Aufgabe 18

A 1: Aluminium, ein wichtiges Gebrauchsmetall

Vorgabe

Aluminium ist ein sehr bedeutsames Gebrauchsmetall mit vielfältigen Anwendungsbereichen. Es wird durch die sogenannte Schmelzflusselektrolyse aus Aluminiumoxid, das aus dem Gestein Bauxit isoliert wird, gewonnen. Aufgrund der hohen Schmelztemperatur von 2045 °C setzt man kein reines Aluminiumoxid, sondern ein Gemisch aus Aluminiumoxid und Kryolith mit einer Schmelztemperatur von 950 °C ein. Das Gemisch muss nur zu Beginn der Elektrolyse durch Wärmezufuhr geschmolzen werden, danach entwickelt sich durch den Stromfluss ausreichend Wärme, um die Elektrolytschmelze mit dem kontinuierlich zugeführten Rohstoff flüssig zu halten.
Die Elektrolyseapparatur besteht aus einer Wanne, die die Schmelze enthält. Der Boden dieser Wanne ist mit Graphit, der als Kathode dient, ausgelegt. Weitere Graphitelektroden ragen von oben in die Schmelze. Diese oberen Elektroden werden während der Elektrolysenach und nach abgebaut, müssen also immer wieder nachgeführt werden. In einer durchschnittlichen Schmelzflusselektrolyseanlage wird mit einer Spannung von U = 5 V und einer Stromstärke von I = 150000 A elektrolysiert. Dabei können in einer solchen Anlage ca. 88 % des eingesetzten Stroms für den  Elektrolyseprozess genutzt werden. Durch die Elektrolyse entstehen elementares, sehr reines Aluminium und unter anderem Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid als Abgase. Aufgrund seiner höheren Dichte sammelt sich das flüssige Aluminium am Boden des Elektrolysebeckens und wird durch die darüberliegende Elektrolytschmelze vor der ansonsten sofort eintretenden Oxidation geschützt.
Die bei der Weiterverarbeitung des Aluminiums einsetzende Oxidation dagegen ist erwünscht, da die Werkstücke durch die sich bildende sehr dichte und sehr dünne Oxidschicht vor weiterer Oxidation geschützt sind.
Eine der vielfältigen Verwendungsformen von Aluminium ist beispielsweise die im Haushalt gebräuchliche Aluminiumfolie. Aluminiumfolien sind gas- und luftdicht sowie weich und biegsam. Sie eignen sich besonders als Verpackungsmaterial, z. B. für Lebensmittel.
Auf der Verpackung handelsüblicher Alufolien findet sich folgender Text:
„Wichtiger Hinweis: Aluminiumfolie nicht zum Abdecken von feuchten säure- oder salzhaltigen  Lebensmitteln auf Servierplatten oder Schalen aus Metall verwenden. Folien können  sich infolge Lokalelementbildung auflösen. Aluminiumfolie nicht in Verbindung mit stark säure- oder salzhaltigen Lebensmitteln benutzen.“

Aufgabe

1. Stellen Sie eine Apparatur zur Schmelzflusselektrolyse mithilfe einer beschrifteten Skizze dar. Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die Vorgänge an den Elektroden, die Gesamtgleichung zur Bildung des Aluminiums und die Reaktionsgleichungen für die Entstehung der Abgase an. Berechnen Sie die Masse an Aluminium, die die beschriebene Anlage pro Stunde erzeugen kann.
2. Erläutern Sie, auch unter Angabe der Teil- und Gesamtreaktionsgleichungen, warum laut Warnhinweis Alufolie nicht in Verbindung mit säurehaltigen Lebensmitteln benutzt werden soll. Erklären Sie, warum man die Reaktion zwischen der Alufolie und sauren Lebensmitteln im Alltag in der Regel nicht beobachten kann.
3. Stellen Sie ein Lokalelement, das sich bei der Verwendung von Alufolie zur Abdeckung einer feuchten, salzhaltigen Speise auf einem Silbertablett bildet, mithilfe einer beschrifteten Skizze dar. Erläutern Sie, auch unter Angabe der entsprechenden Reaktionsgleichungen, welche Prozesse in einer solchen Anordnung ablaufen und warum es zur Auflösung der Folie kommen kann.

