Naturwissenschaften, Teil Chemie

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1 Die Prüfung Naturwissenschaften dauert insgesamt 4 Stunden Sie umfasst die drei gleichwertigen Teile Biologie, Chemie und Physik à je 80 Minuten: Kand.-Nr.: Note: Name, Vorname Für die Korrigierenden Korrigierender:.. Punktemaximum: 80.5 Punkte Erreichte Punktzahl:. Note Teil Chemie:. Verfasser: Zeit: Hilfsmittel: Hinweise: M. Suter, G. Rutz 80 Minuten (von total 4 Stunden) Taschenrechner und Formelsammlungen gemäss Weisungen 1. Die Antworten sind direkt auf die Aufgabenblätter zu schreiben. 2. Bitte lösen Sie keine einzelnen A4-Seiten aus dem Aufgabenkatalog heraus 3. Fassen Sie sich kurz, aber präzise. Überflüssiges beansprucht nur wertvolle Zeit! 4. Unleserliches wird nicht korrigiert und demzufolge auch nicht bewertet. 5. Die erreichbaren Punktzahlen sind bei allen Aufgaben angegeben. 6. Zur Erreichung der Note 6 müssen nicht alle Aufgeben vollständig gelöst werden. Wir wünschen Ihnen weiterhin viel Erfolg! Seite 1 von 13

2 1. 3P Kreuzen Sie an, ob folgende Aussagen richtig oder falsch sind. (+ für korrekt gesetzte Kreuzchen, - für nicht oder nicht am nicht korrekten rt gesetzte Kreuzchen. Die Gesamtpunktzahl kann nicht unter 0 sinken). richtig falsch a) Ist ein Stoffsystem heterogen, muss es sich auf jeden Fall um ein Gemisch handeln. b) Sind von blossem Auge mehr als eine Komponente zu erkennen, muss es sich um ein heterogenes Gemisch handeln. c) Reine Stoffe lassen sich in jedem Fall mit chemischen Methoden trennen. d) Bei physikalischen Vorgängen ändern die Eigenschaften, während bei chemischen Prozessen stets die Zustände ändern. e) Atemluft lässt sich mit geeigneten physikalischen Methoden in ihre Komponenten trennen. f) Salze sind immer Verbindungen, während Moleküle auch elementar sein können. 2. Atombau, Atommodelle a) Welches Kriterium bezüglich des Atombaus legt fest, um welches Element es sich handelt? b) Sie wollen einem Anion und einem Kation je ein Elektron einpflanzen. Bei welchem Teilchen wird dies einfacher sein? Begründen Sie Ihre Antwort. c) Ein Kation mit 2 ganzen Ladungen enthält ausser Protonen die folgenden Elementarteilchen: 2 Elektronen und 5 Neutronen. Um welches (geladen vorliegende) Element handelt es sich? hne Begründung. d) e) Ergänzen Sie die untenstehende Tabelle: (Es sind immer neutrale Atome gemeint) Element Neutronenzahl Elektronenzahl Massenzahl Seite 2 von 13

3 3. Trennmethoden a) Lässt man Frischmilch eine Zeitlang stehen, trennt sich der Rahm von der übrigen Milch automatisch; er kann dann oben einfach abgeschöpft werden. Wie nennt sich die dabei angewandte Trennmethode und worin muss sich der Rahm von der übrigen Milch unterscheiden, damit die Methode funktioniert? b) Wie hätte sich der oben beschriebene Prozess beschleunigen lassen? Nennen Sie den Fachausdruck der Methode oder die dazu verwendete Apparatur. c) Bei der Herstellung von Instantkaffee (wie z. B. Nescafé ) geht man im Wesentlichen zuerst von gewöhnlichen gemahlenen Kaffeebohnen aus. Diese werden aufgegossen und soweit weiterverarbeitet, bis der Instantkaffee mit all seinen Stoffen als Pulver vorliegt. Unter der Annahme, dass im ganzen Verfahren keine chemischen Reaktionen ablaufen, handelt es sich bei allen Herstellungsschritten um eine Reihe von Trennverfahren. Beschreiben Sie Schritt für Schritt die Trennmethoden, mit welcher das Gemisch der Stoffe, welche schliesslich zusammen als Instantkaffee in den Verkauf kommen, als Gruppe von den übrigen Stoffen der gemahlenen Kaffeebohnen getrennt werden. Nennen Sie bei jedem Schritt, wie sich die betroffenen Stoffe dabei verhalten und welche Unterschiede zwischen den zu trennenden Stoffen jeweils ausgenützt werden, damit die Trennmethode funktioniert; beginnend bei den gemahlenen Bohnen bis zum Moment, wo das fertige Instantkaffeepulver vorliegt. Erwartung: ca. 3 Verfahrensschritte. 4P Seite 3 von 13

