Abitur NRW Chemie 2023 · GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg

Aufgabenstellung: Ballistische Schutzwesten

Fachspezifische Vorgaben

Ballistische Schutzwesten, auch „kugelsichere Westen“ genannt, sollen Personen, die sie tragen, vor tödlichen Verletzungen durch Projektile aus Schusswaffen bewahren. Polizeikräfte weltweit nutzen sie im Dienst.

Das Geschoss bleibt nach einem Beschuss in der Weste und die Energie des Einschlags wird auf eine möglichst große Fläche verteilt. Damit dies sicher gelingt, bestehen die Kleidungsstücke aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), einem Werkstoff, bei dem Verstärkungsfasern in einen Kunststoff (Matrix) eingebettet werden. Der FKV muss sehr reißfest sein und darf auch bei hohen Temperaturen nicht schmelzen.

Herstellung der Matrix

Die Matrix besteht aus einem Copolymer, das aus α-Methylstyrol und einem kurzkettigen Polyester-Präpolymer gebildet wird.

Herstellung der Verstärkungsfasern

Es gibt unterschiedliche Verstärkungsfasern, die sich für den Einsatz in einer solchen Art von Schutzweste eignen. Am häufigsten werden Fasern aus Polyaramid oder Hochleistungspolyethen verwendet. Hochleistungspolyethen besteht aus völlig unverzweigten, d. h. nur linearen Ketten, während die Polymerketten in normalem Polyethen auch Verzweigungen haben. Beide Kunststoffe, Polyaramid und Hochleistungspolyethen, werden nach der Herstellung zuerst gesponnen und danach verstreckt, so dass große Bereiche mit parallelen Molekülketten entstehen (kristalline Bereiche). Die fertigen Fasern bettet man bei der Matrixbildung ein, es entsteht eine Platte aus einem Faser-Kunststoff-Verbund.

Zusatzinformationen:

Kristallisationsgrad: Die Kristallisation ist der Übergang eines Kunststoffs in einen hochgeordneten Zustand. Der Kristallisationsgrad gibt an, welcher Anteil des Werkstoffs diesen Zustand erreicht hat.

Zugfestigkeit: Ein Probekörper mit definierten Abmessungen wird mittels einer Prüfmaschine auseinandergezogen. Die maximale Kraft pro mm² bis zum Zerreißen ist die Zugfestigkeit.

Tabelle 1: Kristallisationsgrad und Zugfestigkeit von Polyaramid und verschiedenen Polyethen-Sorten

Werkstoff

Kristallisationsgrad

Zugfestigkeit

Polyaramid

52 %

2800 – 2900 N/mm²

Hochleistungspolyethen

85 %

3000 – 4000 N/mm²

Polyethen (HD)¹

55 – 75 %

27 N/mm²

¹ Polyethen (HD): Polyethen mit einer hohen Dichte (0,94 g/cm³ bis 0,97 g/cm³)

1.

Geben Sie den Reaktionstyp der Synthese des Polyester-Präpolymers sowie die zugehörigen Monomere an. Erläutern Sie die Bildung des Polyester-Präpolymers mithilfe einer Reaktionsgleichung mit Strukturformeln und erklären Sie, wie man die Reaktion steuern kann, um die Ausbeute am Produkt zu erhöhen. [22 Punkte]

2.

Erklären Sie die Teilschritte, in denen aus α-Methylstyrol durch Zugabe eines organischen Peroxids Poly-α-methylstyrol entsteht. Geben Sie für diese Schritte jeweils Reaktionsschemata an. Begründen Sie, weshalb in Schutzwesten das Copolymer aus α-Methylstyrol und dem Polyester-Präpolymer statt Poly-α-methylstyrol eingesetzt wird. [18 Punkte]

3.

