Chemie heute SII - Ausgabe 2018 für Niedersachsen: Qualifikationsphase: Schülerband: Sekundarstufe 2 - Ausgabe 2018 3507113422, 9783507113428

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westermann

Chemie

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Qualifikationsphase

Niedersachsen

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Chemie

heute S!ı

Niedersachsen Qualifikationsphase

So arbeiten Sie mit Chemie heute SII Ihr Schulbuchsollihnen helfen, die Chemie und ihre Gesetze leicht zu lernen und zu verstehen. Die folgenden Hinweise

zeigen Ihnen, wie Sie mit Ihrem Chemiebuch effektiv arbeiten konnen.

Aktivieren Sie Ihr Wissen. Aus dem Alltag und aus dem bisherigen Chemieunterricht wissen Sie sicherlich schon einiges liber Chemie. Dieses Wissen erleichtert Ihnen die Erarbeitung der Themen im Buch. Um Ihr Wissen zu aktivieren, finden Sie vor einem Kapitel die Checkliste - Was Sie schon kennen -, mit der Sie Ihre Vorkenntnisse abschatzen konnen. Notieren Sie dazu einfach, ob Sie den einzelnen Aussagen ,kann ich®, ,kannich, bin aber nicht ganz sicher* oder ,,kann ich noch nicht“ zuordnen kénnen. Je haufiger Sie ,kann ich eintragen kénnen, desto besser sind Sie fiir

das folgende Kapitel vorbereitet. Um sicher zu gehen, kénnen Sie Ihre Einschatzung durch den Kompetenzcheck — Sind Sie fit fiir dieses Kapitel? - priifen. Im hinteren Teil des Buches (ab S. 342) finden Sie Musterlésungen zu den Aufgaben, die Sie mit Ihren Angaben vergleichen kénnen. Inhalte aus dem bisherigen Chemieunterricht, die fiir das Verstehen der neuen Inhalte besonders wichtig sind, werden in Ubersichten und Theorieseiten im Kapitel wiederholt. Weitere Inhalte der Sekundarstufe | finden Sie im Riickblick noch einmal tibersichtlich zusammengefasst. Wissen, was Sie erwartet. Damit Sie wissen, was Sie in dem jeweiligen Kapitel erwartet und was Sie neu dazulernen,

sind unter der Uberschrift In diesem Kapitel lernen Sie wesentliche Inhalte des Kapitels aufgezahlt. Auch damit kénnen Sie abschatzen, was Sie schon (iber das folgende Thema wissen oder noch wissen mochten.

Symbole zu den Aufgaben. Im Chemieunterricht lernen Sie neue Inhalte haufig tiber Aufgaben. Jeder von Ihnen lernt anders und haufig kann man mit einem Partner oder in einer Gruppe leichter lernen. Die Aufgaben in diesem Buch sind zudem unterschiedlich schwierig. Die folgenden Symbole helfen Ihnen dabei, die Aufgaben zuordnen zu kénnen. Eine Liste mit Operatoren, den Schliisselwortern zur Bearbeitung einer Aufgabe, finden Sie auf der folgenden Doppelseite. Generell nehmen die Aufgaben auf einer Seite von oben nach unten im Schwierigkeitsgrad zu.

%

Partnerarbeit

Diese Aufgaben bearbeiten Sie mit einem Lernpartner. Dabei miissen Sie sich gegebenenfalls Aufgabenlosungen gegenseitig erklaren.

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Gruppenarbeit

Diese Aufgaben bearbeiten Sie in einer Gruppe von mindestens drei Lernenden.

Hilfekarten

Zu diesen Aufgaben stehen Hilfekarten bereit. Diese kdnnen Sie als Anregungen fiir Ihre Arbeit nutzen, wenn Sie bei der Aufgabe nicht weiterkommen oder sicher gehen mochten, dass Sie auf der richtigen Spur sind. Zunachst nehmen Sie die Karte mit der

geringsten Hilfestellung. Das ist die Karte Hilfe 1. Bringt diese Hilfe Sie nicht weiter, nehmen Sie die Karte Hilfe 2. Die Karte Hilfe 3 enthalt noch mehr Hinweise zur Losung derAufgabe. Und auf der Check-Karte finden Sie die Lésung. Versuchen Sie diese nachzuvollziehen und kontrollieren Sie damit Ihre eigene Lésung. Hinweis fiir Lehrkrdfte: Die Hilfekarten finden Sie im Lésungsheft zu diesem Buch. %

Experimentelle Hausaufgabe

Dies sind Versuche, die Sie zu Hause durchfiihren kénnen.

%

ZumWeiterdenken ...

Mit diesen Aufgaben kdnnen Sie iiber den Tellerrand der Chemie hinausschauen. Hier

Xy

Expertenaufgabe

werden Erkenntnisse aus dem Chemieunterricht benétigt, um Probleme aus anderen Fachbereichen wie beispielsweise der Biologie oder der Physik zu erklaren.

Sie sind wirklich gut in Chemie? Dann versuchen Sie sich an diesen Knobelaufgaben. Sie kénnen daran zeigen, was fiir eine Expertin oder ein Experte Sie sind.

Inhaltsverzeichnis

Was bedeuten die Arbeitsanweisungen? - wichtige Operatoren

Ubersicht: Blickwinkel der Chemie - Stoff-und Teilchenebene . . . . . . . Methode:

Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg.

10 17 12 20 21

. . ..........

Riickblick in die Sekundarstufel. . .. ......................

Ubersicht: Sicheres Experimentieren . . ... .................. Ubersicht: Sicherentsorgen. . .............uviuvueenenonn. Energie bei chemischen Reaktionen . . . . ... ................ 31

1.2 13

Projekt: Heizen und Antreiben Energieformen lassen sich umwandeln

. . .

Reaktionswérmen lassen sich mit einem Kalorlmeter best|mmen Vom Experiment zur molaren Reaktionsenthalpie

. .............

1.4

Reaktionsenthalpien lassen sichberechnen

15

Die Entropie ist die zweite Triebkraft fiir Reaktionen

1.6 1.7

Entropie und Wahrscheinlichkeit

Praktikum: Praktikum:

. . . ... ............

Bestimmungvon Reaktionsenthalpien EndothermeReaktionen

«

. ............. .. ..........

. ......................

Enthalpie und Entropie wirken zusammen .

5

. .

Basiswissen: Energie bei chemischen Reaktionen .. . < . . Training: Energie bei chemischen Reaktionen. . . ............... Steuerung chemischer Reaktionen. . ... ...................

2.1

Reaktionsgeschwindigkeiten lassensichmessen.

22

Die Reaktionsgeschwindigkeit hangt von der Konzentration ab . Projekt: Simulationen zur Reaktionsgeschwindigkeit “ Die Reaktionsgeschwindigkeit ändert sich mit der Temperatur. . Projekt: Reaktionsgeschwindigkeiten fotometrisch erfassen . Katalysatoren beschleunigen Reaktionen. ........... . . Chemie angewandt: KatalysatoreninderTechnik . .. ........... Praktikum: Katalyse Ausbildung chemischer Gleichgewichte Einstellung chemischer Gleichgewichte unterderLupe. . . ... ... .. Praktikum: Gleichgewichtsreaktionen ... ................... Gleichgewichtskonstante und Massenwirkungsgesetz Chemische Gleichgewichte sind storungsanfallig. . . Vertiefung: Gleichgewichte und StoBtheorie. . Léslichkeitsgleichgewichte . .. . ... .. Praktikum: Loslichkeitsgleichgewichte. . Exkurs: Das chemische Gleichgewicht lasst sich energetisch betrachten . Chemie angewandt: Ammoniaksynthese . . . ................. Basiswissen: Steuerungchemischer Reaktionen. . .............. Training: SteuerungchemischerReaktionen . .................

23 2.4

25 2.6 2T 2.8 2.9 2.10 2.11

2.12

Projekt:

Faktoren beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit. . . . . . ..

Séure-Base-Reaktionen 3. 32 33 3.4 35

. ... ... .......

.. .............................

Von A wie Abflussfrei bis Z wie Zitronensaft . ... .............. Brensted-Sauren und Brensted-Basen sind Teilchen. . . . ... ... ...

Von der Autoprotolyse des WasserszumpH-Wert. . . ... ......... Séauren unterscheidensichinihrerStirke. . . .. ............... Starke Basensind schwacheSauren ... ....................

3.6 3T 3.8 39 3.10

3.1 3.12

pH-Werte saurer Lésungen lassen sichberechnen . ... .......... pH-Werte alkalischer Losungen lassen sich berechnen . ¥ P W

Séuren und Basen lassen sich mit Indikatoren nachweisen

. . . ... ..

105

Titration- ein Messverfahren zur Konzentratlonshestummung ......

110

Praktikum: Titration. .. ............... Konzentrationsermittlung durch Leitfahigkeitstitration Praktikum: Leitfahigkeitstitration Puffersysteme halten den pH-Wert konstant. . . 000004 Projekt: Puffersysteme im menschlichenKérper. . ..............

117 118 120

Training:

124

Praktikum:

ProtolysenundpH-Wert. . ... ...................

Séuren und Basen neutralisieren sich Methode:

Sdure-Base-Reaktionen. ......................

Saure-Base-Reaktionen

Elektrische Spannungsquellen

4.2

4.3

4.4 45 4.6 4.7

4.8 4.9 4.10 4.11

4.12

5.2 53 5.4

.

Titrationskurven auswerten

Basiswissen:

4.1

102

. ........................

. ... ......................

Projekt: UntersuchenvonKnopfzellen ... ................... Das Elektronengasmodell beschreibt Metalleigenschaften .. . ... Redoxreaktionen sind Elektroneniibergénge. .

Praktikum:

122

128

130 132

Redoxreaktionen und Redoxreihe. . .. .. ..

Methode: Redoxgleichungen mit System aufstellen Ubersicht: Teilcheniibergénge - das Donator-Akzeptor-Konzept . . . . . . Exkurs: Disproportionierung und Synproportionierung. . . . .. ...... Praktikum: Disproportionierung und Synproportionierung ......... Praktikum: Kaliumpermanganat als Oxidationsmittel . . Projekt: Schwefeln von Wein Galvanische Zellen sind Energiewandler. 5 Spannung ist nur zwischen zwei Halbzellen messbar . . Praktikum: Galvanische Zellen und Elektrodenpotentiale . ... Elektrochemische Spannungsreihe und Redoxgleichgewichte . . . . . . Praktikum: Erweiterung der Spannungsreihe um Nichtmetalle. . . .. .. Elektrodenpotentiale sind konzentrationsabhangig. . . . .........

140 141 141 142 143 144 146 148 150 151 152

Exkurs: pH-Werte elektrochemischmessen ... ................ Batterien sind tragbare galvanische Zellen. . . ... ............. Komplexe sind besondere Teilchen

155 156 158

Praktikum:

Konzentrationszellen

. ........................

Akkumulatoren lassen sich wieder aufladen ® In Lithium-lonen-Akkumulatoren werden lonen verschoben Praktikum: Batterien i s 5 558 e 4 o R HOR HE £

w ¥ B

154

160 16Z 163

Exkurs: KenngréRen von Batterienund Akkus. . .. .............. Elektrochemische Energiewandler mit Zukunft . . . . ... ......... Basiswissen: Elektrochemische Spannungsquellen .. ............ Training: Elektrochemische Spannungsquellen. . ... ............

164 166 168 170

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen. . . . .. .. ........

174

Elektrolysen sind erzwungene Redoxreaktionen . . . .. .......... Praktikum: Elektrolysen . .......... .. .. So viel Spannung muss sein - Zersetzungsspannung. . . . .. ....... Mit den Faraday-Gesetzen erfasst man Elektrolysen quantit: Chemie angewandt: Herstellung von Chlor durch Elektrolyse. . . . . . .

176 178 180 182 184

Projekt:

Wohin mitdenAlthandys?

. .......................

186

. .. ....................

191

5.5 5.6

Chemie angewandt: Metallgewinnung durch Elektrolyse. . ¢ n ı Aluminium durch Eloxierenbesténdig . . ... .................

57 5.8

Korrosion - Redoxreaktionen auf Abwegen. . . .. .............. K ı 5 vais wo% 3 4% 4008 HEE ¥ 90 ¥ Xl 068 B 4B 4 ¢ Praktikum: Korrosion und Korrosionsschutz . . ................ Prabtilninis: GalVARISIETEN s oo 5 s vamos KTG 7E 9 HRTK Rkl 3 10 3 Galvanotechnik - nicht nur fiir den Korrosionsschutz . . . . .

192 194 196 197 198

Reaktionswege in der Organischen Chemie

. . . ... ............

204

Übersicht: Organische Stoffklassen und funktionelle Gruppen ....... Alkane reagieren mit Halogenen zu Halogenalkanen ............

206 208

5.9

6 6.1

6.2

6.3

6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

6.9 6.10

Praktikum:

Basiswissen: Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen . 5 . 200 Training: Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen . . .. ....... 202

Der Verlauf der radikalischen Substitution ist steuerbar

Halogenalkane - SegenundFluch. . . . ... ...... 3 Praktikum: Gesattigte Kohlenstoffverbindungen . . Durch Gaschromatografie lassen sich Stoffgemische analysieren . Halogenalkane reagieren zuAlkoholen . . . ... ............... Der Verlauf einer nucleophilen Substitution ist steuerbar . . . . ..... Die Veresterung ist eine besondere nucleophile Substitution. . . . . . . Praktikum: Veresterungund Esterspaltung . ... ............... Herstellung von Alkenen . .. .......00000000000004 00Rr Praktikum: Darstellung von Alkenen Übersicht: Eliminierungsreaktionen „

Theorie:

Ein neues Atommodell.

Vom Alken zum Halogenalkan Die elektrophile Addition.

Ubersicht:

6.11 6.12 6.13

Eloxierenvon Aluminium

TE 190

Praktikum:

212 214 216 218 220 222 224 226 228 229

. 230

.

5 232

.

.

Reaktionstypen und reaktlve Tellchen

210

...

.

.

Additionsreaktionen . . ........... ... ... ...

234

. 236

237

Benzol - Begriinder einer neuen Stoffklasse . . .. .............. Bindungen im Benzol-Molekiil - der aromatische Zustand . . . . .. ... Mesomerieenergie stabilisiert das Benzol-Molekiil. . . .. .........

238 240 242

6.14

Die elektrophile Substitution.

244

6.15

Ubersicht: Kleiner Werkzeugkasten fiir organische Synthesen Synthesewege in der organischen Chemie Basiswissen: Reaktionswege in der Organischen Chemle s

Ubersicht:

Training: i

7.1 72 7.3 7.4 7.5

. . ... ................... ...

Reaktionen von Benzol und Benzolderivaten . . ... ...... 5

Reaktionswege in der Organischen Chemie . . .. .........

Kunststoffe - organische WerkstoffenachMa®

246

. 248 . 250 „ 1252

. ... ...........

Künststoffe sind überall ;: 404 407 4 00 005 VE RR OE RE RE Projekt: Identifizierung von Kunststoffen. ... ................. Die Molekiilstruktur bestimmt die Eigenschaft . Ungesittigte Monomere polymerisieren . . . . . Kunststoffeigenschaften lassen sich anpassen $ ä 3 . Polymere lassen sich modifizieren . .. ..................... Praktikumt’ POIYIIBHSAtE v v s s o wnss s RDE R KK ROR WE o @

254

258

260 262 264 266 268 270 271

7.6 .

7.8 15

Chemie angewandt: Kautschuk und Gummi

Bifunktionelle Molekiile kondensieren.

Praktikum: Polykondensate Praktikum: Biokunststoffe durch Polykondensation. .. ........... Chemie angewandt: Von Klebern, Lacken und Windeln . ..........

8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

8.9 8.10 8.11 8.12

8.13

277 278

Kunststoffe sindWertstoffe . . . ..........................

280

Training:

284

Basiswissen:

Kunststoffe - organische WerkstoffenachMa®

... ... ..

Kunststoffe - organische WerkstoffenachMaR . . . ... .. ...

BausteinedesiLebens. ... ... . . 8.1 8.2

. . .

EinBlick In@le Zolle:. ...

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282

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288

MIR

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290

Fette sind Glycerinestervon Fettsduren. . ... ................ Projekt: Gewinnungund CharakterisierungvonFetten . .. ......... Chemieangewandt: Tenside .. ..........................

Aminoséduren sind die Bausteine der Proteine . . . .. ............ Die Struktur der Protein-Molekiile. . . . ..................... Praktikum: Aminoséuren und Proteine

Chemie angewandt: Fasern aus Proteinen . Chemie angewandt: Enzyme katalysieren Lebensvorginge . . ... GlucoseisteinKohlenhydrat . . .. ........................

292 294 296

298 300 302

303 304 306

Fructose ist eine Ketohexose . ..............0.00000401104 000 Saccharose und Maltose sind Dicaccharide . . .. .. .............

308 310

Stérke und Cellulose sind Polysaccharide. . ... ............... Chemie angewandt: FasernausCellulose . . . . ................ Praktikum: Kohlenhydrate. .. ........................... DNA besteht aus Nucleinsauren . . . .

312 314 315 316

Training:

320

Basiswissen:

FA

Bausteine desLebens . .

8

.

Ö

-

e“

Bausteine des LebenS. ..........0.000000000000 0004

A

Thema 1:

Thema2:

45

W

HRR

R K

SO

RE

W

E

RE

& o

Acetylsalicylsaure - ein vielseitiger Wirkstoff . . . .........

Pharmakokinetik

... ........ ... ... ... .........

338

324 326

Praktikum: AcetylsalicylSäure: » ... > sr anr H 6 LE RE RO 8 HI Thema3: ’Silber gegen Bakterien ... ... 000040040404 0044 KG KK 6E

Thema4: Thema5: Thema6: Thema 7:

Gefahren! Sicherheit Stoffliste

Rund ums Kochen und Backen Waschmittel .......... Chemieim Mund. .

Reagenzlösungen.

.

Tabellen 5 Stichwortverzeichnis . . . .. ..

366

3

s

$

5

3

ya

Quellenverzeichnis. . . .. ..., PeriodensystemderElemente . . . . ............ ...

367 312

374 375

Was bedeuten die Arbeitsanweisungen? - wichtige Operatoren Im Unterricht, als Hausaufgaben

oder in schriftlichen

Leistungsüberprüfungen werden immer wieder Aufga-

ben gestellt, die es erfolgreich zu bearbeiten gilt. In diesen Aufgaben erscheinen immer dieselben Operatoren,

also Arbeitsanweisungen. Damit Sie die Aufgaben rich-

tig verstehen und erfolgreich 6sen kénne, muss Ihnen klar sein, welche Leistung von lhnen bei den einzelnen Operatoren erwartet wird. Die in diesem Buch genutzten Arbeitsanweisungen mit den erwarteten Leistungen werden hier erkldrt und mit einem Beispiel versehen.

Anweisung (Beispiel)

erwartete Leistung

Beispiel

Analysieren Sie die erhaltenen Mess-

Die einzelnen Bestandteile und ihre

Bei einer Elektrolyse nimmt die abgeschiedene Masse Kupfer proportional

werte.

Beziehung zueinander systematisch

erfassen und darstellen.

mit der Zeit zu.

Begriinden Sie die unterschiedlichen Séurestarken von Essigsaure und Trichloressigsaure.

Mithilfe von Theorien oder GesetzmaRigkeit die Ursache eines Sachverhalts

nennen.

I-Effekte der Atomgruppen im Molekiil beeinflussen die Polarisierung der O-HBindung und so die Stérke der Saure.

Berechnen Sie die Masse von 0,1 mol

Aus Zahlenwerten und mathematischen

m=n-M=0,1 mol -55,8 g mol”'=5,58g

Eisen.

Formeln den Wert einer neuen GréRe ausrechnen.

0,1 mol Eisen wiegen 5,58 g.

Beschreiben Sie die Beobachtung.

Einen Sachverhalt geordnet und unter

Nach der Zugabe von Citronenséure verandert sich die Farbe von blau nach rot.

Bestatigen Sie die Aussage, dass Metalle den elektrischen Strom leiten.

Eine Aussage alsrichtig feststellen und

Metalle werden experimentell auf ihre elektrische Leitfahigkeit tiberpriift. Das Ergebnisist positiv, alle Metalle leiten

Nutzung von Fachsprache wiedergeben.

argumentativ stiitzen.

den elektrischen Strom. Bestimmen/Ermitteln Sie die Masse des

Riickstands.

Eine Formel aufstellen, mit der man das

Ergebnis berechnen kann. Eventuell

miissen die benétigten GroRen gemes-

m(Riickstand) = m (alles) - m(Filter)

m(Riickstand) =17 g- 14g=3g

sen werden.

Beurteilen Sie die Umweltvertréaglichkeitvon ... Nehmen Sie Stellung zu ...

Fachwissen und Fachmethoden nutzen, um ein selbstandiges Urteil zu einem

Sachverhalt abzugeben.

In der Liste der Inhaltsstoffe des

Produkts sind umweltgefahrdende Chemikalien genannt. Es sollte daher nicht in die Umwelt frei gesetzt werden.

Bewerten Sie folgende Aussage: Akkus

Allgemein giiltige Werte oder Beurtei-

sind besser als Batterien.

lungskriterien nutzen, um einen Sach-

verhalt daran zu messen. Es miissen gegebenenfalls mehrere Perspektiven

bedacht werden.

Diskutieren Sie den Sachverhalt.

Erkléren Sie die unterschiedlichen

Séurestarken von Essigsaure und

Trichloressigsaure..

Anschaffungspreises sind sie auf Dauer glinstiger.

und abwagen.

Zur Begriindung kommt hinzu, dass der Sachverhalt als Kette von Argumenten

Die hohere positive Ladung am C-Atom der Carbonyl-Gruppe erhéht den Elekt-

werden muss.

Die O-H-Bindung ist starker polarisiert,

verstandlich zum Ausdruck gebracht

Trichloressigsaure..

den Sachverhalt veranschaulichen.

Deuten Sie ...

kénnen als Batterien. Trotz des héheren

Die auxochromen Gruppen beeinflussen die Farbigkeit auf folgende Weise: .

Zur Begriindung oder Erklarung kom-

Interpretieren Sie den Zusammenhang.

héufiger wieder verwendet werden

Argumente einander gegeniiberstellen

Erlautern Sie die unterschiedlichen

Séurestirken von Essigsiure und

Akkus sind umweltfreundlicher, da sie

ronenzug des O-Atoms der OH-Gruppe.

ein Proton wird leichter abgespalten.

men weitere Informationen hinzu, die

Erkérungsméglichkeiten fiir Sachverhalte oder Zusammenhénge herausar-

beiten.

Eine Erklarung zur unterschiedlichen Lage von Aquivalenzpunkt und Neutralpunkt einer Titration wird vorgeschlagen.

Anweisung (Beispiel)

erwartete Leistung

Beispiel

Ordnen Sie die gegebenen Alkane nach

steigender Siedetemperatur.

Einzelaspekte werden nach bestimmten Kriterien eingeteilt.

Eine Reihenfolge der Alkane nach stei-

gender Siedetemperatur erstellen.

Nennen Sie alle Metalle, die Sie kennen.

Sachverhalte, Eigenschaften oder

Blei, Kupfer, Gold, ...

Planen/Entwickeln Sie ein Experiment, mit Sie die Konzentration einer Essigsäure bestimmen können, und führen

Aus Geräten eine Apparatur entwickeln, eine Durchführung notieren und einen Beobachtungsauftrag stellen.

Essigsäure mit unbekannter Konzentration wird mit Natronlauge als Maßlösung und Phenolphthalein als Indikator

Sie das geplante Experiment durch.

Protokollieren Sie den Versuch.

Begriffe aufzählen.

Das aufgebaute Experiment starten und

titriert. Aus V(Natronlauge) wird

Materialien, Durchfiihrung und Beob-

Materialien: Reagenzglas, Reagenzglasstander, Reagenzglashalter, Gasbrenner, Spatel, Wattebausch, Wasserbad, Thermometer; lod (GHS 7, 9. Durchfiihrung: Wir haben das Wasserbad auf etwa 50°C erwärmt. Dann haben wir mit dem Spatel einige lodkristalle in das Reagenzglas gegeben und es mit einem Wattebausch verschlossen. Das Reagenzglas wurde solange vorsichtig im Wasserbad erwarmt, bis sich violette Dampfe bildeten. Dann haben wir das Reagenzglas zum Abkihlen abgestellt. Beobachtungen: 1. Im Reagenzglasliegen blauschwarze Kristalle. 2. Beim Erwarmen bildet sich iber den Kristallen ein Violettes Gas, ohne dass das lod schmilzt...

die Beobachtungsaufträge ausführen. achtung unter Verwendung von Fachsprache notieren.

c(Essigsaure) berechnet.

bérchens ab.

Einen Naherungswert angeben und begriinden

Aus der Messung der Seitenlangen lasst sich das Volumen eines Gummibarchens

Skizzieren Sie den Aufbau des Versuchs.

Das Wesentliche eines Sachverhalts

Wasser wird stark

Schitzen Sie das Volumen des Gummi-

2u0,5 cm® abschatzen.

in einer Zeichnung oder einem Text

D

beschreiben

Stellen Sie eine Hypothese auf, mit welcher Stoffgruppe man Rotkohlsaft ver-

färben kann.

Eine Vermutung aufstellen, wie sich ein

bekannter Sachverhalt klären lässt. Eine Begründung zur Vermutung angeben.

erhitzt.

Rotkohlsaft sollte sich mit einer sauren Lösung umfärben lassen, da im Rotkohl

Anthocyanfarbstoffe enthalten sind.

Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf.

Ausgangsstoffe und Endstoffe mit einem 2 Ag* (aq) + Cu (s) — 2 Ag (s) + Cu? (aq);

Vergleichen Sie die Löslichkeit von Fest-

stoffen und Gasen in Wasser.

Gemeinsamkeiten oder Unterschiede von Sachverhalten erkennen.

Werten Sie die im Experiment erhaltenen Messwerte aus.

Daten oder Einzelergebnisse in einen Zusammenhang bringen. Daraus eine

Formulieren Sie ...

Gesamtaussage formulieren oder eine

Schlussfolgerung ziehen. Zeichnen Sie den Aufbau einer galvani-

Eine Skizze mit den wesentlichen Ele-

Zeichnen Sie ein FlieRdiagramm zur

Den fachlichen Inhalt in eine andere

Chlor-Alkali-Elektrolyse.

Darstellungsform bringen. Ein Diagramm anfertigen, die Achsen

schen Zelle.

Zeichnen Sie die Messwerte in ein Dia-

gramm.

ArH9,=- 174 kJ - mol™

Reaktionspfeil verbinden.

menten anfertigen und beschriften.

beschriften und die Messwerte eintra-

gen.

Die Loslichkeit vieler Feststoffe in Wassernimmt mit steigender Temperatur 2u, wahrend sie bei Gasen sinkt. Die Leitfahigkeit der sauren Losung nimmt proportional zur zugegeben Stoffmenge Hydroxid ab. Die OH™-lonen

reagieren mit den H30"-lonen zu Wasser.

Kathode

Übersicht

Blickwinkel der Chemie - Stoff- und Teilchenebene

In der Chemie geht es meist darum, Stoffe und ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften zu

beschreiben und zu erklären. Dabei wechselt man

häufig zwischen zwei Betrachtungsebenen - der

Stoffebene und der Teilchenebene.

Die Stoffebene beschreibt, was man

nen wahrnehmen

und

mit den Sin-

in einfachen

Experimen-

ten untersuchen kann. So ist Wasser eine Nichtmetallverbindung, die unter Normaldruck bei 0°C

schmilzt und bei 100 °C siedet (Abb. 1).

Viele Beobachtungen auf der Stoffebene lassen

kann und was eben nicht. Es gibt in der Chemie daher kein Modell fiir all das, was es zu erklaren gilt.

Chemische Formelsprache. Zur Teilchenebene gehort auch die chemische Formelsprache. Je nachdem, was man erklaren will, nutzt man unter-

schiedliche Modelle und Formeldarstellungen zur Darstellung der Teilchenebene (Abb. 1).

In Chemie heute Sl werden Stoff- und Teilchenebene klar abgegrenzt. Wenn die Stoffebene gemeint ist, ist der Name einer Substanzim Text aus-

sich auf der Teilchenebene erklären, Hierfür sind Kenntnisse über den Aufbau der Stoffe nötig. Da-

geschrieben. So steht die Bezeichnung Wasser fiir den Stoff Wasser. Formelsymbole im Text stellen

bei nutzt man verschiedene Anschauungsmodelle,

die Teilchenebene dar. Die Molekiilformel Cl, steht

um den Aufbau der Stoffe und das Reaktionsverhalten anschaulich zu erklären. Modelle und ihre Grenzen. Modelle sind verein-

damit nicht fiir den Stoff Chlor, sondern fiir ein Cly-

Molekiil. Um die Teilchenebene noch deutlicher zu machen, ist zusatzlich hinter dem Formelsymbol

noch die Art des Teilchens angegeben.

fachte Abbildungen der Wirklichkeit, die nur be-

stimmte Aspekte erklaren oder darstellen kénnen. Ein Modell ist daher nicht richtig oder falsch, son-

dern nur geeignet oder ungeeignet, um eine bestimmte Fragestellung zu erklaren. Jedes Modell hat seine Grenzen, in denen es seine Funktion gut

erfiillt. AuBerhalb dieser Grenzen versagt es. Man muss daher genau wissen, was ein Modell zeigen Stoffebene

Wasser ... st eine Verbindung, die durch

isteine Nichtmetallverbindung,

* ist bei Raumtemperatur fliissig, * siedet bei 100°C, ®

leitet den elektrischen Strom praktisch nicht,

Bausteine der Stoffe

Bausteine der Atome

Wasser-Molekiile ...

Das Sauerstoff-Isotop '30 ...

*_

*

haben die Molekülformel H2O0.

Ein Molekül besteht aus zwei H-Atomen und einem O-Atom. *_

haben einen gewinkelten Bau. Vom O-Atom geht jedes der zwei ungepaarten Elektronen eine

Elektronenpaarbindung ein.

* sind Dipol-Moleküle. Die O-H-

hat acht Protonen und acht Neutronen im Atomkern und

acht Elektronen in der Atomhülle. Davon sind zwei Elektronen in der ersten und sechs in der zweiten Energiestufe

(Energiestufenmodell).

Bindung ist eine polare Elektronenpaarbindung.

Energiestufe

*_ kann viele Salze lösen.

det: Glucose-Molekiil, Fructose-Molekiil. Teilchenebene II:

Sauerstoff hergestellt werden *

tose stehen. In solchen Féllen wird der Name des Teilchens anstelle der chemischen Formel verwen-

Teilchenebene I:

Reaktion von Wasserstoff mit kann,

Diese Differenzierung stoft jedoch an Grenzen, wenn die Formelschreibweise nicht eindeutig ist. So kann die Formel CgH;,06 fir die Molekiile verschiedener Kohlenhydrate wie Glucose und Fruc-

1 Die chemischen Betrachtungsebenen am Beispiel von Wasser

10

Stoff-und Teilchenebene

Methode

Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg

L

e

entspricht

der Erwartung

1 Von der Beobachtung zur Erkenntnis Eine Beobachtung in der Umgebung oder wahrend der Durchfiihrung eines Experiments führt manchmal zu einer Frage, die nicht einfach beant-

wortet werden kann. Es gibt vielleicht eine Idee fiir die richtige Antwort, jedoch fehlt die Gewissheit.

Zur Beantwortung solcher Fragen oder Probleme

nutzen Forscher den naturwissenschaftlichen Er-

kenntnisweg. Mithilfe dieser bestimmten Schrittfolge (Abb. 1) werden in den Naturwissenschaften

oftmals neue Erkenntnisse gewonnen.

Ist die Beobachtung reproduzierbar und lassen sich mit ahnlichen Stoffen ahnliche Beobachtungen machen, ergibt sich eine RegelméaRigkeit. Zur Erklarung der RegelmaRigkeit wird eine Hypothese aufgestellt. Das Aufstellen von Hypothesen ist ein kreativer Prozess, in dem neue Ideen mit be-

kannten Erfahrungen zusammengefiihrt werden.

So werden Vermutungen (ber die Ursachen der RegelmaRigkeiten mit bereits vorhandenem Fachwissen begriindet. Die Hypothese wird in der Regel mit einem Experiment tiberpriift. Aus der Hypothese ergibt sich eine Losungserwartung, was bei dem Experiment zu beobachten sein sollte. Das Experiment wird dann

so geplant, dass die Lésungserwartung tiberpriift werden

kann. Dabei ist zu beachten, dass immer

nur eine GréRe im Experiment verandert wird und ihr Einfluss auf das Versuchsergebnis bestimmt wird. Willman mehrere GroRen untersuchen, miissen mehrere unabhangige Experimente geplant

werden.

Entspricht die Versuchsbeobachtung der Erwartung, hat das Experiment die Hypothese bestdtigt. Das Problem ist geldst und wir sind auf dem Weg der Erkenntnis einen Schritt weitergekommen. Istdas Ergebnis unerwartet, liegt vielleicht ein Feh-

ler in der Durchfiihrung vor. Dann muss die Durchfiihrung iberpriift werden. Das Experiment wird

eventuell etwas abgeéndert und erneut durchge-

fiihrt. Ist in der Durchfiihrung jedoch alles richtig abgelaufen, stellt sich die Hypothese als falsch heraus. Die Hypothese und ihre Begriindung miissen abgedndert werden. Mit der neuen Hypothese wird eine neue Lésungserwartung formuliert. Mit einem passend geplanten Experiment wird diese neue Hypothese tberpriift. Diese Schrittfolge wird so oft durchlaufen, bis eine formulierte Hypothese als richtig bestatigt wird.

Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg.

1

Rückblick in die Sekundarstufe I Nachfolgend sind wesentliche Inhalte aus dem Chemie-

unterricht der Sekundarstufe | aufgeführt. Themen wie die metallische Bindung oder ein Überblick über die in der Klasse 11 behandelten Stoffklassen organischer Verbindungen

sind

hier nicht zu finden, sondern

- konstante Massenverhdiltnisse:

Edukte reagieren mit-

einanderin einem bestimmten Massenverhaltnis. Die Produkte enthalten die Atomsorten in einem konstanten Atomanzahlverhaltnis.

auf

eigenständigen Seiten in den Buchkapiteln.

2.2

Reaktionsgleichung

Elementsymbol

1 Stoffe 1.1 Einteilung von Stoffen Als Stoffe (Materialien) bezeichnet man all das, was man im Prinzip anfassen oder in ein Gefäß bringen kann. Eine

Stoffportion ist eine bestimmte Menge eines Stoffes, die eine bestimmte Masse hat und einen bestimmten Raum einnimmt. Stoffe lassen sich wie folgt einteilen:

4Al(s) Faktor

+

30,(g)

—

Verhaltnisformel

Energieumsatz

2AL0s(s);

exotherm

Aggregatzustand

Anzahl Atome im Molekiil

- Kurzbeschreibung einer chemischen Reaktion

- Aggregatzustande: s (engl. solid): fest;

L (engl. liquid): fliissig; g (engl. gaseous): gasformig; aq (engl. aqueous): in Wasser gelost. - Energieumsatz: exotherm oder endotherm. 2.3

Reaktionsbedingungen

— Der Verlauf chemischer Reaktionen wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst.

