Aufgabe 15

Aufgabe I:

1 Die qualitative Elementaranalyse einer Verbindung X ergibt, dass in ihren Molekülen Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- und Sauerstoff-Atome gebunden sind. Bei der vollständigen Oxidation von 122,0 mg der Verbindung X entstehen 84,6 mg Wasser und 155,1 mg Kohlenstoffdioxid. Der Stickstoffanteil der Verbindung X wird in einem weiteren Analyseschritt in elementaren Stickstoff übergeführt; bei der Einwaage von 115,0 mg der Verbindung X entstehen 24,7 ml Stickstoff (Normzustand).
Berechnen Sie die empirische Formel (Verhältnisformel) der Verbindung X!
Der Gang der Berechnung muss klar ersichtlich sein.

2 Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Alkansäuren werden im wesentlichen durch ihre funktionellen Gruppen und deren Position im Molekül bedingt.
2.1 Zeichnen Sie die Strukturformeln aller Isomeren von Monochlorpropansäure, und benennen Sie diese!
2.2 Die Isomeren von Monochlorpropansäure können durch ein optisches Meßverfahren unterschieden werden.
Beschreiben Sie das Prinzip dieser Analysemethode, und vergleichen Sie das Verhalten der Isomeren!
2.3 Vergleichen Sie die Säurestärke von Propansäure mit den Säurestärken
a) von 2-Chlorpropansäure und
b) von Butansäure!
Begründen Sie die Unterschiede!
2.4 Propansäure soll in säurekatalysierter Reaktion mit Methanol umgesetzt werden.
Beschreiben Sie unter Mitverwendung von Strukturformeln den Mechanismus dieser Reaktion!

3 Aminosäuren sind die Bausteine von Peptiden und Proteinen.
3.1 Ordnen Sie den beiden Aminosäuren Alanin (2-Aminopropansäure) und Asparaginsäure (2-Aminobutandisäure) die isoelektrischen Punkte (IEP) 2,77 bzw. 6,00 zu, und begründen Sie Ihre Entscheidung!
3.2 Beschreiben Sie unter Mitverwendung einer beschrifteten Skizze, wie man ein Gemisch der unter Nr. 3.1 gegebenen Aminosäuren durch Elektrophorese trennen kann!
3.3 Durch Reaktion zwischen Alanin (Ala) und Serin (2-Amino-3-hydroxypro-pansäure; Ser) entstehen verschiedene Tripeptide.
3.3.1 Formulieren Sie in Kurzschreibweise (ohne Formeln) die aufgrund unterschiedlicher Sequenzen möglichen Isomeren! (Stereoisomere sind nicht zu berücksichtigen.)
3.3.2 Schreiben Sie für ein Isomer die Strukturformel!

4 Ein modernes Sporthemd besteht aus zwei Gewebelagen, einer inneren netzartigen Schicht aus Polypropen und einer äußeren Schicht aus Baumwolle. Dadurch soll Schweiß von der Haut weggeführt werden.
4.1 Zeichnen Sie je einen kennzeichnenden Strukturformelausschnitt der Makromoleküle Polypropen und Cellulose!
4.2 Erklären Sie, wie der Aufbau des Sporthemds und die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden makromolekularen Stoffe zum wasserableitenden Effekt führen!
4.3 Erörtern Sie, ob ein derartiges Sporthemd bei 90 °C gewaschen werden darf!

Aufgabe II:

1 Kekulé schlug 1865 für das Benzolmolekül eine heute nach ihm benannte Strukturformel vor, die Benzol als Cyclohexatrien beschrieb. Hätte das Benzol-Molekül jedoch diese Kekulé-Struktur, müsste bei der Totalhydrierung eine Enthalpie von ca. 360 kJ /mol frei werden. Tatsächlich misst man aber eine Hydrierungsenthalpie von etwa 209 kJ /mol.
1.1 Erklären Sie den Unterschied zwischen erwartetem und gefundenem Wert der Hydrierungsenthalpie!
1.2 Sowohl Benzol als auch Phenol können nitriert werden.
1.2.1 Benennen und formulieren Sie unter Mitverwendung von Strukturformeln den Mechanismus der Nitrierung von Benzol bis zum Nitrobenzol!
1.2.2 Während sich Phenol leicht zu Trinitrophenol nitrieren lässt, führt die Nitrierung von Benzol nur unter Extrembedingungen zu Trinitrobenzol.
Erklären Sie das unterschiedliche Reaktionsverhalten der beiden Edukte!
1.2.3 Phenol und 2,4,6-Trinitrophenol unterscheiden sich erheblich in der Säurestärke.
Ordnen Sie die pKs-Werte 0,22 und 9,98 den Verbindungen zu, und begründen Sie die Zuordnung!

