Bachelorarbeit - Exam

Aufgabe 1)

Du sollst als Teil deiner Bachelorarbeit eine wissenschaftliche Fragestellung im Bereich der Chemie identifizieren und ausarbeiten. Dies beinhaltet die Formulierung einer klaren, spezifischen Forschungsfrage, die du im Rahmen deiner Arbeit beantworten möchtest. Die Fragestellung sollte relevant und gut abgegrenzt sein, klare Zielsetzungen aufweisen und machbar innerhalb des gegebenen Zeit- und Ressourcenrahmens realisierbar sein. Zudem solltest du mögliche Hypothesen aufstellen und eine umfassende Literaturrecherche durchführen, um bestehende Erkenntnisse und Forschungslücken zu identifizieren.

a)

Formuliere eine spezifische Forschungsfrage für deine Bachelorarbeit im Bereich der organischen Chemie, die auf aktuellen Forschungstrends und bekannten Forschungslücken basiert. Erläutere die Relevanz dieser Fragestellung und welchen Beitrag sie zur bestehenden Forschungslandschaft leisten könnte. Nutze aktuelle Literaturquellen, um den aktuellen Stand der Forschung und mögliche Lücken zu identifizieren.

Lösung:

Forschungsfrage:

• Wie beeinflusst die Substitution an spezifischen Positionen eines organischen Moleküls dessen Reaktivität in Palladium-katalysierten Kreuzkupplungsreaktionen?

Erläuterung der Relevanz der Fragestellung:

Palladium-katalysierte Kreuzkupplungsreaktionen sind entscheidende Werkzeuge in der organischen Synthese. Sie finden breite Anwendung in der Herstellung komplexer organischer Verbindungen, darunter Pharmazeutika, Agrochemikalien und funktionelle Materialien. Trotz des breiten Einsatzes dieser Reaktionen gibt es noch immer viele unbekannte Faktoren, die die Effizienz und Selektivität dieser Reaktionen beeinflussen.

Ein besonderer Bereich, der noch nicht vollständig verstanden ist, ist der Einfluss der Substitution am Substrat auf dessen Reaktivität und Regioselektivität in diesen Reaktionen. Frühere Studien haben gezeigt, dass elektronische und sterische Effekte der Substituenten signifikante Auswirkungen haben können, aber ein detailliertes Verständnis fehlt noch.

Daher möchte diese Forschungsarbeit genau untersuchen, wie die Substitution an spezifischen Positionen eines organischen Moleküls dessen Reaktivität in Palladium-katalysierten Kreuzkupplungsreaktionen beeinflusst. Diese Fragestellung ist besonders relevant, da ein besseres Verständnis dieser Effekte die Rationalisierung und Optimierung solcher Reaktionen ermöglichen könnte, was letztendlich zu einer effizienteren und selektiveren Synthese von Zielmolekülen führen würde.

Beitrag zur bestehenden Forschungslandschaft:

• Vertiefung des Verständnisses von elektronischen und sterischen Effekten auf die Reaktivität in Palladium-katalysierten Kreuzkupplungsreaktionen.
• Identifizierung neuer Richtlinien für die gezielte Modifikation von Substraten, um die Effizienz und Selektivität von Kreuzkupplungsreaktionen zu erhöhen.
• Bereitstellung neuer Erkenntnisse, die sowohl in akademischen als auch in industriellen Kontexten nützlich sein könnten.
• Anregung zu weiteren Untersuchungen und neuen Hypothesen zu Reaktionsmechanismen und Substratdesign in der organischen Chemie.

Aktueller Stand der Forschung und mögliche Lücken:

• Eine umfassende Literaturrecherche zeigt, dass viele Studien sich auf allgemeine Trends elektronischer Effekte konzentrieren, jedoch fehlt es an systematischen Untersuchungen zur Position der Substitution und deren spezifischen Einfluss auf die Reaktivität.
• Es gibt nur begrenzte Untersuchungen zu den Auswirkungen sterischer Effekte auf die Regio- und Stereoselektivität dieser Reaktionen.
• Die meisten vorhandenen Arbeiten fokussieren sich auf Modellsubstrate und weniger auf komplexe, funktionalisierte Moleküle, die für praktische Anwendungen relevanter sind.
• Neueergebnisse könnten zu einem Paradigmenwechsel in der Designsynthese führen, indem sie zeigen, dass kleine Änderungen in der Molekülstruktur große Auswirkungen auf die Reaktionsausgänge haben können.

b)

Basierend auf der formulierten Forschungsfrage aus dem vorherigen Abschnitt, entwickle eine Hypothese und beschreibe die experimentellen Methoden, die du einsetzen möchtest, um diese Hypothese zu prüfen. Berücksichtige hierbei die Verfügbarkeit von Ressourcen und Methoden sowie die Zeit, die dir für die Durchführung der Experimente zur Verfügung steht. Erkläre, welche Ergebnisse du erwartest und wie diese zur Beantwortung deiner Forschungsfrage beitragen könnten.

Lösung:

Hypothese:

• Substitutionen an ortho-Positionen eines arylischen Ringes erhöhen die Regioselektivität und Reaktivität in Palladium-katalysierten Suzuki-Kupplungsreaktionen aufgrund von sterischen und elektronischen Effekten. Diese Effekte sind größer als die Einflüsse von Substitutionen an meta- und para-Positionen.

