Note:

Maturitätsprüfung 2014

Punktzahl (max. 83)

Name, Vorname:

Klasse:

Schwerpunktfach BIOLOGIE und CHEMIE Biologie-Teil 22. Mai 2014, 8:00 – 12:00 (davon 2h)

Lehrpersonen: Andreas Rüetschi, Markus Ruch

Allgemeine Hinweise o Für das Beantworten der Biologie- und Chemieaufgaben haben Sie jeweils 2 Stunden Zeit. o Notieren Sie Ihre Antworten direkt auf die Aufgabenblätter. Beschriften Sie zusätzliche Notizblätter mit Ihrem Namen, Vornamen und der Klasse.

Hilfsmittel o Sie benötigen keine zusätzlichen Hilfsmittel.

Bewertung o Für die Maximalnote 6 im Biologieteil müssen Sie 80% (66P) der maximalen Punktzahl erreichen. o Maximalpunktzahl: 83 o Die Bewertung erfolgt mittels linearer Skala. o Der Biologie- und Chemieteil der Prüfung werden zu je 50 % gewichtet.

Viel Erfolg! 1. ufgabe: Embryologie

A Total

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Maturitätsprüfung SPF Bic, Biologie 2014

Abbildung 1 zeigt die Fotografie des dorsal Längsschnitts eines Amphibienembryos. a) Ergänzen Sie den Lückentext zur Abbildung 1: Strukturen 1 und 2 bezeichnen Keimblätter. Bei Keimblatt 1 handelt es sich um das ..................................................., beim Keimblatt 2 um das................................................. . Aus Keimblatt 1 entwickeln sich schlussendlich folgende zwei Organe / Organsysteme: ............................................................... ... ............................................................... ... …............................................................ .. Abbildung 1: Längsschnitt eines Amphibienembryos.

Der Hohlraum 3 gehört zu folgender Organanlage: ….......................................................... .

0.5

Der anderen Hohlraum wurde während des vorherigen Embryonalstadiums gebildet, es ist somit .............................................................. .

0.5

Die Zellansammlung 5 ist unter dem Binokular gut erkennbar und wird .................................................... genannt.

0.5

Beim vorliegenden Embryonalstadium handelt es sich um ….................................................

1

b) Markieren Sie in Abbildung 1 mit eindeutig erkennbaren Pfeilen die Hauptbewegungsrichtungen der Zellverbände.

1.5

c) Beschreiben Sie die Auswirkungen der in diesem Embryonalstadium zu beobachtenden Zellbewegungen auf die Entwicklung und Organisation des Embryos.

2/13

2

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d) Die Zellbewegungen der in Abbildung 1 dargestellten Embryonalphase bringen embryonale Zellen in eine neue Nachbarschaftsbeziehung. Benennen und beschreiben Sie das Grundprinzip des Prozess, mit dem Senderzellen andere Zellen neu organisieren und in deren Funktion beeinflussen können, in wenigen Sätzen.

2.5

e) Beschreiben und erklären Sie mit wenigen Sätzen einen geeigneten experimentellen Ansatz, mit dem man die gegenseitige Beeinflussung von Zellen während den ersten Phasen der Embryonalentwicklung möglichst einfach aufzeigen oder beweisen kann (ohne molekularbiologische Methoden).

3

2. 16 A ufgabe: Verhaltensbiologie Total Der gemeine Vampir Desmodus rotundus gehört zur Gruppe der Vampirfledermäuse. Die Weibchen des gemeinen Vampirs bilden feste Verbände, die beispielsweise in hohlen Bäumen ihre Tagesquartiere haben. Die Tiere leben von Blut, das sie bei nächtlichen Nahrungsflügen von grösseren Tieren wie Pferden, Eseln oder Rindern erbeuten. Pro Nacht kann eine Vampirfledermaus 50 bis 100 % des Eigengewichtes an Blutnahrung aufnehmen. 30 % der Jungtiere, aber nur 7 % der Alttiere kehren in der Morgendämmerung erfolglos von der Jagd zurück. Untersuchungen haben gezeigt, dass alle Mitglieder eines Verbands von Zeit zu Zeit bei der Jagd er3/13

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folglos bleiben. Bekommen Vampire länger als zwei Nächte kein Futter, verhungern sie. Hungrige Tiere betteln am Schlafplatz ihre Nachbarn an. Die Nachbarn sind oft, aber nicht immer, Verwandte. Unter bestimmten Umständen teilen die erfolgreichen satten Tiere einen Teil der Blutnahrung mit den bettelnden Artgenossen. Die Folgen dieser Nahrungsspende für Spender und Empfänger sind in Abbildung 2 festgehalten.

