Abitur NRW Chemie 2022 LK · Nachtermin mit Lösungen

Fachspezifische Vorgaben:

MÖBIUS-Verfahren zur Silberreinigung

Als Edelmetall wird Silber im Alltag vielseitig eingesetzt. Es dient nicht nur als Material für Schmuck, sondern auch für Besteck und zur Herstellung von Spiegeln. Zudem kommt es in manchen Batterien und Akkumulatoren (kurz Akkus) zum Einsatz.

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 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, kann der Akku ein zweites Mal durch Anlegen der Gleichspannung geladen werden.

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.

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 $25^\circ\text{C}$ 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 ( $pH = 14$ ) · $2\text{ Ag} + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons \text{Ag}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $0{,}34\text{ V}$

Nernst-Gleichung:

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

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:

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

Teilaufgabe 1 [16 Punkte]

a)

Erläutern Sie, wie beim MÖBIUS-Verfahren Silber gereinigt wird, und berücksichtigen Sie dabei die an den Elektroden ablaufenden Reaktionen des Silbers.

b)

Erklären Sie, warum sich an der Kathode nur Silber abscheidet und weshalb die edleren und die unedleren Metalle jeweils an anderer Stelle verbleiben.

c)

Berechnen Sie die Masse an Feinsilber, die abgeschieden wird, wenn eine Stunde lang mit einer Stromstärke von 1200 Ampere elektrolysiert wird.

Fachspezifische Vorgaben:

MÖBIUS-Verfahren zur Silberreinigung

Als Edelmetall wird Silber im Alltag vielseitig eingesetzt. Es dient nicht nur als Material für Schmuck, sondern auch für Besteck und zur Herstellung von Spiegeln. Zudem kommt es in manchen Batterien und Akkumulatoren (kurz Akkus) zum Einsatz.

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 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, kann der Akku ein zweites Mal durch Anlegen der Gleichspannung geladen werden.

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.

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 $25^\circ\text{C}$ 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 ( $pH = 14$ ) · $2\text{ Ag} + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons \text{Ag}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $0{,}34\text{ V}$

Nernst-Gleichung:

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

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:

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

Teilaufgabe 2 [18 Punkte]

2.1

Zeichnen Sie eine mögliche Versuchsanordnung für das Modellexperiment, mit dem der Silberoxid-Zink-Akkumulator geladen wird.

2.2

Erklären Sie die Beobachtungen, die bei dem Experiment gemacht wurden (Farbänderungen, Gasentwicklung, Verhalten bei wiederholtem Laden).

2.3

Stellen Sie die Teilgleichungen für die Reaktionen auf, die während des Ladens und des Entladens stattfinden.

Teilaufgabe 3 [16 Punkte]

3.1

Berechnen Sie die Spannung eines Silberoxid-Zink-Akkumulators unter Standardbedingungen.

3.2

Berechnen Sie die Spannung des Akkumulators im Modellexperiment unter der Annahme einer Zink-Ionen-Konzentration von $c(\text{Zn}^{2+}) = 0{,}01\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ .

3.3

Erläutern Sie, auf welche Weise sich die Spannung des Akkumulators durch eine Änderung der Ionenkonzentration steigern ließe.

Teilaufgabe 4 [16 Punkte]

4.1

Erklären Sie, welche Vor- und Nachteile sich aus der Nutzung eines Silberoxid-Zink-Akkumulators im Alltag ergäben.

4.2

Beurteilen Sie die vorgeschlagenen Möglichkeiten zur Optimierung des Silberoxid-Zink-Akkumulators, indem Sie die jeweils entstehenden Vor- und Nachteile gegenüberstellen.

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 g Tablette 0,1 g Bernsteinsäure. Es wird empfohlen, einmal täglich ein bis drei Tabletten einzunehmen.

Die Masse an Bernsteinsäure in einer Tablette wurde experimentell überprüft:

Versuch:

Eine Bernsteinsäuretablette mit einer Masse von 0,5 g wurde zerkleinert und so in Wasser gelöst, dass ein Volumen von 50 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 mL Natronlauge benötigt. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich.

Früher wurde Bernsteinsäure aus Bernstein, einem in der Natur vorkommenden Schmuckstein, über trockene Destillation gewonnen. Heute wird die Bernsteinsäure meist über die katalytische Hydrierung der Maleinsäure oder biotechnologisch mithilfe von Bakterien großtechnisch hergestellt. 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. CC-Doppelbindungen.

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

$p\text{K}_\text{S}$ -Werte der Bernsteinsäure: $p\text{K}_{\text{S}1} = 4{,}2$ und $p\text{K}_{\text{S}2} = 5{,}6$

Für die Ermittlung des Anfangs-pH-Wertes der Bernsteinsäurelösung darf Bernsteinsäure vereinfacht als schwache einprotonige Säure behandelt und mit dem $p\text{K}_{\text{S}1}$ -Wert gerechnet werden.

