Kinetik, Gleichgewichtslehre, Protolysen

- 46 kJ

a)

Aufgabe 1:

2SO2 + O2

2SO3

H

=

mol

1.1. Interprétation des Diagrammes:

Anhand der Tabelle ist zu erkennen, dass bei steigender Temperatur die

Ausbeute an SO3 sinkt.

Hierbei ist die

Stoß- und Kollisionstheorie

zu beachten:

Grundvorrausetzungen:

Bei einer chemischen Reaktion müssen die Teilchen zusammenprallen.

Vorraussetzungen für einen wirksamen Zusammenstoß (Reaktionsfreudigkeit)

a) Reaktionsbereitschaft der Stoffe, also:

- sie dürfen keinen Oktettzustand aufweisen,

- kein Carbenium-Ion

b) Die Teilchen müssen eine

ausreichende Bewegungsenergie

aufweisen

Mindestkinetische

(Mindestkinetische Energie)

Energie

c) Die Teilchen müssen in einer günstigen, räumlichen Orientierung aufeinander

prallen ( sterischer Faktor)

1.2. Welche Möglichkeiten gibt es die Geschwindigkeit einer Reaktion zu

erhöhen? (Kinetik)

Mögliche Reaktionen liegen den Kausalketten zugrunde:

a) Druck (p)

Je höher der Druck, desto höher ist die Anzahl der pro Volumen zur

Verfügung stehenden Teilchen, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines

wirksamen zusammen stoßen steigt

v

b) Temperatur (T)

Je höher die Temperatur, desto größer ist die kinetische Energie aller

Teilchen, desto mehr Teilchen weißen die Mindestkinetische Energie auf,

desto höher ist die Anzahl der wirksamen Zusammenstöße, desto höher ist

der Stoffumsatz pro Zeiteinheit, desto höher ist v.

Hierzu gibt es eine ,,Faustformel", die RGT- Regel.

Sie besagt, wenn die Temperatur um 10° erhöht wird, dann verdoppelt oder

vervierfacht sich die Reaktionsgeschwindigkeit.

1

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c) Zerteilungsgrad (z)

Je höher der Zerteilungsgrades eines Stoffes, desto größer ist die wirksame

Oberfläche, das heißt es befinden sich mehr Teilchen an der Oberfläche des

Stoffes, desto mehr wirksame Zusammenstoße gelingen

v

d) Konzentration (c)

Je höher die Konzentration ist, desto größer ist die Anzahl der vorhandenen

Teilchen, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit eines wirksamen Zusammen

Stoßes, desto höher ist der Stoffumsatz pro Zeiteinheit, desto schneller ist die

Reaktion.

e) Katalysator (KAT)

- Ein Katalysator beschleunigt eine chemische Reaktion. Er liegt an der

Reaktion unverändert vor.

- Er erniedrigt die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion, indem

er energetisch günstige Zwischenprodukte ermöglich.

- Er ist reaktionsspezifisch und wirkt nur auf eine Reaktion.

1.3. Wie wird das Gleichgewicht beeinflusst?

Das Gleichgewicht ist hoch empfindlich und kann durch das

,,Le Chateliersches Prinzip" ( Prinzip des kleinsten Zwanges) beeinflusst

werden.

Wird auf ein System, welches sich im Gleichgewicht befindet ein Zwang

ausgeübt, durch Änderung von Druck, Temperatur oder Konzentration, so

verschiebt sich das Gleichgewicht in dem Sinne, dass es dem äußeren Zwang

ausweicht.

- bei Druckerhöhung zur Seite der geringeren Volumen;

- bei Temperaturerhöhung wird diejenige begünstigt, welche endotherm

abläuft;

- bei Konzentrationsänderungen erfolgt eine kurzzeitige Störung des

Gleichgewichtes mit nachfolgender Neueinstellung auf erhöhtem oder

erniedrigtem Niveau..

