Abitur Hessen Chemietechnik 2022 · LK

Cola

Cola ist ein koffein- und kohlensäurehaltiges Erfrischungsgetränk. Die Hauptinhaltsstoffe von Cola sind neben Wasser, Koffein und Phosphorsäure große Mengen an Zucker. Für den typischen Geschmack der heutigen Cola sind neben der Kolanuss die Zutaten Vanille, Zimtöl, Nelkenöl und Zitrone verantwortlich. Light-Produkte wie Cola Light oder Cola Zero enthalten anstelle von Zucker u. a. Aspartam.

Phosphorsäure wird in Cola als Säuerungsmittel verwendet, mit der die Süße des Zuckers überdeckt und ein erfrischender Effekt erreicht werden soll.

1.1

Phosphorsäure $\text{H}_3\text{PO}_4$ ist eine dreiprotonige Säure. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die drei Protolysestufen der Phosphorsäure in Wasser. (3 BE)

1.2.3

Berechnen Sie den pH-Wert der untersuchten Cola. (3 BE)

Hinweis: Beachten Sie dabei nur die erste Protolysestufe der Phosphorsäure.

$\text{pK}_{\text{S}1}$ der Phosphorsäure: 2,16.

Wenn Sie bei 1.2.2 zu keinem Ergebnis gekommen sind, gehen Sie von einer Massenkonzentration von $\beta(\text{H}_3\text{PO}_4) = 500\text{ mg/L}$ aus.

Cola

Cola ist ein koffein- und kohlensäurehaltiges Erfrischungsgetränk. Die Hauptinhaltsstoffe von Cola sind neben Wasser, Koffein und Phosphorsäure große Mengen an Zucker. Für den typischen Geschmack der heutigen Cola sind neben der Kolanuss die Zutaten Vanille, Zimtöl, Nelkenöl und Zitrone verantwortlich. Light-Produkte wie Cola Light oder Cola Zero enthalten anstelle von Zucker u. a. Aspartam.

Phosphorsäure wird in Cola als Säuerungsmittel verwendet, mit der die Süße des Zuckers überdeckt und ein erfrischender Effekt erreicht werden soll.

1.2 Laborpraktische Aufgabe: Bestimmung der Massenkonzentration an Phosphorsäure $\beta(\text{H}_3\text{PO}_4)$ in Cola durch Titration mit Natronlauge und Aufnahme einer Titrationskurve.

Die Gehaltsbestimmung an Phosphorsäure kann in diesem Fall nicht durch eine einfache Säure-Base-Titration mit einem Indikator erfolgen, da man aufgrund der gefärbten Cola den Umschlag des Indikators nicht erkennen kann. Aus diesem Grund wird mithilfe eines pH-Meters eine Titrationskurve aufgenommen.

Material 1: Arbeitsvorschrift

Geräte und Chemikalien:

Bechergläser (100 mL, 250 mL), Vollpipette (100 mL), Bürette (50 mL), Trichter, pH-Meter (pH-Elektrode und Potentiometer), Magnetrührer mit Rührfisch. Natronlauge-Maßlösung ($c = 0{,}10\text{ mol/L}$).

Durchführung:

Pipettieren Sie 100 mL der Cola-Probe in ein 250 mL-Becherglas. Platzieren Sie das Becherglas auf einen Magnetrührer. Geben Sie einen Rührfisch hinzu. Befestigen Sie die pH-Elektrode mithilfe des Stativmaterials, so dass sie ausreichend tief in die Probelösung eintaucht, aber vom sich drehenden Rührfisch nicht berührt werden kann. Geben Sie gegebenenfalls etwas E-Wasser hinzu. Messen Sie den pH-Wert der Lösung. Füllen Sie die Bürette etwa zur Hälfte mit der Natronlauge-Maßlösung. Geben Sie nun in Schritten von 1,0 mL Natronlauge-Maßlösung zu und notieren Sie jeweils den pH-Wert. Beenden Sie die Titration, wenn ein pH-Wert von ca. 7 erreicht ist.

1.2.1

Führen Sie die Gehaltsbestimmung nach der gegebenen Arbeitsvorschrift durch (Material 1). [8 BE]

1.2.2

Zeichnen Sie mit den experimentell ermittelten Daten eine Titrationskurve auf Millimeterpapier. Bestimmen Sie den Äquivalenzpunkt graphisch z.B. nach der Rechteckmethode und berechnen Sie die Massenkonzentration von Phosphorsäure $\beta(\text{H}_3\text{PO}_4)$ in der Cola. [8 BE]

2 Brennwert von Cola

Der Energieinhalt von Lebensmitteln wird durch den sogenannten Brennwert angegeben. Dieser ist ein Maß für die in einem Stoff enthaltene chemisch gebundene Energie. Er ist identisch mit dem Betrag der Standardverbrennungsenthalpie $\Delta_c H^\theta$, hat jedoch ein positives Vorzeichen. Die Angabe wird mit einem sogenannten Bombenkalorimeter überprüft (Material 3).

2.1

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Verbrennungsreaktion des in Cola vorhandenen Zuckers (Saccharose, $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$). [2 BE]

2.2

Prüfen Sie mithilfe von Material 3, ob der Brennwert auf dem Etikett der Cola-Flasche (Material 2) korrekt angegeben ist. [4 BE]

Material 2: Etikett einer Cola Flasche

Material 3: Bestimmung des Brennwerts von Cola

Für die Bestimmung des Energiegehalts von Lebensmitteln werden sogenannte Bombenkalorimeter verwendet. In dem dargestellten Bombenkalorimeter wird eine definierte Menge des zu untersuchenden Lebensmittels unter Sauerstoffüberdruck vollständig verbrannt.

Durchführung:

$100\,\text{mL}$ der Cola-Probe werden durch Erhitzen auf $20\,\text{mL}$ eingeengt. Davon werden $2\,\text{mL}$ in das Bombenkalorimeter überführt und verbrannt. Das Bombenkalorimeter ist mit $500\,\text{mL}$ Wasser ($\rho(\text{H}_2\text{O}) = 1\,\text{g/mL}$) gefüllt. Nach dem Verbrennen der Probe hat sich die Temperatur des Wassers um $8{,}8\,\text{K}$ erhöht. Die Wärmekapazität des Kalorimeters wird hier vernachlässigt.

3 Bestimmung des Koffeingehalts von Cola

Empfindliche Menschen sollten abends keine koffeinhaltigen Getränke wie Kaffee, Tee oder Cola trinken, denn Koffein hemmt den Parasympathikus, der für Erholung und geregelte Verdauung sorgt.

3.1

Zur Bestimmung des Koffeingehalts wird das Koffein aus der Cola zunächst mittels Scheidetrichter extrahiert. Als Extraktionsmittel stehen Ethanol, Dichlormethan und Hexan zur Verfügung.

Nennen Sie das Extraktionsmittel, das für die Extraktion am besten geeignet ist, und begründen Sie Ihre Nennung.