2 Die Fehling-Probe ist ein häufig verwendeter Nachweis der leichten Oxidierbarkeit bestimmter organischer Stoffe.
In getrennten Versuchen wird mit den vier folgenden Verbindungen die Fehling-Probe durchgeführt:
a) Hexanal;
b) 2-Hexanon (Hexan-2-on);
c) Glucose;
d) 1-Hydroxy-2-hexanon (1-Hydroxyhexan-2-on).
2.1 Erläutern Sie unter Mitverwendung der Strukturformeln der genannten Verbindungen die Ergebnisse der vier Fehling-Proben!
2.2 Formulieren Sie ohne Berücksichtigung der Komplexbildung die Redoxgleichung für eine positiv verlaufende Fehling-Reaktion der Aufgabe 2.1!

3 Kohlenhydrate dienen vielen Lebewesen als ergiebige Energiequelle.
3.1 Formulieren Sie unter Mitverwendung von Strukturformeln die Abschnitte des Glucoseabbaus, die bei der Zellatmung und der Milchsäuregärung identisch sind!
Beteiligte Coenzyme sind in der üblichen Kurzschreibweise anzugeben.
3.2 Nennen Sie die Reaktionsabschnitte, die sich bei der Zellatmung an den unter Nr. 3.1 beschriebenen Abbauprozess anschließen!
Geben Sie die Bedeutung der einzelnen Abschnitte für den Energiegewinn der Zelle an!

4 Kernreaktoren tragen in Industriestaaten zur Deckung des Energiebedarfs bei.
4.1 Beschreiben Sie kurz den Aufbau eines Spaltungsreaktors, und erläutern Sie die Bedeutung der wesentlichen Bestandteile!
4.2 Strontium-90, das sich in relativ großer Menge im radioaktiven Abfall von Kernkraftwerken findet, kann anstelle von Calcium in das Knochengerüst des Menschen eingebaut werden und dort zerfallen. Von 1,000 mg des Nuklids Sr-90 sind nach zwei Jahren 0,047 mg zerfallen.
Berechnen Sie die Halbwertzeit von Sr-90! Der Gang der Berechnung muss klar ersichtlich sein.
4.3 Die Halbwertzeit eines Kohlenstoff-Isotops beträgt 5 730 Jahre. Dieses Isotop wird in der Archäologie für Altersbestimmungen kohlenstoffhaltiger Funde genutzt.
Erläutern Sie das Prinzip dieser Methode, und legen Sie dar, warum der Einsatz dieses Verfahrens mit zunehmendem Alter des untersuchten Materials immer weniger Aussagewert hat!

Aufgabe III:

1 Zur quantitativen Bestimmung von Nitrit lässt man eine wässrige Nitritlösung so lange in eine erwärmte angesäuerte Kaliumpermanganatlösung einfließen, bis vollständige Entfärbung eintritt.
1.1 Formulieren Sie die Gesamtgleichung der Reaktion!
1.2 Bei der manganometrischen Bestimmung von Kaliumnitrit werden 47 ml der Nitritlösung benötigt, um 50 ml einer Kaliumpermanganatlösung der Konzentration c(KMnO₄) = 0,1 mol /l zu entfärben.
Berechnen Sie die Masse des Kaliumnitrits im gegebenen Lösungsvolumen und die Stoffmengenkonzentration der Kaliumnitritlösung!
Der Gang der Berechnungen muss klar ersichtlich sein.

2 Indophenole sind bedeutende Textilfarbstoffe. Der Grundkörper dieser Stoffklasse ist das Indophenol, das in angesäuerter wässriger Lösung rot ist und dann folgende Struktur aufweist:

2.1 Erläutern Sie unter Verwendung von Fachbegriffen das Phänomen "Farbigkeit" am Beispiel des Indophenols!
2.2 Versetzt man die Indophenol-Lösung mit Natronlauge bis zur alkalischen Reaktion, so schlägt die Farbe nach Blau um.
Erklären Sie diesen Farbumschlag unter Mitverwendung mesomerer Grenzformeln!
2.3 Aus Anilin und den nötigen anorganischen Reagenzien soll ein Azofarbstoff synthetisiert werden.
Erläutern Sie die Syntheseschritte unter Mitverwendung von Reaktionsgleichungen!

3 Zur Aufklärung der lichtunabhängigen Photosynthese-Reaktionen waren zahlreiche Meßergebnisse nötig, wobei Grünalgen als ideale Versuchsobjekte dienten. Ein derartiges Ergebnis ist im folgenden Diagramm stark vereinfacht wiedergegeben:
Die Bedingungen für die Photosynthese einer Grünalge wurden zunächst konstant gehalten.
Dann wurde die Konzentration des Kohlenstoffdioxids schnell sehr stark gesenkt; alle anderen Bedingungen blieben konstant.