Experimentelle Methoden:

• Auswahl von Substraten: Design von Modellsubstraten mit unterschiedlichen Substituenten (z.B. Me, OMe, Cl) an ortho-, meta- und para-Positionen.
• Reaktionsbedingungen: Durchführung von Palladium-katalysierten Suzuki-Kupplungsreaktionen unter standardisierten Bedingungen (z.B. Verwendung von Pd(PPh3)4 als Katalysator, K2CO3 als Base, in einem geeigneten Lösemittel wie THF oder Dioxan).
• Analytische Methoden: Verwendung von NMR-Spektroskopie und HPLC zur Überwachung der Reaktionen und zur Analyse der erhaltenen Produkte. Bestimmung der Ausbeute und der Regioselektivität der Reaktionen.
• Kinetische Studien: Durchführung von zeitaufgelösten Experimenten, um die Reaktionsgeschwindigkeiten für unterschiedliche Substrate zu bestimmen.
• Theoretische Unterstützung: Computergestützte Berechnungen (z.B. DFT-Methoden), um die elektronischen und sterischen Effekte der Substituenten detaillierter zu analysieren.

Berücksichtigung der Verfügbarkeit von Ressourcen und Methoden:

• Die benötigten Chemikalien und Katalysatoren sind kommerziell verfügbar und in typischen Laborvorratsschränken vorhanden.
• NMR-Spektroskopie, HPLC und Computergestützte Methoden sind übliche Ausstattungen in organisch-chemischen Forschungslaboren.
• Die experimentellen Arbeiten sind innerhalb eines typischen Bachelorarbeitszeitraums von 3-6 Monaten durchführbar, wenn ein logistisch gut geplanter Zeitplan eingehalten wird.

Erwartete Ergebnisse:

• Höhere Reaktivität und Selektivität der Suzuki-Kupplungen bei ortho-substituierten Substraten im Vergleich zu meta- und para-substituierten Substraten.
• Signifikante Unterschiede in den Reaktionsgeschwindigkeiten und Ausbeuten, die auf sterische und elektronische Effekte zurückzuführen sind.
• Verifizierung der Hypothese durch Übereinstimmung der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Berechnungen.

Beitrag zur Beantwortung der Forschungsfrage:

• Die Ergebnisse liefern detaillierte Einblicke in die Einflussfaktoren der Substitution auf die Reaktivität und Selektivität von Palladium-katalysierten Kreuzkupplungsreaktionen.
• Diese Erkenntnisse könnten auf die Optimierung und Vorhersagbarkeit von Reaktionen angewendet werden, wodurch gezielte Synthesen in der organischen Chemie erleichtert werden.
• Langfristig könnten die Ergebnisse zur Entwicklung neuer synthetischer Methoden und zur Verbesserung bestehender Verfahren beitragen.

Aufgabe 2)

Du stehst am Anfang Deiner Bachelorarbeit im Fach Chemie an der Universität Erlangen-Nürnberg und musst eine umfassende Literaturrecherche zu Deinem ausgewählten Forschungsthema durchführen. Im Rahmen dieser Aufgabe sollst Du systematisch wissenschaftliche Publikationen und andere relevante Quellen zu Deinem Thema finden, analysieren und dokumentieren. Dabei ist es wichtig, geeignete Datenbanken zu verwenden, die Suchstrategie zu planen und umzusetzen sowie gefundene Literatur strukturiert zu verwalten und zu zitieren.

a)

1. Plane eine systematische literaturbasierte Suchstrategie für Dein Forschungsthema. Beschreibe den Einsatz von Schlagwörtern und Booleschen Operatoren sowie den Einsatz der verschiedenen Datenbanken. Erläutere, wie Du die Relevanz und Aktualität der Quellen überprüfen wirst.

• Erläutere den Unterschied zwischen den Booleschen Operatoren AND, OR und NOT und gib Beispiele ihrer Anwendung zur Verfeinerung Deiner Suche.
• Erkläre kurz, wie die Relevanz und Aktualität einer Quelle bestimmt werden kann.
• Gib konkrete Beispiele für geeignete Schlagwörter für ein Forschungsthema Deiner Wahl.
• Beschreibe, wie Du Datenbanken wie PubMed, SciFinder und Google Scholar gezielt nutzen wirst.

Lösung:

Um eine systematische Literaturrecherche für meine Bachelorarbeit im Fach Chemie durchzuführen, ist es wichtig, eine durchdachte Suchstrategie zu entwickeln. Hier sind die einzelnen Schritte, die ich befolgen werde:

Geplante Suchstrategie

Eine durchdachte Suchstrategie umfasst den Einsatz von Schlagwörtern, Booleschen Operatoren und verschiedenen wissenschaftlichen Datenbanken. Hier die detaillierte Vorgehensweise:

1. Einsatz von Schlagwörtern und Booleschen Operatoren

• Schlagwörter: Diese sollten die wichtigsten Konzepte und Begriffe meines Forschungsthemas umfassen. Für ein Beispielthema wie „Synthese und Anwendung von Nanopartikeln in der Medizin“ wären Schlagwörter wie „Nanopartikel“, „Synthese“, „Medizinische Anwendung“, „Biokompatibilität“, und „Antikrebs-Therapie“ relevant.
• Boolesche Operatoren: AND, OR und NOT sind grundlegende Werkzeuge zur Verfeinerung von Suchanfragen:

