Abitur NRW Chemie 2023 · GK · Nachtermin

Fachspezifische Vorgaben:

Deutschland will künftig weniger Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre ausstoßen. Hierfür sollen unter anderem fossile Energieträger durch geeignete Alternativen abgelöst werden.

Im Kraftstoffbereich gelten unter anderem grüner Wasserstoff und daraus hergestellte synthetische Kraftstoffe als vielversprechende Forschungsfelder; sie lassen sich mit etablierten Technologien wie dem Verbrennermotor oder der Brennstoffzelle einsetzen.

Wasserstoffgas wird als grün bezeichnet, wenn es allein mithilfe von überschüssigem Strom aus regenerativen Quellen wie Photovoltaik oder Windkraft elektrolytisch erzeugt wurde. Auch Methanol gilt als grün, wenn sein Herstellungsverfahren keine oder nur geringe Treibhausgasemissionen verursacht.

Beim Vergleich alternativer Energieträger mit herkömmlichem Kraftstoff betrachtet man nicht nur die Energieeffizienz, sondern auch Umweltverträglichkeit und Gefahrenpotential synthetischer Kraftstoffe. Dazu zählen beispielsweise ebenso die Herstellung und der Umgang mit ihnen.

Material 1: Modellexperiment zur Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse

Zwei Elektroden aus Graphit werden in Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$, als Elektrolyt getaucht. Mithilfe einer Gleichspannungsquelle wird die angelegte Spannung langsam erhöht. Erst bei einer Spannung von über $3\text{ V}$ tritt eine Gasentwicklung an beiden Elektroden auf. Die Elektrolyse erfolgt dann bei einer konstanten Stromstärke von $I = 0{,}5\text{ A}$. Nach einer Stunde misst man an der Kathode ein Gasvolumen von $V = 200\text{ mL}$.

Material 2: Synthetische Kraftstoffe – Grünes Methanol und Dimethylcarbonat

Aus grünem Wasserstoff können flüssige, lagerfähige Kraftstoffe, wie z. B. Methanol oder Dimethylcarbonat, synthetisiert werden. Die Herstellung des sogenannten grünen Methanols und von Dimethylcarbonat kann durch nachfolgenden mehrschrittigen technischen Prozess erfolgen:

(1) Herstellung von Wasserstoff ($\text{H}_2$) mithilfe elektrischer Energie durch alkalische Elektrolyse von Wasser,

(2) Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) aus der Luft zu Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$) und Wasser,

(3) Umsetzung des Kohlenstoffmonoxids mit Wasserstoff unter hohem Druck an einem Katalysator zu Methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$).

Aus dem grünen Methanol kann im Anschluss durch Reaktion mit Phosgen ($\text{COCl}_2$) unter Abspaltung von Chlorwasserstoff ($\text{HCl}$) die Synthese von Dimethylcarbonat erfolgen.

Material 3: Grünes Methanol in Brennstoffzellen

Grünes Methanol kann in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) elektrochemisch genutzt werden. Diese Direkt-Methanol-Brennstoffzelle besteht aus Elektrodenräumen, die durch eine Polymermembran getrennt sind. Auf der Anodenseite (Minuspol) werden Methanol und Wasser katalytisch zu gasförmigem Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Zum Ladungsausgleich können Ionen die Polymermembran durchwandern. Auf der Kathodenseite (Pluspol) strömt Luft gegen die Elektrode. Die Sauerstoff-Moleküle aus der Luft reagieren hier mit Oxonium-Ionen zu Wasser-Molekülen.

In der Praxis wird bei der DMFC eine Zellspannung von ca. $0{,}6\text{ V}$ erreicht. Die Energieeffizienz (Wirkungsgrad) beträgt bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ca. $12\,\%$. Im Vergleich hierzu erzielt ein Lithium-Ionen-Akkumulator in Verbindung mit einem Elektromotor eine Energieeffizienz von ca. $80\,\%$.