Abbildung 2: Auswirkungen der Nahrungsspende zwischen Vampirfledermäusen für Spender und Empfänger

Die Bereitschaft zur Hilfeleistung wurde in zwei unterschiedlichen Versuchsreihen von G.S. Wilkinson getestet: A: Hungrige Tiere wurden zu satten Verwandten gesetzt, wobei der Verwandtschaftsgrad variierte. Die gefütterten Tiere wurden von den hungrigen Tieren sofort um Nahrung angebettelt. B: Ausgehungerte Tiere wurden zu satten, nichtverwandten Tieren gebracht, Mit diesen Tieren waren die Testfledermäuse unterschiedlich vertraut. Diesen Vertrautheitsgrad (in Abbildung 4: Assoziationsgrad) hatte man daran gemessen, wie häufig die Vampire vor dem Versuchsdurchgang einen gemeinsamen Schlafplatz nutzten. Die Ergebnisse der beiden Versuchsreihen sind in Abbildung 3 und 4 dargestellt:

Abbildung 3: Anzahl4:von Fledermauspaaren, welche Nahrung teilen, inteilen, Abhängigkeit vom Verwandtschaftsgrad. Abbildung Anzahl von Fledermauspaaren, welche Nahrung in Abhängigkeit vom Assoziationsgrad (0 – benutzen nie einen gemeinsamen Schlafplatz bis 0,9 – benutzen beinahe immer den gleichen Schlafplatz).

a) Beschreiben Sie in einem Satz den Einfluss der Nahrungsspende für Spender und Empfänger mit Hilfe der Abbildung 2.

2

b) Beschreiben Sie die Auswirkungen des Vertrautheitsgrades auf die Hilfsbereitschaft zwischen Vampirfledermäusen in den durchgeführten Experimenten mit Hilfe von Abbildung 4. Erklären Sie die Ergebnisse unter Einbezug der von uns im Unterricht diskutierten Modelle und unter Ver4 4/13

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wendung korrekter Fachbegriffe.

c) Die Untersuchungen zu den Hilfeleistungen der Vampirfledermäuse wird oft zitiert in Zusammenhang mit Verwandtenselektion. Erklären Sie in wenigen Worten das Konzept der Verwandtenselektion (kin selection) und erläutern sie, ob die Ergebnisse der Vampirfledermaus Untersuchung dieses Konzept unterstützen.

4

d) Diskutieren Sie in wenigen Sätzen, ob der Einfluss von Verwandtschaftsgrad und Assoziationsgrad der Vampirfledermäuse auf die Bereitschaft Nahrung zu spenden, unabhängig voneinander getestet und beurteilt 3 werden kann.

e) Welche Umweltbedingungen könnten die Bildung grösserer Gruppen von weiblichen gemeinen Vampiren fördern? Notieren Sie zwei mögliche Faktoren mit Begründung.

3

15.5A 3. ufgabe: Gewässerökologie (fächerübergreifend) Total In landwirtschaftlich genutzten Gebieten gelangen immer wieder Exkremente von Vieh in Gewässer. Eine Biologin untersucht den Einfluss dieser Stoffe auf die Wasserqualität eines kleinen stehenden Gewässers. Innerhalb der Uferzone eines Versuchsgewässers wird eine exakt abgemessene Menge von Kot und Urin von Rindern eingebracht. Während den folgenden 50 Stunden misst die Biologin in unmittelbarer Nähe (Abstand 20 cm) des Nährstoffeintrags verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften des Teichwassers. Die Veränderungen des Nitrat- , Ammonium- und Phosphatgehaltes des Wassers im Verlaufe der Zeit sind in Abbildung 5 dargestellt.

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Das Bild k ann zurzeit nicht angezeigt werden.

Das Bild k ann zurzeit nicht angezeigt werden.

Das Bild k ann zurzeit nicht angezeigt werden.

Abbildung 5: Konzentration von Ammonium, Nitrat und Phosphat im Teichwasser 0 bis 50 Stunden nach Versuchsstart in 20 cm Entfernung der Exkrete.

a) Beschreiben und erklären Sie die Veränderungen des Ammonium- und Nitratgehalts des Teichwassers im Laufe der Messperiode.

4

Beschreibung:

Erklärung:

b) Wie dürfte sich der Sauerstoffgehalt im Messbereich im Verlaufe der 50 Stunden verändern? Beschreiben 3 und erklären Sie in wenigen Sätzen die zu erwartenden Veränderungen.

c) Die Biologin erfasst die Wassertemperatur über die gesamte Messdauer. Erklären Sie in einem Satz die Relevanz dieser Messungen.

6/13

1.5

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d) Verschiedene Faktoren sorgen dafür, dass der Phosphatgehalt nach einem Anstieg wieder abnimmt. Notieren und erklären Sie zwei mögliche Faktoren, welche für eine Reduktion des Phosphatgehalts im Messbereich verantwortlich sein könnten. 3

e) Wie könnte die Biologin ohne Messgeräte die langfristigen Veränderungen der Wasserqualität innerhalb der nächsten Wochen abschätzen? Beschreiben und erklären Sie eine geeignete Methode.

f) Welcher mikrobiologische Messwert ist besonders aussagekräftig für Wasserproben mit Fäkalverschmutzungen? Ein Stichwort genügt. 4. ufgabe: Meeresbiologie

3

1

7.5 A Total

Alle Informationen und Abbildungen zu dieser Aufgabe aus: McClain, C. 2011. Üppige Vielfalt trotz Nahrungsmangel. In: Spektrum der Wissenschaft 2011-11, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg.

