Theoretische Prüfung 6. Juni, 2014 07.45 10.45 Uhr Prüfungssaal Lehrperson: L. Meier Gymnasium St. Antonius Appenzell MATURA 2014 5. PRÜFUNGSFACH CHEMIE Name: Punkte: Note: Hinweise: Prüfungszeit: 3 h Erlaubte Hilfsmittel sind: - Periodensystem, Säure-Base- und Redoxreihe (werden ausgeteilt) - Taschenrechner (ohne gespeicherte Inhalte) Alle Aufgaben einer Aufgabengruppe (z.b. 2.1) bitte zuerst durchlesen und anschliessend zusammenhängend bearbeiten. Achte auf eine präzise, vollständige Beschreibung und Begründung. Der Lösungsweg wird bewertet. Erläuternde Skizzen sind vorteilhaft, auch wenn sie nicht explizit gefordert werden. Sie werden, wenn möglich, in der Bewertung berücksichtigt. Die Lösungen werden, wenn nicht anders vorgegeben (z.b. Tabellen, MC), unter Angabe der Aufgabennummer im freien, karierten Bereich des Aufgabenblatts beantwortet. Falls der Platz für die Antworten nicht ausreicht, stehen weitere karierte Seiten im Anhang der Prüfung zur Verfügung. Für Notizen können die grauen Blätter verwendet werden. Sie sind beizulegen, werden jedoch nicht bewertet! Viel Erfolg! Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 1/25
1. Grundlagen: Stoffklassen, Bindungstypen, Aufbau von Stoffen 1.1. Stoffklassen (3 P) a) Zu welcher der beiden Stoffklassen gehören die nachfolgenden Verbindungen? Kreuze die richtige Antwort an: HCl Molekularer Stoff, Salz CuSO 4 Molekularer Stoff, Salz AlF 3 Molekularer Stoff, Salz CH 3 OH Molekularer Stoff, Salz b) Begründe die Zuordnung bei AlF 3 mit zwei verschiedenen Argumenten. 1.2. Aufbau und Eigenschaften von Metallen (2 P) a) Erkläre den Aufbau von Metallen auf der Teilchenebene (Fachbegriffe verwenden). b) Warum weisen Metalle eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf? 1.3. Struktur von Molekülen (3 P) a) Zeichne in der nachfolgenden Tabelle die vollständigen Lewis-Formeln (inkl. freie Elektronenpaare) von Ammoniak (NH 3 ) und Sauerstoff (O 2 ). Trage allfällige Partialladungen δ + bzw. δ - der Atome ein. b) Sind die zuvor gezeichneten Moleküle Dipole? Kreuze dir richtige Antwort an: NH 3 O 2 Dipol? ja / nein Dipol? ja / nein Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 2/25
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2. Salze, Salzlösungen 2.1. Schmelztemperaturen von Salzen (2.5 P) a) Ordne die drei nachfolgenden Salze nach zunehmender Schmelztemperatur: NaF, NaI, MgO. b) Begründe die Reihenfolge. Erkläre dabei umfassend, weshalb der Aufbau der Salze aus verschiedenen Ionen die Höhe der Schmelztemperaturen beeinflusst. 2.2. In der chemischen Reinigungsstufe von Kläranlagen werden Phosphate durch Fällung aus dem Wasser entfernt. Ein Beispiel dafür ist folgende Fällungsreaktion: Gelöstes Natriumphosphat (Na 3 PO 4 ) ergibt bei Zugabe einer Lösung von Eisen(III)-chlorid (FeCl 3 ) einen Niederschlag eines gelb-braunen Phosphat-Salzes. (2.5 P) a) Formuliere die Teilchengleichung dieser Fällungsreaktion (mit allen vorhanden Teilchen inkl. Zuschauerionen, Zustände der Teilchen in () angeben). b) Welches Salz (Name) bleibt im Wasser gelöst, wenn der Niederschlag abfiltriert wird? 2.3. Das verwendete Eisen(III)-chlorid ist ein Feststoff, der sich gut in Wasser löst. Beim Lösevorgang entstehen hydratisierte Ionen. (3 P) a) Was ist ein hydratisiertes Ion? Erkläre dies mit Hilfe der Skizze eines hydratisierten Fe 3+ -Ions. b) Berechne die Lösungswärme mit den nachfolgend angegebenen Energiewerten. Betrag der Gitterenergie von FeCl 3 : 5364 kj/mol Beträge der Hydratationsenergien der Ionen: Fe 3+ : 4485 kj/mol, Cl : 380 kj/mol c) Löst sich FeCl 3 in Wasser exo- oder endotherm (inkl. kurze Begründung)? Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 4/25
