Aufgabe 2

Aufgabe I/1:

1. Gegeben sind die folgenden organischen Stickstoffverbindungen:

A: Aminobenzol
B: 1-Aminopropan
C: D-2-Aminopropansäure
D: L-Glutaminsäure

1.1: Zeichnen Sie für die Stoffe A bis D jeweils eine Strukturformel mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.

1.2: Bei Zimmertemperatur ist einer der Stoffe A bzw. C flüssig, der andere fest. Ordnen Sie zu und begründen Sie Ihre Antwort.

1.3: Die Stoffe B bzw. D werden mit destilliertem Wasser versetzt. Formulieren Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen.

1.4: Berechnen Sie den pH-Wert einer wäßrigen Aminobenzollösung der Konzentration c = 0,001 mol*l^-1. Ist der pH-Wert einer gleichkonzentrierten wäßrigen Lösung des Stoffes B kleiner oder größer als derjenige der Aminobenzollösung? Begründen Sie Ihre Aussage.

1.5: Eine kleine Stoffportion L-Glutaminsäure wird in Salzsäure mit pH = 1 gelöst und die Lösung durch Zugabe von Natronlauge schrittweise bis auf pH = 13 gebracht. Geben Sie die Strukturformeln für vier der dabei auftretenden Formen von L-Glutaminsäureteilchen an. Kennzeichnen Sie darunter diejenigen, welche bei pH = 1 bzw. bei pH = 13 überwiegen.

2: Im Protein ist die folgende Aminosäuresequenz enthalten: – Cys – Ala –Ala – Lys –

2.1: Beschreiben Sie eine Nachweisreaktion für Proteine.

2.2 Zeichnen Sie die Strukturformel des oben angegebenen Ausschnitts.

Aufgabe I/2:

1 Zu den Pentosen gehören die D-Xylose, die D-Ribose und die L-Ribose. Dabei unterscheidet sich die D-Xylose von der D-Ribose durch die Stellung der Hydroxylgruppe am zweiten asymmetrischen Kohlenstoffatom.
1.1 Zeichnen Sie diese drei Pentosen in der Fischer-Projektion und erklären Sie die Begriffe D- und L-Form am Beispiel der Ribose.
1.2 In wäßriger Lösung liegen Moleküle der D-Xylose sowohl in 6-Ring- Struktur (Pyranoseform) als auch in 5-Ring-Struktur (Furanoseform) vor. Zeichnen Sie alle möglichen Ringstrukturen der D-Xylose in Haworth- Projektion und kennzeichnen Sie darunter die α-Formen.
1.3 Mit D-Xylose verläuft die Fehlingsche Probe positiv, während die Probe mit Schiffs-Reagenz (fuchsinschweflige Säure) negativ ausfällt. Erläutern und begründen Sie diesen Sachverhalt.
2 Vorwiegend aus Cellulose aufgebaute Naturfasern weisen eine relativ hohe mechanische Festigkeit auf.
2.1 Erklären Sie diese Eigenschaften mit Hilfe des Aufbaus der Cellulose. Geben Sie dazu einen Ausschnitt aus der Molekülformel der Cellulose an.
2.2 Cellulose wird hydrolysiert. Das Hydrolysat enthält unter anderem ein Disaccharid, die Cellobiose. Zeichnen Sie die Strukturformel der Cellobiose in Haworth-Projektion und erläutern Sie, wodurch sich die Cellobiose vom Disaccharid Maltose unterscheidet.

Aufgabe II/1:

1. Naphthalin ist eine mehrkernige aromatische Kohlenwasserstoffverbindung.

1.1: Erklären Sie mit Hilfe des Orbitalmodells die Bindungsverhältnisse im Naphthalinmolekül. Geben Sie dazu auch eine geeignete Strukturformel an und erläutern Sie den Begriff „mehrkernig“.

1.2: In Tetrachlormethan gelöstes Naphthalin kann wie Benzol mit Brom zur Reaktion gebracht werden, indem man etwas Eisenpulver zugibt und erwärmt. Formulieren Sie hierzu eine Reaktionsgleichung und begründen Sie, warum diese Reaktion im Abzug durchgeführt werden muß.

1.3: Formulieren Sie unter Verwendung von Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren den Reaktionsmechanismus der Bildung von Monobromnaphthalin unter den bei 1.2 genannten Versuchsbedingungen. Geben Sie die Strukturformeln aller möglichen Strukturisomeren des Monobromnaphthalins an.

2.  Strukturisomere erhält man ebenfalls bei der Monobromierung von Phenol. Diese Reaktion läuft in wäßriger Lösung auch ohne Zugabe von Eisenpulver spontan ab.

2.1: Formulieren Sie hierzu eine Reaktionsgleichung und erläutern Sie anhand von Strukturformeln den Reaktionsablauf. Begründen Sie, warum die Reaktion ohne Katalysator abläuft.

2.2 Benennen sie alle Strukturisomeren des Monobromphenols und zeichnen Sie dazu die Strukturformeln der Moleküle. Welche dieser Isomeren werden bei dieser Reaktion bevorzugt gebildet? Begründen Sie Ihre Aussage.

Aufgabe II/2:

1- In manchen Allesklebern ist Polyvinylacetat enthalten. In einer elektrophilen Addition entsteht sein Monomer Vinylacetat aus Ethin (Acetylen) und Ethansäure.

