Abitur NRW Chemie 2022 · GK · Haupttermin

Aufgabenstellung: „Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen produzieren kranke Zellen im Unterschied zu gesunden Zellen bestimmte Substanzen, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Die Medizin nutzt dies aus: Das am Wirkort vorhandene Wasserstoffperoxid dient dazu, ein in die Zellen gebrachtes Medikament freizusetzen.

Für eine bestimmte Erkrankung ist Diethylstilbestrol (DES) ein sehr wirksamer Wirkstoff.

DES gelangt als molekularer Baustein eines Copolymers in die Zelle. In kranken Zellen wird er dort durch das vorhandene Wasserstoffperoxid freigesetzt.

Das DES-Copolymer ist ein Polyester, der aus drei verschiedenen Monomeren aufgebaut wird:

1. Oxalsäuredichlorid

2. DES (Wirkstoff)

3. 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

Zur Gewinnung von Oxalsäure werden Formiat-Ionen thermisch dehydriert (I), anschließend reagieren die Oxalat-Ionen mit Schwefelsäure (II). Zuletzt wird die Säure in Oxalsäuredichlorid umgewandelt.

Untersuchung von medizinisch wirksamen Polyestern

Auch andere Wirkstoffe können in einen derartigen Polyester eingebaut werden. In einer Forschungsarbeit wurde auf diese Weise der Polyester PVAX hergestellt. Die Untersuchung kugelförmiger Mikropartikel daraus lieferte folgende Ergebnisse:

Zusatzinformationen:

Elektronegativitätswerte:

Wasserstoff · Kohlenstoff · Sauerstoff

2,1 · 2,5 · 3,5

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM): CHDM wird als ungiftig eingestuft. Indem CHDM den Wirkstoff ersetzt, kann es zur Steuerung des Wirkstoffanteils eingesetzt werden.

Partikelgrößen:

Nanopartikel · Teilchen einer Größe von unter 0,1 µm

Mikropartikel · Teilchen einer Größe im Bereich von 0,1–100 µm

1.

Erläutern Sie anhand von Oxidationszahlen, in welchem der beiden ersten Schritte der Herstellung von Oxalsäuredichlorid eine Redoxreaktion abläuft. Wenden Sie die Säure-Base-Theorie nach Brönsted auf die Protonenübertragung zwischen Schwefelsäure und Oxalat-Ionen an. Geben Sie eine mögliche Reaktionsgleichung für die Entstehung von Oxalsäuredichlorid aus Oxalsäure sowie den zugehörigen Reaktionstyp an. [18 Punkte]

2.

Erläutern Sie unter Angabe einer Reaktionsgleichung die Synthese eines Makromoleküls aus Oxalsäuredichlorid und Diethylstilbestrol (DES). Erläutern Sie, warum sich 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM) eignet, den Wirkstoffanteil im Molekül zu verringern, indem Sie die Molekülstrukturen und Stoffeigenschaften von DES und CHDM vergleichen. Zeichnen Sie einen repräsentativen Ausschnitt des Makromoleküls, das aus Oxalsäuredichlorid, DES und CHDM entsteht. [22 Punkte]

3.

Beschreiben Sie die Resultate der Untersuchung der PVAX-Mikropartikel. Untersuchen Sie den Ausschnitt des PVAX-Moleküls im Hinblick auf den eingesetzten Wirkstoff und geben Sie dabei die Strukturformeln der verwendeten Monomere an. Erläutern Sie, inwiefern „gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester möglich ist. [20 Punkte]

Aufgabenstellung: Korrosionsprobleme im Bootssport

Fachspezifische Vorgaben

Korrosionsvorgänge an Metallteilen können auch im Bootssport großen Schaden verursachen, da Teile aus Stahl mit hohem Eisengehalt bei Kontakt mit Meerwasser und Sauerstoff innerhalb kurzer Zeit korrodieren (rosten).

Beim Rosten reagiert elementares Eisen zunächst mit Sauerstoff und Wasser zu Eisen(II)-hydroxid. Im weiteren Korrosionsverlauf kann Eisen(II)-hydroxid nochmals mit Sauerstoff zu Eisen(III)-oxidhydroxid mit der Formel $\text{FeO(OH)}$ reagieren, was den eigentlichen orange-braunen Rost darstellt.

