OHLENSTOFFVERBINDUNGEN 5 ORGANISCHE CHEMIE: KOHLENSTOFFVERBINDUNG

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1 5 RGAISE EMIE: KLESTFFVERBIDUG K LESTFFVERBIDUGE ARGAISE UD RGAISE EMIE 5.2 EMIE Stoffe und Definition der 32 Stoffe und Definition der A ARAKTERISTIKA V KLESTFFVERBIDUG LESTFFVERBIDUGE E Vielfalt von organischen Substanzen Ketten, Ringe, etze Schreibweisen der rganischen hemie Konstitutionsisomerie Stoffklassen und Funktionelle Gruppen Drill&Practice: Funktionelle Gruppen LEWASSERSTFFE KLEWASSERSTFFE Alkane ffenkettige, verzweigte und yclo-alkane IUPA-omenklatur 41 Regeln zur Benennung der Alkane Drill&Practice: IUPA und Konstitutionsisomere Eigenschaften der Alkane 44 Siedepunkte und Schmelzpunkte 44 Dichte 44 Die Zellmembran enthält holesterin/holesterol. Wozu? Drill&Practice: IUPA und Konstitutionsisomere (2) Typisches Verhalten organischer Verbindungen Reaktionen der Alkane 47 Verbrennung: Reaktion mit Sauerstoff 48 Kraftstoffe: Fraktionierte Destillation Radikalische Substitutionsreaktion Drill&Practice: Radikalische Substitution alogenkohlenwasserstoffe zon 55 Bildung und Abbau von zon in der Stratosphäre 56 Das zonloch 56 FKW und zon Drill&Practice: zon Energetische Betrachtung zur Reaktion von Alkanen Moleküldynamik bei Alkanen Drill&Practice: Energetik von Alkanen ATP 62

2 Anorganische und rganische hemie SPF SB_A KME 31 5 rganische hemie: Kohlenstoffverbindungen 5.1 Anorganische und rganische hemie Das hier abgebildete hlorophyll, von dem es verschiedene Typen gibt, spielt eine ganz zentrale Rolle, bei der Gewinnung von Biomasse aus Sonnenlicht. Es ist zentraler Bestandteil der Photosynthese. hlorophyll gehört chemisch gesehen in den Bereich der rganischen hemie und nicht in den Bereich der Anorganischen hemie. Die Unterscheidung richtet sich nach der Verwendung der Atome. Wenn Sie sich das hlorophyll a anschauen, welche Atome werden verwendet? otieren Sie alle verwendeten Atome nach abnehmender äufigkeit.

3 Anorganische und rganische hemie SPF SB_A KME 32 Stoffe und Definition der Stoffe und Definition der A rganische hemie bezeichnet nicht die hemie der inneren rgane wie Leber oder iere. Der Ausdruck rührt daher, dass man zu Beginn des 19. Jahrhunderts der Ansicht war, dass Stoffe aus der belebten Welt wie Zucker, Fette oder arnstoff nur durch lebende Zellen synthetisiert werden konnten, die die sog. Vis Vitalis, die Lebenskraft enthielten. Der schwedische hemiker Jöns Jacob Berzelius schlug 1806 aus diesem Grund die Bezeichnung "organische Stoffe" vor. Andere Materie wie Salze oder Metalle wurden als "anorganische Stoffe" bezeichnet. Die Unterscheidung wurde hinfällig als es 1826 dem deutschen hemiker Friedrich Wöhler gelang aus "anorganischem" Ammoniumcyanat "organischen" arnstoff (Urin) herzustellen und zwar ohne lebende Zellen. Dies war der Startpunkt für eine äusserst interessante Richtung der synthetischen hemie. Synthese von arnstoff durch Friedrich Wöhler (1826) Die Begriffe organische hemie () und anorganische hemie (A) sind beibehalten worden, werden heute aber anders definiert. Friedrich Wöhler Verhältnis: Anzahl registrierter anorganischer Stoffe zu organischen Stoffen AS (hemical Abstracts) 1 Zeit: Zentrale Frage: Über 90% aller Stoffe sind organische Stoffe. Wie ist diese Vielfalt zu erklären? 1

4 harakteristika von Kohlenstoffverbindungen SPF SB_A KME harakteristika von Kohlenstoffverbindungen Vielfalt von organischen Substanzen Ketten, Ringe, etze Kohlenstoff ist als eins der wenigen Elemente in der Lage mit sich selbst Verbindungen bestehend aus Ketten, Ringen oder etzen unterschiedlicher Grösse einzugehen. ft findet man in diesen Verbindungen auch Wasserstoffatome. Die einfachste Kohlenstoffverbindung der ist das Methan 4, das als auptkomponente im Erdgas vorkommt. Zeichnen Sie die Lewisformel von Kohlenstoff und Wasserstoff. Zeichnen Sie die Struktur von Methan. Zeichnen Sie mögliche Ketten, Ringe, etze von Kohlenwasserstoffen Schreibweisen der rganischen hemie Die Übersichtlichkeit bei Strukturzeichnungen ist ganz wichtig. Im Grunde werden nur die Bindungen gezeichnet und die funktionellen Gruppen. Die -Atome werden nicht gezeichnet, ausser bei funktionellen Gruppen. Jede Ecke symbolisiert ein -Atom. Jedes Ende eines Striches symbolisiert ein -Atom. Dort sind gleichzeitig auch 3 -Atome vorhanden und als 3 Gruppe zu lesen. X und Y können einen ganzen Molekülteil darstellen, der wie z.b. beim hlorophyll variieren kann. hlorophyll-a trägt an der Stelle X eine = 2 Gruppe und an Stelle Y eine 3 Gruppe. hlorophyll-b unterscheidet sich im Vergleich zu hlorophyll-a nur durch eine Gruppe an Position Y. Für jeden Zweck die richtige Schreibweise Formel Synonym Bedeutung Beispiele Lewis Formel -- Salzformel -- Verhältnisformel Substanzformel Aufteilung der Valenzelektronen in rbitale Beschreibung des einfachsten Verhältnisses von Ionen in Salzgittern einfachstes Atomzahlenverhältnis einer x-beliebigen Verbindung Bruttoformel Strukturformel Summenformel Strichformel Art und Anzahl der Atome eines Atomverbandes Verknüpfung und räumliche Anordnung (3D) der Atome Molekülformel -- Bruttoformel und Strukturformel kombiniert zu einfacher 2D-Schreibweise

