FCKW und die Ozonschicht
AFB I–IIBis in die 1980er-Jahre wurden die FCKW R11 und R12 als Kältemittel und Treibgase eingesetzt. In der Stratosphäre spaltet UV-Strahlung daraus Chloratome ab, die Ozon abbauen:
\(\mathrm{Cl^{\bullet} + O_3 \longrightarrow ClO^{\bullet} + O_2}\) und \(\mathrm{ClO^{\bullet} + O \longrightarrow Cl^{\bullet} + O_2}\)
| Kältemittel | Formel | M in g/mol | ϑb in °C |
|---|---|---|---|
| R11 | CCl₃F | 137,4 | 24 |
| R12 | CCl₂F₂ | 120,9 | −30 |
| R134a | CH₂F–CF₃ | 102,0 | −26 |
- Nennen Sie die systematischen Namen von R11, R12 und R134a.
- Erklären Sie den Unterschied der Siedetemperaturen von R11 und R12.
- Erläutern Sie, warum ein einziges Chloratom tausende Ozonmoleküle zerstören kann.
- Beurteilen Sie R134a als Ersatzstoff, wenn sein Treibhauspotenzial etwa 1400-mal so groß ist wie das von CO₂.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
R11: Trichlorfluormethan; R12: Dichlordifluormethan; R134a: 1,1,1,2-Tetrafluorethan.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
R11 enthält ein Chloratom mehr (statt eines Fluoratoms). Chloratome haben mehr Elektronen und eine leichter polarisierbare Hülle → stärkere Van-der-Waals-Kräfte → höhere Siedetemperatur (24 °C statt −30 °C). Beide Moleküle sind nur schwach polar, die Dipol-Dipol-Kräfte spielen eine untergeordnete Rolle.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Summe: \(\ce{O3 + O -> 2 O2}\). Das Chloratom geht unverändert aus dem Zyklus hervor und wirkt als Katalysator; die Kettenreaktion läuft weiter, bis Cl· in eine stabile Verbindung (z. B. HCl, ClONO₂) übergeht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Vorteil: R134a enthält kein Chlor, es entstehen keine Cl-Atome → kein Ozonabbau. Nachteil: sehr hohes Treibhauspotenzial bei Freisetzung (Lecks, Entsorgung). Deshalb nur als Übergangslösung geeignet; in der EU ist es in neuen Pkw-Klimaanlagen nicht mehr zulässig, Ersatz z. B. CO₂ oder Stoffe mit kurzer atmosphärischer Lebensdauer.
Coffein-Extraktion mit Dichlormethan
AFB II–IIIEine Kursgruppe extrahiert Coffein aus 100 mL eines wässrigen Tee-Auszugs, der 0,20 g Coffein enthält, mit Dichlormethan (CH₂Cl₂) im Scheidetrichter. Für die Verteilung wird \(K = \dfrac{c(\text{Coffein in CH}_2\text{Cl}_2)}{c(\text{Coffein in Wasser})} = 8\) gemessen.
| Stoff | Dichte in g/cm³ | ϑb in °C | Löslichkeit in Wasser |
|---|---|---|---|
| Dichlormethan | 1,33 | 40 | 13 g/L |
| Wasser | 1,00 | 100 | — |
- Erklären Sie, warum Dichlormethan kaum mit Wasser mischbar ist und die untere Phase bildet.
- Berechnen Sie die Masse an Coffein, die mit einmal 50 mL Dichlormethan extrahiert wird.
- Vergleichen Sie dies rechnerisch mit einer Extraktion in zwei Portionen zu je 25 mL.
- Bewerten Sie den Einsatz von Dichlormethan in der Lebensmitteltechnik im Vergleich zu überkritischem Kohlenstoffdioxid.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
CH₂Cl₂ ist zwar ein Dipolmolekül, kann aber keine Wasserstoffbrücken ausbilden (kein H an O/N/F); Wasser-Moleküle halten über H-Brücken fest zusammen → kaum mischbar. Mit 1,33 g/cm³ ist es dichter als Wasser → untere Phase.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Anteil in der organischen Phase: \(\dfrac{K \cdot V_{org}}{K \cdot V_{org} + V_{aq}} = \dfrac{8 \cdot 50}{8 \cdot 50 + 100} = 0{,}80\) → \(m = 0{,}80 \cdot 0{,}20\,\text{g} = 0{,}16\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Je Schritt bleibt \(\dfrac{100}{8 \cdot 25 + 100} = \tfrac{1}{3}\) im Wasser; nach zwei Schritten \(\tfrac{1}{9} \cdot 0{,}20\,\text{g} = 0{,}022\,\text{g}\). Extrahiert: 0,178 g — mehr als bei einmal 50 mL (0,16 g). Mehrere kleine Portionen sind wirksamer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Dichlormethan: gute Extraktion, niedrige Siedetemperatur (leicht abzutrennen), aber gesundheitlich bedenklich (Verdacht auf krebserzeugende Wirkung), Rückstände im Lebensmittel und Emissionen möglich. Überkritisches CO₂: ungiftig, rückstandsfrei, nicht brennbar, aber hoher apparativer und energetischer Aufwand (Druck). Für Lebensmittel ist CO₂ trotz höherer Kosten vorzuziehen.