Abitur NRW Chemie 2022 · LK · Haupttermin

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen produzieren kranke Zellen im Unterschied zu gesunden Zellen bestimmte Substanzen, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Dieses nutzen Medizinerinnen und Mediziner am Wirkort aus, um ein in die Zellen eingebrachtes Medikament freizusetzen.

Für eine bestimmte Erkrankung ist Diethylstilbestrol (DES) als besonders wirksamer Wirkstoff bekannt.

DES gelangt als molekularer Baustein eines Copolymers in die Zelle. Dort setzt das in kranken Zellen vorliegende Wasserstoffperoxid ihn frei.

Beim DES-Copolymer handelt es sich um einen Polyester, der aus drei verschiedenen Monomeren aufgebaut wird:

1. Oxalsäuredichlorid

2. DES (Wirkstoff)

3. 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

Man erhält Oxalsäure, indem Formiat-Ionen thermisch dehydriert werden (I) und die entstandenen Oxalat-Ionen anschließend mit Schwefelsäure reagieren (II). Im letzten Schritt wird sie in Oxalsäuredichlorid umgewandelt.

Abbau des Polyesters in einem Laborexperiment

Im Labor wird der Polyester durch säurekatalysierte Reaktion mit Wasserstoffperoxid gespalten:

Anschließend setzt sich das gebildete Peroxid intern mit der zweiten Carbonylgruppe der Oxalsäureeinheit zu einem 1,2-Dioxetandion um, das weiter zu $\text{CO}_2$ zerfällt.

Untersuchung von medizinisch wirksamen Polyestern

Auch andere Wirkstoffe können in einen derartigen Polyester eingebaut werden. Forschende haben auf diese Weise den Polyester PVAX hergestellt. Eine Untersuchung kugelförmiger Mikropartikel daraus liefert folgende Ergebnisse:

Zusatzinformationen:

Elektronegativitätswerte:

Wasserstoff · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 3,5

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM):

CHDM gilt als ungiftig. Da es den Wirkstoff ersetzt, lässt sich damit der Wirkstoffanteil regulieren.

Partikelgrößen:

Nanopartikel · Teilchen einer Größe von unter $0{,}1\ \mu\text{m}$

Mikropartikel · Teilchen einer Größe im Bereich von $0{,}1\text{–}100\ \mu\text{m}$

1. Erläutern Sie anhand der Oxidationszahlen, in welchem der ersten beiden Schritte der Herstellung von Oxalsäuredichlorid (siehe Abbildung 2) eine Redoxreaktion abläuft.

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen produzieren kranke Zellen im Unterschied zu gesunden Zellen bestimmte Substanzen, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Dieses nutzen Medizinerinnen und Mediziner am Wirkort aus, um ein in die Zellen eingebrachtes Medikament freizusetzen.

Für eine bestimmte Erkrankung ist Diethylstilbestrol (DES) als besonders wirksamer Wirkstoff bekannt.

DES gelangt als molekularer Baustein eines Copolymers in die Zelle. Dort setzt das in kranken Zellen vorliegende Wasserstoffperoxid ihn frei.

Beim DES-Copolymer handelt es sich um einen Polyester, der aus drei verschiedenen Monomeren aufgebaut wird:

1. Oxalsäuredichlorid

2. DES (Wirkstoff)

3. 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

Man erhält Oxalsäure, indem Formiat-Ionen thermisch dehydriert werden (I) und die entstandenen Oxalat-Ionen anschließend mit Schwefelsäure reagieren (II). Im letzten Schritt wird sie in Oxalsäuredichlorid umgewandelt.

Abbau des Polyesters in einem Laborexperiment

Im Labor wird der Polyester durch säurekatalysierte Reaktion mit Wasserstoffperoxid gespalten:

Anschließend setzt sich das gebildete Peroxid intern mit der zweiten Carbonylgruppe der Oxalsäureeinheit zu einem 1,2-Dioxetandion um, das weiter zu $\text{CO}_2$ zerfällt.

Untersuchung von medizinisch wirksamen Polyestern

Auch andere Wirkstoffe können in einen derartigen Polyester eingebaut werden. Forschende haben auf diese Weise den Polyester PVAX hergestellt. Eine Untersuchung kugelförmiger Mikropartikel daraus liefert folgende Ergebnisse:

Zusatzinformationen:

Elektronegativitätswerte:

Wasserstoff · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 3,5

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM):

CHDM gilt als ungiftig. Da es den Wirkstoff ersetzt, lässt sich damit der Wirkstoffanteil regulieren.

