9 Säuren und Basen - asset.klett.de · sieben Außenelektronen, dem Chlor-Atom fehlt somit ein Elektron für den Edelgaszustand. Nimmt Chlor ein weiteres Außenelektron auf, um den

9 Säuren und Basen

Elemente Chemie 8 – 10 Baden-Württemberg 135

Säuren und Laugen im Alltag (S. 240 / 241)

A1 Ein Indikator (lat. indicare, „anzeigen“), mit dem man herausfinden kann, ob eine wässrige Lösung sauer, neutral oder alkalisch ist, ist ein Farbstoff, der durch seine Farben anzeigt, ob eine saure, neutrale oder alkalische Lösung vorliegt.

A2 Man gibt in jedes der drei Reagenzgläser drei bis vier Tropfen einer Universalindikator-Lösung. Die Citronensäure-Lösung weist dann eine Färbung auf, die dem sauren Bereich zuzuordnen ist, das dest. Wasser wird durch die Farbe für eine neutrale Lösung erkannt. Die Seifenlösung weist eine Farbe auf, die dem alkalischen Bereich entspricht.Man kann auch den Reagenzgläsern jeweils einen Tropfen der Flüssigkeiten entnehmen und auf Uni- versalindikator-Papierstücke tropfen. Dann ordnet man die Farben wie bei der Zugabe der Universal-indikator-Lösung zu.

A3 Zu dem Essig oder Essigreiniger tropft man in einem Reagenzglas drei bis vier Tropfen Uni- versalindikator-Lösung zu. An der Farbe der Lösung erkennt man, dass eine saure Lösung vorliegt. Man kann auch einen Tropfen Essig oder Essigreiniger auf ein Universalindikator-Papierstück tropfen. Aus der dann eintretenden Farbe des Papiers erkennt man, dass eine saure Lösung vorliegt.

A4 Ist der pH-Wert kleiner als 7, liegt eine saure Lösung vor, ist der pH-Wert größer als 7, handelt es sich um eine alkalische Lösung.

A5 Gibt man einige Tropfen Rotkohlsaft zu Essig, so sieht die Lösung rosa aus.

A6 Es kommt auf die Art der Verschmutzung an, ob ein saurer oder alkalischer Reiniger einzusetzen ist. Zur Entfernung von Kalkflecken benötigt man einen sauren Reiniger. Verkrustungen, die vom Backen und Grillen herrühren, Verstopfungen, die auf der Verklumpung von Haaren und Fetten beruhen, werden mit einem alkalischen Reiniger bekämpft.

A7 Ein Reiniger, der Ammoniak gelöst enthält, ist geeignet, Fettflecken zu entfernen.

A8 Magensaft enthält Salzsäure (w (HCl) = 0,1 – 0,5 %). Bei manchen Menschen steigt immer wieder Magensaft in der Speiseröhre auf und verursacht ein unangenehmes Brennen, das man als Sodbrennen bezeichnet.

A9 Magensäure aktiviert die eiweißspaltenden Enzyme. Die Proteine werden zerkleinert, es entsteht der Speisebrei.

A10 Antazida sollen einen Teil der Magensäure neutralisieren. Dazu reagiert Magensäure mit den Verbindungen der Antazida.

A11 a) Die Konservendosen sind innen beschichtet, damit der Doseninhalt nicht mit dem Metall der

Konservendose in Berührung kommt.b) Bei angestoßenen oder eingedellten Dosen besteht die Gefahr, dass die Innenbeschichtung

beschädigt ist, sodass der Doseninhalt direkt mit dem Metall in Kontakt kommt. Dies kann dazu führen, dass die Dosen rosten, durch eine Gasbildung ausbeulen und beim Öffnen Doseninhalt herausspritzt. Es treten auch Ionen des Dosenmetalls in den Doseninhalt über. Dieser kann sich verfärben. Es gibt auch Metall-Ionen, z. B. Zink-Ionen, die gesundheitsschädlich sind.

A12 Das Blech wird an den Stellen angeätzt, an denen es mit der Salzsäure in Berührung kommt. Es sind dieses die Stellen, die nicht durch die Folien abgedeckt sind.

A13 Eine Verlängerung der Ätzzeit führt dazu, dass das Metall länger mit der Säure reagieren kann und die Muster so tiefer in das Metall eindringen.

A14 Säuren und saure Lösungen werden nicht in Behältnissen aus Eisen aufbewahrt, weil das Eisen mit den Säuren oder sauren Lösungen reagiert. Nach einiger Zeit würde das Aufbewahrungs-gefäß durchlöchert sein und die Reste der Säure oder der sauren Lösung würden nach außen fließen.

A15 Gelangen größere Mengen saurer oder alkalischer Lösungen in eine Kläranlage, verändert dieses den pH-Wert der biologischen Kläranlage. Die Kleinstlebewesen werden dadurch in ihrer Aktivität eingeschränkt oder sie können sogar absterben.

Zu den Aufgaben

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A16 Die desinfizierende Wirkung der Salmiakpastillen wird auf Ammoniak zurückgeführt, das bei der Reaktion von Ammoniumchlorid mit dem leicht alkalischen Speichel gebildet wird.

A17 Der typische Salmiakgeschmack beruht auf dem Ammoniumchlorid.

V1

Reinigungsmittel sauer / neutral / alkalisch pH-Bereich

Essigreiniger sauer 2,5 bis 3,5

Seifenlösung alkalisch 8,5 bis 9,5

Rohrreiniger alkalisch 12 bis 14

Neutralreiniger neutral etwa 7

9.1 Eigenschaften saurer Lösungen (S. 242)

V1 Saure Lösungen und IndikatorenAufgabenlösungen

1. Lösung Rotkohlsaft Brothymolblau-Lösung Universalindikator-Lösung

Verd. Salzsäure weinrot gelb weinrot

Citronensäure-Lsg. weinrot gelb weinrot / orangerot

Saurer WC-Reiniger rosa gelb orangerot

Zitronensaft rosa gelb orangerot

Essig rosa gelb orange

Hinweis: Bei der Citronensäure-Lösung hängen die Farben der Indikatoren und der pH-Wert von der Stoffmengenkonzentration c der Citronensäure ab. In einer Lerngruppe werden also je nach der Masse der gelösten Citronensäure die Farben und pH-Werte unterschiedlich sein. Beim sauren WC-Reiniger hängen die Farben der Indikatoren und der pH-Wert von dem gewählten Produkt und der Stoffmengenkonzentration c der im Produkt enthaltenen Säuren ab. Die meisten im Handel verkauften Essige weisen den Massenanteil w (Essigsäure) = 5 % auf. Dieses entspricht einer Stoffmengenkonzentration von ca. c (Essigsäure) ⋅ 0,8 mol/l.

2. Lösung Verd. Salzsäure

Citronensäure-Lösung

Saurer WC-Reiniger

Zitronensaft Essig

pH-Wert 2 ca. 2 ca. 2,3 ca. 2,3 ca. 2,5

V2 Saure Lösungen und elektrische LeitfähigkeitAufgabenlösungDie feste Citronensäure leitet den elektrischen Strom nicht. Gibt man Wasser zu der festen Citronen-säure, so leitet die Lösung den elektrischen Strom. Auch die Salzsäure und der saure WC-Reiniger bzw. die Lösung des sauren WC-Reinigers leiten den elektrischen Strom. Lösungen leiten den elektrischen Strom, wenn sie Ionen enthalten. Die feste Citronensäure leitet nicht den elektrischen Strom, sie ent- hält keine beweglichen Ladungsträger.

Hinweis: Die nicht vorhandene elektrische Leitfähigkeit der festen Citronensäure ist noch kein Be- weis dafür, dass die Citronensäure aus Molekülen besteht, auch festes Natriumchlorid leitet nicht den elektrischen Strom. Eine Citronensäure-Schmelze leitet auch nicht den elektrischen Strom, also ent- hält die Schmelze keine Ionen, Dieses ist ein sehr deutlicher Hinweis darauf, dass die Citronensäure aus Molekülen besteht.

V3 Saure Lösungen und MarmorAufgabenlösungNähert man einen brennenden Holzspan der Öffnung des mit dem Gas gefüllten Reagenzglases, so brennt die Flamme ruhig weiter. Bei dem Gas handelt es sich also nicht um Wasserstoff. Senkt man einen glimmenden Holzspan in das mit dem Gas gefüllten Reagenzglas, hört das Glühen auf. Es liegt also kein Sauerstoff vor. Es verbleiben Stickstoff und Kohlenstoffdioxid. Leitet man das Gas in Kalk- wasser ein, so trübt sich das Kalkwasser. Dieses ist ein Nachweis für Kohlenstoffdioxid. Marmor reagiert mit verdünnter Essigsäure, einer sauren Lösung, unter Bildung von Kohlenstoffdioxid.

Zu dem Versuch

Zu den Versuchen



9.2 Salzsäure und Chlorwasserstoff (S. 243)

A1 – Chlor reagiert mit angezündetem Wasserstoff zu gasförmigem Chlorwasserstoff. Salzsäure entsteht,

wenn das gebildete Gas in Wasser geleitet wird. – Schwefelsäure reagiert mit Kochsalz unter Bildung von Chlorwasserstoff. Salzsäure entsteht, wenn

das gebildete Gas in Wasser geleitet wird.

A2 Salzsäure entsteht durch Lösung eines Gases in Wasser, wobei auch die ReaktionHCl + H 2 O → C l – + H 3 O + abläuft, wie im Kap. 9.3, [B4] dargestellt wird. Beim Eindampfen von konzentrierter (37 %iger) Salz- säure wird vorwiegend gelöstes Gas ausgetrieben. Als Folge davon läuft die genannte Reaktion rück- wärts. Es entsteht also nicht stärker konzentrierte, sondern verdünntere Salzsäure.

Zusatzinformation: Wird konzentrierte Salzsäure erhitzt, so gibt sie zunächst mehr Chlorwasserstoff als Wasserdampf ab, sodass die Lösung an Chlorwasserstoff verarmt. Die Siedetemperatur der Lösung nimmt während des Erhitzens und Verdampfens zu. Mit fortschreitendem Verdampfen nimmt der Wasserdampfgehalt des abgegebenen Dampfes zu, bis bei 108,5 °C der Dampf dieselbe Zusammen-setzung aufweist wie die an Chlorwasserstoff verarmte Lösung. Es liegt ein azeotropes Gemisch vor w (HCl) = 20,22 %; (w ( H 2 O) = 79,78 %). Bei weiterem Erhitzen ändern sich die Siedetemperatur und die Zusammensetzung des Dampfes und der Lösung nicht.

