1 Gymnasium Muttenz Maturitätsprüfung 2013 Chemie / SPF Bitte lesen Sie die folgenden Hinweise sorgfältig durch bevor Sie mit dem Lösen der Aufgaben beginnen. Die Antworten sind direkt auf die Aufgabenblätter zu schreiben. Sie bekommen mehrere Aufgabenthemen. In jedem Thema können aber die anderen Themen vertreten sein! Lassen Sie am linken Rand 3 cm für Korrekturen frei. Beachten Sie die Abgrenzung! Antworten Sie in kurzen Sätzen und drücken Sie sich unmissverständlich aus. Unpräzise Antworten haben einen Punkteabzug zur Folge. Ordnen Sie Ihre Antworten eindeutig zu. Schreiben Sie nicht mit Bleistift, und streichen Sie Ungültiges vollständig durch. Ungültige Lösungsversuche von Aufgaben markieren Sie mit einem Querstrich über das ganze Blatt (keine Klammern!). Falls Sie Zusatzblätter verwendet haben: Die Reinschrift ist oben rechts mit Name und R zu bezeichnen. Alle Lösungswege müssen vollständig und nachvollziehbar sein. Begründen Sie alle Ihre Antworten. Geben Sie, wenn immer möglich oder nötig, eine korrekte Reaktionsgleichung an, resp. korrekte Formeln und Namen der Substanzen. Ich erwarte immer Reaktionsgleichungen und / oder Strukturformeln (falls vertretbar auch Skelettformeln), falls sie für das Begründen Ihrer Aussagen wichtig /nötig sein könnten. Bei allen Berechnungen muss der Lösungsweg klar ersichtlich sein. Reine Ergebnisse zählen nicht. Bei den Zwischenschritten und Resultaten sind die richtigen Einheiten anzugeben. Unterstreichen Sie bitte alle Rechnungsresultate. Die Genauigkeit der Rechenergebnisse sollte 4 signifikante Stellen umfassen. Unleserliches wird nicht korrigiert und demzufolge auch nicht bewertet. Am Ende der Prüfung sind Aufgabenblatt, Reinschrift und sämtliche Notizen ebenso wie das Tabellenheft abzugeben. Ich wünsche Ihnen viel Erfolg! Hilfsmittel: Taschenrechner mit gelöschtem Speicher Tabellen und Formeln für die Chemie Die erreichbaren Punktzahlen sind angegeben. Maximale Punktzahl: 84 P. Für die Note 6 ist die max. Punktzahl nicht erforderlich. Erreichte Punktzahl Note (auf Zehntelnote gerundet) Note
2 Atombau, Bindungslehre, zwischenmolekulare Kräfte 1. Man würde erwarten, dass die 1. Ionisierungsenergie der Atome mit steigender Kernladungszahl der Atome gleichmässig zunimmt. Durch die experimentell ermittelten Ionisierungsenergien wird diese Erwartung jedoch nur zum Teil bestätigt. Man stellt fest, dass innerhalb einer Periode die 1. Ionisierungsenergien bis zu den Edelgas-Atomen jeweils tendenziell zunehmen, bei dem darauf folgenden Alkalimetall-Atom der nächsten Periode jedoch stark abfallen. Interpretieren Sie dieses starke Abfallen der 1. Ionisierungsenergie. (2 Pkt) 2. Moleküle und Bindungsenergie 2.1. Welche vier Faktoren bestimmen die Stärke einer Elektronenpaarbindung, also die Bindungsenergie? Es wird nur die Nennung der vier Faktoren erwartet und keine Erklärung. (2 Pkt) 2.2. Weshalb ist die Bindungsenergie der H F-Bindung grösser als die der H Cl-Bindung? Als Antwort wird erwartet, dass Sie alle oben genannten Faktoren der beiden Moleküle vergleichen und erläutern. (4 Pkt) 3. Folgende Verbindungen weisen annähernd gleiche molare Massen auf: A: n-pentan B: Butan-1-ol C: 2,2-Dimethylpropan Zeichnen Sie die Skelett- oder Strukturformeln der Verbindungen A, B und C. Ordnen Sie den Verbindungen A, B und C die Siedetemperaturen 9,5 C, 36 C und 117 C zu und begründen Sie Ihre Zuordnung unter Berücksichtigung aller zwischenmolekularen Kräfte, die wirksam sind. (5 Pkt) Gleichgewichte, Le Châtelier, Energetik 4. Methanol kann aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff in exothermer Reaktion synthetisiert werden. Die Reaktionsgleichung dafür lautet: CO (g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH (g) Welche vier Reaktionsbedingungen muss man unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit wählen, um eine möglichst hohe Ausbeute an Methanol zu erhalten? Begründen Sie Ihre Aussage. (4 Pkt)