- Eine Temperaturerhéhung macht viele Reaktionen erst moglich; chemische Reaktionen verlaufen bei

Verbindungen

Elemente

.2 Chemische Formeln - Beivielen nichtmetallischen Elementen und bei Verbindungen der Nichtmetalle untereinander liegen Molekiile vor. Molekiile sind Teilchen, die aus zwei

oder mehr Atomen bestehen.

Molekiilformeln geben die Art und die genaue Anzahl

der Atome in einem Molekiil an. Beispiele:

13, Sg, H;0,, CO,

- InMetallen bilden die Atome ein Metallgitter. Die Formel der Metalle entspricht dem Atomsymbol. Beispiele:

hoherer Temperatur schneller.

- Eine Erhohung der Konzentration der Reaktionspartner beschleunigt die Reaktion. - Eine Reaktion lauft bei groRerem Zerteilungsgrad der Reaktionspartner schneller ab. 2.4

Energiediagramm einer exothermen Reaktion

Energie

aktivierter Zustand ohne Katalysator

aktivierter Zustand mit Katalysator

Fe,Au,Ag

——— Endstoffe

- Metall-Nichtmetall-Verbindungen (salzartige Verbindungen) bestehen aus lonen, sind also lonenverbin-

dungen. Die lonen bilden ein lonengitter. Man gibt das Anzahlverhiltnis der lonen durch Verhaltnisformeln an. Verhaltnisformeln beschreiben die kleinste gedachte Gruppe von lonen.

Beispiele: (Na'Br), ((Mg%)(Cl),)

2 Chemische Reaktionen 2.1 Kennzeichen chemischer Reaktionen - Stoffumwandlung: Beichemischen Reaktionen

entstehen neue Stoffe.

- Energieumsatz:

Chemische Reaktionen verlaufen

exotherm oder endotherm.

- Massenerhaltung:

Die Masse der Produkte ist gleich

der Masse der Edukte.

12

Riickblick in die Sekundarstufe |

Reaktionsweg

Fiir viele chemische Reaktionen benétigt man Aktivie-

rungsenergie, um die Reaktion zu starten. Katalysatoren verringern die Aktivierungsenergie. Sie liegen nach der Reaktion wieder unverandert vor.

3 Stoffmengen und Teilchenzahlen 3.1 Stoffmenge und Mol — Das Mol ist die Einheit der Stoffmenge n. Eine Stoffportion hat die Stoffmenge n=1mol, wennsie6 - 105

Beispiel:

Synthese von Wasserdampf

2Hy(g) + Oz(g) = 2H0(g)

Teilchen (Atome, Molekille, lonengruppen) enthalt. — Mit der Avogadro-Konstanten N, lassen sich Stoffmengen und Teilchenanzahl Nineinander umrechnen:

Ny =2N = 6-10%

Einheit: mol” oder ——

3.2 Molare Masse

- Die molare Masse ist der Quotient aus der Masse und der Stoffmenge einer Stoffportion:

M

m,

Einheit: g-mol™ odermol-

— Die molare Masse einer Verbindung erhält man

durch Addition der molaren Massen der Elemente.

3.3 Volumenverhältnisse bei Gasreaktionen

— Gasförmige Stoffe enthalten bei gleichem Volumen, gleichem Druck und gleicher Temperatur gleich viele

Teilchen. — Gase reagieren stets in ganzzahligen Volumenverhältnissen miteinander.

V(Hy):V(0,): V(H0)=2:1:2

3.4 Molares Volumen -~ Das

molare

Volumen

ist

der

Quotient

aus

dem

Volumen und der Stoffmenge einer Stoffportion:

V=Y, mOn

Einheit: I-mol” oder -mol

— Bei Raumtemperatur und Normdruck hat das molare

Volumen den Wert:

Vm(25°C, 1000 hPa) = 241+mol”

3.5 Stöchiometrisches Rechnen Auf der Grundlage chemischer Gleichungen lassen sich die Stoffmengen n, die Massenm und die Volumina V der an einer Reaktion beteiligten Stoffe berechnen. Dabei kann man nach folgendem Schema vorgehen:

Beispiel: Kupferoxid reagiert mit Kohlenstoff zu Kupfer und Kohlenstoffdioxid. Bestimme die Masse an Kupfer-

oxid und Kupfer sowie das Volumen an entstehendem

Kohlenstoffdioxid, wenn 2,4 g Kohlenstoff reagieren.

1. Gegebene Werte und gesuchte GroRen festhalten; die molaren Massen der gegebenen und gesuchten Stoffe ermitteln.

Tz gegeben:m (Kohlenstoff) =2,4 g; Vi =24 m%l

2. Reaktionsgleichung aufstellen.

2 2CuO (s)+C(s)

3. Die Stoffmenge des gegebenen Stoffes bestimmen.

Dazu die Größengleichung aufstellen

und nach der gesuchten Größe umstellen.

4. Stoffmengen der gesuchten Stoffe bestimmen. Dabei das Stoffmengenverhaltnis aus der Reaktionsgleichung ableiten.

5. Gesuchte GroRen berechnen.

M(Cu0)=80-5;

M(C)=12-%;

gesucht: m (Kupferoxid); m (Kupfer); V (Kohlenstoffdioxid)

3. n(C)

=

= 2Cu(s)+CO,(g)

m (Kohlenstoff) _ 2,4g _

M{E

z

(€

1255

=0,2 mol

4. n(Cu0)=2n(C)=2-0,2mol=0,4 mol n(Cu)=2n(C)=2-0,2mol=0,4 mol n(CO,)=n(C)=0,2mol

& m (Kupferoxid) =n (CuO) - M (CuO)

=0,4mol - 80& =32g

m (Kupfer)=n (Cu) - M (Cu) =0,4 mol - 64& =25,6 g V(Kohlenstoffdioxid) = n (CO2) - Vm

=0,2mol - 24--=4,81

6. Antwortsatz formulieren.

6. Die Masse an Kupferoxid betragt 32 g, die an Kupfer 25,6 g. Das Volumen an Kohlenstoffdioxid betragt 4,8 1.

Riickblick in die Sekundarstufel

13

4 Atome 4.1

Atommasse

— Die Masse von Atomen wird in der atomaren Massen-

einheit1 u angegeben. — Für die Umrechnung in die Masseneinheit 1 u gilt:

1U

1,66-10%g,

— Für die Umrechnung in die Masseneinheit 1 Gramm

gilt: 1g = 6:10%u.

4.2 Atombau nach dem Schalenmodell - Atome bestehen aus Atomkern und Atomhiille

(Kern-Hiille-Modell).

- Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen,

den Nukleonen.

- Ein Protonen tragt eine positive Elementarladung, ein Neutron ist ungeladen.

~ Protonen und Neutronen haben die Masse 1 u.

— Die Ordnungszahl der Elemente stimmt mit der Protonenzahl (Kernladungszahl) tiberein. — Isotope sind Atome eines Elements, die sich in der

Neutronenzahl unterscheiden.

H

Wasserstoff

7H oder ;D

4.3

Energiestufenmodell

~ Zum Herausldsen eines Elektrons aus der

Atombhiille wird Energie bendtigt. Sie wird lonisierungsenergie genannt. Zuriick bleibt ein positiv geladenes Kation.

- Fur jedes weitere Elektron, das aus dem Kation

herausgel6st werden soll, nimmt die lonisie-

rungsenergie aufgrund der zunehmenden La-

dung des Kations weiter zu. - Stellenweise steigt die lonisierungsenergie sprunghaft an. Beispielsweise benétigt man im Na-Atom fiir die lonisierung des zweiten und

des zehnten Elektrons wesentlich mehr Energie. Die Atomhiille wird daher in Energiestufen gegliedert (Energiestufenmodell). Je néher die

Schale am Kern ist, desto groRer wird die Energie, die bendtigt wird, um eine Elektron aus

dem Atom zu entfernen.

- Die Energiestufen entsprechen den Schalen im

Schalenmodell.

2H oder2T

Deuterium

Tritium

- Die Atomhiille (Elektronenhiille) ist ein nahezu leerer

Raum. In ihr befinden sich Elektronen. — Ein Elektron tragt eine negative Elementarladung. - Ein Elektron hat die Masse 0,0005 u.

- Die Atomhiille stellt man sich rdumlich in Schalen unterteilt vor (Schalenmodell). - Die Elektronenschalen werden von innen nach aufen mit K, L, M, N, O, Pund Q bezeichnet.

- Die K-Schale (n=1) nimmt maximal 2 Elektronen auf, die L-Schale (n=2) 8 Elektronen und die M-Schale (n=3) 18 Elektronen; Berechnung: Z=2 n* — Die Elektronen der äußeren Schale heißen Außenelektronen oder Valenzelektronen; sie bestimmen maßgeblich das chemische Verhalten der Elemente. — Darstellung des Na-Atoms im Schalenmodell.

4

Natrium-Atom (Na): Atomkern

Atomhiille K-Schale: 2 e7 L-Schale:8 e” M-Schale: 1e~

14

Riickblick in die Sekundarstufe |

4.4 Periodensystem der Elemente - Im Periodensystem der Elemente sind Informationen

zum Aufbau der Atome eines Elements enthalten. Beispiel:

Sauerstoff-Atom

- Die Ordnungszahl gibt die Zahl der Protonen an. Die

Atomarten (Elemente) sind im Periodensystem nach steigender Protonenzahl geordnet.

- Die Massenzahl gibt die Masse eines Atoms in u an. - Die Neutronenzahl berechnet sich aus der Massenzahl minus der Ordnungszahl. - Das Elementsymbol steht fiir den Namen des Elements. - Im ungeladenen Atom ist die Anzahl der Protonen

und der Elektronen gleich.

— Elemente einer Gruppe stehen untereinander. Insgesamt gibt es acht Hauptgruppen.

— Die Gruppennummer gibt die Anzahl der Außenelektronen im ungeladenen Atom an. Die Hauptgruppen

werden mit den rémischen Ziffern | (Alkalimetalle) bis

VIil (Edelgase) gekennzeichnet.

- Elemente einer Periode stehen nebeneinander. Die

Periodennummer gibt die Zahl der Elektronenscha-

len an. Sie wird mit den Zahlen 1 bis 7 bezeichnet. - Der Platz eines jeden Elements ist durch seine Grup-

pe und seine Periode eindeutig festgelegt. - Metalle stehen im Periodensystem links und unten,

Nichtmetalle stehen rechts und oben.

- Mithilfe des Periodensystems |asst sich vorhersagen, ob bei der Reaktion ein Salz beziehungsweise eine salzartige Verbindung oder eine Molekiilverbindung entsteht. Es gilt:

Metall + Nichtmetall — Salz Nichtmetall |

I

+ Nichtmetall u

V

— V

Molekiilverbindung vi

VL

v

- leiten in Wasser gel6st oder als Schmelze den elektrischen Strom,

- sind als kristalline Feststoffe elektrische Nichtleiter (Isolatoren).

Diese Eigenschaften lassen sich mit der Struktur von

Salzkristallen erklaren: In den Kristallen salzartiger Stoffe bilden die lonen eine méglichst dichte Packung, wobei die verschiedenartig geladenen lonen abwech-

selnd bestimmte Platze besetzen. Sie bilden ein raumliches fonengitter. Die lonen in einem Kristall werden durch die lonenbindung zusammengehalten. Den Aufbau von lonenverbindungen stellt man in unter-

schiedlichen Modellen dar:

-

-

Sollen lediglich die Positionen der lonen im Kristall gezeigt werden, so verwendet man ein Raumgitter-

modell.

Das Kugelpackungsmodell gibt die Radienverhaltnisse der lonen wieder und zeigt, wie die lonen den

Raum ausfiillen. Beispiel: (Na*Cl)-Gitter

Raumgittermodell

Kugelpackungsmodell

5.3 Bildung von lonen aus Atomen - lonen der Hauptgruppenelemente haben wie Edelgas-Atome eine vollbesetzte AuBenschale (Edelgas-

konfiguration).

5

lonen

5.1

lonen

- lonensind elektrisch geladene Teilchen. Metall-Atome bilden positiv geladene Kationen, Nichtmetall-Atome

bildennegativgeladeneAnionen, Ausnahme:H-Atome.

Beispiele: Na*-lonen, Ca?*-lonen, Cl™-lonen, $*-lonen lonen sind die Bausteine der Salze. Salze und salzartige Stoffe sind lonenverbindungen.

5.2 Eigenschaften und Aufbau von Salzen Salze und salzartige Stoffe: - sind hart und spréde; die Kristalle zerbrechen meist in Bruchstiicke mit gleicher Kristallform,

- besitzen meistens eine hohe Schmelztemperatur und eine hohe Siedetemperatur, - sind oft gut in Wasser [6slich,

— Welche lonen sich aus Atomen bilden, lasst sich mit

der Edelgasregel bestimmen: Die Atome geben Elektronen ab oder nehmen Elektronen auf, bis sie die

Konfiguration des nachststehenden Edelgas-Atoms

erreichen.

Na'-lon

F™-lon

Edelgaskonfiguration

des Neon-Atoms

Bei den Elementen der I. bis IIl. Hauptgruppe stimmt die Ladungszahl der Kationen mit der Gruppen-

nummer {iberein. Fiir die Elemente der V. bis VII.

Hauptgruppe erhalt man die Ladungszahl der Anionen, indem man die jeweilige Gruppennummer

von der Zahl acht abzieht. Ausnahme: 1. Periode.

Riickblick in die Sekundarstufel

15

— Die Bildung von lonen kann in der Elektronenschreibweise dargestellt werden. Die Punkte symbo-

lisieren dabei die AuRenelektronen.

Beispiel: sMgs > Mg*+ 2

— Beider Reaktion der Metalle der I. bis Ill. Hauptgruppe mit Nichtmetallen der V. bis VII. Hauptgruppe bilden sich durch Elektroneniibertragung lonenverbindungen. Das Anzahlverhéltnis der lonen und die Verhaltnisformel ergeben sich nach dem Prinzip

der Elektroneutralitdt.

5.4

-

Elektrolyse

Die lonen eines Salzes oder salzartigen Stoffes sind in wassriger Losung oder in der Schmelze frei beweglich. Wird Uber zwei Elektroden eine Spannung angelegt, wandern die positiv geladenen Kationen zum Minuspol (Kathode) und die negativ geladenen Anionen zum Pluspol (Anode).

-

—

Anden Elektroden scheiden sich dann Stoffe ab.

Die Kationen nehmen am Minuspol Elektronen auf,

die Anionen geben am Pluspol Elektronen ab. Eine Elektrolyse ist eine durch elektrische Energie erzwungene chemische Reaktion. Beispiel: Elektrolyse von Zinkbromidlosung

—

Minuspol (Kathode):

Zn*(aq)

+ 2e” -

Zn(s)

Pluspol (Anode): 2 Br~(aq) > Bry(aq) + 2¢”

Gesamtreaktion: Zn*(aq) + 2Br (aq) — Zn(s) + Bry(aq);

Elektronenpaarbindung

- Molekiile bestehen aus Nichtmetall-Atomen, die durch gemeinsame, bindende Elektronenpaare in

einer Elektronenpaarbindung miteinander verbun-

densind.

- Edelgas-Atome haben, bis auf Helium, acht Elektro-

nen in ihrer AuBenschale. Sie sind energeitsch stabil und gehen keine Bindung ein. Dies bezeichnet man als Edelgaskonfiguration. Durch Elektronenpaarbindungen erreichen Nichtmetall-Atome in Molekiilen die Edelgaskonfiguration. Die bindenden Elektronenpaare zéhlen zu jedem Bindungspartner.

Beispiele: G@ 8@ a

— H-Atome haben in Verbindungen zwei Elektronen und erreichen so die Edelgaskonfiguration des nachfolgenden Edelgases Helium. — Mit der Edelgasregel lassen sich Formeln von Molekülen ableiten, die Regel erklärt nicht, warum sich

die Bindung bildet.

16

Riickblick in die Sekundarstufe |

- In Strukturformeln werden bindende und nichtbindende (freie) Elektronenpaare in Molekiilen durch

Striche gekennzeichnet. Einzelne Elektronen werden als Punkt dargestellt. - Firdasbindende Elektronenpaar einer Einfachbindungen wird ein Strich zwischen die verbundenen Atome gezeichnet. Mehrfachbindungen werden durch mehrere Striche zwischen den Atomen symbolisiert. Beispiele:

He

o o

=0 =0

H| H—C—H | H

H H

N c=(

£

H N

H

- Mit dem Elektronenpaarabstoungsmodell lasst

sich die raumliche Struktur von Molekiilen aus der Strukturformel herleiten. Sind die Atome im Molekil

von vier Elektronenpaaren umgeben, ergibt sich eine Tetraedergeometrie. - Mehrfachbindungen werden bei der Abstoßung der Elektronenpaare wie Einfachbindungen behandelt. - Freie Elektronenpaare wie beim N-Atom oder O-Atom

nehmen mehr Raum ein als bindende Elektronen-

paare. Die Geometrie des Tetraeders wird verzerrt. - Inder Keil-Strich-Formel und dem Kugel-Stab-Modell wird die raumliche Orientierung der Molekiile

deutlich.

endotherm

6 Molekiile 6.1

6.2 Molekiildarstellungen

/O\

H/

|

J

\H

Strukturformel

105°

H

Keil-Strich-Formel

105

.

D

Kugel-Stab-Modell

7 Zwischenmolekulare Kräfte 7.1 Van-der-Waals-Wechselwirkungen — In allen Molekülen entstehen durch zufällige Elektronenverschiebungen temporäre Dipole. Diese induzieren in Nachbar-Molekiilen weitere Dipole. Die Dipole ziehen sich gegenseitig an. Zwischen den Molekiilen wirken schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen. - Die Van-der-Waals-Wechselwirkungen nehmen mit

wachsender Elektronenzahl in Molekiilen zu.

7.2 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen - Unterscheiden sich die Bindungspartner einer Elektronenpaarbindung in ihrer Elektronegativitat, ziehen sie das bindende Elektronenpaar unterschiedlich stark an. Es entsteht ein permanenter Dipol. Das elektronegativere Atom weist einen Uberschuss an nega-

tiver Ladung (5-) auf, das andere einen Überschuss an positiver Ladung (5+). — Elektronenpaarbindungen zwischen gleichartigen Atomen sind unpolar. — Die Dipole der einzelnen polaren Bindungen im Mole-

kül addieren sich:

Dipol-Molekül:

5

st 0, s,

kein

i ül: Dipol-Molekiil: Dipol-Molekül:

5

5

Wasser

Halogenwasserstoff

Halogenid-lon

—

- Die Dipole ziehen sich gegenseitig an. Zwischen den Molekiilen wirken Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. 7.3 Wasserstoffbriicken (H-Briicken) ~ Voraussetzung fiir eine H-Briicke ist ein Molekiil mit einer polaren Elektronenpaarbindung zu einem

H-Atom. Am Nachbar-Molekiil muss ein freies Elekt-

ronenpaar an einem stark elektronegativen O-Atom,

—

Séurerest-lon

paarbindungen.

~ Ein H,0-Molekl bildet in einer tetraedrischen Anordnunginsgesamt vier O-H -+ O-Briicken aus.

Elektronenpaarbindung Ose — Ein NH3-Molekül oder ein HF-Molekiil bildet jeweils

nur zwei H-Briicken aus

8 Saure und alkalische Losungen 8.1

Séure-Base-Definition nach Brensted

- Brensted-Sauren sind Teilchen, die Protonen

abgeben (Protonendonatoren).

- Brensted-Basen sind Teilchen, die Protonen

aufnehmen (Protonenakzeptoren). - Saure-Base-Reaktionen sind Protonenlibertragungsreaktionen.

8.2 Saure Lésungen - Saure Losungen sind wassrige Lésungen, die hydratisierte Wasserstoff-lonen (H*(aq)) oder gleichbedeu-

+ Hz0"-lon

S_

saure Lösung

8.3 Alkalische Lösungen — Alkalische Lösungen sind wässrige Lösungen, die Hydroxid-lonen (OH” (aq)) enthalten. - Bildung alkalischer Lésungen: Metallhydroxid

Metalloxid

5

Metall-lonen

e

+ Wasser —

+ OH™lonen

e

alkalische Losung

Metall-lonen + OH™-lonen

N-Atom oder F-Atom vorhanden sein. Zwischen dem

positiv teilgeladenen H-Atom und dem freien Elektronenpaar bildet sich die H-Briicke aus. - H-Briicken sind starker als Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, jedoch schwacher als Elektronen-

saure Losung

Nichtmetalloxid + Wasser —

&

0=C=0 ) 0=C=0,

+ H3;0*lon

alkalische Losung Alkalimetall/Erdalkalimetall

+ Wasser

—

Metall-lonen + OH™-lonen + Wasserstoff

-~

-

alkalische Losung

8.4 pH-Wert und Indikatoren — Der pH-Wert gibt an, wie stark sauer oder alkalisch

eine Losungist. Erist ein MaB fiir die Konzentration an Hydronium-lonen oder Hydroxid-lonen. - Die pH-Skala reicht von pH =0 bis pH = 14. Bei pH=7 liegt eine neutrale Losung vor. Saure Lésungen haben einen pH-Wert < 7, alkalische Losungen haben einen pH-Wert>7. - Mit Indikatoren lassen sich saure, neutrale und alkalische Lésungen unterscheiden, da sie bei verschie-

denen pH-Werten unterschiedliche Farben haben:

o ][

starksauer

schwachsaver

e[ ]

neutral schwachalkalisch starkalkalisch

8.5 Neutralisation

- Gibt man eine saure und eine alkalische Losung zusammen, bildet sich eine Salzlosung.

- Die in der sauren

Lésung

enthaltenen

H;0*-lonen

und die OH™-lonen der alkalischen Losung reagieren

zu H,0-Molekiilen. Die Reaktion bezeichnet man als Neutralisation.

H50*(aq) + OH™(ag) — 2H,0(l);

exotherm

- Das Saurerest-lon aus der sauren Lésung und das Me-

tall-lon aus der alkalischen Losung sind an der Reak-

tion nicht beteiligt. Sie liegen unveréndert in der Salzlösung vor.

tend Hydronium-lonen (H;0* (aq)) enthalten.

- Bildung saurer Lésungen:

Rückblick in die Sekundarstufe |

17

8.6 Titration

— Die Titration ist eine Methode zur Ermittlung der Stoffmengenkonzentration. — Zu einem bestimmten Volumen an Probelösung wird ein Indikator gegeben. Eine Maßlösung genau bekannter Konzentration wird zur Probe gegeben, bis die Farbe des Indikators umschlägt. — An diesem Punkt gilt: n (H3O*) und n (OH”) — Aus dem Volumen der verbrauchten Maßlösung wird die Stoffmengenkonzentration der unbekannten Lösung ermittelt.

c(Maßlösung) - V(Maßlösung) —— Probe) —

c(Probe)

duktion eine Aufnahme von Elektronen und die Redoxreaktion eine Elektronenübertragungsreaktion. Beispiele:

Zn > Zn 4 2e Cu*+2e

Das

O*-lon

-

bleibt dabei

wird nicht reduziert oder oxidiert. Beispiel:

culs)

an(aqh

unverandert,

Oxidation: Reduktion:

Fe+0% - Fe®0¥+ 2¢ Cu0*+ 2¢€ - Cu+0*

Redoxreaktion:

Fe(s)

+ CuO(s)

—FeO(s)

es

K

K"

Na

Mg

Na* Mg® A

Al

Zn

Fe

Pb

+ Cu(s)

Cu

Ag

Hg

edel

Au

tel. Sie geben leicht Elektronen ab, sind also Elektro-

nendonatoren. Die Atome werden dabei oxidiert.

- Kationen edler Metalle sind gute Oxidationsmittel. Sie nehmen leicht Elektronen auf, sind also Elektronenakzeptoren. Dabei werden die Kationen selbst

Riickblick in die Sekundarstufe |

Beobachtung:

Wenn die Probe ruhig abbrennt, enthalt

sie reinen Wasserstoff. Enthalt sie noch Sauerstoff oder

Es bildet sich ein weiBer Niederschlag.

Ca*(aq) + CO,(g) + 20H (ag) — CaCOs(s) + H,0(l) 10.5 Alkalimetalle, Erdalkalimetalle Nachweis durch Flammenfarbung. Beobachtungen:

Lithium:

rote Flamme

Natrium:

gelbe Flamme

blassviolette Flamme ziegelrote Flamme

Strontium: rote Flamme

— Die Atome unedler Metalle sind gute Reduktionsmit-

18

Die Gasprobe wird entziindet (Knallgasprobe).

Calcium:

zn®* Fe® pb? Cu? Ag* Hg?* Au®

reduziert.

10.3 Wasserstoff (H,-Molekiile) Eine Gasprobe wird in einem Reagenzglas aufgefangen.

Kalium:

9.2 Redoxreihe der Metalle unedel

Der Holzspan flammt auf.

Reaktionsgleichung:

Auch Sauerstoffiibertragungsreaktionen lassen sich in das Konzept der Elektronenlibertragungsreaktionen einordnen.

10.2 Sauerstoff (0,-Molekiile) Eine Gasprobe wird in einem Reagenzglas aufgefangen. Indas Reagenzglas wird ein glimmender Holzspan ge-

Beobachtung:

—> Cu

Zn{(s) + Cuz‘(aq]

Redoxreaktion:

CuSO,(s) + 5H,0(l) = CuSO,-5H,0(s)

Eine Kalkwasserlosung wird frisch angesetzt. Die Gasprobe wird in die frische Kalkwasserlosung eingeleitet.

2Mg(s) + O,(g) — 2MgO(s)

Reduktion:

Einige Tropfen der zu untersuchenden Fliissigkeit werden zu wasserfreiem Kupfersulfat gegeben. Beobachtung: Das weile Salz wird blau. Reaktionsgleichung:

10.4 Kohlenstoffdioxid (CO,-Molekiile)

O2+ 4e7 —> 207

Oxidation:

Wasser (H,0-Molekiile)

Luft, verbrennt sie mit einem pfeifenden Gerausch.

Mg —> Mg?*+ 2e7

Redoxreaktion:

10.1

Beobachtung:

9.1 Elektronenübertragungsreaktionen Die Oxidation ist eine Abgabe von Elektronen, die Re-

Reduktion:

Nachweisreaktionen

halten (Glimmspanprobe).

9 Redoxreaktionen

Oxidation:

10

Barium: griine Flamme

10.6 Chlorid-lonen (Cl'), Bromid-lonen (Br’), lodid-lonen (I7) Zur Probenlosung wird etwas verdiinnte Salpetersaure und verdiinnte Silbernitratlosung gegeben. Beobachtung: Weifer Niederschlag bei CI™-lonen, blassgelber Niederschlag bei Br-lonen, gelblicher Niederschlag bei I™-lonen. Reaktionsgleichungen:

Ag*(aq) + Cl'(aq) — AgCl(s) Ag'(aq) + Br(ag) —> AgBr(s)

Ag'(aq) + I"(aq) — Agl(s)

11

Organische Verbindungen

11.1 Alkane Alkane sind Kohlenwasserstoffe. In den Molekiilen sind

nur C-Atome und H-Atome gebunden. Im einfachsten Alkan-Molekiil ist ein zentrales C-Atom von vier H-Atomen tetraedrisch umgegeben. Bei den weiteren Alkanen der homologen Reihe verbinden sich die C-Atome zu einer Kette. Die allgemeine Molekiilformel lautet: CyHansz.

— Isomere der Alkane treten ab Butan auf. Sie haben

dieselbe Molekiilformel, unterscheiden sich aber in

ihrer Struktur. Die Kette der C-Atome ist verzweigt. - Alkane sind hydrophob, da sie eine Molekiilstruktur mit unpolaren Elektronenpaarbindungen aufweisen. - Die Alkane von Methan bis Butan sind gasférmig. Pentan ist fliissig. Langkettige Alkane werden zunehmend zahfliissig. Ab Heptadecan sind Alkane fest. Dies liegt an den schwachen Van-der-Waals-Wechselwirkungen,

die mit steigender Kettenldnge zunehmen.

11.2 Nomenklatur

Die Benennung organischer Verbindungen erfolgt nach den IUPAC-Regeln. Beispiel: CH3

H3C—CHz—C H—é—cr—a3 H3C—CHz—CH2

CH3

— Die längste Kette aus C-Atomen besteht aus sechs C-Atomen. Der Stammname lautet Hexan. - Die Hauptkette wird so durchnummeriert, dass die

Verzweigungsstellen zu den Seitenketten moglichst

kleine Zahlen bekommen. - Es gibt zwei Seitenketten mit einem C-Atom. Sie

befinden sich beide an C-Atom 2 der Hauptkette. Sie werden mit 2,2-Dimethyl benannt.

— Die Seitenkette mit zwei C-Atomen verzweigt an C-Atom 3 der Hauptkette. Sie heilt 3-Ethyl. - Zusammengefasst bekommt die Verbindung den Namen 3-Ethyl-2,2-dimethyl-hexan. 11.3 Alkene, Alkine Alkene und Alkine sind ungesattigte Kohlenwasserstof-

fe. Alkene mit einer Doppelbindung haben die allgemei-

ne Molekiilformel CyH,,. Alkine mit einer Dreifachbindungen haben die allgemeine Molekiilformel C;Hyn5.

~ Alkene und Alkine kénnen in einer Additionsreaktion andere Molekiile wie beispielsweise Br,-Molekiile an

die Mehrfachbindung anlagern. - Die Molekiilteile an den Enden der Mehrfachbin-

dung kénnen nicht gegeneinander verdreht werden. Man unterscheidet mit der cis-/trans-lsomerie ob die

Molekiilteile auf der gleichen oder der entgegengesetzten Seite einer Mehrfachbindung liegen.

11.4 Alkohole In Alkohol-Molekiilen (Alkanolen)

ist mindestens ein

H-Atom eines Alkan-Molekiils durch eine OH-Gruppe ersetzt. Die allgemeine Molekiilformel eines Alkanols mit einer OH-Gruppe lautet C,Hz,,OH. Ist das C-Atom, an das die OH-Gruppe gebunden ist, mit einem weiteren C-Atom verbunden, handelt es sich um einen primdren Alkohol. Ist es mit zwei weiteren C-Atomen verbunden, spricht man von einem sekunddren Alkohol, bei drei weiteren C-Atomen von einem tertidrem Alkohol.

- Die Alkohole weisen wesentlich héhere Schmelztem-

peraturen und Siedetemperaturen als die entsprechenden Alkane auf. Dies liegt an den H-Briicken, die

sich zwischen den Alkohol-Molekiilen ausbilden.

- Mehrwertige Alkohole mit mehreren OH-Gruppen zeigen noch héhere Schmelztemperaturen und Siedetemperaturen. Die zwischenmolekularen Wechselwirkungen nehmen mit jeder weiteren H-Briicken zu. 11.5 Aldehyde, Ketone

Aldehyde (Alkanale) und Ketone tragen als funktionelle

Gruppe in ihren Molekilen die Carbonyl-Gruppe C=0. Aldehyde bilden sich durch Oxidation primérer Alkohole und zeigen die Aldehyd-Gruppe -CHO am Ende einer C-Kette. Ketone bilden sich bei der Oxidation sekundarerAlkohole. Kurzkettige Aldehyde und Ketone l6sen sich in Wasser. Die Carbonyl-Gruppen dieser Molekiile kénnen H-Briicken mit H,0-Molekiilen ausbilden.

11.6 Carbonsduren

Carbonsauren sind organische Sauren. Sie entstehen durch Oxidation von Aldehyden. Die funktionelle Gruppe ist die Carboxy-Gruppe -COOH. — Die saure Wirkung ist in der Carboxy-Gruppe begriindet. Sieiist ein Protonendonator. - Kurzkettige Carbonséuren sind fliissig und hydrophil. Mit der Carboxy-Gruppe kénnen die Molekiile H-Briicken untereinander und mit H,0-Molekiilen ausbilden. - Langkettige Carbonsauren sind fest. Mit zunehmder Kettenlange werden die Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen den Molekiilen immer gréRer. - Langkettige Carbonsauren (Fettsauren) sind hydrophob. Mit zunehmder Kettenlange Giberwiegt der unpolare Anteil im Molekil.

11.7 Ester Ester-Molekiile haben die Ester-Gruppe -COOR als funktionelle Gruppe. Sie bilden sich aus einem Alkanol und einer Carbonsaure in einer Kondensationsreaktion,

da bei der Reaktion H,O-Molekiile freigesetzt werden.

Riickblick in die Sekundarstufe |

19

Übersicht

Sicheres Experimentieren

@Al

Die Versuche auf den Praktikumsseiten sind mit einer Symbolleiste versehen: Die Piktogramme in den roten Rauten sind Gefahrensymbole, wie sie unten zusammenfassend dargestellt sind. Die folgenden Symbole geben unbedingt zu beachtende Sicherheitshinweise wie Schutzbrille, Handschuhe oder Abzug an. Die blauen

Kanister beziehen sich auf die korrekte Entsorgung der Chemikalien und der Lésungen. Dies ist in der Uber-

sicht Richtig entsorgen genau beschrieben. Gefahrensymbole. Viele Stoffe sind gefahrlich. Die Gefahrensymbole weisen auf diese Gefahren hin. Explosive

Stoffe/Gemische:

feste oder

®© &

flüssige Stoffe, die Gase entwickeln können, die durch ihre Temperatur und ihren

Druck Zerstörungen anrichten. Entzündbare Stoffe: Stoffe, die als Gase

oder

Aerosole

mische

bilden,

mit

Luft

explosive

als

Flüssigkeiten

Geeinen

Flammpunkt unter 60 °C haben oder als Feststoffe leicht brennbar sind. Oxidierende Stoffe: Stoffe, die die Verbrennung anderer Materialien starker

© SO OS

fordern als Luft. Gase

unter Druck: Gase, die in einem

Behiltnis unter Druck stehen oder die

verflissigt sind.

Atzende Stoffe: Stoffe, die die Haut oder

die Augen nach kurzer Einwirkung dauerhaft schadigen. Giftige Stoffe: Stoffe, die beim Verschlucken, bei Hautkontakt oder beim Ein-

atmen giftig wirken.

oder

heitsschadlich

beim

Einatmen

gesund-

sind, die Haut

oder die

Augen reizen oder auf die Haut allergen wirken. Chronisch geféhrliche Stoffe: Stoffe, die

©

das Erbgut verandern, Krebs erzeugen, die Fruchtbarkeit beeintrachtigen, das

Kind im Mutterleib schadigen oder auf die Atemwege sensibilisierend wirken.

©

Umweltgefahrdende Stoffe: Stoffe, die die Umwelt, insbesondere Gewasser, ge-

fahrden.

20

Sicheres Experimentieren

heitshinweise zu beachten: Versuchsvorschriften

und

Hinweise

miis-

sen genau befolgt werden. Bei Unklarheiten muss die Lehrkraft gefragt werden. Ein Versuch darf erst dann durchgefiihrt werden, wenn dazu aufgefordert wird.

