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In den Aufgabenstellungen werden unterschiedliche Operatoren (Arbeitsan-weisungen) verwendet; sie weisen auf unterschiedliche Anforderungsbereiche (Schwierigkeitsgrade) hin und bedeuten, dass unterschiedlich viele Punkte erzielt werden können. Die Lösungen zeigen beispielhaft, welche Antworten die verschiedenen Operatoren erfordern.

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Die Veröffentlichung der Abitur-Prüfungsaufgaben erfolgt mit Genehmigung des zuständigen Kultusministeriums.

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Für die Fächer Deutsch, Englisch, Mathematik, Geschichte,Biologie, Chemie, Physik sowie Politik und Wirtschaft

Originalklausurmit Musterlösung

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AbiturChemieAufgabeI: NeutralisationstitrationAufgabeII: GuarkernmehlAufgabeIII: PolyhydroxibutansäureAufgabeIV: Zink(verbindungen)

Prüfungsfach: Chemie Aufgabe I

Haupttermin 2007 Blatt 1-2

Anlagen zu Aufgabe I siehe Blatt 2

Prüfungsfach: Chemie Aufgabe I


Prüfungsfach: Chemie Aufgabe II


Prüfungsfach: Chemie Aufgabe III

Haupttermin 2007

Prüfungsfach: Chemie Aufgabe IV


Prüfungsfach: Chemie Anlagen Anlage 1 Seite 1 und 2

Haupttermin 2007 Anlage 2 Seite 3

Seite1



Seite2



Seite3

© Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008 1

Musterlösung für die Prüfungsaufgaben Abitur Prüfungsfach: Chemie (Baden-Württemberg 2007, Aufgabenstellungen I, II und III) Hinweis: Die gesamte Abiturprüfung besteht aus vier voneinander unabhängigen Aufgabenstellungen, von denen der Prüfling drei zur Bearbeitung auswählen muss. Hier wird die Lösung der Aufgabenstellungen I, II und III beschrieben.

Aufgabenstellung I Neutralisationsreaktionen 1 Neutralisationstitration 1.1 In zwei getrennten Versuchen werden 10 ml Salzsäure und 10 ml Essigsäure jeweils mit

20 ml Natronlauge titriert. Die Konzentrationen aller beteiligten Lösungen betragen jeweils c = 0,1 mol · l–1. Drei Titrationskurven sind im Material gegeben; jedem Versuch soll daraus eine zutreffende Kurve zugeordnet werden.

Gang der Überlegung:

Der pH-Wert ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Konzentration an Oxonium-Ionen (H3O+): pH = –log c(H3O+).

Salzsäure ist eine starke Säure. Die Protolyse gemäß HCl + H2O Cl– + H3O+ verläuft vollständig, das Gleichgewicht liegt auf der rechten Seite. Demnach entspricht die Konzentration an Oxonium-Ionen in der Salzsäure der gegebenen Ausgangskonzentration von 0,1 mol · l–1. Dies lässt sich umrechnen gemäß pH = –log (0,1) = 1. Die Titrationskurve der Salzsäure muss also etwa bei pH = 1 beginnen. ⇒ Kurve C kommt hier nicht in Frage.

Essigsäure ist eine schwache Säure, d. h., die Protolyse erfolgt nicht vollständig. Der pH-Wert einer Essigsäure-Lösung der Konzentration c = 0,1 mol · l–1 muss also größer als 1 sein. ⇒ Es kommt nur Kurve C in Frage, sie ist damit bereits eindeutig zugeordnet.

Man kann den pH-Wert der Essigsäure-Lösung zu Beginn der Titration auch genauer berechnen. Für die Reaktion CH3COOH + H2O CH3COO– + H3O+ gilt nach dem Massenwirkungsgesetz (MWG)

COOH)(CH

)OH()COO(CH

3

3-

3S c

ccK

+⋅= .

Aus Gründen der Elektroneutralität und gemäß des o. g. Protolysegleichgewichts muss gelten c(CH3COO–) = c(H3O+). Außerdem kann man, da das Gleichgewicht


auf der linken Seite liegt – Essigsäure ist eine schwache Säure! – die Näherung c(CH3COOH) ≈ c0(CH3COOH) einführen. Setzt man diese beiden Beziehungen in das MWG ein, so erhält man

COOH)(CH

)OH(

30

32

S cc

K+

= .

