Aufgabe 8

Aufgabe I/1:

1 Benzoesäure verhindert Gärung und Fäulnis von Nahrungsmitteln und wird daher als Konservierungsmittel (E 210) eingesetzt. Ihre technische Herstellung erfolgt durch katalytische Oxidation von Toluol mit Luftsauerstoff.
Formulieren Sie für diese Reaktion eine Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren. Begründen Sie mit Hilfe von Oxidationszahlen, dass es sich dabei um eine Redoxreaktion handelt.

2 In einem Versuch 1 wird eine Stoffportion Benzoesäure mit der Masse m = 0,244 g in einen Meßkolben gegeben, der mit Wasser auf ein Volumen von V = 200 ml aufgefüllt wird.
2.1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Protolyse der Benzoesäure, und stellen Sie das zugehörige Massenwirkungsgesetz auf.
Berechnen Sie den pH-Wert der Benzoesäurelösung aus Versuch 1.
2.2 Erhöht man die Temperatur der Lösung, so steigt deren pH-Wert.
Erläutern Sie, welche Veränderung der Wert der Säurekonstanten der Benzoesäure dabei erfährt.
2.3 Geben Sie an, welche Reaktion im Protolysengleichgewicht der Benzoesäure exotherm ist. Begründen Sie Ihre Angabe.

3 In einem Versuch 2 sollen unter Verwendung von Natriumbenzoat und Salzsäure mit einer Konzentration von c(HCl) = 1 mol * l^-1 die gleichen Gleichgewichtskonzentrationen wie in Versuch 1 erreicht werden.
Geben Sie die für die Herstellung von 200 ml Lösung notwendige Stoffmenge n(Natriumbenzoat) an und berechnen Sie das einzusetzende Volumen V(Salzsäure).

4 Aus geschmacklichen Gründen werden anstelle der Benzoesäure heute oft die sogenannten „PHB-Ester“ (E 216) als Konservierungsmittel eingesetzt.
Zeichnen Sie die Strukturformel des p-Hydroxy-benzoesäure-propylesters mit allen bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.

5 In einem Experiment soll der Reaktionsverlauf der Hydrolyse eines Esters am Beispiel des Methansäuremethylesters untersucht werden.
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung, und beschreiben Sie eine zur Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit dieser Esterspaltung geeignete experimentelle Vorgehensweise.
Skizzieren Sie allgemein den Reaktionsverlauf in einem Konzentrations-Zeit-Diagramm.

Aufgabe I/2:

1 Eine Lösung von Saccharose in Wasser wird mit konzentrierter Essigsäure versetzt und einige Minuten lang bei einer Temperatur von ϑ= 85 °C gehalten.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die dabei ablaufende Reaktion unter Verwendung von Haworth-Formeln, und geben Sie die Namen der Reaktionsprodukte an.
Benennen Sie den Reaktionstyp.

2 Der vollständige Ablauf dieser Reaktion kann sowohl mit Hilfe der Dünnschichtchromatographie als auch mit einem Polarimeter überprüft werden.
2.1 Erläutern Sie allgemein die Grundlagen der Dünnschichtchromatographie.
Beschreiben Sie, wie durch Einsatz dieser Methode geklärt werden kann, ob die Reaktion vollständig abgelaufen ist.
2.2 Erläutern Sie die Funktionsweise eines Polarimeters.
Beschreiben Sie, wie unter Einsatz dieses Gerätes erkannt werden kann, ob die Reaktion vollständig abgelaufen ist.

3 In zwei weiteren Versuchen wird mit reiner und mit der mit Essigsäure erhitzten Saccharose-Lösung die Fehlingsche Probe durchgeführt.
3.1 Beschreiben Sie die jeweilige experimentelle Vorgehensweise.
Begründen Sie die zu erwartenden Ergebnisse.
3.2 Formulieren Sie allgemein eine Reaktionsgleichung für die der Fehlingschen Probe zugrundeliegende Reaktion.

4 Isomaltulose ist ein Isomer der Saccharose und unterscheidet sich von dieser allein dadurch, dass die Monosaccharid-Bausteine α-1,6-glykosidisch verknüpft sind.
4.1 Zeichnen Sie eine Haworth-Formel des Isomaltulose-Moleküls.
4.2 Isomaltulose reagiert mit Fehling-Reagenz positiv.
Erläutern Sie die schrittweise Veränderung des Isomaltulosemoleküls bei dieser Reaktion und schreiben Sie eine Formel des entstehenden Oxidationsproduktes.