Vergleichen Sie unter Verwendung passender Strukturformelausschnitte die zwischenmolekularen Wechselwirkungen in Polyaramid und in Hochleistungspolyethen. Erklären Sie den Einfluss von Verzweigungen in Polyethenketten auf diese Wechselwirkungen. Diskutieren Sie, welche Vorteile der FKV gegenüber Verstärkungsfasern allein bietet. [20 Punkte]

Aufgabenstellung: Anlaufen und Reinigen von Silber

Fachspezifische Vorgaben:

Silber besitzt viele Eigenschaften, die es für Gebrauchsgegenstände nützlich machen. Es hat unter allen Metallen den höchsten Glanz und wirkt bacterientötend. Somit sind Silbergegenstände nicht nur optisch schön, sondern auch hygienisch. Daher findet Silber auch Verwendung bei der Herstellung von Besteck.

Silberbesteck besteht meistens nicht aus reinem Silber, da Silber nicht hart genug ist und das Besteck sich leicht verformen würde. Bei Silberbesteck aus „Hartsilber“ wird ein aus einem Stahlkern bestehendes Besteck galvanisch mit einer dünnen Silberschicht überzogen.

Experimente zum Versilbern einer Gabel

Eine elektrochemische Silberabscheidung ist häufig schwierig, da sich Silber oftmals nicht als gleichmäßige Schicht, sondern in Form von unregelmäßigen Verästelungen abscheidet.

a) In einem Laborexperiment konnte das Versilbern einer Gabel aus Eisen nachvollzogen werden. Hierzu legte man eine Eisengabel in eine Silbernitrat-Lösung. Innerhalb weniger Minuten bildeten sich kleine schwarze Verästelungen an der Eisengabel.

b) In einem weiteren Experiment verwendete man ein Becherglas, welches mit einer alkalischen Silbernitrat-Lösung der Konzentration $c = 1\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ und $\mathrm{pH} = 14$ gefüllt wurde. Die Gabel und ein kleines Silberblech wurden in die Lösung gebracht und mit den Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden. Im Anschluss wurde mit einer Stromstärke von $5\ \mathrm{Ampere}$ für $10\ \mathrm{Minuten}$ galvanisiert.

c) Ebenso konnte auch eine Graphitelektrode als Anode verwendet werden. Auch hier überzog sich die Gabel mit einer Silberschicht. Im Gegensatz zur Verwendung einer Anode aus Silber beobachtete man hier eine Gasentwicklung an der Graphitelektrode.

Anlaufen von Silber

Obwohl es sich bei Silber um ein Edelmetall handelt, läuft es mit der Zeit an. In einem Buch zu Korrosion und Korrosionsschutz kann man folgende Zitate finden:

„In trockenen und feuchten Atmosphären ist Silber immun gegen korrosiven Angriff. Eine Oxidation zu $\mathrm{Ag_2O}$ unterhalb $180\ ^\circ\mathrm{C}$ ist zwar nachzuweisen, eine sichtbare Oxidschicht tritt nicht auf.“

„Die Ursache für dieses Anlaufen sind dünne Schichten aus dem schwarzen $\mathrm{Ag_2S}$, die sich an der Oberfläche bilden, selbst wenn nur Spuren von $\mathrm{H_2S}$ in der Atmosphäre zugegen sind. Über den Reaktionsmechanismus ist man sich nicht im Klaren, und auch die stöchiometrischen Verhältnisse sind nicht geklärt. Im Einzelnen ist die Frage offen, ob der Anlaufvorgang [...] unter der Beteiligung von Luftsauerstoff abläuft.“

Die hier zu vermutenden Teilreaktionen mit den entsprechenden Standardpotentialen $E^\circ$ lauten:

$2\ \mathrm{Ag} + \mathrm{H_2S} \rightleftharpoons \mathrm{Ag_2S} + 2\ \mathrm{H^+} + 2\ \mathrm{e^-}$ · $-0{,}036\ \mathrm{V}$

$4\ \mathrm{OH^-} \rightleftharpoons \mathrm{O_2} + 2\ \mathrm{H_2O} + 4\ \mathrm{e^-}$ · $0{,}4\ \mathrm{V}$

$\mathrm{Ag} \rightleftharpoons \mathrm{Ag^+} + \mathrm{e^-}$ · $0{,}8\ \mathrm{V}$

Behandlung von angelaufenem Silber im Labor

Auch Silberbleche im Labor laufen mit der Zeit an. Hält man ein angelaufenes Reinsilberblech in die nichtleuchtende Brennerflamme, so wird dieses wieder blank.

