Chemie-normal-eanf-2013-aufgaben

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2013
Prüfungsaufgaben
Wählen Sie je ein Thema aus den beiden Themenblöcken zur Bearbeitung aus und kreuzen Sie diese beiden Themen an. Bestätigen Sie die Entscheidung mit Ihrer Unterschrift. Themenblock Grundlagen
Thema G 1:
Thema G 2:
Themenblock Vertiefung
Thema V 1:
Thema V 2:
Brennstoffzel en - Energietechnologie der Zukunft Thema V 3:
Aluminiumherstel ung unter ökonomischen und ökologischen Thema G 1:
Calciumverbindungen
Material 1:
Nach 20 Jahren wird der Waldboden im Oberharz erstmals wieder mit Calciumcarbonat
gekalkt. Laut des zuständigen Forstamtsleiters sind dort mehrere Tausend Hektar Wald stark
versauert.
In den 1980er Jahren war es Schwefeldioxid aus Kohleöfen und Industrieanlagen, das den
sauren Regen entstehen ließ und zur Versauerung des Bodens beitrug. Später lösten
Stickoxide das Schwefeldioxid ab. Der Fichtenwaldboden im Oberharz weist inzwischen
einen pH-Wert von 3,0 - 3,2 auf. Dieses entspricht etwa dem pH-Wert des Saftes aus sauren
Äpfeln. Der niedrige pH-Wert verhindert die Aufnahme wichtiger Stoffe durch das
Wurzelwerk der Bäume, die dadurch erkranken.
Weiterhin erhöht sich z. B. die Löslichkeit von Aluminium- und Schwermetal salzen. Dadurch
kann es zu einer weiteren Anreicherung von Säuren im Boden kommen. In der Folge wird
beispielsweise das Feinwurzelwerk der Bäume geschädigt.
Gesunder Waldboden ist in der Lage, einen gewissen Säureeintrag u. a. durch den
Hydrogencarbonat-Carbonat-Puffer zu kompensieren.
1 Erläutern Sie aus qualitativer und halbquantitativer Sicht den Zusammenhang zwischen der Emission von Nichtmetal oxiden wie Schwefeldioxid und der Entstehung von saurem
Regen.
Erklären Sie am Beispiel des sauren Regens das Wesen der Säure-Base-Reaktion nach
BRÖNSTED.
Berechnen Sie entsprechend den Angaben im Material 1 aus dem durchschnittlichen
pH-Wert die Konzentration der Oxonium-Ionen im Fichtenwaldboden des Oberharzes.
Beurteilen Sie die Sinnhaftigkeit des Waldkalkens auch unter Berücksichtigung des
Puffersystems im Waldboden.
Erläutern Sie, dass der pH-Wert des Bodens durch die Erhöhung der Löslichkeit von
Aluminiumsalzen weiter verringert werden kann.
Hinweis: Aluminium-Ionen bilden mit Wasser hydratisierte Kationen.
2 In einem Labor sol Calciumsulfat hergestel t werden. Entwickeln Sie Reaktionsgleichungen für drei Herstel ungsmöglichkeiten, wobei die ausgewählten Reaktionen verschiedenen Reaktionsarten angehören sol en. Begründen Sie die jeweilige Zuordnung. Experiment:
Sie erhalten drei pulverförmige Stoffproben (a, b, c). Es handelt sich um Calcium-
carbonat, Calciumoxid und Calciumsulfat.
Identifizieren Sie mithilfe einfacher chemischer Untersuchungen die Stoffproben.
Fordern Sie die entsprechenden Chemikalien an.
Werten Sie die Beobachtungsergebnisse auch unter Verwendung von Reaktions-
gleichungen aus.
Hinweis: Für die Experimente stehen keine Bariumverbindungen zur Verfügung.