Partikelgrößen:

Nanopartikel · Teilchen einer Größe von unter $0{,}1\ \mu\text{m}$

Mikropartikel · Teilchen einer Größe im Bereich von $0{,}1\text{–}100\ \mu\text{m}$

1. Wenden Sie das Säure-Base-Konzept nach Brönsted auf den Übergang von Protonen zwischen Schwefelsäure und Oxalat-Ionen an.

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen produzieren kranke Zellen im Unterschied zu gesunden Zellen bestimmte Substanzen, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Dieses nutzen Medizinerinnen und Mediziner am Wirkort aus, um ein in die Zellen eingebrachtes Medikament freizusetzen.

Für eine bestimmte Erkrankung ist Diethylstilbestrol (DES) als besonders wirksamer Wirkstoff bekannt.

DES gelangt als molekularer Baustein eines Copolymers in die Zelle. Dort setzt das in kranken Zellen vorliegende Wasserstoffperoxid ihn frei.

Beim DES-Copolymer handelt es sich um einen Polyester, der aus drei verschiedenen Monomeren aufgebaut wird:

1. Oxalsäuredichlorid

2. DES (Wirkstoff)

3. 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

Man erhält Oxalsäure, indem Formiat-Ionen thermisch dehydriert werden (I) und die entstandenen Oxalat-Ionen anschließend mit Schwefelsäure reagieren (II). Im letzten Schritt wird sie in Oxalsäuredichlorid umgewandelt.

Abbau des Polyesters in einem Laborexperiment

Im Labor wird der Polyester durch säurekatalysierte Reaktion mit Wasserstoffperoxid gespalten:

Anschließend setzt sich das gebildete Peroxid intern mit der zweiten Carbonylgruppe der Oxalsäureeinheit zu einem 1,2-Dioxetandion um, das weiter zu $\text{CO}_2$ zerfällt.

Untersuchung von medizinisch wirksamen Polyestern

Auch andere Wirkstoffe können in einen derartigen Polyester eingebaut werden. Forschende haben auf diese Weise den Polyester PVAX hergestellt. Eine Untersuchung kugelförmiger Mikropartikel daraus liefert folgende Ergebnisse:

Zusatzinformationen:

Elektronegativitätswerte:

Wasserstoff · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 3,5

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM):

CHDM gilt als ungiftig. Da es den Wirkstoff ersetzt, lässt sich damit der Wirkstoffanteil regulieren.

Partikelgrößen:

Nanopartikel · Teilchen einer Größe von unter $0{,}1\ \mu\text{m}$

Mikropartikel · Teilchen einer Größe im Bereich von $0{,}1\text{–}100\ \mu\text{m}$

1. Geben Sie für die Entstehung von Oxalsäuredichlorid aus Oxalsäure eine mögliche Reaktionsgleichung sowie den zugehörigen Reaktionstyp an.

a)

b)

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen produzieren kranke Zellen im Unterschied zu gesunden Zellen bestimmte Substanzen, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Dieses nutzen Medizinerinnen und Mediziner am Wirkort aus, um ein in die Zellen eingebrachtes Medikament freizusetzen.

Für eine bestimmte Erkrankung ist Diethylstilbestrol (DES) als besonders wirksamer Wirkstoff bekannt.

DES gelangt als molekularer Baustein eines Copolymers in die Zelle. Dort setzt das in kranken Zellen vorliegende Wasserstoffperoxid ihn frei.

Beim DES-Copolymer handelt es sich um einen Polyester, der aus drei verschiedenen Monomeren aufgebaut wird:

1. Oxalsäuredichlorid

2. DES (Wirkstoff)

3. 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

Man erhält Oxalsäure, indem Formiat-Ionen thermisch dehydriert werden (I) und die entstandenen Oxalat-Ionen anschließend mit Schwefelsäure reagieren (II). Im letzten Schritt wird sie in Oxalsäuredichlorid umgewandelt.

Abbau des Polyesters in einem Laborexperiment

Im Labor wird der Polyester durch säurekatalysierte Reaktion mit Wasserstoffperoxid gespalten:

Anschließend setzt sich das gebildete Peroxid intern mit der zweiten Carbonylgruppe der Oxalsäureeinheit zu einem 1,2-Dioxetandion um, das weiter zu $\text{CO}_2$ zerfällt.

