erreichen. Deshalb wird sie bevorzugt zum autogenen Schweißen verwendet. Geben Sie eine begründete Vermutung zur Erklärung dieses Sachverhaltes. 2 Aromatische Verbindungen 2.1 Aus Ethin kann in Gegenwart eines Katalysators Benzol hergestellt werden. Wird in einer entsprechenden Synthese Propin anstelle von Ethin eingesetzt, so erhält man 1,3,5-Trimethylbenzol (Mesitylen). Formulieren Sie für beide Reaktionen die Reaktionsgleichungen. Benzol ist der einfachste aromatische Kohlenwasserstoff. Geben Sie die charakteristischen Merkmale des aromatischen Zustandes (Bau/ Molekülgeometrie und Bindungsverhältnisse) sowie das typische Reaktionsverhalten aromatischer Kohlenwasserstoffe an.

5 2.2 Die Methylgruppen des Mesitylens reagieren bei UV-Licht-Bestrahlung mit Brom. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Bromierung und benennen Sie den Reaktionsmechanismus. Berechnen Sie die Masse an Brom für die vollständige Bromierung von 10 g Mesitylen. 3 Reaktivität der Aromaten 3.1 Wichtige Reaktionen sind die elektrophilen Substitutionen am aromatischen Kern. Beschreiben Sie den Reaktionsmechanismus für die Alkylierung von Mesitylen mit Monofluorethan in Anwesenheit von Bortrifluorid (BF 3 ). Nach dem gleichen Reaktionsmechanismus erfolgt die direkte Iodierung von Benzol. Durch die Zugabe von Silbersalz wird der Verlauf dieser Reaktion stark begünstigt. + I 2 + AgNO 3 I + AgI + HNO 3 Begründen Sie eine Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes zugunsten des Reaktionsproduktes Monoiodbenzol. 3.2 Experiment Prüfen Sie die Wahrheit der Aussage: Toluol (Methylbenzol) reagiert in der Wärme unter bestimmten Bedingungen mit Kaliumpermanganat-Lösung, wobei Mangan(II)-Ionen gebildet werden. Protokollieren Sie Ihre experimentelle Prüfung. Erläutern Sie an diesem Beispiel das Wesen der Reaktionsart. 3.3 Ein Benzolderivat A hat die Summenformel C 9 H 12. Geben Sie für die acht Isomeren von A die Strukturformeln an. Wird A mit Brom und Eisen(III)-bromid als Katalysator zur Reaktion gebracht, so entsteht neben Bromwasserstoff nur ein Monobromderivat B. Setzt man dagegen A mit Brom unter dem Einfluss von UV-Licht um, so entsteht neben Bromwasserstoff ein anderes Monobromderivat C. Kennzeichnen Sie das Isomere von A, das in der beschriebenen Weise reagiert.

6 Thema 3: Verlauf chemischer Reaktionen Katalyse 1 Chemische Reaktivität 1.1 Methan ist als Hauptbestandteil von Erdgas sowohl wichtiger Rohstoff als auch Primärenergieträger. Entwickeln Sie eine Reaktionsgleichung für die vollständige Oxidation von Methan. Zeigen Sie durch Berechnung, dass diese Reaktion energetisch möglich ist. Formulieren Sie eine Vermutung, weshalb diese Reaktion dennoch bei Raumtemperatur nicht spontan abläuft. Berechnen Sie den theoretischen Luftbedarf für die vollständige Verbrennung von 1 kg Methan bei T = 273,15 K und p = 101,3 kpa. 1.2 Alkene reagieren bereits bei Raumtemperatur ohne Lichtzufuhr mit Brom. Formulieren Sie eine Gleichung für die Reaktion von Propen mit Brom und benennen Sie den Mechanismus. Notieren Sie die Strukturformeln der folgenden technisch wichtigen Alkene bzw. Alkenderivate und ordnen Sie diese nach zunehmender Reaktivität gegenüber Brom: Propen, Monochlorethen, 2-Methylpropen und Tetrachlorethen. Begründen Sie Ihre Entscheidung. Beurteilen Sie die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel für das Brom hinsichtlich der Geschwindigkeit der betrachteten Reaktion. 1.3 Experiment Reaktion von Tartrat-Ionen mit Wasserstoffperoxid: - OOC-(CHOH) 2 -COO H 2 O 2 4 CO H 2 O + 2OH - Versetzen Sie in einem 250 ml-erlenmeyerkolben 6 g Kalium-Natrium-Tartrat mit 100 ml Wasser. Halbieren Sie die Lösung und versetzen Sie den ersten Teil mit 10 ml 15%iger Wasserstoffperoxid-Lösung. Erwärmen Sie die Lösung vorsichtig bis zum Einsetzen einer Gasentwicklung und notieren Sie die Temperatur. In einem zweiten Versuch wird der zweite Teil der Lösung zunächst mit 10 ml 15%iger Wasserstoffperoxid-Lösung und anschließend mit 5 ml 20%iger Cobalt(II)- salz-lösung versetzt. Es ist wiederum vorsichtig zu erwärmen. Notieren Sie die Temperatur beim Einsetzen der Gasentwicklung. Protokollieren Sie. Erläutern Sie an diesem Beispiel den Katalysatorbegriff und interpretieren Sie die vorliegende Reaktion in der Auswertung als Redoxreaktion.