Zusatzinformationen:

Molares Volumen (bei $T = 298{,}15\text{ K}$; $p = 101{,}325\text{ kPa}$)

$V_\text{m} = 24{,}5\text{ L}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Konstante

$F = 96\,485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faradaysches Gesetz

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

Tabelle 1: Standardpotentiale bei $T = 298{,}15\text{ K}$; $p = 101{,}325\text{ kPa}$ und $c = 1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$ Stoff · Teilgleichung · Standardpotential ($E^0$)

Natrium · $\text{Na} \rightleftharpoons \text{Na}^+ + \text{e}^-$ · $-2{,}71\text{ V}$

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

Methanol ($\text{pH} = 0$) · $\text{CH}_3\text{OH} + 7\,\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO}_2 + 6\,\text{H}_3\text{O}^+ + 6\,\text{e}^-$ · $0{,}04\text{ V}$

Sauerstoff ($\text{pH} = 14$) · $4\,\text{OH}^- \rightleftharpoons \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + 4\,\text{e}^-$ · $0{,}40\text{ V}$

Sauerstoff ($\text{pH} = 0$) · $6\,\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{O}_2 + 4\,\text{H}_3\text{O}^+ + 4\,\text{e}^-$ · $1{,}23\text{ V}$

Tabelle 2: Überspannungen verschiedener Gase an Graphit (für Stromdichte $0{,}1\text{ A}\cdot\text{cm}^{-2}$) Stoff · Überspannung an Graphit ($E^*$)

Wasserstoff · $-0{,}97\text{ V}$

Sauerstoff · $+1{,}10\text{ V}$

1. Erläutern Sie die elektrochemischen Vorgänge bei der in Material 1 beschriebenen Elektrolyse und geben Sie dabei die Elektrodenreaktionen und die Gesamtreaktion an. Erklären Sie, weshalb bei der Elektrolyse eine Spannung von mehr als 3 V erforderlich ist. Vergleichen Sie rechnerisch das an der Kathode aufgefangene Gasvolumen mit dem theoretisch zu erwartenden Volumen.

(22 Punkte)

a)

Geben Sie für die alkalische Elektrolyse die Teilgleichungen der beiden Elektrodenreaktionen (Oxidation an der Anode, Reduktion an der Kathode) und die Gesamtreaktion an:

b)

Erklären Sie, warum bei der Elektrolyse eine Spannung von mehr als 3 V nötig ist:

c)

Berechnen Sie das theoretisch zu erwartende Volumen des Wasserstoffgases $V(\mathrm{H_2})$ bei einer Stromstärke von $I = 0{,}5\ \mathrm{A}$ nach $t = 1\ \mathrm{h}$ ($T = 298{,}15\ \mathrm{K}$; $p = 101{,}325\ \mathrm{kPa}$):

Fachspezifische Vorgaben:

Deutschland will künftig weniger Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre ausstoßen. Hierfür sollen unter anderem fossile Energieträger durch geeignete Alternativen abgelöst werden.

Im Kraftstoffbereich gelten unter anderem grüner Wasserstoff und daraus hergestellte synthetische Kraftstoffe als vielversprechende Forschungsfelder; sie lassen sich mit etablierten Technologien wie dem Verbrennermotor oder der Brennstoffzelle einsetzen.

Wasserstoffgas wird als grün bezeichnet, wenn es allein mithilfe von überschüssigem Strom aus regenerativen Quellen wie Photovoltaik oder Windkraft elektrolytisch erzeugt wurde. Auch Methanol gilt als grün, wenn sein Herstellungsverfahren keine oder nur geringe Treibhausgasemissionen verursacht.

Beim Vergleich alternativer Energieträger mit herkömmlichem Kraftstoff betrachtet man nicht nur die Energieeffizienz, sondern auch Umweltverträglichkeit und Gefahrenpotential synthetischer Kraftstoffe. Dazu zählen beispielsweise ebenso die Herstellung und der Umgang mit ihnen.

Material 1: Modellexperiment zur Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse

Zwei Elektroden aus Graphit werden in Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$, als Elektrolyt getaucht. Mithilfe einer Gleichspannungsquelle wird die angelegte Spannung langsam erhöht. Erst bei einer Spannung von über $3\text{ V}$ tritt eine Gasentwicklung an beiden Elektroden auf. Die Elektrolyse erfolgt dann bei einer konstanten Stromstärke von $I = 0{,}5\text{ A}$. Nach einer Stunde misst man an der Kathode ein Gasvolumen von $V = 200\text{ mL}$.

Material 2: Synthetische Kraftstoffe – Grünes Methanol und Dimethylcarbonat

Aus grünem Wasserstoff können flüssige, lagerfähige Kraftstoffe, wie z. B. Methanol oder Dimethylcarbonat, synthetisiert werden. Die Herstellung des sogenannten grünen Methanols und von Dimethylcarbonat kann durch nachfolgenden mehrschrittigen technischen Prozess erfolgen:

(1) Herstellung von Wasserstoff ($\text{H}_2$) mithilfe elektrischer Energie durch alkalische Elektrolyse von Wasser,

(2) Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) aus der Luft zu Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$) und Wasser,

(3) Umsetzung des Kohlenstoffmonoxids mit Wasserstoff unter hohem Druck an einem Katalysator zu Methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$).