Untersuchung von medizinisch wirksamen Polyestern

Auch andere Wirkstoffe können in einen derartigen Polyester eingebaut werden. Forschende haben auf diese Weise den Polyester PVAX hergestellt. Eine Untersuchung kugelförmiger Mikropartikel daraus liefert folgende Ergebnisse:

Zusatzinformationen:

Elektronegativitätswerte:

Wasserstoff · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 3,5

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM):

CHDM gilt als ungiftig. Da es den Wirkstoff ersetzt, lässt sich damit der Wirkstoffanteil regulieren.

Partikelgrößen:

Nanopartikel · Teilchen einer Größe von unter $0{,}1\ \mu\text{m}$

Mikropartikel · Teilchen einer Größe im Bereich von $0{,}1\text{–}100\ \mu\text{m}$

2. Erläutern Sie, wie ein Makromolekül aus Oxalsäuredichlorid und Diethylstilbestrol (DES) aufgebaut wird, und geben Sie dazu eine Reaktionsgleichung an. Erläutern Sie anhand eines Vergleichs der Molekülstrukturen und der Stoffeigenschaften von DES und CHDM, inwieweit 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM) geeignet ist, den Wirkstoffanteil im Molekül zu senken. Zeichnen Sie einen repräsentativen Ausschnitt des Makromoleküls, das aus Oxalsäuredichlorid, DES und CHDM entsteht.

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen produzieren kranke Zellen im Unterschied zu gesunden Zellen bestimmte Substanzen, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Dieses nutzen Medizinerinnen und Mediziner am Wirkort aus, um ein in die Zellen eingebrachtes Medikament freizusetzen.

Für eine bestimmte Erkrankung ist Diethylstilbestrol (DES) als besonders wirksamer Wirkstoff bekannt.

DES gelangt als molekularer Baustein eines Copolymers in die Zelle. Dort setzt das in kranken Zellen vorliegende Wasserstoffperoxid ihn frei.

Beim DES-Copolymer handelt es sich um einen Polyester, der aus drei verschiedenen Monomeren aufgebaut wird:

1. Oxalsäuredichlorid

2. DES (Wirkstoff)

3. 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

Man erhält Oxalsäure, indem Formiat-Ionen thermisch dehydriert werden (I) und die entstandenen Oxalat-Ionen anschließend mit Schwefelsäure reagieren (II). Im letzten Schritt wird sie in Oxalsäuredichlorid umgewandelt.

Abbau des Polyesters in einem Laborexperiment

Im Labor wird der Polyester durch säurekatalysierte Reaktion mit Wasserstoffperoxid gespalten:

Anschließend setzt sich das gebildete Peroxid intern mit der zweiten Carbonylgruppe der Oxalsäureeinheit zu einem 1,2-Dioxetandion um, das weiter zu $\text{CO}_2$ zerfällt.

Untersuchung von medizinisch wirksamen Polyestern

Auch andere Wirkstoffe können in einen derartigen Polyester eingebaut werden. Forschende haben auf diese Weise den Polyester PVAX hergestellt. Eine Untersuchung kugelförmiger Mikropartikel daraus liefert folgende Ergebnisse:

Zusatzinformationen:

Elektronegativitätswerte:

Wasserstoff · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 3,5

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM):

CHDM gilt als ungiftig. Da es den Wirkstoff ersetzt, lässt sich damit der Wirkstoffanteil regulieren.

Partikelgrößen:

Nanopartikel · Teilchen einer Größe von unter $0{,}1\ \mu\text{m}$

Mikropartikel · Teilchen einer Größe im Bereich von $0{,}1\text{–}100\ \mu\text{m}$

3. Erklären Sie unter Verwendung von Fachbegriffen, wie der Abbau des Nano-Polyesters im ersten Schritt abläuft (siehe Abbildung 3). Übertragen Sie diesen Schritt anhand kommentierter Reaktionsgleichungen auf die Entstehung von 1,2-Dioxetandion. Entwickeln Sie eine Hypothese, mit der sich erklären lässt, warum ein 1,2-Dioxetandionmolekül in zwei Kohlenstoffdioxidmoleküle zerfällt.

[22 Punkte]

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

„Gezieltes Heilen“ durch Nano-Polyester

Bei einigen Erkrankungen produzieren kranke Zellen im Unterschied zu gesunden Zellen bestimmte Substanzen, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Dieses nutzen Medizinerinnen und Mediziner am Wirkort aus, um ein in die Zellen eingebrachtes Medikament freizusetzen.

Für eine bestimmte Erkrankung ist Diethylstilbestrol (DES) als besonders wirksamer Wirkstoff bekannt.

