Gruppe / Kandidat/in Nr... Name / Vorname:.. Schwerpunktfach Biologie / Chemie Teil: Chemie Verfasser: Richtzeit: Hilfsmittel: Hinweise: R.Guenin, J.Lipscher und S.Steiner 120 Minuten Eine Kopie des Periodensystems liegt bei Die Antworten sind direkt auf die Aufgabenblätter zu schreiben. Bitte lösen Sie die Heftklammern nicht. Sollten Sie mehr Platz als vorgesehen benötigen, benutzen Sie bitte die leeren Seiten 14 und 15. Geben Sie dabei auch die Aufgabennummer an. Bei Berechnungen muss der Lösungsweg ersichtlich sein. Das Ergebnis darf nicht mehr als 5 % vom richtigen Wert abweichen. Fassen Sie sich kurz, aber präzise. Überflüssiges beansprucht nur wertvolle Zeit. Unleserliches wird nicht korrigiert und demzufolge auch nicht bewertet. Die erreichbaren Punktzahlen sind angegeben. Um die Note 6 zu erreichen, müssen nicht alle Aufgaben vollständig gelöst werden. Punktemaximum: 49 Punkte (Aufgaben 1 7) Und nun wünschen wir Ihnen viel Erfolg! Für die Korrigierenden:... Erreichte Punktzahl:... Note SPF B / C :...(auf Zehntelnote gerundet)
Lösen Sie zunächst die Aufgaben 1 7. Falls Sie dann noch über genügend Zeit verfügen, können Sie die Aufgabe 8 lösen. Diese ist eine Zusatzaufgabe, mit welcher Sie noch Zusatzpunkte holen können. Aufgabe 1 (a: 2; b: 1.5; c: 1 = 4.5 P) a) Wasserfreie Salpetersäure weist aufgrund der Autoprotolyse eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Geben Sie die vollständige Reaktionsgleichung für die Autoprotolyse der Salpetersäure an und verwenden Sie dabei die Teilchenformel der Reaktanden. Die Reaktionsgleichung für die Autoprotolyse der Salpetersäure lautet:... Die elektrische Leitfähigkeit beruht...... b) Salpetersäure reagiert mit Salzsäure zu atomarem Chlor, Wasser und der Molekularverbindung Nitrosylchlorid (NOCl). Leiten Sie mit Hilfe des Tetraedermodells die Lewisformel des Nitrosylchloridmoleküls ab und ordnen Sie die Atome geometrisch korrekt an. Das Nitrosylchloridmolekül besitzt folgende Lewisformel: [ ] Das Nitrosylchloridmolekül ist gewinkelt [ ] Das Nitrosylchloridmolekül ist linear Seite 2 von 15
Fortsetzung Aufgabe 1 c) Die Herstellung von Salpetersäure erfolgt grosstechnisch nach dem Ostwaldverfahren. Im dritten Reaktionsschritt reagiert dabei Distickstofftetraoxid mit Sauerstoff und Wasser zu Salpetersäure: a N 2 O 4 + b O 2 + c H 2 O d HNO 3 Bestimmen Sie die stöchiometrischen Faktoren a d, welche ganzzahlig sein müssen. Die vollständige Reaktionsgleichung lautet: N 2 O 4 + O 2 + H 2 O HNO 3 Aufgabe 2 (a: 1; b: 2; c: 1.5; d: 2 = 6.5 P) a) Unter geeigneten Bedingungen reagiert Methan zu Ethin und Wasserstoff: 2 CH 4 (g) C 2 H 2 (g) + 3 H 2 (g) ΔH = + 376.8 kj / FU (FU = Formelumsatz) Wie lautet der Massenwirkungsausdruck für diese Reaktion? K c = b) Berechnen Sie die molare Standardbildungsenthalpie ΔH f für Ethin (g) aus folgenden Angaben: CH 4 (g): ΔH f = - 74.9 kj mol -1 H 2 (g): ΔH f = 0 kj mol -1 Berechnung von ΔH f für Ethin(g): Seite 3 von 15