Aus dem grünen Methanol kann im Anschluss durch Reaktion mit Phosgen ($\text{COCl}_2$) unter Abspaltung von Chlorwasserstoff ($\text{HCl}$) die Synthese von Dimethylcarbonat erfolgen.

Material 3: Grünes Methanol in Brennstoffzellen

Grünes Methanol kann in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) elektrochemisch genutzt werden. Diese Direkt-Methanol-Brennstoffzelle besteht aus Elektrodenräumen, die durch eine Polymermembran getrennt sind. Auf der Anodenseite (Minuspol) werden Methanol und Wasser katalytisch zu gasförmigem Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Zum Ladungsausgleich können Ionen die Polymermembran durchwandern. Auf der Kathodenseite (Pluspol) strömt Luft gegen die Elektrode. Die Sauerstoff-Moleküle aus der Luft reagieren hier mit Oxonium-Ionen zu Wasser-Molekülen.

In der Praxis wird bei der DMFC eine Zellspannung von ca. $0{,}6\text{ V}$ erreicht. Die Energieeffizienz (Wirkungsgrad) beträgt bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ca. $12\,\%$. Im Vergleich hierzu erzielt ein Lithium-Ionen-Akkumulator in Verbindung mit einem Elektromotor eine Energieeffizienz von ca. $80\,\%$.

Zusatzinformationen:

Molares Volumen (bei $T = 298{,}15\text{ K}$; $p = 101{,}325\text{ kPa}$)

$V_\text{m} = 24{,}5\text{ L}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Konstante

$F = 96\,485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faradaysches Gesetz

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

Tabelle 1: Standardpotentiale bei $T = 298{,}15\text{ K}$; $p = 101{,}325\text{ kPa}$ und $c = 1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$ Stoff · Teilgleichung · Standardpotential ($E^0$)

Natrium · $\text{Na} \rightleftharpoons \text{Na}^+ + \text{e}^-$ · $-2{,}71\text{ V}$

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

Methanol ($\text{pH} = 0$) · $\text{CH}_3\text{OH} + 7\,\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO}_2 + 6\,\text{H}_3\text{O}^+ + 6\,\text{e}^-$ · $0{,}04\text{ V}$

Sauerstoff ($\text{pH} = 14$) · $4\,\text{OH}^- \rightleftharpoons \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + 4\,\text{e}^-$ · $0{,}40\text{ V}$

Sauerstoff ($\text{pH} = 0$) · $6\,\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{O}_2 + 4\,\text{H}_3\text{O}^+ + 4\,\text{e}^-$ · $1{,}23\text{ V}$

Tabelle 2: Überspannungen verschiedener Gase an Graphit (für Stromdichte $0{,}1\text{ A}\cdot\text{cm}^{-2}$) Stoff · Überspannung an Graphit ($E^*$)

Wasserstoff · $-0{,}97\text{ V}$

Sauerstoff · $+1{,}10\text{ V}$

2. Geben Sie den Reaktionsweg zur Gewinnung von grünem Methanol (Material 2) in Form eines Fließdiagramms sowie den Reaktionstyp der drei Prozessschritte an. Vergleichen Sie Wasserstoff, Methanol und Dimethylcarbonat als alternative Treibstoffe in Bezug auf Handhabung und energetische Eignung. Diskutieren Sie anhand von Methanol und Dimethylcarbonat die Erzeugung und Nutzung synthetischer Treibstoffe unter drei ökologischen Gesichtspunkten. [20 Punkte]

a)

Alternativ können Sie das Fließdiagramm bzw. die Reaktionsfolge auch textuell beschreiben:

b)

c)

d)

Fachspezifische Vorgaben:

Deutschland will künftig weniger Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre ausstoßen. Hierfür sollen unter anderem fossile Energieträger durch geeignete Alternativen abgelöst werden.

Im Kraftstoffbereich gelten unter anderem grüner Wasserstoff und daraus hergestellte synthetische Kraftstoffe als vielversprechende Forschungsfelder; sie lassen sich mit etablierten Technologien wie dem Verbrennermotor oder der Brennstoffzelle einsetzen.

Wasserstoffgas wird als grün bezeichnet, wenn es allein mithilfe von überschüssigem Strom aus regenerativen Quellen wie Photovoltaik oder Windkraft elektrolytisch erzeugt wurde. Auch Methanol gilt als grün, wenn sein Herstellungsverfahren keine oder nur geringe Treibhausgasemissionen verursacht.