Umformen nach c(H3O+) führt zu

COOH)(CH)OH( 30S3 cKc ⋅=+ .

Einsetzen des Tabellenwerts von KS und der in der Aufgabenstellung genannten Ausgangskonzentration von Essigsäure ergibt

2,88. )O(H log pH

mol001323,0mol1,01075,1)OH(

3

12253

=−=

⋅=⋅⋅⋅=+

−−−+

c

llc

Auch aus dieser genaueren Betrachtung ergibt sich, dass für die Titration der Essigsäure nur Kurve C in Betracht kommt.

Für den Fall der Salzsäure muss nun noch zwischen Kurve A und Kurve B unterschieden werden. Nach der Titration liegen 20 ml kochsalzhaltige Natronlauge vor: Die ersten 10 ml der zugegebenen Natronlauge wurden zur Neutralisation der Salzsäure verbraucht gemäß NaOH + HCl NaCl + H2O, die weiteren 10 ml Natronlauge enthalten 0,1 mol · l–1 · 0,01 l = 0,001 mol Natriumhydroxid (NaOH).

Da Natriumhydroxid eine starke Lauge ist, liegt es in wässriger Lösung vollständig dissoziiert vor. Im gesamten Lösungsvolumen von nun 30 ml sind also 0,001 mol OH–-Ionen enthalten. Das entspricht einer Stoffmengenkonzentration von 0,001 mol / 0,03 l = 0,0333 mol · l–1. Der pH-Wert dieser Lösung lässt sich gemäß pH = 14 – pOH berechnen; der pOH-Wert ergibt sich aus pH = –log c(OH–) ≈ 1,48. Also ist pH ≈ 14 – 1,48 ≈ 12,52. Dieser End-pH-Wert wird bei den Kurven B und C erreicht, wobei wir Kurve C ja bereits der Essigsäure zugeordnet hatten. Für die Titration der Salzsäure ist also Kurve B die einzig mögliche.

1.2 Ein Indikator ist geeignet, wenn sein Umschlagsbereich in jenem pH-Bereich liegt, in dem die Titrationskurve nahezu senkrecht nach oben verläuft. Kresolrot ist demnach völlig ungeeignet, da sein Umschlagsbereich viel zu weit im sauren Bereich liegt. Methylorange kann man für die Titrationskurve B (Neutralisation von Salzsäure mit Natronlauge) verwenden, nicht aber für Titrationskurve C (Neutralisation von Essigsäure mit Natronlauge), denn im letzteren Fall würde der Indikator gleich zu Beginn der Titration und nicht erst in der Nähe des Äquivalenzpunkts seine Farbe wechseln. Bromthymolblau und Phenolphthalein sind für die beiden Fälle B und C gut geeignet, wobei in der Praxis meist Phenolphthalein verwendet wird, da dessen Umschlagsbereich dem Äquivalenzpunkt am nächsten kommt.

1.3 Es soll untersucht werden, was geschieht, wenn man 10 ml Essigsäure der Konzentration c = 0,1 mol · l–1 mit 5 ml Natronlauge der gleichen Konzentration versetzt.

Es wird die Hälfte (50 %) der Essigsäure-Moleküle deprotoniert. Begründung: Natronlauge ist eine starke Lauge und unter den gegebenen Bedingungen praktisch vollständig dissoziiert:

NaOH OH– + Na+,

d. h., dieses Gleichgewicht liegt praktisch vollständig auf der rechten Seite. Die dadurch gelieferten Hydroxid-Ionen reagieren mit den Oxonium-Ionen, die durch Dissoziation der Essigsäure gebildet werden:

OH– + H3O+ 2 H2O.


Auch dieses Gleichgewicht liegt praktisch vollständig auf der rechten Seite, wie aus dem Ionenprodukt des Wassers hervorgeht:

KW = c(OH–) · c(H3O+) = 10–14 mol2 · l–2.

Deswegen werden so lange Oxonium-Ionen durch Protolyse der Essigsäure nachgebildet, bis die Hydroxid-Ionen aus der Natronlauge (fast) vollständig gebunden sind.

CH3COOH + H2O CH3COO– + H3O+.