1.4. Ausbeute:

- Störung des Gleichgewichtes durch Entnahme der Produkte

Entzug durch:

- Filtration des Feststoffes

- Auflösung in einem Lebensmittel

- Kondensation des Produktes

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b)

Aufgabe:

J.N. Brönstedt schlug im Jahre 1923 eine allgemeine und umfassende Definition

für Säure- und Basenverhältnisse vor. Er erkannte, dass sowohl Säuren als auch

Basen an der Wanderung der Protonen beteiligt waren.

Danach werden alle Stoffe als

Säuren

bezeichnet, die in der Lage sind, Protonen

an eine andere chemische Verbindung abzugeben (Protonendonator). Diese

jeweilige Verbindung muss jedoch in der Lage sein, dieses Proton aufzunehmen.

Derartige Protonenempfänger bezeichnet man als

Basen

(Protonenakzeptator).

Wissenswert ist jedoch auch, dass die Säure- oder Baseneigenschaft nicht immer

auf einen Stoff zutreffend sein muss. Manche Stoffe können sowohl Protonen

aufnehmen als auch abgeben. Solche Stoffe bezeichnet man als

Ampholyte

.

c)

Aufgabe:

a) Der chemische Puffer ist mit dem pH-Wert engverbunden. Ein Puffer hält den

pH-Wert , bei Zugabe von starken Säuren (H3O+) bzw. starken Basen (OH-)

weitgehend konstand, indem er über protolytische Reaktionen die pH-Wert

ändernden Teilchen (H3O+/ OH-) abfängt.

Ein Puffer besteht aus einer schwachen Säure und der jeweiligen konjugierten

Base.

b)

H

-

2CO3/ HCO3 + H3O+ +

H2CO3/ H2CO3 + H2O

H

-

-

-

2CO3/ HCO3 + OH- +

HCO3 / HCO3 + H2O

d)

Aufgabe:

Na3PO4 Lackmus blau (mit Wasser) OH-

NH4CL Lackmus rot (mit Wasser) H3O+

Na3 PO4

3Na+

PO 3-

4

PO 3-

2-

4 + H2O

HPO4 + OH-

st.S. st.B.

3

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NH4 CL

NH +

4

CL-

NH +

4 +H2O

NH3 + H3O+

st.B. st.S.

Erklärung:

Das Lackmuspapier färbt sich mit Wasser rot oder blau, da bei den

verschiedenen chemischen Reaktionen starke Säure bzw. starke Basen

entstehen (siehe Reaktionsgleichungen).

Das Gleichgewicht liegt bei beiden Reaktionsgleichungen zugunsten der

Produkte, da die Edukte wesentlich stärkere Säuren als auch Basen aufweisen.

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Aminosäuren, Peptide und Proteine

1. Aufgabe:

a) Ampholyte sind Aminosäuren in der Zwitterionenform. Hier sind sie extrem

Wasserunlöslich, da sie sowohl polar als auch unpolar ausgerichtet sind.

Sie bilden eine einheitliche Hydrathülle um die Aminosäure.

b) (siehe Zettel)

c) Mit Base: Hier kommen 2 Gruppen in Frage, die Carboxyl- und die

Amioniumgruppe. Die Carboxylgruppe reagiert jedoch als 1., da sie eine

wesentlich stärkere Säure ist. Außerdem ist die Polarisierung der

Carboxylgruppe um einiges stärker. Als Carboxylat-Ion erreicht sie einen

mesomeriestabieleren Zustand.

c) Die Wasserlöslichkeit hängt stark von ihrem polaren Charakter ab, der

wiederum durch die Art und Anzahl der Ladungen bestimmt wird.

Grundsätzlich weisen alle Aminosäuren einen Iseoelktrischen Punkt die

geringste Wasserlöslichkeit auf, da hier die Ausbildung einer einheitlichen

Hydrathülle erschwert wird. Bei den anionischen und kationischen

Strukturen ist dies mehr der Fall, so dass in Abhängigkeit von der

Ladungsstärke die Wasserlöslichkeit zunimmt.

2. Aufgabe:

(siehe Zettel)

3. Aufgabe:

Dies geschieht durch einen chemischen Prozess, welchen man als

Denaturierung

bezeichnet. Die

Denaturierung

ist eine meist irreversible

Zerstörung der

Sekundär- und Tertiärstruktur

. Dabei verliert sie die

biologische Funktion, wird also zerstört.

