Aufgabe 7

Aufgabe  I/1:

Eine Voraussetzung für die Bildung von Karsthöhlen in Kalkgesteinen ist das Lösen von Kohlenstoffdioxid in Niederschlagswasser. Dieses Kohlenstoffdioxid kommt zum kleineren Teil aus der Luft, zum größeren Teil aus den obersten Bodenschichten. Das kohlenstoffdioxid-gesättigte Sickerwasser löst in einer Gleichgewichtsreaktion Kalk (Calciumcarbonat) unter Bildung von Hydrogencarbonat-Ionen.

1 Formulieren Sie für diese Auflösung des Kalks eine Reaktionsgleichung.

2 Deckentropfsteine aus Kalk bilden sich dort, wo das Sickerwasser in die kohlenstoffdioxidärmere Höhlenluft austritt.
Erklären Sie, wie es zum Auskristallisieren von Calciumcarbonat kommt.
Welchen Einfluss hätte eine langfristige Erhöhung der Höhlentemperatur auf das Ausmaß der Tropfsteinbildung unter der Berücksichtigung, dass das Lösen von Kohlenstoffdioxid in Wasser ein exothermer Vorgang ist?

3 Bei der Reaktion von Kohlenstoffdioxid mit Wasser entsteht in geringen Mengen die zweiprotonige Kohlensäure. Der pKS-Wert für die 1. Protolysestufe beträgt 6,5.
3.1 Formulieren Sie für die Bildung der Kohlensäure sowie für die 1. und 2. Protolysestufe die Reaktionsgleichungen.
3.2 Berechnen Sie ausgehend vom Massenwirkungsgesetz für die 1. Protolysestufe näherungsweise den pH-Wert einer Kohlensäure-Lösung mit der Konzentration c = 0,01 mol * l^-1. Dabei soll die 2. Protolysestufe vernachlässigt werden.

4 Eine Wasserprobe, in der Kohlenstoffdioxid und Hydrogencarbonat-Ionen gelöst sind, hat einen pH-Wert von etwa 7. Fügt man zu dieser Probe etwas verdünnte Salzsäure oder Natronlauge zu, so ändert sich der pH-Wert kaum. Bei Zugabe einer größeren Portion Salzsäure kommt es schließlich zu einer Gasentwicklung.
Erklären Sie diese beiden Phänomene und geben Sie die zugehörige Reaktionsgleichung an.

5 Beim Kalkbrennen wird Kalk längere Zeit auf über 950 °C erhitzt. Dabei entsteht Calciumoxid. Dieses wird anschließend mit Wasser zu Gelöschtem Kalk umgesetzt.
Geben Sie für beide Vorgänge die Reaktionsgleichung an. Berechnen Sie die Masse mK(Kalkstein), die man benötigt um mL = 100 kg Gelöschten Kalk herzustellen, wenn der Kalkstein w = 90 % Calciumcarbonat enthält.

Aufgabe I/2:

1 Chitin, der makromolekulare Gerüststoff  der Krebse und Insekten, ist aus Acetyl-glucosamin-Bausteinen aufgebaut. Diese sind β-1,4-glycosidisch verknüpft.
1.1 Zeichnen Sie einen Formelausschnitt des Chitins in Haworth-Schreibweise, der zwei Bausteine umfasst.
1.2 Zeichen Sie ein Acetylglucosamin-Molekül in offenkettiger Fischer-Projektion und kennzeichnen Sie die asymmetrischen-C-Atome.
Entscheiden Sie, ob das angegebene Acetylglucosamin in die Reihe der D- oder L-Zucker gehört und erläutern Sie Ihre Entscheidung.
1.3 Vergleichen Sie die Anzahl der asymmetrischen C-Atome in der Kettenform mit der Anzahl der asymmetrischen C-Atome in der Ringform des Acetylglucosamin-Moleküls und begründen Sie Ihre Aussage.

2 Bei der Hydrolyse des Acetylglucosamins entstehen ein Zuckerderivat und eine Säure.
2.1 Formulieren Sie für diese Hydrolyse eine Reaktionsgleichung und geben Sie den Namen der Säure an.
2.2 Aus dem Produktgemisch lässt sich die Säure durch Destillation entfernen.
Begründen Sie dies mit Hilfe der Struktur der Teilchen.

3 In Celluloseacetat sind Hydroxylgruppen der Cellulose mit Ethansäure verestert. Bei der Hydrolyse von 57,6 g dieses Esters erhält man neben Cellulose auch 36 g Ethansäure.
3.1 Zeichnen Sie einen Strukturformelausschnitt eines Celluloseacetatmoleküls.
3.2 Berechnen Sie die Anzahl der Estergruppen pro Glucosebaustein.

