KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT. Abitur Januar/Februar Chemie (Leistungskurs)

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1 KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT Abitur Januar/Februar 2002 Chemie (Leistungskurs) Einlesezeit: Bearbeitungszeit: 30 Minuten 300 Minuten Thema 1 Chemie im Dienste des Menschen Thema 2 Hydroxylverbindungen - Hydroxide Thema 3 Herstellungsverfahren der Metalle, ihre typischen Eigenschaften und Reaktionen

2 Thema 1: Chemie im Dienste des Menschen 1 Salzhydrate 1.1 Experiment Ermitteln Sie die molare Reaktionsenthalpie für das Lösen von wasserfreiem Kupfer(II)- sulfat in Wasser. Fordern Sie dazu alle notwendigen Geräte an und lösen Sie 4 g wasserfreies Kupfer(II)-sulfat in 50 ml Wasser. In der Literatur wird für diese Reaktion R H = -73 kj/mol angegeben. Die molare Standardreaktionsenthalpie für das Lösen von Kupfer(II)-sulfat-pentahydrat wurde experimentell mit R H = 6 kj/mol ermittelt. Die Kenntnis dieser beiden Standardreaktionsenthalpien ermöglicht die Bestimmung der molaren Standardreaktionsenthalpie für die Bildung des Hydrats aus dem wasserfreien Salz. Begründen Sie ausführlich unter Einbeziehung der notwendigen Berechnung. 1.2 Wärmeenergie, die bei bestimmten Prozessen frei und normalerweise ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, kann als latente Wärme aufgefasst werden. Salzhydrate gehören zu den Stoffen, die als solche Latentwärmespeicher dienen können. Interpretieren Sie die in der Abbildung als Kreisprozess dargestellten Vorgänge. Abb. 1.1: Beziehungen zwischen Salzhydrat und wasserfreiem Salz 1.3 Da fossile Energieträger in absehbarer Zeit nicht mehr ausreichend zur Verfügung stehen, wird nach nutzbaren Wärmespeichersystemen gesucht. Die Umsetzung von Calciumoxid mit Wasser zu Calciumhydroxid kann zur Wärmespeicherung dienen. Mit einem Kilogramm des Oxids können 2,8 kg Wasser von einer Temperatur ϑ 1 = 0 C auf ϑ 2 = 100 C erwärmt werden. Prüfen Sie durch Berechnung. 2 Elektrochemische Reaktionen 2.1 Vergleichen Sie die Stoff- und Energieumwandlung in einem Primär- und in einem Sekundärelement. Wählen Sie dazu je ein geeignetes Beispiel. Geben Sie die chemischen Gleichungen der Elektrodenreaktionen und die Reaktionsart an. 2.2 Eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts ist die Brennstoffzellen- Technik. Die folgende Skizze zeigt den Aufbau für einen Modellversuch zur Demonstration einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle sowie Anweisungen aus der Versuchsanleitung.