Die

Sekundärstruktur

eines Proteins ist folgender Maßen aufgebaut: sie ist die

räumliche Anordnung der Primärstruktur (fadenförmiges Makromolekül). Die

Sekundärstruktur ist in sich mit Intramolekularen Wasserstoffbrücken

verbunden (z.B. Wolle).

Einsträngig

Die

Tertiärstruktur

ist wiederum die räumliche Anordnung der Sekundärstruktur.

Hier entstehen Wechselwirkungen zwischen den nachaußenstehenden

AS-Resten.

· Van-der-Waals-Kräfte

· H-Brücken

· Ionische-Kräfte

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· Disulfidbrücken

Bedingungen sind:

· Hitze

· Starke Säuren und Laugen

· Metallionen (Schwermetallionen)

· Einige organische Verbindungen (z.B. Harnstoff)

Das Schema:

Denaturierung

Sekundärstruktur

Kongulation

Renaturierung

(unter schonen Bedingungen)

Molekülaggregat

· willkürlich

· ungeordneter Zustand

· keine Renaturierung

möglich

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Seifen und Tenside

1. Aufgabe:

a)

Hexadecan

+ Säure

C15H31­COOH

CnH2n+1+COOH

C15H31­COOH + Na+ + OH-

C15H31­COO- + Na+ + H2O

Erklärung:

Es entsteht Wasser, da die Polarisierung am Kohlenstoffatom zum

Wasserstoffatom bei der Carboxylgruppe bricht. Das Proton wird freigesetzt

und lagert sich am

Hydroxid-Ion

an. Es entsteht Wasser und eine

Carboxylatgruppe

.

b) Seifen sind Alkalisalze der höheren

Carbonsäuren

(Fettsäuren) und sie

treten bei Kohlenstoffzahlen (C10-C20) auf.

c)

Skizze:

Seifen weisen stets eine unpolare Alkylkette und einen polaren Carboxylatkopf

auf. Aufgrund dieser Eigenschaften richten sich Seifen an allen Grenzflächen

gerichtet aus. (Siehe Skizze)

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2. Aufgabe:

Für die Waschwirkung der Seifen sind die Fettsäure-Ionen verantwortlich.

In ihnen hängt die negativ geladene Carboxylatgruppe an einer langen

Kohlenstoffkette. Die geladene Gruppe ist hydrophil: sie wird im Wasser

hydratisiert. Die lange Kohlenstoffkette, an die lediglich Wasserstoffatome

gebunden sind, ist unpolar und hydrophop, sie kann keine zwischenmolekularen

Bindungen zu den Wassermolekülen ausbilden. Die Fettsäure-Ionen sammeln

sich an der Wasseroberfläche an. Dabei bilden die hydrophoben Alkylreste die

Oberfläche der Lösung.

Die Wassermoleküle werden durch H-Brücken zusammengehalten; Wasser hat

daher eine verhältnismäßig hohe Siedetemperatur. An der Wasseroberfläche

werden die Moleküle einseitig von innen her angezogen. Die Folge ist eine

Oberflächenspannung des Wassers, die bewirkt, dass Wasser nach Möglichkeit

die Kugelform anstrebt. Durch das Dazwischentreten von Fettsäure-Ionen

werden die Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen vermindert. Seife

setzt daher die Oberflächenspannung des Wassers stark herab. Seifenlösung

dringt deshalb besser als reines Wasser in Poren und Zwischenräume ein.

Darüber hinaus benetzt die Seifenlösung auch lipophile Schmutzteilchen, die

reines Wasser abstoßen, wie insbesondere Fette. An den Grenzen von Wasser

und lipophilen Stoffen sammeln sich die Fettsäure-Ionen so an, dass ihre

lipophile Kette zum Fett, die hypophile Carboxylatgruppe dagegen zum Wasser

ausgerichtet ist. Die Fettsäure-Ionen bilden so gewissermaßen ein Bindeglied

zwischen Fett und Wasser. In dieser Weise benetzte Fettpartikel werden in

Seifenlösung emulgiert und durch die anhängenden Fettsäure-Ionen gleichzeitig

elektrisch negativ aufgeladen. Die emulgierenden Tröpfchen stoßen sich daher

gegenseitig ab und das Schmutzfett wird einigermaßen haltbare Emulsion

ausgewaschen.

