KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT. Abitur April/Mai Chemie (Grundkurs)

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1 KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT Abitur April/Mai 2003 Chemie (Grundkurs) Einlesezeit: Bearbeitungszeit: 30 Minuten 210 Minuten Thema 1 Salze Thema 2 Organische Verbindungen mit funktionellen Gruppen Thema 3 Technische Gase und ihre Verwendung

2 Thema 1: Salze 1 Löslichkeit von Salzen 1.1 Leiten Sie ausgehend von der Struktur des Ammoniumchlorids vier Eigenschaften dieser Substanz ab. 1.2 Experiment Bestimmen Sie experimentell die molare Reaktionsenthalpie für das Lösen von Ammoniumchlorid in Wasser. Lösen Sie dazu 5 g Ammoniumchlorid in 50 ml destilliertem Wasser. Fordern Sie alle notwendigen Geräte an. Beziehen Sie in die Auswertung des Experimentes auch Modellvorstellungen über teilchenmäßige und energetische Veränderungen beim Lösevorgang ein. 1.3 Die Löslichkeit eines Salzes ist von verschiedenen Faktoren und Bedingungen abhängig. Erläutern Sie zwei Möglichkeiten, wie man diesen Sachverhalt bestätigen kann. Beschreiben Sie dazu je ein geeignetes Experiment. 2 Salze in wässrigen Lösungen 2.1 Entwickeln Sie Reaktionsgleichungen zur Herstellung folgender Salze. Geben Sie dabei für Beispiel a) alle Gleichungen ausgehend von den Elementen an: a) Ammoniumchlorid, b) Natriumsulfat und c) Ammoniumnitrat. Bestimmen Sie für alle Reaktionen die Reaktionsart und erläutern Sie am Beispiel c) das Wesen der Reaktionsart. 2.2 Berechnen Sie die ph-werte folgender wässriger Lösungen, formulieren Sie die Ionengleichungen und begründen Sie Ihre Ergebnisse: a) Ammoniumchlorid-Lösung der Konzentration c = 0,1 mol/l und b) in 500 ml Lösung befinden sich 10 g Natriumcarbonat. Entscheiden Sie begründet, aber ohne Berechnung, ob eine wässrige Ammoniumcarbonat-Lösung sauer, basisch oder neutral reagiert. 2.3 In einem Bioreaktor soll ein konstanter, schwach basischer ph-wert eingehalten werden. Folgende Substanzen stehen zur Mischung eines geeigneten Puffersystems bereit: Ethansäure, Ammoniak, Natriumdihydrogenphosphat, Kaliumethanoat (Kaliumacetat), Dinatriumhydrogenphosphat und Ammoniumchlorid. Wählen Sie ein für den Reaktor geeignetes Puffersystem aus und erklären Sie seine Wirkungsweise unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen.

3 3 Kristalline organische Stoffe Proteine kommen in allen Lebewesen vor, um z. B. als Enzyme Stoffwechselvorgänge zu steuern oder als Antikörper Infektionen abzuwehren. Durch die Vielzahl der Aminosäuren, die die Grundbausteine der Proteinmoleküle sind, kommt es zu dieser großen Vielfalt. Entwickeln Sie aus den vorgegebenen Beispielen eine vereinfachte allgemeine Strukturformel für Aminosäuren und benennen Sie die funktionellen Gruppen. Glycin Alanin Phenylalanin Asparagin Serin Aminoethansäure (Glycin) kommt in reiner Form als Zwitterion vor, deshalb besitzt Glycin eine kristalline Struktur. Beschreiben Sie die Bildung dieses Zwitterions: In wässriger Lösung kann Glycin als Ampholyt reagieren. Entwickeln Sie dazu die Reaktionsgleichungen. Bei der Elektrophorese können Aminosäuren durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung auf Grund ihrer Struktur getrennt werden. Beschreiben Sie die Richtung, in der Kationen, Zwitterionen und Anionen nach Anlegen einer Spannung wandern. Geben Sie zwei Faktoren an, von denen die Wanderungsgeschwindigkeit abhängig ist.