Material 2: Der technische Kalkkreislauf
Für die Errichtung vieler Bauwerke wird Kalkmörtel benötigt. Der wichtigste Ausgangsstoff
für die Herstel ung von Kalkmörtel ist der in der Natur zu findende Kalkstein
(Calciumcarbonat). Dieser wird zunächst zerkleinert und im Drehrohrofen bei Temperaturen
von etwa 1000 °C gebrannt. Bei diesem sogenannten Kalkbrennen wird die Möglichkeit der
thermischen Zersetzung von Calciumcarbonat ausgenutzt. Dabei bilden sich Branntkalk (Calciumoxid) und Kohlenstoffdioxid. Beim anschließenden Kalklöschen reagiert Branntkalk mit Wasser zu Löschkalk (Calciumhydroxid). Nach dem Trocknen und Mahlen wird Löschkalk mit Sand und Wasser zu Kalkmörtel verarbeitet. Dieser muss im Bauwerk abbinden, damit das Gemisch fest und haltbar wird. Dabei reagiert der im Mörtel enthaltene Löschkalk mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft zu Calciumcarbonat. 3 Skizzieren Sie den technischen Kalkkreislauf unter Verwendung der Informationen aus dem Material 2 sowie unter Einbeziehung der molaren Standardreaktionsenthalpien Überprüfen Sie durch Berechnen, ob eine Temperatur von 900 °C im Drehrohrofen aus-reicht, um Calciumcarbonat thermisch zu zersetzen. Thema G 2:
Auswerten von Beobachtungsergebnissen
Material:
Folgende Experimente wurden durchgeführt und die Beobachtungen notiert.
I Zu einer verdünnten Eisen(III)-Ionen-Lösung wird Universalindikator gegeben. II In eine verdünnte Eisen(III)-Ionen-Lösung werden Kupfer-Späne gegeben. Es sind stoffliche und energetische Veränderungen feststel bar.
Hinweis: E0(Fe2+/Fe3+) = 0,77 V
III In einem Kalorimeter werden 100 mL Kupfer(II)-Ionen-Lösung (c = 0,1 mol/L) und 1 g Eisen-Späne zur Reaktion gebracht. Die zunächst hel blaue Lösung entfärbt sich. Dabei ändert sich die Temperatur von 22,0 °C auf 25,1 °C. Ein rotbrauner Niederschlag wird nach dem Öffnen des Kalorimeters sichtbar. IV Zu einer verdünnten Eisen(III)-Ionen-Lösung wird eine Iodid-Ionen-Lösung gegeben. Je ein Viertel der entstandenen bräunlich-gelben Lösung wird mit nachfolgenden Reagenzien versetzt: Reagenzien
Beobachtungsergebnisse
IV b orange Hexacyanidoferrat(III)-Ionen- 1 Werten Sie al e im Material beschriebenen Experimente unter folgenden Aspekten aus: - Erläutern der Beobachtungsergebnisse der Experimente I, III und IV (ohne - Begründen des Versuchsergebnisses von Experiment II
- Berechnen der molaren Reaktionsenthalpie aus den Ergebnissen der Kalorimetrie
Hinweis: Arbeiten Sie vereinfachend mit der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte von
2 Ordnen Sie den Reaktionen in den Experimenten I, III, IV c und IV d jeweils eine Reaktionsart zu. Begründen Sie Ihre Zuordnung. Erläutern Sie an einer der Reaktionen das Wesen der vorliegenden Reaktionsart. 3 Vergleichen Sie drei im Material beschriebene Donator-Akzeptor-Reaktionen mithilfe von 4 In einem geschlossenen System führt jede umkehrbare Reaktion zum chemischen Erklären Sie am Beispiel der Reaktion von Eisen(III)-Ionen mit Iodid-Ionen und unter Einbeziehung al er experimentel en Ergebnisse aus dem Material (IV a - d), dass ein chemisches Gleichgewicht vorliegt. Skizzieren Sie für dieses Gleichgewicht ein Konzentrations-Zeit-Diagramm. Thema V 1:
Glycerintrinitrat („Nitroglycerin“)
Material:
Um die Lawinengefahr in Wintersportgebieten wie dem schweizerischen Davos zu
entschärfen, löst die Bergrettung gezielt Explosionen am Boden aus. Dazu werden ein paar
Hundert Kilogramm Dynamit, aufgeteilt in jeweils vier Kilogramm schwere Sprengladungen,
aus einem Hubschrauber abgeworfen.
