Abitur Hessen Chemie 2022 · LK

Material 1

Valin in wässriger Lösung

Eine wässrige Valin-Lösung wird auf einen pH-Wert von 12 eingestellt. Die Lösung ist klar und farblos. In Schritt 1 des Versuchs wird so lange Salzsäure hinzugegeben, bis ein Feststoff als Niederschlag ausfällt. In Schritt 2 wird in dasselbe Reaktionsgefäß weitere Salzsäure gegeben, bis ein pH-Wert von 2 erreicht ist.

1.1

Formulieren Sie für das Tripeptid (Gly-Val-Ser) aus den Aminosäuren Glycin (Aminoethansäure), Valin (L-2-Amino-3-methylbutansäure) und Serin (L-2-Amino-3-hydroxypropansäure) die Strukturformel.

Formulieren Sie für Schritt 1 und Schritt 2 des in Material 1 beschriebenen Versuchs jeweils die Reaktionsgleichung.

Material 2

Pökeln

Beim Pökeln wird die Wurst mit Kochsalz, Salzen der Salpetersäure sowie der Salpetrigen Säure (enthalten Nitrit-Ionen, $\text{NO}_2^-$) versetzt. Insbesondere die Nitrit-Ionen hemmen die Vermehrung unerwünschter Bakterien in der Wurst und sorgen zusätzlich für eine bei manchen Wurstsorten erwünschte rötliche Farbe. Ein zu hoher Gehalt an Nitrit-Ionen in der Wurst kann beim Verzehr gesundheitliche Schäden auslösen.

Zusätzlich werden beim Pökeln Hilfsstoffe eingesetzt, wie z. B. Ascorbinsäure. Nitrit-Ionen und Ascorbinsäure reagieren in saurer Lösung zu Stickstoffmonooxid ($\text{NO}$), Dehydroascorbinsäure und Wasser. Dadurch wird der Gehalt an Nitrit-Ionen in der Wurst verringert.

1.2

Formulieren Sie für die Reaktion von Nitrit-Ionen mit Ascorbinsäure in saurer Lösung (Material 2) die Reaktionsgleichung und zeigen Sie anhand der wesentlichen Oxidationszahlen und der Elektronenübergänge, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.

Erläutern Sie mithilfe des Orbitalmodells die Bindungsverhältnisse in einer CO-Gruppe des Dehydroascorbinsäure-Moleküls.

Hinweis: Auf den jeweiligen Hybridisierungszustand der zum Kohlenstoff-Atom der CO-Gruppe benachbarten Atome soll nicht eingegangen werden.

Zur Stoffklasse Nitrosamine, die beim Erhitzen gepökelter Wurst entstehen können, gehört auch das N-Nitrosodimethylamin (NDMA).

Material 3: Bildung von N-Nitrosodimethylamin (NDMA)

Stufe 1: Bildung des Nitrosyl-Kations

Zunächst wird das Nitrit-Ion protoniert, wobei sich salpetrige Säure (HNO 2) bildet. Im Anschluss wird das HNO 2 -Molekül ebenfalls protoniert, wobei sich als Zwischenprodukt ein Kation bildet. Von diesem Kation wird Wasser abgespalten, wodurch das sogenannte Nitrosyl-Kation entsteht. Das Nitrosyl-Kation lässt sich durch zwei mesomere Grenzstrukturen darstellen; eine der beiden Grenzformeln ist unten angegeben.

Stufe 2: Bildung des N-Nitrosodimethylamin (NDMA)

Durch einen nucleophilen Angriff des freien Elektronenpaares des Stickstoff-Atoms des Dimethylamin-Moleküls am Stickstoff-Atom des Nitrosyl-Kations entsteht ein weiteres Kation als Zwischenprodukt. Daraus bildet sich durch eine Deprotonierung das N-Nitrosodimethylamin-Molekül.

1.3.1

Formulieren Sie basierend auf Material 3 den Reaktionsmechanismus zur Stufe 1 (Bildung des Nitrosyl-Kations) einschließlich einer weiteren mesomeren Grenzstruktur des Nitrosyl-Kations.

1.3.2

Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus zur Stufe 2 (Bildung von N-Nitrosodimethylamin, NDMA).

Der in der Kakaobohne enthaltene Zucker Melibiose ist ein Disaccharid, in dem das C1-Atom der D-Galactose (Material 4) über eine $\alpha$-1,6-glycosidische Bindung mit D-Glucose verknüpft ist. Melibiose zeigt eine positive Reaktion bei der Fehling-Probe.

Material 4: $\alpha$-D-Galactose

1.4.1

Formulieren Sie ausgehend von Material 4 die Strukturformel von D-Galactose in der Fischer-Projektion sowie die Strukturformel des Disaccharids $\alpha$-Melibiose in der Haworth-Struktur.

1.4.2

Beschreiben Sie allgemein die Durchführung einer Fehling-Probe sowie die Beobachtungen bei ihrem positiven Verlauf.

1.4.3

Erklären Sie den positiven Verlauf der Fehling-Probe bei $\alpha$-Melibiose.

Unter bestimmten Bedingungen kann Chlorogensäure (Material 5) zu Kaffeesäure und Chinasäure hydrolysiert werden. Chinasäure ist im Gegensatz zu Kaffeesäure optisch aktiv.

Chlorogensäure ist ein Molekül, das unterschiedliche funktionelle Gruppen aufweist. Allgemein zeigen diese funktionellen Gruppen für sie jeweils typische Reaktionen, die zu neuen Stoffklassen führen.