Die Tiefseeböden sind nährstoffarm, da dort keine Fotosynthese stattfinden kann. Biomasse gelangt nur durch das Absinken von der Oberfläche dort hin. Tatsächlich gibt es aber auch in mehreren Tausend Metern Tiefe in und auf den Tiefseeböden eine enorme Artenvielfalt. Darunter finden wir Vertreter aus sämtlichen auf der Isola del Giglio angetroffenen Taxa (und noch viele mehr) in grosser Vielfalt. Grundlage dieser Artenvielfalt sind unzählige winzige Mikrohabitate, die jeweils nur wenige mm oder cm gross sind und auf und im Meeresgrund mosaikartig verteilt vorkommen: Laut der „Flickenteppich-Hypothese“ (Sanders und Grassle 1973) bringt jedes dieser Mikrohabitate eine Kombination einzigartiger Ökofaktoren hervor, die ihrerseits die Lebensgrundlage einer einmaligen Fauna bildet. Die speziellen Lebensbedingungen der Tiefsee wirken sich auf das Grössenspektrum der dort lebenden Tierarten aus. Sowohl sehr grosse als auch sehr kleine Vertreter werden seltener (Abbildung 6). Gewisse Taxa wie die Asseln mit eher kleinen Arten in Oberflächennähe bringen in der Tiefsee gross wachsende Arten hervor (Abbildung 7), eher grosse Arten in Oberflächennähe haben oft kleinwüchsige Verwandte in der Tiefsee.

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Abbildung 6: Die Lebensbedingungen in tiefen Meeresregionen verhindern, dass sehr große oder sehr kleine Tierarten in bedeutenden Mengen vorkommen. Wie das dreieckige Muster in den beiden Grafiken zeigt, gilt das sowohl für Haie als auch für Schnecken.

a) Bei den Tiefseeböden handelt es sich um folgenden Sedimentbodentyp: 0.5

…................................................-boden (Habitatstyp gemäss Kurs).

Abbildung 7: Riesenassel Bathynomus giganteus.

b) Die Riesenassel (Abbildung 7) lässt sich systematisch wie folgt einordnen: Stamm: ....................................... Klasse: ..........................................

c) Weshalb ist es für gewisse Taxa von Vorteil, in der Tiefsee zur „verzwergen“? Weshalb bringen Taxa mit kleineren Arten in der Tiefsee grosse Verwandte hervor? Erstellen Sie je eine Hypothese dazu, wie „Verzwergung“ respektive Riesenwuchs in der Tiefsee die Fitness steigert, und welche Nachteile eine zu grosse oder zu kleine Gestalt in der Tiefsee mit sich bringt.

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1

3

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d) Bestimmte Lebewesen können durch ihre Aktivitäten auf und im Meeresboden bestimmte Ökofaktoren unterschiedlich beeinflussen. Dadurch steigern sie die Vielfalt der Mikrohabitate im Tiefseeboden. Nennen Sie drei taxonomische Gruppen aus drei verschiedenen Stämmen (Taxonomie möglichst präzise angeben, mindestens Stufe „Klasse“), die solche Aktivitäten ausüben können. Erklären Sie, welcher Art die Aktivität ist, und wie sich die Aktivität auf die lokal vorherrschenden Ökofaktoren auswirkt (Ökofaktor nennen, Verände3 rung beschreiben). Füllen Sie dazu Tabelle 1 in Stichworten aus. Tipp: Tiere in der Tiefsee zeigen die gleichen Aktivitäten im und auf dem Meeresboden wie Tiere in den Sedimentböden in Küstennähe. Tabelle 1: Bestimmte Taxa beeinflussen durch ihre Tätigkeit im und auf dem Meeresboden lokal die vorherrschenden Ökofaktoren.

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Maturitätsprüfung SPF Bic, Biologie 2014 Tierstamm (drei genauere Bezeichnung verschiedene Stämme) (mind. Klasse)

Aktivität (drei verschiedene Tätigkeiten, Beschreibung in Stichworten)

Ökofaktor und wie er durch die Tätigkeit beeinflusst wird. Mindestens zwei verschiedene Ökofaktoren.

5. ufgabe: Neurobiologie a) Ergänzen Sie die Tabelle 2. 1P pro korrekt ausgefüllter Zeile.

10 A Total

Tabelle 2: Funktionsweise und Funktion von Ionenkanaltypen des Neurons. Ionenkanaltyp

Öffnungsmechanismus (durch „Spannung“ oder „Tansmitter“)

Na+-Kanal

Spannung

Na+-Kanal

Transmitter

IonenFunktion bei der Signalübertragung Fliessrichtung beim funktionierendem Neuron („aus“ oder „in“ Zelle)

in K+-Kanal

Stelle am Neuron („Dendriten“, „“Zellkörper“, „Axon (inkl. Axonhügel)“, „Endknöpfchen“, „überall“)

Ionen bewirken Freisetzung von Neurotransmitter.

Spannung

Ionenstrom führt zu einem IPSP

Dendriten, Zellkörper

b) Beim Einsetzen eines Cochlea-Implantats muss darauf geachtet werden, wie tief es in die Hörschnecke eingeführt wird (Abbildung 8). Beschreiben und begründen Sie Konsequenzen auf das Hörvermögen eines Patienten bei unterschiedlichen Einführungstiefen.

3

Abbildung 8: Röntgenaufnahme eines Cochlea-Implantats in situ. http://musicalbionics.files.wordpress.com /2010/05/xray-pre-curved-array.jpg 27.3.2014

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Bei bestimmten Erkrankungen oder Schädigungen des Auges werden heute Retina-Implantate benutzt (Abbildung 9). Dabei wird ein Implantat mit (aktuell) knapp 2000 Elektroden direkt vor oder hinter der Netzhaut platziert. Das Bildsignal wird von einer Kamera am Brillenrahmen ans Implantat gesendet. c) Das Implantat kann bei einem Auge eingesetzt werden, bei dem die meisten Strukturen noch formstabil vorhanden sind aber teilweise nicht mehr funktionieren, also nicht bei schweren, formverändernden Augenverletzungen sondern eher bei krankhaften Gewebeveränderungen. Welche Strukturen des Auges müssen noch intakt sein, damit das Implantat funktioniert? Nennen Sie zwei Strukturen, und begründen Sie Ihre Aussagen.