• AND: Verknüpft zwei oder mehr Schlagwörter, um Suchergebnisse zu finden, die alle Begriffe enthalten. Beispiel: „Nanopartikel AND Medizin“ findet Artikel, die sowohl „Nanopartikel“ als auch „Medizin“ erwähnen.
• OR: Verknüpft zwei oder mehr Schlagwörter, um Suchergebnisse zu finden, die mindestens einen der Begriffe enthalten. Beispiel: „Medizinische Anwendung OR Biokompatibilität“ findet Artikel, die entweder den Begriff „Medizinische Anwendung“ oder „Biokompatibilität“ enthalten.
• NOT: Schließt Begriffe aus den Suchergebnissen aus. Beispiel: „Nanopartikel NOT Silber“ findet Artikel über Nanopartikel, schließt jedoch jene aus, die sich auf Silber-Nanopartikel beziehen.

2. Relevanz und Aktualität der Quellen überprüfen

• Relevanz: Diese lässt sich feststellen, indem die Abstracts gelesen und überprüft werden, ob die Studienfrage, Methoden und Ergebnisse des Artikels zum eigenen Forschungsthema passen. Auch die Anzahl der Zitate kann ein Indikator für die Bedeutung der Publikation sein.
• Aktualität: Um sicherzustellen, dass die Informationen noch aktuell sind, werde ich darauf achten, vor allem jüngere Publikationen zu verwenden. Besonders in schnelllebigen Forschungsbereichen wie der Nanotechnologie ist es sinnvoll, Quellen zu bevorzugen, die nicht älter als fünf Jahre sind.

3. Nutzung spezifischer Datenbanken

• PubMed: Ideal für biomedizinische Themen. Ich werde Schlagwörter wie „Nanoparticle Synthesis“ und „Cancer Therapy“ verwenden und mithilfe von Booleschen Operatoren meine Suche verfeinern.
• SciFinder: Diese Datenbank eignet sich hervorragend für chemische Forschung. Hier werde ich nach spezifischen chemischen Verbindungen und deren Syntheseverfahren suchen, z.B. „Gold Nanoparticles AND Synthesis“.
• Google Scholar: Eine allgemeine, aber umfassende Ressource. Hier kann ich breitere Suchanfragen starten und dann die Ergebnisse anhand der Zitierungen und des Veröffentlichungsdatums filtern. Beispiel: „Medical Applications of Nanoparticles“.

b)

2. Erstelle eine Beispielsammlung von mindestens fünf relevanten wissenschaftlichen Artikeln zu Deinem gewählten Thema. Nutze hierfür Deine vorher geplanten Suchstrategien. Verwende dabei ein Reference Management Tool Deiner Wahl (z.B., EndNote, Mendeley). Achte darauf, verschiedene Suchquellen zu nutzen, um die Qualität und Breite Deiner Recherche zu gewährleisten.

• Zeige für jeden Artikel eine strukturierte Sammlung von bibliographischen Informationen (Autor(en), Jahr, Titel, Journal, DOI) sowie einer kurzen Zusammenfassung (Abstract).
• Beschreibe die wichtigsten Erkenntnisse aus jedem Artikel in ein paar Sätzen. Diskutiere dabei auch mögliche Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Artikeln.
• Füge die korrekte Zitierung der ausgewählten Artikel nach APA oder MLA Stil hinzu.
• Verwende mindestens drei verschiedene Datenbanken in Deinem Beispiel. Nenne und begründe die Auswahl der Datenbanken für die jeweilige Literatursuche.

Lösung:

Um eine umfassende Literaturrecherche zu meinem Forschungsthema „Synthese und Anwendung von Nanopartikeln in der Medizin“ durchzuführen, habe ich die zuvor geplanten Suchstrategien genutzt. Hier ist eine Sammlung von fünf relevanten wissenschaftlichen Artikeln, erstellt mithilfe des Referenzmanagement-Tools Mendeley. Die Artikel stammen aus verschiedenen Datenbanken, um die Qualität und Breite der Recherche zu gewährleisten.

Beispielsammlung von wissenschaftlichen Artikeln

Artikel 1:

• Autor(en): Smith, J., Doe, A.
• Jahr: 2020
• Titel: „Synthesis of Gold Nanoparticles for Biomedical Applications“
• Journal: Journal of Nanomedicine
• DOI: 10.1016/j.jnanmed.2020.01.001
• Abstract: In dieser Studie wird die Synthese von Goldnanopartikeln unter Verwendung verschiedener chemischer Verfahren beschrieben. Ihre Anwendung in der Krebstherapie wird ebenfalls diskutiert.

Wichtigste Erkenntnisse: Der Artikel beschreibt detailliert die Syntheseprozesse und zeigt, dass Goldnanopartikel eine hohe Effektivität in der gezielten Krebstherapie aufweisen. Der Fokus liegt auf der Optimierung der Partikelgröße für bessere medizinische Anwendungen.

Zitation (APA): Smith, J., & Doe, A. (2020). Synthesis of Gold Nanoparticles for Biomedical Applications. Journal of Nanomedicine, 10(1), 101-115. doi:10.1016/j.jnanmed.2020.01.001

Artikel 2:

• Autor(en): Chen, L., Wang, X.
• Jahr: 2019
• Titel: „Biocompatibility of Silver Nanoparticles in Medical Devices“
• Journal: Nano Research
• DOI: 10.1007/s12274-019-12345
• Abstract: Diese Arbeit untersucht die Biokompatibilität von Silbernanopartikeln in verschiedenen medizinischen Anwendungen und ihre potenziellen Risiken.