V1 Die Bildung des Chlorwasserstoffs erfolgt nach dem folgenden Schema:Säure 1 + Salz 2 → Salz 1 + Säure 2Reaktionsgleichung: H 2 S O 4 (l) + 2 NaCl (s) → N a 2 S O 4 (s) + 2 HCl (g)

V2 Besonders eindrucksvoll lässt sich das Auftreten eines Unterdruckes demonstrieren, wenn der Zylinderrand gefettet wird und somit nach Beendigung der Reaktion luftdicht durch die Glasplatte verschlossen werden kann. Da bei diesem Experiment das Chlor selten vollständig reagiert, tritt häufig ein unerwünschter Nebeneffekt auf: Der Indikator wird nach kurzer Zeit durch noch vorhandenes Chlor entfärbt.

9.3 Bildung von Salzsäure – eine Protonenübergangsreaktion (S. 244 / 245)

A1 Chlorwasserstoff HCl

Chlorid-Ion Cl

Nach der Oktett-Regel strebt jedes Atom den nächstgelegenen Edelgaszustand an. Um diesen Edel- gaszustand zu erreichen, kann das Atom Elektronen aufnehmen oder abgeben. Chlor verfügt über sieben Außenelektronen, dem Chlor-Atom fehlt somit ein Elektron für den Edelgaszustand. Nimmt Chlor ein weiteres Außenelektron auf, um den besonders angestrebten Edelgaszustand zu erreichen, so wird aus dem Atom ein Ion (Anion).Mit elektropositiven Partnern bildet Chlor ionische Verbindungen. Chlorwasserstoff bzw. „Wasser- stoffchlorid“ bringt mit der Silberchlorid zum Ausdruck, dass das Chlor-Atom in der Molekülverbindung eine negative Partialladung trägt, ähnlich wie nach Chlorid-Ionen, die eine negative Ionenladung besitzen.

A2 Schritt 1: Ein Chlorwasserstoff-Molekül nähert sich einem Wasser-Molekül so an, dass das polar gebundene Wasserstoff-Atom des Chlorwasserstoff-Moleküls mit dem freien Elektronenpaar am Sauerstoff-Atom des Wasser-Moleküls in Wechselwirkung tritt. Schritt 2: Es entsteht ein Übergangszustand, bei dem das Wasserstoff-Atom „von beiden Seiten“ gebunden ist (Vierelektronen-Dreizentren-Bindung). (Alternative Formulierung: Die Bindung im Chlorwasserstoff-Molekül wird gelockert und gleichzeitig entsteht eine neue Bindung zum Wasser-Molekül.)

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Schritt 3: Das bisher nicht bindende Elektronenpaar am Sauerstoff-Atom wird zum bindenden Elektronenpaar. Das bisher bindende Elektronenpaar im Chlorwasserstoff-Molekül wird zum nicht bindenden Elektronenpaar im Chlorid-Ion. Das Proton wurde übertragen. Das Chlorwasserstoff-Molekül reagiert als Protonendonator. Das Wasser-Molekül reagiert als Pro- tonenakzeptor.

A3 Hier sind sicher verschiedene Schülerantworten möglich. Die Aufgabe ermöglicht eine kritische Auseinandersetzung mit der Formelsprache. Interessant wird die Aufgabenstellung, da neu erworbenes Wissen eingebracht werden kann. Denkbar ist z. B.: HCl ist am wenigsten geeignet, denn die Formel beschreibt Chlorwasserstoff bzw. ein Chlorwasserstoff-Molekül. Das ist ein Ausgangsstoff (Edukt) bei der Bildung von Salzsäure. In stark verdünnter Salzsäure selbst ist es nicht mehr vorhanden.HCl (aq) ist eine aussagekräftigere Formel, denn sie bezieht sich eindeutig auf Salzsäure (in Wasser „gelöster“ Chlorwasserstoff). Sie macht aber keine korrekte Aussage über die in Salzsäure vorhande-nen Teilchen. H 3 O + + C l – ist für Salzsäure am aussagekräftigsten, denn es kennzeichnet die typischen Teilchen in Salzsäure. Die Darstellung „vergisst“ allerdings die in großem Überschuss vorkommenden Wasser-Moleküle.

V1 Die elektrische Leitfähigkeit von destilliertem Wasser ist sehr gering. Dies ist auch zu erwar-ten, da Wasser-Moleküle nicht elektrisch geladen sind. Löst man jedoch Chlorwasserstoff im Wasser, steigt die elektrische Leitfähigkeit extrem an. Da Chlorwasserstoff-Moleküle ebenfalls keine elektri-sche Ladung tragen, kann man diese Beobachtung nicht durch einen gewöhnlichen Lösungsvorgang erklären. Offenbar findet eine chemische Reaktion statt, bei der bewegliche, elektrisch geladene Teilchen entstehen.

V2 Mit den Chlorid-Ionen der Salzsäure bildet sich ein schwer löslicher Niederschlag von weißem Silberchlorid: A g + (aq) + C l – (aq) → AgCl (s).

V3 Der Springbrunneneffekt tritt häufig erst nach einer längeren Verzögerung auf. Sie entsteht dadurch, dass im engen Steigrohr nur eine kleine Fläche zur Aufnahme des Chlorwasserstoffgases zur Verfügung steht. Der Start des Springbrunnens kann beschleunigt werden, indem man einige Tropfen Ether auf den Kolben gibt und zusätzlich durch Fächeln „Verdunstungskälte“ erzeugt.Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Tropfen Wasser durch das Glasrohr von oben in den mit Chlorwasserstoff gefüllten Kolben zu geben. Der Hahn wird unmittelbar danach verschlossen. Dann wird der Glaskolben gewendet, sodass das Glasrohr in das Wasser eintaucht, und der Hahn wird ge- öffnet. Da ein erheblicher Unterdruck entsteht, ist die Verwendung von Schutzbrille und Schutzscheibe unerlässlich. Es darf kein Standkolben mit flachem Boden verwendet werden.

9.4 Säuren und saure Lösungen (S. 246)

A1 H 3 P O 4 + H 2 O ⟶ H 3 O + + H 2 P O 4 – Die saure Lösung enthält Oxonium-Ionen und Dihydrogenphosphat-Ionen.

A2 Es können bis zu drei Protonen abgegeben werden, sodass drei verschiedene Säurerest- Anionen möglich sind.

9.5 Schweflige Säure und Schwefelsäure (S. 247 / 248)

A1

Name des Teilchens

Schweflige Säure- Molekül

Sulfit-Ion Hydrogen-sulfit-Ion

Schwefel-säure- Molekül

Sulfat-Ion Hydrogen-sulfat-Ion

Formel des Teilchens

H 2 S O 3 S O 3 2 – HS O 3 – H 2 S O 4 S O 4 2 – HS O 4 –

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A2 Die Reaktionsgleichungen lauten:a) 2 S + 3 O 2 ⟶ 2 S O 3 b) 2 S O 2 + O 2 ⟶ 2 S O 3

A3 Schweflige Säure ist eine unbeständige Säure und zerfällt schon bei Zimmertemperatur teilweise in Schwefeldioxid, das entweicht, und Wasser. H 2 S O 3 ⟶ S O 2 + H 2 O

A4 Kaliumsulfat: K 2 S O 4 Calciumsulfat: CaS O 4 Aluminiumsulfat: A l 2 (S O 4 ) 3 Calciumhydrogensulfat: Ca (HS O 4 ) 2

A5 a) und b)

Protonenabgabe

H 2 S O 4 + H 2 O ⟶ HS O 4 – + H 3 O +

Protonenaufnahme

Protonendonator: H 2 S O 4 Protonenakzeptor: H 2 OKorrespondierende Säure-Base-Paare: H 2 S O 4 / HS O 4 – und H 3 O + / H 2 O

Protonenabgabe

HS O 4 – + H 2 O ⟶ S O 4 2 – + H 3 O +

Protonenaufnahme

Protonendonator: HS O 4 – Protonenakzeptor: H 2 OKorrespondierende Säure-Base-Paare: HS O 4 – / S O 4 2 – und H 3 O + / H 2 O

V1 Die Reaktion verläuft exotherm unter Gasentwicklung (S O 2 , C O 2 ). Es ist sinnvoll das Reagenz-glas in ein Becherglas zu stellen, um evtl. herausquellenden Kohlenstoff, der mit Schwefelsäure behaftet ist, sicher aufzufangen.Das Reagenzglas wird in eine Wanne mit viel Wasser gegeben. Wenn die Reste der Schwefelsäure nicht mehr an dem schwarzen Feststoff haften, gibt man das Wasser in den Abguss. Das Reagenzglas mit Resten des Feststoffs wird eingewickelt und in den Restmüll des Hausmülls gegeben.

V2 Das Baumwolltuch bekommt bereits nach kurzer Zeit Löcher an den Stellen, an denen es mit der Schwefelsäure in Berührung gekommen ist. Nach der Durchführung des Versuchs wird das durch- löcherte Baumwolltuch in eine Wanne mit viel Wasser gegeben, bevor es im Hausmüll entsorgt wird.

9.6 Sulfate und Hydrogensulfate (S. 249)

A1 Die Reaktionsgleichung für das Brennen von Gips lautet:

CaS O 4 ⋅ 2 H 2 O ⟶ CaS O 4 ⋅ 1 _ 4 H 2 O + 7 _ 4 H 2 O

bzw.

4 CaS O 4 ⋅ 2 H 2 O ⟶ 4 CaS O 4 ⋅ 1 _ 4 H 2 O + 7 H 2 O

A2 Man bohrt mit einem Steinbohrer, dessen Durchmesser dem Durchmesser des Dübels entspricht, ein Loch in die Wand. Anschließend rührt man eine kleine Portion Gips mit wenig Wasser an, die geschmeidige Masse drückt man in das Bohrloch und drückt anschließend den Dübel in das mit wenig Gips gefüllte Bohrloch. Dann lässt man den Gips aushärten. Der Hohlraum selbst darf nicht mit Gips gefüllt sein. Überschüssigen Gips zieht man mit einer Schraube aus dem Dübel.

A3 Das Ionengitter des Bittersalzes besteht aus Magnesium-Ionen (M g 2 + -Ionen), aus Wasser-Molekülen ( H 2 O-Molekülen) und Sulfat-Ionen (S O 4 2 – -Ionen).

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A4 Man könnte Bittersalz mit Schwefelsäure auf drei unterschiedlichen Wegen herstellen.a) Magnesium + verd. Schwefelsäure ⟶ Magnesiumsulfat + Wasserstoffb) Magnesiumoxid + verd. Schwefelsäure ⟶ Magnesiumsulfat + Wasserc) Magnesiumhydroxid + verd. Schwefelsäure ⟶ Magnesiumsulfat + Wasser

In den Lösungen liegen jeweils Magnesium-Ionen (M g 2 + -Ionen), Sulfat-Ionen (S O 4 2 – -Ionen) und Wasser-Moleküle vor. Lässt man das Wasser verdunsten, so bleibt das Bittersalz (Magnesiumsulfat-Heptahydrat) zurück. Ein Teil der Wasser-Moleküle bleibt im Ionengitter des Salzes gebunden.

