Aufgabe 16

A 1: Eine Batterie mit Meerwasser

Vorgaben:

Meerwasser-Batterien sind Batterien, in denen Meerwasser als Elektrolyt dient. Sie werden  z. B. als Zubehör von Rettungsbooten eingesetzt. Eine solche Batterie wird erst aktiviert, wenn sie in Meerwasser eingetaucht wird.

Häufig bestehen Meerwasser-Batterien aus einer Aluminium-Elektrode und einem inerten Edelstahlblech. Solange genügend elementarer Sauerstoff im Meerwasser gelöst ist, bildet sich am Edelstahlblech eine Sauerstoff-Elektrode. 

Meerwasser-Batterien können auch in sauerstoffarmem Tiefenwasser eingesetzt werden. Sie liefern dann eine niedrigere Spannung. Am Edelstahlblech bildet sich in diesem Fall eine  Wasserstoff-Elektrode.

Bei Betrieb der beiden Batterien entstehen Aluminium(III)-Verbindungen.

Modellversuche sollen die Funktion einer Meerwasser-Batterie verdeutlichen:
Versuch 1:
Ein Aluminiumblech und ein Edelstahlblech werden in eine Kochsalz-Lösung („Modell-Meerwasser“) mit gelöstem Sauerstoff als Elektrolyt eingetaucht. Zwischen den Blechen wird ein Motor geschaltet, der schon bei sehr geringer Spannung betrieben werden kann.
Beobachtungen:

• Der Motor dreht sich für kurze Zeit, die Umdrehungszahl sinkt dabei immer mehr. Nach Umrühren der Kochsalz-Lösung nimmt die Umdrehungszahl wieder zu.
• Tropft man zur Kochsalz-Lösung Phenolphthalein-Lösung zu, färbt sich die Lösung am Edelstahlblech nach einiger Zeit rot.
  

Versuch 2:
In einem weiteren Versuch wird das Aluminiumblech durch ein Magnesiumblech ersetzt.
Beobachtungen:

• Die Umdrehungszahl des Motors ist größer als in Versuch 1. An der Oberfläche des
  Magnesiumblechs bilden sich ein weißer Feststoff und Gasbläschen.
• AAm Magnesiumblech bilden sich auch dann Gasbläschen, wenn der Stromkreis unterbrochen wird.

Aufgaben:

1.1. Zeichnen Sie eine beschriftete Skizze des galvanischen Elements, das in einer Meerwasser- Batterie mit sauerstoffgesättigtem Meerwasser vorliegt. Stellen Sie die Elektrodenreaktionen und die Gesamtreaktion für eine solche Meerwasser-Batterie auf. Berechnen Sie die Spannung dieser Meerwasser-Batterie.
1.2. Erklären Sie die Beobachtungen in den Modellversuchen. Geben Sie für den Modellversuch mit Magnesiumblech die Gleichungen der an den Elektroden ablaufenden Reaktionen an.
1.3. Stellen Sie die Elektrodenreaktionen für eine Meerwasser-Batterie mit sauerstoffarmem Meerwasser auf. Prüfen Sie, ob man eine funktionsfähige Batterie erhält, wenn das Aluminiumblech der Meerwasser-Batterie durch ein Magnesiumblech ersetzt wird. Begründen Sie, warum eine Meerwasser-Batterie nicht wieder aufgeladen werden kann.

Zusatzinformation:

Meerwasser enthält etwa 3,5 % Natriumchlorid (NaCl) und weist einen pH-Wert von pH = 8,2 auf.

Eine Elektrode wird als „inert“ bezeichnet, wenn sie selbst beim Ablaufen der Elektrodenreaktion unverändert bleibt.
Aluminium ist in einem pH-Bereich von pH = 4 bis pH = 8,5 durch Ausbildung einer dünnen Hydroxidschicht an der Metalloberfläche gegen Reaktionen geschützt.

Magnesium ist oberhalb eines pH-Wertes von pH =11,5 durch Ausbildung einer weißen Hydroxidschicht an der Metalloberfläche gegen Reaktionen geschützt.

Umschlagsbereich von Phenolphthalein: pH ≥ 8,5

Elektrochemische Spannungsreihe
Redoxpotentiale in Meerwasser bei pH = 8,2 in V (bei T = 298 K und p = 101,3 kPa)