4 4. Periodensystem, ktettregel a) Welches Kriterium bestimmt die Länge der Periode bzw. weshalb umfasst die erste Periode bloss 2 Elemente, während die zweite Periode 8 Elemente zählt? b) Welche Gemeinsamkeit haben die Elemente der 4. Periode auf den Atombau bezogen? c) Was haben alle Halogene bezüglich des Atombaus gemeinsam? d) Welche Gemeinsamkeit im Atombau weisen die Elemente der 8. Hauptgruppe auf? e) Wie müssen sich Atome der Erdalkalimetalle verändern, um die ktettregel zu erfüllen? f) Was lässt sich über die Reaktivität von Atomen aussagen, die die ktettregel erfüllen? g) Welches neutrale Hauptgruppenelement hat 4 Elektronen auf der -Schale? Seite 4 von 13

5 5. Reaktionsgleichungen, chemisches Rechnen a) Wird festes Bleinitrat (Pb(N 3 ) 2 ) erhitzt, entstehen Blei(II)-oxid (Pb), Stickstoffdioxid (N 2 ) und elementarer Sauerstoff. Schreiben Sie die Reaktionsgleichung zu diesem Prozess. 2P b) Ammoniak (NH 3 ) lässt sich im reinen Sauerstoff verbrennen. Verbrennungsprodukte sind elementarer Stickstoff und Wasser. Schreiben Sie die Reaktionsgleichung zu diesem Prozess. 2P b) Wenn elementarer Kohlenstoff in konzentrierter Salpetersäure (HN 3 ) erhitzt wird, entstehen Kohlendioxid, Stickstoffdioxid (N 2 ) und Wasser. 3P C + 4 HN 3 C N H 2 Es werden 45 g Kohlenstoff eingesetzt. Wie gross ist die maximale Ausbeute an Stickstoffdioxid in Gramm? Geben Sie Ihre Berechnungen in Form von Gleichungen inkl. Einheiten an: 0.12 mol Bsp.: V = 0.02 mmm l V = 6.00 l Seite 5 von 13

6 6. Wechselwirkungen In der Tabelle unten sind die Schmelz- und Siedepunkte einiger Elemente und Verbindungen aufgelistet. Stoff Erscheinungsform Schmelzpunkt Siedepunkt Kohlenstoff Makromolekül: Diamant C Schwefel S C C Wasser H 2 0 C C Kohlendioxid C 2 Sublimiert bei C Schwefelkohlenstoff CS C + 46 C Methanal CH C - 19 C a) Kreuzen Sie in der Tabelle unten für alle aufgeführten Stoffe die jeweils stärkste Wechselwirkung an, welche beim Schmelzen überwunden werden muss. (Pro Spalte nur ein Kreuzchen möglich.) C (Diamant) S 8 H 2 C 2 CS 2 CH 2 3P Van-der-Waals-Kräfte Dipol-Dipol-Kräfte Wasserstoffbrücken Ionenbindung Kovalente Bindung Metallbindung b) Im Gegensatz zu Kohlendioxid, das eine gute Wasserlöslichkeit aufweist, ist Schwefeldioxid schlecht wasserlöslich. Erklären Sie anhand der Wechselwirkungen zwischen C 2 und Wasser bzw. zwischen CS 2 und Wasser, warum dies so ist. c) Selbst zwischen zwei Heliumatomen herrscht eine Wechselwirkung. Nennen Sie die Wechselwirkung mit Namen und erklären Sie, wie diese Wechselwirkung zustande kommt. 5P Seite 6 von 13

