Abitur Hessen Chemietechnik 2021 · LK

Vanillin

Vanillin (4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd) ist der Hauptaromastoff der Gewürzvanille ( Vanilla planifolia) sowie ein naturidentischer Aromastoff. Vanillin ist weltweit mengenmäßig der wichtigste Aromastoff, der zudem preisgünstig hergestellt werden kann. Er wird in Lebensmitteln, Getränken, Speiseeis, Backwaren und Schokolade, sowie in der Parfüm- und Pharmaindustrie verwendet.

Material 1

Bestandteile des Vanillearomas

Material 2

UV-Spektren von Vanillin und 4-Hydroxybenzaldehyd

Spektrum 1

Spektrum 2

Material 3

Reaktion von Isoeugenol zu Vanillin

Material 4

Löslichkeiten L von Vanillin und Vanillinsäure

Löslichkeiten · L in MTBE · L in NaHCO 3 -Lsg.

Vanillin · + · −

Vanillinsäure · + · +

Materialien: Bechergläser, Scheidetrichter, Destillationsapparatur

Chemikalien: Methyl-t-Butylether (MTBE), Natriumhydrogencarbonat-Lösung (NaHCO 3 -Lsg.)

1 Synthese von Vanillin

Eine zweistufige Laborsynthese von Vanillin geht von 4-Hydroxybenzaldehyd (Material 1) aus. Dieses wird in der ersten Stufe mit Brom ($\text{Br}_2$) in Anwesenheit von Aluminiumbromid ($\text{AlBr}_3$) umgesetzt. Das Zwischenprodukt reagiert dann in der zweiten Stufe mit Natriummethanolat ($\text{NaOCH}_3$) zum Vanillin.

1.1

Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für die erste Synthesestufe und begründen Sie den Ort der Substitution.

[6 BE]

1.2

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die zweite Synthesestufe mit Strukturformeln.

[3 BE]

Vanillin

Vanillin (4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd) ist der Hauptaromastoff der Gewürzvanille ( Vanilla planifolia) sowie ein naturidentischer Aromastoff. Vanillin ist weltweit mengenmäßig der wichtigste Aromastoff, der zudem preisgünstig hergestellt werden kann. Er wird in Lebensmitteln, Getränken, Speiseeis, Backwaren und Schokolade, sowie in der Parfüm- und Pharmaindustrie verwendet.

Material 1

Bestandteile des Vanillearomas

Material 2

UV-Spektren von Vanillin und 4-Hydroxybenzaldehyd

Spektrum 1

Spektrum 2

Material 3

Reaktion von Isoeugenol zu Vanillin

Material 4

Löslichkeiten L von Vanillin und Vanillinsäure

Löslichkeiten · L in MTBE · L in NaHCO 3 -Lsg.

Vanillin · + · −

Vanillinsäure · + · +

Materialien: Bechergläser, Scheidetrichter, Destillationsapparatur

Chemikalien: Methyl-t-Butylether (MTBE), Natriumhydrogencarbonat-Lösung (NaHCO 3 -Lsg.)

1 Synthese von Vanillin

1.3

In Material 2 sind die UV-Spektren von Vanillin und 4-Hydroxybenzaldehyd abgebildet. Ordnen Sie die Spektren den genannten Verbindungen zu und begründen Sie Ihre Zuordnung. (4 BE)

Spektrum · Zugeordnete Verbindung

Spektrum 1

Spektrum 2

Vanillin

Vanillin (4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd) ist der Hauptaromastoff der Gewürzvanille ( Vanilla planifolia) sowie ein naturidentischer Aromastoff. Vanillin ist weltweit mengenmäßig der wichtigste Aromastoff, der zudem preisgünstig hergestellt werden kann. Er wird in Lebensmitteln, Getränken, Speiseeis, Backwaren und Schokolade, sowie in der Parfüm- und Pharmaindustrie verwendet.

Material 1

Bestandteile des Vanillearomas

Material 2

UV-Spektren von Vanillin und 4-Hydroxybenzaldehyd

Spektrum 1

Spektrum 2

Material 3

Reaktion von Isoeugenol zu Vanillin

Material 4

Löslichkeiten L von Vanillin und Vanillinsäure

Löslichkeiten · L in MTBE · L in NaHCO 3 -Lsg.

Vanillin · + · −

Vanillinsäure · + · +

Materialien: Bechergläser, Scheidetrichter, Destillationsapparatur

Chemikalien: Methyl-t-Butylether (MTBE), Natriumhydrogencarbonat-Lösung (NaHCO 3 -Lsg.)

1.4 Ein anderer Syntheseweg für Vanillin geht von Isoeugenol aus, das mit Kaliumpermanganat zu Vanillin oxidiert wird (Material 3).

1.4.1

Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung von Isoeugenol zu Vanillin nach der Oxidationszahlmethode.

[4 BE]

Vanillin

Vanillin (4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd) ist der Hauptaromastoff der Gewürzvanille ( Vanilla planifolia) sowie ein naturidentischer Aromastoff. Vanillin ist weltweit mengenmäßig der wichtigste Aromastoff, der zudem preisgünstig hergestellt werden kann. Er wird in Lebensmitteln, Getränken, Speiseeis, Backwaren und Schokolade, sowie in der Parfüm- und Pharmaindustrie verwendet.

Material 1

Bestandteile des Vanillearomas

Material 2

UV-Spektren von Vanillin und 4-Hydroxybenzaldehyd

Spektrum 1

Spektrum 2

Material 3

Reaktion von Isoeugenol zu Vanillin

Material 4

Löslichkeiten L von Vanillin und Vanillinsäure

Löslichkeiten · L in MTBE · L in NaHCO 3 -Lsg.

Vanillin · + · −

Vanillinsäure · + · +

Materialien: Bechergläser, Scheidetrichter, Destillationsapparatur

Chemikalien: Methyl-t-Butylether (MTBE), Natriumhydrogencarbonat-Lösung (NaHCO 3 -Lsg.)

1.4.2 Bei der Oxidation von Isoeugenol entsteht neben Vanillin auch Vanillinsäure.

Entwickeln Sie mithilfe der Angaben in Material 1 und 4 ein Experiment zur Gewinnung von Vanillin aus einer Lösung von Vanillin und Vanillinsäure in Methyl-t-Butylether (MTBE) und begründen Sie Ihre Vorgehensweise. [6 BE]

2 Laborpraktische Aufgabe: Bestimmung des Vanillingehalts in Vanillinzucker

Vanillinzucker als Backzutat ist eine Mischung aus Zucker und Vanillin. Der Gehalt an Vanillin muss dabei mindestens $w = 1{,}1\,\%$ betragen. Vanillin ist eine schwache Säure. Der Gehalt an Vanillin kann daher durch Säure-Base-Titration bestimmt werden.

2.1 Führen Sie die Gehaltsbestimmung nach der gegebenen Arbeitsvorschrift durch (Material 5). Berechnen Sie den Massenanteil $w(\text{Vanillin})$ in dem Vanillinzucker und beurteilen Sie, ob der gesetzlich vorgegebene Gehalt an Vanillin eingehalten wird.

[15 BE]

Material 5: Bestimmung des Massenanteils von Vanillin in Vanillinzucker

Geräte: Messkolben ($100\,\text{mL}$), Vollpipette ($20\,\text{mL}$), 3 Erlenmeyer-Kolben ($250\,\text{mL}$), 1 Bürette ($50\,\text{mL}$), 2 Trichter (Glas oder Kunststoff), Messzylinder ($50\,\text{mL}$), Pasteurpipette, 2 Bechergläser ($50\,\text{mL}$ oder $100\,\text{mL}$), Wägeröhrchen, Analysenwaage.

Chemikalien: Vanillinzucker, Natronlauge-Maßlösung ($c(\text{NaOH}) = 0{,}01\,\text{mol/L}$), Phenolphthalein-Lösung, Ethanol ($w(\text{X}) = 96\,\%$).

Durchführung: Wiegen Sie den Inhalt eines Päckchens Vanillinzucker auf einer Analysenwaage in einem Wägeröhrchen ab. Überführen Sie den Inhalt mit Hilfe eines Trichters quantitativ in einen $100\,\text{mL}$-Messkolben. Geben Sie $25\,\text{mL}$ Ethanol in den Messzylinder und füllen Sie mit E-Wasser auf $50\,\text{mL}$ auf. Spülen Sie damit mit Hilfe einer Pasteurpipette die Reste des Vanillinzuckers in den Messkolben und geben Sie den Rest des Ethanol/Wasser-Gemisches hinzu. Schwenken Sie zum Lösen den Messkolben mehrere Minuten, füllen Sie mit E-Wasser bis auf ca. $90\,\text{mL}$ auf und schütteln Sie bis zur vollständigen Lösung der Probe. Füllen Sie nun den Messkolben bis zur Messmarke auf.

Pipettieren Sie $20\,\text{mL}$ mit einer Vollpipette in einen Erlenmeyer-Kolben und füllen Sie mit E-Wasser auf ca. $100\,\text{mL}$ auf. Fügen Sie ca. 5 Tropfen Phenolphthalein-Lösung zu und titrieren Sie bis zur schwachen Rosafärbung. Führen Sie eine Dreifachbestimmung durch.

a)

Dokumentation der praktischen Versuchsdurchführung (Messwerte der Einwaage und der Dreifachbestimmung des Laugenverbrauchs):

b)

Berechnung des Massenanteils $w(\text{Vanillin})$ im Vanillinzucker (Rechnungsgang und Ergebnis):

c)

Beurteilen Sie anhand Ihres berechneten Massenanteils, ob der gesetzlich vorgegebene Mindestgehalt an Vanillin ($w \ge 1{,}1\,\%$) eingehalten wird:

2 Laborpraktische Aufgabe: Bestimmung des Vanillingehalts in Vanillinzucker

Vanillinzucker als Backzutat ist eine Mischung aus Zucker und Vanillin. Der Gehalt an Vanillin muss dabei mindestens $w = 1{,}1\,\%$ betragen. Vanillin ist eine schwache Säure. Der Gehalt an Vanillin kann daher durch Säure-Base-Titration bestimmt werden.

