Abitur NRW Chemie 2022 · GK · Nachtermin

Fachspezifische Vorgaben:

MÖBIUS-Verfahren zur Silberreinigung

Silber ist ein Edelmetall mit vielen Verwendungsmöglichkeiten in unserem Alltag. Neben der Verwendung für Schmuck wird es für Besteck und die Herstellung von Spiegeln genutzt. Auch in bestimmten Batterien und Akkumulatoren (auch kurz Akkus genannt) findet es Verwendung.

Silber kommt als edles Metall in der Natur häufig elementar vor. Diese Silbervorkommen enthalten Verunreinigungen, wobei hauptsächlich Kupfer und Blei als unedlere und Gold und Platin als edlere Metalle zu nennen sind. Für die weitere Verarbeitung muss das Silber gereinigt werden. Diese Reinigung erfolgt auf elektrolytischem Wege (Möbius-Verfahren). Hierbei wird das Rohsilber in Anodenplatten gegossen und in eine saure Silbernitrat-Lösung ($\text{AgNO}_3$) mit Kathoden aus dünnem Feinsilberblech zusammengeschaltet und elektrolysiert. Da die Abscheidung nicht in Form eines glatten zusammenhängenden Überzugs, sondern in Form loser, verästelter Kristalle erfolgt, sind zur Vermeidung eines zwischen Anode und Kathode auftretenden Kurzschlusses Schaber vorhanden, die sich während der Elektrolyse hin und her bewegen und die Silberkristalle abstreifen. Das Phänomen, dass sich Silber nicht gleichmäßig an einer Elektrode abscheidet, macht auch Probleme beim Bau von Akkumulatoren, die Silber enthalten.

Silberoxid-Zink-Akkumulator

Als edles Metall findet Silber in Batterien und Akkumulatoren Verwendung. Ein Beispiel ist hier der Silberoxid-Zink-Akkumulator. Hohe Kosten machen ihn jedoch für viele alltägliche Einsätze unattraktiv.

In einem einfachen Experiment wird die Funktionsweise des Silberoxid-Zink-Akkumulators nachvollzogen:

Durchführung

Es wird eine Kaliumhydroxid-Lösung der Konzentration $c(\text{KOH}) = 4\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$ hergestellt und in ein Becherglas gefüllt. In die Lösung werden ein Silberblech und ein Zinkblech gestellt. Das Silberblech wird mit dem Pluspol und das Zinkblech mit dem Minuspol einer Spannungsquelle mit $1{,}5\text{ V}$ verbunden, was dem Laden des Akkus entspricht. Nach wenigen Sekunden wird die Gleichspannungsquelle wieder entfernt und an ihrer Stelle ein Elektromotor angeschlossen.

Sobald der Elektromotor aufhört sich zu drehen, wird der Elektrolyt mit einem Teststreifen auf Zink(II)-Ionen geprüft. Anschließend wird der Akku ein zweites Mal durch Anlegen der Gleichspannung geladen.

Beobachtung

Nach dem Anlegen der Gleichspannung überzieht sich die Silberelektrode mit einer schwarzen Schicht. Am Zinkblech entstehen kleine Mengen eines farblosen Gases. Fängt man das Gas auf und führt damit die Knallgasprobe durch, so verläuft diese positiv. Der nach dem Laden angeschlossene Elektromotor beginnt sofort sich zu drehen. Das Zinkblech erhält dabei eine raue Oberfläche und die schwarze Farbe des Silberbleches verschwindet langsam wieder. Im Elektrolyten sind nun Zink(II)-Ionen nachweisbar.

Beim erneuten Anlegen der Gleichspannung überzieht sich das Silberblech wieder mit einer schwarzen Schicht. Die Gasbildung am Zinkblech setzt nicht wie beim ersten Laden sofort, sondern erst nach einiger Zeit ein.

Silberoxid-Zink-Zellen im Alltag und Optimierungsmöglichkeiten

Im Alltag werden die Silberoxid-Zink-Zellen oft als Knopfzellen z. B. in Hörgeräten genutzt, da sie eine hohe Energiedichte besitzen. Dies bedeutet, dass die Knopfzellen nicht so häufig gewechselt werden müssen wie andere mobile Energiequellen mit geringerer Energiedichte. Diese Silberoxid-Zink-Zellen werden im Alltag nicht wieder aufgeladen.

Wird die Silberoxid-Zink-Zelle als Akku verwendet, werden zur Optimierung der Einbau eines kleinen Ventils in der Zinkhalbzelle oder die Erhöhung der Zink(II)-Ionenkonzentration und die Vergrößerung der Masse an Zink vorgeschlagen.

