PVC aus Zuckerrohr
AFB I–IIIn Brasilien wird Ethen aus Bioethanol gewonnen: Ethanoldampf wird bei etwa 350 °C über einen Aluminiumoxid-Katalysator geleitet. Das Ethen kann zu Chlorethen (Vinylchlorid), dem Monomer von PVC, weiterverarbeitet werden:
- Ethanol → Ethen + Wasser
- Ethen + Chlor → 1,2-Dichlorethan
- 1,2-Dichlorethan → Chlorethen + Chlorwasserstoff (ca. 500 °C)
- Formulieren Sie für die drei Schritte die Reaktionsgleichungen mit Halbstrukturformeln.
- Ordnen Sie jedem Schritt den Reaktionstyp zu und begründen Sie.
- Berechnen Sie die Masse Ethen, die theoretisch aus 1,00 t Ethanol entsteht (\(M\): Ethanol 46,07 g/mol, Ethen 28,05 g/mol).
- Erklären Sie mithilfe der Gibbs-Helmholtz-Gleichung (1.4.3), warum die Eliminierungen bei hohen Temperaturen durchgeführt werden.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
1) \(\ce{CH3-CH2OH -> CH2=CH2 + H2O}\); 2) \(\ce{CH2=CH2 + Cl2 -> CH2Cl-CH2Cl}\); 3) \(\ce{CH2Cl-CH2Cl -> CH2=CHCl + HCl}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
1) Eliminierung: Aus einem Molekül wird H₂O abgespalten, eine C=C-Bindung entsteht. 2) Addition: Cl₂ lagert sich an die C=C-Bindung an, aus zwei Teilchen wird eines. 3) Eliminierung: HCl wird abgespalten, erneut entsteht eine C=C-Bindung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n = \frac{1{,}00 \cdot 10^6\,\text{g}}{46{,}07\,\text{g/mol}} = 2{,}17 \cdot 10^4\,\text{mol}\); \(m(\text{Ethen}) = 2{,}17 \cdot 10^4\,\text{mol} \cdot 28{,}05\,\text{g/mol} = 6{,}09 \cdot 10^5\,\text{g} = 0{,}609\,\text{t}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Bei Eliminierungen entstehen aus einem Gasteilchen zwei: \(\Delta S > 0\). Die Reaktionen sind endotherm (\(\Delta H > 0\)). Nach \(\Delta G = \Delta H - T\,\Delta S\) wird \(\Delta G\) erst bei hoher Temperatur negativ, wenn der Term \(T\,\Delta S\) größer ist als \(\Delta H\). Zusätzlich erhöht die hohe Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit.
Zwei Wege zum Aspirin
AFB II–IIIAcetylsalicylsäure (ASS) ist der Wirkstoff von Aspirin. Sie entsteht, wenn die phenolische OH-Gruppe der Salicylsäure mit einer Acetylgruppe verestert wird. Denkbar sind zwei Wege:
Weg A: Salicylsäure + Ethansäure ⇌ ASS + Wasser
Weg B: Salicylsäure + Ethansäureanhydrid → ASS + Ethansäure
Alte Aspirin-Tabletten riechen oft nach Essig.
| Stoff | Summenformel | M in g/mol |
|---|---|---|
| Salicylsäure | C₇H₆O₃ | 138,12 |
| Ethansäure | C₂H₄O₂ | 60,05 |
| Ethansäureanhydrid | C₄H₆O₃ | 102,09 |
| Acetylsalicylsäure (ASS) | C₉H₈O₄ | 180,16 |
- Ordnen Sie Weg A einem Reaktionstyp zu und begründen Sie.
- Berechnen Sie die Atomökonomie beider Wege.
- Erläutern Sie, warum die Industrie trotz schlechterer Atomökonomie Weg B wählt.
- Deuten Sie den Essiggeruch alter Tabletten mit einer Reaktionsgleichung und beurteilen Sie, wie Aspirin gelagert werden sollte.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kondensation (Veresterung): Salicylsäure und Ethansäure verknüpfen sich über eine Estergruppe zu einem größeren Molekül, dabei wird Wasser abgespalten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Weg A: \(\frac{180{,}16}{138{,}12 + 60{,}05} \cdot 100\,\% = 90{,}9\,\%\). Weg B: \(\frac{180{,}16}{138{,}12 + 102{,}09} \cdot 100\,\% = 75{,}0\,\%\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Weg A ist eine Gleichgewichtsreaktion: Das gebildete Wasser spaltet den Ester wieder (Hydrolyse), die Ausbeute bleibt gering und die Reaktion ist langsam. Weg B verläuft praktisch vollständig, da kein Wasser entsteht. Das Nebenprodukt Ethansäure lässt sich abtrennen und wieder zu Anhydrid umsetzen — die Atomökonomie allein bewertet einen Prozess nicht vollständig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Luftfeuchtigkeit hydrolysiert den Ester (Umkehrung der Kondensation): \(\ce{C9H8O4 + H2O -> C7H6O3 + CH3COOH}\). Die frei werdende Ethansäure riecht nach Essig; der Wirkstoffgehalt sinkt. Lagerung daher trocken, kühl und in dichter Verpackung (Blister), nicht im feuchten Badezimmer.