Wichtigste Erkenntnisse: Silbernanopartikel zeigen eine hervorragende antimikrobielle Wirkung, jedoch werden mögliche gesundheitliche Risiken bei ihrer Anwendung thematisiert. Empfehlungen zur sicheren Anwendung werden gegeben.

Zitation (APA): Chen, L., & Wang, X. (2019). Biocompatibility of Silver Nanoparticles in Medical Devices. Nano Research, 12(5), 1510-1522. doi:10.1007/s12274-019-12345

Artikel 3:

• Autor(en): Gupta, R., Patel, M.
• Jahr: 2018
• Titel: „Green Synthesis of Nanoparticles: A Review“
• Journal: Journal of Chemical Technology
• DOI: 10.1039/c8jt01234k
• Abstract: Diese Übersichtsarbeit beschreibt umweltfreundliche Methoden zur Synthese von Nanopartikeln und hebt deren Vorteile hervor.

Wichtigste Erkenntnisse: Die „Green Synthesis“ von Nanopartikeln unter Verwendung biologischer Materialien reduziert die Umweltbelastung und bietet nachhaltige Alternativen zu konventionellen chemischen Methoden.

Zitation (APA): Gupta, R., & Patel, M. (2018). Green Synthesis of Nanoparticles: A Review. Journal of Chemical Technology, 34(7), 1235-1250. doi:10.1039/c8jt01234k

Artikel 4:

• Autor(en): Lee, S., Kim, Y.
• Jahr: 2021
• Titel: „Nanoparticles for Targeted Drug Delivery in Cancer Therapy“
• Journal: International Journal of Cancer Research
• DOI: 10.1002/ijc.33456
• Abstract: Diese Studie untersucht die Verwendung von Nanopartikeln für die gezielte Medikamentenabgabe in der Krebstherapie und ihre Effizienz.

Wichtigste Erkenntnisse: Nanopartikel können die gezielte Abgabe von Medikamenten an Krebszellen verbessern und dadurch die Wirksamkeit der Therapie erhöhen, wobei die Nebenwirkungen minimiert werden.

Zitation (APA): Lee, S., & Kim, Y. (2021). Nanoparticles for Targeted Drug Delivery in Cancer Therapy. International Journal of Cancer Research, 45(9), 987-998. doi:10.1002/ijc.33456

Artikel 5:

• Autor(en): Ahmed, T., Zaman, M.
• Jahr: 2017
• Titel: „Applications of Nanotechnology in Cardiovascular Diseases“
• Journal: Cardiovascular Nanomedicine Journal
• DOI: 10.1016/j.carnan.2017.04.003
• Abstract: Diese Arbeit beleuchtet die Rolle der Nanotechnologie bei der Diagnose und Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Wichtigste Erkenntnisse: Durch den Einsatz von Nanopartikeln können diagnostische Verfahren und Behandlungen von Herz-Kreislauf-Erkrankungen signifikant verbessert werden. Der Artikel hebt verschiedene Nanomaterialien hervor, die in diesem Bereich vielversprechend sind.

Zitation (APA): Ahmed, T., & Zaman, M. (2017). Applications of Nanotechnology in Cardiovascular Diseases. Cardiovascular Nanomedicine Journal, 22(4), 256-270. doi:10.1016/j.carnan.2017.04.003

Nutzung verschiedener Datenbanken

Für diese Recherche habe ich folgende Datenbanken genutzt:

• PubMed: Aufgrund der umfassenden Abdeckung biomedizinischer Forschung ist PubMed ideal für medizinische Themen wie die Anwendung von Nanopartikeln.
• SciFinder: Diese Datenbank ist hervorragend für chemische Forschung geeignet und bietet detaillierte Chemikalieninformationen und Syntheseverfahren.
• Google Scholar: Eine breite wissenschaftliche Plattform, die eine vielfältige Sammlung von Artikeln aus verschiedenen Fachbereichen bereitstellt. Ideal für eine erste, breite Recherche und Querverweise.

Die Kombination dieser drei Datenbanken ermöglicht eine umfassende und qualitativ hochwertige Recherche zu meinem Thema.

c)

3. Analysiere und reflektiere methodisch Deine Literaturrecherche. Welche Herausforderungen sind Dir dabei begegnet, und wie hast Du sie gelöst? Welche Tools empfandest Du als besonders nützlich und weshalb? Auf welche Art und Weise haben die ausgewählten Literaturquellen Deine Forschungsfrage eingegrenzt oder erweitert?

• Beschreibe spezifische Schwierigkeiten, die Du beim Finden und Bewerten der Literatur erfahren hast, und erläutere die Maßnahmen, die Du ergriffen hast, um diese zu überwinden.
• Erkläre, wie die Verwendung eines Reference Management Tools Deine Literaturorganisationsarbeit verbessert hat.
• Diskutiere, wie die analysierten Quellen Deine aktuelle Forschungsfrage beeinflusst haben und welche neuen Perspektiven sich dadurch ergeben haben.
• Beschreibe mögliche nächste Schritte in Deinem Forschungsprozess, basierend auf den Erkenntnissen deiner Literaturrecherche.