Zusatzinformationen:

Der Stoff Silberoxid ($\text{Ag}_2\text{O}$) ist schwarz.

Standardpotentiale ($E^\circ$) bei $25\text{ }^\circ\text{C}$ und $101{,}3\text{ kPa}$

Stoff · Reaktionsgleichung · Standardpotential ($E^\circ$)

Wasserstoff ($pH = 14$) · $\text{H}_2 + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons 2\text{ H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $-0{,}83\text{ V}$

Zink · $\text{Zn} \rightleftharpoons \text{Zn}^{2+} + 2\text{ e}^-$ · $-0{,}76\text{ V}$

Silber ($pH = 14$) · $2\text{ Ag} + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons \text{Ag}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $0{,}34\text{ V}$

Faraday-Gesetz:

$I \cdot t = n \cdot z \cdot F$

Faraday-Konstante:

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

Molare Masse:

$M(\text{Ag}) = 107{,}9\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

1. Erläutern Sie den Ablauf des MÖBIUS-Verfahrens zur Reinigung von Silber und gehen Sie dabei auch auf die Elektrodenreaktionen des Silbers ein. Erklären Sie, warum sich ausschließlich Silber an der Kathode abscheidet und was mit den edleren und den unedleren Metallen geschieht. Berechnen Sie die Masse des Feinsilbers, das abgeschieden wird, wenn eine Stunde lang mit $1200\text{ Ampere}$ elektrolysiert wird. [20 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben:

MÖBIUS-Verfahren zur Silberreinigung

Silber ist ein Edelmetall mit vielen Verwendungsmöglichkeiten in unserem Alltag. Neben der Verwendung für Schmuck wird es für Besteck und die Herstellung von Spiegeln genutzt. Auch in bestimmten Batterien und Akkumulatoren (auch kurz Akkus genannt) findet es Verwendung.

Silber kommt als edles Metall in der Natur häufig elementar vor. Diese Silbervorkommen enthalten Verunreinigungen, wobei hauptsächlich Kupfer und Blei als unedlere und Gold und Platin als edlere Metalle zu nennen sind. Für die weitere Verarbeitung muss das Silber gereinigt werden. Diese Reinigung erfolgt auf elektrolytischem Wege (Möbius-Verfahren). Hierbei wird das Rohsilber in Anodenplatten gegossen und in eine saure Silbernitrat-Lösung ($\text{AgNO}_3$) mit Kathoden aus dünnem Feinsilberblech zusammengeschaltet und elektrolysiert. Da die Abscheidung nicht in Form eines glatten zusammenhängenden Überzugs, sondern in Form loser, verästelter Kristalle erfolgt, sind zur Vermeidung eines zwischen Anode und Kathode auftretenden Kurzschlusses Schaber vorhanden, die sich während der Elektrolyse hin und her bewegen und die Silberkristalle abstreifen. Das Phänomen, dass sich Silber nicht gleichmäßig an einer Elektrode abscheidet, macht auch Probleme beim Bau von Akkumulatoren, die Silber enthalten.

Silberoxid-Zink-Akkumulator

Als edles Metall findet Silber in Batterien und Akkumulatoren Verwendung. Ein Beispiel ist hier der Silberoxid-Zink-Akkumulator. Hohe Kosten machen ihn jedoch für viele alltägliche Einsätze unattraktiv.

In einem einfachen Experiment wird die Funktionsweise des Silberoxid-Zink-Akkumulators nachvollzogen:

Durchführung

Es wird eine Kaliumhydroxid-Lösung der Konzentration $c(\text{KOH}) = 4\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$ hergestellt und in ein Becherglas gefüllt. In die Lösung werden ein Silberblech und ein Zinkblech gestellt. Das Silberblech wird mit dem Pluspol und das Zinkblech mit dem Minuspol einer Spannungsquelle mit $1{,}5\text{ V}$ verbunden, was dem Laden des Akkus entspricht. Nach wenigen Sekunden wird die Gleichspannungsquelle wieder entfernt und an ihrer Stelle ein Elektromotor angeschlossen.

Sobald der Elektromotor aufhört sich zu drehen, wird der Elektrolyt mit einem Teststreifen auf Zink(II)-Ionen geprüft. Anschließend wird der Akku ein zweites Mal durch Anlegen der Gleichspannung geladen.

