G 2014-1 Grundkurs Chemie (Sachsen)

Grundkurs Chemie (Sachsen)
Abiturprüfung 2014
BE
Aufgabe A
Die Mehrzahl aller heute bekannten Verbindungen enthält das Element Kohlenstoff.
1 Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Kohlenstoff. Beschreiben Sie den Nachweis des Reaktionsprodukts und entwickeln Sie
die zugehörige Reaktionsgleichung in Ionenschreibweise.
2
Die einfachste organische Verbindung ist Methan, die z. B. durch Reaktion von
Natriumacetat mit Natriumhydroxid nach folgender Reaktionsgleichung hergestellt
werden kann.
CH3COONa + NaOH
3
4
5
5
CH4 + Na2CO3
Bestimmen Sie die Oxidationszahlen des Elements Kohlenstoff im Natriumcarbonat und im Methan.
Begründen Sie das Auftreten dieser Oxidationszahlen mithilfe der Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatoms.
4
Eine wässrige Natriumcarbonatlösung reagiert alkalisch. Erläutern Sie diesen Sachverhalt.
2
Ein bedeutendes Sauerstoffderivat des Methans ist Methanol. Es wird großtechnisch aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff gewonnen.
Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung für diese Synthese.
1
Propan und Ethanol besitzen annähernd gleiche molare Massen, aber unterschiedliche Siedetemperaturen. Begründen Sie diesen Unterschied.
Alkan
M in g ⋅ mol–1
ϑv in °C
Alkanol
M in g ⋅ mol–1
ϑv in °C
Propan
44
– 42,1
Ethanol
46
78,4
3
15
Aufgabe B
1
Die bei der Verbrennung von Treibstoffen entstehenden Abgase werden als primäre Schadstoffe bezeichnet.
1.1 In einem zweistufigen Prozess bildet sich in einer ersten Reaktion unter Lichteinfluss aus Stickstoffmonooxid und Sauerstoff Stickstoffdioxid. Dieses reagiert dann
mit Sauerstoff zu Ozon, wobei wiederum Stickstoffmonooxid entsteht.
Entwickeln Sie die Reaktionsgleichungen für diese Gleichgewichtsreaktionen.
1.2 Zur Minimierung des Schadstoffausstoßes durch Kraftfahrzeuge werden Katalysatoren eingesetzt, in denen u. a. folgende Reaktion abläuft:
2 CO + 2 NO
2 CO2 + N2
Nennen und begründen Sie die Reaktionsart.
1.3 Geben Sie die LEWIS-Formel von Kohlenstoffdioxid an. Diskutieren Sie die Polarität des Moleküls.
G 2014-1
8
2
Regenwasser besitzt häufig einen pH-Wert von pH < 7, der u. a. durch schweflige
Säure verursacht wird:
HSO 3−
H2SO3 + H2O
+ H3O+
2.1 Erläutern Sie die Reaktionsart.
2.2 Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration der Hydronium-Ionen im Regenwasser mit dem pH-Wert pH = 5,4.
5
Wählen Sie eine der Aufgaben 3 oder 4 aus und bearbeiten Sie diese.
3 Octan und Ethanol verbrennen vollständig nach folgenden Reaktionsgleichungen:
2 C8H18
+ 25 O2
16 CO2
+ 18 H2O (l)
C2H5OH
+ 2 O2
2 CO2
+ 3 H2O (l)
Die Reaktionsenthalpie für die Verbrennung von 1 g Octan beträgt ΔRh ≈ – 48 kJ.
Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie für die Verbrennung von 1 g Ethanol.
Beurteilen Sie ausgehend von diesen Werten die Eignung als Brennstoff.
4
Die Synthese von Stickstoffmonooxid aus den Elementen ist eine Gleichgewichtsreaktion.
N2 + O 2
2 NO
ΔRH = +180 kJ ⋅ mol–1
Geben Sie das Massenwirkungsgesetz für diese Reaktion an. Erklären Sie mithilfe
des Massenwirkungsgesetzes die Abhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten von
der Temperatur.
