Abitur 2001 Chemie Lk Seite 1

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1 Abitur 2001 Chemie Lk Seite 1 Hinweise für den Schüler Aufgabenauswahl: Von den 2 Prüfungsblöcken A und B ist einer auszuwählen. 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. sein. Die Lösungen sind in sprachlich einwandfreier Form darzustellen. Bei Berechnungen ist die Anlage zu nutzen. Der Lösungsweg muss erkennbar 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 2001 Chemie Lk Seite 2 Block A 1. Täglich benötigt der menschliche Körper 800 mg Calcium-Ionen, die über die Nahrung zugeführt werden müssen, für den Aufbau der Zahn- und Knochensubstanz. 100 Gramm Ölsardinen enthalten mehr als 300 mg Calcium-Ionen und 430 mg Phosphat-Ionen. Sie gelten jedoch nicht als ideale Calciumquelle. Klären Sie diesen Widerspruch mit Hilfe der folgenden Teilaufgaben! 1.1 Geben Sie die Reaktionsgleichung für das Löslichkeitsgleichgewicht von Calciumphosphat [Ca 3 (PO 4 ) 2 ] an und formulieren sie das Löslichkeitsprodukt! 1.2 In einem Liter reinem Wasser lösen sich 7, mol Calciumphosphat. Geben Sie die Konzentration der Calcium-Ionen in der Lösung an! 1.3 Sehr geringe Ionenkonzentrationen werden nicht direkt, sondern über Konzentrationselemente bestimmt. Entwickeln Sie eine Experimentieranordnung mit Skizze und erläutern Sie, wie das Löslichkeitsprodukt eines schwerlöslichen Salzes ermittelt werden kann! 1.4 Säurerest-Ionen der Phosphorsäure spielen als Puffer im Blut eine große Rolle Formulieren Sie die Gleichung für die Reaktion von Dihydrogenphosphat-Ionen mit Wasser und bestimmen Sie die korrespondierenden Säure-Base-Paare! Erläutern Sie an diesem Beispiel die Zusammensetzung und Wirkung eines Puffergemisches! Berechnen Sie den ph-wert eines Puffergemisches, das zu gleichen Teilen aus Dihydrogenphosphat- und Hydrogenphosphat-Ionen mit jeweils einer Konzentration c = 0,1 mol l -1 besteht! 1.5 Wie ändert sich der ph-wert in 1 Liter der Pufferlösung aus Aufgabe 1.4.2, wenn 0,01 mol Hydronium-Ionen zugesetzt werden? 1.6 Begründen Sie, warum beim Verzehr von Ölsardinen keine optimale Versorgung des Körpers mit Calcium- und Phosphat-Ionen erfolgt! Was muss bei der Nahrungsaufnahme beachtet werden, um den Bedarf des Körpers mit diesen Ionen zu decken? 21 BE (7 BE) (5 BE) 2. Auch Pflanzen benötigen für eine optimale Entwicklung Calcium- und Phosphat-Ionen. 12 BE Im Boden enthaltenes Calciumphosphat ist jedoch in Wasser sehr schwer löslich. Erst wenn sich mit Hydronium- und Carbonat-Ionen daraus Calciumcarbonat und das etwas besser lösliche Calciumhydrogenphosphat bilden, ist eine Aufnahme durch die Pflanze möglich. 2.1 Formulieren Sie für diese Reaktion die Reaktionsgleichung! 2.2 Hydrogen- und Dihydrogenphosphate sind oft Bestandteil von Phosphordüngemitteln. (3 BE) Entscheiden Sie, ob eine Calciumdihydrogenphosphatlösung sauer, basisch oder neutral reagiert und begründen Sie Ihre Meinung! Berechnen Sie den ph-wert einer Calciumdihydrogenphosphatlösung mit der Konzentration c = 0,01 mol l -1! 2.3 Da die Nährsalzaufnahme durch die Wurzel ph-wert abhängig ist, soll Schwefeldioxid als Luftschadstoff näher untersucht werden Geben Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Schwefeldioxid mit Wasser an! In von der Industrie beeinflussten Gebieten kann der ph-wert von Regenwasser 4 betragen. (3 BE) Berechnen Sie die Masse an Schwefeldioxid, die mit 10 m 3 Wasser reagiert hat, wenn dieser ph-wert erreicht wird! Hinweis: Gehen Sie bei Ihren Berechnungen von einer vollständigen Protolyse der 1. Protolysestufe aus, die zweite bleibt unberücksichtigt!

