UV-Licht und Wasserstoffperoxid im Wasserwerk
AFB I–IIArzneimittelreste im Trinkwasser lassen sich mit dem UV/H₂O₂-Verfahren abbauen: Dem Wasser wird wenig Wasserstoffperoxid zugesetzt und es wird mit UV-C-Lampen (λ = 254 nm) bestrahlt. Dabei entstehen Hydroxyl-Radikale, die organische Schadstoffe angreifen.
| Bindung | HO–OH | O–H (in H₂O) | C–H (typisch) |
|---|---|---|---|
| Bindungsenthalpie in kJ/mol | 213 | 463 | 413 |
- Formulieren Sie die Spaltung von H₂O₂ mit Lewis-Formeln und Elektronenpfeilen.
- Begründen Sie, warum die O–O-Bindung homolytisch und nicht heterolytisch gespalten wird.
- Berechnen Sie die Energie eines Mols Photonen der Wellenlänge 254 nm und beurteilen Sie, ob sie für die Spaltung ausreicht.
- Erklären Sie mithilfe der Tabelle, warum HO·-Radikale C–H-Bindungen von Schadstoffmolekülen angreifen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
H–O–O–H → 2 H–O· : zwei halbe Pfeile (Fischhaken) vom bindenden Elektronenpaar der O–O-Bindung zu je einem O-Atom; jedes O-Atom trägt danach zwei freie Elektronenpaare und ein ungepaartes Elektron.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Beide Partner sind O-Atome (ΔEN = 0), es gibt keinen elektronegativeren Partner. Die Energie stammt aus UV-Licht; die O–O-Bindung ist die schwächste Bindung im Molekül.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(E = \frac{6{,}022 \cdot 10^{23}\,\text{mol}^{-1} \cdot 6{,}626 \cdot 10^{-34}\,\text{J s} \cdot 3{,}00 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}}{254 \cdot 10^{-9}\,\text{m}} \approx 471\,\text{kJ/mol}\) — mehr als doppelt so viel wie die 213 kJ/mol der O–O-Bindung; die Energie reicht aus.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
HO· + R–H → H₂O + R·: Gebrochen wird C–H (413 kJ/mol), gebildet O–H (463 kJ/mol). Es wird mehr Energie frei als aufgewendet (≈ −50 kJ/mol), die Reaktion ist exotherm. Das ungepaarte Elektron macht HO· sehr reaktiv; das Radikal R· reagiert weiter (z. B. mit O₂) bis zum Abbau.
Der Silbernitrat-Test für Bromalkane
AFB II–IIIDrei isomere Bromalkane werden in je 2 mL einer Lösung von Silbernitrat in Ethanol gegeben. Sobald Bromid-Ionen entstehen, bildet sich ein gelblicher Niederschlag von Silberbromid. Gemessen wird die Zeit bis zur ersten Trübung (25 °C).
| Bromalkan | 1-Brombutan | 2-Brombutan | 2-Brom-2-methylpropan |
|---|---|---|---|
| Zeit bis zur Trübung | > 30 min (erst beim Erwärmen) | ca. 4 min | < 10 s |
- Formulieren Sie für 2-Brom-2-methylpropan die heterolytische Spaltung mit Elektronenpfeil sowie die Fällungsreaktion.
- Werten Sie die Messwerte aus.
- Erklären Sie die Reihenfolge mit der Stabilität der entstehenden Carbokationen.
- Beurteilen Sie die Vorhersage eines Mitschülers: „In Hexan statt Ethanol verläuft der Test genauso, nur langsamer.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
(CH₃)₃C–Br → (CH₃)₃C⁺ + Br⁻: ganzer gebogener Pfeil vom C–Br-Bindungselektronenpaar zum Br-Atom (EN 3,0 > 2,5). Fällung: \(\ce{Ag+ + Br- -> AgBr v}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Geschwindigkeit der Bromid-Bildung steigt stark in der Reihenfolge primär < sekundär < tertiär: Das tertiäre Bromalkan reagiert mehr als 20-mal schneller als das sekundäre, das primäre praktisch nicht bei Raumtemperatur.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Wie bei den Radikalen gilt: Je mehr Alkylgruppen am positiv geladenen C-Atom, desto stabiler ist das Teilchen (tertiär > sekundär > primär). Je stabiler das Carbokation, desto leichter erfolgt die Heterolyse — das tertiäre Kation bildet sich am schnellsten, das primäre kaum.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Vorhersage trifft nicht zu: Hexan ist unpolar und stabilisiert weder Carbokation noch Bromid-Ion, die Heterolyse findet praktisch nicht statt; zudem löst sich Silbernitrat in Hexan nicht. Es bildet sich kein Niederschlag — nicht nur ein langsamerer, sondern gar kein Test.