3 5. Nach einer weit verbreiteten Vorstellung laufen chemische Reaktionen nur dann freiwillig ab, wenn dabei Energie frei wird, also exotherm ablaufen. Es sind aber auch viele spontan ablaufende endotherme Reaktionen bekannt. Ozon bildet sich in der Atmosphäre auf verschiedenen Arten gemäss folgender Grundgleichung: 3 O 2 (g) 2 O 3 (g) H = + 286 kj, wobei H die molare Reaktionsenthalpie bezeichnet. 5.1. Handelt es sich bei der Bildung von Ozon um eine exotherm oder endotherm ablaufende Reaktion? Erklären Sie mit einem kurzen Satz oder Stichwort. (2 Pkt) 5.2. Wie verändern sich die System-, Umgebungs- und Gesamtentropie durch diese Reaktion? Erklären Sie jeweils mit einem kurzen Satz. (3 Pkt) 5.3. Beurteilen Sie (nicht berechnen!) mit Hilfe der freien Reaktionsenthalpie, ob diese chemische Reaktion spontan (freiwillig) ablaufen kann. Erläutern Sie kurz mit einem Satz. (2 Pkt) Säuren und Basen 6. Titrationskurven Frisch hergestellte Natriumhydroxid-Lösung (Natronlauge; NaOH(aq)) wird im Labor als Masslösung für Titrationen verwendet. Die Abbildung zeigt den Verlauf der Titration von 50ml einer einprotonigen Säure HX(aq) mit Natronlauge (c(naoh) = 1 mol/l). 6.1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung mit Aggregatzuständen für die Neutralisation der Säure HX mit der Natronlauge. (1 Pkt) 6.2. Ermitteln Sie mit Hilfe der Abbildung den Verbrauch an Natronlauge bis zur vollständigen Neutralisation der Säure HX. Berechnen Sie anschliessend die Stoffmengenkonzentration der Säure HX. (3 Pkt) 6.3. Ermitteln Sie den pks der Säure HX mit Hilfe der Titrationskurve. (2 Pkt)
4 7. Eine wässrige Lösung von Essigsäure hat die Stoffmengenkonzentration c = 0,1 mol/l. 7.1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung mit Aggregatzuständen für die Reaktion von Essigsäure mit Wasser. (1 Pkt) 7.2. Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration der H 3 O + -Ionen in dieser Lösung und anschliessend den ph-wert der Essigsäurelösung. (2 Pkt) 8. Pufferlösungen 8.1. Was kennzeichnet Puffersysteme (Pufferlösungen) und woraus bestehen sie? (2 Pkt) 8.2. In 1 Liter Lösung sind je 0,1 mol Ammoniak (NH 3 ) und Ammoniumchlorid (NH 4 Cl) gelöst. 8.2.1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung mit Aggregatzuständen des Ammonium-Ammoniak-Puffers, also die Reaktion von Ammonium-Ionen mit Wasser.(1 Pkt) 8.2.2. Berechnen Sie den ph-wert dieser Pufferlösung. (2 Pkt) 8.3. Es werden 10 ml Salzsäure der Stoffmengenkonzentration 1 mol/l in die Pufferlösung gegeben. 8.3.1. Womit reagiert die Salzsäure? Formulieren Sie die Reaktionsgleichung (ohne Aggregatzuständen). (1 Pkt) 8.3.2. Berechnen Sie den ph-wert der Pufferlösung nach Zugabe von 10 ml Salzsäure der Stoffmengenkonzentration 1 mol/l. (2 Pkt) Redoxreaktionen, Elektrolyse und Korrosion 9. Gegeben ist eine wässrige Lösung (ph=7) mit den beiden Kationen Ag + und Hg 2+ wobei c(ag + )= 0,1mol/L und c( Hg 2+ ) = 10-4 mol/l. Die beiden Kationen können reduziert werden. 9.1. Formulieren Sie die Teilgleichungen (ohne Aggregatzuständen) für die Reduktion der Silber-Ionen einerseits und die Reduktion der Quecksilber-Ionen anderseits. (1 Pkt) 9.2. Welche weitere Reduktion wäre theoretisch auch möglich? Formulieren Sie die Teilgleichung (ohne Aggregatzuständen) dieser Reduktion mit Angabe des Standardpotentials. (2 Pkt) 9.3. Berechnen Sie die Abscheidungspotentiale für Silber und Quecksilber. Welches Metall wird abgeschieden? (2 Pkt)
5 9.4. Kann es bei Verwendung von Platin-Elektroden auch zur Abscheidung von Wasserstoff kommen? Begründen Sie Ihre Antwort. (2Pkt) Die Überspannung von Wasserstoff beträgt: E Ü (H 2 ) = - 0,047 V. 10. Kommen Bauteile aus Eisen oder Stahl mit Wasser, feuchter Luft oder einem anderen Elektrolyt in Kontakt, so greift z. B. der im Wasser gelöste Sauerstoff das Metall an (Oxidation), es bildet sich eine galvanische Zelle. Dabei werden dem Metall (hier Eisen) Elektronen entzogen und die positiv geladenen Ionen gehen in die Lösung über, das Metall korrodiert. Warmwasserboiler aus Stahl (Hauptbestandteil ist Eisen) sind ständig Korrosionserscheinungen ausgesetzt. Durch den Einbau eines zinkhaltigen Stabes, welcher mit dem Stahl leitend verbunden ist, wird dieser Prozess weitestgehend verhindert. Nennen Sie die Funktion dieses Stabes. Erläutern Sie das Prinzip des beschriebenen Korrosionsschutzes mit einigen Sätzen. (3 Pkt) Hinweis: Nutzen Sie folgende Standardpotentiale: E (Zn/Zn 2+ ) = - 0,76 V E (Fe/Fe 2+ ) = - 0,44 V E (OH - /O 2 ) = + 0,82 V (für ph = 7) Organische Chemie 11. Monochlormethan ist ein wichtiger Grundstoff für die Gewinnung von Silikonöl, Silikonkautschuk und Silikonharz. 