Abitur NRW Chemie 2021 · GK · Nachtermin

Aufgabenstellung: Chlorung von Schwimmbadwasser und mögliche Folgen

Fachspezifische Vorgaben

Um Schwimmbadwasser aus hygienischen Gründen zu desinfizieren, wird es unter anderem gechlort; dafür stehen u. a. zwei Verfahren zur Verfügung.

Verfahren A: Zugabe von gasförmigem Chlor

Bei diesem Verfahren wird dem Wasser mit Überdruck gasförmiges Chlor zugegeben. Gelöstes Chlor reagiert in einer Gleichgewichtsreaktion mit Wasser und bildet Salzsäure und hypochlorige Säure (HClO), welche aufgrund ihres hohen Oxidationsvermögens die Desinfektion im Wasser bewirkt:

$$\mathrm{Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO} \quad \text{(I)}$$

Die hypochlorige Säure zerfällt zudem in Schwimmbadwasser nach:

$$\mathrm{2\,HClO \rightleftharpoons 2\,HCl + O_2} \quad \text{(II)}$$

Daher muss eine ständige Nachdosierung erfolgen. Für eine ausreichende Desinfektion müssen $n(\mathrm{Cl_2}) = 4{,}0 \cdot 10^{-6}\text{ mol}$ je Liter Schwimmbadwasser gelöst werden.

Verfahren B: Durchflusselektrolyse

Die Durchflusselektrolyse wird als umweltfreundliche Methode eingesetzt. Hierbei wird leicht kochsalzhaltiges Wasser, $w(\mathrm{NaCl}) = 0{,}4\,\%$, in einer Wasserleitung durch eine nach beiden Seiten offene Elektrolysezelle geleitet. Unter Einwirkung eines Elektrolysestroms entsteht an einer der Elektroden Chlor, das gemäß (I) in wässriger Lösung ein Gleichgewicht ausbildet. An der zweiten Elektrode entstehen Wasserstoffgas und Hydroxid-Ionen.

Korrosion von Baustahl

Die korrodierende Wirkung des Schwimmbadwassers führte 1985 in der schweizerischen Gemeinde Uster zum Einsturz einer mit Baustahl befestigten Decke innerhalb eines Schwimmbads. Grund hierfür waren die hohe Luftfeuchtigkeit und Aerosole des Schwimmbadwassers, die sich immer wieder als Elektrolytfilm auf dem Baustahl abschieden.

Das gelöste Chlor im Elektrolytfilm reagierte mit dem Eisen des Baustahls zu Eisen(II)-chlorid ($\mathrm{FeCl_2}$). Das Eisen(II)-chlorid reagierte anschließend mit Wasser und gelöstem Sauerstoff zu Rost (Eisen(III)-oxidhydroxid, $\mathrm{FeO(OH)}$) und Salzsäure, was die Korrosion des Eisens weiter fortschreiten ließ.

Versuche zur Sauerstoffkorrosion

1. In einem ersten Versuchsansatz wurde in ein U-Rohr mit ionendurchlässiger Glasfritte der eine Schenkel mit abgekochtem, nicht sauerstoffhaltigem Wasser befüllt, in das einige Kristalle Kaliumhexacyanoferrat(III) gegeben wurden. In die gelbe Lösung wurde ein frisch geschmirgelter Eisennagel als Elektrode getaucht.

Der zweite Schenkel wurde mit sauerstoffhaltigem Wasser befüllt, das mit einigen Tropfen Phenolphthalein-Lösung versetzt wurde. In die farblose Lösung wurde eine Grafitelektrode getaucht.

Beide Elektroden wurden über ein Amperemeter elektrisch leitend miteinander verbunden.

Am Eisennagel war eine Blaufärbung zu beobachten.

In der Nähe der Grafitelektrode kam es zu einer rosaroten Färbung.

2. In einem zweiten Versuchsansatz wurde der Nagel aus dem ersten Versuchsansatz so mit einem Stück Magnesiumband umwickelt, dass dieses elektrisch leitend mit dem Nagel verbunden ist und in die Lösung eintaucht.