Fortsetzung Aufgabe 2 c) Muss die oben formulierte Reaktion bei einer hohen oder tiefen Reaktionstemperatur durchgeführt werden, um eine möglichst grosse Ausbeute an Ethin zu erhalten? [ ] Die Reaktionstemperatur sollte tief sein [ ] Die Reaktionstemperatur sollte hoch sein Begründung: d) Ethin ist eine schwache Brönstedsäure, deren pk s -Wert 25 beträgt. Der pk s -Wert von Ethen beträgt 44. Um welchen Faktor unterscheidet sich die Säurestärke K s von Ethin gegenüber Ethen? Berechnung: [ ] Die Säurestärke von Ethin ist um den Faktor.. grösser [ ] Die Säurestärke von Ethin ist um den Faktor.. kleiner Seite 4 von 15
Aufgabe 3 (a: 7.5; b: 2 = 9.5 P) a) Ein Halogenalkan mit der Molekülformel C 5 H 10 Br 2 reagiert mit Zink zu Zink(II)- bromid und einem Cycloalkan mit der Molekülformel C 5 H 10 Es sind fünf strukturisomere Cycloalkane mit der Molekülformel C 5 H 10 denkbar. Geben Sie die Lewis- oder Skelettformel der Strukturisomere an und benennen Sie diese. Strukturisomer A Systematischer Name B C D E Seite 5 von 15
Fortsetzung Aufgabe 3 b) Wird das bei der oben beschriebenen Reaktion erhaltene Cycloalkan unter geeigneten Bedingungen mit Chlor umgesetzt, können zwei strukturisomere Monosubstitutionsprodukte mit der Molekülformel C 5 H 9 Cl isoliert werden. Entscheiden Sie, welches der strukturisomeren Cycloalkane A E bei der oben beschriebenen Reaktion entsteht (geben Sie bei der Lösung nur den Buchstaben an). Bei der Reaktion des Halogenalkans mit Zink entsteht das Cycloalkan.. Aufgabe 4 (a: 4; b: 5 = 9 P) a) Bei der Thermolyse von Ammoniumcarbonat entstehen Ammoniak, Kohlenstoffdioxid und Wasser: (NH 4 ) 2 CO 3 (s) 2 NH 3 (g) + CO 2 (g) + H 2 O (l) 9.6 g Ammoniumcarbonat werden in einem Gefäss mit V = 0.5 L erwärmt. Wie gross ist der zu erwartende Druck bei 25 C, wenn die oben formulierte Reaktion vollständig ab-läuft? Ideale Gasgleichung: p V = R T n p (N m -2 ); 1 mbar = 100 N m -2 ; V (m 3 ), R = 8.314 N m K -1 mol -1 ; T (K), n (mol), Einheit in Klammern Die Formelmasse von Ammoniumcarbonat beträgt.. 9.6 g Ammoniumcarbonat entsprechen.. mol Formeleinheiten Bei der Thermolyse von 9.6 g Ammoniumcarbonat entstehen.. mol gasförmige Produkte Berechnung des Drucks: Der Druck beträgt bar Seite 6 von 15
Fortsetzung Aufgabe 4 b) Unter geeigneten Bedingungen reagiert Ammoniak mit Kohlenstoffdioxid in zwei Schritten zu Carbaminsäure. Im ersten Reaktionsschritt greift das Ammoniakmolekül als Nucleophil das C-Atom im Kohlenstoffdioxidmolekül an. Begründen Sie, warum das Ammoniakmolekül ein Nucleophil ist. Begründung: Begründen Sie, warum der Angriff des Ammoniakmoleküls am C-Atom des Kohlenstoffdioxidmoleküls erfolgt. Begründung: Geben Sie die Reaktionsgleichung für den ersten Reaktionsschritt an und verwenden Sie dabei die Lewis- oder Skelettformel aller Reaktanden. Beachten Sie dabei, dass die Oktettregel gilt und dass im Additionsprodukt einzelne Atome auch eine Ladung tragen können. Seite 7 von 15