Material 5: Chlorogensäure

a)

Benennen Sie die in Material 5 mit A und B gekennzeichneten funktionellen Gruppen sowie die weitere im Chlorogensäure-Molekül noch nicht gekennzeichnete funktionelle Gruppe.

b)

Benennen Sie für die funktionelle Gruppe A zwei sowie für die funktionellen Gruppen B und C jeweils eine typische Reaktion und geben Sie die dabei jeweils entstehende Stoffklasse an.

c)

Formulieren Sie unter Verwendung von Strukturformeln die Reaktionsgleichung für die Hydrolyse von Chlorogensäure und begründen Sie, bei welchem der Reaktionsprodukte es sich um die Chinasäure handelt.

1.6 Kaffee, der durch eine Kaffeemaschine zubereitet wurde, hat aufgrund der enthaltenen pflanzlichen Säuren einen pH-Wert von etwa 5,3. Steht der Kaffee drei Stunden in einer Kaffeekanne, so nimmt der Gehalt an Säuren im Getränk zu und der pH-Wert sinkt auf etwa 4,9. Unter anderem ist hierfür die Freisetzung von Kaffeesäure durch die hydrolytische Spaltung der Chlorogensäure verantwortlich.

a)

Berechnen Sie die Stoffmenge an Oxonium-Ionen, die durch das Stehenlassen von Kaffee mit dem Volumen $V = 1\text{ L}$ hinzugekommen sind.

b)

Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration an reiner Kaffeesäure, durch die ebenfalls ein pH-Wert von 4,9 erreicht wird.

Hinweis: Die Carboxy-Gruppe der Kaffeesäure hat einen $\text{pK}_\text{S}$-Wert von 4,6. Gehen Sie davon aus, dass es sich bei Kaffeesäure um eine schwache Säure handelt.

Material 2

Reaktionen von Alkinen

Reaktion A: Reaktion von Ethin zu Benzol (Benzen) ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion B: Reaktion von Propin zu 1,3,5-Trimethylbenzol ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion C: Reaktion von 1,3,5-Trimethylbenzol mit Brom unter Einwirkung von Licht und Wärme, wobei ausschließlich die Methyl-Gruppen bromiert werden. Nehmen Sie an, dass es zu einer vollständigen Bromierung aller Methyl-Gruppen kommt.

Aufgabe 2.1

Formulieren Sie für beide Verfahren zur Herstellung von Ethin (Material 1) jeweils die Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln für die organischen Verbindungen.

Entwickeln Sie die Lewis-Formel für das Acetylid-Ion ($\text{C}_2^{2-}$-Ion).

a)

b)

c)

Material 2

Reaktionen von Alkinen

Reaktion A: Reaktion von Ethin zu Benzol (Benzen) ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion B: Reaktion von Propin zu 1,3,5-Trimethylbenzol ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion C: Reaktion von 1,3,5-Trimethylbenzol mit Brom unter Einwirkung von Licht und Wärme, wobei ausschließlich die Methyl-Gruppen bromiert werden. Nehmen Sie an, dass es zu einer vollständigen Bromierung aller Methyl-Gruppen kommt.

Aufgabe 2.2 – Reaktionsgleichungen und Mechanismus

Formulieren Sie für jede der Reaktionen in Material 2 eine Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln für die organischen Verbindungen.

Formulieren Sie für Reaktion C den Reaktionsmechanismus und benennen Sie diesen sowie die einzelnen Reaktionsschritte.

Hinweis: Der Mechanismus soll im ersten und im zweiten Reaktionsschritt stellvertretend jeweils mit der Umsetzung eines Brom-Moleküls dargestellt werden. Nicht an der Reaktion beteiligte Molekülteile können durch „R“ für Rest abgekürzt werden.

a)

b)

c)

d)

e)

Material 2

Reaktionen von Alkinen

Reaktion A: Reaktion von Ethin zu Benzol (Benzen) ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion B: Reaktion von Propin zu 1,3,5-Trimethylbenzol ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion C: Reaktion von 1,3,5-Trimethylbenzol mit Brom unter Einwirkung von Licht und Wärme, wobei ausschließlich die Methyl-Gruppen bromiert werden. Nehmen Sie an, dass es zu einer vollständigen Bromierung aller Methyl-Gruppen kommt.

Aufgabe 2.2 – Stöchiometrische Berechnung

Berechnen Sie die Masse an Brom, die man für die vollständige Bromierung der Methyl-Gruppen (Reaktion C) von $5\,\text{g}$ 1,3,5-Trimethylbenzol benötigt.

a)

b)

c)

Material 2

Reaktionen von Alkinen

Reaktion A: Reaktion von Ethin zu Benzol (Benzen) ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion B: Reaktion von Propin zu 1,3,5-Trimethylbenzol ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion C: Reaktion von 1,3,5-Trimethylbenzol mit Brom unter Einwirkung von Licht und Wärme, wobei ausschließlich die Methyl-Gruppen bromiert werden. Nehmen Sie an, dass es zu einer vollständigen Bromierung aller Methyl-Gruppen kommt.

Ethen und Ethin eignen sich als Brennstoffe und werden darüber hinaus zur Herstellung von Kunststoffen verwendet.

2.3

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Ethin.

Geben Sie für die Reaktion die wesentlichen Oxidationszahlen an und zeigen Sie anhand der Elektronenübergänge, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.