DES gelangt als molekularer Baustein eines Copolymers in die Zelle. Dort setzt das in kranken Zellen vorliegende Wasserstoffperoxid ihn frei.

Beim DES-Copolymer handelt es sich um einen Polyester, der aus drei verschiedenen Monomeren aufgebaut wird:

1. Oxalsäuredichlorid

2. DES (Wirkstoff)

3. 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM)

Synthese des Eduktes Oxalsäuredichlorid

Man erhält Oxalsäure, indem Formiat-Ionen thermisch dehydriert werden (I) und die entstandenen Oxalat-Ionen anschließend mit Schwefelsäure reagieren (II). Im letzten Schritt wird sie in Oxalsäuredichlorid umgewandelt.

Abbau des Polyesters in einem Laborexperiment

Im Labor wird der Polyester durch säurekatalysierte Reaktion mit Wasserstoffperoxid gespalten:

Anschließend setzt sich das gebildete Peroxid intern mit der zweiten Carbonylgruppe der Oxalsäureeinheit zu einem 1,2-Dioxetandion um, das weiter zu $\text{CO}_2$ zerfällt.

Untersuchung von medizinisch wirksamen Polyestern

Auch andere Wirkstoffe können in einen derartigen Polyester eingebaut werden. Forschende haben auf diese Weise den Polyester PVAX hergestellt. Eine Untersuchung kugelförmiger Mikropartikel daraus liefert folgende Ergebnisse:

Zusatzinformationen:

Elektronegativitätswerte:

Wasserstoff · 2,1 · Kohlenstoff · 2,5 · Sauerstoff · 3,5

1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM):

CHDM gilt als ungiftig. Da es den Wirkstoff ersetzt, lässt sich damit der Wirkstoffanteil regulieren.

Partikelgrößen:

Nanopartikel · Teilchen einer Größe von unter $0{,}1\ \mu\text{m}$

Mikropartikel · Teilchen einer Größe im Bereich von $0{,}1\text{–}100\ \mu\text{m}$

4. Beschreiben Sie, zu welchen Ergebnissen die Untersuchung der PVAX-Mikropartikel geführt hat. Untersuchen Sie den dargestellten Ausschnitt des PVAX-Moleküls im Hinblick auf den verwendeten Wirkstoff und geben Sie dabei die Strukturformeln der eingesetzten Monomere an. Erläutern Sie, inwiefern mit Nano-Polyestern „gezieltes Heilen“ möglich ist.

[14 Punkte]

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben

Auch beim Bootssport können Metallteile durch Korrosion stark beschädigt werden, denn eisenreiche Stahlteile korrodieren (rosten) in Berührung mit Meerwasser und Sauerstoff schon nach kurzer Zeit.

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.

Die Ankerkette gehört auf einem Segelboot zu den Teilen, die besonders stark von Korrosion bedroht sind. Sie wird dauernd mechanisch beansprucht und kommt besonders oft mit Seewasser in Kontakt. 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(II)-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 Tage bei konstanter Stromstärke verzinkt. Die Masse der verzinkten Kette betrug danach $80{,}654\ \text{kg}$.

Konzentrationsmessung

Beim galvanischen Verzinken entstehen zink(II)-ionenhaltige Lösungen. Sie lassen sich nur dann unbedenklich entsorgen, wenn ihre Zink(II)-Ionenkonzentration nicht zu groß ist. Der Richtwert, der nicht überschritten werden soll, liegt bei einer Massenkonzentration $\beta(\text{Zn}^{2+}) = 5{,}0\ \text{mg}\cdot\text{L}^{-1}$.

Experiment 2:

Die Konzentration einer zu entsorgenden Lösung kann mithilfe einer Konzentrationszelle ermittelt werden. Hierzu werden zwei Zinkhalbzellen verwendet, bei der die Vergleichshalbzelle eine Zink(II)-Ionenkonzentration von $1{,}0\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ enthält. Die andere Halbzelle wird mit einer Probe der zu entsorgenden Lösung befüllt.

Einsatz von Opferanoden

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

Experiment 3: 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 berôhren. 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.

Formeln und Konstanten

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

Massenkonzentration: $\beta = c \cdot M$

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

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

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

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 ($\text{pH} = 7$)

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

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

Anhang

Aufgabenstellung: Korrosionsprobleme im Bootssport

1.