Dispergierende Wirkung ist gleichzustellen mit der Öl ­in- Wasser-Emulsion. Die

dispergierende Wirkung setzt meist bei Ruß, oder anderen festern Schmutzpartikeln

ein. (siehe Zeichnung)

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3. Aufgabe:

a) 1. Nachteil:

C17H35­COO- + H2O

C17H35-COOH + OH-

· Seife als

Fettsäure

Konjugierte Base

· Starke Base zur

schwächeren Base

Es gibt

alkalische Reaktionen

der Seifenlösungen. Sie ist auf basische

Wirkung der Fettsäure-Ionen zurück zu führen und hat insbesondere auf

Wolle und Seide (empfindliche Gewebe) negative Auswirkungen. Sie können

denaturiert

werden, Zerstörung der Eiweiße. Außerdem

zersetzen sich

die

Fettsäuren

nicht

, sie sinken herab und hinterlassen einen unangenehmen

Fettfilm

zurück.

Durch die starke Lauge (OH-) können

Schleimhautirritationen

hervorgerufen werden und die

Zerstörung des Säureschutzmantels

wird

begünstigt. Dies liegt daran, da der pH-Wert bei der Seife um ca. 8 liegt und

der Säureschutzmantel bei einem pH-Wert von ca. 5.

2. Nachteil:

Die Bildung von Kalkseife:

2C17H35COO- + Ca2+

(C17H35COO-)2Ca2+

Fettsäure-Ionen bilden mit Calzium-Ionen (Ca2+)

schwerlösliche Salze

. In

hartem wasser, das relativ viele Calzium-Ionen enthält, fallen die Fettsäure-

Ionen daher in Form von Calziumsalzen aus. Beim Waschen mit hartem

Wasser wird dadurch diese Reaktion,

viel Seife

nutzlos verbraucht.

Weitere Nachteile:

·

Ablagerung im Gewebe

·

Schädigung der Maschine

·

Waschwirkung geht verloren

Auch bei saurem Wasser sind Seifen nicht zu gebrauchen, da hier die

Fettsäure-Ionen in Fettsäuremolekülen übergehen. Aus der Seife werden

unlösliche Fettsäuren, die ausfallen.

b)

CH

-

3­(CH2)12­O­SO3

unpolarer Teil polar

Hier wird keine Kalkseife gebildet. Außerdem besitzt diese chemische

Verbindung keine Nachteile wie bei einer starken konjugierten Base.

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Die Base (SO -

3 ) ist eine schwache konjugierte Base, da als Ausgangssäure

H2SO4 verwendet wurde. Dies ist gut, da hier keine Protolyse mit Wasser

möglich ist.

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Farbstoffchemie

· Eins der wohl wichtigsten Gesetze, ist das

Lambert-Beersche-Gesetz

. Es

bestimmt die Extinktion (Absorptionsfähigkeit).

· Es beschreibt den Sachverhalt, dass die Absorption einer Farbstofflösung von

der Konzentration des gelösten Stoffes, der Schichtdicke der Küvette und

einer speziellen Konstanten, dem sogenannten Extintionskoeffizienten,

abhängig ist.

E = ? * d * c

?

h * c

h * c

c

e

=

?

=

?

=

f

=

=

h * f

c * d

?

h

8

1

-

34

-

mol

=

J

d

=

1cm

c

=

3 * 10 m * s

h

=

6,626 * 10 Js

=

nm

c

=

L

Das mesomere System

(konjugierte Doppelbindg.)

· Energetisch günstig

· Freie Bewegung im System

· Molekül Orbital

-

Freie Bewegung

-

delokalisiert

· Weitere Entfernung; keine Abstoßung möglich

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