Material 2

Reaktionen von Alkinen

Reaktion A: Reaktion von Ethin zu Benzol (Benzen) ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion B: Reaktion von Propin zu 1,3,5-Trimethylbenzol ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion C: Reaktion von 1,3,5-Trimethylbenzol mit Brom unter Einwirkung von Licht und Wärme, wobei ausschließlich die Methyl-Gruppen bromiert werden. Nehmen Sie an, dass es zu einer vollständigen Bromierung aller Methyl-Gruppen kommt.

2.3

Formulieren Sie für Polyethen und für trans -Polyethin jeweils einen Strukturformelausschnitt aus vier Monomer-Einheiten und erläutern Sie für Polyethen das Verhalten beim Erwärmen.

Material 2

Reaktionen von Alkinen

Reaktion A: Reaktion von Ethin zu Benzol (Benzen) ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion B: Reaktion von Propin zu 1,3,5-Trimethylbenzol ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion C: Reaktion von 1,3,5-Trimethylbenzol mit Brom unter Einwirkung von Licht und Wärme, wobei ausschließlich die Methyl-Gruppen bromiert werden. Nehmen Sie an, dass es zu einer vollständigen Bromierung aller Methyl-Gruppen kommt.

Material 3: Bindungslängen der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in Ethen und Ethin

Im Ethen-Molekül beträgt die Bindungslänge aller C–H-Bindungen 107,6 pm (Pikometer), im Ethin-Molekül hingegen 106,1 pm.

In einem Fachtext steht: „Die C–H-Bindung im Ethin-Molekül ist kürzer als die im Ethen-Molekül. Dies liegt daran, dass Form und Anteil der s- und p-Orbitale Einfluss auf die Form der daraus gebildeten Hybrid-Orbitale haben.“

Hinweis: 1 pm entspricht $10^{-12}\text{ m}$.

[8 BE]

a)

Erläutern Sie die Bindungsverhältnisse im Ethin-Molekül mithilfe des Orbitalmodells.

b)

Begründen Sie die unterschiedliche Länge der C–H-Bindung im Ethen- und Ethin-Molekül mithilfe der Aussage des Fachtextes (Material 3).

Material 2

Reaktionen von Alkinen

Reaktion A: Reaktion von Ethin zu Benzol (Benzen) ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion B: Reaktion von Propin zu 1,3,5-Trimethylbenzol ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion C: Reaktion von 1,3,5-Trimethylbenzol mit Brom unter Einwirkung von Licht und Wärme, wobei ausschließlich die Methyl-Gruppen bromiert werden. Nehmen Sie an, dass es zu einer vollständigen Bromierung aller Methyl-Gruppen kommt.

Material 4: Alkylierung von Pent-1-in

Reaktion A: Unter Wirkung starker Basen können Alkine am C1-Atom deprotoniert werden. So reagiert Pent-1-in mit Amid-Ionen ($\text{NH}_2^-$-Ionen) zu einem Anion und einem gasförmigen Produkt.

Reaktion B: Das so erhaltene Anion reagiert mit Brommethan in einer Substitutionsreaktion zu Hept-3-in.

[10 BE]

a)

Formulieren Sie für Reaktion A der Alkylierung (Material 4) eine Reaktionsgleichung.

Hinweis: Verwenden Sie für alle beteiligten Teilchen Strukturformeln.

b)

Begründen Sie, nach welchem Mechanismus Reaktion B wahrscheinlich abläuft bzw. nicht abläuft.

c)

Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für Reaktion B.

Hinweis: Verwenden Sie Strukturformeln mit Partialladungen und Elektronenpaarverschiebungen (Pfeilen).

Material 2

Reaktionen von Alkinen

Reaktion A: Reaktion von Ethin zu Benzol (Benzen) ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion B: Reaktion von Propin zu 1,3,5-Trimethylbenzol ohne weiteren Reaktionspartner.

Reaktion C: Reaktion von 1,3,5-Trimethylbenzol mit Brom unter Einwirkung von Licht und Wärme, wobei ausschließlich die Methyl-Gruppen bromiert werden. Nehmen Sie an, dass es zu einer vollständigen Bromierung aller Methyl-Gruppen kommt.

Von Hexin gibt es insgesamt sieben Konstitutionsisomere (Strukturisomere) mit jeweils einer Dreifachbindung, zu denen unter anderem Hex-1-in, Hex-2-in und Hex-3-in gehören.

2.6

Entwickeln Sie für die übrigen vier Konstitutionsisomere jeweils die Strukturformel.

In der Struktur von einem dieser Konstitutionsisomere liegt ein asymmetrisches Kohlenstoff-Atom vor. Beschriften Sie in der Struktur des entsprechenden Konstitutionsisomeren das asymmetrische Kohlenstoff-Atom mit einem Stern.

Material 1

Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure

Schritt 1: Beim Birkeland-Eyden-Verfahren wird der in der Luft enthaltene Stickstoff bei Temperaturen von bis zu $3000\,^\circ\mathrm{C}$ mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid umgesetzt.

Schritt 2: Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid mit Luftsauerstoff weiter zu Stickstoffdioxid.

Schritt 3: Stickstoffdioxid wird in Wasser eingeleitet und reagiert zu einem Gemisch aus Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und Salpetriger Säure ($\mathrm{HNO_2}$).

Schritt 4: Salpetrige Säure zerfällt ohne weitere Reaktionspartner in Wasser, Salpetersäure und Stickstoffmonooxid.

