Aufgabe 12

Aufgabe I:

1 Leitet man Wasserdampf über stark erhitzten Koks (Kohlenstoff), entsteht ein Gasgemisch, das in der chemischen Industrie in vielfältiger Weise verwendet wird. In einer ersten Gleichgewichtsreaktion (A) entsteht ein Gemisch aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff. In einer zweiten Gleichgewichtsreaktion (B) reagiert das Kohlenstoffmonooxid mit Wasserdampf exotherm zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff.
1.1 Formulieren Sie für beide Reaktionen jeweils eine Reaktionsgleichung.
1.2 Geben Sie am Beispiel des Gleichgewichts (B) Möglichkeiten an, die Ausbeute der Produkte zu erhöhen, und begründen Sie Ihre Aussagen.

2 Bei einer Ausgangskonzentration der Edukte von jeweils c = 0,1 mol * l^–1 wird im Gleichgewicht (B) eine Konzentration c(CO₂) = 0,05 mol * l^–1 erreicht.
2.1 Geben Sie für das Gleichgewicht (B) das Massenwirkungsgesetz an und berechnen Sie den Wert der Gleichgewichtskonstanten.
2.2 Berechnen Sie die Konzentration aller beteiligten Stoffe im Gleichgewicht für den Fall, dass die Ausgangskonzentration von Wasserdampf verdoppelt und die von Kohlenstoffmonooxid mit c = 0,1 mol * l^–1 beibehalten wird.

3 Kohlenstoffdioxid kann durch Auswaschen mit Kalkwasser (gesättigte Lösung von Calciumhydroxid) aus dem Gleichgewicht entfernt werden.
Beschreiben Sie, was dabei beobachtet werden kann und erläutern Sie dies anhand einer Reaktionsgleichung.

4 Berechnen Sie für Normalbedingungen das Volumen der Stoffportion Wasserstoff, die entsteht, wenn eine Tonne Koks vollständig zu Kohlen-stoffdioxid umgesetzt wird.

5 Aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff können unter verschiedenen Reaktionsbedingungen Methan, Methanol oder Essigsäure (Ethansäure) synthetisiert werden.
Formulieren Sie jeweils eine Reaktionsgleichung.

Aufgabe II:

1 Honig enthält u. a. das Trisaccharid Melezitose.

1.1 Benennen Sie die Monosaccharidbausteine und erläutern Sie den Aufbau des Trisaccharids.
1.2 Beschreiben Sie einen experimentellen Weg, wie dieses Trisaccharid hydrolysiert werden kann.
Benennen Sie eines der beiden bei der Hydrolyse entstehenden Disaccharidmoleküle mit dem Trivialnamen.
Begründen Sie das Verhalten der beiden Disaccharide bei der Fehling-Probe.
1.3 Das Monosaccharid Fructose reagiert mit Fehling‘scher Lösung, da es in alkalischem Milieu mit den beiden Aldosen Glucose und Mannose im Gleichgewicht steht.
Zeichnen Sie die Strukturformeln dieser Aldosen in der Fischer-Projektion.
Erklären Sie die Tatsache, dass zwei Aldosen entstehen.
Zeichnen Sie die Strukturformel des Produkts, das durch Oxidation am Kohlenstoffatom C-1 des Mannosemoleküls entsteht.
1.4 In saurer Lösung liegen Fructosemoleküle auch in zwei Pyranoseformen (= Sechsringe) vor.
Zeichnen Sie deren Strukturformeln in der Haworth-Projektion und benennen Sie diese.

2 Kohlenhydrate werden im Körper nahezu vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt. Der für den Nährwert maßgebliche physiologische Brennwert ist fast genauso groß wie der im Verbrennungskalorimeter messbare physikalische Brennwert.
Berechnen Sie mit Hilfe der angeführten Tabellenwerte den Brennwert von 100 g Saccharose.

Aufgabe III:

1 Formulieren Sie für die Bildung von Polyethin aus den Monomeren eine Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln.

