Polyacrylnitril lässt sich aus Acrylnitril nach folgendem Schema herstellen:

Formuliere ausgehend von einem Startermolekül den Mechanismus für die Herstellung von PAN.

Durch Reaktion von PAN mit Hydrazin entsteht ein neuer Kunststoff A mit veränderten Eigenschaften (Abb. 2):

Erkläre die Unterschiede im Verhalten von PAN und Kunststoff A beim Erhitzen.

PAN kann zur Herstellung eines Gels verwendet werden, das z. B. in Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt wird. Dabei wird trockenes PAN mit einem Lösemittel versetzt, wodurch es aufquillt. In einer Versuchsreihe wurde die Massenzunahme beim Quellen von Kunststoff A in Abhängigkeit vom Anteil des addierten Hydrazins untersucht (Abb. 4): Formuliere eine Hypothese zur Erklärung des Kurvenverlaufs in Abbildung 4.

Bei der Lagerung des flüssigen Acrylnitrils werden folgende Stoffe aus der Gruppe der Phenole (Abb. 5) zugesetzt:

4-Methoxyphenol (Abb. 5) sorgt für eine bessere Lagerfähigkeit von Acrylnitril, da es unerwünschte reaktive Teilchen wie Hydroperoxid-Radikale B abfängt. Dabei findet folgende Reaktion (Abb. 6) als Zwischenschritt statt: Erkläre die größere Stabilität von Radikal C im Vergleich zu Radikal B mithilfe von mesomeren Grenzstrukturformeln von Radikal C.

Vor der Polymerisation von Acrylnitril muss 4-Methoxyphenol (Abb. 5) abgetrennt werden, indem es in die wässrige Phase überführt wird. Dies erfolgt im Labor mit Natronlauge. Mit destilliertem Wasser ist die Überführung nicht vollständig möglich. Erläutere die bessere Eignung von Natronlauge im Vergleich zu destilliertem Wasser für dieses Trennverfahren mithilfe einer Reaktionsgleichung.

Methylhydrochinon kann nach folgendem Schema (Abb. 7) aus Toluol hergestellt werden: Formuliere den Reaktionsmechanismus für Schritt 1.

Die Herstellung von Acrylnitril findet großtechnisch u. a. mithilfe des SOHIO-Verfahrens statt (Abb. 8). Dabei wird Propen mit Ammoniak und Sauerstoff zu Acrylnitril und Wasser umgesetzt:

Gib eine Definition des Begriffs „chemisches Gleichgewicht“ an. Formuliere das Massenwirkungsgesetz für das SOHIO-Verfahren und leite daraus die Lage des chemischen Gleichgewichts ab.

Neben dem SOHIO-Verfahren gibt es auch noch andere Möglichkeiten zur Herstellung von Acrylnitril. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich des SOHIO-Verfahrens mit einem alternativ verwendeten großtechnischen Verfahren. Die sogenannte ReCipe-Punktzahl dient dem Vergleich der Ökobilanzen verschiedener Verfahren. Je größer der ReCipe-Wert ist, desto stärker ist der negative Effekt. Abbildung 9 zeigt einen Vergleich der ReCipe-Punktzahl beider Verfahren. Bewerte die verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril.

Mechanismus für die Herstellung von PAN Startreaktion: Kettenreaktionen: Mögliche Abbruchreaktionen:

Erklärung des unterschiedlichen Verhaltens Polyacrylnitril (PAN) besteht aus linearen Ketten, welche untereinander nicht vernetzt sind und somit beim Erwärmen aneinander vorbeigleiten können. Der Kunststoff lässt sich bei höheren Temperaturen verformen und ist charakteristisch für einen Thermoplasten. Kunststoff A entsteht durch die Zugabe von Hydrazin, wodurch eine dreidimensionale Vernetzung entsteht. Die Molekülketten können nun beim Erwärmen nicht mehr aneinander vorbeigleiten. Bei höheren Temperaturen lässt sich der Kunststoff demnach nicht verformen, sondern zersetzt sich und ist charakteristisch für einen Duroplasten.

Hypothese zur Erklärung des Kurvenverlaufs Der Kurvenverlauf zeigt, je höher der Anteil an addiertem Hydrazin, desto kleiner die Massenzunahme beim Quellen, d.h. desto weniger Lösungsmittel wird aufgenommen.
Da mit steigendem Hydrazin-Anteil mehr Quervernetzungen entstehen, könnte eine Hypothese sein, dass sich dadurch keine Lösungsmittel-Teilchen einlagern können. Die dreidimensionale Struktur verhindert somit die Quellungsfähigkeit der PAN-Kunststoffe.

Erklärung der Stabilität der Radikale Die Stabilität eines Radikals hängt von der Delokalisation der Elektronen ab. In diesem Fall ist Radikal C stabiler, da das ungepaarte Elektron über dem Ringsystem delokalisiert ist. Es ergeben sich folgende Grenzstrukturen:

Eignung von Natronlauge Für die Abspaltung des nur schwach polaren 4-Methoxyphenols ist Natronlauge geeigneter als destilliertes Wasser, da durch die Hydroxidionen die phenolische Hydroxygruppe deprotoniert wird: Das anionische 4-Methoxyphenolat löst sich besser in Wasser und wird daher vollständig in die wässrige Phase überführt.

Reaktionsmechanismus für Schritt 1 Die Synthese von Methylhydrochinon folgt im ersten Schritt einer elektrophilen Substitution am Aromaten:

Definition eines chemischen Gleichgewichts Bei einer reversiblen Reaktion ist ein chemisches Gleichgewicht eingestellt, wenn die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleich schnell sind. Dabei bleiben die Edukt- und Produktkonzentrationen konstant. Massenwirkungsgesetz für das SOHIO-Verfahren Für das SOHIO-Verfahren beträgt die Gleichgewichtskonstante Da hier liegt das Gleichgewicht auf der Seite der Produkte. Eigentlich kann hier nicht von einem Gleichgewicht gesprochen werden, da alle Edukt-Teilchen zu Produkt-Teilchen reagieren.

Bewertung der verschiedenen Herstellungsverfahren Das SOHIO-Verfahren weist im Vergleich zur Alternativmethode einen geringeren ReCipe-Wert auf, da es weniger fossile Rohstoffe verbraucht und zudem weniger schädlichen Feinstaub freisetzt. In Bezug auf den Umweltschutz lässt sich daher festhalten, dass das SOHIO-Verfahren aufgrund dieser Eigenschaften als umweltfreundlicher zu bewerten ist als die Alternative. Zudem ist die Ausbeute an Acrylnitril beim SOHIO-Verfahren höher im Vergleich zur Alternativmethode. Unter der Annahme ungefähr gleicher Rohstoffkosten kann daher davon ausgegangen werden, dass das SOHIO-Verfahren wirtschaftlicher ist. Somit ergibt sich auch in Bezug auf den Wohlstand die Schlussfolgerung, dass das SOHIO-Verfahren zur Acrylnitril-Produktion besser geeignet ist als die Alternative.