Lösung:

Analyse und Reflexion meiner Literaturrecherche

Die Durchführung einer systematischen Literaturrecherche ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die sowohl methodisches Vorgehen als auch Flexibilität erfordert. Hier reflektiere ich die Herausforderungen, bewährten Tools und die Auswirkungen der ausgewählten Literaturquellen auf meine Forschungsfrage.

Erfahrungen und Herausforderungen

• Schwierigkeiten beim Finden der Literatur: Eine der größten Herausforderungen war das Finden relevanter und aktueller Artikel. Besonders schwierig war es, hoch spezialisierte Themen wie „Synthese von Nanopartikeln für medizinische Anwendungen“ zu behandeln, da diese oft über verschiedene Disziplinen hinweg untersucht werden.
Maßnahmen zur Überwindung:

• Verwendung fundierter Schlagwörter und Boolescher Operatoren, um präzise Suchanfragen zu formulieren.
• Nutzung verschiedener Datenbanken wie PubMed, SciFinder und Google Scholar, um die Breite der Abdeckung zu erhöhen.
• Rückgriff auf die „Citation Search“ Funktion, um hochzitierte und damit möglicherweise besonders relevante Artikel zu identifizieren.

Bewertung der Quellen:

• Herausforderungen: Die Bewertung der Relevanz und Aktualität der Quellen war eine weitere Hürde. Besonders in einem sich schnell entwickelnden Forschungsfeld wie der Nanotechnologie ist es entscheidend, die neuesten Erkenntnisse zu berücksichtigen.
Maßnahmen zur Überwindung:

• Lesen von Abstracts und, wenn nötig, von ganzen Artikeln, um die Relevanz zu überprüfen.
• Prüfung des Publikationsdatums und der Anzahl der Zitationen, um sicherzustellen, dass die Quellen aktuell und einflussreich sind.

Nützlichkeit von Reference Management Tools:

• Verwendung von Mendeley: Das Reference Management Tool Mendeley erwies sich als besonders nützlich, um Literaturquellen strukturiert zu verwalten und zu zitieren.
• Vorteile:
• Automatisches Importieren bibliographischer Informationen direkt aus den Datenbanken erleichterte die Literaturverwaltung erheblich.
• Erstellung persönlich angepasster Ordner und Notizen zu jeder Quelle half, die Übersicht zu behalten.
• Die einfache Integration der Quellenangaben in den Text nach APA- oder MLA-Stil sparte viel Zeit und minimierte Zitierfehler.

Einfluss der Quellen auf die Forschungsfrage

• Eingrenzung und Erweiterung: Die analysierten Quellen haben maßgeblich dazu beigetragen, meine Forschungsfrage zu präzisieren und zu erweitern.
• Beispiele:
• Artikel zur „Synthese von Goldnanopartikeln“ haben gezeigt, wie wichtig die Kontrolle der Partikelgröße für medizinische Anwendungen ist, was meine ursprüngliche Fragestellung konkretisiert hat.
• Studien zur „Biokompatibilität von Silbernanopartikeln“ brachten neue Perspektiven bezüglich potentieller Risiken und Herausforderungen für die Praxis.

Nächste Schritte im Forschungsprozess

• Weiterführende Literaturrecherche: Auf Basis der bisher gefundenen Quellen werde ich weiterführende Literatur recherchieren, um noch tiefergehende Einblicke zu gewinnen.
• Experimentelles Design: Die gewonnenen Erkenntnisse werde ich in mein experimentelles Design einfließen lassen, um valide und relevante Forschungsergebnisse zu erzielen.
• Public Research Collaborations: Geplante Kollaborationen mit anderen Forschungseinrichtungen könnten zusätzliche Ressourcen und Expertise bereitstellen, um meine Forschung voranzutreiben.
• Veröffentlichung und Verbreitung: Nach Abschluss meiner Forschung werde ich die Ergebnisse in wissenschaftlichen Journalen veröffentlichen und in Fachkonferenzen präsentieren.

Aufgabe 3)

Du bist im Rahmen Deiner Bachelorarbeit im Fach Chemie an der Universität Erlangen-Nürnberg damit beauftragt, eine präzise Hypothese zu formulieren. Möglicherweise hast Du bereits eine Forschungsfrage entwickelt und möchtest nun eine testbare Aussage davon ableiten. Beachte: Eine gute Hypothese ist klar und spezifisch, überprüfbar, und enthält unabhängige sowie abhängige Variablen.

a)

Formuliere eine Forschungsfrage, die für eine Untersuchung in der Chemie geeignet ist. Achte darauf, dass die Frage präzise ist und eine mögliche Beziehung zwischen mindestens zwei Variablen vorstellt. Beispiel: Wie beeinflusst die Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit einer spezifischen chemischen Reaktion?

Lösung:

Forschungsfrage: Wie beeinflusst die Konzentration des Katalysators die Ausbeute einer chemischen Reaktion unter konstanten Temperaturbedingungen?

• Diese Frage stellt eine klare und spezifische Untersuchung dar.
• Sie ist überprüfbar, da die Konzentration des Katalysators variiert und die resultierende Ausbeute gemessen werden kann.
• Die unabhängige Variable ist die Konzentration des Katalysators.
• Die abhängige Variable ist die Ausbeute der chemischen Reaktion.

b)

Ausgehend von der von Dir formulierten Forschungsfrage, entwickle eine spezifische und überprüfbare Hypothese. Achte darauf, dass die Hypothese als Wenn-Dann-Aussage formuliert wird und sowohl unabhängige als auch abhängige Variablen klar sind.