7 6. d) Elementarer Stickstoff (darf als Einzelatom gezeichnet werden) reagiert mit Beryllium. Zeichnen Sie diese Reaktion mit Hilfe von Schalenmodellen. Zeichnen Sie alle Teilchen vor und nach der Reaktion. Geben Sie pro Teilchensorte die entsprechende Anzahl an, die nötig ist, damit die ktettregel überall erfüllt ist. Schreiben Sie die einzelnen Atome bzw. Ionen stets mit dem entsprechenden Symbol an. Notieren Sie allfällige Ladungen der einzelnen Ionen. 3P Bsp. Schalenmodell: Al Seite 7 von 13

8 7. Redox-Reaktionen a) Wird elementares Aluminium mit einem xid des Kobalts, Co 3 4, gemischt und entzündet, sammelt sich während der stark exothermen Reaktion im heissen Zustand eine Flüssigkeit am Boden des Reaktionsgefässes, die beim Abkühlen erstarrt und elektrisch leitfähig sowie magnetisierbar ist. Darüber ist ein weisser, spröder Feststoff zu finden. Schreiben Sie die Reaktionsgleichung zur oben beschriebenen Reaktion. 2P b) Welche Atomsorte wurde reduziert? c) Welche Atomsorte spielte in der Reaktion die Rolle des xidationsmittels? d) Wie unterscheidet sich eine Redox-Reaktion von einer Säure-Base-Reaktion? 1.5P 8. a) In einem Reagenzglas wird eine Lösung mit Ag + -Ionen zusammen mit Hydroxidionen (H - ) und Methanal erhitzt. Bald schon wird das Glas innen mit einer metallischen Silberschicht bedeckt. Daneben entsteht als organisches Produkt Ameisensäure (= Methansäure) und ein weiteres, anorganisches Nebenprodukt. Zeichnen Sie die Reaktion mit Lewis-Formeln (das Silber kann vor und nach der Reaktion einfach als Symbol geschrieben werden). Geben Sie dabei, wie in einer Reaktionsgleichung üblich, auch die Anzahlen der Teilchen an. 5P b) Welche Atomsorte wurde reduziert? c) Was geschieht mit diesem Teilchen während der Reduktion? d) Welche Atomsorte wurde oxidiert? Seite 8 von 13

9 9. Säure-Base-Chemie a) Definieren Sie den Begriff Säure. b) Warum kann Methan (CH 4 ) nicht die Rolle einer Base übernehmen? Erklären Sie anhand des Baus des Methan-Moleküls. c) Dass destilliertes Wasser einen ph-wert von 7.0 hat, ist kein Zufall. Erklären Sie, weshalb der ph bei 7.0 liegt. 3.5P d) Natriumformiat ist ein Salz und hat die Formel Na + (HC) -. Wird dieses Salz ins Wasser gegeben, reagiert das basische Anion mit Wasser in einer Säure-Base-Reaktion. Zeichnen Sie diese Reaktion mit Lewis-Formeln. Das Kation ist an der Reaktion nicht beteiligt und kommt deshalb in der Zeichnung NICHT vor. 3P Seite 9 von 13

10 10. a) Die Titration ist eine quantitative Analysemethode, mit welcher unter anderem die Säurekonzentration von sauren Lösungen bestimmt werden kann: In eine Salzsäurelösung mit unbekannter Konzentration wird aus einer Bürette Natronlauge mit definierter Konzentration getropft (vgl. Abbildung). In der dabei ablaufenden Neutralisationsreaktion reagieren die Salzsäure und die Natronlauge im Anzahlverhältnis 1 : 1. Ein in der Säurelösung enthaltener Indikator zeigt an, wann alle Säureteilchen reagiert haben (also neutralisiert sind): Nach Zutropfen von 9.2 ml Natronlauge schlägt der Indikator um, die Laugenzugabe wird gestoppt. 2.5P Berechnen Sie die Konzentration der Salzsäure vor der Zugabe von Natronlauge. Geben Sie Ihre Berechnungen in Form von Gleichungen inkl. Einheiten an: Bsp.: M = g mol M = g mmm 9.2 ml Natronlauge Konz. c = 0.2 mmm l Bürette Hahn mit Ventil 150 ml Salzsäurelösung Konz. unbekannt b) Berechnen Sie den ph-wert dieser Säurelösung vor der Zugabe der Natronlauge. 1.5P Seite 10 von 13

