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TMSnat · Naturwissenschaften · Fach 2 von 4

Chemie

Atombau, Bindung, Reaktionen, Säuren und Basen, Rechnen mit Stoffmengen.

Worum es geht

Chemie verlangt Begriffe und Rechnen: Stoffmenge, Konzentration, pH-Wert und Osmolarität kommen ohne Taschenrechner, mit runden Zahlen. Säuren, Basen und Puffer haben besonderes Gewicht.

Medizinisch geht es um Infusionslösungen und Osmolarität, den Bicarbonat-Puffer des Blutes, Röntgenkontrastmittel und die Bausteine der Biomoleküle.

Themen
8
Lernziele
34

Wie sich die 40 Aufgaben des Naturwissenschaftsteils auf die Fächer verteilen, haben die Testveranstalter nicht veröffentlicht. Wir nennen deshalb keine Aufgabenzahl je Fach.

Beispielfragen

Eigene Fragen aus dem Fragenbestand des Trainers, keine Originalaufgaben des TMSnat.

Frage 1 Eine Pufferlösung enthält Essigsäure (pKs = 4,75) und Natriumacetat in gleicher Stoffmengenkonzentration. Welchen pH-Wert hat sie näherungsweise?

Wähle eine Antwort.

Lösung und Erklärung

Richtig ist:B) 4,75

  • A) Falsch. Der pKs wird nicht halbiert; bei gleichen Konzentrationen gilt pH = pKs (F-PUF-02).
  • B) Richtig. Bei [A−] = [HA] ist lg 1 = 0, also pH = pKs (F-PUF-02).
  • C) Falsch. +1 ergibt sich erst bei einem Verhältnis Base zu Säure von 10:1 (F-PUF-02).
  • D) Falsch. Ein Puffer hält den pH-Wert in der Nähe seines pKs, nicht bei 7 (F-PUF-01).
  • E) Falsch. 9,25 ist der pKb des Acetats (14 − 4,75), nicht der pH (F-PUF-02).

Nach Henderson-Hasselbalch gilt pH = pKs + lg([A−]/[HA]). Sind Säure und korrespondierende Base gleich konzentriert, ist der Bruch 1 und lg 1 = 0; der pH-Wert entspricht dem pKs, hier 4,75 (OpenStax Chemistry 2e, Abschnitt 14.6).

Quelle: 14.6 Buffers, Henderson-Hasselbalch

Frage 2 Radium-226 (Ordnungszahl 88) zerfällt durch Alpha-Zerfall. Welcher Kern entsteht?

Wähle eine Antwort.

Lösung und Erklärung

Richtig ist:A) Massenzahl 222, Ordnungszahl 86

  • A) Richtig. Alpha: Massenzahl −4, Ordnungszahl −2 (F-RAD-01).
  • B) Falsch. Ordnungszahl um 4 statt um 2 verringert (F-RAD-01).
  • C) Falsch. Massenzahl nur um 2 verringert (F-RAD-01).
  • D) Falsch. Das wäre ein Beta-minus-Zerfall (F-RAD-01).
  • E) Falsch. Das gilt für Gamma-Strahlung (F-RAD-01).

Beim Alpha-Zerfall gibt der Kern einen Heliumkern ab (2 Protonen, 2 Neutronen). Die Massenzahl sinkt um 4 auf 222, die Ordnungszahl um 2 auf 86 (Radon). (Quelle: OpenStax Chemistry 2e, Abschnitt 21.3.)

Quelle: 21.3 Radioactive Decay, Types of Radioactive Decay

Themen und Lernziele

Hinter jedem Lernziel steht die Stufe: Mittelstufe, Grundkurs oder Leistungskurs der Oberstufe, oder über den Schulstoff hinaus.

Atombau

Kern, Hülle, Ordnungszahl, Isotope, Elektronegativität, Periodensystem, Radioaktivität

  • Protonen, Neutronen, Elektronen; Ordnungszahl, Massenzahl, Isotope; Elektronenhülle mit Schalen, Valenzelektronen und Edelgaskonfiguration (Oktettregel) Mittelstufe
  • Periodensystem: Gruppen, Perioden, Valenzelektronen; Trends von Atomradius und Elektronegativität Mittelstufe
  • Mittlere Atommasse aus Isotopenhäufigkeiten berechnen über den Schulstoff hinaus
  • Radioaktiver Zerfall (Alpha, Beta, Gamma), Änderung von Ordnungs- und Massenzahl, Halbwertszeit Mittelstufe

Chemische Bindung

ionisch, kovalent, Wasserstoffbrücken, Van-der-Waals

  • Elektronenpaarbindung (polar, unpolar), Ionenbindung und Metallbindung über Teilchen und Struktur beschreiben; Elektronegativitätsdifferenz nur als grobe Orientierung für polar/ionisch Oberstufe, Grundkurs
  • Zwischenmolekulare Wechselwirkungen (Van-der-Waals, Dipol-Dipol, Wasserstoffbrücken, Ion-Dipol) und Folgen für Siedetemperatur und Löslichkeit Oberstufe, Grundkurs
  • Molekülgeometrie nach dem EPA-Modell für H2O, NH3, CH4, CO2 Oberstufe, Grundkurs