Beim Vergleich alternativer Energieträger mit herkömmlichem Kraftstoff betrachtet man nicht nur die Energieeffizienz, sondern auch Umweltverträglichkeit und Gefahrenpotential synthetischer Kraftstoffe. Dazu zählen beispielsweise ebenso die Herstellung und der Umgang mit ihnen.

Material 1: Modellexperiment zur Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse

Zwei Elektroden aus Graphit werden in Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$, als Elektrolyt getaucht. Mithilfe einer Gleichspannungsquelle wird die angelegte Spannung langsam erhöht. Erst bei einer Spannung von über $3\text{ V}$ tritt eine Gasentwicklung an beiden Elektroden auf. Die Elektrolyse erfolgt dann bei einer konstanten Stromstärke von $I = 0{,}5\text{ A}$. Nach einer Stunde misst man an der Kathode ein Gasvolumen von $V = 200\text{ mL}$.

Material 2: Synthetische Kraftstoffe – Grünes Methanol und Dimethylcarbonat

Aus grünem Wasserstoff können flüssige, lagerfähige Kraftstoffe, wie z. B. Methanol oder Dimethylcarbonat, synthetisiert werden. Die Herstellung des sogenannten grünen Methanols und von Dimethylcarbonat kann durch nachfolgenden mehrschrittigen technischen Prozess erfolgen:

(1) Herstellung von Wasserstoff ($\text{H}_2$) mithilfe elektrischer Energie durch alkalische Elektrolyse von Wasser,

(2) Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) aus der Luft zu Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$) und Wasser,

(3) Umsetzung des Kohlenstoffmonoxids mit Wasserstoff unter hohem Druck an einem Katalysator zu Methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$).

Aus dem grünen Methanol kann im Anschluss durch Reaktion mit Phosgen ($\text{COCl}_2$) unter Abspaltung von Chlorwasserstoff ($\text{HCl}$) die Synthese von Dimethylcarbonat erfolgen.

Material 3: Grünes Methanol in Brennstoffzellen

Grünes Methanol kann in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) elektrochemisch genutzt werden. Diese Direkt-Methanol-Brennstoffzelle besteht aus Elektrodenräumen, die durch eine Polymermembran getrennt sind. Auf der Anodenseite (Minuspol) werden Methanol und Wasser katalytisch zu gasförmigem Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Zum Ladungsausgleich können Ionen die Polymermembran durchwandern. Auf der Kathodenseite (Pluspol) strömt Luft gegen die Elektrode. Die Sauerstoff-Moleküle aus der Luft reagieren hier mit Oxonium-Ionen zu Wasser-Molekülen.

In der Praxis wird bei der DMFC eine Zellspannung von ca. $0{,}6\text{ V}$ erreicht. Die Energieeffizienz (Wirkungsgrad) beträgt bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ca. $12\,\%$. Im Vergleich hierzu erzielt ein Lithium-Ionen-Akkumulator in Verbindung mit einem Elektromotor eine Energieeffizienz von ca. $80\,\%$.

Zusatzinformationen:

Molares Volumen (bei $T = 298{,}15\text{ K}$; $p = 101{,}325\text{ kPa}$)

$V_\text{m} = 24{,}5\text{ L}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Konstante

$F = 96\,485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faradaysches Gesetz

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

Tabelle 1: Standardpotentiale bei $T = 298{,}15\text{ K}$; $p = 101{,}325\text{ kPa}$ und $c = 1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$ Stoff · Teilgleichung · Standardpotential ($E^0$)

Natrium · $\text{Na} \rightleftharpoons \text{Na}^+ + \text{e}^-$ · $-2{,}71\text{ V}$

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

Methanol ($\text{pH} = 0$) · $\text{CH}_3\text{OH} + 7\,\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO}_2 + 6\,\text{H}_3\text{O}^+ + 6\,\text{e}^-$ · $0{,}04\text{ V}$

Sauerstoff ($\text{pH} = 14$) · $4\,\text{OH}^- \rightleftharpoons \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + 4\,\text{e}^-$ · $0{,}40\text{ V}$

Sauerstoff ($\text{pH} = 0$) · $6\,\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{O}_2 + 4\,\text{H}_3\text{O}^+ + 4\,\text{e}^-$ · $1{,}23\text{ V}$

Tabelle 2: Überspannungen verschiedener Gase an Graphit (für Stromdichte $0{,}1\text{ A}\cdot\text{cm}^{-2}$) Stoff · Überspannung an Graphit ($E^*$)