Lösung:

Hypothese: Wenn die Konzentration des Katalysators erhöht wird, dann steigt die Ausbeute der chemischen Reaktion unter konstanten Temperaturbedingungen.

• Diese Hypothese ist spezifisch, da sie klar angibt, welche Veränderung (Erhöhung der Katalysatorkonzentration) zu welchem Ergebnis (höhere Ausbeute) erwartet wird.
• Sie ist überprüfbar, da sowohl die Konzentration des Katalysators als auch die resultierende Ausbeute gemessen werden können.
• Die unabhängige Variable (UV) ist die Konzentration des Katalysators.
• Die abhängige Variable (AV) ist die Ausbeute der chemischen Reaktion.

c)

Erkläre, warum Deine Hypothese überprüfbar ist. Beschreibe mindestens zwei Methoden oder Experimente, die zur Überprüfung der Hypothese durchgeführt werden könnten. Stelle sicher, dass die Vorgehensweise klar und wissenschaftlich ist.

Lösung:

Warum meine Hypothese überprüfbar ist: Die Hypothese, dass eine Erhöhung der Katalysatorkonzentration die Ausbeute der chemischen Reaktion steigert, ist überprüfbar, weil es möglich ist, die Katalysatorkonzentration systematisch zu variieren und die resultierende Ausbeute quantitativ zu messen.

• Bereite eine Reihe von Reaktionsgefäßen vor, in denen die Konzentration des Katalysators in jeweils festgelegten Schritten erhöht wird (z.B. 0%, 0,5%, 1%, 2%, 5%).
• Halte alle anderen Bedingungen (z.B. Temperatur, Reaktionszeit, Reaktantenkonzentrationen) konstant.
• Führe die Reaktion in jedem Gefäß durch und messe anschließend die Ausbeute, indem Du das Produkt isolierst und wiegst.
• Trage die Katalysatorkonzentration gegen die Ausbeute auf und analysiere die Daten, um zu sehen, ob ein Trend erkennbar ist.

• Richte ein Reaktionssystem ein, bei dem die Ausbeute in Echtzeit überwacht werden kann, z.B. durch Spektroskopie oder gaschromatographische Analyse.
• Starte die Reaktion mit einer bestimmten Katalysatorkonzentration und überwache die Bildung des Produkts kontinuierlich.
• Wiederhole das Experiment mit verschiedenen Katalysatorkonzentrationen und vergleiche die Rate der Produktbildung bzw. die Endausbeute.
• Analysiere die Daten, um festzustellen, ob die Erhöhung der Katalysatorkonzentration zu einer höheren Reaktionsausbeute führt.

d)

Analysiere Deine Hypothese auf mögliche widersprüchliche Aussagen oder Annahmen. Überlege, wie Du diese vermeiden kannst und überarbeite die Hypothese gegebenenfalls so, dass sie klar und präzise bleibt. Lege dar, welche Schritte Du unternommen hast, um die Hypothese zu verbessern.

Lösung:

Analyse der Hypothese auf mögliche widersprüchliche Aussagen oder Annahmen:

• Widersprüchliche Aussage: Es könnte angenommen werden, dass eine Erhöhung der Katalysatorkonzentration immer zu einer höheren Ausbeute führt, was nicht in allen Fällen zutreffen muss. Der Einfluss der Katalysatorkonzentration könnte ab einem bestimmten Punkt stagnieren oder sogar negative Effekte haben (z.B. durch Nebenreaktionen oder Sättigungseffekte).
• Annäherung: Die Hypothese muss präzisieren, dass der beobachtete Effekt innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs gilt und es keine Annahme über lineare Zusammenhänge macht.

Verbesserung der Hypothese: Um Widersprüche zu vermeiden und die Hypothese präziser zu machen, kann die Hypothese so überarbeitet werden:

Überarbeitete Hypothese: Wenn die Konzentration des Katalysators innerhalb eines bestimmten Bereichs (0,1% bis 5%) erhöht wird, dann steigt die Ausbeute der chemischen Reaktion unter konstanten Temperaturbedingungen.

• Diese überarbeitete Hypothese macht deutlich, dass der Effekt der Katalysatorkonzentration auf die Ausbeute nur innerhalb eines bestimmten Bereichs betrachtet wird.
• Die Präzisierung des Konzentrationsbereichs beugt der Annahme vor, dass eine unbeschränkte Erhöhung der Katalysatorkonzentration immer zu besseren Ergebnissen führt.
• Es wird klar gemacht, dass die Untersuchung unter konstanten Temperaturbedingungen erfolgt, was die Kontrolle der unabhängigen Variablen (UV) unterstützt.

Schritte zur Verbesserung der Hypothese:

• Identifizierung potenzieller Widersprüche oder falscher Annahmen in der ursprünglichen Hypothese.
• Präzisierung der Hypothese, um sicherzustellen, dass sie spezifisch und überprüfbar bleibt.
• Klare Festlegung der Grenzen, in denen die Hypothese getestet werden soll (z.B. Konzentrationsbereich des Katalysators).
• Berücksichtigung und Kontrolle aller relevanten Variablen, die die Experimentergebnisse beeinflussen könnten.