Reinigen von angelaufenem Silberbesteck

In Haushaltsratgebern werden unterschiedliche Maßnahmen zum Reinigen des angelaufenen Silberbestecks vorgeschlagen:

Zahnpasta-Methode: Mit einer weichen Bürste wird das Besteck vorsichtig mit Zahnpasta eingerieben. Die Silbersulfid-Schicht wird hierbei mechanisch abgetragen. Anschließend wird die Paste mit Wasser abgewaschen.

Aluminium-Salz-Methode: In einer Schüssel werden mehrere Teelöffel Kochsalz mit warmem Wasser vermischt, bis sich das Salz gelöst hat. Dann gibt man ein wenig Essig hinzu. Das Silberbesteck wird locker in Aluminiumfolie eingewickelt, so dass es Kontakt mit der Folie hat, und für 10 Minuten in dieser Lösung belassen. Bei diesem Verfahren werden die Silber-Ionen wieder in Silber-Atome umgewandelt. Die freiwerdenden Sulfid-Ionen reagieren in der essigsauren Lösung zunächst zu Hydrogensulfid-Ionen ($\mathrm{HS^-}$) und weiter zu Schwefelwasserstoff-Molekülen ($\mathrm{H_2S}$).

Nach dem Auspacken des Silberbestecks aus der Aluminiumfolie ist das Besteck wieder blank. Die Aluminiumfolie weist eine raue Oberfläche und kleine Löcher auf. Der Geruch von Schwefelwasserstoff ist wahrzunehmen.

Schwefelwasserstoff ist ein sehr giftiges Gas. Der Mensch kann es bereits in äußerst geringen Konzentrationen riechen, die bei kurzzeitiger Wahrnehmung unproblematisch sind.

Zusatzinformationen:

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

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

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

reduzierte Form · $\rightleftharpoons$ · oxidierte Form $+ z\cdot \mathrm{e^-}$ · Standardpotential $E^\circ$ in $\mathrm{V}$

$\mathrm{Al}$ · $\rightleftharpoons$ · $\mathrm{Al^{3+}} + 3\ \mathrm{e^-}$ · $-1{,}66$

$\mathrm{Fe}$ · $\rightleftharpoons$ · $\mathrm{Fe^{2+}} + 2\ \mathrm{e^-}$ · $-0{,}41$

$4\ \mathrm{OH^-}$ · $\rightleftharpoons$ · $\mathrm{O_2} + 2\ \mathrm{H_2O} + 4\ \mathrm{e^-}$ · $+0{,}40\ (\mathrm{pH} = 14)$

$\mathrm{Ag}$ · $\rightleftharpoons$ · $\mathrm{Ag^+} + \mathrm{e^-}$ · $+0{,}80$

1.

1. Erläutern Sie die Beobachtungen aus Experiment a), die ohne angelegte Spannung gemacht wurden, anhand passender Reaktionsgleichungen. Berechnen Sie, welche Masse an Silber sich in Experiment b) abscheidet. Erläutern Sie unter Angabe der Reaktionsgleichungen beider Elektrodenvorgänge, worin der Vorteil einer Silberanode (Experiment b)) gegenüber einer Graphitanode (Experiment c)) besteht. Beurteilen Sie, ob das galvanische Versilbern von Gegenständen sinnvoller ist, als diese nur in eine Silbersalz-Lösung zu tauchen. [24 Punkte]

2.

2. Erklären Sie, was bei der Behandlung von angelaufenem Silber im Labor beobachtet wird. Beurteilen Sie die Aussagen der Zitate zum Anlaufen von Silber, wobei Sie davon ausgehen, dass die angegebenen Reaktionen den Vorgang verursachen. [14 Punkte]

3.

