Aufgabe 6

Aufgabe I/1:

1 Die beiden Gase Stickstoff und Wasserstoff reagieren unter bestimmten Voraussetzungen zu dem großtechnisch wichtigen Produkt Ammoniak.
1.1 Formulieren Sie die Reaktiongsgleichung und das zugehörige Massenwirkungsgesetz.
1.2 Die Gleichgewichtskonstante für die Ammoniaksynthese beträgt unter Standardbedingungen Kc = 4 * 10⁸ *l² * mol^–2. Bringt man jedoch in ein Gefäß Stickstoff und Wasserstoff ein und verschließt es, so ist auch nach einigen Tagen kein Ammoniak nachweisbar.
Erklären Sie diesen Sachverhalt.
1.3 Erläutern und begründen Sie die Maßnahmen, die beim Haber-Bosch-Verfahren getroffen werden, um die Ammoniak-Ausbeute zu optimieren.
2 Um die beim Betrieb von Großfeuerungsanlagen entstehenden Stickoxide zu beseitigen, kann Ammoniak eingesetzt werden. Eines der Reaktionsprodukte bei dieser Umsetzung ist elementarer Stickstoff.
2.1 Formulieren Sie dafür Reaktionsgleichungen und zeigen Sie, daß es sich hierbei um Redoxvorgänge handelt.
2.2 Berechnen Sie die Masse der Stickstoffdioxidportion, die durch die Stoffportion Ammoniak mit der Masse m = 1 t umgesetzt wird.
3 Zur Herstellung von Ammoniak im Labor leitet man zunächst Stickstoff über erhitztes Magnesium. Dabei bildet sich Magnesiumnitrid, das anschließend mit Wasser umgesetzt wird.
Formulieren Sie für diese Reaktionen die Reaktionsgleichungen.
4 Harnstoff (H₂N – CO – NH₂) wird in der Technik aus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid hergestellt
Formulieren Sie dazu eine Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
Begründen Sie die unterschiedliche Basizität von Ammoniak und Harnstoff.

Aufgabe I/2:

1 In natürlichen Eiweißen kommen die Aminosäuren Alanin, Cystein, Glutaminsäure, Leucin (2-Amino-4-methylpentansäure) und Threonin (2-Amino-3-hydroxybutansäure) in der L-Konfiguration vor.
1.1 Geben Sie die Strukturformeln der fünf Aminosäuren in der Fischerprojektion an und zeigen Sie, daß es zwei isomere L-Threonin-Moleküle gibt.
1.2 In Eiweißmolekülen gebundene Stickstoff- und Schwefelatome können nach einer Thermolyse als Ammoniak bzw. als Sulfidionen nachgewiesen werden.
Beschreiben Sie jeweils eine Nachweismethode und geben Sie die zugehöhrigen Reaktionsgleichungen an.
1.3 Haare bestehen nahezu ausschließlich aus dem Eiweiß Keratin. Dieses weist einen Massenanteil an Schwefel von w(S) = 5 % auf, der auf Cystein zurückzuführen ist.
Berechnen Sie den Massenanteil w der im Keratin gebundenen Cystein-bausteine.
1.4 Zwei Threonin-Moleküle können sowohl zu einem Dipeptid als auch zu einem Ester umgesetzt werden.
Formulieren Sie die Gleichungen für diese Reaktionen unter Verwendung von Strukturformeln.
2 Im Stoffwechsel vieler Lebewesen können α-Aminosäuren in die entsprechenden α-Oxocarbonsäuren (Carbonsäure mit Carbonylgruppe in α-Position) umgewandelt werden. Dabei entsteht z. B. aus der Aminosäure Alanin die 2-Oxopropansäure. Diese kann mit Hilfe von Sauerstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert werden.
2.1 Zeigen Sie, daß es sich bei der Umwandlung von Alanin in 2-Oxopropansäure um eine Oxidation handelt.
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die vollständige Oxidation von 2-Oxopropansäure.
2.2 Begründen Sie, weshalb Alanin bei Zimmertemperatur als Feststoff, 2-Oxopropansäure dagegen als Flüssigkeit vorliegt.
Geben Sie außerdem an, wie die wäßrigen Lösungen beider Stoffe experimentell unterschieden werden können.