2.2

Der $\text{pK}_\text{s}$-Wert von Vanillin beträgt 7,4. Phenol hat einen $\text{pK}_\text{s}$-Wert von 9,99.

Begründen Sie die im Vergleich zu Phenol deutlich größere Säurestärke mithilfe von mesomeren Grenzstrukturen.

[4 BE]

3 Identifizierung der Hauptkomponenten von natürlicher Vanille und Bestimmung des Vanillingehalts mittels Gaschromatographie

Natürliche Vanille (Vanilleschote) enthält eine Vielzahl von Substanzen, die entscheidend zum Geruch und Geschmack von Vanille beitragen. Neben Vanillin handelt es sich dabei unter anderem um Vanillinalkohol, Vanillinsäure und 4-Hydroxybenzaldehyd (Material 1).

Material 1: Bestandteile des Vanillearomas

3.1

Ordnen Sie die genannten Komponenten den Peaks in dem Gaschromatogramm (Material 6) zu und begründen Sie Ihre Zuordnung.

Hinweis: Das Gaschromatogramm wurde mit einer mittelpolaren Säule aufgenommen.

Material 6: Gaschromatogramm der Hauptkomponenten von natürlicher Vanille

Peak 1 (ca. 10 min):

Peak 2 (ca. 11,5 min):

Peak 3 (ca. 14 min):

Peak 4 (ca. 16 min):

3.2

Bestimmung des Massenanteils von Vanillin in einer Vanilleschote

Der Massenanteil von Vanillin in einer Vanilleschote wird nach der Methode des externen Standards bestimmt. Dazu werden Kalibrierlösungen mit Ethanol als Lösungsmittel angesetzt und jeweils ein Gaschromatogramm aufgenommen. Für die Probe werden 2,53 g einer Vanilleschote mit ca. 10 mL Ethanol extrahiert. Der Extrakt wird in einen 100 mL Messkolben filtriert und mit Ethanol bis zur Messmarke aufgefüllt. Von dieser Lösung wird ebenfalls ein Gaschromatogramm aufgenommen. Die entsprechenden Angaben sind in der Tabelle in Material 7 zusammengefasst.

Bestimmen Sie mithilfe von Material 7 zeichnerisch oder rechnerisch den Massenanteil an Vanillin, $w(\text{Vanillin})$, in der Vanilleschote.

Material 7: Flächen der Gaschromatogramme zur Bestimmung von Vanillin in einer Vanilleschote

Massenkonzentration $\beta(\text{Vanillin})$ in $\frac{\text{g}}{100\,\text{mL}}$

Fläche $A$ in cts

0,05 · 1180

0,10 · 2404

0,15 · 3592

0,20 · 4850

Probe · 3081

Alternative Kraftstoffe

Mit Blick auf den Klimawandel und endliche Erdölressourcen wird zunehmend nach geeigneten Alternativen zu den herkömmlichen Kraftstoffen Benzin und Diesel gesucht. Weiterentwicklungen finden z. B. im Bereich Biodiesel statt.

Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen gewonnen werden kann. Setzt man bereits in der Lebensmittelproduktion genutzte Pflanzenöle, z. B. gebrauchtes Frittieröl, ein, so entsteht ein abfallstoffbasierter Biodiesel. Dieser Kraftstoff hat gegenüber fossilem Diesel ein großes $\text{CO}_2$-Einsparungspotenzial.

Material 1: Herstellung von Biodiesel

$R_1$, $R_2$ und $R_3$ sind organische Reste, z. B.:

Material 2: Messdaten der quantitativen Wasserbestimmung mittels NIR-Spektroskopie

Lösung Nr. · 1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6

Wassergehalt in Vol% · 0,0470 · 0,0500 · 0,0430 · 0,0520 · 0,0470 · 0,0460

Material 3: Gaschromatogramm einer Biodieselprobe

Peak-Nr. · Fettsäuremethylester · Retentionszeit $t_R$ in min

1 · C6:0 · 6,031

4 · C16:0 · 17,996

11 · C20:0 · 22,857

12 · C20:1 · 23,166

Peak-Nr. · Fettsäuremethylester · Retentionszeit $t_R$ in min

13 · C20:2 · 23,808

14 · C20:3 · 24,551

15 · C20:4 · 24,730

18 · C24:0 · 29,574

geändert nach: https://www.agilent.com/cs/library/applications/5991-0441EN.pdf (abgerufen am 01.06.2019).

Hinweis: Die Kurzbezeichnung des Fettsäuremethylesters bezieht sich auf den Fettsäurerest. Die erste Ziffer gibt die Anzahl an C-Atomen an, die zweite Ziffer die Anzahl an Doppelbindungen. Die Bezeichnung C9:1 kennzeichnet demnach einen Fettsäuremethylester mit neun C-Atomen und einer Doppelbindung im Rest wie Non-5-ensäuremethylester.

1.1

Pflanzenöle sind Ester des dreifachen Alkohols Glycerin (Propan-1,2,3-triol) mit unverzweigten, gesättigten und ungesättigten Monocarbonsäuren, den sogenannten Fettsäuren. Die Umesterung des Pflanzenöls mit Methanol ist der gebräuchlichste Prozess zur Herstellung von Biodiesel (Material 1).

Formulieren Sie den säurekatalysierten Reaktionsmechanismus für die Reaktion von einem Methanolmolekül mit einer Estergruppe.

[5 BE]

Alternative Kraftstoffe

Mit Blick auf den Klimawandel und endliche Erdölressourcen wird zunehmend nach geeigneten Alternativen zu den herkömmlichen Kraftstoffen Benzin und Diesel gesucht. Weiterentwicklungen finden z. B. im Bereich Biodiesel statt.

Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen gewonnen werden kann. Setzt man bereits in der Lebensmittelproduktion genutzte Pflanzenöle, z. B. gebrauchtes Frittieröl, ein, so entsteht ein abfallstoffbasierter Biodiesel. Dieser Kraftstoff hat gegenüber fossilem Diesel ein großes $\text{CO}_2$-Einsparungspotenzial.

Material 1: Herstellung von Biodiesel

$R_1$, $R_2$ und $R_3$ sind organische Reste, z. B.:

Material 2: Messdaten der quantitativen Wasserbestimmung mittels NIR-Spektroskopie

Lösung Nr. · 1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6

Wassergehalt in Vol% · 0,0470 · 0,0500 · 0,0430 · 0,0520 · 0,0470 · 0,0460

Material 3: Gaschromatogramm einer Biodieselprobe

Peak-Nr. · Fettsäuremethylester · Retentionszeit $t_R$ in min

1 · C6:0 · 6,031

4 · C16:0 · 17,996

11 · C20:0 · 22,857

12 · C20:1 · 23,166

Peak-Nr. · Fettsäuremethylester · Retentionszeit $t_R$ in min

13 · C20:2 · 23,808

14 · C20:3 · 24,551

15 · C20:4 · 24,730

18 · C24:0 · 29,574

geändert nach: https://www.agilent.com/cs/library/applications/5991-0441EN.pdf (abgerufen am 01.06.2019).

Hinweis: Die Kurzbezeichnung des Fettsäuremethylesters bezieht sich auf den Fettsäurerest. Die erste Ziffer gibt die Anzahl an C-Atomen an, die zweite Ziffer die Anzahl an Doppelbindungen. Die Bezeichnung C9:1 kennzeichnet demnach einen Fettsäuremethylester mit neun C-Atomen und einer Doppelbindung im Rest wie Non-5-ensäuremethylester.

1.2

Freie Fettsäuren im Biodiesel sind unerwünscht, denn sie verursachen Korrosion und bilden mit basischen Stoffen Seifen. Diese können zu einer Verstopfung von Filtern führen. Der Anteil der freien Fettsäuren wird über die Säurezahl (SZ) bestimmt. Die Säurezahl ist die Masse an $\mathrm{KOH}$ in Milligramm, die zur Neutralisation von einem Gramm der untersuchten Substanz verbraucht wird.

Zur Bestimmung der SZ im Biodiesel wird die eingewogene Probe unter Zugabe von Toluol in Ethanol gelöst. Die freien Fettsäuren werden bei einer Titration gegen Phenolphthalein mit einer ethanolischen $\mathrm{KOH}$-Lösung neutralisiert.

Für Biodiesel beträgt der obere Grenzwert $\mathrm{SZ}_{\max} = 0,50\,\mathrm{mg\,KOH/g\,Probe}$.

$6,805\,\mathrm{g}$ einer Biodieselprobe werden gelöst und mit $4,250\,\mathrm{mL}$ ethanolischer Kalilauge-Maßlösung ($c(\mathrm{KOH}) = 0,1000\,\mathrm{mol/L}$) neutralisiert.

Berechnen Sie die Säurezahl $\mathrm{SZ}$ und prüfen Sie, ob der Grenzwert eingehalten wird.

Ja

Nein

1.3.1

Kraftstoff muss klar sein und darf nur sehr wenig Wasser enthalten, da dieses einen schädigenden Einfluss auf Motoren hat. Der in den gesetzlichen Bestimmungen festgelegte Grenzwert für den Wassergehalt beträgt $0,050\,\mathrm{Volumenprozent\,(Vol\%)}$.

Biodiesel kann mittels Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR-Spektroskopie) auf den Wassergehalt hin untersucht werden. Die Präzision des NIR-Gerätes wird in einer Messreihe (Material 2) untersucht. Die Wiederholpräzision der Methode gilt als akzeptiert, wenn der Variationskoeffizient $v < 1,0\,\%$ beträgt.

Prüfen Sie, ob die vorliegenden Daten die Spezifikation erfüllen.

Lösung Nr. · 1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6

Wassergehalt in $\mathrm{Vol\%}$ · 0,0470 · 0,0500 · 0,0430 · 0,0520 · 0,0470 · 0,0460

Ja

Nein

Alternative Kraftstoffe

Mit Blick auf den Klimawandel und endliche Erdölressourcen wird zunehmend nach geeigneten Alternativen zu den herkömmlichen Kraftstoffen Benzin und Diesel gesucht. Weiterentwicklungen finden z. B. im Bereich Biodiesel statt.

Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen gewonnen werden kann. Setzt man bereits in der Lebensmittelproduktion genutzte Pflanzenöle, z. B. gebrauchtes Frittieröl, ein, so entsteht ein abfallstoffbasierter Biodiesel. Dieser Kraftstoff hat gegenüber fossilem Diesel ein großes $\text{CO}_2$-Einsparungspotenzial.

Material 1: Herstellung von Biodiesel

$R_1$, $R_2$ und $R_3$ sind organische Reste, z. B.:

Material 2: Messdaten der quantitativen Wasserbestimmung mittels NIR-Spektroskopie

Lösung Nr. · 1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6

Wassergehalt in Vol% · 0,0470 · 0,0500 · 0,0430 · 0,0520 · 0,0470 · 0,0460

Material 3: Gaschromatogramm einer Biodieselprobe

Peak-Nr. · Fettsäuremethylester · Retentionszeit $t_R$ in min

1 · C6:0 · 6,031

4 · C16:0 · 17,996

11 · C20:0 · 22,857

12 · C20:1 · 23,166

Peak-Nr. · Fettsäuremethylester · Retentionszeit $t_R$ in min

13 · C20:2 · 23,808

14 · C20:3 · 24,551

15 · C20:4 · 24,730

18 · C24:0 · 29,574

geändert nach: https://www.agilent.com/cs/library/applications/5991-0441EN.pdf (abgerufen am 01.06.2019).

Hinweis: Die Kurzbezeichnung des Fettsäuremethylesters bezieht sich auf den Fettsäurerest. Die erste Ziffer gibt die Anzahl an C-Atomen an, die zweite Ziffer die Anzahl an Doppelbindungen. Die Bezeichnung C9:1 kennzeichnet demnach einen Fettsäuremethylester mit neun C-Atomen und einer Doppelbindung im Rest wie Non-5-ensäuremethylester.

1.3.2 Der Gehalt an Fettsäuremethylester in Biodiesel wird mittels Gaschromatographie bestimmt. In Material 3 finden sich Angaben zur Analyse einer Biodieselprobe, die aus verschiedenen Fettsäuremethylestern besteht. Der genutzte Gaschromatograph hat eine polare Trennsäule.

Diskutieren Sie die unterschiedlichen Retentionszeiten der verschiedenen Fettsäuremethylester im Gaschromatogramm (Material 3).

(4 BE)

Neben den konventionellen Antrieben mit Verbrennungsmotoren kommen zunehmend Elektroantriebe auf den Markt. Zumeist beziehen Elektrofahrzeuge ihre Energie aus mitgeführten Energiespeichern, die zuvor ausreichend betankt bzw. aufgeladen werden. In Elektrofahrzeuge eingebaute Brennstoffzellen hingegen erzeugen elektrischen Strom direkt aus einem Kraftstoff, z. B. Wasserstoff.

Material 4: Schematische Darstellung einer alkalischen Brennstoffzelle

Material 5: Verfahrensfließbild der Methanol-Herstellung

2.1 Alkalische Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle wandelt chemische in elektrische Energie um. Material 4 zeigt die schematische Darstellung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle mit dem alkalischen Elektrolyten Kaliumhydroxid KOH.

Ordnen Sie den Verbindungen A, B und C die entsprechenden Moleküle zu:

Anode:

Kathode:

Bruttoreaktion:

2.3 Wasserelektrolyse

Zur technischen Gewinnung von Wasserstoff wird, wenn kostengünstige elektrische Energie zur Verfügung steht, die Wasserelektrolyse durchgeführt. Elektroden tauchen dabei in Wasser ein, das durch Zugabe von etwas Schwefelsäure leitender gemacht wird. Bei der Elektrolyse dieser verdünnten Schwefelsäure wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt:$$2\,\mathrm{H_2O}\,(\mathrm{l}) \rightarrow 2\,\mathrm{H_2}\,(\mathrm{g}) + \mathrm{O_2}\,(\mathrm{g})$$Berechnen Sie die Masse an Wasserstoff, die bei dieser Elektrolyse mit einer Stromstärke von $I = 2{,}00\,\mathrm{kA}$ und einer Stromausbeute von $87{,}5\,\%$ in einem Zeitraum von $4{,}00\,\mathrm{Stunden}$ abgeschieden wird.

2.5 Vergleich Batterie und Akkumulator

Neben der Brennstoffzelle kommen in E-Autos auch alternative Energie-Speichertechniken, im Wesentlichen in Form von Lithium-Ionen-Akkumulatoren, zum Einsatz. Diese gehören zu den sogenannten Sekundärelementen.

Beschreiben Sie an jeweils einem selbst gewählten Beispiel den Unterschied zwischen einer Batterie (Primärelement) und einem Akkumulator (Sekundärelement).

Neben den konventionellen Antrieben mit Verbrennungsmotoren kommen zunehmend Elektroantriebe auf den Markt. Zumeist beziehen Elektrofahrzeuge ihre Energie aus mitgeführten Energiespeichern, die zuvor ausreichend betankt bzw. aufgeladen werden. In Elektrofahrzeuge eingebaute Brennstoffzellen hingegen erzeugen elektrischen Strom direkt aus einem Kraftstoff, z. B. Wasserstoff.

Material 4: Schematische Darstellung einer alkalischen Brennstoffzelle

Material 5: Verfahrensfließbild der Methanol-Herstellung

2.2 Während der Sauerstoff aus der Umgebungsluft kommt, steuern in einem herkömmlichen Brennstoffzellenfahrzeug drei Hochdrucktanks den Wasserstoff bei. In diesen Karbontanks werden bei Vollbetankung insgesamt $6{,}33\,\text{kg}$ $\text{H}_2$-Gas bei $700\,\text{bar}$ gespeichert.

Berechnen Sie das Volumen $V(\text{H}_2)$ in Liter, das ein einzelner Tank bei der Temperatur $\vartheta = 20{,}0\,^\circ\text{C}$ fasst. [3 BE]

Neben den konventionellen Antrieben mit Verbrennungsmotoren kommen zunehmend Elektroantriebe auf den Markt. Zumeist beziehen Elektrofahrzeuge ihre Energie aus mitgeführten Energiespeichern, die zuvor ausreichend betankt bzw. aufgeladen werden. In Elektrofahrzeuge eingebaute Brennstoffzellen hingegen erzeugen elektrischen Strom direkt aus einem Kraftstoff, z. B. Wasserstoff.

Material 4: Schematische Darstellung einer alkalischen Brennstoffzelle

Material 5: Verfahrensfließbild der Methanol-Herstellung

2.4 Zur Speicherung von Wasserstoff kann dieser chemisch gebunden werden. Geeignet als Wasserstoffträger sind Alkanole, insbesondere Methanol.

Wasserstoff kann gemäß folgender Reaktionsgleichung in Methanol umgewandelt werden:

$$2\,\mathrm{H}_2\,(\mathrm{g}) + \mathrm{CO}\,(\mathrm{g}) \rightleftharpoons \mathrm{CH}_3\mathrm{OH}\,(\mathrm{g})$$

Das industriell angewendete Verfahren läuft bei einem Druck von $p = 50\,\mathrm{bar}$ und einer Temperatur von $T = 500\,\mathrm{K}$ ab. Als Nebenprodukt fällt Ethanol an.

2.4.1

Das Verfahrensfließbild des Prozesses lässt sich Material 5 entnehmen.

Benennen Sie die Anlagenteile PC, WT1, BR sowie KO und beschreiben Sie ihre Funktion im Rahmen dieses chemischen Prozesses. [6 BE]

2.4.2

Zur Steigerung der Ausbeute erfolgt die Umsetzung des Gasgemischs unter erhöhtem Druck. Diskutieren Sie diesen Sachverhalt und erörtern Sie eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Ausbeute. [5 BE]

2.4.3

Für die Methanol-Herstellung beträgt die Gleichgewichtskonstante $K_c = 10{,}2\,\mathrm{L}^2/\mathrm{mol}^2$. Berechnen Sie die Stoffmenge von Methanol im Gleichgewicht, wenn die Gleichgewichtskonzentrationen der Edukte $c(\mathrm{CO}) = 0{,}175\,\mathrm{mol/L}$ und $c(\mathrm{H}_2) = 0{,}0960\,\mathrm{mol/L}$ betragen.

Hinweis: Der Reaktor hat ein Volumen von $V = 10{,}0\,\mathrm{m}^3$. [4 BE]

Neben den konventionellen Antrieben mit Verbrennungsmotoren kommen zunehmend Elektroantriebe auf den Markt. Zumeist beziehen Elektrofahrzeuge ihre Energie aus mitgeführten Energiespeichern, die zuvor ausreichend betankt bzw. aufgeladen werden. In Elektrofahrzeuge eingebaute Brennstoffzellen hingegen erzeugen elektrischen Strom direkt aus einem Kraftstoff, z. B. Wasserstoff.

Material 4: Schematische Darstellung einer alkalischen Brennstoffzelle

Material 5: Verfahrensfließbild der Methanol-Herstellung

2.4.4 Zur Rückgewinnung des Wasserstoffs aus Methanol wird der Alkohol in der sogenannten Dampfreformierung mit Wasserdampf umgesetzt. Als weiteres Produkt entsteht Kohlenstoffdioxid.

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung nach der Oxidationszahlmethode.

Oxide des Kohlenstoffs

Kohlenstoff bildet mit Sauerstoff verschiedene Oxide, von denen die bekanntesten die Gase Kohlenstoffmonoxid $\text{CO}$ und Kohlenstoffdioxid $\text{CO}_2$ sind.

Kohlenstoffdioxid ist ein Gas, das unter anderem für die chemische Analytik bedeutsam ist.

Da $\text{CO}_2$ bei der Verbrennung von organischen Substanzen entsteht, ist es für die Elementaranalyse bedeutend.

Ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen wird im Labor quantitativ analysiert. Es soll untersucht werden, ob es sich bei dem Gemisch um Heptanisomere ($\text{C}_7\text{H}_{16}$) handelt. Dazu wird die Probe verbrannt und die Gase werden durch eine Apparatur geleitet. In dieser wird das entstandene Wasser kondensiert und ausgewogen. Das gebildete Kohlenstoffdioxid wird in Kalkwasser eingeleitet, wobei Calciumcarbonat ($\text{CaCO}_3$) entsteht. Dieses wird abfiltriert und ausgewogen.