Aufgabe II/1:

Neben dem Benzol gibt es eine Reihe weiterer Stoffe, deren Moleküle aromatischen Charakter zeigen. Dazu gehören Furan und Pyrrol, jedoch nicht γ-Pyran.

            
              Furan                                Pyrrol                            γ-Pyran
1 Geben Sie die Hybridisierungszustände der Kohlenstoffatome im Furan- und Pyrrol-Molekül an, und erklären Sie den räumlichen Bau der beiden Moleküle.
Erläutern Sie, in welcher Weise das Sauerstoff- bzw. das Stickstoffatom zur Ausbildung des aromatischen Charakters der jeweiligen Verbindung beiträgt.
Begründen Sie, weshalb γ-Pyran keinen aromatischen Charakter besitzt.

2 Alle drei Stoffe reagieren unter geeigneten Bedingungen mit Wasserstoff zu den entsprechenden gesättigten, ringförmigen Verbindungen. Die dabei freiwerdende Enthalpie beträgt für 1 mol Furan bzw. Pyrrol jeweils ΔH ≈ 152 kJ, für γ-Pyran ≈H 240 kJ.
Formulieren Sie für Furan und γ-Pyran je eine Reaktionsgleichung mit Strukturformeln, und erläutern Sie eine wesentliche Ursache für die unterschiedlichen Reaktionsenthalpien.

3 Bei der vollständigen Hydrierung von Pyrrol entsteht Pyrrolidin. Zeichnen Sie dessen Strukturformel mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
Vergleichen Sie die unterschiedliche Basizität von Pyrrol und Pyrrolidin und geben Sie dafür eine Begründung.
4.1 Die an den Kohlenstoffatomen gebundenen Wasserstoffatome des Pyrrolringes lassen sich z. B. durch Bromatome wesentlich leichter substituieren als die Wasserstoffatome des Benzolringes.
Geben Sie dafür eine mögliche Erklärung.
4.2 Formulieren Sie den entsprechenden Reaktionsmechanismus für die Substitution eines Wasserstoffatoms, das an einem dem Stickstoff benachbarten Kohlenstoffatom gebunden ist.

5 γ-Pyran und Brom reagieren heftig miteinander.
Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung mit Strukturformeln, und geben Sie den Reaktionsmechanismus an.

Aufgabe II/2:

1 In einem Chemiepraktikum wird unter Verwendung von Fett Seife hergestellt. Beschreiben Sie dazu einen Versuch und formulieren Sie an einem selbst gewählten Beispiel eine Reaktionsgleichung.

2 Firmen, die Tenside herstellen, machen u. a. Werbung mit dem Spruch: „Sauberkeit aus Fett und Zucker“. Gemeint sind Tenside, sogenannte Alkylpolyglucoside (APG), für deren Herstellung Fettalkohole (langkettige primäre Alkohole) und Stärke als Rohstoffe dienen.
2.1 Zeichnen Sie die Strukturformel eines möglichen APG-Moleküls, bei dem Fettalkohol- und Kohlenhydratbaustein glycosidisch verknüpft sind.
2.2 Begründen Sie, weshalb APG Tensideigenschaften besitzt. Nennen Sie zwei Vorteile des APG-Tensids gegenüber der im Praktikum hergestellten Seife.

3 Aus Hexadecansäure (16 C-Atome) soll in mehreren Schritten Natrium-hexadecylsulfat hergestellt werden. Dabei wird zunächst die Carbonsäure zum entsprechenden Alkohol hydriert und in einem weiteren Schritt dieser Alkohol mit Schwefelsäure verestert.
3.1 Formulieren Sie für diese beiden Reaktionen die Reaktionsgleichungen.
3.2 Geben Sie an, wie aus dem erhaltenen Ester das gewünschte Natriumhexadecylsulfat hergestellt werden kann, und formulieren Sie dazu die Reaktionsgleichung.

4 Das Wäschewaschen kann in Gegenden mit hartem Wasser zu Problemen führen. Deshalb wurde früher dem harten Wasser Soda (Natriumcarbonat) zugesetzt, um es „weich“ zu machen.
Erklären Sie den Begriff „hartes Wasser“ und beschreiben Sie anhand einer Reaktionsgleichung, was die Zugabe von Soda zu hartem Wasser bewirkt.

5 Drei Reagenzgläser enthalten jeweils einige Milliliter einer wässrigen Kernseifenlösung. Zur ersten Probe wird verdünnte Calciumchlorid-Lösung, zur zweiten verdünnte Salzsäure und zur dritten Probe gesättigte Kochsalz-Lösung gegeben. Was ist jeweils zu beobachten? Erklären Sie die Beobactungen gegebenenfalls anhand von Reaktionsgleichungen.