Die Blaufärbung am Eisennagel blieb hierbei aus, die rosarote Färbung an der Grafitelektrode war weiterhin zu beobachten.

Zusatzinformationen und Daten

Baustahl ist ein preisgünstiger Stahl, der nur eine geringe Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Kaliumhexacyanoferrat(III) ist ein Nachweisreagenz, das bei Blaufärbung Eisen(II)-Ionen anzeigt.

Phenolphthalein ist ein Säure-Base-Indikator, der durch rosarote Färbung alkalische Lösungen anzeigt.

Elektronegativitäten nach Pauling: $EN(\mathrm{O}) = 3{,}44$, $EN(\mathrm{Cl}) = 3{,}16$, $EN(\mathrm{H}) = 2{,}2$

Faraday-Gesetz: $Q = I \cdot t = n \cdot F \cdot z$, mit $F = 96485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Tabelle 1: Gefahrenmerkmale ausgewählter Stoffe und Zubereitungen

Stoff

Gefahrenmerkmale

Chlorgas

Giftiges und oxidierend wirkendes Gas mit Reizwirkung auf Haut und Augen. Gewässergefährdend.

Natriumchlorid

Keine Gefahrenmerkmale.

Tabelle 2: Redoxpotentiale bei Standardbedingungen

Korrespondierendes Redoxpaar

Standard-Redoxpotential $E^0$

$\mathrm{Na / Na^+}$ · $-2{,}71\text{ V}$

$\mathrm{Mg / Mg^{2+}}$ · $-2{,}36\text{ V}$

$\mathrm{H_2, OH^- / H_2O}$ · $-0{,}83\text{ V}$

$\mathrm{Fe / Fe^{2+}}$ · $-0{,}41\text{ V}$

$\mathrm{H_2, H_2O / H_3O^+}$ · $0{,}00\text{ V}$

$\mathrm{OH^- / O_2, H_2O}$ · $+0{,}40\text{ V}$

$\mathrm{Cl^-, OH^- / ClO^-, H_2O}$ · $+0{,}89\text{ V}$

$\mathrm{Cl^- / Cl_2}$ · $+1{,}36\text{ V}$

1.

Erklären Sie mithilfe von Oxidationszahlen, warum es sich bei den Reaktionen (I) und (II) in Verfahren A jeweils um eine Redoxreaktion handelt. Skizzieren Sie die Elektrolysezelle der Durchflusselektrolyse und die in ihr ablaufenden elektrochemischen Vorgänge. Geben Sie dazu die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung der elektrochemischen Reaktion an.

[22 Punkte]

2.

Ermitteln Sie für die Durchflusselektrolyse die Mindestzersetzungsspannung unter Standardbedingungen. Berechnen Sie die theoretisch erforderliche Stromstärke, damit bei einem Durchfluss von 10 Litern Schwimmbadwasser pro Minute je Liter Schwimmbadwasser $2 \cdot 10^{-6}\text{ mol}$ Chlor zusätzlich gelöst werden. Begründen Sie, weshalb die Durchflusselektrolyse eine umweltfreundliche Methode zur Desinfektion von Wasser darstellt.

[18 Punkte]

3.

Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die geschilderte Entstehung von Eisen(II)-chlorid am Baustahl sowie für die anschließende Reaktion zu Rost an. Deuten Sie die Beobachtungen beim Versuch zur Sauerstoffkorrosion unter Angabe von Teil- und Gesamtreaktion. Begründen Sie, warum die Blaufärbung am Eisennagel im zweiten Versuchsansatz ausbleibt.

[20 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben

Medikamente werden häufig als Tabletten oral eingenommen. Die Wirkstoffe sollen eigentlich erst im Dünndarm aufgenommen werden, wo sie ins Blut gelangen und danach im Körper verteilt werden. Damit sich der Wirkstoff nicht schon vorher, z. B. in Mund, Speiseröhre oder Magen, zersetzt, erhalten Tabletten oft einen magensaftresistenten Überzug, der sich erst im Dünndarm löst.