Ein besonders korrosionsgefährdeter Gegenstand auf einem Segelboot ist die Ankerkette. Sie unterliegt ständiger mechanischer Belastung und ist dem Seewasser besonders häufig ausgesetzt. Bei Segelbooten werden Ketten aus nichtrostendem Edelstahl ebenso wie verzinkte Eisenketten eingesetzt. Letztere haben den Vorteil des günstigeren Preises. Die Verzinkung der Ketten kann durch Galvanisieren erfolgen. Dabei wird die Kette in eine Lösung getaucht, die Zink-Ionen enthält, und mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Der Pluspol der Gleichspannungsquelle wird mit einem Zinkstück verbunden, das sich ebenfalls in der Lösung befindet.

Experiment 1: Galvanische Verzinkung einer Ankerkette aus Eisen

Eine Eisenkette mit einer Masse von $80{,}000\text{ kg}$ wurde galvanisch $4\text{ Tage}$ bei konstanter Stromstärke verzinkt. Die Masse der verzinkten Kette betrug danach $80{,}654\text{ kg}$.

Einsatz von Opferanoden

An vielen Schiffsrümpfen kann man große Blöcke aus Magnesium oder Zink wahrnehmen. Diese Blöcke werden auch als „Opferanoden“ bezeichnet. Die Anzahl der Opferanoden variiert mit der Größe der zu schützenden Teile. Die Funktionsweise einer solchen Anordnung wird in einem Laborexperiment untersucht.

Experiment 2: Überprüfung des Effektes eines an Eisen angebrachten Zinkblocks

a) In einer Petrischale wird ein gereinigter Eisennagel in eine wässrige Natriumchloridlösung gelegt, die mit wenig Phenolphthalein und Kaliumhexacyanoferrat(III) versetzt wurde.

Beobachtungen: Um den Nagel sind nach einiger Zeit sowohl blaue als auch purpurfarbene Verfärbungen zu sehen.

b) In eine zweite Petrischale werden ein an der Oberfläche gereinigtes Zinkstück und darauf ein ebenfalls gereinigter Eisennagel gelegt, sodass sich beide Metalle berühren. Danach wird eine wässrige Natriumchloridlösung, die mit wenig Phenolphthalein und Kaliumhexacyanoferrat(III) versetzt wurde, vorsichtig in die Petrischale gegossen.

Beobachtungen: Am Eisennagel verfärbt sich die Lösung purpur. Am Zinkstück bildet sich ein gelblich-weißer Niederschlag.

Zusatzinformationen:

Kaliumhexacyanoferrat(III) bildet bei Anwesenheit von $\text{Fe}^{2+}$-Ionen ein blaues Produkt.

Kaliumhexacyanoferrat(III) bildet bei Anwesenheit von $\text{Zn}^{2+}$-Ionen einen schwerlöslichen, gelblich-weißen Niederschlag.

Phenolphthalein färbt sich bei Anwesenheit von Hydroxid-Ionen purpur.

Daten & Konstanten:

Molare Masse: $M(\text{Zn}) = 65{,}4\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Konstante: $F = 96485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Gesetz: $I \cdot t = n \cdot z \cdot F$

Stoff

korrespondierendes Redoxpaar

Standardpotential ($E^\circ$)

Zink

$\text{Zn} \rightleftharpoons \text{Zn}^{2+} + 2\,\text{e}^-$

$-0{,}76\text{ V}$

Eisen

$\text{Fe} \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+} + 2\,\text{e}^-$

$-0{,}41\text{ V}$

Sauerstoff (pH = 7)

$4\,\text{OH}^- \rightleftharpoons \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + 4\,\text{e}^-$

$0{,}81\text{ V}$

1.

Erklären Sie den Begriff Korrosion am Beispiel des Rostens von Eisen. Geben Sie die Reaktionsgleichungen der Vorgänge an, die beim Rosten von Eisen ablaufen. Erläutern Sie den Ablauf der Sauerstoffkorrosion von Eisen bis zur Bildung von Eisen(II)-hydroxid, und vervollständigen Sie dazu auch die Abbildung 2 (Anhang) mit Formeln und Teilgleichungen. [20 Punkte]

2.

Skizzieren Sie einen denkbaren Versuchsaufbau, mit dem ein Eisenwerkstück galvanisiert werden kann. Erläutern Sie den Galvanisiervorgang mithilfe von Teilgleichungen für die Reaktionen, die beim Verzinken von Eisen stattfinden. Berechnen Sie die Stromstärke, mit der die Ankerkette in Experiment 1 verzinkt wurde. [22 Punkte]

3.

