Abitur NRW Chemie 2021 · LK · Nachtermin

Aufgabenstellung: Chlorung von Schwimmbadwasser und mögliche Folgen

Fachspezifische Vorgaben

Schwimmbadwasser wird aus hygienischen Gründen z. B. durch Chlorung desinfiziert, wofür unter anderem zwei Verfahren in Frage kommen.

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 $n(\mathrm{Cl_2}) = 4{,}0 \cdot 10^{-6}\ \mathrm{mol}$ 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.

Eine Überlegung ist es, das Durchflusselektrolyse-Verfahren auch in Meerwasser-Schwimmbädern zur Desinfektion zu nutzen. Meerwasser enthält neben Natrium- und Chlorid-Ionen auch nennenswerte Anteile an Magnesium- und Sulfat-Ionen.

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 niederschlugen.

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.

Zudem förderten die Chlorid-Ionen im Elektrolytfilm die elektrochemischen Prozesse. Ein im Folgenden dargestellter Versuch konnte dies demonstrieren.

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.

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

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

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 $E^0$

$\mathrm{Na / Na^+}$ · $E^0 = -2{,}71\ \mathrm{V}$

$\mathrm{Mg / Mg^{2+}}$ · $E^0 = -2{,}36\ \mathrm{V}$

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

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

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

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

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

$\mathrm{Cl^- / Cl_2}$ · $E^0 = +1{,}36\ \mathrm{V}$

$\mathrm{SO_4^{2-} / S_2O_8^{2-}}$ · $E^0 = +2{,}01\ \mathrm{V}$

1.

Erklären Sie mithilfe von Oxidationszahlen, warum es sich bei den Reaktionen (I) und (II) im Verfahren A jeweils um eine Redoxreaktion handelt. Skizzieren Sie die Elektrolysezelle des Durchflusselektrolyse-Verfahrens und die darin ablaufenden Elektrolyseprozesse. Geben Sie dazu die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung der elektrochemischen Reaktion sowie die Mindestzersetzungsspannung unter Standardbedingungen an. [18 Punkte]

2.

Berechnen Sie die theoretisch erforderliche Stromstärke, damit bei der Durchflusselektrolyse mit einem Durchfluss von 10 Litern Schwimmbadwasser pro Minute je Liter Schwimmbadwasser $2 \cdot 10^{-6}\ \mathrm{mol}$ Chlor zusätzlich gebildet werden. Begründen Sie, weshalb die Durchflusselektrolyse eine umweltfreundliche Methode zur Desinfektion von Wasser ist. Beurteilen Sie anhand der möglichen und der tatsächlich entstehenden Elektrolyseprodukte der genannten Ionen, ob sich das Durchflusselektrolyse-Verfahren auch in Meerwasser-Bädern einsetzen lässt. [16 Punkte]

3.

Deuten Sie die im Versuch gemachten Beobachtungen. Geben Sie die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung der im Versuch ablaufenden Reaktionen an. Entwickeln Sie begründet zwei Abwandlungen des Versuchs zur Sauerstoffkorrosion, mit denen sich mögliche Korrosionsschutzmaßnahmen für Eisen untersuchen lassen. [16 Punkte]

4.

Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die beschriebene Entstehung von Eisen(II)-chlorid und dessen anschließende Umsetzung zu Rost an. Erläutern Sie, wie die dabei gebildete Salzsäure die Korrosion weiter voranschreiten lässt. Beurteilen Sie die Korrosion durch Chlor und die durch Sauerstoff im Hinblick auf das Fortschreiten der Schädigung des Baustahls. [16 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben:

Eine häufige Darreichungsform von Medikamenten ist die orale Einnahme von Tabletten. Die eigentliche Aufnahme der Wirkstoffe soll im Dünndarm erfolgen, wo sie ins Blut übergehen und anschließend im Körper verteilt werden. Um eine frühzeitige Zersetzung des Wirkstoffes, z. B. im Mund, Speiseröhre oder Magen zu verhindern, werden Tabletten häufig mit einem magensaftresistenten Überzug versehen, der sich erst im Dünndarm auflöst.