6. A ufgabe: Mikrobiologie, e) fächerübergreifend Total Bakterien lassen sich nach verschiedenen Kriterien in Gruppen einteilen. Ein Kriterium sind die Extremwerte der ertragenen Temperaturen (Minima und Maxima), bei denen bestimmte Bakterien noch wachsen können. Abbildung 10 zeigt Wachstumskurven einiger Artengruppen bei verschiedenen Temperaturen. Jede Artengruppe hat ihr eigenes Temperaturoptimum und ist an entsprechende Lebensumgebungen angepasst. So gibt es z.B. kälteliebende oder hitzeresistente Arten. a) Laut Lebensmitteltechnologen gibt es in der Bakteriengruppe mit dem Temperaturoptimum bei 39 °C am meisten Bakterienarten, die bei uns zu einer Lebensmittelvergiftung führen können. Diese Arten können z.B. in Fisch oder Käse vorkommen. Erklären Sie, wo und unter welchen Bedingungen Bakterienarten die für Lebensmittelvergiftungen relevanten Gifte produzieren können. Gehen Sie dabei auf verschiedene Bereiche ihres Toleranzbereiches ein.

b) In welchen anderen Bakterienartengruppen (Abbildung 10) erwarten Sie weitere Lebensmittel-Vergifter, in welchen nicht? Begründen Sie Ihre Aussagen.

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Maturitätsprüfung SPF Bic, Biologie 2014

Ethanol (CH3CH2OH) ab ca. 70 % ist ein sehr häufig eingesetztes Desinfektionsmittel, es tötet Bakterien in zwei Schritten: 1. Zerstörung der Zellmembran. 2. Ethanol dringt in die Zelle ein und richtet weitere Schäden an. c) Welche weiteren Schäden kann Ethanol an Molekülen (welchen?) im Zellplasma anrichten? Erklären Sie auch dies auf molekularer Ebene unter Verwendung der Eigenschaften von Ethanol und den Molekülen im Zellplasma, und erklären Sie in Stichworten, welche Konsequenzen die Molekülschäden für die Zelle haben.

7. A ufgabe: Molekularbiologie Total Eine wichtige Anwendung der Gentechnologie in der Grundlagenforschung sowie in verschiedenen technischen Anwendungen ist die so genannte „Antisense-RNA-Technik“. Diese Technik wird angewendet, wenn es darum geht, ein Gen auszuschalten. Zum Beispiel wurde bei Tomaten ein Fremdgen eingeführt, welches jenes Gen ausschaltet, das für ein Enzym codiert, welches Tomaten beim Nachreifen „matschig“ macht. Das Fremdgen codiert für eine mRNA, die komplementär zur mRNA des Genes für das auszuschaltende Enzym ist. Also: Die neue „Anti-Matsch-Tomate“ enthält neu ein „Anti-Matsch-Gen“ gegen das matschig machende Enzym. Diese Tomaten bleiben nun über Wochen im Kühlschrank knackig (aufgrund verschiedener Defizite in Zucht und Verarbeitung war dieses Produkt nur in den USA und nur von 1994 bis 1997 auf dem Markt). Unten sehen Sie einen Ausschnitt aus der Sequenz des Enzym-Gens, welches ausgeschaltet werden soll. Füllen Sie die leeren Linien gemäss den nachfolgenden Teilaufgaben aus. Abbildung 11 bietet Hilfe. Beschriften Sie bei DNA- respektive RNA-Sequenzen die Enden mit 5' und 3'.

Sequenz des Enzym-Gens:

3'

T

A

C

T

C

G

G

G

T

A

T

G

5'

a) Aminosäuren-Sequenz des Enzyms: b) Sequenz des Antisense-RNA-Gens: c) Sequenz der Antisense-mRNA:

In allen Tieren gibt es den „Programmierten Zelltod“ (Apoptose), bei dem Zellen, welche nicht mehr benötigt werden (z. B. Schwanz

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Maturitätsprüfung SPF Bic, Biologie 2014

einer Kaulquappe, ältere Blutzellen), ein kontrolliertes „Sterbeprogramm“ durchlaufen. Dabei werden schrittweise Zellbestandteile abgebaut und in Membranbläschen abgeschnürt (Abbildung 12), diese werden dann von Fresszellen vernichtet. Auch die DNA wird bei diesem Prozess von Enzymen zerschnitten, und zwar jeweils zwischen den Histon-Proteinen, um welche die DNA aufgewickelt ist. Die Distanz zwischen zwei Schnittstellen beträgt immer 200 bp (Abbildung 13). Deshalb lässt sich Apoptose in Zellkulturen mittels DNAAnalyse-Methoden nachweisen: Dazu werden zuerst Zellen aus der Kultur aufgelöst und die gesamte DNA daraus extrahiert. Im Anschluss erfolgt direkt eine Gelelektrophorese mit dieser gereinigten DNA-Lösung. d) Erklären und begründen Sie, wie die gereinigte DNA-Lösung für das Auftragen auf ein Elektrophorese-Gel vorbereitet wird.