Erläutern Sie die Beobachtungen in Experiment 2 unter Einbeziehung von Teilgleichungen. Erläutern Sie anhand dieser Beobachtungen den Begriff „Opferanode“ und diskutieren Sie, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit Eisen mit diesem Verfahren geschützt wird. [18 Punkte]

Gelbe Farbstoffe in Safran und Kurkuma

Safran wird aus einer u. a. in Südeuropa verbreiteten Krokusart ( Crocus sativus) gewonnen und ist wegen seines unvergleichlichen Aromas und seiner leuchtend gelben Farbe als Gewürz berühmt. Für das Gewürz werden nur die getrockneten Stempelfäden der Krokusblüte verwendet. Schon wenige Safranfäden genügen, um einem Gericht den typischen Geschmack und die intensiv gelbe Farbe zu verleihen. Um ein Kilogramm von ihnen zu gewinnen, benötigt man etwa 120.000 Blüten und damit eine Anbaufläche von ungefähr 1000 m². Die Ernte ist reine Handarbeit. Somit zählt Safran zu den teuersten Gewürzen der Welt. Im Handel zahlt man 4 bis 14 € pro Gramm Safran, allein aus diesem Grunde ist die Geschichte der Safran-Fälschungen lang.

Für die färbende Wirkung des Safrans ist der Farbstoff Crocin (Abbildungen 1a und 1b) verantwortlich. Er zeigt folgende typische Reaktionen:

Bei Zugabe von Bromwasser ($\text{Br}_2\text{(aq)}$) zu einer Crocinlösung verändert sich die Farbe der Crocinlösung sukzessive, bis sie farblos wird.

Beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure ($\text{HCl(aq)}$) werden die Zuckerreste (R) abgespalten. Es fällt ein farbiger Niederschlag (Feststoff) aus und die überstehende Lösung ist farblos.

Kurkuma, auch Gelbwurz genannt, ist ein Gewürz aus dem südostasiatischen Raum, das durch seine auffällige gelbe Farbe sofort ins Auge sticht. Es wird aus den Wurzeln von Gelbwurzgewächsen (z. B. Curcuma xanthorrhiza) gewonnen und bildet als gemahlenes Pulver einen wesentlichen Bestandteil von Currypulver. Kurkuma wird häufig nicht nur zum Würzen, sondern auch aus optischen Gründen zum Färben von Gerichten verwendet. Kurkuma-Pulver ist ein beliebtes und günstiges Mittel, den teuren Safran als Gewürz zu strecken.

Für die färbende Wirkung des Kurkuma ist der Farbstoff Curcumin (E 100) verantwortlich. In sauren und neutralen Medien liegen Curcumin-Moleküle in der in Abbildung 2 dargestellten Form A vor und weisen zwei unabhängige mesomere Systeme in ihren Molekülen auf.

In alkalischem Medium liegen die Curcumin-Moleküle in der in Abbildung 3 dargestellten Form B vor, die Lösung erscheint rot:

Ein einfacher Unterscheidungstest zwischen Safran und Kurkuma beruht auf der Zugabe von Natronlauge. Während sich die Farbe eines Safranextraktes bei Zugabe von Natronlauge nicht ändert, färbt sich ein Kurkumaextrakt sofort rot.

Zusatzinformationen

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

1.

Erklären Sie unter Heranziehung der Tabelle und am Beispiel des Farbstoffs Crocin, wie Lichtabsorption und Farbigkeit zusammenhängen. Begründen Sie die Farbigkeit von Crocin mithilfe seiner Molekülstruktur. Geben Sie für die Reaktion, die beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure stattfindet, die Reaktionsgleichung und den Reaktionstyp an. [20 Punkte]

2.

Geben Sie an, um welchen Reaktionstyp es sich bei der Reaktion handelt, die abläuft, wenn man Bromwasser zu einer Crocinlösung gibt. Erläutern Sie den Reaktionsablauf in einzelnen Schritten. Begründen Sie mithilfe dieser Reaktion, warum sich die Crocinlösung bei Zugabe von Bromwasser sichtbar verfärbt. [16 Punkte]

3.

Begründen Sie, warum die beiden mesomeren Systeme im Curcumin-Molekül (Form A) voneinander unabhängig sind. Erläutern Sie anhand der Molekülstrukturen der Formen A und B (Abbildungen 2 und 3), weshalb neutrale und alkalische Kurkumalösungen verschieden gefärbt sind. Stellen Sie eine begründete Hypothese auf, ob sich auch mit Bromwasser reiner von gefälschtem Safran unterscheiden lässt. [24 Punkte]