Zustandsformen, Phasenübergänge, Gemische, Lösungen, Löslichkeit, hydrophil/hydrophob

  • Aggregatzustände und Phasenübergänge; Reinstoff, homogenes und heterogenes Gemisch, Lösung Mittelstufe
  • Hydrophil, hydrophob und amphiphil; Löslichkeit nach Polarität Mittelstufe

Reaktionen

Formeln, Stöchiometrie, Energetik, Gleichgewicht, Massenwirkungsgesetz, Katalyse, Kinetik

  • Formelschreibweise (Summen-, Verhältnis-, Strukturformel; Formeln von Ionenverbindungen aus den Ionenladungen); Reaktionsgleichungen aufstellen und ausgleichen Mittelstufe
  • Stöchiometrie über Stoffmenge und molare Masse Mittelstufe
  • Exotherm und endotherm; Aktivierungsenergie und Katalysator Oberstufe, Grundkurs
  • Exergon und endergon über freie Enthalpie und Entropie (2. Hauptsatz) in Grundzügen Oberstufe, Leistungskurs
  • Chemisches Gleichgewicht, Massenwirkungsgesetz (Kc), Prinzip von Le Chatelier Oberstufe, Grundkurs
  • Reaktionsgeschwindigkeit und Einflussgrößen (Konzentration, Temperatur, Zerteilungsgrad, Katalysator) Oberstufe, Grundkurs

Chemisches Rechnen

Stoffmenge, molare Masse, Konzentration, Molarität, Osmolarität, Verdünnung

  • Stoffmenge, molare Masse und Teilchenzahl umrechnen Mittelstufe
  • Stoffmengen- und Massenkonzentration; Verdünnung (c1·V1 = c2·V2) Mittelstufe
  • Osmolarität aus Konzentration und Zahl gelöster Teilchen bei vollständiger Dissoziation in verdünnter Lösung (z. B. 0,15 mol/l NaCl ≈ 0,3 osmol/l) über den Schulstoff hinaus

Säuren und Basen

pH, Henderson-Hasselbalch, Brønsted, Ionenprodukt, Säurestärke, Puffer, Löslichkeitsprodukt

  • Säure-Base-Konzept nach Brønsted, korrespondierende Paare, Ampholyte Oberstufe, Grundkurs
  • pH-Wert und Ionenprodukt des Wassers; pH einprotoniger starker Säuren und Basen bei vollständiger Protolyse Oberstufe, Grundkurs
  • Säure- und Basenkonstanten (Ks, pKs, Kb, pKb) und Säurestärke Oberstufe, Grundkurs
  • pH schwacher Säuren bei nicht vollständiger Protolyse (Näherung) Oberstufe, Leistungskurs
  • Puffersysteme und Henderson-Hasselbalch-Gleichung Oberstufe, Leistungskurs
  • Bicarbonat-Puffer des Blutes (CO2/HCO3-) und Blut-pH um 7,4 Oberstufe, Leistungskurs
  • Löslichkeitsgleichgewicht und Löslichkeitsprodukt Oberstufe, Leistungskurs
  • Wasserhärte als Gehalt an Calcium- und Magnesiumionen und ihre Bestimmung Oberstufe, Leistungskurs
  • Verbreitete Säuren, Basen und Salze nach Name und Formel erkennen (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure, Essigsäure, Natronlauge, Ammoniak, Natriumchlorid, Calciumcarbonat) Mittelstufe

Redox

Oxidationszahlen, galvanisches Element, Spannungsreihe

  • Oxidationszahlen bestimmen, Oxidation und Reduktion als Elektronenübergang, Redoxgleichungen ausgleichen Oberstufe, Grundkurs
  • Galvanisches Element, elektrochemische Spannungsreihe; Zellspannung unter Standardbedingungen ΔE = E(Kathode) − E(Anode) Oberstufe, Grundkurs

Organische Chemie

funktionelle Gruppen, Stoffklassen, Aromaten, Biomoleküle, Isomerie, Mesomerie

  • Kohlenstoff als vierbindiges Grundgerüst organischer Moleküle (Ketten, Verzweigungen, Ringe); Stoffklassen und funktionelle Gruppen: Alkane, Alkene, Alkine (Mehrfachbindungen), Alkohole (Hydroxy), Aldehyde und Ketone (Carbonyl), Carbonsäuren (Carboxy), Ester, Amine (Amino) Oberstufe, Grundkurs
  • Aromatisches System am Beispiel Benzol; Mesomerie Oberstufe, Leistungskurs
  • Konstitutionsisomerie und cis/trans-Isomerie Mittelstufe
  • Chiralität erkennen; chirales C-Atom als häufigster, aber nicht einziger Fall Oberstufe, Leistungskurs
  • Kohlenhydrate, Proteine, Fette: Bausteine und Bindungen (glykosidische Bindung, Peptidbindung, Esterbindung); alle drei Stoffgruppen; KMK verlangt im gA nur eine („Fette oder Proteine oder Kohlenhydrate“), im eA eine weitere – deshalb insgesamt eA Oberstufe, Leistungskurs