Erklären Sie den Begriff Korrosion anhand des Rostens von Eisen. Geben Sie die Reaktionsgleichungen der Vorgänge an, die beim Rosten von Eisen stattfinden. Erläutern Sie den Ablauf der Sauerstoffkorrosion von Eisen bis zur Bildung von Eisen(II)-hydroxid; ergänzen Sie dazu auch die Abbildung 2 (Anhang) um Formeln und Teilgleichungen. (16 Punkte)

2.

Skizzieren Sie einen denkbaren Versuchsaufbau, mit dem ein Eisenwerkstück galvanisiert 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. (18 Punkte)

Fachspezifische Vorgaben

Auch beim Bootssport können Metallteile durch Korrosion stark beschädigt werden, denn eisenreiche Stahlteile korrodieren (rosten) in Berührung mit Meerwasser und Sauerstoff schon nach kurzer Zeit.

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.

Die Ankerkette gehört auf einem Segelboot zu den Teilen, die besonders stark von Korrosion bedroht sind. Sie wird dauernd mechanisch beansprucht und kommt besonders oft mit Seewasser in Kontakt. 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(II)-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 Tage bei konstanter Stromstärke verzinkt. Die Masse der verzinkten Kette betrug danach $80{,}654\ \text{kg}$.

Konzentrationsmessung

Beim galvanischen Verzinken entstehen zink(II)-ionenhaltige Lösungen. Sie lassen sich nur dann unbedenklich entsorgen, wenn ihre Zink(II)-Ionenkonzentration nicht zu groß ist. Der Richtwert, der nicht überschritten werden soll, liegt bei einer Massenkonzentration $\beta(\text{Zn}^{2+}) = 5{,}0\ \text{mg}\cdot\text{L}^{-1}$.

Experiment 2:

Die Konzentration einer zu entsorgenden Lösung kann mithilfe einer Konzentrationszelle ermittelt werden. Hierzu werden zwei Zinkhalbzellen verwendet, bei der die Vergleichshalbzelle eine Zink(II)-Ionenkonzentration von $1{,}0\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ enthält. Die andere Halbzelle wird mit einer Probe der zu entsorgenden Lösung befüllt.

Einsatz von Opferanoden

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

Experiment 3: 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 berôhren. 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.

Formeln und Konstanten

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

Massenkonzentration: $\beta = c \cdot M$

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

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

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

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 ($\text{pH} = 7$)

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

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

Anhang

3. Berechnen Sie die Spannung einer Konzentrationszelle, die sich aus der Vergleichshalbzelle und einer Halbzelle mit Probelösung zusammensetzt, wobei die Konzentration der Probelösung dem Richtwert von $5{,}0\ \text{mg}\cdot\text{L}^{-1}$ entspricht (Experiment 2). Erläutern Sie, wie es zu einer Spannung kommt, und begründen Sie anhand Ihrer Rechnung, wie sich die Spannung verändert, wenn der Richtwert überschritten wird. (16 Punkte)

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben

Auch beim Bootssport können Metallteile durch Korrosion stark beschädigt werden, denn eisenreiche Stahlteile korrodieren (rosten) in Berührung mit Meerwasser und Sauerstoff schon nach kurzer Zeit.

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.

Die Ankerkette gehört auf einem Segelboot zu den Teilen, die besonders stark von Korrosion bedroht sind. Sie wird dauernd mechanisch beansprucht und kommt besonders oft mit Seewasser in Kontakt. 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(II)-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 Tage bei konstanter Stromstärke verzinkt. Die Masse der verzinkten Kette betrug danach $80{,}654\ \text{kg}$.

Konzentrationsmessung

Beim galvanischen Verzinken entstehen zink(II)-ionenhaltige Lösungen. Sie lassen sich nur dann unbedenklich entsorgen, wenn ihre Zink(II)-Ionenkonzentration nicht zu groß ist. Der Richtwert, der nicht überschritten werden soll, liegt bei einer Massenkonzentration $\beta(\text{Zn}^{2+}) = 5{,}0\ \text{mg}\cdot\text{L}^{-1}$.

Experiment 2:

Die Konzentration einer zu entsorgenden Lösung kann mithilfe einer Konzentrationszelle ermittelt werden. Hierzu werden zwei Zinkhalbzellen verwendet, bei der die Vergleichshalbzelle eine Zink(II)-Ionenkonzentration von $1{,}0\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ enthält. Die andere Halbzelle wird mit einer Probe der zu entsorgenden Lösung befüllt.

Einsatz von Opferanoden

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

Experiment 3: 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 berôhren. 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.