Salze der Bernsteinsäure (Butandisäure, Succinylsäure): Succinate

In der Aufgabenbearbeitung dürfen vereinfachend $\text{H}_2\text{Suc}$ für Bernsteinsäure sowie $\text{HSuc}^-$ und $\text{Suc}^{2-}$ für die Hydrogensuccinat- und Succinat-Ionen geschrieben werden.

Tabelle 1: Übersicht Säure-Base-Indikatoren Indikator · Farbe der Säure · pH-Bereich des Farbumschlags · Farbe der Base · $p\text{K}_\text{S}\ (\text{HInd})$

Thymolblau 1 · rot · 1,2 – 2,8 · gelb · 1,5

Methylorange · orange · 3,1 – 4,4 · gelb · 4,2

Bromkresolgrün · gelb · 3,8 – 5,4 · blau · 4,7

Methylrot · rot · 4,2 – 6,3 · gelb · 5,1

Bromthymolblau · gelb · 6,0 – 7,7 · blau · 7,0

Thymolblau 2 · gelb · 8,0 – 9,6 · blau · 8,9

Phenolphthalein · farblos · 8,2 – 10,0 · rot · 9,4

Thymolphthalein · farblos · 9,3 – 10,5 · blau · 9,9

Alizaringelb R · gelb · 10,0 – 12,1 · rot-braun · 11,2

Aufgabe 2 – Säure-Base-Titration und Analytik (Teilaufgaben 1 und 3)

1.1

Skizzieren Sie den Versuchsaufbau und beschriften Sie ihn. [4 Punkte]

1.2

Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration der Bernsteinsäure in der titrierten Lösung sowie die Masse der Bernsteinsäure in der analysierten Tablette. [10 Punkte]

1.3

Bewerten Sie das Analyseergebnis für den Bernsteinsäuregehalt der Tablette mit Blick auf die Herstellerangabe sowie auf mögliche Ursachen und Folgen. [4 Punkte]

3.1

Erläutern Sie, weshalb der Äquivalenzpunkt bei der Titration von Bernsteinsäure im alkalischen pH-Bereich liegt. [4 Punkte]

3.2

Berechnen Sie den pH-Wert am Äquivalenzpunkt und legen Sie dabei eine Basenkonzentration von $c(\text{Base}) = 0{,}015\text{ mol/L}$ zugrunde. [4 Punkte]

3.3

Nennen Sie mithilfe der Tabelle 1 Säure-Base-Indikatoren, die sich für die Titration der Bernsteinsäure eignen, und begründen Sie Ihre Wahl. [4 Punkte]

Indikator · Farbe der Säure · pH-Bereich des Farbumschlags · Farbe der Base · p K S (HInd)

Thymolblau 1 · rot · 1,2 – 2,8 · gelb · 1,5

Methylorange · orange · 3,1 – 4,4 · gelb · 4,2

Bromkresolgrün · gelb · 3,8 – 5,4 · blau · 4,7

Methylrot · rot · 4,2 – 6,3 · gelb · 5,1

Bromthymolblau · gelb · 6,0 – 7,7 · blau · 7,0

Thymolblau 2 · gelb · 8,0 – 9,6 · blau · 8,9

Phenolphthalein · farblos · 8,2 – 10,0 · rot · 9,4

Thymolphthalein · farblos · 9,3 – 10,5 · blau · 9,9

Alizaringelb R · gelb · 10,0 – 12,1 · rot-braun · 11,2

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 g Tablette 0,1 g Bernsteinsäure. Es wird empfohlen, einmal täglich ein bis drei Tabletten einzunehmen.

Die Masse an Bernsteinsäure in einer Tablette wurde experimentell überprüft:

Versuch:

Eine Bernsteinsäuretablette mit einer Masse von 0,5 g wurde zerkleinert und so in Wasser gelöst, dass ein Volumen von 50 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 mL Natronlauge benötigt. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich.

Früher wurde Bernsteinsäure aus Bernstein, einem in der Natur vorkommenden Schmuckstein, über trockene Destillation gewonnen. Heute wird die Bernsteinsäure meist über die katalytische Hydrierung der Maleinsäure oder biotechnologisch mithilfe von Bakterien großtechnisch hergestellt. 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. CC-Doppelbindungen.

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

$p\text{K}_\text{S}$ -Werte der Bernsteinsäure: $p\text{K}_{\text{S}1} = 4{,}2$ und $p\text{K}_{\text{S}2} = 5{,}6$

Für die Ermittlung des Anfangs-pH-Wertes der Bernsteinsäurelösung darf Bernsteinsäure vereinfacht als schwache einprotonige Säure behandelt und mit dem $p\text{K}_{\text{S}1}$ -Wert gerechnet werden.