Aufgabe II/1:

Wegen besserer Umweltverträglichkeit und Wiederverwertbarkeit lösen Polyethen (PE), Polypropen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET) zunehmend traditionelle Kunststoffmaterialien wie Polyvinylchlorid (PVC) ab.

1 Geben Sie jeweils einen sinnvollen Ausschnitt aus den Strukturformeln von PE-, PP- und PVC-Makromolekülen an.
Erläutern Sie, warum PE und PP bei der Verbrennung umweltverträgli­cher sind als PVC.

2 Ein Verfahrensschritt bei der Wiederverwertung von PP ist die Ther­molyse. Dabei entsteht das Monomere des PP, ein farbloses Gas, das Bromdampf entfärbt.

2.1 Geben Sie für das Monomere des PP die Struktorformel an, erläutern Sie anhand des Orbitalmodells die Bindungsverhältnisse und beschreiben Sie die räumliche Struktur des Moleküls.

2.2 Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für die Reaktion des Mono­meren mit Brom.

3 Der Synthese von PE, PP und PVC liegt ein gemeinsamer Reaktionsme­chanismus zugrunde.
Benennen und formulieren Sie diesen am Beispiel der Synthese von PVC.

4 PET ist ein Polyester mit p-Benzoldicarbonsäure (Terephthalsäure) als einem Baustein.
Geben Sie den Namen und die Strukturformel des zweiten Bausteins an sowie einen Formelausschnitt, der den Bau des Polyestermoleküls erkennen läßt.

5 PET ist ein thermoplastischer Kunststoff. Durch Abwandlung je eines der Monomeren können duroplastische Polyester hergestellt werden.
Geben Sie für beide Fälle jeweils eine denkbare Strukturformel eines sol­chen Monomeren an und begründen Sie.

Aufgabe II/2:

1 Bei der Herstellung von Phenol wird Chlorbenzol als Ausgangsstoff benötigt. Dieses kann in einer exothermen Reaktion durch Chlorierung von Benzol gewonnen werden.
1.1 Geben Sie die Reaktionsbedingungen für diese Chlorierung an. Benennen und formulieren Sie den Mechanismus dieser Reaktion.
Skizzieren Sie ein beschriftetes Enthalpiediagramm zu diesem Reaktions-mechanismus.
1.2 Chlorbenzol reagiert unter erhöhtem Druck mit wäßriger Natriumhydroxidlösung zu Phenol.
Formulieren Sie dazu eine Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.

2 Bei Raumtemperatur ist Chlorbenzol flüssig. Geben Sie eine Erklärung für die unterschiedlichen Aggregatzustände von Chlorbenzol und Phenol bei Raumtemperatur.

3 Phenol reagiert mit Salpetersäure unter anderem zu Mononitrophenolen.
3.1 Geben Sie die Strukturformeln aller Mononitrophenole an, die bei dieser Reaktion entstehen können und benennen Sie diese.
Vergleichen Sie außerdem die Säurestärke eines dieser Mononitrophenole mit der von Phenol.
3.2 Welche der in 3.1 genannten Isomere entstehen bevorzugt? Begründen Sie Ihre Aussagen mit Hilfe mesomerer Grenzformeln.
3.3 Vergleichen Sie die Reaktivität von Chlorbenzol und Phenol bei der Nitrierung. Begründen Sie.

4 Zur Nitrierung von Benzol benötigt man Nitriersäure.
Geben Sie die Zusammensetzung von Nitriersäure an und erläutern Sie die Entstehung des reagierenden elektrophilen Teilchens mit Hilfe einer Reaktionsgleichung.

Aufgabe III/1:

1 Ein häufig verwendeter Werkstoff ist Aluminium. Es ist duktil und kann beispielsweise zu Folien von nur 0,004 mm Dicke ausgehämmert werden.
Erklären Sie diese Eigenschaften mit Hilfe eines Modells für die Bindungsverhältnisse in einem Metall.