Die Elementaranalyse ergibt $m(\text{H}_2\text{O}) = 0{,}128\,\text{g}$, $m(\text{CaCO}_3) = 0{,}620\,\text{g}$.

Berechnen Sie die Verhältnisformel und prüfen Sie, ob es sich um ein Gemisch aus Heptanisomeren handelt. [7 BE]

a)

b)

Oxide des Kohlenstoffs

Kohlenstoff bildet mit Sauerstoff verschiedene Oxide, von denen die bekanntesten die Gase Kohlenstoffmonoxid $\text{CO}$ und Kohlenstoffdioxid $\text{CO}_2$ sind.

Kohlenstoffdioxid ist ein Gas, das unter anderem für die chemische Analytik bedeutsam ist.

Kohlenstoffdioxid entsteht auch als Nebenprodukt bei der qualitativen Analyse mittels Oxidationsschmelze. Diese Analyse dient als Nachweis für Chromverbindungen. Bei der Oxidationsschmelze handelt es sich um eine stark oxidierend wirkende Schmelze, mit der man schwer lösliche, oxidierbare Verbindungen in lösliche Verbindungen überführen kann. Die Analysenprobe wird dazu mit einer Mischung aus Natriumcarbonat ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) und Kaliumnitrat ($\text{KNO}_3$) verschmolzen, wobei der Analyt oxidiert und das Nitrat zu Nitrit $\text{NO}_2^-$ reduziert wird. Der Nachweis ist positiv, wenn das Produkt eine gelbe Färbung für Chromat $\text{CrO}_4^{2-}$ aufweist.

Entwickeln Sie die vollständige Reaktionsgleichung nach der Oxidationszahlmethode für den Nachweis auf Chrom(III)-oxid $\text{Cr}_2\text{O}_3$. [4 BE]

Hinweis: Da die Reaktion in einer Carbonatschmelze abläuft, liegen weder Oxonium- noch Hydroxid-Ionen oder Wassermoleküle vor.

a)

b)

c)

So wie sich Kohlensäure $\mathrm{H_2CO_3}$ aus Kohlendioxid ableitet, leitet sich Methansäure $\mathrm{HCOOH}$ aus Kohlenmonoxid ab. Methansäure ist eine schwache bis mittelstarke Säure ($\mathrm{pK_S} = 3{,}77$).

Reinigungsmittel auf der Basis von Methansäure ($M = 46{,}03\;\mathrm{g/mol}$) werden in der chemischen Industrie gerne als Kalklöser zur Behandlung von Rohrleitungen, Heizkesseln oder Wärmetauschern eingesetzt. Der Gehalt an Säure in einem solchen Entkalkungsmittel, das für die Anwendung verdünnt werden muss, liegt zwischen $73\,\%$ und $78\,\%$. Dieser Massenanteil $w(\mathrm{HCOOH})$ kann mit einer Neutralisationstitration bestimmt werden. Dazu werden von einem Kanister mit Entkalkungsmittel $10\;\mathrm{mL}$ abgenommen, in einen Messkolben gegeben und auf $100\;\mathrm{mL}$ aufgefüllt. $10\;\mathrm{mL}$ davon werden mit Natronlauge-Maßlösung ($\tilde{c}(\mathrm{NaOH}) = 1{,}000\;\mathrm{mol/L}$, $t = 0{,}9980$) potenziometrisch titriert. In Material 1 findet sich die entsprechende Titrationskurve. Der Äquivalenzpunkt liegt bei $V(\mathrm{NaOH}) = 16{,}80\;\mathrm{mL}$.

Material 1

Titrationskurve der Neutralisation eines Entkalkers mit Natronlauge

Material 2

Messergebnisse der Methansäure-Konzentrationen eines Reinigungsmittels

Messung · 1 · 2 · 3 · 4 · 5

$\beta(\mathrm{HCOOH})$ in $\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{L}}$ · 1,206 · 1,289 · 1,198 · 1,210 · 1,194

2.1

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Protolyse der Methansäure $\mathrm{HCOOH}$ mit Wasser anhand von Strukturformeln. (2 BE)

So wie sich Kohlensäure $\mathrm{H_2CO_3}$ aus Kohlendioxid ableitet, leitet sich Methansäure $\mathrm{HCOOH}$ aus Kohlenmonoxid ab. Methansäure ist eine schwache bis mittelstarke Säure ($\mathrm{pK_S} = 3{,}77$).

Reinigungsmittel auf der Basis von Methansäure ($M = 46{,}03\;\mathrm{g/mol}$) werden in der chemischen Industrie gerne als Kalklöser zur Behandlung von Rohrleitungen, Heizkesseln oder Wärmetauschern eingesetzt. Der Gehalt an Säure in einem solchen Entkalkungsmittel, das für die Anwendung verdünnt werden muss, liegt zwischen $73\,\%$ und $78\,\%$. Dieser Massenanteil $w(\mathrm{HCOOH})$ kann mit einer Neutralisationstitration bestimmt werden. Dazu werden von einem Kanister mit Entkalkungsmittel $10\;\mathrm{mL}$ abgenommen, in einen Messkolben gegeben und auf $100\;\mathrm{mL}$ aufgefüllt. $10\;\mathrm{mL}$ davon werden mit Natronlauge-Maßlösung ($\tilde{c}(\mathrm{NaOH}) = 1{,}000\;\mathrm{mol/L}$, $t = 0{,}9980$) potenziometrisch titriert. In Material 1 findet sich die entsprechende Titrationskurve. Der Äquivalenzpunkt liegt bei $V(\mathrm{NaOH}) = 16{,}80\;\mathrm{mL}$.

Material 1

Titrationskurve der Neutralisation eines Entkalkers mit Natronlauge

Material 2

Messergebnisse der Methansäure-Konzentrationen eines Reinigungsmittels

Messung · 1 · 2 · 3 · 4 · 5

$\beta(\mathrm{HCOOH})$ in $\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{L}}$ · 1,206 · 1,289 · 1,198 · 1,210 · 1,194

2.2 Reinigungsmittel auf der Basis von Methansäure ($M = 46{,}03\text{ g/mol}$) werden in der chemischen Industrie gerne als Kalklöser zur Behandlung von Rohrleitungen, Heizkesseln oder Wärmetauschern eingesetzt. Der Gehalt an Säure in einem solchen Entkalkungsmittel, das für die Anwendung verdünnt werden muss, liegt zwischen $73\,\%$ und $78\,\%$. Dieser Massenanteil $w(\text{HCOOH})$ kann mit einer Neutralisationstitration bestimmt werden. Dazu werden von einem Kanister mit Entkalkungsmittel $10\text{ mL}$ abgenommen, in einen Messkolben gegeben und auf $100\text{ mL}$ aufgefüllt. $10\text{ mL}$ davon werden mit Natronlauge-Maßlösung ($\tilde{c}(\text{NaOH}) = 1{,}000\text{ mol/L}$, $t = 0{,}9980$) potenziometrisch titriert. In Material 1 findet sich die entsprechende Titrationskurve. Der Äquivalenzpunkt liegt bei $V(\text{NaOH}) = 16{,}80\text{ mL}$.

2.2.1

Bestätigen Sie anhand der Titrationskurve, dass es sich bei der Säure in dem Entkalkungsmittel um Methansäure handelt. [4 BE]

2.2.2

Diskutieren Sie für die Titrationskurve die Lage des Äquivalenzpunktes bei einem pH-Wert von 8,8 unter Verwendung von Reaktionsgleichungen. [5 BE]

2.2.3

Berechnen Sie den Massenanteil an Methansäure $w(\text{HCOOH})$ in dem untersuchten Entkalkungsmittel in $\%$.

Hinweis: Wählen Sie für den Entkalker eine Dichte von $\rho = 1{,}000\text{ g/mL}$. [4 BE]

%

2.2.4

Die mehrfache Titration eines anderen Reinigungsmittels ergab die in Material 2 aufgeführten Methansäure-Konzentrationen.

Zeigen Sie mittels des Ausreißertests nach GRUBBS, dass es sich bei Messwert 2 um einen hochsignifikanten Ausreißer handelt, und geben Sie das statistisch korrekte Ergebnis für die Konzentration $\beta(\text{HCOOH})$ der Methansäure an. [6 BE]

Kohlenstoffmonoxid CO wird bei der industriellen Eisengewinnung im Hochofenprozess als Reduktionsmittel eingesetzt. Dazu wird es aus Koks (Kohlenstoff) durch Einblasen von Heißluft („Wind“, 900 °C) gebildet. Bei der Reduktion des Metalls wird es zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoff und Kohlenstoffmonoxid stehen dabei in einem Gleichgewicht (BOUDOUARD-Gleichgewicht).

$$\mathrm{CO_2(g) + C(s) \rightleftharpoons 2\,CO(g)} \quad \Delta\mathrm{H_m^0} = +172{,}5\,\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$$

Material 3

Aufbau und Funktion eines Hochofens

In einem Hochofen wird von oben Eisenerz mit Koks und Kalkstein eingefüllt. In die Verbrennungszone wird Heißluft eingeblasen, wodurch Koks in diesem Bereich zu Kohlenstoffmonoxid CO reagiert.

Das CO reduziert das Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$ aus dem Erz nun stufenweise, wobei jeweils Kohlenstoffdioxid gebildet wird. In der vergleichsweise kälteren Vorwärmzone des Hochofens bildet sich zunächst $\mathrm{Fe_3O_4}$, ein Mischoxid aus Eisen(II)-oxid FeO und Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$. Dieses sogenannte Eisen(II, III)-oxid wird daher sowohl mit $\mathrm{Fe_3O_4}$ als auch mit $\mathrm{FeO\cdot Fe_2O_3}$ beschrieben.

Dieses $\mathrm{Fe_3O_4}$ rutscht nun weiter abwärts in die heißere indirekte Reduktionszone. Hier wird es weiter zu FeO und dieses schließlich in der ca. 1000 °C heißen, direkten Reduktionszone zu flüssigem Roheisen Fe reduziert. Das Eisen sammelt sich am Boden des Hochofens. Auf ihm schwimmt die „Schlacke“ (Kalk und Begleitmineralien des Erzes), welche das Roheisen vor der Oxidation durch den Wind schützt. Das Roheisen und die Schlacke werden von Zeit zu Zeit durch seitliche Stichlöcher abgelassen.