2.5

e) Zeichnen Sie das zu erwartende Gelbild in das Schema eines Gels ein Abbildung 14: Schema eines Elektrophorese-Gels. (Abbildung 14). Zeichnen Sie dazu zuerst eine für den Nachweis von Apoptose geeignete Skala, welche die Fragmentlängen auf dem Gelbild in Basenpaaren [bp] zeigt (es gibt mehr als eine Bande). Die DNA startet im „Slot“ (Geltasche). 4 f) Erklären Sie, wie Sie bei e) auf die einzelnen Banden gekommen sind.

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3

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Maturaprüfung 2014 Note: Punktzahl:

.........

Name: ............................................................................... .... Klasse: ......

Schwerpunktfach BIOLOGIE und CHEMIE Chemie-Teil Lehrperson: Dr. Zoltán Molnár Prüfungsdatum und -Zeit: XX. Mai 2013, 8.00 – 12.00 h Prüfungsdauer-Anteil: 2 Stunden Allgemeine Hinweise: • Die Antworten müssen, um die volle Punktzahl zu erreichen, ausführlich genug und klar begründet sein, sowie leserlich dargestellt sein. Ebenso müssen bei Berechnungen die in die verwendeten Formeln eingesetzte Zahlenwerte und die Lösungswege lückenlos ersichtlich sein. Die Resultate sind mit drei Ziffern und wenn sinnvoll mit Zehnerpotenzen anzugeben. • Die Aufgaben müssen auf den Aufgabenblättern (19 Seiten) gelöst werden. Bei Platzmangel dürfen Zusatzblätter abgegeben werden (mit Namen und Aufgabennummer anschreiben). • Die Aufgabenblätter müssen am Schluss vollständig abgegeben werden. • Die Antworten müssen in ganzen Sätzen erfolgen. (außer es wurde anders vermerkt) Hilfsmittel: • Taschenrechner (wird zur Verfügung gestellt) • Tabellen (Periodensystem) werden von den Lehrpersonen zur Verfügung gestellt (hinter den Aufgabenblättern angeheftet). Bewertung: • Das Punktemaximum beträgt 100 Punkte. • Für die Note 6 ist nicht die volle Punktzahl erforderlich. (ca. 85-90 %) • Die Benotung erfolgt linear. • Der Chemie- und der Biologieteil werden in der Notengebung jeweils 1:1 gewichtet. Viel Erfolg!

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(19)

Vermischte Aufgaben 1.

Gegeben seien die folgenden 7 Verbindungen A bis G.

F F

C

C

C

C H

F

O

HO

O

O

OH

OH

C O

HO

A

B

C

N

D

N CH3

H3C O

(7)

(K2, K3) (E, G, I)

H

H

CH3

H N

E

F

G

(Zur Beantwortung reicht es, wenn Sie nur die Buchstaben aufschreiben, Sie müssen die Verbindungen nicht noch einmal zeichnen)

1.1 Welche der Verbindungen A-G sind aromatisch? Begründen Sie Ihre Wahl jeweils mit einem kurzen Satz.

(1)

D und F sind aromatisch, Hückelregel erfüllt, bei D ist ein Nichtbindendes Elektronenpaar im aromatischen System.

1.2 Welche der 7 Verbindungen A-G ist die sauerste? Begründen Sie Ihre Wahl jeweils mit einem kurzen Satz.

A ist die sauerste, die 3 Fluoratome am C ziehen über ihre Akzeptorwirkung die Elektronen aus der Carbonsäure-Einheit ab, das H am COOH ist also elektronenärmer, als dies bei Essigsäure wäre. (Es ist eine grosse Prüfung und solche Antworterweiterungen bräuchten nur noch mehr Zeit, zudem meine ich, wer das mit den Fluoratomen sieht, versteht den Sachverhalt.)

(1)

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1.3 Welche der 7 Verbindungen A-G ist die basischste? Begründen Sie Ihre Wahl jeweils mit einem kurzen Satz.

(1)

Verbindung E, über den Donoreffekt der 3 CH3-Gruppen bekommt das N-Atom zusätzlichen Elektronendruck in seine Nichtbindende Elektronenwolke. Bei G ist dieser Effekt nicht vorhanden.

1.4 Aus welchen Verbindungen A-G lassen sich Amide aufbauen? Begründen Sie Ihre Wahl jeweils mit einem kurzen Satz.

(2)

A, B, C, G. A, B, C sind Carbonsäuren, Bestandteile von Amiden, G ist ein Amin, Bestandteil von Amiden. (1) E und F besitzen keine H-Atome, die für eine Substitution notwendig sind. (1)

1.5 Welche Verbindung A-G ist im 1H-NMR-Spektrum nicht sichtbar? (Messbereich 0-12 ppm)

Verbindung A, (1) sie besitzt keine spektroskopisch aktiven H-Atome (1). Das H der Carboxylgruppe kommt, wenn überhaupt unterhalb von 12 ppm.

(2)

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2.