Moderne Tablettenüberzüge wie Eudragit® bestehen meist aus Copolymeren, deren Hauptketten aus mindestens zwei unterschiedlichen Monomeren aufgebaut sind. Die Anordnung der Monomere ist hierbei nicht regelmäßig. Durch entsprechende Auswahl der Monomere sowie ihr Mengenverhältnis zueinander können die Eigenschaften von Copolymeren beeinflusst werden. Eudragit® L100 z. B. besteht aus den beiden Grundbausteinen Methacrylsäure und Methacrylsäuremethylester (MMA).

Herstellung von MMA

MMA lässt sich aus Methacrylsäure und Methanol in Gegenwart von Schwefelsäure synthetisieren. Die technische Synthese von Methanol erfolgt ausschließlich aus Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff im Verhältnis $1: 2$.

Untersuchung der Wasserlöslichkeit von Eudragit® L100

Entscheidend für die Eignung als magensaftresistentes Überzugsmaterial von Tabletten ist die Löslichkeit des Polymers in Wasser in Abhängigkeit vom pH-Wert. Um diese zu untersuchen, wird eine Trübungspunkttitration durchgeführt. Dabei löst man zuerst das Polymer in Natronlauge ($\text{NaOH}_{(\text{aq})}$) und titriert anschließend bis zur ersten auftretenden Trübung mit Salzsäure. Als Trübungs-pH-Wert wird der pH-Wert bezeichnet, an dem die erste bleibende Trübung durch ausgefälltes (unlösliches) Polymer auftritt.

Für Eudragit® L100 ergab sich im Experiment bei $37\ \text{°C}$ (Körpertemperatur) ein Trübungs-pH-Wert von $4{,}4$.

Einfluss der Nahrung auf die Wirkstoffaufnahme

Bei nüchternem Patienten beträgt der pH-Wert im Magen $1$ bis $1{,}5$, und Tabletten verbleiben bis zu $2$ Stunden im Magen.

Nahrungsaufnahme bewirkt u. a., dass der pH-Wert im Magen messbar steigt und Tabletten länger im Magen bleiben.

Zusatzinformationen

Relative Wasserlöslichkeiten:

Methacrylsäure > MMA

pH-Werte im Verdauungstrakt des Menschen (Reihenfolge entspricht der Abfolge im Verdauungsprozess)

Organ · pH-Wert (ca.)

Mund/Speiseröhre · $7 - 8$

Magen · $1 - 1{,}5$

Dünndarm · $6 - 8$

Dickdarm · $6$

1. Ordnen Sie Eudragit® mit einer Begründung einem Kunststofftyp zu. Erläutern Sie die Reaktionsschritte, die bei der Entstehung von Eudragit® aus Methacrylsäure und Methacrylsäuremethylester (MMA) ablaufen – nutzen Sie dazu auch vereinfachte Strukturformeln. Geben Sie den zugrunde liegenden Reaktionstyp an. (22 Punkte)

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben

Medikamente werden häufig als Tabletten oral eingenommen. Die Wirkstoffe sollen eigentlich erst im Dünndarm aufgenommen werden, wo sie ins Blut gelangen und danach im Körper verteilt werden. Damit sich der Wirkstoff nicht schon vorher, z. B. in Mund, Speiseröhre oder Magen, zersetzt, erhalten Tabletten oft einen magensaftresistenten Überzug, der sich erst im Dünndarm löst.

Moderne Tablettenüberzüge wie Eudragit® bestehen meist aus Copolymeren, deren Hauptketten aus mindestens zwei unterschiedlichen Monomeren aufgebaut sind. Die Anordnung der Monomere ist hierbei nicht regelmäßig. Durch entsprechende Auswahl der Monomere sowie ihr Mengenverhältnis zueinander können die Eigenschaften von Copolymeren beeinflusst werden. Eudragit® L100 z. B. besteht aus den beiden Grundbausteinen Methacrylsäure und Methacrylsäuremethylester (MMA).