11.1. Beschreiben Sie die einzelnen Schritte des Reaktionsmechanismus für die Herstellung von Monochlormethan aus Methan und Chlor. (3 Pkt) 11.2. Wie nennt man einen solchen Reaktionsmechanismus? (1 Pkt) 12. Ethansäure wird mit Methanol zur Reaktion gebracht. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung (Strukturformeln oder Skeletteformeln) und benennen Sie den Reaktionstyp sowie das organische Endprodukt. (3 Pkt)
6 13. Als chirurgisches Nähmaterial verwendet man häufig Polymere, die aus 2- Hydroxyethansäure und 2-Hydroxypropansäure gebildet werden. 2-Hydroxypropansäure 2-Hydroxyethansäure 13.1. Zeichnen Sie einen charakteristischen Ausschnitt des linearen Makromoleküls aus mindestens 4 Monomeren, mit Struktur- oder Skelettformeln. (1 Pkt) 13.2. Bei der Synthese von Kunststoffen geht man von kleinen Molekülen aus. Diese Monomere reagieren miteinander zu Makromolekülen. Ihre Verknüpfung zu Makromolekülen kann je nach Art der Monomeren mittels drei unterschiedlicher Polyreaktionen erfolgen. Es sind die Polymerisation, die Polykondensation und die Polyaddition Welche Polyreaktion führt zu dem Makromolekül der Aufgabe 13.1.? Erklären Sie Ihre Wahl mit einem Satz.(1 Pkt) 13.3. Die Struktur der Kunststoffe bestimmt die Eigenschaften. Nach ihrem Verhalten beim Erwärmen und bei mechanischer Belastung unterteilt man Kunststoffe in drei grosse Kunststoffgruppen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Ordnen Sie den in der Aufgabe 13.1. genannten Kunststoff einer Kunststoffgruppe zu und begründen Sie die Zuordnung unter Einbezug der Struktur der Monomere und der zwischenmolekularen Kräfte. (3Pkt) 14. Seifen werden seit früher Zeit als waschaktive Substanzen genutzt. 14.1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung mit Struktur- oder Skelettformeln für die Herstellung einer Seife aus einem beliebigen Fett und benennen Sie alle Stoffe. (3 Pkt) 14.2. Erläutern Sie unter Mitverwendung von Reaktionsgleichungen (mit Aggregatzuständen), warum sich in der Körperpflege und Textilsäuberung bei der Verwendung von Seife drei Nachteile ergeben können. (3 Pkt)
7 15. Elektronenkonfiguration, Energieniveauschema. 15.1. Stellen Sie in einem Energieschema die Elektronenkonfiguration eines nicht gebundenen C-Atoms (Grundzustand) dar. (1 Pkt) 15.2. Wie viele Bindungen scheint das C-Atom auf Grund nur dieser Darstellung eingehen zu können? Begründung? (2 Pkt) 15.3. Nun wissen wir aber, dass C-Atome vier Bindungen eingehen können. Erklären Sie die beobachteten Bindungsverhältnisse mit einem Energieschema und mit der Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatoms im Methan-Molekül. Wie nennt man diesen vom Grundzustand abweichenden Zustand und diese vier Bindungen? (4 Pkt) 15.4. Geben Sie an, wie die Bindungen um das C-Atom angeordnet sind. Geben Sie auch eine Erklärung (ein kurzer Satz genügt) für diese Anordnung. (2Pkt) 16. Die Reaktion von Alkenen mit Brom. 16.1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung (ohne Mechanismus!) für die Reaktion von Ethen mit Brom mit Strukturformeln. (1 Pkt) 16.2. Um was für eine Reaktionsart handelt es sich? (1 Pkt) 17. Lycopin gehört zur Klasse der Carotinoide und wird in hohen Konzentrationen in Tomaten und Hagebutten gefunden. Der Stoff verleiht den Tomaten ihre charakteristische rote Färbung. Lycopin 17.1. Erklären Sie mit einem kurzen Satz warum Lycopin farbig ist. (1 Pkt) 17.2. Bei der Zugabe von Bromwasser zu Tomatensaft wird Lycopin bromiert und die Farbe ändert sich stufenweise: Im unteren Bereich ist immer noch die rote Farbe sichtbar, darüber ist die Lösung blau und zuoberst gelb. Für die verschiedenen Farben sind zwei Effekte verantwortlich. Welche zwei Effekte sind das und welche Auswirkung haben diese Effekte auf die Farbe? Erläutern Sie. (3 Pkt)