3 Arbeitsschritte zum Versuch: 1. Nach dem Aufbau der Apparatur entsprechend der Skizze ist ca. 2 min lang Schalter 2 zu öffnen und Schalter 1 zu schließen. 2. Schalter 1 ist zu öffnen und die Spannung zwischen den Graphitelektroden ist zu messen. 3. Schalter 2 ist zu schließen. Erläutern Sie unter Einbeziehung von chemischen Gleichungen die an den Elektroden ablaufenden Reaktionen während der drei Arbeitsschritte. Geben Sie den theoretisch möglichen Wert für die messbare Spannung in Arbeitsschritt 2 unter Vernachlässigung von Überspannungen an. 2.3 Zur Nutzung von Brennstoffzellen, die Energie für den Betrieb des Elektromotors eines Fahrzeuges liefern, ist die kontinuierliche Versorgung der Zellen mit Brennstoffen und Oxidationsmitteln zu sichern. Eine diskutierte Möglichkeit den Brennstoff Wasserstoff zu gewinnen, ist die katalytische Reaktion von Methanol mit Wasser. Als Nebenprodukt entsteht Kohlenstoffdioxid. Methanol kann aus Erdgas (Methan) durch katalytische Reaktion mit Wasserdampf und anschließender Umsetzung des entstehenden Synthesegases erzeugt werden. Formulieren Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen. Auf eine andere Möglichkeit, die Zellen mit dem Brennstoff Wasserstoff zu versorgen, geht der folgende Artikel aus einer Tageszeitung ein: Die Brennstoffzellen sollen die Schadstoffemissionen von Fahrzeugen auf Null drücken. Wasserstoff, gewonnen aus Wasser, verbrennt zu Wasser. Noch ist das eine Zukunftsvision, denn die Herstellung des Wasserstoffs und seine Verflüssigung verbrauchen viel Energie. Der Aufwand, Tankstellen und Autos auf flüssigen Wasserstoff umzurüsten, ginge in die Milliarden. Nehmen Sie zu zwei genannten Problemen Stellung. 3 Arzneimittel, Waschmittel, Kunststoffe Wählen Sie aus den folgenden Sachgebieten (1), (2), (3) eines aus. Formulieren Sie mögliche chemische Gleichungen und erläutern Sie am gewählten Beispiel Zusammenhänge zwischen Struktur, Eigenschaften und Verwendung von Stoffen. Erklären Sie das Wesen der betrachteten chemischen Reaktionen. (1) Herstellung von Acetylsalicylsäure (2) Wasserenthärtung und Unterstützung des Waschvorganges durch Pentanatriumtriphosphat und ausgewählte Phosphatersatzstoffe (3) Herstellung von Polyurethankunststoffen

4 Thema 2: Hydroxylverbindungen Hydroxide 1 Struktur, Eigenschaften und Reaktionsverhalten Experiment Ihnen liegen in mit A F gekennzeichneten Gefäßen Stoffproben von Methanol, Ethanol, Natriumhydroxid, Methansäure, Glycerin und Glucose vor. Entwickeln Sie einen Plan zur Identifizierung der genannten Stoffe unter Nutzung physikalischer und chemischer Eigenschaften. Begründen Sie Ihr Vorgehen. Fordern Sie Geräte und Chemikalien an. Führen Sie notwendige Reaktionen durch, sodass Sie eine Zuordnung vornehmen können. Werten Sie Ihre Beobachtungen unter Einbeziehung von Betrachtungen zur Struktur und zur chemischen Bindung der betreffenden Stoffe aus. 2 Methanol und Phenol 2.1 Methanol ist eine sehr bedeutende organische Zwischenverbindung, die hauptsächlich durch katalytische Hydrierung von Kohlenstoffmonooxid (Methanolsynthese) hergestellt werden kann. Formulieren Sie für die genannte Reaktion die Reaktionsgleichung und ordnen Sie diese einer Reaktionsart zu. Diskutieren Sie unter Zuhilfenahme der Angaben aus Tabelle 2.1 sowie unter Einbeziehung des Massenwirkungsgesetzes technisch gewählte Reaktionsbedingungen für möglichst hohe Ausbeuten an Methanol. Katalysator ϑ in C R H in kj/mol R S in J/(K mol) K Zink- und Chromoxide ,7-218,9 8, Kupfer- und Chromoxide ,7-218,9 4, Tab. 2.1: Reaktionsbedingungen und thermodynamische Daten für die Methanolsynthese 2.2 Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K P der Methanolsythese, wenn von der stöchiometrischen Zusammensetzung des Gasgemisches ausgegangen wird und 30 % des Wasserstoffs reagiert haben. Der Gesamtdruck beträgt p = 100 kpa. 2.3 Aus Methanol wird seit 1867 Methanal (Formaldehyd) nach HOFFMANN großtechnisch durch Dehydrierung an Silberkontakten bei einer Temperatur von ϑ = 600 C hergestellt. Geben Sie die Reaktionsgleichung an und begründen Sie rechnerisch, dass diese Reaktion bei der genannten Temperatur freiwillig abläuft. Aus Methanol wird ein wichtiges Folgeprodukt, der Methyl-tert-butylether mit der Formel CH 3 -O-C(CH 3 ) 3, hergestellt. Er erhöht wesentlich die Klopffestigkeit der Vergaserkraftstoffe und entsteht durch säurekatalysierte Anlagerung von Methanol an Methylpropen. Formulieren Sie den Mechanismus für diese Reaktion. ges

