Hinweise für den Schüler

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1 Abitur 2003 Chemie LK Seite 2 Hinweise für den Schüler Aufgabenauswahl: Von den 2 Prüfungsblöcken A und B ist nur einer zu bearbeiten. Bei Entscheidung für den Block B ist von den dortigen Wahlaufgaben ebenfalls nur ein Aufgabenkomplex zu lösen. Bearbeitungszeit: Die Arbeitszeit beträgt 300 Minuten, zusätzlich stehen 30 Minuten für die Wahl des Prüfungsblockes zur Verfügung. Hilfsmittel: nicht programmierbarer Taschenrechner Tafelwerk, das an der Schule verwendet wird Duden oder ein Nachschlagewerk zur Neuregelung der deutschen Rechtschreibung Sonstiges: Die chemische Zeichensprache und die chemischen Gesetzmäßigkeiten sind in angemessener Form anzuwenden, auch wenn es die Aufgabenstellung nicht unmittelbar fordert. Die Lösungen sind in sprachlich einwandfreier Form darzustellen. Für Berechnungen sind die Tabellenwerte des Anhangs zu nutzen. Der Lösungsweg muss erkennbar sein. Die Ergebnisse der Berechnungen sind in einem sinnvollen Antwortsatz zu formulieren. Benötigte Chemikalien und Geräte sind schriftlich anzufordern. Entwürfe können ergänzend zur Bewertung nur herangezogen werden, wenn sie zusammenhängend konzipiert sind und die Reinschrift etwa Dreiviertel des erkennbar angestrebten Gesamtumfanges entspricht.

2 Abitur 2003 Chemie LK Seite 3 Block A Chemisches Menü: Aluminium mit Methanol und Traubenzucker 1. Aluminium ist ein Gebrauchsmetall mit vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten. 20 BE 1.1 Beim aluminothermischen Schweißen erhält man flüssiges Eisen durch die Reaktion von Aluminium mit Eisen(III)oxid. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung! 1.2 In einem Laborversuch reagieren 10,8 g Aluminium mit Eisen(III)oxid. Durch die dabei freiwerdende Wärme werden 508 g Eis geschmolzen. Die Schmelzenthalpie von Eis beträgt S H = 335 J g 1. Berechnen Sie mit diesen Werten die molare Reaktionsenthalpie für das aluminothermische Schweißen bezogen auf 2 mol Aluminium! 1.3 Entscheiden Sie ohne Berechnung, ob die molare Reaktionsentropie dieser Reaktion (4 BE) einen wesentlichen Beitrag zum spontanen Ablauf der Reaktion leistet! Begründen Sie Ihre Aussage! Berechnen Sie, ab welcher Temperatur diese Reaktion formal theoretisch nicht mehr spontan ablaufen würde! Interpretieren Sie das Ergebnis auf der Grundlage der GibbsHelmholtzGleichung! 1.4 Aluminium wird großtechnisch durch Schmelzflusselektrolyse aus Aluminiumoxid hergestellt. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Vorgänge an den Elektroden! Begründen Sie, warum die als Anoden geschalteten Kohleblöcke im Verlauf der Elektrolyse nachgeschoben werden müssen! 1.5 Berechnen Sie die elektrische Arbeit W für die Produktion von 2 Tonnen Aluminium (5 BE) bei einer Badspannung von U = 4,5 V und einer Ausbeute von 80 %! Werten Sie das Ergebnis unter dem Aspekt des verstärkten Einsatzes von Aluminium in der Wirtschaft! 1.6 Bei der Gewinnung von reinem Aluminiumoxid aus Bauxit wird schwer lösliches Aluminiumhydroxid in heißer Natronlauge unter Bildung eines KomplexIons gelöst. Formulieren Sie für diese Reaktion die Reaktionsgleichung und geben Sie den Namen des KomplexIons an! (Aluminium hat die Koordinationszahl 4). Erläutern Sie an diesem Beispiel den Aufbau eines Komplexes! Nutzen Sie das Bindungsmodell der koordinativen Atombindung! (5 BE) 2. In drei Reagenzgläsern befinden sich folgende Lösungen der Konzentration c = 0,1 mol l 1 : 7 BE Aluminiumchloridlösung, Ammoniumchloridlösung und Natriumchloridlösung. 2.1 Zwei dieser Lösungen färben Unitest rot bzw. orange. Geben Sie die Protolysegleichungen dieser beiden Lösungen an! 2.2 Berechnen Sie die phwerte der beiden Lösungen! 2.3 Eine der Lösungen reagiert mit Magnesiumspänen unter heftiger Gasentwicklung, die andere nur schwach. Erklären Sie das unterschiedliche Reaktionsverhalten der beiden sauren Lösungen mit Magnesium! 2.4 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion mit Magnesium!