Schiilerinnen und Schiiler diirfen Gerate und

Chemikalien nicht ohne Genehmigung ver-

wenden.

Die Anlagen fiir elektrischen Strom, Gas und

Wasser dirfen nur nach besonderer Aufforderung der Lehrkraft eingeschaltet werden.

Die Gerate mussen in sicherem Abstand von

der Tischkante standfest aufgebaut werden.

Beim Experimentieren sind Schutzbrillen zu

tragen. Werden

Schutzhandschuhe

so miissen sie benutzt werden.

ausgehéandigt,

Im Praktikum darf grundsatzlich weder gegessen noch getrunken werden. Geschmacksproben sind verboten. Geruchsproben diirfen nur dann vorgenommen werden, wenn die Lehrkraft dazu auffordert.

Pipettieren mit dem Mund ist verboten.

Gesundheitschadliche/reizende Stoffe: Stoffe, die beim Verschlucken, bei Haut-

kontakt

Sicherheitshinweise. Wegen der besonderen Gefahren sind im Chemieunterricht wichtige Sicher-

Chemikalien dtirfen nicht mit den Handen beriihrt werden.

Die Haare sind so zu tragen, dass sie nicht in die Brennerflamme geraten kénnen. Chemikalien diirfen nicht in GefaRe umgefiillt werden, die nicht eindeutig und dauer-

haft beschriftet sind. Auf keinen Fall diirfen

Gefale benutzt werden, die zur Aufbewah-

rung von Speisen und Getranken bestimmt

sind. Der Arbeitsplatz muss stets sauber gehalten werden. Nach Beendigung der Experimente sind die Gerate zu reinigen.

Chemikalienreste miissen vorschriftsmaRig entsorgt werden.

Übersicht

Sicher entsorgen

Jeder weiß es: Gefährliche Stoffe müssen

ord-

nungsgemäß entsorgt werden. Chemikalienreste und Reaktionsprodukte dürfen also nicht ohne weiteres in den Abfluss oder den Abfalleimer gegeben werden. Folgende Regeln sind genau zu beachten:

Gefährliche Abfälle vermeiden. Eine der wichtigsten Regeln für einen verantwortungsbewuss-

]

Behalter 1: Saure und alkalische Losungen In Behalter1 gehdren nur saure und alka-

lische Lésungen, in denen keine Schwermetallver-

bindungen enthalten sind. Saure und alkalische Losungen neutralisieren sich dann gegenseitig. In der Regel reagiert die Losung im Behalter1 nicht

neutral, sondern leicht sauer

oder alkalisch. Bevor

ten Umgang mit Stoffen ist ganz einfach: Die Entstehung unnötiger Abfälle oder unnötig großer Mengen

der Behilter ganz gefiillt ist, muss er deshalb neutralisiert werden. Der neutralisierte Inhalt kann dann in den Ausguss geschiittet werden.

dung dieser Regel setzt eine sorgfältige Versuchsplanungim Hinblick auf Art und Menge der verwen-

Behälter 2: Giftige anorganische Stoffe In Behalter2 werden giftige und umwelt-

an Abfällen muss vermieden werden. Die Anwendeten Stoffe voraus.

Geféhrliche Abfélle umwandeln. Nicht vermeidbare geféhrliche Abfallstoffe sollen gefahrliche umgewandelt werden:

in weniger

schadliche Schwermetallsalze und ihre Losungen gesammelt - auch dann, wenn

oder alkalische Lésungen handelt. Die endgiiltige Entsorgung erfolgt durch ein Entsorgungsunter-

nehmen.

SaureundalkalischeLdsungenwerdenneutralisiert. Es ist zweckmaBig,

saure

und alkalische

Behalter 3: Halogenfreie organische Stoffe

Loésun-

gen in einem gemeinsamen Behélter zu sammeln. Sie brauchen dann nicht einzeln neutralisiert zu werden.

Losliche Stoffe konnen zu schwer [6slichen Stoffen umgesetzt werden.

Geféhrliche Abfélle sammeln. Chemikalienreste von Praktikumsversuchen, die nicht sofort in un-

gefahrliche Produkte umgewandelt werden kén-

es sich um saure

Wasserlosliche und wasserunlésliche halo-

genfreie organische Stoffe werden gemeinsam in einem Abfallbehdlter gesammelt. Damit sich kein

zu grofRes Volumen an leicht entziindlichen Fliissigkeiten ansammelt, kann die Lehrkraft im Einzelfall anordnen, geringe Mengen nicht giftiger wasserléslicher organischer Abfélle wie Ethanol oder Aceton in den Ausguss zu geben. Behdlter3 muss von einem Entsorgungsunternehmen ordnungsgemalR entsorgt werden.

nen, werden in besonders beschrifteten Abfallbe-

héltern gesammelt. Von Zeit zu Zeit werden die Abfallbehalter dann durch ein Entsorgungsunternehmen abgeholt. Durch das Sammeln in getrennten Behaltern verringern sich die Kosten fiir eine endgiiltige Beseitigung.

Behalter 4: Halogenhaltige organische Stoffe. Organische Halogenverbindungen und Abfalle, die bei Halogenierungsreaktionen entste-

(4]

hen, werden im Behdlter4 gesammelt. Dieser Behélter muss von einem Entsorgungsunternehmen

ordnungsgemal entsorgt werden.

Entsorgungskonzept im Uberblick

organische

Stoffe

Beispiele:

Salzsaure,

Natronlauge

Kupfersalze,

Bleisalze

Benzin, Toluol

=) 4] Stoffe Dibromethan, Bromtoluol

Sicher entsorgen

21

Kapitel

Energie bei chemischen Reaktionen Ob beim Formel-1-Rennen, beim Start einer Rakete, beim Grillen, im Heiz-

kessel oder bei der Stromerzeugung- überall sorgen Brennstoffe wie Kohle, Holz, Benzin, Erdgas oder auch Wasserstoff dafür, dass sich Fahrzeuge

bewegen, die Heizung warm ist oder das Grillgut gar werden kann. Dabei

wird die Energie, die in den Brennstoffen enthalten ist, bei der Verbrennung in andere Energieformen wie Bewegungsenergie, elektrische Energie oder Warmeenergie umgewandelt und dann von uns genutzt. Wie viel Energie in einem Brennstoff steckt und was chemische Reaktionen allgemein antreibt beantwortet die chemische Thermodynamik (griech. thermés: warm, dynamis: Kraft).

22

Was Sie schon kennen:

In diesem Kapitel lernen Sie:

*

*

Stoffumwandlungen und Energieumwandlungen als Kennzeichen einer chemischen Reaktion,

*

endotherme und exotherme chemische Reaktionen,

* wie Sie Reaktionsgleichungen aufstellen und einrichten,

*_ wie Sie mit Stoffmengen und Stoffmengenkonzentrationen stochiometrische Berechnungen durchfiihren,

*

das Zustandekommen von Elektronenpaarbindung und lonenbindung sowie die Unterschiede zwischen den Bindungstypen,

*

die Unterscheidung zwischen System und Umgebung,

*

was chemische Reaktionen antreibt,

*

wie sich der Energieumsatz chemischer Reaktionen messen und berechnen lässt,

*

was man unter Enthalpie, Entropie und freier Enthalpie versteht,

»

die Aussagen des 1. und 2. Hauptsatzes der Thermodynamik kennen,

®

unterwelchen Bedingungen chemische Reaktionen ablaufen und wie sich durch das Wechselspiel von Enthalpie und Entropie

wie Sie Energiediagramme auswerten und dabei die Begriffe Aktivierungsenergie und Reaktionsenergie

Reaktionen beeinflussen lassen.

anwenden.

Sind Sie fit fiir dieses Kapitel? 1

a)Nennen Sie Beispiele fiir Stoffumsatze und Energieumsatze bei chemischen Reaktionen.

b) Nennen Sie Reaktionen, die endotherm oder exotherm ablaufen und beschreiben Sie, woran Sie den

Energieumsatz erkennen.

2

aStellen Sie die Reaktionsgleichung fiir die Verbrennung von Ethanol mit Sauerstoff auf und richten Sie

diese ein.

b) Beschreiben Sie die Energieumwandlung der exothermen Reaktion.

3

Berechnen Sie die benotigte Masse an Kupfersulfat fiir

die Herstellung von 100 ml einer wéssrigen Losung mit

AE

AE

AE

Zn(s)+S(s)

der Konzentration ¢=0,5 mol - [,

4

Fe(s)+S(s)

a)Beschreiben Sie die Grundlagen der Elektronenpaarbindung. Erklaren Sie, warum Stoffe, die aus Nicht-

metall-Atomen aufgebaut sind, haufig gasformig oder flissig vorliegen.

Cu(s)+S(s)

b) Beschreiben Sie die Grundlagen derlonenbindung. Erklren Sie, warum Salze aus Kristallen aufgebaut

sind, die aus einer riesigen Anzahl lonen bestehen.

5

Beschreiben Sie das nebenstehende Energiediagramm. Stellen Sie eine Hypothese tiber die Heftigkeit der

Reaktionen von Zink, Eisen und Kupfer mit Schwefel auf.

ZnS(s)

FeS(s)

CuS(s)

Lösungen stehen im Anhang 23

Projekt

Heizen und Antreiben

Wir nutzen im Alltag verschiedene Energieträger zum Heizen, für die Stromproduktion oder zum Antreiben

von Fahrzeugen. Auch unser Stoffwechsel kommt ohne energiereiche Nährstoffe zum Erliegen. Dieses Projekt schließt an Ihre Kenntnisse über Kohlenwasserstoffe aus der Klasse 11 an. Im experimentellen Teil können Sie verschiedene Energieträger hinsichtlich ihres Energiegehalts vergleichen. Aufgaben zur Bearbeitung des Projekts: a) * Beschreiben Sie die Funktionsweise einer mit

Erdgas betriebenen Warmwasserheizung (Part-

ner A, Abb. 1) und eines Benzin-Viertaktmotors (Partner B, Abb. 4) jeweils in einem FlieRschema. Geben Sie an, in welche Energieformen die in den

Stoffen enthaltene Energie umgewandelt wird. b) &% Stellen Sie die Reaktionsgleichungen in

Strukturformelschreibweise fiir die vollstan-

dige Verbrennung der folgenden Energietrager

auf: Methan (Erdgas), Autogas (Propan/ButanGemisch), Benzin (Octan), Diesel (Pentadecan), Wasserstoff.

) Die bei einer Reaktion frei werdende Energiemenge, die Reaktionsenthalpie, lasst sich

modellhaft aus den Bindungsenthalpien (Abb. 3) abschitzen. Dazu geht man wie in Abb. 4 vor. Beschreiben Sie fiir die Verbrennung von Methan, wie Sie mithilfe der Werte fiir die Bindungsenthalpien die molare Enthalpie der Verbrennungsreaktion berechnen kénnen. Fiihren Sie analoge Berechnungen fiir die Energietrager aus Aufgabe

b) durch.

Hinweis: Vereinbarungsgemal erhalten Enthalpiewerte eines exothermen Vorgangs ein negatives Vorzeichen. d) Der Brennwert beschreibt die Energie, die bei der vollstandigen Verbrennung eines Stoffes frei wird. Der Brennwert wird in der Einheit kJ - kg™ angegeben. Berechnen Sie aus den Werten fiir die molare Reaktionsenthalpie von Methan, Propan, Pentadecan und Wasserstoff die Brennwerte dieser Stoffe. Erklaren Sie daran, welcher Brennstoff der

bessere Energietrager ist. Gehen Sie vereinfacht von normalem Druck und Raumtemperatur aus. e) Fiithren Sie den Forschungsauftrag1 durch und setzen Sie Ihre Ergebnisse mit denen aus Aufgabe d in Beziehung. Nennen Sie mégliche Erklarungen

fiir die Unterschiede in den Werten und leiten Sie

ab, wie Sie lhren Versuchsaufbau optimieren kén-

nen.

f) Aufgabe fiir Eilige: Informieren Sie sich tiber die Wirkung von Katalysatoren und erklaren Sie damit die Beobachtungen in Abb. 5.

Energie bei chemischen Reaktionen

Forschungsauftrag 1: Wer ist der bessere Energietrager?

O& &—

e

T?Tä Ziel des Forschungsauftrags ist es, verschiedene Energieträger und auch energiereiche Nahrungsmittel hinsichtlich ihres Energiegehalts zu vergleichen. Dazu muss zunächst ein geeignetes Verbrennungskalorimeter entwickelt werden. Dies ist eine Apparatur, mit der die bei der Verbrennung frei werdende Verbrennungswarme genutzt wird,

um eine bestimmte Masse an Wasser zu erwdrmen.

Teilen Sie sich dazu in drei Gruppen auf: Gruppe 1 untersucht gasformige Energietrager, Gruppe 2 fliissige Energietrager und Gruppe 3 priift

Lebensmittel.

maégliche Materialien: Erlenmeyerkolben (300 ml,

weit), Ollampen, Konservendose ohne Deckel, Stativmaterial, Stativ, Flaschenkorken, Stecknadel,

Aluminiumfolie, Digitalthermometer, Waage, Mess-

zylinder (100 ml), Messpipette (10 ml), Pipettierhilfe, Stoppubhr, Kunststoffspritzen (20 ml) mit Stopfen, abgestumpfte Kaniilen, Glasstab; Erdgas (2), Feuerzeuggas (2, 4), Dieselkraftstoff (2, 8,9), verschiedene Niisse, Marshmallows, Popcorn,

Erdnussflips Aufgaben: a) Planen Sie in lhrer Gruppe ein Experiment, mit

dem Sie den Brennwert lhrer Proben in einem selbst konstruierten Verbrennungskalorimeter naherungsweise ermitteln kénnen.

b) =7 Kontrollieren Sie die Anleitung mithilfe der Check-Karte. Bei Abweichungen fragen Sie die Lehrkraft, ob der Versuch nach Ihrer Anleitung

durchgefiihrt werden darf. Fiihren Sie Ihr Experiment durch. c) Protokollieren und deuten Sie Ihre Beobachtungen. Informieren Sie sich dazu auf der Seite 30 unter der Uberschrift Bestimmung von Reaktionswdrmen, wie Sie aus den erhaltenen Daten die frei werdende Verbrennungsenthalpie berechnen. Tauschen Sie die Gruppenergebnisse aus. d) Recherchieren Sie fiir die Lebensmittel die Literaturangaben zu den Brennwerten.

Pleuelstange

Ansaugen 1 Aufbau einer Warmwasserheizung.

Verdichten

Arbeiten

Ausstoßen

4 Funktionsweise eines Benzin-Viertaktmotors

Gedachte Zwischenprodukte mit C-Atomen, H-Atomen und O-Atomen

e rdt 4D

2652 kJ + mol-! Z N

#2:9=0

Reaktions-

N 7

Edukte mit CH,-Molekilen und O,-Molekülen

„„„ _

en

thalpie: pi

2652kJ+mol"' 3458 kJ + mol el SR

58 k) + mol

-3458kJ

«

-1

Produkte mit H,0-Molekiilen und €O, Molekillen

2 Formale Betrachtung der Verbrennung von Methan zur Berechnung von Verbrennungsenthalpien aus Bindungsenthalpien

=

Bindung

Sauerstoff kann man miteinander mischen, ohne dass

839 kJ - mol S 414 kJ - mol

einer Flar_\_‘lme l_n Beruhrung kommt, läuft die Reaktion explosionsartig ab. Lasst

346 kJ - mol 614 kJ + mol”

498 kJ - mol™!

2

eine Reaktion stattfindet. Erst, wenn das Gemisch mit

man jedoch Wasserstoff iiber

436 kJ - mol

eine Platinwendel strömen,

7a

entziindet sich das Gas auch

o

mo ineeg

Die Gase Wasserstoff und

Mittlere molare Bidusssenthaliie 8 ‘p

803 kJ - mol™!

3 Bindungsenthalpien

ohne voriges Ziinden durch eine Flamme. 5 Entziinden von Wasserstoffgas am Platindraht

Energie bei chemischen Reaktionen

25

1.1 Energieformen lassen sich umwandeln

Generator

1 Energieumwandlungen bei der Dampfmaschine

Aus dem Physikunterricht kennen Sie sicherlich die Bezeichnungen Wdrme, Arbeit und Energie. Die Abgrenzung dieser auch fiir das Fach Chemie nétigen Begriffe

erfolgt am Beispiel einer Dampfmaschine (Abb. 1).

Energieerhaltung und Energieformen. 1842 formulierte der Heilbronner Arzt Julius Robert MAYErR den Energieerhaltungssatz: Energie kann weder verbraucht noch neu geschaffen werden. Dieser heute als 1. Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnete Grundsatz gilt fiir jedes System und bei jeder Umwandlung von einer

Energieform in eine andere. Beispielsweise wird bei der

Dampfmaschine (Abb.1) die Energie im heifen, unter Druckstehenden Dampf@i nBewegungsenergie umgewandelt. Im Wasserdampf bewegen sich die H,0-Molekiile sehr stark, sodass sie durch St6Re den Zylinderkol-

ben @in Bewegung versetzen. Solche Umwandlungen einer Energieform in eine andere werden als Arbeit bezeichnet. Die Abnahme der Energie im Dampfentspricht der Zunahme an Bewegungsenergie im Kolben, so dass die Gesamtmenge an Energie bei diesem Vorgang gleich bleibt. Die zwischen den Energieformen umgewandelte Energiemenge wird in der Einheit Joule [J] oder gebräuchlicher in Kilojoule kJ angegeben. 1 kJ ist dabei gleich 1000 J. Mit der Energiemenge von 1 kJ können verschiedene Arbeiten verrichtet werden. Die Wirkung ist dabei ganz unterschiedlich (Abb. 2).

100mi [124% 133s

26

Energie bei chemischen Reaktionen

Chemische Energie. Auch bei chemischen Reaktionen findet eine Energieumwandlung statt. Beispielsweise ist in der Kohle fiir die Dampfmaschine aus Abb. 1 Energie gespeichert (D Bei der Verbrennung wird die Energie umgewandelt und als Energieform Warme dem Wasserdampf zugefiihrt ). Man bezeichnet die in einem Stoff gespeicherte Energie als chemische Energie. Der Energiegehalt einer Stoffportion hangt von der Art der darin enthaltenen Stoffe und ihrer Menge ab. Die chemische Energie einer Stoffportion kann nicht direkt

gemessen werden. Messbar sind nur Anderungen der

chemischen Energie, wie sie sich bei chemischen Reaktionen bemerkbar machen. Die bei einer chemischen Reaktion an die Umgebung abgegebene oder von ihr aufgenommene Energie entspricht dem Unterschied in der chemischen Energie zwischen den Ausgangsstoffen und den Reaktionsprodukten. Bei einer exothermen Reaktion entstehen Produkte mit kleinerem Energiegehalt, die Energiedifferenz wird in die Umgebung frei gesetzt. Bei einer endothermen Reaktion wird die zugeflihrte Energie als chemische Energie in den Produkten gespeichert. Es bilden sich energiereichere Stoffe.

Auf der Teilchenebene betrachtet setzt sich die chemische Energie eines Stoffes aus mehreren Energien zu-

sammen: Die Lage- und Bewegungsenergie der Elektronen, die Bindungsenergie zwischen den Atomen in

einem Molekiil oder zwischen den lonen in einem Salzkristall und die Bewegungsenergien der Atome, Molekiile und lonen selbst. Die Summe der Energieformen,

die die chemische Energie ausmachen, fasst man unter dem Begriff innere Energie U zusammen. System. Die Anderung der inneren Energie U bei einer chemischen Reaktion wird indirekt bestimmt. Dies geschieht iiber die Messung der in andere Energieformen iibertragenen inneren Energie. Dazu werden die Ande-

Stoff-

Polystyrol-

austausch

In Stoffen ist die innere Energie U gespeichert. Nach dem Energieerhaltungssatz werden bei chemischen Reaktionen innere Energie und andere Energieformen ineinander umgewandelt.

schaumstoff

Umgebung 17 i:

Energie-

>

austausch

offenes System

Ihr Ergebnis mit dem Ihres Lernpartners. Nennen Sie ein Beispiel fiir die Umwandlung von che-

[ Kol

—

&

| Energie-

a) %s Notieren Sie vier Energieformen. Vergleichen Sie

mischer Energie in mechanische Energie und in Licht-

| austausch

energie.

geschlossenes System

b) =] Notieren Sie gemeinsam Vorgange und Energie-

wandler (Maschinen), mit denen Energie zwischen die-

isoliertes

System

3 Chemische Reaktionen in unterschiedlichen Systemen

rungen von Temperatur, Druck und Volumen im Experiment gemessen. Diese Messungen miissen unter genau festgelegten Bedingungen durchgefiihrt werden, um bei Kontrollexperimenten gleiche Ergebnisse zu er-

2

sen Energieformen umgewandelt werden kann. ¢) Benennen Sie die Energieumwandlungen, die in Abb.2 dargestellt sind. Energieumwandlungen werden oftmals nach folgendem FlieRdiagramm notiert:

Bewegungsenergi

halten. Man unterscheidet dazu zwischen offenem, ge-

schlossenem und isoliertem System (Abb.3). Wie sich die verschiedenen Systeme auf die Messung der inne-

a) Recherchieren Sie die Begriffe Umwandlungsverlust und Energieentwertung. Korrigieren Sie das

ren Energie auswirken, wird nun am Beispiel der Reakti-

abgebildete FlieRdiagramm entsprechend. b) Stellen Sie fiir die in Abb.1 gezeichneten Energieumwandlungen entsprechende FlieRdiagramme auf.

onvon Zink mit Salzsaure genauer betrachtet:

Zn(s)+2 H'(aq) = Zn™(aq) + Hy(g);

exotherm

Im einfachsten Fall lduft die Reaktion in einem Reagenzglas ab. In diesem offenen System sind ein Stoffaustausch und ein Energieaustausch mit der Umgebung méglich. In dem Beispiel entweicht das entstehende Wasserstoffgas aus dem Reagenzglas und die Umgebung wird erwérmt. Uber die Temperaturdnderung und die Volumenanderung kann auf die bei der Reaktion freigesetzte innere Energie geschlossen werden. VerschlieBt man das Reagenzglas mit einem Stopfen, erhält man ein geschlossenes System. Darin findet kein Stoffaustausch mit der Umgebung statt, ein Energieaustausch ist nach wie vor moglich. In dem Beispiel kann das Wasserstoffgas nicht entweichen und der Druck im System erhoht sich. Warme wird an die Umgebung abgegeben. Die Werte aus der Druckédnderung und der Temperaturdnderung der Umgebung ergeben die Anderung der innere Energie. Ist das

Reagenzglas

warmeisolierend

verpackt

und

dicht verschlossen, so lauft die Reaktion in einem iso-

lierten System ab. Es findet weder ein Stoffaustausch noch ein Energieaustausch statt. In dem Beispiel bleiben die Reaktionsprodukte und die Warme in dem System. Druck und Temperatur erhéhen sich, daraus wird

die Anderung der inneren Energie bestimmt.

Hybrid beugt Energieverlust vor

(SV) Frankfurt - Auf der IAA wird das Hybrid-Sys-

tem fiir Autos

als eine Méglichkeit genannt, die

Energieverschwendung in der Mobilitét einzudammen.

3

c) Beurteilen Sie die Verwendung der Bezeichnungen Energieverlust und Energieverschwendung.

a) % Beurteilen Sie die Richtigkeit der Aussagen und

begriinden Sie Ihr Urteil. PartnerA: 100 g Eis haben eine grokere innere Energie als die gleiche Masse Wasser; Partner B: Ein Benzin-Luft-Gemisch hat eine groRereinnere Energie als seine Verbrennungsprodukte.

4

b) Erlautern Sie dem Lernpartner Ihr Ergebnis.

&[S Wenden Sie den Systembegriff auf die Reaktion

von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser an. Partner A: offenes System; Partner B: geschlossenes System; Partner C: isoliertes System.

a) Erstellen Sie eine Skizze zur Versuchsdurchfiihrung. b) Erklaren Sie, aus welchen Messwerten sich jeweils dieinnere Energie abschatzen lasst.

c) Planen Sie gemeinsam einen Versuch, mit dem die bei der Reaktion freigesetzte innere Energie wieder zugefiihrt werden kann.

Energie bei chemischen Reaktionen

27

1.2 Reaktionswärmen lassen sich mit einem Kalorimeter bestimmen Thermometer —— glühender Draht Zur Ziindung des Gemisches Reagenzglas —— —0 — —

l

—

—z

Isoliergefäß —— —— ——

}

—l

Reaktionsgemisch Wasser

——

a

Magnetrührer —

—

—

__

1 Eisen und Schwefel reagieren exotherm.

2 Einfaches Kalorimeter

Ziindet man ein Gemisch aus Eisen und Schwefel, fiihrt dies offensichtlich zu einer Erwdrmung (Abb.1). In der

In einem einfachen Kalorimeter (Abb. 2) befindet sich ein Reagenzglas ) in einem IsoliergefaB. In das IsoliergefaR fillt man eine bestimmte Menge Wasser @

exothermen Reaktion wandelt sich ein Teil der in den

Edukten gespeicherten inneren Energie U in Warmeenergie um. Diese wird in die Umgebung weitergeleitet und fiihrt dort zu einer Temperaturerhohung. Gibt man Brausepulver

in Wasser,

reagieren

Citronensaure

und

Natriumhydrogencarbonat endotherm miteinander. Dabei kiihlt sich die Umgebung ab. Das Reaktionssystem nimmt Warmeenergie aus der Umgebung auf und speichert sie als innere Energie. Reaktionswirme. Die bei chemischen Reaktionen mit der Umgebung ausgetauschte Warme nennt man allgemein Reaktionswédrme Q,. Bei einer exothermen Re-

aktion ist der Energiebetrag positiv, da die Warme der Umgebung um diesen Betrag zugenommen hat. Die Reaktionswarme Q, stammt

aus dem

reagierenden

Sys-

tem. Demnach nimmt die innere Energie des Systems ab, die Anderung der inneren Energie AU ist negativ. Das A steht dabei fur die Differenz der inneren Energie der Stoffe vor und nach der Reaktion. Es gilt:

AU 0. Bestimmung von Reaktionswédrmen. Ein absoluter Wert fiir die innere Energie eines Stoffes lasst sich ex-

perimentell nicht ermitteln. Lediglich ihre Anderung im

Laufe einer chemischen

Reaktion ist tiber die frei ge-

setzte Reaktionswarme messbar. Ein einfaches Verfahren zur Bestimmung der bei einer chemischen Reaktion aufgenommenen oder abgegebenen Reaktionswarme ist die Kalorimetrie (lat. calor: Warme).

28

Magnetrührstäbchen

Energie bei chemischen Reaktionen

Die Temperatur des Wassers vor der Reaktion (7;) und

die Temperatur nach der Reaktion (T;) werden am Thermometer () abgelesen. Bei einer exothermen Reaktion wird die freiwerdende Warme über die Wand des Reagenzglases auf das Wasser im Kalorimeter iibertragen. Die vom Wasser aufgenommene Warmemenge Q; ist proportional zur Temperaturdifferenz AT = (T, - T;) und proportional zur Masse m des Wassers. Die Reaktionswarme Q, und damit die Anderung der inneren Energie AU berechnet sich mit der Formel: -AU=Q,=cp(Wasser) - m(Wasser) - AT Den Proportionalitatsfaktor ¢, bezeichnet man als speZzifische Wdrmekapazitdt. Fiir Wasser betragt der Wert

bei normalem Druck ¢, = 4,18 J + g - K. Das bedeu-

tet, dass ein Gramm Wasser eine Energie von 4,18 J auf-

nimmt, wenn die Temperatur um 1 K oder 1 °C ansteigt. Das Reagenzglas und das IsoliergefaR haben wesentlich geringere Warmekapazitaten. Bei der Auswertung einfacher Experimente kann ihr Einfluss auf die gemessene Temperatur daher vernachléssigt werden. GleichermaRen wird die bei der Messung an die Umgebungsluft abgegebene Warme nicht beriicksichtigt. Beispiel: Ein Kalorimeter wird mit 100 g Wasser gefiillt. In dem Reagenzglas wird anschlieRend ein Gemisch aus 0,1 mol Eisen und 0,1 mol Schwefel zur Reaktion gebracht, indem die Reaktion mit einem gliihenden Draht

geziindet wird. Bei der Reaktion entsteht Eisensulfid (FeS). Dabei erwarmt sich das Wasser von 12,0°C auf 36,4 °C. Durch Anwendung der obigen Formel lässt sich die freigesetzte Reaktionswéarme berechnen:

0,=4,18J-g" - K'-100g-24,4K=10,2 kJ

Reaktionen in wässriger Lösung. Besonders einfach lässt sich die Reaktionswärme bestimmen, wenn mindestens einer der Reaktionspartner als wässrige Lösung vorliegt. Die Reaktion wird direkt im Isoliergefäß des Kalorimeters durchgeführt. Dabei müssen die Reaktionspartner vor der Reaktion die gleiche Starttemperatur haben. Das Lösemittel ist dann gleichzeitig der Wärmespeicher für die bei der Reaktion freigesetzte innere Energie. Die Temperaturänderung wird im Lösemittel selbst gemessen. Ein Beispiel ist die Bestimmung der Neutralisationswärme bei der Reaktion von Natronlauge mit Salzsäure. Die Auswertung der Messdaten wird im Rechenbeispiel gezeigt. Bei der Auswertung der Messergebnisse geht man für verdünnte Lösungen von folgenden Näherungen aus: *_ Die Masse der beiden Lösungen entspricht der Masse des in das Isoliergefäß gefüllten Volumens an Wasser. * Die Wärmekapazität der Lösung ist gleich der Wärmekapazität von reinem Wasser:

c (Lösung) = c, (Wasser)

Erlautern Sie, warum die im Text angegebene Glei-

chung zur Berechnung von Q; im Falle von endothermen Reaktionen negative Werte ergibt.

Informieren Sie sich liber die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Temperaturskalen von Kelvin und Celsius. Erlautern Sie, dass eine Temperaturdifferenz

von 1K genauso groR ist wie die Differenz von 1°C.

a) 2 Partner A: exotherme Reaktion; Partner B: endo-

therme Reaktion.

Zeichnen Sie eine bildhafte Darstellung, in der gezeigt

wird, dass die Anderungen der inneren Energie und der

Reaktionswarme gleich groß sind, sich aber im Vorzeichen unterscheiden. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit

Ihrem Lernpartner. b) Nehmen Sie gemeinsam Stellung zu der Aussage von Prof. Schwarze: ,,Wir machen energetische Bilan-

Zierungen immer vom Systemstandpunkt aus. Danach

bedeutet eine Abgabe von Energie an die Umgebung

eine Verringerung der Systemenergie, bekommt also ein negatives Vorzeichen.“ Erlautern Sie, was hier mit Systemenergie gemeint ist. In einem mit 1,2 | Wasser gefiillten Kalorimeter werden

In einem Kalorimeter wird die Temperaturänderung

bei einer chemischen Reaktion gemessen. Daraus wird

3 gGlucose verbrannt. Die Temperatur steigt um 9,3 K. Berechnen Sie die Reaktionswarme.

die bei der Reaktion in die Umgebung freigesetzte Reaktionswärme Q, und die Änderung der inneren Ener-

a) Zeichnen Sie einen Versuchsaufbau zur Bestimmung

gie AU berechnet.

mit Natronlauge. Notieren Sie die Durchfiihrung und

der Neutralisationswéarme der Reaktion von Salzsaure

die Auswertung der Messergebnisse. Nutzen Sie die In-

formationen aus dem Text und dem Rechenbeispiel.

b) ¥4 Partner A: In einem Kalorimeter werden 7,5 g

Rechenbeispiel

Calciumchlorid in 100 ml Wasser gel6st. Die Temperatur erhéht sich dabei um 13,1 K. Berechnen Sie die Re-

Bestimmung der Neutralisationswarme In

einem

Kalorimeter

reagieren

100ml

Salz-

saure (c = 0,5 mol -1”") mit 100 ml Natronlauge (c=0,5mol- ). Die Temperatur der Lésung steigt um3,3Kan.

H*(aq)+ OH (aq) = H,0(l); gegeben: m (Lésung)=200g;

exotherm

aktionswarme. Partner B: In einem Kalorimeter werden 5 g Ammoni-

umnitrat in 200 ml Wasser mit der Temperatur 20 °C gelost. Die Reaktionswarme betragt Q.= 25,6 kJ - mol™. Berechnen Sie die Endtemperatur. Partner C: In einem Kalorimeter wird Natriumhydroxid

in 200 ml Wasser geldst. Die Temperatur steigt um 13 K. Die Reaktionswérme betragt Q,=44,5 kJ - mol™. Be-

c,(Lésung)=4,18J-g"-K™;

AT=3,3K gesucht: Q,

Berechnung: Qr=cp(Losung) - m(Lésung) -AT

Qr=4,18J-g"-K"-200g-3,3K=2760J=2,76kJ Bei der Neutralisation von 0,05 mol Salzsaure werden 2,76 kJ in Form von Warme frei.

rechnen Sie die zugefiigte Masse an Natriumhydroxid. c) Stellen Sie sich gegenseitig die Losungswege und

die Lésungen vor.

a) Planen Sie einen Versuch zur Bestimmung der Neutralisationswarme von Salpetersaure (c=1mol - ") und Natronlauge (c= 1 mol + 17'). b) E Salpetersäure reagiert mit Natronlauge. Die Änderung der inneren Energie beträgt AU =- 56 kJ - mol™. Berechnen Sie die Temperaturanderung.

% Erlautern Sie Griinde fiir Messfehler bei der experimentellen Ermittlung von Reaktionswarmen.

Energie bei chemischen Reaktionen

29

1.3 Vom Experiment zur molaren Reaktionsenthalpie offenes System _

=

geschlossenes System

i

r

i 1 Temperaturdnderung bei einer Reaktion in einem offenen und in einem geschlossenen System Um Riickschliisse aus der bei einem Experiment freigesetzten oder aufgenommenen Reaktionswarme auf die innere Energie der Stoffe ziehen zu kénnen, miissen die

gewonnenen Messwerte eindeutig und reproduzierbar sein. Die Messung der Temperaturdifferenz bei der Re-

aktion von Zink mit Salzsdure in einem Kalorimeter er-

gibt aber zwei etwas unterschiedliche Werte, wenn die

Reaktion im offenen System oder im geschlossenen System durchgefiihrt wird (Abb. 1). Wie erklart sich der

Volumenarbeit hier wegfallt. In diesem Fall gibt die Reaktionsenthalpie direkt Auskunft tiber die Anderung der inneren Energie. Hier gilt somit A,H = AU, unabhéngig davon, ob das System offen oder geschlossen ist.

Molare Reaktionsenthalpien. Zur Bestimmung der Reaktionsenthalpie betrachten wir die Reaktion von Zink-

pulver, das in eine Kupfersulfatlésung gegeben wird.

Unterschied?

Diese typische lauft exotherm.