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 $1: 2$. Methacrylsäure lässt sich aus Methacrylsäureamidsulfat herstellen. Dieses wird wiederum aus 2-Hydroxy-2-methylpropionitril gebildet, für das Blausäure und Aceton die Edukte sind.

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 und titriert anschließend mit Salzsäure bis zur ersten auftretenden Trübung. 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 °C (Körpertemperatur) ein Trübungs-pH-Wert von 4,4.

Einfluss der Nahrung auf die Wirkstoffaufnahme

Einen entscheidenden Einfluss auf die Aufnahme haben Wechselwirkungen mit der Nahrung. Ist der Patient nüchtern, benötigt eine Tablette etwa zwei Stunden für die Passage des Magens. Durch gleichzeitig aufgenommene Nahrung verlängert sich die Magenpassage für magensaftresistente Tabletten um bis zu elf Stunden. Dies hat zur Folge, dass sich z. B. morgens, mittags und abends eingenommene Tabletten im Magen anreichern und erst nachts gemeinsam in den Dünndarm gelangen. Zudem führt die Aufnahme von Nahrung zu einem messbar höheren pH-Wert im Magen.

Zusatzinformationen:

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 · $6$

Gefahrenhinweise Methacrylate (Acrylsäuremethylester):

Methacrylat-Monomere wirken reizend auf Schleimhäute und die Atemwege und stehen im Verdacht, Allergien auszulösen.

Relative Wasserlöslichkeiten:

Methacrylsäure > MMA

Aufgabenstellung: Magensaftresistente Tabletten

1. Ordnen Sie Eudragit® mit 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 und geben Sie den Reaktionstyp an. Erläutern Sie, weshalb die Synthese von Kunststoffen für Tablettenüberzüge vollständig ablaufen sollte. [18 Punkte]

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

Eine häufige Darreichungsform von Medikamenten ist die orale Einnahme von Tabletten. Die eigentliche Aufnahme der Wirkstoffe soll im Dünndarm erfolgen, wo sie ins Blut übergehen und anschließend im Körper verteilt werden. Um eine frühzeitige Zersetzung des Wirkstoffes, z. B. im Mund, Speiseröhre oder Magen zu verhindern, werden Tabletten häufig mit einem magensaftresistenten Überzug versehen, der sich erst im Dünndarm auflöst.

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 $1: 2$. Methacrylsäure lässt sich aus Methacrylsäureamidsulfat herstellen. Dieses wird wiederum aus 2-Hydroxy-2-methylpropionitril gebildet, für das Blausäure und Aceton die Edukte sind.

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 und titriert anschließend mit Salzsäure bis zur ersten auftretenden Trübung. 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 °C (Körpertemperatur) ein Trübungs-pH-Wert von 4,4.

Einfluss der Nahrung auf die Wirkstoffaufnahme

Einen entscheidenden Einfluss auf die Aufnahme haben Wechselwirkungen mit der Nahrung. Ist der Patient nüchtern, benötigt eine Tablette etwa zwei Stunden für die Passage des Magens. Durch gleichzeitig aufgenommene Nahrung verlängert sich die Magenpassage für magensaftresistente Tabletten um bis zu elf Stunden. Dies hat zur Folge, dass sich z. B. morgens, mittags und abends eingenommene Tabletten im Magen anreichern und erst nachts gemeinsam in den Dünndarm gelangen. Zudem führt die Aufnahme von Nahrung zu einem messbar höheren pH-Wert im Magen.

Zusatzinformationen:

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 · $6$

Gefahrenhinweise Methacrylate (Acrylsäuremethylester):

Methacrylat-Monomere wirken reizend auf Schleimhäute und die Atemwege und stehen im Verdacht, Allergien auszulösen.