3 Abitur 2003 Chemie LK Seite 4 3. Methanol ist ein bedeutendes Zwischenprodukt in der chemischen Industrie. Es 15 BE wird großtechnisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff hergestellt. 3.1 Entwickeln Sie für das sich einstellende chemische Gleichgewicht die Reaktionsgleichung! Bestimmen und begründen Sie die Reaktionsart! 3.2 Formulieren Sie das MWG für diese Reaktion, und nutzen Sie es, um den Einfluss der Konzentrationserhöhung des Wasserstoffs auf die Gleichgewichtslage zu diskutieren! 3.3 Bei einer bestimmten Temperatur hat sich aus einem Gemisch von 100 Litern Wasserstoff und 50 Litern Kohlenstoffmonoxid 30 Liter Methanol gebildet Berechnen Sie die Volumina der Ausgangsstoffe im Gleichgewicht! Berechnen Sie über die Partialdrücke die Gleichgewichtskonstante K p! Der Gesamtdruck (4 BE) beträgt 20 MPa, Methanol liegt gasförmig vor. 3.4 Mikroorganismen können aus Methanol in Gegenwart von Nährsalzen Proteine bilden. Erläutern Sie die Struktur von Proteinen! Gehen Sie dabei auf die Begriffe Peptidbindung, Primär und Sekundärstruktur ein! (4 BE) 4. Der klassische Weg der Strukturaufklärung führt über den qualitativen Nachweis 18 BE der Elemente zu deren quantitativer Bestimmung. 4.1 Experiment: (8 BE) Weisen Sie in der vorliegenden Substanz (Traubenzucker) den Kohlenstoff mit Hilfe eines geeigneten Oxidationsmittels nach! Fordern Sie die benötigten Geräte und Chemikalien an! Nennen Sie die Beobachtungen und deuten Sie sie unter Verwendung von Reaktionsgleichungen! 4.2 Bei der Oxidation von 255 mg einer leicht flüchtigen organischen Substanz, die nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff besteht, entstanden 580 mg Kohlenstoffdioxid und 238 mg Wasser. Zur Ermittlung der molaren Masse wurde die Dampfdichte der Verbindung bestimmt. Bei 100 C und Normaldruck beträgt sie ρ = 1,9 g l 1 und das molare Volumen V m = 30,6 l mol Berechnen Sie die Summenformel! (6 BE) Entwickeln Sie für die Summenformel 2 Strukturformeln und benennen Sie diese! Beschreiben Sie eine Nachweisreaktion (Nachweisreagens und Beobachtung, chemische Vorgänge), um beide Stoffe zu unterscheiden!