Reaktionsenthalpie und innere Energie. In beiden Systemen lauft die gleiche exotherme Reaktion ab, sodass die innere Energie um den gleichen Betrag kleiner wird. Die Temperaturdifferenzen zeigen, dass die Erwarmung der Umgebung im offenen System gering-

Cu*(aq) +2n(s)— Cu(s)+Zn*(aq);

fligig kleiner ist als im geschlossenen System (Abb. 1).

Im offenen System muss ein Teil der inneren Energie in eine weitere Energieform umgewandelt worden sein. Dies zeigt der Stempel der Spritze, in der der entstehende Wasserstoff aufgefangen wird. Der Stempel wird hinausgeschoben, wobei Arbeit gegen den &auferen Luftdruck verrichtet wird. Man spricht bei dieser Energieform von Volumenarbeit W,. Die bei der Reaktion frei gesetzteinnere Energie AU teilt sich auf: Ein Anteil ist die Volumenarbeit, ein Anteil bewirkt als Warmeenergie Q, die Erwarmung der Umgebung. Dieser Teil wird als Reaktionsenthalpie A H bezeichnet. Es gilt:

AU=AH+Wy=-Qp+ Wy Bei der Betrachtung von Energieumsatzen chemischer Reaktionen beschrankt man sich in der Regel auf die Ermittlung der Reaktionsenthalpie. Sie wird als freigesetzte Warme Uber die Temperaturdnderung in einem

Kalorimeter recht einfach bestimmt. Die Reaktionsen-

thalpie ist unabhéangig von der Volumenarbeit. Auerdem laufen viele Reaktionen in der festen oder fliissigen

30

Phase ohne Volumenanderung ab, sodass der Anteil der

Energie bei chemischen Reaktionen

Elektroneniibertragungsreaktion

ver-

exotherm

Die Zugabe von Zinkpulver im Uberschuss in eine Lésung von 0,01 mol Kupfersulfat in 100 ml Wasser fiihrt zu einer Temperaturerhohung um 5,2 K. Die reagierenden Stoffe haben demnach naherungsweise die folgende Warmemenge an das Losemittel abgegeben:

Q=4,18J-g7-K'-100g-52K=2173J Die gebildeten Produkte sind somit energiearmer als die Ausgangsstoffe. Die innere Energie und damit die Reaktionsenthalpie hat abgenommen. Der Wert fiir A H bekommt daher ein negatives Vorzeichen:

AH=-Q=-217kJ Der Wert der Reaktionsenthalpie ist abhéngig von der eingesetzten Stoffmenge. Verdoppelt man die Stoffmenge an Kupfersulfat in der Lésung auf 0,02 mol, verdoppelt sich die Temperaturanderung und somit die Reaktionsenthalpie auf AH = -4,34 kJ. Zur besse-

ren Vergleichbarkeit werden die Reaktionsenthalpien

auf die Stoffmenge n =1 mol eines Reaktionspartners

normiert. Im Falle der Reaktion von Cu**-lonen mit Zn-

Atomen ware also der fiir 0,01 mol ermittelte Wert von -2,17 kJ mit 100 zu multiplizieren. Durch den Umsatz

von 1 mol Cu**-lonen mit 1 mol Zn-Atomen sollte dem-

nach eine Wärmemenge von 217 kJ abgegeben werden. Dies wird übersichtlich auf folgende Weise notiert:

1 mol Cu?(aq) + 1 mol Zn (s) — 1 mol Cu(s) +1 mol Zn?(aq);

1

System.

a) Zeichnen Sie ein Energiediagramm fiir die Umwandlung der inneren Energie bei einer chemischen Reaktion. b) Vergleichen Sie die Diagramme. Beurteilen Sie die

AH=-217kJ

Gebräuchlicher ist die Darstellung:

Cu*(aq) +Zn(s) = Cu(s)+Zn*(aq); AHm=-217kJ - mol™

2

AH

=217k

das sich exotherm in Wasser |6st. Dabei wird eine Ener-

giemenge von -36 kJ - mol™ frei.

a) Notieren Sie die vollsténdige Reaktionsgleichung. b) Zeichnen Sie ein Energiediagramm. ) Berechnen Sie die umgesetzte Energie fiir das Lésen

von 0,15 mol des Salzes.

d) 0,3 mol des Salzes werden in 500 m| Wasser in einem Kalorimeter gelést. Berechnen Sie die Temperatur-

differenz des Wassers. e) Stellen Sie dem Lernpartner Ihre Ergebnisse vor. Erklaren Sie gemeinsam die Bedeutung des Vorzeichens bei den Energiewerten. 3

der beiden Lésungen betrégt 20 °C. Nach der Reaktion

ist die Temperatur auf 26,5 °C gestiegen.

a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung in lonenschreib-

weise auf.

Molare Reaktionsenthalpien werden meist hinter die entsprechende Reaktionsgleichung notiert und von dieserdurch ein Semikolon abgetrennt. Auf diese Weise wird die Angabe auch fiir solche Reaktionen eindeutig, deren Reaktionsgleichung unterschiedlich formuliert werden kann. Beispiel:

b)

nen entsprechend 147 kJ.

der

c) In einem zweiten Experiment wird die Salzsaure

durch 50 ml Schwefelsaure (c=1 mol - [';

4

©0=1,06g- cm™) ersetzt. Bestimmen Sie die Temperaturanderung. % Ammoniumnitrat zerfillt nach der Ziindung explosionsartig in Stickstoff, Wasserdampf und Sauerstoff.

a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf. b) Recherchieren Sie die Berechnung der Volumen-

AH, =-147kJ - mol™

1 molAg*-lonen setzt 73,5 kJ frei, dervon 2 mol Ag™lo-

Ermitteln Sie die molare Reaktionsenthalpie

Neutralisationsreaktion.

2Ag*(aq) +Cu(s) =2 Ag(s) + Cu*(aq);

Beide Angaben sind véllig gleichwertig, denn mit einer Verdopplung der stéchiometrischen Faktoren verdoppelt sich auch der Zahlenwert fiir AH5,. Der Umsatz von

100 ml Salzséure (c=1mol - I; p=1,02 g+ cm™) mit

einem Kalorimeter vermischt. Die Anfangstemperatur

keine andere Temperatur angegeben ist.

AHE, =-73,5kJ - mol™

ZurBestimmung der Neutralisationswarme werden

100 ml Natronlauge (c=1mol-1"; 0=1,04 g-cm™)in

Standarddruck von 1000 hPa sowie fiir 298 K gilt, soweit

Ag'(aq) + 2 Cu(s) = Ag(s) + V2 Cu**(aq);

2 PartnerA: Ammoniumchlorid ist ein Beispiel fiir ein Lésevorgang bendtigte Energie betragt 14 kJ - mol™. Partner B: Lithiumchlorid ist ein Beispiel fiir ein Salz,

i

Molare Standardreaktionsenthalpien. Neben der Stoffmenge beeinflussen auch der Druck und die Temperatur, bei der eine Reaktion stattfindet, die GroRe der Reaktionsenthalpie. In Formelsammlungen werden Reaktionsenthalpien daher meist fiir einheitliche Reaktionsbedingungen mit dem Symbol AHS, als molare Standardreaktionsenthalpien angegeben. Die kleine hochgestellte Null zeigt an, dass der Zahlenwert fiir den

inhaltliche Aussage und die Darstellungsform.

Salz, das sich endotherm in Wasser |6st. Die fiir den

Das Symbol AH,, steht dabei fiir die molare Reaktionsenthalpie. Die Einheit kJ - mol™ - gelesen kJ pro mol macht deutlich, dass AHp, als Quotient aus der Reaktionsenthalpie AHy, und der Stoffmenge n definiert ist. Den Wert fiir die molare Reaktionsenthalpie AHy, erhalt man also durch Division der experimentell ermittelten Reaktionsenthalpie und der dabei umgesetzten Stoffmenge. Bezogen auf das Beispiel ergibt sich damit: A'H"‘:Tzio,mmcl =-217kJ-mol

S Partner A: offenes System; Partner B: geschlossenes

5

arbeit W, und berechnen Sie diese fiir die Reaktion von 1 mol Ammoniumnitrat (p = 1000 hPa; T=298 K).

% Energie und Arbeit sind dquivalent. Mit Energie ist ein bestimmter Betrag gemeint, der in einer Energieform gespeichert ist. Mit Arbeit wird die Umwandlung

dieser Energiemenge in eine andere Energieform be-

zeichnet. Vom Betrag sind beide GroRen gleich. Die Reaktionsenthalpie AH ist die bei einer chemischen

a) Recherchieren Sie fiir ein Beispiel aus der Mechanik

Reaktion gemessene negative Reaktionswarme Q,. Die

diesen Unterschied zwischen Energie und Arbeit.

tient aus der bei Standardbedingungen bestimmten Reaktionsenthalpie und der umgesetzten Stoffmenge.

menarbeit W, umgewandelten Anteil von AU

molare Standardreaktionsenthalpie AHS, ist der Quo-

b) Ubertragen Sie die Ergebnisse auf den in die Volu-

Energie bei chemischen Reaktionen

31

1.4 Reaktionsenthalpien lassen sich berechnen

Stoff

CaCOg(s)

AHS, in

Stoff

A, in

- 1207

HCl(g)

-92

-167

Na*(g)

kJ-mol™

CaO(s) cl(g)

-635 121

cr(g)

—234

Cl (aq)

co(g) CO‚ (g) cu®*(aq) H*(aq)

Hy0(1)

Na(g) Na*(aq)

107 -240

609

NaOH(s)

-425

OH”(aq)

-230

-1m -394 65

NH3(g) NHoCl(s) 0s(g)

—286

Zn?(aqg)

0

kJ - mol

—46 -314 143

CO(g)+%02(g) >CO2(g);

AH?,(A2)=-283kJ-mol”

C(s) + O2(g) —& CO (g);

A‚H9(B)=-394 kJ - mol”

-153

1 Molare Standardbildungsenthalpien (T= 298 K)

2 Molare Reaktionsenthalpie der Kohlenstoffdioxidbildung

Reaktionsenthalpien bei chemischen Reaktionen lassen sich in der Regel experimentell bestimmen. Für einige Verbindungen kann die Reaktionsenthalpie hingegen nicht direkt gemessen werden. So lässt sich beispielsweise Propan nicht direkt aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff herstellen. Mithilfe des Energieerhaltungssatzes kann die molare Reaktionsenthalpie auch für solche Fälle berechnet werden.

den 1840ern untersucht. Er fasste die Ergebnisse seiner langjahrigen Arbeiten (iber den Energieumsatz in folgender Weise zusammen: Reaktionswdrmen sind unabhédngig vom Reaktionsweg. Entscheidend sind also nur Ausgangszustand und Endzustand des Systems. Diese Aussage bildete einen der Eckpunkte fiir den Satz von der Erhaltung der Energie.

Bildungsenthalpien. Zur rechnerischen Bestimmung einer molaren Reaktionsenthalpie benötigt man die Werte für die molaren Bildungsenthalpien A;H„ der beteiligten Stoffe. Dieser Wert bezeichnet die Reaktionsenthalpie fiir die Bildung (engl. formation) von einem

Mol eines Stoffes aus seinen Elementen. In Tabellenwerken findet man in der Regel die Standardwerte AHS, fiir den Standarddruck von 1000 hPa und 298 K (Abb. 1). Dabei wird fiir elementare Stoffe allgemein AHS, =0 festgesetzt. In der zugehorigen Reaktionsgleichung tritt das Reaktionsprodukt dabei immer mit dem stéchiometrischen Faktor1 auf. Bei der Bildung von Wasser werden demnach die folgenden Stoffmengen umgesetzt:

H,(g)+%20,(g) = H,0(l);

A =-286kJ- mol™

Die molare Bildungsenthalpie von Wasser aus den Ele-

menten betragt somit AH9,(H,0) =-286 kJ - mol™.

Satz von Hess. Die molare Bildungsenthalpie fiir Kohlenstoffdioxid betragt AH(CO,) = -394 kJ - mol™ . Dies bedeutet, dass bei der Reaktion von einem Mol Kohlen-

stoff mit einem Mol Sauerstoff eine Reaktionsenthalpie von-394 kJ frei wird (Abb.2, Weg B):

C(s)+O,(g)> CO,(g);

ArH% =-394 kJ + mol”

Die Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoffzu Kohlen-

stoffdioxid kann auch über den Umweg der Bildung von Kohlenstoffmonooxid verlaufen (Abb.2, Weg A). Solche Reaktionen hat der Chemiker Germain Henri HEss in

32

C(s)+0,(g) = CO(g) + 2055 AHE(AT)==111kJ - mol™

Energie bei chemischen Reaktionen

Dem Satz von Hess entsprechend stimmt die molare Reaktionsenthalpie fiir den Weg B mit der Summe der Enthalpiewerte fiir den Weg A tberein. Auf beiden Wegen hatdieinnere Energie des Systems um den gleichen

Betrag abgenommen (Abb. 2):

ArHR (B) = AHS, (A1) + AHE (A2)

==111kJ - mol™ +(~283 kJ - mol™) =-394kJ - mol™

Bildungsenthalpien aus Reaktionsenthalpien. Der Satz von Hess hilft ebenso bei der Berechnung der Bildungsenthalpie von Propan aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff. Die Bildungsenthalpie wird iber den Umweg der Verbrennung von Propan bestimmt. Bei der Verbrennung entstehen nur Stoffe mit bekannter Bildungsenthalpie:

C3Ha(g) +502(g) =3 CO2 (g) +4 H20 (I);

AHS, =-2220 kJ - mol™

Aus der experimentell ermittelten Enthalpie der Verbrennungsreaktion und den molaren Bildungsenthalpien der Produkte ergibt sich die Standardbildungsenthalpie von Propan nach dem Satz von Hess (Abb. 3):

DgHr, (C3Hg) =3 - Ay, (COZ) +4 - Aty (H70) - Ak, =(~1182-1144+2220) kJ - mol”! =-106kJ

- mol™

Wiirde man ein Mol Propan direkt aus den Elementen herstellen kdnnen, verringerte sich der Betrag der inneren Energie des reagierenden Systems um 106 kJ.

AHinkJ

+ mol

3 ArHA(CO2)=-1182k) +mol”'|

3C(Graphit), 4 Hy(g), 5 05(g)

wie der Wert iiber den Satz von Hess ermittelt wird.

| AHA(CO,)=

_ [ 394 kJ + mol”'

3C0,(g), 2(8), 4H,0(1 4 H20(1)

-

4

LAHO(H0)=

}

286 kJ - mol

1

\

Partner A: Anwendung des Satzes von Hess am Beispiel

Octan.

b) Stellen Sie sich gegenseitig Ihre Ergebnisse vor und benennen Sie die Gemeinsamkeiten der Wege.

Reaktion beteiligten Stoffe, also aller Edukte und aller

Produkte. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes die folgende Beziehung:

gilt

dardreaktionsenthalpien und Standardbildungsenthalpien.

Berechnung der molaren Standardreaktionsenthalpie fiir die Verbrennung von Octan Reaktionsgleichung:

CaHig(1) +12,5 O2(g) =8 CO,(g) +9 H,O(1) Satz von HESs:

DHS, = SAHS, (Produkte) - ZAHS, (Edukte)

DHR, =[8 Ar (COZ) +9 - Ay, (H2O)] = [BH7, (CaH38)+ 12,5 - Ar (O2)] =[8 - (-394 kJ + mol”')+9-(-286 kJ - mol™)] - [-251 kJ + mol +0 kJ + mol”'] =-5475kJ - mol”

Die molare Standardreaktionsenthalpie für die

Verbrennung von Octan beträgt 5,5 - 10*kJ - mol™.

enthalpie fiir folgende Reaktionen:

Partner A: 4 g Natriumhydroxidplatzchen werden in 50 ml Wasser gelést. Zu dieser Lésung gibt man 50 ml

Salzsaure (c=2mol - [").

Partner B: 4 g Natriumhydroxidplatzchen werden in

100 ml Salzsäure (c=1 mol - 1”) gelöst.

a) Zeichnen Sie die Strukturformel eines Harnstoff-Mo-

Die Reaktionsenthalpie ist demnach die Differenz zwischen der Summe der Bildungsenthalpien der Pro-

Der Satz von Hess ermaglicht die Berechnung von Stan-

a) #2 Berechnen Sie die molare Standardreaktions-

b) Vergleichen Sie die Ergebnisse.

AHS, =3 MHS, (Produkte) - SAHY, (Edukte)

der Bildungsenthalpien

Partner B: Bestimmung einer Bildungsenthalpie aus Reaktionsenthalpien am Beispiel der Propanbildung. Partner C: Bestimmung einer Reaktionsenthalpie aus

8ildungsenthalpien am Beispiel der Verbrennung von

Reaktionsenthalpien aus Bildungsenthalpien. Umgekehrt lasst sich die molare Reaktionsenthalpie bei Standardbedingungen berechnen. Dazu bendtigt man die molaren Standardbildungsenthalpien aller an einer

der Summe

a) e} Erlautern Sie den Satz von der Erhaltung der Energie an folgenden Beispielen:

derBildung von CO,.

1

ADr 3 Standardbildungsenthalpie A3, von Propan

dukte und Edukte.

Die molare Bildungsenthalpie von Kohlenstoffmonooxid |asst sich nicht kalorimetrisch bestimmen. Erlautern Sie,

A¢HY(C5Hg) =-106kJ - mol ™!

AHS=-2220kJ - mol ™!

1

der

leküls (CO(NH2),). b) E

Berechnen Sie die molare Standardbildungsen-

thalpie von Harnstoff. Nutzen Sie dazu die tabellierten Werte aus Abb. 1 und folgende Reaktionsgleichung:

CO(NH2)2(S) + 1,5 02 (8) > CO2 (g) +2 H20(l) + N2(g);

AHS,=-632kJ - mol™

[0 Berechnen Sie die molare Standardreaktionsenthalpie fir die Redoxreaktion, die ablauft, wenn man

einen Zinknagel in eine Kupfersulfatlosung eintaucht.

< Natrium und Chlor reagieren in einer stark exother-

men Reaktion zu Kochsalz (Natriumchlorid, NaCl). Pro Mol Kochsalz wird die Standardreaktionsenthalpie AH=-413kJ frei. Ein MaR fiir die zwischen den gebildeten lonen wirkenden Anziehungskrafte ist die Gitterenthalpie. Die Gitterenthalpie kann nur indirekt tiber

die Reaktionsenthalpie bestimmt werden. Man zerlegt

dazu die Bildung des Salzes aus den Elementen in fiinf gedachte Teilschritte.

1.Na(s)—Na(g)

Sublimation

3. Na (g) > Na*(g) +e”

lonisation

2.Cly(g)—2Cl(g)

4.Cl(g)+e—>Cl(g)

Bindungsspaltung

5.Na*(g)+Cl'(g) > NaCl(s)

Elektronenaufnahme

Gitterbildung

Die Reaktionsenthalpien fiir die ersten vier Teilschritte lassen sich aus tabellierten Werten (Abb. 1) ermitteln. a) Bestimmen Sie die molare Gitterenthalpie fiir die Bil-

dung des Natriumchloridgitters. b) Zeichnen Sie die einzelnen Teilschritte und die dafiir umgesetzten Energien in ein Energiediagramm.

Energie bei chemischen Reaktionen

33

Praktikum

Bestimmung von Reaktionsenthalpien

1 Ein einfaches Kalorimeter im Selbstbau

Versuche in einem einfachen Kalorimeter

Ein kostengiinstiges Kalorimeter ist schnell selbst gebaut. Dazu stellt man einen Kunststoffbecher in

ein hohes Becherglas (Abb. 1). Die Luftschicht zwi-

schen den beiden GeféRen isoliert hinreichend gut;

zudem ist die Apparatur standfest. Vor der Messung miissen alle beteiligten Stoffe die-

selbe Starttemperatur aufweisen - beispielsweise

Zimmertemperatur. Bei der Reaktion einer Losung mit einer weiteren Lésung oder einem Feststoff gibt man die erste Lésung direkt in den Kunststoffbecher. Sie muss standig gut verriihrt werden. Das Thermometer taucht in die Lésung ein. Die Temperaturmessung startet etwa 30 s bevor die zweite Lésung oder

der Feststoff hinzugegeben werden. (Abb. 1 (D).

Untersucht man die Reaktionsenthalpie zweier Feststoffe, werden beide Stoffe in ein Reagenzglas gegeben. In das Kalorimeter wird ein bestimmtes Volumen Wasser gefiillt und standig umgerdihrt. Das Reagenzglas wird so in das Kalorimeter eingetaucht, dass der Reaktionsraum vollstéandig von Wasser umgeben ist (Abb. 1 ). Das Thermometer taucht in das Wasser im Kalorimeter ein. Die Temperaturmessung beginnt auch hier etwa 30 s bevor die Reaktion durch Zufuhr von Aktivierungsenergie gestartet wird. Auswertung eines Zeit-Temperatur-Diagramms Wird in einem Kalorimeter eine exotherme Reaktion untersucht, erwarmt sich nach dem Start der Reak-

tion das Wasser oder die Losung im Kalorimeter zunachst schnell. AnschlieBend sinkt die Temperatur langsam, da Warme in die Umgebung stromt. Abb. 2 zeigt den typischen Verlauf eines Zeit-TemperaturDiagramms fiir eine exotherme Reaktion.

Energie bei chemischen Reaktionen

tin min

2 Zeit-Temperatur-Diagramm

Die durch die Reaktion verursachte Temperaturanderung AT wird ermittelt, indem zunachst der Tem-

peraturverlauf vor der Reaktion (Abb. 2(@) und der

Verlauf nach der Reaktion ) durch zwei Ausgleichsgeraden extrapoliert wird. AnschlieRend wird eine senkrechte Gerade so eingezeichnet, dass die von der Temperaturkurve und den Geraden eingeschlossenen Flachen A und B gleich groR sind. An den Schnittpunkten der senkrechten Gerade mit den extrapolierten Geraden @ und @ lässt sich die Tempe-

raturänderung AT ablesen.

Bei endothermen Reaktionen verläuft das Verfahren

zur Bestimmung der Temperaturdifferenz ebenso.

Hier nimmt jedoch die Temperatur des Wassers ab, so dass die Kurve horizontal gespiegelt zum Verlauf inAbb. 2 ist.

Versuch 1: Bildungsenthalpie

=

@@W

A

m

Materialien: Kalorimeter wie in Abb. 1, Digitalthermometer, Stoppuhr, Eisennagel, Waage, Gasbrenner;

Gemisch aus Eisenpulver (2) und Schwefelpulver (7)

im Massenverhältnis7 : 4

Hinweis: Das Eisenpulver und das Schwefelpulver

müssen vor dem Vermischen getrocknet werden.

Durchführung: 1. Wiegen Sie etwa 3 g des Gemisches genau ab und fiillen es in ein Reagenzglas. Stellen Sie das Reagenzglas in ein Kalorimeter mit 100 ml Wasser.

2. Messen Sie die Temperatur alle 10 Sekunden.

Nach etwa 30 s starten Sie die Reaktion. Erhitzen

Sie dazu den Eisennagel mit einer Tiegelzange in der Brennerflamme bis er gliiht. Halten Sie den gliihenden Nagel kurz in das Reaktionsgemisch. Messen Sie den Temperaturverlauf. Aufgaben: a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf. b) Zeichnen Sie die Messwerte in ein Zeit-Temperatur-Diagramm. Werten Sie das Diagramm aus und

berechnen Sie die molare Bildungsenthalpie.

Forschungsauftrag 1:

Reaktionsenthalpien

: : 2 S

[2)1)

‘s

5

vor.

=

: :

D

|2]

Ziel der Versuche ist die Bestimmung von molaren Reaktionsenthalpien A,H. Dazu erstellt Gruppe Aeine Anleitung zur Bestimmung einer Lösungsenthalpie und Gruppe B eine Anleitung zur Bestimmung der Reaktionsenthalpie einer Redoxreaktion. mogliche Materialien: selbstgebautes Kalorimeter, Digitalthermometer, Waage, Becherglaser, Stoppuhr;

Gruppe A: Natriumchlorid, Ammoniumchlorid (7), Calciumchlorid (CaCl, - 6 H,0; 7),

Natriumhydroxid (5),

Gruppe B: Kupfersulfatlésung (0,1 mol - [''; 7,9), Silbernitratlosung (0,1 mol 7 9), Kupferpulver (2,9), Zinkpulver (stabilisiert, 9) Aufgaben:

a) Erstellen Sie fiir Ihre Gruppe eine Anleitung zur

Bestimmung einer molaren Reaktionsenthalpie. Hinweis: Machen Sie sinnvolle und genaue Vorgaben zur eingesetzten Stoffmenge und zu den Messzeiten. Eine Anleitung zur Auswertung der

Messdaten muss ebenfalls erstellt werden.

d) Notieren Sie die Messwerte und erstellen Sie ein Zeit-Temperatur-Diagramm. €) Stellen Sie die Reaktionsgleichungen auf. f) Werten Sie das Diagramm aus und berechnen Sie die molaren Reaktionsenthalpien. g) Berechnen Sie die molaren Reaktionsenthalpien aus den molaren Bildungsenthalpien und vergleichen Sie mit den berechneten Werten aus f). Hinweis: Nutzen Sie die Tabelle Thermodynamische Daten im Anhang des Buches. h) Stellen Sie der anderen Gruppe Ihre Ergebnisse

b) =7l Kontrollieren Sie die Anleitung mithilfe der Check-Karte. Bei Abweichungen fragen Sie die Lehrkraft, ob der Versuch nach Ihrer Anleitung durchgefiihrt werden darf. c) Tauschen Sie die Anleitungen zwischen den Gruppen aus. GruppeA fiihrt die experimentelle Bestimmung der Reaktionsenthalpie anhand der von Gruppe B erstellten Anleitung durch und umgekehrt.

Forschungsauftrag 2:

Neutralisationsenthalpie

Q@b

Reaktionen von sauren mit alkalischen Losungen sind exotherm. Der Temperaturanstieg wahrend der

Reaktion ist manchmal kaum merklich und manch-

mal so groR, dass man das heif8 gewordene ReaktionsgefaR kaum anfassen mag. Welche Faktoren haben einen Einfluss auf den Temperaturanstieg und damit auf die Neutralisationsenthalpie? Gibt es eine RegelmaRigkeit, sodass man die Neutralisationsenthalpie bei unterschiedlichen sauren und alkalischen Lésungen vorhersagen kann? mdgliche Materialien: selbstgebautes Kalorimeter, Digitalthermometer, Waage, Becherglaser,

Stoppuhr;

unterschiedliche verdiinnte saure und alkalische

Lösungen (Cmax=2 mol + 17'; 5, 7)

Aufgaben: a) Beantworten Sie die Fragen aus dem Einstiegstext. Stellen Sie dazu zunächst Hypothesen auf.

Unterscheiden Sie deutlich zwischen der auf-

gestellten Hypothese und deren Begründung,

der darauf abgestimmten Versuchsplanung und Durchführung sowie der aus den Versuchsbeob-

achtungen abgeleiteten Erkenntnisse im Hinblick auf die Hypothesen und Fragestellungen. b) &1l Kontrollieren Sie lhre selbst erstellte Versuchsanleitung mithilfe der Check-Karte. Bei

Abweichungen fragen Sie die Lehrkraft, ob Ihre

Anleitung so durchgefiihrt werden darf. c) Stellen Sie Ihre Arbeit und die Antworten auf die Problemfragen Ihren Mitschiilerinnen und Mit-

schiilern vor.

Energie bei chemischen Reaktionen

35

1.5 Die Entropie ist die zweite Triebkraft für Reaktionen 200

1 Das Lésen von Ammoniumchlorid verlduft endotherm.

2 Entropiezunahme beim Erwdrmen von Wasser

Sehr viele freiwillig ablaufende chemische Reaktionen

Entropiezunahme. Werden bei chemischen Reaktionen mehr Teilchen gebildet oder entstehen Gase als Produkte, erfolgt eine Entropiezunahme. So verbrennt Propan in einer exothermen Reaktion zu Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid:

sind exotherm.

Die Beobachtung,

dass bei all diesen

Reaktionen Energie in die Umgebung freigesetzt wird, fassten Chemiker des 19. Jahrhunderts zu folgender Hypothese zusammen: ,,Die bei einer chemischen Reaktion

freiwerdende Wdrmemenge und die Bestdndigkeit der bei diesen Reaktionen sich spontan bildenden Produkte

sind ein MaR fiir die chemische Affinität.“

Entropie. Die Reaktionsenthalpie wére demnach das alleinige MaR fiir die Affinität oder Triebkraft einer chemischen Reaktion. Das wiirde bedeuten: Nur exotherme Reaktionen laufen freiwillig ab, endotherme Reakti-

onen jedoch nicht. Dieser Auffassung wurde lange nicht widersprochen, obwohl freiwillig ablaufende endotherme Vorgange seit Jahrhunderten bekannt waren. Beispielsweise l6sen sich Salze wie Ammoniumchlorid

oder Kaliumnitrat unter Abkiihlung in Wasser (Abb. 1).

Mit Kéltemischungen aus Kochsalz und Eis werden sogar Temperaturen von - 21 °C erreicht. Diese Mischungen nutzte man friiher fiir die Herstellung von Speiseeis;

sich endotherm |6sende Salze findet man in Kiihlpacks. Auch bei physikalischen Vorgangen konnen die Beobachtungen nicht allein mit Enthalpieanderungen begriindet werden. So beobachtet man ein Ausgleichen der Temperaturen, wenn zwei GefaRe mit heiem und kaltem Wasser in Kontakt gebracht werden. Oder ein Gas, wie Wasserstoff, nimmt immer den gesamten ihm

zur Verfigung stehenden

Raum

ein. VergroRert man

diesen Raum, verteilen sich die Teilchen des Gases re-

gellos auch liber das zusatzliche Volumen. Neben der Enthalpie muss es folglich noch eine zweite Triebkraft fiir chemische Reaktionen geben. Der deutsche Physiker Rudolf CLAusIUs prégte dafiir den Begriff Entropie (GréBensymbol S). Fiir die Entropie gilt im Gegensatz zur Energie kein Erhaltungssatz.

36

SinJK" mol™

Energie bei chemischen Reaktionen

C3Hg(g) +502(g) 3 CO, (g) +4H,0(g);

AH, =-2220 kJ - mol™

Neben der Energieabgabe sorgt die Entropiezunahme dafiir, dass diese Reaktion freiwillig ablauft. Enthalpie und

Entropie sind also gemeinsam

die Triebkrifte fiir

chemische Reaktionen.

Mit der Entropie kann auch erklart werden, warum das endotherme Lsen von Ammoniumchlorid in Wasser freiwillig ablauft. Die Salzkristalle zerteilten sich beim

Losen in viele Anionen und Kationen. Die lonen vertei-

len sich regellos zwischen den H,0-Molekiilen. Dieser Vorgang fiihrt zu einer Erhohung der Teilchenzahl und somit zu einer Erhéhung der Entropie. Verdampft man das Wasser aus der Ammoniumchlorid16sung, bleibt letztlich festes Ammoniumchlorid zuriick.

Bei dieser Umkehrung des Losevorgangs verringert sich durch die Bildung des Ammoniumchloridkristalls die Teilchenzahl. Die Entropie nimmt fiir diesen Vorgang

ab. Demgegentiber stehen aber zwei Vorgénge, bei de-

nen die Entropie stark zunimmt. Zum einen benétigt man Energie zum Verdampfen des Wassers. Sie stammt beispielsweise aus der Verbrennung von Propangas. Bei dieser chemischen Reaktion steigt die Entropie an, da sich mehr und gasférmige Produkte bilden. Weiterhin nimmt der Wasserdampf nach dem Verdampfen einen viel groBeren Raum ein als das Wasserin der Losung. Im gesamten System aus Salzkristall und Umgebung hat die Entropie letztlich zugenommen.

ASgesame = ASsystem * ASumgebungs ASgesame=0J - K

Elemente

ClGraph) C(Diamant)

Cu(s)

S%in

Verbin-

+K?

lonen

J-mol” dungen/

6 2

33

CaCOs(s) CaO(s)

131 CHylg) 116 — CO2(g) 261 Cl(ag)

0,(g)

205

O3(g)

S(rhomb.)

192

CuS(s)

239

HCl(g)

32

Fe*(aq)

Verbin-

J-mol™ dungen/

"

93 40

Ca*(aq) - 53

Ha(g) h(s) h(g)

N2(g)

S%in

186 214 57 121

-138

187

C0% (ag)- 57

lonen

S% in

J-mol™

H,0() HO(g)

70 189

NHCl(s) NHa*(aq) NO(g)

95 113 211

Mg*(aqg) -138

NO,(g)

240

NHz(g)

192

NOs(g)

OH”(aq)

304

- 11

3 Molare Standardentropien (p=1000 hPa, T=298 K) Eine Abnahme der Entropie kann somit nur lokal beobachtet werden und fiihrt zwangslaufig zu einer Erhohungan einem anderen Ort. Zusammengefasst werden diese Erfahrungen in der Formulierung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik: Die Entropie eines abgeschlos-

senen Systems nimmt zu oder bleibt gleich: AS=0J - K.

Berechnung von Reaktionsentropien. Im Gegensatz zur Enthalpie lassen sich Entropiewerte absolut bestimmen. Alle Stoffe haben bei der Temperatur T=0 K die geringste Entropie. Beispielsweise kommt die Bewegung der H,0-Molekiile im Eis in diesem idealisierten Zustand zum Stillstand. Diesem Zustand wird der Entropie der Wert $=0J - K™ zugeordnet (Abb.2 (D). Wird das Eis erwarmt, beginnen die H,0-Molekiile an ihren festen Gitterplatzen zu schwingen: Die Entropie nimmt zu. Bei der Schmelztemperatur von 273 K kommt es zu einem En-

tropiesprung (Abb.2(@), da die Wasser-Molekiile bei der Anderung des Aggregatzustands ihre Gitterplatze verlassen. Beim Ubergang zum gasférmigen Aggregatzustand verteilen sich die Molekiile véllig regellos im Raum. Die

Entropie steigt nochmals sprunghaft an (Abb.2 3)).

a) Recherchieren Sie den 1. Hauptsatz der Thermodynamik. b) Erlautern Sie die Bedeutung der beiden Hauptsatze der Thermodynamik fiir chemische Reaktionen. Y

Partner A: Ein Salz wird gelost; Partner B: Zwei glei-

che Volumina mit unterschiedlichen Gasen werden

zusammengebracht; Partner C: Zwei unterschiedlich warme Stoffe werden gemischt; Partner D: Wasser wird

elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. a) Skizzieren Sie eine Vorstellung, mit der die Zunahme

der Entropie bei dem Vorgang erklart wird. b) Stellen Sie Ihre Ergebnisse den Lernpartnern vor.

c) Skizzieren Sie ein gemeinsames Modell zur anschau-

lichen Erklarung des Begriffs Entropie. d)[=JInvielen Lehrbiichern findet man die Aussage: ,, Die Entropie ist ein MaR fiir die Unordnung eines Sys-

tems.“ Nehmen Sie zu dieser Aussage Stellung, Beachten Sie dabei die Ergebnisse der Austauschphase. Beim Abkiihlen eines Gasgemisches aus Distickstoff-

tetraoxid (N,O4) und Stickstoffdioxid (NO,) bildet sich vermehrt Distickstofftetraoxid.

a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf.

b) =7 Beim Abkiihlen verringert sich die Entropie im

Gasgemisch. Erklaren Sie, warum der 2. Hauptsatz der

Thermodynamik dennoch nicht verletzt wird.

a) 8 Schatzen Sie die Entropieanderung ab und besté-

tigen Sie durch Berechnung.