2.1 Erklären Sie mit Hilfe des Orbitalmodells die Bindungsverhältnisse und die räumliche Anordnung der Atome im Polyethinmolekül.
Leiten Sie daraus eine Erklärung für die elektrische Leitfähigkeit ab.
2.2 Durch Verstrecken des Kunststoffs wird seine elektrische Leitfähigkeit verbessert.
Geben Sie dafür eine mögliche Erklärung.

3 Beschreiben Sie mit Hilfe des Elektronengasmodells die Bindungsverhältnisse bei Metallen.
Erklären Sie die gute Verformbarkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Metalle.

4 Polyethin kann mit Styrol zur Reaktion gebracht werden, wobei ein Kunststoff mit neuen Eigenschaften entsteht.
4.1 Formulieren und erläutern Sie den zugrunde liegenden Reaktionsmechanismus.
4.2 Zeichnen Sie einen sinnvollen Formelausschnitt aus dem entstandenen Makromolekül.
4.3 Erklären Sie die Unterschiede zwischen Polyethin und dem neu entstandenen Kunststoff bezüglich ihrer thermischen Eigenschaften und ihrer elektrischen Leitfähigkeit.

Aufgabe IV:

Ein wichtiges Zinkerz ist die Zinkblende (Zinksulfid, ZnS), die häufig als Beimengungen Blei- und Sibersulfid enthält.
Zur Zinkgewinnung wird das Erz zunächst geröstet. Man erhält verunreinigtes Zinkoxid, das nach zwei verschiedenen Verfahren (A) und (B) zu Zink umgesetzt werden kann.
1 Beim Röstprozess wird bei hohen Temperaturen Luft über Zinksulfid geleitet. Dabei entstehen Schwefeldioxid und Zinkoxid.
Formulieren Sie hierzu eine Reaktionsgleichung mit Oxidationszahlen.

2 Beim trockenen Verfahren (A) wird Zinkoxid mit Kohlenstoff bei hohen Temperaturen zur Reaktion gebracht. Dabei entstehen Kohlenstoffmonooxid und flüssiges Rohzink.
Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Reduktion von Zinkoxid auf.
Zur Reinigung wird das Zink abdestilliert.
Geben Sie an, worauf dieses Reinigungsverfahren beruht.

3 Beim nassen Verfahren (B) wird das Röstprodukt mit Schwefelsäure umgesetzt. Die entstehende Lösung wird zur Reinigung mit Zinkpulver versetzt und das Zink anschließend elektrolytisch abgeschieden.
3.1 Stellen Sie für die Reaktion zwischen Zinkoxid und Schwefelsäure die Reaktionsgleichung auf und benennen Sie den Reaktionstyp.
3.2 Erläutern Sie mit Hilfe einer Reaktionsgleichung die Wirkungsweise des zugegebenen Zinkpulvers und begründen Sie die Notwendigkeit dieses vorgeschalteten Reinigungsverfahrens.
3.3 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die denkbaren Kathodenreaktionen und berechnen Sie die Elektrodenpotentiale. Gehen Sie dabei von einer Zinkionen-Konzentration c = 1 mol * l^–1 und einem pH = 5 aus. Vergleichen Sie das Ergebnis der Rechnung mit dem experimentellen Befund.

4 Obwohl Zink ein unedles Metall ist, wird es als Überzugsmetall für Eisenbleche verwendet, um diese vor Korrosion zu schützen.
4.1 Erklären Sie, worauf die Schutzwirkung des unbeschädigten Zinküberzugs beruht.
Erläutern Sie mit Hilfe einer beschrifteten Skizze, welche Vorgänge bei der Beschädigung des Überzugs bei Einwirkung saurer Lösungen ablaufen.
4.2 Bettet man einen mit Zinkdraht verbundenen Eisennagel in mit neutraler, wässriger Phenolphthalein-Lösung versetzte Gelatine ein, so verfärbt sich der Bereich um den Eisennagel rotviolett.
Erklären Sie dieses Versuchsergebnis und formulieren Sie die Reaktionsgleichungen

Lösung(BW20)