Chemie - Bildungsserver Sachsen

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT
Abitur
Januar/Februar 2004
Chemie
(Leistungskurs)
Einlesezeit:
Bearbeitungszeit:
30 Minuten
300 Minuten
Thema 1
Säure-Base-Gleichgewichte
Thema 2
Chemische Reaktionen im U-Boot
Thema 3
Arten chemischer Reaktionen
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004
Thema 1:
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Säure-Base-Gleichgewichte
1
Säure-Base-Konzepte
1.1
Erläutern Sie Grundaussagen der Theorien von ARRHENIUS und BRÖNSTED mithilfe
des angegebenen Schemas. Gehen Sie auf eine Grenze der Theorie von ARRHENIUS
ein.
Säure
Oxonium-Ion
Proton
Neutralisation
Wasser
Protonendonator
Ionenprodukt
des Wassers
pH-Wert
korrespondierendes
Säure-Base-Paar
Protonenakzeptor
Hydroxid-Ion
Base
Zeigen Sie unter Verwendung des folgenden Schemas drei Zusammenhänge zwischen
Wasser, Chlorwasserstoff, Ammoniak und Ammoniumchlorid im Sinne der
BRÖNSTED-Theorie auf.
HCl
NH4Cl
H2O
NH3
1.2
Experiment
Ammoniumchlorid dient als Salmiakstein zum Blankmachen der Lötkolbenschneide.
Glühen Sie einen blanken Kupferdraht als Modell für eine solche Lötkolbenschneide
stark in der entleuchteten Brennerflamme. Nehmen Sie ihn aus der Flamme heraus.
Reiben Sie diesen noch heißen Kupferdraht auf dem Ammoniumchlorid hin und her.
Erklären Sie Ihre Beobachtungen. Berücksichtigen Sie dabei, dass als ein Reaktionsprodukt Stickstoff gebildet wird.
1.3
Eine verdünnte Ammoniumchlorid-Lösung wird an Graphitelektroden mit einer Gleichspannung U = 10 V elektrolysiert. Die Elektrolyseprodukte können mit KaliumiodidStärke-Papier, Universalindikator sowie durch die Knallgasprobe identifiziert werden.
Beschreiben Sie unter Einbeziehung der chemischen Zeichensprache die Vorgänge
bei dieser Elektrolyse und erklären Sie mögliche Nachweisreaktionen.
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004
2
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Autoprotolysegleichgewicht des Wassers – pH-Wert-Berechnungen
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Autoprotolyse des Wassers und leiten
Sie eine Formel zur Berechnung des pH-Wertes von Wasser ab.
Berechnen Sie die fehlenden Werte der folgenden Tabelle.
Interpretieren Sie die Tabellenwerte auch unter Einbeziehung der Abbildung 1.1
„Temperaturabhängigkeit des pH-Wertes von Wasser“ und leiten Sie eine Aussage
zum energetischen Verlauf der Autoprotolyse des Wassers ab.
Äußern Sie sich begründet zum Wahrheitswert folgender Aussage: „Siedendes Wasser
reagiert sauer.“
ϑ in °C
0
KW in mol2/L2
c(H3O+) in mol/L
0,78 ⋅ 10
2,8 ⋅ 10
25
1,00 ⋅ 10
1,00 ⋅ 10-7
50
5,40 ⋅ 10
2,3 ⋅ 10
100
7,40 ⋅ 10-13
-15
-14
-14
c(OH-) in mol/L
pH
1,00 ⋅ 10-7
7,0
-8
-7
Abb. 1.1: Temperaturabhängigkeit des pH-Wertes von Wasser
3
Puffersysteme
Geben Sie zwei Puffersysteme an und erläutern Sie die Bedeutung eines Ihrer
Beispiele.
Geben Sie begründet den pH-Wert an, bei dem das von Ihnen ausgewählte
Puffersystem die größte Pufferkapazität hat.
Begründen Sie auch unter Einbeziehung der chemischen Zeichensprache, dass eine
Lösung aus Ammoniumethanoat (Ammoniumacetat) neutral reagiert.
Erklären Sie, dass entweder bei Zugabe von konzentrierter Natriumhydroxid-Lösung
oder bei Zugabe von konzentrierter Chlorwasserstoffsäure zu einer Ammoniumethanoat-Lösung ein Puffersystem entsteht und erläutern Sie die Pufferwirkung.