PartnerA: 2 Cu(s)+S(s) = CuS(s)

2H,(g)+02(g) >2 H20(l) Partner B: CHa(g)+2 O2 (g) —& CO2(g) + 2 H20 (g) NH4Cl(s) 255°, NH4* (aq) + C” (aq)

b) Stellen Sie Ihrem Lernpartner Ihre Ergebnisse vor und erklären Sie gemeinsam die Entropieänderungen. c) Erstellen Sie weitere Aufgaben fiir Ihren Lernpartner.

Eine Brausetablette 6st sich in einem endothermen Vorgang in Wasser. Dabei bildet sich in der L6sung Kohlensaure und die Losung kiihlt ab. Die Kohlensaure perlt zu einem grofen Teil als Kohlenstoffdioxid aus.

Die Entropieanderung bei einer chemischen Reaktion wird aus den Entropiewerten der beteiligten Stoffe bestimmt. Entropiewerte werden als molare Standard-

entropien SY, tabelliert (Abb.3). Die molare Standard-

reaktionsentropie A, S, ergibt sich aus der Differenz der

Entropien der Produkte und Edukte:

ASS, =355 (Produkte) - 355 (Edukte)

Die Zunahme der Entropie ist- neben der Abnahme der Enthalpie - die zweite Triebkraft fiir eine chemische Reaktion. In einem geschlossenen System kann die Entropie nur zunehmen oder gleichbleiben.

Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf und erklaren Sie

damit die Entropiezunahme bei diesem Vorgang,

Energie bei chemischen Reaktionen

37

Praktikum

Endotherme Reaktionen

Forschungsauftrag 1: Kältepackung

Versuch 1: Endotherme Feststoffreaktion

©On

Materialien: Erlenmeyerkolben (100 ml, weit), Holzbrett, Thermometer, Stopfen, grofter Kunststoffl6ffel, Universalindikatorpapier; Bariumhydroxid-Octahydrat (Ba(OH), - 8 H,0;5, 7), Ammoniumthiocyanat (NH,SCN; 5, 7) Durchfiihrung: 1. Geben Sie je zwei Loffel Bariumhydroxid und Ammoniumthiocyanat in den Erlenmeyerkolben. VerschlieRen Sie den Kolben mit dem Stopfen und

durchmischen Sie die Salze durch Schiitteln.

2. Stellen Sie den Kolben in eine Wasserpfiitze auf

Um die Schmerzen bei leichten Blessuren zu lindern

nutzt man gerne ein Kältepackung oder Kühlpack. So eine Kältpackung kann man selbst herstellen. mögliche Materialien: übliche Laborgeräte, Kunststoffbeutel;

Natriumchlorid, Ammoniumchlorid (7), Calciumchlorid (wasserfrei, 7) Aufgaben:

das Holzbrett. Heben Sie den Kolben nach einer kurzen Wartezeit hoch. 3. Priifen Sie den Gasraum im Kolben mit einem feuchten Universalindikatorpapier und messen Sie die Temperatur.

Aufgaben: a) Notieren Sie Ihre Beobachtungen.

b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf. c) Erklaren Sie den spontanen Ablauf der Reaktion.

a) Planen Sie einen Versuch zur Herstellung einer

Kältepackung. Fertigen Sie eine Anleitung an. b) E Kontrollieren Sie die Anleitung mithilfe der Check-Karte. Bei Abweichungen fragen Sie die Lehrkraft, ob Ihre Anleitung so durchgeführt wer-

den darf.

c) Führen Sie die Anleitung durch und protokollieren Sie das Ergebnis. d) Optimieren Sie die Anleitung und die Durchführung, indem Sie beispielsweise andere Salze

verwenden.

e) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen und

begründen Sie den endothermen Verlauf des Vorgangs. f) Erstellen Sie eine Skizze auf Teilchenebene, mit der Sie die Zunahme der Entropie in dem System

verdeutlichen. g) Bereiten Sie die Ergebnisse fiir eine Prasentation auf. h) % Es gibt auch Wärmepackungen, bei denen durch chemische Reaktionen Wärme freigesetzt wird, Recherchieren Sie eine Möglichkeit und

erläutern Sie an diesem Beispiel die zugrundeliegende chemische Reaktion.

38

Energie bei chemischen Reaktionen

Versuch 2:

Endotherme Gasbildung

Q

Materialien: Becherglas (200 ml), Thermometer

(1/10°C), Messzylinder (50 ml);

Kaliumhydrogencarbonatlösung (2 mol + 1””), Calciumchloridlösung(1 mol + 1”'; 7)

Hinweis: Die Lösungen am Vortag ansetzen, damit sie auf Raumtemperatur abkühlen können. Durchführung: 1. Geben Sie 20 ml der Kaliumhydrogencarbonatlösung in das Becherglas. 2. Geben Sie 20 ml Calciumchloridlösung dazu und messen Sie etwa 1 Minute lang die Temperatur.

Aufgaben: a) Notieren Sie Ihre Beobachtungen. b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf. ) Erkléren Sie, dass die Reaktion freiwillig ablauft,

obwohl sie endotherm ist.

1.6 Entropie und Wahrscheinlichkeit Bromdampf

Hahn geschlossen

Anzahl Realisierungsméglichkeiten Q

Stickstoff L

Anzahl Teilchen N

2

Alle Teilchenin Kugel 1

00

4

beiden Kugeln

00,002

1

10

1

6-10%

1

100

Gleich viele Teilchen in

6

252

1

=102

=10

Formel zur Berechnung der Realisierungsmaéglichkeiten:

N Q=R

Nist die Gesamtanzahl der Teilchen; N; die Teilchenanzahl

in Kugel 1 und N, die Teilchenanzahl in Kugel 2. 1 Gase verteilen sich gleichmdRBig auf verbundene Behdlter.

2 Mikroskopische Verteilung der Teilchen

Prozesse, bei denen die Entropie zunimmt, finden nicht

eine ungleiche Verteilung der Teilchenzahlen. Ludwig BoLtzMANN verkniipfte diesen statistischen Ansatz mit der Entropie eines Systems. Der natiirliche Logarithmus der Anzahl der Realisierungsmaéglichkeiten multipliziert mit der Boltzmann-Konstante k ergibt die Entropie des zugehdrigen Makrozustands:

nur beichemischen Reaktionen statt. Ein Beispiel fiir einen physikalischen Prozess, bei dem die Entropie zunimmt, ist der folgende Versuch: Zwei Glaskugeln sind iiber einen geschlossenen Hahn miteinander verbun-

den (Abb.1). Die eine Kugel enthélt Bromdampf, die

zweite Stickstoff. Offnet man

den

Hahn,

beobachtet

man schlieBlich eine Abnahme der Braunfarbung in Kugel@ und eine Zunahme in Kugel @, bis beide Farbun-

gen gleich intensiv sind.

Betrachtung auf der Teilchenebene. Zur Erklérung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik wenden wir

S=k-InQ;

k=1,3807-10%J-K"

Ein einfaches Rechenbeispiel liefert die Entropie eines idealen Kristalls bei T= 0 K. Es gibt nur eine Realisierungsmoglichkeit, sodass S=k- In1=0J- K ergibt. Die Entropie gibt als statistische GroRe die Wahrscheinlichkeit fiir den Makrozustand eines Systems an.

den Blick auf die Teilchen in einem abgeschlossenen System. Vor dem Offnen des Hahns befinden sich alle Brp-Molekiile in Kugel @, wahrend in Kugel @ zunachst

keine Bry-Molekiile sind. Nach dem Offnen Br,-Molekiile in beiden Kugeln gleich verteilt. Nehmen

sind

die 1

wir zunéchst einmal an, dass sich in Kugel @

vier Bry-Molekiile befinden. Nach dem Offnen des Hahns gibt es fiinf unterschiedliche Verteilungen (Makrozustande) der Br,-Molekiile auf die Kugeln: @000,

0000, 0000, 0000, BVO.

Makrozustands erklart werden kénnen. 2

Fir den ersten

b) PartnerA: 8 / 32 Teilchen; Partner B: 16 / 64 Teilchen;

Berechnen Sie die Realisierungsmoglichkeiten bei Gleichverteilung der Bry-Molekiile auf zwei Behlter.

¢) Berechnen Sie jeweils die Entropie des Systems.

d) Vergleichen Sie die Ergebnisse und erstellen Sie eine

scheinlicher als die Verteilung, bei der alle Teilchen in

Prognose fiir die Realisierungsmaéglichkeiten und die

einer Kugel sind. bei 100 Br,-Molekiilen wird

a)# Partner A: fiinf Brp-Molekiile; Partner B: sechs Bry-Molekiile; Zeichnen Sie alle Realisierungsmoglichkeiten fiir die Verteilung der Brp-Molekiile auf zwei Glas-

kugeln. Bestétigen Sie damit die Aussagen des Textes.

und letzten Makrozustand gibt es jeweils nur eine Realisierungsmaglichkeit (Q = 1). Fir die gleichmaRige Verteilung @O gibt es sechs Realisierungsmoglichkeiten (Q = 6) (Abb.2). Am héufigsten wird man demnach die Gleichverteilung beobachten, sie ist sechsmal wahr-

Schon

Geben Sie weitere Prozesse an, bei denen die Entropie zunimmt und die mit der Wahrscheinlichkeit des

Entropie bei groRer werdenden Teilchenzahlen.

bei der Gleichver-

teilung die Anzahl an Realisierungsmoglichkeiten

rie-

sig, sie betragt etwa 10%. Bei chemischen Reaktionen

werden haufig Teilchenzahlen in der GréBenordnung von 10% Teilchen umgesetzt. Die Wahrscheinlichkeit fiir die Gleichverteilung ist dabei extrem viel groRer als fiir

3

Q Berechnen Sie Realisierungsmöglichkeiten für eine leichte Ungleichverteilung von 100 Br,-Molekiilen auf zwei Glaskugeln. Bewerten Sie die Aussage: ,Ein Mensch wird niemals beobachten, dass eine Glaskugel

intensiv braun und die zweite farblos erscheint.

Energie bei chemischen Reaktionen

1.7 Enthalpie und Entropie wirken zusammen

m

T=298K

AHS =-3244kJ - mol ™!

T=1200K

A,H9=206kJ : mol

4

A,H9 =206kJ+mol”' -T+A;Sm=-259kJ + mol”'

64 kJ - mol”'

T-D,S%

=-92kJ + mol”'

2,68 =142kJ - mol

3336 kJ + mol

A,GY =-45kJ + mol ”

1 Die Verbrennung von Pentan verléuft freiwillig (4,G < 0).

2 Die Temperatur beeinflusst die Reaktionsrichtung.

Wasserstoff und Sauerstoff reagieren nach kurzem Anziinden heftig zu Wasser. Diese Knallgasreaktion lauft freiwillig ab. Die Riickbildung der Elemente muss hingegen erzwungen werden. In welche Richtung eine Reaktion unter bestimmten Bedingungen in einem ab-

Gegenlaufige Wirkung. Im dritten und vierten Fall wirken Enthalpiedanderung und Entropieanderung gegeneinander. Hier hat die Temperatur einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf der Reaktion.

geschlossenen

System

Triebkrafte bestimmt: die Entropieanderung. lierte Hermann

ablauft,

wird

durch

die zwei

die Enthalpiednderung und Ihr Zusammenwirken formu-

ULicH so: ,Alles natiirliche Geschehen

wird regiert einerseits von dem Bestreben nach Abnah-

Fall 3: Bei der Dampfreformierung wird nach folgender Reaktionsgleichung bei hohen Temperaturen groRtechnisch Wasserstoff fiir die chemische Industrie erzeugt.

CHa(g) + H20 (g) > CO (g) +3 H2 (g);

A;H9, =+206 kJ + mol

me der Enthalpie, andererseits nach Zunahme der En-

tropie® Dieses Zusammenwirken wurde von dem amerikanischen Physiker Josiah Willard Giess und dem deutschen Mediziner und Physiker Hermann von HELMHoLTZ unabhéngig voneinander in den 1870er Jahren erforscht. Man unterscheidet vier grundlegende Falle. Gleichsinnige Wirkung. In zwei Fallen wirken Entropieanderung und Enthalpiednderung in die gleiche Richtung. Im einen Fallist die Reaktion auf jeden Fall freiwillig, in dem anderen immer erzwungen. Fall 1: Die Verbrennung von

Pentan

ist exotherm, die

Teilchenzahl nimmt zu und es entstehen Gase (Abb. 1).

nahme der Enthalpie (AH > 0) geprägt. Bei hohen Temperaturen überwiegt der Einfluss der Entropiezunahme

und die Produkte werden gebildet (Abb. 2).

Fall 4: Distickstofftetraoxid (N,O4) bildet sich nach der

folgenden exothermen Reaktion (AH < 0):

2NO,(g) = NyO4(g);

AHS, =-57kJ - mol”

Obwohl durch die Verringerung der Teilchenzahl die En-

tropie bei dieser Reaktion abnimmt (AS < 0), bildet sich

Cshhiz(1) +80,(g) = 5 CO,(g) + 6 H;0 (g);

bei tiefen Temperaturen Distickstofftetraoxid. Der Einfluss der Enthalpieabnahme Giberwiegt bei tiefen Tem-

Die Enthalpie nimmt ab (AH < 0) und die Entropie nimmt

Freie

AH, =-3509kJ - mol™

zu (AS > 0). Beides unterstiitzt den Ablauf der chemischen Reaktion, die Reaktion verlauft also freiwillig. Fall 2: Die Fotosynthese ist eine erzwungene Reaktion. Ein Blick auf die vereinfachte Reaktionsgleichung der Bildung von Glucose zeigt, hier liegt eine Zunahme

der Enthalpie (AH > 0) und eine Abnahme der Entropie (AS < 0) vor. Die Teilchenzahl nimmt zudem ab.

6CO2(g) + 6 H20 (!) —& CeH 1206 (aq) + 6 O2 (g);

A,H9, =+2803 kJ - mol”

40

Die Richtung der chemischen Reaktion wird durch die Konkurrenz von Entropiezunahme (AS > 0) und der Zu-

Energie bei chemischen Reaktionen

peraturen.

Reaktionsenthalpie.

Ob

nun

eine

chemische

Reaktion freiwillig ablauft oder nicht, lasst sich mithilfe der GisBs-HELMHOLTZ-Gleichung abschatzen. In ihr wird der Einfluss der beiden Triebkréfte bei der betrach-

teten Temperatur zusammengefasst (Abb. 1, Abb. 2):

AG=DH-T-AS AG wird als freie Reaktionsenthalpie bezeichnet. Nimmt bei einer chemischen Reaktion die Enthalpie ab und die Entropie zu, wird A,G < 0. Solche Reaktionen

laufen freiwillig ab (Fall 1, Abb. 1). Bei Enthalpiezunah-

me und Entropieabnahme ist A,G > 0. Die Reaktion lauft

nicht freiwillig ab (Fall 2). Wirken Enthalpiednderung und Energieanderung gegenlaufig, so tiberwiegt bei hohen Temperaturen der Einfluss der Entropie, bei tiefen Temperaturen der Einfluss der Enthalpie (Abb.2, Félle 3 und 4).

Skizzieren Sie das Zusammenwirken der beiden Trieb-

Berechnung von 4,G}%-Werten. Bei einfachen Berechnungen stützt man sich meist auf die Formulierung mit den entsprechenden molaren Größen für den Stan-

peratur und die molare freie Standard-

dardzustand:

BGE = A

- T+ S

Einheit: kJ - mol™

Fiir eine Reaktionstemperatur von 298 K kann die mola-

re freie Standardreaktionsenthalpie A,GY, - analog zur

molaren Standardreaktionsenthalpie AHS, - direkt aus

tabellierten Werten fiir die molaren freien Standardbildungsenthalpien AGY, berechnet werden:

krafte fiir eine chemische Reaktion. Gehen Sie dabei auf die vier genannten Falle ein.

a) Ermitteln Sie die Werte fiir die molare

Standardreaktionsenthalpie, die molare

90

Standardreaktionsentropie bei Raumtem-

¢

reaktionsenthalpie aus dem Diagramm. b) Zeichnen Sie ein Enthalpiediagramm für

70 60

die Temperatur 1200 K.

50

c) Beurteilen Sie für beide Fälle, ob eine Reaktion stattfinden kann.

8 Partner A:BildungvoriGlicose beider

0

Partner B: Bildung von N,O4 aus NO,

10

Fotosynthese (A,S%,=-262 J - mol™ - K™,

20

(8,5%,=-176 - mol™ - K™).

a) Zeichnen Sie ein Enthalpiediagramm fiir

10

o

die molare freie Standardreaktionsenthal-

AHS,

pie. Gehen Sie von der Temperatur 298 K

Oft wird aber ein Wert fiir eine andere Temperatur benétigt. Man setzt dann die fiir 298 K ermittelten Werte der Reaktionsenthalpie (AHY,) und der Reaktionsentro-

aus. Nutzen Sie dazu Abb. 1 und 2.

-30

b) Stellen Sie gemeinsam eine Hypothese

-40:

für die Richtung der Reaktion auf.

diese Weise ergibt sich ein Naherungswert fiir A,GY, bei der betrachteten Temperatur T. Der Fehler ist meist zu vernachlassigen, da Bildungsenthalpien und Bildungs-

Ammoniak und Chlorwasserstoff gespalten.

entropien selbst nur wenig temperaturabhéngig sind.

Arn

40

AGY, =3 AGY, (Produkte) - ZAGS, (Edukte)

pie (ASS) in die GiBBs-HELMHOLTZ-Gleichung ein. Auf

4 EinkJ-mol-?

720

TB

c) Schätzen Sie die Wirkung einer

Temperaturänderung auf den Reaktionsablauf ab. 8& PartnerA: Ammoniumchlorid wird beim Erhitzen in Partner B: Die Bildung von Ozon (O3) aus Sauerstoff

verläuft endotherm.

Partner C: Die Ammoniaksynthese aus den Elementen

Metastabile Systeme. Mit der energetischen Betrachtung chemischer Reaktionen ldsst sich grundsatzlich

Stickstoff und Wasserstoff verläuft exotherm.

nur vorhersagen, ob eine chemische Reaktion ablaufen

auf und ermitteln Sie die Änderung von Enthalpie und

kann. Uber den zeitlichen Ablauf liefert sie dagegen keine Informationen. Viele Reaktionen laufen trotz negativer Werte fiir die freie Reaktionsenthalpie A,GS, nicht spontan ab, da die Reaktionsgeschwindigkeit praktisch Nullist. Ein Beispiel ist der langsam verlaufende Zerfall von Wasserstoffperoxid (H,0,) in Sauerstoffund Wasser:

Entropie. Ordnen Sie die Reaktion einem der Fälle zu.

H,0,(aq) = H,0(l) + %2 0,(g);

A,G% =-109kJ - mol™

Die Aktivierungsenergie ist so hoch, dass nur sehr we-

nige H,0,-Molekiile diese energetische Grenze iiberschreiten und zu Wasser und Sauerstoff reagieren. Metastabile Systeme, wie Wasserstoffperoxid, sind ener-

getisch gesehen instabil. Ihre Reaktionsgeschwindigkeit ist jedoch extrem gering.

a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung für Ihr Beispiel

b) Berechnen Sie die freie Standardreaktionsenthalpie 4,6% bei einer Temperatur von # = 1273 °C. c) Stellen Sie eine Hypothese auf, ob die Reaktion bei dieser Temperatur abläuft. d) Stellen Sie die Ergebnisse den Lernpartnern vor. Kalkbrennen ist die thermische Zersetzung von

Calciumcarbonat in Kohlenstoffdioxid und Calciumoxid, ein fiir die Bauindustrie wichtiger Prozess.

a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf.

b) Recherchieren Sie die praktische Bedeutung der Reaktion in der Bauindustrie.

) =7 Berechnen Sie die molare Standardreaktions-

enthalpie AH2, und die molare Standardreaktionsentropie AS,. Bestimmen Sie anschlieRend die

Temperatur, bei der die molare freie Standardreakti-

Mit der GiBBS-HELMHOLTZ-Gleichung lässt sich die freie Reaktionsenthalpie A,G berechnen. Ein negativer Wert von AG zeigt an, dass eine chemische Reaktion freiwil-

onsenthalpie A,GY, den Wert Null erreicht.

d) stellen Sie eine Hypothese mit einem geeigneten

Temperaturbereich fiir das Kalkbrennen auf.

lig ablaufen kann.

Energie bei chemischen Reaktionen

41

o

Basiswissen

Energie bei chemischen Reaktionen Im Falle einer exothermen Reaktion erhält der Wert für

1. Energie Beispiele für Energieformen: innere Energie, chemische Energie, Warmeenergie, Bewegungsenergie, ... Erster Hauptsatz der Thermodynamik Energie kann weder verbraucht noch neu geschaffen werden. Energie wird lediglich von einer Form in eine

andere gewandelt. Umwandlungen mithilfe einer Maschine werden Arbeit genannt. elektrische Energie

LED-Lampe

Lichtenergie Warmeenerg,

&

AH ein negatives Vorzeichen (AH < 0), denn das reagierende System verliert Energie an die Umgebung. Bei einer endothermen Reaktion nimmt das reagierende System Energie aus der Umgebung auf, der Wert für A,H erhält ein positives Vorzeichen (A,H > 0). b) Kalorimetrie Mithilfe der Kalorimetrie werden Reaktionsenthalpien experimentell bestimmt. Dabei wird eine bestimmte Masse Wasser durch die Reaktionswärme Q, erwärmt.

Die Temperaturdifferenz des Wassers ist dann ein Maß

für die Reaktionsenthalpie A,H:

AH=-Qr=-Cp M-AT;

c(Wasser)=4,18 J:g +K"

c) Molare Reaktionsenthalpie A,Hy

2. Systeme

offenes System: Energieaustausch und Stoffaustausch mit der Umgebung sind méglich. geschlossenes System: Energieaustausch mit der Umgebung ist moglich, Stoffaustausch nicht. isoliertes System: Energieaustausch und Stoffaustausch mit der Umgebung sind nicht moglich.

Polystyrolschaumstoff

Stoffaustausch

Reaktionsenthalpien sind abhängig von der bei einer chemischen Reaktion umgesetzten Stoffmenge. Dividiert man die Reaktionsenthalpie A,H durch die umgesetzte Stoffmenge n erhält man die molare Reaktionsenthalpie AHn. Sie gibt die Reaktionsenthalpie fiir ein Mol umgesetzte Stoffmenge an:

A=

A,

(Einheit: kJ - mol™)

Der Zahlenwert hangt haufig davon ab, auf welchen Stoff man sich bezieht. Daher wird AHy, immer zusammen mit der zugehdrigen Reaktionsgleichung angege-

ben:

Mg(s)+ 2 0,(g) = MgO(s);

AHpm=-602kJ-mol™

(bezogen auf 1 mol umgesetztes Mg) 2Mg(s)+0,(g) 2 2MgO(s);

offenes System

(bezogen auf 1 mol umgesetztes O,)

| Energie-

Energieaustausch

| austausch

geschlossenes System

isoliertes System

3. Energie bei chemischen Reaktionen Auchfiirchemische Reaktionengilt der Satzder Energieerhaltung.

d) Molare Standardreaktionsenthalpie AHS, Die Reaktionsenthalpie ist neben der Stoffmenge auch von den Reaktionsbedingungen Druck und Temperatur abhangig. Tabellierte Werte der Reaktionsenthalpie werden oftmals auf den Druckp = 1000 hPa und die

Temperatur T =298 K bezogen. Diese Werte bezeichnet man als molare Standardreaktionsenthalpien AHY,.

AH=-Qr=AU -M

€) Molare Standardbildungsenthalpie A3, Die molare Standardbildungsenthalpie A¢S, bezeichnet die molare Standardreaktionsenthalpie fiir die Bildung eines Stoffes aus seinen Elementen. Fiir Elemente selbst gilt in der Regel AHS, = 0 kJ - mol™. Die Standardbildungsenthalpie bezieht sich auf die Bildung von 1 mol eines Stoffes. Fiir die Bildungsreaktion von Ammoniak wird also folgende Reaktionsgleichung notiert:

Bei chemischen Reaktionen ohne Gase entfällt der An-

3N(8)+3 Ha(g) >NHa(g);

a) Reaktionsenthalpie Bei einer exothermen Reaktion verringert sich die innere Energie U des Systems. Sie teilt sich auf in zwei Anteile, die Reaktionsenthalpie AH und die Volumenarbeit Wy. Die Reaktionsenthalpie AH wird als Reaktionswarme Q;in die Umgebung freigesetzt.

teil der Volumenarbeit.

42

AHm=-1204kJ - mol™

Energie bei chemischen Reaktionen

Arı =-46 kJ-mol”

Mithilfe der tabellierten A-Werte

kénnen die mola-

ren Standardreaktionsenthalpien AH, beliebiger Reaktionen auf einfache Weise berechnet werden: AHS, =3MHS, (Produkte) - SAHS, (Edukte) f) Satz von Hess

Nach dem Satz von Hess ist die Reaktionsenthalpie unabhéngig vom Reaktionsweg. Sie hangt nur vom Ausgangs- und Endzustand des Systems ab. Dies ist eine weitere Formulierung des Energieerhaltungssatzes.

AHSInky-mol'k

wega:

A

Weg B:

1

1

S(s)+130,(g)

a) Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Die Entropie eines isolierten Systems nimmt zu oder

bleibt gleich: ASgesame = 0. In einem System kann die Entropie lokal abnehmen, wenn die gesamte Entropie von System und Umgebung nicht kleiner wird.

ASgesamt = ASsystem + ASumgebung; ASgesamt 20 J+ K b) Entropie und Wahrscheinlichkeit In der mikroskopischen Betrachtung eines Systems ist der Zustand mit den meisten Realisierungsmöglichkeiten am wahrscheinlichsten. Dieser Zustand wird am häufigsten beobachtet. Der statistische Ansatz über die Anzahl der Realisierungsmöglichkeiten ist mit der Entropie über die Boltzmann-Konstante k verknüpft:

S=k-InQ; 297

-

304(8) S0,(8)+ 2! 272 SOo,

Ist die Reaktionsenthalpie

5. Freie Reaktionsenthalpie

(8) bekannt,

lässt sich

umge-

kehrt daraus die Bildungsenthalpie des Edukts berechnen. Sie ist die Differenz der Bildungsenthalpien der Produkte und der Reaktionsenthalpie.

AHS, (Edukt) =3AHS, (Produkte) - AHS, 4. Entropie bei chemischen Reaktionen Die Richtung einer chemischen Reaktion wird durch zwei Triebkrafte gesteuert - die Abnahme der Energie und die Zunahme der Entropie.

In einem System kann die Entropie auf verschiedene Weisen zunehmen: *

» *

= *

k=1,3807-10%2 K"

Durch den Wechsel des Aggregatzustands von fest zu flussig oder gasférmig. Damit verbunden ist die starker regellose Verteilung von Atomen oder Molekiilen. Durch die VergréRerung des Volumens und die regellose Verteilung der Teilchen auf den gréReren Raum. Durch die Durchmischung zweier Stoffe und die regellose Verteilung der enthaltenen Teilchen in dem grokeren Volumen. Durch die Erhohung der Teilchenzahl bei einer chemischen Reaktion. Durch das Ausgleichen von Temperaturunterschie-

den.

Die Bewegungder Teilchen bei allen Stoffen wird bei der Temperatur T =0 K sehr klein. Diesem Zustand wird der Entropie-Wert S=0J - K™ zugeordnet.

Das Verkniipfung von Enthalpie und Entropie ergibt nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung die freie Reaktionsenthalpie AG.

AG=DH-T-AS Das Zusammenwirken von Enthalpie und Entropie istin zwei Fallen demnach von der Temperatur unabhangig:

» AH0=>4,60undAS0 Die Reaktion

l4uft nicht freiwillig ab, sie kann aber

erzwungen werden.

In zwei weiteren Fallen ist das Zusammenwirken von

der Temperatur abhéngig: *

AH>0undAS>0=AG0

Bei steigender Temperatur kann die Reaktion freiwilligablaufen. Der Term - T+ AS gewinnt die Oberhand. * AH N204

b) Geben Sie jeweils die Einheit der Geschwindigkeitskonstanten an.

c) Erlautern Sie, welche Bedeutung die Geschwindig-

keitskonstante k fiir den Ablauf von Reaktionen hat.

Steuerung chemischer Reaktionen ~ 55

Projekt

@--08 vor dem Stoß

@03

vordem Stoß

Simulationen zur Reaktionsgeschwindigkeit

&3

-00o:3-

erfolgreicher Stoß

&3

nach dem Stoß

nicht erfolg- — reicher Stoß

o

-

nach dem Stoß

1 Zusammenstöße von Teilchen bei chemischen Reaktionen Bei den folgenden Simulationen gehen wir davon aus, dass die Teilchen der Edukte aus kleinen, mas-

siven Kügelchen bestehen. Jedes Teilchen hat eine bestimmte Masse, eine bestimmte Geschwindigkeit und eine bestimmte Bewegungsrichtung. Für das Stattfinden von erfolgreichen Zusammenstößen sind außer der Geschwindigkeit noch der Stoßwinkel und

die Auftreffstelle im Teilchen entscheidend.

¥4 Aufgabe zur Bearbeitung des Projekts

Fiihren Sie die verschiedenen Simulationen durch

und beantworten Sie die Einzelaufgaben. Diskutieren Sie Starken und Grenzen der Simulationen.

Versuch 2: Tabellenkalkulation Fuihren Sie folgende Tabellenkalkulation durch: 1. Mit der Funktion , Zufallszahl“ fillt man die Felder

A1 und B1 mit zuféllig gewahlten Dezimalzahlen zwischen 0 und 1. Fiir 1000 Ziehungen werden diese Feldinhalte bis A1000 und B1000 kopiert. 2. Indie Felder E2 und F2 tragt man den Teilchenan-

teil von Aund von Bein.

3. Im Feld C1 tiberpriift man durch eine Wenn-Funktion, ob die Zufallszahlen in A1 und B1 dem Kriterium eines Treffers geniigen, also kleiner als die Zahlen in E1 und F1 sind. Wenn die Zufallszahl im Teilchenanteil enthalten ist, erscheint in C1 eine 1; sonst eine 0. Die Und-Funktion

erreicht, dass beide Felder der Bedingung entsprechen müssen. Das Feld C1 hat dann folgenden Feldinhalt:

=WENN(UND(A1 Emin repräsentiert die Anzahl reaktiver Teilchen. Je höher die Temperatur steigt, desto stärker gleichen sich die Zahlen der reaktiven Teilchen für Hin- und Rückreaktion an. Dies bedeutet, dass bei einer Temperaturerhöhung die en-

dotherme Reaktion gegenüber der exothermen gleichberechtigter wird. Das Prinzip von Le Chatelier |dsst sich aus der Betrachtung der veranderten StoBhaufigkeit von Teilchen infolge von Druck- und Konzentrationsanderungen erkldren. Die unterschiedliche Anderung der StoRwirksamkeit fiir Hin- und Riickreaktion bei Temperaturanderungen erklart die Gleichgewichtsverschiebungen.

25 Sl Erstellen Sie als Skizze auf einem A4-Blatt ein Koordinatensystem fiir die Boltzmann-Verteilung. Tragen Sie Energiewerte fiir die Hin- und Riickreaktion ein. Kopieren Sie Ihr Koordinatensystem auf ein weiteres

Blatt. Ergéinzen Sie die Blétter mit je einer Energieverteilungskurve bei verschiedenen Temperaturen. a) Ermitteln Sie arbeitsteilig die Flachen, die den

Zahlen der reaktionsfahigen Teilchen entsprechen. b) Bilden Sie den Quotienten zwischen den Flachen fir

Hin-und Riickreaktion bei der jeweiligen Temperatur. Interpretieren Sie die Quotienten als Aussage iiber die

Gleichgewichtslage.

c) Vergleichen Sie die erhaltenen Quotienten und for-

mulieren Sie eine Aussage (iber die Verschiebung des Gleichgewichts bei Temperaturanderung. d) Stellen Sie thr Ergebnis vor.

Die Knallgasreaktion 2 H,+ O, = 2 H,0 lauft in einem

Gemisch der beiden Edukte bei Raumtemperatur unmessbar langsam ab. Ein kleiner Funke gentigt, um die exotherme Reaktion, die dann nahezu vollstandig ablauft, schlagartig zu starten. Beschreiben Sie diesen

Vorgang auf der Teilchenebene. Gehen Sie dabei besonders auf den Zusammenhang von Mindestenergie und StoBwirksamkeit ein. Die Reaktion von Stickstoffmonooxid zu Distickstoff-

dioxid gemaR 2 NO, (g) = Ny04 (g) verlauft exotherm. a) Beschreiben und begriinden Sie die sich daraus ergebende neue Gleichgewichtslage bei Temperatur-

erhdhung.

Zeigen Sie, dass bei einer Temperaturerhohung in einem geschlossenen Behlter, das heilt ohne die

Méglichkeit der Volumenanderung, die in a) erwartete

Gleichgewichtsverschiebung nichtim theoretisch mog-

lichen AusmaR stattfindet.

Steuerung chemischer Reaktionen

77

2.11 Löslichkeitsgleichgewichte Die Löslichkeit von Salzen in Wasser kann sehr unterschiedlich sein. Viele Salze wie Natriumchlorid lösen

Das Loslichkeitsgleichgewicht von Salzen wird quantitativ durch das Loslichkeitsprodukt K beschrieben.

sich gut in Wasser. Von anderen lösen sich dagegen nur sehr geringe Mengen. Beispiele für schwerlösliche Salze

Die Gleichgewichtskontante K ergibt sich als Produkt der Konzentrationen der lonen in einer gesattigten L6-

sind Silberchlorid oder Calciumcarbonat. Löst sich kein

sung.

Salz mehr in einer Menge Lösemittel, ist die Lösung ge-

sättigt. Der Rest des Salzes bildet als Feststoff den Bodenkörper.

Lösevorgang. Wasser-Moleküle sind Dipole, die starke lon-Dipol-Wechselwirkungen mit den lonen eines Sal-

1

zes ausbilden. Beim Lsen werden die lonen von H,0Molekiilen umgeben und es bildet sich eine Hydrathiille. Die Bildungder Hydrathiillen liefert in etwa so viel Energie, wie fiir den Abbau des lonengitters benétigt wird.