Material 2

Molare Standardbildungsenthalpien

Name des Stoffes · molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H}_\mathrm{m}^0\ \left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$

Stickstoffdioxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+33$

Stickstoffmonooxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+90$

Material 3

$\mathrm{pK_S}$-Werte von Salpetersäure und Salpetriger Säure

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert A: } 3{,}15$

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert B: } -1{,}3$

3.1 Formulieren Sie für die vier Schritte zur Herstellung von Salpetersäure (Material 1) jeweils die Reaktionsgleichung. [4 BE]

Schritt 1:

Schritt 2:

Schritt 3:

Schritt 4:

Material 1

Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure

Schritt 1: Beim Birkeland-Eyden-Verfahren wird der in der Luft enthaltene Stickstoff bei Temperaturen von bis zu $3000\,^\circ\mathrm{C}$ mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid umgesetzt.

Schritt 2: Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid mit Luftsauerstoff weiter zu Stickstoffdioxid.

Schritt 3: Stickstoffdioxid wird in Wasser eingeleitet und reagiert zu einem Gemisch aus Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und Salpetriger Säure ($\mathrm{HNO_2}$).

Schritt 4: Salpetrige Säure zerfällt ohne weitere Reaktionspartner in Wasser, Salpetersäure und Stickstoffmonooxid.

Material 2

Molare Standardbildungsenthalpien

Name des Stoffes · molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H}_\mathrm{m}^0\ \left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$

Stickstoffdioxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+33$

Stickstoffmonooxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+90$

Material 3

$\mathrm{pK_S}$-Werte von Salpetersäure und Salpetriger Säure

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert A: } 3{,}15$

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert B: } -1{,}3$

3.1 Berechnen Sie für den zweiten Schritt des Birkeland-Eyden-Verfahrens mithilfe von Material 2, bezogen auf die zuvor formulierte Reaktionsgleichung, die molare Standardreaktionsenthalpie $\Delta_R\mathrm{H}_m^0$. [3 BE]

Berechnung:

Material 1

Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure

Schritt 1: Beim Birkeland-Eyden-Verfahren wird der in der Luft enthaltene Stickstoff bei Temperaturen von bis zu $3000\,^\circ\mathrm{C}$ mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid umgesetzt.

Schritt 2: Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid mit Luftsauerstoff weiter zu Stickstoffdioxid.

Schritt 3: Stickstoffdioxid wird in Wasser eingeleitet und reagiert zu einem Gemisch aus Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und Salpetriger Säure ($\mathrm{HNO_2}$).

Schritt 4: Salpetrige Säure zerfällt ohne weitere Reaktionspartner in Wasser, Salpetersäure und Stickstoffmonooxid.

Material 2

Molare Standardbildungsenthalpien

Name des Stoffes · molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H}_\mathrm{m}^0\ \left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$

Stickstoffdioxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+33$

Stickstoffmonooxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+90$

Material 3

$\mathrm{pK_S}$-Werte von Salpetersäure und Salpetriger Säure

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert A: } 3{,}15$

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert B: } -1{,}3$

3.1 Ordnen Sie der Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und der Salpetrigen Säure ($\mathrm{HNO_2}$) jeweils begründet einen der in Material 3 genannten $\mathrm{pK_S}$-Werte zu. [4 BE]

a)

$\mathrm{pK_S}$-Wert A = 3,15

$\mathrm{pK_S}$-Wert B = −1,3

b)

$\mathrm{pK_S}$-Wert A = 3,15

$\mathrm{pK_S}$-Wert B = −1,3

c)

Material 1

Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure

Schritt 1: Beim Birkeland-Eyden-Verfahren wird der in der Luft enthaltene Stickstoff bei Temperaturen von bis zu $3000\,^\circ\mathrm{C}$ mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid umgesetzt.

Schritt 2: Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid mit Luftsauerstoff weiter zu Stickstoffdioxid.

Schritt 3: Stickstoffdioxid wird in Wasser eingeleitet und reagiert zu einem Gemisch aus Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und Salpetriger Säure ($\mathrm{HNO_2}$).

Schritt 4: Salpetrige Säure zerfällt ohne weitere Reaktionspartner in Wasser, Salpetersäure und Stickstoffmonooxid.

Material 2

Molare Standardbildungsenthalpien

Name des Stoffes · molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H}_\mathrm{m}^0\ \left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$

Stickstoffdioxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+33$

Stickstoffmonooxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+90$

Material 3

$\mathrm{pK_S}$-Werte von Salpetersäure und Salpetriger Säure

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert A: } 3{,}15$

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert B: } -1{,}3$

3.2 Gleichgewichtsreaktion von Distickstofftetraoxid und Stickstoffdioxid

Distickstofftetraoxid (farbloses Gas) und Stickstoffdioxid (braunes Gas) wandeln sich in einer Gleichgewichtsreaktion ineinander um.

a)

Formulieren Sie ausgehend von Distickstofftetraoxid die Reaktionsgleichung für die oben genannte Gleichgewichtsreaktion sowie das zugehörige Massenwirkungsgesetz.

b)

Erklären Sie, wie sich eine Druckerhöhung auf die Lage des Gleichgewichts auswirkt.

c)

Erklären Sie anhand von Material 4, ob die Bildung von Distickstofftetraoxid oder die Bildung von Stickstoffdioxid endotherm verläuft.

