Anforderungen im Fachbereich Chemie für die Aufnahmeprüfung an die PHZH

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1 Anforderungen im Fachbereich Chemie für die Aufnahmeprüfung an die PHZH Lernziele In der Aufnahmeprüfung im Fach Chemie soll gezeigt werden, dass ein prinzipielles chemisches Orientierungswissen vorhanden ist. Es wird erwartet, dass Atommodelle adäquat angewandt werden können und dass eine Beziehung zwischen dem atomaren Aufbau und den beobachtbaren makroskopischen Eigenschaften der Materie hergestellt werden kann. Wichtig hierbei ist die Kenntnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehung in der Chemie. Sie sind sich über den Modellcharakter naturwissenschaftlicher Deutungsversuche klar geworden und kennen die Grenzen von Modellen. Sie können die chemische Formelsprache lesen und anwenden. Sie sind mit den Prinzipien chemischer Reaktionen vertraut und kennen die Reaktionsgeschwindigkeit und das chemische Gleichgewicht. Sie zeigen, dass sie begriffen haben, wie es über beobachtbare Phänomene, deren Beobachtung, Beschreibung und Interpretation zu einer Hypothese und letztendlich zu einer Theorie kommt. Inhalte Die folgende Tagelle listet die Themen auf, die prüfungsrelevant sind. Neben den Themen sind zur Orientierung einige Stichworte aufgelistet, welche.an Beispielen erläutert werden sollen. Thema Stoffeigenschaften Atommodelle Details Phänomene und Eigenschaften alltäglicher Stoffe wie Aggregatzustände, Verhalten von Wasser und Kunststoffen Aufbau der Materie nach den 4 Atommodellen: Atommodell nach Dalton mit chemischer Formelsprache und Reaktionsgleichungen, Atommodell nach Rutherford und Kern/Hülle-Modell, Atommodell nach Bohr, Orbitalmodell (sehr vereinfacht) Welches Atommodell lässt sich für welche Aussage bzw. Eigenschaft anwenden? Wo haben sie ihre Stärken und Schwächen, wo ihre Grenzen? Moleküle Valenzelektronen Darstellung als Lewis-Formel Oktettregel Kovalente Bindung Unterscheidung von Diamant und Graphit als Beispiel für eine Korrelation zwischen Struktur und Eigenschaft eines Stoffes Periodensystem der Elemente Systematik und Ordnung der ca. 100 Elemente im Periodensystem Molekülstrukturen Aufbau und geometrische Struktur von Molekülen Makromoleküle (Kunststoffe, Proteine, DNA) Zwischenmolekulare Kräfte Anziehungskräfte von Molekülen untereinander Dipol-Dipol-Wechselwirkungen Wasserstoffbrücken Van-der-Waals-Kräfte Auswirkung dieser Kräfte auf die Eigenschaften der Stoffe (z.b. Schmelzpunkte, Siedepunkte) Bedeutung für Lebensprozesse (DNA, Proteinstrukturen) PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 1

2 Salze Aufbau und Stoffeigenschaften Verhältnisformel, Nomenklatur Ionenbindung, Ionengitter, Löslichkeit von Salzen Elektrolyse Metalle Aufbau und Eigenschaften Elektronengasmodell Reaktionslehre Reaktionsgeschwindigkeit Chemisches Gleichgewicht Chemie und Technik Zur Wahl stehen entweder: Vom Schwefel zur Schwefelsäure oder Landwirtschaft und Chemie: o Düngemittel (Anwendung: Kunstdünger) Stickstoffkreislauf (Anwendung: Kreislaufwirtschaft in der biolo gischen Düngung) Reaktionstypen Säure-Base-Reaktionen o ph-wert, o Stärke von Säuren und Basen Redox-Reaktionen galvanische Elemente, Batterien, Elektrolysen Umweltchemie Luftschadstoffe in Siedlungsgebieten, ihre Wirkung und wie sie entstehen (Ozon, Stickoxide, Schwefeldioxid). Siehe als Einstieg: >Wette & Gesundheit Organische Chemie Alkane Alkohole / Carbonsäuren Erdöl (Erdölprodukte, Benzin, Oktanzahl) Empfohlene Literatur Die aufgeführten Schulbücher bieten bei weitem mehr, als für die Prüfung notwendig ist. Orientieren Sie sich an den Zielen und Inhalten der Prüfung. Elemente für Schweizer Maturitätsschulen (Klett Verlag 2009), ISBN Elemente Chemie I + II (Klett Verlag 2007), ISBN Chemie heute I + II (Schroedel Verlag), ISBN und ISBN Allgemeine Chemie: Theorie und Praxis (Diesterweg Sauerländer Verlag), ISBN Duden Chemie Basiswissen Schule (Paetec Verlag), ISBN Prüfungsmodalitäten Schriftliche Prüfung von 2 Stunden Dauer. Hilfsmittel: Taschenrechner Keine Formelsammlung oder sonstiges Informationsmaterial. Alle notwendigen Daten (z. B. PSE, Tabellen, Formeln) werden zur Verfügung gestellt. PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 2

