KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT Abitur Januar/Februar 2003 Chemie (Grundkurs) Einlesezeit: Bearbeitungszeit: 30 Minuten 210 Minuten Thema 1 Chemische Grundreaktionen Thema 2 Alkanole Thema 3 Zeitlicher Verlauf chemischer Reaktionen
Thema 1: Chemische Grundreaktionen 1 Säure-Base-Reaktionen 1.1 Erläutern Sie an je einem selbstgewählten Beispiel die Säure-Base-Theorien nach ARRHENIUS und nach BRÖNSTED. Leiten Sie für - - a) H 2 SO 3 + NH 3 b) CH 3 COOH + NH 2 c) HSO 4 + 2- HPO4 mithilfe der Säure-Base-Theorie nach BRÖNSTED Voraussagen über die Reaktionsprodukte ab. Verallgemeinern Sie den Zusammenhang zwischen Säure und Base mithilfe von Gleichungen. Entscheiden Sie, welche der angegebenen Teilchen Ampholyte sind. Geben Sie für die Ampholyte jeweils die korrespondierende Säure und Base an und benennen Sie alle Teilchen: CO 2-3, PO 3-4, NH 3, S 2- -, H 2 PO 4. 1.2 In einer Ammoniak-Lösung wurde vor dem Zusatz von Ammoniumchlorid ein ph-wert von 10,7 und danach ein ph-wert von 8,7 gemessen. Berechnen Sie aus den angegebenen ph-werten die Konzentrationen der Oxonium (Hydronium)- und der Hydroxid-Ionen. Experiment Stellen Sie ein Lösungsgemisch aus 5 ml Ammoniak-Lösung, 5 ml Ammoniumchlorid- Lösung und drei Tropfen Universalindikator-Lösung her. Bestimmen Sie den ph-wert des Gemisches. Verteilen Sie das Lösungsgemisch zu je 5 ml auf zwei Reagenzgläser. Geben Sie zum Inhalt des ersten Reagenzglases zunächst einen Tropfen, dann einen zweiten und schließlich einen dritten Tropfen Natriumhydroxid-Lösung. Bestimmen Sie den ph-wert nach Zugabe jedes Tropfens Natriumhydroxid-Lösung. Geben Sie zum Inhalt des zweiten Reagenzglases ebenfalls nacheinander drei Tropfen einer Chlorwasserstoffsäure und bestimmen Sie auch nach jeder Zugabe den ph-wert. Erklären Sie umfassend Ihre Beobachtungen. 2 Redoxreaktionen 2.1 Erläutern Sie ausführlich das Wesen der Redoxreaktion. Formulieren Sie für nachfolgende Reaktionen die Gleichungen und entscheiden Sie begründet, ob es sich um Redoxreaktionen handelt: a) Eisen(III)-oxid reagiert mit Kohlenstoffmonooxid, b) Magnesium reagiert mit verdünnter Schwefelsäure, c) Silbernitrat-Lösung reagiert mit Kaliumbromid-Lösung und d) Methanol reagiert mit Kupfer(II)-oxid. 2.2 Früher wurde zur Überprüfung des Alkoholgehaltes in der Atemluft der Alcotest durchgeführt. Dabei reagiert Ethanol mit angesäuertem Kaliumdichromat zu einer grünen Chrom(III)-Verbindung. Geben Sie die korrespondierenden Redoxpaare an und begründen Sie, dass der Alcotest auf einer ph-wert-abhängigen Redoxreaktion beruht.
3 Reaktionen der Kohlenwasserstoffe 3.1 Kettenförmige Kohlenwasserstoffe besitzen unterschiedliche Strukturmerkmale und gehen dadurch verschiedene Reaktionen ein. Nehmen Sie als Arbeitshypothese an, dass Ethan mit Chlor unterschiedlich reagieren kann: C 2 H 6 (g) + Cl 2 (g) C 2 H 5 Cl(g) + HCl(g) C 2 H 6 (g) + Cl 2 (g) 2 CH 3 Cl(g). Berechnen Sie für jede der angegebenen Reaktionen die molare Standardreaktionsenthalpie und formulieren Sie eine begründete Vermutung, welche der beiden 0 Reaktionen bevorzugt ablaufen würde [ BH m (C 2 H 5 Cl) = -112 kj/mol]. Die molare Standardreaktionsenthalpie lässt sich annähernd auch aus den molaren Standardbindungsenthalpien berechnen. Die Bindungsenthalpie ist die Energie, die aufgewendet werden muss, um eine Bindung zu spalten bzw. die Energie, die bei der Bildung einer Bindung freigesetzt wird. Bestätigen Sie Ihre obigen Ergebnisse durch Überlegungen mithilfe der folgenden Tabelle, in der molare Standardbindungsenthalpien in kj/mol angegeben sind: Br Br 193 Br C 285 C C 348 Br Cl 219 C Cl 339 Cl Cl 242 Br H 366 C H 413 Cl H 431 H H 436 3.2 Cracken ist ein technisches Verfahren zur Weiterverarbeitung von Erdölprodukten. Erläutern Sie diese Möglichkeit am Beispiel von Hexadecan. Formulieren Sie drei Reaktionsgleichungen zu diesem Prozess. 3.3 Es gibt sechs isomere Verbindungen mit der Summenformel C 5 H 10. Alle Vertreter reagieren mit Brom, wobei aber nur bei einer dieser Reaktionen eine kurzzeitige UV- Beleuchtung notwendig ist. Entwickeln Sie mögliche Strukturformeln der Isomeren und benennen Sie die Verbindungen.