Hinweis: Bei allen Schritten ist CO Reduktionsmittel.

Material 4

Molare Standardbildungsenthalpien $\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H_m^0}$ und molare Standardentropien $\mathrm{S_m^0}$ ausgewählter Verbindungen

· $\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H_m^0}\text{ in }\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$ · $\mathrm{S_m^0}\text{ in }\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol\cdot K}}$

CO (g) · $-111$ · $198$

$\mathrm{CO_2}$ (g) · $-394$ · $214$

C (s) · $0$ · $6{,}00$

FeO (s) · $-272$ · $61{,}0$

$\mathrm{Fe_2O_3}$ (s) · $-824$ · $87{,}0$

$\mathrm{Fe_3O_4}$ (s) · $-1118$ · $146$

$\mathrm{O_2}$ (g) · $0$ · $205$

3.1 Formulieren Sie mithilfe von Material 3 die Reaktionsgleichungen für die ersten drei Zonen des Hochofens (Vorwärmzone, indirekte und direkte Reduktionszone).

[6 BE]

1.

2.

3.

Kohlenstoffmonoxid CO wird bei der industriellen Eisengewinnung im Hochofenprozess als Reduktionsmittel eingesetzt. Dazu wird es aus Koks (Kohlenstoff) durch Einblasen von Heißluft („Wind“, 900 °C) gebildet. Bei der Reduktion des Metalls wird es zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoff und Kohlenstoffmonoxid stehen dabei in einem Gleichgewicht (BOUDOUARD-Gleichgewicht).

$$\mathrm{CO_2(g) + C(s) \rightleftharpoons 2\,CO(g)} \quad \Delta\mathrm{H_m^0} = +172{,}5\,\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$$

Material 3

Aufbau und Funktion eines Hochofens

In einem Hochofen wird von oben Eisenerz mit Koks und Kalkstein eingefüllt. In die Verbrennungszone wird Heißluft eingeblasen, wodurch Koks in diesem Bereich zu Kohlenstoffmonoxid CO reagiert.

Das CO reduziert das Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$ aus dem Erz nun stufenweise, wobei jeweils Kohlenstoffdioxid gebildet wird. In der vergleichsweise kälteren Vorwärmzone des Hochofens bildet sich zunächst $\mathrm{Fe_3O_4}$, ein Mischoxid aus Eisen(II)-oxid FeO und Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$. Dieses sogenannte Eisen(II, III)-oxid wird daher sowohl mit $\mathrm{Fe_3O_4}$ als auch mit $\mathrm{FeO\cdot Fe_2O_3}$ beschrieben.

Dieses $\mathrm{Fe_3O_4}$ rutscht nun weiter abwärts in die heißere indirekte Reduktionszone. Hier wird es weiter zu FeO und dieses schließlich in der ca. 1000 °C heißen, direkten Reduktionszone zu flüssigem Roheisen Fe reduziert. Das Eisen sammelt sich am Boden des Hochofens. Auf ihm schwimmt die „Schlacke“ (Kalk und Begleitmineralien des Erzes), welche das Roheisen vor der Oxidation durch den Wind schützt. Das Roheisen und die Schlacke werden von Zeit zu Zeit durch seitliche Stichlöcher abgelassen.

Hinweis: Bei allen Schritten ist CO Reduktionsmittel.

Material 4

Molare Standardbildungsenthalpien $\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H_m^0}$ und molare Standardentropien $\mathrm{S_m^0}$ ausgewählter Verbindungen

· $\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H_m^0}\text{ in }\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$ · $\mathrm{S_m^0}\text{ in }\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol\cdot K}}$

CO (g) · $-111$ · $198$

$\mathrm{CO_2}$ (g) · $-394$ · $214$

C (s) · $0$ · $6{,}00$

FeO (s) · $-272$ · $61{,}0$

$\mathrm{Fe_2O_3}$ (s) · $-824$ · $87{,}0$

$\mathrm{Fe_3O_4}$ (s) · $-1118$ · $146$

$\mathrm{O_2}$ (g) · $0$ · $205$

3.2 Die Reaktion von Kohlenstoffdioxid mit Koks zu Kohlenstoffmonoxid läuft unter Standardbedingungen nicht freiwillig ab.

Berechnen Sie mithilfe von Material 4 die Temperatur, ab der die Reaktion freiwillig verläuft, und erklären Sie die erst bei höheren Temperaturen auftretende Freiwilligkeit.

[5 BE]

Kohlenstoffmonoxid CO wird bei der industriellen Eisengewinnung im Hochofenprozess als Reduktionsmittel eingesetzt. Dazu wird es aus Koks (Kohlenstoff) durch Einblasen von Heißluft („Wind“, 900 °C) gebildet. Bei der Reduktion des Metalls wird es zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoff und Kohlenstoffmonoxid stehen dabei in einem Gleichgewicht (BOUDOUARD-Gleichgewicht).

$$\mathrm{CO_2(g) + C(s) \rightleftharpoons 2\,CO(g)} \quad \Delta\mathrm{H_m^0} = +172{,}5\,\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$$

Material 3

Aufbau und Funktion eines Hochofens

In einem Hochofen wird von oben Eisenerz mit Koks und Kalkstein eingefüllt. In die Verbrennungszone wird Heißluft eingeblasen, wodurch Koks in diesem Bereich zu Kohlenstoffmonoxid CO reagiert.

Das CO reduziert das Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$ aus dem Erz nun stufenweise, wobei jeweils Kohlenstoffdioxid gebildet wird. In der vergleichsweise kälteren Vorwärmzone des Hochofens bildet sich zunächst $\mathrm{Fe_3O_4}$, ein Mischoxid aus Eisen(II)-oxid FeO und Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$. Dieses sogenannte Eisen(II, III)-oxid wird daher sowohl mit $\mathrm{Fe_3O_4}$ als auch mit $\mathrm{FeO\cdot Fe_2O_3}$ beschrieben.

Dieses $\mathrm{Fe_3O_4}$ rutscht nun weiter abwärts in die heißere indirekte Reduktionszone. Hier wird es weiter zu FeO und dieses schließlich in der ca. 1000 °C heißen, direkten Reduktionszone zu flüssigem Roheisen Fe reduziert. Das Eisen sammelt sich am Boden des Hochofens. Auf ihm schwimmt die „Schlacke“ (Kalk und Begleitmineralien des Erzes), welche das Roheisen vor der Oxidation durch den Wind schützt. Das Roheisen und die Schlacke werden von Zeit zu Zeit durch seitliche Stichlöcher abgelassen.

Hinweis: Bei allen Schritten ist CO Reduktionsmittel.

Material 4

Molare Standardbildungsenthalpien $\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H_m^0}$ und molare Standardentropien $\mathrm{S_m^0}$ ausgewählter Verbindungen

· $\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H_m^0}\text{ in }\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$ · $\mathrm{S_m^0}\text{ in }\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol\cdot K}}$

CO (g) · $-111$ · $198$

$\mathrm{CO_2}$ (g) · $-394$ · $214$

C (s) · $0$ · $6{,}00$

FeO (s) · $-272$ · $61{,}0$

$\mathrm{Fe_2O_3}$ (s) · $-824$ · $87{,}0$

$\mathrm{Fe_3O_4}$ (s) · $-1118$ · $146$

$\mathrm{O_2}$ (g) · $0$ · $205$

3.3

In der Verbrennungszone liegt das BOUDOURD-Gleichgewicht im Vergleich zu den vorherigen Zonen viel weiter auf der Produktseite.

Erklären Sie diesen Sachverhalt sowie den Einfluss, den eine Druckerhöhung auf die Lage des BOUDOURD-Gleichgewichts haben würde.

3.4

Da es sich beim BOUDOURD-Gleichgewicht um ein technisch wichtiges Gleichgewicht handelt, liegen genaue Messungen dazu vor. Bei der Temperatur $T = 1000\text{ K}$ beträgt die Gleichgewichtskonstante für das BOUDOURD-Gleichgewicht $K_p = 1{,}85\text{ bar}$.

Steht reines $\text{CO}_2$-Gas mit einem Ausgangsdruck von $1\text{ bar}$ bei einer Temperatur von $T = 1000\text{ K}$ in einem geschlossenen Behälter über glühendem Kohlenstoff, so wird sich das BOUDOURD-Gleichgewicht einstellen.

Berechnen Sie die Partialdrücke von $p(\text{CO})$ und $p(\text{CO}_2)$ im Gleichgewicht sowie die Gleichgewichtskonstante $K_c$ (in mol/L).

Phosphorverbindungen, „die es am besten nie gegeben hätte“

Sarin, Soman und Glyphosat

Sarin und Soman haben traurige Berühmtheit als chemische Kampfstoffe erlangt. Durch die Aufnahme über Augen, Haut und Atmungsorgane sind schon kleinste Mengen tödlich. Sarin und Soman gehören zur Stoffklasse der Phosphonsäureester.

Um Sarin oder Soman in kontaminiertem Blut quantitativ zu bestimmen, wird das Blut zunächst mit dem starken Oxidationsmittel Perchlorsäure ($\text{HClO}_4$) behandelt. Dadurch werden die Proteine im Blut zersetzt, welche sonst die Analyse stören würden. Danach erfolgt die gaschromatographische Analyse.

Material 1

Syntheseschritt aus der Sarinsynthese

Material 2

Gaschromatogramm

Material 3

Wärmeleitfähigkeitsdetektor

https://docplayer.org/15795333-Analytische-chemie-ii-ss-2010.html (abgerufen am 21.06.2019).

1.1

In der mehrstufigen Synthese von Sarin läuft die in Material 1 abgebildete Reaktion ab.

Nennen Sie den Reaktionstyp, nach dem die Reaktion abläuft, und begründen Sie Ihre Entscheidung.

Formulieren Sie den Mechanismus der Reaktion.

Hinweis: In Lösung liegen die starken Säuren HF und HCl protolysiert vor.