Wasserstoff · $-0{,}97\text{ V}$

Sauerstoff · $+1{,}10\text{ V}$

3. Zeichnen Sie den Aufbau der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (Material 3) mit Beschriftung. Erläutern Sie die elektrochemischen Vorgänge am Minus- und am Pluspol und geben Sie dabei die jeweiligen Elektrodenreaktionen an. Vergleichen Sie die praktisch erreichte Zellspannung der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit derjenigen Zellspannung, die sich unter Standardbedingungen ($\mathrm{pH} = 0$) ergibt. (18 Punkte)

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

Für Abschlussfahrten oder den letzten Schultag werden oft T-Shirts oder Sweatshirts mit individuellem Aufdruck bestellt.

Wer kurzfristig ein Kleidungsstück mit einem Motiv oder Schriftzug versehen will, kann hierfür auch den heimischen Drucker nutzen. In der Industrie wird meist unmittelbar auf die ausgewählten Baumwollshirts gedruckt; zu Hause verwendet man dagegen spezielle Folien, die mit einem Tintenstrahldrucker bedruckt und anschließend auf das Kleidungsstück gebügelt werden. Die dafür vorgesehenen Inkjet-Tinten enthalten häufig Azofarbstoffe, z. B. Chrysoidin.

Chrysoidin zeigt in Abhängigkeit vom pH-Wert unterschiedliche Farben, da das Farbstoff-Molekül in saurer Lösung an der Azogruppe protoniert wird. Der Farbstoff kann aus Anilin und 1,3-Diaminobenzol unter Verwendung von Natriumnitrit und Salzsäure hergestellt werden.

Synthese von Chrysoidin

Zur Synthese von Chrysoidin wird zunächst Benzol nitriert, wobei Nitrobenzol entsteht. Die Hälfte des Nitrobenzols wird zu Anilin reduziert und diazotiert (Komponente A). Die andere Hälfte des Nitrobenzols wird ein weiteres Mal nitriert (1,3-Dinitrobenzol) und anschließend mit Wasserstoff zu 1,3-Diaminobenzol (Komponente B) reduziert. Beide Komponenten lässt man nun zu Chrysoidin reagieren.

Vom Direktfarbstoff zum Reaktivfarbstoff

Anstatt der ursprünglichen Azofarbstoffe werden zum Bedrucken von Baumwollstoffen heute modifizierte Farbstoff-Moleküle verwendet. Um den Direktfarbstoff in einen Reaktivfarbstoff umzuwandeln, wird am Farbstoff-Molekül ein sogenanntes Anker-Molekül angefügt. Beim Färbevorgang einer Baumwollfaser mit diesem so gebildeten Reaktivfarbstoff entsteht eine salzsaure Lösung.

Zusatzinformationen:

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

Reaktivfarbstoffe besitzen reaktive Gruppen, die mit den funktionellen Gruppen der Faseroberfläche reagieren können.

1. Erklären Sie ganz allgemein, wodurch Azofarbstoffe farbig erscheinen. Geben Sie für das Chrysoidin-Molekül in neutraler Lösung eine zusätzliche mesomere Grenzstruktur sowie für die Protonierung des Chrysoidin-Moleküls in saurer Lösung eine Reaktionsgleichung an. Erklären Sie mithilfe mesomerer Grenzstrukturen, warum die Farbe in neutraler und saurer Lösung verschieden ist, und nennen Sie dabei die Bereiche der Absorptionsmaxima.

[28 Punkte]

a)

b)

c)

d)

e)

Zustand

Bereich des Absorptionsmaximums

Beobachtete Farbe

Neutrale Lösung (unprotoniert)

Saure Lösung (protoniert)

Fachspezifische Vorgaben:

Für Abschlussfahrten oder den letzten Schultag werden oft T-Shirts oder Sweatshirts mit individuellem Aufdruck bestellt.

Wer kurzfristig ein Kleidungsstück mit einem Motiv oder Schriftzug versehen will, kann hierfür auch den heimischen Drucker nutzen. In der Industrie wird meist unmittelbar auf die ausgewählten Baumwollshirts gedruckt; zu Hause verwendet man dagegen spezielle Folien, die mit einem Tintenstrahldrucker bedruckt und anschließend auf das Kleidungsstück gebügelt werden. Die dafür vorgesehenen Inkjet-Tinten enthalten häufig Azofarbstoffe, z. B. Chrysoidin.