Thema 2: Alkanole 1 Funktionelle Gruppen Eigenschaften organischer Stoffe 1.1 Experiment a) Füllen Sie jeweils 2 ml Ethanol, Propan-1-ol und Pentan-1-ol in je ein Reagenzglas und geben Sie jeweils das gleiche Volumen Wasser hinzu. Werten Sie Ihre Beobachtungen aus und schlussfolgern Sie begründet auf die Löslichkeit von Methanol. b) Bringen Sie ein Kupferdrahtnetz zum Glühen und geben Sie es sofort in ein schräg gehaltenes mit 2 ml Propan-1-ol gefülltes Reagenzglas. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrfach unter Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen. Erklären Sie Ihre Beobachtungen auch unter Einbeziehung der chemischen Zeichensprache und ordnen Sie die Reaktionen begründet einer Reaktionsart zu. 1.2 Stellen Sie den Zusammenhang zwischen der Siedetemperatur und der Anzahl der Kohlenstoffatome der aufgeführten n-alkane und Alkanole grafisch dar. Vergleichen Sie begründet die beiden Graphen. n-alkane Siedetemperatur in C Methan -162 Ethan -89 Propan -42 Butan -1 Pentan 36 Hexan 69 Heptan 98 Alkanole Siedetemperatur in C Methanol 66 Ethanol 78 Propan-1-ol 97 Butan-1-ol 117 Pentan-1-ol 138 Hexan-1-ol 156 Heptan-1-ol 176 1.3 Entwickeln Sie einen Plan zur Identifizierung folgender Stoffe unter Nutzung physikalischer und chemischer Eigenschaften: Ethanol, Ethansäureethylester, Methanal-Lösung, Methanol und Wasser. Begründen Sie die geplanten Arbeitsschritte. Geben Sie für die von Ihnen aufgeführten Identifizierungsreaktionen Gleichungen an.
2 Synthese von Methanol und Ethanol Bei der technischen Methanolsynthese wird das Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff, bei der Temperatur ϑ = 350 C, einem Druck p = 20 MPa und unter Verwendung eines Mischkatalysators zu Methanol umgesetzt. Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die beschriebene Synthese und berechnen Sie die molare Standardreaktionsenthalpie. Begründen Sie die aufgeführten Reaktionsbedingungen. Berechnen Sie die entstandene Masse Methanol unter Normbedingungen, wenn angenommen wird, dass ein Volumen V = 400 m 3 Kohlenstoffmonooxid vollständig umgesetzt wird. Die technische Herstellung von Ethanol erfolgt mithilfe verschiedener Verfahren: a) katalytische Addition von Wasser an Ethen (Hydratisierung), b) Vergären zuckerhaltiger Stoffe (Glucose), wobei auch ein Gas entsteht, dessen Nachweis durch Einleiten in Bariumhydroxid-Lösung erfolgen kann und c) Hydratisierung von Ethin und anschließende Hydrierung des Zwischenproduktes. Formulieren Sie die Gleichungen für alle genannten Reaktionen. 3 Reaktionsverhalten 3.1 Vergleichen Sie Struktur und Reaktionsverhalten von Ethanol und Natriumhydroxid (Ätznatron). 3.2 Ethansäureethylester ist ein gebräuchliches Lösungsmittel für Lacke, Fette und Klebstoffe. Geben Sie unter Verwendung von Strukturformeln die Gleichung für die Bildung dieses Esters an und berechnen Sie die Stoffmenge an Ethansäure, die zu 10 mol Ethanol gegeben werden muss, damit im chemischen Gleichgewicht 7 mol des Esters vorliegen. Die Gleichgewichtskonstante beträgt K = 4,5. Erläutern Sie unter Einbeziehung des Massenwirkungsgesetzes die Beeinflussung der Ausbeute, wenn die Ausgangsstoffe wasserhaltig sind. 3.3 Herkömmliche Verbrennungsmotoren können auf die Verbrennung von Methanol und Ethanol umgerüstet werden. Äußern Sie Ihre Überlegungen unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten. Beziehen Sie die folgenden Angaben mit ein: Deutschland nimmt im Rahmen der EU einen Spitzenplatz bezüglich des Benzinverbrauchs ein. Beide Alkohole können aus Erdöl und Erdgas, Methanol auch aus Kohle und Holz, Ethanol auch aus Kartoffeln, Getreide, Ölsaaten und aus Sulfitablaugen der Zellstoffindustrie gewonnen werden. Erdöl- und Erdgasvorräte reichen bei gleichbleibender Förderung nur noch wenige Jahrzehnte. Treibstoffe haben unterschiedliche Heizwerte. Treibstoff Heizwert in MJ/kg Methanol 30 Ethanol 39 Erdgas 42 Propan 47 Benzin 44 Wasserstoff 133