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004
4
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Elemente und ihre Verbindungen in der Lebenswelt
In Deodorants, insbesondere in Antitranspirants, sind Aluminiumsalze der Zusammensetzung NH4Al(SO4)2 enthalten.
Information: Schweiß ist eine klare, geruch- und farblose, salzig schmeckende Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 4 – 6,8. Die sauren Bestandteile tragen zum Säuremantel
der Haut bei.
Der Schweiß besteht zu 99 % aus Wasser.
Der auf der Haut verbleibende Rückstand setzt sich aus anorganischen Verbindungen
(hauptsächlich Salze) und organischen Verbindungen (Aminosäuren RCHNH2COOH
usw.) zusammen.
Entlang der Schweißkanäle existiert ein für den Schweißtransport verantwortliches
elektrisches Spannungsgefälle mit negativer Ladung an der Schweißkanalmündung.
Kationen sind für die Behinderung der Schweißabsonderung auf elektrochemischem
Weg verantwortlich.
Schweißkanal
Epidermis
Abb. 1.2: Querschnitt der Haut
Formulieren Sie für zwei mögliche Protolysereaktionen des Aluminiumsalzes
NH4Al(SO4)2 die Gleichungen. Entwickeln Sie eine Reaktionsgleichung für die SäureBase-Reaktion von hydratisierten Aluminium-Ionen mit 2-Aminopropansäure.
Geben Sie eine Möglichkeit der Behinderung der Schweißabsonderung an.
Interpretieren Sie unter Berücksichtigung aller im Deodorant enthaltenen Ionen den
Gebrauchshinweis: „Nicht mit Marmor (Calciumcarbonat) in Berührung bringen“.
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Thema 2:
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Chemische Reaktionen im U-Boot
1
U-Boote sind auf der einen Seite gefährliche Waffenträger und auf der anderen Seite
komplizierte und technisch ausgereifte Systeme. Nicht erst seit dem Untergang der
„Kursk“ am 21.08.2000 sind die Gefahren, die Probleme und das zerstörerische
Potenzial dieser Waffenträger bekannt.
Die Energieversorgung, die Versorgung der Besatzungsmitglieder im System mit
Sauerstoff und Trinkwasser sowie die Beseitigung von Kohlenstoffdioxid sind
überlebenswichtig. In der „Kursk“ wurde die Energieversorgung durch zwei Druckwasserreaktoren von je 190 MW sichergestellt. So kann durch Elektrolyse von
entsalztem Meerwasser Sauerstoff zum Atmen bereitgestellt werden.
1.1
Die Elektrolyse von Wasser wird als ein Modellexperiment zur Sauerstoffversorgung
genutzt. Erläutern Sie diese mithilfe einer beschrifteten Skizze unter Einbeziehung der
chemischen Zeichensprache.
Geben Sie die zu erwartenden Beobachtungen an und beschreiben Sie mögliche
Nachweisreaktionen für die Reaktionsprodukte.
1.2
Bei Ausfall der Energieversorgung sind die zeitlich begrenzten Hauptreaktionen von
Kaliumhyperoxid (Kaliumsuperoxid, KO2) mit Kohlenstoffdioxid zu Kaliumcarbonat und
Sauerstoff sowie die Reaktion von Kaliumhyperoxid mit dem Wasser der Atemluft zu
Sauerstoff, Kaliumhydroxid und Wasserstoffperoxid für die Mannschaft lebensnotwendig. Kaliumhydroxid geht eine Folgereaktion ein, welche ebenfalls zur Verbesserung der Atemluft dient.
Entwickeln Sie die chemischen Gleichungen für die beschriebenen Reaktionen. Geben
Sie für zwei Reaktionen die Reaktionsart an. Berücksichtigen Sie dabei, dass dem
Sauerstoff im Kaliumsuperoxid vereinfachend die formale Oxidationszahl – 0,5
zugeordnet wird.
Berechnen Sie das Volumen an Kohlenstoffdioxid, das mit einer Masse m = 25 kg
Kaliumhydroxid gebunden werden kann.
Geben Sie Gründe dafür an, dass auch ein getauchtes U-Boot ein offenes System
darstellt.