Material 1

Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure

Schritt 1: Beim Birkeland-Eyden-Verfahren wird der in der Luft enthaltene Stickstoff bei Temperaturen von bis zu $3000\,^\circ\mathrm{C}$ mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid umgesetzt.

Schritt 2: Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid mit Luftsauerstoff weiter zu Stickstoffdioxid.

Schritt 3: Stickstoffdioxid wird in Wasser eingeleitet und reagiert zu einem Gemisch aus Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und Salpetriger Säure ($\mathrm{HNO_2}$).

Schritt 4: Salpetrige Säure zerfällt ohne weitere Reaktionspartner in Wasser, Salpetersäure und Stickstoffmonooxid.

Material 2

Molare Standardbildungsenthalpien

Name des Stoffes · molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H}_\mathrm{m}^0\ \left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$

Stickstoffdioxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+33$

Stickstoffmonooxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+90$

Material 3

$\mathrm{pK_S}$-Werte von Salpetersäure und Salpetriger Säure

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert A: } 3{,}15$

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert B: } -1{,}3$

3.3 Strukturformeln, Oxidationszahlen und Mesomerie

a)

Formulieren Sie mithilfe der Angaben in Material 5 für die an der Reaktion beteiligten Stoffe Hydrazin ($\text{N}_2\text{H}_4$) und Distickstoffmonooxid ($\text{N}_2\text{O}$) jeweils die Strukturformel.

b)

Leiten Sie jeweils mithilfe der entsprechenden Strukturformel für jedes einzelne Stickstoff-Atom die Oxidationszahl her.

c)

Geben Sie für die Stickstoff-Atome folgender an der Reaktion (Material 5) beteiligter Teilchen jeweils die Oxidationszahl an:

d)

Formulieren Sie für Distickstoffmonooxid eine weitere mesomere Grenzstruktur.

Material 1

Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure

Schritt 1: Beim Birkeland-Eyden-Verfahren wird der in der Luft enthaltene Stickstoff bei Temperaturen von bis zu $3000\,^\circ\mathrm{C}$ mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid umgesetzt.

Schritt 2: Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid mit Luftsauerstoff weiter zu Stickstoffdioxid.

Schritt 3: Stickstoffdioxid wird in Wasser eingeleitet und reagiert zu einem Gemisch aus Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und Salpetriger Säure ($\mathrm{HNO_2}$).

Schritt 4: Salpetrige Säure zerfällt ohne weitere Reaktionspartner in Wasser, Salpetersäure und Stickstoffmonooxid.

Material 2

Molare Standardbildungsenthalpien

Name des Stoffes · molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H}_\mathrm{m}^0\ \left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$

Stickstoffdioxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+33$

Stickstoffmonooxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+90$

Material 3

$\mathrm{pK_S}$-Werte von Salpetersäure und Salpetriger Säure

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert A: } 3{,}15$

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert B: } -1{,}3$

2-Chlor-2-methylpropan reagiert in einer Substitutionsreaktion ($\text{S}_\text{N}1$) mit Methanol, wobei ein organisches Produkt entsteht, in dessen Struktur zwei der Kohlenstoff-Atome über ein Sauerstoff-Atom miteinander verbunden sind. Außerdem entstehen Ionen.

Auch Azid-Ionen ($\text{N}_3^-$ -Ionen) können in einer Substitutionsreaktion mit 2-Chlor-2-methylpropan reagieren.

Entwickeln Sie den Reaktionsmechanismus für die Umsetzung von 2-Chlor-2-methylpropan mit Methanol.

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Azid-Ionen mit 2-Chlor-2-methylpropan unter Verwendung von Summen- bzw. Halbstrukturformeln für die entsprechenden Teilchen.

Material 1

Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure

Schritt 1: Beim Birkeland-Eyden-Verfahren wird der in der Luft enthaltene Stickstoff bei Temperaturen von bis zu $3000\,^\circ\mathrm{C}$ mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid umgesetzt.

Schritt 2: Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid mit Luftsauerstoff weiter zu Stickstoffdioxid.

Schritt 3: Stickstoffdioxid wird in Wasser eingeleitet und reagiert zu einem Gemisch aus Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und Salpetriger Säure ($\mathrm{HNO_2}$).

Schritt 4: Salpetrige Säure zerfällt ohne weitere Reaktionspartner in Wasser, Salpetersäure und Stickstoffmonooxid.

Material 2

Molare Standardbildungsenthalpien

Name des Stoffes · molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H}_\mathrm{m}^0\ \left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$

Stickstoffdioxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+33$

Stickstoffmonooxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+90$

Material 3

$\mathrm{pK_S}$-Werte von Salpetersäure und Salpetriger Säure

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert A: } 3{,}15$

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert B: } -1{,}3$

Material 6

3.5 Formulieren Sie für die Reaktion von Salpetersäure mit dem entsprechenden mehrwertigen Alkohol (die Molekülstruktur dieses Alkohols beinhaltet mehrere Hydroxy-Gruppen) zum Reaktionsprodukt Pentaerythrittrinitrat (Material 6) die Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln mit allen bindenden und nicht bindenden Elektronenpaaren für die organischen Moleküle. [3 BE]

Hinweis: In der Strukturformel der Nitro-Gruppe liegt an einzelnen Atomen eine Formalladung vor.