Relative Wasserlöslichkeiten:

Methacrylsäure > MMA

2. Erstellen Sie ein Schema, das die Synthese von MMA ausgehend von den Ausgangsstoffen übersichtlich darstellt. Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die Herstellung von Methanol aus Synthesegas sowie für die Herstellung von MMA aus Methacrylsäure und Methanol an. Erklären Sie, warum sich Methacrylsäure und MMA in ihrer Wasserlöslichkeit unterscheiden – ziehen Sie dazu auch ihre Molekülstrukturen heran. [16 Punkte]

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

Eine häufige Darreichungsform von Medikamenten ist die orale Einnahme von Tabletten. Die eigentliche Aufnahme der Wirkstoffe soll im Dünndarm erfolgen, wo sie ins Blut übergehen und anschließend im Körper verteilt werden. Um eine frühzeitige Zersetzung des Wirkstoffes, z. B. im Mund, Speiseröhre oder Magen zu verhindern, werden Tabletten häufig mit einem magensaftresistenten Überzug versehen, der sich erst im Dünndarm auflöst.

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 $1: 2$. Methacrylsäure lässt sich aus Methacrylsäureamidsulfat herstellen. Dieses wird wiederum aus 2-Hydroxy-2-methylpropionitril gebildet, für das Blausäure und Aceton die Edukte sind.

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 und titriert anschließend mit Salzsäure bis zur ersten auftretenden Trübung. 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 °C (Körpertemperatur) ein Trübungs-pH-Wert von 4,4.

Einfluss der Nahrung auf die Wirkstoffaufnahme

Einen entscheidenden Einfluss auf die Aufnahme haben Wechselwirkungen mit der Nahrung. Ist der Patient nüchtern, benötigt eine Tablette etwa zwei Stunden für die Passage des Magens. Durch gleichzeitig aufgenommene Nahrung verlängert sich die Magenpassage für magensaftresistente Tabletten um bis zu elf Stunden. Dies hat zur Folge, dass sich z. B. morgens, mittags und abends eingenommene Tabletten im Magen anreichern und erst nachts gemeinsam in den Dünndarm gelangen. Zudem führt die Aufnahme von Nahrung zu einem messbar höheren pH-Wert im Magen.

Zusatzinformationen:

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 · $6$

Gefahrenhinweise Methacrylate (Acrylsäuremethylester):

Methacrylat-Monomere wirken reizend auf Schleimhäute und die Atemwege und stehen im Verdacht, Allergien auszulösen.

Relative Wasserlöslichkeiten:

Methacrylsäure > MMA

Teilaufgabe 3 & 4

3. Vergleichen Sie Versuchsaufbau und Ziel der Trübungspunkttitration mit einem Titrationsverfahren, das Sie kennen. Erläutern Sie, welche chemischen Prozesse im Verlauf des Versuchs ablaufen. Bestimmen Sie die Oxonium-Ionen-Konzentration am Trübungspunkt. [16 Punkte]

3a)

3b)

3c)

4. Stellen Sie eine Hypothese darüber auf, wie sich ein größerer Methacrylsäure-Anteil auf den Auflöse-pH-Wert von Eudragit® auswirkt. Beurteilen Sie, ob Eudragit® als Filmüberzug für magensaftresistente Tabletten geeignet ist, und beziehen Sie dabei die pH-Werte im Verdauungstrakt sowie das Ergebnis der Trübungspunkttitration ein. Diskutieren Sie mögliche Probleme bei der Wirkstofffreisetzung magensaftresistenter Tabletten, wenn Nahrung aufgenommen wurde. [16 Punkte]

4a)

4b)

4c)

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 HInd abgekürzt werden. Bei höheren pH-Werten ist der Farbstoff blau gefärbt (symbolhafte Abkürzung: 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 Anilin (C₆H₅NH₂) hergestellt werden. Dabei wird zunächst die Aminogruppe durch Reaktion mit Essigsäureanhydrid acetyliert, es entsteht Acetanilid:

Anschließend wird durch Zugabe gleicher Volumina konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) und konzentrierter Salpetersäure (HNO₃) eine Nitrierung des Acetanilids durch Nitronium-Ionen (NO₂⁺) durchgeführt. Schließlich erfolgt eine säurekatalysierte Abspaltung von Essigsäure.