2
Energetische Betrachtungen chemischer Reaktionen
2.1
Experiment
Bauen Sie mithilfe nachfolgender Vorschrift einen Eisenakkumulator auf. Füllen Sie
dazu ein U-Rohr mit Eisen(II)-sulfat-Lösung. Setzen Sie die Eisenelektroden ein. Laden
Sie den Akkumulator ca. 5 Minuten mit einer Spannung U = 12 V und einer Stromstärke I = 1 A auf. Entnehmen Sie mit der Pipette an der Anode einige Tropfen der
Elektrolyt-Lösung und versetzen Sie diese auf der Tüpfelplatte mit Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung. Tauschen Sie nun das Stromversorgungsgerät gegen ein
Voltmeter aus und messen Sie die Spannung Ihres Akkumulators.
Erklären Sie umfassend Ihre Beobachtungen unter Einbeziehung der chemischen
Zeichensprache und mithilfe einer vollständig beschrifteten Skizze.
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004
2.2
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
U-Boote dienen u. a. als Raketenabschussbasen. In Raketentriebwerken werden
neben Benzol auch Hydride, wie Diboran B2H6, durch mitgeführten Sauerstoff
vollständig verbrannt. Bei der Verbrennung von Diboran entsteht neben Wasserdampf
auch festes Bor(III)-oxid.
Geben Sie für beide Verbrennungsvorgänge die Reaktionsgleichungen an.
Bei der Verbrennung von einem Mol Benzol entsteht eine Reaktionswärme
Q1 = 3,28 MJ und bei der Verbrennung von einem Mol Diboran eine Reaktionswärme
Q2 = 1,96 MJ.
Beurteilen Sie unter Einbeziehung geeigneter Berechnungen den Einsatz beider
Treibstoffe unter den Gesichtspunkten Energiefreisetzung und Sauerstoffbedarf bei
gleicher Masse (Hinweis: Vm = 24 L/mol).
3
Wasserstoffperoxid
3.1
Aus Wasserstoffperoxid kann im sauren Milieu Sauerstoff erzeugt werden. Wasserstoffperoxid ist redoxamphoter.
Begründen Sie diese Aussagen und erläutern Sie ausführlich das Wesen der Redoxreaktion an diesem Beispiel.
3.2
Die Verlaufsrichtung einer chemischen Reaktion wird durch Triebkräfte bestimmt.
Benennen Sie diese Triebkräfte. Begründen Sie damit, dass der Zerfall von Wasserstoffperoxid im sauren Milieu unter Standardbedingungen freiwillig verläuft.
3.3
Katalysatoren beeinflussen den Zerfall von Wasserstoffperoxid.
Erläutern Sie am Beispiel des Zerfalls von Wasserstoffperoxid die Wirkungsweise
eines Katalysators unter Einbeziehung der Tabelle 2.1 „Angaben zum Zerfall von
Wasserstoffperoxid“
Reaktionsbedingung
Aktivierungsenergie in kJ/mol
Relative Geschwindigkeit
ohne Katalysator
75,24
1
Platinkatalysator
50,15
2 ⋅ 10 3
Katalase (Enzym)
22,83
3 ⋅ 10 8
Tab. 2.1: Angaben zum Zerfall von Wasserstoffperoxid
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4
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Bis ins 19. Jahrhundert erkrankten viele Seeleute an Skorbut, weil sie viele Monate mit
ihren Schiffen auf See waren und häufig keinen ausreichenden Vorrat an frischem
Obst und Gemüse hatten. Später achteten die Kapitäne und Schiffseigner darauf, dass
genügend Vitamin C an Bord war. Deshalb bunkerten Sie kistenweise Zitronen und
verabreichten jedem Mann täglich mindestens eine halbe Frucht.
In der Lebensmittelindustrie wird Vitamin C häufig als Konservierungsmittel eingesetzt.
Die Ascorbinsäure reagiert in wässriger Lösung sauer, obwohl sie nicht zu den
Carbonsäuren gehört, und wirkt antimikrobiell. Vor allem aber ist die Ascorbinsäure ein
starkes Reduktionsmittel und verhindert dadurch die Oxidation der Lebensmittel durch
Luftsauerstoff.
