Abitur NRW Chemie 2021 · LK · Haupttermin

Galvanische Elemente nach GROVE und BUNSEN

1839 hatte WILLIAM GROVE ein galvanisches Element entwickelt, in dem ein Zinkblech in verdünnte Schwefelsäure (H 2 SO 4) und ein Platinblech als Kathode in Salpetersäure (HNO 3) eintaucht. Die Lösungen wurden durch einen porösen, ionendurchlässigen Tonzylinder getrennt (Abbildung 1). Das Element lieferte für die damalige Zeit hohe Stromstärken, jedoch wurde beim Betrieb das Platin angegriffen und als Produkt entstand gasförmiges Stickstoffdioxid (NO 2).

ROBERT BUNSEN entwickelte 1841 das Element weiter, indem er das Platin durch poröse Kohle ersetzte. Als Elektrolyten nutzte er eine saure Kaliumdichromat-Lösung (K 2 Cr 2 O 7), die die Salpetersäure ersetzte. Die von BUNSEN entwickelte Batterie war damals die leistungsfähigste Stromquelle.

Versuch 1: Ein GROVE-Element wird, wie in Abbildung 1 dargestellt, aufgebaut. Das Zinkblech hat zu Beginn des Versuchs eine Masse $m_0 = 45{,}00\text{ g}$. Das Element wird über einen Verbraucher vollständig entladen. Das Zinkblech hat am Ende des Versuchs eine Masse $m = 26{,}04\text{ g}$.

Versuch 2: Ein BUNSEN-Element wird mit Kaliumdichromat-Lösung, $c(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}) = 1{,}2\text{ mol/L}$, als Elektrolyt im Kathodenraum befüllt. Die Kaliumdichromat-Lösung ist mit Schwefelsäure angesäuert, $\text{pH} = 0{,}29$. Der Elektrolyt enthält zudem Chrom(III)-Ionen, $c(\text{Cr}^{3+}) = 10^{-6}\text{ mol/L}$. Im schwefelsauren Elektrolyten im Anodenraum beträgt die Zink-Ionen-Konzentration $c(\text{Zn}^{2+}) = 10^{-3}\text{ mol/L}$. Es wird stromlos eine Ruhespannung von etwa $U \approx 2\text{ V}$ am BUNSEN-Element gemessen.

Bei einer Wiederholung des Versuchs 2 wird die Kaliumdichromat-Lösung mit konzentrierter Bromwasserstoffsäure (HBr) statt Schwefelsäure angesäuert. Die Lösung färbt sich braun und ein Geruch von Brom ist deutlich wahrnehmbar. Die stromlose Messung der Ruhespannung zeigt nun einen Wert von etwa $U \approx 1{,}8\text{ V}$ an.

Modellexperiment: Für ein Modellexperiment wird eine moderne Abwandlung des BUNSEN-Elements vorgeschlagen: In einer Zwei-Halbzellen-Apparatur mit einer kationendurchlässigen Membran (KAM) soll eine schwefelsaure Kaliumperoxodisulfat-Lösung (K 2 S 2 O 8) statt der schwefelsauren Kaliumdichromat-Lösung eingesetzt werden. Als Elektrode wird eine Kohle-Elektrode verwendet.

Zusatzinformationen

$M(\text{Zn}) = 65{,}38\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

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

Nernst-Gleichung: $E = E^0 + \frac{0{,}059\text{ V}}{z} \cdot \lg\left(\frac{c(\text{ox.})}{c(\text{red.})}\right)$

Dichromat-Halbzelle: $E = E^0 + \frac{0{,}059\text{ V}}{6} \cdot \lg\left(\frac{c(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}) \cdot c^{14}(\text{H}_3\text{O}^+)}{c^2(\text{Cr}^{3+})}\right)$

Tabelle 1: Redoxpotentiale bei Standardbedingungen Korrespondierendes Redoxpaar · Standard-Redoxpotential $E^0$

Zn / Zn$^{2+}$ · $E^0 = -0{,}76\text{ V}$

Br$^-$ / Br$_2$ · $E^0 = +1{,}07\text{ V}$

Cr$^{3+}$, H$_2$O / Cr$_2$O$_7^{2-}$, H$_3$O$^+$ · $E^0 = +1{,}33\text{ V}$

SO$_4^{2-}$ / S$_2$O$_8^{2-}$ · $E^0 = +2{,}01\text{ V}$

Tabelle 2: Gefahrenmerkmale ausgewählter Stoffe Stoff · Summenformel · Gefahrenmerkmale

