Aufgabe 5

Aufgabe I/1:

In einem geschlossenen Gefäß reagieren Chlor und Phosphortrichlorid miteinander zu Phosphorpentachlorid. Alle drei Stoffe sind oberhalb der Temperatur ϑ = 160 °C gasförmig.

1. Formulieren Sie hierfür die Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz.
2. Eine Stoffportion Phosphorpentachlorid der Masse m = 10,5 g wird in einem geschlossenen Behälter des Volumens V = 1,5 l erhitzt. Dabei zeigt sich, dass im Gleichgewichtszustand bei ϑ = 180 °C ein Anteil w = 40 % und bei ϑ = 250 °C ein Anteil w = 80 % des Phosphorpentachlorids zerfallen sind.
2.1 Verläuft der Zerfall des Phosphorpentachlorids exotherm oder endotherm? Begründen Sie Ihre Antwort.
2.2 Berechnen Sie die im Versuch eingesetzte Stoffmenge n0 an Phosphorpentachlorid sowie die bei ϑ = 180 °C im Behälter noch vorhandene Stoffmenge n1 an Phosphorpentachlorid. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante Kc für die Temperatur ϑ = 180 °C.
2.3 Bei konstanter Temperatur ϑ = 180 °C wird der Druck im Behälter durch Einpressen von Chlorgas erhöht. Welche Auswirkungen hat dies auf den Gleichgewichtszustand, welche Auswirkung auf die Gleichgewichtskonstante Kc? Begründen Sie Ihre Aussagen.
3 Die Bestimmung der Schmelztemperatur von Phosphorpentachlorid gelingt nur unter erhöhtem Druck im geschlossenen Gefäß. Erklären Sie diesen Sachverhalt.
4 Sowohl aus Phosphortrichlorid als auch aus Phosphorpentachlorid bildet sich an feuchter Luft ein stechend riechendes, farbloses Gas, welches Universalindikatorpapier rot färbt. Im ersten Fall entsteht zusätzlich phosphorige Säure (H₃PO₃), im zweiten Fall Phosphorsäure.
4.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die beiden Reaktionen und prüfen Sie, ob es sich dabei um Redoxreaktionen handelt.
4.2 Beschreiben Sie einen experimentellen Nachweis für das bei beiden Reaktionen entstehende Gas.

Aufgabe I/2:

1. Im Ernährungsplan für Diabetiker und Übergewichtige spielt Isomalt als Ersatzstoff für Saccharose eine Rolle. Ausgangsstoff für die Herstellung von Isomalt ist die Isomaltulose, die bei der enzymatischen Spaltung von Polysacchariden anfällt. Isomaltulose ist ein Disaccharid, bei dem ein a-D-Glucose-Molekül über das C-Atom 1 mit dem C-Atom 6 eines D-Fructose-Moleküls glycosidisch verknüpft ist.
1.1 Zeichnen Sie die Strukturformel eines Saccharosemoleküls nach Haworth.
1.2 Geben Sie für das Isomaltulosemolekül eine Strukturformel an, in welcher der Fructosebaustein offenkettig, der Glucosebaustein als Sechsring vorliegt.
2.1 Zur Herstellung von Isomalt wird Isomaltulose am C-Atom 2 des offen-kettigen Fructosebausteins katalytisch hydriert. Erklären Sie, weshalb bei dieser Reaktion zwei verschiedene isomere Hydrierungsprodukte entstehen und geben Sie deren strukturelle Unterschiede an.
2.2 Zeigen Sie in geeigneter Weise, dass es sich bei dieser Hydrierung um eine Redoxreaktion handelt.
3 Mit Saccharose, Isomaltulose und Isomalt wird jeweils die Fehling-Probe durchgeführt. Begründen Sie die zu erwartenden Beobachtungen.
4 Ein weiterer Zuckerersatzstoff mit 140mal stärkerer Süßkraft als Saccha-rose ist Aspartam. Es handelt sich dabei um den Methylester eines Dipeptids, welches aus den Aminosäurebausteinen Asparaginsäure (2-Amino¬butandisäure) und Phenylalanin (2-Amino-3-phenylpropansäure) aufgebaut ist.
4.1 Geben Sie die Strukturformel des Dipeptidmoleküls an, wobei die Peptidbindung zwischen der Aminogruppe des Phenylalanins und dem C-Atom 1 der Asparaginsäure ausgebildet wird. Zeichnen Sie die Strukturformel für das Aspartammolekül mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren. Die Veresterung erfolgt am Phenylalanin-Baustein.
4.2 Methylester von Aminosäuren eigenen sich im Gegensatz zu den freien Aminosäuren für gaschromatographische Untersuchungen. Erläutern Sie diesen Sachverhalt.