5 harakteristika von Kohlenstoffverbindungen SPF SB_A KME Konstitutionsisomerie Eine weitere Variationsmöglichkeit bei organischen Verbindungen sind die unterschiedlichen Verknüpfungsmöglichkeiten der -Atome. Dadurch gibt es auch unterschiedliche Strukturen für eine einzige, gegebene Bruttoformel. Bruttoformel: Stecken Sie mit ilfe des Baukastens 2 verschiedene Konstitutionsisomere für die Bruttoformel 2 6. Isomere sind Moleküle mit gleicher Bruttoformel aber unterschiedlicher Strukturformel. Anzahl und Art der Atome sind identisch, aber die Struktur ist verschieden. Isomere ist ein Überbegriff, denn es gibt viele Möglichkeiten für eine unterschiedliche Strukturformel. Eine spezielle ist die Konstitutionsisomerie. (Weitere Formen folgen später.) Konstitutionsisomere haben bei gleicher Bruttoformel eine unverwechselbare Anordnung der Atome in einem Molekül. Das Verknüpfungsmuster der Atome ist bei Konstitutionsisomeren unterschiedlich. Analysieren Sie nach der Definition für Isomere und Konstitutionsisomere die Stoffe Diethylether und Butanol. Passen sie in die Definition? Begründen Sie. Vergleich des Stoffverhaltens der Konstitutionsisomeren Diethylether und Butanol

6 harakteristika von Kohlenstoffverbindungen SPF SB_A KME Stoffklassen und Funktionelle Gruppen Die Vielfalt der organischen Verbindungen wird in sog. Stoffklassen geordnet und systematisiert. Zu jeder Stoffklasse gehört eine funktionelle Gruppe, die charakteristisch ist. Ethanol 3 2 ist ein Vertreter der Stoffklasse der Alkanole mit der ydroxy-gruppe als funktioneller Gruppe und dem Rest (R) = -Kette. R = Rest = -Kette B = beliebig = -Kette oder oder alogen oder A = Aminosäurerest = spezifisch für Aminosäuren X = alogen 3 2 Rest R Funktionelle Gruppe Stoffklasse Zeichnen Sie die Beispiele rechts in die Tabelle ein. Stoffklassen und funktionelle Gruppen I Stoffklasse ame der Funktionellen Gruppe Allgemeine Struktur der Funktionellen Gruppe Beispiel Alkane --- (Einfachbindungen sind keine funktionelle Gruppe) --- Propan (3 -Atome) Alkene Doppelbindung B B B B Propen Alkine Dreifachbindung B B Propin Arene aromatisches System Toluen (alt Toluol) 3 alogen- Stoffklasse R-X alogen-gruppe R-X 1-hlorpropan (Stoffklassen = alogenalkan) Alkanole (Alkohole) R- ydroxy-gruppe (ydroxyl-gruppe) R Propanol Ether R 1 --R 2 Ether-Gruppe R 1 R 2 Dimethylether Kreisen Sie die funktionellen Gruppen ein und schreiben Sie diese an das Molekül. l

7 harakteristika von Kohlenstoffverbindungen SPF SB_A KME 36 Zeichnen Sie die Beispiele in die vorgesehene Spalte Stoffklasse Alkanone (Ketone) R 1 --R 2 Alkanale (Aldehyde) B- arbonsäuren B- Ester B--R Amine R-B 2 Stoffklassen und funktionelle Gruppen II ame der Funktionellen Gruppe Keto-Gruppe Aldehyd-Gruppe arboxy-gruppe (arboxyl-gruppe) Ester-Gruppe Amino-Gruppe z.b. R- 2 enthalten alle die arbonylgruppe = Allgemeine Struktur der Funktionellen Gruppe R 1 R 2 B B B R R B B Propanon Propanal Propansäure Beispiel Essigsäureethylester Methylamin Aminosäuren 2 -A- α-aminocarbonsäure Amide B-B 2 Amid-Gruppe = Gruppe 2 B A B B Glycin=einfachste Aminosäure A = Glycin-Glycin (übersichtlich) Kreisen Sie die entsprechenden funktionellen Gruppen ein. Die grösste gilt! 3 Br Vervollständigen Sie Ein Amin ist wie ein, nur dass ein gegen ein getauscht ist. Ein Amid ist wie ein Ester, nur Eine arbonsäure und ein Aldehyd unterscheiden sich in Vorsicht: Die Stoffe sehen zwar alle relativ ähnlich aus, das Verhalten der Stoffe ist aber völlig unterschiedlich.

8 harakteristika von Kohlenstoffverbindungen SPF SB_A KME Drill&Practice: Funktionelle Gruppen 1. Geben Sie durch Einkreisen und Bezeichnen die Ihnen bekannten funktionellen Gruppen und die dazugehörigen Stoffklassen an. Ein Molekül kann mehrere funktionelle Gruppen enthalten. Lösungen unter weiter zu Drill&Practice. Schilddrüsenhormon Thyroxin Wichtig für den Stoffwechsel und die Thermogenese. Retinal Am Sehvorgang beteiligtes Molekül. I I I I Aspirin 2-B Designerdroge 2 Br 2. ennen Sie die Stoffklassen und die funktionellen Gruppen der folgenden Verbindungen. 3,, 3, ( 3 ) 3, 3 3