Diese Lösung enthält also Essigsäure als eine schwache Säure und ihr Natriumsalz in gleichen Mengen:

c(CH3COOH) = c(CH3COO–Na+) = (0,0005 mol / 0,015 l) ≈ 0,033 mol · l–1.

Eine solche Lösung hält den pH-Wert trotz Zugabe von Säuren oder Basen in engen Grenzen konstant. Man bezeichnet sie als Pufferlösung.

Der pH-Wert der Lösung lässt sich mithilfe des Massenwirkungsgesetzes berechnen:

COOH)(CH

)OH()COO(CH

3

3-

3S c

ccK

+⋅= bzw. .

COOH)(CH)OH()COO(CH

logp3

3-

3S c

ccK

+⋅−=

Da nach den oben angestellten Überlegungen c(CH3COOH) = c(CH3COO–) ist, kann man diese beiden Größen gegeneinander aus dem Term für pKS kürzen, es bleibt

pH )O(H log 1

)OH(1logp 3

3S =−=

⋅−= +

+

cc

K ,

also pH = 4,76 (vgl. Material).

Wenn man dieser Pufferlösung wenige Tropfen verdünnte Salzsäure bzw. verdünnte Natronlauge hinzufügt, ändert sich der pH-Wert praktisch nicht. Eine Erklärung hierfür kann qualitativ mithilfe des Prinzips von LECHATELIER gegeben werden. Grundlage hierfür ist wiederum das Protolysegleichgewicht der Essigsäure:

CH3COOH + H2O CH3COO– + H3O+.

In der Pufferlösung sind gleiche Mengen Essigsäure-Moleküle und Acetat-Ionen enthalten. Wird nun durch Zugabe einer Säure die Konzentration an Oxonium-Ionen erhöht, so werden diese durch Reaktion mit Acetat-Ionen abgefangen; das führt zu einer Verschiebung des o. g. Gleichgewichtes nach links. Werden im anderen Fall der Lösung durch Zugabe einer Lauge Hydroxid-Ionen hinzugefügt, so werden diese mit vorhandenen Oxonium-Ionen neutralisiert. Die verbrauchten Oxonium-Ionen werden jedoch durch Verschiebung des o. g. Gleichgewichtes nach rechts nachgebildet. In beiden Fällen bleiben die Konzentration an Oxonium-Ionen und damit auch der pH-Wert in der Lösung weitgehend konstant.

10 ml einer Salzsäure mit c = 0,1 mol · l–1 werden mit 5 ml Natronlauge der gleichen Konzentration versetzt. Das Gesamtvolumen der Lösung beträgt nun 15 ml (0,015 l). Die ursprüngliche Stoffmenge an Oxonium-Ionen in der Salzsäure-Portion betrug

mol.0,001 01,0mol1,0 -1 =⋅⋅=⋅= llVcn

Die Stoffmenge an Hydroxid-Ionen der Natronlauge-Portion war genau halb so groß. Nimmt man an, dass die Neutralisationsreaktion quantitativ verläuft (das ist angesichts des Ionenprodukts des Wassers eine zulässige Näherung), verbleiben also noch 0,0005 mol Oxonium-Ionen in einem Gesamtvolumen von 0,015 l.


.mol0,033 015,0

mol0005,0 1-llV

nc ⋅≈==

Der pH-Wert berechnet sich dann gemäß

.48,1)033,0log( )O(H log pH 3 ≈−=−= +c

2 Neutralisationsenthalpie Die Standard-Neutralisationsenthalpie ΔNH0 soll am Beispiel der Reaktion von Salzsäure mit Natronlauge ermittelt werden.

Eine Apparatur für kalorimetrische Messungen muss es ermöglichen, die Veränderung der Temperatur des Reaktionsgemischs während der Reaktion so genau wie möglich zu ermitteln. Dabei soll ein Wärmeaustausch mit der Umgebung ausgeschlossen werden und das Reaktionsgemisch sollte während der Reaktion gerührt werden. Ein geeigneter Aufbau könnte wie folgt aussehen:

Das Kalorimetergefäß soll verschließbar und möglichst gut thermisch isoliert sein, also z. B. ein Thermosgefäß oder (einfacher) zwei ineinander gestellte Bechergläser, deren Zwischenraum z. B. mit Alufolie ausgekleidet ist. Die beiden Lösungen sollen zu Beginn des Versuchs die gleiche Temperatur haben. Der

Thermometer, alternativ: elektronisches Temperatur-messgerät mit Messfühler

Deckel

Kalorimetergefäß

Reaktionsgemisch

Magnetrührstab

Magnetrührer


Verlauf der Temperatur muss so lange gemessen werden, bis sich ein konstanter Wert einstellt.