 Aufgabe II/1:

Polyurethane werden in vielfältiger Weise z. B. bei der Herstellung von Sportartikeln wie Skiern und Skischuhen verwendet.

1 Formulieren Sie einen sinnvollen Strukturformelausschnitt aus dem Polyurethanmolekül, das aus 1,4-Butandiol und Toluylen-2,6-diisocyanat hergestellt wird. Geben Sie den Reaktionstyp an, nach dem diese Synthese verläuft.

2 Welches Verhalten zeigt der in Aufgabe 1 hergestellte Kunststoff bei Temperaturerhöhung? Geben Sie dazu eine Erklärung.
3 Geben Sie die Strukturformel eines Alkohols an, der anstelle von 1,4-Butandiol zur Herstellung eines Polyurethans verwendet werden könnte, welches sich bei Temperaturerhöhung grundsätzlich anders verhält als der Kunststoff in Aufgabe 1. Begründen Sie Ihre Angabe und erklären Sie das Verhalten des so hergestellten Kunststoffs beim Erwärmen.
4 Polyurethanschäume erhält man, wenn man dem Reaktionsgemisch etwas Wasser zumischt. Die bei der Reaktion von Wasser mit Diisocyanat entstehenden Kohlenstoffdioxid-Gasblasen werden dabei in die Kunststoffmasse eingeschlossen. Formulieren Sie für diese Bildung von Kohlenstoffdioxid eine Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln.
5 Lässt man ein Gemsich aus verschiedenen Monomeren polymerisieren, so erhält man Copolymere.
5.1 Ein Copolymer wird aus Styrol und Ethen hergestellt. Geben Sie Strukturformeln der beiden Monomere an und zeichnen Sie einen Formelausschnitt, in dem die Monomerbausteine ständig wechseln (alternieren). Dieser Ausschnitt soll mindestens vier Bausteine umfassen.
5.2 Ein anderes Copolymer soll als Bausteine Styrol und 1,3-Butadien enthalten. Zeichnen Sie auch hier einen Formelausschnitt mit alternierenden Bausteinen. Dabei sollen nur die C-Atome 1 und 4 des Butadiens an der Verknüpfung beteiligt sein.
5.3 Erläutern Sie Aufbau und Eigenschaften von Elastomeren. Erklären Sie, wie aus dem in 5.2 angegebenen Copolymer ein Elastomer hergestellt werden kann.

Aufgabe II/2:

1. Früher wurde Ethin (Acetylen) aus Calciumcarbid (CaC2) und Wasser hergestellt. Heute gewinnt man Ethin bevorzugt durch Umsetzung von Methan im elektrischen Lichtbogen, wobei neben Ethin auch noch Wasserstoff entsteht.

1.1 Geben Sie für beide Verfahren jeweils eine Reaktionsgleichung an. Ver-wenden Sie dazu Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
1.2 Erläutern Sie den Bau und die Bindungsverhältnisse des Ethinmoleküls auf der Grundlage des Orbitalmodells.
2 Aus Ethin kann in Gegenwart eines Katalysators Benzol hergestellt wer-den. Wird in einer entsprechenden Synthese Propin anstelle von Ethin eingesetzt, so erhält man 1,3,5-Trimethylbenzol (Mesitylen). Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen beider Synthesen unter Verwendung von Strukturformeln.
3 Die Methylgruppen des Mesitylen reagieren bei Bestrahlung durch UV-Licht mit Brom.
3.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die unter dieser Bedingung ablaufende vollständige Bromierung von Mesitylen und berechnen Sie die Masse der Stoffportion Brom, die zur vollständigen Bromierung einer Mesitylenportion der Masse m = 10 g benötigt wird.
3.2 Formulieren Sie den dieser Bromierung von Mesitylen zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus.
4 Um Benzol mit Brom zur Reaktion zu bringen, Muss dem Reaktionsgemisch ein Katalysator zugefügt werden. Benennen und formulieren Sie den Mechanismus, nach dem die Bromierung von Benzol verläuft.

