Cyclohexan im Lampenlicht
AFB I–IIIn zwei Reagenzgläser wird je 2 mL Cyclohexan gegeben und mit einigen Tropfen einer Lösung von Brom in Dichlormethan versetzt. Glas A wird sofort in Alufolie gewickelt, Glas B vor eine Lampe gestellt. Anschließend wird in beide Gläser etwas Silbernitrat-Lösung gegeben: Nur in B bildet sich ein hellgelber Niederschlag.
| Reagenzglas | Bedingung | nach 10 min | feuchtes Indikatorpapier über der Öffnung |
|---|---|---|---|
| A | in Alufolie (dunkel) | braun | unverändert |
| B | Tageslicht / Lampe | farblos | rot |
- Beschreiben Sie die Beobachtungen und formulieren Sie die Gesamtgleichung für Glas B.
- Erläutern Sie den Reaktionsmechanismus mit Kettenstart, zwei Fortpflanzungsschritten und einem Abbruch.
- Erklären Sie den Nachweis mit Indikatorpapier und Silbernitrat.
- Begründen Sie, warum Glas A als Blindprobe nötig ist und warum die Beobachtungen gegen eine Addition sprechen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Glas B entfärbt sich, das Indikatorpapier wird rot; in A bleibt alles braun. \(\ce{C6H12 + Br2 ->[h\nu] C6H11Br + HBr}\) (Bromcyclohexan und Bromwasserstoff).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Start: Br₂ → 2 Br• (hν, Homolyse). Fortpflanzung: Br• + C₆H₁₂ → HBr + •C₆H₁₁; •C₆H₁₁ + Br₂ → C₆H₁₁Br + Br•. Abbruch z. B. 2 Br• → Br₂ oder •C₆H₁₁ + Br• → C₆H₁₁Br.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
HBr ist gasförmig und bildet mit Wasser eine saure Lösung (\(\ce{HBr + H2O -> H3O+ + Br-}\)) — das Papier wird rot. Die Bromid-Ionen fallen mit Silber-Ionen als hellgelbes Silberbromid aus: \(\ce{Ag+ + Br- -> AgBr v}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
A zeigt, dass ohne Licht keine Reaktion stattfindet — die Entfärbung in B beruht also auf dem Licht (Radikalbildung). Eine Addition bräuchte eine C=C-Bindung, liefe auch im Dunkeln und bildete kein HBr; der HBr-Nachweis belegt die Substitution.
Photochlorierung im Technikum
AFB II–IIIChlorcyclohexan ist ein Zwischenprodukt der Arzneimittelsynthese. In einem Technikumsreaktor wird Chlor in einen großen Überschuss an Cyclohexan eingeleitet und mit einer Lampe (λ = 400 nm) bestrahlt. Das Reaktionsgemisch absorbiert dabei insgesamt 60 J Lichtenergie; es entstehen 2,4 mol Chlorcyclohexan.
| Bindung | C–H | H–Cl | Cl–Cl | C–Cl |
|---|---|---|---|---|
| mittl. Bindungsenthalpie in kJ/mol | 413 | 431 | 242 | 328 |
- Formulieren Sie die Fortpflanzungsschritte und berechnen Sie deren Reaktionsenthalpien.
- Berechnen Sie die Stoffmenge der absorbierten Photonen und die Anzahl gebildeter Produktmoleküle pro Photon.
- Deuten Sie das Ergebnis aus b) mithilfe des Mechanismus.
- Beurteilen Sie die Verfahrensbedingungen „großer Cyclohexan-Überschuss“ und „Reaktor frei von Luft“.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Cl• + C₆H₁₂ → HCl + •C₆H₁₁: \(\Delta H = 413 - 431 = -18\,\text{kJ/mol}\). •C₆H₁₁ + Cl₂ → C₆H₁₁Cl + Cl•: \(\Delta H = 242 - 328 = -86\,\text{kJ/mol}\). Beide Schritte exotherm, Summe \(-104\,\text{kJ/mol}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(E = \frac{6{,}626 \cdot 10^{-34} \cdot 2{,}998 \cdot 10^{8}}{400 \cdot 10^{-9}}\,\text{J} = 4{,}97 \cdot 10^{-19}\,\text{J}\), pro Mol \(299\,\text{kJ/mol}\). \(n(\text{Photonen}) = \frac{60\,\text{J}}{299\,000\,\text{J/mol}} = 2{,}0 \cdot 10^{-4}\,\text{mol}\). Produkt pro Photon: \(\frac{2{,}4}{2{,}0 \cdot 10^{-4}} \approx 1{,}2 \cdot 10^{4}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Jedes Photon erzeugt zwei Cl•; in jeder Fortpflanzungsrunde wird ein Produktmolekül gebildet und das Chlor-Radikal zurückgewonnen. Da Radikale nur in winziger Konzentration vorliegen, sind Abbrüche selten: Eine Kette umfasst im Mittel etwa 6000 Runden (12 000 Produkte je zwei Radikale).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Überschuss an Cyclohexan: Cl• trifft viel häufiger auf Cyclohexan als auf Chlorcyclohexan → Dichlorcyclohexane werden zurückgedrängt, höhere Selektivität für das Monoprodukt; Nachteil: Cyclohexan muss abgetrennt und zurückgeführt werden. Luftfreiheit: O₂ wirkt als Radikalfänger, bricht Ketten ab und senkt die Ausbeute pro Photon; außerdem vermeidet man explosive Gemische.