Thema 3: Zeitlicher Verlauf chemischer Reaktionen 1 Reaktionsgeschwindigkeit 1.1 Begründen Sie an zwei Beispielen die Notwendigkeit, Kenntnisse über den zeitlichen Verlauf in die Planung eines chemischen Experimentes einzubeziehen. 1.2 Sauerstoff kann durch den Zerfall von Wasserstoffperoxid mittels Katalysator in kleinen Mengen hergestellt werden. Bestimmen und erläutern Sie die dabei ablaufende Reaktionsart. Die Stoffmengenkonzentration des Wasserstoffperoxids wurde in einem Experiment in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt. Es ergaben sich folgende Messwerte: t in min 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 c in mol/l 0,5 0,38 0,31 0,25 0,20 0,12 0,08 0,05 0,03 0,02 Zeichnen Sie für den Zerfall von Wasserstoffperoxid ein Konzentrations-Zeit-Diagramm. Tragen Sie in Ihre grafische Darstellung die Zeiten ein, bei denen die Hälfte, drei Viertel und sieben Achtel der Menge des Ausgangsstoffes verbraucht wurden. Diskutieren Sie die Veränderung der durchschnittlichen Reaktionsgeschwindigkeit und belegen Sie Ihre Überlegungen auch durch Berechnungen. 1.3 Experiment Untersuchen Sie die Reaktionsgeschwindigkeit der folgenden Reaktion. Dazu erhalten Sie eine Stammlösung, die aus einer mit Schwefelsäure angesäuerten Ethandisäure (Oxalsäure) besteht. Folgende Volumina sind von Ihnen zu verwenden: Reagenzglas 1: 10 ml Stammlösung Reagenzglas 2: 5 ml Stammlösung und 5 ml destilliertes Wasser Reagenzglas 3: 2,5 ml Stammlösung und 7,5 ml destilliertes Wasser Geben Sie in jedes der drei Reagenzgläser je zwei Tropfen einer stark verdünnten Kaliumpermanganat-Lösung und messen Sie die Zeit bis zur Entfärbung der Lösung. Fertigen Sie ein Kurzprotokoll an und werten Sie das Experiment so aus, dass die Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit zum Ausdruck kommt. Begründen Sie weitere Möglichkeiten, Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit zu nehmen. 2 Chemisches Gleichgewicht 2.1 Die HABER-BOSCH-Synthese ist auch heute noch ein wesentliches Verfahren zur Herstellung für den in der Welt produzierten Ammoniak. Dabei wird in einer Gleichgewichtsreaktion Ammoniak aus den Elementen hergestellt. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diese Synthese und berechnen Sie die molare Standardreaktionsenthalpie. Erläutern Sie die Voraussetzungen und die Merkmale eines chemischen Gleichgewichts an diesem Beispiel.
Die Lage des Ammoniak-Gleichgewichtes kann beeinflusst werden. Werten Sie unter diesem Gesichtspunkt folgende Tabelle aus: Temperatur in K Druck in MPa Gleichgewichtskonstante in L 2 /mol 2 673 0,1 1,700 10-4 773 0,1 0,150 10-4 873 0,1 0,024 10-4 2.2 Folgendes Diagramm zeigt die Verwendung von Ammoniak: 5% 13% 27% Ammoniak als Düngemittel Ammoniumnitrat Harnstoff 10% Ammoniumhydrogenphosphat 3% Ammoniumsulfat Kunstfaser 9% 19% Sprengstoffe 14% andere Verbindungen Interpretieren Sie das Diagramm unter Verwendung der Begriffe Zwischen- und Endprodukt. Entwickeln Sie Reaktionsgleichungen, die die Herstellung dreier im Diagramm genannter Produkte beschreiben. 2.3 Harnstoff ist ein hochwertiges Düngemittel. Entwickeln Sie die Formel in der LEWIS-Schreibweise. Begründen Sie den festen Aggregatzustand der Verbindung und die gute Wasserlöslichkeit. Technisch stellt man Harnstoff aus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid her. Als Zwischenprodukt entsteht Ammoniumcarbamat (NH 2 -CO-O-NH 4 ), das bei einer Temperatur ϑ = 130 150 C und einem Druck p = 3,5 4,0 MPa in Wasser und Harnstoff zerfällt. Berechnen Sie das zur Herstellung von einer Tonne Harnstoff notwendige Ammoniakvolumen unter Normbedingungen. 3 Homogene und heterogene Katalyse Viele chemische Reaktionen werden durch Katalysatoren beeinflusst, z. B. a) die Hydrierung von Propen am Nickelkatalysator, b) die Herstellung von Ethansäuremethylester unter Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure, c) die Umwandlung von Ethanol zu Monobromethan (Ethylbromid) in Gegenwart einer Säure und d) das Cracken von Dodecan zu Alkanen und Alkenen am Platinkatalysator. Entwickeln Sie für diese Reaktionen mögliche Reaktionsgleichungen. Entscheiden Sie, ob es sich dabei um homogene oder heterogene Katalysen handelt und begründen Sie Ihre Entscheidungen.