[6 BE]

Phosphorverbindungen, „die es am besten nie gegeben hätte“

Sarin, Soman und Glyphosat

Sarin und Soman haben traurige Berühmtheit als chemische Kampfstoffe erlangt. Durch die Aufnahme über Augen, Haut und Atmungsorgane sind schon kleinste Mengen tödlich. Sarin und Soman gehören zur Stoffklasse der Phosphonsäureester.

Um Sarin oder Soman in kontaminiertem Blut quantitativ zu bestimmen, wird das Blut zunächst mit dem starken Oxidationsmittel Perchlorsäure ($\text{HClO}_4$) behandelt. Dadurch werden die Proteine im Blut zersetzt, welche sonst die Analyse stören würden. Danach erfolgt die gaschromatographische Analyse.

Material 1

Syntheseschritt aus der Sarinsynthese

Material 2

Gaschromatogramm

Material 3

Wärmeleitfähigkeitsdetektor

https://docplayer.org/15795333-Analytische-chemie-ii-ss-2010.html (abgerufen am 21.06.2019).

1.2 Um Sarin oder Soman in kontaminiertem Blut quantitativ zu bestimmen, wird das Blut zunächst mit dem starken Oxidationsmittel Perchlorsäure ($\text{HClO}_4$) behandelt. Dadurch werden die Proteine im Blut zersetzt, welche sonst die Analyse stören würden. Danach erfolgt die gaschromatographische Analyse.

1.2.1

Die Perchlorsäure darf nicht zu lange auf die Probe einwirken. Begründen Sie diesen Sachverhalt. [2 BE]

1.2.2

Die gaschromatographische Analyse liefert das in Material 2 abgebildete Chromatogramm. Der Peak A weist eine nicht gewünschte, unsymmetrische Peakform auf. Benennen Sie diese. Geben Sie eine Ursache für diese Peakform sowie die entsprechende Gegenmaßnahme an. [4 BE]

1.2.3

Die Peaks B und C im Chromatogramm liegen nah beieinander. Erklären Sie den Begriff Selektivität und diskutieren Sie die Möglichkeit, eine größere Selektivität zu erreichen. [4 BE]

1.2.4

Zeichnen und beschriften Sie das Blockschaltbild eines Gaschromatographen. [3 BE]

1.2.5

Erklären Sie die Funktionsweise eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors anhand von Material 3. [4 BE]

Glyphosat gehört zur Stoffklasse der Phosphonate und ist seit Jahren der mengenmäßig bedeutendste Inhaltsstoff von Herbiziden (Unkrautvernichtungsmittel). Glyphosat ist umstritten, da es als u. a. krebserzeugend eingestuft wird und durch Bindung von Mineralien wie Eisen und Mangan die Bodenfruchtbarkeit vermindert. Weiterhin wird Glyphosat für das Insektensterben mitverantwortlich gemacht. Der Einsatz von Glyphosat soll in Deutschland bis 2023 beendet werden.

Material 4

Reaktionsgleichungen der Glyphosatsynthese

Material 5

Infrarotspektren

Quelle: https://webbook.nist.gov/chemistry (abgerufen am 21.06.2019).

2.1 Synthese von Glyphosat

2.1.1

Der Syntheseweg geht von Dimethylphosphit, Methanal (Formaldehyd) und Glycin aus. Diese Stoffe werden zunächst zu einem Zwischenprodukt umgesetzt, welches dann zum Glyphosat ($M = 169{,}07\text{ g/mol}$) weiterreagiert (Material 4).

Berechnen Sie das Volumen an Formaldehyd-Lösung ($w = 40{,}0\%$, $\rho = 1{,}10\text{ g/mL}$), das zur Herstellung von $1\text{ t}$ Glyphosat benötigt wird, wenn die Ausbeute $\eta = 85{,}0\%$ beträgt. [4 BE]

Glyphosat gehört zur Stoffklasse der Phosphonate und ist seit Jahren der mengenmäßig bedeutendste Inhaltsstoff von Herbiziden (Unkrautvernichtungsmittel). Glyphosat ist umstritten, da es als u. a. krebserzeugend eingestuft wird und durch Bindung von Mineralien wie Eisen und Mangan die Bodenfruchtbarkeit vermindert. Weiterhin wird Glyphosat für das Insektensterben mitverantwortlich gemacht. Der Einsatz von Glyphosat soll in Deutschland bis 2023 beendet werden.

Material 4

Reaktionsgleichungen der Glyphosatsynthese

Material 5

Infrarotspektren

Quelle: https://webbook.nist.gov/chemistry (abgerufen am 21.06.2019).

2.1 Synthese von Glyphosat

2.1.2

Bei dem abschließenden Schritt der Glyphosatsynthese handelt es sich um eine säurekatalysierte Esterhydrolyse (Material 4). Diese ist eine Gleichgewichtsreaktion und stellt die Rückreaktion der Veresterung dar.

Entwickeln Sie einen Reaktionsmechanismus für die säurekatalysierte Esterhydrolyse. [4 BE]

2.1.3

Entwickeln Sie eine Apparatur, um zu einer möglichst großen Produktausbeute zu gelangen. [3 BE]

Glyphosat gehört zur Stoffklasse der Phosphonate und ist seit Jahren der mengenmäßig bedeutendste Inhaltsstoff von Herbiziden (Unkrautvernichtungsmittel). Glyphosat ist umstritten, da es als u. a. krebserzeugend eingestuft wird und durch Bindung von Mineralien wie Eisen und Mangan die Bodenfruchtbarkeit vermindert. Weiterhin wird Glyphosat für das Insektensterben mitverantwortlich gemacht. Der Einsatz von Glyphosat soll in Deutschland bis 2023 beendet werden.

Material 4

Reaktionsgleichungen der Glyphosatsynthese

Material 5

Infrarotspektren

Quelle: https://webbook.nist.gov/chemistry (abgerufen am 21.06.2019).

2.2 IR-Spektroskopische Untersuchung von Glycin und Formaldehyd

Formaldehyd

Glycin

Glycin

Formaldehyd

2.2.2

Nennen Sie zwei Aufnahmetechniken für feste Analyten bei der IR-Spektroskopie. [2 BE]

Glyphosat gehört zur Stoffklasse der Phosphonate und ist seit Jahren der mengenmäßig bedeutendste Inhaltsstoff von Herbiziden (Unkrautvernichtungsmittel). Glyphosat ist umstritten, da es als u. a. krebserzeugend eingestuft wird und durch Bindung von Mineralien wie Eisen und Mangan die Bodenfruchtbarkeit vermindert. Weiterhin wird Glyphosat für das Insektensterben mitverantwortlich gemacht. Der Einsatz von Glyphosat soll in Deutschland bis 2023 beendet werden.

Material 4

Reaktionsgleichungen der Glyphosatsynthese

Material 5

Infrarotspektren

Quelle: https://webbook.nist.gov/chemistry (abgerufen am 21.06.2019).

2.3 Eigenschaften von Glyphosat

2.3.1

Glyphosat ist eine nicht flüchtige, leicht wasserlösliche Verbindung.

Erklären Sie diese Eigenschaften anhand der Struktur der Verbindung. [4 BE]

Glyphosat gehört zur Stoffklasse der Phosphonate und ist seit Jahren der mengenmäßig bedeutendste Inhaltsstoff von Herbiziden (Unkrautvernichtungsmittel). Glyphosat ist umstritten, da es als u. a. krebserzeugend eingestuft wird und durch Bindung von Mineralien wie Eisen und Mangan die Bodenfruchtbarkeit vermindert. Weiterhin wird Glyphosat für das Insektensterben mitverantwortlich gemacht. Der Einsatz von Glyphosat soll in Deutschland bis 2023 beendet werden.

Material 4

Reaktionsgleichungen der Glyphosatsynthese

Material 5

Infrarotspektren

Quelle: https://webbook.nist.gov/chemistry (abgerufen am 21.06.2019).

2.3.2

Glyphosat hat einen amphoteren Charakter, d.h. es kann sowohl als Säure als auch als Base reagieren.

Erläutern Sie diesen Sachverhalt mithilfe von Reaktionsgleichungen. [4 BE]

Silicium

Silicium ist das zweithäufigste Element der Erdkruste. Dort kommt es sehr häufig als Siliciumoxid ($\text{SiO}_2$) oder Abwandlungen daraus vor. Es finden sich viele Anwendungen für Silicium wie auch für seine Verbindungen in der Technik und im Labor.

Aufgaben

1 Kieselgel hat die Summenformel $\text{SiO}_2$ und ist ein farbloser, amorpher Feststoff mit einer großen Oberfläche. Je nach Einsatzgebiet wird es als Pulver (Chromatographie) oder als kleine Kügelchen (Trockenmittel) verwendet. In Pulverform findet Kieselgel als stationäre Phase gepackter Säulen in der Gaschromatographie Anwendung.

1.1

Leichtbenzin wird einmal an einer gepackten Säule und einmal an einer Kapillarsäule getrennt (Material 1). Beide Säulen weisen die gleiche Polarität auf.

Ordnen Sie unter Zuhilfenahme des Begriffs der Trennleistung die beiden Chromatogramme der jeweiligen Säulenart zu. [4 BE]

Material 1: Chromatogramme der Trennung von Leichtbenzin an einer Kapillarsäule und an einer gepackten Säule

1.2

Ein Gemisch aus Hexan und Methanol wird mittels Gaschromatographie an einer gepackten Säule mit Kieselgel als stationärer Phase getrennt. Das Hexan wird zuerst eluiert.

Begründen Sie diesen Sachverhalt mithilfe von Material 2. [3 BE]

Material 2: Strukturformeln von Kieselgel, Methanol und Hexan

Kieselgel ist im Labor ein häufig verwendetes Trockenmittel. Um die Trocknungskapazität des Kieselgels zu erkennen, wird es mit dem pH-Indikator Hexamethyl-p-rosanilin (HPR) versetzt. Dieser zeigt bei trockenem Kieselgel eine andere Farbe als bei feuchtem Kieselgel. Der pH-Wert des Kieselgels ist dabei in feuchtem Zustand wesentlich höher als in trockenem Zustand.

Material 3

Farbigkeit von HPR bei unterschiedlichen pH-Werten

Material 4

Synthese von HPR

2.1 In Material 3 ist HPR abgebildet, wie es einerseits in trockenem und andererseits in feuchtem Kieselgel vorliegt.

Ordnen Sie die beiden Strukturformeln dem feuchten und dem trockenen Kieselgel zu.