Asc2- + 2 H+
Kurzschreibweise: AscH2
Abb. 2.1:
Dissoziation der Ascorbinsäure
Stellen Sie eine begründete Vermutung über den Aggregatzustand der Ascorbinsäure
auf. Beschreiben Sie die in Abbildung 2.1 „Dissoziation der Ascorbinsäure“ dargestellte
Reaktion.
Die Oxidation der Ascorbinsäure lässt sich in der Kurzschreibweise folgendermaßen
darstellen:
Ascorbinsäure Æ Dehydroascorbinsäure + 2 Protonen + 2 Elektronen
AscH2 Æ AscOX + 2 H+ + 2 e
-
Entwickeln Sie für die Oxidation der Ascorbinsäure die Teilgleichung in der LEWISSchreibweise.
Wird Silbernitrat-Lösung mit verdünnter Ammoniak-Lösung versetzt, so bildet sich
zunächst eine weiße Trübung, die sich wieder auflöst. Nach Zugabe von Ascorbinsäure
sind nach einiger Zeit schwarze Schlieren zu beobachten.
Formulieren Sie für die beschriebenen Vorgänge die Reaktionsgleichungen. Gehen Sie
dabei für die letzte Reaktion vereinfachend von Silber-Ionen aus.
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Thema 3:
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Arten chemischer Reaktionen
1
Komplexe Verbindungen
1.1
Metallkomplexe erfüllen im Organismus an vielen Stellen lebenswichtige Funktionen.
Eisenkomplexe bilden die aktiven Zentren im Hämoglobin und in den Cytochromen.
Der Cobaltkomplex Cobaltamin ist ein für den Menschen essentielles Vitamin (B12).
Ohne den Magnesiumkomplex des Chlorophylls gäbe es keine grünen Pflanzen und
damit keine Photosynthese. In der Medizin nutzt man die Bildung stabiler Komplexe zur
Behandlung von Vergiftungen und bestimmten Stoffwechselerkrankungen. Platinkomplexe kommen in der Krebstherapie zum Einsatz.
Erläutern Sie den Aufbau komplexer Teilchen und das Zustandekommen chemischer
Bindungen am Beispiel des entstehenden Kupfer(II)-Komplexes bei der Reaktion von
Kupfer(II)-Ionen mit Ammoniak. Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung und
benennen Sie das komplexe Teilchen.
Vergleichen Sie die Funktion der Chlorid-Ionen in Triammin-trichloro-cobalt(III) und in
Hexaaquacalcium-chlorid.
1.2
Entnehmen Sie das Arbeitsblatt und kreuzen Sie in der Tabelle 3.1 „Komplexe
Verbindungen“ die für die entsprechenden Reaktionen zutreffenden Aussagen an.
2
Reaktionen organischer Verbindungen
2.1
Das im Erdgas vorkommende Methan hat eine große Bedeutung als Energieträger und
als Ausgangsstoff für chemische Synthesen. So wird beispielsweise Wasserstoff heute
vorwiegend durch Spaltung von Methan und anderen Kohlenwasserstoffen mit
Wasserdampf (steam reforming) gewonnen. Durch Reaktion von Methan mit Chlor
kann Monochlormethan hergestellt werden, das einer der Ausgangsstoffe für die
Herstellung von Methylbenzol (Toluol) ist.
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die beschriebene Möglichkeit der Gewinnung von Wasserstoff und geben Sie für eine weitere Möglichkeit der großtechnischen
Gewinnung von Wasserstoff ebenfalls eine Reaktionsgleichung an.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Herstellung von Monochlormethan und
erläutern Sie den Mechanismus der ablaufenden Reaktion.
2.2
Die katalytischen Reaktionen von Benzol mit Brom und von Benzol
Monobrommethan verlaufen nach ein und demselben Reaktionsmechanismus.
mit
Stellen Sie für beide Reaktionen die Gleichungen auf und benennen Sie den
Reaktionsmechanismus. Erläutern Sie die Teilschritte des Reaktionsmechanismus an
einem Beispiel.
Experiment
Aus Methylbenzol (Toluol) kann Benzolcarbonsäure (Benzoesäure) entstehen.
Versetzen Sie 2 mL Toluol mit 5 mL angesäuerter stark verdünnter Kaliumpermanganat-Lösung. Schütteln Sie und erwärmen Sie anschließend vorsichtig im
Wasserbad.