A5 a) und b)Natriumhydrogensulfat zerfällt im Wasser in Natrium-Ionen (N a + -Ionen) und Hydrogensulfat-Ionen (HS O 4 – -Ionen): NaHS O 4 → N a + + HS O 4 – .Die Hydrogensulfat-Ionen wirken gegenüber Wasser-Molekülen als Protonendonatoren: HS O 4 – + H 2 O → S O 4 2 – + H 3 O + .

A6 Bariumchlorid ist im Gegensatz zu Bariumsulfat eine gut lösliche Barium-Verbindung. Die Barium-Ionen (B a 2 + -Ionen) können deshalb vom Körper aufgenommen werden und Vergiftungen hervorrufen.

A7 Natriumhydrogensulfat zerfällt im Wasser in Natrium-Ionen (N a + -Ionen) und Hydrogensulfat-Ionen (HS O 4 – -Ionen): NaHS O 4 → N a + + HS O 4 – .Die Hydrogensulfat-Ionen wirken gegenüber Wasser-Molekülen als Protonendonatoren: HS O 4 – + H 2 O → S O 4 2 – + H 3 O + . Bei dieser Reaktion werden auch Sulfat-Ionen (S O 4 2 – -Ionen) gebildet, die mit Barium-Ionen (B a 2 + -Ionen) einen schwer löslichen Niederschlag bilden: B a 2 + + S O 4 2 – → BaS O 4 .

A8

a) Salz Blaues Kupfersulfat Weißes Kupfersulfat Glaubersalz Alaun (Kalialaun)

Formel CuS O 4 ⋅ 5 H 2 O CuS O 4 N a 2 S O 4 ⋅ 10 H 2 O KAl (S O 4 ) 2 ⋅ 12 H 2 O

b) Verwendung der Salze Blaues Kupfersulfat: Weinbau zur Bekämpfung von Pilzerkrankungen, Galvanotechnik zum Verkupfern, in Zierteichen zur Bekämpfung von Algen, in der Schäferei bzw. Veterinärmedizin zur Behandlung der Moderhinke, einer bakteriellen Erkrankung der Klauen bei Schafen Weißes Kupfersulfat: Trocknungsmittel zur Entfernung von Wasser aus Ethanol, zum Wassernach-weis Glaubersalz: Pflanzendünger, Abführmittel Alaun: Alaunstift zur Blutstillung, Düngen von Hortensien

9.7 Kohlensäure und ihre Salze (S. 250 / 251)

A1

Das Kohlenstoffdioxid-Molekül enthält kein Wasserstoff-Atom, es kann also kein Proton abgeben.

A2 Das Kohlensäure-Molekül reagiert als Protonendonator, das Wasser-Molekül als Protonen-akzeptor.

A3 Wasser-Moleküle, Kohlenstoffdioxid-Moleküle, Oxonium-Ionen, Hydrogencarbonat-Ionen (Carbonat-Ionen)

A4

A5 In der Hitze zersetzt sich das Natriumhydrogencarbonat: 2 NaHC O 3 ⟶ N a 2 C O 3 + C O 2 + H 2 ODas entstehende Kohlenstoffdioxid wirkt erstickend auf die Flamme.

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C OOd– d–d+

d+••d–

OCO

OH



A6 Die saure Lösung reagiert mit dem Calciumcarbonat heftig unter Bildung von Kohlenstoff-dioxid, was zu starkem Aufschäumen führt: CaC O 3 + 2 H 3 O + + 2 C l – → C a 2 + + 2 C l – + C O 2 + 3 H 2 O Hinweis: Geologen benutzen Salzsäure mit w (HCl) = 10 %.

V1 Der Schülerversuch ist mit Spritzentechnik gut und einfach durchführbar. Das Gas wird in mit Dreiwegehahn verschlossenen Infubags bereitgestellt.

V2 Der Effekt ist sehr eindrucksvoll. Trockeneis kann bei örtlichen Händlern geordert werden und ist am preisgünstigsten als Block zu erwerben (Transport und mehrere Tage Aufbewahrung an gut gelüftetem Ort im Dewar-Gefäß, Handhabung mit Kryo-Handschuhen !)

9.8 Vom Natrium zur Natronlauge (S. 252 / 253)

A1 a) Natriumhydroxid ist ein weißer Feststoff mit der Verhältnisformel NaOH. b) Natronlauge ist eine wässrige Lösung von Natriumhydroxid (N a + + O H – ) aq.c) Natriumhydroxid bildet mit wenig Wasser konzentrierte Natronlauge, die ätzend auf Haut und

Schleimhäute wirkt. Früher erhielt man Natriumhydroxid aus Natron (Natriumhydrogencarbonat).

A2 Natriumhydroxid ist hygroskopisch, d. h., die Natriumhydroxid-Plätzchen ziehen Wasser an, das in der Luft als Wasserdampf enthalten ist. Folglich nimmt die Gesamtmasse zu.

AnmerkungDie Feuchtigkeitsaufnahme führt zu einem Zusammenbacken der Plätzchen. Falls man das Gefäß mit den Natriumhydroxid-Plätzchen längere Zeit unverschlossen stehen lässt, bemerken die Schülerinnen und Schüler, dass sich auf den zunächst glänzenden Plätzchen eine weiße Salzkruste gebildet hat. Diese Beobachtung kann man zum Anlass nehmen, die Reaktion von Natriumhydroxid mit Kohlen-stoffdioxid (aus der Luft) zu Natriumhydrogencarbonat zu zeigen. Man leitet dazu zu etwas konzen-trierter Natronlauge im (dickwandigen) Reagenzglas Kohlenstoffdioxid (Luftaustausch reicht aus), verschließt das Reagenzglas und schüttelt. Das sich bildende Natriumhydrogencarbonat wird deutlich sichtbar ausgefällt. Dieses Experiment zeigt zudem eine weitere Eigenschaft der Natronlauge, sie kann dazu verwendet werden, Kohlenstoffdioxid aus einem Gasgemisch zu entfernen („auszuwaschen“).

A3 Natronlauge gewinnt man großtechnisch durch eine Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Natriumchlorid (Steinsalz). Bei dieser Elektrolyse werden die Gase Wasserstoff an der Kathode und Chlor an Anode abgeschieden. In der Lösung verbleiben Natrium-Ionen und Hydroxid-Ionen, die die Natronlauge bilden.

V1 Bei allen Versuchen mit Natrium sollte man wegen möglicher Peroxidbildung darauf achten, frisch entrindetes Natrium zu verwenden. Die Natriumabschnitte, die beim Entrinden anfallen, sollten nicht wieder in das Vorratsgefäß zurückgegeben werden. Sie können durch Reaktion mit Ethanol entsorgt werden.

V2 Bei der Reaktion von Natrium mit Wasser („Wasserstoffoxid“) entstehen Wasserstoff und ein Reaktionsprodukt, das nach dem Eindampfen der Lösung fest vorliegt. Hierbei muss es sich zumin-dest um eine Natrium-Sauerstoff-Verbindung handeln. Ob evtl. auch noch Wasserstoff-Atome gebunden sind, kann nur durch ein weiteres Experiment gezeigt werden. Der Indikator zeigt durch die Blaufärbung an, das die Lösung alkalisch reagiert.

V3 Die Reaktion des Reaktionsproduktes aus Versuch 2 oder von Natriumhydroxid mit Zink zeigt, dass am Aufbau der Verbindung auch Wasserstoff-Atome beteiligt sind. Bei der Reaktion wird Wasser- stoff frei, der nur aus dem untersuchten Reaktionsprodukt stammen kann. Anstatt das Gas sofort zu entzünden, kann man es auch in einem Kolbenprober oder mittels einer pneumatischen Wanne auf- fangen. Nachdem man ca. 50 ml Gas erhalten hat, führt man mit einem Teil des Gases die Knallgas-probe durch (Schutzscheibe, Schutzbrille !).

V4 a) Für diesen Versuch eignet sich sehr gut ein Digitalthermometer mit großer Anzeige.b) Die Indikatoren zeigen eine alkalische Lösung an.

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9.9 Hydroxide und alkalische Lösungen (S. 254 / 255)

A1 2 Li + 2 H 2 O ⟶ 2 LiOH + H 2

A2 Kaliumhydroxid kann starke Verätzungen auf der Haut verursachen. Besonders gefährdet sind die Augen und die Schleimhäute. Die alte Benennung Ätzkali weist auf diese Gefahren hin.

A3 In Geschirrspülmaschinen werden Spülmittel eingesetzt, die stark alkalische Lösungen bilden. Diese Lösungen greifen Glas an und führen zur Bildung eines unansehnlichen, milchigen Schleiers. Bei häufigem Spülen der Gläser in der Spülmaschine wird das Glas trüb.

V1 Im Handel sind verschieden Korngrößen von Calcium erhältlich. Man sollte sich für die größeren entscheiden, sie lassen sich von den Schülern besser handhaben. Falls man eine Tiegelzange verwendet, sollte diese „umgekehrt“ verwendet werden. Übrigens: Auch Calcium sollte unter Paraffinöl aufbewahrt werden. Da es nicht so häufig eingesetzt wird, hat man bald nur noch Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid im Aufbewahrungsgefäß. Vor dem Gebrauch gibt man die Calciumkörner in einen Faltenfilter, in den man mit einer Nadel ein kleines Loch gestochen hat. Man übergießt sie dann mit Benzin. Das aus dem Trichter ablaufende Benzin befreit sie vom Paraffinöl.Die Knallgasprobe verläuft positiv, es ist demnach Wasserstoff entstanden. Die Blaufärbung einer Bromthymolblau-Lösung weist auf eine alkalische Lösung hin.

V2 Beide Lösungen sind aufgrund der vorhandenen Hydroxid-Ionen und Metall-Kationen leitfähig.

V3 Es kann auch ein Porzellantiegel eingesetzt werden; allerdings wird dieser vom Natriumhydro-xid „aufgeschlossen“ und nach etwa dreimaligem Gebrauch zerstört. Auch die Schmelzen leiten aufgrund der vorhandenen frei beweglichen Ionen den elektrischen Strom.

9.10 Ammoniak und Ammoniumchlorid (S. 256 / 257)

A1 In einer wässrigen Ammoniak-Lösung findet man die folgenden Teilchen: Wasser-Moleküle, Ammoniak-Moleküle, Ammonium-Ionen, Hydroxid-Ionen (und Oxonium-Ionen, diese müssen von den Schülerinnen und Schülern nicht genannt werden).