A 2: Blaulauge zur Bestimmung der Säurekonzentration in Wein

Vorgaben

Von wesentlicher Bedeutung für den Geschmack und die Haltbarkeit eines Weins ist sein Gehalt an Säuren, der ebenso wie der Gehalt an Alkohol großen Schwankungen unterliegt. Im Wein liegen neben Weinsäure und Äpfelsäure, die den größten Anteil der Gesamtsäure ausmachen, auch zahlreiche weitere Säuren in kleinen Konzentrationen vor. Vereinfacht gibt man die Gesamtsäurekonzentration als Weinsäurekonzentration an. Bei vielen Weinen beträgt die Massenkonzentration der Gesamtsäure zwischen 7,1 g und 7,9 g pro Liter Wein. Nach der Gärung kommt es u. a. zur Umwandlung eines Teils der Äpfelsäure unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid zu Milchsäure (malolaktische Gärung). Kohlenstoffdioxid entweicht aus dem Wein. Bei einigen Weinen leitet man aus Geschmacksgründen die malolaktische Gärung absichtlich ein.
Bestimmung der Säurekonzentration von Weißwein
Versuch 1: Titration von Weißwein im Labor
25 mL Wein werden mit Natronlauge (c(NaOH) = 0,2 mol/L) und dem Indikator Bromthymolblau titriert. Bis zum Äquivalenzpunkt werden 10,4 mL Natronlauge verbraucht.
Für Winzer sind Acidometer entwickelt worden, mit denen der Säuregehalt von Weißwein bestimmt werden kann. Ein Acidometer-Set besteht aus einem Messzylinder, 250 ml Blaulauge und einem Tropfverschluss für die Laugenflasche. Blaulauge ist eine Natronlauge mit c(NaOH) = 0,133 mol/L, die mit einigen Tropfen Bromthymolblau-Lösung blau gefärbt ist. Im Messzylinder wird Wein bis zur unteren Markierung (10 mL) vorgelegt. (Oberhalb dieser Markierung ist eine Messskala für das zugefügte Volumen angebracht.) Anschließend wird Blaulauge bis zum Farbumschlag zugetropft, wobei stets gut gemischt wird und keine Flüssigkeit verloren gehen darf. Laut Angabe des Acidometer-Herstellers entspricht der Zahlenwert des beim Farbumschlag abgelesenen Volumens dem Zahlenwert der Massenkonzentration (in g/L) der Gesamtsäure.
Versuch 2: Überprüfung der Angabe des Acidometer-Herstellers
Es werden 10 mL einer Weinsäure-Lösung der Konzentration c(Weinsäure) = 0,05 mol/L mit der Blaulauge im Acidometer titriert. Man benötigt 7,5 mL Blaulauge.

Aufgaben

2.1. Zeichnen Sie einen beschrifteten Versuchsaufbau zur Titration des Weins. Berechnen Sie die Konzentration der Gesamtsäure der Weinprobe (Versuch 1) unter der vereinfachenden Annahme, dass nur Weinsäure vorliegt. Vergleichen Sie diese Weinsäurekonzentration mit den genannten Massenkonzentrationen.
2.2. Erläutern Sie unter Angabe von Reaktionsgleichungen die beim Lösen von Weinsäure in Wasser ablaufenden Reaktionen anhand der Säure-Base-Theorie von Brönsted. Ermitteln Sie, welche Auswirkungen die malolaktische Gärung eines Weins auf die Säurekonzentration und den pH-Wert hat.
2.3. Erläutern Sie die Bestimmung der Säurekonzentration von Wein mit einem Acidometer. Überprüfen Sie die Angabe des Herstellers zur Auswertung (Versuch 2). Vergleichen Sie die Säurebestimmung mittels Acidometer mit einer üblichen Säure-Base-Titration.

Zusatzinformationen:

Weinsäure und Äpfelsäure sind zweiprotonige Säuren.
Tabelle 1:

A3: Tartrazin, ein Farbstoff für Süßigkeiten

Vorgaben:

Tartrazin ist ein synthetischer Farbstoff, dessen Absorptionsmaximum bei l = 425 nm liegt.

Tartrazin

Tartrazin-Mpleküle enthalten eine planare Struktureinheit, die sich vom Pyrazol, einem Aromaten, ableitet:

Pyrazol

 Ausgangsstoffe für die Tartrazin-Synthese sind Sulfanilsäure, Natriumnitrit (NaNO2) und die Substanz A

Substanz A

Tartrazin wird vor allem als Lebensmittelfarbstoff zur Färbung von Süßwaren, wie z. B. Brausepulver, Gummibärchen, Puddingpulver, und zur Färbung von Arzneimitteln eingesetzt. Tartrazin besitzt allergieauslösende Eigenschaften und steht im Verdacht, ADHS (Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung) zu verstärken. Seit Juli 2010 müssen Lebensmittel, die Tartrazin enthalten, daher mit dem Warnhinweis „Kann die Aktivität und Aufmerksamkeit von Kindern beeinträchtigen“ gekennzeichnet sein. Ursprünglich wurde Tartrazin zur Färbung von Wolle verwendet. Dabei wurden wässrige Farbstofflösungen eingesetzt. Tartrazin ist gut wasserlöslich, licht- und temperaturbeständig und zudem beständig gegenüber Säuren. Es gilt als waschechter Farbstoff.