Herstellung von MMA

MMA lässt sich aus Methacrylsäure und Methanol in Gegenwart von Schwefelsäure synthetisieren. Die technische Synthese von Methanol erfolgt ausschließlich aus Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff im Verhältnis $1: 2$.

Untersuchung der Wasserlöslichkeit von Eudragit® L100

Entscheidend für die Eignung als magensaftresistentes Überzugsmaterial von Tabletten ist die Löslichkeit des Polymers in Wasser in Abhängigkeit vom pH-Wert. Um diese zu untersuchen, wird eine Trübungspunkttitration durchgeführt. Dabei löst man zuerst das Polymer in Natronlauge ($\text{NaOH}_{(\text{aq})}$) und titriert anschließend bis zur ersten auftretenden Trübung mit Salzsäure. Als Trübungs-pH-Wert wird der pH-Wert bezeichnet, an dem die erste bleibende Trübung durch ausgefälltes (unlösliches) Polymer auftritt.

Für Eudragit® L100 ergab sich im Experiment bei $37\ \text{°C}$ (Körpertemperatur) ein Trübungs-pH-Wert von $4{,}4$.

Einfluss der Nahrung auf die Wirkstoffaufnahme

Bei nüchternem Patienten beträgt der pH-Wert im Magen $1$ bis $1{,}5$, und Tabletten verbleiben bis zu $2$ Stunden im Magen.

Nahrungsaufnahme bewirkt u. a., dass der pH-Wert im Magen messbar steigt und Tabletten länger im Magen bleiben.

Zusatzinformationen

Relative Wasserlöslichkeiten:

Methacrylsäure > MMA

pH-Werte im Verdauungstrakt des Menschen (Reihenfolge entspricht der Abfolge im Verdauungsprozess)

Organ · pH-Wert (ca.)

Mund/Speiseröhre · $7 - 8$

Magen · $1 - 1{,}5$

Dünndarm · $6 - 8$

Dickdarm · $6$

2. Erstellen Sie ein schematisches Übersichtsdiagramm zur Herstellung von MMA ausgehend von den Edukten. Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Synthese von MMA aus Methacrylsäure und Methanol auf und geben Sie dabei den Reaktionstyp an. Erklären Sie unter Einbeziehung der Molekülstruktur, weshalb Methacrylsäure in Wasser besser löslich ist als MMA. (16 Punkte)

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben

Medikamente werden häufig als Tabletten oral eingenommen. Die Wirkstoffe sollen eigentlich erst im Dünndarm aufgenommen werden, wo sie ins Blut gelangen und danach im Körper verteilt werden. Damit sich der Wirkstoff nicht schon vorher, z. B. in Mund, Speiseröhre oder Magen, zersetzt, erhalten Tabletten oft einen magensaftresistenten Überzug, der sich erst im Dünndarm löst.

Moderne Tablettenüberzüge wie Eudragit® bestehen meist aus Copolymeren, deren Hauptketten aus mindestens zwei unterschiedlichen Monomeren aufgebaut sind. Die Anordnung der Monomere ist hierbei nicht regelmäßig. Durch entsprechende Auswahl der Monomere sowie ihr Mengenverhältnis zueinander können die Eigenschaften von Copolymeren beeinflusst werden. Eudragit® L100 z. B. besteht aus den beiden Grundbausteinen Methacrylsäure und Methacrylsäuremethylester (MMA).

Herstellung von MMA

MMA lässt sich aus Methacrylsäure und Methanol in Gegenwart von Schwefelsäure synthetisieren. Die technische Synthese von Methanol erfolgt ausschließlich aus Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff im Verhältnis $1: 2$.