Sprengstoffe, wie auch Dynamit, gehören zu den Explosivstoffen. Diese bestehen meist aus
Reinstoffen oder Stoffgemischen,
- die den für die Explosion notwendigen Sauerstoff enthalten, der die brennbaren
- die innerhalb sehr kurzer Zeit große Mengen an Energie in Form von Wärme und einer Dynamit besteht zu 75 % aus Glycerintrinitrat (C3H5N3O9), welches fälschlicherweise oft als Nitroglycerin bezeichnet wird. Glycerintrinitrat ist eine ölige Flüssigkeit, die durch Veresterung von Glycerin (Propan-1,2,3-triol) mit Salpetersäure (HO-NO2) in Gegenwart von Schwefelsäure als Katalysator entsteht. Bei dieser Esterbildung werden aus dem mehrwertigen Alkohol die Hydroxylgruppen abgespalten. Glycerintrinitrat kann bereits bei Stoß, Schlag oder geringem Erwärmen explodieren. Die Schlagempfindlichkeit beträgt 0,2 J, die Detonationsgeschwindigkeit rund 7450 m/s. Bei der Explosion werden Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Wasserdampf und Sauerstoff freigesetzt. Um die Schlagempfindlichkeit von Nitroglycerin zu verringern und damit die Handhabbarkeit und Transportfähigkeit zu verbessern, verwendete Alfred Nobel (1833 - 1896) Kieselgur, eine poröse Substanz, die das Glycerintrinitrat aufsaugt. Auf diese Weise entsteht Dynamit, welches neben Glycerintrinitrat 24,5 % Kieselgur als Trägermaterial und 0,5 % Natrium-carbonat als chemischen Stabilisator enthält. 1 Entwickeln Sie für die Bildung von Glycerintrinitrat aus Glycerin und Salpetersäure die Reaktionsgleichung. Vergleichen Sie diese Veresterung mit der Reaktion von Glycerin und Hexadecansäure. 2 Begründen Sie unter Einbeziehung des Materials, der chemischen Zeichensprache sowie eigener Berechnungen die Zuordnung von Glycerintrinitrat zu den Explosivstoffen.
Erklären Sie die Spontanität des Zerfal s von Glycerintrinitrat aus thermodynamischer
Sicht.
Berechnen Sie auf der Grundlage des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung
der inneren Energie (Reaktionsenergie) für die Explosion einer vier Kilogramm schweren
Dynamitsprengladung.
Hinweis: Arbeiten Sie vereinfachend mit Standardbedingungen.
Die molare Standardbildungsenthalpie von Glycerintrinitrat beträgt - 371 kJ/mol. Thema V 2:
Brennstoffzellen - Energietechnologie der Zukunft
Material:
Wie speichert man gewonnene Energie? Eine Frage, die für die kontinuierliche Versorgung
einer Volkswirtschaft mit erneuerbaren Energien entscheidend ist. Im weltweit ersten
Hybridkraftwerk in Prenzlau (Land Brandenburg) wird mittels dreier Windräder Windenergie
in elektrische Energie umgewandelt. Bei Produktion von überschüssiger elektrischer
Energie wird diese genutzt, um Wasserstoff elektrolytisch aus Wasser zu gewinnen. Dieser
kann in Tanks gespeichert und bei Windstil e wieder „verstromt“ werden. Das neue
Hybridkraftwerk stel t eine Anwendung der herkömmlichen Wasserstoff-Sauerstoff-
Brennstoffzel e dar.
In der Medizintechnik wird verstärkt an mobilen und energetisch autonom arbeitenden
Mikrosystemen geforscht, um eine für den Patienten weitgehend unkomplizierte und
unbemerkte medizinische Versorgung zu ermöglichen. Beispiele für derartige Anwendungen
sind Herzschrittmacher oder Insulinpumpen für Diabetiker. In diesem Zusammenhang
könnten zukünftig enzymatische Brennstoffzel en (EBZ) von Bedeutung sein. Sie sind im
Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffzel en klein, besitzen eine lange Lebensdauer und
könnten so wegen ihrer langen Haltbarkeit gut im menschlichen Körper eingesetzt werden.
Die Entwicklung von enzymatischen Brennstoffzel en befindet sich erst am Anfang.
In Abbildung 1 wird das al gemeine Bauprinzip einer solchen Brennstoffzel e gezeigt.