Chrysoidin zeigt in Abhängigkeit vom pH-Wert unterschiedliche Farben, da das Farbstoff-Molekül in saurer Lösung an der Azogruppe protoniert wird. Der Farbstoff kann aus Anilin und 1,3-Diaminobenzol unter Verwendung von Natriumnitrit und Salzsäure hergestellt werden.

Synthese von Chrysoidin

Zur Synthese von Chrysoidin wird zunächst Benzol nitriert, wobei Nitrobenzol entsteht. Die Hälfte des Nitrobenzols wird zu Anilin reduziert und diazotiert (Komponente A). Die andere Hälfte des Nitrobenzols wird ein weiteres Mal nitriert (1,3-Dinitrobenzol) und anschließend mit Wasserstoff zu 1,3-Diaminobenzol (Komponente B) reduziert. Beide Komponenten lässt man nun zu Chrysoidin reagieren.

Vom Direktfarbstoff zum Reaktivfarbstoff

Anstatt der ursprünglichen Azofarbstoffe werden zum Bedrucken von Baumwollstoffen heute modifizierte Farbstoff-Moleküle verwendet. Um den Direktfarbstoff in einen Reaktivfarbstoff umzuwandeln, wird am Farbstoff-Molekül ein sogenanntes Anker-Molekül angefügt. Beim Färbevorgang einer Baumwollfaser mit diesem so gebildeten Reaktivfarbstoff entsteht eine salzsaure Lösung.

Zusatzinformationen:

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

Reaktivfarbstoffe besitzen reaktive Gruppen, die mit den funktionellen Gruppen der Faseroberfläche reagieren können.

2. Entwickeln Sie Reaktionsschemata für die Umsetzung von Benzol zu 1,3-Dinitrobenzol. Geben Sie für die Reaktion der Diazonium-Ionen mit 1,3-Diaminobenzol-Molekülen den Reaktionstyp sowie eine Reaktionsgleichung an. Erläutern Sie den Reaktionsverlauf in einzelnen Schritten und nutzen Sie dazu passende, vereinfachte Strukturformeln. (18 Punkte)

a)

b)

c)

Fachspezifische Vorgaben:

Für Abschlussfahrten oder den letzten Schultag werden oft T-Shirts oder Sweatshirts mit individuellem Aufdruck bestellt.

Wer kurzfristig ein Kleidungsstück mit einem Motiv oder Schriftzug versehen will, kann hierfür auch den heimischen Drucker nutzen. In der Industrie wird meist unmittelbar auf die ausgewählten Baumwollshirts gedruckt; zu Hause verwendet man dagegen spezielle Folien, die mit einem Tintenstrahldrucker bedruckt und anschließend auf das Kleidungsstück gebügelt werden. Die dafür vorgesehenen Inkjet-Tinten enthalten häufig Azofarbstoffe, z. B. Chrysoidin.

Chrysoidin zeigt in Abhängigkeit vom pH-Wert unterschiedliche Farben, da das Farbstoff-Molekül in saurer Lösung an der Azogruppe protoniert wird. Der Farbstoff kann aus Anilin und 1,3-Diaminobenzol unter Verwendung von Natriumnitrit und Salzsäure hergestellt werden.

Synthese von Chrysoidin

Zur Synthese von Chrysoidin wird zunächst Benzol nitriert, wobei Nitrobenzol entsteht. Die Hälfte des Nitrobenzols wird zu Anilin reduziert und diazotiert (Komponente A). Die andere Hälfte des Nitrobenzols wird ein weiteres Mal nitriert (1,3-Dinitrobenzol) und anschließend mit Wasserstoff zu 1,3-Diaminobenzol (Komponente B) reduziert. Beide Komponenten lässt man nun zu Chrysoidin reagieren.

Vom Direktfarbstoff zum Reaktivfarbstoff

Anstatt der ursprünglichen Azofarbstoffe werden zum Bedrucken von Baumwollstoffen heute modifizierte Farbstoff-Moleküle verwendet. Um den Direktfarbstoff in einen Reaktivfarbstoff umzuwandeln, wird am Farbstoff-Molekül ein sogenanntes Anker-Molekül angefügt. Beim Färbevorgang einer Baumwollfaser mit diesem so gebildeten Reaktivfarbstoff entsteht eine salzsaure Lösung.

Zusatzinformationen:

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

Reaktivfarbstoffe besitzen reaktive Gruppen, die mit den funktionellen Gruppen der Faseroberfläche reagieren können.