4 Abitur 2003 Chemie LK Seite 5 Block B Mit chemischem Gespür immer der Nase nach 1. Ein in reifen Früchten vorkommender Aromastoff ist der Butansäureethylester. 10 BE Dieser Stoff wird auch synthetisch hergestellt, um beispielsweise Süßwaren den entsprechenden Duft und Geschmack zu verleihen. 1.1 Formulieren Sie für die Synthese dieses Stoffes die Reaktionsgleichung! 1.2 Experiment: Mischen Sie 2 ml Ethanol mit 1 ml Ethansäure (oder Butan bzw. Propansäure). Versetzen Sie das Gemisch mit wenigen Tropfen konzentrierter Schwefelsäure und erwärmen Sie es 5 Minuten vorsichtig im Wasserbad (Schutzbrille). Anschließend gießen Sie das Gemisch in ein kleines mit Wasser gefülltes Becherglas. Notieren Sie Ihre Beobachtungen! Woran ist zu erkennen, dass sich ein Ester gebildet hat? 1.3 Erklären Sie die Funktion der konzentrierten Schwefelsäure! 1.4 Ein Gemisch aus 8,8 mol Butansäure und 8,8 mol Ethanol werden zur Reaktion (4 BE) gebracht. Berechnen Sie die Stoffmengen aller Stoffe im Gleichgewicht wenn K c = 4 ist! 1.5 Berechnen Sie die Masse an Ester im Reaktionsgefäß! 2. Ammoniumcarbonat, das Bestandteil des Backtriebmittels Hirschhornsalz ist, zerfällt 6 BE bei Temperaturen über 62 C in zwei Gase und Wasser. 2.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung! 2.2 Erläutern Sie an dieser Reaktion die Triebkräfte der chemischen Reaktion ohne konkrete Werte zu verwenden! Berücksichtigen Sie dabei auch den Einfluss der Temperatur! 2.3 Berechnen Sie das Gesamtvolumen der Reaktionsprodukte, wenn 10 g Ammoniumcarbonat bei 170 C Backtemperatur zersetzt werden! Hinweis: Bei dieser Temperatur und Normaldruck beträgt das molare Volumen der Gase V m = 36,36 l mol Vitamin C (Ascorbinsäure) reguliert u.a. Stoffwechselprozesse und stabilisiert das 5 BE Immunsystem. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung ermittelte für Erwachsene einen täglichen Bedarf von mindestens 75 mg Vitamin C. Der Gehalt in Lebensmitteln kann mit dem Oxidationsmittel Kaliumpermanganat maßanalytisch bestimmt werden. Für die Maßanalyse wurden 4 g Zitronensaft in 10 ml Wasser mit einer angesäuerten Kaliumpermanganatlösung c = 0,001 mol l 1 titriert. Bei dieser Redoxtitration wurden 4,52 ml Kaliumpermanganatlösung verbraucht. Hinweis: Ascorbinsäure und PermanganatIonen reagieren im Verhältnis 5: Berechnen Sie die Stoffmenge an Vitamin C in der Probe! 3.2 Berechnen Sie die Masse an Vitamin C in 4 g Zitronensaft! M(Vitamin C) = 180 g mol Entscheiden Sie, ob der Verzehr von 100 g Zitronensaft ausreicht, um den Tagesbedarf an Vitamin C zu decken! 4. Das Redoxpotential von Kaliumpermanganat ist vom phwert abhängig. 4 BE 4.1 Berechnen Sie das Potential des Redoxpaares PermanganatIonen / Mangan(II) Ionen (jeweils mit einer Konzentration c = 1 mol l 1 ) bei ph = 0 und bei ph = 4! 4.2 Beurteilen Sie die oxidierende Wirkung der PermanganatIonen in Abhängigkeit vom phwert! 5. Benzoesäure verhindert Gärung und Fäulnis von Nahrungsmitteln. Ihre technische 14 BE Herstellung erfolgt durch katalytische Oxidation von Toluol (Methylbenzol) mit Luftsauerstoff. 5.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diese Synthese! 5.2 In einen Messkolben werden 0,3 g Benzoesäure gegeben und mit Wasser auf 250 ml aufgefüllt.