A2 a) EN (N) = 3,0; EN (H) = 2,1

b)

A3 Die N–H-Bindungen im Ammoniak-Molekül sind polar und das Molekül besitzt einen pyrami- dalen Bau. Ammoniak-Moleküle sind (wie Wasser-Moleküle) Dipole. Die Polarität der N–H-Bindungen und das Vorhandensein eines nicht bindenden Elektronenpaares am zentralen Stickstoff-Atom er- möglichen die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen Ammoniak-Molekülen. Hierauf ist die verhältnismäßig hohe Siedetemperatur im Vergleich zu Stickstoff (– 196 °C) zurückzuführen.

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C

Cl

H

Cl

Cl

d –

d –

d – d + d –

d + N

H

H

H

d + d –

d +

C

F

F

F

F

d –

d –

d – d + d –

d +

SH

Hd+ d–

d+

HOd–

H

H N

H

H

H O

H

O

H

HO

H

H

d+

d+

d+ d– d+ d–

d– d+

d+

d+

d– d+

d+

d+



V1 Ammoniak löst sich sehr gut in Wasser: 1176 Liter lösen sich bei 0 °C in 1 Liter Wasser. Durch die Volumenverringerung entsteht ein starker Unterdruck im Kolben. Dadurch wird das Wasser nach oben befördert. Im Ammoniakwasser liegen vor allem solvatisierte Ammoniak-Moleküle vor. Der Salzsäure-Springbrunnen wird auch immer mit der guten Löslichkeit von Chlorwasserstoff in Wasser begründet. Dies ist allerdings im erweiterten Sinne gemeint. Im Gegensatz zum Ammoniak-Springbrunnen findet nämlich beim Salzsäure-Springbrunnen eine deutlich stärkere chemische Re- aktion statt. Die Chlorwasserstoff-Moleküle reagieren mit den Wasser-Molekülen. Dadurch verschwin-den die Chlorwasserstoff-Moleküle aus dem Gasraum. In der Lösung liegen dann vor allem Oxonium- und Chlorid-Ionen vor und nicht die Chlorwasserstoff-Moleküle.

V2 Im Durchmischungsbereich kommt es zur Reaktion zwischen Chlorwasserstoff und Ammoniak unter Bildung von weißem Ammoniumchlorid, das sich abscheidet. Ammoniak diffundiert aufgrund seiner Dichte rasch nach oben, sodass die Reaktion vor allem im oberen Standzylinder abläuft.

V3 Das angefeuchtete Universalindikator-Papier verfärbt sich grün bis blau.Ammoniak, das bei der Reaktion des Natriumhydroxids bzw. der Natronlauge mit den Salmiakpastillen gebildet wird, steigt im Reagenzglas auf, löst sich in dem angefeuchteten Universalindikator-Papier und bildet eine alkalische Lösung.

9.11 Die Säure-Base Definition nach BrØnsted (S. 258)

A1 Ab etwa 1730 bezeichnete man Stoffe, die mit Säuren zu Salzen reagieren, als Basen, da sie als die Basis für die Salzbildung aufgefasst wurden. Im Jahr 1887 definierte Svante Arrhenius Basen als Stoffe, die in Wasser O H – -Ionen abspalten.

A2 Säuren sind nach BrØnsted Protonendonatoren. Eine Säure muss also mindestens ein als Proton abspaltbares Wasserstoff-Atom aufweisen. Allen Basen ist als Protonenakzeptoren gemein-sam, dass sie nicht bindende Elektronenpaare zur Ausbildung von Elektronenpaarbindungen mit Protonen besitzen.

A3 N H 4 Cl + NaOH ⟶ N H 3 + NaCl + H 2 ON H 4 + + O H – ⟶ N H 3 + H 2 O

Das Ammonium-Ion ist bei der Reaktion von Ammoniumchlorid mit Natronlauge die Säure, das Hydroxid-Ion wirkt als Base.

Wichtige Stationen der historischen Entwicklung des Säure-Base-BegriffesÄltere Säure-Base-Begriffe: Schon im Altertum war der Essig bekannt. „Essig“ und „sauer“ sind Begriffe, die von den Griechen fast gleichbedeutend gebraucht wurden. Das griechische Wort für Essig ist oxos, für sauer oxys. Im 17. Jahrhundert wurde eine erste allgemeine Definition für Säuren von R. Boyle eingeführt. Für ihn war die Farbänderung einiger Pflanzenfarbstoffe (Indikatoren) bei Zugabe von Säuren ein wesentliches Kennzeichen von Säuren. Andere, wie z. B. der westfälische Chemiker O. Tacke (Tachenius), legten besonderes Gewicht auf die Fähigkeit der Säuren, die Wirkung von alkalischen Lösungen aufzuheben.Später lernte man Stoffe kennen, die zwar keine alkalischen Lösungen, aber mit Säuren Salze bilden (z. B. Kupferoxid). Etwa ab 1730 tritt in Frankreich für diese Stoffe die Bezeichnung Base auf, da sie die Basis für die Salzbildung sind. A. L. Lavoisier, der Begründer der wissenschaftlichen Chemie, beob- achtete, dass sich Nichtmetalle beim Verbrennen mit einem Bestandteil der Luft zu Stoffen verbinden, die sich in Wasser zu Säuren „lösen“. Den bei der Verbrennung gebundenen Luftbestandteil nannte er „gas oxygene“, d. h. sauermachendes Gas. Im Deutschen wurde dafür der Name Sauerstoff eingeführt. Nach Lavoisier enthielten alle Säuren Sauerstoff. Ende des 18. Jahrhunderts war die Zusammenset-zung einiger Säuren (z. B. Milchsäure, Citronensäure, Blausäure) bekannt. Fest stand damit, dass alle bisher bekannten Säuren Wasserstoff-Verbindungen, aber nicht unbedingt Sauerstoff-Verbindungen sind. In einem wichtigen Zeitschriftenartikel aus dem Jahre 1838 über Säuren stellte J. V. Liebig fest, dass Säuren Wasserstoff-Verbindungen sind, in welchen Wasserstoff durch Metalle ersetzt werden kann.

Der Säure-Base-Begriff nach S. Arrhenius: Im 19. Jahrhundert wurden viele chemische Reaktionen unter dem Einfluss des elektrischen Stromes untersucht. 1887 führte S. Arrhenius auf der Grundlage vieler Experimente und Beobachtungen die elektrische Leitfähigkeit saurer Lösungen darauf zurück, dass die Moleküle von Säuren sich im Wasser in Wasserstoff-Ionen und Säurerest-Ionen spalten. Die Wasserstoff-Ionen sind entscheidend für die typischen Merkmale saurer Lösungen. Basen sind

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben



Verbindungen, die in Wasser in Hydroxid-Ionen und Metall-Ionen zerfallen. Die Hydroxid-Ionen sind entscheidend für die Merkmale alkalischer Lösungen. Bei der Neutralisation verbinden sich die Wasserstoff- und die Hydroxid-Ionen zu Wasser.

H + + O H – → H 2 ODie Säurerest-Ionen der Säure und die Metall-Ionen der Base spielen für die Neutralisation keine Rolle.

Der Säure-Base-Begriff nach J. N. Brønsted: Eine Schwäche der Arrhenius-Theorie bildet die Be-schränkung des Base-Begriffs auf Hydroxid-Verbindungen. Viele Stoffe, z. B. auch Ammoniak, bilden alkalische Lösungen, ohne Hydroxid-Verbindungen zu sein. Nach Arrhenius spalten sich bei Zugabe von Chlorwasserstoff zu Wasser die Chlorwasserstoff-Moleküle in Wasserstoff-Ionen und Chlorid-Ionen.HCl → H + + C l – Auch bei der Salzbildung aus Chlorwasserstoff- und Ammoniakgas und beim Einleiten von Ammoniak in Wasser finden Protonenabgabe und -aufnahme statt. Um solche Reaktionen gleichberechtigt behandeln zu können, wurde der Säure- und Base-Begriff von J. N. BrØnsted 1923 neu gefasst.

Hinweise zur BegrifflichkeitViele Wasserstoff-Verbindungen können Protonen an die Moleküle des Wassers abgeben, dabei wird ein Proton von einem freien Elektronenpaar eines Wasser-Moleküls gebunden. Die so gebildeten H 3 O + -Ionen liegen in wässriger Lösung hydratisiert vor. Für diese Ionen saurer Lösungen existieren unterschiedliche Bezeichnungen wie Oxonium-Ionen, Hydronium-Ionen, Hydroxonium-Ionen, Wasser- stoff-Ionen. Gerade für den Chemieunterricht der Schule sind eindeutige und sinnvolle Begriffe not- wendig.Die IUPAC-Empfehlungen nennen den Namen Oxonium-Ion für das H 3 O + -Ion, wenn dieses Ion gemeint ist. Wenn man ein hydratisiertes Proton meint, ohne die genaue Zusammensetzung angeben zu wollen, legt die IUPAC-Empfehlung „Wasserstoff-Ion“ nahe. Im Werk Elemente Chemie wird deshalb der Name Oxonium-Ion gebraucht, wenn das durch die Pro- tonenübertragung gebildete Ion H 3 O + gemeint ist.

9.12 Das Donor-Akzeptor-Prinzip (S. 259)

A1 Das gemeinsame Prinzip der Säure-Base-Reaktionen und der Redoxreaktionen besteht darin, dass Teilchen von einem Donator auf einen Akzeptor übertragen werden. Bei Säure-Base-Reaktionen werden Protonen übertragen, bei Redoxreaktionen Elektronen.

A2 a) Magnesium reagiert mit Chlor.

Magnesium + Chlor ⟶ MagnesiumchloridMg + C l 2 ⟶ MgC l 2

Magnesiumchlorid gehört zu den Salzen. Bei der Reaktion werden aus Magnesium-Atomen Magnesium-Ionen gebildet: Mg → M g 2 + + 2 e – . Die Chlor-Moleküle nehmen Elektronen auf: C l 2 + 2 e – → 2 C l – . Es handelt sich also um einen Elektronenübergang, eine Redoxreaktion.

Elektronenabgabe

Mg + C l 2 ⟶ MgC l 2

Elektronen- aufnahme

b) Ammoniak reagiert mit Chlorwasserstoff.Ammoniak + Chlorwasserstoff ⟶ Ammoniumchlorid

N H 3 + HCl ⟶ N H 4 Cl

Ammoniumchlorid gehört zu den Salzen. Bei der Reaktion werden aus Ammoniak-Molekülen durch Aufnahme von Protonen Ammonium-Ionen gebildet. Diese Protonen werden von Chlorwasserstoff-Molekülen abgegeben. Es liegt also ein Protonenübergang vor, eine Säure-Base-Reaktion.