3. Erläutern Sie auf molekularer Ebene, wie Direktfarbstoffe und Reaktivfarbstoffe an Baumwoll-Sweatshirts haften, und greifen Sie dabei auf Chrysoidin sowie den Farbstoff mit Dichlortriazin-Anker als Beispiele zurück. Diskutieren Sie, ob sich Chrysoidin als farbgebender Bestandteil einer Inkjet-Tinte für Baumwoll-Sweatshirts eignet, und beziehen Sie sich dabei auf das Kriterium „Auswaschbarkeit des Farbstoffs“.

a)

b)

Fachspezifische Vorgaben:

Plastikmüll zählt zu den drängenden Problemen der Gegenwart: Er wird entweder unkontrolliert in der Umwelt verteilt oder landet in großen Mengen auf Deponien. Zahlreiche Kunststoffe, darunter Polyethen, werden nicht abgebaut. Ihre Eigenschaften, die im Außenbereich etwa bei Abdeckfolien oder Fischereinetzen nützlich sind, erweisen sich bei der Entsorgung als Nachteil. Es sind daher Lösungsansätze gefragt.

Biologisch abbaubare Kunststoffe

Schon vor 20 Jahren wurde von Chemikern der vollständig biologisch abbaubare Kunststoff ecoflex ® entwickelt. Folien und Verpackungen aus ecoflex ® verrotten gemeinsam mit dem Biomüll in der Kompostieranlage. Dabei zersetzen Mikroorganismen das Polymer enzymatisch in die ursprünglichen Bausteine und verwerten diese zu natürlichen Stoffwechselprodukten. Nach drei Monaten bleiben vom Kunststoff lediglich Wasser und Kohlenstoffdioxid übrig. Bei der Herstellung von ecoflex ® reagieren Adipinsäure, Butan-1,4-diol und Terephthalsäure (mithilfe eines Katalysators) unter Wasserabspaltung zum fertigen Polymer.

Mit BAK 1095 ® brachte ein anderer Hersteller einen Kunststoff auf den Markt, in dem ε-Caprolactam die Terephthalsäure ersetzt. Wie bei der Synthese von ecoflex ® werden zusätzlich Butan-1,4-diol und Adipinsäure als Monomere eingesetzt.

Herstellung von Adipinsäure

Großtechnisch wird Adipinsäure in zwei Reaktionsschritten aus Cyclohexan gewonnen. In einem ersten Schritt wird Cyclohexan mit Luftsauerstoff zu einem Cyclohexanol/Cyclohexanon-Gemisch oxidiert. Nach Abtrennung von nicht umgesetztem Cyclohexan reagiert das Gemisch mit Salpetersäure zu Adipinsäure und nitrosen Gasen. Zur optimalen Steuerung der Reaktion ist es notwendig, die Zusammensetzung des Stoffgemisches zu kennen, wobei die Bestimmung der Salpetersäurekonzentration mittels Titration erfolgen kann.

Zusatzinformationen:

Salpetersäure: $\text{HNO}_3$, starke Säure

1. Formulieren Sie unter Verwendung von Strukturformeln eine Reaktionsgleichung für die Synthese von ecoflex &reg; und geben Sie den Reaktionstyp mit Begründung an. Stellen Sie eine Hypothese auf, weshalb ecoflex &reg; anders als Polyethen biologisch abbaubar ist, und beschreiben Sie dazu die jeweilige Struktur. Diskutieren Sie anhand der Beispiele Abdeckfolie und Fischereinetze, ob es sinnvoll ist, Polyethen durch biologisch abbaubare Kunststoffe zu ersetzen. [22 Punkte]

a)

b)

c)

d)

Fachspezifische Vorgaben:

Plastikmüll zählt zu den drängenden Problemen der Gegenwart: Er wird entweder unkontrolliert in der Umwelt verteilt oder landet in großen Mengen auf Deponien. Zahlreiche Kunststoffe, darunter Polyethen, werden nicht abgebaut. Ihre Eigenschaften, die im Außenbereich etwa bei Abdeckfolien oder Fischereinetzen nützlich sind, erweisen sich bei der Entsorgung als Nachteil. Es sind daher Lösungsansätze gefragt.

Biologisch abbaubare Kunststoffe

Schon vor 20 Jahren wurde von Chemikern der vollständig biologisch abbaubare Kunststoff ecoflex ® entwickelt. Folien und Verpackungen aus ecoflex ® verrotten gemeinsam mit dem Biomüll in der Kompostieranlage. Dabei zersetzen Mikroorganismen das Polymer enzymatisch in die ursprünglichen Bausteine und verwerten diese zu natürlichen Stoffwechselprodukten. Nach drei Monaten bleiben vom Kunststoff lediglich Wasser und Kohlenstoffdioxid übrig. Bei der Herstellung von ecoflex ® reagieren Adipinsäure, Butan-1,4-diol und Terephthalsäure (mithilfe eines Katalysators) unter Wasserabspaltung zum fertigen Polymer.