(4 BE)

3 Bestimmung des Koffeingehalts von Cola

Empfindliche Menschen sollten abends keine koffeinhaltigen Getränke wie Kaffee, Tee oder Cola trinken, denn Koffein hemmt den Parasympathikus, der für Erholung und geregelte Verdauung sorgt.

3.2 $10\,\mathrm{mL}$ Cola werden in einen Scheidetrichter gegeben und dreimal mit $10\,\mathrm{mL}$ des geeigneten Lösungsmittels ausgeschüttelt. Die gesammelten Extrakte werden in einen $50\,\mathrm{mL}$ Messkolben überführt und mit dem Lösungsmittel aufgefüllt. Von der Lösung wird ein Absorptionsspektrum aufgenommen (Material 4).

Bestimmen Sie mit den Angaben in Material 4 die Massenkonzentration von Koffein, $\beta(\text{Koffein})$ in der untersuchten Cola ($M(\text{Koffein}) = 194{,}2\,\mathrm{g/mol}$).

Material 4: UV-Spektrum von Koffein

Hinweis: Der Logarithmus des molaren dekadischen Extinktionskoeffizienten von Koffein beim Absorptionsmaximum beträgt $\lg(\varepsilon) = 3{,}70$. Die Schichtdicke der Küvette beträgt $1\,\mathrm{cm}$.

4 Aspartam

In Cola-Light wird Aspartam als Süßstoff verwendet. Aspartam ist ein synthetischer Süßstoff, der sich von den Aminosäuren Asparaginsäure und Phenylalanin ableitet.

4.1 Synthese von Aspartam

Ausgangsstoff der chemischen Synthese ist Asparaginsäure, die in Anwesenheit von Phosphoroxychlorid ($\text{POCl}_3$) in ein cyclisches Carbonsäureanhydrid überführt wird. Dessen Umsetzung mit Phenylalaninmethylester liefert dann Aspartam (Material 5).

Material 5

Entwickeln Sie die Reaktionsmechanismen für die beiden Synthesestufen.

Hinweis: Das $\text{POCl}_3$ dient zur Entfernung des Wassers aus dem Gleichgewicht. Es nimmt an der eigentlichen Reaktion nicht teil.

4 Aspartam

In Cola-Light wird Aspartam als Süßstoff verwendet. Aspartam ist ein synthetischer Süßstoff, der sich von den Aminosäuren Asparaginsäure und Phenylalanin ableitet.

4.2

Berechnen Sie die Ausbeute der Synthese, wenn bei Einsatz von $500{,}0\,\text{g}$ Asparaginsäure ($M = 133{,}1\,\text{g/mol}$) $750{,}0\,\text{g}$ Aspartam ($M = 294{,}3\,\text{g/mol}$) erhalten werden. (4 BE)

4.3

Die gesundheitlichen Folgen des Konsums von Aspartam sind umstritten. Für Aspartam wurde ein sogenannter ADI-Wert (acceptable daily intake) von $40\,\text{mg/kg}$ pro Tag festgelegt. Der ADI-Wert gibt die Menge eines Stoffes an, die über die gesamte Lebenszeit täglich zu sich genommen werden kann, ohne dass dadurch gesundheitliche Gefahren entstehen.

Berechnen Sie die Anzahl an Cola-Dosen, deren Inhalt ein $75\,\text{kg}$ schwerer Mann maximal pro Tag trinken kann, ohne den ADI-Wert zu überschreiten. Eine Dose Cola enthält $200\,\text{mg}$ Aspartam. (3 BE)

Dosen

Pikrinsäure

Pikrinsäure ist der Trivialname für 2,4,6-Trinitrophenol.

1 Pikrinsäure wird über Sulfonierung von Phenol zu Phenol-2,4-disulfonsäure und anschließende Behandlung mit Salpetersäure hergestellt (Material 1).

Material 1

Synthese von Pikrinsäure

1.1

Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für die Sulfonierung inklusive der mesomeren Grenzstrukturen (Stufe 1).

[4 BE]

1.2

Diskutieren Sie die dirigierende Wirkung der Hydroxygruppe im Phenol anhand von mesomeren Grenzstrukturen.

[4 BE]

Pikrinsäure

Pikrinsäure ist der Trivialname für 2,4,6-Trinitrophenol.

1 Pikrinsäure wird über Sulfonierung von Phenol zu Phenol-2,4-disulfonsäure und anschließende Behandlung mit Salpetersäure hergestellt (Material 1).

Material 1

Synthese von Pikrinsäure

1.3

Bei der Synthese reagieren $142{,}36\,\text{g}$ Phenol mit $w(\text{X}) = 99{,}50\,\%$ zu $254{,}35\,\text{g}$ Pikrinsäure mit $w(\text{X}) = 99{,}00\,\%$. Berechnen Sie die Ausbeute der Gesamtreaktion.

Hinweis: Die molare Masse von Pikrinsäure beträgt $M(\text{X}) = 229{,}10\,\text{g/mol}$. (3 BE)

Pikrinsäure ist der Trivialname für 2,4,6-Trinitrophenol.

Pikrinsäure ist ein Feststoff. Aufgrund der Säurestärke der Pikrinsäure wird ihre alkoholische Lösung mit einem Massenanteil $w(\mathrm{X}) = 5{,}0\,\%$ zum Ätzen von Metalloberflächen eingesetzt.

2.1

Pikrinsäure ist in Wasser nur schwer, in einem Alkanol wie Ethanol allerdings leicht löslich. Erklären Sie diese Eigenschaft. (3 BE)

Pikrinsäure ist der Trivialname für 2,4,6-Trinitrophenol.

Pikrinsäure ist ein Feststoff. Aufgrund der Säurestärke der Pikrinsäure wird ihre alkoholische Lösung mit einem Massenanteil $w(\mathrm{X}) = 5{,}0\,\%$ zum Ätzen von Metalloberflächen eingesetzt.

2.2

Es soll eine Lösung von Pikrinsäure in Ethanol mit $w(\text{X}) = 5{,}00\,\%$ hergestellt werden. Ethanol hat eine Dichte von $\rho(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 0{,}790\,\text{g/cm}^3$.

Berechnen Sie die Masse an reiner Pikrinsäure, die zu $250\,\text{mL}$ Ethanol gegeben werden muss. (4 BE)

Pikrinsäure ist der Trivialname für 2,4,6-Trinitrophenol.

Pikrinsäure ist ein Feststoff. Aufgrund der Säurestärke der Pikrinsäure wird ihre alkoholische Lösung mit einem Massenanteil $w(\mathrm{X}) = 5{,}0\,\%$ zum Ätzen von Metalloberflächen eingesetzt.