5
4
Die umweltschonendste Methode, Wasserstoff im großtechnischen Maßstab zu
produzieren, ist die elektrolytische Zersetzung von Wasser mithilfe von erneuerbaren Energiequellen:
2 H2O
2 H2 + O 2
5.1 Erläutern Sie die Vorgänge an den beiden Elektroden bei der Elektrolyse von
Wasser. Ordnen Sie den Polen die Begriffe Anode und Katode zu.
5.2 Berechnen Sie, wie lange elektrolysiert werden muss, um bei einer Stromstärke
von 2,5 A unter Normbedingungen ein Volumen von 20 Litern Wasserstoff abzuscheiden.
5.3 Nennen Sie eine weitere Anwendung elektrochemischer Prozesse im Alltag oder in
der Technik.
6
4
10
Ethansäureethylester wird als Lösungsmittel in Klebstoffen und Nagellackentfernern verwendet. Er wird aus Ethansäure und Ethanol hergestellt.
CH3 – COOH + CH3 – CH2 – OH
CH3 – COO – CH2 – CH3 + H2O
Nach der Zugabe von Wasser scheidet sich die Esterschicht ab. Begründen Sie diese Tatsache unter Zuhilfenahme Ihrer Kenntnisse über zwischenmolekulare Kräfte.
G 2014-2
3
Lösungen
Aufgabe A
r1
r
r
Für viele Nachweise nutzt man Fällungsreaktionen, bei denen Niederschläge unterschiedlicher Farbe entstehen können. Bei einer Fällungsreaktion vereinigen sich die
Ionen zweier Lösungen zu Kristallen eines schwer löslichen Stoffes.
C + O2
CO2
Zum Nachweis des Kohlenstoffdioxids wird das Gas in Bariumhydroxidlösung (Barytwasser) eingeleitet. Dabei entsteht ein weißer Niederschlag aus schwer wasserlöslichem
Bariumcarbonat:
Ba(OH)2 + CO2
BaCO3 ↓ + H2O
Die Reaktion verläuft in zwei Schritten:
r
r
(1)
CO2 + 2 OH –
CO 32 − + H2O
(2)
Ba2+ + CO 32 −
BaCO3 ↓
Auch Calciumhydroxidlösung (Kalkwasser) ist als Nachweismittel für Kohlenstoffdioxid
geeignet.
–4
2
CH4
+4
Na2CO3
Elektronenkonfiguration von Kohlenstoff: 1s2 2s2 2p2
Als Element der IV. Hauptgruppe kann Kohlenstoff in chemischen Verbindungen Oxidationszahlen zwischen – 4 und +4 einnehmen.
Im Methan liegt die Oxidationsstufe – 4 vor. Zwischen dem Kohlenstoff- und den Wasserstoffatomen bilden sich schwache polare Atombindungen, bei denen jeweils das gemeinsame Elektronenpaar vom Kohlenstoffatom aufgrund seiner höheren Elektronegativität stärker angezogen wird. Somit verfügt das Kohlenstoffatom im Methanmolekül über
acht Außenelektronen und erreicht nach der Oktettregel die stabile Elektronenkonfiguration des Neon-Atoms.
Im Carbonat-Ion liegt die Oxidationsstufe + 4 vor. Zwischen dem Kohlenstoff- und den
Sauerstoffatomen bestehen ebenfalls polare Atombindungen, bei denen die gemeinsamen
Elektronenpaare von den Sauerstoffatomen aufgrund ihrer höheren Elektronegativität
stärker angezogen werden. Daher verfügt das Kohlenstoffatom im Carbonat-Ion noch über
zwei Außenelektronen und erreicht die stabile Elektronenkonfiguration des HeliumAtoms.
r3
r
r
Salze können eine saure oder eine basische Reaktion zeigen, wenn die bei der Dissoziation entstehenden Ionen in Wasser selbst wieder als schwache Säure oder Base reagieren.
Natriumcarbonat dissoziiert unter Bildung von Natrium-Ionen und Carbonat-Ionen:
Na2CO3
2 Na+ + CO 32 −
Die Natrium-Ionen haben keinen Einfluss auf den pH-Wert der Lösung.
G 2014-5

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