Chemie. Leistungskurs. Beispielaufgabe A 4. Auswahlverfahren: Hessisches Kultusministerium. Landesabitur 2007 Beispielaufgaben

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1 Hessisches Kultusministerium Landesabitur 27 Beispielaugaben Chemie Leistungskurs Beispielaugabe A 4 Auswahlverahren: Von vier Teilaugaben (A1 A4) müssen drei Teilaugaben bearbeitet werden. Einlese- und Auswahlzeit: Bearbeitungszeit: 3 Minuten 24 Minuten Erlaubte Hilsmittel: Sonstige Hinweise: Beigeügtes Periodensystem der Elemente, eingeührter Taschenrechner (bei graphikähigen Rechnern und Computeralgebrasystemen ist ein Reset durchzuühren), Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung keine 1

2 Landesabitur 27 Beispielaugaben 25_CH-LK_A 4 I. Thema und Augabenstellung Chemisches Gleichgewicht und Energieumsatz Augaben Die Gewinnung von Metallen aus den dazugehörigen Oxiden gelingt in vielen Fällen mit Hile von elementarem Kohlensto. Dabei inden zwei voneienander abhängige Reaktionen statt. Im ersten Schritt wirkt der Kohlensto als Reduktionsmittel, wobei Kohlenstodioxid zu Kohlenstomonoxid umgewandelt wird. Bei der Bildung des Kohlenstomonoxids handelt es sich um eine Gleichgewichtsreaktion, die man als BOUDOUARD-Gleichgewicht bezeichnet. Das dabei gebildete Kohlenstomonoxid reduziert in einer zweiten Reaktion die vorhandenen Metalloxide. Mit Hile der GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung lassen sich Voraussagen über die Eektivität der Gewinnung bestimmter Metalle nach diesem Prinzip machen. 1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung ür das BOUDOUARD-Gleichgewicht. (2 BE) 2. Unter Standardbedingungen verläut die Reaktion endotherm. Diskutieren Sie die Möglichkeiten, die Lage des Gleichgewichts zu beeinlussen. (8 BE) 3. Berechnen Sie die Freien Reaktionsenthalpien ür den Reaktionsschritt, der mit Hile von Kohlenmonoxid zur Gewinnung von a) Mangan aus Mangandioxid und b) Aluminium aus Aluminiumoxid ührt und diskutieren Sie die erhaltenen Werte im Hinblick au die Möglichkeit einer Metallgewinnung nach diesem Verahren. (25 BE) 4. Die GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung lässt auch Aussagen darüber zu, bei welcher Temperatur eine sonst endergonische Reaktion spontan ablauen kann. Berechnen Sie die Temperatur ür eine Reaktion, ür die unter Standardbedingungen olgende Werte gelten: Reaktionsenthalpie: R H = +172,5 kj/mol Reaktionsentropie: R S = +176,5 J/mol. K (5 BE) 2

3 Landesabitur 27 Beispielaugaben 25_CH-LK_A 4 Material H [kj/mol] Standardbildungsenthalpie bei 25 C (298 K) und 11,3 kpa S [J/mol K] Standardentropien bei 25 C (298 K) und 11,3 kpa H S H S H S Aluminium Kohlensto Mangan Al (s) 28 C (s, Graphit) 6 Mn (s) 32 Al (g) C (s, Diamant) 2 2 Mn (g) Al 3+ (aq) C (g) Mn 2+ (aq) AlBr 3 (s) CBr 4 (s) Mn 3+ (aq) 1 Al 4 C 3 (s) CBr 4 (g) MnCO 3 (s) AlCl 3 (s) CCl 4 (l) MnCl 2 (s) AlF 3 (s) CCl 4 (g) MnCl 2 4 H 2 O (s) AlI 3 (s) CF 4 (g) Mn(NO 3 ) 2 (s) 574 Al 2 O 3 (s) CI 4 (g) 392 MnO (s) Al(OH) 4 (aq) C 2 N 2 (g) Mn 3 O 4 (s) Al 2 (SO 4 ) 3 (s) CN (aq) Mn 2 O 3 (s) CO (g) MnO 2 (s) CO 2 (g) Hinweis: Über den zur Berechnung nötigen Temperaturbereich können die Werte ür die Standardblidungsenthalpien und Standardentropien als praktisch constant angesehen werden. 3