9 harakteristika von Kohlenstoffverbindungen SPF SB_A KME itliste toxischer Verbindungen Lösungen unter weiter zu Drill&Practice. Geben Sie durch Einkreisen und Bezeichnen die Ihnen bekannten funktionellen Gruppen und die dazugehörigen Stoffklassen an. (Die hier gegebenen Informationen zu den einzelnen Stoffen sind kein Prüfungsgegenstand, sondern dienen nur der Rahmenhandlung.) Toxizität wird mit der Lethalen Dosis LD 50 ausgedrückt. Der LD 50 Wert bezeichnet diejenige Dosis, nach deren Verabreichung die älfte der Versuchstiere (meist Ratten oder Mäuse) stirbt. Botulinum-Toxin ( µg/kg Maus), Tetanus-Toxin ( µg/kg Maus) und β-bungaro-toxin (ein Schlangengift, 0.02 µg/kg Maus) sind die giftigsten Substanzen. Es sind alles Proteine, die aus Aminosäuren aufgebaut sind, die wiederum über Amidbindungen verknüpft sind. Zeichnen Sie eine Amindgruppe. Maitotoxin (Alge) 0.05 µg/kg Maus Batrachotoxin (Pfeilgiftfrosch) 2 µg/kg Maus Tetrodotoxin (Kugelfisch, Fugu) 10 µg/kg Maus Dioxin (ein typ. Vertreter der Dioxin-Familie) 22 µg/kg Maus Muscarin (Fliegenpilz) 230 µg/kg Maus Strychnin (Brechnuss) 750 µg/kg Maus Atropin (Tollkirsche) µg/kg Maus (fast schon gesund)

10 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Kohlenwasserstoffe Alkane Die homologe Reihe ist eine Folge von Verbindungen, die jeweils durch ein -Atom (inkl. der entsprechenden Zahl Wasserstoffatome) verlängert wird. Bei Strukturformeln bedeutet jedes Ende und jede Ecke ein -Atom, die Wasserstoffatome werden der Einfachheit halber nicht gezeichnet. ingegen schreibt man, damit keine Missverständnisse entstehen, die -Atome bei funktionellen Gruppen immer dabei. Tipp zum Auswendiglernen: Methan-Ethan-Propan-Butan lernt man als ein Wort, ab Pentan: griechische Zahlen Füllen Sie die Spalte Molekülformel und Strukturformel aus. Welche allg. Bruttoformel ergibt sich? Für die Spalte Aggregatzustände werden die Stoffe im Klassenzimmer parat gestellt. amen und Anzahl -Atome Auswendig! omologe Reihe der Alkane Anzahl -Atome ame Bruttoformel Summenformel Strukturformel 1 Methan 4 2 Ethan 2 6 Verwendung Aggregatzustand 3 Propan 4 Butan 5 Pentan 6 exan 7 eptan 8 ctan 9 onan 10 Decan 14 Tetradecan Pentadecan Eicosan Icosan Allgemeine Bruttoformel der Alkane:

11 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 40 Vervollständigen Sie die Tabelle und ergänzen Sie die Bruttoformel. Definieren Sie den Begriff homologe Reihe : ame des Alkans eptan Bruttoformel (Summenformel) Molekülformel (hier in einer verkürzten Schreibweise) Aggregatzustand 3 -( 2 ) Tetradecan ( 2 ) 3-3 Undecan Butan ffenkettige, verzweigte und yclo-alkane ffenkettige Alkane ycloalkane Allgemeine Bruttoformel Allgemeine Bruttoformel

12 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME IUPA-omenklatur Um eine gewisse Übersicht in der amensgebung der grossen Anzahl organischer Verbindungen zu gewährleisten wurde auf dem IUPA-Kongress von 1892 in Genf die sog. IUPA-omenklatur (amensgebung) geschaffen. Mit ihr können sämtliche Verbindungsnamen systematisch erfasst werden. Die IUPA arbeitet heute eng mit der IS (International rganization for Standardization) zusammen. Jede Standardisierung hat zum Zweck, den internationalen Austausch von Gütern und Know-ow zu erleichtern. eben den IUPA-amen existieren eine grosse Anzahl historisch bedingter Bezeichnungen. So hat sich für Essigsäure der Ausdruck Ethansäure immer noch nicht durchgesetzt und Polymethacrylsäuremethylester heisst weiterhin Plexiglas. Regeln zur Benennung der Alkane 2 Zuerst wird die längste Kette (auptkette) bestimmt. Daraus ergibt sich der ame, an den man ein -an anhängt z.b. eptan Die Seitenketten werden allg. Substituenten genannt. Für Alkansubstituenten wird ein -yl angehängt, man spricht auch von Alkyl- Resten z.b. Methyl- Die Positionen der Substituenten an der auptkette werden bestimmt. Dazu werden Platzziffern vergeben. Die Summe der Platzziffern muss möglichst klein sein. Die Platzziffern werden vor den Substituentennamen gestellt und die Substituenten vor die auptkette z.b. 2-Methylheptan. Kommt der gleiche Substituent mehrmals in einem Molekül vor, so wird die entsprechende Anzahl durch eine Vorsilbe angegeben: mono (vernachlässigbar), di-, tri-, tetra-, pentaetc. z.b. 2,3-Dimethylheptan. Verschiedene Substituenten werden alphabetisch geordnet z.b. 4-Ethyl-2,3-dimethylheptan. 2 Automatische Benennung (engl.) unter oder im Molekülzeichen-Programm hemsketch (gratis)

13 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 42 Geben Sie amen oder Strukturen an. Struktur ame ame Struktur 2-Ethyl-1,3-dimethylcyclobutan 2-Brom-2-chlor-1,1,1- trifluorethan Inhalationsnarkotikum alothan l l l 4-Ethyl-3,6-dimethyloctan Bestimmen Sie die Anzahl, die Strukturformeln und die amen der jeweiligen Konstitutionsisomeren

14 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Drill&Practice: IUPA und Konstitutionsisomere 1. Geben Sie die amen der unten stehenden Alkane unter Anwendung der IUPA-omenklaturregeln an. ummerieren Sie die Kohlenstoffatome der längsten Kette, der so genannten auptkette, entsprechend der omenklaturregel. 2. Entscheiden Sie, welche der Verbindungen zueinander isomer sind und begründen Sie Ihre Entscheidung. Lösungen unter weiter zu Drill&Practice.