3 Abitur 2001 Chemie Lk Seite Dieses Regenwasser mit dem ph-wert 4 soll als Gießwasser in einer Gärtnerei genutzt werden. Dazu muss es auf den ph-wert von 7 gebracht werden. Entscheiden Sie, ob Magnesiumoxid und/oder Diphosphorpentoxid dafür geeignet sind! Begründen Sie beide Entscheidungen und formulieren für eine die Reaktionsgleichung! (3 BE) 3. In modernen Verbrennungskraftwerken sind zur Abgasreinigung Entschwefelungsanlagen 18 BE eingebaut. Dort reagiert das Schwefeldioxid in Absorbern mit Calciumcarbonat zu Calciumsulfit. Dieses setzt sich mit Luftsauerstoff zu Calciumsulfat um. 3.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen! 3.2 In einem Kraftwerk fallen bei dieser Entschwefelung jährlich etwa t Calciumsulfat an. Berechnen Sie die Masse an Schwefeldioxid, die aus dem Abgas entfernt wurde! 3.3 Im Labor kann der Gehalt an Schwefeldioxid in Gasgemischen ermittelt werden, indem das Gas durch eine Gaswaschflasche mit verdünnter Wasserstoffperoxidlösung gesaugt wird. Das gesamte Schwefeldioxid reagiert dabei zu Schwefelsäure, die entweder durch Wägung nach einer Fällung oder durch Neutralisationstitration bestimmt wird Geben Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion zwischen Schwefeldioxid und Wasserstoffperoxid an! Begründen Sie, warum für eine Wägung die Fällung als Bariumsulfat besser geeignet ist als die von Calciumsulfat! Erläutern Sie die chemischen Grundlagen der Neutralisationstitration einschließlich der (4 BE) Berechnung! Experiment : (6 BE) Bestimmen Sie durch Titration mit Natronlauge, c = 0,1 mol l -1, die Konzentration einer Schwefelsäurelösung! Fordern Sie dazu entsprechende Geräte und Chemikalien schriftlich an! Beschreiben Sie, wie Sie aus 1 Liter Schwefelsäurelösung, c = 0,16 mol l -1, eine Lösung mit der Konzentration c = 0,1 mol l -1 herstellen können! 4. Schwefeldioxid ist ein wichtiger Ausgangsstoff zur Herstellung von Schwefelsäure. Im 9 BE Kontaktverfahren wird in einer Gleichgewichtsreaktion Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid umgesetzt. 4.1 Berechnen Sie auf der Grundlage der Reaktionsgleichung für das Kontaktverfahren die molare Reaktionsenthalpie! 4.2 Formulieren Sie das MWG für diese Reaktion! 4.3 Bei einem Versuch in einem 70 Liter Gefäß, wurden nach Einstellung des chemischen (4 BE) Gleichgewichts folgende Daten ermittelt : Stoffmenge an Schwefeltrioxid = 0,75 mol Stoffmenge an Schwefeldioxid = 0,15 mol Stoffmenge an Sauerstoff = 0,1 mol Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante und machen Sie Aussagen zur Lage des chemischen Gleichgewichts! 4.4 Viele großtechnische Prozesse sind ohne Katalysatoren nicht denkbar. Erläutern Sie die Wirkungsweise eines Katalysators!