1.1 Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für die Bildung des Vinylacetats unter Verwendung von Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
1.2 Erläutern Sie, wie aus dem Monomeren Vinylacetat das Polyvinylacetat-Makromolekül entsteht. Geben Sie den Reaktionstyp an und skizzieren Sie einen charakteristischen Ausschnitt aus dem Makromolekül. Wie verhält sich das Polyvinylacetat beim Erhitzen?
1.3 Technisch wird ein großer Teil des Polyvinylacetats durch Hydrolyse in Polyvinylalkohol umgewandelt, wobei das Kettengerüst erhalten bleibt. Geben Sie für die bei der Hydrolyse entstehenden Teilchen die Strukturformel bzw. einen geeigneten Strukturformelausschnitt mit allen bindenden und nicht-bindenden Elektronenpaaren an.

3. Als chirurgisches Nähmaterial wird ein Kunststoff verwandt, dessen Makromoleküle durch folgenden Formelausschnitt dargestellt werden:

Er wird durch Enzyme hydrolytisch zu körperunschädlichen Stoffen abgebaut, wodurch ein späteres Ziehen der Fäden entfällt.
3.1 Klassifizieren Sie diesen Kunststoff nach Aufbau und nach dem Reaktionstyp seiner Entstehung aus den Monomeren.
3.2 Geben Sie die Strukturformeln der bei der Hydrolyse dieses Kunststoffs entstehenden Abbauprodukte in Fischer-Projektion an und benennen Sie diese.

Aufgabe III/1:

1. Mit gleichen Stoffportionen einer Wasserstoffperoxid-Lösung werden zwei Experimente durchgeführt:
Versuch A: Die Wasserstoffperoxid-Lösung wird mit einer Spatelspitze Braunstein (Mangan(IV)-oxid) versetzt. Außer einer Gasentwicklung ist nichts zu beobachten.
Versuch B: Die Wasserstoffperoxid-Lösung wird zu schwefelsaurer Kaliumpermanganat-Lösung gegeben; diese wird entfärbt und es entsteht eine doppelt so große Gasportion wie in A.
1.1 Erläutern Sie die unterschiedliche Rolle, die die eingesetzten Manganver-bindungen spielen und formulieren Sie für beide Reaktionen jeweils die Reaktionsgleichung mit Oxidationszahlen.
1.2 Die in Versuch B ablaufende Reaktion wird bei der Waschmittelanalyse genutzt zur Bestimmung des Gehalts an Natriumperborat (NaBO₂ * H₂O₂ * 3 H₂O). Dabei werden bei der Titration einer Waschmittelprobe mit schwefelsaurer Kaliumpermanganat-Lösung der Konzentration c(MnO₄^-) = 0,02 mol*l^-1 26 ml dieser Lösung verbraucht.
Berechnen Sie die Stoffmenge n des in der Probe enthaltenen Natriumperborats in Mol sowie seine Masse.
Geben Sie an, wie man den Endpunkt der Titration feststellt.
 2.Wasserstoffperoxid-Lösung kann bei Verwendung einer Palladium-Elektrode als Sauerstofflieferant in Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Skizzieren und erläutern Sie den Aufbau einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle mit Wasserstoffperoxid-Halbzelle.
Geben Sie die Elektrodenreaktionen an.
3. Kombiniert man zwei Wasserstoffperoxid-Halbzellen gleicher Konzentration miteinander, so erhält man ein elektrochemisches Element mit der Spannung U = 0 Volt.
3.1 Berechnen Sie das Potential einer solchen Halbzelle für die Wasserstoffperoxidkonzentration c(H₂O₂) = 1 mol*l^-1. Führen Sie die Rechnung für eine Sauerstoffelektrode durch; benutzen Sie außerdem pH = 7.
3.2 Erläutern Sie, wie man aus diesem elektrochemischen Element ein Konzentrationselement erhalten kann, ohne Wasser oder Wasserstoffperoxid zuzugeben.
Anmerkung zu 3.1: Führen Sie die Rechnung für eine Sauerstoffelektrode durch, benutzen Sie außerdem pH=7.

Aufgabe III/2:

1. Seit 1867 wird in einem Verfahren nach A. W. v. Hofmann Methanal (Formaldehyd) großtechnisch bei 600 °C – 700 °C aus Methanol hergestellt, wobei Silbernetze als Katalysatoren wirken. Dabei wird ein Teil des Methanols direkt zu Formaldehyd dehydriert. Der entstehende Wasserstoff reagiert am Katalysator mit dem Sauerstoff der Luft.
1.1 Formulieren Sie die Gleichungen der Teilreaktionen und die Bruttoglei-chung der Gesamtreaktion.
Zeigen Sie, dass dabei Methanol oxidiert wird.
1.2 Begründen Sie, wie man die Ausbeute an Formaldehyd vergrößern kann.
1.3 Für die Reaktion von 1 mol Methanol mit Sauerstoff zu Formaldehyd und Wasser gilt: ΔH_R⁰= – 159 kJ*mol^-1.
Berechnen Sie die molare Standardbildungsenthalpie von Wasser mit Hilfe der gegebenen Werte (siehe Tabelle unten).
1.4 Für die Dehydrierung von 1 mol Methanol zu Methanal und Wasserstoff ist die Reaktionsenthalpie ΔH_R⁰ = + 85 kJ.
Zeigen Sie, daß die Reaktion bei 600 °C exergonisch ist.
(ΔH_R⁰ , ΔG_R⁰ und S⁰ werden als temperaturunabhängig angenommen.)

2. Methanal läßt sich zu Methansäure oxidieren. Welcher der beiden Stoffe hat die höhere Siedetemperatur? Begründen Sie Ihre Aussage.

3. Ameisensäure ist Bestandteil von gebräuchlichen Entkalkungsmitteln.  Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Umsetzung der Ameisensäure mit dem Kalk. Begründen Sie, warum Ameisensäure den Kalk auflöst.

Lösung(BW90)