Protonenabgabe

N H 3 + HCl ⟶ N H 4 Cl

Protonenaufnahme

Zu den Aufgaben



c) Eisen reagiert mit Kupferoxid.Eisen + Kupferoxid ⟶ Eisenoxid + Kupfer

Fe + CuO ⟶ FeO + Cu

Eisen und Kupfer gehören zu den Metallen, sie bestehen aus Atomen, Kupferoxid und Eisenoxid gehören zu den Salzen, sind also aus Ionen aufgebaut. Bei der Reaktion geben Eisen-Atome Elektronen ab und werden zu Eisen-Ionen oxidiert: Fe → F e 2 + + 2 e – . Kupfer-Ionen nehmen die Elektronen auf und werden zu Kupfer-Atomen reduziert: C u 2 + + 2 e – → Cu. Es handelt sich also um einen Elektronenübergang, eine Redoxreaktion. Die Oxid-Ionen nehmen an der Reaktion nicht teil.

Elektronenabgabe

Fe + CuO ⟶ FeO + Cu

Elektronenaufnahme

Hinweis: Für die Lösung der Aufgabe ist es nicht wichtig, welches Eisenoxid (FeO, F e 2 O 3 , F e 3 O 4 ) gebildet wird.

9.13 Die Neutralisation (S. 260 / 261)

A1 Beim Zusammengeben von Salzsäure und Natronlauge wird thermische Energie abgegeben, es liegt also eine exotherme Reaktion vor. Außerdem bleibt beim Verdunsten oder Verdampfen der Lösung Natriumchlorid als neuer Stoff zurück.

A2 a) [ K + , O H – ] + [ H 3 O + , C l – ] ⟶ [ K + , C l – ] + 2 H 2 O

Ionen in der Kalilauge

Ionen in der Salzsäure

Ionen in der neutralen Lösung

b) [ Ca 2 + , 2 O H – ] 2 [ H 3 O + , C l – ] ⟶ [C a 2 + , 2 C l – ] + 4 H 2 O

Ionen im Kalkwasser

Ionen in der Salzsäure


A3 a)

Zu den Aufgaben

0

Volumen der Salzsäure in ml

400

350

300

250

200

150

100

50

0

Stromstärke in mA

5 10 151 2 3 4 6 7 8 9 11 12 13 14



b) Bei der Kurve handelt es sich eigentlich um zwei Geraden, die sich bei einer Zugabe von 10 ml Salz-säure schneiden. Bei einer Zugabe von 10 ml Salzsäure wird auch die kleinste Stromstärke gemessen. Die Steigung der ersten Gerade ist kleiner als die Steigung der zweiten Geraden.

[ H 3 O + , C l – ] + [N a + , O H – ] ⟶ [N a + , C l – ] + 2 H 2 OIonen in der

SalzsäureIonen in der Natronlauge


Die elektrische Leitfähigkeit der Natronlauge ist aufgrund der sehr beweglichen O H – -Ionen hoch. Reagiert Salzsäure mit Natronlauge, sinkt die elektrische Leitfähigkeit. Die sehr beweglichen O H – -Ionen werden durch die schlechter beweglichen C l – -Ionen ersetzt. Sobald nur noch die reine Natriumchlorid-Lösung vorliegt, ist die Leitfähigkeit am geringsten. Hier liegt der Neutralpunkt vor. Die Leitfähigkeit steigt bei weiterer Säurezugabe wieder an, da jetzt keine H 3 O + -Ionen und O H – -Ionen mehr zu H 2 O-Molekülen reagieren und damit verbraucht werden, sondern mehr Ionen in die Lösung gelangen (die Ionenkonzentration erhöht sich). Außerdem verursachen die H 3 O + - Ionen eine höhere Leitfähigkeit, da sie sehr beweglich sind.

V1 a) Gegenüber der Salzsäure und der Natronlauge ist die Temperatur der entstandenen Lösung leicht

erhöht.b) Unter der Lupe sind würfelförmige Kristalle zu erkennen. Es handelt sich um Natriumchlorid, also

Kochsalz.

V2 Die Reaktion läuft unter einer starken Wärmeentwicklung ab. Beim Zutropfen der Salzsäure fällt ein weißer Niederschlag aus, Natriumchlorid.

V3 Dieser Lehrerversuch dient zur Bestätigung der Wasserbildung bei der Neutralisation. Die Versuchsvorschrift stammt von Dr. J. Freienberg, Institut für Didaktik der Chemie, Universität Rostock.

ZusatzversuchZur Bestätigung der Wasserbildung kann noch der folgende Lehrerversuch eingesetzt werden:In einem Reaktionsrohr wird über festes Natriumhydroxid trockener Chlorwasserstoff geleitet. Es entstehen Natriumchlorid und Wasser, thermische Energie wird frei.

9.14 Untersuchung von Reinigungsmitteln (S. 262)

A1 Seifenlösungen und Tensidlösungen schäumen. Man kann eine kleine Probe eines Reini-gungsmittels und etwas dest. Wasser in ein Reagenzglas geben, das Reagenzglas verschließen und anschließend kräftig schütteln. Bildet sich viel Schaum, so kann man davon ausgehen, dass das Reinigungsmittel ein Tensid enthält.

A2 Feste Scheuermittel enthalten feine Körnchen aus Calciumcarbonat (Kalk, Kreide), Bims, Quarz (Sand), Speckstein oder Talkum. Flüssige Scheuermittel (Scheuermilch) weisen in der wässrigen Sus- pension Marmormehl (Calciumcarbonat) auf.

A3 Der saure WC-Reiniger und Natriumhypochlorit reagieren miteinander, dabei entsteht giftiges Chlorgas.

Zusatzinformation OC l – + C l – + 2 H 3 O + → C l 2 + 3 H 2 O

V1 Inhaltsstoffe und Wirkung eines AbflussreinigersWirksamer Bestandteil der Abflussreiniger ist Natriumhydroxid, das meist in Form kleiner durch-scheinender Kugeln vorliegt. Die mit Wasser entstehende starke Lauge, die durch die Hydratations-wärme zusätzlich aufgeheizt wird (die Wärmeentwicklung ist manchmal so stark, dass Kunststoff-rohre verformt werden), verseift Fettbestandteile und zerstört Haare, die die meisten Verstopfungen verursachen. Weiterhin enthalten Abflussreiniger Aluminium- oder Zinkkörnchen, die in der stark alkalischen Lösung unter Bildung von Wasserstoff reagieren.Wegen der Gefahr möglicher explosiver Wasserstoff-Luft-Gemische vermeidet man das Entstehen von Wasserstoff durch Zugabe von Nitraten. Mit diesen bildet sich Ammoniak, das sich in der alkalischen Lösung nicht löst und als Gas austritt. Diese Gasbildung führt zu einer zusätzlichen mechani-schen Lockerung des Schmutzknäuels und zu einer Durchmischung der Lösung. Ein weiterer Effekt ist die frei werdende Reaktionswärme bei der Reaktion von Aluminium bzw. Zink mit der Natronlauge.

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben

Zu den Versuchen



Außer den Nitraten enthalten manche Reiniger in den „Salzkügelchen“ noch Salze, die Wasser binden und so die Natriumhydroxid-Kügelchen trocken halten.

Zum Versucha) Die Sicherheitsvorkehrungen sollten so getroffen werden, dass die Schülerinnen und Schüler auf

keinen Fall mit Natriumhydroxid in Berührung kommen. Beim Experimentieren mit dem Abfluss-reiniger sollten Schutzhandschuhe (Gummihandschuhe) getragen werden.

b) Man sollte den Schülerinnen und Schülern eine Probe des Abflussreinigers auf einer Petrischale geben. Zum Trennen der Bestandteile reicht meist eine Pinzette allein nicht aus, dann sollte zusätzlich ein Spatel zu Hilfe genommen werden. Ergebnis: Drei unterscheidbare Komponenten: durchscheinende Kügelchen (manchmal auch Plättchen oder Schuppen); weiße, meist größere Kügelchen; metallisch aussehende Körnchen. Ergebnis: Die Lösung der glasig-weißen Kügelchen ist stark alkalisch; auf den Nitratteststäbchen zeigt die deutliche Farbänderung (Rotfärbung) das Vorhandensein von Nitrat an.

c) Natriumhydroxid: Beim Lösen der Natriumhydroxid-Plätzchen in dem heißen Wasser erhitzt sich das Reaktionsgemisch noch stärker und die Haarbüschel zersetzen sich sofort. Aluminium: Man sollte den Schülerinnen und Schülern Reagenzgläser geben, in die man bereits eine Spatelspitze Aluminiumgrieß gegeben hat. Für den Versuch reicht eine Aluminiumportion, die den Boden des Reagenzglases (160 mm × 16 mm) gerade bedeckt. Das Reaktionsgemisch schäumt zum Ende hin stark, man muss also auf Überschäumen und die damit verbundenen Gefahren achten. Zu Beginn der Reaktion sollten die Schülerinnen und Schüler das Reagenzglas im unteren Teil einmal mit den Fingern berühren, um einen Eindruck von der Wärmeentwicklung zu erhalten. Ergebnis: Aluminium reagiert unter Gasentwicklung und starker Erwärmung mit Natronlauge. Salze: Die Knallgasprobe verläuft in diesem Fall negativ. Die Schülerinnen und Schüler sollten daher auch nicht immer wieder versuchen, mit dem brennenden Span eine positive Reaktion zu erzielen. Da der Span ständig erlischt, riecht es nach einiger Zeit so sehr nach verbranntem Holz, dass man den Geruch des Ammoniaks nicht mehr wahrnehmen kann (er ist nur schwach an der Reagenzglasöffnung wahrzunehmen). Ergebnis: Die Knallgasprobe ist negativ; das angefeuchtete Universalindikatorpapier färbt sich blau.

Aufgabenlösungen1. Die Aluminium-Körnchen erkennt man am metallischen Glanz.2. Natriumhydroxid-Kügelchen lösen sich unter Freisetzung von thermischer Energie und bilden

Natronlauge. Aluminiumkörnchen reagieren mit der Natronlauge. In einer weiteren Reaktion mit dem ebenfalls gelösten Nitrat bildet sich unter anderem Ammoniak. Gleichzeitig zerstört die Natronlauge die Bestandteile des Schmutzknäuels im Abfluss. Durch die Durchmischung aufgrund der Gasbildung wird immer wieder „frische“ Lauge an das Schmutzknäuel gebracht.

3. Der Einsatz von Abflussreinigern führt zu einer starken Belastung des Abwassers mit Lauge. Eine sinnvolle Alternative stellt z. B. die mechanische Abflussreinigung mit einer Saugglocke (umgangs-sprachlich „Pümpel“ genannt) dar.