3 Musteraufgaben Chemie (Lösungen siehe weiter unten) Stofflehre 1. (6 Punkte) Stellen Sie sich folgende Situation vor: Es stehen sechs unbeschriftete Bechergläser vor Ihnen. Jedes Becherglas enthält einen anderen Reinstoff, Inhaltsangaben jedoch fehlen. In der untenstehenden Tabelle finden Sie die Namen und einige Eigenschaften zu den sechs Stoffen. Ihre Aufgabe ist es, die sechs Reinstoffe eindeutig zu identifizieren. a) Ergänzen Sie in der Tabelle in den fett umrandeten Feldern die fehlenden Angaben zu Stoffeigenschaften. (3 P.) b) Zeigen Sie mit Hilfe eines Flussdiagramms, wie Sie durch die Wahl von einfachen, von Ihnen durchführbaren Tests und deren Ergebnissen jeden Reinstoff erkennen können. Es gibt dazu verschiedene Lösungswege. Ein richtiger Vorschlag genügt. Zeichnen Sie Ihr Flussdiagramm auf der nächsten Seite. Als Hilfe und zur Anschauung ist in einem Flussdiagramm dargestellt, wie man vier verschieden Lösungen unterscheiden und erkennen könnte. (3 P.) Sechs Reinstoffe und ihre Eigenschaften Ausschnitt aus einem Flußdiagramm siehe nächste Seite PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 3

4 Ausschnitt aus einem Flußdiagramm als Muster PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 4

5 Atommodelle 2. (6 Punkte) Die Vorstellung von Atomen als kleinste, unteilbare Bausteine der Materie geht auf Demokrit (um 400 v. Chr.) zurück. Wichtige Schritte zur heutigen Vorstellung vom Aufbau der Atome waren das Atommodell von Dalton und das Modell von Rutherford (II). Atommodell von DALTON (1808) Atommodell von RUTHERFORD (1911) a) Erläutern Sie die beiden Vorstellungen. Gehen Sie dabei auf folgende Fragen ein: Wie war die jeweilige Vorstellung bezüglich der inneren Struktur und des Aufbaus der Atome? Worin unterscheiden sich die Atome unterschiedlicher Elemente gemäss den beiden Modelle? (4 P.) b) Wie hat sich in der Zwischenzeit die Vorstellung von Rutherford verändert und weiter entwickelt? Welche Vorstellungen zum Aufbau der Atome bestehen heute? Fassen Sie Ihre Kenntnisse in wenigen Sätzen zusammen. (2 P.) PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 5