Salze der Bernsteinsäure (Butandisäure, Succinylsäure): Succinate

In der Aufgabenbearbeitung dürfen vereinfachend $\text{H}_2\text{Suc}$ für Bernsteinsäure sowie $\text{HSuc}^-$ und $\text{Suc}^{2-}$ für die Hydrogensuccinat- und Succinat-Ionen geschrieben werden.

Tabelle 1: Übersicht Säure-Base-Indikatoren Indikator · Farbe der Säure · pH-Bereich des Farbumschlags · Farbe der Base · $p\text{K}_\text{S}\ (\text{HInd})$

Thymolblau 1 · rot · 1,2 – 2,8 · gelb · 1,5

Methylorange · orange · 3,1 – 4,4 · gelb · 4,2

Bromkresolgrün · gelb · 3,8 – 5,4 · blau · 4,7

Methylrot · rot · 4,2 – 6,3 · gelb · 5,1

Bromthymolblau · gelb · 6,0 – 7,7 · blau · 7,0

Thymolblau 2 · gelb · 8,0 – 9,6 · blau · 8,9

Phenolphthalein · farblos · 8,2 – 10,0 · rot · 9,4

Thymolphthalein · farblos · 9,3 – 10,5 · blau · 9,9

Alizaringelb R · gelb · 10,0 – 12,1 · rot-braun · 11,2

Aufgabe 2 – Säure-Base-Reaktionen und pH-Wert (Teilaufgabe 2)

2.1

Erläutern Sie die Protolyse der Bernsteinsäure in Wasser unter Anwendung der Säure-Base-Theorie nach Brönsted und formulieren Sie dazu die Reaktionsgleichungen der ersten und der zweiten Protolysestufe. [8 Punkte]

2.2

Berechnen Sie den pH-Wert der Bernsteinsäurelösung zu Beginn des Versuchs; legen Sie dabei eine Ausgangskonzentration von $c_0(\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_4) = 0{,}015\text{ mol/L}$ zugrunde. [4 Punkte]

2.3

Erläutern Sie das in Abbildung 1 dargestellte Dissoziationsdiagramm der Bernsteinsäure. [6 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 g Tablette 0,1 g Bernsteinsäure. Es wird empfohlen, einmal täglich ein bis drei Tabletten einzunehmen.

Die Masse an Bernsteinsäure in einer Tablette wurde experimentell überprüft:

Versuch:

Eine Bernsteinsäuretablette mit einer Masse von 0,5 g wurde zerkleinert und so in Wasser gelöst, dass ein Volumen von 50 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 mL Natronlauge benötigt. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich.

Früher wurde Bernsteinsäure aus Bernstein, einem in der Natur vorkommenden Schmuckstein, über trockene Destillation gewonnen. Heute wird die Bernsteinsäure meist über die katalytische Hydrierung der Maleinsäure oder biotechnologisch mithilfe von Bakterien großtechnisch hergestellt. 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. CC-Doppelbindungen.

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

$p\text{K}_\text{S}$ -Werte der Bernsteinsäure: $p\text{K}_{\text{S}1} = 4{,}2$ und $p\text{K}_{\text{S}2} = 5{,}6$

Für die Ermittlung des Anfangs-pH-Wertes der Bernsteinsäurelösung darf Bernsteinsäure vereinfacht als schwache einprotonige Säure behandelt und mit dem $p\text{K}_{\text{S}1}$ -Wert gerechnet werden.

Salze der Bernsteinsäure (Butandisäure, Succinylsäure): Succinate

In der Aufgabenbearbeitung dürfen vereinfachend $\text{H}_2\text{Suc}$ für Bernsteinsäure sowie $\text{HSuc}^-$ und $\text{Suc}^{2-}$ für die Hydrogensuccinat- und Succinat-Ionen geschrieben werden.

Tabelle 1: Übersicht Säure-Base-Indikatoren Indikator · Farbe der Säure · pH-Bereich des Farbumschlags · Farbe der Base · $p\text{K}_\text{S}\ (\text{HInd})$

Thymolblau 1 · rot · 1,2 – 2,8 · gelb · 1,5

Methylorange · orange · 3,1 – 4,4 · gelb · 4,2

Bromkresolgrün · gelb · 3,8 – 5,4 · blau · 4,7

Methylrot · rot · 4,2 – 6,3 · gelb · 5,1

Bromthymolblau · gelb · 6,0 – 7,7 · blau · 7,0

Thymolblau 2 · gelb · 8,0 – 9,6 · blau · 8,9

Phenolphthalein · farblos · 8,2 – 10,0 · rot · 9,4

Thymolphthalein · farblos · 9,3 – 10,5 · blau · 9,9

Alizaringelb R · gelb · 10,0 – 12,1 · rot-braun · 11,2

Aufgabe 2 – Kunststoffe (Teilaufgabe 4)