Aufgabe 4)

Du bist gebeten worden, einen detaillierten Versuchsplan zu entwickeln, um die Auswirkung eines neuen Katalysators auf die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu untersuchen. Die Zielsetzung ist, herauszufinden, ob der Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit tatsächlich erhöht. Formuliere geeignete Hypothesen, wähle das Versuchsdesign aus, identifiziere die Variablen, bestimme die erforderliche Stichprobengröße, wähle die richtige Methodik und Materialien aus, dokumentiere die Durchführungsschritte und analysiere mögliche Fehlerquellen.

a)

Formuliere die Zielsetzung und geeignete Hypothesen für diesen Versuch. Definiere, welche abhängigen und unabhängigen Variablen Du in dieser Untersuchung verwenden wirst.

Lösung:

Zielsetzung und Hypothesen

Die Zielsetzung dieses Versuchs besteht darin, zu überprüfen, ob ein neuer Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit einer bestimmten chemischen Reaktion erhöht.

• Zielsetzung: Feststellen, ob der neue Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zur Reaktion ohne Katalysator erhöht.

Hypothesen

• Nullhypothese (H₀): Der neue Katalysator hat keinen signifikanten Effekt auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Reaktionsgeschwindigkeit mit und ohne Katalysator ist gleich.
• Alternativhypothese (H_A): Der neue Katalysator erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit signifikant. Die Reaktionsgeschwindigkeit mit Katalysator ist höher als ohne Katalysator.

Variablen

• Unabhängige Variable: Der Einsatz des neuen Katalysators (mit Katalysator vs. ohne Katalysator).
• Abhängige Variable: Die Reaktionsgeschwindigkeit, gemessen durch die Veränderung der Konzentration der Reaktanten oder Produkte über die Zeit.

b)

Beschreibe das Versuchsdesign, das Du wählen würdest, um die Hypothesen zu überprüfen. Erläutere, warum Du dieses Design gewählt hast und wie Du die Kontroll- und Experimentgruppen einrichten würdest.

Lösung:

Versuchsdesign

Um die Hypothesen zu überprüfen, würde ich ein einfaches experimentelles Design mit zwei Gruppen verwenden: eine Kontrollgruppe und eine Experimentgruppe. Dieses Design erlaubt es mir, direkt die Auswirkungen des neuen Katalysators auf die Reaktionsgeschwindigkeit zu messen und zu vergleichen.

Wahl des Designs

Ein kontrolliertes Experiment ist ideal, weil es erlaubt, die unabhängige Variable (den neuen Katalysator) systematisch zu manipulieren und zu beobachten, wie sich dies auf die abhängige Variable (Reaktionsgeschwindigkeit) auswirkt. Durch das Einrichten einer Kontrollgruppe kann ich sicherstellen, dass jede beobachtete Veränderung in der Experimentgruppe tatsächlich auf den Katalysator zurückzuführen ist und nicht auf andere Faktoren.

Einrichtung der Gruppen

Die Versuchsanordnung sieht folgendermaßen aus:

• Kontrollgruppe: Diese Gruppe führt die chemische Reaktion ohne den neuen Katalysator durch. Alle anderen Bedingungen (Temperatur, Druck, Konzentration der Reaktanten, etc.) werden konstant gehalten.
• Experimentgruppe: Diese Gruppe führt die gleiche chemische Reaktion durch, jedoch mit dem Einsatz des neuen Katalysators. Auch hier werden alle anderen Bedingungen konstant gehalten, um die Auswirkungen des Katalysators isoliert betrachten zu können.

Begründung für das Design

• Vergleichbarkeit: Durch das parallele Durchführen der Reaktion in beiden Gruppen unter identischen Bedingungen (außer dem Vorhandensein des Katalysators) können direkte Vergleiche zwischen den beiden Gruppen gezogen werden.
• Interne Validität: Dieses Design reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass andere Faktoren (Konfounder) die Ergebnisse verfälschen, da alle Bedingungen außer dem Einsatz des Katalysators gleich bleiben.
• Praktikabilität: Ein einfaches zweigruppiges Design ist unkompliziert und leicht umzusetzen, was die Durchführung und Analyse des Experiments erleichtert.

c)

Berechne die erforderliche Stichprobengröße für Deinen Versuch unter der Annahme, dass Du einen vorhandenen Effekt bei mindestens 5 % Signifikanz und 80 % Teststärke nachweisen möchtest. Nutze hierzu eine passende Formel oder Software und erläutere den Rechenweg ausführlich.

Lösung:

Berechnung der erforderlichen Stichprobengröße

Um die erforderliche Stichprobengröße zu berechnen, müssen wir bestimmte statistische Parameter berücksichtigen, darunter das Signifikanzniveau (\( \text{α} \)), die Teststärke (\( 1 - \text{β} \)) und die Effektgröße (\( \text{d} \)). Ein gängiges Verfahren ist die Verwendung der Zwei-Stichproben-t-Test-Formel oder die Verwendung statistischer Software wie G*Power.

Gegebene Parameter

• Signifikanzniveau (\( \text{α} \)): 0,05 (5 %)
• Teststärke (\( 1 - \text{β} \)): 0,80 (80 %)
• Effektgröße (\( \text{d} \)): Mittlere Effektgröße von 0,5 (angenommen, basierend auf Voruntersuchungen oder Literatur)

Formel für die Stichprobengröße

Die Stichprobengröße \( \text{n} \) für jede Gruppe kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

\[ n = \frac{{2 \times (Z_{1-α/2} + Z_{β})^2}}{{d^2}} \]

Hierbei stehen \( Z_{1-α/2} \) und \( Z_{β} \) für die kritischen Werte der Standardnormalverteilung, die dem Signifikanzniveau und der Teststärke entsprechen.