Beobachtung

Nach dem Anlegen der Gleichspannung überzieht sich die Silberelektrode mit einer schwarzen Schicht. Am Zinkblech entstehen kleine Mengen eines farblosen Gases. Fängt man das Gas auf und führt damit die Knallgasprobe durch, so verläuft diese positiv. Der nach dem Laden angeschlossene Elektromotor beginnt sofort sich zu drehen. Das Zinkblech erhält dabei eine raue Oberfläche und die schwarze Farbe des Silberbleches verschwindet langsam wieder. Im Elektrolyten sind nun Zink(II)-Ionen nachweisbar.

Beim erneuten Anlegen der Gleichspannung überzieht sich das Silberblech wieder mit einer schwarzen Schicht. Die Gasbildung am Zinkblech setzt nicht wie beim ersten Laden sofort, sondern erst nach einiger Zeit ein.

Silberoxid-Zink-Zellen im Alltag und Optimierungsmöglichkeiten

Im Alltag werden die Silberoxid-Zink-Zellen oft als Knopfzellen z. B. in Hörgeräten genutzt, da sie eine hohe Energiedichte besitzen. Dies bedeutet, dass die Knopfzellen nicht so häufig gewechselt werden müssen wie andere mobile Energiequellen mit geringerer Energiedichte. Diese Silberoxid-Zink-Zellen werden im Alltag nicht wieder aufgeladen.

Wird die Silberoxid-Zink-Zelle als Akku verwendet, werden zur Optimierung der Einbau eines kleinen Ventils in der Zinkhalbzelle oder die Erhöhung der Zink(II)-Ionenkonzentration und die Vergrößerung der Masse an Zink vorgeschlagen.

Zusatzinformationen:

Der Stoff Silberoxid ($\text{Ag}_2\text{O}$) ist schwarz.

Standardpotentiale ($E^\circ$) bei $25\text{ }^\circ\text{C}$ und $101{,}3\text{ kPa}$

Stoff · Reaktionsgleichung · Standardpotential ($E^\circ$)

Wasserstoff ($pH = 14$) · $\text{H}_2 + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons 2\text{ H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $-0{,}83\text{ V}$

Zink · $\text{Zn} \rightleftharpoons \text{Zn}^{2+} + 2\text{ e}^-$ · $-0{,}76\text{ V}$

Silber ($pH = 14$) · $2\text{ Ag} + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons \text{Ag}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $0{,}34\text{ V}$

Faraday-Gesetz:

$I \cdot t = n \cdot z \cdot F$

Faraday-Konstante:

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

Molare Masse:

$M(\text{Ag}) = 107{,}9\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

2.

Zeichnen Sie einen denkbaren Versuchsaufbau für das Modell-Experiment zur Ladung des Silberoxid-Zink-Akkumulators. Erklären Sie die im Experiment gemachten Beobachtungen und stellen Sie für die Reaktionen, die beim Laden und beim Entladen stattfinden, jeweils Teilgleichungen auf. [26 Punkte]

3.

Berechnen Sie die Spannung, die ein Silberoxid-Zink-Akkumulator bei Standardbedingungen bereitstellt. Beurteilen Sie die vorgeschlagenen Möglichkeiten zur Optimierung des Silberoxid-Zink-Akkus, indem Sie die sich daraus ergebenden Vor- und Nachteile einander gegenüberstellen. [14 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben:

Bernsteinsäure ($\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_4$) ist in der EU unter der E-Nummer 363 als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen und wird als Säuerungsmittel, Geschmacksverstärker und Konservierungsmittel eingesetzt.

In Kapseln, Ampullen, Tabletten oder Pulverform stellt Bernsteinsäure ein Nahrungsergänzungsmittel dar. Die Säure hat antioxidative Eigenschaften, soll einen positiven Einfluss auf den menschlichen Stoffwechsel haben und das allgemeine Wohlbefinden verbessern. Laut Herstellerangabe auf der Verpackung eines Nahrungsergänzungsmittels enthält eine $0{,}5\text{ g}$ Tablette $0{,}1\text{ g}$ Bernsteinsäure. Es wird empfohlen, einmal täglich ein bis drei Tabletten einzunehmen.

Durch einen Versuch wurde ermittelt, wie viel Bernsteinsäure eine Tablette enthält.

Versuch:

Eine Bernsteinsäuretablette mit einer Masse von $0{,}5\text{ g}$ wurde zerkleinert und so in Wasser gelöst, dass ein Volumen von $50\text{ mL}$ entstand. Anschließend wurde die so gewonnene Lösung mit einem geeigneten Indikator versetzt und mit Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 0{,}1\text{ mol/L}$, unter Rühren bis zum Farbumschlag des Indikators titriert. Es wurden $15{,}0\text{ mL}$ Natronlauge benötigt. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich.