Zur Synthese von Nitrazingelb wird eine Lösung von 2,4-Dinitroanilin mit Natriumnitrit (NaNO₂) und konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) versetzt. Das dabei entstehende Diazonium-Ion lässt man anschließend mit einem weiteren Stoff (bezeichnet als 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 geschilderten Hauttest aufweisen muss. Stellen Sie die Säure-Base-Theorie nach Brønsted am Nitrazingelb-Molekül dar und verwenden Sie dafür die symbolhaften Abkürzungen. [18 Punkte]

1.

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 HInd abgekürzt werden. Bei höheren pH-Werten ist der Farbstoff blau gefärbt (symbolhafte Abkürzung: 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 Anilin (C₆H₅NH₂) hergestellt werden. Dabei wird zunächst die Aminogruppe durch Reaktion mit Essigsäureanhydrid acetyliert, es entsteht Acetanilid:

Anschließend wird durch Zugabe gleicher Volumina konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) und konzentrierter Salpetersäure (HNO₃) eine Nitrierung des Acetanilids durch Nitronium-Ionen (NO₂⁺) durchgeführt. Schließlich erfolgt eine säurekatalysierte Abspaltung von Essigsäure.

Zur Synthese von Nitrazingelb wird eine Lösung von 2,4-Dinitroanilin mit Natriumnitrit (NaNO₂) und konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) versetzt. Das dabei entstehende Diazonium-Ion lässt man anschließend mit einem weiteren Stoff (bezeichnet als 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 – Teilaufgaben 2 und 3

Erläutern Sie, aus welchem Grund bei der Synthese von 2,4-Dinitroanilin ausgehend von Anilin als erster Schritt die Aminogruppe mit Essigsäureanhydrid acetyliert wird. Entwickeln Sie Reaktionsgleichungen für die Umsetzung von Acetanilid zu 2,4-Dinitroanilin und benennen Sie dabei den jeweiligen Reaktionstyp. [14 Punkte]

Zeichnen Sie die Strukturformel des Stoffes A, der für die Synthese von Nitrazingelb erforderlich ist. Geben Sie an, um welchen Reaktionstyp es sich bei der Umsetzung des Diazonium-Ions mit Stoff A handelt. Erläutern Sie den Verlauf dieser Reaktion in einzelnen Schritten, indem Sie passende, vereinfachte Strukturformeln verwenden. [14 Punkte]

2.1

2.2

3.1

3.2

3.3

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 HInd abgekürzt werden. Bei höheren pH-Werten ist der Farbstoff blau gefärbt (symbolhafte Abkürzung: 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 Anilin (C₆H₅NH₂) hergestellt werden. Dabei wird zunächst die Aminogruppe durch Reaktion mit Essigsäureanhydrid acetyliert, es entsteht Acetanilid:

Anschließend wird durch Zugabe gleicher Volumina konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) und konzentrierter Salpetersäure (HNO₃) eine Nitrierung des Acetanilids durch Nitronium-Ionen (NO₂⁺) durchgeführt. Schließlich erfolgt eine säurekatalysierte Abspaltung von Essigsäure.

Zur Synthese von Nitrazingelb wird eine Lösung von 2,4-Dinitroanilin mit Natriumnitrit (NaNO₂) und konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) versetzt. Das dabei entstehende Diazonium-Ion lässt man anschließend mit einem weiteren Stoff (bezeichnet als 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 4

Erklären Sie am Beispiel von Nitrazingelb in saurer Lösung, wie Struktur und Farbigkeit zusammenhängen. Geben Sie mit Begründung an, in welchen Bereichen die Absorptionsmaxima von Nitrazingelb in saurer und in alkalischer Lösung jeweils zu erwarten sind. Erklären Sie, warum die Farbe in saurer und alkalischer Lösung verschieden ist, und geben Sie dabei für beide Fälle je eine weitere relevante mesomere Grenzstruktur des Farbstoff-Moleküls an. [20 Punkte]

4.1

4.2

4.3