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Übung AFB I

Zehn Grundaufgaben von der Kunststoffklasse bis zur glykosidischen Bindung — wer sie sicher löst, hat die ersten Punkte der Klausur schon.

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Aufgabenblock — AFB I

Zehn Standardaufgaben zum Reproduzieren quer durch Kunststoffe und Naturstoffe: Klassen, Mechanismen, Kenngrößen und Bindungen. Das sind die sicheren Punkte in jeder Klausur.

A1
Drei Klassen im Steckbrief
AFB I

Nennen Sie für Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste jeweils die Verknüpfung der Ketten und das Verhalten beim Erwärmen.

Entscheidend: Ob und wie eng die Ketten über Atombindungen vernetzt sind (6.1.1).
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Thermoplast: unvernetzte, lineare oder wenig verzweigte Ketten, nur zwischenmolekulare Kräfte → wird weich, schmilzt. Elastomer: weitmaschig vernetzt → gummielastisch, schmilzt nicht, zersetzt sich bei hoher Temperatur. Duroplast: engmaschig vernetzt → bleibt hart, zersetzt sich statt zu schmelzen.
A2
Polymerisationsgrad von Polypropen
AFB I

Eine Polypropen-Probe hat die mittlere molare Masse \(M = 210\,000\,\text{g/mol}\). Berechnen Sie den mittleren Polymerisationsgrad \(n\) (ganze Zahl).

Formel: \(n = M(\text{Polymer}) : M(\text{Wiederholeinheit})\); die Wiederholeinheit \(\ce{-[CH2-CH(CH3)]\bond{-}}\) hat die Summenformel C₃H₆.
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\(M(\ce{C3H6}) = 42{,}08\,\text{g/mol}\); \(n = 210\,000 : 42{,}08\) ≈ 4990 — ein Mittelwert, denn die Ketten sind unterschiedlich lang.
A3
Ein amorpher Thermoplast wird erwärmt
AFB I

Beschreiben Sie, was auf Teilchenebene bei \(T_\text{g}\), \(T_\text{f}\) und \(T_\text{z}\) mit den Ketten eines amorphen Thermoplasts geschieht.

Reihenfolge: hart → thermoelastisch → Schmelze → Zersetzung (6.1.2).
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Unter \(T_\text{g}\) sind die Kettensegmente eingefroren (hart, spröde). Ab \(T_\text{g}\) werden Kettensegmente beweglich (thermoelastisch). Ab \(T_\text{f}\) gleiten ganze Ketten aneinander vorbei (Schmelze). Ab \(T_\text{z}\) brechen Atombindungen in den Ketten (Zersetzung).
A4
Kettenstart und Wachstum bei Propen
AFB I

Formulieren Sie für die radikalische Polymerisation von Propen die Initiatorspaltung, den Kettenstart und einen Wachstumsschritt. Das Initiatorradikal wird mit \(\ce{R^{\bullet}}\) abgekürzt.

Schema: Peroxid zerfällt homolytisch; das Radikal addiert an das CH₂-Ende der C=C-Bindung, das Radikal-Elektron sitzt danach am C-Atom mit der CH₃-Gruppe (6.1.3).
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Initiator: \(\ce{R-O-O-R -> 2 R-O^{\bullet}}\), kurz \(\ce{2 R^{\bullet}}\).
Start: \(\ce{R^{\bullet} + CH2=CH-CH3}\) \(\ce{-> R-CH2-C^{\bullet}H-CH3}\)
Wachstum: \(\ce{R-CH2-C^{\bullet}H-CH3 + CH2=CH-CH3}\) \(\ce{-> R-CH2-CH(CH3)-CH2-C^{\bullet}H-CH3}\)
A5
Wasser bei der Polykondensation
AFB I

150 Moleküle Adipinsäure und 150 Moleküle Hexan-1,6-diamin reagieren vollständig zu einer linearen Polyamid-Kette (PA 6.6). Geben Sie an, wie viele Wassermoleküle dabei frei werden.

Zählen: Pro Amidbindung ein H₂O. Eine lineare Kette aus \(N\) Bausteinen hat \(N-1\) Bindungen (6.1.4).
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300 Bausteine in einer Kette → 299 Amidbindungen → 299 H₂O (für lange Ketten näherungsweise „2n H₂O“ mit n = 150).
A6
Verknüpfungsgruppen erkennen
AFB I

Geben Sie für Polycarbonat, Polyurethan, Polyamid und Polyester die Verknüpfungsgruppe in der Hauptkette an.

Zählen: Wie viele O- und N-Atome sitzen am Carbonyl-C-Atom (6.1.5)?
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Polycarbonat \(\ce{-O-CO-O\bond{-}}\) · Polyurethan \(\ce{-NH-CO-O\bond{-}}\) · Polyamid \(\ce{-CO-NH\bond{-}}\) · Polyester \(\ce{-CO-O\bond{-}}\).
A7
Drei Wege der Verwertung
AFB I

Nennen Sie die drei Verwertungswege für Kunststoffabfall und je ein Verfahren. Geben Sie an, für welche Kunststoffklasse der erste Weg ausschließlich infrage kommt.

Frage: Bleiben die Makromoleküle erhalten, werden sie gespalten oder verbrannt (6.1.6)?
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Werkstofflich (Einschmelzen zu Granulat) — nur für Thermoplaste. Rohstofflich (Solvolyse wie Glykolyse/Methanolyse, Pyrolyse). Energetisch (Verbrennung im Müllheizkraftwerk).
A8
Isoelektrischer Punkt von Valin
AFB I

Valin hat die Werte \(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}1} = 2{,}32\) (Carboxygruppe) und \(\mathrm{p}K_{\mathrm{S}2} = 9{,}62\) (Ammoniumgruppe). Berechnen Sie den isoelektrischen Punkt.

Formel: \(\mathrm{pI} = (\mathrm{p}K_{\mathrm{S}1} + \mathrm{p}K_{\mathrm{S}2}) : 2\) (6.2.1).
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\(\mathrm{pI} = (2{,}32 + 9{,}62) : 2\) = 5,97
A9
Stereoisomere einer Aldopentose
AFB I

Ribose ist eine Aldopentose (fünf C-Atome, Aldehydgruppe an C1). Bestimmen Sie die Zahl der stereoisomeren Aldopentosen in der Kettenform.

Zählen: Stereozentren sind die C-Atome mit vier verschiedenen Substituenten; Anzahl der Stereoisomere \(2^k\) (6.2.3).
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C1 (Aldehyd) und C5 (CH₂OH) sind keine Stereozentren, C2–C4 schon: \(2^3\) = 8 (vier D- und vier L-Formen).
A10
Glykosidische Bindungen benennen
AFB I

Geben Sie die glykosidischen Bindungen in Maltose, Saccharose, Amylose, Amylopektin und Cellulose an.

Drei Angaben: α oder β am anomeren C-Atom, Nummer des anomeren C-Atoms, Nummer des Partner-C-Atoms (6.2.4).
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Maltose α(1→4) · Saccharose α-Glc-(1→2)-β-Fru · Amylose α(1→4) · Amylopektin α(1→4) mit α(1→6)-Verzweigungen · Cellulose β(1→4).