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3. Chemisches Rechnen, Stöchiometrie Hinweise: - Die molaren Massen der Stoffe (M in g/mol) sind, sofern nicht angegeben, mit Hilfe des Periodensystems zu ermitteln. - Die Resultate werden auf zwei Dezimalstellen gerundet. 3.1. Mengen- und Konzentrationsberechnungen (2.5 P) a) In einem Liter einer wässrigen Glucose-Lösung sind 0.2 mol Glucose gelöst. Wie viele Gramm Glucose (C 6 H 12 O 6 ) sind darin enthalten? b) 20 ml Ethanol (M = 46.08 g/mol, Dichte ρ = 0.79 g/ml) werden in 2.2 Liter Wasser gelöst. Berechne die Stoffmengenkonzentration c des Ethanols in mol/l. Hinweis: Die Volumenveränderung durch die Zugabe des Ethanols ist vernachlässigbar. 3.2. Gasgeneratoren von Airbags enthalten das Salz Natriumazid (NaN 3 ) in Tablettenform. Es zersetzt sich beim Auslösen des Airbags explosionsartig in Natrium und Stickstoff. (3 P) a) Stelle die Reaktionsgleichung (Stoffgleichung) der Zersetzung von Natriumazid auf. b) Welche Masse an Natriumazid muss ein Gasgenerator enthalten, wenn ein Airbag von 60 L Volumen mit dem gebildeten Stickstoff aufgeblasen werden soll? Annahme: Das Gas wird auf Raumtemperatur abgekühlt, es gilt das molare Gasvolumen von V m = 24 L/mol. Das Volumen des Feststoffs ist zu vernachlässigen. Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 6/25
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4. Thermodynamik, chemisches Gleichgewicht Chlorwasserstoff kann industriell in einer exothermen Reaktion von Wasserstoff mit Chlorgas (Chlorknallgas-Reaktion) hergestellt werden. Bearbeite dazu die folgenden Aufgaben. H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl (g) 4.1. Reaktionsenthalpie (2 P) a) Berechne mit Hilfe der nachfolgenden Bindungsenthalpien H B die Reaktionsenthalpie H R der Chlorknallgasreaktion. H B (H-H) = 436 kj/mol, H B (Cl-Cl) = 242 kj/mol, H B (H-Cl) = 431 kj/mol b) Begründe die Exothermie der Reaktion mit der Stärke der beteiligten Bindungen und erkläre dabei auch das Prinzip der verwendeten Berechnungsmethode. 4.2. Einstellung des chemischen Gleichgewichts (1.5 P) a) Skizziere (qualitativ, ohne Zahlenwerte) ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Edukt-Konzentration c(h 2 ) und der Produkt-Konzentration c(hcl) vom Reaktionsstart bis zur Einstellung des Gleichgewichtes. b) Welche Bedingung gilt im Gleichgewicht bezüglich der Reaktionsgeschwindigkeit? 4.3. Bei 300 C liegen im Gleichgewichtszustand der exothermen Reaktion folgende Stoffmengenkonzentrationen vor: c(h 2 ) = 0.5 mol/l, c(cl 2 ) = 0.5 mol/l, c(hcl) = 10 mol/l. (3.5 P) a) Formuliere das Massenwirkungsgesetz der Bildung von HCl und berechne die zugehörige Gleichgewichtskonstante K. Welche Aussage zur Gleichgewichtslage ergibt der Wert von K? b) Wie beeinflussen die beiden folgenden Massnahmen die Produkt-Konzentration c (HCl)? Erhöhung Druck: Erhöhung Temperatur: c(hcl) wird grösser, bleibt gleich, wird kleiner c(hcl) wird grösser, bleibt gleich, wird kleiner c) Erläutere den Zusammenhang zwischen der Temperaturerhöhung (Wärmezufuhr) und der Gleichgewichtsverschiebung mit dem Prinzip von Le Châtelier. Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 8/25