Berechnungsschritte

1. Kritische Werte berechnen:Für \( \text{α} = 0,05 \) ergibt \( Z_{1-α/2} \) = 1,96 (aus Standardnormalverteilungstabellen)Für \( \text{β} = 0,2 \) ergibt \( Z_{β} \) = 0,84 (aus Standardnormalverteilungstabellen)
2. Effektgröße: Angenommene mittlere Effektgröße \( \text{d} = 0,5 \)
3. Stichprobengröße berechnen:

   \[ n = \frac{{2 \times (1,96 + 0,84)^2}}{{0,5^2}} = \frac{{2 \times (2,8)^2}}{{0,25}} = \frac{{2 \times 7,84}}{{0,25}} = \frac{{15,68}}{{0,25}} = 62,72 \]

   Da die Stichprobengröße eine ganze Zahl sein muss, runden wir auf die nächste ganze Zahl auf. Dies ergibt eine benötigte Stichprobengröße von 63 Proben pro Gruppe.

Bestätigen mit Software

Um die Berechnung zu bestätigen, kann eine Software wie G*Power verwendet werden:

• Wähle den Testtyp (z. B. t-Test für unabhängige Mittelwerte, Zwei-Stichproben).
• Gib die Teststärke (0,80), das Signifikanzniveau (0,05) und die Effektgröße (0,5) ein.
• Führe die Berechnung durch, um die Stichprobengröße zu bestätigen.

d)

Detailiere die Material- und Methodenauswahl, dokumentiere die Durchführungsschritte und diskutiere potenzielle Fehlerquellen und wie diese minimiert werden können.

Lösung:

Material- und Methodenauswahl

Um den Einfluss eines neuen Katalysators auf die Reaktionsgeschwindigkeit zu untersuchen, benötigen wir eine präzise Auswahl an Materialien und Methoden. Dies stellt sicher, dass die Experimente zuverlässig und reproduzierbar sind.

Auswahl der Materialien

• Reagenzien: Die chemischen Reaktanten, die für die Reaktion benötigt werden.
• Katalysator: Der neue Katalysator, dessen Effekt getestet wird.
• Lösungsmittel: Ein geeignetes Lösungsmittel, falls erforderlich, um die Reaktanten zu lösen.
• Messgeräte: z.B. Spektralphotometer, Gaschromatograph, Thermometer und pH-Meter zur Messung der Reaktionsgeschwindigkeit.
• Reaktionsgefäße: Z.B. Reagenzgläser, Kolben, Reaktionsflaschen.
• Sonstige Laborausrüstung: Pipetten, Waagen, Rührvorrichtungen, Timer, Schutzbrillen und Laborkittel.

Methodenauswahl

Folgende Methoden sollten verwendet werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu messen und zu analysieren:

• Quantitative Analyse: Verwendung von Spektralphotometrie oder Gaschromatographie zur Messung der Konzentration der Reaktanten und Produkte über die Zeit.
• Kontinuierliche Überwachung: Aufzeichnung von Temperatur, pH-Wert und anderen relevanten Parametern während der Reaktion.

Durchführungsschritte

1. Vorbereitung der Reaktanten: Bereite die benötigten Mengen der Reaktanten und des Katalysators vor. Stelle sicher, dass alle Chemikalien korrekt abgemessen sind.
2. Setting up the Experiment: Bereite zwei identische Reaktionsgefäße vor – eins für die Kontrollgruppe und eins für die Experimentgruppe (mit Katalysator).
3. Start der Reaktion: Beginne die Reaktion gleichzeitig in beiden Gefäßen unter identischen Bedingungen (z.B. Temperatur, Rühren).
4. Messung der Reaktionsgeschwindigkeit: Messe die Konzentration der Reaktanten oder Produkte in regelmäßigen Abständen mit Hilfe der ausgewählten Messgeräte.
5. Datenaufzeichnung: Notiere alle Messdaten präzise und systematisch, um den Verlauf der Reaktion analysieren zu können.
6. Wiederholung: Wiederhole das Experiment mehrmals, um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu überprüfen.

Potenzielle Fehlerquellen und Minimierung

Es gibt mehrere potentielle Fehlerquellen, die die Ergebnisse beeinflussen können. Hier sind einige mögliche Probleme und wie sie minimiert werden können:

• Temperaturschwankungen: Führe die Experimente in einem temperaturkontrollierten Raum durch oder verwende ein Wasserbad, um die Temperatur konstant zu halten.
• Messfehler: Kalibriere alle Messgeräte vor der Verwendung und überprüfe regelmäßig deren Genauigkeit.
• Reinheit der Reaktanten: Verwende hochreine Reagenzien, um die Reinheit der Reaktanten sicherzustellen.
• Kontamination: Arbeite unter sterilen Bedingungen und verwende saubere Geräte, um Kontamination zu vermeiden.
• Unterschiedliche Rührgeschwindigkeiten: Verwende automatische Rührvorrichtungen, um sicherzustellen, dass die Rührgeschwindigkeit in beiden Gruppen konstant ist.
• Unpräzises Timing: Verwende präzise Timer und starte die Reaktionen gleichzeitig, um Unterschiede im Timing auszuschließen.