Gegeben sind folgende Informationen: V(NaOH) = 100 ml, c(NaOH) = 1 mol · l–1 ⇒ n(OH–) = 0,1 mol V(HCl) = 100 ml, c(HCl) = 1 mol · l–1 ⇒ n(H3O+) = 0,1 mol Δϑ = 5,2 K, CKal = 215,9 J · K–1, cW = 4,18 J · g–1 · K–1. Gemäß Aufgabentext darf angenommen werden, dass das Reaktionsgemisch die gleiche Wärmekapazität cW und die gleiche Dichte (ρ = 1,0 g · cm–3) wie Wasser hat.

Während der Reaktion wird Wärme frei, die zur Erwärmung des Reaktionsgemischs und zur Erwärmung des Kalorimetergefäßes dient:

)( GefäßGemischgesamt QQQ Δ+Δ−=Δ .

Das Reaktionsgemisch erwärmt sich um 5,2 K. Die dafür benötigte Wärmemenge lässt sich berechnen gemäß:

J2,4347K2,5KgJ4,18g200 11WGemisch =⋅⋅⋅⋅=Δ⋅⋅=Δ −−ϑcmQ .

Das Kalorimetergefäß erwärmt sich ebenfalls um 5,2 K. Die dafür benötigte Wärmemenge lässt sich berechnen gemäß:

J68,1122K2,5KJ215,9 1KalGefäß =⋅⋅=Δ⋅=Δ −ϑCQ .

Die gesamte Wärmemenge beträgt also:

kJ5,47J88,5469J)68,1122J2,4347(gesamt −≈−=+−=ΔQ .

Da diese Wärmemenge vom reagierenden System abgegeben wird, hat sie ein negatives Vorzeichen. Wenn man von der Reaktionswärme zur molaren Reaktionsenthalpie kommen will, muss man einerseits sicherstellen, dass der untersuchte Vorgang bei konstantem Druck abläuft (was bei dem gewählten Aufbau der Fall ist), und andererseits die Stoffmengen einbeziehen. In dieser Aufgabe werden 0,1 mol Hydroxid-Ionen mit 0,1 mol Oxonium-Ionen umgesetzt:

OH– + H3O+ 2 H2O.

Also muss man das Ergebnis nur noch durch die Stoffmenge teilen:

1gesamt0N molkJ7,54

mol 0,1kJ5,47 −⋅−=

−=

Δ=Δ

nQ

H .

Verwendet man Kalilauge statt Natronlauge und Salpetersäure statt Salzsäure, ist (im Rahmen der Messgenauigkeit des Versuchs) das gleiche Ergebnis zu erwarten, denn die Alkalimetall-Kationen und die Säurerest-Anionen sind an der Neutralisationsreaktion nicht beteiligt.


Aufgabenstellung II Organische Makromoleküle in der Natur – Kohlenhydrate und Proteine 1 Struktur und Eigenschaften von Guaran (Bestandteil des Guarkernmehls)

Die Aufgabenstellung enthält einen längeren Informationstext, der sorgfältig gelesen und ausgewertet werden muss.

In der ersten Teilaufgabe sollen die Strukturen von D-Galactose und D-Mannose in der offenkettigen Form miteinander verglichen werden. Die offenkettige Form von D-Galactose ist in der Aufgabenstellung bereits gegeben. Von D-Mannose muss die offenkettige Form durch Ringöffnung und Umwandlung in die FISCHER-Projektion erzeugt werden.