Aufgabe 5 (6 P) Zu 300 ml eines Ammonium-Ammoniak-Puffers werden 60 ml 0.15 M Salzäure gegeben. Berechnen Sie den ph-wert des Puffers vor der Säurezugabe sowie den ph-wert der Lösung nach der Säurezugabe. Im gebrauchsfertigen Puffer beträgt die molare Konzentration der beiden Pufferkomponenten je 0.2 M. Die Pufferlösung enthält die beiden Pufferkomponenten NH 4 + und NH 3 Das Ammonium-ion ist dabei die [ ] Säurekomponente [ ] Basekomponente Das Ammoniakmolekül ist dabei die [ ] Säurekomponente [ ] Basekomponente Der ph-wert des gebrauchsfertigen Puffers beträgt Der Pufferungsbereich liegt zwischen ph = und ph = In 300 ml des Puffers beträgt die Stoffmenge der Ammonium-ionen =.. mol und die Stoffmenge der Ammoniakmoleküle =.. mol Durch die Zugabe von 60 ml 0.15 M Salzsäure gelangen.. mol H 3 O + -Ionen in die Lösung Nach der Säurezugabe beträgt damit die Stoffmenge der Ammoniakmoleküle =. mol und die Stoffmenge der Ammonium-ionen =. mol Somit wird der ph-wert nach der Säurezugabe Seite 8 von 15
Aufgabe 6 (a: 2; b: 3; c: 1 = 6 P) a) Oxalat-ionen (C 2 O 4 2- ) reagieren mit Permanganat-ionen im sauren Milieu zu Kohlenstoffdioxid, Mangan(II)-ionen und Wasser: OxZ: 5 C 2 O 4 2- + 2 MnO 4 - + 16 H 3 O + 10 CO 2 + 2 Mn 2+ + 24 H 2 O Bestimmen Sie die Oxidationszahl (OxZ) der fettgedruckten Atomart und tragen Sie diese oberhalb der oben formulierte Reaktionsgleichung ein (Zeile: OxZ:) b) Geben Sie die Reaktionsgleichung (in der das Atomsymbol mit der OxZ sowie die Anzahl der aufgenommenen oder abgegebenen Elektronen erscheint) für den Oxidations- und Reduktionsvorgang so an, dass diese mit der Anzahl der insgesamt ausgetauschten Elektronen übereinstimmt. Die Reaktionsgleichung für den Oxidationsvorgang lautet: Die Reaktionsgleichung für den Reduktionsvorgang lautet: c) Oxalsäure (C 2 H 2 O 4 ) ist eine zweiprotonige Säure [pk s (1) = 1.27; pk s (2) = 4.27]. Bestimmen Sie den pk b -Wert für das Hydrogenoxalat- (C 2 HO 4 - ) und das Oxalat-ion. Der pk b -Wert für das Hydrogenoxalat-ion beträgt. Der pk b -Wert für das Oxalat-ion beträgt. Seite 9 von 15
Aufgabe 7 (a: 1.5; b: 2; c: 2; d: 2 = 7.5 P) Alkene reagieren mit Ozon zu einem Ozonid, welches nach geeigneter Aufarbeitung Carbonylverbindungen ergibt. Bei dieser Aufarbeitung werden die beiden an der Doppelbindung beteiligten C-Atome voneinander getrennt und erscheinen als Carbonyl-C-Atom in der betreffenden Carbonylverbindung. 0.05 mol eines unbekannten offenkettigen Alkens X mit der Molekülformel C 5 H 10 ergeben nach der Behandlung mit Ozon und der anschliessenden Aufarbeitung 0.05 mol 2-Butanon und 0.05 mol Ethanal. a) Bestimmen Sie, wie viele Doppelbindungen das Molekül X aufweist. Das Alkan mit der gleichen C-Anzahl weist die Molekülformel auf Aus der Differenz der Anzahl der H-Atome folgt, dass das Alken (Anzahl angeben) Doppelbindung(en) aufweisen muss b) Geben Sie die Lewis- oder Skelettformel der beiden Produkte 2-Butanon und Ethanal an. 2-Butanon besitzt folgende Lewis- oder Skelettformel: Ethanal besitzt folgende Lewis- oder Skelettformel: Seite 10 von 15