Chrom(III)-sulfat · Cr 2 (SO 4) 3 · Keine bekannt

Kaliumperoxodisulfat · K 2 S 2 O 8 · Oxidierender Feststoff; Reizwirkung auf Haut und Augen; Sensibilisierung der Atemwege

Kaliumdichromat · K 2 Cr 2 O 7 · Oxidierender Feststoff; Akute Toxizität bei Verschlucken, Hautkontakt; Ätzwirkung auf die Haut; Sensibilisierung der Atemwege; Krebserregend; Gewässergefährdend

Salpetersäure, konz. · HNO 3 · Korrosiv gegenüber Metallen; Akute Toxizität beim Einatmen; Ätzwirkung auf die Haut und Augen

Schwefelsäure, verd. · H 2 SO 4 · Reizwirkung auf Haut und Augen; Korrosiv gegenüber Metallen

Stickstoffdioxid · NO 2 · Oxidierendes Gas; Akute Toxizität beim Einatmen; Ätzwirkung auf die Haut

Zink · Zn · Keine bekannt

Zinksulfat · ZnSO 4 · Schwere Augenschädigung; Gewässergefährdend

1.

Beschreiben Sie, wie das GROVE-Element aufgebaut ist, und ordnen Sie dabei die Pole zu. Geben Sie die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung der Redoxreaktion an, die im GROVE-Element während des Betriebs abläuft. Berechnen Sie die Ladungsmenge $Q$, die in Versuch 1 geflossen ist. [18 Punkte]

2.

Geben Sie die Gleichung der Reaktion an der Kathode sowie die Gesamtgleichung der Redoxreaktion an, die im BUNSEN-Element während des Betriebs abläuft. Berechnen Sie die theoretische Spannung $U$ des Elements aus Versuch 2. Begründen Sie die Form der NERNST-Gleichung für die Dichromat-Halbzelle. [16 Punkte]

3.

Deuten Sie die Beobachtungen, die sich bei der Wiederholung von Versuch 2 nach der Zugabe von Bromwasserstoffsäure zeigen. Stützen Sie Ihre Deutung auch durch eine Reaktionsgleichung. Begründen Sie mithilfe der Beobachtungen, dass die Wiederholung von Versuch 2 ein Zink-Brom-Element ergibt. [16 Punkte]

4.

Prüfen Sie, ob das vorgeschlagene Modellexperiment als galvanisches Element funktionieren kann. Geben Sie an, welche Prozesse darin im Betrieb auf Teilchenebene ablaufen. Beurteilen Sie im Vergleich die Weiterentwicklung der drei beschriebenen galvanischen Elemente anhand der verwendeten Stoffe und Materialien, auch im Hinblick auf Umwelteigenschaften und Störanfälligkeit. [16 Punkte]

Blausäure – Eigenschaften und ihr Einsatz in der organischen Chemie

Fachspezifische Vorgaben

Obwohl Blausäure (Cyanwasserstoff, $\text{HCN}$) gefährlich ist, dient sie in der organischen Chemie als bedeutender Ausgangsstoff, z. B. zur Synthese der Aminosäure Valin, die u. a. in Energydrinks enthalten ist.

Herstellung

Damit beim Transport keine Gefahr von Blausäure ausgeht, wird sie in der Regel direkt dort erzeugt, wo sie weiterverarbeitet wird:

Hierbei kommt neben anderen Verfahren das Andrussow-Verfahren zum Einsatz, bei dem ein Gemisch aus Ammoniak, Methan und Sauerstoff aus der Luft bei rund 1200 °C unter Verwendung eines Platinnetzes als Katalysator umgesetzt wird. Bei diesem Verfahren entstehen die gewünschte Blausäure und Wasser.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Blausäure in situ (also direkt im Reaktor) herzustellen. Hierzu lässt man Ammoniumchlorid ($\text{NH}_4\text{Cl}$) und Natriumcyanid ($\text{NaCN}$) miteinander reagieren, es entstehen Blausäure, Ammoniak und Natriumchlorid.