15 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Eigenschaften der Alkane Siedepunkte und Schmelzpunkte Die Siedepunkte und Schmelzpunkte der Alkane verlaufen mit steigender Anzahl der -Atome relativ regelmässig. Welche zwischenmolekularen Kräfte sind für die steigenden Siede- und Schmelzpunkte verantwortlich? Die 5 Isomere des exans (siehe S. 42) besitzen Siedepunkte zwischen 50 und 69. Alle Moleküle haben doch die Bruttoformel Was ist der Grund für die unterschiedlichen Siedepunkte? Dichte Weshalb schwimmt Erdöl, Benzin und eizöl auf dem Wasser? Was für Konsequenzen hat das für Löscharbeiten von Feuerwehren? 0.8 Lösungsversuche von Öl Die Zellmembran enthält holesterin/holesterol. Wozu? Zellmembran = Lipiddoppelschicht, die Zellkompartimente voneinander trennt, mit langen Alkanketten

16 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Drill&Practice: IUPA und Konstitutionsisomere (2) 3. Zeichnen Sie alle 8 Konstitutionsisomeren der Verbindung Zeichnen Sie alle 9 Konstitutionsisomeren der Verbindung Fassen Sie unter den folgenden Alkanen die konstitutionsisomeren und die identischen Moleküle zusammen und geben Sie die amen an. a b c d e f g 6. Geben Sie die IUPA-amen an bzw. zeichnen Sie die Strichformeln. 4-Ethyl-2-methyldecan 1,1-Dimethyl-3-propyl-cyclopentan l l 7. Welches Alkan ist bei Raumtemperatur (20 ) gerade noch gasförmig, welches gerade noch flüssig? (siehe Tabelle) 8. Wie viele -Atome hat das Alkan, das in kochendem Wasser a) gerade noch verdampft? b) gerade noch nicht schmilzt? 9. Alkane zersetzen sich wie die meisten organischen Stoffe bei Temperaturen über 360. Wie lang ist das Alkan, das noch unzersetzt destilliert werden kann? 10. Erklären Sie die kontinuierliche Zunahme der Schmelz- und Siedetemperaturen der Alkane innerhalb der homogenen Reihe. Lösungen unter weiter zu Drill&Practice. l ame des n-alkans SDP SMP ame des n-alkans Summenformel Summenformel SDP SMP Methan n-tridecan ,5 5 Ethan ,5 183 n-tetradecan ,5 Propan ,5 187 n-pentadecan n-butan ,5 158 n-exadecan n-pentan n-eptadecan n-exan n-ctadecan n-eptan ,5 n-onadecan n-ctan n-eicosan n-onan ,5 n-triakontan n-decan n-ektan n-undecan n-dodecan

17 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Typisches Verhalten organischer Verbindungen rganische Stoffe sind häufig thermisch instabil und zersetzen sich (unter Luftausschluss, damit es nicht zu einer Reaktion kommt) oberhalb von 300. Dies tritt z.b. bei Salzen, die zu den anorganischen Stoffen gehören, nicht ein. Salze haben häufig einen hohen Schmelzpunkt (oberhalb 1000 ), zersetzen sich aber dabei nicht. (Das ist sehr häufig, aber nicht immer so.) Thermolyse von Glucose und al a + l - Bindungen in der Glucose zwischen den Atomen: Beim al existiert ein: Bindungsenergien: Um 1 mol Bindungen in Atome bzw. Ionen zu trennen, werden folgende Energien benötigt: Während bei Salzen die Ladungen der Ionen zu starken Bindungen führen und damit eine hohe thermische Stabilität zeigen, lässt sich bei organischen Verbindungen auf eine geringe thermische Stabilität schliessen. Warum sollte man Vitamin haltige ahrungsmittel nicht zu lange kochen oder am Licht bzw. in der Wärme rumstehen lassen. Geben Sie eine wissenschaftlich haltbare Erläuterung.

18 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Reaktionen der Alkane Bei der Reaktionsfähigkeit der Alkane geht es nicht um die thermische Stabilität, sonderm um chemische Reaktionen mit anderen Stoffen, wie z.b. mit dem ruppigen Reagenz Kaliumpermanganat. Reaktion von Pentan und Glycerol mit Kaliumpermanganat (KMn 4 ) Alkane werden auch als gesättigte Kohlenwasserstoffe oder als Paraffine (lat. parum affinis zu wenig verwandt bzw. zu wenig geneigt) bezeichnet, da sie nur aus - und - Einfachbindungen aufgebaut sind. Moleküle können besonders gut angegriffen werden und reagieren auch dann besonders gut, wenn die Atombindungen besonders polar sind. Je polarer, umso besser die Reaktionsfähigkeit. Um die Polarität einer Atombindung voraussagen zu können, wurde die Elektronegativität (E) eingeführt. Elektronegativität ist ein Mass für die Fähigkeit der Atome, bindende Elektronen anzuziehen. Dem elektronegativsten Element Fluor wurde willkürlich die Zahl 4.0 (empirisch 3.98) zugeordnet und die anderen Atome empirisch dazu vermessen, so dass sich eine Reihe der Elektronegativitäten im PSE ergibt. Je grösser der Unterschied in den E Werten der beteiligten Atome ist ( E), um so grösser ist die Polarität der kovalenten Bindung. Streng nach oulomb gilt: die E steigt, wenn die Rumpfladung zunimmt oder der Rumpfdurchmesser abnimmt. Daher ist Fluor am elektronegativsten. rdnen Sie die Moleküle nach Ihrer Reaktionsfähigkeit. Das -Atom der arbonylgruppe soll durch ein ukleophil angegriffen werden. (1 = gut, 5 = schlecht) l 3 l F l

19 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 48 Alkane haben einerseits im Vergleich der kovalenten Bindungen relativ geringe Bindungsenergien (- ca. 350 kj/mol, - ca. 400 kj/mol). Dies führt zu einer thermischen Instabilität. Andererseits haben Alkane geringe Polaritäten E(-) = 0, E(-) = 0.35, so dass eine geringe Reaktionsfähigkeit resultiert. Verbrennung: Reaktion mit Sauerstoff Alkane verbrennen an der Luft oder in reinem Sauerstoff zu 2 und Wasser. Bei Sauerstoffmangel wird gebildet, das giftig und unerwünscht ist. Das auptprodukt der Verbrennung ist die Wärme und die durch die Verbrennungsgase entstehnde Volumenvergrösserung. Alkane sind so reaktionsträge, dass man sie eigentlich nur verbrennen kann. ur bei der Reaktion mit Sauerstoff ergibt sich ein deutlicher Energiegewinn, bei der Erzeugung der Produkte, die stark polar sind. Verbrennung von Methan und achweis der Produkte Pentankanone Explodierende Konservendose Fazit Alkane lassen sich entweder nur verbrennen, oder sie müssen vor einer Weiterverarbeitung speziell aktiviert werden.