4 Abitur 2001 Chemie Lk Seite 4 Block B 1. Bleiakkumulatoren werden unter anderem als Starterbatterien in Kraftfahrzeugen genutzt. Im geladenen Zustand besteht eine Zelle dieses Akkumulators aus einer Blei- und einer Blei(IV)-oxid-Elektrode, die in Schwefelsäure tauchen! 1.1 Geben Sie die Reaktionen an den Elektroden bei der Entladung an! Berücksichtigen Sie dabei auch die Sulfat-Ionen! 1.2 Begründen Sie, warum man in den Autowerkstätten den Ladezustand eines Bleiakkumulators über eine Dichtebestimmung der Elektrolytlösung prüfen kann! 1.3 Während des Ladevorganges ist häufig Gasbildung an beiden Elektroden zu beobachten. Formulieren Sie für diese Nebenreaktion die Gleichungen für die Oxidation und die Reduktion! Ziehen Sie eine Schlussfolgerung hinsichtlich des Arbeitsschutzes für Räume, in denen Bleiakkumulatoren geladen werden! 1.4 Berechnen Sie die Zellspannung einer Zelle des Bleiakkumulators für die Stoffmengenkonzentration der Sulfat-Ionen von c(so 2-4 ) = 3,83 mol l -1! Das Löslichkeitsprodukt von Blei(II)-sulfat ist K L = mol 2 l -2. Das Potential der Halbzelle PbO 2 /Pb 2+ beträgt hier E = 1,70 V. 1.5 Welche Masse von Blei(IV)-oxid muss ein Bleiakkumulator bei einer Spannung von 12 V und einer Speicherkapazität von 40 Ah insgesamt enthalten, wenn bei seiner vollständigen Entladung nur 90% dieser Masse umgesetzt werden? 1.6 Das Laden eines Bleiakkumulators entspricht dem Vorgang einer Elektrolyse, das Entladen dem eines galvanischen Elements. Nennen Sie zwei Merkmale, wodurch sich die Prozesse bei einem galvanischen Element und bei einer Elektrolyse grundsätzlich unterscheiden! 14 BE (3 BE) (4 BE) 2. Zur Bestimmung der Konzentration von Lösungen werden unter anderem 15 BE maßanalytische Verfahren angewandt. 2.1 Erläutern Sie die chemischen Grundlagen der Neutralisationstitration! ml Ammoniaklösung c(nh 3 ) = 0,1 mol l -1 werden mit Chlorwasserstoff, c(hcl) = 1 mol l -1, titriert Berechnen Sie den ph-wert der Ammoniaklösung vor der Titration! Berechnen Sie das Volumen der Chlorwasserstoffsäure, das bis zum Erreichen des Ä- quivalenzpunktes hinzugegeben werden muss! Entscheiden und begründen Sie, ob die entstehende Lösung am Äquivalenzpunkt sauer, (3 BE) basisch oder neutral reagiert! Berechnen Sie den ph-wert der entstehenden Lösung am Äquivalenzpunkt! Hinweis: Die Volumenänderung ist zu berücksichtigen! 2.3 Die Härte des Wassers wird unter anderem durch Calcium-Ionen verursacht, die bei der manganometrischen Bestimmung zunächst mit Oxalat-Ionen (C 2 O 2-4 ) gefällt werden. Der Niederschlag aus Calciumoxalat wird in verdünnter Schwefelsäure gelöst. Die Oxalat-Ionen werden nach folgender Gleichung titrimetrisch bestimmt: 2MnO H 3 O C 2 O 4 2-2Mn H 2 O + 10 CO Berechnen Sie die Masse an Calcium-Ionen in einer Wasserprobe, wenn bei der Titration ein Volumen von 20 ml Kaliumpermanganatlösung der Stoffmengenkonzentration (4 BE) c(kmno 4 ) = 0,02 mol l -1 verbraucht wurde! Wie erkennt man den Endpunkt dieser Titration? Begründen Sie! Der Neutralisationstitration und der manganometrischen Titration liegen unterschiedliche Reaktionsarten zugrunde. Nennen Sie diese und bestimmen Sie eine Gemeinsamkeit!

5 Abitur 2001 Chemie Lk Seite 5 3. Bei einer quantitativen Analyse wurde die Summenformel C 3 H 6 O 2 ermittelt. 4 BE 3.1 Geben Sie Strukturformel und Namen zweier Isomere an! 3.2 Nennen Sie zwei Eigenschaften, durch die diese Stoffe experimentell unterschieden werden können! 4. Erdöl und Erdgas sind wichtige Energieträger. Ein Liter Heizöl (als Nonan mit der Dichte ρ = 0,9 kg l -1 angenommen) kostet etwa soviel wie ein Kubikmeter Erdgas (Methan). Beide Energieträger verbrennen vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser (gasförmig). 4.1 Berechnen Sie die Heizwerte für einen Liter Heizöl (Nonan) und ein Kubikmeter Erdgas im Normzustand, das zu 90% aus Methan bestehen soll! Welcher der beiden Energieträger ist aus dieser Sicht der günstigere? 4.2 Auch Nährstoffe sind Energieträger. Kohlenhydrate haben im Durchschnitt einen physikalischen Brennwert von 17,2 kj g -1 und Fette von 38,9 kj g -1. Suchen Sie eine Begründung für den wesentlich niedrigeren Brennwert der Kohlenhydrate! 8 BE (7 BE) 5. Es gibt zur Glucose ein isomeres Monosaccharid, die Galactose. (siehe Abb.) 12 BE 5.1 Ordnen Sie die Galactose anhand ihrer Strukturmerkmale in die Gruppen der Kohlenhydrate ein und vergleichen Sie die Struktur der Galactose mit der Struktur der Glucose! 5.2 Entwickeln Sie die Formel nach Haworth für den Pyranosering (6-Ring) der α-d- Galactose! 5.3 Kennzeichnen Sie die glycosidische (halbacetale) OH-Gruppe und erläutern Sie deren Bedeutung! 5.4 Experiment: Disaccharide werden durch die Verknüpfung zweier Monosaccharide gebildet und können sich unterschiedlich gegenüber Fehlingscher Lösung verhalten. Erklären Sie diese Erscheinung! Planen Sie ein Experiment mit einem Disaccharid, bei dem diese Reaktion positiv ausfällt und fordern Sie die benötigten Geräte und Chemikalien schriftlich an! Führen Sie dieses Experiment durch und werten Sie es aus! Hinweis: Sie können in der Reaktionsgleichung den nicht an der Reaktion beteiligten Bestandteil mit R kennzeichnen. (4 BE) (6 BE)