Léslichkeitsgleichgewicht. In einer gesattigten Losung liegt ein chemisches Gleichgewichtzwischen der Lésung und dem Bodenkdrper vor. Bei diesem als Ldslichkeitsgleichgewicht bezeichneten Gleichgewicht handelt es sich um ein heterogenes, dynamisches Gleichgewicht: Pro Zeiteinheit treten genauso viele lonen aus dem Bodenkérper aus wie sich in den Kristall einlagern. Fiir ein Salz des Formeltyps AB kann man dieses Gleichgewicht schematisch wie folgt darstellen:

AB(s) = A™(aq)+B"™ (aq)

Laslichkeitsprodukt. In einer gesattigten Losung eines

ein Salzes des Formeltyps AB ist das Produkt der Konzentrationen der gelésten lonen bei gegebener Temperatur konstant. Diese stoffspezifische Gleichgewichtskonstante

wird

als Loslichkeitsprodukt K, bezeichnet.

Fiir das Loslichkeitsgleichgewicht von Silberchlorid gilt: Ki(AgCl)=c(Ag") - c(Cl)

a) &

Berechnen Sie die Loslichkeiten von:

PartnerA: Pbl, K (Pbly)=8,7 - 10° mol*-1® Partner B; CaCOj K (CaCO3)=4,8 - 10°° mol?. 12 Nutzen Sie als Hilfe das Rechenbeispiel.

b) Geben Sie fiir Ihre Verbindung den pK,-Wert an. ¢} Kontrollieren Sie den Rechenweg Ihres Partners. 2'

3!

En

einer gesättigten Lösung von Silbersulfat Ag2SO4

beträgt die Konzentration an Ag*-Ionen 0,0136 mol - ™', Berechnen Sie das Löslichkeitsprodukt für den Stoff.

(aq) + Hs0* (aq) = H,PO, (aq) + H20 (1) In der Folge bleibt die Konzentration an H;O™-lonen nahezu gleich. Lediglich die Konzentrationen der HPO,* lonen und der H,P0,™-lonen andern sich (Abb.2 (D).

=

] H30*)=K;

eIk

c(HA)

SO

Durch Bildung des negativen Zehnerlogarithmus erhalt man die Puffergleichung. Sie wird auch als HendersonHasselbalch-Gleichung bezeichnet: PH=pKs+1g Nach

(aq) + H,0(1)

PH=pAKs+1g 1& pH=pKs+0&pH=pKs

Auch in diesem Fall bleibt die Konzentration an OH™-lo-

Im Beispiel des Phosphatpuffers beträgt der pH-Wert demnach pH = pKs(H2PO4”)=7,21.

nen nahezu gleich, wahrend sich die Konzentrationen der HPO,>-lonen und der H,PO,-lonen entsprechend

andern (Abb.2@).

Puffergleichung. Je nach Wahl des Sdure-Base-Paares und dem gewahlten Stoffmengenverhaltnis puffert die

Lésung in einem anderen pH-Bereich (Abb.3). Der pH-

118

- c(A”) =—C(H30*)a

in einer Pufferlosung

Séure-Base-Reaktionen

sind die Konzentrationen von Puffersäure und Puffer-

Eine Pufferlösung kann nicht unbegrenzt H3O*-lonen oder OH”-lonen abfangen. Die Pufferkapazität ist meist erschöpft, wenn der pH-Wert um eine Einheit nach oben oder unten vom pKs-Wert abweicht: pH=pKs+1

Erlautern Sie am Beispiel des Essigséure-Acetatpuffers die Wirkungsweise eines Puffersystems. a) #. Zeigen Sie anhand zweier selbst gewählter Beispiele, dass beim Einsatz einer aquimolaren Menge von Puffersaure und Pufferbase der pH-Wert der Pufferls-

sung dem pKs-Wert der Puffersiure entspricht. Stellen Sie dazu die Protolysegleichung sowie das zugehérige

Massenwirkungsgesetz auf. Lésen Sie diese Gleichung nach dem pH-Wert auf. b) Stellen Sie die Ergebnisse Ihrem Lernpartner vor. c) Zeigen Sie gemeinsam die allgemeine Giiltigkeit der

Aussage aus Aufgabe a).

a) &% Berechnen Sie arbeitsteilig den pH-Wert folgen-

3 Pufferbereiche verschiedener Pufferlösungen

Der pH-Wert steigt um eine Einheit, wenn die Konzentration der Pufferbase zehnmal so groß ist wie die Konzentration der Puffersäure. Umgekehrt sinkt der pH-Wert um eine Einheit bei einer zehnmal größeren Konzentra-

tion der Puffersäure,

c(A):c(HA)=10: 1&g

c(A”)

c(HA) c(A” c(A):c(HA)=1:10&1g c(HA]

=+1

(obere Grenze) (untere Grenze)

Puffer beim pH-Meter. Um bei Messungen des pHWerts mithilfe eines pH-Meters zuverlassige Werte zu erhalten, sollte man das pH-Meter vorab

kalibrieren. Dazu

dienen Pufferlésungen mit ganz genau bekannten pH-

Werten. Die Messelektrode wird nacheinander in diese

pH-Standardlésungen eingetaucht. Weicht der angezeigte Wert vom Sollwert, also dem pH-Wert der Standardl6sung ab, so wird das Messgerat justiert. Der angezeigte pH-Wert muss anschlieRend den pH-Werten der Pufferlosungen entsprechen.

der Pufferlosungen:

PartnerA: ¢(NHz)=0,2 mol - I”'; ¢ (NH4Cl)= 0,5 mol - I”! Partner B: ¢ (NH3) = 0,4 mol - [”'; ¢ (NH,Cl) = 1,0 mol - ["! Partner C: ¢(NHz) =0,2 mol- I”'; ¢ (NH,Cl) =0,1 mol - I”!

b) Stellen Sie die Ergebnisse Ihren Lernpartnern vor. c) °& Ordnen Sie die drei Pufferlösungen nach ihrer Pufferkapazitat.

€4 Recherchieren Sie Puffersysteme in der Natur und

ihre Wirkungsweise aus biologischer und chemischer

Sicht. Erstellen Sie ein Poster und prasentieren Sie Ihre

Ergebnisse. %

Ermitteln Sie, aus welchem Puffersystem und in

welchem Konzentrationsverhaltnis folgende Standard|8sungen zum Kalibrieren eines pH-Meters bestehen: Partner A: pH =

6,9; Partner B: pH=10,0;

Partner C: pH=4,0

a) 8 Beschreiben Sie gemeinsam den Weg des Kohlenstoffdioxids von den Gewebezellen zur Lunge.

Puffer in der Natur. Ein fiir unser Uberleben sehr wich-

tiges Puffersystem ist der Blutpuffer. Hier sorgt ein Gemisch aus mehreren Puffersystemen dafiir, dass der pH-Wert des Blutes nicht unter 6,9 sinkt oder iiber 7,6

steigt. Nur in diesem pH-Bereich laufen die biochemischen Prozesse im menschlichen Kérper ungestort ab. Ohne einen Puffer wiirden Stoffwechselprodukte wie beispielsweise Lactat oder saure und alkalische Nahrungsmittel den pH-Wert stark verandern. Eines der Puffersysteme im Blut besteht aus dem S&ure-BasePaar Kohlensaure-Hydrogencarbonat. Daneben regu-

lieren verschiedene Proteinpuffer und Phosphatpuffer den pH-Wert im Blut.

b) PartnerA: pH =7,6; Partner B: pH =6,9;

Berechnen Sie fiir den angegebenen pH-Wert das

Verhéltnis c (H2CO3/HCO3”) im Blut.

¢ Stellen Sie das Ergebnis Ihrem Lernpartner vor.

d) Recherchieren Sie gemeinsam nach Ursachen,

Symptomen und Gefahren einer Hyperventilation. ) Begriinden Sie anhand der obigen Abbildung,

weshalb eine Hyperventilation zu einem Anstieg des

pH-Werts auf iiber 7,43 (Alkalose) fiihren kann.

£ Erlautern Sie den mathematischen Zusammenhang zwischen der Puffergleichung und den Graphen

Pufferlosungen verandern den pH-Wert bei begrenzter

inAbb.3.

Zugabe saurer oder alkalischer Lésungen nur gering.

Saure-Base-Reaktionen

119

Projekt

Puffersysteme im menschlichen Körper

Für Stoffwechselvorgänge im menschlichen Körper ist der pH-Wert von großer Bedeutung. Der pH-Wert beeinflusst die Aktivität von Enzymen und von Hormonen. Die meisten Stoffwechselvorgänge können daher nur in bestimmten pH-Bereichen richtig ablaufen. Die für diese Reaktionen optimalen pHBereiche sind in den verschiedenen Körperregionen unterschiedlich. Im Blut herrscht zum Beispiel ein anderer pH-Wert als im Magen oder im Darm (Abb. 1). Über die Nahrung oder durch verschiedene Stoffwechselvorgänge gelangen jedoch ständig Säuren oder Basen in die Körperflüssigkeiten, wobei der Anteil an Säuren deutlich überwiegt. Um großen Schwankungen im pH-Wert entgegenzuwirken, verfügt der Körper über verschiedene Puffersysteme. Einige dieser Puffersysteme wirken zusammen, sie

werden hier jedoch getrennt betrachtet.

Aufgaben zur Bearbeitung des Projekts {4 Teilen Sie sich in vier Gruppen auf. Jede Gruppe bearbeitet ein Puffersystem als Beispiel. 1 a) Erlautern Sie die Wirkungsweise des hnen zugeteilten Puffersystems. Stellen Sie dazu auch die jeweiligen Reaktionsgleichungen auf. b) Ermitteln Sie jeweils fiir den oberen und den unteren Wert der angegebenen pH-Bereiche lhres

Puffersystems das Konzentrationsverhaltnis von

Puffersaure und Pufferbase. Sind mehrere Puffersysteme in lhrem Thema vorhanden, so beschran-

ken Sie sich auf das Puffersystem mitdem groRten Wirkungsanteil. c) Fiihren Sie den Forschungsauftrag1 durch. Stellen Sie auf Basis Ihrer Berechnungen in Aufgabe b) 100 ml der entsprechenden Pufferlosung her und ermitteln Sie die Pufferkapazitat der Pufferlosung. d) Machen Sie einen Vorschlag, wie sich die Pufferkapazitat Ihres Puffers erhchen lieRe. e) Bereiten Sie mit den Ergebnissen eine Prasentation vor und présentieren Sie lhre Ergebnisse den anderen Gruppen.

2 % Begriinden Sie, warum in vielen Kérper-

regionen meist mehrere Puffersysteme in den

Korperfliissigkeiten vorhanden sind. 3 Q Über die Nahrung wird eine große Menge an unterschiedlichen Säuren aufgenommen.

Beschreiben Sie, wie die Puffersysteme aller hier

aufgeführten Organe zusammenwirken, um einer Übersäuerung des Körpers entgegenzuwirken. Nutzen Sie dazu die Ergebnisse der anderen Gruppen.

120

Säure-Base-Reaktionen

Speicheldrüsen

70-7,1

&,

/

Leber7,1

.

—

Gallenblase

J‘

1,2-3,0

71

Bauchspeichel-

driise 8,0-8,4

{

\

Dünndarm

Urin4,8-7,6

6,0-8,0

Dickdarm 5,5-6,5

1 pH-Werte im menschlichen Kérper

Forschungsauftrag 1: Pufferkapazitat von Puffersystemen




(Natriumhydrogencarbonat) haben?

Gelegentliche Nebenwirkungen bei Einnahme des

Wirkstoffs sind AufstoRen, Vollegefiihl, Blahungen oder

Bauchschmerzen.

Seltener

treten

dagegen

Ubelkeit und Erbrechen auf. Die Gabe von Natriumhydrogencarbonat beeinflusst den pH-Wert des

Urins. Eine andauernde Anwendung des Préparats

kann die Bildung von Calcium- und Magnesiumphosphatsteinen in den Nieren férdern.

1 Frisch gefangener Fisch riecht nicht.

2 Beipackzettel eines Medikaments mit Natron

Jeder Angler weif, dass frisch gefangener Fisch nicht

Stress oder stark reizende Ernahrung fiihrt gelegentlich zu einer ibermaRigen Produktion von Magensaure. Gelangt die Magensaure in die Speiserchre, kommt es zum schmerzhaften Sodbrennen. Im Gegensatz zu den Magenwanden ist die Speiseréhre namlich nicht gegen die Séureeinwirkung geschiitzt. Bei der Magenséu-

riecht (Abb. 1). Erst wenn der Fisch langere Zeit bei ho-

heren Temperaturen gelagert wird, entwickelt sich ein unangenehmer Fischgeruch. Ursache hierfiir sind frei gesetzte Amine. Sie entstehen als Stoffwechselprodukte von Bakterien, die sich auf Fischen ansiedeln. Amine haben einen leicht wahrnehmbaren Geruch, da sie

bei Raumtemperatur gasférmig sind. Das Amin mit dem

penetrantesten Geruch ist das Methylamin (pKg = 3,36).

N

HsC” | H

H

Zitronensaft

beseitigt

den

Fischgeruch.

In

Restau-

rants bekommt man daher oftmals Zitronenscheiben zu Fischgerichten serviert. Zitronensaft enthalt hauptsachlich Citronensaure, eine dreiprotonige Saure.

S Q

H—0,

FCHa— /Q/

0 (i i

T —CHz

~o—H

o

*

PKey=3,13

\O—H

PKs3=6,40

pKs2=4,76

Citronensaure (vereinfacht CitH3) a) Erläutern Sie an einem einfachen Beispiel das SäureBase-Konzept nach Bronsted.

b) Erklären Sie unter Verwendung von Fachbegriffen die beschriebene Wirkungsweise von Zitronensaft.

Beurteilen Sie die Verwendung des Begriffs Neutralisation im Text unter chemischen Gesichtspunkten. c) Formulieren Sie fiir die Reaktion von Methylamin mit Citronensaure die Reaktionsgleichung und kenn-

zeichnen Sie die Saure-Base-Paare. d) Nennen Sie die pKs-Werte beziehungsweise

pKa-Werte aller Saure-Base-Paare aus Aufgabe c). e) Diskutieren Sie, ob man auch andere Sauren, wie Es-

sigsaure oder Salzsaure zu Fisch servieren kdnnte. f)

Begriinden Sie, dass mit der Citronensaure die drei-

fache Stoffmenge Amin umgesetzt werden kann.

126

Saure-Base-Reaktionen

re handelt es sich um eine Salzsaurelésung mit einem

pH-Wert von etwa 1,5. Ein bewéhrtes Haushaltsmittel gegen die Ubersauerung des Magens und damit gegen Sodbrennen ist die Einnahme von Natron (NaHCO;, pKs=10). Eine Apotheke bietet dafiir eine fertig dosierte und portionierte Natronlésung an. Durch Titration mit Salzsaure (c = 0,1 mol - I'') wird die Konzentration der Losung kontrolliert. Dabei wird zur Neutralisation fiir eine 250-ml-Probe der Natronlésung 30 ml Salzsaure benötigt. a) Erläutern Sie anhand einer Reaktionsgleichung und unter Verwendung der entsprechenden Fachbegriffe die Wirkungsweise von Natron gegen Sodbrennen. b) Berechnen sie die Stoffmengenkonzentration der Salzsäure im Magensaft und die Masse Natron, die

notwendig ist, um 10 ml der Magensäure zu neutrali-

sieren. (M(NaHCO;) = 84 g : mol™)

c) Bestimmen Sie markante Punkte der Titrationskurve fiir die Titration der Natriumhydrogencarbonat-

16sung mit Salzsaure (c=0,1 mol - ["') Skizzieren Sie den zu erwartenden Kurvenverlauf. d) Berechnen Sie die Konzentration der Natronl6sung

aus der Apotheke. ) Beurteilen Sie, ob sich die Lésung als Mittel gegen Sodbrennen eignet. Nutzen Sie dazu die Ergebnisse f)

der Aufgaben b) und d).

Erklaren Sie die im Beipackzettel (Abb. 2) aufgefiihrten gelegentlichen Nebenwirkungen. g) Beurteilen Sie abschlieBend die Einnahme von Natron gegen Sodbrennen.

C3

Säuregehalt in Rotwein

C4 Kariesprophylaxe

Säure molare Masse

Strukturformel

Weinsäure 150 g - St mol

(s) = 10 Ca**(aq) + 6 POs* +2 OH™ Cayo(PO4)e{OH);

//H QO { Y H'jD

o

"P

o

\

.

H

Apfelsaure

134g- mol™

o

3 Wichtige SGuren in Rotwein

4 Sdure verursacht Karies.

Bedeutsam fiir Geschmack und Haltbarkeit eines Weins

Karies bedeutet den Abbau von Zahnschmelz, der ver-

ist sein Sauregehalt. Im Wein liegen neben Weinsaure

einfachtbetrachtet aus Hydroxylapatit (Ca;o PO4)g(OH),)

re, die den groRten Anteil der Gesamtsaure ausmachen,

wenn

(PKst = 2,9, pKsa = 4,2, M= 150 g - mol™") und Apfelsau-

auch zahlreiche weitere Sauren in kleinen Konzentra-

tionen vor. Vereinfacht gibt man die Gesamtsaurekonzentration als Weinsaurekonzentration an. Bei vielen Weinen betragt die Massenkonzentration der Gesamtsaure zwischen 7,1 g und 7,9 g pro Liter Wein. Liegt dieser Sauregehalt (iber dem gewiinschten Wert, kann zur Entsiuerung Calciumcarbonat (M=100,09g - mol™) hinzugegeben werden. Fiir ein ausgewogenes Aroma soll-

te der Sauregehalt jedoch mindestens 1 g - ' betragen.

Zur Bestimmung der Saurekonzentration in einem Rotwein wurde von einem Winzer 25 ml des Weines mit Natronlauge (c = 0,1 mol - I') pH-metrisch titriert. Dabei wurden folgende Messwerte aufgenommen: Vinml

0

2

4

6

8

12

14

16

18

20

pH

33

34

36

38

39

40

4,1

43

4447

vinml pH

[22 24 26 28 30 32 34 36 38 50 55 69 85 96 100 10,4 10,6 11,0

a) Zeichnen Sie die Titrationskurve. b) Erlautern Sie den Kurvenverlauf. c) Ermitteln Sie anhand des Titrationsergebnisses die Stoffmenge an Séure in der Weinprobe unter der vereinfachten Annahme, dass nur Weinsaure vorliegt.

Berechnen und bewerten Sie den Sauregehalt. d) Erlautern Sie unter Angabe von Reaktionsgleichun-

gen die ablaufende Reaktion bei der Entsauerung anhand der Séure-Base-Theorie von BRONSTED.

e) Berechnen Sie die Mindestmenge und die Hochstmenge an Calciumcarbonat, die zur Entsduerung des untersuchten Rotweins zugegeben werden darf.

besteht

(Abb.4).

Die Kariesbildung wird

beginstigt,

der pH-Wert unter 5,5 fallt. Verursacht wird ein

Absinken des pH-Werts unter anderem durch im Zahnbelag lebende Milchsaurebakterien, die in ihrem Stoff-

wechselaus Zucker Milchséaure (2-Hydroxypropansaure) bilden. Um das Absinken des pH-Werts zu vermeiden, ist

im Speichel unter anderem ein Kohlenséaure-Hydrogencarbonatpuffer (pKs(H,COs) = 6,2) vorhanden. Der normale pH-Wert des Speichels liegt bei etwa 7. Das Kauen zuckerfreier Zahnpflegekaugummis soll die Zahne vor Karies schiitzen. Um diese Aussage zu testen,

wurde eine Studie durchgefiihrt. Die Mittelwerte der dabei erhaltenen Daten zeigt folgende Tabelle: Speichel

FlieRratein

¢(HCO3)in

20Minutenohne

ml-min 0,5

nach5Minuten

2,27

12,39

734

nach 10 Minuten

2,35

12,99

7,43

1,12

10,75

721

Kaugummi

kauen

mmol-l" 6,55

pH-Wert

7,11

kauen nach 20 Minuten

kauen

a) Erlautern Sie die Entstehung von Karies. b) Erklaren Sie mit Reaktionsgleichungen die Wirkung des Kohlensaure-Hydrogencarbonat-Puffers. c) Berechnen Sie das Verhaltnis der Konzentrationen von Kohlensaure zu HCO3™-lonen bei pH 7. d) Beschreiben und erklaren Sie die Daten aus der Studie zu zuckerfreiem Kaugummi. e) Beurteilen Sie den Einsatz von Zahnpflegekaugummis zur Vorbeugung von Karies.

Saure-Base-Reaktionen

Kapitel

Elektrische Spannungsquellen

8

Mobile elektrische Energieträger sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Ohne Batterien und Akkus könnten wir beispielsweise Smartphones, MP3-Player, Computer oder Digitalkameras nur über Strom aus der Steckdose betreiben. Auch das Starten von Autos wäre so, wie wir es heute kennen, nicht möglich, denn für das Anlassen benötigt man die Autobatterie, Spannung und Strom in Batterien und Akkus werden über Redoxreaktionen erzeugt. Wie Batterien und Akkus auf der Grundlage von Redoxreaktionen funktionieren und welche zukunftsweisenden Energieträger für den Energiebedarf der Welt in der Entwicklung sind, wird in diesem Kapitel vorgestellt.

128

Was Sie schon kennen:

In diesem Kapitel lernen Sie:

* das Aufstellen und Einrichten von einfachen

*

Reaktionsgleichungen nach dem Gesetz der Erhaltung

dem Aufbau, den Eigenschaften und der

Verwendung von Metallen gibt.

der Masse,

* die Bedeutung des Periodensystems für die Vorhersage des Atombaus einer Atomsorte und für die Bildung von lonen aus Atomen,

* dass Salze durch Elektronenübertragungsreaktionen zwischen Metallen und Nichtmetallen entstehen,

* den Zusammenhang zwischen der Struktur und der

welchen Zusammenhang es zwischen

*

was Reduktion, Oxidation und Redoxreaktion auf

der Ebene von Elektronenübertragungen bedeuten,

*

wie Oxidationszahlen beim Einrichten von Reaktionsgleichungen helfen,

*

wie eine galvanische Zelle funktioniert,

was der Unterschied zwischen einem

Eigenschaft eines Stoffes,

Akkumulator und einer Batterie ist,

*_ die Grundlagen der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen und Salzlösungen,

*

» die Umwandlung von chemischer Energie zur Bereitstellung von elektrischer Energie,

*

* den Unterschied zwischen edlen und unedlen Metallen.

*

welche Kenngrößen für den Einsatz von Batterien und Akkumulatoren wichtig sind,

weitere Beispiele für die Anwendung und den Aufbau moderner Batterien und Akkumulatoren,

wie Brennstoffzellen die automobile Zukunft beeinflussen können.

Sind Sie fit fiir dieses Kapitel? 1

Reaktionen lassen sich durch Reaktionsgleichungen oder Reaktionsschemata beschreiben: A Natrium reagiert mit Sauerstoff zu Natriumoxid,

B Aluminium reagiert mit Chlor zu Aluminiumchlorid.

a) stellen Sie fiir alle Reaktionen vollstandig eingerich-

tete Reaktionsgleichungen auf. b) Zeichnen Sie den Aufbau der Atome der Edukte

im nach einem lhnen geeignet erscheinenden Atom-

modell. c) Bei den Produkten handelt es sich um salzartige Stoffe. Nennen Sie die Ladungen der lonen. 2

Die Abbildungen auf der rechten Seiten zeigen eine

brennende Wunderkerze und einen Akkuschrauber. Erlautern Sie anhand der Abbildungen den Begriff

Energieumwandlung und geben Sie die Formen der freiwerdenden Energie an. 3

Metalle sind wichtige Werkstoffe unseres Alltags. Nennen Sie Stoffeigenschaften, die kennzeichnend

fir die Stoffgruppe der Metalle sind. Ordnen Sie jeder

elektrisch leitfähig

NaCl (s)(kristallin)

nein

NaCl(l) (Schmelze)

ja

Eigenschaftin Alltag und Technik ausgenutzt wird.

NaCl(aq) (gesattigte Losung)

ja

Erlautern Sie die Ergebnisse der in der Tabelle

destilliertes Wasser

nein

Eigenschaft ein Beispiel zu, bei dem die jeweilige

4

Stoff

dargestellten Leitfahigkeitsuntersuchung.

Lösungen stehen im Anhang 129

Projekt

Untersuchen von Knopfzellen

Metallisch glanzend, rund und flach - jeder kennt Knopfzellen aus dem Alltag. Ihre Form und GroRe eignen sich besonders fiir kleinere elektrische Gerdte wie Uhren, Horgeréte oder Taschenrechner. Wah-

rend sich die verschiedenen Knopfzellen duBerlich kaum unterscheiden, weisen sie aber teilweise deut-

liche Unterschiede in den verwendeten Substanzen im Inneren auf. Die Wahl dieser Stoffe bestimmt die zu erwartende Spannung sowie die Stromstérke

und damit den Verwendungszweck der Batterie. Zur besseren Unterscheidung der groRen Anzahl von Batterietypen und GréRen wurden international gliltige Klassifizierungen der Knopfzellen eingefiihrt, die aber noch haufig von eigenen Angaben der Hersteller erganzt werden (Abb. 1). Am Beispiel einer Silberoxid-Zink-Knopfzelle sollen Sie den Aufbau und die Funktionsweise von Knopfzellen experimentell untersuchen. Aufgaben zur Bearbeitung des Projekts: a) Fiihren Sie die Versuche 1und 2 durch und notieren Sie lhre Beobachtungen. b) Ubernehmen Sie Abb. 2 in Ihre Chemiemappe und erganzen Sie nach Méglichkeit die Bezeichnung der Komponenten @ bis@. Geben Sie den Pluspol und den Minuspol an. Stellen Sie mit den Ergebnissen der Versuche Hypothesen zu den verwendeten Materialien, ihren Eigenschaften und

Funktionen fiir den Betrieb der Knopfzelle auf. c) Stellen Sie die Teilgleichungen und die Reaktionsgleichung fiir den Betrieb einer Silberoxid-Zink

Knopfzelle auf. Beriicksichtigen Sie besonders die Funktion der in der Knopfzelle enthaltenen Fliis-

sigkeit (Versuch 1). Beachten Siefiir das Aufstellen der Reaktionsgleichung, dass die Knopfzelle gas-

dicht verschlossen ist.

d) Fiihren Sie dann den Forschungsauftrag durch.

Versuch 1:

Untersuchung einer Silberoxid-Zink-Knopfzelle

@

Materialien: 2 Knopfzellen, Glühlampe (1,5 V) mit Sockel, Kabelmaterial, Spannungsmessgerät mit Prüfspitzen, Spitzzange, Kombizange, Pinzette, Uni-

versalindikatorpapier, Spatel, Watesmo-Papier Durchführung:

1. Entladen Sie eine der beiden Silberoxid-Zink-

Knopfzellen, indem Sie mit der Knopfzelle so lange die Glühlampe betreiben, bis sie nicht mehr

leuchtet.

2. Priifen Sie die Spannung einer geladenen Silberoxid-Zink-Knopfzelle. Bestimmen Sie mithilfe des Messgerats den Pluspol und den Minuspol. 3. Offnen Sie die geladene Knopfzelle vorsichtig, indem Sie die Knopfzelle seitlich mit der Kombizange einspannen und an mehreren Stellen eindriicken. Der Deckel muss sich dabei aufwolben

und vom Rand [ésen. 4. Nehmen Sie mit der Pinzette den Deckel ab. Drii-

cken Sie etwas Watesmopapier auf die freigelegte Substanz sowie auf die beim Eindriicken austretende Flissigkeit. 5. Priifen Sie die Fliissigkeit auch mit angefeuchtetem Universalindikatorpapier. 6. Trennen Sie, soweit moglich, alle Bestandteile mit

dem Spatel voneinander. Fiillen Sie die pulverfor-

migen Stoffe (3, 5, 7, 9) getrennt voneinander in

Jjeweils ein Reagenzglas.

7. Wiederholen Sie die Schritte drei bis sechs mit der entladenen Knopfzelle.

Kennbuchstabe

1700

Technologie

Kennbuchstabe F

Bauform 1 Internationale Klassifizierung von Knopfzellen

130

Elektrische Spannungsquellen

s f

Technologie Lithium/Mangandioxid Zink/Silberoxid

Zink/Mangandioxid (aufRer Zink-Kohle)

Zink/Mangandioxid (Zink-Kohle) Bauform rund

rechteckig flach

() Pol

4@

2 Bauteile einer Knopfzelle

Batterien

Spiegelreflektoren

-

3 Aufbau einer LED-Taschenlampe

Versuch 2:

Unterscheidung von Zink und Silberoxid

S &8

Materialien: Spatel, Glimmspan, Gasbrenner;

pulverformige Stoffproben A und B aus Versuch 1,

Zinkoxid (9), Silberoxid (3, 5, 9) als Vergleichsproben Durchfiihrung: 1. Geben Sie eine Spatelspitze Silberoxid in ein Reagenzglas und eine Spatelspitze Zinkoxid in ein zweites Reagenzglas.

2. Erhitzen Sie beide Stoffe liber der rauschenden Brennerflamme. Beobachten Sie die Farbande-

rungen. Halten Sie in die Reagenzglaser je einen

glimmenden Holzspan.

3. Geben Sie die Stoffproben A aus beiden Knopf-

zellen (Abb.2) in je ein Reagenzglas und erhitzen Sie Giber der rauschenden Flamme.

4. Wiederholen Sie den Versuch mit den Stoffpro-

ben B.

Aufgaben: a) Beschreiben Sie die typischen Nachweisreaktio-

nen fiir Zinkoxid und Silberoxid. Identifizieren Sie anhand der Nachweisreaktionen die Stoffproben

AundB.

b) %¢ Stellen Sie die Teilgleichungen fiir den Reduktions- und den Oxidationsvorgang auf und leiten Sie daraus die Gesamtgleichung ab.

4 Anschluss und Betrieb einer LED

Elektrische Spannungsquellen

131

4.1 Das Elektronengasmodell beschreibt Metalleigenschaften Minuspol

Pluspol

Ausstanzen und Formen des Bechers

N

Befiillen des Bechers mit

Inhaltsstoffen der Batterie

S

3

Dichtungsmontage und

Befiillen des Deckels mit

Inhaltsstoffen der Batterie

Aufsetzen des Deckels \

Ultraschallreinigung und

9

Funktionstest der gebrauchs-

fertigen Knopfzelle

—

&

l

Deckel und Becher werden durch Umbiegen des Becherrandes fest verbunden

&

1 Verlaufschema zur Herstellung von Knopfzellen (vereinfacht)

Fiir den Aufbau und die Funktionsfahigkeit der meisten Batterien und Akkus werden Metalle verwendet. Der

Grund: Nur Metalle bringen die fiir diese Zwecke notwendige Kombination an Eigenschaften mit. Elektronengasmodell. Viele der fiir Metalle charakte-

ristischen Eigenschaften lassen sich auf der Teilchen-

neuen Position berwiegen die Anziehungskrafte und

die Becherform bleibt stabil. Die aus den gegensatzli-

chen Ladungen resultierenden elektrostatischen Anziehungskréfte zwischen Metall-Kationen und dem Elektronengas bewirken zudem die groRe Festigkeit der

meisten Metalle.

ebene mit dem Elektronengasmodell erklaren. Ein Me-

Elektrische Leitfahigkeit. Verbindet man die Knopf-

tallstiick besteht nach dem Modell aus Metall-Kationen,

zelle mit einem Energiewandler, beispielsweise einem Elektromotor, flieRen die Elektronen des Elektronenga-

diefeste Positionen im Metallgitter einnehmen. Man bezeichnet die Metall-lonen im Metallgitter allgemein als Atomriimpfe. Die AuBenelektronen der Metall-Atome

sind jedoch nicht einem einzelnen Metall-Atom zuge-

ordnet. Vielmehr bewegen sich die Elektronen nahezu frei zwischen den positiv geladenen Metall-lonen - ähn-

lich wie die Molekiile eines Gases (Abb. 1 (). Man sagt: Die Elektronen sind delokalisiert. Plastische Verformbarkeit. Metalle sind gut verform-

bar und lassen sich biegen, schmieden, hammern oder walzen. Formt man beispielsweise den Becher einer Knopfzelle aus einem Metallblech (Abb. 1 (D), so behélt er seine neue Form bei (Abb. 2). Auf der Teilchenebene werden dabei die Atomrimpfe des Metallgitters aneinander vorbei geschoben und ordnen sich neu an. Da sie dabei aber sténdig von delokalisierten Elektronen umgeben sind, konnen die Anziehungskrafte zwischen den Metall-Kationen und den frei beweglichen AuRenelektronen ununterbrochen wirken. Auch in der

132

Bedrucken und Verpacken

Elektrische Spannungsquellen

ses gerichtet vom Minuspol zum Pluspol der Batterie @ Am

Minuspol

herrscht ein Elektroneniiberschuss,

am

Pluspol ein Elektronenmangel. Die dafiir nétigen Elek-

tronen werden durch Redoxreaktionen bereitgestellt.

Mit diesem Modell lasst sich auch plausibel machen, warum die elektrische Leitfahigkeit von Metallen mit zunehmender Temperatur abnimmt. Erwdrmt man ein Metall, schwingen die Atomriimpfe immerstarker aufihren Gitterplatzen hin und her. Der Elektronenfluss durch das Metallgitterwird dadurch behindert, der elektrische Widerstand nimmt zu und die elektrische Leitfahigkeit sinkt folglich. Wirmeleitfahigkeit. Halt man einen Loffel oder eine Knopfzelle in der Hand, fiihlen sich beide Gegenstéande zunéchst kalt an. Das Metall leitet die Kérperwarme schnell ab. Umgekehrt wird Warme von einem heilen Metall schnell auf einen kélteren Kérper libertragen. Die

1l

2

a} Fertigen Sie eine beschriftete Schemazeichnung zum

Elektronengasmodell an. Notieren Sie die Kernaussagen des Modells stichpunktartig. b) °% Nehmen Sie kritisch Stellung zur Bezeichnung Elektronengas. Beschreiben Sie die Herstellung einer Silberoxid-

Knopfzelle anhand des Fließschemas in Abb. 1. 37 ( Mit dem Elektronengasmodell lassen sich typische Eigenschaften von Metallen erklären. Partner A: elektrische Leitfähigkeit; Partner B: Verformbarkeit; Partner

C: Wärmeleitfähigkeit.

a) Zeichnen Sie einen Comic-Strip, in dem Sie für die

jeweiligen Eigenschaft die Veränderungen in einem Metallkristall auf der Teilchenebene darstellen.

2 Metallbearbeitung in einer Presse

b) Stellen Sie das Ergebnis lhren Lernpartnern vor. c) Diskutieren Sie die Leistungen und die Grenzen des

gute Warmeleitfahigkeit von Metallen lasst sich durch die gute Beweglichkeit der Elektronen erklaren. Die aufgenommene thermische Energie wird in Bewegungsenergie der leichten und damit schnellen Elektronen gewandelt. Durch ZusammenstoRe mit anderen Elektronen wird ein groRer Teil der Energie iibertragen und

verteilt sich schnell im Metall.