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Gegeben seien sieben verschiedene voneinander unabhängige chemische Reaktionen 1- (12) 7. Die Edukte sind links und die resultierenden Produkte rechts dargestellt. Schreiben Sie oberhalb des Reaktionspfeils an, welche Komponente(n) notwendig waren, um aus dem Edukt die jeweiligen Produkt(e) zu erhalten. (K3, K4) (A, B, D, I)

2.1 CH3 H3C

CH3 OH

Cl

H3C

(2)

CH3 H3C

2.2 H H

O OH

(2) OH

H3C

H3C

2.3 H

H

H

H

H

H3C H

H

CH3

CH3

(2)

2.4 Ca2+

CaCO3

2 ClCO2

H2O

(2)

2.5 O O HN +H3N

CH CH3

CH

C

CH

CH3

C

CH3

O O

O+H3N

CH CH3

C

+H3N O-

CH

C

CH

CH3

CH3

O-

(1)

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2.6 O

(2) CH3

2.7 Cl

Cl NH3

NH3

Co

3+

NH3 NH3

3+

Cl Cl

(1)

NH3

NH3

Cl

Co NH3

NH3 Cl

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(6)

Stöchiometrie/Thermodynamik 3.

Ethin (Acetylen) C2H2 ist ein Gas, welches zum Schweissen eingesetzt wird. Dieses Gas wird mit Sauerstoff vollständig verbrannt. (K2, K3) (E, I) 3.1 Stelle dazu die chemische Gleichung ausbalanciert auf.

(1,5)

2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O Für CO2 (0,5) für H2O (0,5) richtig ausbalanciert (0,5)

3.2 Wie viel mol Sauerstoff sind nötig, um 10 g Ethin vollständig zu verbrennen? Der Rechenweg muss ersichtlich sein.

(1)

2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O M = 26 0.385 mol :2 x5 = 0,97 mol

M = 26, 0.97 mol O2 3.3 Wie viel Liter Sauerstoff ist dies bei Standardbedingungen? Der Rechenweg muss ersichtlich sein.

(1)

2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O 0,97 mol x 22,4 l/mol

21,7 l

3.4 Nun werden die Schweissarbeiten im Sommer ausgeführt und es sind 30 °C. Welches Volumen nimmt Sauerstoffgas ein, welches unter Standardbedingungen 20 Liter einnimmt? V/T = V1/T1

(1)

20 liter / 273 °K = x liter / 303 °K

X liter = 20 liter x 303 °K / 273 n°K = 22,2 liter (0,5)

(1)

(2,5)

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Physikalische Chemie

(10)

4. Das Molekül SF6 wird grossindustriell als Brandschutzgas hergestellt. (K3) (A, E, G, I) (4) 4.1 Erklären Sie nach dem Valence-Bond-Modell in Worten und mit einer Skizze, wie das Molekül SF6 gebildet werden kann, und malen Sie es in seiner räumlichen Struktur auf. Das Schwefelatom besitzt folgende Eletronenkonfiguration: [Ne]3s23p4. Im Grundzustand kann das S-Atom zwei Bindungen zu anderen Atomen eingehen. Wenn nun jedoch ein 3s- und ein 3p-Elektron in das 3d-Niveau angehoben werden (1) und die Wellenfunktionen des 3s-, des 3p- und des 3d-Orbitals miteinander kombiniert werden (1), entstehen sechs einfach besetzte d2sp3-Hybridorbitale (1). Lewis-Formel für SF6 (1)

4.2 Wie sind die Fluoratome im SF6-Molekül hybridisiert? Zeichnen Sie den Grund- (3) Valenz- und den Hybridisierungszustand auf. Die Fluoratome sind sp3 hybridisiert. (für jeden Bildabschnitt je 1 Punkt)

4.3 Wieso ist das SF6-Molekül so unbrennbar? Die S-F-Bindung ist sehr polar und somit von niedriger Energie (1). Die meisten Brände finden in Sauerstoffatmosphäre statt (1). Die S-O Bindung, die bei einem Brand entstehen würde ist nicht so energiearm, wie die S-F-Bindung, deshalb reagiert das S nicht mit dem O. (1)

(3)

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(18)

Organische Chemie 5.

(10) Viele Blüten, aber auch einige Hölzer aus der Natur, zeigen unter UV-Einfluss Fluoreszenz. Dieser Effekt ist auf Stoffe in diesen Blüten oder Hölzern zurückzuführen. Unten sind drei Stoffe, Flavon, Chlorophyll, und Retinol abgebildet, die den Fluoreszenzeffekt zeigen. (K2, K3) (A, B, F, G, I)

O

R

N

O

N

Flavon

Mg

N

O

N

O O

H

H

O O

Chlorophyll OH

Retinol (Vitamin A1)

5.1 Zeichnen Sie mit Farbstift in den drei Molekülen den für die Fluoreszenz wirksamen Teil ein.

Pro ausgelassener Doppelbindung 0,5 Abzug, aber nicht unter 0 Punkte. Pro ausgelassenem Heteroaton 0,5 Abzug, aber nicht unter 0 Punkte.

(3)

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5.2 Wie schafft es die Pflanze, nur aus CO2, H2O und Sonnenlicht Traubenzucker herzustellen und wie nennt man diese Reaktion?

(3)

Diese Reaktion heisst Photosynthese (1). Die endotherme Reaktion 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 bezieht ihre Energie aus dem Sonnenlicht (1). Die Energie des Lichtes regt ein Elektron des Chlorophylls an; dieses energiereichere Elektron fällt nun nicht wieder auf seinen Grundzustand zurück und gibt Fluoreszenzlicht ab, sondern es wird vom Photosystem im Blatt aufgefangen und gibt seine Energie an die endotherme Reaktion weiter (1).