Interpretieren Sie den Verlauf der Kurven nach dem Zeitpunkt t1, und legen Sie dar, was sich aus dem Versuchsergebnis über den Verlauf der Dunkelreaktionen ableiten ließ!

4 Mit der Summenformel C₃H₆O₃ lassen sich verschiedene isomere Verbindungen angeben, die sich deutlich in physikalischen und chemischen Eigenschaften voneinander unterscheiden.
4.1 Stellen Sie die Strukturformeln für die Moleküle von vier offenkettigen Isomeren mit der Summenformel C₃H₆O₃ auf, in denen zwei C,C-Einfachbindungen enthalten sind und ein Kohlenstoff-Atom maximal eine Hydroxylgruppe bindet. Von Enantiomerenpaaren ist jeweils nur ein Enantiomer wiederzugeben.
Benennen Sie die Verbindungen!
4.2 Die vier von Ihnen unter Nr. 4.1 formulierten Verbindungen befinden sich als Reinstoffe in vier verschiedenen Gefäßen. Dabei ist nicht bekannt, welches Gefäß welche Substanz enthält.
Stellen Sie tabellarisch die Ergebnisse geeigneter Nachweismethoden zur Unterscheidung der verschiedenen Isomeren zusammen, und leiten Sie aus den Analyseergebnissen die Identifizierung ab!

Aufgabe IV:

1 Zwischen den physikalisch-chemischen Eigenschaften verwandter Verbindungen und ihrer Struktur besteht ein enger Zusammenhang.
1.1 In der folgenden Tabelle sind einige Alkane mit ihren zugehörigen Siedetemperaturen t_b zusammengestellt:

2 Eine wichtige Stoffklasse stellen die Alkene dar, die unter anderem durch Dehydratisierung von Alkoholen hergestellt werden können.
2.1 2-Propanol (Propan-2-ol) bzw. Ethanol werden bei höherer Temperatur unter dem katalytischen Einfluss von Säuren unterschiedlich rasch dehydratisiert.
Erörtern Sie unter Mitverwendung von Strukturformeln, welche der beiden Reaktionen schneller verläuft!
Stellen Sie die Strukturformelgleichungen für die Gesamtreaktionen auf!
2.2 Propen wird mit Wasserstoffchlorid zur Reaktion gebracht. Von den beiden denkbaren Endprodukten entsteht nur eines.
2.2.1 Formulieren Sie die Einzelschritte dieser Reaktion mit Strukturformeln!
2.2.2 Begründen Sie die Tatsache, dass bei der Reaktion in Nr. 2.2 nur eines der beiden denkbaren Endprodukte entsteht!

3 Ein Fett (Reinstoff) kann mit der Formel C₃H₅(C₁₆H₃₁O₂)₃ beschrieben werden.
3.1 Stellen Sie eine Strukturformel für das Molekül dieses Fettes auf!
3.2 Begründen Sie aus dem Molekülbau den Aggregatzustand des Fettes bei Zimmertemperatur!
3.3 Ein Hydrolyseprodukt vieler natürlicher Fette ist die Ölsäure.
3.3.1 Erhitzt man die bei Zimmertemperatur flüssige Ölsäure unter Luftabschluss längere Zeit auf ca. 200 °C, so erhält man ein bei Zimmertemperatur festes Reaktionsprodukt der Zusammensetzung C₁₇H₃₃COOH.
Erklären Sie diesen Vorgang unter Mitverwendung von Strukturformelausschnitten!
3.3.2 Mit der Ölsäure soll die Baeyersche Probe durchgeführt werden.
Nennen Sie die Zusammensetzung des Baeyer-Reagens!
Beschreiben Sie die Durchführung der Probe und die Beobachtung bei der Reaktion mit Ölsäure!

4 Fette können als Ausgangssubstanzen für die Herstellung waschaktiver Verbindungen eingesetzt werden.
4.1 Das unter Nr. 3 gegebene Fett wird längere Zeit mit Kalilauge gekocht.
Formulieren Sie die Gleichung für die ablaufende Reaktion!
4.2 Erklären Sie unter Mitverwendung von Gleichungen
a) die alkalische Reaktion einer wässrigen Seifenlösung und
b) den Einfluss von Mineralsäuren auf die Waschaktivität von Alkaliseifen.
4.3 Der erhöhte Bedarf an waschaktiven Substanzen und die Nachteile herkömmlicher Seifen haben zur Entwicklung neuer synthetischer Tenside geführt. Geben Sie die Strukturformel eines Alkylbenzolsulfonats an, und erläutern Sie die Auswirkung harten Wassers auf die Waschwirkung des Tensids!

Lösung(BY95)