20 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 49 Kraftstoffe: Fraktionierte Destillation Temperaturdifferenz Fraktion Fraktion Fraktion Fraktion Fraktion Verarbeitung Rohöl Rückstand Entzündungsfähigkeit verschiedener Alkane Flammpunkt iedrigste Temperatur, bei der über einer Flüssigkeit soviel Dampf entwickelt wird, dass unter Anwendung einer Zündquelle der Dampf zum ersten Mal kurz aufflammt, dann aber wieder erlischt und nicht weiterbrennt. Zündtemperatur iedrigste Temperatur, bei der sich der Stoff an der Luft selbst entzündet und weiterbrennt. (Selbstzündung) Zündgrenzen (Explosionsgrenzen) Prozentualer Volumenanteil eines Gases in einem Gas/Luft-Gemisch, bei dem eine Zündung möglich ist. Beispiel Benzin: Explosionsgrenze für Methan 5-15 %Vol

21 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 50 Motoren Verbrennung im Motor und das Klopfen: 4-Takt-ttomotor Benzin Diesel Stoffe für Zusatzfunktionen ctanzahl

22 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Radikalische Substitutionsreaktion Aktivierung von Alkanen: Reaktion von Alkanen mit alogenen Zur erstellung reaktiver Zwischenprodukte für organische Synthesen müssen bei Alkanen polare Bindungen eingeführt werden. Dies erreicht man u.a. durch Verwendung der alogene hlor und Brom. Die Reaktivität der Stoffe ist recht unterschiedlich: hlor reagiert mit Methan explosionsartig, exan mit Brom sehr moderat. reagiert schlecht Br reagiert gut Reaktion von exan mit Brom Beobachtung Reaktionsgleichung Beilsteinprobe: Qualitativer achweis für alogenatome in organischen Verbindungen Kupferblech plus Substanz erhitzt Grünfärbung Beilsteinprobe des Produkts exan plus Brom: positiv negativ Reaktionsmechanismus der Bromierung von exan (einfachste Variante) Der Reaktionsmechanismus beschreibt die Veränderung der Teilchen und Bindungen während chemischer Reaktionen. Beim Reaktionsmechanismus der radikalischen Substitution entstehen Radikale = Teilchen mit ungepaarten Elektronen. Analysieren Sie und notieren Sie am rechten Rand Kommentare. 1. Stufe: Start Br Br 2 Br vereinfacht: Br 2 2 Br 2. Stufe Br Br 3. Stufe Br Br + Br 4. Stufe Br 6 13 Br

23 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 52 Monobromierung von exan Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Br Im Laufe der Reaktion nimmt die Konzentration an 6 14 ab und die von 6 13 Br zu. Während der Kettenreaktion entsteht dann auch 6 12 Br 2 und auch dieses kann weiterreagieren zu 6 11 Br 3 usw., sofern genügend Br 2 vorhanden ist. Es entsteht ein Produktgemisch, das zwischen ull und 14 Bromatomen enthält, inkl. aller Konstitutionsisomeren. Für technisch verwertbare Produkte eignet sich daher nur das Methan und Ethan zur alogenierung, da es hier viel weniger Variationsmöglichkeiten gibt. Die Produktzusammensetzung lässt sich durch das Mischungsverhältnis der Komponenten und durch die Wahl der äusseren Bedingungen beeinflussen, z.b. durch Kombination von Brom und exan im molaren Mischungsverhältnis von 1:1 Stellen Sie aus 100 g exan durch Reaktion mit Brom das (Mono-) Bromhexan her. Wieviel g Brom sind einzusetzen? (Gleichung aufstellen und Stöchiometrie) Stellen Sie auch das vollständig bromierte Produkt her. Wieviel g Brom sind jetzt einzusetzen? (n-)bromhexan ist immer noch ein Gemisch von Konstitutionsisomeren. Zeichnen Sie die Konstitutionsisomeren vom Mono-Bromhexan und gehen Sie vom n-bromhexan aus, d.h. zeichnen Sie keine verzweigten Strukturen. Warum lassen sich mit der Bromierung von n-exan keine exankonstitutionsisomere herstellen? Verteilung der Rohölnutzung Die alogenalkane sind wichtige Zwischenprodukte, um von den im Rohöl zu findenden Alkanen, zu hochwertigen chemischen Produkten zu gelangen. hne die radikalische Substitution könnte man Alkane nur verbrennen. Davon macht man übrigens üppig Gebrauch. ur ca. 6% des Erdöls werden für chemische Rohstoffe verwendet. Davon wiederum wird nur ein sehr kleiner Teil für z.b. PET Flaschen verwendet. Die werden aber aufwändig recycled! Ein Verhältniswahnsinn? Warum nicht unter kontrollierten Bedingungen verbrennen? Verkehr 47% Industrie 21% aushalte 26% chemische Rohstoffe 6%

24 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Drill&Practice: Radikalische Substitution 1. Entwickeln Sie für die mit dem Kugel-Stab-Modell dargestellten Teilreaktionen der hlorierung von Methan die Reaktionsgleichungen. Startreaktion: Reaktionsgleichungen: Reaktionskette: Reaktionsgleichungen: Abbruchreaktionen: Reaktionsgleichungen: 2. Wie lässt sich aus Methan Tetrabrommethan herstellen und wie Dibrommethan? 3. Bei der Reaktion von exan mit Brom soll 6 12 Br 2 entstehen. Wie viele Konstitutionsisomere gibt es? Geben Sie die amen an. Lösungen unter weiter zu Drill&Practice.