Bernsteinsäure kann über die katalytische Hydrierung der Maleinsäure oder biotechnologisch mithilfe von Bakterien großtechnisch hergestellt werden. Bernsteinsäure ist einer der zentralen Hoffnungsträger für die industrielle Biotechnologie als Plattformchemikalie für verschiedene Produkte der chemischen und pharmazeutischen Industrie, z. B. für die Herstellung biobasierter Kunststoffe. So wird Bernsteinsäure als ein Monomer zur Herstellung sogenannter Alkydharze verwendet. Alkydharze sind synthetische hydrophobe Polymere, die durch Kondensation mehrwertiger Alkohole mit mehrprotonigen Säuren unter Zusatz von Fettsäuren (zur Modifizierung der Eigenschaften des Harzes) entstehen. Alkydharze werden fast ausschließlich als Lackrohstoffe eingesetzt und haben duroplastische Eigenschaften. Das Grundgerüst der Alkydharze bilden Polyester des Alkohols und der Dicarbonsäure.

Zusatzinformationen:

Hydrierung: Bezeichnung für die Addition von Wasserstoff ($\text{H}_2$) an Mehrfachbindungen, z. B. C,C-Doppelbindungen.

Salze der Bernsteinsäure (Butandisäure, Succinylsäure): Succinate

Molare Masse: $M(\text{Bernsteinsäure}) = 118{,}09\text{ g/mol}$

$\text{p}K_\text{s}$-Werte der Bernsteinsäure: $\text{p}K_{\text{s}1} = 4{,}2$ und $\text{p}K_{\text{s}2} = 5{,}6$

Um den Anfangs-pH-Wert der Bernsteinsäurelösung zu bestimmen, darf Bernsteinsäure vereinfacht als schwache einprotonige Säure behandelt und mit dem $\text{p}K_{\text{s}1}$-Wert gerechnet werden.

1. Skizzieren Sie den Versuchsaufbau mit Beschriftungen. Berechnen Sie sowohl die Stoffmengenkonzentration der Bernsteinsäure in der titrierten Lösung als auch die Masse der Bernsteinsäure in der analysierten Tablette. Bewerten Sie das Analyseergebnis für den Bernsteinsäuregehalt der Tablette im Vergleich zur Angabe des Herstellers und gehen Sie dabei auf mögliche Ursachen und Folgen ein. [20 Punkte]

a)

Skizze des Versuchsaufbaus:

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

Bernsteinsäure ($\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_4$) ist in der EU unter der E-Nummer 363 als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen und wird als Säuerungsmittel, Geschmacksverstärker und Konservierungsmittel eingesetzt.

In Kapseln, Ampullen, Tabletten oder Pulverform stellt Bernsteinsäure ein Nahrungsergänzungsmittel dar. Die Säure hat antioxidative Eigenschaften, soll einen positiven Einfluss auf den menschlichen Stoffwechsel haben und das allgemeine Wohlbefinden verbessern. Laut Herstellerangabe auf der Verpackung eines Nahrungsergänzungsmittels enthält eine $0{,}5\text{ g}$ Tablette $0{,}1\text{ g}$ Bernsteinsäure. Es wird empfohlen, einmal täglich ein bis drei Tabletten einzunehmen.

Durch einen Versuch wurde ermittelt, wie viel Bernsteinsäure eine Tablette enthält.

Versuch:

Eine Bernsteinsäuretablette mit einer Masse von $0{,}5\text{ g}$ wurde zerkleinert und so in Wasser gelöst, dass ein Volumen von $50\text{ mL}$ entstand. Anschließend wurde die so gewonnene Lösung mit einem geeigneten Indikator versetzt und mit Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 0{,}1\text{ mol/L}$, unter Rühren bis zum Farbumschlag des Indikators titriert. Es wurden $15{,}0\text{ mL}$ Natronlauge benötigt. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich.

Bernsteinsäure kann über die katalytische Hydrierung der Maleinsäure oder biotechnologisch mithilfe von Bakterien großtechnisch hergestellt werden. Bernsteinsäure ist einer der zentralen Hoffnungsträger für die industrielle Biotechnologie als Plattformchemikalie für verschiedene Produkte der chemischen und pharmazeutischen Industrie, z. B. für die Herstellung biobasierter Kunststoffe. So wird Bernsteinsäure als ein Monomer zur Herstellung sogenannter Alkydharze verwendet. Alkydharze sind synthetische hydrophobe Polymere, die durch Kondensation mehrwertiger Alkohole mit mehrprotonigen Säuren unter Zusatz von Fettsäuren (zur Modifizierung der Eigenschaften des Harzes) entstehen. Alkydharze werden fast ausschließlich als Lackrohstoffe eingesetzt und haben duroplastische Eigenschaften. Das Grundgerüst der Alkydharze bilden Polyester des Alkohols und der Dicarbonsäure.