6 Chemische Reaktionen, Reaktionsgleichung, Lewis-Formeln 3. (7 Punkte) Der mit dem Urin ausgeschiedene Harnstoff wird in der Kläranlage durch Bakterien abgebaut. Die dabei stattfindende Reaktion wird als Hydrolyse bezeichnet. a) Den Begriff Hydrolyse kennen Sie vielleicht nicht. Versuchen Sie trotzdem die Bedeutung herzuleiten. Das Wort enthält zwei Teile mit je einer eigenen Bedeutung: Hydro-lyse. Nennen Sie einen anderen Begriff aus der Chemie oder einem anderen Fachgebiet, welcher den Wortteil hydro enthält und geben Sie dessen Bedeutung an. (0.5 P.) Nennen Sie einen anderen Begriff aus der Chemie oder einem anderen Fachgebiet, welcher den Wortteil lyse enthält und geben Sie dessen Bedeutung an. (0.5 P.) Womit hat hydro zu tun? (0.5 P.) Womit hat lyse zu tun? (0.5 P.) Was könnte nun der Begriff Hydrolyse meinen? (0.5 P.) b) In der Tabelle ist auf drei Arten (in drei Zeilen) die Reaktion mit Harnstoff beschrieben. Einer der beiden Ausgangsstoffe fehlt allerdings in jeder Zeile. Diesen müssen Sie selbst finden. Vervollständigen Sie schliesslich in jeder Zeile die leeren Stellen. (3.5 P.) Tipp bezüglich Lewis-Formel von Harnstoff: Das Harnstoffmolekül enthält eine C O-Doppel- Bindung und ist symmetrisch aufgebaut. c) Erklären Sie nun, wie in der oben beschriebenen Reaktion der Begriff Hydrolyse zu verstehen ist! PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 6

7 Ionen, Ionenverbindungen 4. a) Kreuzen Sie jeweils an, ob die Aussage stimmt (ja) oder nicht (nein) (4 P.) b) Korrigieren Sie die falschen Aussagen, indem Sie streichen und verbessern. (4 P.) PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 7

8 Moleküle, Kunststoffe, Zwischenmolekulare Kräfte 5. (7 Punkte) In den letzten Jahren haben die Medien immer wieder berichtet, dass in verschiedenen Schweizer Lebensmitteln die vermeintlich Krebs erregende, organische Verbindung Acrylamid nachgewiesen wird. Man vermutet, dass der Stoff spontan entsteht, wenn stärkehaltige Nahrungsmittel, wie Getreide oder Kartoffeln, bei ihrer Verarbeitung sehr stark erhitzt werden. Acrylamid wird in der chemischen Industrie auch gezielt hergestellt. Es dient in erster Linie als Ausgangsmaterial für die Produktion des Kunststoffes Polyacrylamid. a) Im Folgenden sollen die beiden Stoffe Acrylamid und Ethen genauer betrachtet werden. Beschreiben Sie das Ethen-Molekül (C 2 H 4 ) mit der Lewis-Formel (0.5 P.) b) Das Acrylamid-Molekül kann vom Ethen-Molekül abgeleitet werden. An einem der beiden C-Atome hängt anstelle eines H-Atoms ein weiteres C-Atom. Dieses C-Atom wiederum ist einerseits durch eine Doppelbindung mit einem Sauerstoff-Atom verbunden, andererseits hängt daran eine so genannte Amino-Gruppe: ein Stickstoff-Atom mit zwei Wasserstoff-Atomen. Beschreiben Sie das Acrylamid-Molekül mit der Molekülformel und der Lewis-Formel. Die Lewis-Formel soll auch alle nichtbindenden Elektronenpaare zeigen. (1.5 P.) c) Zeigen Sie einen aus drei Monomeren entstanden Ausschnitt aus dem Polyacrylamid- Molekül mit einer Strukturformel (Lewis-Formel). d) Ethen ist bei Raumtemperatur gasförmig, Acrylamid hingegen ist fest. Wovon hängen bei Molekülverbindungen die Schmelz- und Siedetemperaturen bzw. der Aggregatzustand bei 20 C und Normaldruck grundsätzlich ab? Erklären Sie die unterschiedlichen Aggregatzustände bei 20 C und Normaldruck der beiden betrachteten Stoffe Ethen und Acrylamid möglichst ausführlich. Sie können Ihre Ausführungen und Argumente auch mit Skizzen illustrieren. (2 P.) Erklären Sie die unterschiedlichen Aggregatzustände bei 20 C und Normaldruck von Ethen und Polyethen (=Polyethylen), PE) möglichst ausführlich. PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 8