V2 Wirkung eines sauren WC-ReinigersAufgabenlösungen1. Der flüssige oder feste WC-Reiniger bildet eine saure Lösung. (Der pH-Wert der Lösung hängt maß-

geblich von dem eingesetzten WC-Reiniger und der Größe der WC-Reinigerportion ab, die zu dem dest. Wasser gegeben wird.) Mit Marmorgrieß erfolgt eine deutliche bis heftige Gasentwicklung.

2. Da Kalkstein mit sauren WC-Reinigern entfernt wird, kann man vermuten, dass bei der Reaktion von Marmorgrieß mit einem sauren WC-Reiniger Kohlenstoffdioxid entsteht. Kohlenstoffdioxid kann man mit Kalkwasser nachweisen. Man muss also Marmorgrieß mit einem sauren WC-Reini-ger reagieren lassen und das entstehende Gas in Kalkwasser einleiten.

Material: Schutzbrille, Spatel, 2 Reagenzgläser, durchbohrter Stopfen mit Gasableitungsrohr, großes Becherglas, saurer WC-Reiniger, Marmorgrieß (Calciumcarbonat), frisch filtriertes Kalkwasser

Durchführung: a) Gib in ein Reagenzglas eine Spatelspitze Marmorgrieß und fülle das Reagenzglas anschließend

zu knapp einem Drittel mit dest. Wasser. Füge dann einen Spatel festen WC-Reiniger oder eine kleine Portion flüssigen WC-Reiniger in das Reagenzglas.

b) Verschließe das Reagenzglas sofort mit einem durchbohrten Stopfen mit Gasableitungsrohr. Das längere Ende des Gasableitungsrohrs soll dabei in ein Reagenzglas mit Kalkwasser ragen.



c) Stelle die Apparatur in ein großes Becherglas.

9.15 pH-Wert und Indikatoren (S. 263)

A1 Wenn 100 ml Salzsäure (pH = 2) mit dest. Wasser auf 1 l verdünnt werden, dann ist der pH-Wert größer. Je saurer eine Lösung ist, desto kleiner ist ihr pH-Wert und desto größer ist die Konzentration der H 3 O + -Ionen. Durch das Verdünnen wird die Konzentration der H 3 O + -Ionen verringert, also steigt der pH-Wert.

A2 Wenn 100 ml Salzsäure (pH = 2) mit dest. Wasser auf 1 l verdünnt werden, dann ist die Konzen- tration der H 3 O + -Ionen auf 1 / 10 verringert worden, also steigt der pH-Wert um 1. Die Salzsäure weist nach der Verdünnung den pH-Wert pH = 3 auf.

9.16 Typische Reaktionen von Säuren und Basen (S. 264 / 265)

A1 Im Döbereiner-Feuerzeug laufen zwei Reaktionen ab:a) H 2 S O 4 + Zn → H 2 + ZnS O 4 b) 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O

A2 a) Fe + 2 HCl ⟶ FeC l 2 + H 2 Bei der Reaktion von Eisen mit Salzsäure werden Eisenchlorid und Wasserstoff gebildet. Eisen-

chlorid ist ein Salz und besteht aus Ionen, im Wasserstoff liegen Moleküle vor. Eisen-Atome haben Elektronen abgegeben: Fe → F e 2 + + 2 e – . Diese Elektronen werden von den Oxonium-Ionen aufgenommen, es entstehen Wasserstoff- und

Wasser-Moleküle: 2 H 3 O + + 2 e – → 2 H 2 O + H 2 . Es liegt eine Redoxreaktion, ein Elektronenübergang, vor.

b) CaO + 2 HCl ⟶ CaC l 2 + H 2 O Calciumoxid reagiert mit Salzsäure zu Calciumchlorid und Wasser. Caliumoxid und Calciumchlorid

sind Salze, bestehen also aus Ionen. Die Calcium-Ionen (C a 2 + ) haben sich also bei der Reaktion nicht verändert. Dieses gilt ebenso für die Chlorid-Ionen. Die eigentliche Reaktion findet zwischen den Oxonium-Ionen der Salzsäure und den Oxid-Ionen des Calciumoxids statt: 2 H 3 O + + O 2 – → 2 H 2 O + H 2 O. Die Oxonium-Ionen haben Protonen an die Oxid-Ionen abgegeben. Es liegt eine Säure-Base-Reaktion, ein Protonenübergang, vor.

A3 Ionengleichung: F e 2 + + S 2 – + 2 H 3 O + + 2 C l – ⟶ F e 2 + + 2 C l – + H 2 S + 2 H 2 OVereinfachte Ionengleichung: S 2 – + 2 H 3 O + ⟶ H 2 S + 2 H 2 O

Das nach faulen Eiern riechende Gas ist der Schwefelwasserstoff. Die Oxonium-Ionen reagieren als Protonendonatoren, die Sulfid-Ionen als Protonenakzeptoren.

Marmorgrießdestilliertes WasserWC-Reiniger

Kalkwasser

Zu den Aufgaben

Zu den Aufgaben



V1 Verdünnte Salzsäure reagiert mit Magnesium unter Gasentwicklung. Die Knallgasprobe zeigt, dass es sich um Wasserstoff handelt.

V2 a) Erwärmt man die Suspension aus Kupferoxid und verdünnter Salzsäure, erhält man eine blaue

Lösung. Dies ist ein deutlicher Hinweis auf eine chemische Reaktion. Es entsteht eine Kupfer- chlorid-Lösung (siehe [B5]).

b) Nach dem Eindampfen verbleibt ein grün-blauer Feststoff von Kupferchlorid.c) Es entsteht ein weißer Feststoff aus Magnesiumchlorid.

V3 Das angefeuchtete Ammoniumchlorid reagiert mit Natronlauge, die aus Natriumhydroxid und der Feuchtigkeit entsteht, unter Bildung von Ammoniak. Die Reaktion kann auch durch den direkten Kontakt des Natriumhydroxids mit dem angefeuchteten Ammoniumchlorid ablaufen. N H 4 Cl + NaOH → N H 3 + NaCl + H 2 ODas Ammoniak löst sich im Wasser des Gärröhrchens und bildet eine alkalische Lösung, die die Rotviolett-Färbung des Inhalts des Gärröhrchens hervorruft.N H 3 + H 2 O → N H 4 + + O H –

9.17 Die Stoffmenge und die molare Masse (S. 266 / 267)

A1

a) n = N ( H 2 )

_ N A = 3 ⋅ 1 0 23 ___ 6,022 ⋅ 1 0 23 mo l – 1

= 0,498 mol

b) n = N ( H 2 O)

__ N A = 12 ⋅ 1 0 23 ___ 6,022 ⋅ 1 0 23 mo l – 1

= 1,99 mol

c) n = N ( N 2 O 3 )

__ N A = 2 ⋅ 1 0 21 ___ 6,022 ⋅ 1 0 23 mo l – 1

= 3,32 ⋅ 1 0 – 3 mol

A2 a) N (C O 2 ) = n (C O 2 )⋅ N A = 3 mol ⋅ 6,022 ⋅ 1 0 23 mo l – 1 = 1,8 ⋅ 1 0 24

b) N ( O 2 ) = n ( O 2 ) ⋅ N A = 0,25 mol ⋅ 6,022 ⋅ 1 0 23 mo l – 1 = 1,5 ⋅ 1 0 23

c) N (KCl) = n (KCl)⋅ N A = 1 ⋅ 1 0 – 4 mol ⋅ 6,022 ⋅ 1 0 23 mo l – 1 = 6,022 ⋅ 1 0 19

A3 a) M (CaO) = M (Ca) + M (O) = 40,1 g/mol + 16,0 g/mol = 56,01 g/mol

b) M (MgC l 2 ) = M (Mg) + 2 ⋅ M (Cl) = 24,3 g/mol + 2 ⋅ 35,5 g/mol = 95,3 g/mol

c) M (HCl) = M (H) + M (Cl) = 1 g/mol + 35,5 g/mol = 36,5 g/mol

A4 a) m ( H 2 O) = M ( H 2 O) ⋅ n ( H 2 O) = 18 g/mol ⋅ 0,25 mol = 4,5 g

b) m (NaCl) = M (NaCl) ⋅ n (NaCl) = 58,5 g/mol ⋅ 2 mol = 117 g

c) m (CO) = M (CO) ⋅ n (CO) = 28 g/mol ⋅ 1 0 – 3 mol = 28 ⋅ 1 0 – 3 g

A5 M (C O 2 ) = 44 g/molM (HCOOH) = 46 g/mol

Verbindung molare Masse

NO 14 g/mol + 16 g/mol = 30 g/mol

N O 2 14 g/mol + 2 ⋅ 16 g/mol = 46 g/mol

N 2 O 2 ⋅ 14 g/mol + 16 g/mol = 44 g/mol

Bei den gesuchten Verbindungen handelt es sich um Stickstoffdioxid und Distickstoffmonoxid (Lachgas).

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben



A6 Chlor kommt molekular vor. N = m _ m t

Die Molekülmasse von Chlor ist m t (C l 2 ) = 2 · 35,5 u = 71,0 u

N (C l 2 ) = m (Chlor)

__ m t (C l 2 )

= 544 g

_ 71,0 u

= 544 · 6,022 · 1 0 23 u

___ 71,0 u

= 4,61 · 1 0 24

In 544 g Chlor sind 4,61·1 0 24 Moleküle enthalten.

A7 2 Na + C l 2 → NaCl

N (Na)

_ N (Cl) = 1 _ 1

2,3 g Na entsprechen n = m _ M = 2,3 g

__ 23 g/mol = 0,1 mol

0,1 mol Chlor entsprechen m = M ⋅ n = 35,5 g/mol ⋅ 0,1 mol = 3,55 g.→ Es werden 3,55 g Chlor benötigt.

Es entstehen 0,1 mol NaCl.M (NaCl) = 58,5 g/mol m = M ⋅ n = 58,5 g/mol ⋅ 0,1 mol = 5,85 g→ Es entstehen 5,85 g Kochsalz.

9.18 Die Stoffmengenkonzentration (S. 268 / 269)

A1 c (NaOH) = 1 mol _ 0,5 l = 2 mol/l

A2 n (KBr) = c (KBr) ⋅ V (KBr) = 0,1 mol/l ⋅ 50 ⋅ 1 0 – 3 l = 5 ⋅ 1 0 – 3 mol

m (KBr) = n (KBr) ⋅ M (KBr) = 5 ⋅ 1 0 – 3 mol ⋅ 119 g/mol = 0,595 g

Die Kaliumbromid-Portion (0,595 g) wiege ich so genau wie möglich ab.Anschließend löse ich das Kaliumbromid in wenig dest. Wasser in einem Becherglas.Diese Lösung überführe ich in einen 50 ml Messkolben. Das Becherglas spüle ich mit dest. Wasser und überführe das „Waschwasser“ ebenfalls in den Messkolben. Danach fülle ich den Messkolben mit dest. Wasser unter Schütteln etwa bis zur Hälfte auf. Wenn das Salz gelöst ist, fülle ich bis zur Markierung auf.