In lebenden Zel en kennt man seit langem selektiv wirkende Enzyme (Biokatalysatoren), welche z. B. Methanol stufenweise abbauen können. Enzymatische Brennstoffzel en können als Brennstoff auch Methanol nutzen. Hierbei erfolgt Zwischenstufen Methanal und Methansäure. Entsprechende Formiatdehydrogenase. Als Oxidationsmittel in EBZ fungiert Sauerstoff. Abb. 1: Al gemeines Bauprinzip der EBZ
1 Entwickeln Sie eine beschriftete Übersicht, die das Funktionsprinzip des Hybridkraftwerkes darstel t und beschreiben Sie die Energieumwandlungen. 2 Berechnen Sie für eine herkömmliche Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle die molare Standardreaktionsenthalpie sowie die molare freie Standardreaktionsenthalpie. Begründen Sie die Unterschiedlichkeit beider Werte. 3 Vergleichen Sie die herkömmliche Brennstoffzel e mit der enzymatischen Brennstoffzel e unter folgenden Aspekten: Brennstoff, Oxidationsmittel sowie Anwendungsmöglichkeit. Begründen Sie, dass die EBZ kein Diaphragma zur Trennung von Anoden- und Kathodenraum benötigt. 4 Erläutern Sie ausgehend von Abbildung 1 die prinzipiel en chemischen Vorgänge an der Anode und der Kathode in einer enzymatischen Brennstoffzel e. Thema V 3:
Aluminiumherstellung unter ökonomischen und
ökologischen Aspekten
Material:
Aluminium ist für das moderne Leben, den Fahrzeug- und Flugzeugbau unerlässlich. Bis zu
95 % der zur Herstel ung von Aluminium benötigten Energie können durch Recycling dieses
Stoffes eingespart werden. Die Herstel ung von Aluminium erfolgt ausschließlich durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid nach dem Kryolith-Tonerde-Verfahren (2 Al2O3 + 3 C Das für die Elektrolyse benötigte reine Aluminiumoxid wird nach dem BAYER-Verfahren aus Rohbauxit (vereinfacht: Gemisch aus Aluminiumoxid, Eisenoxiden und weiteren Verbindungen) hergestel t. Aus 3,7 Tonnen Bauxit können 1,9 Tonnen Aluminiumoxid und daraus eine Tonne Aluminium gewonnen werden. Für die Herstel ung von einer Tonne Aluminiumoxid werden in modernen Produktionsstätten ca. 7 GJ an Energie benötigt, in älteren teilweise das Doppelte. Beim BAYER-Verfahren entstehen pro Tonne Aluminiumoxid ca. 1,6 bis 3,7 Tonnen Rot-schlamm. Dieser enthält neben gelöstem Natriumhydroxid (Natronlauge) und unlöslichen Schwermetal verbindungen (z. B. mit Arsen, Chrom, Cadmium, Quecksilber) hauptsächlich unlösliche Eisenverbindungen. Die rote Farbe stammt u. a. vom Eisen(III)-oxid. Der ätzende, stark alkalische Schlamm wurde früher ohne weitere Vorkehrungen deponiert oder in Flüsse geleitet. Heute wird er in abgedichteten Deponien eingelagert. In modernen Produktionsstätten wird die enthaltene Natronlauge durch Rückgewinnung vor der Deponierung wiederverwertet. Rotschlamm kann auch als Fül stoff im Straßenbau sowie als Ausgangsmaterial für Keramik und Ziegelsteine verwendet werden. Anfang Oktober 2010 traten ca. eine Million Kubikmeter Rotschlamm bei einem Dammbruch aus der Deponie in der ungarischen Ortschaft Ajka aus und flossen über verschiedene Nebenflüsse in die Donau. Der hohe pH-Wert des Schlamms wurde durch die Verdünnung mit Wasser beim Zufluss in die Donau deutlich gesenkt. Die Schwermetal verbindungen sind jedoch weiterhin im Flusssediment vorhanden und reichern sich in Fischen und anderen Organismen an. Somit ist das Ökosystem Flusslandschaft über Jahre stark belastet. Stel en Sie in einem sachlogischen Zusammenhang das Thema „Aluminiumherstel ung unter ökonomischen und ökologischen Aspekten“ auch unter Einbeziehung - einer Erläuterung des im Material gegebenen Schemas, - einer Berechnung der Enthalpie zur Herstel ung von einer Tonne Aluminium - von ökonomischen und ökologischen Aspekten, - eines Fazits zum Thema

Source: http://www.bildung-lsa.de/pool/zentrale_leistungserhebung/abitur/2013/chemie_ersttermin_Eanf_2013_aufgaben.pdf