11 11. Säure-Base-Gleichgewicht a) Wird Ammoniumchlorid (NH 4 Cl) in Wasser gelöst, kann man den typischen Geruch von Ammoniak (NH 3 ) spüren das untrügliche Zeichen eines chemischen Vorgangs, hier einer Gleichgewichtsreaktion. Damit sich das Gleichgewicht einstellen kann, muss dem Gefäss, das die Ammoniumchlorid-Lösung enthält, verschlossen werden (würde das Gefäss offen gelassen, würde aller Ammoniak im gasförmigen Zustand entweichen, das Gleichgewicht könnte sich nie einstellen). Notieren Sie die Reaktionsgleichung der Gleichgewichtsreaktion. Denken Sie dabei an allfällige Ladungen. 2P b) Sie wollen die Bildung des giftigen Ammoniaks möglichst verhindern. Welche der drei folgenden Lösungen würden Sie zugeben, damit die Entstehung von Ammoniak möglichst weitgehend unterdrückt wird: gesättigte Kochsalzlösung konz. Natronlauge konz Salzsäurelösung Erklären Sie anhand der Gleichgewichts-Reaktionsgleichung aus a), warum mit der von Ihnen gewählten Lösung die Bildung von Ammoniak unterdrückt wird. Argumentieren Sie mit den Konzentrationen und dem Gleichgewicht. 2.5P Seite 11 von 13

12 12. rganische Chemie a) 6P Zeichnen Sie zur Summenformel C 5 H 12 die drei möglichen Isomere als Skelett- oder Lewis- Formel und benennen Sie diese nach den IUPAC-Nomenklatur-Regeln. Namen nach IUPAC Skelett- oder Lewis-Formel b) 5P Zeichnen Sie zur Summenformel C 2 H 4 die beiden möglichen, nicht-zyklischen isomeren Verbindungen als Skelett- oder Lewis-Formel und benennen Sie diese nach IUPAC-Nomenklatur- Regeln. Geben Sie an, um welche Verbindungsklasse es sich handelt. Namen nach IUPAC Skelett- oder Lewis-Formel Verbindungsklassen wie z.b. Alkan, Alkohol, Keton, etc. Seite 12 von 13

13 13. Kunststoffe a) Unten ist ein Ausschnitt aus einem Polyester abgebildet, welcher gemeinhin unter dem Kurznamen PET bekannt ist. Markieren Sie direkt in der Zeichnung eine Estergruppe, indem Sie diese einrahmen. Achten Sie darauf, dass Sie dabei keine Atome miteinbeziehen, die nicht zur Estergruppe gehören. b) 3P Zeichnen Sie von den beiden Ausgangsstoffen, aus denen der Polyester durch Veresterung synthetisiert wurde, je einen Vertreter als Skelett- oder Lewis-Formel. Geben sie zu jedem Ausgangsstoff an, welcher Verbindungsklasse er angehört. Ausgangsstoff 1 Verbindungsklasse wie z. B. Alkan, Alkohol, Keton etc. Ausgangsstoff 2 Verbindungsklasse wie z. B. Alkan, Alkohol, Keton etc. c) 2P Die unten abgebildete Struktur zeigt einen Ausschnitt aus einem im Alltag ebenfalls weit verbreiteten Polymer. Es ist aus lauter identischen Monomeren durch eine echte Polymerisation (also Kettenbildung, ohne dass an den Monomeren Atome oder Atomgruppen abgespaltet werden mussten) entstanden. Zeichnen Sie das (kürzest mögliche) Monomer, aus welchem das oben abgebildete Polymer entstand als Skelett- oder Lewis-Formel und benennen Sie dieses nach den IUPAC- Nomenklatur-Regeln. Namen nach IUPAC Seite 13 von 13