5 2.4 Methanol hat im Vergleich zu Hydroxybenzol (Phenol) eine wesentlich kleinere Säurekonstante. Erklären Sie diese Tatsache. Geben Sie begründet zwei verschiedene Substituenten an, die die saure Reaktion an der Hydroxylgruppe verstärken. Berechnen Sie den ph-wert einer Phenol-Lösung mit der Konzentration c = 0,05 mol/l. Die gleichkonzentrierte wässrige p-nitrophenol-lösung hat einen ph-wert von 4,22. Ermitteln Sie rechnerisch aus dieser Angabe die Säurekonstante von p-nitrophenol. 3 Metallhydroxide 3.1 Ein Verfahrensschritt zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse ist der Aufschluss von Bauxit, der größtenteils aus Aluminiumoxid und Wasser besteht. Durch den Einsatz von Natriumhydroxid-Lösung wird das Aluminiumoxid in die lösliche Komplexverbindung Natrium-tetrahydroxoaluminat überführt. Die folgende Zugabe einer Säure zu dieser Lösung führt zur Fällung von Aluminiumhydroxid, aus dem durch Erhitzen das nun gereinigte Aluminiumoxid zurückgewonnen wird. Formulieren Sie für die beschriebenen drei Reaktionen die Reaktionsgleichungen und erklären Sie die dabei ablaufenden Vorgänge. 3.2 Der Boden besitzt je nach Zusammensetzung mehr oder weniger puffernde Wirkung. In einigen Böden kommen sowohl hydratisierte Aluminium-Ionen als auch polymere Hydroxokomplexe des Aluminiums [Al 6 (OH) 15 ] 3+ vor. Bei einem ph-wert kleiner als 4,2 bewirken die polymeren Hydroxokomplexe die Pufferung. Erklären Sie allgemein oder an einem selbstgewählten Beispiel die Wirkung eines Puffersystems. Übertragen Sie diesen Sachverhalt auf das Reaktionsverhalten des beschriebenen Aluminiumpuffers gegenüber einer Säure.

6 Thema 3: Herstellungsverfahren der Metalle, ihre typischen Eigenschaften und Reaktionen 1 Atombau und wichtige Eigenschaften der Metalle 1.1 Aufgrund charakteristischer Eigenschaften ordnet man die Mehrheit der chemischen Elemente den Metallen zu. Beschreiben Sie den Bau der Atome von Kupfer und Aluminium. Begründen Sie die Stellung dieser Elemente im Periodensystem. Leiten Sie vier wesentliche Eigenschaften von Metallen aus deren Bau ab. 1.2 Experiment Prüfen Sie die wässrige Lösung von Aluminiumchlorid mittels Universalindikator- Lösung. Erklären Sie den beobachteten Sachverhalt qualitativ und quantitativ. Berechnen Sie den ph-wert einer Aluminiumchlorid-Lösung der Konzentration c = 0,1 mol/l. Die Reaktivität einer organischen Verbindung kann erhöht werden, wenn diese z. B. als Ligand an Chrom(III)-Ionen gebunden ist. Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Bromierung des in vereinfachter Form abgebildeten Neutralkomplexes: H 3 C C HC C H 3 C O O Cr 3 2 Darstellungsverfahren der Metalle Alle Darstellungsverfahren der Metalle aus ihren Erzen sind Reduktionen der Metallkationen zu elementarem Metall. Das in der Technik meist gebrauchte Metall ist Eisen. Wichtige Reduktionsmittel sind Kohlenstoff (Koks), Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff. Formulieren Sie Reaktionsgleichungen für die Möglichkeiten, Eisen durch Reduktion von Eisen(II)-oxid unter Verwendung der Reduktionsmittel Wasserstoff, Kohlenstoff und Kohlenstoffmonooxid herzustellen. Berechnen Sie die theoretisch erforderliche Mindesttemperatur für die Reduktion von Eisen(II)-oxid durch Wasserstoff.

