Diese Probeklausur ist wie eine Abiturprüfung im Grundkurs aufgebaut: zwei Aufgaben mit Material, die jeweils mehrere Kapitel verbinden, Teilaufgaben mit Operatoren aus allen drei Anforderungsbereichen und insgesamt 100 Punkte. Die Operatoren sind fett gedruckt — sie sagen Ihnen, was erwartet wird (siehe Lernplan und Prüfungsstrategien).
Hilfsmittel: Taschenrechner (GTR/CAS), die Tabellenwerte im Material. Zahlen mit Komma eingeben, Vorzeichen beachten. Nach dem Auswerten werden die Erwartungshorizonte freigeschaltet — vergleichen Sie dann auch Ihre schriftlichen Begründungen.
Säuren im Essig — vom Wein zum Polyester
50 PunkteLässt man Wein offen stehen, oxidieren Essigsäurebakterien das Ethanol mithilfe ihrer Enzyme zu Ethansäure (Essigsäure): \(\ce{C2H5OH(l) + O2(g)}\) \(\ce{-> CH3COOH(l) + H2O(l)}\). Haushaltsessig enthält etwa 5 % Ethansäure. Aus Ethansäure und Ethanol lässt sich mit konzentrierter Schwefelsäure als Katalysator der Aromastoff Ethansäureethylester herstellen; bei Raumtemperatur gilt \(K_c=4{,}0\).
\(10{,}0\,\mathrm{mL}\) Haushaltsessig werden mit Wasser auf \(100{,}0\,\mathrm{mL}\) aufgefüllt. \(20{,}0\,\mathrm{mL}\) dieser Lösung werden mit Natronlauge (\(c=0{,}100\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) titriert und der pH-Wert gemessen.
| Stoff | \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | \(M\) in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{C2H5OH(l)}\) | −277,7 | 46,07 |
| \(\ce{CH3COOH(l)}\) | −484,3 | 60,05 |
| \(\ce{H2O(l)}\) | −285,8 | 18,02 |
| \(\ce{O2(g)}\) | 0 | 32,00 |
\(\mathrm{p}K_S(\ce{CH3COOH})=4{,}75\) · \(\mathrm{p}K_B(\ce{CH3COO-})=9{,}25\) · Umschlagsbereiche: Methylorange 3,1–4,4 · Methylrot 4,4–6,2 · Bromthymolblau 6,0–7,6 · Phenolphthalein 8,2–10,0
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Erwartungshorizont: a) Im Ethanol hat das C-Atom der \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe die Oxidationszahl −I, in der Carboxygruppe +III: Ethanol wird oxidiert (2 P). b) Ethanol – Hydroxygruppe, Ethansäure – Carboxygruppe, Ester – Estergruppe (3 P). c) \(\ce{CH3COOH + OH-}\) \(\ce{-> CH3COO- + H2O}\); in der Lösung ist Ethansäure als schwache Säure überwiegend unprotolysiert (2 P). d) Phenolphthalein, da der Äquivalenzpunkt bei pH ≈ 8,7 liegt (2 P).
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Erwartungshorizont: a) Wendepunkt des Sprungs: \(16{,}6\,\mathrm{mL}\) (2 P). b) \(n(\ce{OH-})=0{,}100\cdot0{,}0166=1{,}66\cdot10^{-3}\,\mathrm{mol}=n(\ce{CH3COOH})\) in 20,0 mL; \(c=0{,}0830\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\); Verdünnung 1 : 10 rückgängig: \(0{,}830\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) (4 P). c) \(\beta=0{,}830\cdot60{,}05\approx49{,}8\,\mathrm{g\,L^{-1}}\) — passt zu „5 %“ (2 P). d) Bei \(8{,}3\,\mathrm{mL}\) (halbes ÄP-Volumen) gilt \(\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_S\approx4{,}75\) (2 P). e) Schwache Säure: \(\mathrm{pH}=\tfrac12(\mathrm{p}K_S-\lg c_0)=\tfrac12(4{,}75-\lg0{,}0830)\approx2{,}92\) (3 P). f) \(\ce{CH3COO- + H2O}\) \(\ce{<=> CH3COOH + OH-}\), \(\mathrm{p}K_B=9{,}25\): Lösung am ÄP schwach basisch (pH ≈ 8,7) (3 P).