5.3 Warum fluoresziert das Chlorophyll der Blätter, wenn es aus den Blättern herausextrahiert worden ist, grüne intakte Blätter aber fluoreszieren nicht?

(2)

Das herausextrahierte Chlorophyll kann durch UV-Strahlung angeregt werden und ein Elektron springt auf ein höheres Energieniveau (1). Dieses Elektron kann seine überschüssige Energie aber nicht an das Photosystem weiterreichen, es fällt also wieder auf das ursprüngliche Energieniveau zurück und gibt dabei die überschüssige Energie als Fluoreszenzstrahlung ab (1).

5.4 Sonnencreme zeigt Fluoreszenzaktivität. In welchem Zusammenhang steht das mit Hautschutz vor der Sonne?

Es ist die UV-Strahlung der Sonne, die unsere Haut schädigt (1). Wenn diese schädliche UV-Strahlung nun in unschädliche Fluoreszenzstrahlung umgewandelt wird, so bleibt die darunterliegende Haut geschützt (1).

(2)

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6.

Benennen Sie die abgebildeten Moleküle mit dem systematischen Namen gemäss der IUPAC-Nomenklatur. (K3) (I)

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(4)

OH (2)

3,7-Dimethylocta-1,6-dien-3-ol Pro Fehler 0,5 Punkte Abzug

HO (1)

O

NH2

3-Methyl-3-aminobutansäure

Pro Fehler 0,5 Punkte Abzug

Cl

(1)

OH

Para-Chlorphenol

oder 4-Chlorphenol

Pro Fehler 0,5 Punkte Abzug

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7.

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Die unten abgebildeten vier Molekülpaare sind Isomere. Schreiben Sie zu jedem Paar, um welche Art von Isomeren es sich handelt (z.B. Konfigurationsisomer, Enantiomer etc.). (K3) (G, I)

NH2

NH2

(4)

(1)

Konstitutionsisomere

NH2

(1)

NH2

Enantiomere

NH

(1)

N H Homomere

NH2

NH2

(1)

Diastereoisomere

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8.

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Fächerübergreifender Teil Chemie

(30)

Schon seit tausenden von Jahren kauen Indios von Südamerika Coca-Blätter, um Hunger und Erschöpfung zu unterdrücken. Geschnupft bewirkt Cocain Glücksgefühle und Halluzinationen. (K2, K3, K4) (A, C, G, I)

(13)

O N O O H O

Cocain 8.1 Zu welcher Naturstoffklasse gehört Cocain? (Bitte nur ein Stichwort

(1)

angeben) Alkaloide

8.2 Geben Sie alle Chiralitätszentren im Cocain-Molekül oben an und bestimmen Sie von einem beliebigen Chiralitätszentrum die absolute Konfiguration nach Cahn-Ingold-Prelog.

Jedes Chiralitätszentrum 0,5 Punkte, ein Chiralitätszentrum S/R 1 Punkt

(3)

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8.3 Sie kochen Cocain mit 1 molarer NaOH-Lösung. Zeichnen Sie die dabei entstehenden Produkte auf.

(4)

Spaltung der richtigen Bindung je 0,5 Punkte, die 3 richtigen Produkte je 1 Punkt

8.4 Cocain wirkt in den Synapsen. Erklären Sie in einigen Sätzen, wie Cocain dabei vorgeht. (K3, K4) (C, I)

Die Erregung bewirkt Cocain dadurch, dass es körpereigene Transmitterstoffe von einem Abtransport aus dem synaptischen Spalt bewahrt (1). Normalerweise werden die Transmitterstoffe, wie Dopamin wieder in ihre Ursprungszelle zurückgepumpt, nachdem sie ihre Funktion in der Synapse erfüllt haben (1). Damit ist die Synapse bereit für das nächste Signal. Die wiederaufgenommenen Transmitter werden entweder wiederverwendet, oder durch ein Enzym abgebaut (1). Cocain hemmt nicht nur das Abbauenzym (1), sondern blockiert auch das Zurückschleusen des Dopamins in die Zelle (1). Somit bleibt das Dopamin länger im Spalt und stimuliert fortwährend die nachgeschaltete Nervenzelle.

(5)

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9.

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Betrachten Sie die unten stehenden Formeln von fünf Stoffen. Es handelt sich hierbei um Bausteine wichtiger Nährstoffe. (K2, K3) (B, C, F, I)

9.1 Welchen Stoff oder welche Stoffe könnten Sie für die Herstellung eines Fettes gebrauchen? Schreiben Sie den oder die Buchstaben A-E auf und begründen Sie Ihre Antwort.

(17)

(3)

B und E (je 0,5). Fette sind Triglyceride (1), also Ester von 3 Fettsäuren (E) mit einem Glycerinmolekül (B) (1).

9.2 Jod reagiert mit Stärke zum sehr farbintensiven Iod-Stärkekomplex. Welcher (3) Stoff oder welche Stoffe reagieren hier mit dem Jod? Schreiben Sie den oder die Buchstaben A-E auf und begründen sie Ihre Antwort. A (1). Stärke ist ein fadenförmiges Polymer (1) aus Glucose als Monomer (1).