Benennen Sie alle zwischenmolekularen Wechselwirkungen, die zwischen den Molekülen des Pentaerythrittrinitrats vorliegen, und beschreiben Sie, durch welche funktionelle Gruppe die stärkste dieser Wechselwirkungen zustande kommt. [3 BE]

Material 1

Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure

Schritt 1: Beim Birkeland-Eyden-Verfahren wird der in der Luft enthaltene Stickstoff bei Temperaturen von bis zu $3000\,^\circ\mathrm{C}$ mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid umgesetzt.

Schritt 2: Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid mit Luftsauerstoff weiter zu Stickstoffdioxid.

Schritt 3: Stickstoffdioxid wird in Wasser eingeleitet und reagiert zu einem Gemisch aus Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) und Salpetriger Säure ($\mathrm{HNO_2}$).

Schritt 4: Salpetrige Säure zerfällt ohne weitere Reaktionspartner in Wasser, Salpetersäure und Stickstoffmonooxid.

Material 2

Molare Standardbildungsenthalpien

Name des Stoffes · molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H}_\mathrm{m}^0\ \left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$

Stickstoffdioxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+33$

Stickstoffmonooxid$_{(\mathrm{g})}$ · $+90$

Material 3

$\mathrm{pK_S}$-Werte von Salpetersäure und Salpetriger Säure

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert A: } 3{,}15$

$\mathrm{pK_S}\text{-Wert B: } -1{,}3$

Festes Natriumazid ($\text{NaN}_3$) reagiert bei Standardbedingungen vollständig zu elementarem Natrium und gasförmigem Stickstoff.

a)

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für diese Umsetzung.

b)

Berechnen Sie das Volumen an Stickstoff, das entsteht, wenn bei Standardbedingungen $225\text{ g}$ Natriumazid vollständig zu Natrium und Stickstoff reagieren.

Hinweis: Bei Standardbedingungen beträgt das molare Volumen für Gase $V_\text{m} = 24\,\frac{\text{L}}{\text{mol}}$.

Chemische Synthesen mit Phosgen

Phosgen (Carbonyldichlorid) wurde 1812 von John Davy entdeckt und ist eine bei Raumtemperatur gasförmige süßlich-faul riechende Verbindung. Der Name Phosgen leitet sich von der photoinduzierten Addition von Chlorgas an Kohlenstoffmonooxid ab. In einigen Kriegen wurde Phosgen aufgrund seiner hohen Toxizität als tödlicher chemischer Kampfstoff eingesetzt und ist seitdem durch die internationale Chemiewaffenkonvention geächtet.

Trotz seiner Toxizität ist Phosgen eine in der chemischen Industrie vielseitig einsetzbare Verbindung: So wird durch die Reaktion von Phosgen mit Bisphenol A der Kunststoff Polycarbonat gebildet, der aufgrund seiner Transparenz häufig als Alternative zum Glas eingesetzt wird.

Reagiert Phosgen hingegen mit Benzol (Benzen), so kann Benzoesäure hergestellt werden, die in Weihrauch oder verschiedenen Früchten enthalten ist. Sowohl Benzoesäure als auch einige ihrer Salze, die sogenannten Benzoate, werden als Zusatzstoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Material 1: Formel von Phosgen

Material 2: Thermodynamische Daten

Stoff

Molare Standardbildungsenthalpie $\Delta_\text{f}H_\text{m}^0\ \left[\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]$

Kohlenstoffmonooxid (g)

$-111$

Die molare Standard-Reaktionsenthalpie der Reaktion von $1\text{ mol}$ Kohlenstoffmonooxid mit $1\text{ mol}$ Chlor zu $1\text{ mol}$ Phosgen beträgt: $\Delta_\text{R}H_\text{m}^0 = -108\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$

4.1 Enthalpie und Entropie dienen zur thermodynamischen Betrachtung von chemischen Prozessen. Die Entropie kann als ein Maß für die Unordnung eines Systems betrachtet werden. Phosgen lässt sich durch die Reaktion von Chlorgas mit Kohlenstoffmonooxid in Gegenwart von Aktivkohle als Katalysator herstellen. [11 BE]

a)

b)

c)

d)

Chemische Synthesen mit Phosgen

Phosgen (Carbonyldichlorid) wurde 1812 von John Davy entdeckt und ist eine bei Raumtemperatur gasförmige süßlich-faul riechende Verbindung. Der Name Phosgen leitet sich von der photoinduzierten Addition von Chlorgas an Kohlenstoffmonooxid ab. In einigen Kriegen wurde Phosgen aufgrund seiner hohen Toxizität als tödlicher chemischer Kampfstoff eingesetzt und ist seitdem durch die internationale Chemiewaffenkonvention geächtet.

Trotz seiner Toxizität ist Phosgen eine in der chemischen Industrie vielseitig einsetzbare Verbindung: So wird durch die Reaktion von Phosgen mit Bisphenol A der Kunststoff Polycarbonat gebildet, der aufgrund seiner Transparenz häufig als Alternative zum Glas eingesetzt wird.

Reagiert Phosgen hingegen mit Benzol (Benzen), so kann Benzoesäure hergestellt werden, die in Weihrauch oder verschiedenen Früchten enthalten ist. Sowohl Benzoesäure als auch einige ihrer Salze, die sogenannten Benzoate, werden als Zusatzstoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Material 3

Massenwirkungskonstante und Reaktionsquotient Q – Voraussage der Richtung einer chemischen Reaktion

Die Gleichgewichtskonstante $K_c$ beschreibt mithilfe des Massenwirkungsgesetzes rechnerisch die Lage eines sich im Gleichgewicht befindenden Systems.