β-D-Mannose D-Mannose

Nun kann man die beiden Formeln einander gegenüberstellen:

D-Galactose D-Mannose

Man sieht, dass es sich bei den beiden Monosacchariden um Aldohexosen handelt: sechsatomige Kohlenstoffkette mit einer Aldehydgruppe an C-1. Beide enthalten jeweils vier asymmetrische Kohlenstoffatome im Molekül. Beide gehören der D-Reihe an, was sich aus der Konfiguration an C-5 ableiten lässt. Die beiden Moleküle unterscheiden sich aber hinsichtlich der Konfiguration an den beiden Kohlenstoffatomen C-2 und C-4. Es handelt sich um Diastereomere.


Der Aufbau des Guaran-Moleküls ist im Text beschrieben. Als Bausteine benötigt man β-D-Mannose-Einheiten, die in der Aufgabenstellung bereits dargestellt sind, und α-D-Galactose-Einheiten, die man aus der offenkettigen Form zunächst erzeugen muss:

D-Galactose α-D-Galactose

Aus diesen Bausteinen kann man das Makromolekül aufbauen:

Ob ein Zucker (sei es nun ein Mono-, Di-, Oligo- oder Polysaccharid) reduzierende

Eigenschaften hat, kann man mithilfe der FEHLING-Probe erkennen. Reduzierende Eigenschaften können nur dann auftreten, wenn eine freie Aldehydgruppe vorliegt, die zu einer Carboxylgruppe oxidiert werden kann. Bei der FEHLING-Probe wird eine frisch hergestellte alkalische Kupfer(II)-Ionen-Lösung mit einer Probe des Zuckers im siedenden Wasserbad erhitzt. Bei positivem Ausfall, d. h. reduzierenden Eigenschaften des Zuckers, entsteht ein orangeroter bzw. ziegelroter Niederschlag von Kupfer(I)-oxid Cu2O.

Alternativ kann man auch die TOLLENS-Probe durchführen. Dabei wird eine Probe des Zuckers mit einer ammoniakalischen Silbernitratlösung erhitzt. Besitzt der Zucker reduzierende Eigenschaften, scheidet sich ein Silberspiegel an der Wand des Reagenzglases ab.

α-D-Galactose, 1,6-glycosidisch verknüpft

Kette aus 1,4-glycosidisch verknüpften β-D-Mannose-Molekülen


Können also freie Aldehydgruppen aus Guaran entstehen? Dafür müsste sich die cyclische Form von α-D-Galactose oder β-D-Mannose in die offenkettige Form umwandeln können. Doch ein Blick auf die Struktur des Guaran-Polysaccharids zeigt, dass bei allen Bausteinen die 1-Position durch eine glycosidische Bindung blockiert ist. Eine Ringöffnung ist also nicht möglich, Guaran hat folglich keine reduzierenden Eigenschaften. Die FEHLING- und die TOLLENS-Probe werden negativ ausfallen.

Ein Blick auf die Molekülstruktur des Guarans zeigt, dass es sich um ein langkettiges Polysaccharid handelt. Aufgrund der Kettenlänge wird es in Wasser nicht vollständig löslich sein. An der Hauptkette und auch an den Seitenästen aus α-D-Galactose-Einheiten befinden sich aber zahlreiche Hydroxylgruppen, an die sich Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen anlagern können. Guaran wird dabei quellen, es wirkt als Verdickungsmittel.

2 Aufbau des Haares und Wirkungsweise einer Dauerwelle

Auch diese Aufgabenstellung enthält einen längeren Informationstext, der sorgfältig gelesen und ausgewertet werden muss. Keratin ist ein Protein, also ein Polypeptid.

In der ersten Teilaufgabe soll ein Ausschnitt aus der Struktur eines Keratin-Moleküls mit der Aminosäuresequenz Serin-Cystein-Leucin gezeichnet werden. Informationen zum Aufbau der einzelnen Aminosäuren entnimmt man dem Text: Serin: L-2-Amino-3-hydroxy-propansäure Cystein: L-2-Amino-3-mercapto-propansäure (wie Serin, aber mit einer Thiolgruppe –SH anstelle der Hydroxylgruppe –OH) Leucin: L-2-Amino-4-methyl-pentansäure

Serin Cystein Leucin

Aus diesen Bausteinen kann man das Makromolekül aufbauen:

Serin Cystein Leucin

Die Aminosäuren kondensieren zu einem Polypeptid. Die entstehenden Bindungen zwischen den Aminosäure-Molekülen nennt man Peptidbindungen.