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5. Reaktionsgeschwindigkeit, Kinetik 5.1. Betrachte die allgemeine Reaktion A (aq) + B (aq) 2 C (aq). In der ersten Minute der Reaktion verändert sich die Konzentration des Eduktes A von c 0 (A) = 2.0 mol/l auf c 1 (A) = 0.5 mol/l. (2.5 P) a) Berechne die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit v(a) (erste Minute) in mol L -1 s -1. b) Mit welcher Geschwindigkeit v(c) wird das Produkt C in der ersten Minute gebildet? c) Begründe mit Hilfe des Kollisionsmodells, warum die Geschwindigkeit v(a) im Verlaufe der Reaktion abnimmt. 5.2. Katalyse Sind die nachfolgenden Aussagen zur Katalyse richtig oder falsch? Zutreffendes ankreuzen. (2 P) Aussage richtig falsch 1. Liegen der Katalysator als Feststoff und die Edukte in Lösung vor, so spricht man von heterogener Katalyse. 2. Ein Katalysator beschleunigt die Reaktion. 3. Bei einer exothermen Reaktion kann der Katalysator die abgegebene Reaktionswärme H reduzieren. 4. Der Katalysator liegt nach der chemischen Reaktion unverändert vor. Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 10/25
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6. Säure-Base-Chemie 6.1. Der menschliche Magen enthält Magensäure, welche die Verdauung fördert und unerwünschte Mikroorganismen abtötet. Die Magensäure besteht aus Salzsäure. (1.5 P) a) Berechne den ph-wert der Salzsäure im Magen, wenn deren Konzentration c(hcl) = 0.03 mol/l beträgt. b) Essigsäure derselben Konzentration (c(essigsäure) = 0.03 mol/l) würde einen höheren ph-wert aufweisen als Salzsäure. Begründe diese Aussage detailliert. 6.2. Bei der biochemischen Herstellung der Magensäure werden in der Magenschleimhaut H 3 O + -Ionen produziert. Die H 3 O + -Ionen entstehen durch die Reaktion von je einem Kohlensäure-Molekül (H 2 CO 3 ) mit einem Wasser-Molekül. (2.5 P) a) Notiere die Reaktionsgleichung dieser Säure-Base-Reaktion und zeichne die Protolyse mit einem Pfeil ein. b) Bestimme und begründe die Gleichgewichtslage der Reaktion. 6.3. Einer Magenübersäuerung kann mit einem Medikament entgegengewirkt werden, das einen Teil der Salzsäure mit Magnesiumhydroxid neutralisiert. (2 P) a) Formuliere die Reaktionsgleichung (Stoffgleichung) dieser Neutralisationsreaktion. b) Welche Teilchen reagieren in einer Neutralisationsreaktion miteinander? Notiere die zugehörige Teilchengleichung. Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 12/25
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7. Redoxreaktionen und Elektrochemie 7.1. Das zur Fällung von Phosphaten (Aufgabe 2.2) benötigte Eisen(III)-chlorid kann hergestellt werden, indem man Eisenwolle mit Chlorgas reagieren lässt: (1.5 P) 2 Fe + 3 Cl 2 2 FeCl 3 a) Bestimme die Oxidationszahlen aller Atome bzw. Ionen in den Edukten und im Produkt. b) Welches Edukt wird oxidiert, welches reduziert? Begründe. 7.2. Kupfergefässe eignen sich nicht, um z.b. Gewürzgurken in Essig aufzubewahren. Das Kupfer reagiert unter den gegebenen Bedingungen in zwei Schritten zu einem Salz. (2.5 P) a) Kupfer reagiert zunächst in einer Redoxreaktion mit Luft-Sauerstoff und Wasser zu gelöstem Kupfer(II)-hydroxid. Notiere die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung dieser Redoxreaktion. b) Begründe, warum diese Redox-Reaktion spontan abläuft. c) Die Essigsäure reagiert nun mit dem gelöste Kupfer(II)-hydroxid zu einem Salz. Welches Salz wird dabei gebildet (Name)? 7.3. Eine galvanische Zelle besteht aus den beiden folgenden Halbzellen: Halbzelle 1: Fe (s) und Fe 2+ (aq) Halbzelle 2: Ni (s) und Ni 2+ (aq) (2.5 P) a) Formuliere mit Hilfe der Redoxreihe die Teilgleichungen der Oxidation und der Reduktion. b) Skizziere den Aufbau dieser galvanischen Zelle. Bezeichne die elektrischen Pole, Anode und Kathode, die Richtung des Elektronenflusses. Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 14/25