Bei einer Temperatur von $100\ ^\circ\text{C}$ gilt für die Bildungsreaktion von Phosgen für die Gleichgewichtskonstante $K_c = 4{,}57\cdot 10^9\ \frac{\text{L}}{\text{mol}}$.

Für Systeme, die sich nicht im Gleichgewicht befinden, lässt sich analog zur Berechnung von $K_c$ mithilfe der aktuellen Konzentrationen der sogenannte Reaktionsquotient $Q$ berechnen.

Der Vergleich der Werte von $K_c$ und $Q$ ermöglicht eine Voraussage über die Richtung, in die eine Reaktion bevorzugt ablaufen wird, die sich noch nicht im Gleichgewicht befindet.

In einem Experiment werden die Stoffe in ein Reaktionsgefäß gegeben, sodass sie zu Beginn in folgenden Konzentrationen vorliegen:

$c(\text{CO}) = 3{,}3\cdot 10^{-6}\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$

$c(\text{Cl}_2) = 6{,}62\cdot 10^{-6}\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$

$c(\text{COCl}_2) = 2{,}0\cdot 10^{-10}\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$

Die Temperatur beträgt $100\ ^\circ\text{C}$, alle Stoffe sind gasförmig.

4.2

Formulieren Sie für die Reaktion von Kohlenstoffmonooxid und Chlor zu Phosgen (Material 1) das auf der Reaktionsgleichung basierende Massenwirkungsgesetz.

Berechnen Sie mithilfe von Material 3 den Reaktionsquotienten Q für das im Material dargestellte Experiment.

Begründen Sie auf Grundlage der Berechnung, ob die Reaktion im Gefäß in Richtung der Edukte oder der Produkte abläuft.

Fassen Sie die Definition für den Begriff „chemisches Gleichgewicht“ zusammen und beschreiben Sie allgemein die Aussage des Prinzips vom kleinsten Zwang.

Chemische Synthesen mit Phosgen

Phosgen (Carbonyldichlorid) wurde 1812 von John Davy entdeckt und ist eine bei Raumtemperatur gasförmige süßlich-faul riechende Verbindung. Der Name Phosgen leitet sich von der photoinduzierten Addition von Chlorgas an Kohlenstoffmonooxid ab. In einigen Kriegen wurde Phosgen aufgrund seiner hohen Toxizität als tödlicher chemischer Kampfstoff eingesetzt und ist seitdem durch die internationale Chemiewaffenkonvention geächtet.

Trotz seiner Toxizität ist Phosgen eine in der chemischen Industrie vielseitig einsetzbare Verbindung: So wird durch die Reaktion von Phosgen mit Bisphenol A der Kunststoff Polycarbonat gebildet, der aufgrund seiner Transparenz häufig als Alternative zum Glas eingesetzt wird.

Reagiert Phosgen hingegen mit Benzol (Benzen), so kann Benzoesäure hergestellt werden, die in Weihrauch oder verschiedenen Früchten enthalten ist. Sowohl Benzoesäure als auch einige ihrer Salze, die sogenannten Benzoate, werden als Zusatzstoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

4.3 Für die Herstellung von Bisphenol A werden Phenol (Hydroxybenzol bzw. Hydroxybenzen) und Propanon benötigt, die wiederum im Rahmen des sogenannten Hock-Verfahrens hergestellt werden (Material 4).

Zeigen Sie anhand der wesentlichen Oxidationszahlen und der Elektronenübergänge, dass es sich beim Hock-Verfahren (Material 4) in der Bilanz um eine Redox-Reaktion handelt.

Hinweis: Die Lösung zu diesem Aufgabenteil kann direkt in Material 4 eingetragen werden.

Bestimmen Sie die Oxidationszahlen der fett markierten Atome:

Atom · Ausgangsstoff · Produkt

C-Atom im Benzol-Ring / C1-Atom in Phenol

O-Atome im Sauerstoff-Molekül / O-Atome in den Produkten

C2-Atom in Propen / C2-Atom in Propanon

C1-Atom in Propen / C1-Atom in Propanon

Formulieren Sie unter Verwendung von Strukturformeln die Reaktionsgleichung für die Herstellung von Bisphenol A (Material 5) aus Phenol und Propanon.

Geben Sie für den Ausgangsstoff, der neben Phenol zur Herstellung von Bisphenol AF benötigt wird (Material 5), die Strukturformel sowie den Namen gemäß der IUPAC-Nomenklatur an. [8 BE]

Chemische Synthesen mit Phosgen

Phosgen (Carbonyldichlorid) wurde 1812 von John Davy entdeckt und ist eine bei Raumtemperatur gasförmige süßlich-faul riechende Verbindung. Der Name Phosgen leitet sich von der photoinduzierten Addition von Chlorgas an Kohlenstoffmonooxid ab. In einigen Kriegen wurde Phosgen aufgrund seiner hohen Toxizität als tödlicher chemischer Kampfstoff eingesetzt und ist seitdem durch die internationale Chemiewaffenkonvention geächtet.

Trotz seiner Toxizität ist Phosgen eine in der chemischen Industrie vielseitig einsetzbare Verbindung: So wird durch die Reaktion von Phosgen mit Bisphenol A der Kunststoff Polycarbonat gebildet, der aufgrund seiner Transparenz häufig als Alternative zum Glas eingesetzt wird.