Zusatzinformation

Faradaykonstante: F = 96485 C*mol^-1 = 96485A*s*mol^-1
Molare Masse: M(Al) = 27,0 g/mol
Ein Lokalelement ist im Prinzip ein kleines galvanisches Element, bei dem die beiden Metallelektroden durch unmittelbaren Kontakt miteinander verbunden sind.

Elektrochemische Spannungsreihe
Standardpotentiale in V (c = 1 mol/L, bei 25 °C und 101,3 kPa)

A 2: Äpfel als Aromalieferanten

Vorgabe:

Äpfel werden in großen Mengen zu Apfelsaft weiterverarbeitet. Bei der Apfelsaft-Produktion gehen die wasserlöslichen Inhaltsstoffe der Äpfel in den Saft über, während die in Wasser nahezu unlöslichen Verbindungen weitgehend im Produktionsabfall verbleiben.
Tabelle: Inhaltsstoffe in reifen Äpfeln der Sorte Cox Orange (Auswahl)

Aufgabe:

1. Geben Sie für die in der Tabelle angegebenen Apfel-Inhaltsstoffe C, D, E und F die Bezeichnungen nach der systematischen Nomenklatur an. Erläutern Sie mithilfe von Oxidationszahlen, dass die Verbindung D ein Reduktionsprodukt der Verbindung C ist. Beurteilen Sie, welche der Apfel Inhaltsstoffe aus der Tabelle in klarem Apfelsaft gelöst enthalten sind.
2. Geben Sie Strukturformeln für drei verschiedene Ester an, die als Aromastoffe in einem Apfel der Sorte Cox Orange vorkommen können. Beschreiben Sie die charakteristischen Schritte einer Ester-Synthese. Beurteilen Sie, ob die Zusammensetzung des Aromastoff-Gemisches in einem Kochansatz für Apfel-Rotkohl im Hinblick auf die gebildeten Ester durch den Garvorgang verändert werden kann.
3. Erläutern Sie die charakteristischen Schritte einer Synthese von 1-Brombutan aus  Butan-1-ol. Beurteilen Sie die Eignung von n-Butan und But-1-en als Edukte für die Synthese von 1-Brombutan.

 Zusatzinformation:

Löslichkeit des Apfel-Inhaltsstoffes F in Wasser (bei 20 °C): 0,6 g / 100 g Wasser

A 3: Mauvein - der erste synthetische Farbstoff

Vorgabe:

1856 war der erst 18-jährige Engländer William Henry Perkin auf der Suche nach einer Synthese des Malariamittels Chinin. Durch Zufall entdeckte er dabei einen purpurvioletten Farbstoff: Mauvein.

Ausgangsstoffe für die Synthese von Mauvein sind neben Anilin ortho- und para-Toluidin, die in zwei Reaktionsschritten hergestellt werden.

Im ersten Schritt erhält man durch Nitrierung von Toluol ortho- und para-Nitrotoluol. Das reaktive Teilchen (NO2+) für die Nitrierung wird hierbei aus Salpetersäure in Gegenwart von Schwefelsäure gebildet. Im zweiten Schritt erhält man dann die für die Mauveinsynthese benötigten Toluidine durch Umsetzung mit Eisen und Salzsäure.
Färbeversuche mit Mauvein auf Seide waren für damalige Verhältnisse äußerst erfolgreich und führten, im Gegensatz zu den bis dahin verwendeten natürlichen Farbstoffen, zu leuchtend und bleibend gefärbten Stoffen. Baumwolle ließ sich zwar mit Mauvein einfärben, die Farbe verblieb nach dem Waschen jedoch nicht auf der Faser.

