Das Waschmittel der Atmosphäre
AFB I–IIHydroxyl-Radikale (HO·) bauen in der Troposphäre Methan und viele Schadstoffe ab. Sie entstehen, wenn UV-Licht Ozon spaltet und das dabei gebildete, energiereiche Sauerstoff-Atom mit Wasserdampf reagiert:
O₃ → O₂ + O (UV-Licht) · O + H₂O → 2 HO· · HO· + CH₄ → H₂O + ·CH₃
| Bindung | H–CH₃ | H–OH |
|---|---|---|
| Bindungsenthalpie in kJ/mol | 439 | 499 |
- Zeichnen Sie die Lewis-Formel des Hydroxyl-Radikals und nennen Sie seine Teilchenart.
- Erklären Sie, warum ein Sauerstoff-Atom als Diradikal bezeichnet wird.
- Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie für HO· + CH₄ → H₂O + ·CH₃.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Weil HO· freie Elektronenpaare besitzt, reagiert es mit Methan als Nucleophil.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
H–O· mit zwei freien Elektronenpaaren und einem ungepaarten Elektron am O-Atom (7 Valenzelektronen): ein Radikal, ungeladen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Das O-Atom hat sechs Valenzelektronen: zwei Elektronenpaare und zwei ungepaarte Elektronen. Es kann zwei Bindungen knüpfen, hier je eine O–H-Bindung mit zwei H-Atomen aus H₂O, sodass zwei HO·-Radikale entstehen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\Delta_rH = D(\text{H–CH}_3) - D(\text{H–OH}) = 439 - 499 = -60\,\text{kJ/mol}\): exotherm, das Radikal entreißt dem Methan bereitwillig ein H-Atom.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Falsch: Methan besitzt kein elektrophiles Zentrum, und HO· stellt kein Elektronenpaar zur Verfügung. Entscheidend ist das ungepaarte Elektron — HO· reagiert als Radikal, indem es mit einem Elektron der C–H-Bindung ein neues Paar bildet (homolytischer Bruch von C–H).
Iodmethan — ein gefährliches Laborreagenz
AFB II–IIIIodmethan (CH₃I) wird in der Synthese genutzt, um Methylgruppen auf Nucleophile zu übertragen: \(\ce{Nu- + CH3-I -> Nu-CH3 + I-}\). Die Tabelle zeigt Nucleophilie-Werte \(n\) (nach Pearson, in Methanol, 25 °C): \(n\) ist der dekadische Logarithmus der Geschwindigkeit relativ zu Methanol als Nucleophil. Iodmethan gilt als krebsverdächtig, weil es auch N-Atome der DNA-Basen methyliert.
| Nucleophil | CH₃OH | F⁻ | Cl⁻ | NH₃ | Br⁻ | CH₃O⁻ | CN⁻ | I⁻ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| n | 0,0 | 2,7 | 4,4 | 5,5 | 5,8 | 6,3 | 6,7 | 7,4 |
- Erläutern Sie, welches Atom in CH₃I das elektrophile Zentrum ist, und begründen Sie dies.
- Werten Sie die Tabelle aus und berechnen Sie, wie viel schneller I⁻ als Cl⁻ mit Iodmethan reagiert.
- Erklären Sie den Unterschied zwischen CH₃O⁻ und CH₃OH um mehr als sechs Zehnerpotenzen.
- Bewerten Sie die Gefährlichkeit von Iodmethan für den Menschen mit Blick auf die Teilchenarten und entwickeln Sie zwei Schutzmaßnahmen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Das C-Atom ist elektrophil: I ist elektronegativer, das C-Atom trägt eine positive Teilladung (δ+). Zusätzlich ist I⁻ ein stabiles Anion, das die Bindungselektronen gut aufnimmt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Anionen reagieren schneller als vergleichbare Neutralteilchen (CH₃O⁻ ≫ CH₃OH), und in der Gruppe der Halogenide steigt die Nucleophilie von F⁻ zu I⁻. \(10^{7{,}4 - 4{,}4} = 10^{3} \approx 1000\): I⁻ reagiert etwa 1000-mal schneller als Cl⁻.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Beide besitzen freie Elektronenpaare am O-Atom. Im Methanolat-Ion ist das O-Atom negativ geladen: Die Elektronenpaare sind stärker verfügbar und werden vom δ+-C-Atom stärker angezogen. Im neutralen Methanol ist das Paar fester gebunden, das Molekül ist ein schwaches Nucleophil.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Iodmethan ist ein gutes Elektrophil mit gutem Austrittsatom; in Zellen gibt es viele Nucleophile, z. B. die freien Elektronenpaare der N-Atome in DNA-Basen. Deren Methylierung verändert die Erbinformation — daher die krebserzeugende Wirkung. Iodmethan ist zudem flüchtig und wird eingeatmet. Schutz: Arbeiten nur im Abzug mit Schutzhandschuhen; Reste mit einem harmlosen, starken Nucleophil (z. B. Thiosulfat- oder Ammoniaklösung) vernichten oder durch ein weniger gefährliches Methylierungsmittel ersetzen.