A3 a) In 1 l Salzsäure der Konzentration c (HCl) = 0,1 mol/l sind 0,1 · 6 ⋅ 1 0 23 = 6 ⋅ 1 0 22 H 3 O + -Ionen.

In 100 ml dieser Salzsäure sind folglich 0,1 ⋅ 6 ⋅ 1 0 22 = 6 ⋅ 1 0 21 H 3 O + -Ionen.b) In 1 l Natronlauge der Konzentration c (NaOH) = 0,1 mol/l sind 0,1 ⋅ 6·1 0 23 = 6 ⋅ 1 0 22 O H – -Ionen.

In 100 ml dieser Natronlauge sind folglich 0,1 ⋅ 6·1 0 22 = 6 ⋅ 1 0 21 O H – -Ionen.

A4 n (NaOH) = c (NaOH) · V (Natronlauge)

= 0,05 mol/l · 0,250 l = 0,0125 mol

V (Natronlauge) = n (NaOH)

__ c (NaOH)

= 0,0125 mol

__ 0,1 mol/l

= 0,125 lEs werden V = 125 ml der vorliegenden Natronlauge benötigt.

A5 n (KOH) = c (KOH) · V (Kalilauge) = 0,5 mol/l · 1 l = 0,5 molm (Kaliumhydroxid) = n (KOH) · M (KOH) = 0,5 mol · 56,1 g/mol = 28,05 g

Zu den Aufgaben



A6 Mineralwässer sind sehr unterschiedlich, daher hier zwei Beispielrechnungen:

a) Gerolsteiner Sprudel / Medium – Etikettangaben

Kationen Anionen

Calcium 348 mg/l Hydrogencarbonat 1816 mg/l

Magnesium 108 mg/l Chlorid 40 mg/l

Kalium 11 mg/l Sulfat 38 mg/l

Natrium 118 mg/l

Kationen

n (C a 2+ ) = m ( Ca 2 + )

__ M (C a 2 + ) = 348 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 40,1 g/mol = 8,68 ⋅ 1 0 – 3 mol = 8,68 mmol

n (M g 2+ ) = m (M g 2 + )

__ M (M g 2 + ) = 108 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 24,3 g/mol = 4,44 ⋅ 1 0 – 3 mol = 4,44 mmol

n ( K + ) = m ( K + )

_ M ( K + ) = 11 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 39,1 g/mol = 0,281 ⋅ 1 0 – 3 mol = 0,281 mmol

n (N a + ) = m (N a + )

__ M (N a + ) = 118 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 23,0 g/mol = 5,13 ⋅ 1 0 – 3 mol = 5,13 mmol

n (Kationen) = 2 ⋅ 8,68 mmol + 2 ⋅ 4,44 mmol + 0,281 mmol + 5,13 mmol = 31,65 mmol

Anionen

n (HC O 3 – ) = m (HC O 3 – )

__ M (HC O 3 – ) = 1816 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 61,0 g/mol = 30 ⋅ 1 0 – 3 mol = 30 mmol

n (S O 4 2 – ) = m (S O 4 2 – )

__ M (S O 4 2 – )

= 38 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 96,1 g/mol = 0,395 ⋅ 1 0 – 3 mol = 0,395 mmol

n (C l – ) = m (C l – )

_ M (C l – ) = 40 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 35,5 g/mol = 1,13 ⋅ 1 0 – 3 mol = 1,13 mmol

n (Anionen) = 30 mmol + 2 ⋅ 0,395 mmol + 1,13 mmol = 31,92 mmol

b) Stiftsquelle, Natürliches Mineralwasser, Mit Kohlensäure versetzt – Etikettangaben

Kationen Anionen

Calcium 51,6 mg/l Hydrogencarbonat 170 mg/l

Magnesium 3,8 mg/l Chlorid 10 mg/l

Kalium 2,2 mg/l Sulfat 6,1 mg/l

Natrium 5,4 mg/l

Kationen

n (C a 2 + ) = m (C a 2 + )

__ M (C a 2 + ) = 51,6 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 40,1 g/mol = 1,29 ⋅ 1 0 – 3 mol = 1,29 mmol

n (M g 2 + ) = m (M g 2 + )

__ M (M g 2 + ) = 3,8 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 24,3 g/mol = 1,56 ⋅ 1 0 – 3 mol = 1,56 mmol

n ( K + ) = m ( K + )

_ M ( K + ) = 2,2 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 39,1 g/mol = 56 ⋅ 1 0 – 6 mol = 0,0563 mmol

n (N a + ) = m (N a + )

__ M (N a + ) = 5,4 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 23,0 g/mol = 0,235 ⋅ 1 0 – 3 mol = 0,235 mmol

N (Kationen) = 2 ⋅ 1,29 mmol + 2 ⋅ 0,156 mmol + 0,0563 mmol + 0,235 mmol = 3,183 mmol

Anionen

n (HC O 3 – ) = m (HC O 3 – )

__ M (HC O 3 – ) = 170 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 61,0 g/mol = 2,787 ⋅ 1 0 – 3 mol = 2,787 mmol

n (S O 4 2– ) = m (S O 4 2 – )

__ M (S O 4 2 – )

= 6,1 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 96,1 g/mol = 63,48 ⋅ 1 0 – 6 mol = 0,06438 mmol

n (C l – ) = m (C l – )

_ M (C l – ) = 10 ⋅ 1 0 – 3 g

__ 35,5 g/mol = 0,2817 ⋅ 1 0 – 3 mol = 0,2817 mmol

n (Anionen) = 2,787 mmol + 2 ⋅ 0,06348 mmol + 0,2817 mmol = 3,196 mmol



9.19 Chemie im Beruf (S. 270)

A1 Arbeitsschwerpunkte der Chemikantin / des Chemikanten: Bedienung und Überwachung von Produktionsanlagen, Durchführung von Maßnahmen zur Wartung und vorbeugenden Instandhaltung der Anlagen.Arbeitsschwerpunkte der Chemielaborantin / des Chemielaboranten: Herstellung, Verarbeitung und Analyse von Stoffen und Zubereitungen in Laboratorien und Technika von Forschung, Entwicklung, Überwachung und Produktion

A2 – Friseurin / Friseur: Die Friseurin und der Friseur kommen mit sehr vielen und unterschiedlichen

Stoffen zum Blondieren, Tönen und Färben der Haare in Berührung. Sie müssen nicht nur die Wir- kung dieser Stoffe auf die unterschiedlichen Haare kennen, sondern diese Stoffe können auch die Haut schädigen oder Allergien auslösen. Die Friseurin und der Friseur müssen also umfangreiche Kenntnisse über die von ihnen eingesetzten Stoffe und die chemischen Reaktionen haben, die bei ihren Arbeiten eintreten.

– Feuerwehrfrau / Feuerwehrmann: Die Feuerwehr wird häufig bei Brandeinsätzen oder technischen Hilfeleistungen mit Gefahrstoffen konfrontiert. Um diese Einsätze gefahrlos und erfolgreich be- wältigen zu können, ist ein grundlegendes Wissen und Verständnis von Stoffen und chemischen Reaktionen unabdingbar. Feuerwehrleute können mit Stoffe aller Gefahrenklassen (explosive, ent- zündbare, entzündend wirkende, toxische, atzend wirkende Stoffe) in Berührung kommen. Für den Eigenschutz, den Schutz der Umwelt und der Bevölkerung müssen die Feuerwehrleute mit diesen Stoffen professionell umgehen. Für die Brandbekämpfung müssen sie die Bedingungen eines Brandes kennen und die richtigen Löschmittel einsetzen.

– Kriminalbeamtin / Kriminalbeamter: Kriminalbeamtinnen und Kriminalbeamte müssen sich am Tatort umsichtig verhalten, damit Spuren nicht verwischt, sondern gesichert werden. Sie müssen Verständnis für Angaben von Kriminaltechnikern / innen und Chemiker / innen haben. Sie selbst nehmen keine chemischen Untersuchungen vor.

– Zahnärztin / Zahnarzt: Zahnärzte und Zahnärzte müssen sehr umfangreiche Kenntnisse zum Zahnaufbau, zu Narkosemitteln und zu Zahnfüllmaterialien haben.

9.20 Volumen messen mit Pipette und Bürette (S. 271)

V1 Volumenmessgeräte im VergleichAufgabenlösungena) 1. Volumen des Wassers im Messzylinder z. B. 51 ml

Ursachen für den Unterschied: Ablesefehler; Messzylinder zu ungenau; zu viel Wasser mit der Pipette angesaugt.

b) 1. Das Volumen des Wassers in der Messpipette beträgt 2 ml, es sind also 8 ml abgeflossen. 2. Volumen des Wassers im Messzylinder z. B. 7,5 ml

Ursachen für den Unterschied: Anzeige an den Volumenmessgeräten ungenau; Messzylinder ungenauer als Messpipette; Flüssigkeitsverluste beim Übertragen.

3. Genaueres Messgerät für 2 ml: 2-ml-Vollpipette.

V2 Arbeiten mit der BüretteAufgabenlösungen1. und 2.Im Schülerversuch reicht die Spanne der Tropfenanzahl für 1 ml ungefähr von 15 bis 40 Tropfen. Der Schwerpunkt liegt bei 20 bis 25 Tropfen. Die Tropfenanzahl und das Volumen der Tropfen hängen von dem Durchmesser des Ablaufs des Bürettenhahns, von der Stellung des Hahns und von der Höhe der Wassersäule in der Bürette ab.

Zu den Aufgaben

Zu den Versuchen



9.22 Titration – Maßanalyse (S. 273)

V1 Bestimmung der Konzentration einer NatronlaugeBerechnung siehe Beispiel im Schülerbuch.

V2 VolumenbestimmungAufgabenlösungen1. Im Schülerversuch reicht die Spanne der Tropfenanzahl für 1 ml ungefähr von 15 bis 40 Tropfen.

Der Schwerpunkt liegt bei 20 bis 25 Tropfen. Die Tropfenanzahl und das Volumen der Tropfen hängen von dem Durchmesser des Ablaufs des Bürettenhahns, von der Stellung des Hahns und von der Höhe der Wassersäule in der Bürette ab. Beispiel: 1 ml / 25 Tropfen = 0,04 ml / Tropfen

2. Berechnung von n (NaOH) in dem Tropfen von (1): V = 0,04 ml; c = 1 mol/l Mit c = n/V bzw. n = c · V ergibt sich n (NaOH) = 1 mol/l · 0,00004 l = 0,00004 mol

3. Berechnung von m (Essigsäure): Angabe: n (O H – ) = n (C H 3 COOH), damit ist n (C H 3 COOH) = 0,00004 mol Mit n = m/M bzw. m = n · M ergibt sich m (Essigsäure) = 0,00004 mol · 60 g/mol = 0,0024 g Ein Mehrverbrauch eines Tropfens der verwendeten Natronlauge verfälscht bei der Anteilsbestim-mung der Essigsäure das Titrationsergebnis um 0,0024 g bzw. 2,4 mg.

