Aufgabe 13

Aufgabe I:

1 In einem Forschungslabor wird zu Experimentierzwecken ein Po-210-Präparat (α-Strahler, Halbwertzeit = 138,38 Tage) verwendet.
Die Masse der Stoffportion beträgt mo.
1.1 Berechnen Sie, wie lange mit diesem Präparat experimentiert werden kann, wenn für die Versuche eine Mindestmasse von 0,02 . mo nötig ist!
Die Rechengang Muss klar ersichtlich sein.
1.2 Eine Mischung aus Be-9 und Po-210 dient als Neutronenquelle.
Formulieren Sie für die zugrundeliegenden Kernreaktionen die Gleichungen!
1.3 Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man die Teilchenstrahlung des Po-210-Präparats sichtbar machen kann!

2 Sowohl Propen als auch Methylpropen reagieren im Dunkeln und bei Raumtemperatur mit Hydrogenbromid (Bromwasserstoff).
2.1 Formulieren und erläutern Sie die Schritte der Reaktion mit Propen, die zur Bildung des Hauptproduktes führen, und benennen Sie dieses!
2.2 Begründen Sie, weshalb Methylpropen rascher reagiert als Propen!
2.3 Hydrogenbromid soll in Gegenwart von Chlorid-Ionen mit Propen reagieren.
Geben Sie den Namen und die Strukturformel des Produktes an, das zusätzlich zu dem Reaktionsprodukt aus Nummer 2.1 in nennenswertem Umfang entsteht, und begründen Sie dessen Bildung!

3 Teststreifen für Harnzucker reagieren spezifisch auf β-D-Glucose mit Grünfärbung. Die Glucose-Moleküle werden dabei unter dem Einfluss des Enzyms Glucoseoxidase am ersten C-Atom oxidiert.
3.1 Erläutern Sie mit Hilfe einer Modellvorstellung die Grundlagen der Substratspezifität eines Enzyms!
3.2 Saccharoselösung wird mit Salzsäure gekocht. Die abgekühlte Lösung wird neutralisiert und mit dem Teststreifen untersucht.
Geben Sie das Testergebnis an, und erklären Sie es unter Mitverwendung von Strukturformelgleichungen!
3.3 Das gemäß Nummer 3 entstehende Oxidationsprodukt der Glucose bildet einen intramolekularen Ester, wobei ein Sechsring ausgebildet wird.
Zeichnen Sie die Strukturformel dieses Esters!

4 p-Nitroanilin bildet blassgelbe Kristalle; bei Zugabe von Salzsäure entsteht eine farblose Lösung.
4.1 Erklären Sie den beschriebenen Farbwechsel unter Mitverwendung von Strukturformeln!
4.2 Formulieren und benennen Sie die Einzelschritte der Bildung eines Azofarbstoffes aus Anilin (Aminobenzol) und p-Nitroanilin! Alle sonst noch benötigten Reagenzien stehen zur Verfügung.
4.3 Die Azokupplung ist eine elektrophile aromatische Substitution.
Begründen Sie den Einfluss der Nitrogruppe im Diazonium-Ion auf die Geschwindigkeit der Kupplungsreaktion!

Aufgabe II:

1 Der Gehalt an oxidierbaren organischen Schmutzstoffen im Wasser kann durch den Verbrauch an Kaliumpermanganat abgeschätzt werden. Hierzu werden 100,0 ml einer Wasserprobe mit Schwefelsäure und 15,0 ml Kaliumpermanganatlösung der Konzentration c (Kaliumpermanganat)
= 0,002 mol/l erhitzt.
Dann werden 15,0 ml Oxalsäurelösung der Konzentration c (Oxalsäure)= 0,005 mol/l zugefügt.
Ein Teil der Oxalsäure wird dabei vom verbliebenen Kaliumpermanganat zu Kohlenstoffdioxid oxidiert.
Die restliche Menge an Oxalsäure wird schließlich durch Titration mit Kaliumpermanganatlösung der Konzentration c (Kaliumpermanganat) = 0,002 mol/l bestimmt; von der Kaliumpermanganatlösung werden dabei 5,0 ml verbraucht.
1.1 Formulieren Sie die Gleichung für die Reaktion von Kaliumpermanganat mit Oxalsäure!
1.2 Berechnen Sie den Kaliumpermanganatverbrauch der Wasserprobe in Milligramm Kaliumpermanganat pro Liter Wasser!
Der Gang der Berechnung Muss klar ersichtlich sein.