9 Redox-Reaktionen 6. (2 Punkte) Max sagt: Das weiss doch jedes Kind, Oxidation bedeutet Reaktion mit Sauerstoff. Jede Verbrennung ist einfach eine Oxidationsreaktion. Fritz widerspricht und meint, jeder Verbrennung liege eine sogenannte Redoxreaktion zugrunde. Wem würden Sie recht geben? Begründen Sie Ihre Aussage. Mit welchen Argumenten würden Sie diesen Streit schlichten? 7. (5 Punkte) Autokarosserien werden heute oft verzinkt (I), um einen längeren Rostschutz zu gewährleisten. Bei Konservendosen wählt man kein Zink, sondern stellt sie aus verzinntem Eisenblech her (II). a) Aus den Abbildungen I und II lässt sich ablesen, welches der Metalle jeweils das unedlere bzw. das edlere Metall ist. Stellen Sie das Ergebnis als Redoxreihe der drei Metalle Eisen, Zink und Zinn dar. unedler... edler.. (2P.) b) Die Oxidation der Metalle ist gekoppelt mit der Reduktion von Hydronium-Ionen, die in der Salzlösung enthalten sind: 2 H 3 O + (aq) + 2 e - --> 2 H 2 O (l) + H 2 (g) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Oxidation, die zur Auflösung des jeweiligen Metalls führt. (2 P.) Oxidation in Abbildung I: Oxidation in Abbildung II: c) Bei welchem Vorgang (I oder II) wird das Eisen besser vor Korrosion geschützt? Begründen Sie Ihre Antwort. PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 9

10 Säuren und Basen 8. (6 Punkte) Im Bild ist eine Säure-/Base-Reaktion zwischen Calciumoxid und Wasser dargestellt. a) Was ist allen Säure-Base-Reaktionen gemeinsam? Antworten Sie mit einem Stichwort. (0.5 P.) b) Beschriften Sie im Bild alle vorkommenden Moleküle und Ionensorten. c) Geben Sie eine vollständige Reaktionsgleichung für die oben veranschaulichte Reaktion an. (1.5 P.) d) Wer spielt in dieser Reaktion die Rolle der Säure? (0.5 P.) e) Wer spielt in dieser Reaktion die Rolle der Base? (0.5 P.) f) Am Ende der oben dargestellten Reaktion wird in der entstandenen Lösung der ph-wert gemessen. Er beträgt (2 P.) Definieren Sie den Ausdruck ph in 1 2 Sätzen. Was sagt ein ph-wert von 11.5 aus? Machen Sie dazu zwei Angaben. PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 10

11 Die Ammoniak-Synthese 9. (7 Punkte) Für grosstechnische Verfahren ist es wichtig zu wissen, welchen Einfluss die Reaktionsbedingungen auf den Verlauf einer Reaktion haben. Unten sind in einem Diagramm auf der Grundlage von Messreihen die Volumenanteile von Ammoniak im Synthese-Reaktor bei unterschiedlichen Bedingungen angegeben. Studieren Sie das Diagramm und den begleitenden Text und beantworten Sie die anschliessenden Fragen. a) Formulieren Sie für die technische Ammoniaksynthese eine vollständige Reaktionsgleichung b) Ordnen Sie die beiden Grössen Prozentualer Volumenanteil an Ammoniak und Temperatur der x-achse und y-achse richtig zu. Beschriften Sie die Achsen in Diagramm. c) Betrachten Sie den Graphen, der mit 300 Bar gekennzeichnet ist. Wie ändert sich der Volumenanteil an Ammoniak im Reaktor bei steigender Temperatur? d) Welcher allgemeine Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Volumenanteil an Ammoniak bei konstantem Druck lässt sich aus dem Diagramm ablesen? e) Betrachten Sie nun den Volumenanteil an Ammoniak bei konstanter Temperatur von 400 C und unterschiedlichen Drücken. Welcher Zusammenhang ergibt sich? f) Wie gross ist der Volumenanteil an Ammoniak bei 200 Bar und 500 C? Wie gross sind dann die Anteile von Stickstoff und Wasserstoff am Gesamtvolumen, vorausgesetzt das Volumenverhältnis von Stickstoff und Wasserstoff bleibe bei 1 : 3? g) Warum arbeitet man beim HABER-BOSCH-Verfahren nicht bei niedrigerer Temperatur, z.b. bei 250 C? (1 P) PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 11