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Erwartungshorizont: a) \(\Delta_r H^\circ=\Delta_f H^\circ(\ce{CH3COOH})+\Delta_f H^\circ(\ce{H2O})-\Delta_f H^\circ(\ce{C2H5OH})-0\) \(=-484{,}3-285{,}8+277{,}7=-492{,}4\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (4 P). b) Enzyme sind Biokatalysatoren: anderer Reaktionsweg mit kleinerer Aktivierungsenergie; \(\Delta_r H\) bleibt gleich, die Enzyme liegen nach der Reaktion unverändert vor (3 P). c) Stark exotherm: Die frei werdende Wärme erwärmt den Ansatz; Kühlung hält die Temperatur im Arbeitsbereich der Bakterien (3 P).
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Erwartungshorizont: a) Wasser ist hier Reaktionspartner (kein Lösemittel im Überschuss) und steht im Zähler (2 P). b) \(\frac{x^2}{(1-x)^2}=4\Rightarrow\frac{x}{1-x}=2\Rightarrow x=\tfrac23\approx0{,}667\,\mathrm{mol}\) (3 P). c) \(\frac{x^2}{(1-x)(2-x)}=4\Rightarrow3x^2-12x+8=0\Rightarrow x=\frac{12-\sqrt{48}}{6}\approx0{,}845\,\mathrm{mol}\) (zweite Lösung 3,15 mol > 1 mol entfällt) (4 P). d) Überschuss eines Edukts und Entfernen eines Produkts verschieben das Gleichgewicht nach Le Chatelier zum Ester; ein Katalysator beschleunigt nur die Einstellung, Druck wirkt bei Flüssigkeiten praktisch nicht (3 P). e) Zwei bifunktionelle Monomere (Dicarbonsäure, Diol) verknüpfen sich unter Wasserabspaltung: Polykondensation, Polyester, Thermoplast (3 P).
Wasserstoff — Energieträger mit Zukunft?
50 PunkteÜberschüssiger Strom aus Windkraft kann Wasser elektrolysieren. Der Wasserstoff wird gespeichert und später in einer Brennstoffzelle (saurer Elektrolyt) wieder in Strom umgewandelt oder als Rohstoff genutzt, z. B. für die Ammoniaksynthese \(\ce{N2(g) + 3 H2(g) <=> 2 NH3(g)}\), \(\Delta_r H^\circ=-92\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Ein Brennstoffzellen-Pkw gewinnt aus \(1{,}00\,\mathrm{kg}\) Wasserstoff im Mittel \(19{,}0\,\mathrm{kWh}\) elektrische Energie (\(1\,\mathrm{kWh}=3{,}6\,\mathrm{MJ}\)).
\(E^\circ(\ce{2 H3O+}/\ce{H2})=0{,}00\,\mathrm{V}\) · \(E^\circ(\ce{O2}/\ce{H2O})=+1{,}23\,\mathrm{V}\) · \(\Delta_f H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) · \(M(\ce{H2})=2{,}016\), \(M(\ce{NH3})=17{,}03\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)
| Stoffmengenanteil \(\ce{NH3}\) im Gleichgewicht | 100 bar | 200 bar | 300 bar |
|---|---|---|---|
| 300 °C | 52,0 % | 66,7 % | 71,5 % |
| 400 °C | 25,1 % | 38,7 % | 47,8 % |
| 500 °C | 10,6 % | 18,3 % | 25,9 % |
Ausgangsgemisch \(\ce{N2}:\ce{H2}=1:3\) (nach Larson/Dodge 1923)
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Erwartungshorizont: a) Kathode = Minuspol: Reduktion \(\ce{2 H3O+ + 2 e- -> H2 + 2 H2O}\); Anode = Pluspol: Oxidation (4 P). b) \(\ce{2 H2O -> 2 H2 + O2}\): Volumenverhältnis 2 : 1, also \(18{,}0\,\mathrm{mL}\) (2 P). c) \(\ce{6 H2O -> O2 + 4 H3O+ + 4 e-}\) (2 P). d) Die Elektrolyse ist die Umkehrung der Knallgas-Zelle: mindestens \(1{,}23\,\mathrm{V}\), wegen Überspannungen praktisch mehr (2 P).