2 Carbonylverbindungen können Additionsreaktionen eingehen.
2.1 Formulieren Sie die Summengleichung für die Reaktion von Trichlorethanal mit Ammoniak!
2.2 Begründen Sie, weshalb sich die Additionsgeschwindigkeit von Ammoniak in der Reihenfolge Ethanal, Methanal, Trichlorethanal erhöht!
2.3 Trichlorethansäure, die durch Oxidation von Trichlorethanal entstehen kann, besitzt einen pK_s-Wert von 0,7.
2.3.1 Beschreiben Sie eine experimentelle Methode, mit der man den pK_s-Wert einer schwachen Säure bestimmen kann!
2.3.2 Ordnen Sie Ethansäure, Methansäure und Trichlorethansäure nach steigen-dem pKs-Wert, und begründen Sie die Reihenfolge!
3 Die Moleküle eines synthetischen Fettes werden durch die Formel C₃H₅(C₁₆H₃₁O₂)₃ beschrieben.
3.1 Geben Sie an, welchen Aggregatzustand dieses Fett bei Zimmertemperatur hat, und begründen Sie Ihre Aussage!
3.2 Das gegebene Fett wird längere Zeit mit Kalilauge gekocht.
Formulieren Sie die Gleichung für die eintretende Reaktion!
3.3 Die Verseifungszahl gibt die Masse Kaliumhydroxid in Milligramm an, die zur Hydrolyse von 1 g Fett benötigt wird.
Erläutern Sie, worauf der Unterschied in den Verseifungszahlen von Kokosfett (Verseifungszahl ca. 250) und Rinderfett (Verseifungszahl ca. 190) zurückzuführen ist!

4 Das beim biologischen Fettabbau entstehende Glycerin wird zu Glycerinaldehyd oxidiert.
4.1 Nennen Sie die Hauptabschnitte des biologischen Abbaus von Glycerinaldehyd zu Kohlenstoffdioxid und Wasser!
4.2 Erläutern Sie den Hauptabschnitt des Abbauweges, bei dem am meisten Adenosintriphosphat entsteht!

Aufgabe III:

1 Harnstoff, ein Endprodukt des Eiweißstoffwechsels beim Menschen, wurde im Jahre 1828 von Friedrich Wöhler erstmals synthetisiert. Die Struktur­formel von Harnstoff, dessen Molekül aus Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoff-Atomen aufgebaut ist, soll ermittelt werden.

1.1 1,60 g Harnstoff werden vollständig oxidiert. Unter den Produkten sind 0,96 g Wasser und 1,17 g Kohlenstoffdioxid. In einem weiteren Analyse­schritt, ebenfalls ausgehend von 1,60 g Harnstoff, wird der Stickstoffanteil in 0,91 g Ammoniak übergeführt.
Berechnen Sie das Atomzahlenverhältnis im Harnstoffmolekül!
Der Gang der Berechnung muss klar ersichtlich sein.
1.2 Zur Bestimmung der molaren Masse wird aus 1,80 g Harnstoff eine wässrige Lösung mit einem Volumen von 100 ml bereitet. Die Messung des osmotischen Druckes ergibt bei 293 K einen Wert von 7,3 * 10⁵ Pa.
Berechnen Sie die molare Masse von Harnstoff, und geben Sie dessen Summenformel an! Der Gang der Berechnung muss klar ersichtlich sein.
1.3 Harnstoff ist das Diamid der Kohlensäure.
Leiten Sie aus dieser Angabe und der Summenformel die Strukturformel von Harnstoff ab!