2.3

Begründen Sie die Unterschiede in der Säurestärke von Pikrinsäure ($\text{p}K_\text{S} = 0{,}29$) und Phenol $\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}$ ($\text{p}K_\text{S} = 9{,}99$). (3 BE)

Die gelbe Pikrinsäure (P) reagiert mit Anthracen (A) zum roten Farbstoff Anthracenpikrat (AP). Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion:

$$\mathrm{A} + \mathrm{P} \rightleftharpoons \mathrm{AP}$$

3.1 Zunächst soll die Farbe der Pikrinsäure untersucht werden.

Erklären Sie mithilfe des UV-VIS-Spektrums (Material 2) und anhand der Strukturformel die gelbe Farbe der Pikrinsäure. (3 BE)

Material 2: UV-VIS-Spektrum von Pikrinsäure

Die gelbe Pikrinsäure (P) reagiert mit Anthracen (A) zum roten Farbstoff Anthracenpikrat (AP). Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion:

$$\mathrm{A} + \mathrm{P} \rightleftharpoons \mathrm{AP}$$

3.2

Löst man jeweils $0{,}0100\,\text{mol}$ Anthracen und $0{,}0100\,\text{mol}$ Pikrinsäure in Chloroform und füllt auf ein Volumen von einem Liter auf, so erhält man nach Einstellung des Gleichgewichts $224\,\text{mg}$ Anthracenpikrat ($M(\text{AP}) = 407\,\text{g/mol}$).

Berechnen Sie anhand dieser Daten die Gleichgewichtskonstante $K_c$ der Reaktion. [4 BE]

3.3

Ein Abkühlen der entstandenen Lösung führt zu einer Vertiefung der roten Farbe, während Erwärmung eine Aufhellung zur Folge hat. Erklären Sie diese Beobachtung. [4 BE]

Pikrinsäure wird auch in der Lebensmittelanalytik eingesetzt, und zwar zur Bestimmung des Kreatingehalts. Kreatin ist ein Stoff, der in Wirbeltieren zur Versorgung der Muskeln mit Energie beiträgt. Daher findet sich Kreatin vor allem in Fleischprodukten.

Zur Bestimmung von Kreatin in einer Fleischprobe wird diese zunächst mit Säure versetzt, sodass das Kreatin in Kreatinin umgewandelt wird (Material 3).

Material 3: Umwandlung von Kreatin in Kreatinin

Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für die säurekatalysierte Umwandlung von Kreatin in Kreatinin. [4 BE]

Pikrinsäure wird auch in der Lebensmittelanalytik eingesetzt, und zwar zur Bestimmung des Kreatingehalts. Kreatin ist ein Stoff, der in Wirbeltieren zur Versorgung der Muskeln mit Energie beiträgt. Daher findet sich Kreatin vor allem in Fleischprodukten.

4.2.1

In der Fotometrie kommen bevorzugt Zweistrahlfotometer zum Einsatz.

Zeichnen und beschriften Sie den Aufbau eines Zweistrahlfotometers als Blockschaltbild und erläutern Sie den Vorteil gegenüber einem Einstrahlfotometer. [5 BE]

4.2.2

Erläutern Sie die Notwendigkeit der Aufnahme eines Absorptionsspektrums („Wellenlängenscan“) vor der quantitativen fotometrischen Bestimmung. [2 BE]

Pikrinsäure wird auch in der Lebensmittelanalytik eingesetzt, und zwar zur Bestimmung des Kreatingehalts. Kreatin ist ein Stoff, der in Wirbeltieren zur Versorgung der Muskeln mit Energie beiträgt. Daher findet sich Kreatin vor allem in Fleischprodukten.

Von einem Stück Rindfleisch wurden fünf Proben zu je $20{,}0\,\text{g}$ entnommen. Diese wurden auf ihren Kreatingehalt hin untersucht. Es ergaben sich die in Material 4 dargestellten Ergebnisse.

Material 4: Bestimmung des Kreatingehalts in verschiedenen Rindfleischproben

Probe · 1 · 2 · 3 · 4 · 5

Masse in g · 0,090 · 0,093 · 0,089 · 0,087 · 0,091

Berechnen Sie Mittelwert und Standardabweichung des Kreatingehalts in $\text{g/kg}$ Rindfleisch und geben Sie das Ergebnis statistisch korrekt an. Erläutern Sie die Bedeutung der Standardabweichung für Messungen. [4 BE]

a)

b)

c)

d)

Material 5

Seniorin bringt hochexplosive Säure zur Schadstoffsammlung

Schon Reibung kann Pikrinsäure zum Explodieren bringen – entsprechend groß war die Aufregung, als nun eine 71-Jährige mit einem ganzen Behälter damit beim Schadstoffhof auftauchte.

Glücklicherweise hatte ein geschulter Mitarbeiter der mobilen Annahmestelle in Hamburg die Gefahr umgehend bemerkt und Alarm ausgelöst, wie die Polizei mitteilte. Um das Auto im Stadtteil Hoheluft wurde ein Sperrkreis von 150 Metern eingerichtet. Mehrere Geschäfte wurden geräumt. Spezialisten des Landeskriminalamts untersuchten den Behälter anschließend in schwerer Schutzkleidung und ließen ihn abtransportieren. (…)

Pikrinsäure wird in Apotheken als Nachweisreagenz verwendet und wurde früher unter anderem auch im schulischen Chemieunterricht eingesetzt. Wenn die Säure eintrocknet, kann sie etwa durch Erwärmung oder einen Schlag detonieren. Deshalb muss sie stets in Behältern mit Wasser gelagert werden – dann besteht keine akute Gefahr.

https://www.spiegel.de/panorama/hamburg-seniorin-bringt-hochexplosive-saeure-zum-schadstoffhof-a-1277728.html (abgerufen am 29.03.2020).

5.

Pikrinsäure ist ein explosionsgefährlicher Stoff, der noch im ersten Weltkrieg zum Befüllen von Granaten eingesetzt wurde. Später wurde die Pikrinsäure jedoch durch in der Handhabung sicherere Sprengstoffe abgelöst. 2019 machte Pikrinsäure wegen ihrer Explosionsgefährlichkeit dennoch Schlagzeilen (Material 5).

Geben Sie drei mögliche Auslöser für eine Explosion der Pikrinsäure an. [1 BE]

Fassen Sie die Problematik zusammen, die sich im Zusammenhang mit der Lagerung von Pikrinsäure ergibt. [2 BE]

Perfluorierte Alkylverbindungen

Vollständig fluorierte Alkylverbindungen sind organische oberflächenaktive Verbindungen, bei denen die Wasserstoffatome am Kohlenstoffgerüst ganz oder zum Teil durch Fluoratome ersetzt worden sind. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften (wasserabweisend, atmungsaktiv, sehr stabil) werden sie u.a. bei der Herstellung von Outdoorkleidung eingesetzt. Sie reichern sich allerdings in der Umwelt sowie im menschlichen und tierischen Gewebe an und stehen im Verdacht krebserregend zu sein. Die wichtigsten Vertreter sind vollständig fluorierte Alkylsulfonsäuren, vollständig fluorierte Carbonsäuren sowie Fluortelomeralkohole (FTOH).