Zusatzinformationen:

Hydrierung: Bezeichnung für die Addition von Wasserstoff ($\text{H}_2$) an Mehrfachbindungen, z. B. C,C-Doppelbindungen.

Salze der Bernsteinsäure (Butandisäure, Succinylsäure): Succinate

Molare Masse: $M(\text{Bernsteinsäure}) = 118{,}09\text{ g/mol}$

$\text{p}K_\text{s}$-Werte der Bernsteinsäure: $\text{p}K_{\text{s}1} = 4{,}2$ und $\text{p}K_{\text{s}2} = 5{,}6$

Um den Anfangs-pH-Wert der Bernsteinsäurelösung zu bestimmen, darf Bernsteinsäure vereinfacht als schwache einprotonige Säure behandelt und mit dem $\text{p}K_{\text{s}1}$-Wert gerechnet werden.

2. Erläutern Sie die Protolyse der Bernsteinsäure in Wasser nach der Säure-Base-Theorie von Brönsted und greifen Sie dazu auf die Reaktionsgleichungen der ersten und zweiten Protolysestufe zurück. Berechnen Sie den Anfangs-pH-Wert der Bernsteinsäurelösung im Versuch, wobei Sie eine Anfangskonzentration von $c_0(\mathrm{C_4H_6O_4}) = 0{,}015\ \mathrm{mol/L}$ annehmen. Erläutern Sie, weshalb der Äquivalenzpunkt der Titration von Bernsteinsäure im alkalischen Bereich liegt. [20 Punkte]

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

Bernsteinsäure ($\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_4$) ist in der EU unter der E-Nummer 363 als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen und wird als Säuerungsmittel, Geschmacksverstärker und Konservierungsmittel eingesetzt.

In Kapseln, Ampullen, Tabletten oder Pulverform stellt Bernsteinsäure ein Nahrungsergänzungsmittel dar. Die Säure hat antioxidative Eigenschaften, soll einen positiven Einfluss auf den menschlichen Stoffwechsel haben und das allgemeine Wohlbefinden verbessern. Laut Herstellerangabe auf der Verpackung eines Nahrungsergänzungsmittels enthält eine $0{,}5\text{ g}$ Tablette $0{,}1\text{ g}$ Bernsteinsäure. Es wird empfohlen, einmal täglich ein bis drei Tabletten einzunehmen.

Durch einen Versuch wurde ermittelt, wie viel Bernsteinsäure eine Tablette enthält.

Versuch:

Eine Bernsteinsäuretablette mit einer Masse von $0{,}5\text{ g}$ wurde zerkleinert und so in Wasser gelöst, dass ein Volumen von $50\text{ mL}$ entstand. Anschließend wurde die so gewonnene Lösung mit einem geeigneten Indikator versetzt und mit Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 0{,}1\text{ mol/L}$, unter Rühren bis zum Farbumschlag des Indikators titriert. Es wurden $15{,}0\text{ mL}$ Natronlauge benötigt. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich.

Bernsteinsäure kann über die katalytische Hydrierung der Maleinsäure oder biotechnologisch mithilfe von Bakterien großtechnisch hergestellt werden. Bernsteinsäure ist einer der zentralen Hoffnungsträger für die industrielle Biotechnologie als Plattformchemikalie für verschiedene Produkte der chemischen und pharmazeutischen Industrie, z. B. für die Herstellung biobasierter Kunststoffe. So wird Bernsteinsäure als ein Monomer zur Herstellung sogenannter Alkydharze verwendet. Alkydharze sind synthetische hydrophobe Polymere, die durch Kondensation mehrwertiger Alkohole mit mehrprotonigen Säuren unter Zusatz von Fettsäuren (zur Modifizierung der Eigenschaften des Harzes) entstehen. Alkydharze werden fast ausschließlich als Lackrohstoffe eingesetzt und haben duroplastische Eigenschaften. Das Grundgerüst der Alkydharze bilden Polyester des Alkohols und der Dicarbonsäure.

Zusatzinformationen:

Hydrierung: Bezeichnung für die Addition von Wasserstoff ($\text{H}_2$) an Mehrfachbindungen, z. B. C,C-Doppelbindungen.