Aufgabe II/1:

1 Phenol ist eine organische Säure, die von F. F. Runge 1834 erstmals aus Steinkohlenteer isoliert wurde. Heute ist Phenol ein wichtiger Ausgangsstoff für die Herstellung zahlreicher organischer Verbindungen.
1.1 Zeichnen Sie eine Strukturformel des Phenolmoleküls mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
Beschreiben Sie den Bau des Phenolmoleküls und erläutern Sie diesen mit Hilfe des Orbitalmodells.
1.2 Zeichnen Sie die Grenzformeln des Phenolat-Ions.

2 Salicylsäure (2-Hydroxybenzolcarbonsäure) ist ein Derivat des Phenols. Dieser Stoff kommt in der Rinde von Weiden (Salix) vor. Seine schmerzstillende Wirkung war bereits Hippokrates (460 – 377 v. Chr.) bekannt.
Technisch wird Salicylsäure nach dem Kolbe-Schmitt-Verfahren gewonnen. Hierbei wirkt in einem ersten Reaktionsschritt Kohlenstoffdioxid auf trockenes Natriumphenolat bei einer Temperatur von 120 – 140 °C und bei erhöhtem Druck ein. In einem zweiten Reaktionsschritt wird das entstandene Zwischenprodukt mit Salzsäure umgesetzt.
2.1 Benennen, formulieren und erläutern Sie den Reaktionsmechanismus, der dem ersten Reaktionsschritt zugrunde liegt. Verwenden Sie dabei Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
2.2 Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für den zweiten Reaktionsschritt.

3 Bei der Suche nach einem wirksamen Rheumamittel veresterte F. Hoffmann 1897 Salicylsäure mit Essigsäure (Ethansäure) und fand so den Wirkstoff des Schmerzmittels Aspirin^®, von dem heute jährlich über 40 000 t hergestellt werden. Auch der Ester aus Salicylsäure und Phenol ist eine pharmakologisch wirksame Substanz.
3.1 Zeichnen Sie die Strukturformeln der beiden Ester mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
3.2 Berechnen Sie die Massen der Stoffportionen der Edukte, die für die obige Jahresproduktion an Aspirin^® benötigt werden.

4 Salicylsäure könnte ebenso als Ausgangsstoff für die Synthese eines Kunststoffes eingesetzt werden.
Zeichnen Sie einen sinnvollen Strukturformelausschnitt aus dem Makromolekül und geben Sie an, zu welcher Stoffklasse dieser Kunststoff gehört.

Aufgabe II/2:

1 Acrylsäure (Propensäure) wird technisch durch katalytische Oxidation von Propen mit Luftsauerstoff hergestellt. Als Zwischenprodukt entsteht hierbei Acrolein (Propenal).
1.1 Formulieren Sie die zugehörigen Reaktionsgleichungen unter Verwendung von Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
1.2 Erläutern Sie unter Verwendung von Oxidationszahlen, dass es sich hier-bei um Redoxreaktionen handelt.

2 Acrylsäure reagiert bei Raumtemperatur spontan mit Brom. Hierbei entsteht ein Gemisch aus zwei Isomeren.
2.1 Formulieren Sie für diese Reaktion eine Reaktionsgleichung.
Zeichnen Sie geeignete Formeln, die den Unterschied zwischen den beiden Isomeren erkennen lassen, und geben Sie die eindeutigen Namen der Isomeren an.
2.2 Benennen und formulieren Sie den Mechanismus dieser Reaktion.

3 Beim Stehenlassen an der Luft oder durch Einwirkung einer Startersubstanz polymerisiert Acrylsäure zu einer wasserlöslichen Masse, die z. B. als Salbengrundlage verwendet wird.
3.1 Formulieren Sie einen Reaktionsmechanismus für die Polymerisation von Acrylsäure.
Zeichnen Sie einen geeigneten Strukturformelausschnitt aus dem Makromolekül.
3.2 Erläutern Sie, warum sich Polyacrylsäure in Wasser löst.