Geben Sie Ihre Beobachtungen an.
Benennen Sie die Art der ablaufenden Reaktion. Erläutern Sie deren Wesen am
angegebenen Beispiel.
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2.3
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Benzol reagiert mit Fluor explosionsartig, die Chlorierung und die Bromierung erfordern
Katalysatoren.
Begründen Sie auch durch Berechnung der molaren Standardreaktionsenthalpie den
freiwilligen Ablauf der Reaktion von Benzol mit Fluor. Nutzen Sie dazu die Tabelle
3.2 „Molare Standardbindungsenthalpien“.
Die Bindungsenthalpie ist die Energie, die erforderlich ist, um eine Bindung zu spalten
bzw. die Energie, die bei der Bildung einer Bindung frei wird.
F
Cl
Br
I
H
C6H5
528
402
339
272
465
F
155
569
243
Cl
432
193
Br
366
151
I
299
Tab. 3.2: Molare Standardbindungsenthalpien in kJ/mol
Die Iodierung von Benzol ist ein reversibler Prozess. Das Gleichgewicht liegt nahezu
vollständig aufseiten der Edukte. Durch Zusatz von Silbernitrat wird eine höhere
Ausbeute an Iodbenzol erreicht.
Begründen Sie.
3
Reaktionsarten im Vergleich
3.1
Redoxreaktion, Komplexbildungsreaktion und elektrophile Substitution zeigen eine
charakteristische Gemeinsamkeit.
Ergänzen Sie auf dem Arbeitsblatt in der Tabelle 3.3 „Reaktionsarten“ die fehlenden
Angaben in den ersten drei Zeilen und geben Sie die Gemeinsamkeit an.
3.2
Zur Nitrierung von Benzol wird ein Gemisch aus konzentrierter Salpetersäure und
konzentrierter Schwefelsäure (Nitriersäure) verwendet. Es kommt zu folgenden
Reaktionen:
H
O
N
O
+
O
H
O
O
O
S
O
N
O
O
O
H
+
H
O
O
H
O
H
H
O
O
O
S
H
N
O
H
O
N
O +
O
H
Beschreiben Sie die dargestellten Vorgänge zur Bildung des Elektrophils ( NO 2+ ).
Ordnen Sie die Edukte dieser Reaktion in die Tabelle 3.3 des Arbeitsblattes
„Reaktionsarten“ der Aufgabe 3.1 ein und ergänzen Sie die verbleibende freie Zeile.
SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004
CHEMIE (LEISTUNGSKURS)
Arbeitsblatt zum Thema 3: Arten chemischer Reaktionen
A
B
[Me(H2O)x]n+ + x L
C
[Me(L)x]n+ + x H2O
D
E
F
G
-
[Fe(H2O)6]3+ + 2 SCN
[Fe(H2O)4(SCN)2]+ + 2 H2O
H
I
K
L
[Ca(H2O)6]2+ + EDTA4-
[Ca(EDTA)]2- + 6 H2O
(EDTA = Ethylendiammintetraacetat)
M
N
Me ist das Zentralion der Komplexe.
Die Reaktion verläuft unter
Ligandenaustausch.
Ist der Ligand L neutral, entspricht
die Gesamtladung der Komplexe der
Ladung des Zentralions.
Die Koordinationszahl der Komplexe
ergibt sich aus n.
Wenn Wasser der Ligand ist, spricht
man von Aquakomplexen.
Es handelt sich um eine
Redoxreaktion.
Das Eisen ändert seine
Oxidationszahl.
Das Eisen ändert seine
Koordinationszahl.
Es findet ein Ligandenaustausch
statt.
Die Gesamtladung des
Metallkomplexes bleibt gleich.
Der Ligandenaustausch ist
vollständig.
Das Zentralion hat seine Ladung
geändert.
Das Zentralion hat die
Koordinationszahl 6.
Tab. 3.1: Komplexe Verbindungen
Beispiele
Donator / Akzeptor
Redoxreaktion
/
Komplexbildungsreaktion
/
elektrophile Substitution am Aromaten
/
/
Tab. 3.3: Reaktionsarten
ausgetauschte
Teilchen
Elektronenpaar