Salze der Bernsteinsäure (Butandisäure, Succinylsäure): Succinate

Molare Masse: $M(\text{Bernsteinsäure}) = 118{,}09\text{ g/mol}$

$\text{p}K_\text{s}$-Werte der Bernsteinsäure: $\text{p}K_{\text{s}1} = 4{,}2$ und $\text{p}K_{\text{s}2} = 5{,}6$

Um den Anfangs-pH-Wert der Bernsteinsäurelösung zu bestimmen, darf Bernsteinsäure vereinfacht als schwache einprotonige Säure behandelt und mit dem $\text{p}K_{\text{s}1}$-Wert gerechnet werden.

3. (Teil 1) Erklären Sie mithilfe einer Reaktionsgleichung in Strukturformeln sowie der Oxidationszahlen, weshalb es sich bei der katalytischen Hydrierung der Maleinsäure um eine Redoxreaktion handelt. [10 Punkte]

a)

b)

Fachspezifische Vorgaben:

Bernsteinsäure ($\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_4$) ist in der EU unter der E-Nummer 363 als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen und wird als Säuerungsmittel, Geschmacksverstärker und Konservierungsmittel eingesetzt.

In Kapseln, Ampullen, Tabletten oder Pulverform stellt Bernsteinsäure ein Nahrungsergänzungsmittel dar. Die Säure hat antioxidative Eigenschaften, soll einen positiven Einfluss auf den menschlichen Stoffwechsel haben und das allgemeine Wohlbefinden verbessern. Laut Herstellerangabe auf der Verpackung eines Nahrungsergänzungsmittels enthält eine $0{,}5\text{ g}$ Tablette $0{,}1\text{ g}$ Bernsteinsäure. Es wird empfohlen, einmal täglich ein bis drei Tabletten einzunehmen.

Durch einen Versuch wurde ermittelt, wie viel Bernsteinsäure eine Tablette enthält.

Versuch:

Eine Bernsteinsäuretablette mit einer Masse von $0{,}5\text{ g}$ wurde zerkleinert und so in Wasser gelöst, dass ein Volumen von $50\text{ mL}$ entstand. Anschließend wurde die so gewonnene Lösung mit einem geeigneten Indikator versetzt und mit Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 0{,}1\text{ mol/L}$, unter Rühren bis zum Farbumschlag des Indikators titriert. Es wurden $15{,}0\text{ mL}$ Natronlauge benötigt. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich.

Bernsteinsäure kann über die katalytische Hydrierung der Maleinsäure oder biotechnologisch mithilfe von Bakterien großtechnisch hergestellt werden. Bernsteinsäure ist einer der zentralen Hoffnungsträger für die industrielle Biotechnologie als Plattformchemikalie für verschiedene Produkte der chemischen und pharmazeutischen Industrie, z. B. für die Herstellung biobasierter Kunststoffe. So wird Bernsteinsäure als ein Monomer zur Herstellung sogenannter Alkydharze verwendet. Alkydharze sind synthetische hydrophobe Polymere, die durch Kondensation mehrwertiger Alkohole mit mehrprotonigen Säuren unter Zusatz von Fettsäuren (zur Modifizierung der Eigenschaften des Harzes) entstehen. Alkydharze werden fast ausschließlich als Lackrohstoffe eingesetzt und haben duroplastische Eigenschaften. Das Grundgerüst der Alkydharze bilden Polyester des Alkohols und der Dicarbonsäure.

Zusatzinformationen:

Hydrierung: Bezeichnung für die Addition von Wasserstoff ($\text{H}_2$) an Mehrfachbindungen, z. B. C,C-Doppelbindungen.

Salze der Bernsteinsäure (Butandisäure, Succinylsäure): Succinate

Molare Masse: $M(\text{Bernsteinsäure}) = 118{,}09\text{ g/mol}$

$\text{p}K_\text{s}$-Werte der Bernsteinsäure: $\text{p}K_{\text{s}1} = 4{,}2$ und $\text{p}K_{\text{s}2} = 5{,}6$

Um den Anfangs-pH-Wert der Bernsteinsäurelösung zu bestimmen, darf Bernsteinsäure vereinfacht als schwache einprotonige Säure behandelt und mit dem $\text{p}K_{\text{s}1}$-Wert gerechnet werden.