Aufgabe III/1:

Die Skizze stellt eine Elektrolysekammer des Membranverfahrens dar, das bei der technischen Chloralkalielektrolyse zunehmend das Amalgamverfahren ablöst. Membranverfahren und Amalgamverfahren liefern die gleichen Endprodukte. Vor Inbetriebnahme der Elektrolysekammer wird der Kathodenraum mit Wasser, der Anodenraum mit Kochsalzlösung gefüllt. Die Trennwand ist nun für Natriumionen durchlässig.

Skizze:

1 Formulieren Sie für alle an Kathode und Anode denkbaren Elektrodenvorgänge die Teilgleichungen. Geben Sie an, welche Vorgänge bei dieser Elektrolyse tatsächlich ablaufen. Begründen Sie Ihre Angabe.
2 Während der Elektrolyse werden Proben aus dem Anoden- und Kathodenraum entnommen und mit folgenden Reagenzien versetzt:
A Silbernitratlösung
B Kaliumiodidlösung
C Phenolphthaleinlösung
Nennen und erklären Sie die zu erwartenden Beobachtungen. Formulieren Sie für die Reaktionen mit den Reagenzien A und B gegebenenfalls Reak¬tionsgleichungen.
3 Berechnen Sie das Abscheidungspotential für den an der Kathode entstehenden Stoff unter der Annahme, dass sich der pH-Wert im Kathodenraum seit Beginn der Elektrolyse um drei Einheiten geändert hat.
4 Aus dem Anodenraum wird eine Probe mit dem Volumen V = 10 ml entnommen und mit Silbernitratlösung der Konzentration c = 1 mol/L titriert. Nach Zugabe von V = 31 ml dieser Silbernitratlösung ist die Reaktion beendet. Berechnen Sie die Masse m der in einem Liter dieser Lösung enthaltenen Kochsalzportion.
5 Fertigen Sie eine beschriftete Skizze für das Amalgamverfahren an. Welchen entscheidenden Vorteil hat das Membranverfahren gegenüber dem Amalgamverfahren?

Aufgabe III/2:

Salpetersäure wird auch heute noch nach einem im Jahre 1906 von W. OSTWALD entwickelten großtechnischen Verfahren hergestellt, das sich im wesentlichen in drei Schritte gliedert: In einem ersten Schritt (A) wird Ammoniak mit Luftsauerstoff bei 700 °C am Katalysator zu Stickstoffmonooxid und Wasser verbrannt. Stickstoffmonooxid reagiert mit überschüssigem Sauerstoff nach Abkühlung auf 200 °C sofort weiter zu Stickstoffdioxid (B). Stickstoffdioxidgas reagiert mit weiterem Sauerstoff und Wasser schließlich zu Salpetersäure (C). Bei der Ammoniakverbrennung kann in einer unerwünschten Nebenreaktion (D) Stickstoff anstelle von Stickstoffmonooxid entstehen.

1 Formulieren Sie für die Verfahrensschritte (A) bis (C) sowie für die Gegenreaktion (D) jeweils eine Reaktionsgleichung unter Angabe der Oxidationszahlen.
2 Berechnen Sie die Reaktionsenthalpien der miteinander konkurrierenden Reaktionen (A) und (D) mit Hilfe der angegebenen Tabellenwerte.
3 Geben Sie an, bei welchen der Verfahrensschritte (A) bis (C) eine Druckerhöhung sinnvoll ist, und begründen Sie Ihre Angabe.
4 Berechnen Sie für die Reaktion (B) die Temperatur, auf die mindestens abgekühlt werden Muss, um einen exergonischen Reaktionsverlauf zu erhalten.
5 Eine mittelgroße Anlage produziert pro Tag 500 t reine Salpetersäure. Berechnen Sie für Standardbedingungen das für eine Tagesproduktion Salpetersäure benötigte Ammoniak-Volumen.
6 Durch Einleiten von Ammoniakgas in Salpetersäure erhält man die meta-stabile Verbindung Ammoniumnitrat, die beim Erhitzen in exothermer Reaktion zu Distickstoffmonooxid und Wasser zerfallen kann. Geben Sie die Reaktionsgleichung für den Zerfall von Ammoniumnitrat an. Erläutern Sie den Begriff „metastabile Verbindung“.

Lösung(BW93)