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9.3 Trypsin ist ein Verdauungsenzym. Welchen Stoff oder welche Stoffe können (3) Sie in einem Trypsin-Molekül finden? Schreiben Sie den oder die Buchstaben A-E auf und begründen sie Ihre Antwort.

(C) und (D) (je 0,5). Die beiden sind zwei Aminosäuren (1). Enzyme sind fadenförmige Moleküle (1), die aus Aminosäuren bestehen.

9.4 Bei der Reaktion eines Moleküls C mit einem Molekül D können zwei nicht (2) ring-förmige Dipeptide entstehen. Geben Sie die Lewisformeln der beiden Dipeptide an.

Je 1 Pkt. Pro Dipeptid

9.5 Fetthaltiger Schmutz lässt sich mit reinem Wasser nicht entfernen. Erklären Sie auf der Ebene der kleinsten Teilchen, wie kleine Fetttröpfchen im Seifenwasser dennoch „gelöst“ werden können. Anlagerung der Seifen-Anionen an Schmutz via V.d.W-Kräfte (1). Die gleichsinnig geladenen Seifen-Anionen stossen sich gegenseitig ab, es kommt zur Lockerung des Schmutzes und Zerlegung (1). Die Seifen-Anionen bilden eine Art Micellen in der nur der Schmutz eingeschlossen ist (1).

(3)

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9.6 Erklären Sie auf der Ebene der kleinsten Teilchen, warum die wässrige Lösung der Seife den elektrischen Strom leitet. Seifen sind Salze von Fettsäuren (1). Seifen bestehen also aus Kationen, z.B. K+, Na+ (1) und Anionen, den Carboxylat-Ionen der Fettsäuren (1).

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(3)

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10.

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Komplexchemie

(17)

Ein Komplex mit dem Co3+-Zentralatom habe die Summenformel Co Cl3 4 NH3. (K2, K3) (A, E, F, G, H, I)

(8)

10.1 Zeichnen Sie den Komplex in seiner dreidimensionalen Darstellung so auf, dass er nur der Theorie von Werner entspricht.

(2)

10.2 Zeichnen Sie denselben Komplex in seiner dreidimensionalen Darstellung so auf, dass er der 18-Elektronen-Regel entspricht.

(2)

10.3 Von den zwei möglichen Lösungen (die nach der Theorie von Werner oder die (1) nach der 18-Elektronenregel) kann nur eine existieren. Wie würden Sie nach der Synthese des Komplexes im Labor herausfinden, welches die richtige Darstellung ist? Einen Einkristall herstellen und eine Röntgenkristall-Strukturanalyse machen. (Das ist ein Verfahren)

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10.4 Welche Darstellung (nach Werner oder nach der 18-Elektronenregel) wird Ihrer Meinung nach vorliegen? (mit Begründung)

Nach der 18-Elektronenregel. Diese ist eine Edelgasregel. Die Theorie von Werner betrachtet die Edelgasregel nicht. (1) Das Co3+-Ion in der 4. Periode besitzt total 24 Elektronen. Das nächste Edelgas ist Krypton mit 36 Elektronen. Dem Kobalt fehlen noch 12 Elektronen. (1) Da jeder Ligand dem Zentralatom 2 Elektronen zur Verfügung stellen kann, braucht es noch 6 Liganden. (1)

(3)

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11.

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In Michael Röper: Homogene Katalyse in der chemischen Industrie. In: Chemie in (9) unserer Zeit, 2006, 40, 126–135. lesen wir: (K3, K4) (A, C, F, G, H, I) Ein Katalysator nimmt an einer chemischen Reaktion unter Bildung einer intermediären Stufe mit den Reaktanten teil, aus dem der Katalysator nach Entstehung des Produkts unverändert freigesetzt wird. Ein Katalysator kann diesen so genannten Katalysezyklus viele Male durchlaufen.

11.1 Der Katalysator macht also eine intermediäre Zwischenstufe mit einem Edukt-Teilchen. Gern verwendete Katalysatoren sind Pt oder Pd. Wie können Sie das mit Hilfe der Ligandenfeld-Theorie begründen?

(4)

Diese Stoffe besitzen 10 Elektronen in ihren d-Schalen, die d-Schalen sind also voll (1). Wenn nun die energetische Aufspaltung durch das Ligandenfeld einsetzt, so kann keine Ligandenfeldstabilisierung statt finden, da alle Orbitale voll sind (1), die stabilisierenden und die nichtstabilisierenden (1). Der Komplex ist also sehr instabil und die Liganden können durch andere Teilchen weggenommen werden, so kann es zur erwünschten Reaktion kommen (1).

11.2 Welcher andere Stoff (Spurenelement) wird in der DNS-Transkription häufig als Katalysator verwendet, der dieselben Eigenschaften hat, wie Nickel?

(1)

Zn2+ im Zinkfinger-Protein

11.3 Warum ist Pt ein so viel besserer Katalysator als Nickel? Begründen Sie das mit Hilfe der Ligandenfeld-Theorie.

Nickel besitzt einen viel kleineren Atomradius als Pt (1). Die Liganden um Nickel sind also besser gebunden, als dies bei Pt der Fall ist (1). Ein guter Katalysator soll aber nur schwache Ligandbindungen mit seinen Liganden machen können (1), denn die Liganden müssen ja leicht abgespalten werden können (1).

(4)

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