3. Zeichnen Sie den beschrifteten Aufbau für die Silberreinigung nach der Aluminium-Salz-Methode. Erläutern Sie die dabei ablaufenden elektrochemischen Vorgänge auch mithilfe von Reaktionsgleichungen. Beurteilen Sie die beiden Reinigungsverfahren, indem Sie jeweils Vor- und Nachteile einander gegenüberstellen. [22 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben:

Carmoisin (E 122) ist ein synthetischer, in Europa zugelassener Lebensmittelfarbstoff. Das Extinktionsmaximum von Carmoisin liegt bei 516 nm. Carmoisin ist beständig gegen Fruchtsäuren, Licht und Hitze und wird aufgrund seiner intensiven Farbe in zahlreichen Lebensmitteln eingesetzt, u. a. in Süß- und Zuckerwaren, Marzipan, Puddingpulver, Kunstspeiseeis, Fruchtkonserven, Fertigsuppen und Paniermehl. Seit 2010 müssen Lebensmittel, die Lebensmittelfarbstoffe der Farbstoffklasse enthalten, zu der Carmoisin gehört, mit dem Warnhinweis „Kann Aktivität und Aufmerksamkeit bei Kindern beeinträchtigen“ versehen sein. Der ADI-Wert (acceptable daily intake) von Carmoisin beträgt 4 mg/kg Körpergewicht. Er gibt die Menge an, die bei einem Menschen bei täglicher lebenslanger Aufnahme als unbedenklich gilt.

Als Ausgangsstoffe für Carmoisin dienen bicyclische Kohlenwasserstoffverbindungen mit einem Naphthalin-Grundgerüst. Naphthalin (Stoff A) ist ein weißer Feststoff, der in unpolaren Lösemitteln gut löslich ist. Gibt man elementares Brom ($\text{Br}_2$) zu einer Naphthalinlösung, entfärbt sich die Lösung nicht. Im Vergleich dazu entfärbt sich eine Lösung aus 1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin (Stoff B) und elementarem Brom schnell.

Zur Carmoisin-Synthese eignen sich die beiden Naphthalin-Derivate 1-Hydroxynaphthalin (1-Naphthol) und 1-Aminonaphthalin. Zuerst werden beide Verbindungen sulfoniert, indem man konzentrierte Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) hinzugibt. Dabei dienen Schwefeltrioxid-Moleküle ($\text{SO}_3$) als Reaktionspartner, die in der konzentrierten Schwefelsäure gelöst vorliegen. Bei der Sulfonierung (Abbildung 1, Schritte Ia und Ib) entstehen 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure und 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure. 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure ist in Natronlauge besser löslich als in stark saurer Lösung. Aus 4-Aminonaphthalin-1-sulfonat-Ionen lassen sich durch Zugabe von Natriumnitrit ($\text{NaNO}_2$) und Salzsäure ($\text{HCl(aq)}$) Diazonium-Ionen herstellen (Schritt II), die mit 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonat-Ionen zu Carmoisin reagieren (Schritt III).

Zusatzinformationen:

Als ein Derivat (von lateinisch derivare ‚ableiten‘) wird in der Chemie ein Stoff ähnlicher Struktur bezeichnet. Derivate sind z. B. Stoffe, die an Stelle eines Wasserstoff-Atoms ein anderes Atom oder eine ganze Atomgruppe besitzen bzw. bei denen ein oder mehrere Atome/Atomgruppen entfernt wurden.

Schwefeltrioxid-Moleküle sind planar gebaut und enthalten drei gleichlange Bindungen zwischen dem Schwefel-Atom und den Sauerstoff-Atomen.

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

Carmoisin – Synthese und Einsatz als Lebensmittelfarbstoff

1.

Geben Sie die charakteristischen Merkmale aromatischer Systeme an. Erläutern Sie mithilfe der Molekülstrukturen, warum sich Stoff A (Naphthalin) und Stoff B (1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin) gegenüber Brom verschieden verhalten. Erläutern Sie, in welchen Einzelschritten die Reaktion von Stoff B mit Brom abläuft. [16 Punkte]

2.