Perfluoroktansulfonsäure (Material 1) gilt als krebserregend, ist nicht biologisch abbaubar und reichert sich in der Nahrungskette an. Die Verwendung von Perfluoroktansulfonsäure ist deshalb seit 2020 in der EU verboten. Perfluoroktansulfonsäure wird u. a. durch Perfluorbutansulfonsäure ersetzt.

Material 1: Strukturformel von Perfluoroktansulfonsäure

Perfluorbutansulfonsäure wird in einer zweistufigen Synthese ausgehend von Tetrafluorethen und Pentafluoriodethan und anschließender Umsetzung mit Hydrogensulfit ($\text{HSO}_3^-$) hergestellt (Material 2). Diesen Prozess nennt man Telomerisierung.

Material 2: Synthese von Perfluorbutansulfonsäure

1.1 Erläutern Sie die wasserabweisende Wirkung der Perfluoroktansulfonsäure ($\text{C}_8\text{F}_{17}\text{SO}_3\text{H}$) (Material 1) und vergleichen Sie diese mit der Wirkung von Perfluorbutansulfonsäure ($\text{C}_4\text{F}_9\text{SO}_3\text{H}$) (Material 2). [4 BE]

a)

b)

Perfluorierte Alkylverbindungen

Vollständig fluorierte Alkylverbindungen sind organische oberflächenaktive Verbindungen, bei denen die Wasserstoffatome am Kohlenstoffgerüst ganz oder zum Teil durch Fluoratome ersetzt worden sind. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften (wasserabweisend, atmungsaktiv, sehr stabil) werden sie u.a. bei der Herstellung von Outdoorkleidung eingesetzt. Sie reichern sich allerdings in der Umwelt sowie im menschlichen und tierischen Gewebe an und stehen im Verdacht krebserregend zu sein. Die wichtigsten Vertreter sind vollständig fluorierte Alkylsulfonsäuren, vollständig fluorierte Carbonsäuren sowie Fluortelomeralkohole (FTOH).

Perfluoroktansulfonsäure (Material 1) gilt als krebserregend, ist nicht biologisch abbaubar und reichert sich in der Nahrungskette an. Die Verwendung von Perfluoroktansulfonsäure ist deshalb seit 2020 in der EU verboten. Perfluoroktansulfonsäure wird u. a. durch Perfluorbutansulfonsäure ersetzt.

Material 1: Strukturformel von Perfluoroktansulfonsäure

Perfluorbutansulfonsäure wird in einer zweistufigen Synthese ausgehend von Tetrafluorethen und Pentafluoriodethan und anschließender Umsetzung mit Hydrogensulfit ($\text{HSO}_3^-$) hergestellt (Material 2). Diesen Prozess nennt man Telomerisierung.

Material 2: Synthese von Perfluorbutansulfonsäure

1.2 Perfluorbutansulfonsäure wird in einer zweistufigen Synthese ausgehend von Tetrafluorethen und Pentafluoriodethan und anschließender Umsetzung mit Hydrogensulfit ($\text{HSO}_3^-$) hergestellt (Material 2). Diesen Prozess nennt man Telomerisierung.

1.2.1

Benennen Sie das Produkt der Synthesestufe (1) nach der IUPAC-Nomenklatur (Material 2). [2 BE]

1.2.2

Entwickeln Sie den Reaktionsmechanismus für die Synthesestufe (2) und benennen Sie den Reaktionsmechanismus (Material 2). [5 BE]

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Perfluorierte Alkylverbindungen

Vollständig fluorierte Alkylverbindungen sind organische oberflächenaktive Verbindungen, bei denen die Wasserstoffatome am Kohlenstoffgerüst ganz oder zum Teil durch Fluoratome ersetzt worden sind. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften (wasserabweisend, atmungsaktiv, sehr stabil) werden sie u.a. bei der Herstellung von Outdoorkleidung eingesetzt. Sie reichern sich allerdings in der Umwelt sowie im menschlichen und tierischen Gewebe an und stehen im Verdacht krebserregend zu sein. Die wichtigsten Vertreter sind vollständig fluorierte Alkylsulfonsäuren, vollständig fluorierte Carbonsäuren sowie Fluortelomeralkohole (FTOH).

Perfluoroktansulfonsäure (Material 1) gilt als krebserregend, ist nicht biologisch abbaubar und reichert sich in der Nahrungskette an. Die Verwendung von Perfluoroktansulfonsäure ist deshalb seit 2020 in der EU verboten. Perfluoroktansulfonsäure wird u. a. durch Perfluorbutansulfonsäure ersetzt.

Material 1: Strukturformel von Perfluoroktansulfonsäure

Perfluorbutansulfonsäure wird in einer zweistufigen Synthese ausgehend von Tetrafluorethen und Pentafluoriodethan und anschließender Umsetzung mit Hydrogensulfit ($\text{HSO}_3^-$) hergestellt (Material 2). Diesen Prozess nennt man Telomerisierung.

Material 2: Synthese von Perfluorbutansulfonsäure

1.2.3

Berechnen Sie die Masse an Perfluorbutansulfonsäure, die man aus $1{,}00\,\text{m}^3$ Tetrafluorethen bei einer Temperatur von $100\,^\circ\text{C}$ und einem Druck von $1{,}50\,\text{bar}$ erhält, wenn die Ausbeute der Reaktion $\eta = 85{,}0\,\%$ beträgt. ($M(\text{Perfluorbutansulfonsäure}) = 300\,\text{g/mol}$)

Perfluorierte Alkylverbindungen

Vollständig fluorierte Alkylverbindungen sind organische oberflächenaktive Verbindungen, bei denen die Wasserstoffatome am Kohlenstoffgerüst ganz oder zum Teil durch Fluoratome ersetzt worden sind. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften (wasserabweisend, atmungsaktiv, sehr stabil) werden sie u.a. bei der Herstellung von Outdoorkleidung eingesetzt. Sie reichern sich allerdings in der Umwelt sowie im menschlichen und tierischen Gewebe an und stehen im Verdacht krebserregend zu sein. Die wichtigsten Vertreter sind vollständig fluorierte Alkylsulfonsäuren, vollständig fluorierte Carbonsäuren sowie Fluortelomeralkohole (FTOH).

Perfluoroktansulfonsäure (Material 1) gilt als krebserregend, ist nicht biologisch abbaubar und reichert sich in der Nahrungskette an. Die Verwendung von Perfluoroktansulfonsäure ist deshalb seit 2020 in der EU verboten. Perfluoroktansulfonsäure wird u. a. durch Perfluorbutansulfonsäure ersetzt.

Material 1: Strukturformel von Perfluoroktansulfonsäure

Perfluorbutansulfonsäure wird in einer zweistufigen Synthese ausgehend von Tetrafluorethen und Pentafluoriodethan und anschließender Umsetzung mit Hydrogensulfit ($\text{HSO}_3^-$) hergestellt (Material 2). Diesen Prozess nennt man Telomerisierung.