4 Thema 2: Organische Verbindungen mit funktionellen Gruppen 1 Alkohole 1.1 Erläutern Sie die Zusammenhänge zwischen Struktur und physikalischen Eigenschaften innerhalb der homologen Reihe der Alkanole am Beispiel der Löslichkeit im Wasser. Interpretieren Sie unter Einbeziehung von Strukturbetrachtungen die Abbildung 2.1 Siedetemperaturen von n-alkanen und Alkanolen. Vergleichen Sie dabei auch beide Graphen. Abb. 2.1: Siedetemperaturen von n-alkanen und Alkanolen 1.2 Stellen Sie für Propan-1,2,3-triol (Glycerin) und für die Isomeren des Butanols die Strukturformeln auf. Benennen Sie die Isomeren des Butanols nomenklaturgerecht und nehmen Sie eine begründete Einteilung aller genannten Alkohole vor. 1.3 Ein Lehrbuch der Medizin enthält folgendes Zitat: Die Leber eines gesunden Mannes baut in einer Stunde ca. 8 g Alkohol ab, pro Tag maximal 80 g, ohne Schaden zu nehmen. Dieser Grenzwert liegt bei Frauen bei 30 g Alkohol pro Tag. Wie viel Alkohol ein Mensch verträgt, hängt von vielen Umständen ab. Diskutieren Sie kurz unter Verwendung des Zitates und der nachfolgenden Tabelle drei Aspekte des Alkoholgenusses. Getränk Masse reiner Alkohol in g pro 100 ml Getränk Bier 3,2 Sekt 8,8 Weinbrand (38-42 %) 32 Rum (45-50 %) 38

5 2 Aldehyde 2.1 Experiment Erhitzen Sie eine Rolle aus Kupferdrahtnetz, so dass sich an der Luft eine schwarze Oberfläche bildet und tauchen Sie diese heiß in einen Erlenmeyerkolben mit Ethanol. Wiederholen Sie diesen Vorgang unter Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen einige Male. Führen Sie mit dem abgekühlten Reaktionsgemisch die FEHLING-Probe durch. Erklären Sie unter Berücksichtigung der Beobachtungen die ablaufenden Reaktionen und formulieren Sie mögliche Reaktionsgleichungen. 2.2 Phenylmethanal (Benzaldehyd) lässt sich mit angesäuerter Kaliumpermanganat- Lösung unter leichtem Schütteln und anschließender Erwärmung zur Reaktion bringen. Formulieren Sie für die Reaktion Teilgleichungen und die Gesamtgleichung in verkürzter Ionenschreibweise und bestimmen Sie die Reaktionsart. 3 Carbonsäuren 3.1 Erklären Sie das Wesen der Säure-Base-Reaktion am Beispiel der Reaktion von Ethansäure mit Wasser. Propansäure, 2-Hydroxypropansäure und 3-Hydroxypropansäure haben verschiedene Säurestärken. Erklären Sie ausgehend von der Struktur der drei Verbindungen die Unterschiede in der Säurestärke. Ordnen Sie diese Verbindungen nach steigender Acidität. Der ph-wert einer Propansäure-Lösung der Konzentration c = 0,1 mol/l wurde mit 2,94 gemessen. Berechnen Sie daraus die Säurekonstante. Begründen Sie, dass Phenylmethansäure (Benzoesäure) nur einen pk S -Wert hat, 2-Hydroxybenzoesäure (Salicylsäure) dagegen zwei pk S -Werte besitzt. Stellen Sie dazu auch die Gleichungen für die Protolysegleichgewichte der beiden Säuren auf. 3.2 Alkohole und Carbonsäuren reagieren in einer Gleichgewichtsreaktion miteinander. 6 mol Ethanol und 2 mol Ethansäure werden zur Reaktion gebracht. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung. Berechnen Sie die im Gleichgewicht vorliegenden Stoffmengen der vier Komponenten, wenn die Konstante K = 4 beträgt.