25 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME alogenkohlenwasserstoffe Eigentlich stellen alogenalkane reaktive Zwischenstufen bei chemischen Synthesen dar (sehr viele, daher hier keine Beispiele), einige sind aber auch direkt in Verwendung. : Lesen Sie die Informationen in der intergrundinformationstabelle und zeichnen Sie die fehlenden Strukturen ein. ighlighten Sie in der Spalte Besonderheiten genau einen Ihnen wichtigen Aspekt. Formel ame und Verwendung Besonderheit l n poly = viele dieser Einheiten aneinander gekoppelt F F F F n PV = Polyvinylchlorid Verpacken von Tabletten in Blisterverpackungen, Rohrleitungen, Apparaten, Kabeln, Drahtummantelungen, Fensterprofilen, im Innenausbau, im Fahrzeugu. Möbelbau, in Bodenbelägen, Folien, Kunstleder, Koffern, Vorhängen, Verpackungsbehältern, Klebebandfolien, Bekleidung, Schuhen etc. Teflon, Polytetrafluorethen Verwendung als Bratpfannenbeschichtung und für Laborgeräte PV kann heute als klassisches Beisp. für ein Produkt angesehen werden, dessen Umweltverträglichkeit kontrovers diskutiert wird. Gegen PV: Restgehalt an Vinylchlorid (Edukt) gesundheitliches Risiko wegen krebserzeugender Wirkung. Ausserdem seien Produkte aus PV nicht recyclierbar und könnten nur unter Bildung von Salzsäure (l) und auch von Dioxinen verbrannt werden. Für PV: unter heutigen Produktionsbedingungen seien die Restgehalte an Vinylchlorid in PV gesundheitlich völlig unbedenklich, da PV in erheblichem Umfang recycliert werden könne und im übrigen eine Verbrennung bei wesentlich erhöhter Temperaturen ohne schädliche Auswirkungen auf die Umwelt möglich sei. thermisch und chemisch beständig Antihafteigenschaften hloroform = Trichlormethan Inhalationsnarkotikum gewebeschädigend: erven, iere potenziell krebserregend Methylenchlorid = Dichlormethan Lösungsmittel für Fette, Öle, arze, Lacke vielseitig verwendbar Lindan = 1,2,3,4,5,6-exachlorcyclohexan Schädlingsbekämpfungsmittel (Insektizid) PER = Perchlorethen = Tetrachlorethen Textilreinigungsmittel (Waschen ohne Wasser) Die hemische Insektizid bevorzugt gegen Bodenschädlinge, früher weitverbreiteter Bestandteil von olzschutzmitteln, in der Schweiz verboten, findet noch heute im aussereurop. Bereich Anwendungen, aber in Stoffverordnung der Schweiz (StoV, 7. September 2004) Verboten sind exachlorcyclohexan (, alle Isomeren), ausgenommen Gamma-exachlorcyclohexan (Lindan) in Saatbeizmitteln für landwirtschaftliche Verwendungen und in Arzneimitteln 3. wichtigstes Lösungmittel alothan = 2-Brom-2-chlor-1,1,1-trifluorethan Inhalationsnarkotikum heikel im Umgang mit Dosierung wird mit Lachgas 2 kombiniert FKW Fluorchlorkohlenwasserstoffe (hlorfluoralkane) Treibgase (Spray), Kältemittel (Kühlschränke), Feuerlöschmittel, Kunststoffschäumer nicht brennbar, nicht ätzend, ungiftig, = inert gefährden die zonschicht in der Stratosphäre da sehr stabil, können lange überleben in der Schweiz verboten mit einigen Ausnahmen

26 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME zon zon 5 3 ist ein stechend riechendes, giftiges Gas. Der leicht frische Geruch in der ähe von Kopierapparaten und Laserjets ist auf die Bildung von zon zurückzuführen. In der Stratosphäre (12-50 km öhe) ist es erwünscht und nützlich, da es einen Teil der UV-Strahlung, besonders die UV- Strahlung, absorbiert. FKWs können die zonschicht zerstören. Für FKW-Anwendungen wurden Erund Alternativlösungen gesucht. Wie üblich bei Alternativen müssen sie ökonomisch vertretbar, qualitativ vergleichbar, gesundheitlich unbedenklich, ökologisch verträglich und gut handhabbar sein. Für Spraydosen werden wieder (leider satz- brennbare) Propan/Butan-Gemische eingesetzt. Dabei gilt, wie so oft: gar nicht verbraucht ist die beste Ökologie. In Bodennähe ist es wegen seiner aggressiven Wirkung sehr unerwünscht. hemisch-physikalische und und physiologische zonwirkung Verwendung von zon Wirkung von Sonnenschutzmitteln Warum ist zon so aggressiv? zon besitzt die grosse eigung unter Bildung von Sauerstoffgas zu zerfallen. Zeichnen Sie 3 und den Zerfall zu Sauerstoff +??. Welche Aussagen lassen sich machen? 5 ozein (gr.) = stinken, riechen

27 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 56 Bildung und Abbau von zon in der Stratosphäre Die folgende graphische Darstellung zeigt die Synthese und den Zerfall von zon. In der ungestörten zonschicht wird zon durch den Einfluss von UV Licht (λ = Wellenlänge in anometern, nm) ständig gebildet und auch wieder zerstört. Übertragen Sie die Darstellung in eine Reaktionsschreibweise direkt unterhalb der Bilder. utzen Sie die Lewis Schreibweise für einzelne Atome. Verteilen Sie die Begriffe: Radikalbildung (2x), zonabbau, zonbildung. Gibt es generelle Unterschiede in den Mechanismen des zonauf- und abbaus? Das zonloch Das "zonloch" ist eine Bezeichnung für die jahreszeitlich schwankende Abnahme des stratospärischen zons. Die Abnahme beträgt in der Antarktis in den Frühlingsmonaten etwa 50%. Daneben wurde in den letzten Jahren eine globale Abnahme um 2% festgestellt. Ein Zusammenbruch der zonschicht, die unter bodennahen Bedingungen (1 bar) gerade mal 3 mm dick wäre, hätte fatale Folgen für das Leben auf der Erde. Arten von Strahlung und autkrebsrisiko Mehr als die älfte der Sonnenstrahlung, die den Erdboden erreicht, besteht aus sichtbarem Licht. Der grosse Rest ist Infrarotstrahlung oder UV-Strahlung. Infrarotstrahlung sichtbares Licht UV-Strahlung 43% 52% 5% 0.5 mm nm nm nm UV-A UV-B UV- 310 nm 240 nm 210 nm Zeichnen Sie in obige Tabelle die Absorptionsbereiche von Sauerstoff und zon ein. Welcher Bereich wird nicht absorbiert? otieren Sie.