7 Bei der Bildung des Reduktionsmittels Kohlenstoffmonooxid stellt sich das BOUDOUARD-Gleichgewicht ein: CO 2 + C 2CO. Interpretieren Sie die Abbildungen 3.1 Temperaturabhängigkeit der freien Reaktionsenthalpie G am Beispiel des BOUDOUARD-Gleichgewichtes und 3.2 BOUDOUARD-Gleichgewicht. Begründen Sie in diesem Zusammenhang, dass Eisenoxide in der Reduktions- und Kohlungszone des Hochofens bei Temperaturen ϑ > 800 C hauptsächlich durch Kohlenstoffmonooxid reduziert werden. Abb. 3.1: Temperaturabhängigkeit der freien Reaktionsenthalpie G am Beispiel des BOUDOUARD-Gleichgewichtes Abb. 3.2: BOUDOUARD-Gleichgewicht

8 3 Korrosion der Eisenwerkstoffe 3.1 Durch Korrosion der Metalle, insbesondere durch Rosten von Eisen, treten große wirtschaftliche Verluste auf. Das Arbeitsblatt Lokalelement beim Rosten von Eisen zeigt schematisch den Rostvorgang an der Luft. Der Elektrolyt ist ein Wassertropfen versetzt mit Natriumchlorid-, Phenolphthalein- und Kalium-hexacyanoferrat(III)-Lösung. Die bei dieser Korrosionsreaktion zu beobachtenden Färbungen sind auf dem Arbeitsblatt dargestellt. Erklären Sie die Färbungen unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen. Entnehmen Sie das Arbeitsblatt und beschriften Sie so, dass die wichtigsten Vorgänge des Rostbildungsprozesses deutlich werden. 3.2 Beschreiben Sie am Beispiel von Kalium-hexacyanoferrat(II) die chemischen Bindungen im Komplexsalz und im komplexen Ion nach unterschiedlichen Bindungsmodellen. 3.3 Entwickeln Sie einen begründeten Vorschlag zur Entfernung von Rostflecken aus einem Gewebe. 4 Redoxtitration zur quantitativen Bestimmung von Eisen(II)-Ionen Bei der Analyse eines eisenhaltigen Werkstoffes werden 1,8 g des Werkstoffes in verdünnter Schwefelsäure gelöst. Die Lösung wird mit Wasser auf 250 ml aufgefüllt. Eine Probe mit dem Volumen V = 25 ml wird mit einer angesäuerten Kaliumpermanganat-Lösung der Konzentration c = 0,02 mol/l titriert. Der Endpunkt der Titration ist nach einem Verbrauch von V = 29 ml der Kaliumpermanganat-Lösung erreicht. Entwickeln Sie die wesentliche Reaktionsgleichung in Ionenschreibweise und berechnen Sie die Masse an Eisen m(fe 2+ ) in der Analysenlösung.

9 Arbeitsblatt zu Thema 3: Lokalelement beim Rosten von Eisen

10 Anhang Thermodynamische Daten: Name molare Standardbildungsenthalpie molare Standardentropie in kj/mol in J/(K mol) Eisen 27 Eisen(II)-oxid Methanal Methanol Wasserstoff 131 Größengleichungen: n = n + n n ges ni p i = n 1 ges p 2 ges n Spezifische Wärmekapazität von Wasser: c P = 4,19 J/(g K) Säurekonstante: K S (Phenol) = 1, mol/l