4 Landesabitur 27 Beispielaugaben 25_CH-LK_A 4 Korrektur- und Bewertungshinweise - nicht ür den Prüungsteilnehmer bestimmt - II. Erläuterungen Voraussetzungen gemäß Lehrplan: 13.1 Enthalpie, Entropie: Exergonische und endergonische Reaktionen Umkehrbare Reaktionen und chemisches Gleichgewicht III. Lösungshinweise Augabe 1 C (s) + CO 2 (g) 2 CO (g) Augabe 2 - Die Hinreaktion verläut endotherm, also verbraucht sie Wärme. - Die Hinreaktion ührt zu mehr Gasteilchen, also steigt das Volumen. - Die Rückreaktion verläut exotherm und lieert Wärme. - Die Rückreaktion ührt zu weniger Gasteilchen, also sinkt das Volumen. - Gemäß dem Prinzip vom Zwang von Le Chatelier bieten sich zwei Möglichkeiten, die Lage des Gleichgewichts zu beeinlussen. - Die Hinreaktion lässt sich durch Wärmezuuhr ördern - Die Rückreaktion lässt sich durch Wärmeentzug ördern. - Die Hinreaktion lässt sich durch Druckerniedrigung / Volumenvergrößerung ördern. - Die Rückreaktion lässt sich durch Druckerhöhung / Volumenverkleinerung ördern. Augabe 3 MnO CO Mn + 2 CO 2 R H = Σ H (Reaktionsprodukte) Σ H (Ausgangsstoe) R H = [ kj/mol + 2 ( 393 kj/mol)] [( 52 kj/mol) + 2 ( 111 kj/mol)] R H = 44kJ/mol R S = Σ S (Reaktionsprodukte) Σ S (Ausgangsstoe) R S = [32 J/mol K J/mol K] [53 J/mol K J/mol K] R S = 11 J/mol K R G = R H T R S 4

5 Landesabitur 27 Beispielaugaben 25_CH-LK_A 4 R G = 44 kj/mol 298 K,11 kj/mol K R G = 47,3 kj/mol - Es handelt sich um eine exergonische Reaktion, die spontan ablauen kann. - Eine eektive Gewinnung von Mangan ist so möglich. Al 2 O CO 2 Al + 3 CO 2 R H = Σ H (Reaktionsprodukte) Σ H (Ausgangsstoe) R H = [ kj/mol + 3 ( 393 kj/mol)] [( 1676 kj/mol) + 3 ( 111 kj/mol)] R H = 83 kj/mol R S = Σ S (Reaktionsprodukte) Σ S (Ausgangsstoe) R S = [2 28 J/mol K J/mol K] [51 J/mol K J/mol K] R S = 53 J/ mol K R G = R H T R S R G = 83 kj/mol 298 K,53 kj/mol K R G = 814,2 kj/mol - Es handelt sich um eine endergonische Reaktion, die nicht spontan ablauen kann. - Endotherme Reaktionen können nur dann ablauen, wenn die Entropiezunahme und die Temperatur hoch genug sind. Dies ist hier nicht der Fall. - Eine eektive Gewinnung von Aluminium ist so nicht möglich. Augabe 4 R G = R H T R S Für R G wird der Wert gewählt. Die Reaktion wäre dann weder endergonisch noch exergonisch. Oberhalb einer zu errechnenden Grenztemperatur liee sie ab, darunter nicht. = R H T R S T R S = R H T = R H / R S T = 172,5 kj/mol /,1765 kj/mol T = 977,3 K Die Reaktion kann aus Sicht der Thermodynamik bei einer Temperatur höher als 977,3K ablauen. 5

6 Landesabitur 27 Beispielaugaben 25_CH-LK_A 4 IV. Bewertung und Beurteilung Teilaugabe BWE nach Anorderungsbereichen I II III % 5% 25% 6