Begründen Sie jeweils die Farbigkeit.

Kieselgel ist im Labor ein häufig verwendetes Trockenmittel. Um die Trocknungskapazität des Kieselgels zu erkennen, wird es mit dem pH-Indikator Hexamethyl-p-rosanilin (HPR) versetzt. Dieser zeigt bei trockenem Kieselgel eine andere Farbe als bei feuchtem Kieselgel. Der pH-Wert des Kieselgels ist dabei in feuchtem Zustand wesentlich höher als in trockenem Zustand.

Material 3

Farbigkeit von HPR bei unterschiedlichen pH-Werten

Material 4

Synthese von HPR

HPR wird nach der in Material 4 gezeigten Synthese hergestellt.

2.2

Entwickeln Sie den Reaktionsmechanismus.

Silicium ist von großem Interesse bei der Entwicklung von Akkumulatoren (Akku), da es in großen Mengen verfügbar ist und die Speicherkapazität der Akkus hoch ist. In Material 5 ist ein in der Entwicklung befindlicher Silicium-Luft-Akku schematisch dargestellt. Eine Elektrode besteht aus Silicium, die andere aus porösem, gasdurchlässigen Graphit, der zur Erhöhung der Leitfähigkeit ein Netz aus Nickeldrähten enthält. Den Elektrolyten bildet eine Kaliumhydroxid-Lösung mit einem pH-Wert von 14,60.

Material 6: Standardelektrodenpotenziale

Redoxpaar (Red / Ox)

Standardelektrodenpotenzial $E^0$ in V

$\text{Si (s)} \ / \ \text{SiO}_3^{2-}\text{ (aq) in alkalischer Lösung}$

$-1{,}69$

$\text{Si (s)} \ / \ \text{SiO}_2\text{ (aq) in saurer Lösung}$

$-0{,}91$

$\text{H}_2\text{ (g)} \ / \ 2\text{ H}^+\text{ (aq)}$

$0{,}00$

$4\text{ OH}^-\text{ (aq)} \ / \ \text{O}_2\text{ (g) in alkalischer Lösung}$

$+0{,}82$

$2\text{ H}_2\text{O (l)} \ / \ \text{O}_2\text{ (g) in saurer Lösung}$

$+1{,}23$

3.1

Formulieren Sie die beim Entladen des Akkus ablaufenden Reaktionen an Anode und Kathode mithilfe von Material 6. Geben Sie die Ladung von Anode und Kathode sowie die Elektronenflussrichtung an. [5 BE]

3.2

Berechnen Sie unter Berücksichtigung der Konzentrationen der beteiligten Stoffe die Spannung des Akkus. [6 BE]

Hinweis: Gehen Sie als Berechnungsgrundlage von $c(\text{SiO}_3^{2-}) = 0{,}500\,\text{mol/L}$ aus. Für die Berechnung sind die beiden Halbzellenreaktionsgleichungen notwendig.

Silikone sind wichtige Materialien im Bauwesen. Für ihre Herstellung wird Dichlordimethylsilan („Silan“, $(\text{H}_3\text{C})_2\text{SiCl}_2$) benötigt. In Material 7 wird dessen zweistufige Synthese ausgehend von dem Rohstoff Siliciumdioxid $\text{SiO}_2$ gezeigt. In der ersten Stufe wird $\text{SiO}_2$ mit Kohlenstoff im Lichtbogenofen zu Silicium reduziert. Der Strom dient dabei nicht zur Elektrolyse, sondern er liefert die notwendige Energie für den Lichtbogen. Dieser erzeugt eine Temperatur von $2\,100\,^\circ\text{C}$ und sorgt damit für das Schmelzen sowohl des Siliciumdioxids als auch des gebildeten Siliciums, welches unten aus dem Ofen abgeleitet wird.

Anschließend wird das Rohsilicium wie in Material 7 beschrieben weiterverarbeitet und im Wirbelschichtreaktor mit frisch hergestelltem Chlormethan zu Rohsilan umgesetzt.

Material 7

Reaktionsschema und Reaktionsgleichungen zur Silansynthese

https://www.chem2do.de/c2d/de/silicone/herstellung/herstellung.jsp (abgerufen am 26.04.2020).

Synthese des Siliciums

$$\text{SiO}_2\text{ (l)} + 2\,\text{C}\text{ (s)} \rightleftharpoons \text{Si}\text{ (l)} + 2\,\text{CO}\text{ (g)}$$

Synthese des Silans

$$\text{Si}\text{ (s)} + 2\,\text{CH}_3-\text{Cl}\text{ (g)} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{SiCl}_2\text{ (g)}$$

Material 8

Molare Standardbildungsenthalpien $\Delta_\text{f}H_\text{m}^0$, molare Standardentropien $S_\text{m}^0$, molare Standardschmelzenthalpien $\Delta_\text{m}H_\text{m}^0$ und molare Standardschmelzentropien $\Delta_\text{m}S_\text{m}^0$ ausgewählter Verbindungen

· $\Delta_\text{f}H_\text{m}^0\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · $S_\text{m}^0\text{ in }\frac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}$ · $\Delta_\text{m}H_\text{m}^0\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · $\Delta_\text{m}S_\text{m}^0\text{ in }\frac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}$

$\text{C}\text{ (s)}$ · $0$ · $6{,}00$

$\text{CO}\text{ (g)}$ · $-111$ · $198$

$\text{CO}_2\text{ (g)}$ · $-394$ · $214$

$\text{Si}\text{ (l)}$ · $48{,}5$ · $44{,}6$

$\text{SiO}_2\text{ (s)}$ · $-910{,}7$ · $41{,}5$ · $9{,}600$ · $4{,}800$

$\text{H}_2\text{ (g)}$ · $0$ · $131$

$\text{H}_2\text{O}\text{ (g)}$ · $-242$ · $189$

http://periodensystem-online.de/index.php?el=14&id=bonds (abgerufen am 26.04.2020);

http://periodensystem-online.de/index.php?el=14&id=compound&cpid=501 (abgerufen am 26.04.2020);

Das große Tafelwerk, Formelsammlung für die Sek. I und II, 1. Aufl. 2014, S.152f.

Material 9

Reaktionsgleichung der Chlormethansynthese

$$\text{CH}_3-\text{OH} + \text{HCl} \rightarrow \text{CH}_3-\text{Cl} + \text{H}_2\text{O}$$

4.1.1

Berechnen Sie die freie molare Standardreaktionsenthalpie $\Delta_R G_m^0$ der Bildung von Silicium mithilfe der Daten in Material 7 und 8. [4 BE]

4.1.2

Erklären Sie unter Zuhilfenahme der thermodynamischen Daten die Reaktionsbedingungen.

Hinweis: Sollten Sie in Aufgabe 4.1.1 zu keinem Ergebnis gelangt sein, so verwenden Sie die folgenden Werte: $\Delta_R H_m^0 = 650\,\text{kJ/mol}$, $\Delta_R S_m^0 = 400\,\text{J/(mol}\cdot\text{K)}$, $\Delta_R G_m^0 = 531\,\text{kJ/mol}$. [3 BE]

Silikone sind wichtige Materialien im Bauwesen. Für ihre Herstellung wird Dichlordimethylsilan („Silan“, $(\text{H}_3\text{C})_2\text{SiCl}_2$) benötigt. In Material 7 wird dessen zweistufige Synthese ausgehend von dem Rohstoff Siliciumdioxid $\text{SiO}_2$ gezeigt. In der ersten Stufe wird $\text{SiO}_2$ mit Kohlenstoff im Lichtbogenofen zu Silicium reduziert. Der Strom dient dabei nicht zur Elektrolyse, sondern er liefert die notwendige Energie für den Lichtbogen. Dieser erzeugt eine Temperatur von $2\,100\,^\circ\text{C}$ und sorgt damit für das Schmelzen sowohl des Siliciumdioxids als auch des gebildeten Siliciums, welches unten aus dem Ofen abgeleitet wird.

Anschließend wird das Rohsilicium wie in Material 7 beschrieben weiterverarbeitet und im Wirbelschichtreaktor mit frisch hergestelltem Chlormethan zu Rohsilan umgesetzt.

Material 7

Reaktionsschema und Reaktionsgleichungen zur Silansynthese

https://www.chem2do.de/c2d/de/silicone/herstellung/herstellung.jsp (abgerufen am 26.04.2020).

Synthese des Siliciums

$$\text{SiO}_2\text{ (l)} + 2\,\text{C}\text{ (s)} \rightleftharpoons \text{Si}\text{ (l)} + 2\,\text{CO}\text{ (g)}$$

Synthese des Silans

$$\text{Si}\text{ (s)} + 2\,\text{CH}_3-\text{Cl}\text{ (g)} \rightleftharpoons (\text{CH}_3)_2\text{SiCl}_2\text{ (g)}$$

Material 8

Molare Standardbildungsenthalpien $\Delta_\text{f}H_\text{m}^0$, molare Standardentropien $S_\text{m}^0$, molare Standardschmelzenthalpien $\Delta_\text{m}H_\text{m}^0$ und molare Standardschmelzentropien $\Delta_\text{m}S_\text{m}^0$ ausgewählter Verbindungen

· $\Delta_\text{f}H_\text{m}^0\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · $S_\text{m}^0\text{ in }\frac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}$ · $\Delta_\text{m}H_\text{m}^0\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · $\Delta_\text{m}S_\text{m}^0\text{ in }\frac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}$

$\text{C}\text{ (s)}$ · $0$ · $6{,}00$

$\text{CO}\text{ (g)}$ · $-111$ · $198$

$\text{CO}_2\text{ (g)}$ · $-394$ · $214$

$\text{Si}\text{ (l)}$ · $48{,}5$ · $44{,}6$

$\text{SiO}_2\text{ (s)}$ · $-910{,}7$ · $41{,}5$ · $9{,}600$ · $4{,}800$

$\text{H}_2\text{ (g)}$ · $0$ · $131$

$\text{H}_2\text{O}\text{ (g)}$ · $-242$ · $189$

http://periodensystem-online.de/index.php?el=14&id=bonds (abgerufen am 26.04.2020);

http://periodensystem-online.de/index.php?el=14&id=compound&cpid=501 (abgerufen am 26.04.2020);

Das große Tafelwerk, Formelsammlung für die Sek. I und II, 1. Aufl. 2014, S.152f.