28 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 57 Physiologische Wirkung von UV Strahlung Positive Auswirkungen von UV Strahlung (UV-A und UV-B; UV- wird fast ganz absorbiert) Förderung des Allgemeinbefindens, Stoffwechsel wird angeregt, Vitamin-D Syntheses (UV-B, Knochenbau), gut für manche auterkrankungen, Bräunung (UV-B, Melaninbildung) egative Auswirkungen von UV Strahlung UV-A Photodermatose (Mallorca-Akne) Alterung der aut: UV-A dringt tief ins Bindegewebe ein Faltenbildung UV-B Sonnenbrand führt zu autkrebs durch DA Zellschäden malignes Melanom (+Spinaliom, +Basaliom) Gefährdung der Augen (Grauer Star) Schwächung des Immunsystems Sonnenschutzmittel 30 min vor dem Sonnenbad gleichmässig und auf gereinigte aut auftragen. Maximale Besonnungszeit = Eigenschutzzeit (sehr variabel, vom auttyp abhängig) x Lichtschutzfaktor (nur 1 x in 24 Stunden, Wiederholung des Eincremens ist sinnlos, Reparaturmechanismen der Zelle brauchen Zeit) FKW und zon Der Einfluss der FKW auf den Prozess der zonbildung und des Abbaus ist bedeutend. Gerade wegen ihrer Stabilität gelangen die FKW "ungeschoren" durch alle athmosphärischen Schichten, um nach etwa 20 Jahren eine öhe von 20 km zu erreichen. Dort werden sie von der UV-Strahlung zerstört und reagieren in einem weiteren Schritt mit dem zon. Eine ganz zentrale Rolle spielt das hlorradikal. Beispielhaft wird im folgenden hlor-trifluormethan verwendet. Fertigen Sie rechts Strukturzeichnungen an, um den Prozess zu durchdenken. Radikalbildung Katalytischer zonabbau F 3 l UV - Licht F 3 + l l + 3 l + 2 / x2 2 l 2 l + 2 ettoreaktion des Abbaus ier wirken die hlor-radikale als Katalysatoren für die zonzerstörung. Sie beschleunigen den durch die UV-Strahlung natürlicherweise vorkommenden Abbau, gehen aber aus der Reaktion unverändert hervor (Ein typischer Katalysator! Bei der Bromierung von exan mittels radikalischer Substitution wurden die Bromradikale übrigens eingebaut. Dort sind sie keine Katalysatoren). Ein hloratom kann in Radikalform etwa zonmoleküle zerstören. eben den hlorradikalen gibt es noch eine Reihe weiterer radikalischer Stoffe, die die zonschicht stören. Wie würde sich die Intensität des sichtbaren Sonnenlichts am Erdboden ändern, wenn das zon durch FKWs noch weiter abgebaut würde. Argumentieren Sie mit der linken Graphik.

29 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Drill&Practice: zon 1. zon absorbiert UV-Licht. Mit welchem Vorgang auf Teilchenebene ist das zu erklären? Was tut das zon? 2. Kann zon mit sichtbarem Licht aus Sauerstoff erzeugt werden? 3. Wird zon mit sichtbarem Licht abgebaut? 4. Wird gebildetes zon bei Dunkelheit wieder abgebaut? 5. Weshalb regeneriert sich die zonschicht so langsam? 6. Warum ist es falsch zu behaupten, dass zon nur durch FKWs zerstört wird. 7. Pro 1000 m öhe nimmt die UV-Strahlung um (10-) 15% zu. Reflektierende berflächen wie Schnee, Wasser, Sand erhöhen die UV-Strahlung um (20 -) 80%. Das noch herbstliche, unbeschneite Muri (Ag) liegt auf 460 müm. Das schneebedeckte Zermatt liegt auf 1620 müm. Um wieviel % hat hier die UV Strahlung zugenommen? 8. Das unerwünschte bodennahe zon wird im Sommer durch Stickstoffmonooxid aus Autoabgasen gebildet. 2 Stickstoffmonooxid Moleküle reagieren mit elementarem Sauerstoff ( 2 ) ausschliesslich zu Stickstoffdioxid. Das wiederum zerfällt zu Stickstoffmonooxid und einem Sauerstoffradikal. Das Sauerstoffradikal reagiert mit elementarem Sauerstoff zu zon. Stellen Sie die Reaktionsgleichungen auf. Sehen Sie eine Parallele zu den Vorgängen in der Stratosphäre? 9. Überlegen Sie mit ilfe der Graphik, warum der extreme zonabbau besonders stark über der Antarktis und in den Monaten ktober und ovember stattfindet. (Die Anwort ist nicht sofort ersichtlich.) l ist eine Säure (Salzsäure), die eine Komponente des sauren Regens darstellt (hauptsächlich ist saurer Regen schweflige Säure 2 S 3 ). Wo kommt die l her? 10. Warum wurde das Thema zon an dieser Stelle behandelt? Lösungen unter weiter zu Drill&Practice.

30 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Energetische Betrachtung zur Reaktion von Alkanen Das gerade beendete Kapitel zeigte, dass Radikale sehr reaktionsfreudig sind. ichtmetallatome reagieren miteinander zu Molekülen, wenn die Edelgasregel für die einzelnen Atome nicht erfüllt ist. Zeichnen Sie ein Energiediagramm des stratosphärischen zonabbaus, also der Reaktion eines Sauerstoffradikals mit zon. So würden auch bei der Alkanbildung z.b. einzelne Kohlenstoffatome mit einzelnen Wasserstoffatomen zu Methan reagieren, wobei viel (Wärme-)Energie abgegeben wird. Die Reaktion ist exotherm und die Produkte befinden sich auf einem tieferen energetischen iveau. Zeichnen Sie. Warum verbrennt/reagiert reagiert Methan aber mit Sauerstoff zu 2 und 2? Die Edelgasregel ist ja schon vorher erfüllt! Die Erklärung liegt nah, dass das Energieniveau der Produkte tiefer liegt als das der Edukte. Es gilt das Prinzip vom Energieminimum. Mit ilfe der Thermodynamik lassen sich diese Energien sehr genau berechnen. ier stellt sich aber die Frage, ob man den Produkten und Edukten auf der Strukturebene ansehen kann, ob sie miteinander reagieren? Behauptung: Durch die Polarität von Atombindungen wird die Bindungsenergie verstärkt d.h. bilden sich bei chemischen Reaktionen aus Molekülen mit nicht- oder nur gering-polaren Bindungen Moleküle, die stark polare Bindungen enthalten, so verlaufen die Reaktionen stark exotherm, d.h. der gebildete Stoff liegt energetisch sehr tief. Die Reaktionsgleichung der Reaktion von Methan mit Sauerstoff ist schon abgedruckt. Tragen Sie alle Elektronegativitätswerte ein und schätzen sie die Polaritä- ten der einzelnen Bindungen ab. (Es geht hier nicht um ganze polare oder unpolare Moleküle wie bei den ZMK.) Wird die obige Behauptung gestützt? otieren Sie ein paar erläuternde Worte