Untersuchung der Wasserlöslichkeit von Eudragit® L100

Entscheidend für die Eignung als magensaftresistentes Überzugsmaterial von Tabletten ist die Löslichkeit des Polymers in Wasser in Abhängigkeit vom pH-Wert. Um diese zu untersuchen, wird eine Trübungspunkttitration durchgeführt. Dabei löst man zuerst das Polymer in Natronlauge ($\text{NaOH}_{(\text{aq})}$) und titriert anschließend bis zur ersten auftretenden Trübung mit Salzsäure. Als Trübungs-pH-Wert wird der pH-Wert bezeichnet, an dem die erste bleibende Trübung durch ausgefälltes (unlösliches) Polymer auftritt.

Für Eudragit® L100 ergab sich im Experiment bei $37\ \text{°C}$ (Körpertemperatur) ein Trübungs-pH-Wert von $4{,}4$.

Einfluss der Nahrung auf die Wirkstoffaufnahme

Bei nüchternem Patienten beträgt der pH-Wert im Magen $1$ bis $1{,}5$, und Tabletten verbleiben bis zu $2$ Stunden im Magen.

Nahrungsaufnahme bewirkt u. a., dass der pH-Wert im Magen messbar steigt und Tabletten länger im Magen bleiben.

Zusatzinformationen

Relative Wasserlöslichkeiten:

Methacrylsäure > MMA

pH-Werte im Verdauungstrakt des Menschen (Reihenfolge entspricht der Abfolge im Verdauungsprozess)

Organ · pH-Wert (ca.)

Mund/Speiseröhre · $7 - 8$

Magen · $1 - 1{,}5$

Dünndarm · $6 - 8$

Dickdarm · $6$

3. Vergleichen Sie die Versuchsanordnung und das Ziel der Trübungspunkttitration mit einem Titrationsverfahren, das Sie kennen. Beurteilen Sie, inwieweit sich Eudragit® als Filmüberzug für magensaftresistente Tabletten eignet, und beziehen Sie dabei die pH-Werte im Verdauungstrakt sowie das Resultat der Trübungspunkttitration ein. Begründen Sie, weshalb magensaftresistente Tabletten zwei Stunden vor einer Mahlzeit eingenommen werden sollten. (22 Punkte)

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben

Nitrazingelb ist ein säureempfindlicher Farbstoff und wird in der analytischen Chemie als pH-Indikator eingesetzt. Im sauren Bereich bis pH 6 zeigt der Farbstoff die namensgebende gelbe Farbe. Die Moleküle dieser Form des Indikators können symbolhaft mit $\text{HInd}$ abgekürzt werden. Bei höheren pH-Werten ist der Farbstoff blau gefärbt (symbolhafte Abkürzung: $\text{Ind}^-$).

Nitrazingelb-Test in der Hautdiagnostik

Die Indikatorwirkung des Nitrazingelbs macht man sich bei Hautuntersuchungen zunutze. Die oberste Hautschicht, die Hornschicht ( Stratum corneum), ist eine wirksame Barriere gegen die Umwelt und deren Wirkungen auf Haut und Körper. Nach der Abheilung von Hauterkrankungen, wie z. B. Ekzemen, wird die Hornschicht erst langsam wieder aufgebaut, ist zunächst noch unvollständig ausgebildet und somit noch für verschiedene Stoffe durchlässig.

Der Grad der Ausbildung der Hornschicht kann mittels des Nitrazingelb-Tests untersucht werden. Für diesen Test wird die zu untersuchende Hautpartie mit einer $1\,\%$-igen wässrigen Nitrazingelb-Lösung bestrichen und nach einer Minute betrachtet. Eine vollständig ausgebildete Hornschicht der Haut ist für den Farbstoff nicht durchlässig. Bei nicht vollständiger Ausbildung können Farbstoff-Moleküle in tiefere Hautschichten eindringen und führen zu einem positiven Testergebnis. Während die Hautoberfläche von einem sog. Säuremantel überzogen ist (pH 4 bis 5), liegt der pH-Wert in den tieferen Hautschichten bei 7 und bewirkt einen Farbumschlag des Indikators. Der Test wird im Allgemeinen ein bis vier Wochen nach klinischer Symptomfreiheit negativ, d. h. es erfolgt kein Farbumschlag des Indikators mehr.