7 2 Arten der Katalyse 2.1 Formulieren Sie für die folgenden fünf Beispiele die Reaktionsgleichungen. Wählen Sie aus den genannten Beispielen eine heterogene Katalyse aus und beschreiben Sie deren Ablauf. Beispiel 1: Hydrierung von Ethen am Platinkatalysator Beispiel 2: Säurekatalysierte Veresterung von Ethanol mit Ethansäure Beispiel 3: Herstellung von Ammoniak aus den Elementen am eisenoxidhaltigen Mischkatalysator Beispiel 4: Durch Kaliumiodid-Lösung katalysierte Zersetzung von Wasserstoffperoxid Beispiel 5: Herstellung von Methanol aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff am Chrom(III)-oxid/Zink(II)-oxid-Mischkatalysator 2.2 In einem Schülerexperiment wurden 5 ml Ethandisäure (Oxalsäure) mit zwei Tropfen einer angesäuerten Kaliumpermanganat-Lösung versetzt. Die Zeit bis zur Entfärbung betrug t = 150 s. Anschließend wurden in dasselbe Reagenzglas zwei weitere Tropfen der angesäuerten Kaliumpermanganat-Lösung gegeben. Die Zeit bis zur abermaligen Entfärbung betrug t = 70 s. In einem weiteren Experiment wurden 5 ml Oxalsäure zunächst mit zwei Tropfen Mangan(II)-salz-Lösung und dann mit zwei Tropfen angesäuerter Kaliumpermanganatlösung versetzt. Die Entfärbung erfolgte sofort. Erklären Sie die verschiedenen Beobachtungen unter Einbeziehung der Reaktionsgleichung. 3 Katalyse und chemisches Gleichgewicht 3.1 Das Kontaktverfahren ist ein wichtiges katalytisches Verfahren zur Schwefelsäureherstellung. Begründen Sie unter Einbeziehung der Abbildung 3.1 Einfluss von Temperatur und Katalysator auf die Lage und die Einstellzeit des SO 2 /SO 3 -Gleichgewichtes und des MWG die bei diesem Verfahren technisch gewählten Reaktionsbedingungen. Der Katalysator Kaliumvanadat ist der meistverwendete Sauerstoffüberträger. Für die Erklärung der katalytischen Wirkung wird vereinfachend angenommen, dass Vanadium(IV)-Ionen durch Sauerstoff zu Vanadium(V)-Ionen oxidiert werden. Schwefeldioxid verbindet sich mit den entstehenden Oxid-Ionen unter Rückbildung der Vanadium(IV)-Ionen zu Schwefeltrioxid. Formulieren Sie die beschriebenen Teilschritte der Katalyse mit Hilfe der chemischen Zeichensprache. 3.2 Durch einen Röstprozess von Pyrit werden 100 L Gasgemisch der Zusammensetzung 10 Vol.-% SO 2, 12 Vol.-% O 2 und 78 Vol.-% N 2 erhalten. Im Kontakverfahren wird bei 850 K aus diesem Gasgemisch bei Normaldruck (p o = 101,3 kpa) Schwefeltrioxid erzeugt. Die Ausbeute an Schwefeltrioxid beträgt 88 %. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K P.

8 Anhang Abbildungen zum Thema 1: Aluminium Abb. 1.1: Löslichkeit des Aluminiumhydroxids in Abhängigkeit vom ph-wert Abb. 1.2: Schema einer Zelle zur Aluminium-Raffination

9 Korrosionsverlust in g/m 2 ph-wert Abb. 1.3: Einfluss des ph-wertes auf die Korrosion von Aluminium Abbildung zum Thema 3: Verlauf chemischer Reaktionen Katalyse Abb. 3.1: Einfluss von Temperatur und Katalysator auf die Lage und die Einstellzeit des SO 2 /SO 3 -Gleichgewichts

10 Konstantenanhang Molare Standardbildungsenthalpien B H o (CO 2 ) = -393 kj/mol B H o (H 2 O) l = -286 kj/mol Größengleichungen p = p + p ges p = i Vi V ges 1 p 2 ges p n