6 Thema 3: Technische Gase und ihre Verwendung 1 Chlor 1.1 Chlor wird durch Elektrolyse einer Natriumchlorid-Lösung nach verschiedenen Verfahren hergestellt. Das durchzuführende Experiment ist ein Modellversuch für das Diaphragma-Verfahren. Experiment Skizzieren und beschriften Sie eine Versuchsanordnung zur Elektrolyse einer Natriumchlorid-Lösung der Konzentration c = 1 mol/l, die mit 2 Tropfen Phenolphthalein-Lösung versetzt wird. Es stehen Ihnen eine Eisenkathode und eine Graphitanode zur Verfügung. Anoden- und Kathodenraum sind durch ein Diaphragma zu trennen. Beachten Sie bei der Ableitung der entstehenden Gase die Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen. Führen Sie die Elektrolyse bei einer Spannung U 8 V ca. 3 min durch. Beschreiben Sie mithilfe der Beobachtungen die an den Elektroden ablaufenden Reaktionen. Bestimmen Sie deren Reaktionsart unter Einbeziehung der chemischen Zeichensprache und begründen Sie den Einsatz des Diaphragmas. 1.2 Bei der Elektrolyse von 100 ml einer Natriumchlorid-Lösung wird unter Normbedingungen ein Volumen V = 11,2 ml Chlor abgeschieden. Berechnen Sie den ph-wert der entstehenden Lösung. Geben Sie zusammenfassend die Reaktionsprodukte der Natriumchloridelektrolyse an. 1.3 Chlor wird zur Chlorierung von Kohlenwasserstoffen verwendet. Ein Gemisch aus Chlor und Methan wird bei Zimmertemperatur einer UV-Strahlung ausgesetzt. Erklären Sie den Reaktionsmechanismus zur Bildung von Monochlormethan unter Verwendung der Elektronenschreibweise. Benzylchlorid (C 6 H 5 CH 2 Cl) wird durch Chlorierung von Methylbenzol (Toluol) unter UV-Bestrahlung bei 140 C hergestellt. Geben Sie die Reaktionsgleichung mittels Strukturformeln an und begründen Sie die ablaufende Reaktion. 2 Ammoniak 2.1 Das Synthesegas für die Ammoniakherstellung wird durch Umsetzung von Erdgas (Methan) in zwei Teilprozessen hergestellt. Im ersten Teilprozess wird Methan mit Wasserdampf zur Reaktion gebracht und im zweiten reagiert Methan mit Luft. Formulieren Sie für beide Teilprozesse die chemischen Gleichungen. Beschreiben Sie, wie Kohlenstoffmonooxid aus dem Synthesegas entfernt werden kann und begründen Sie diese Maßnahme. 2.2 Die Ammoniaksynthese wird technisch bei einer Temperatur ϑ = 450 C und bei einem Druck p = 30 MPa durchgeführt. Außerdem wird ein Eisenoxidmischkatalysator verwendet. Dabei stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein. Begründen Sie unter Einbeziehung der Reaktionsgleichung und des Massenwirkungsgesetzes die gewählten Bedingungen. Erklären Sie die Prinzipien der technischen Reaktionsführung.

7 3 Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid 3.1 Zur Produktion von Schwefelsäure benötigt man als Ausgangsstoffe Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid. Zuerst wird Schwefeldioxid erzeugt und dieses in einer Gleichgewichtsreaktion am Vanadium(V)-oxid-Katalysator zu Schwefeltrioxid oxidiert. Aus dem Schwefeltrioxid wird dann Schwefelsäure hergestellt. Zur Herstellung von Schwefeldioxid stehen folgende Edukte zur Verfügung: Koks, Calciumsulfat, Eisen(II)-sulfid, Pyrit (FeS 2 ), Schwefelwasserstoff, Schwefel und Luft. Wählen Sie für zwei Möglichkeiten der Herstellung von Schwefeldioxid die Edukte aus und formulieren Sie die Reaktionsgleichungen. Berechnen Sie die molare Standardreaktionsenthalpie für das Schwefeldioxid/ Schwefeltrioxid-Gleichgewicht. Geben Sie drei Verwendungszwecke von Schwefelsäure an. 3.2 Schätzen Sie die Entwicklung der Schwefeldioxidkonzentration anhand der Angaben der nachstehenden Tabelle ein. Geben Sie drei Maßnahmen an, die zur dargestellten Entwicklung führten und beschreiben Sie drei Beispiele für die Wirkung der veränderten Schwefeldioxidkonzentration auf die Umwelt. Bereich Jahr Verkehr Haushalte Kleinverbraucher Industrie Kraft- und Heizkraftwerke Gesamtmasse Tab. 3.1: Angaben zum Ausstoß von Schwefeldioxid (Masse in Kilotonnen) in Deutschland