Synthese von Nitrazingelb

Einer der Ausgangsstoffe zur Synthese von Nitrazingelb ist 2,4-Dinitroanilin. 2,4-Dinitroanilin kann z. B. aus 2,4-Dinitrochlorbenzol und einer alkoholischen Ammoniak-Lösung ($\text{NH}_3$) unter Druck hergestellt werden. Dabei entsteht als weiteres Reaktionsprodukt Ammoniumchlorid.

Zur Synthese von Nitrazingelb wird eine Lösung von 2,4-Dinitroanilin mit Natriumnitrit ($\text{NaNO}_2$) und konzentrierter Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) versetzt. Das dabei entstehende Diazonium-Ion lässt man anschließend mit Stoff A zum Farbstoff reagieren.

Zusatzinformationen

Ekzeme: Gruppe entzündlicher Hauterkrankungen (nicht-infektiöse Entzündungsreaktionen der Haut, die durch eine typische Abfolge von Hautreaktionen charakterisiert sind: Hautrötung, Bläschenbildung, Nässen, Krustenbildung, Schuppung).

Säuremantel der Haut (auch Säureschutzmantel): Eine durch die Schweiß- und Talgdrüsen gebildete wasser- und fetthaltige Schicht auf der Haut, die einen pH-Wert von 4 bis 5 besitzt und die Haut vor dem Austrocknen sowie vor Mikroorganismen schützt.

Tabelle: Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe

Wellenlänge $\lambda$ in nm · Spektralfarbe · Komplementärfarbe

$< 400$ · ultraviolett · farblos

$400 - 435$ · violett · gelbgrün

$435 - 480$ · blau · gelb

$480 - 490$ · grünblau · orange

$490 - 500$ · blaugrün · rot

$500 - 560$ · grün · purpur

$560 - 580$ · gelbgrün · violett

$580 - 595$ · gelb · blau

$595 - 605$ · orange · grünblau

$605 - 770$ · rot · blaugrün

Aufgabe 3 – Teilaufgabe 1

Erklären Sie, nach welchem Prinzip der Nitrazingelb-Test in der Hautdiagnostik funktioniert. Erläutern Sie begründend, welche Eigenschaften der Farbstoff Nitrazingelb für den beschriebenen Hauttest aufweisen muss. Stellen Sie die Säure-Base-Theorie nach Br&oslash;nsted dar, indem Sie den Indikator Nitrazingelb als Beispiel wählen und symbolhafte Abkürzungen verwenden.

[20 Punkte]

1.1

1.2

1.3

Fachspezifische Vorgaben

Nitrazingelb ist ein säureempfindlicher Farbstoff und wird in der analytischen Chemie als pH-Indikator eingesetzt. Im sauren Bereich bis pH 6 zeigt der Farbstoff die namensgebende gelbe Farbe. Die Moleküle dieser Form des Indikators können symbolhaft mit $\text{HInd}$ abgekürzt werden. Bei höheren pH-Werten ist der Farbstoff blau gefärbt (symbolhafte Abkürzung: $\text{Ind}^-$).

Nitrazingelb-Test in der Hautdiagnostik

Die Indikatorwirkung des Nitrazingelbs macht man sich bei Hautuntersuchungen zunutze. Die oberste Hautschicht, die Hornschicht ( Stratum corneum), ist eine wirksame Barriere gegen die Umwelt und deren Wirkungen auf Haut und Körper. Nach der Abheilung von Hauterkrankungen, wie z. B. Ekzemen, wird die Hornschicht erst langsam wieder aufgebaut, ist zunächst noch unvollständig ausgebildet und somit noch für verschiedene Stoffe durchlässig.