31 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME Moleküldynamik bei Alkanen Moleküle auf dem Papier wirken furchtbar holzig und starr. Das ist aber gar nicht so. Sie haben eine vielfältige Dynamik. Moleküle bewegen sich bei Raumtemperatur sehr schnell, z.b. rotieren die Methylgruppen mal pro Sekunde um Einfachbindungen. Die durch Drehung um Einfachbindungen erzeugten, räumlich unterschiedlichen Anordnungen werden Konformationen eines Moleküls genannt. Zeichnen Sie ab Beamerpräsentation Bewegungsmöglichkeiten in das Molekül ein Verschiedene Darstellungen erleichtern den Umgang mit dynamischen Molekülen. Kugel-Stab-Modell Sägebock ewman Projektion Die ewman Projektion ist eine Betrachtung entlang der Achse des Moleküls (s.o.). Sie ist sehr praktisch um die Drehung um - Bindungen zu untersuchen. Das folgende Energiediagramm. zeigt die Energiewerte bei einer Drehung des Ethans um die eigene - Achse. Ea = Aktivierungsenergie. Raumtemperatur liefert eine Aktivierungsenergie von 75 kj/mol. Was bedeutet verdeckt/ekliptisch bzw. gestaffelt/staggered? Dreht sich das Molekül bei Raumtemperatur um die - Achse? Welche Konformation ist die energetisch günstigste? Gibt es eine Erklärung?

32 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 61 Konformationen des n-butan Was bedeutet anti bzw. gauche? Welches ist die bevorzugte Konformation, die linke oder die rechte? Geben Sie eine Erklärung dafür. Dreht sich das ganze Molekül bei Raumtemperatur? Drill&Practice: Energetik von Alkanen 1. Alkane reagieren in einer radikalischen Substitutionsreaktion mit den alogenen Fluor (F 2 ) und Iod (I 2 ). Bei der Reaktion der Alkane mit F 2 wird viel Energie abgegeben, bei der Reaktion mit I 2 bedeutend weniger. Begründen Sie. 2. l 3 gilt als thermisch äusserst instabiles Molekül. Es zerfällt unter viel Energieabgabe in die elementaren Gase. otieren Sie die Reaktionsgleichung und geben Sie den Grund für die hohe Energieabgabe an. 3. Stoffe mit polaren Bindungen sind häufig sehr stabil (Salze). Stoffe mit unpolaren Bindungen d.h. sehr viele Stoffe der organischen hemie (u.a. Glucose) nicht. Die Thermolyse von 2 S geschieht bei 600, die von 2 bei Geben Sie eine Begründung. 4. yclohexan yclohexan 6 12 ist nicht planar, sondern aufgrund seiner tetraedrischen -Atome gewinkelt. Es existieren folgende Konformationen: yclohexan Sessel Wanne Twist albsessel Dreht sich das Molekül bei Raumtemp. von der einen in die andere Sesselform? Welche Konformation ist die günstigste? (Alle weiteren Interpretationen sind nicht offensichtlich, werden aber in der Lösung diskutiert.) Lösungen unter weiter zu Drill&Practice.

33 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME ATP Was ist ATP? Adenin: Eine Base, wie in DA 2 Triphosphat: Phosphat = P 4 3- Adenosin: Adenin + Ribose 2 P P P Ribose: Ein Zucker Im Zentrum des gesamten Energiestoffwechsels einer Zelle steht das ATP, Adenosintriphosphat, das durch die mitochondriale Atmungskette ständig regeneriert wird (pro Tag ca. 50 kg). Eine einzelne Zelle ist mit etwa 1 Milliarde ATP Teilchen ausgerüstet. Eine Muskelzelle spaltet und regeneriert pro Sekunde ca. 10 Mio ATPs. ATP kann man auch als Energiewährung der Zelle bezeichnen. Zeichnen Sie die fehlenden freien Elektronenpaare ein und ergänzen Sie, wo nötig die Ladungen. Was fällt Ihnen bezüglich der Ladungen am Triphosphat auf? Was fällt Ihnen an den Phosphoratomen auf? 2 2 P P P Die ydrolyse, also die Anlagerung von Wasser erfolgt nach folgendem Muster ATP + 2 ADP + P Dabei wird eine Energie von 30 kj mol -1 frei. Vervollständigen Sie die Zeichnung im Bereich des Triphosphatteils. 2 2 P P P Es wird relativ viel Energie frei. Das ATP zerfällt aber deswegen nicht spontan. Die Aktivierungsenergie ist so hoch, dass für den Vorgang ein Biokatalysator (Enzym) eingesetzt werden muss.

34 Kohlenwasserstoffe SPF SB_A KME 63 Warum wird bei dem ydrolysevorgang so viel Energie frei? Es muss doch schliesslich eine Bindung getrennt werden und dafür ist doch Energie aufzuwenden?? P Die einzelnen Bindungen ergeben eine unterschiedliche ydrolyseenergie. Die P--P Bindungen sind zwar nicht identisch aber ähnlich, die --P Bindung ergibt viel weniger Energie. 2 2 P P P AMP A ADP AMP ATP ADP Wie bei allen energetischen Betrachtungen ist es wichtig, nicht nur die Energie der Edukte zu betrachten, oft lassen sich da anfänglich nur schlechte Aussagen treffen. Wie an diesem Beispiel klar ersichtlich wird, ist die energetische Lage der Produkte von ausschlaggebender Bedeutung. Über die Produkte (und über den relativen Unterschied zu den Edukten) lassen sich in diesem Falle einfache Aussagen treffen.