5 Abitur 2003 Chemie LK Seite Geben Sie die Gleichung für die Reaktion von Benzoesäure mit Wasser an! Bestimmen Sie die Reaktionsart und die korrespondierenden Paare! Bei dieser Reaktion stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein. Begründen Sie! Entwickeln Sie für den Reaktionsverlauf anhand der Konzentrationsveränderung der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte eine grafische Darstellung! Formulieren Sie für die Reaktion das MWG und leiten Sie daraus eine Möglichkeit zur phwertberechnung für die Lösung aus 5.2 ab! Berechnen Sie den phwert für diese Lösung! 5.3 Erhöht man die Temperatur der Lösung, so steigt der phwert an. Erläutern Sie, wie sich dabei der K S Wert der Benzoesäure ändert! (5 BE) 6. Eine Kochsalzlösung der Konzentration c = 1 mol l 1 und ph = 7 soll bei 25 C an 15 BE GraphitElektroden bei einer Stromdichte von A cm 2 elektrolysiert werden. 6.1 Formulieren Sie für alle in der Lösung befindlichen Stoffe mögliche Reaktionen an (6 BE) den Elektroden! Entscheiden und begründen Sie mit Hilfe der Redoxpotentiale, welche Stoffe sich theoretisch an den Elektroden bilden müssten! 6.2 Warum bildet sich unter den gegebenen Bedingungen Chlor? 6.3 Schüler erhalten die Aufgabe, die Elektrolyse von Natriumchlorid praktisch durchzuführen. 7 Arbeitsgruppen elektrolysieren 3 Minuten bei einer Stromstärke von I = 1 A. Der Wirkungsgrad beträgt 80 %. Berechnen Sie das Volumen an Chlor unter Normbedingungen, das in dieser Zeit im gesamten Fachraum entsteht! 6.4 Entscheiden Sie, ob durch das Schülerexperiment der Grenzwert der maximalen Arbeitsplatzkonzentration für Chlor von 3 mg pro m 3 Luft überschritten wird, wenn für den Klassenraum ein Luftvolumen von 200 m 3 angenommen wird! 6.5 Geben Sie an, in welche Richtung sich der phwert der Elektrolytlösung während der Elektrolyse ändert! Begründen Sie! 6.6 Nach Abschalten der Spannungsquelle ist kurzzeitig eine Spannung messbar. Beschreiben Sie, wie es dazu kommt! Wahlaufgaben nur für Block B Bearbeiten Sie unbedingt einen der folgenden Aufgabenkomplexe W oder F! W Waschmittel W1 In einem Chemiepraktikum wird unter Verwendung von Fett Seife hergestellt. Formulieren Sie für ein selbstgewähltes Beispiel eine Reaktionsgleichung! W2 Erläutern Sie mit Hilfe einer beschrifteten Skizze die emulgierende Wirkung eines Tensides! W3 Das Wäschewaschen kann in Gegenden mit hartem Wasser zu Problemen führen. Deshalb wurde früher dem harten Wasser Soda (Natriumcarbonat) zugesetzt, um es weich zu machen. Was versteht man unter dem Begriff hartes Wasser? Beschreiben Sie anhand einer Reaktionsgleichung, was die Zugabe von Soda zu hartem Wasser bewirkt! 6 BE oder F Farbstoffe F1 Von den zwei Verbindungen mit den Formeln H (CH = CH) 4 H und (CH 3 ) 2 N (CH = CH) 4 CHO absorbiert nur eine Licht im sichtbaren Spektralbereich. Entscheiden Sie, welche der beiden Verbindungen farbig ist und begründen Sie! F2 Erläutern Sie am Beispiel von Baumwolle und Seide (oder Wolle), aufgrund welcher Wechselwirkungen Farbstoffe auf Textilien haften können! F3 Geben Sie eine Begründung dafür an, dass Indikatorfarbstoffe nicht für das Färben von Textilien verwendet werden können! 6 BE

