Chemie 2022 GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen bilden kranke Zellen im Gegensatz zu gesunden Zellen bestimmte Stoffe, z. B. Wasserstoffperoxid. Ärztinnen und Ärzte nutzen dies aus: Das am Wirkort vorhandene Wasserstoffperoxid setzt ein in die Zellen eingebrachtes Medikament frei.

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

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

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

Oxalsäuredichlorid

DES (Wirkstoff)

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

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

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 · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 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 unter Verwendung von Oxidationszahlen, in welchem der beiden ersten Schritte der Herstellung von Oxalsäuredichlorid eine Redoxreaktion abläuft.

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen bilden kranke Zellen im Gegensatz zu gesunden Zellen bestimmte Stoffe, z. B. Wasserstoffperoxid. Ärztinnen und Ärzte nutzen dies aus: Das am Wirkort vorhandene Wasserstoffperoxid setzt ein in die Zellen eingebrachtes Medikament frei.

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

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

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

Oxalsäuredichlorid

DES (Wirkstoff)

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

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

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 · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 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. Wenden Sie die Säure-Base-Theorie nach Brönsted auf die Protonenübertragung zwischen Schwefelsäure und Oxalat-Ionen an.

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen bilden kranke Zellen im Gegensatz zu gesunden Zellen bestimmte Stoffe, z. B. Wasserstoffperoxid. Ärztinnen und Ärzte nutzen dies aus: Das am Wirkort vorhandene Wasserstoffperoxid setzt ein in die Zellen eingebrachtes Medikament frei.

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

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

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

Oxalsäuredichlorid

DES (Wirkstoff)

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

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

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 · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 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. Geben Sie für die Entstehung von Oxalsäuredichlorid aus Oxalsäure eine denkbare Reaktionsgleichung an und benennen Sie den zugehörigen Reaktionstyp.

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen bilden kranke Zellen im Gegensatz zu gesunden Zellen bestimmte Stoffe, z. B. Wasserstoffperoxid. Ärztinnen und Ärzte nutzen dies aus: Das am Wirkort vorhandene Wasserstoffperoxid setzt ein in die Zellen eingebrachtes Medikament frei.

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

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

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

Oxalsäuredichlorid

DES (Wirkstoff)

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

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

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 · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 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

Teilaufgabe 2 [22 Punkte]

2.1

Erläutern Sie, wie aus Oxalsäuredichlorid und Diethylstilbestrol (DES) ein Makromolekül aufgebaut wird, und geben Sie dazu eine Reaktionsgleichung an. Zeichnen Sie die Reaktionsgleichung auf Papier, laden Sie ein Foto davon hoch und erläutern Sie die Reaktion danach im Textfeld.

2.2

Erläutern Sie, inwieweit sich 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM) dazu eignet, den Wirkstoffanteil im Molekül zu senken, indem Sie die Molekülstrukturen und die Stoffeigenschaften von DES und CHDM miteinander vergleichen.

2.3

Zeichnen Sie auf Papier einen repräsentativen Ausschnitt des Makromoleküls, das aus Oxalsäuredichlorid, DES und CHDM entsteht, und laden Sie ein Foto der Zeichnung hoch.

Teilaufgabe 3 [20 Punkte]

3.1

Beschreiben Sie, welche Ergebnisse die Untersuchung der PVAX-Mikropartikel liefert (Abbildung 3).

3.2

Untersuchen Sie den Ausschnitt des PVAX-Moleküls im Hinblick auf den verwendeten Wirkstoff und geben Sie dabei die Strukturformeln der eingesetzten Monomere an. Zeichnen Sie diese Strukturformeln und begründen Sie im Textfeld, welches Monomer der Wirkstoff sein muss.

3.3

Erläutern Sie, inwiefern mit Nano-Polyestern ein „gezieltes Heilen“ möglich wird.

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 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.

1.

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

Abbildung 2 (Anhang): Ergänzen Sie die Abbildung durch Formeln und Teilgleichungen und erläutern Sie die Vorgänge.

2.

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 $80{,}654\text{ kg}$ .

Skizzieren Sie einen denkbaren Versuchsaufbau, mit dem ein Werkstück aus Eisen galvanisch beschichtet werden kann. Erläutern Sie den Vorgang des Galvanisierens mithilfe von Teilgleichungen der Reaktionen, die beim Verzinken von Eisen auftreten. Berechnen Sie, mit welcher Stromstärke die Ankerkette in Experiment 1 verzinkt wurde. [22 Punkte]

3.

Einsatz von Opferanoden & Experiment 2

An vielen Schiffsrümpfen kann man große Blöcke aus Magnesium oder Zink wahrnehmen. Diese Blöcke werden auch als „Opferanoden“ bezeichnet.

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.

• $M(\text{Zn}) = 65{,}4\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$ , $F = 96485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$ , 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 ( $\text{pH} = 7$ )

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

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

Erläutern Sie die Beobachtungen in Experiment 2 unter Verwendung 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]

Fachspezifische Vorgaben:

Safran stammt von einer unter anderem in Südeuropa weit verbreiteten Krokusart ( Crocus sativus) und ist aufgrund seines einzigartigen Aromas sowie seiner leuchtend gelben Farbe als Gewürz bekannt. Als Gewürz dienen ausschließlich die getrockneten Stempelfäden der Krokusblüte. 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.

Die färbende Wirkung des Safrans geht auf den Farbstoff Crocin (Abbildungen 1a und 1b) zurück. Typisch für ihn sind folgende 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 ( $\text{HCl}(\text{aq})$ ) 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:

Safran und Kurkuma lassen sich einfach durch Zugabe von Natronlauge unterscheiden. 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

Gelbe Farbstoffe in Safran und Kurkuma

1.

Erklären Sie unter Verwendung der Tabelle 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, den Reaktionstyp und eine Reaktionsgleichung an. [20 Punkte]

3.

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