2 Die Hydrolyse von Harnstoff zu Ammoniak und Kohlenstoffdioxid wird durch das Enzym Urease katalysiert. Urease eignet sich besonders gut für Untersuchungen zur Enzymaktivität, da die Produkte der Harnstoffspaltung mit Wasser reagieren, wobei Ionen entstehen, die eine Zunahme der elektri­schen Leitfähigkeit der Lösung bedingen.
In einer Versuchsreihe werden gleiche Volumina unterschiedlich konzen­trierter Harnstofflösungen mit der jeweils gleichen Stoffmenge Urease vermischt. Nach jeweils gleicher Versuchsdauer wird die Leitfähigkeit jeder Lösung bestimmt und in Abhängigkeit von der Harnstoffkonzentration gra­phisch dargestellt.
Die Kurve steigt mit zunehmender Harnstoffkonzentration zunächst an und fällt nach Erreichen eines Maximums ab.

2.1 Formulieren Sie die Gleichungen für die Hydrolyse von Harnstoff und die Reaktion der Produkte mit Wasser!
2.2 Erklären Sie unter Verwendung von Fachbegriffen den beschriebenen Kurvenverlauf!
2.3 Mit einer Harnstofflösung bestimmter Konzentration wird die Wirkung des Enzyms Urease in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt.
Tragen Sie in einem Diagramm den Substratumsatz pro Zeiteinheit (Umsatzrate) gegen die Temperatur auf, und erklären Sie den Verlauf dieses Graphen!

3 Aminosäuren, die Bausteine der Proteine, existieren auf der Erde seit drei Milliarden Jahren und wurden auch in Meteoriten nachgewiesen.
3.1 Eine stark angesäuerte, konzentrierte wässrige Lösung der Aminosäure Tyro­sin wird langsam stark alkalisch gemacht.
3.1.1 Schildern Sie die Beobachtungen bei diesem Versuch, und erklären Sie die beobachteten Phänomene!
3.1.2 Für Tyrosin gilt: pK_s (– COOH) = 2,20; pK_s (– NH₃⁺) = 9,11; pK_s(– OH) = 10,07.
Leiten Sie aus den gegebenen pKs-Werten die Reihenfolge der Protolysen ab, und formulieren Sie die zugehörigen Reaktionsgleichungen!
3.2 Aus den drei Aminosäuren
Glycin (Aminoethansäure; Symbol: Gly),
Alanin (2-Aminopropansäure; Symbol; Ala) und
Valin (2-Amino-3-methylbutansäure; Symbol: Val)
wird das Tripeptid Gly-Ala-Val aufgebaut.
3.2.1 Stellen Sie die Strukturformel für das unter Nummer 3.2 genannte Tripeptid auf, und heben Sie darin mit Farbe die Bestandteile der Peptidbindungen hervor!
3.2.2 Erläutern Sie unter Mitverwendung einer Skizze die Raumstruktur und die Bindungsverhältnisse in der Peptidgruppe!

4 Die Xanthoproteinreaktion von Eiweißstoffen mit konzentrierter Salpetersäure tritt ein, wenn in diesen aromatische Aminosäuren, z. B. Tyrosin, gebunden sind. Hierbei erfolgt eine Nitrierung des aromatischen Ringsystems.
Stellen Sie den Mechanismus der Nitrierung von Phenol unter Mitverwendung von Strukturformelgleichungen bis zu den bevorzugten Monosubstitutionsprodukten dar!