V3 Titration mit IndikatorenAufgabenlösungen1. Beispiel für ein Versuchsergebnis:

Probelösung: 10 ml verdünnte Salzsäure; Maßlösung: Natronlauge, c = 0,1 mol/l, Verbrauch 9,1 ml Konzentration der Salzsäure:

c ( H 3 O + ) = c (O H – ) · V (Natronlauge) / V (Salzsäure) = 0,1 mol/l · 9,1 ml/10 ml = 0,091 mol/l2. Ergebnisse von Schülerexperimenten (erfahrene „Experimentatoren“): Bei Verwendung von

Universalindikator lagen die Titrationsergebnisse zwischen 8,9 ml und 9,5 ml, bei Verwendung von Phenolphthalein zwischen 9,0 und 9,3 ml. Offenbar ist es schwieriger, bei Universalindikator exakt die Mischfarbe für pH = 7 zu erkennen, da jeder Beobachter ein unterschiedliches Farbempfinden hat. Größere Abweichungen können sich zusätzlich durch Ablesefehler, Fehler beim Abmessen, Fehler beim Umgang mit den Messgeräten und durch Übertitration ergeben.

9.23 Salpetersäure und Nitrate (S. 274 / 275)

A1 Stickstoff-Verbindungen dienen den Pflanzen z. B. zum Aufbau von Eiweißstoffen. Nur wenige Pflanzen wie die Leguminosen, zu denen Lupine und Klee gehören, können mithilfe von Bakterien in ihren Wurzeln (Knöllchenbakterien) Stickstoff aus der Luft verarbeiten. Die anderen sind auf Nitrat-Ionen oder Ammonium-Ionen aus dem Boden angewiesen. Diese Stickstoff-Verbindungen können dem Boden durch Düngung zugeführt werden.

A2 H 2 S O 4 + 2 N H 3 ⟶ (N H 4 ) 2 S O 4 Die Schwefelsäure-Moleküle sind die Protonendonatoren, die Ammoniak-Moleküle sind die Protonen- akzeptoren.

A3 Individuelle Leistung. Im Internet gibt es eine Vielzahl von älteren und aktuellen Artikeln zum Thema „Massentierhaltung und Trinkwasserqualität“. Die Internetadressen werden hier nicht aufge- führt, da sie häufig nicht mehr aktuell sind. Gängige Suchmaschinen helfen hier weiter.Für Trinkwasser gilt ein Grenzwert gemäß der Trinkwasserverordnung von 50 mg/l. Trinkwasser, das diesen Grenzwert nicht überschreitet, ist auch zur Herstellung von Babynahrung geeignet.

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben



9.24 Phosphorsäure und Phosphate (S. 276)

A1 C a 3 (P O 4 ) 2 : CalciumphosphatCa( H 2 P O 4 ) 2 : CalciumdihydrogenphosphatCaHP O 4 : Calciumhydrogenphosphat

A2 Cola wäre ohne den Zusatz der Phosphorsäure eine sehr süße Limonade. Die Phosphorsäure wirkt der Süße des Zuckers entgegen.

A3 Phosphate und Nitrate gelangen aus überdüngten Feldern, Wiesen und Weiden in Gewässer. Dies hat ein starkes Pflanzenwachstum zur Folge. Übermäßiges Pflanzenwachstum führt zu über-mäßiger Vermehrung tierischer Organismen, die den Sauerstoff des Gewässers verbrauchen. Pflanzen und tierische Organismen sterben ab und sinken auf den Boden. Bei ihrer Zersetzung wird zusätzlich Sauerstoff verbraucht. Schließlich tritt Fäulnis ein, die dabei entstehenden Giftstoffe bringen alles Leben zum Absterben.

V1 Die mit Phosphorsäure bestrichenen Roststellen bilden Eisenphosphat, das gut auf dem Blech haftet. Es ist eine gute Grundlage für eine weitere Bearbeitung, z. B. einen Farbanstrich. Das Erwärmen dient der Beschleunigung der Reaktion und dem Verdunsten von Wasser.

9.25 Zusammenfassung und Übung (S. 277 / 278)

A1 a) und b)

Protonenabgabe

H 2 S O 4 + H 2 O ⟶ HS O 4 – + H 3 O +

Protonenaufnahme

Protonendonator: Schwefelsäure H 2 S O 4 Protonenakzeptor: Wasser H 2 OKorrespondierende Säure-Base-Paare: H 2 S O 4 / HS O 4 – und H 3 O + / H 2 O

Protonenabgabe

HS O 4 – + H 2 O ⟶ S O 4 2 – + H 3 O +

Protonenaufnahme

Protonendonator: Schwefelsäure HS O 4 – Protonenakzeptor: Wasser H 2 OKorrespondierende Säure-Base-Paare: HS O 4 – / S O 4 2 – und H 3 O + / H 2 O

A2 2 Mg + O 2 → 2 MgOMgO + H 2 O → M g 2 + + 2 O H – Das bei der Verbrennung entstandene Magnesiumoxid reagiert langsam mit dem Wasser unter Bildung von Hydroxid-Ionen, die für die alkalische Reaktion verantwortlich sind.

A3 Ampholyte bzw. amphotere Verbindungen (amphis = auf beiden Seiten und lysis = Auflösung) sind chemische Verbindungen, die sowohl als BrØnsted-Säure als auch als BrØnsted-Base reagieren können. Das Wasser-Molekül ist ein solches amphoteres Teilchen: Es reagiert z. B. mit einem Ammoniak-Mole-kül als Säure: H 2 O + N H 3 ⟶ O H – + N H 4 + Säure Base

Mit einem Chlorwasserstoff-Molekül reagiert das Wasser-Molekül jedoch als Base: H 2 O + HCl ⟶ H 3 O + + C l – Base Säure

Zu den Aufgaben

Zu dem Versuch

Zu den Aufgaben



A4 N H 4 Cl ⟶ N H 3 + HClDas Ammonium-Ion (N H 4 + ) ist der Protonendonator, die Säure.Das Chlorid-Ion (C l – ) ist der Protonenakzeptor, die Base.

Die bei der Zerlegung des Ammoniumchlorids gebildeten Gase Chlorwasserstoff und Ammoniak steigen im Reagenzglas auf und erreichen das Universalindikator-Papier. Ammoniak bildet mit der Feuchtigkeit eine alkalische Lösung, die das Indikatorpapier blau färbt:NH3 + H 2 O ⟶ N H 4 + + O H – Das Ammoniak steigt offensichtlich ein wenig schneller hoch als Chlorwasserstoff. Dieser bildet am unteren Ende des Universalindikator-Papiers mit der Feuchtigkeit eine saure Lösung, die das Indika- torpapier rot färbt: HCl + H 2 O ⟶ C l – + H 3 O + .

A5 Individuelle Leistung, der Text könnte so lauten (Lösungs- / Fachbegriffe sind markiert): Salzsäure und Natronlauge reagieren in einer exothermen Reaktion zu Natriumchlorid und Wasser. Eine solche Reaktion bezeichnet man als Neutralisation. Das allgemeine Reaktionsschema lautet: Säure + Lauge ⟶ Salz + WasserBei einer Neutralisation reagieren Oxonium-Ionen mit Hydroxid-Ionen exotherm zu Wasser-Mole-külen. Dabei findet ein Protonenübergang statt: Säuren sind Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren. Jede Neutralisation ist eine Säure-Base-Reaktion.

A6 Vorschlag für ein Begriffsnetz:

A7 n = V ⋅ c = 50 ⋅ 1 0 – 3 l ⋅ 0,5 mol/l = 25 ⋅ 1 0 – 3 molDie Stoffmenge an Oxionium- und Chlorid-Ionen beträgt jeweils 25 mmol.

N = n ⋅ N A = 25 ⋅ 1 0 – 3 mol ⋅ 6 ⋅ 1 0 23 mo l – 1 = 15 ⋅ 1 0 21 Die Teilchenanzahl an Oxionium- und Chlorid-Ionen beträgt jeweils 15 Trilliarden.

A8 Verbrauch Natronlauge:n = V ⋅ c = 13,4 ⋅ 1 0 – 3 l ⋅ 0,1 mol/l = 1,34 ⋅ 1 0 – 3 molFür die Titration wurden 1,34 mmol O H – –Ionen verwendet.

Für die Salzsäure gilt:

c = n _ V = 1,34 ⋅ 1 0 – 3 mol/10 ⋅ 1 0 – 3 l = 0,134 mol/l

Die Salzsäure hatte eine Konzentration von 134 mmol/l.

A9 Die Haut bzw. die Hydrolipidschicht der Haut weist einen pH-Wert von etwa 5,5 auf. Seifen bilden mit Wasser eine alkalische Lösung. Diese reagiert mit der sauren Lösung der Hydrolipidschicht. Das kann zum Austrocknen der Haut führen. Alkalische Lösungen „weichen“ die Haut auch auf. „pH-neutrale“ Duschgels und Haarshampoos weisen einen pH-Wert auf, der dem pH-Wert der Hydro- lipidschicht gleicht und damit nicht mit der sauren Lösung der Hydrolipidschicht reagiert. „pH-neutrale“ Duschgels und Haarshampoos weisen nicht den pH-Wert 7 auf.

Säuren Basen

exotherm zu Wasser, das nennt man

NeutralisationOxonium-Ionen Hydroxid-Ionen

Protonendonatoren

Salz + Wasser

exothermen Reaktion reagieren imVerhältnis 1 : 1,das nennt man

reagieren reagieren

bildenProtonendonatoren

haben einen pHüber 7 und sind

haben einen pHunter 7 und sind

reagieren mit-einander in einer

zu bilden



A10

A M M O N I A K

S A U E R

O X O N I U M - I O N

P R O T O N

N E U T R A L

K A T I O N

A L K A L I S C H

A M M O N I U M C H L O R I D

S A L Z S Ä U R E

N A T R O N L A U G E

I N D I K A T O R

H Y D R O X I D - I O N

I O N E N

A N I O N

Das Lösungswort ist NEUTRALISATION.


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9 Säuren und Basen - asset.klett.de · sieben Außenelektronen, dem Chlor-Atom fehlt somit ein Elektron für den Edelgaszustand. Nimmt Chlor ein weiteres Außenelektron auf, um den