3. (Teil 2) Zeichnen Sie in vereinfachter Form das Grundgerüst eines Alkydharzes, das aus Bernsteinsäure und Glycerin aufgebaut ist. Begründen Sie, warum dieses Alkydharz-Grundgerüst duroplastische Eigenschaften besitzt. [10 Punkte]

a)

Vereinfachte Skizze des Alkydharz-Grundgerüstes, aufgebaut aus Bernsteinsäure und Glycerin:

b)

Fachspezifische Vorgaben:

Diesel und Heizöl sind in ihrer Zusammensetzung als Kohlenwasserstoffgemische einander sehr ähnlich. Dieselkraftstoff mit einem Schwefelgehalt von 10 mg/L wird jedoch als schwefelfrei bezeichnet, während der Schwefelgehalt von Heizöl bis zum 5fachen davon betragen kann.

Heizöl als Kraftstoff zu tanken wirkt aus finanziellen Gründen verlockend, weil es deutlich niedriger besteuert wird. Für den Motor und die Umwelt ist das jedoch schädlich. Außerdem macht sich strafbar, wer Heizöl als Kraftstoff tankt.

Der Zoll kontrolliert und verfolgt die missbräuchliche Verwendung von Heizöl als Kraftstoff. Damit Heizöl in einem Dieseltank bei einer Kontrolle nachweisbar ist, versetzt man es bereits in der Raffinerie mit verschiedenen Farbstoffen. Manche davon sind mit bloßem Auge erkennbar, z. B. Sudanrot 7B.

Sudanrot 7B enthält als Grundkörper/Grundgerüst Anilingelb, das aus Anilin unter Verwendung von Natriumnitrit und Salzsäure hergestellt wird.

Um auch bei einer hohen Verdünnung des Heizöls einen zuverlässigen Nachweis erbringen zu können, wird seit 2001 dem Heizöl zudem der gelbe Farbstoff Solvent Yellow 124 mit einer Massenkonzentration von $\beta = 6\text{ mg/L}$ zugesetzt.

Dieser lässt sich auch bei hoher Verdünnung mithilfe eines Schnelltestes unzweifelhaft und ohne großen Aufwand selbst bei mobilen Kontrollen auf der Straße nachweisen.

Solvent Yellow 124 reagiert durch Zugabe von verdünnter Salzsäure zu einer intensiv rot gefärbten hydrolysierten Form, die protoniert ist. Diese hydrolysierte Form lässt sich mit Wasser ausschütteln.

Zusatzinformationen:

Ausschütteln: Flüssig-Flüssig-Extraktion von gelösten Verbindungen, indem man deren Lösung in einem geeigneten Gefäß mit einem zweiten, reinen Lösemittel durchschüttelt. Im zweiten Lösemittel muss sich die Verbindung besser lösen als in dem ursprünglichen Lösemittel und die beiden Lösemittel dürfen sich nicht mischen (2 Phasen).

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

1. Geben Sie mit Begründung an, zu welcher Farbstoffklasse Sudanrot 7B und Solvent Yellow 124 gehören.

a)

Erklären Sie anhand von Solvent Yellow 124, wie Struktur und Farbigkeit eines Farbstoffs zusammenhängen.

b)

Erklären Sie die Farbverschiebung, die sich ergibt, wenn Solvent Yellow 124 zur hydrolysierten Form reagiert, und geben Sie dabei zusätzlich eine weitere mesomere Grenzstruktur der hydrolysierten Form an.

c)

Erklären Sie unter Vergleich mit Solvent Yellow 124, warum Sudanrot 7B rot erscheint.

d)

Fachspezifische Vorgaben:

Diesel und Heizöl sind in ihrer Zusammensetzung als Kohlenwasserstoffgemische einander sehr ähnlich. Dieselkraftstoff mit einem Schwefelgehalt von 10 mg/L wird jedoch als schwefelfrei bezeichnet, während der Schwefelgehalt von Heizöl bis zum 5fachen davon betragen kann.

Heizöl als Kraftstoff zu tanken wirkt aus finanziellen Gründen verlockend, weil es deutlich niedriger besteuert wird. Für den Motor und die Umwelt ist das jedoch schädlich. Außerdem macht sich strafbar, wer Heizöl als Kraftstoff tankt.

Der Zoll kontrolliert und verfolgt die missbräuchliche Verwendung von Heizöl als Kraftstoff. Damit Heizöl in einem Dieseltank bei einer Kontrolle nachweisbar ist, versetzt man es bereits in der Raffinerie mit verschiedenen Farbstoffen. Manche davon sind mit bloßem Auge erkennbar, z. B. Sudanrot 7B.

Sudanrot 7B enthält als Grundkörper/Grundgerüst Anilingelb, das aus Anilin unter Verwendung von Natriumnitrit und Salzsäure hergestellt wird.