Verwendung

Die Herstellung von Valin kann durch die Strecker-Synthese erfolgen. Edukte sind Isobutanal (2-Methylpropanal), Ammoniak, Blausäure und Wasser:

Im ersten Reaktionsschritt, der unter Säurekatalyse abläuft, greift zunächst ein Ammoniak-Molekül die Aldehydgruppe des Isobutanal-Moleküls an und führt zur Bildung eines Zwischenproduktes. Dieses reagiert dann mit einem Cyanid-Ion zu $\alpha$-Aminonitril (2-Amino-3-Methylbutannitril) weiter. Der 2. Schritt ist eine Hydrolyse, die im sauren Milieu stattfindet.

Bestimmung der Massenkonzentration

Wegen der hohen Giftigkeit von Blausäure muss ihr Gehalt überall dort bestimmt werden, wo sie vorkommen kann. Für Fische gelten bereits Cyanid-Ionen-Konzentrationen ab 1 mg/L als kritisch.

Zur Untersuchung eines Abwassers auf seinen Blausäuregehalt wurde eine 50 mL Probe entnommen und mit Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 0{,}01\text{ mol/L}$ titriert. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich und man erhielt einen Verbrauch von $V(\text{NaOH}) = 9{,}8\text{ mL}$.

Zur Kontrolle der Titration wurde eine pH-metrische Titration von Blausäure $c(\text{HCN}) = 0{,}001\text{ mol/L}$ mit Natronlauge $c(\text{NaOH}) = 0{,}01\text{ mol/L}$ durchgeführt. Die pH-Werte wurden während der Titration kontinuierlich verfolgt.

Zusatzinformationen

Blausäure ($\text{HCN}$): · $\mathrm{p}K_\mathrm{S}\text{-Wert}: 9{,}40$ · $M(\text{HCN}) = 27{,}03\text{ g/mol}$

Ammonium-Ionen ($\text{NH}_4^+$): · $\mathrm{p}K_\mathrm{S}\text{-Wert}: 9{,}25$

Elektronegativitäten (Pauling):

$\text{EN}(\text{C}) = 2{,}55$

$\text{EN}(\text{N}) = 3{,}04$

$\text{EN}(\text{H}) = 2{,}2$

1. Geben Sie für die großtechnische Gewinnung von Blausäure aus Ammoniak und Methan an der Luft bei etwa 1200 °C eine Reaktionsgleichung an. Erklären Sie unter Verwendung dieser Gleichung und der Oxidationszahlen, warum diese Blausäureherstellung eine Redoxreaktion ist. Begründen Sie anhand einer Reaktionsgleichung, dass die in-situ-Herstellung von Blausäure eine Säure-Base-Reaktion darstellt. (18 Punkte)

Blausäure – Eigenschaften und ihr Einsatz in der organischen Chemie

Fachspezifische Vorgaben

Obwohl Blausäure (Cyanwasserstoff, $\text{HCN}$) gefährlich ist, dient sie in der organischen Chemie als bedeutender Ausgangsstoff, z. B. zur Synthese der Aminosäure Valin, die u. a. in Energydrinks enthalten ist.

Herstellung

Damit beim Transport keine Gefahr von Blausäure ausgeht, wird sie in der Regel direkt dort erzeugt, wo sie weiterverarbeitet wird:

Hierbei kommt neben anderen Verfahren das Andrussow-Verfahren zum Einsatz, bei dem ein Gemisch aus Ammoniak, Methan und Sauerstoff aus der Luft bei rund 1200 °C unter Verwendung eines Platinnetzes als Katalysator umgesetzt wird. Bei diesem Verfahren entstehen die gewünschte Blausäure und Wasser.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Blausäure in situ (also direkt im Reaktor) herzustellen. Hierzu lässt man Ammoniumchlorid ($\text{NH}_4\text{Cl}$) und Natriumcyanid ($\text{NaCN}$) miteinander reagieren, es entstehen Blausäure, Ammoniak und Natriumchlorid.

Verwendung

Die Herstellung von Valin kann durch die Strecker-Synthese erfolgen. Edukte sind Isobutanal (2-Methylpropanal), Ammoniak, Blausäure und Wasser:

Im ersten Reaktionsschritt, der unter Säurekatalyse abläuft, greift zunächst ein Ammoniak-Molekül die Aldehydgruppe des Isobutanal-Moleküls an und führt zur Bildung eines Zwischenproduktes. Dieses reagiert dann mit einem Cyanid-Ion zu $\alpha$-Aminonitril (2-Amino-3-Methylbutannitril) weiter. Der 2. Schritt ist eine Hydrolyse, die im sauren Milieu stattfindet.