Formeln und Konstanten

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

Massenkonzentration: $\beta = c \cdot M$

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

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

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

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 ($\text{pH} = 7$)

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

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

Anhang

4. Erläutern Sie, was Sie bei Experiment 3 beobachtet haben, und nutzen Sie dazu auch Teilgleichungen. Erläutern Sie ausgehend von diesen Beobachtungen den Begriff „Opferanode“ und diskutieren Sie, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit das Eisen mit diesem Verfahren geschützt wird. (16 Punkte)

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

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.

Crocin (Abbildungen 1a und 1b) ist der bedeutendste Farbstoff des Safrans. Der Farbstoff lässt sich leicht aus den Safranfäden isolieren. Wesentlich günstiger und in größerem Maßstab lässt sich Crocin biotechnologisch herstellen.

Bei Zugabe von Bromwasser ($\text{Br}_2(\text{aq})$) zu einer Crocinlösung verändert sich die Farbe der Crocinlösung sukzessive, bis diese farblos wird. Beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure ($\text{HCl}(\text{aq})$) fällt ein farbiger Niederschlag (unlöslicher Feststoff) aus, die überstehende Lösung ist farblos.

Kurkuma, auch als Gelbwurz bezeichnet, ist ein Gewürz aus Südostasien, das sich durch seine auffallend gelbe Farbe auszeichnet. 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 wird gern verwendet, um den teuren Safran zu strecken, denn es ist deutlich billiger als der ebenfalls gelb färbende Safran. Curcumin lässt sich sowohl leicht aus dem Naturprodukt Kurkuma gewinnen als auch synthetisch herstellen.

Für die färbende Wirkung des Kurkumas ist der Farbstoff Curcumin (E 100) verantwortlich. In sauren und neutralen Medien liegen die 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 und reagieren an der mit dem Pfeil gekennzeichneten Stelle mit Hydroxid-Ionen:

Safran und Kurkuma lassen sich einfach und zuverlässig durch Zugabe von Natronlauge unterscheiden ($\text{NaOH}(\text{aq})$): Während sich die Farbe eines Safranextraktes bei Zugabe von Natronlauge nicht ändert, färbt sich ein Kurkumaextrakt sofort rot. In der eigenen Küche kann man eine mögliche Fälschung untersuchen, indem man in Wasser gelöstes Natriumcarbonat (z. B. „Waschsoda“) verwendet. Auch hier stellt sich eine Rotfärbung ein, wenn dem Safran Kurkuma beigemischt wurde.

Zusatzinformationen:

Natriumcarbonat ($\text{Na}_2\text{CO}_3$): $\text{p}K_\text{B}(\text{CO}_3^{2-}) = 3{,}67$

Tabelle 1: 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 von Tabelle 1 und am Beispiel der Farbstoffe Curcumin und Crocin, wie Lichtabsorption und Farbigkeit zusammenhängen. Begründen Sie mithilfe der Molekülstrukturen, weshalb Curcumin (Form A) und Crocin farbig sind.

Fachspezifische Vorgaben:

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.

Crocin (Abbildungen 1a und 1b) ist der bedeutendste Farbstoff des Safrans. Der Farbstoff lässt sich leicht aus den Safranfäden isolieren. Wesentlich günstiger und in größerem Maßstab lässt sich Crocin biotechnologisch herstellen.

Bei Zugabe von Bromwasser ($\text{Br}_2(\text{aq})$) zu einer Crocinlösung verändert sich die Farbe der Crocinlösung sukzessive, bis diese farblos wird. Beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure ($\text{HCl}(\text{aq})$) fällt ein farbiger Niederschlag (unlöslicher Feststoff) aus, die überstehende Lösung ist farblos.

Kurkuma, auch als Gelbwurz bezeichnet, ist ein Gewürz aus Südostasien, das sich durch seine auffallend gelbe Farbe auszeichnet. 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 wird gern verwendet, um den teuren Safran zu strecken, denn es ist deutlich billiger als der ebenfalls gelb färbende Safran. Curcumin lässt sich sowohl leicht aus dem Naturprodukt Kurkuma gewinnen als auch synthetisch herstellen.