Geben Sie für die Sulfonierung von 1-Naphthol und von 1-Aminonaphthalin jeweils die Reaktionsgleichung sowie den Reaktionstyp an. Erläutern Sie, weshalb sich 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure in Natronlauge und in stark saurer Lösung unterschiedlich löst. Erläutern Sie in Einzelschritten und unter Nennung des Reaktionstyps, wie 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonat-Ionen und Diazonium-Ionen zu Carmoisin-Molekülen reagieren (Schritt III). [24 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben:

Carmoisin (E 122) ist ein synthetischer, in Europa zugelassener Lebensmittelfarbstoff. Das Extinktionsmaximum von Carmoisin liegt bei 516 nm. Carmoisin ist beständig gegen Fruchtsäuren, Licht und Hitze und wird aufgrund seiner intensiven Farbe in zahlreichen Lebensmitteln eingesetzt, u. a. in Süß- und Zuckerwaren, Marzipan, Puddingpulver, Kunstspeiseeis, Fruchtkonserven, Fertigsuppen und Paniermehl. Seit 2010 müssen Lebensmittel, die Lebensmittelfarbstoffe der Farbstoffklasse enthalten, zu der Carmoisin gehört, mit dem Warnhinweis „Kann Aktivität und Aufmerksamkeit bei Kindern beeinträchtigen“ versehen sein. Der ADI-Wert (acceptable daily intake) von Carmoisin beträgt 4 mg/kg Körpergewicht. Er gibt die Menge an, die bei einem Menschen bei täglicher lebenslanger Aufnahme als unbedenklich gilt.

Als Ausgangsstoffe für Carmoisin dienen bicyclische Kohlenwasserstoffverbindungen mit einem Naphthalin-Grundgerüst. Naphthalin (Stoff A) ist ein weißer Feststoff, der in unpolaren Lösemitteln gut löslich ist. Gibt man elementares Brom ($\text{Br}_2$) zu einer Naphthalinlösung, entfärbt sich die Lösung nicht. Im Vergleich dazu entfärbt sich eine Lösung aus 1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin (Stoff B) und elementarem Brom schnell.

Zur Carmoisin-Synthese eignen sich die beiden Naphthalin-Derivate 1-Hydroxynaphthalin (1-Naphthol) und 1-Aminonaphthalin. Zuerst werden beide Verbindungen sulfoniert, indem man konzentrierte Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) hinzugibt. Dabei dienen Schwefeltrioxid-Moleküle ($\text{SO}_3$) als Reaktionspartner, die in der konzentrierten Schwefelsäure gelöst vorliegen. Bei der Sulfonierung (Abbildung 1, Schritte Ia und Ib) entstehen 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure und 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure. 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure ist in Natronlauge besser löslich als in stark saurer Lösung. Aus 4-Aminonaphthalin-1-sulfonat-Ionen lassen sich durch Zugabe von Natriumnitrit ($\text{NaNO}_2$) und Salzsäure ($\text{HCl(aq)}$) Diazonium-Ionen herstellen (Schritt II), die mit 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonat-Ionen zu Carmoisin reagieren (Schritt III).

Zusatzinformationen:

Als ein Derivat (von lateinisch derivare ‚ableiten‘) wird in der Chemie ein Stoff ähnlicher Struktur bezeichnet. Derivate sind z. B. Stoffe, die an Stelle eines Wasserstoff-Atoms ein anderes Atom oder eine ganze Atomgruppe besitzen bzw. bei denen ein oder mehrere Atome/Atomgruppen entfernt wurden.

Schwefeltrioxid-Moleküle sind planar gebaut und enthalten drei gleichlange Bindungen zwischen dem Schwefel-Atom und den Sauerstoff-Atomen.

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

Carmoisin – Synthese und Einsatz als Lebensmittelfarbstoff

3.

Erklären Sie, wie Lichtabsorption und Farbigkeit zusammenhängen, und nutzen Sie dafür Carmoisin als Beispiel sowie Tabelle 1 und das genannte Extinktionsmaximum. Begründen Sie die Farbigkeit von Carmoisin mithilfe seiner Molekülstruktur. Beurteilen Sie den Einsatz von Carmoisin in Limonade unter Heranziehung der Molekülstruktur und der Eigenschaften. [20 Punkte]