Elektronengasmodells. 4 Kupfer ist ein Metall, das fiir besonders hochwertige Kochtdpfe genutzt wird. Erklaren Sie diesen Sachverhalt auf Stoff- und Teilchenebene und stellen Sie eine Hypothese fiir die Eignung der Metalle fiir Kochgeschirr auf. Stoff

Metallischer Glanz. Glatte Metalloberflachen erschei-

nen silbrig, golden oder kupferfarben glénzend. In der 2

s

A

Aluminium

ü

Kupfer

polierten Knopfzelle kann man sich sogar spiegeln, weil die Metalloberflache nahezu das gesamte eingestrahl-

Silber Stahl

te Licht reflektiert. Vereinfacht kann man sich die Refle-

xion wie folgt vorstellen: Das auf die Metalloberflache treffende Licht versetzt die Elektronen des Elektronengases in Schwingungen - sie oszillieren. Die schwingenden Elektronen strahlen selbst gegenlaufige Licht-

5

wellen ab, die sich iiberlagern und so eine Spiegelung ergeben.

6

Metallische Werkstoffe. Die reinen Metalle fiir sich allein zeigen fiir einen bestimmten Verwendungszweck nicht immer die optimalen Eigenschaften. Um Werk-

Warmeleitfal

keitA

inw-m™-

200

Weltmarktpreis

inUsDollar-t™ 1480

380

4300

20 50

450000 390

Metalle lassen sich durch Pressen in Form bringen (Abb. 2). Erlautern Sie mithilfe von Abb. 3, warum Metalle biegsam und formbar sind und Salze und salzartige Verbindungen in einer Presse brechen. s Stahlund Bronze sind Legierungen, die in der Menschheitsgeschichte groRe Bedeutung hatten. Recherchieren Sie die Zusammensetzung und die

Materialeigenschaften beider Legierungen (Partner A: Stahl; Partner B: Bronze). Stellen Sie Ihre Ergebnisse als Plakat vor.

stoffe mit gewiinschten Eigenschaften zu erhalten, wer-

den Metallen im geschmolzenen Zustand andere Metalle und Stoffe zugemischt. So entstehen Legierungen wie Stahl oder Bronze, die besonders fest oder bestan-

-, Schlag/Druck

dig gegeniiber Umwelteinfliissen sind. Auch die verbesserten Werkstoffeigenschaften von Legierungen lassen

sich mit dem Elektronengasmodell erklaren. Die Atomriimpfe liegen in einer stabileren Anordnung vor. Mit dem Elektronengasmodell lassen sich viele typische Eigenschaften von Metallen auf der Teilchenebene erkldren. Legierungen haben meist fiir die Anwendung giinsti-

gere Eigenschaften als die reinen Metalle selbst.

3 Verformbarkeit von Salzkristallen

Elektrische Spannungsquellen

133

4.2 Redoxreaktionen sind Elektronenübergänge

1 Eisennagel in Kupfersulfatlösung

2 Kupferblechin Silbersalzlgsung (D und silberblech in Kup-

Mobile Spannungsquellen wie die Silberoxidbatterie wandeln die in den Spannungsquellen gespeicherte Energie zu einem Teil in elektrische Energie um, die

durch Teilgleichungen formuliert. Die Teilgleichungen werden dann zu einer Redoxreaktionsgleichung zusammengefasst. Für das Beispiel in Abb. 1 ergibt sich:

fersalzlösung @)

dann für uns nutzbar ist. Dabei werden Elektronen von einem Reaktionspartner auf den anderen übertragen. Das Prinzip dieser Redoxreaktionen lässt sich an einem einfachen Versuch zeigen.

Redoxreaktionen. Wird ein Eisennagel in eine Kupfersulfatlésung eingetaucht (Abb. 1), schwacht sich die Blaufarbung der Losung immer weiter ab. Die Losung wird schlieBlich fast farblos. Gleichzeitig Giberzieht sich der Eisennagel mit einem rétlichen Feststoff, bei dem es sich um elementares Kupfer handelt. In der Lésung lassen sich mit geeigneten Reagenzien anstelle der

Cu*-lonen nun Fe*-lonen nachweisen.

Dies lasst sich wie folgt erklaren: An der Grenzflache zwischen der Oberflache des Eisens und der kupferhaltigen Losung findet eine Elektroneniibertragungs-

reaktion statt: Cu*-lonen nengas

nehmen

des Eisennagels je zwei

aus dem

Elektro-

Elektronen von

den

Fe-Atomen auf und werden dabei zu Cu-Atomen redu-

ziert. Die Fe-Atome geben zwei Elektronen ab und wer-

den zu Fe*-lonen oxidiert. In der Reaktion wirken die Fe-Atome als Elektronendonatoren,

die Cu*-lonen

als

Elektronenakzeptoren. Dieses Donator-Akzeptor-Konzept gilt fiir jede Elektroneniibertragungsreaktion.

Heute definiert man die Reduktion als Aufnahme von

Elektronen, die Oxidation als die Abgabe von Elektro-

nen. Da Oxidation und Reduktion stets miteinander gekoppelt sind und immer gleichzeitig stattfinden, be-

zeichnet

man

Elektronentibertragungsreaktionen

Redoxreaktionen.

als

Teilgleichungen und Redoxpaare. Reduktions- und Oxidationsschritt einer Redoxreaktion werden getrennt

134

Elektrische Spannungsquellen

Reduktion: Cu*(aq)+2e —> Cu(s) Oxidation:

Fe(s) --> Fe?(aq)+2e”

Redoxreaktion: ~

Cu®(aq)+Fe(s)

= Cu(s)+Fe*(aq)

Die Teilchenpaare in den Teilgleichungen, die durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen ineinander iberfiihrt werden, heiRen Redoxpaare. An einer Redox-

reaktion sind immer zwei Redoxpaare beteiligt. Vereinbarungsgemal wird die oxidierte Form in einem Redoxpaar zuerst genannt. Fiir das Beispiel in Abb.1 liegen

die folgenden Redoxpaare (Ox/Red) vor:

Cu®(aq)/Cu(s) und Fe* (aqg)/Fe(s)

Redoxreihe der Metalle. Wenn man beliebige Kombinationen von Metallen und Metallsalzlésungen untersucht, stellt man fest, dass nicht jedes Metall-Atom in

der Lage ist, beliebige Metall-lonen aus ihren Lésungen zu reduzieren. So gelingt es beispielsweise nicht, mit einem Kupferblech elementares Eisen aus einer Lsung mit Fe-lonen zu gewinnen. Mit metallischem Kupfer kann Silber aus einer Silbersalzlosung erhalten werden

(Abb.2 (D), umgekehrt gelingt das Experiment jedoch

nicht (Abb.2@).

Untersucht man die unterschiedlichen Kombinationen

von Metallen und Salzl6sungen systematisch, stellt sich heraus, dass die jeweiligen Redoxpaare in einer Redoxreihe angeordnet werden kénnen (Abb. 3).

In der Redoxreihe stehen links die Alkali- und Erdalkalimetalle. Ihre Atome geben am leichtesten Elektronen

ab und sind also die starksten Elektronendonatoren.

Die Atome der Edelmetalle sind dagegen nur schwer zu

—

unedel

L

Mg

Li*

Mg? AB* zn®* Fe®* Ni?t Sn®* pb?#

D

Al

edel

Zn

Fe

Ni

Sn

Pb

Hz

Cu

Ag

H*

Cu®

Ag*

Hg

connamil

Au

Hg? Au*

3 Redoxreihe der Metalle oxidieren. lhre Kationen sind die starksten Elektronenakzeptoren und werden daher am leichtesten reduziert. Die Edelmetalle stehen demzufolge rechts, am entgegengesetzten Ende der Redoxreihe.

Edel oder unedel. Wie leicht die Atome eines Metalls

Innerhalb der Redoxreihe nimmtalso die Oxidierbarkeit der Metall-Atome ab und die Reduzierbarkeit der MetallKationen zu. Somit kann man mithilfe der Redoxreihe

chenden Salzlosung und Wasserstoffgas. Edlere Metalle wie Kupfer oder Gold reagieren hingegen nicht, ihre Ato-

voraussagen,

welche

Kombination

von

ionen, die in der Redoxreihe rechts von den Metall-Ato-

men stehen. Umgekehrt oxidieren Kationen nur die Metall-Atome, die links von den Kationen stehen.

wird

durch

die

Einwirkung

von

ver-

diinnten sauren Lésungen wie Salzséure auf die Metalle Giberpriift. Unedle Metalle wie Alkalimetalle oder Zink

reagieren schnell mit verdiinnter Salzsaure zur entspre-

me lassen sich nicht von verdiinnten Sauren oxidieren.

a)Erlautern Sie die Begriffe Elektronendbertragungs-

Redoxreaktionen sind Elektronentibertragungsreaktionen. In der Redoxreihe der Metalle sind die Redoxpaare Metall-Kation/Metall-Atom nach ihrem edlen Charakter

geordnet. Atome unedler Metalle werden von verdiinnten Sauren unter Wasserstoffentwicklung oxidiert.

4l

reaktion, Oxidation, Reduktion, Redoxreihe und unedler und edler Charakter von Metallen.

b) Erklären Sie den Begriff Redoxpaar und geben Sie fiir die auf dieser Doppelseite beschriebenen Redoxreaktionen die Redoxpaare an. c) $ In Lehrbiichern findet man haufig noch die Begriffe Reduktionsmitte! fiir Elektronendonator und

S sst man Eier mit einem Silberléffel, bekommt

dieser einen dunklen Belag aus Silbersulfid (Ag,S), der nicht nur unschén aussieht, sondern auch unangenehm schmeckt. Erlautern Sie den nachfolgenden Forumsbeitrag zur Reinigung des angelaufenen Silberbestecks:

Das angelaufene Silber wird mit Alufolie

Oxidationsmittel fiir Elektronenakzeptor. Ordnen Sie

umwickelt und mit einem Teeléffel Salzin eine

a)Geben Sie an, wo in der Redoxreihe die starksten

man alles mit heiRem Wasser und lésst es fiir

Schiissel

diese Begriffe den Beispielen aus Aufgabe b) zu. 2

sind,

Metallsalzlo-

sung und Metall zu einer Abscheidung des Metalls aus der Losung fiihrt. Metall-Atome reduzieren nur die Kat-

1

oxidierbar

gegeben.

AnschlieRend

(ibergieRt

ungefahr 5 Minuten stehen, bevor es griindlich

Elektronenakzeptoren und wo die starksten Elektronendonatoren stehen. Begriinden Sie Ihre Aussage.

unter flieBendem Wasser abgewaschen wird.

b) Ordnen Sie die Atome der Metalle Quecksilber, Zink und Blei nach ihrer Starke als Elektronendonator und

3l

begriinden Sie Ihr Vorgehen.

5

a) Z Stellen Sie für die Reaktion von Calcium in verdünnter Salzsäure die Reaktionsgleichung auf und er-

durch Behilter mit Eisenschrott flieBen. Erklaren Sie die

klären Sie daran die Bildung von Wasserstoffgas.

dabei ablaufenden Reaktionen und geben Sie fiir Bei-

b) ( Beschreiben Sie die zu erwartenden Beobach-

tungen, wenn die folgenden Metalle mit verdiinnter Salzsaure versetzt werden: PartnerA: Magnesium;

Partner B: Eisen; Partner C: Gold

c) Geben Sie fiir die ablaufenden Reaktionen die Teilgleichungen und die Redoxgleichungen an.

% Beim Recycling von Edelmetallen entstehen Losungen, die Metall-Kationen enthalten. Um die wertvollen Metalle zuriickzugewinnen, asst man die Losungen

spiele die Teil- und Redoxgleichungen an.

6

S siesollen das Redoxpaar Sn (aq)/sn s) in die Redoxreihe einordnen. Planen Sie hierzu ein Experiment und beschreiben Sie die zu erwarteten Beobachtungen.

Elektrische Spannungsquellen

Praktikum

Redoxreaktionen und Redoxreihe

Versuch 1:

Reaktion von Kupfersulfatlösung mit Metallen

SO

7]

Materialien: Thermometer, Stoppuhr, Tropfpipetten;

Eisenpulver (2), Zinkpulver (9), Kaliumhexacyanido-

ferrat(lll) (rotes Blutlaugensalz), Kupfersulfatlésung

(1 mol - ', 7,9), Ammoniaklésung (verd., 5)

Durchfiihrung: 1. Fiillen Sie zwei Reagenzglaser jeweils mit etwa 2 ml Kupfersulfatldsung (Ansatz 1 und 2) und messen Sie die Temperatur der Losungen. 2. Geben Sie in die Losung aus Ansatz 1 einen Spatel Eisenpulver und schiitteln Sie gut um. 3. Messen Sie die Temperatur der Losung. 4. Teilen Sie nach wenigstens 10 Minuten die Losung von Ansatz 1 auf zwei Reagenzglaser auf (Ansatze

1a und 1b).

5. Geben Sie zu Ansatz 1a und zu Ansatz 2 jeweils die gleichen Mengen Ammoniaklösung, bis sich der entstehende Niederschlag wieder aufgelöst hat. 6. Verdünnen Sie Ansatz 1b mit4 ml Wasser,

geben Sie drei bis vier Körnchen Kaliumhexacyanidoferrat(I!ll) hinzu und schütteln Sie um. 7. Wiederholen Sie den Versuch entsprechend mit Zinkpulver anstelle von Eisenpulver. Aufgaben:

a) Stellen Sie vor dem Versuch Hypothesen auf, welche Reaktionen zu erwarten sind und welche

der in der Abbildung angegebenen Nachweisreaktionen positiv verlaufen sollten. b) Notieren Sie Ihre Beobachtungen. c) Werten Sie den Versuch aus und beriicksichtigen Sie dabei folgende Aspekte: Anderung der Temperatur, Zugabe von Ammoniakl6sung, Zugabe von Kaliumhexacyanidoferrat(Ill).

Rotes Blutlaugensalz

ergibt mit Fe*-lonen

|

eine blaue Losung, ... | |

tiefb IaugLésyng.

Versuch 2: Edel oder unedel?

&G

Materialien: Schmirgelpapier, Tropfpipetten; Magnesiumband (2), granuliertes Zink (2), Eisenpul-

ver (2), Kupferspane (2), Salzsaure(1 mol - I,5) Durchfiihrung: Hinweis: Reinigen Sie, wenn nétig, der Metalle mit Schmirgelpapier. 1. Geben Sie in jedes Reagenzglas (Magnesiumband: 2 cm; Gibrige 2. Fiigen Sie zu jedem Metall etwa

hinzu.

die Oberflachen eine Metallprobe Metalle: 1 Spatel). 2 ml Salzsaure

3. Priifen Sie méglicherweise entstehende Gase (2) mithilfe geeigneter Nachweisverfahren. Aufgaben: a) Notieren und deuten Sie Ihre Beobachtungen, Stellen Sie fiir die ablaufenden Reaktionen die Reaktionsgleichungen in lonenschreibweise auf. b) Beurteilen Sie, ob Sie aus diesem Versuch die

Redoxreihe der Metalle ableiten kénnen.

Forschungsauftrag 1:

Wer reduziert wen?

GO

&=

Materialien: Uhrglaser oder Tiipfelplatte, Tropfpipetten, Schmirgelpapier;

Magnesiumband (2), Salzsaure (1 mol - ['; 5), Blech-

streifen von Zink, Eisen, Kupfer, Silber,

Lösungen (0,1 mol - ') von Magnesiumsulfat, Zinksulfat (7, 9), Eisen(ll)-sulfat, Kupfersulfat (7,9), Silbernitrat (7, 9), Kaliumchlorid Aufgaben: a) Planen Sie eine Versuchsreihe, mit der Sie ermitteln kénnen, welches Metall welche Metall-lonen aus den jeweiligen Metallsalzl6sungen reduzieren kann. Sie diirfen dafiir nur die angegebenen Materialien nutzen. Verwenden Sie kleine Mengen. b) E Kontrollieren Sie Ihre Planung mit der CheckKarte und führen Sie die Experimente durch.

c) Werten Sie die Experimente umfassend aus. Stellen Sie fiir die ablaufenden Reaktionen die

ein gelbliche Lsung.

136

Elektrische Spannungsquellen

Teilgleichungen und die Redoxgleichungen in

lonenschreibweise auf.

4.3 Redoxreaktionen lassen sich mit Oxidationszahlen beschreiben Elektronenübertragungsreaktionen

lassen

sich

leicht

Regeln zur Bestimmung von Oxidationszahlen

erkennen, solange an der Reaktion elementare Stoffe und einfache lonen beteiligt sind. Reaktionen von Molekülen sind dagegen nicht ohne weiteres als Redox-

1. Ungeladene Atome und elementare Stoffe erhalten die Oxidationszahl 0: Mg; Cl,

reaktionen beschreibbar. So verlaufen die Reaktionen von Wasserstoff mit Sauerstoff oder von Wasserstoff

2. 0-Atome erhalten in Verbindungen die

mit Chlor ohne Elektroneniibertragung. Die Produktteilchen sind Molekiile mit polaren Elektronenpaarbin-

Oxidationszahl -11: CuO, MgO

(Ausnahme: Peroxide -I: H,0,)

dungen,; es bilden sich keine lonen, an denen die Elek-

tronentibertragung abzulesen

wére.

Um

3. H-Atome haben die Oxidationszahl I:

auch solche

HCI; HO; NH3

Reaktionen als Redoxreaktionen beschreiben zu kon-

(Ausnahme Metallhydride -I: NaH; MgH;)

nen, hat man als Hilfe die Oxidationszahl eingefiihrt.

4. Metalle haben in Verbindungen immer eine po-

sitive Oxidationszahl. Die Oxidationszahl der

Oxidationszahl. Unter der Oxidationszahl eines Atoms

Metall-lonen der Hauptgruppenelemente entspricht meist der stabilsten lonenladung: Mg*-lonen im MgO haben die Oxidationszahl Il

in einem Molekiil versteht man die Ladung, die das Atom erhalten wiirde, wenn man sich vorstellt, das Mo-

lekiil sei aus lonen aufgebaut. Dazu ordnet man in Molekiilen die Bindungselektronen jeweils dem Atom mit dem héheren Elektronegativitatswert zu. Oxidationszahlen sind damit fiktive Ladungszahlen. Sie werden als rémische Ziffern angegeben, die man iiber die Elementsymbole schreibt. Negative Oxidationszahlen erhalten ein Minuszeichen. Bei positiven Oxidationszahlen lasst man das Pluszeichen meist weg.

5. In elektroneutralen Verbindungen ist die Summe der Oxidationszahlen aller Atome gleich 0:

NO, [(+1V) +2 (-11)] =0

6. Bei lonen entspricht die Summe der Oxidationszahlen aller Atome der lonenladung.: Fe3+: Oxidationszahl Il

Permanganat-lon (MnOy): [(+VIl) + 4(-I1)] =-1

Oxidationszahlen lassen sich vielfach mithilfe der nebenstehenden Regeln ermitteln. Im HCl-Molekiil erhalt

das Cl-Atom so die Oxidationszahl -1, daihm formal das Elektron des H-Atoms zugeordnet wird und es damit

a) ® Ermitteln Sie die Oxidationszahlen der Atome

acht statt sieben Elektronen hat. Das H-Atom hat formal

folgenden Molekiilen und lonen. Geben Sie an, welche

ein Elektron abgegeben. Es erhalt die Oxidationszahl I. =1

IC—H

Regeln Sie dabei angewandt haben:

1

Partner A: HBr, NO3~, NaH, H2SO4, NaHCO3

Partner B: A, PbO, Aly(SO4)3, HsPO4, KMNO4

Redoxreaktionen. Mit der Oxidationszahl lassen sich der Redoxreaktionen umfassend beschreiben: Unter Oxidation versteht man die Teilreaktion einer Redoxreaktion, bei der sich die Oxidationszahl erhéht. Dabei

gibt ein Atom tatsachlich oder formal Elektronen ab. Die Teilreaktion, bei der die Oxidationszahl kleiner wird,

ist die Reduktion. Hier nimmt ein Atom tatséchlich oder formal Elektronen auf. So ergibt sich fiir die Reaktion

von Wasserstoff mit Chlor: 0

in

0

ICl + -H —

-1

ICI—H

1

Die Oxidationszahl gibt die tatsächliche Ladung eines lons oder die formale Ladung eines Atoms in einer Verbindung an. Eine Erhhung der Oxidationszahl wahrend einer Reaktion entspricht der Oxidation, eine Verringerung der Reduktion eines Atoms.

2

b) Stellen Sie sich Ihre Ergebnisse gegenseitig vor.

& Priifen Sie, ob folgende Reaktionen Redoxreaktionen sind. Begriinden Sie anhand von Oxidationszahlen. Tauschen Sie anschlieRend lhre Ergebnisse aus. Partner A: Zink reagiert mit verdiinnter Schwefelsaure zu Zinksulfatlosung und Wasserstoff.

Partner B: Kupferoxid (CuO) reagiert mit Wasserstoffzu Kupfer und Wasser.

Partner C: Magnesium reagiert an Luft unter Bildung von Magnesiumoxid. Zusatzlich bildet sich das

gelblich-griine Magnesiumnitrid (MgsNy).

Oxidationszahlen werden auch zur eindeutigen

Benennung von einfachen Verbindungen verwendet.

So kann MnO, als Mangan(1V}-oxid bezeichnet werden. Die Oxidationszahl des Kations wird in Klammern ein-

gefiigt. Geben Sie die Oxidationszahlen fiir alle Atome der nachfolgenden Manganoxide an und benennen Sie

die Verbindungen in der angegebenen Weise: Mn,Os, MnO, Mn,07

Elektrische Spannungsquellen

137

Methode

Redoxgleichungen mit System aufstellen

Bei der Reaktion von Cu®*-lonen mit Fe-Atomen oder der Bildung von Chlorwasserstoffgas aus Wasserstoff und Sauerstoff lasst sich die jeweilige Redoxgleichung recht leicht aus den Ladungszahlen der reagierenden Teilchen oder den Oxidationszahlen ableiten. Fiir komplexere Beispiele wie der Reaktion von Permanganatlonen (MnOy) mit Sulfit-lonen (SO5%) ist dies schon schwieriger. Hier muss man zustzlich die Beteiligung der

H*(aq)-lonen und der OH"(aq)-lonen beriicksichtigen. Nachfolgend wird eine bewéhrte Schrittfolge zum Auf-

stellen von Redoxgleichungen vorgestellt. Als erstes notiert man die korrespondierenden Redoxpaare und bestimmt den Oxidations- und Reduktionsschritt mithilfe von Oxidationszahlen. Daraus lassen sich die Teilgleichungen ableiten, aus denen man dann durch Addition und Multiplikation die Anzahl der tibertragenen Elektronen ausgleicht. Am Schluss miissen noch Ladungen und Atomanzahlen ausgeglichen werden. Beispiel 1: Reaktion von Permanganat-lonen mit Sulfit-lonen in saurer Lésung

Beobachtung: Eine durch Permanganat-lonen (MnOy") violett gefarbte saure Losung wird farblos, wenn man eine Losung zufiigt, die Sulfit-lonen (S0,2") enthilt. Es entstehen Mangan(ll)-lonen (Mn*) und Sulfat-lonen

(504).

1. Notieren der korrespondierenden Redoxpaare; Zuordnung von Oxidation und Reduktion Durch den Vergleich der Oxidationszahlen aller Atome lassen sich auch in einer unvollstandigen Reaktionsgleichung die Teilchen ermitteln, die oxidiert oder reduziert werden. Reduktion Vit

v

Mn04 + SO3?

"

v

~» Mn?+50,2

Oxidation

2. Aufstellen der Teilgleichungen

v

v

Oxidation: SO i

—> SO{ +2e” I

Reduktion: MnOg + 5™

Mn?

3. Addition und Multiplikation der Teilgleichungen In einer Redoxgleichung muss die Anzahl der abgegebenen Elektronen gleich der Anzahl der aufgenommenen Elektronen sein. Das kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) der Elektronenanzahl beider Teilgleichungen liefert Faktoren, mit denen die Teilgleichungen multipliziert werden mussen.

Oxidation: Reduktion: ~ Addieren:

v

v

SO3? —+ SO

+2e”

|-5

MnOg+ 5e—>

Mn*

[-2

vur

N

5505

vr

+ 2Mn04

0

v

+ 10e™= 550,27 + 2Mn?* + 10e7

4. Ausgleich der Ladungen

55057 +2Mn0O; +6 H;0" = 5502 + 2 Mn* 5. Ausgleich der Atomanzahlen

5503% +2MnO; +6 H;0* = 5502 + 2Mn?*+9H,0

138 Elektrische Spannungsquellen

[

Beispiel 2: Reaktion von Permanganat-lonen mit Sulfit-lonen in alkalischer Lösung Lasst man eine alkalische Kaliumpermanganatlosung mit Natriumsulfitldsung reagieren, beobachtet man eine Griinfarbung der Losung. Es bilden sich Manganat-lonen (MnO4*") und Sulfat-lonen. 1. Notieren der korrespondierenden Redoxpaare; Zuordnung von Oxidation und Reduktion [ Vil

Reduktion —— v Vi

MnO, + 505

v

-> Mn04? +S04 Oxidation

2. Aufstellen der Teilgleichungen N

Oxidation: S03

i

>

v

SO

Reduktion: MnO4” + e™>

+2¢”

v

Mn0O,2

3. Addition der Teilgleichungen

w i Oxidation: SO3* -~ SOF +2¢ vın vi Reduktion: MnO4 + €™

Addieren:

W

SO3

[&r

|-2

MnO*

Vit

+ 2MnO4

v

+ 2e°—> SO4

v

+ 2Mn04”

+ 26€7

4. Ausgleich der Ladungen

SO

+2MnO; +20H — SO4

+ 2Mn04

5. Ausgleich der Atomanzahlen

SO5* +2MnOy +20H = 1

2'

SO2 + 2MnO,> +H,0

a)Beschreiben Sie am Beispiel 2 die Schrittfolge zum

a) MnO4” +H* +CI” —> Mn?2 + Cl (g)+2 H20 (l)

sprechende Sprechblasentexte. b) Stellen Sie die Unterschiede zu Beispiel 1 heraus.

d)Na (5)+ H (1)+ H' = Na* +OH” +H2(g)

Aufstellen von Redoxgleichungen. Formulieren Sie entE1#

b) Fe? +Cr07% +H" = Fe** +Cr* +H,0 (1) €) S2037 +12 —& S4067 +17

Stellen Sie fiir folgende Redoxreaktionen mit

) NHs(g) + 0, (g) = NO(g) + H;0 (1) f) H2S(g) +O2(g) —& SO2(g) + H20 (l)

Permanganat-lonen (MnOy") die Teilgleichungen und

die Redoxgleichung auf. Verwenden Sie die Anleitung aus Beispiel 1. Alle Reaktionen laufen in saurer Losung

ab.

Partner A: MnO,/Br’; es entstehen Br,-Molekile,

Partner B: MnO4 /NO,™ (Nitrit-lonen); es entstehen

Nitrat-lonen (NOy"),

Partner C: MO, /Fe®; es entstehen Fe**-lonen, Partner D: MnO,/H,0, (Wasserstoffperoxid); es entsteht ein Gas, das einen Glimmspan entziindet.

3§y Richten Sie die folgenden Redoxgleichungen ein und geben Sie jeweils Elektronendonator (Reduktions-

mittel) sowie Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel)

an. Sofern nicht anders angegeben, liegen alle Teilchen hydratisiert vor.

4

g) H2S(g)+SO2(g) —> S(s) +H20(l)

X& Abwässer enthalten stickstoffhaltige lonen

wie Ammonium-lonen (NH4”), Nitrat-lonen (NO3”) und die für viele Organismen toxischen Nitrit-

lonen (NO,"). In der biologischen Reinigungsstufe eine Klaranlage werden diese lonen durch

bestimmte Mikroorganismen umgesetzt und es

entsteht elementarer Stickstoff (Ny). Dieser gast

in die Luft aus. Richten Sie die folgenden Reaktionsgleichungen des Anammox-Verfahrens ein

und kennzeichnen Sie iiber Oxidationszahlen Oxidation und Reduktion.

NHg* +0,(g) = NO;™+ NHg*+ H,0(1) + H* NO2"+NH4*—> Ny (g) + Hy0(1)

Elektrische Spannungsquellen

139

Ubersicht

Teilcheniibergange - das Donator-Akzeptor-Konzept

Séure-Base-Reaktionen

und

Redoxreaktionen

zeigen eine Gemeinsamkeit: Es werden jeweils Teilchen (ibertragen. Eine Brensted-Séure gibt ein Proton ab, die Bronsted-Base nimmt ein Pro-

ton auf. Bei Redoxreaktionen gibt ein Reduktionsmittel Elektronen ab, das Oxidationsmittel nimmt

diese auf. Beide Reaktionen sind also Donator-Ak-

zeptor-Reaktionen. Das Donator-Akzeptor-Konzept ist eines der Basiskonzepte, die der Chemie eine Ordnung geben. Nachfolgend werden beide Donator-Akzeptor-Reaktionen gegeniibergestellt.

S&ure-Base-Reaktion (Protolyse)

Redoxreaktion

Artder tibertragenen Teilchen

Protonen (H*)

Elektronen (e7)

korrespondierende Paare

Séure-Base-Paare

Redoxpaare Ox;/Red;; 0x2/Redz

Beispiele Donator

Teilreaktion: Donatorreaktion

HA/A7; HB*/B CH3COOH/CH3COO”; NH4*/NH3

Bronsted-Saure (HA) Protonenabgabe HA=H"+A”

Ag'/Ag; Fe*/Fe?

Reduktionsmittel (Red)

Elektronenabgabe (Oxidation) Red->Ox+ze”

HCL=> H*+ CI”

AB

Ag +e”

Beispiele

CH3COOH —> H* + CH3COO”

Zn>Zn*+2e"

Akzeptor

Bronsted-Base (B) Protonenaufnahme

Oxidationsmittel (Ox) Elektronenaufnahme (Reduktion)

B+H*->HB*

Ox+ze”-—+>Red

H20 +H* —> H30*

Fe* +e > Fe?*

Teilreaktion:

Akzeptorreaktion

Beispiele

NH3+ H*->NHa*

Donator-Akzeptor-Reaktion

Séure-Base-Gleichgewicht HA+B

= HB" +A”

Cu?*+2e”->Cu

Redoxgleichgewicht

Red; + Ox, = Ox; + Red,

Beispiele

Ha0 + NH3 = NH,' +OH™

Ag+Fe™ = Ag* + Fe?

Donator-Akzeptor-Reaktion zwischen gleichen Teilchen

Autoprotolyse

Disproportionierung/ Synproportionierung

H20 + H20 = H30*+OH”

Z C”

Quantitative Beschreibung

pKs-Wert

Standardelektrodenpotential (£5)

Konzentrationsabhängigkeit

Puffergleichung

Nernstsche Gleichung

cla

pH:prlgc[HA]

140 Elektrische Spannungsquellen

0059V 1 c(ox)

E(Ox/ = E°R(O ex/d Re) d) + ==

(Red)

Exkurs

Disproportionierung und Synproportionierung

Tropft man eine durch

| U

Schwefelsäure in Manganat-lonen

(MnO4*) griin gefarbte Loésung,

so wird die Losung violett und ein brauner Niederschlag fallt aus. Es haben sich Permanganat-lonen (MnO,) und Braunstein (MnO,) gebildet. Bei dieser Reaktion wird also ein Teil der

MnO*-lonen

reduziert,

wah-

rend gleichzeitig ein anderer An-

teil dieser lonen oxidiert wird:

w i v MnO4? -> MnO4”+MnO,

Allgemein bezeichnet man Reaktionen, bei denen

Teilchen desselben Stoffs zugleich oxidiert und reduziert werden als Disproportionierung. Eine

Atomart mit einer mittleren Oxidationsstufe wird

gere Oxidationsstufe tiberfiihrt. Den umgekehrten Vorgang nennt man Synproportionierung oder Komproportionierung.

1

Stellen Sie die vollstandige Redoxgleichung fiir die

Disproportionierung von Manganat-lonen in saurer Lésung auf. Nutzen Sie hierfiir die Methodenseite

2

zum Aufstellen von Redoxgleichungen.

& Richten Sie die folgenden Reaktionsgleichungen ein und entscheiden Sie, ob es sich um eine

Synproportionierung oder eine Disproportionierung handelt. Stellen Sie sich Ihre Ergebnisse

nach der Bearbeitung vor. Partner A: KCIO; (s) = KCL (s) + KCIO4 (s)

Partner B: H,S04 (aq) + H,S (aq) = S (s) + Hy0 (1) Partner C: NHgNO3 (s) = N;O (g) + Hy0 (1)

dabei gleichzeitig in eine höhere und eine niedri-

Praktikum

Disproportionierung und Synproportionierung

Versuch 1:


MnOOH+OH”

Mangan(Ill)oxid-

|:2

Die Gesamtreaktion in der Batterie lautet somit: Zn(s)+2MnO,(s)+2 H0(l) —>

Zn*(aq) +2 MnOOH (s) +2 OH™(aq)

InderElektrolytl6sung laufen anschlieRend noch Folgereaktionen ab: Die entstehenden OH™-lonen reagieren in einer Protolysereaktion mit den Ammonium-lonen

(NH,") zu NH5- und H,0-Molekiilen:

NH,4* (ag)+ OH™(ag) — NH3(aq) + H,0 (1) Die NH3-Molekiile werden dann von den Zn*-lonen gebunden und reagieren zu Diamminzink-lonen:

Zn™ (aq) +2 NHs (aq) > [Zn(NH3),[* (aq) Die Diamminzink-lonen bilden zusammen mit den im Elektrolyten vorhandenen Cl™-lonen einen schwerlos-

lichen Feststoff, der sich auf den Elektroden ablagert. Dadurch steigt der elektrische Widerstand der Batterie und ihre Leistung sinkt:

[Zn(NH3)2]” (aq) + 2 CI”(aq) —> [Zn(NH3)2]Cl(s) Da der Zinkbecher

beim

Betrieb der Batterie aufge-

braucht wird, besteht die Gefahr, dass der Becher löch-

rig wird und der Elektrolyt austritt. Wenn die Batterie

dann in dem elektrischen Gerät verbleibt, kann dies zu

Schäden am Gerät führen. Mit einem Stahlmantel um die Batterie wird die mechanische Stabilität erhöht.