Der Grad der Ausbildung der Hornschicht kann mittels des Nitrazingelb-Tests untersucht werden. Für diesen Test wird die zu untersuchende Hautpartie mit einer $1\,\%$-igen wässrigen Nitrazingelb-Lösung bestrichen und nach einer Minute betrachtet. Eine vollständig ausgebildete Hornschicht der Haut ist für den Farbstoff nicht durchlässig. Bei nicht vollständiger Ausbildung können Farbstoff-Moleküle in tiefere Hautschichten eindringen und führen zu einem positiven Testergebnis. Während die Hautoberfläche von einem sog. Säuremantel überzogen ist (pH 4 bis 5), liegt der pH-Wert in den tieferen Hautschichten bei 7 und bewirkt einen Farbumschlag des Indikators. Der Test wird im Allgemeinen ein bis vier Wochen nach klinischer Symptomfreiheit negativ, d. h. es erfolgt kein Farbumschlag des Indikators mehr.

Synthese von Nitrazingelb

Einer der Ausgangsstoffe zur Synthese von Nitrazingelb ist 2,4-Dinitroanilin. 2,4-Dinitroanilin kann z. B. aus 2,4-Dinitrochlorbenzol und einer alkoholischen Ammoniak-Lösung ($\text{NH}_3$) unter Druck hergestellt werden. Dabei entsteht als weiteres Reaktionsprodukt Ammoniumchlorid.

Zur Synthese von Nitrazingelb wird eine Lösung von 2,4-Dinitroanilin mit Natriumnitrit ($\text{NaNO}_2$) und konzentrierter Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) versetzt. Das dabei entstehende Diazonium-Ion lässt man anschließend mit Stoff A zum Farbstoff reagieren.

Zusatzinformationen

Ekzeme: Gruppe entzündlicher Hauterkrankungen (nicht-infektiöse Entzündungsreaktionen der Haut, die durch eine typische Abfolge von Hautreaktionen charakterisiert sind: Hautrötung, Bläschenbildung, Nässen, Krustenbildung, Schuppung).

Säuremantel der Haut (auch Säureschutzmantel): Eine durch die Schweiß- und Talgdrüsen gebildete wasser- und fetthaltige Schicht auf der Haut, die einen pH-Wert von 4 bis 5 besitzt und die Haut vor dem Austrocknen sowie vor Mikroorganismen schützt.

Tabelle: Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe

Wellenlänge $\lambda$ in nm · Spektralfarbe · Komplementärfarbe

$< 400$ · ultraviolett · farblos

$400 - 435$ · violett · gelbgrün

$435 - 480$ · blau · gelb

$480 - 490$ · grünblau · orange

$490 - 500$ · blaugrün · rot

$500 - 560$ · grün · purpur

$560 - 580$ · gelbgrün · violett

$580 - 595$ · gelb · blau

$595 - 605$ · orange · grünblau

$605 - 770$ · rot · blaugrün

Aufgabe 3 – Teilaufgabe 2

Erläutern Sie die Herstellung von 2,4-Dinitroanilin aus 2,4-Dinitrochlorbenzol und Ammoniak mithilfe einer Reaktionsgleichung. Geben Sie den Reaktionstyp sowie eine Reaktionsgleichung für die Umsetzung des Diazonium-Ions mit Stoff A an. Erläutern Sie den Ablauf dieser Reaktion in einzelnen Schritten und nutzen Sie dabei passende, vereinfachte Strukturformeln.

[20 Punkte]

2.1

2.2

2.3

Fachspezifische Vorgaben

Nitrazingelb ist ein säureempfindlicher Farbstoff und wird in der analytischen Chemie als pH-Indikator eingesetzt. Im sauren Bereich bis pH 6 zeigt der Farbstoff die namensgebende gelbe Farbe. Die Moleküle dieser Form des Indikators können symbolhaft mit $\text{HInd}$ abgekürzt werden. Bei höheren pH-Werten ist der Farbstoff blau gefärbt (symbolhafte Abkürzung: $\text{Ind}^-$).