Material 2: Synthese von Perfluorbutansulfonsäure

1.2.4 Eine andere Variante der Herstellung von perfluorierten Alkylverbindungen ist die sogenannte elektrochemische Fluorierung. Dabei werden alle Wasserstoffatome der Kohlenstoffkette durch Fluoratome ersetzt. Es handelt sich um die Elektrolyse einer Lösung, die neben einer Sulfonsäure auch Fluorwasserstoff (HF) enthält.

Entwickeln Sie die Teilreaktionen, die an Anode und Kathode ablaufen, sowie die Gesamtreaktionsgleichung bei der Reaktion von Butansulfonsäure mit Fluorwasserstoff.

Hinweis: Bei der Elektrolyse beobachtet man eine Gasentwicklung. Gehen Sie vereinfachend davon aus, dass die Sulfonsäuregruppe unverändert bleibt.

2 Der Fluoridgehalt von fluorierten organischen Verbindungen wie Perfluorbutansäure (PFBS, $M(\mathrm{C_4HO_2F_7}) = 214\ \mathrm{g/mol}$) kann durch das sogenannte Hydropyrolyse-Verfahren bestimmt werden. Dabei wird die Substanz unter kontinuierlicher Zufuhr von Sauerstoff und Wasser bei Temperaturen von $900-1000\,^\circ\mathrm{C}$ verbrannt. Es entstehen Kohlenstoffdioxid und Fluorwasserstoff.

2.1

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Hydropyrolyse von PFBS.

2.2

Bei der Verbrennung von $0{,}63\ \mathrm{g}$ einer perfluorierten Substanz entstehen $0{,}41\ \mathrm{g}\ \mathrm{HF}$ und $0{,}52\ \mathrm{g}\ \mathrm{CO_2}$.

Berechnen Sie die Stoffmengen an Fluor F und Kohlenstoff C, die sich aus der Verbrennung ergeben. Berechnen Sie weiterhin die Stoffmengen an F und C in der Probe unter der Annahme, dass es sich um PFBS handelt.

Beurteilen Sie anhand der Ergebnisse, ob es sich bei der Substanz um PFBS handeln kann.

Ja

Nein

Fluortelomeralkohole (FTOH) in Outdoor-Bekleidungsgeschäften

Im Jahr 2015 hat Greenpeace geprüft, ob und wie viele flüchtige perfluorierte Alkylverbindungen aus Kleidungsstücken ausdünsten. Dazu wurden Luftproben in Outdoor-Bekleidungsgeschäften genommen und anschließend mittels Gaschromatographie (GC) untersucht. Gefunden wurden insbesondere Fluortelomeralkohole, von denen der Vertreter 6:2 FTOH (Material 3) quantitativ bestimmt wurde.

Für die Analyse der Raumluft wurde diese mit einem konstanten Luftstrom von 9 L/min für 30 Stunden durch eine sogenannte Festphasenextraktionskartusche (SPE-Kartusche) gesaugt (Material 4). Die gesammelte Probe wurde anschließend mit 2 mL Methyl- tert -butylether (MTBE) extrahiert und mittels GC untersucht. Die Messung wurde 6-mal wiederholt. Der Gaschromatograph ist mit einem Split/Splitless-Injektor ausgestattet (Material 5).

Material 6

Messwerte für die Bestimmung von 6:2 FTOH in der Raumluft

$\beta\text{(6:2 FTOH) in mg/L}$ · Peakfläche $A$ in cts

0,5 · 2230

1,0 · 4220

1,5 · 6440

2,0 · 8640

2,5 · 10800

Probe · 5673 / 5680 / 5667 / 5671 / 5695 / 5682

3.1 Split/Splitless-Injektor (8 BE)

Beschriften Sie die Abbildung des Split/Splitless-Injektors in Material 5 und erläutern Sie das Funktionsprinzip. Erörtern Sie, ob bei der Analyse splitless oder mit geöffnetem Split gearbeitet werden sollte.

1.

2.

3.

4.

3.3 Quantitative Bestimmung und Vergleich (10 BE)

Bestimmen Sie mithilfe von Material 6 die Massenkonzentration $\beta(\text{6:2 FTOH})$ in der Raumluft und vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit der Grafik in Material 7.

a)

b)

c)

d)

e)

Fluortelomeralkohole (FTOH) in Outdoor-Bekleidungsgeschäften

Im Jahr 2015 hat Greenpeace geprüft, ob und wie viele flüchtige perfluorierte Alkylverbindungen aus Kleidungsstücken ausdünsten. Dazu wurden Luftproben in Outdoor-Bekleidungsgeschäften genommen und anschließend mittels Gaschromatographie (GC) untersucht. Gefunden wurden insbesondere Fluortelomeralkohole, von denen der Vertreter 6:2 FTOH (Material 3) quantitativ bestimmt wurde.

Für die Analyse der Raumluft wurde diese mit einem konstanten Luftstrom von 9 L/min für 30 Stunden durch eine sogenannte Festphasenextraktionskartusche (SPE-Kartusche) gesaugt (Material 4). Die gesammelte Probe wurde anschließend mit 2 mL Methyl- tert -butylether (MTBE) extrahiert und mittels GC untersucht. Die Messung wurde 6-mal wiederholt. Der Gaschromatograph ist mit einem Split/Splitless-Injektor ausgestattet (Material 5).

Material 6

Messwerte für die Bestimmung von 6:2 FTOH in der Raumluft

$\beta\text{(6:2 FTOH) in mg/L}$ · Peakfläche $A$ in cts

0,5 · 2230

1,0 · 4220

1,5 · 6440

2,0 · 8640

2,5 · 10800

Probe · 5673 / 5680 / 5667 / 5671 / 5695 / 5682

3.2 Prüfen Sie, ob es sich bei dem Wert von 5695 (Material 6) um einen signifikanten Ausreißer handelt.

[4 BE]

Harnstoff

Dieses Modul umfasst 50% der schriftlichen Abiturprüfung.

Aufgaben

Harnstoff, auch als Urea bekannt, ist chemisch gesehen das Kohlensäurediamid. Als Stoffwechselprodukt wird es vom Menschen über den Urin ausgeschieden. In der chemischen Industrie spielt Harnstoff als Dünger sowie als Ausgangsstoff für viele andere Substanzen eine bedeutende Rolle.

1 Industriell wird Harnstoff aus Ammoniak hergestellt. Die Synthese erfolgt in einem Hochdruckreaktor bei einem Druck von $40\,\mathrm{bar}$ und einer Temperatur von $\vartheta = 150\,^\circ\mathrm{C}$.

$2\,\mathrm{NH_3} + \mathrm{CO_2} \rightarrow \mathrm{CO(NH_2)_2} + \mathrm{H_2O}$

1.1

Für die Reaktion steht ein Gemisch bestehend aus den Gasen $\mathrm{NH_3}$ und $\mathrm{CO_2}$ von einem Volumen $V_1 = 8\,750\,\mathrm{m^3}$ bei $\vartheta_1 = 20{,}00\,^\circ\mathrm{C}$ und $p_1 = 1{,}250\,\mathrm{bar}$ zur Verfügung.