Reagiert Phosgen hingegen mit Benzol (Benzen), so kann Benzoesäure hergestellt werden, die in Weihrauch oder verschiedenen Früchten enthalten ist. Sowohl Benzoesäure als auch einige ihrer Salze, die sogenannten Benzoate, werden als Zusatzstoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Material 6: Herstellung von Polycarbonat

Die Herstellung von Polycarbonat erfolgt insgesamt als Kondensationsreaktion an der Grenzfläche zweier nicht mischbarer Lösungen (Bisphenol A-Lösung und Phosgen-Lösung).

Durch Lösen von Bisphenol A in Natronlauge wird eine wässrige Phase hergestellt. Dabei spalten die beiden Hydroxy-Gruppen der Bisphenol A-Moleküle jeweils ein H + -Ion ab.

In die organische Phase wird das gasförmige Phosgen eingeleitet.

An der Grenzfläche der beiden Phasen kommt es nun zu einer Reaktion zwischen den deprotonierten Bisphenol A-Molekülen und Phosgen.

Insgesamt entsteht neben dem Polymer noch eine Salz-Lösung.

4.4

Aus Phosgen und Bisphenol A (Material 5) lässt sich ein Polycarbonat herstellen (Material 6).

Formulieren Sie für die Herstellung der wässrigen Phase sowie für die Reaktion an der Grenzfläche jeweils die Reaktionsgleichung.

Hinweis: Gehen Sie dabei insgesamt von einem Molekül Bisphenol A und zwei Molekülen Phosgen aus.

Formulieren Sie einen kleinstmöglichen Strukturformelausschnitt aus dem Polycarbonat-Molekül und benennen Sie das bei der Reaktion in der Lösung entstehende Salz. [7 BE]

Chemische Synthesen mit Phosgen

Phosgen (Carbonyldichlorid) wurde 1812 von John Davy entdeckt und ist eine bei Raumtemperatur gasförmige süßlich-faul riechende Verbindung. Der Name Phosgen leitet sich von der photoinduzierten Addition von Chlorgas an Kohlenstoffmonooxid ab. In einigen Kriegen wurde Phosgen aufgrund seiner hohen Toxizität als tödlicher chemischer Kampfstoff eingesetzt und ist seitdem durch die internationale Chemiewaffenkonvention geächtet.

Trotz seiner Toxizität ist Phosgen eine in der chemischen Industrie vielseitig einsetzbare Verbindung: So wird durch die Reaktion von Phosgen mit Bisphenol A der Kunststoff Polycarbonat gebildet, der aufgrund seiner Transparenz häufig als Alternative zum Glas eingesetzt wird.

Reagiert Phosgen hingegen mit Benzol (Benzen), so kann Benzoesäure hergestellt werden, die in Weihrauch oder verschiedenen Früchten enthalten ist. Sowohl Benzoesäure als auch einige ihrer Salze, die sogenannten Benzoate, werden als Zusatzstoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Material 7

Benzoesäuresynthese mithilfe von Phosgen

Zur Herstellung von Benzoesäure wird in einem ersten Schritt Phosgen mit Benzol (Benzen) umgesetzt. Als Katalysator für diese Reaktion dient Aluminiumchlorid ($AlCl_3$).

Dabei entsteht unter anderem Benzoesäurechlorid, das in einem zweiten Schritt mit Wasser zur Benzoesäure umgesetzt wird.

Bei beiden Reaktionsschritten entsteht zusätzlich das gleiche Nebenprodukt.

4.5 Der Einsatz von Phosgen zur Synthese der Benzoesäure ist in Material 7 beschrieben. Formulieren Sie unter Verwendung von Strukturformeln für die organischen Stoffe die Reaktionsgleichungen für die beiden Schritte zur Herstellung der Benzoesäure und benennen Sie den Reaktionsmechanismus für den ersten Schritt. [5 BE]

1.

2.

Chemische Synthesen mit Phosgen

Phosgen (Carbonyldichlorid) wurde 1812 von John Davy entdeckt und ist eine bei Raumtemperatur gasförmige süßlich-faul riechende Verbindung. Der Name Phosgen leitet sich von der photoinduzierten Addition von Chlorgas an Kohlenstoffmonooxid ab. In einigen Kriegen wurde Phosgen aufgrund seiner hohen Toxizität als tödlicher chemischer Kampfstoff eingesetzt und ist seitdem durch die internationale Chemiewaffenkonvention geächtet.

Trotz seiner Toxizität ist Phosgen eine in der chemischen Industrie vielseitig einsetzbare Verbindung: So wird durch die Reaktion von Phosgen mit Bisphenol A der Kunststoff Polycarbonat gebildet, der aufgrund seiner Transparenz häufig als Alternative zum Glas eingesetzt wird.

Reagiert Phosgen hingegen mit Benzol (Benzen), so kann Benzoesäure hergestellt werden, die in Weihrauch oder verschiedenen Früchten enthalten ist. Sowohl Benzoesäure als auch einige ihrer Salze, die sogenannten Benzoate, werden als Zusatzstoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Benzoesäure kann mit Calciumhydroxid-Lösung zum schwer löslichen Salz Calciumbenzoat reagieren.

a)

Formulieren Sie für die Umsetzung von Benzoesäure mit Calciumhydroxid-Lösung die Reaktionsgleichung.

b)

Berechnen Sie die bei vollständiger Umsetzung zur Herstellung von $50\text{ g}$ Calciumbenzoat nötige Masse an Benzoesäure.