Ein Enzym für das Blut
AFB I–IIIm Blut wird Kohlenstoffdioxid überwiegend als Hydrogencarbonat transportiert. Das Enzym Carboanhydrase in den roten Blutkörperchen beschleunigt die Einstellung des Gleichgewichts \(\ce{CO2 + 2 H2O} \rightleftharpoons \ce{HCO3- + H3O+}\). Im Versuch werden je 10 mL eiskaltes CO₂-Wasser zu 10 mL einer schwach alkalischen, mit Bromthymolblau angefärbten Pufferlösung gegeben; gemessen wird die Zeit bis zum Farbumschlag nach Gelb.
| Ansatz | Zusatz (1 mL) | Zeit bis Farbumschlag | pH nach 10 min |
|---|---|---|---|
| 1 | Wasser | 52 s | 6,3 |
| 2 | Carboanhydrase-Lösung | 4 s | 6,3 |
| 3 | Carboanhydrase-Lösung, vorher 5 min gekocht | 51 s | 6,3 |
- Beschreiben Sie die Ergebnisse der drei Ansätze.
- Erklären Sie die Wirkung der Carboanhydrase und das Ergebnis von Ansatz 3.
- Begründen Sie, dass der End-pH-Wert in allen Ansätzen gleich ist.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Im Gewebe bildet die Carboanhydrase Hydrogencarbonat, in der Lunge braucht man daher ein anderes Enzym, das CO₂ zurückbildet.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Mit aktivem Enzym schlägt die Farbe etwa 13-mal schneller um (4 s statt 52 s). Gekochtes Enzym wirkt nicht (51 s). Der pH-Wert nach 10 min ist in allen Ansätzen gleich (6,3).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Das Enzym ist ein Biokatalysator: Es eröffnet einen Reaktionsweg mit kleinerer Aktivierungsenergie, H₃O⁺ entsteht schneller, der Indikator schlägt früher um. Beim Kochen wird das Protein denaturiert, das aktive Zentrum zerstört — Ansatz 3 verhält sich wie ohne Enzym.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Lage des Gleichgewichts wird durch \(K\) festgelegt, das nur von der Temperatur abhängt. Der Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion gleichermaßen, \(K\) und damit die Gleichgewichtskonzentrationen von H₃O⁺ sind gleich — gleicher pH-Wert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Falsch: Dasselbe Enzym katalysiert beide Richtungen. Im Gewebe ist \(c(\ce{CO2})\) hoch, \(Q < K\) — die Hinreaktion überwiegt. In der Lunge wird CO₂ abgeatmet, \(Q > K\) — die Rückreaktion überwiegt. Die Richtung bestimmt die Zusammensetzung (Le Chatelier), das Enzym sorgt nur dafür, dass beides in der kurzen Kontaktzeit schnell genug abläuft.
Wasserstoff in flüssigen Trägern
AFB II–IIIWasserstoff lässt sich chemisch in flüssigen organischen Trägern (LOHC) speichern, z. B. im System Methylcyclohexan/Toluol: \(\ce{C7H14(l)} \rightleftharpoons \ce{C7H8(l) + 3 H2(g)}\), \(\Delta_r H^\circ \approx +205\,\text{kJ/mol}\). Beladen (Hydrieren) wird bei etwa 150 °C und 30 bar, entladen (Dehydrieren) bei etwa 350 °C und 1–2 bar — in beiden Fällen an einem Platin-Katalysator. Methylcyclohexan: \(\rho = 0{,}77\,\text{g/mL}\), \(M = 98{,}2\,\text{g/mol}\).
- Erklären Sie, warum derselbe Katalysatortyp für das Beladen und das Entladen geeignet ist.
- Begründen Sie die gewählten Bedingungen für Beladen und Entladen mit dem Prinzip von Le Chatelier.
- Berechnen Sie die Masse Wasserstoff, die 1,0 L Methylcyclohexan freisetzen kann, und den Massenanteil.
- Beurteilen Sie die Hoffnung, ein noch besserer Katalysator könne das Entladen bei Raumtemperatur und Normaldruck ermöglichen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Hydrierung und Dehydrierung sind Hin- und Rückreaktion desselben Gleichgewichts. Sie laufen über denselben Reaktionsweg an der Pt-Oberfläche; der Katalysator senkt die Aktivierungsenergie für beide Richtungen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Dehydrierung endotherm und mit Bildung von 3 mol Gas: hohe Temperatur (K steigt) und niedriger Druck begünstigen die Wasserstofffreisetzung. Hydrierung exotherm, Gasvolumen nimmt ab: niedrigere Temperatur und hoher Druck begünstigen das Beladen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(m = 770\,\text{g}\), \(n = 770/98{,}2 = 7{,}84\,\text{mol}\), \(n(\ce{H2}) = 23{,}5\,\text{mol}\), \(m(\ce{H2}) = 23{,}5 \cdot 2{,}016 \approx 47\,\text{g}\). Massenanteil: \(6{,}048/98{,}2 \approx 6{,}2\,\%\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Nicht erreichbar: Bei 25 °C liegt das Gleichgewicht der stark endothermen Dehydrierung weit links (kleines K). Ein Katalysator verändert K nicht, er würde nur die Einstellung dieses ungünstigen Gleichgewichts beschleunigen. Ein besserer Katalysator kann aber die nötige Temperatur senken, bei der die Reaktion schnell genug ist, und Nebenreaktionen unterdrücken; die Wärmezufuhr von rund 68 kJ pro mol H₂ bleibt nötig.