Für die färbende Wirkung des Kurkumas ist der Farbstoff Curcumin (E 100) verantwortlich. In sauren und neutralen Medien liegen die 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 und reagieren an der mit dem Pfeil gekennzeichneten Stelle mit Hydroxid-Ionen:

Safran und Kurkuma lassen sich einfach und zuverlässig durch Zugabe von Natronlauge unterscheiden ($\text{NaOH}(\text{aq})$): Während sich die Farbe eines Safranextraktes bei Zugabe von Natronlauge nicht ändert, färbt sich ein Kurkumaextrakt sofort rot. In der eigenen Küche kann man eine mögliche Fälschung untersuchen, indem man in Wasser gelöstes Natriumcarbonat (z. B. „Waschsoda“) verwendet. Auch hier stellt sich eine Rotfärbung ein, wenn dem Safran Kurkuma beigemischt wurde.

Zusatzinformationen:

Natriumcarbonat ($\text{Na}_2\text{CO}_3$): $\text{p}K_\text{B}(\text{CO}_3^{2-}) = 3{,}67$

Tabelle 1: 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. Geben Sie an, um welchen Reaktionstyp es sich bei der Umsetzung einer Crocinlösung mit zugegebenem Bromwasser handelt. Erläutern Sie, wie diese Reaktion in einzelnen Schritten abläuft. Begründen Sie mithilfe der beschriebenen Reaktion, weshalb sich die Crocinlösung beim Zusetzen von Bromwasser sichtbar verfärbt.

(14 Punkte)

Fachspezifische Vorgaben:

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.

Crocin (Abbildungen 1a und 1b) ist der bedeutendste Farbstoff des Safrans. Der Farbstoff lässt sich leicht aus den Safranfäden isolieren. Wesentlich günstiger und in größerem Maßstab lässt sich Crocin biotechnologisch herstellen.

Bei Zugabe von Bromwasser ($\text{Br}_2(\text{aq})$) zu einer Crocinlösung verändert sich die Farbe der Crocinlösung sukzessive, bis diese farblos wird. Beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure ($\text{HCl}(\text{aq})$) fällt ein farbiger Niederschlag (unlöslicher Feststoff) aus, die überstehende Lösung ist farblos.

Kurkuma, auch als Gelbwurz bezeichnet, ist ein Gewürz aus Südostasien, das sich durch seine auffallend gelbe Farbe auszeichnet. 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 wird gern verwendet, um den teuren Safran zu strecken, denn es ist deutlich billiger als der ebenfalls gelb färbende Safran. Curcumin lässt sich sowohl leicht aus dem Naturprodukt Kurkuma gewinnen als auch synthetisch herstellen.

Für die färbende Wirkung des Kurkumas ist der Farbstoff Curcumin (E 100) verantwortlich. In sauren und neutralen Medien liegen die 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 und reagieren an der mit dem Pfeil gekennzeichneten Stelle mit Hydroxid-Ionen:

Safran und Kurkuma lassen sich einfach und zuverlässig durch Zugabe von Natronlauge unterscheiden ($\text{NaOH}(\text{aq})$): Während sich die Farbe eines Safranextraktes bei Zugabe von Natronlauge nicht ändert, färbt sich ein Kurkumaextrakt sofort rot. In der eigenen Küche kann man eine mögliche Fälschung untersuchen, indem man in Wasser gelöstes Natriumcarbonat (z. B. „Waschsoda“) verwendet. Auch hier stellt sich eine Rotfärbung ein, wenn dem Safran Kurkuma beigemischt wurde.

Zusatzinformationen:

Natriumcarbonat ($\text{Na}_2\text{CO}_3$): $\text{p}K_\text{B}(\text{CO}_3^{2-}) = 3{,}67$

Tabelle 1: 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

3. Begründen Sie, weshalb die beiden mesomeren Systeme im Curcumin-Molekül (Form A) voneinander unabhängig sind. Erläutern Sie mithilfe einer Reaktionsgleichung und passender mesomerer Grenzstrukturen, wie es zur Farbänderung kommt, wenn man einem Kurkumaextrakt Natronlauge zusetzt.

Fachspezifische Vorgaben:

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.

Crocin (Abbildungen 1a und 1b) ist der bedeutendste Farbstoff des Safrans. Der Farbstoff lässt sich leicht aus den Safranfäden isolieren. Wesentlich günstiger und in größerem Maßstab lässt sich Crocin biotechnologisch herstellen.

Bei Zugabe von Bromwasser ($\text{Br}_2(\text{aq})$) zu einer Crocinlösung verändert sich die Farbe der Crocinlösung sukzessive, bis diese farblos wird. Beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure ($\text{HCl}(\text{aq})$) fällt ein farbiger Niederschlag (unlöslicher Feststoff) aus, die überstehende Lösung ist farblos.