Um Stickstoff in einer organischen Substanz nachzuweisen, erhitzt man eine Probe mit konzentrierter Natronlauge oder festem NaOH. Dabei entsteht Ammoniak, der am Geruch erkannt werden kann. Hält man ein angefeuchtetes Universalindikatorpapier über das Reagenzglas, so färbt es sich blau und zeigt die alkalische Reaktion einer wässrigen Ammoniak-Lösung an:

NH3 (aq) + H2O (l) → NH4+ (aq) + OH- (aq).

Wasserstoffperoxid wirkt beim Knüpfen von Disulfid-Brücken als Oxidationsmittel, wie aus dem Text hervorgeht. Dabei entsteht Wasser gemäß der folgenden Reaktionsgleichung:

Cystein in Kette 1 Cystein in Kette 2

Um zu zeigen, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt, werden die Oxidationszahlen der beteiligten Atome ermittelt und in die Reaktionsgleichung eingefügt (s. o.). Man sieht, dass Schwefel seine Oxidationszahl von –I auf ±0 erhöht, er wird oxidiert. Die Oxidationszahl des Sauerstoffs aus dem H2O2 erniedrigt sich von –I nach –II, er wird reduziert. Die Oxidationszahlen der Wasserstoffatome ändern sich nicht; sie werden zwar übertragen, sind aber an der eigentlichen Redoxreaktion nicht beteiligt.

Es werden zunächst allgemeine Erklärungen der Begriffe gegeben und dann Bezug auf das α-Keratin genommen (Auswertung der Textinformationen).

Strukturmerkmal Erklärung (allgemein) Ausprägung beim α-Keratin

Primärstruktur Aminosäuresequenz, also Reihenfolge der Aminosäu-ren in der Peptidkette.

hier z. B. die Sequenz Serin-Cystein-Leucin

Sekundärstruktur Anordnung der Peptidkette im Raum; Betrachtungsweise mit kurzer Reichweite. Ursache: Wasserstoffbrücken zwischen den Peptidbindungen. Häufigste Varianten sind α-Helix und β-Faltblatt.

hier: α-Helix

Tertiärstruktur Weitergehende Faltung oder Verknäuelung der Peptidkette aufgrund von Wechselwirkun-

hier vorrangig: Disulfid-Brücken zwischen Cystein-Resten


gen zwischen den Amino-säureresten; Betrachtungsweise mit langer Reichweite. Kovalent: Disulfid-Brücken zwischen Cystein-Resten; Wasserstoffbrücken: zwi-schen OH-Gruppen, z. B. beim Serin; VAN-DER-WAALS-Wechselwir-kungen: zwischen unpolaren Resten, z. B. beim Leucin; ionische Wechselwirkungen: zwischen geladenen Resten, z. B. bei Glutaminsäure oder Asparaginsäure

(Wirkungsweise einer Dauerwelle)

Aufgabenstellung III 3-Hydroxybutansäure und Derivate; Kunststoffe 1 3-Hydroxybutansäure und biologisch hergestellte Polyhydroxybutansäure 1.1 FISCHER-Projektion:

D-3-Hydroxybutansäure L-3-Hydroxybutansäure

Es braucht nur eine der beiden Formeln gezeichnet zu werden. Das asymmetrische Kohlenstoffatom ist mit einem Stern gekennzeichnet. Es hat vier verschiedene Substituenten. Die beiden gezeichneten Formen der 3-Hydroxybutansäure verhalten sich wie Bild und Spiegelbild. Sie können nicht durch Rotation um Einfachbindungen ineinander überführt werden. Wenn ein Molekül nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden kann, nennt man es chiral (von griech. chira, die Hand). In der D-L-Nomenklatur betrachtet man das asymmetrische Kohlenstoffatom mit der höchsten Nummer (hier gibt es nur eines). Wenn die OH-Gruppe an diesem Atom in der FISCHER-Projektion nach rechts zeigt, gehört das Molekül zur D-Reihe, zeigt die OH-Gruppe nach links, gehört das Molekül zur L-Reihe.