Fortsetzung Aufgabe 7 c) Leiten Sie die Lewis- oder Skelettformel von X ab, von dem zwei Stereoisomere A und B denkbar sind. Geben Sie die Lewis- oder Skelettformel der beiden Stereoisomere an. Stereoisomer A Stereoisomer B d) Ein Alken liefert nach der Behandlung mit Ozon und der anschliessenden Aufarbeitung des Ozonids Hexandial. Ist das Alken offenkettig oder ringförmig? [ ] Das Alken ist offenkettig [ ] Das Alken ist ringförmig Das Alken muss folgende Lewis- oder Skelettformel aufweisen: Seite 11 von 15
Zusatzaufgabe: Aufgabe 8 (a: 1.5; b: 1.5; c: 0.5; d: 1.5; e: 1 = 6 P) Eine elektrochemische Zelle weist den folgenden Aufbau auf: Halbzelle A: Ein Stück Kupferblech taucht in eine 1 M wässrige Kupfer(II)-sulfatlösung Halbzelle B: Ein Stück Nickelblech taucht in eine 1 M wässrige Nickel(II)-sulfatlösung In der elektrochemischen Zelle liegen die beiden Redoxpaare Cu / Cu 2+ (aq) (E = + 0.35 V) und Ni / Ni 2+ (aq) (E = - 0.25 V) vor a) Geben Sie die Reaktionsgleichung für den Vorgang in der Halbzelle A an. [ ] In der Halbzelle A findet der Oxidationsvorgang statt [ ] In der Halbzelle A findet der Reduktionsvorgang statt [ ] Während dem Betrieb der elektrochemischen Zelle nimmt die molare Konzentration der Kupfer(II)-ionen zu [ ] Während dem Betrieb der elektrochemischen Zelle nimmt die molare Konzentration der Kupfer(II)-ionen ab Die entsprechende Reaktionsgleichung (ohne Berücksichtigung der Sulfat-ionen) lautet: b) Geben Sie die Reaktionsgleichung für den Vorgang in der Halbzelle B an. [ ] In der Halbzelle B findet der Oxidationsvorgang statt [ ] In der Halbzelle B findet der Reduktionsvorgang statt [ ] Während dem Betrieb der elektrochemischen Zelle nimmt die molare Konzentration der Nickel(II)-ionen zu [ ] Während dem Betrieb der elektrochemischen Zelle nimmt die molare Konzentration der Nickel(II)-ionen ab Die entsprechende Reaktionsgleichung (ohne Berücksichtigung der Sulfat-ionen) lautet: Seite 12 von 15
Fortsetzung Aufgabe 8 c) Berechnen Sie die messbare Spannung unter Standardbedingungen. Die messbare Spannung beträgt d) Im Gleichgewichtszustand beträgt die messbare Spannung 0 V. Wie verändern sich die Redoxpotentiale der beiden Redoxpaare während dem Betrieb der elektrochemischen Zelle? [ ] Das Redoxpotential des Redoxpaares Cu / Cu 2+ (aq) wird positiver [ ] Das Redoxpotential des Redoxpaares Cu / Cu 2+ (aq) wird negativer [ ] Das Redoxpotential des Redoxpaares Ni / Ni 2+ (aq) wird positiver [ ] Das Redoxpotential des Redoxpaares Ni / Ni 2+ (aq) wird negativer e) Zu der Halbzelle B wird eine wässrige Lösung eines Komplexbildners gegeben, wo-durch die molare Konzentration der Nickel(II)-ionen stark vermindert wird. Wie wird sich das Redoxpotential des Redoxpaares Ni / Ni 2+ (aq) verändern? [ ] Das Redoxpotential wird positiver [ ] Das Redoxpotential wird negativer Seite 13 von 15
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