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Erwartungshorizont: a) \(\Delta E^\circ=E^\circ(\text{Akzeptor})-E^\circ(\text{Donator})=1{,}23-0{,}00=1{,}23\,\mathrm{V}\) (2 P). b) Wasserstoff gibt Elektronen ab: Oxidation, Anode = Minuspol (2 P). c) \(n=1000:2{,}016=496{,}0\,\mathrm{mol}\); \(Q=496{,}0\cdot285{,}8\,\mathrm{kJ}\approx141{,}8\,\mathrm{MJ}\) (3 P). d) \(19{,}0\cdot3{,}6=68{,}4\,\mathrm{MJ}\); \(\eta=68{,}4:141{,}8\approx48{,}2\,\%\) (3 P). e) Gleiche Gesamtreaktion \(\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}\); die Zelle trennt Oxidation und Reduktion räumlich, der Elektronenfluss wird genutzt; Betriebsspannung 0,6–0,9 V (4 P).
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Erwartungshorizont: a) Koeffizienten werden Exponenten, Produkte im Zähler (2 P). b) \(38{,}7\,\%\) (2 P). c) Druck ↑: Ausweichen zur Seite mit weniger Gasteilchen; Temperatur ↓: Ausweichen in Richtung der exothermen Reaktion; ein Katalysator ändert nur die Einstellgeschwindigkeit, K sinkt beim Erwärmen einer exothermen Reaktion (4 P). d) \(n(\ce{NH3})=10^6:17{,}03=5{,}872\cdot10^4\,\mathrm{mol}\); \(n(\ce{H2})=\tfrac32 n(\ce{NH3})=8{,}808\cdot10^4\,\mathrm{mol}\); \(m=8{,}808\cdot10^4\cdot2{,}016\,\mathrm{g}\approx177{,}6\,\mathrm{kg}\) (4 P). e) Kompromiss aus Gleichgewichtslage und Reaktionsgeschwindigkeit (2 P).
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Erwartungshorizont: a) \(\eta=0{,}70\cdot0{,}50=0{,}35=35\,\%\) (3 P). b) richtig: \(90:35\approx2{,}6\); nur mit erneuerbarem Strom klimafreundlich; großer Speicher und Rohstoff. Falsch: am Fahrzeug entsteht nur Wasser; Energie wird bei jeder Umwandlung zum Teil als Wärme abgegeben (5 P). c) Abwägung von Wirkungsgrad (Akku) gegen Speicherbarkeit und stoffliche Nutzung (Wasserstoff) (4 P).
Ergebnis
| Aufgabe | Thema | Punkte |
|---|
Bewertung in Notenpunkten
| Punkte | Notenpunkte | Beurteilung |
|---|---|---|
| 95 – 100 P | 15 | sehr gut |
| 90 – 94 P | 14 | sehr gut |
| 85 – 89 P | 13 | sehr gut |
| 80 – 84 P | 12 | gut |
| 75 – 79 P | 11 | gut |
| 70 – 74 P | 10 | gut |
| 65 – 69 P | 9 | befriedigend |
| 60 – 64 P | 8 | befriedigend |
| 55 – 59 P | 7 | befriedigend |
| 50 – 54 P | 6 | ausreichend |
| 45 – 49 P | 5 | ausreichend |
| 40 – 44 P | 4 | ausreichend |
| 33 – 39 P | 3 | mangelhaft |
| 27 – 32 P | 2 | mangelhaft |
| 20 – 26 P | 1 | mangelhaft |
| 0 – 19 P | 0 | ungenügend |