12 Lösungen zu den Musteraufgaben Chemie Stofflehre 1. (6 Punkte) Atommodelle 2. (6 Punkte) a) (4P) b) (2P) Dalton: Die Atome sind kompakte kleine Kugeln ohne innere Struktur, sie sind unteilbar. Rutherford: Die Atome besitzen einen winzigen Kern, bestehend aus Protonen und Neutronen. Darum herum (in der Atomhülle) bewegen sich die Elektronen. Die Hauptmasse befindet sich im Atomkern. Atome sind nicht unteilbar. Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich gemäss Dalton in ihrer Masse. Gemäss Rutherford unterscheiden sich die Atome verschiedener Elemente in der Anzahl der Protonen bzw. der Kernladung. Mit dem Bohrschen Atommodell wird ausgedrückt, dass die Elektronen auf verschiedenen Energiestufen zu finden sind und sich entsprechend in unterschiedlichen Abständen vom Atomkern aufhalten. Die Atomhülle ist in Schalen unterteilt. Das Atomorbitalmodell beschreibt die Zustände der Elektronen als elektromagnetische Wellen(funktionen). Jedes Elektron besitzt einen eigenen Energiezustand (Quantenzahl). PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 12

13 Chemische Reaktionen, Reaktionsgleichung, Lewis-Formeln 3. (7 Punkte) a) Hydrophil: wasserliebend Elektrolyse: Spaltung eines Moleküls, einer Verbindung mit Hilfe von elektrischer Energie Wasser Spaltung, Bruch, Zerlegung Spaltung eines Moleküls mit Hilfe von Wasser. oder Spaltung von Wassermolekülen (0.5 P. je Teil =2.5 P.) b) Reaktion mit Harnstoff (3.5 P.) c) Das Harnstoffmoleküle wird durch die Reaktion mit einem Wassermolekül aufgespalten in die zwei kleinen Moleküle Kohlenstoffdioxid und Ammoniak. PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 13

14 Ionen, Ionenverbindungen (4+4 P.) Aussage ja nein 1. Ionen unterscheiden sich von Atomen desselben Elementes in der Anzahl der Elektronen. X 2. Ein Kation besitzt mehr Protonen als Elektronen. X 3. Ein Kation entsteht, wenn ein Atom oder ein Molekül Elektronen abgibt. X 4. Ionenverbindungen enthalten manchmal ein Element der siebten Gruppe. X 5. Edelgas-Elemente kommen in Ionenverbindungen nicht vor. X 6. Wird eine Ionenverbindung in Wasser gelöst, dann bleibt immer die kleinste Anzahl Anionen und Kationen zusammen, trotzdem bleibt ihre Nettoladung Null beträgt. 7. Will man Ionen voneinander trennen, dann muß die Gitterenergie aufgewendet werden. X X 8. Ein Anion wandert in einem elektrischen Feld zum positiven Pol. X 9. Ein Anion wandert in einem elektrischen Feld zur Anode. X 10. Anionen und Kationen ordnen sich beim Kristallisieren zu großen Gittern. X 11. Ionengitter enthalten immer gleich viele Kationen wie Anionen. X 12. Ionengitter haben dreidimensionale Ausdehnung. X 13. Jedes Kation wird im Ionengitter von lauter Anionen als nächste Nachbarn umgeben. X 14. Alle Metallionen sind einfach positiv geladen. X 15. Ein Magnesium-Ion hat eine zweifach negative Ladung. X 16. In Magnesiumchlorid ist das Anzahlverhältnis von Magnesium-Ionen zu Chlorid-Ionen 1 : Silbersulfid ist ein Salz. X X 18. Schwefeldioxid ist kein Salz. X 19. Chlorwasserstoff ist kein Salz. X 20. CuCl 2 enthält Cu 2+ -Ionen. X 21. Fe 2 O 3 enthält Fe 3+ -Ionen. X 22. Calciumchlorid besitzt die Formel CaCl. 2 X 23. CrO 3 beschreibt das Salz Chrom(III)-oxid. X mol Natriumchlorid enthält 1.0 mol Natrium-Ionen. X mol Fe 2 O 3 enthält insgesamt 5 mol Ionen. X PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 14