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8. Organische Chemie 8.1. Isomerie (4 P) a) Zeichne die Skelettformeln aller isomeren Alken-Moleküle der Summenformel C 4 H 8 und benenne diese. Berücksichtige dabei auch die cis/trans-isomerie. b) Warum treten bei Alkenen cis- und trans-konfigurationen, jedoch keine verschiedenen Konformationen auf? Beantworte die Frage und erkläre dabei den Unterschied zwischen Konfiguration und Konformation. c) Wie heisst das ringförmige Alkan mit derselben Summenformel C 4 H 8? 8.2. Zwischenmolekulare Kräfte und Stoffeigenschaften (3 P) a) n-pentan (Sdt. = 36 C ) und 2,2-Dimethylpropan (Sdt. = 9 C) weisen unterschiedliche Siedetemperaturen auf. Begründe diesen Unterschied mit den zwischenmolekularen Kräften. b) Ordne die folgenden Verbindungen in der Reihenfolge zunehmender Löslichkeit in Wasser. Begründe die gewählte Reihenfolge. OH O A B C H Reihenfolge (Buchstaben der Moleküle übertragen): Löslichkeit gering Löslichkeit hoch Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 16/25
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8.3. Struktur und Nomenklatur (3 P) a) Benenne folgende Moleküle (in Tabelle): OH O HO OH b) Zeichne die Strukturformeln folgender Moleküle (in Tabelle): 2-Methylhex-3-in 4,4-Dimethylheptan-2-on 3-Ethylhexanal 9. Organische Reaktionen 9.1. Das Alken Propen (C 3 H 6 ) wird in Abwesenheit von Licht mit Brom (Br 2 ) umgesetzt. (2.5 P) a) Formuliere die Gleichung dieser Reaktion mit Strukturformeln. b) Erkläre, wie vor der elektrophilen Addition aus dem Brom-Molekül ein elektrophiles Teilchen entsteht (Text + Skizze). c) Auch Wasser kann an Propen addiert werden. Zeichne die beiden möglichen Produkte (Strukturformeln). 9.2. In der Medizin wird Chlorethan (C 2 H 5 Cl) zur Lokalanästhesie (Vereisung) verwendet. (3 P) a) Wie kann Chlorethan aus einem Alkan hergestellt werden? Formuliere die Reaktionsgleichung mit Lewis-Formeln b) Nenne den Reaktionstyp (vollständiger Fachbegriff) dieser Reaktion. c) Beschreibe die Reaktionsbedingung und begründe diese mit dem Reaktionsmechanismus. d) Beschreibe eine weitere Verwendung von Halogenalkanen in Alltag und Technik. Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 18/25
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9.3. Oxidation von Alkoholen (4 P) a) Zeichne das Propanol-Molekül (A) mit der Lewis-Formel. Bestimme die Oxidationszahl des markierten C-Atoms und beschreibe das Vorgehen kurz. A b) Die beiden Alkohole A und B werden mit dem milden Oxidationsmittel (CuO) oxidiert. Ergänze die Skelettformeln der Produkte. x OH A OH B OH c) Benenne den Alkohol B:... d) Notiere die Reaktionsgleichung (mit Summenformeln) der vollständigen Verbrennung von Propanol mit Sauerstoff. e) Zeige, dass Kohlenstoff bei der Verbrennung die höchst mögliche Oxidationszahl erreicht. Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 20/25
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10. Biologisch bedeutsame organische Verbindungen 10.1. Die nachfolgende Abbildung zeigt den Aufbau eines Fettmoleküls, welches mit Natronlauge gekocht und dadurch hydrolysiert (verseift) wird. (5 P) a) Zu welcher Stoffgruppe gehört das Fettmolekül? b) Welche C 3 -Verbindung (Name) entsteht bei der Hydrolyse des Fettmoleküls? c) Welches Salz der Palmitinsäure entsteht dabei? Notiere dessen Formel (Anion als Skelettformel). d) Das Fettsäure-Anion der Palmitinsäure ist ein Seifenteilchen. Erkläre mit Fachbegriffen detailliert, weshalb sich Seifenteilchen und Schmutzpartikel (Öltröpfchen) im Wasser zusammenlagern können. Skizziere die Anordnung. e) Stammen die Fettsäure-Reste von gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren? Begründe die Antwort. Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 22/25
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11. Anhang: Weiterer Platz für Antworten (mit Aufgabennummer beschriften) Maturaprüfung Chemie 2014 Seite 24/25
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