6 Abitur 2003 Chemie LK Seite 7 Standardelektrodenpotentiale Element/Verbindung oxidierte Form I reduzierte Form E in V Blei Pb 2+ (aq) + 2 e I Pb (s) 0,13 PbO 2(s) + 4 H + (aq) + 2 e I Pb 2+ (aq) + 4 H 2 O (l) 1,46 Chlor Cl 2(g) + 2 e I 2 Cl (aq) 1,36 Eisen Fe 2+ (aq) + 2 e I Fe (s) 0,41 Fe 3+ (aq) + e I Fe 2+ (aq) 0,77 Kupfer Cu 2+ (aq) + 2 e I Cu (s) 0,35 Mangan MnO 4 (aq) + 8 H + (aq) + 5 e I Mn 2+ (aq) + 4 H 2 O (l) 1,51 Natrium Na + (aq) + e I Na (s) 2,71 Nickel Ni 2+ (aq) + 2 e I Ni (s) 0,23 Sauerstoff O 2 (g) + 2 H 2 O (l) + 4 e I 4 OH (aq) 0,40 O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4 e I 2 H 2 O (l) 1,23 Silber Ag + (aq) + e I Ag (s) 0,80 Wasserstoff 2 H + (aq) + 2 e I H 2(g) 0,00 2 H 2 O (l) + 2 e I H 2(g) + 2 OH (aq) 0,83 Zink Zn 2+ (aq) + 2 e I Zn (s) 0,76 Zinn Sn 2+ (aq) + 2 e I Sn (s) 0,14 Hinweis: Die Elektrodenpotentiale sind alphabetisch nach Elementen geordnet. Thermodynamische Daten Formel Zustand molare Standardbildungsenthalpie molare Standardentropie S 0 m in J. K 1. mol 1 B H 0 m in kj. mol 1 Aluminium Al s 0 28 Aluminiumoxid Al 2 O 3 s Ammoniak NH 3 g Chlor Cl 2 g Chlorwasserstoff HCl g Distickstofftetraoxid N 2 O 4 g Eisen Fe s 0 27 Eisen(III)oxid Fe 2 O 3 s Ethanol C 2 H 5 OH g HydroniumIonen H 3 O + aq HydroxidIonen OH aq Kohlendioxid CO 2 g Kohlenmonoxid CO g Kupfer(II)sulfat CuSO 4 s Kupfer(II)sulfat5 CuSO 4 5 s hydrat H 2 O Methan CH 4 g Nonan C 9 H 20 l Wasser H 2 O g Wasser H 2 O l Wasserstoff H 2 g WasserstoffIonen H + aq 0 0

7 Abitur 2003 Chemie LK Seite 8 Säurekonstanten und Basekonstanten bei 22 C Formel der Säure Säurekonstante 1 K S in mol l Formel der Base Basekonstante 1 K B inmol l HCl 1, O 2 1, H 2 SO 4 1, NH 2 1, H 3 O + 5, OH 5, HNO 3 2, PO 4 4, HSO 4 1, CO 3 2, H 3 PO 4 7, NH 3 1, C 6 H 5 COOH 6, HPO 4 1, CH 3 COOH 1, HCO 3 3, [Al(H 2 O) 6 ] 3+ 1, [AlOH(H 2 O) 5 ] 2+ 7, H 2 CO 3 3, CH 3 COO 5, H 2 PO 4 6, C 6 H 5 COO 1, NH 4 5, H 2 PO 4 1, HCO 3 4, SO 4 8, HPO 4 2, H 2 O 1, H 2 O 1, Cl 1, Löslichkeitsprodukte bei 25 C Name Formel Zahlenwert Einheit Bariumsulfat BaSO mol 2 l 2 Calciumphosphat Ca 3 (PO 4 ) mol 5 l 5 Calciumsulfat CaSO mol 2 l 2 Eisen(II)sulfid FeS mol 2 l 2 Kupfer(II)sulfid CuS mol 2 l 2 Magnesiumhydroxid Mg(OH) mol 3 l 3 Silberbromid AgBr mol 2 l 2 Silberchlorid AgCl mol 2 l 2 Silberiodid AgI mol 2 l 2 Normbedingungen: T n = 273 K; p n = 101,3 kpa + c(ha) c( A ) HendersonHasselbalchGleichung: c(h3o ) = K S oder ph = pks + log c(a ) c( HA) phwert mittelstarker bis sehr schwacher Säuren: ph = 1 ( lg{ [ ]}) 2 pk s c 0 HA m(h2o) cp(h2o) T molare Reaktionsenthalpie (Kalorimetergleichung): RHm = n 1 c (H O) = 4,19 J K g Faradaysches Gesetz: I t = n F z FaradayKonstante: F = 9,65 10 p A s mol NernstGleichung: 0 0,059 V c (Ox) 0,059 V U = U + lg oder U = U 0 + lg c (Me z + ) z c(red) z GibbsHelmholtzGleichung: G = H T S Allgemeine Gaskonstante R = 8,314 kpa l K 1 mol 1 Zustandsgleichung ideales Gas n = p V R T 1