Aufgabe IV:

1 Chromat ist ein Umweltgift, das auch den menschlichen Organismus stark schädigt. Deshalb ist seine quantitative Bestimmung sehr wichtig; diese erfolgt (vereinfacht) in folgenden Schritten:

50,0 ml der chromathaltigen Lösung werden mit Schwefelsäure angesäuert. Dabei geht das Chromat (CrO₄^2–, gelb) in Dichromat (Cr₂O₇^2–, orange) über. Die erhaltene Dichromatlösung wird mit einem Überschuss Kaliumiodid versetzt. In einer Redoxreaktion werden Chrom (III)-Ionen (grün) und Iod gebildet. Das freigesetzte Iod wird maßanalytisch mit Natriumthiosulfatlösung der Konzentration c (Natriumthiosulfat) = 0,1 mol/l bestimmt. Von der Maßlösung werden bis zum Äquivalenzpunkt 15,0 ml verbraucht.
1.1 Stellen Sie für die drei beschriebenen Reaktionen die Ionengleichungen auf!
1.2 Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration der Chromat-Ionen in der Lösung! Der Gang der Berechnung muss klar ersichtlich sein.

2 Dichromat kann in der analytischen Chemie auch bei der Identifizierung organischer Verbindungen herangezogen werden. In einer Verbindung liegt das Atom­zahlenverhältnis N(C) : N(H) : N(O) = 1 : 2 : 1 vor; die molare Masse dieses Stoffes beträgt 90 g/mol. Untersuchungen zur Strukturermittlung liefern folgende Ergebnisse:

– nach Reaktion mit schwefelsaurer Kaliumdichromatlösung Grünfärbung,
– positiver Verlauf der Iodoformprobe und
– Rotfärbung von Lackmuslösung.

2.1 Erläutern Sie, welche Schlüsse auf die Molekülstruktur aus obigen Angaben gezogen werden können, und zeichnen Sie mögliche Strukturformeln!
2.2 Beschreiben Sie ein physikalisches Verfahren, mit dem man die unter Nummer 2.1 gesuchten Verbindungen unterscheiden kann!

3 Der in Vorderasien heimische Strauch Astragalus gummifer scheidet bei Verletzung eine zähflüssige Masse aus, die als Tragant u. a. zum Verdicken von Speiseeis verwendet wird. Tragant ist ein Gemisch aus zwei Polysacchariden. Als monomerer Baustein lässt sich die D-Xylose nachweisen

3.1 Legen Sie dar, welche Informationen die Symbole D und (+) enthalten!
Formulieren Sie die Fischer-Projektionsformel der L-Xylose!
3.2 Zeichnen Sie eine Strukturformel der α-D-(+)-Xylose in der Sechsringform (als Xylopyranose)!
3.3 Wird die frisch bereitete wässrige Lösung von α-D-(+)-Xylose im Polarime­ter untersucht, so beobachtet man eine Änderung des Drehwinkels.
Benennen und erklären Sie diese Erscheinung!!
3.4 Mit D-Xylose verläuft die Silberspiegelprobe positiv.
Beschreiben Sie die Durchführung dieser Nachweisreaktion, und formulieren Sie die Redoxgleichung!
3.5 D-Xylose ist auch Bestandteil des Polysaccharids Xylan, das neben der Cellu­lose als Gerüststoff in der pflanzlichen Zellwand vorkommt.
In Xylan sind D-Xylopyranose-Reste β-(1 - 4)-glykosidisch miteinander ver­knüpft.
Zeichnen Sie einen charakteristischen Strukturformelausschnitt von Xylan!

4Kautschuk wird aus dem Milchsaft verschiedener tropischer Bäume gewon­nen. Er hat als Rohstoff für Gummi große wirtschaftliche Bedeutung (Vulka­nisation) und diente als Vorbild für die Entwicklung von Synthese-Kaut­schuk.
4.1 Geben Sie für den Naturkautschuk und für das Vulkanisationsprodukt Gummi jeweils einen charakteristischen Strukturformelausschnitt an!
4.2 Vergleichen Sie die mechanischen Eigenschaften von Naturkautschuk und Gummi, und begründen Sie die Unterschiede!
4.3 Durch Polymerisation von 2-Chlor-1,3-butadien entsteht der synthetische Kautschuk Neopren.
Stellen Sie einen Mechanismus für diese Polyreaktion mit Strukturformeln dar!

Lösung(BY93