Bestimmung der Massenkonzentration

Wegen der hohen Giftigkeit von Blausäure muss ihr Gehalt überall dort bestimmt werden, wo sie vorkommen kann. Für Fische gelten bereits Cyanid-Ionen-Konzentrationen ab 1 mg/L als kritisch.

Zur Untersuchung eines Abwassers auf seinen Blausäuregehalt wurde eine 50 mL Probe entnommen und mit Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 0{,}01\text{ mol/L}$ titriert. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich und man erhielt einen Verbrauch von $V(\text{NaOH}) = 9{,}8\text{ mL}$.

Zur Kontrolle der Titration wurde eine pH-metrische Titration von Blausäure $c(\text{HCN}) = 0{,}001\text{ mol/L}$ mit Natronlauge $c(\text{NaOH}) = 0{,}01\text{ mol/L}$ durchgeführt. Die pH-Werte wurden während der Titration kontinuierlich verfolgt.

Zusatzinformationen

Blausäure ($\text{HCN}$): · $\mathrm{p}K_\mathrm{S}\text{-Wert}: 9{,}40$ · $M(\text{HCN}) = 27{,}03\text{ g/mol}$

Ammonium-Ionen ($\text{NH}_4^+$): · $\mathrm{p}K_\mathrm{S}\text{-Wert}: 9{,}25$

Elektronegativitäten (Pauling):

$\text{EN}(\text{C}) = 2{,}55$

$\text{EN}(\text{N}) = 3{,}04$

$\text{EN}(\text{H}) = 2{,}2$

2. Erläutern Sie in einzelnen Teilschritten, wie Ammoniak- und Isobutanal-Moleküle im Schritt 1 der Strecker-Synthese möglicherweise zu einem Zwischenprodukt reagieren. Erklären Sie die Hydrolyse am Ende des 2. Reaktionsschritts und geben Sie dazu eine Reaktionsgleichung an. (20 Punkte)

Blausäure – Eigenschaften und ihr Einsatz in der organischen Chemie

Fachspezifische Vorgaben

Obwohl Blausäure (Cyanwasserstoff, $\text{HCN}$) gefährlich ist, dient sie in der organischen Chemie als bedeutender Ausgangsstoff, z. B. zur Synthese der Aminosäure Valin, die u. a. in Energydrinks enthalten ist.

Herstellung

Damit beim Transport keine Gefahr von Blausäure ausgeht, wird sie in der Regel direkt dort erzeugt, wo sie weiterverarbeitet wird:

Hierbei kommt neben anderen Verfahren das Andrussow-Verfahren zum Einsatz, bei dem ein Gemisch aus Ammoniak, Methan und Sauerstoff aus der Luft bei rund 1200 °C unter Verwendung eines Platinnetzes als Katalysator umgesetzt wird. Bei diesem Verfahren entstehen die gewünschte Blausäure und Wasser.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Blausäure in situ (also direkt im Reaktor) herzustellen. Hierzu lässt man Ammoniumchlorid ($\text{NH}_4\text{Cl}$) und Natriumcyanid ($\text{NaCN}$) miteinander reagieren, es entstehen Blausäure, Ammoniak und Natriumchlorid.

Verwendung

Die Herstellung von Valin kann durch die Strecker-Synthese erfolgen. Edukte sind Isobutanal (2-Methylpropanal), Ammoniak, Blausäure und Wasser:

Im ersten Reaktionsschritt, der unter Säurekatalyse abläuft, greift zunächst ein Ammoniak-Molekül die Aldehydgruppe des Isobutanal-Moleküls an und führt zur Bildung eines Zwischenproduktes. Dieses reagiert dann mit einem Cyanid-Ion zu $\alpha$-Aminonitril (2-Amino-3-Methylbutannitril) weiter. Der 2. Schritt ist eine Hydrolyse, die im sauren Milieu stattfindet.

Bestimmung der Massenkonzentration

Wegen der hohen Giftigkeit von Blausäure muss ihr Gehalt überall dort bestimmt werden, wo sie vorkommen kann. Für Fische gelten bereits Cyanid-Ionen-Konzentrationen ab 1 mg/L als kritisch.

Zur Untersuchung eines Abwassers auf seinen Blausäuregehalt wurde eine 50 mL Probe entnommen und mit Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 0{,}01\text{ mol/L}$ titriert. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich und man erhielt einen Verbrauch von $V(\text{NaOH}) = 9{,}8\text{ mL}$.