Berechnen Sie das Gasvolumen $V_2$, wenn das Gasgemisch in der Anlage auf die Temperatur $\vartheta_2 = 150{,}0\,^\circ\mathrm{C}$ erwärmt und auf den Druck $p_2 = 40{,}00\,\mathrm{bar}$ komprimiert wird.

[3 BE]

1.2 Aus einer wässrigen Lösung erhält man im weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses feinkörnigen festen Harnstoff. Dieses zunächst noch feuchte Produkt wird einem Trockner zugeführt, in dem das Wasser entfernt wird. Dazu wird das Feuchtgut zuerst erwärmt und dann wird das Wasser verdampft.

1.2.1

Aus $1\,000\,\mathrm{kg}$ feuchtem Harnstoff werden $230{,}0\,\mathrm{kg}$ Wasser entfernt.

Berechnen Sie die Wärmemenge $Q$ in $\mathrm{MJ}$, die notwendig ist, um das Feuchtgut um $\Delta T = 45{,}00\,\mathrm{K}$ zu erwärmen und anschließend das Wasser zu verdampfen.

Hinweis: Die Wärmekapazität des feuchten Harnstoffs beträgt $c = 2{,}170\,\mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$.

Die Verdampfungswärme von Wasser liegt bei $r = 2\,254\,\mathrm{kJ/kg}$. Die Verdampfungswärme gibt an, welche Wärmemenge erforderlich ist, um ein Kilogramm eines Stoffes zu verdampfen.

[3 BE]

1.2.2

Von dem getrockneten Harnstoff aus der Anlage wird im Labor die Restfeuchte bestimmt. Bei einer Einwaage von $m_\mathrm{ein} = 48{,}6\,\mathrm{g}$ ergibt sich nach der vollständigen Trocknung im Trockenschrank eine Auswaage von $m_\mathrm{aus} = 47{,}0\,\mathrm{g}$.

Berechnen Sie die Restfeuchte $w(\mathrm{H_2O})$ in Prozent.

[2 BE]

%

Harnstoff eignet sich zur Herstellung von Schlafmitteln, den Barbituraten, Derivaten der Barbitursäure, die mittels Reaktion eines Esters mit Harnstoff synthetisiert werden (Material 1). Entwickeln Sie den Reaktionsmechanismus der angegebenen Reaktion.

[5 BE]

Material 1: Synthese von Barbitursäure

Lösungsschritte angezeigt. Vergleichen Sie Ihre Zeichnung mit der Musterlösung.

In Form einer wässrigen Lösung findet Harnstoff als AdBlue ® Anwendung in der selektiven katalytischen Reduktion (SCR), bei der die Abgase von Stickoxiden befreit werden. Seit 2004 wird die SCR-Abgasreinigung serienmäßig in Fahrzeugmotoren verwendet. AdBlue ® wird vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingesprüht. Aus der Lösung entstehen dann Ammoniak und Kohlendioxid. Das so erzeugte Ammoniak kann im nachgeschalteten SCR-Katalysator mit den Stickoxiden im Abgas reagieren. Es entstehen Stickstoff und Wasser (Material 2).

Material 2

SCR in der Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren

Chemische Reaktion: $$8\,\mathrm{NH_3} + 6\,\mathrm{NO_2} \rightarrow 7\,\mathrm{N_2} + 12\,\mathrm{H_2O}$$

3.1

Prüfen Sie, ob es sich bei der Umsetzung im SCR-Katalysator um eine Redoxreaktion handelt (Material 2). (3 BE)

3.3

AdBlue &reg; wirkt korrodierend auf die Metalle Aluminium und Nickel, d. h. diese Metalle werden durch Oxidation zersetzt.

Diskutieren Sie die Eignung eines Eisenbehälters zur Lagerung mithilfe von Material 3. Erläutern Sie eine Korrosionsschutzmaßnahme. (5 BE)

Material 3: Standardelektrodenpotenziale

Redoxpaar · Standardelektrodenpotenzial $E^\circ$ in V

$\mathrm{Cu\,(s) \rightleftharpoons Cu^{2+}\,(aq) + 2\,e^-}$ · $+0{,}35$

$\mathrm{H_2\,(g) \rightleftharpoons 2\,H^+\,(aq) + 2\,e^-}$ · $0{,}00$

$\mathrm{Ni\,(s) \rightleftharpoons Ni^{2+}\,(aq) + 2\,e^-}$ · $-0{,}23$

$\mathrm{Fe\,(s) \rightleftharpoons Fe^{2+}\,(aq) + 2\,e^-}$ · $-0{,}41$

$\mathrm{Al\,(s) \rightleftharpoons Al^{3+}\,(aq) + 3\,e^-}$ · $-1{,}66$

In Form einer wässrigen Lösung findet Harnstoff als AdBlue ® Anwendung in der selektiven katalytischen Reduktion (SCR), bei der die Abgase von Stickoxiden befreit werden. Seit 2004 wird die SCR-Abgasreinigung serienmäßig in Fahrzeugmotoren verwendet. AdBlue ® wird vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingesprüht. Aus der Lösung entstehen dann Ammoniak und Kohlendioxid. Das so erzeugte Ammoniak kann im nachgeschalteten SCR-Katalysator mit den Stickoxiden im Abgas reagieren. Es entstehen Stickstoff und Wasser (Material 2).

Material 2

SCR in der Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren

Chemische Reaktion: $$8\,\mathrm{NH_3} + 6\,\mathrm{NO_2} \rightarrow 7\,\mathrm{N_2} + 12\,\mathrm{H_2O}$$

Ein Typ des SCR-Katalysators besteht aus Titandioxid, Vanadiumpentoxid und Wolframdioxid. Bei der Katalyse unterscheidet man die homogene Katalyse, bei der die Reaktanden und der Katalysator in dem gleichen Aggregatzustand vorliegen, sowie die heterogene Katalyse, bei der sich die Aggregatzustände unterscheiden.

Geben Sie die Art der Katalyse im SCR-Katalysator an und erläutern Sie die Funktion des Katalysators im Hinblick auf die Reaktion. (4 BE)

Ein weiteres Einsatzfeld für Harnstoff findet sich in der Elektrogravimetrie. Bei diesem Verfahren wird eine Probe quantitativ durch elektrolytisches Abscheiden des Analyten untersucht. Eine Legierung wird auf ihren Kupfergehalt hin analysiert. Dazu werden $1{,}9939\,\text{g}$ Probe zunächst in $50{,}00\,\text{mL}$ Salpetersäure gelöst, sodass das Kupfer in Kupfernitrat $\mathrm{Cu(NO_3)_2}$ überführt wird. Nun wird mit destilliertem Wasser auf $250{,}0\,\text{mL}$ aufgefüllt. $50{,}00\,\text{mL}$ dieser Lösung werden nun mit Harnstoff versetzt. Harnstoff hat die Aufgabe, die während der Elektrolyse entstehende salpetrige Säure abzufangen. Die Lösung wird mit einer Stromstärke von $I = 4{,}000\,\text{A}$ an Platin-Elektroden elektrolysiert. Es scheiden sich $0{,}3532\,\text{g}$ elementares Kupfer ab.