Aufgabe:

1. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Struktur und Farbigkeit am Beispiel der Struktur des Mauvein-Kations. Zeichnen Sie dazu eine weitere mesomere Grenzstruktur. Geben Sie einen Bereich für das erwartete Absorptionsmaximum begründet an.
2. Erläutern Sie die Reaktionsschritte zur Herstellung von ortho- und para-Toluidin ausgehend von Toluol, auch anhand von Reaktionsgleichungen. Begründen Sie den Ort der Nitrierung. Begründen Sie mithilfe von Oxidationszahlen, warum es sich bei der Umsetzung von Nitrotoluol mit Eisen und Salzsäure um eine Reduktion von Nitrotoluol handelt.
3. Erläutern Sie anhand einer Skizze unter Verwendung einer vereinfachten Strukturformel des Mauvein-Kations, welche zwischenmolekularen Bindungen zwischen dem Farbstoff und der Seidenfaser ausgebildet werden können. Begründen Sie, warum eine Haftung auf Baumwolle nur sehr begrenzt möglich ist.

Zusatzinformation:

Stark vereinfachte schematische Darstellung eines Struturausschnittes

a) von Seidenfasern

b) von Baumwollfasern

Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe

A 4: Zahnbürsten aus den Kunststoffen PP, PA 612 und SBS

Vorgabe:

Für die Fertigung handelsüblicher Zahnbürsten werden verschiedene Kunststoffe eingesetzt.
Zahnbürstengriffe werden häufig aus Polypropen produziert. Polypropen kann durch Polymerisation von Propen hergestellt werden. In kunststoffverarbeitenden Betrieben erfolgt die thermoplastische Verformung von Polypropen-Granulat zu Zahnbürstengriffen. Derartige Griffe enthalten im Kopf ein Lochmuster, in das die Borsten eingesetzt werden.
Als Borstenmaterial wird u. a. ein Kunststoff mit der Bezeichnung PA 612 verwendet. PA 612 wird aus 1,6-Diaminohexan und Dodecandisäure hergestellt.

Um die Handhabung zu verbessern, wird im Zahnbürstengriff häufig eine gummiartige Griffleiste aus einem sogenannten thermoplastischen Elastomer eingepasst. Derartige Griffleisten können zum Beispiel aus den Monomeren Styrol und Buta-1,3-dien durch Polymerisati n zu sogenannten SBS-Dreiblockcopolymeren hergestellt werden. Diese bestehen aus zwei Polystyrol-Blöcken und einem Polybutadien-Block. Bei der Polymerisation von Buta-1,3-dien zu Polybutadien reagiert eine Doppelbindung pro Monomer-Molekül, sodass im Polybutadien-Block dann eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung pro Grundbaustein enthalten ist.

Zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften können Dreiblockcopolymere mit hydrierten Polybutadien-Blöcken synthetisiert werden (sogenanntes hydriertes SBS). In diesem Kunststoff aus hydriertem SBS beruht die Vernetzung der Makromoleküle auf Anziehungskräften zwischen nebeneinanderliegenden Polystyrol-Blöcken:

Aufgabe:

1. Geben Sie ein Reaktionsschema für die Polymerisation von Propen an. Erklären Sie den Begriff „Thermoplast“ am Beispiel von Polypropen. Erläutern Sie auf molekularer Ebene die Vorgänge der Weiterverarbeitung von Polypropen-Granulat zu Zahnbürstengriffen.
2. Entwickeln Sie eine Reaktionsgleichung für die Synthese von PA 612. Geben Sie hierzu begründet den Reaktionstyp sowie die Stoffklasse von PA 612 an. Erläutern Sie die Gebrauchseigenschaften einschließlich der Alterungserscheinungen von Zahnbürstenborsten aus PA 612 anhand der Molekülstruktur.
3. Entwickeln Sie einen charakteristischen Strukturformel-Ausschnitt für SBS-Dreiblockcopolymere. Erklären Sie, welche Wechselwirkungen zwischen SBS-Makromolekülen bestehen. Begründen Sie die elastischen Gebrauchseigenschaften von Griffleisten aus hydriertem SBS.

Zusatzinformation:

Granulat: gekörntes Material

Formeln:

Hydrierung von Polybutadien-Blöcken: Addition von Wasserstoff an Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen.

Lösung(13)