Mit BAK 1095 ® brachte ein anderer Hersteller einen Kunststoff auf den Markt, in dem ε-Caprolactam die Terephthalsäure ersetzt. Wie bei der Synthese von ecoflex ® werden zusätzlich Butan-1,4-diol und Adipinsäure als Monomere eingesetzt.

Herstellung von Adipinsäure

Großtechnisch wird Adipinsäure in zwei Reaktionsschritten aus Cyclohexan gewonnen. In einem ersten Schritt wird Cyclohexan mit Luftsauerstoff zu einem Cyclohexanol/Cyclohexanon-Gemisch oxidiert. Nach Abtrennung von nicht umgesetztem Cyclohexan reagiert das Gemisch mit Salpetersäure zu Adipinsäure und nitrosen Gasen. Zur optimalen Steuerung der Reaktion ist es notwendig, die Zusammensetzung des Stoffgemisches zu kennen, wobei die Bestimmung der Salpetersäurekonzentration mittels Titration erfolgen kann.

Zusatzinformationen:

Salpetersäure: $\text{HNO}_3$, starke Säure

2. Erläutern Sie, wie BAK 1095 &reg; synthetisiert wird, und geben Sie dabei die Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln an. Beurteilen Sie, ob auch BAK 1095 &reg; grundsätzlich zu den biologisch abbaubaren Kunststoffen zählt. Skizzieren Sie die beschriebenen Schritte der Adipinsäure-Synthese, die von Cyclohexan ausgeht, in einer schematischen Übersicht. [24 Punkte]

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Fachspezifische Vorgaben:

Plastikmüll zählt zu den drängenden Problemen der Gegenwart: Er wird entweder unkontrolliert in der Umwelt verteilt oder landet in großen Mengen auf Deponien. Zahlreiche Kunststoffe, darunter Polyethen, werden nicht abgebaut. Ihre Eigenschaften, die im Außenbereich etwa bei Abdeckfolien oder Fischereinetzen nützlich sind, erweisen sich bei der Entsorgung als Nachteil. Es sind daher Lösungsansätze gefragt.

Biologisch abbaubare Kunststoffe

Schon vor 20 Jahren wurde von Chemikern der vollständig biologisch abbaubare Kunststoff ecoflex ® entwickelt. Folien und Verpackungen aus ecoflex ® verrotten gemeinsam mit dem Biomüll in der Kompostieranlage. Dabei zersetzen Mikroorganismen das Polymer enzymatisch in die ursprünglichen Bausteine und verwerten diese zu natürlichen Stoffwechselprodukten. Nach drei Monaten bleiben vom Kunststoff lediglich Wasser und Kohlenstoffdioxid übrig. Bei der Herstellung von ecoflex ® reagieren Adipinsäure, Butan-1,4-diol und Terephthalsäure (mithilfe eines Katalysators) unter Wasserabspaltung zum fertigen Polymer.

Mit BAK 1095 ® brachte ein anderer Hersteller einen Kunststoff auf den Markt, in dem ε-Caprolactam die Terephthalsäure ersetzt. Wie bei der Synthese von ecoflex ® werden zusätzlich Butan-1,4-diol und Adipinsäure als Monomere eingesetzt.

Herstellung von Adipinsäure

Großtechnisch wird Adipinsäure in zwei Reaktionsschritten aus Cyclohexan gewonnen. In einem ersten Schritt wird Cyclohexan mit Luftsauerstoff zu einem Cyclohexanol/Cyclohexanon-Gemisch oxidiert. Nach Abtrennung von nicht umgesetztem Cyclohexan reagiert das Gemisch mit Salpetersäure zu Adipinsäure und nitrosen Gasen. Zur optimalen Steuerung der Reaktion ist es notwendig, die Zusammensetzung des Stoffgemisches zu kennen, wobei die Bestimmung der Salpetersäurekonzentration mittels Titration erfolgen kann.

Zusatzinformationen:

Salpetersäure: $\text{HNO}_3$, starke Säure

3. Erläutern Sie die Säure-Base-Theorie nach Brønsted am Beispiel der Salpetersäure und ziehen Sie dazu auch eine Protolysegleichung heran. Beschreiben Sie in Stichpunkten, wie eine Säure-Base-Titration von Salpetersäure mit Natronlauge abläuft. [14 Punkte]

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