4.1

Berechnen Sie die Dauer der Elektrolyse in Minuten sowie den Kupfergehalt $w(\mathrm{Cu})$ der Probe.

[4 BE]

4.2

Erklären Sie, dass es trotz des Vorliegens einer sauren wässrigen Lösung nicht zu einer Wasserstoffentwicklung kommt (Material 3).

[3 BE]

Bei der Elektrolyse in alkalischem Medium wird Harnstoff zunächst zu Ammoniak $\text{NH}_3$ umgesetzt, das dann elektrolytisch zersetzt wird. Ordnen Sie anhand von Oxidationszahlen den Seiten A und B Anode und Kathode sowie Plus- und Minuspol zu (Material 5).

Beurteilen Sie anhand der Freien molaren Bildungsenthalpien von Ammoniak und Wasser und den daraus ermittelten Spannungen den Unterschied in den benötigten Spannungen bei den Elektroysen von Harnstoff und Wasser (Material 4).

Hinweis:

$\Delta_\text{f}G_\text{m}^0(\text{NH}_3) = -16\text{ kJ/mol}$, $\Delta_\text{f}G_\text{m}^0(\text{H}_2\text{O},\text{l}) = -229\text{ kJ/mol}$

Ammoniak und Wasser werden bei der Elektrolyse in die Elemente zerlegt.

1.

2.

3.

Im menschlichen Körper ist Harnstoff das Endprodukt des Eiweißstoffwechsels, der der Entgiftung des im Aminosäureabbau anfallenden Stoffwechselgiftes Ammoniak dient. Harnstoff wird in der Niere filtriert, daher eignet sich u.a. die Bestimmung der Harnstoffkonzentration im Urin in der klinischen Diagnostik zur Prüfung der Nierenfunktion. Zur Kontrolle von künstlichen Nieren wurde ein elektrochemischer Harnstoff-Sensor entwickelt. Bei diesem wird zunächst der Harnstoff in Ammoniumionen $\text{NH}_4^+$ umgewandelt und deren Konzentration dann über eine Elektrode auf Grundlage der NERNST-Gleichung bestimmt. Die ammoniumselektive Elektrode wird dazu mit einer Referenzelektrode zusammengeschaltet und die Spannung wird gemessen.

6.1

Das Potenzial der ammoniumselektiven Elektrode entspricht nach NERNST:

$$E = E^0 + \frac{R\cdot T}{F}\cdot \ln\left(\frac{c(\text{NH}_4^+)}{\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}}\right)$$ Die Elektroanalytik des Harnstoffs ist bis $5000\,\text{mg/L}$ ausführbar. Berechnen Sie das Potenzial der Elektrode in Millivolt, das dieser Massenkonzentration an Harnstoff unter Standardbedingungen entspricht.

Hinweis: Das Standardelektrodenpotenzial beträgt $E^0 = 0{,}222\,\text{V}$.

6.2

Erläutern Sie die Notwendigkeit einer Referenz- bzw. Bezugselektrode.

In den letzten Jahren ist Harnstoff in der Kosmetik zu den Top-Ten-Wirkstoffen aufgestiegen. Harnstoff ist hygroskopisch und bildet mit Wasser Einschlussverbindungen, aus denen Wasser nur verzögert abgegeben wird. In dieser Eigenschaft wird Harnstoff beispielsweise in Cremes als Feuchtigkeitsfaktor genutzt. Allerdings kann sich Harnstoff zersetzen, wobei für die Haut problematische basische Abbauprodukte entstehen. Daher wird den Cremes, insbesondere Wasser-Öl-Emulsionen, ein Milchsäure-Lactat-Puffer zugegeben (Material 6).

Material 6: Bestandteile des Milchsäure-Lactat-Puffers

Erläutern Sie anhand einer Reaktionsgleichung die Wirksamkeit des Puffers. [5 BE]

Das Ei

Dieses Modul umfasst 50% der schriftlichen Abiturprüfung.

1 Die Eischale

Im Laufe eines Tages werden während der Reifung eines Eis im Huhn 5,00 g Calciumcarbonat für die Bildung der Eischale abgeschieden. Das Huhn hat dabei eine durchschnittliche Körpertemperatur von 41,7 °C.

1.1 Die Eischale besteht aus Calciumcarbonat. Bei deren Bildung liegt die in Material 1 abgebildete Gleichgewichtsreaktion vor.

Berechnen Sie mithilfe von Material 2 die freie molare Reaktionsenthalpie $\Delta_\mathrm{R} G_\mathrm{m}$ und die Gleichgewichtskonstante $K_\mathrm{c}$. Diskutieren Sie die Gleichgewichtslage im Hinblick auf die Bildung der Eierschale.

a)

b)

c)

d)

L/mol bzw. dimensionslos

e)

Das Ei

Dieses Modul umfasst 50% der schriftlichen Abiturprüfung.

1 Die Eischale

Im Laufe eines Tages werden während der Reifung eines Eis im Huhn 5,00 g Calciumcarbonat für die Bildung der Eischale abgeschieden. Das Huhn hat dabei eine durchschnittliche Körpertemperatur von 41,7 °C.

1.2 Eine durchschnittliche Legehenne wiegt $1{,}7\,\mathrm{kg}$ und hat $70\,\mathrm{mL}$ Blut pro Kilogramm. Die während der Abscheidung von $5{,}00\,\mathrm{g}$ Calciumcarbonat freigesetzten Protonen gehen in das Blut über. Damit das Blut nicht übersäuert, atmet die Henne in dieser Zeit verstärkt, wodurch Kohlendioxid an die Umgebung abgegeben wird.

1.2.1

Die im Blut vorliegenden Gleichgewichte sind in Material 3 angegeben. Erklären Sie den Einfluss des vermehrten Atmens auf das Gleichgewicht sowie auf den pH-Wert. Hinweis: Das Blut kann vereinfacht als wässrige Lösung angesehen werden.

1.2.2

Berechnen Sie den pH-Wert des Blutes, der sich ohne die durch das Atmen bewirkte Regulation einstellen würde. Hinweis: Siehe dazu die Angaben in den vorangegangenen Abschnitten und Material 1.

mL

mol

mol/L

Das Ei

Dieses Modul umfasst 50% der schriftlichen Abiturprüfung.

1 Die Eischale

Im Laufe eines Tages werden während der Reifung eines Eis im Huhn 5,00 g Calciumcarbonat für die Bildung der Eischale abgeschieden. Das Huhn hat dabei eine durchschnittliche Körpertemperatur von 41,7 °C.

