Aufgaben aus der Chemie und Lösungsstrategien

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1 Aufgaben aus der Chemie und Lösungsstrategien Einfache Reproduktion Abfrage von gelerntem Wissen, also wird die Wiedergabe von Definitionen, Aussagen oder Tatsachen gefordert. Kennzeichen: Keine Einleitung zur Fragestellung, direkte Aufforderung. Formuliere das Gesetz von der Erhaltung der Masse. Durch keinen chemischen Vorgang wird die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe geändert, d. h. weder geht Masse verloren, noch wird Masse gewonnen. Weitere Beispiele: Wie ist ein Salz generell aufgebaut? Welche Bedeutung besitzt das Ionengitter für Salze? Lösungsstrategien 2 1

2 Lückentext, mit Reproduktionscharakter Die Aufgabe hat den Charakter einer Vokabelabfrage, z. B.: Ergänze in den freien, nicht schattierten Feldern: Formel der Säure Name der Säure Formel der konjugierten Base Name der konjugierten Base Dicke Linien trennen logisch Zusammengehöriges voneinander ab.!!! H2O Bromwasserstoff Eine Zeile, einfach gelerntes Wissen einsetzen. SO3 2- Nächste Zeile steht im Kontext zur vorherigen Zeile, also muss unter dem Hydroxid das Oxid zu stehen kommen! Ähnliche Strategie, diesmal rückwärts Lösungsstrategien 3 Lückentext, gelerntes Wissen soll angewandt werden Ähnliche Struktur wie vorher, mit dem Unterschied, dass reproduzierbares Wissen zur Lösung vorausgesetzt wird: Ergänze: Lösungsansatz: Herstellen des Kontextes: Säure-Base-Reaktionen wg. H 3 O +, NH 4 + oder H 2 PO 4 Reproduktion des übergeordneten Reaktionsschemas: S 1 + B 2 S 2 + B 1 Anwenden des Schemas: Konj. Base (B 2 ) zu H 3 O + (S 2 ) ist H 2 O, konj. Säure (S 1 ) zu Cl (B 1 ) kann nur HCl sein. Eintragen! Lösungsstrategien 4 2

3 Standard: Korrektur von Reaktionsgleichungen Häufige Aufgabenstellung zum Warmlaufen, bekannte Voraussetzung: auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung muss die gleiche Anzahl von Teilchen der selben Sorte stehen. Aber Achtung: Eine gegebene Formel darf nicht verändert werden!!! H 2 + O 2 H 2 O mit der Lösung H 2 + O 2 H 2 O 2 ist einfach falsch und eine Vergewaltigung der Natur der Knallgasreaktion, die immer zu Wasser führt. Also kann die korrekte Lösung nur 2 H 2 + O 2 2 H 2 O lauten. Ähnlich sieht es beim Einrichten von Redoxreaktionen aus, hier muss der gelernte Lösungsweg immer streng eingehalten werden. Lösungsstrategien 5 Etwas anspruchsvoller, eine Reaktionsgleichung selbst erstellen Kommt ebenfalls häufig vor und setzt Grundkenntnisse zur Erstellung von Formeln von Verbindungen voraus. Beispiel: Formuliere die Reaktion zwischen Barium und Sauerstoff. Voraussetzung: Blick in das PSE Barium ist ein Metall (d. h. immer Elektronendonator) der 2. Hauptgruppe, Sauerstoff ein Nichtmetall der 6. Hauptgruppe. Kontextherstellung: Redoxreaktion, Barium hat in Verbindungen immer die Oxidationszahl +II, Sauerstoff in der Regel II (und hier spricht nichts dagegen), also muss die Formel BaO lauten. Aufstellen der Reaktionsgleichung: Ba + O 2 BaO Anschließende Korrektur: 2 Ba + O 2 2 BaO Lösungsstrategien 6 3

4 Reduktion eines Textes auf Wesentliches Komplexere Aufgaben beinhalten oft mehrere Reaktionen und beschreiben oft Umstände, die zwar für das Zustandekommen einer Reaktion wichtig, aber für die Erstellung der Reaktionsgleichung irrelevant sind. Beispiel: Zink (2 Außen-e ) wird in einem Mörser vorsichtig mit Schwefel gemischt, diese Mischung wird im Abzug mit einem langen brennenden Holzspan gezündet. Es setzt eine stark exotherme Reaktion ein, der graue Rückstand entwickelt mit halbkonzentrierter Salzsäure ein Gas, das angefeuchtetes UIP rot färbt. Formuliere die Reaktionsgleichungen und ordne jede dieser Gleichungen in ein Reaktionsschema (Wortgleichung, Namen des Schemas) ein. Der blau gesetzte Text beschreibt Umstände der ersten Reaktion. Der rot eingefärbte Text beschreibt eine weitere Reaktion zwischen dem ersten Produkt und Salzsäure (halbkonzentriert ist für die eigentliche Reaktion nicht bedeutsam). Der letzte Teilsatz beschreibt eine dritte Reaktion, die auf dem UIP stattfindet. Lösungsstrategien 7 Lösung der Aufgabenstellung Der Hinweis, dass Zink 2 Außenelektronen besitzt, ergibt als Formel für das Reaktionsprodukt die Formel ZnS, die Reaktionsgleichung lautet also Zn + S ZnS. Die Wortgleichung muss Metall + Nichtmetall binäres Salz lauten. Die Zuordnung ist Bildung eines binären Salzes. Die weiteren Lösungen: ZnS + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 S Salz einer schwachen Säure + starke Säure Salz der starken Säure + schwache Säure Verdrängung schwacher Säuren aus ihren Salzen H 2 S + H 2 O H 3 O + + HS S 1 + B 2 S 2 + B 1 Säure-Base-Reaktion Lösungsstrategien 8 4