Aufgabe:

3.1. Erklären Sie den Zusammenhang von Struktur und Farbigkeit am Beispiel der Struktur von Tartrazin. Geben Sie mithilfe des Absorptionsmaximums die sichtbare Farbe von Tartrazin begründet an.
3.2. Nennen Sie die Kriterien für ein aromatisches System und begründen Sie, warum Pyrazol aromatisch ist. Entwickeln Sie einen Syntheseweg für Tartrazin ausgehend von Sulfanilsäure und Substanz A anhand von Reaktionsgleichungen.
3.3. Begründen Sie die gute Wasserlöslichkeit von Tartrazin und beurteilen Sie den Einsatz von Tartrazin als Wollfarbstoff und als Lebensmittelfarbstoff.

Zusatzinformationen:

Waschechtheit: Widerstandsfähigkeit gegenüber der Einwirkung von Waschmitteln Lichtechtheit: Widerstandsfähigkeit gegenüber der Einwirkung von Licht (Verblassen)

Sulfanilsäure

Stark vereinfachte schematische Darstellung eines Strukturausschnittes von Wolle

Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe

A 4: High Tech auf der Piste

Vorgabe:

Für den Erfolg bei Skiwettkämpfen ist das verwendete Material von besonderer Bedeutung. Die moderne Ski-Technik greift auf unterschiedliche Konstruktionsarten und verschiedene Kunststoffe zurück. So sind z. B. bei einem Carving-Ski die Gleitfläche und die Skioberfläche Kunststoff-Produkte, während für andere Bauteile im Kern des Skis auch Holz oder Metall genutzt werden können. An die Gleitfläche werden hohe Anforderungen gestellt: Sie muss die Basis für gute Gleiteigenschaften darstellen und gleichzeitig einen geringen Verschleiß aufweisen. Für moderne Skigleitflächen wird beispielsweise eine Mischung aus Polyethen (PE) und Graphit verwendet.

Polyethen-Strukturausschnitt

Zum Ausbessern beschädigter Gleitflächen gibt es PE-Reparaturstreifen im Handel, die z. B. mithilfe eines Bügeleisens geschmolzen und auf die schadhafte Stelle aufgetragen werden können. Für die Skioberflächen benötigt man dekorative und schützende Kunststoff-Folien, die thermoplastisch verarbeitet werden können. Gleichzeitig müssen diese Kunststoff-Produkte im Bereich der Gebrauchstemperaturen elastische Eigenschaften aufweisen, um mechanischen Beanspruchungen standzuhalten, ohne zu reißen. Geeignet sind Kunststoffe auf der Basis von Polyamid-12-Elastomeren (kurz PA-12-E). Dabei handelt es sich um thermoplastische Elastomere. Dies sind Werkstoffe, die elastische Gebrauchseigenschaften aufweisen und bei Erwärmung verformbar sind. Sie sind aus linearen oder wenig verzweigten Makromolekülen aufgebaut, die untereinander aufgrund von zwischenmolekularen Wechselwirkungen weitmaschig vernetzt sind. Zur Herstellung von PA-12-Elastomeren werden in der Industrie PA-12 und Polytetrahydrofuran (PTHF) durch Reaktion mit einer Dicarbonsäure (z. B. Hexandisäure) umgesetzt.

Transparente Kunststoff-Folien aus PA-12-E sind mithilfe spezieller Druckverfahren hervorragend gestaltbar und verleihen einem Ski auf diese Weise ein ansprechendes Design.

Aufgabe:

4.1. Beschreiben Sie mithilfe von Strukturformeln und in Teilschritten eine Reaktion zur Synthese von Polyethen (PE). Erklären Sie in diesem Zusammenhang das Vorliegen von Makromolekülen unterschiedlicher Molekülmasse in einem PE-Reparaturstreifen. Erläutern Sie auf molekularer Ebene die Vorgänge, die bei der Reparatur einer beschädigten Skigleitfläche ablaufen.
4.2. Vergleichen Sie den strukturellen Aufbau der Makromoleküle von PA-12 und PTHF. Erläutern Sie mithilfe von Strukturformeln zwischenmolekulare Wechselwirkungen bei PA-12 und PTHF sowie bei PA-12-E. Erklären Sie, warum PA-12-E thermoplastische sowie elastische Eigenschaften aufweist und somit zur Herstellung von Schutzfolien für Skioberflächen geeignet ist.
4.3. Ermitteln Sie einen beispielhaften Strukturformel-Ausschnitt für PA-12-E. Geben Sie den Reaktionstyp für die Herstellung von PA-12-Elastomeren begründet an. Erläutern Sie Möglichkeiten zur Steuerung dieser Polyreaktion.

Zusatzinformation:

Charakteristischer Strukturausschnitt für PA-12-E:

  - [PA-12-Baustein] -  [Dicarbonsäure-Baustein] -  [PTHF-Baustein] -
.
. weitmaschig vernetzt durch zwischenmolekulare Wechselwirkungen
.
 - [PA-12-Baustein] -  [Dicarbonsäure-Baustein] -  [PTHF-Baustein] -

Lösung(11)