1.2 3-Hydroxybutansäure ist ein bifunktionales Molekül, es enthält eine Carboxylgruppe (Säurefunktion) und eine Hydroxylgruppe (Alkoholfunktion). Die typische Reaktion von Carbonsäuren mit Alkoholen ist die Esterbildung; da 3-Hydroxybutansäure zwei


funktionelle Gruppen pro Molekül enthält, entsteht ein Polyester. Die Veresterung läuft in der Regel säurekatalysiert ab.

Da bei der Veresterung Wasser abgespalten wird, handelt es sich um eine Kondensationsreaktion bzw. hier um eine Polykondensation. Im o. a. Reaktionsschema sind die asymmetrischen Kohlenstoffatome mit einem Stern markiert, vgl. Aufgabe 1.1.

2 Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bei biologischem und synthetischem PHB Die PHB-Ketten sind unverzweigt und nicht miteinander vernetzt. Da starke intermolekulare Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen und ionische Wechselwirkungen nicht vorhanden sind und auch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen weitgehend fehlen, sind die Ketten leicht gegeneinander verschiebbar. Es ist also ein thermoplastisches Verhalten zu erwarten.

Bei biotechnologisch hergestelltem PHB (Biopol®) beträgt die Schmelztemperatur 170 oC, wie aus dem Text hervorgeht. Es ist sehr regelmäßig aufgebaut, da es aus einem enantiomerenreinen Edukt hergestellt wird: die Konfiguration an jedem der asymmetrischen Kohlenstoffatome ist gleich. Diese regelmäßig aufgebauten Polymerketten können sich gut aneinanderlagern und eine (pseudo-)kristalline Ordnung einnehmen. Die Schmelztemperatur ist also vergleichsweise hoch und liegt nahe an der Zersetzungstemperatur.

Das synthetisch gewonnene PHB wird dagegen aus racemischer 3-Hydroxybutansäure hergestellt (einfache chemische Synthesen ohne chirale Ausgangsstoffe und ohne chirale Katalysatoren liefern immer Racemate; eine enantiomerenreine 3-Hydroxybutansäure herzustellen, wäre aufwändig und teuer). Das führt zu einer statistischen Verteilung der beiden möglichen Konfigurationen an den asymmetrischen Kohlenstoffatomen in der Polymerkette. Folglich sind diese Polymerketten unregelmäßiger geknickt und gefaltet als beim Biopol®. Es kann im festen Zustand keine so hohe Ordnung ausgebildet werden, die Schmelztemperatur wird also niedriger sein. Die Zersetzungstemperatur wird bei synthetischem PHB und Biopol® hingegen kaum unterschiedlich sein, da der Kettenaufbau gleich ist. Hinsichtlich der Verarbeitung bedeutet das also einen Vorteil für das synthetische PHB.

3 Polypropen Alkene können durch radikalische Polymerisation miteinander verknüpft werden. Die Polymerisation ist eine Kettenreaktion. Um die Reaktion einzuleiten, benötigt man einen Radikalbildner wie z. B. Dibenzoylperoxid. Die erste Addition eines Propenmoleküls an ein Benzoylradikal bezeichnet man als Kettenstart. Es folgt das Kettenwachstum, wobei bei jedem Schritt ein weiteres Propenmolekül an das wachsende Makromolekül


angehängt wird. Mögliche Abbruchreaktionen sind Kettenvereinigung und Disproportionierung. Bei diesen wird die Radikaleigenschaft durch Vereinigung ungepaarter Elektronen „vernichtet“.

Radikalbildung und Kettenstart:

Die Propen-Moleküle werden, wie im o. a. Schema gezeigt, addiert, sodass ein sekundäres Radikal entsteht. Dieses ist stabiler als ein primäres Radikal, welches bei einer Addition des Propenmoleküls in der umgekehrten Orientierung entstehen würde. Dies gilt ebenso für das nun folgende Kettenwachstum:

Abbruch durch Kettenvereinigung:

Abbruch durch Disproportionierung:


4 Verwertung von PHB und Polypropen 4.1 Aus dem Text geht bereits hervor, dass PHB ein biologischer Reservestoff ist. Da es

sich bei PHB um einen Polyester handelt, werden also beim Abbau von PHB die Esterfunktionen gespalten. Enzymatisch geschieht dies durch sogenannte Esterasen. Diese Klasse von Enzymen ist in fast allen Organismen vorhanden, was erklärt, dass auch „normale“ Bodenbakterien PHB bei der Kompostierung in seine Bestandteile zerlegen können. Im Gegensatz dazu ist Polypropen als langkettiger Kohlenwasserstoff kein Naturstoff und kann nicht von Bodenbakterien zerlegt werden, da diesen die dafür notwendigen Enzyme fehlen. (Deswegen erfolgt auch der biologische Abbau von Umweltverunreinigungen durch ausgelaufenes Erdöl oder Benzin nur extrem langsam. Es gibt nur einige wenige Arten von Bakterien, die diese Stoffe zerlegen können.)