Aufgabe III/1:

1 Die Eisenerzvorkommen im Siegerland bestehen im wesentlichen aus Siderit (FeCO₃), aus dem im Hochofen Roheisen erschmolzen wird. Unter den Temperaturbedingungen des Hochofens wandelt sich das Eisencarbonat zunächst in Eisen(II)-oxid um.
1.1 Formulieren Sie hierfür eine Reaktionsgleichung. Erläutern Sie die Vorgänge in den verschiedenen Zonen des Hochofens, und geben Sie für die Reduktion des Eisen(II)-oxids und die Bildung des Reduktionsmittels Kohlenstoffmonooxid jeweils die Reaktionsgleichung an.
1.2 Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie für die Gewinnung von m(Eisen) = 1 t Eisen durch Reaktion von Eisen(II)-oxid mit Kohlenstoffmonooxid unter Verwendung der angegebenen Tabellenwerte.
1.3 Der Massenanteil w(Eisen) einer Erzprobe aus dem Siegerland soll durch quantitative Analyse ermittelt werden. Dazu wird eine Probe der Masse m(Erz) = 0,315 g mit Schwefelsäure aufgeschlossen, wobei Eisen(II)-Ionen in Lösung gehen. Bei der nachfolgenden Titration mit einer stark schwefelsauren Kaliumpermanganat-Lösung der Konzentration
c(MnO₄^–) = 0,02 mol * l^-1 werden V = 20,35 ml verbraucht.
Stellen Sie die Redoxgleichung dieser Titration auf.
Berechnen Sie den Massenanteil w(Eisen) der Erzprobe in Prozent.

2 Das giftige Gas Kohlenstoffmonooxid tritt auch als Verbrennungssprodukt im Zigarettenrauch auf. Es kann durch geeignete Prüfröhrchen nachgewiesen werden.
2.1 Die weiße Anzeigeschicht des Prüfröhrchens enthält Iod(V)-oxid, das unter dem Einfluss von Kohlenstoffmonooxid in braunes Iod umgewandelt wird.
Formulieren Sie für diesen Vorgang eine Reaktionsgleichung, und geben Sie sämtliche Oxidationszahlen an.
2.2 Der MAK-Wert für Kohlenstoffmonooxid beträgt 30 ppm.
Definieren Sie den Begriff MAK-Wert. Geben Sie die Masse der Kohlenstoffmonooxidportion an, die sich unter Normbedingungen bei dieser Konzentration in einem Kubikmeter Luft befindet.

Aufgabe III/2:

1 Durch thermische Zersetzung von Ammoniumnitrat erhält man neben Wasserdampf gasförmiges Distickstoffmonooxid (Lachgas).
1.1 Formulieren Sie für diese thermische Zersetzung eine Reaktionsgleichung, und zeigen Sie, dass eine Redoxreaktion vorliegt.
1.2 Wie groß ist die Masse der Stoffportion m(Ammoniumnitrat), die man zersetzen Muss, um V(Lachgas) = 1 l unter Normbedingungen zu erhalten.
1.3 Zur Erzeugung hoher Verbrennungstemperaturen wird als Alternative zur Verbrennung in reinem Sauerstoff die Oxidation mit reinem Lachgas vorgeschlagen. Dabei entsteht neben den anderen Verbrennungsprodukten auch Stickstoff.
Stellen Sie die Reaktionsgleichungen für die beiden alternativen Verbrennungen von jeweils n(Methanol) = 1 mol auf, und berechnen Sie die Reaktionsenthalpien.
Begründen Sie die unterschiedlichen Werte der Reaktionsenthalpien.

2 Methanol lässt sich in der Technik über eine katalysierte Reaktion aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff bei höherer Temperatur und unter Druck herstellen.
2.1 Formulieren Sie für diese Synthese eine Reaktionsgleichung.
Berechnen Sie die molaren freien Reaktionsenthalpien ΔG_R für diese Reaktion bei ϑ₁= 75 °C und bei ϑ₂= 400 °C unter Verwendung der angegebenen Tabellenwerte.
2.2 Geben Sie den Temperaturbereich (Einheit: Kelvin) an, in dem die Reaktion exergonisch verläuft.
2.3 Diskutieren und begründen Sie die Notwendigkeit der oben angegebenen Bedingungen bei der technischen Methanolsynthese aus energetischer und kinetischer Sicht.

Lösung(BW96)