2 Für Verpackungszwecke wird Reinstaluminium benötigt, das man aus Hüttenaluminium (mit den Verunreinigungen Zink, Eisen, Mangan, Kupfer) durch elektrolytische Raffination herstellt. Sie findet als eine Dreischichten-Elektrolyse bei einer Temperatur von ϑ = 750 °C statt. Die unterste Schicht, flüssiges Hüttenaluminium, dient als eine Elektrode. Darüber liegt die zweite Schicht, eine Elektrolytschmelze aus Aluminiumfluorid, Bariumchlorid, Natriumfluorid und Natriumchlorid. Die oberste Schicht bildet das flüssige Reinstaluminium. Diese stellt gleichzeitig die andere Elektrode dar.
2.1 Das für die Elektrolytschmelze benötigte Aluminiumfluorid wird durch Umsetzung von Aluminiumoxid mit Fluorwasserstoff hergestellt.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und geben Sie den Reaktionstyp an.
2.2 Geben Sie für diese Raffination die Polung der Elektroden und die Gleichungen der an den Elektroden ablaufenden Reaktionen an.
2.3 Begründen Sie, warum bei diesem Prozeß aus dem verunreinigten Hüttenaluminium Reinstaluminium entsteht.

3 Zur Vermeidung von Korrosionsschäden wird Aluminium eloxiert.
Erläutern Sie anhand einer beschrifteten Skizze das Eloxal-Verfahren und formulieren Sie die Gleichungen für die an den Elektroden ablaufenden Teilreaktionen.
Weshalb ist das Werkstück nach dieser Behandlung vor Korrosion geschützt?

4 Aluminium ist ein wichtiges Reduktionsmittel, mit dem andere Metalle aus ihren Oxiden hergestellt werden können.
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Gewinnung von Eisen aus Eisenoxid mit der Formel Fe₃O₄. Berechnen Sie die Masse der Aluminiumportion, die eingesetzt werden muß, um eine Stoffportion Eisen mit der Masse m (Fe) = 250 g zu gewinnen.

Aufgabe III/2:

1 Beim Apollo-Raumfahrtprogramm wurden Raketen eingesetzt, die flüssiges Hydrazin (N₂H₄) als Treibstoff enthielten. Bei der Umsetzung von Hydrazin mit Sauerstoff entstehen ausschließlich Stickstoff und Wasserdampf.
1.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung dieser Reaktion. Verwenden Sie Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
1.2 Berechnen Sie mit Hilfe der angegebenen Tabellenwerte die Reaktionsenthalpie Δ HR dieser Reaktion und begründen Sie die zu erwartende Entropieänderung.

2 Die Bildungsenthalpie von Hydrazin kann experimentell nicht direkt ermittelt werden. Sie läßt sich jedoch aus den Verbrennungsenthalpien für Hydrazin und für Wasserstoff berechnen.
Zeigen und begründen Sie die Schritte dieser Berechnung.

3 Als Sauerstoffquelle für die Verbrennung von Hydrazin kann auch Wasserstoffperoxid verwendet werden. Dabei entstehen ebenfalls ausschließlich Stickstoff und Wasserdampf.
3.1 Geben Sie für diese Reaktion eine Reaktionsgleichung mit Oxidationszahlen an.
3.2 Berechnen Sie die Wärmemenge Q, die bei der Umsetzung von Hydrazin und Wasserstoffperoxid frei wird, wenn die Stoffe im stöchiometrischen Verhältnis miteinander reagieren und ihre Gesamtmasse m = 1 kg beträgt.

4 Bei der Landefähre des Apollo-Unternehmens wurde der Treibstoff Hydrazin mit Distickstofftetraoxid umgesetzt.
4.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und berechnen Sie die Freie Reaktionsenthalpie dieser Reaktion für Standardbedingungen.
4.2 Distickstofftetraoxid zerfällt in endothermer Reaktion in Stickstoffdioxid. Durch welche Maßnahmen läßt sich dieser Zerfall einschränken?
Begründen Sie.

Lösung(BW94)