15 Moleküle, Kunststoffe, Zwischenmolekulare Kräfte 5. (7 Punkte) Ethen und Acrylamid ausführlich: Ethen ist eine unpolare Verbindung. Zwischen den Molekülen herrschen nur schwache Van-der-Waals- Kräfte. Acrylamid jedoch ist eine polare Verbindung: die C-O-Doppelbindung, die N-H-Bindungen sind polar. Es existieren also Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Zudem können sich zwischen den Acrylamid- Molekülen Wasserstoffbrücken ausbilden. Das sind sehr starke zwischenmolekulare Kräfte. Ethen und Polyethen Ethen ist ein kleines, unpolares Molekül mit insgesamt wenigen Elektronen. Deshalb sind die Van-der- Waals-Kräfte nur schwach wirksam. Die Polyethen-Moleküle sind jedoch riesig mit Tausenden von Elektronen. Hier wirken sich die van-der-waals-kräfte sehr stark aus. PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 15

16 Redox-Reaktionen 6. (2 Punkte) Eine Verbrennung ist eine Redox-Reaktion. Es findet dabei tatsächlich eine Oxidation statt. Doch gleichzeitig läuft auch eine Reduktion ab. Der Sauerstoff ist das Oxidationsmittel, welches denn Brennstoff oxidiert (ihm Elektronen entzieht). Durch die Elektronenaufnahme wird der Sauerstoff selbst reduziert. 7 (5 Punkte) a) (2P) unedler Zink Eisen edler Zinn b) (2P) c) (1P) Oxidation in Abbildung I Oxidation in Abbildung II Zn Zn e Fe Fe e - Bei Vorgang I wird das Eisen besser vor Korrosion geschützt, da es hier nicht in Lösung geht. Wird die Beschädigung des Überzugs mit Salzlösung bedeckt, so löst sich das Zink auf, das Eisen korrodiert nicht. Säuren und Basen 8. (6 Punkte) a) Protonenübertragung (0.5 P.) b) Iionengitter: Calcium-iInen (die kleineren) und Oxid-Ionen // Wassermoleküle c) O 2- (aq) + H 2 O (l) 2 OH- (aq) (1.5 P.) d) Wasser e) Oxid-Ionen (0.5 P.) (0.5 P.) f) Der ph ist der negative Logarithmus zur Basis 10 für die Konzentration der Hydronium-Ionen, ausgedrückt in mol/l. Die Lösung ist basisch. Die Konzentration der Hydronom-Ionen beträgt mol/l (2 P.) PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 16

17 Ein technischer Prozess Die Ammoniak-Synthese 9. (7 Punkte) a) N 2 (g) + 3 H 2 (g) --> 2 NH 3 (g) b) y-achse: Prozentualer Volumenanteil an Ammoniak // x-achse: Temperatur c) Bei steigender Temperatur nimmt der Volumenanteil an Ammoniak ab. d) Je höher die Temperatur ist, desto geringer ist der Volumenanteil an Ammoniak e) Mit zunehmendem Druck wird der Volumenanteil an Ammoniak grösser. f) ca. 20% Das Restgas besteht zu einem Viertel aus Stickstoff und zu drei Viertel aus Wasserstoff, also: 20% Stickstoff und 60% Wasserstoff. g) Bei niedrigerer Temperatur würde zwar ein höherer Anteil der Ausgangsstoffe umgesetzt, aber die Reaktionsgeschwindigkeit wäre zu gering. Auch wird der Katalysator erst bei höheren Temperaturen wirksam. PHZH Aufnahmeprüfung Chemie Seite 17