Nitrazingelb-Test in der Hautdiagnostik

Die Indikatorwirkung des Nitrazingelbs macht man sich bei Hautuntersuchungen zunutze. Die oberste Hautschicht, die Hornschicht ( Stratum corneum), ist eine wirksame Barriere gegen die Umwelt und deren Wirkungen auf Haut und Körper. Nach der Abheilung von Hauterkrankungen, wie z. B. Ekzemen, wird die Hornschicht erst langsam wieder aufgebaut, ist zunächst noch unvollständig ausgebildet und somit noch für verschiedene Stoffe durchlässig.

Der Grad der Ausbildung der Hornschicht kann mittels des Nitrazingelb-Tests untersucht werden. Für diesen Test wird die zu untersuchende Hautpartie mit einer $1\,\%$-igen wässrigen Nitrazingelb-Lösung bestrichen und nach einer Minute betrachtet. Eine vollständig ausgebildete Hornschicht der Haut ist für den Farbstoff nicht durchlässig. Bei nicht vollständiger Ausbildung können Farbstoff-Moleküle in tiefere Hautschichten eindringen und führen zu einem positiven Testergebnis. Während die Hautoberfläche von einem sog. Säuremantel überzogen ist (pH 4 bis 5), liegt der pH-Wert in den tieferen Hautschichten bei 7 und bewirkt einen Farbumschlag des Indikators. Der Test wird im Allgemeinen ein bis vier Wochen nach klinischer Symptomfreiheit negativ, d. h. es erfolgt kein Farbumschlag des Indikators mehr.

Synthese von Nitrazingelb

Einer der Ausgangsstoffe zur Synthese von Nitrazingelb ist 2,4-Dinitroanilin. 2,4-Dinitroanilin kann z. B. aus 2,4-Dinitrochlorbenzol und einer alkoholischen Ammoniak-Lösung ($\text{NH}_3$) unter Druck hergestellt werden. Dabei entsteht als weiteres Reaktionsprodukt Ammoniumchlorid.

Zur Synthese von Nitrazingelb wird eine Lösung von 2,4-Dinitroanilin mit Natriumnitrit ($\text{NaNO}_2$) und konzentrierter Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) versetzt. Das dabei entstehende Diazonium-Ion lässt man anschließend mit Stoff A zum Farbstoff reagieren.

Zusatzinformationen

Ekzeme: Gruppe entzündlicher Hauterkrankungen (nicht-infektiöse Entzündungsreaktionen der Haut, die durch eine typische Abfolge von Hautreaktionen charakterisiert sind: Hautrötung, Bläschenbildung, Nässen, Krustenbildung, Schuppung).

Säuremantel der Haut (auch Säureschutzmantel): Eine durch die Schweiß- und Talgdrüsen gebildete wasser- und fetthaltige Schicht auf der Haut, die einen pH-Wert von 4 bis 5 besitzt und die Haut vor dem Austrocknen sowie vor Mikroorganismen schützt.

Tabelle: Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe

Wellenlänge $\lambda$ in nm · Spektralfarbe · Komplementärfarbe

$< 400$ · ultraviolett · farblos

$400 - 435$ · violett · gelbgrün

$435 - 480$ · blau · gelb

$480 - 490$ · grünblau · orange

$490 - 500$ · blaugrün · rot

$500 - 560$ · grün · purpur

$560 - 580$ · gelbgrün · violett

$580 - 595$ · gelb · blau

$595 - 605$ · orange · grünblau

$605 - 770$ · rot · blaugrün

Aufgabe 3 – Teilaufgabe 3

Erklären Sie, wie die Farbigkeit von Nitrazingelb in saurer Lösung mit der Struktur des Moleküls zusammenhängt. Geben Sie mit Begründung an, in welchen Bereichen die Absorptionsmaxima von Nitrazingelb in saurer bzw. in alkalischer Lösung zu erwarten sind. Erklären Sie, weshalb die Farbe in saurer und alkalischer Lösung verschieden ist, und nennen Sie dabei für beide Formen je eine weitere relevante mesomere Grenzstruktur des Farbstoff-Moleküls.

[20 Punkte]

3.1

3.2

3.3

3.4