Kurkuma, auch als Gelbwurz bezeichnet, ist ein Gewürz aus Südostasien, das sich durch seine auffallend gelbe Farbe auszeichnet. 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 wird gern verwendet, um den teuren Safran zu strecken, denn es ist deutlich billiger als der ebenfalls gelb färbende Safran. Curcumin lässt sich sowohl leicht aus dem Naturprodukt Kurkuma gewinnen als auch synthetisch herstellen.

Für die färbende Wirkung des Kurkumas ist der Farbstoff Curcumin (E 100) verantwortlich. In sauren und neutralen Medien liegen die 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 und reagieren an der mit dem Pfeil gekennzeichneten Stelle mit Hydroxid-Ionen:

Safran und Kurkuma lassen sich einfach und zuverlässig durch Zugabe von Natronlauge unterscheiden ($\text{NaOH}(\text{aq})$): Während sich die Farbe eines Safranextraktes bei Zugabe von Natronlauge nicht ändert, färbt sich ein Kurkumaextrakt sofort rot. In der eigenen Küche kann man eine mögliche Fälschung untersuchen, indem man in Wasser gelöstes Natriumcarbonat (z. B. „Waschsoda“) verwendet. Auch hier stellt sich eine Rotfärbung ein, wenn dem Safran Kurkuma beigemischt wurde.

Zusatzinformationen:

Natriumcarbonat ($\text{Na}_2\text{CO}_3$): $\text{p}K_\text{B}(\text{CO}_3^{2-}) = 3{,}67$

Tabelle 1: 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

3. (Fortsetzung) Erläutern Sie, aus welchem Grund sich ebenfalls eine Natriumcarbonatlösung eignet, um Safran auf eine mögliche Verfälschung mit Kurkumapulver zu prüfen.

Fachspezifische Vorgaben:

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.

Crocin (Abbildungen 1a und 1b) ist der bedeutendste Farbstoff des Safrans. Der Farbstoff lässt sich leicht aus den Safranfäden isolieren. Wesentlich günstiger und in größerem Maßstab lässt sich Crocin biotechnologisch herstellen.

Bei Zugabe von Bromwasser ($\text{Br}_2(\text{aq})$) zu einer Crocinlösung verändert sich die Farbe der Crocinlösung sukzessive, bis diese farblos wird. Beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure ($\text{HCl}(\text{aq})$) fällt ein farbiger Niederschlag (unlöslicher Feststoff) aus, die überstehende Lösung ist farblos.

Kurkuma, auch als Gelbwurz bezeichnet, ist ein Gewürz aus Südostasien, das sich durch seine auffallend gelbe Farbe auszeichnet. 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 wird gern verwendet, um den teuren Safran zu strecken, denn es ist deutlich billiger als der ebenfalls gelb färbende Safran. Curcumin lässt sich sowohl leicht aus dem Naturprodukt Kurkuma gewinnen als auch synthetisch herstellen.

Für die färbende Wirkung des Kurkumas ist der Farbstoff Curcumin (E 100) verantwortlich. In sauren und neutralen Medien liegen die 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 und reagieren an der mit dem Pfeil gekennzeichneten Stelle mit Hydroxid-Ionen:

Safran und Kurkuma lassen sich einfach und zuverlässig durch Zugabe von Natronlauge unterscheiden ($\text{NaOH}(\text{aq})$): Während sich die Farbe eines Safranextraktes bei Zugabe von Natronlauge nicht ändert, färbt sich ein Kurkumaextrakt sofort rot. In der eigenen Küche kann man eine mögliche Fälschung untersuchen, indem man in Wasser gelöstes Natriumcarbonat (z. B. „Waschsoda“) verwendet. Auch hier stellt sich eine Rotfärbung ein, wenn dem Safran Kurkuma beigemischt wurde.

Zusatzinformationen:

Natriumcarbonat ($\text{Na}_2\text{CO}_3$): $\text{p}K_\text{B}(\text{CO}_3^{2-}) = 3{,}67$

Tabelle 1: 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

4. Erläutern Sie unter Verwendung einer Reaktionsgleichung, welche Reaktion stattfindet, wenn eine Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure erwärmt wird. Begründen Sie, weshalb bei dieser Reaktion ein Niederschlag entsteht. Beurteilen Sie anhand der Molekülstrukturen und der Angaben zur Herstellung, inwieweit sich Crocin und Curcumin als Lebensmittelfarbstoffe zum Färben von wasserhaltigen und von fetthaltigen Lebensmitteln (z. B. Margarine) eignen.