1.3 Ist das Ei gelegt, kann es gekocht und anschließend durch Einlegen in eine wässrige Farbstofflösung gefärbt werden. Ein gängiger roter Farbstoff ist Azorubin, das aus der Kupplung zweier Komponenten gewonnen wird. Eine dieser Komponenten ist das 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure-Natriumsalz (Material 4). Es wird nach der in Material 5 gezeigten, vierstufigen Synthese hergestellt.

Material 5 (Auszug)

1.3.1

Formulieren Sie die vollständige Reaktionsgleichung der Stufe 2 nach der Oxidationszahlmethode sowie die Reaktionsgleichung für die vorgelagerte Reaktion des Zinks.

Hinweis: Die Säure reagiert mit Zink unter Freisetzung von Wasserstoff.

Das Ei

Dieses Modul umfasst 50% der schriftlichen Abiturprüfung.

1 Die Eischale

Im Laufe eines Tages werden während der Reifung eines Eis im Huhn 5,00 g Calciumcarbonat für die Bildung der Eischale abgeschieden. Das Huhn hat dabei eine durchschnittliche Körpertemperatur von 41,7 °C.

1.3.2 Formulieren Sie den Mechanismus für die Stufe 3 und erklären Sie den dirigierenden Effekt des Erstsubstituenten anhand von mesomeren Grenzstrukturen.

[7 BE]

2 Das Gelbe vom Ei

2.1 Carotinoide im Eidotter

Die charakteristische „eigelbe“ Farbe des Eidotters beruht auf orangefarbenen und roten Carotinoiden, welche die Henne mit dem Grünfutter aufnimmt. Ohne die Aufnahme über das Futter wäre das Eidotter farblos. Zwei dieser Carotinoide sind in Material 6 abgebildet.

2.1.1

Eines der beiden Carotinoide ist rot, das andere ist gelborange. [3 BE]

Ordnen Sie die Farben den beiden Substanzen unter Zuhilfenahme der Strukturformeln zu.

rot

gelborange

rot

gelborange

2.1.2

Von Zeaxanthin ($\mathrm{C_{40}H_{56}O_2}$, $M = 568{,}89\,\mathrm{g/mol}$) sollen $20\,\mathrm{mL}$ einer Lösung für eine spektroskopische Messung hergestellt werden. Die Lösung soll eine Extinktion von ungefähr $E = 0{,}5$ aufweisen. Der molare dekadische Extinktionskoeffizient ist $\varepsilon_{450} = 145\,000\,\mathrm{L/(mol\cdot cm)}$ und die Küvettenlänge beträgt $d = 1\,\mathrm{cm}$. Als Lösungsmittel stehen Wasser und Ethanol zur Verfügung. An Glasgeräten können Messkolben ($20\,\mathrm{mL}$, $25\,\mathrm{mL}$) und Vollpipetten ($1\,\mathrm{mL}$, $2\,\mathrm{mL}$, $5\,\mathrm{mL}$, $10\,\mathrm{mL}$) verwendet werden. [7 BE]

Hinweis: Zeaxanthin ist nur in einem der beiden Lösungsmittel löslich. Gemäß den Richtlinien für die Gute Laborpraxis (GLP) sind Einwaagen unter $100\,\mathrm{mg}$ zu vermeiden.

2 Das Gelbe vom Ei

2.2 Spaltung der Phosphorsäureester des Phosvitins

Das Protein Phosvitin ist im Eidotter enthalten. Material 7 zeigt eine charakteristische Teilstruktur dieses Proteins. Darin sind die Hydroxy-Gruppen mit Phosphorsäure verestert. Bei längerem Kochen werden die Phosphorsäureester gespalten, so dass freies Phosphat entsteht.

2.2

Entwickeln Sie den Mechanismus der Reaktion, die eine Umkehrung der Veresterung unter alkalischen Bedingungen darstellt. [3 BE]

2.4.2 Freisetzung von Schwefelwasserstoff

In Material 9 ist die Reaktion abgebildet, die für die Freisetzung des Schwefelwasserstoffs während des Kochens verantwortlich ist. Diese Reaktion tritt vor allem beim Kochen alter Eier auf, in denen der pH-Wert höher (pH = 9,2) ist als bei frischen Eiern (pH = 7,6). Es handelt sich um eine $S_\text{N}2$-Reaktion.

2.4.2

Begründen Sie den Sachverhalt, dass diese Reaktion erst bei hohen pH-Werten in nennenswertem Umfang abläuft. [2 BE]

2 Das Gelbe vom Ei

2.3 Gaschromatographie

Polychlorierte Dibenzo-p-dioxine (PCDD, kurz: Dioxine) entstehen bei verschiedenen industriellen Verbrennungsprozessen. Sie sind sehr beständig, bereits in Spuren giftig und reichern sich über die Nahrungskette in lebenden Organismen an. Der Mensch nimmt Dioxine vor allem über tierische Nahrungsmittel, z. B. Eier, auf.

In Material 8 ist die gaschromatographische Analyse eines Hühnereis mittels externem Standard zur Ermittlung des Gehaltes an 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD) beschrieben. Ein durchschnittliches Ei wiegt $68{,}00\text{ g}$.

Material 8: Versuchsdaten zur Dioxinbestimmung

Eine Hühnerei-Probe ($m = 1{,}0432\text{ g}$) wird verschiedenen Anreicherungs- und Reinigungsschritten unterzogen bis $20\,\mu\text{L}$ der Probelösung (PL) erhalten werden. Weiterhin werden mit dem Analyten Dioxin drei Kalibrierlösungen (KL) angesetzt.

Alle Lösungen werden gaschromatographisch untersucht. Man erhält die folgenden Peakflächen:

Lösung

$\beta(\text{Dioxin})\text{ in pg/L}$

Fläche in Counts (cts)

KL 1

5000

25813

KL 2

10000

51741

KL 3

15000

76076

PL

–

45178

Gaschromatogramm der Dioxinbestimmung

2.3.1

Berechnen Sie die Masse an TCDD im Ei. [4 BE]

2.3.2

Bestimmen Sie im Chromatogramm die notwendigen Größen und berechnen Sie damit die Auflösung $R_s$ und die Selektivität $\alpha$ für die beiden Peaks.

Hinweis: Dem Gemisch wurde eine Inertsubstanz zugesetzt, um die Totzeit zu bestimmen. [4 BE]

2.3.3

Vergleichen Sie die Methode des externen Standards und die 100%-Methode hinsichtlich des Einspritzvolumens. [2 BE]

2 Das Gelbe vom Ei

2.4 Sowohl während der Lagerung von Eiern als auch während des Kochvorgangs bildet sich das Abbauprodukt Schwefelwasserstoff ($\text{H}_2\text{S}$, Siedetemperatur = $-60{,}2\,^\circ\text{C}$). Es ist leicht flüchtig und für den typischen Geruch nach faulen Eiern verantwortlich.

2.4.1

Begründen Sie den Unterschied in den Siedepunkten zwischen Wasser $\text{H}_2\text{O}$ und Schwefelwasserstoff $\text{H}_2\text{S}$. [2 BE]