4.1

Erklären Sie unter Verwendung einer Reaktionsgleichung in Strukturformeldarstellung sowie der Oxidationszahlen, weshalb es sich bei der katalytischen Hydrierung der Maleinsäure um eine Redoxreaktion handelt. [10 Punkte]

4.2

Entwickeln Sie ein Reaktionsschema, das die Umsetzung von Bernsteinsäure mit Glycerin zu einem linearen Polyester darstellt. [4 Punkte]

4.3

Begründen Sie, weshalb ein Alkydharz-Grundgerüst aus Bernsteinsäure und Glycerin duroplastische Eigenschaften besitzt. [4 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben:

Diesel und Heizöl setzen sich aus sehr ähnlichen Kohlenwasserstoffgemischen zusammen. Dieselkraftstoff mit einem Schwefelgehalt von 10 mg/L wird jedoch als schwefelfrei bezeichnet, während Heizöl einen bis zu 5fach höheren Schwefelgehalt aufweisen kann.

Heizöl als Kraftstoff zu tanken wirkt aus finanziellen Gründen attraktiv, weil es deutlich geringer besteuert wird. Aus motortechnischer Sicht und für den Umweltschutz ist dies jedoch schädlich. Außerdem begeht eine Straftat, wer Heizöl als Kraftstoff in den Tank füllt.

Der Zoll überwacht und verfolgt die missbräuchliche Verwendung von Heizöl als Kraftstoff. Damit Heizöl bei einer Kontrolle im Dieseltank nachgewiesen werden kann, versetzt man es bereits in der Raffinerie mit unterschiedlichen Farbstoffen. Manche davon, z. B. Sudanrot 7B, machen es mit bloßem Auge erkennbar.

Das Grundgerüst von Sudanrot 7B bildet Anilingelb, welches aus Anilin mithilfe von Natriumnitrit und Salzsäure synthetisiert wird.

Damit Heizöl selbst bei starker Verdünnung zuverlässig nachweisbar bleibt, wird ihm seit 2001 zusätzlich der gelbe Farbstoff Solvent Yellow 124 mit einer Massenkonzentration von $\beta = 6\text{ mg/L}$ beigemischt.

Mit einem Schnelltest ist er auch bei hoher Verdünnung eindeutig und mit geringem Aufwand nachweisbar, sogar bei mobilen Straßenkontrollen.

Gibt man verdünnte Salzsäure zu Solvent Yellow 124, entsteht eine intensiv rot gefärbte, protonierte hydrolysierte Form. Diese kann mit Wasser ausgeschüttelt werden.

Photospektrometrisch lässt sich die hydrolysierte Form in der wässrigen Phase untersuchen und so der Heizölanteil in einem Heizöl-Diesel-Gemisch ermitteln. Dadurch ist feststellbar, ob ein Gemisch vorliegt und in welchem Mischungsverhältnis.

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).

Lambert-Beer-Gesetz: $E_\lambda = \varepsilon_\lambda \cdot d \cdot c$

Tabelle: Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe

Wellenlänge $\lambda$ in nm · Spektralfarbe · Komplementärfarbe

< 400 · ultraviolett · farblos

400 – 435 · violett · gelbgrün

435 – 480 · blau · gelb

480 – 490 · grünblau · orange

490 – 500 · blaugrün · rot

500 – 560 · grün · purpur

560 – 580 · gelbgrün · violett

580 – 595 · gelb · blau

595 – 605 · orange · grünblau

605 – 770 · rot · blaugrün

Aufgabe 3 – Teilaufgaben 1 und 4

1.

Geben Sie mit Begründung an, zu welcher Farbstoffklasse Sudanrot 7B und Solvent Yellow 124 gehören. Erklären Sie anhand von Solvent Yellow 124, wie Struktur und Farbigkeit zusammenhängen. Erklären Sie die Farbverschiebung, die bei der Umwandlung von Solvent Yellow 124 in die hydrolysierte Form auftritt, und geben Sie dabei auch eine weitere mesomere Grenzstruktur der hydrolysierten Form an. Erklären Sie die rote Farbe von Sudanrot 7B im Vergleich zu Solvent Yellow 124.

[24 Punkte]

4.

Erläutern Sie das photometrische Vorgehen, mit dem man im Anschluss an den Schnelltest in der wässrigen Phase die Konzentration von Solvent Yellow 124 und damit den Heizölanteil einer Dieselprobe ermitteln kann. Begründen Sie, weshalb die Messung bei einer Wellenlänge von $\lambda = 520\text{ nm}$ erfolgt.

[10 Punkte]