Für die Verwertung von Polypropen-Abfällen kommen grundsätzlich drei Möglichkeiten infrage. Sie sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Für die Bearbeitung dieser Aufgabe reicht die Darstellung einer Möglichkeit aus.

Verwertungsart Erklärung (allgemein) Anwendung beim Polypropen (PP)

Stoffliche Verwertung

Der Abfallstoff wird gewaschen, mechanisch zerkleinert und als Ausgangsstoff für neue Produkte desselben Stoffs verwendet.

Schmelzen des gereinigten PP-Granulats und Herstellung neuer Werkstücke, z. B. im Spritzguss-Verfahren.

Rohstoffliche Verwertung

Der Abfallstoff wird grob gereinigt und in seine chemischen Bausteine (Monomere) zerlegt, die einer erneuten Synthese zugeführt werden.

PP-Abfälle werden unter Luftabschluss hoch erhitzt (pyrolysiert), sodass wieder Propen entsteht. Dieses wird erneut polymerisiert.

Energetische Verwertung

Nutzung des Energieinhalts der Kunststoffe durch Verbrennen.

Verbrennung in Heizkraft-werken zu CO2 und H2O.

4.2 Die alkalische Hydrolyse eines Esters erfolgt üblicherweise durch Erhitzen mit Natronlauge. Dabei entstehen der Alkohol und das Natriumsalz der Carbonsäure. Letzteres kann durch Ansäuern wieder in die freie Säure überführt werden. Im Material sind jedoch keine physikalischen Daten der 3-Hydroxybutansäure (wie z. B. Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln, Siedepunkt) gegeben, sodass hier nur Vermutungen zur möglichen Abtrennung der 3-Hydroxybutansäure aus dem Reaktionsgemisch angestellt werden können.

Material: a) Geräte: Rundkolben, passender Heizpilz, Siedesteine, Rückflusskühler b) Chemikalien: PHB (zerkleinert), Natronlauge (1 M), Salzsäure (1 M), Aceton

Durchführung: Man gibt das zerkleinerte PHB mit einem etwa 5%-igen Überschuss Natronlauge und einigen Siedesteinchen in den Rundkolben, den man mit dem Rückflusskühler verschließt. Man erhitzt das Gemisch einige Zeit unter Rückfluss zum Sieden (typische Zeiten sind 20–30 Minuten), dann entfernt man den Rückflusskühler und lässt das Wasser verdampfen. Der Kolben mit dem festen Rückstand wird abgekühlt. Dann wird langsam so viel Salzsäure hinzugefügt, wie es der ursprünglichen Natronlauge-Menge entspricht. Das Gemisch enthält nun Kochsalz, Wasser und die freie 3-Hydroxybutansäure, die man möglicherweise (?) durch Ausschütteln mit Aceton abtrennen kann.


Das hier geschilderte Verfahren ist sehr energieaufwändig: Nicht nur die Esterhydrolyse, sondern auch die Herstellung der benötigten Chemikalien erfordern Energie. Mit der Verwendung eines organischen Lösungsmittels – sofern man eine Extraktion der freien 3-Hydroxybutansäure durchführen kann – kommt ein erneutes Abfall- oder Recyclingproblem hinzu. Die Kompostierung ist daher eindeutig vorzuziehen.


Die hier abgedruckten Lösungsvorschläge sind nicht die amtlichen Lösungen des zuständigen Kultusministeriums. Impressum: Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck, auch auszugsweise, vorbehaltlich der Rechte die sich aus den Schranken des UrhG ergeben, nicht gestattet. © Dudenverlag, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim 2008 Redaktion: Heike Krüger-Beer, Christa Becker, Dr. Angelika Fallert-Müller

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