4 In sogenannten „Ultra“-Windeln werden pulverförmige quellbare Polymere verwendet, die ein Vielfaches ihres Eigengewichtes an Wasser aufnehmen können und dabei ihre Partikelform behalten. Ein solcher Superabsorber kann aus Polyacrylsäure und einer geeigneten Menge von 1,4-Butandiol hergestellt werden.
4.1 Zeichnen Sie einen geeigneten Strukturformelausschnitt aus dem Makromolekül eines Superabsorbers.
4.2 Erläutern Sie die Eigenschaften (Wasseraufnahmevermögen, Formstabilität) des Superabsorbers.
Wie verändern sich diese Eigenschaften bei einer Erhöhung des Anteils an Butandiol?

Aufgabe III/1:

Blei findet seit Jahrtausenden vielfältige Verwendung. Heute werden jährlich fast fünf Millionen Tonnen Blei gewonnen.
1 Im Röstreduktionsverfahren wird Bleiglanz (Blei(II)-sulfid) im Luftstrom bei höherer Temperatur geröstet. Hierbei entsteht unter anderem Blei(II)-oxid, das in einem weiteren Prozeßschritt mit Kohlenstoffmonooxid zu flüssigem Blei reagiert.
1.1 Formulieren Sie für die beiden Vorgänge Reaktionsgleichungen und zeigen Sie, dass es sich dabei um Redoxreaktionen handelt.
1.2 Das als unerwünschtes Nebenprodukt entstehende Schwefeldioxid muss aus der Abluft entfernt werden.
Beschreiben Sie dafür ein technisches Verfahren.

2 In den Knochen römischer Soldaten in Britannien wurde ein überraschend hoher Bleigehalt festgestellt, der auf die Verwendung von bleihaltigem Essgeschirr zurückgeht. Entscheiden Sie, ob z. B. ein Essig, der w = 6 % Ethansäure enthält,
A mit elementarem Blei oder
B mit oberflächlich entstandenem Blei(II)-oxid reagiert haben kann.
Formulieren Sie zu beiden Überlegungen Reaktionsgleichungen und entscheiden Sie unter Zuhilfenahme Ihrer Tabelle, welcher Vorgang für das Entstehen löslicher Bleisalze verantwortlich sein kann.

3 Metallisches Blei ist im Gegensatz zu Kochsalzkristallen leicht verformbar.
Geben Sie dafür eine Erklärung.

4 Bei einem Versuch soll Schwefelsäure an Bleielektroden elektrolysiert werden. Diese überziehen sich beim Eintauchen mit einer weißen Schicht. Im Verlauf der Elektrolyse, die bei einer Spannung U = 5 V durchgeführt wird, ändert sich die Farbe der Elektroden; gleichzeitig tritt an ihnen eine Gasentwicklung auf.
4.1 Erklären Sie das Auftreten der weißen Schicht und formulieren Sie hierzu eine Reaktionsgleichung.
4.2 Erklären Sie die Farbänderungen und die Gasentwicklungen während der Elektrolyse mit Hilfe von Gleichungen und ordnen Sie die Vorgänge jeweils den Elektroden zu.

Aufgabe III/2:

Die Gewinnung von Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenenergie ist seit langem Gegenstand vieler Forschungsprojekte. Ziel ist es, den so gewonnenen Solar-Wasserstoff als umweltfreundlichen Energieträger zu nutzen.
1 In elektrische Energie umgewandelte Sonnenenergie kann z. B. zur Elektrolyse einer Kaliumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,1 mol . l^–1 eingesetzt werden.
Formulieren Sie die Gleichungen der an den Elektroden ablaufenden Reak¬tionen und der Gesamtreaktion.
Berechnen Sie die Zersetzungsspannung ohne Berücksichtigung von Überspannungen.

2 Bei einem anderen Verfahren wird im ersten Reaktionsschritt Schwefelsäure unter Einsatz von Sonnenenergie bei ϑ = 800 °C zersetzt. Dabei entstehen Schwefeldioxid, Wasser und Sauerstoff (Reaktion A). Schwefeldioxid reagiert anschließend mit Iod und Wasser zu Iodwasserstoff und Schwefelsäure (Reaktion B). Der Zerfall des Iodwasserstoffs in die Elemente liefert dann den Wasserstoff (Reaktion C).
2.1 Formulieren Sie für die Reaktion A, B und C jeweils eine Reaktionsgleichung und fassen Sie diese zu einer Gesamtgleichung zusammen.
2.2 Zeigen Sie unter Verwendung der angegebenen Tabellenwerte, dass Reaktion A bei ϑ = 800 °C exergonisch verläuft.

4 Solar-Wasserstoff könnte z. B. in Kraftfahrzeugen anstelle von Benzin eingesetzt werden.
Vergleichen Sie beide Brennstoffe hinsichtlich ihrer Schadstoff-Emissionen.