5 Zusammensetzung von Verbindungen Fragestellung: Wie hoch ist der prozentuale Wasserstoffanteil bei Ammoniumhydrogencarbonat? Lösungsweg: 1. Bestimmen der Formel NH 4 HCO 3 2. Errechnen der molaren Masse M(NH 4 HCO 3 ) = 14 g + 4 g+ 1 g+ 12 g + 3*16 g = 79 g 3. Bestimmen von M(H) M(H) = 5 g 4. Errechnen des %-Anteils an H 79 g = 100% 5 g = x % % H = 5 g / 79 g * 100 = 6,32 % 5. NH 4 HCO 3 besteht zu 6,32 % aus Wasserstoff. Lösungsstrategien 9 Manchmal hilft ein Überschlag! Aufgabenstellung: Wie lautet die Formel der Verbindung, die aus 3,06 % Wasserstoff, 31,63 % Phosphor und 65,31 % Sauerstoff besteht? Die Molmasse der Verbindung beträgt 98 g. Überlegung: 98 g liegt nahe bei 100 g entsprechend 100 %. Also enthält die Verbindung ca. 3 g Wasserstoff, ca. 32 g Phosphor und etwa 65 g Sauerstoff. Ein Blick in das PSE sagt sofort, dass die Verbindung 3 Mol Wasserstoff und 1 Mol Phosphor enthalten muss. 16 g Sauerstoff entsprechen 1 Mol Sauerstoff, 32 g entsprechen 2 Mol und 64 g damit 4 Mol Sauerstoff. Die Formel der Verbindung kann somit nur H 3 PO 4 lauten, es handelt sich also um Phosphorsäure! Lösungsstrategien 10 5

6 Verbrennung von Magnesium Aufgabenstellung: Ein Gramm Magnesium wird in reinem Sauerstoff verbrannt. Wie viel Liter Sauerstoff werden benötigt und wie viel Gramm Magnesiumoxid entstehen? Lösungsweg: Erstellen der Formel von Magnesiumoxid, der Reaktionsgleichung und des molaren Formumsatzes, danach Durchführung der geforderten Berechnungen. Mg 2. Hauptgruppe, O 6. Hauptgruppe Formel MgO Reaktionsgleichung: 2 Mg + O 2 2 MgO bzw. Molarer Formelumsatz: 48,6 g Mg + 22,414 L O 2 80,6 g MgO Benötigte Beziehungen: Lösungsstrategien 11 Wird der vollständige molare Formelumsatz immer benötigt? Aufgabenstellung: Früher wurde Wasserstoff im Labor im sog. Kippschen Apparat hergestellt. Hierzu wird Zink mit Salzsäure umgesetzt, als weiteres Reaktionsprodukt entsteht Zink(II)-Chlorid. Wie viel Gramm Zink müssen umgesetzt werden um 4 L Wasserstoff zu erhalten? Analyse: Die Fragestellung spricht nur von Zink und Wasserstoff, also braucht nur hierfür die molare Masse bzw. das molare Normvolumen für die Reaktion ermittelt werden. Die Reaktionsgleichung muss aber auf jeden Fall vollständig formuliert werden: Nun braucht nur noch die Beziehungskiste aufgelöst werden. Überschlag: 4 L sind rund 1 / 5 von 22, 414 L, 1 / 5 von ca. 65 g sind 13 g, das Ergebnis x = 11,7 g besitzt also die richtige Größenordnung. Lösungsstrategien 12 6

7 Aufgaben mit weiteren Einheiten Aufgabentext: Das sehr giftige Stickstoffdioxid kann durch Einleiten in Kalilauge unschädlich gemacht werden, da es zu Kaliumnitrit und Kaliumnitrat reagiert, weiterhin entsteht Wasser. Formuliere die Reaktionsgleichung und beweise, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt. Wie viel Liter Stickstoffdioxid können mit 5 Litern 10 %-iger Kalilauge (Dichte 1,08 g/ml) umgesetzt werden? Lösung: 216,13 L Stickstoffdioxid Der erste Teil der Aufgabe beinhaltet die Umsetzung des Textes in eine Reaktionsgleichung, der Beweis erfolgt über die Oxidationszahlen des Stickstoffs. Der molare Formelumsatz kann bei dieser Aufgabe auf Stickstoffdioxid und Kalilauge (Kaliumhydroxid) beschränkt werden. Eine Nebenrechnung bestimmt aus den Volumen der Lauge die Masse der Lauge und hieraus wird die Masse an Kaliumhydroxid bestimmt. Der Rest ist eine Beziehungskiste. Lösungsstrategien 13 Aufeinanderfolgende Reaktionen Elementarer Kohlenstoff kann mit heißer, konzentrierter Schwefelsäure zu Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Wasser umgesetzt werden. Wie viel Liter Kohlendioxid entstehen, wenn durch ein Missgeschick im Labor 18 g Zucker (C 6 H 12 O 6 ) vollständig zu Kohlenstoff umgesetzt wurden und das Reaktionsgefäß gesäubert werden muss? Lösungsansatz: Zeitliche Reihenfolge der Reaktionen festlegen, also hier Zucker wird zu Kohle, dann Kohlenstoff wird oxidiert. Erste Reaktionsgleichung formulieren und Umsätze bestimmen. Zweite Reaktionsgleichung anschreiben und auch hier die Umsätze ermitteln, das war s. Lösungsstrategien 14 7