6 Abitur 2001 Chemie Lk Seite 6 6. Fette sind Stoffgemische verschiedener Fettsäureester des Glycerins. 7 BE 6.1 Entwickeln Sie eine vereinfachte Strukturformel für ein Fettmolekül, das aus einem Molekül Glycerin (Propantriol) mit jeweils einem Molekül Hexadecansäure, 9-Octadecensäure und 9,12-Octadecadiensäure entstanden ist! 6.2 Fette haben unter anderem folgende Eigenschaften: (3 BE) - nicht wasserlöslich - unterschiedliche Siede- bzw. Schmelzbereiche - bei vielen ist die Addition von Brom möglich. Begründen Sie diese Eigenschaften mit Hilfe der Struktur der Fette! 6.3 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Hydrierung des oben genannten Fettmoleküls! Erläutern Sie die praktische Bedeutung dieses Prozesses!

7 Abitur 2001 Chemie Lk Seite 7 Standardelektrodenpotentiale Element/Verbindung oxidierte Form reduzierte Form E in V Blei Pb 2+ (aq) + 2 e - Pb (s) - 0,13 PbO 2(s) + 4 H + (aq) + 2 e - Pb H 2 O 1,46 Chlor Cl 2(g) + 2 e - 2Cl - (aq) 1,36 Eisen Fe 2+ (aq) + 2 e - Fe (s) - 0,41 Fe 3+ (aq) + e - Fe 2+ (aq) 0,77 Kupfer Cu 2+ (aq) + 2 e - Cu (s) 0,35 Mangan MnO 4 - (aq) + 8 H + (aq) + 5 e - Mn 2+ (aq) + 4 H 2 O (l) 1,51 Natrium Na + (aq) + e - Na (s) - 2,71 Nickel Ni 2+ (aq) + 2 e - Ni (s) - 0,23 Sauerstoff O 2 (g) + 2 H 2 O (l) + 4 e - 4 OH - (aq) 0,40 O 2 (g) + 4 e H + (aq) 2 H 2 O (l) 1,23 Silber Ag + (aq) + e - Ag (s) 0,80 Stickstoff NO 3 - (aq) + 4 H + (aq) + 3 e - NO (g) + 2 H 2 O (l) 0,96 Wasserstoff 2 H + (aq) + 2 e - H 2(g) 0,00 2 H 2 O (l) + 2 e - H 2(g) + 2 OH - (aq) - 0,83 Zink Zn 2+ (aq) + 2 e - Zn (s) - 0,76 Hinweis: Die Elektrodenpotentiale sind alphabetisch nach Elementen geordnet. Thermodynamische Daten Formel Zustand molare Standard- Bildungsenthalpie B H 0 m in kj. mol -1 molare Standardentropie S 0 m in J. K -1. mol -1 Ammoniak NH 3 g Chlor Cl 2 g Chlorwasserstoff HCl g Distickstofftetraoxid N 2 O 4 g Ethanol C 2 H 5 OH g Hydronium-Ionen H 3 O + aq Hydroxid-Ionen OH - aq Kohlendioxid CO 2 g Kohlenmonoxid CO g Methan CH 4 g Nonan C 9 H 20 l Salpetersäure HNO 3 l Sauerstoff O 2 g Schwefeldioxid SO 2 g Schwefeltrioxid SO 3 g Stickstoffdioxid NO 2 g Wasser H 2 O g Wasser H 2 O l Wasserstoff H 2 g Wasserstoff-Ionen H + aq 0 0

8 Abitur 2001 Chemie Lk Seite 8 Säurekonstanten und Basekonstanten bei 22 C Formel der Säure Säurekonstante K S in mol l -1 Formel der Base Basekonstante K B in mol l -1 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, CH 3 COOH 1, HPO 4 1, H 2 CO 3 3, HCO 3 3, H 2 PO 4 6, CH 3 COO - 5, 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 Henderson-Hasselbalch-Gleichung: c(h O ) = K c(ha) + ca 3 S oder ph = pks + log ( ) - c(a ) cha ph-wert mittelstarker bis sehr schwacher Säuren: 1 ph = ( pks lg{ c0[ HA]}) 2 molare Reaktionsenthalpie (Kalorimetergleichung): m(h 2O) c p(h 2O) T RH m = - n -1-1 c (H O) = 4,19 J K g p 2 Faradaysches Gesetz: I t = n F z Faraday-Konstante: F = 9,65 10 A s mol 4 1 Nernst-Gleichung: E E 0 0,059 V = + lg c (Ox) oder E E 0 0,059 V = + lg c (Me z+ ) z c(red) z Gibbs-Helmholtz-Gleichung: G = H T S