Zur Kontrolle der Titration wurde eine pH-metrische Titration von Blausäure $c(\text{HCN}) = 0{,}001\text{ mol/L}$ mit Natronlauge $c(\text{NaOH}) = 0{,}01\text{ mol/L}$ durchgeführt. Die pH-Werte wurden während der Titration kontinuierlich verfolgt.

Zusatzinformationen

Blausäure ($\text{HCN}$): · $\mathrm{p}K_\mathrm{S}\text{-Wert}: 9{,}40$ · $M(\text{HCN}) = 27{,}03\text{ g/mol}$

Ammonium-Ionen ($\text{NH}_4^+$): · $\mathrm{p}K_\mathrm{S}\text{-Wert}: 9{,}25$

Elektronegativitäten (Pauling):

$\text{EN}(\text{C}) = 2{,}55$

$\text{EN}(\text{N}) = 3{,}04$

$\text{EN}(\text{H}) = 2{,}2$

3. Berechnen Sie die Massenkonzentration von Blausäure in der untersuchten Probe und geben Sie dabei die Reaktion an, die der Titration zugrunde liegt. Bewerten Sie anhand Ihres Ergebnisses, welche Gefahr besteht, wenn das Abwasser in ein Gewässer eingeleitet wird. (12 Punkte)

3a)

3b)

3c)

4. Planen Sie einen Versuchsaufbau, mit dem Blausäure pH-metrisch mit Natronlauge titriert werden kann. Berechnen Sie die pH-Werte dieser Titration zu Beginn, am Halbäquivalenzpunkt, am Äquivalenzpunkt und am Endpunkt, wobei mögliche Verdünnungseffekte außer Acht bleiben. Skizzieren Sie mithilfe der berechneten pH-Werte den ungefähren Kurvenverlauf der Titration. (16 Punkte)

4a)

4b)

4c)

Farbauffrischung mit Reactive Black 5

Fachspezifische Vorgaben:

Wird Kleidung oft gewaschen, verlieren viele Textilien an Farbintensität. Farbauffrischer wirken diesem Effekt entgegen, wodurch das „Lieblingsstück“ länger getragen werden kann. Reactive Black 5 ist ein Farbstoff, der sich für schwarze Textilien eignet.

Reactive Black 5

Bei Reactive Black 5 handelt es sich um einen Reaktivfarbstoff, d. h. das Farbstoff-Molekül besitzt neben der farbgebenden Komponente eine reaktive Komponente, die mit den funktionellen Gruppen der Faseroberfläche reagieren kann. Mit Reactive Black 5 lässt sich ein blauer bis schwarzer Farbton erzielen.

Synthese von Reactive Black 5

Ausgangsstoff für den benötigten Parabaseester ist Acetanilid.

An Acetanilid wird durch eine Reaktion mit Chlorschwefelsäure ($\text{HSO}_3\text{Cl}$) eine Chlorsulfonylgruppe ($-\text{SO}_2\text{Cl}$) gebunden (Chlorsulfonierung).

Nach Reduktion mit Natriumsulfit ($\text{Na}_2\text{SO}_3$), das zum Natriumsulfat oxidiert wird, entsteht $p$-Acetanilidsulfinat.

Aus diesem Zwischenprodukt entsteht in weiteren Reaktionsschritten schließlich Parabaseester.

Zur Synthese von Reactive Black 5 wird eine Lösung von Parabaseester mit Natriumnitrit ($\text{NaNO}_2$) und Salzsäure ($\text{HCl(aq)}$) versetzt. Die dabei entstehenden Diazonium-Ionen lässt man anschließend mit H-Säure zum Farbstoff reagieren.

Färben mit Reactive Black 5

Die zu färbenden Textilien werden zusammen mit Reactive Black 5 und Waschmittel in der Waschmaschine gewaschen. In dem vorherrschenden alkalischen Milieu spaltet das Reactive Black 5-Molekül formal Schwefelsäure ab und es entsteht ein Farbstoffmolekül der vereinfachten Formel $\text{R-SO}_2\text{-CH=CH}_2$. Die Doppelbindung kann nun mit den OH-Gruppen der Baumrolloberfläche reagieren.