Material 9

Reaktionsgleichung der Chlormethansynthese

$$\text{CH}_3-\text{OH} + \text{HCl} \rightarrow \text{CH}_3-\text{Cl} + \text{H}_2\text{O}$$

4.2 Das für die Bildung des Silans notwendige Chlormethan wird frisch hergestellt. Dazu wird Methanol mit Chlorwasserstoff umgesetzt (Material 9).

Entwickeln Sie den Mechanismus der Reaktion.

Begründen Sie das Ablaufen der Reaktion trotz des Vorliegens der schlechten Abgangsgruppe $\mathrm{OH}^-$.

Zeolith A ist ein festes Alumosilikat, das sich aus gleichen Anteilen an $\text{SiO}_4$- und $\text{AlO}_4$-Einheiten zusammensetzt. Die Einheiten sind so miteinander verbunden, dass sich eine Struktur mit Kanälen und Hohlräumen ergibt, die eine große Oberfläche aufweist. Durch das Ladungsverhältnis von Sauerstoffatomen zu Aluminiumatomen ist das Gerüst negativ aufgeladen. Durch das Einlagern einer entsprechenden Anzahl an Natrium-Kationen wird erreicht, dass Zeolith A nach außen hin neutral ist.

Zeolith A wird bevorzugt in Waschmitteln eingesetzt und wirkt hier als Ionenaustauscher. Dabei werden die eingelagerten Natrium-Kationen durch Calcium-Kationen aus dem Waschwasser ausgetauscht. Dies ist notwendig, da die Calcium-Ionen ansonsten mit den waschaktiven Substanzen schwerlösliche Verbindungen bilden, die sich als Grauschleier auf der Kleidung niederschlagen. Für ein optimales Waschergebnis ist daher am besten weiches, calciumarmes Wasser geeignet.

Material 10

Fotometrische Analyse zur Bestimmung des Calcium-Gehalts eines Wassers

Herstellung der Kalibrierlösungen

Für die Herstellung der Stammlösung (SL) werden zunächst $2{,}946\,\text{g}$ Calciumnitrat Tetrahydrat ($\text{Ca(NO}_3)_2 \cdot 4\,\text{H}_2\text{O}$) abgewogen und mit demineralisiertem Wasser im Messkolben auf $500\,\text{mL}$ aufgefüllt.

Für die Kalibrierlösungen werden die in der Tabelle angegebenen Volumina an SL abgenommen und im $100\,\text{mL}$ Messkolben mit demineralisiertem Wasser aufgefüllt.

Vorbereitung der fotometrischen Messung

Von der Wasserprobe (PL) sowie von den Kalibrierlösungen (KL) werden jeweils $1\,\text{mL}$ entnommen, in eine verschließbare Küvette gegeben und mit $1\,\text{mL}$ Reagenzlösung 1 versetzt. Man schüttelt die Küvetten und lässt sie 3 Minuten stehen (Reaktionszeit). Danach wird in jede Küvette jeweils $1\,\text{mL}$ der Reagenzlösung 2 gegeben und wiederum geschüttelt.

Eine Blindprobe wird analog hergestellt.

Die Reagenzlösungen dienen zur Ausbildung eines pH-Wertes von 7,5 und enthalten eine Substanz, die zusammen mit den Calcium-Ionen eine violette Verbindung bildet.

Fotometrische Messung

Alle Küvetten werden im Fotometer bei einer Messwellenlänge von $570\,\text{nm}$ gemessen. Man erhält die folgenden Daten.

Messlösung · $V_{\text{SL}}$ in mL · $E$

KL 1 · 1 · 0,065

KL 2 · 5 · 0,250

KL 3 · 10 · 0,484

KL 4 · 15 · 0,744

KL 5 · 20 · 0,988

PL · – · 0,305

Material 11

Härtebereiche von Wasser in Bezug auf die Konzentration an Calcium-Ionen

Härtebereich · $\beta(\text{Ca}^{2+})\text{ in }\frac{\text{mg}}{\text{L}}$ · Grad deutscher Härte

°dH

1 (weich) · < 52 · < 7,3

2 (mittel) · 52 – 100 · 7,3 – 14

3 (hart) · 100 – 152 · 14 – 21,3

4 (sehr hart) · > 152 · > 21,3

geändert nach: https://www.chemie.de/lexikon/Wasserh%C3%A4rte.html (abgerufen am 26.04.2020).

Material 12

Reaktionsgleichung für die Synthese von Zeolith A

$$12\,\text{Al(OH)}_3 + 12\,\text{Si(OH)}_4 + 12\,\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_{12}((\text{AlO}_2)_{12}\,(\text{SiO}_2)_{12}) + 48\,\text{H}_2\text{O}$$

Zeolith A

$$M = 2191\,\frac{\text{g}}{\text{mol}}$$

5.1 Leitungswasser wurde einer Behandlung mit Zeolith A unterzogen. Nun wird die Effektivität des Ionenaustausches anhand des Gehalts an Calcium-Ionen im Wasser durch eine fotometrische Analyse überprüft.

Ermitteln Sie die Massenkonzentration $\beta(\text{Ca}^{2+})$ in $\text{mg/L}$ aus den Angaben in Material 10 und beurteilen Sie die Effektivität des Ionenaustausches anhand der Angaben in Material 11. (6 BE)

a)

b)

Zeolith A ist ein festes Alumosilikat, das sich aus gleichen Anteilen an $\text{SiO}_4$- und $\text{AlO}_4$-Einheiten zusammensetzt. Die Einheiten sind so miteinander verbunden, dass sich eine Struktur mit Kanälen und Hohlräumen ergibt, die eine große Oberfläche aufweist. Durch das Ladungsverhältnis von Sauerstoffatomen zu Aluminiumatomen ist das Gerüst negativ aufgeladen. Durch das Einlagern einer entsprechenden Anzahl an Natrium-Kationen wird erreicht, dass Zeolith A nach außen hin neutral ist.

Zeolith A wird bevorzugt in Waschmitteln eingesetzt und wirkt hier als Ionenaustauscher. Dabei werden die eingelagerten Natrium-Kationen durch Calcium-Kationen aus dem Waschwasser ausgetauscht. Dies ist notwendig, da die Calcium-Ionen ansonsten mit den waschaktiven Substanzen schwerlösliche Verbindungen bilden, die sich als Grauschleier auf der Kleidung niederschlagen. Für ein optimales Waschergebnis ist daher am besten weiches, calciumarmes Wasser geeignet.

Material 10

Fotometrische Analyse zur Bestimmung des Calcium-Gehalts eines Wassers

Herstellung der Kalibrierlösungen

Für die Herstellung der Stammlösung (SL) werden zunächst $2{,}946\,\text{g}$ Calciumnitrat Tetrahydrat ($\text{Ca(NO}_3)_2 \cdot 4\,\text{H}_2\text{O}$) abgewogen und mit demineralisiertem Wasser im Messkolben auf $500\,\text{mL}$ aufgefüllt.

Für die Kalibrierlösungen werden die in der Tabelle angegebenen Volumina an SL abgenommen und im $100\,\text{mL}$ Messkolben mit demineralisiertem Wasser aufgefüllt.

Vorbereitung der fotometrischen Messung

Von der Wasserprobe (PL) sowie von den Kalibrierlösungen (KL) werden jeweils $1\,\text{mL}$ entnommen, in eine verschließbare Küvette gegeben und mit $1\,\text{mL}$ Reagenzlösung 1 versetzt. Man schüttelt die Küvetten und lässt sie 3 Minuten stehen (Reaktionszeit). Danach wird in jede Küvette jeweils $1\,\text{mL}$ der Reagenzlösung 2 gegeben und wiederum geschüttelt.

Eine Blindprobe wird analog hergestellt.

Die Reagenzlösungen dienen zur Ausbildung eines pH-Wertes von 7,5 und enthalten eine Substanz, die zusammen mit den Calcium-Ionen eine violette Verbindung bildet.

Fotometrische Messung

Alle Küvetten werden im Fotometer bei einer Messwellenlänge von $570\,\text{nm}$ gemessen. Man erhält die folgenden Daten.

Messlösung · $V_{\text{SL}}$ in mL · $E$

KL 1 · 1 · 0,065

KL 2 · 5 · 0,250

KL 3 · 10 · 0,484

KL 4 · 15 · 0,744

KL 5 · 20 · 0,988

PL · – · 0,305

Material 11

Härtebereiche von Wasser in Bezug auf die Konzentration an Calcium-Ionen

Härtebereich · $\beta(\text{Ca}^{2+})\text{ in }\frac{\text{mg}}{\text{L}}$ · Grad deutscher Härte

°dH

1 (weich) · < 52 · < 7,3

2 (mittel) · 52 – 100 · 7,3 – 14

3 (hart) · 100 – 152 · 14 – 21,3

4 (sehr hart) · > 152 · > 21,3

geändert nach: https://www.chemie.de/lexikon/Wasserh%C3%A4rte.html (abgerufen am 26.04.2020).

Material 12

Reaktionsgleichung für die Synthese von Zeolith A

$$12\,\text{Al(OH)}_3 + 12\,\text{Si(OH)}_4 + 12\,\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_{12}((\text{AlO}_2)_{12}\,(\text{SiO}_2)_{12}) + 48\,\text{H}_2\text{O}$$

Zeolith A

$$M = 2191\,\frac{\text{g}}{\text{mol}}$$

5.2 Material 12 zeigt die Reaktionsgleichung zur Synthese von Zeolith A. Dafür wird neben Silicium- und Natriumhydroxid auch technisches Aluminiumhydroxid ($\text{Al(OH)}_3$, $w = 96{,}00\,\%$) eingesetzt. Die Ausbeute beträgt $\eta = 98{,}00\,\%$.

Berechnen Sie die Masse an technischem Aluminiumhydroxid, das für die Synthese von $1000\,\text{g}$ Zeolith A benötigt wird.

[4 BE]