Um auch bei einer hohen Verdünnung des Heizöls einen zuverlässigen Nachweis erbringen zu können, wird seit 2001 dem Heizöl zudem der gelbe Farbstoff Solvent Yellow 124 mit einer Massenkonzentration von $\beta = 6\text{ mg/L}$ zugesetzt.

Dieser lässt sich auch bei hoher Verdünnung mithilfe eines Schnelltestes unzweifelhaft und ohne großen Aufwand selbst bei mobilen Kontrollen auf der Straße nachweisen.

Solvent Yellow 124 reagiert durch Zugabe von verdünnter Salzsäure zu einer intensiv rot gefärbten hydrolysierten Form, die protoniert ist. Diese hydrolysierte Form lässt sich mit Wasser ausschütteln.

Zusatzinformationen:

Ausschütteln: Flüssig-Flüssig-Extraktion von gelösten Verbindungen, indem man deren Lösung in einem geeigneten Gefäß mit einem zweiten, reinen Lösemittel durchschüttelt. Im zweiten Lösemittel muss sich die Verbindung besser lösen als in dem ursprünglichen Lösemittel und die beiden Lösemittel dürfen sich nicht mischen (2 Phasen).

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

2. Geben Sie für die Synthese von Anilingelb den Reaktionstyp sowie eine Reaktionsgleichung mit Strukturformeln an und erläutern Sie den Reaktionsverlauf in einzelnen Schritten anhand passender, vereinfachter Strukturformeln.

a)

b)

Geben Sie die Reaktionsgleichung für die Herstellung von Sudanrot 7B an, wobei Sie von den Diazonium-Ionen des Anilingelbs ausgehen und die Strukturformel der erforderlichen Kupplungskomponente angeben.

c)

Fachspezifische Vorgaben:

Diesel und Heizöl sind in ihrer Zusammensetzung als Kohlenwasserstoffgemische einander sehr ähnlich. Dieselkraftstoff mit einem Schwefelgehalt von 10 mg/L wird jedoch als schwefelfrei bezeichnet, während der Schwefelgehalt von Heizöl bis zum 5fachen davon betragen kann.

Heizöl als Kraftstoff zu tanken wirkt aus finanziellen Gründen verlockend, weil es deutlich niedriger besteuert wird. Für den Motor und die Umwelt ist das jedoch schädlich. Außerdem macht sich strafbar, wer Heizöl als Kraftstoff tankt.

Der Zoll kontrolliert und verfolgt die missbräuchliche Verwendung von Heizöl als Kraftstoff. Damit Heizöl in einem Dieseltank bei einer Kontrolle nachweisbar ist, versetzt man es bereits in der Raffinerie mit verschiedenen Farbstoffen. Manche davon sind mit bloßem Auge erkennbar, z. B. Sudanrot 7B.

Sudanrot 7B enthält als Grundkörper/Grundgerüst Anilingelb, das aus Anilin unter Verwendung von Natriumnitrit und Salzsäure hergestellt wird.

Um auch bei einer hohen Verdünnung des Heizöls einen zuverlässigen Nachweis erbringen zu können, wird seit 2001 dem Heizöl zudem der gelbe Farbstoff Solvent Yellow 124 mit einer Massenkonzentration von $\beta = 6\text{ mg/L}$ zugesetzt.

Dieser lässt sich auch bei hoher Verdünnung mithilfe eines Schnelltestes unzweifelhaft und ohne großen Aufwand selbst bei mobilen Kontrollen auf der Straße nachweisen.

Solvent Yellow 124 reagiert durch Zugabe von verdünnter Salzsäure zu einer intensiv rot gefärbten hydrolysierten Form, die protoniert ist. Diese hydrolysierte Form lässt sich mit Wasser ausschütteln.

Zusatzinformationen:

Ausschütteln: Flüssig-Flüssig-Extraktion von gelösten Verbindungen, indem man deren Lösung in einem geeigneten Gefäß mit einem zweiten, reinen Lösemittel durchschüttelt. Im zweiten Lösemittel muss sich die Verbindung besser lösen als in dem ursprünglichen Lösemittel und die beiden Lösemittel dürfen sich nicht mischen (2 Phasen).

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

3. Begründen Sie, weshalb sich Sudanrot 7B und Solvent Yellow 124 in organischen Lösemitteln gut lösen.

a)

Erklären Sie, weshalb die hydrolysierte Form von Solvent Yellow 124 eine andere Löslichkeit aufweist.

b)