Zusatzinformationen:

Kurzschreibweise des Farbstoffmoleküls zur Betrachtung der Farbigkeit:

Kurzschreibweise des Farbstoffmoleküls zur Betrachtung der Reaktivität:

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: Farbauffrischung mit Reactive Black 5

1.

Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Struktur und Farbigkeit am Beispiel von Reactive Black 5. Geben Sie begründet einen Bereich für das zu erwartende Absorptionsmaximum an und geben Sie eine weitere relevante mesomere Grenzstruktur des Farbstoff-Moleküls anhand der geeigneten Kurzschreibweise an.

3.

Erläutern Sie den Ablauf der Synthese von Reactive Black 5 aus Parabaseester und H-Säure und verwenden Sie dabei geeignete vereinfachte Strukturformeln. Erklären Sie, weshalb die Synthese gekühlt werden muss.

4.

Geben Sie mithilfe geeigneter vereinfachter Strukturformeln eine Reaktionsgleichung sowie den Reaktionstyp für die Reaktion von Reactive Black 5 in alkalischer Lösung an. Erläutern Sie die Haftung von Reactive Black 5 auf Baumwollfasern anhand der Molekülstruktur und geben Sie dazu ein Reaktionsschema in Kurzschreibweise sowie den Reaktionstyp an. Erläutern Sie, wie der Farbstoff auf Polyesterfasern haftet. Beurteilen Sie, wie geeignet der Farbauffrischer für Textilien aus den jeweiligen Fasern ist, und berücksichtigen Sie dabei die Kriterien Haftung und Auswaschbarkeit.

Farbauffrischung mit Reactive Black 5

Fachspezifische Vorgaben:

Wird Kleidung oft gewaschen, verlieren viele Textilien an Farbintensität. Farbauffrischer wirken diesem Effekt entgegen, wodurch das „Lieblingsstück“ länger getragen werden kann. Reactive Black 5 ist ein Farbstoff, der sich für schwarze Textilien eignet.

Reactive Black 5

Bei Reactive Black 5 handelt es sich um einen Reaktivfarbstoff, d. h. das Farbstoff-Molekül besitzt neben der farbgebenden Komponente eine reaktive Komponente, die mit den funktionellen Gruppen der Faseroberfläche reagieren kann. Mit Reactive Black 5 lässt sich ein blauer bis schwarzer Farbton erzielen.

Synthese von Reactive Black 5

Ausgangsstoff für den benötigten Parabaseester ist Acetanilid.

An Acetanilid wird durch eine Reaktion mit Chlorschwefelsäure ($\text{HSO}_3\text{Cl}$) eine Chlorsulfonylgruppe ($-\text{SO}_2\text{Cl}$) gebunden (Chlorsulfonierung).

Nach Reduktion mit Natriumsulfit ($\text{Na}_2\text{SO}_3$), das zum Natriumsulfat oxidiert wird, entsteht $p$-Acetanilidsulfinat.

Aus diesem Zwischenprodukt entsteht in weiteren Reaktionsschritten schließlich Parabaseester.

Zur Synthese von Reactive Black 5 wird eine Lösung von Parabaseester mit Natriumnitrit ($\text{NaNO}_2$) und Salzsäure ($\text{HCl(aq)}$) versetzt. Die dabei entstehenden Diazonium-Ionen lässt man anschließend mit H-Säure zum Farbstoff reagieren.

Färben mit Reactive Black 5

Die zu färbenden Textilien werden zusammen mit Reactive Black 5 und Waschmittel in der Waschmaschine gewaschen. In dem vorherrschenden alkalischen Milieu spaltet das Reactive Black 5-Molekül formal Schwefelsäure ab und es entsteht ein Farbstoffmolekül der vereinfachten Formel $\text{R-SO}_2\text{-CH=CH}_2$. Die Doppelbindung kann nun mit den OH-Gruppen der Baumrolloberfläche reagieren.

Zusatzinformationen:

Kurzschreibweise des Farbstoffmoleküls zur Betrachtung der Farbigkeit:

Kurzschreibweise des Farbstoffmoleküls zur Betrachtung der Reaktivität:

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

2. Entwickeln Sie Reaktionsschemata für die Umsetzung von Acetanilid zum p -Acetanilidsulfinat und ordnen Sie den dabei ablaufenden Reaktionen jeweils einen Reaktionstyp zu. Begründen Sie, an welcher Stelle die zweite Substitution bei der Chlorsulfonierung von Acetanilid erfolgt. (18 Punkte)

a)

b)

c)