Zink-Luft-Batterie tiver

Pol

"eE2 |‘ver °

Zink-Silberoxid-Batterie — Kunststoffdichtring

Lithium-Mangandioxid-Batterie

negativer Pol r Kunststoff-

dichtring

Zinkpulver

Kunststoffdichtring Lithium

negativer Pol

Zinkpulver

# _ positiver Pol ¥ L Quellblatt

— Luftloch Masse Netz | Filterpapier Separator

Stützring

Teflonfolie

positiver /— Silberoxid Pol

Separator

Minuspol:

Minuspol:

2Zn --> 2Zn*+4e”

Zn --> Zn +2e Pluspol:

Pluspol:

0,+2H,0+4 € -->4OH

Ag0+H042¢ > 2Ag+20H"

Elektrolyt: Kaliumhydroxidlosung

Elektrolyt: Kaliumhydroxidlosung

Nennspannung U in V: 1,45

Nennspannung Uin V: 1,55

Verwendung: Horgerte, Sicherheitsleuchten im StraBenbau,

Pol

Stiitzring

Minuspol: Li —> Li*+e” Pluspol:

Elektrolyt

(Separator)

Mangandioxid

MnO, +Li*+€” --> LiMnO,

Elektrolyt: LiClO4 in wasserfreiem Losemittel, Festelektrolyte

Verwendung: Uhren, Taschenrech-

ner, medizinische Gerite

Weidezaune

positiver|

organischel

Nennspannung Uin V: 1,5 bis 3,7

Verwendung: Kameras, Uhren, Herz-

schrittmacher, Sicherheits- und

Alarmsysteme

3 Weitere hufig verwendete Batterietypen Eine zusatzliche Kunststofffolie unter dem Stahlmantel

vermeidet ein Auslaufen der Batterie. Alkali-Mangan-Batterie. Zink-Kohle-Batterie ist

Eine Weiterentwicklung der die Alkali-Mangan-Batterie

(Abb.2). Ihre Nennspannung betragt ebenfalls 1,5 V. Als

Minuspol dient eine Paste aus Zinkpulver in eingedickter Kaliumhydroxidlosung. Somit ist die Elektrodenreaktion am Minuspol dieselbe wie bei der Zink-KohleBatterie. Durch die im Vergleich zur Zink-Kohle-Batterie groRere Oberflache des Zinks konnen der Alkali-Mangan-Batterie jedoch iiber léngere Zeiten hohere Strome bei gleichbleibender Spannung entnommen werden. Am Pluspol lauft folgende Elektrodenreaktion ab:

W

"

MnO;,(s)+2H,0(l) +2 €™~ Mn(OH),(s)+2 OH™(aq) Bei Batterien, die Kaliumhydroxid als Elektrolyten enthalten, findet eine Folgereaktion statt, bei der die gebildeten [Zn(OH),*-lonen im Elektrolyten geldst bleiben:

Zn*(aq)+4 OH"(aq) - [Zn(OH),* (aq) Batterien sind galvanische Zellen, die durch ortsunab-

héngige Umwandlung von chemischer in elektrische Energie elektrische Geréte versorgen. Bei Primérzellen ist das Aufladen nicht maglich.

a) (

Begriinden Sie folgende MaRnahmen bei der

Zink-Kohle-Batterie:

PartnerA: Dem Mangandioxid wird Graphit zugesetzt. Partner B: Die Batterie erhalt eine Ummantelung aus

einer Kunststofffolie und auRen ein Stahlgehause. Partner C) Die Ammoniumchloridlésung wird mit

Stérke versetzt. b) Tauschen Sie Ihre Ergebnisse aus. Erkléren Sie anschlieRend, warum die Spannung einer Zink-KohleBatterie im Betrieb deutlich unter der Nennspannung

von 1,5V liegt.

a) &) Fertigen Sie Lernplakate zu den Batterietypen in Abb. 3 an. Beriicksichtigen Sie dabei folgende Aspekte: Aufbau und Funktion, Teil- und Gesamtreaktions-

gleichungen, Nennspannung, Anwendungsfelder, Um-

weltaspekte.

b) Prasentieren Sie Ihrer Ergebnisse in einem Galerie-

gang. Vergleichen Sie die verschiedenen Batterietypen

tabellarisch hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile. Q

Eine Alkali-Mangan-Batterie kostet 30 Cent und

liefert 1,3 A- h. Vergleichen Sie die Kosten fiir eine solche Batterie mit den Kosten, die ein Stromanbieter bei einem Durchschnittspreis von 28,5 Cent fiir die elektri-

sche Energie von We= 1,0 KW-h berechnet. Fiir die Berechnung der elektrischen Energie gilt: We =U- /-t mit derUmrechnung: TW-1s=1V-1A-1s

Elektrische Spannungsquellen

157

4.9 Komplexe sind besondere Teilchen

©® oktaedrisch [Cu(H;0);]?

linear

[Zn(H,0)]**

1 Strukturen von Komplexteilchen

tetraedrisch [AUOH).]”

Beim Betrieb einer Zink-Kohle-Batterie entsteht durch

Folgereaktionen das schwer [6sliche Diamminzinkchlorid [Zn(NHs),]Cl,. Fiir den Betrieb der Batterie ist dies Vorteil und Nachteil zugleich: Einerseits bleibt die Konzentration an freien Zn*-lonen im Elektrolyten niedrig und die Batteriespannung fallt beim Betrieb der Batterie nur wenig ab. Andererseits erh6ht sich aufgrund derAblagerung der Verbindung auf der Zinkelektrode der Widerstand und die Leistung der Batterie sinkt. Komplexe und ihre Struktur. Die eckigen Klammern

in der Formel des Diamminzinkchlorids kennzeichnet

eine besondere Art von Teilchen, die man als Komplexteilchen oder kurz Komplexe bezeichnet. Stoffe, die aus Komplexteilchen aufgebaut sind, nennt man Komplexverbindungen. Die noch heute giiltige Vorstellung zur Struktur der Komplexe wurde schon 1892 von Alfred WERNER entwickelt. Danach besteht ein Komplex aus einem Zentralteilchen, das von einer bestimmten Anzahl

an Liganden (lat. ligare: binden) umgeben ist. Zentralteilchen sind meist Metall-lonen, seltener Metall-Atome.

Liganden kénnen Dipol-Molekiile oder Anionen sein. Im

Falle des [Zn(NHs),]*-lons im Diamminzinkchlorid ist das Zn*-lon das Zentralion, die beiden

sind die Liganden (Abb.1 (@),

NH,-Molekiile

Oktaeder @ mit vier Liganden ein Tetraeder @ oder ein Quadrat @ Lineare Komplexe bilden sich bei zwei

Liganden an einem Zentralteilchen.

doch Kenntnisse liber deren Struktur zu haben. Be-

nanntwurden diese Komplexe mit Trivialnamen, die auf

158

Elektrische Spannungsquellen

Stoffe zurückgingen. Beispiele sind das Reinecke-Salz (NH4[Cr(SCN)4(NHs),]) oder Berliner Blau (Fe,[Fe(CN)gls. Heute kennt man weit iiber 100 000 Komplexverbindungen. Es ist also ein leistungsfahiges System von Regeln nétig, nach denen sich Komplexverbindungen eindeutig benennen lassen. Heute werden Komplexverbindungen wie auch nahezu alle anderen Stoffe nach den IUPAC-Regeln (International Union of Pure and Applied Chemistry) benannt. Fiir Komplexverbindungen gilt: * In Formeln von Komplexteilchen steht immer erst das Zentralteilchen, es folgen anionische, dann un-

geladene Liganden. * Bei salzartigen Komplexverbindungen

Eigenschaften

wird

in der

Formel das Kation vor dem Anion aufgefiihrt - wie

generell bei Salzen. * Im Namen des Komplexteilchens werden die Liganden in alphabetischer Reihenfolge vor dem Zentralteilchen genannt. Zahlworte wie di, tri, tetra, penta

bleiben bei der Reihung unberiicksichtigt. Fiir die weitere Benennung muss man die Gesamtladung des Komplexteilchens beachten. Sind ungeladene Liganden an ein Zentralion gebunden, liegt ein kationischer Komplex vor. Uberwiegt die negative Ladung, ist der Komplexanionisch; heben sich die Ladungen gegen-

* Bei kationischen

und

neutralen

Komplexen

wird

der Name des Zentralions nicht verandert. In anionischen Komplexen wird die Silbe -at an den deutschen oder lateinischen Namen des Zentralions an-

gehangt (Abb. 3).

Nachweis durch Komplexbildung. Die Farben mancher Komplexe sind so charakteristisch und intensiv,

Benennung von Komplexen. Im 19. Jahrhundert kannte man bereits einige Komplexverbindungen, ohne je-

Entdecker oder besondere

[Cu(NH3)ı]?*

seitig auf, ist der Komplex neutral.

Die Anzahl der Liganden, die direkt mit einem Zentralion verbunden sind, ist die Koordinationszahl. Je nach Anzahl der Liganden entstehen bestimmte geometrische Anordnungen: Mit sechs Liganden entsteht ein

den

quadratisch-planar

dieser

dass sie den Nachweis bestimmter lonen auch bei sehr

geringer Konzentration ermoglichen. Ein typisches Beispiel ist der Nachweis von Cu®-lonen mithilfe von Ammoniaklosung: Gibt man Ammoniak zu einer Kupfersulfatlésung, so dndert sich die Farbe von hellblau

ungeladene Liganden

anionische Liganden

Formel

Name

Formel

Name

Hy0

aqua

cr

chlorido

NH3

ammin

F

fluorido

co

carbonyl

OH™

hydroxido

CN“

cyanido

NO —

[Cu (H20)s]” (aq) + 4 NH3(aq) = [Cu(NH3)a]”* (aq) + 6 H20 2 Ligandenaustauschreaktion

nitrosyl

PH3

phosphin

SCN™

thiocyanato

CsHsN

pyridin

Ny

azido

4 Namen von Liganden (Auswahi)

nach tiefblau (Abb.2). Ursache ist der Austausch von

H,0-Molekiilen gegen NH;-Molekiile als Liganden: Aus dem Hexaaquakupfer(ll)-lon ([Cu(H,0)¢]**) bildetsichein neues Komplexteilchen, das Tetraamminkupfer(ll)-lon

([Cu(NH3)sJ*) (Abb.1 ®). Dieser Wechsel der Liganden

1

2

wird als Ligandenaustauschreaktion bezeichnet. Ligandenaustauschreaktionen sind Gleichgewichts-

Beschreiben Sie die Struktur der Komplexe in Abb. 1 und geben Sie die Namen und Formeln der Zentralteilchen und der Liganden an. a)Fertigen Sie eine Ubersicht iiber die Regeln zur Benennung von Komplexen an. Nutzen Sie hierfiir auch

die Abb.3und 4.

b) & Geben Sie die Namen beziehungsweise die Sum-

reaktionen. Somit hangt auch hier die Lage des Gleich-

gewichts von den beteiligten Teilchen sowie deren Konzentration und der Temperatur ab.

menformeln fiir die folgenden Komplexe an. Entscheiden Sie, ob ein anionischer, kationischer oder neutraler Komplex vorliegt.

PartnerA: [FeCly(H;0)s]* Partner B: [Al(OH);(Hy0)a)* Partner C: Triammintrichloridocobalt(l11)

Komplexe bestehen aus einem Zentralteilchen und

regelmaRig angeordneten Liganden. Der Austausch

von Liganden ist eine Gleichgewichtsreaktion, die oft

Partner D: Kaliumhexafluoridonickelat{1l)

mit einem Farbwechsel verbunden ist.

¢) Tauschen Sie die Ergebnisse mit Ihren Partnern aus. 3

Tropf man Ammoniak zu einer Nickelsalzlsung, so

zeigen sich folgende Beobachtungen.

Komplex und Name Kationischer Komplex

[BH(NH;);] S0,

TetraamminKupfer{il} sulfat

Anionischer Komplex

Reihenfolge der Nomenklatur 1. Anzahl der Liganden

2. Name des Liganden

3. Name des Z@iitialions mit Oxidationszahl 4. Name des Anions

2. Anzahl der Liganden

Natriumtetrahydrosido

4. Name des ZEREFaGNS (mit der

Neutraler Komplex

[GH@E (H,0)5]

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung. Hinweis: Das

1. Name des Kations

Na B (OH)j]

aluminat(1ll)

a) Erldutern Sie, was bei der Reaktion geschieht.

Produkt enthélt Hexaamminnickel(ll)-lonen. Beim

3. Name des Liganden

Versuch erwéarmt sich die Lésung leicht.

b) Stellen Sie eine Hypothese auf, wie Sie die Reaktion

Endsilbe -at)

mit der Oxidationszahl

1. Anzahl der 1. Liganden

2. Name des 1.Ligar 3. [Afizahl der 2. Liganden

DiaciuaEERIGTBRUBIEEN 4. Nome des 2. IESHEEH 5. E

mit Oxidationszahl

4

wieder riickgangig machen kénnen. a)[SAuch in der Alkali-Mangan-Zelle bildet sich mit

Zn*-lonen ein Komplex. Geben Sie Namen, Summen-

formel sowie die Bildungsreaktion fiir den Komplex an. b) Erkléren Sie, warum die Leistung der Alkali-ManganBatterie beim Betrieb weniger stark abfallt als nach der Komplexbildung in der Zink-Kohle-Batterie.

3 Benennung von Komplexverbindungen

Elektrische Spannungsquellen

4.10 Akkumulatoren lassen sich wieder aufladen Minuspol

V

Pluspol

Negative Platte (Pb) Negativer Plattensatz

Plattenblock

fiir eine 2 V-Zelle Positiver Plattensatz Positive Platte (PbO,) 1 Laden und Entladen eines Bleiakkumulators

2 Aufbau einer Starterbatterie

Ein Akkumulator (lat. accumulare: anhaufen) wurde frii-

Damit an den Elektroden die gewiinschten Reaktionen ablaufen und nicht Wasser zu geféhrlichem Knallgas elektrolysiert wird, muss der Ladevorgang durch einen Laderegler gesteuert werden. Dieser halt die angelegte Spannung unter einem kritischen Wert.

her auch als ,Sammler“ bezeichnet. Heute verwendet man den Begriff fiir eine Sekundarzelle, das heilt, fir

eine wiederaufladbare galvanische Zelle. Bleiakkumulator. Zu den altesten Akkumulatoren, die heute noch verwendet werden, gehort der Bleiakkumulator, kurz Bleiakku. Als Starterbatterie liefert er in Fahr-

zeugen den nétigen Strom zum Starten des Motors. In geladenem Zustand besteht der Minuspol des Bleiak-

kus aus Blei, der Pluspol aus Bleidioxid (PbO,). Der Elek-

trolytist eine etwa 38 %ige wéssrige Losung von Schwefelséure (Abb. 1). Die Nennspannung einer Zelle betragt etwa 2 V; die in Fahrzeugen Ubliche Spannung von 12V wird durch eine Reihenschaltung von sechs Bleiakku-

zellen erreicht. Die Reaktionen beim Entladen sind:

o

W

Minuspol: Pb(s) + SO,2 (aq) --> PbSO,(s)+2e”

v

Pluspol: PbO, (s) +4 H* (aq) + SO

(aq) +2 & -

1

PbSO4(s) +2 H2O(I)

Die an den beiden Elektroden entstehenden Pb*-lonen bilden mit den Sulfat-lonen (SO,%) des Elektrolyten einen schwerloslichen Niederschlag aus Bleisulfat. Dieser setzt sich auf den Elektroden ab. AuRerdem entsteht bei der Reaktion Wasser. Die schwefelsaure Lésung wird beim

Entladen also zusétzlich verdiinnt.

Durch Anlegen einer duferen Spannung lasst sich die Reaktion

umkehren,

sodass der Bleiakkumulator wie-

der aufgeladen wird. Die Reaktionen beim Laden sind:

Minuspol: PbSO4(s) +2 €™ > Pb(s)+S0,* (aq) Pluspol: PbSO4(s) + 2 H0(l) —

PbO;,(s) +4 H' (aq) + SO

160

Elektrische Spannungsquellen

(ag) +2 €~

Der Akkumulator muss

beim Starten eines Verbren-

nungsmotors kurzzeitig eine hohe Stromstarke liefern. Damit dies mdglich

wird, sind die Elektrodenflachen

moglichst groR. Daher werden mehrere diinne Platten aus Blei und Bleioxid abwechselnd nebeneinander verbaut, wobei jeweils alle Bleiplatten und alle Bleidioxidplatten leitend miteinander verbunden werden (Abb. 2). Die Elektroden bestehen aus Gittern einer Bleilegierung,

deren Zwischenraume die elektrochemisch aktiven Materialien Blei und Bleidioxid enthalten. Um Kurzschlis-

se zu verhindern, werden die entgegengesetzt geladenen Platten durch Separatoren getrennt. Dies sind Kunststoffmembranen, die fiir lonen durchlassig sind.

Bleiakkumulatoren werden nicht nur in Kraftfahrzeu-

gen eingesetzt. Stationar finden sie Verwendung als Pufferbatterien bei Notstromversorgungen, fiir Alarmanlagen, Notbeleuchtungen oder fiir Solaranlagen. Als mobile Spannungsquelle werden Bleiakkus auch in Unterseeboten genutzt.

Nickel-Metallhydrid-Akkumulator.

Cadmiumhaltige

Akkumulatoren wie der Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd-Akku) diirfen in Europa wegen der Gefahren für

Mensch und Umwelt nur noch fiir Spezialanwendungen verwendet werden. Heute sind diese Akkus durch Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren (NiMH) abgelöst worden (Abb.3). Letzterer ist nicht nur umweltfreund-

licher, sondern es sind auch höhere Kapazitäten, also

speicherbare Ladungsmengen, erreichbar.

Sicherheitsventil

a) (

Fertigen Sie Plakate zu den auf dieser Doppelsei-

te genannten Akkumulatoren an. Gehen Sie dabei auf folgende Aspekte ein: Aufbau, Reaktionen beim Ent-

isolierendePVC-Scheibe

laden und Laden, Nennspannung, Ladedauer, Zyklenzahl, Herstellungskosten, Umweltvertraglichkeit.

positive Elektrode: Nickel(Ill)-oxidhydroxid negativeElektrode: Legierung mit Metallhydrid

Nutzen Sie die Informationen auf dieser Seite und stellen Sie weiterer Recherchen an.

Gruppe A: Blei-Akku

Gruppe B: Ni-MH-Akku

Gruppe C: Ni-Cd-Akku.

b) Tauschen Sie Ihre Ergebnisse in einem Galeriegang aus und beurteilen Sie, welchen Akkumulator Sie fir

welche Anwendung verwenden kénnen.

Separator

Bei alteren Bleiakkumulatoren |3sst sich der Ladezu-

" Minuspol

stand abschatzen, indem man die Dichte der Schwefel-

saurelésung mit einem Araometer bestimmt. Folgende Daten wurden experimentell ermittelt.

3 Aufbau eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators

Der Pluspol des NiMH-Akkumulators bestehtim gelade-

nen Zustand aus Nickel(lll)-oxidhydroxid (NiOOH), der

Minuspol aus Legierungen verschiedener Metalle (M) wie beispielsweise Lanthan und Nickel mit einer Reihe weiterer Metalle in geringen Mengen. Beim Laden des Akkumulators werden H-Atome in die Zwischenrdume des Metallgitters eingelagert, wobei die Metall-Atome

ihre Oxidationszahlen (0) nicht &ndern. Die entstandenen Stoffe werden Metallhydride (MH) genannt. Beim

Entladen werden die H-Atome aus dem Gitter wieder

freigesetzt und oxidiert. Als Elektrolyt dient beispielsweise Kaliumhydroxidlésung (KOH, aq). Die Nennspannung des Akkus betragt 1,2 V. Beim Laden und Entladen

Zustand

vollgeladen 50% geladen

entladen

Dichteging-cm™

128

Spannung

1265

1,19

12,14

1,10

11,80

a) Erklaren Sie den allgemeinen Zusammenhang zwischen der Dichte und dem Ladezustand. b) Ermitteln Sie, welchem Ladezustand und welcher

Spannung einer Dichte von o

=1,16 g - cm™ entspricht.

Fertigen Sie hierzu ein Spannungs-Dichte-Diagramm an. Interpretieren Sie den Kurvenverlauf.

des NiMH-Akkus laufen folgende Reaktionen ab:

Laden - aber sicher Immer wieder fiihrt die falsche Handhan-

Minuspol:

bung von Autobatterien zu Unfallen. Kommt

00

Entladen

MH (s) + OH™ (ag) === Pluspol: un

Laden

0

es zu einer Explosion der Batterie, kann atzen-

M(s) + H,0(l) + &~ Entladen

NiOOH (s) + H,0 (1) + & &= Laden

Entsorgung.

1

Akkumulatoren

¢

de Batteriesdure verspritzt werden. Schwere Veratzungen kénnen die Folge sein. Daher

Il

Ni(OH),(s) + OH"(aq)

und

Batterien

gehoren

nicht in den Hausmiill! In Deutschland miissen unbrauchbar gewordene oder nicht mehr bengtigte Bat-

terien und Akkus vom Hersteller zuriickgenommen und sachgerecht verwertet werden. Die Riicknahme erfolgt iber das Gemeinsame Ricknahmesystem Batterien (GRS-Batterien): Man gibt Altbatterien und -akkus ohne vorheriges Sortieren kostenfreiin eigene Sammelboxen. Akkumulatoren sind im Gegensatz zu Batterien galvanische Zellen, die mehrere Male geladen und entladen wer-

den konnen. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und umgekehrt.

sollte man beim Laden von Autobatterien folgende Regeln beachten:

1. Nur in gut durchliifteten Raumen laden. 2. Ladedauer beachten.

3.Funken

beim Abklemmen

des

Ladegera-

tes von der Batterie vermeiden. Dazu immer erst das Netzkabel des Ladegerats vom

Netzstecker ziehen.

4 Beim Ladevorgang eines Bleiakkumulators kann es an beiden Polen zur Bildung eines Gases kommen, wenn die Ladezeit des Akkumulators tiberschritten wird. Geben Sie an, welche Gase bei langen

Ladevorgéangen entstehen kdnnen. Begriinden Sie die genannten VorsichtsmaRnahmen zur Handhabung von

Autobatterien.

Elektrische Spannungsquellen

161

4.11

In Lithium-lonen-Akkumulatoren werden lonen verschoben

Minuspol

+— e“

Laden

- ı*

Y

Graphenschicht

—e

Pluspol

Minuspol

Entladen

@—

A

e—

/

Lithium-

|

Cobaltoxidschicht

Pluspol Lithium-

1 Laden und Entladen eines Lithium-lonen-Akkumulators (Lithium-lonen violett, Anionen des Elektrolyten griin)

Lithium-lonen-Akkumulatoren sind die im Moment leistungsfahigsten Sekundarzellen fiir kommerzielle Anwendungen. lhre Vorteile: Sie kénnen viel Energie bei geringer Masse speichern und haben eine vergleichsweise hohe Nennspannung von etwa 3,7 V. Es gibt zahlreiche Typen von Lithium-lonen-Akkus. Gemeinsam ist diesen Zellen, dass die Li*-lonen nicht an den eigentlichen Elektrodenreaktionen teilnehmen, sondern nur

als Ladungstrager auftreten. Die Li*-lonen sind in was-

serfreien organischen Losemitteln gelost (Abb. 1).

Prozesse des Ladevorgangs umgekehrt, sodass man fir die jeweils maximale Zellreaktion folgende Elektrodenreaktionen angeben kann: Entladen

Minuspol: Li*[C]"(s) &

0

Li*(solv) +Cg(s) + &~

Laden N Entladen 0 Wl Pluspol: LICoCoO, + Li* (solv) + €” == 2LiCo0,

Laden

Die Li*-lonen wandern beim Laden und Entladen nur als Ladungstrager zwischen Minus- und Pluspol hin und her. Dies wird auch als Rocking-Chair-Prinzip bezeichnet.

Minuspol. Die negative Elektrode eines Lithium-lonen-Akkus besteht aus Graphit oder neuerdings aus der Kohlenstoffmodifikation Graphen. Die C-Atome der Elektrode bilden Schichten aus miteinander verkniipften Sechsringen (Abb.1 (D). Beim Ladevorgang wer-

In Lithium-lonen-Akkumulatoren fungieren die Lithiumlonen nur als Ladungstrager und nehmen nicht an den

Elektrodenreaktionen teil.

den Elektronen in das Gitter aus C-Atomen des Minus-

pols ,hineingepumpt, wobei die Elektronen im Gitter keinem festen Atom zugewiesen werden

konnen, also

delokalisiert sind. Durch die negative Aufladung des Gitters wandern Li*-lonen aus dem Elektrolyten zwischen die Schichten aus C-Atomen ein. Es entstehen Einlagerungsverbindungen mit der Verhaltnisformel Li,C,. Bei Graphit kommen auf 1 Li*-lon im Verhltnis 6 C-Atome.

1

Beschreiben Sie Lade- und Entladevorgang bei einem Lithium-lonen-Akku mithilfe von Abb. 1 und begriinden Sie die Bezeichnung Rocking-Chair-Prinzip.

2

a) 2

Lithium-lonen-Akkus: Vermeidung wassriger Lésemittel (Partner A); Verwendung pordser Materialien fiir die

Elektroden (Partner B).

b) Stellen Sie sich Ihre Ergebnisse gegenseitig vor.

Pluspol. Die positive Elektrode enthalt meist LithiumMetalloxide wie LiCoO,, LiNiO, oder LiMn,0,. Diese Oxide kénnen ebenfalls Li*-lonen einlagern. Die elektrochemischen Vorgénge an diesen Elektroden sind sehr ahnlich. Fiir eine Elektrode aus Lithiumcobaltoxid gilt: Die Cobalt-lonen des Oxids liegen im entladenen Zu-

stand in der Oxidationsstufe +I1 vor. Etwa die Hlfte der Co*-lonen wird wihrend des Ladevorgangs zu Co*™-lo-

nen in Form von LiCo™"Co*™0, oxidiert. Dabei werden

Li*-lonen freigesetzt und es gehen genauso viele Li*-lonen in den Elektrolyten {iber, wie am Minuspol eingelagert werden. Die lonenkonzentration im Elektrolyten andert sich also nicht. Beim Entladevorgang werden die

162

Elektrische Spannungsquellen

Begriinden Sie folgende Besonderheiten des

c) Als Elektrolyt dient bei Lithium-lonen-Akkumula-

3

toren haufig Lithiumperchlorat in hydrophilen, aber wasserfreien Lésemitteln wie Ethylencarbonat oder Diethylcarbonat. Recherchieren Sie die Strukturformeln der Losemittel und erlautern Sie, warum sich Lithiumsalze darin |6sen lassen. 3 In Smartphones oder Tablets sind haufig Lithiumlonen-Polymer-Akkumulatoren verbaut. Recherchieren Sie den Aufbau im Vergleich zum herkémmlichen Lithium-lonen-Akkumulator. Beschreiben Sie den Vorteil, der sich aus dem speziellen Aufbau des Lithium-

lonen-Polymer-Akkumulators ergibt.

Praktikum

Batterien

Versuch 1: Zink-Kohle-Batterie

Durchführung: 1. Spannen Sie die Zink-Kohle-Zelle in den Schraubstock ein und sägen Sie sie der Länge nach durch. Nehmen Sie vorsichtig die beiden Hälften auseinander und zerlegen Sie eine Hälfte der Zelle in ihre

@b

Materialien: 2 Bechergléser (50 ml),

weiteren Bestandteile.

2. Bestimmen Sie mit angefeuchtetem Universalindi-

Extraktionshiilse oder Teefilter, Kabel, Krokodilklemmen, Glasstab, 2 Multimeter, Waage; Zinkblech, Graphitstab, Graphitpulver, Mangandioxid (7,8), Ammoniumchloridl6sung (20 %; 7)

katorpapier den pH-Wert der schwarzen Masse. 3. Geben Sie zu einer Probe der schwarzen Masse

Durchfiihrung: 1. Vermengen Sie in einem Becherglas Graphit und Mangandioxid im Verhaltnis 1: 6 und verriihren Sie das Gemenge mit der Ammoniumchloridlésung zu

Aufgaben: a) Beschreiben Sie den Aufbau der Batterie. Skizzie-

stecken Sie einen Graphitstab hinein. Biegen Sie

Zusammenhang mit den ablaufenden Reaktionen. ) Erkléaren Sie die Funktion des Graphitpulvers.

einer Paste. 2. Fiillen Sie die Paste in die Extraktionshiilse und

ein Zinkblech rund, sodass die Extraktionshtilse

hineinpasst und stellen Sie diese Anordnungin ein Becherglas. Fullen Sie mit Ammoniumchlorid-

lösung auf.

3. Messen Sie die Spannung zwischen dem Graphitstab und dem Zinkblech. 4. Schalten Sie drei Zink-Kohle-Batterien zunéachst parallel und dann in Reihe und messen Sie jeweils die Spannung und die Stromstérke. Aufgaben: a) Notieren und deuten Sie Ihre Beobachtungen. b) Geben Sie die Reaktionsgleichungen fiir die in der

Batterie ablaufenden Reaktionen an.

c) Erklaren Sie die Funktion der Extraktionshiilse. d) Zeichnen Sie zu den beiden Schaltungen der drei Batterien eine Schaltskizze, in der auch jeweils die

Polung angegeben ist. Erlautern Sie Ihre Messergebnisse physikalisch.

Versuch 2:

Aufbau einer kommerziellen Zink-Kohle-Batterie

A 277 Materialien: Reagenzglas, Gasbrenner,

Schraubstock, Metallsäge oder Seitenschneider, Universalindikatorpapier; Zink-Kohle-Batterien aus einer 4,5 V-Flachbatterie,

Natriumhydroxidplätzchen (5)

ein Natriumhydroxidplatzchen und erwarmen Sie leicht. Priifen Sie vorsichtig den Geruch.

ren Sie den Aufbau und ordnen Sie die in der Zelle verwendeten Stoffe den Bestandteilen sowie die beiden Pole zu. b) Erlautern Sie den beobachteten pH-Wert im

Forschungsauftrag 1:

Eine Batterie aus der Dose?

@@

= 3

Materialien: Dosen aus Aluminium und WeiRblech,

Kabel, Kohleelektrode oder Kohleplatte, Schmirgelpapier, Krokodilklemmen, Spannungsmessgerat, Elektromotor (Solarmotor), Blechschere, Handschuhe; Kochsalz, Natronlauge (3,0 mol - ™', 5) Aufgaben:

a) E Bauen Sie mithilfe der genannten Materialien eine Metall-Luft-Batterie. Versuchen Sie mit lhrer Batterie einen kleinen Elektromotor zu betreiben.

Planen dazu zunéchst lhre Vorgehensweise und fertigen Sie eine libersichtliche Skizze an. Kontrollieren Sie Ihre Planung mit der Check-Karte und

fiihren Sie das Experiment entsprechend der Planung durch. Hinweis: Wenn der Motor sich nicht mehr dreht, sollten Sie die Kohleelektrode herausnehmen,

in der Luft hin und her wedeln und wieder in die

Elektrolytlésung tauchen. b) Erlautern und formulieren Sie die Elektrodenreaktionen sowie die Gesamtgleichung. Berlicksichtigen Sie, dass in alkalischer Lésung

Tetrahydroxidozinkat-lonen ([Zn(OH),J*") gebildet werden.

Elektrische Spannungsquellen

163

Exkurs

4004

Kenngrößen von Batterien und Akkus

Energiedichte inWh-kg™'

1754 — Zn/Luft

Li/socl, Li/so, ">—Li/MnO,

Energiedichte in Wh-kg'

150-

/——Li

125 100

lon

—Zn/AgO Zn/Mn0, Ni-HM Ni-Zn

Bleiakku mulator

—— —40

-20

0

20

40

60

Temperaturin °C

-20

0

20

40

Ni-Fe

Ni-Cd

60

>

Temperatur in °C

1 Energiedichten von Batterien in Abhéngigkeit von

2 Energiedichten von Akkumulatoren in Abhéngigkeit

der Temperatur

von der Temperatur

In der Elektroabteilung wird ein groBes Sortiment an verschiedenen Typen von Batterien und Akkus angeboten. Ein Blick auf die Beschriftung der Batte-

tene GroRe heilt dann spezifische Kapazitat oder

rie beziehungsweise des Akkus hilft dabei, die rich-

nur einen

tige Auswahl zu treffen. Die Beschriftung gibt Auskunft iber die Art der Spannungsquelle sowie deren physikalische KenngroRen.

neben den reagierenden Stoffen auch das Elektrodengeriist, der Elektrolyt, Separatoren und das Zellengehause eine betrachtliche Masse besitzen.

Nennspannung. Fiir jede galvanische Zelle wird eine Nennspannung U angegeben. Sie wird durch die Elektrodenmaterialien festgelegt und ist so-

Leistung. Die Leistung Pist die Energie W, die wahrend einer Zeit t an einen Verbraucher geliefert wer-

mit fiir eine bestimmte Kombination von Halbzel-

len sperzifisch. Die Nennspannung der Spannungsquelle muss zum Energiewandler (,Verbraucher) passen. Eine zu hohe Nennspannung kann ein elek-

trisches oder elektronisches Gerat durch Verénde-

rungen in der elektrischen Schaltung schadigen. Bei zu niedriger Nennspannung der Quelle lasst sich die Nennspannung durch Reihenschaltung erreichen. Kapazitdt. Die Menge an elektrischer Ladung Q, die laut Herstellerangaben einer Batterie oder einem Akku entnommen werden kann, wird als Kapazitdt C bezeichnet. Dies entspricht der Ladung aller in den elektrochemischen Prozessen in der Zelle freigesetzten

Elektronen, die durch den au-

Reren Stromkreis als elektrischer Strom / wahrend

einer Zeit t flieBen: Q =/ - . Die Kapazitat wird bei galvanischen Zellen in Amperestunden (Ah) oder

Amperesekunden

(As)

angegeben.

Die

Kapazi-

tat ist stark von den Entladebedingungen abhangig. Bei Akkumulatoren nimmt die Kapazitat aufgrund von Alterungsprozessen mit der Zeit ab. Meist wird die Kapazitat auf die Masse m der elektrochemisch beteiligten Stoffe bezogen. Die erhal-

164

—40

==Ni-Cd

Elektrische Spannungsquellen

Ladungsdichte und besitzt die Einheit Ah - kg™ Fiir realeZellen betragt die spezifische Kapazitat jedoch

Bruchteil des theoretischen Wertes, da

den kann: P=W - t". Die elektrische Leistung einer Zelle ergibt sich aus dem Produkt von Spannung

und Stromstérke: P = U - /. Die Einheit der Leistung ist Watt (W). Da die Spannung durch das Elektrodenmaterial festgelegt ist, hdngt die Leistung bei gegebener Zelle von der Starke des Entladestroms ab. Sie kann beispielsweise durch VergréRerung der Elektrodenflache erhéht werden. Die auf die Massen der elektrochemisch aktiven Stoffe bezogene Leistung wird Leistungsdichte in W- kg™ genannt. Energie. Wird die Leistung mit der Zeit multipliziert, wahrend der eine Zelle Ladung transportieren kann, erhalt man die Energie, die in einer Zelle gespeichertist: W=P-t=U+/-t=U- Q. Die Einheit wird

in Wattstunden (Wh) angegeben. Die gespeicherte Energie hangt bei gegebener Kombination der Halbzellen von der Menge der reagierenden Stoffe

ab. Die auf die Masse bezogene Einheit (Wh - kg™) heilt Energiedichte. Auch dieser Wert ist stark von den Entladebedingungen abhéngig. Mitzunehmen-

der Stromstérke des Entladestroms, das heifit, mit der Hohe der entnommenen Leistung, sinkt die

Energiedichte einer Zelle. Dariiber hinaus ist die

Energiedichte temperaturabhangig (Abb. 1 und 2).

Leistungsdichte in Wh-kg”'

® UltraCap-

Kondensator

© Doppelschicht

10000

Kondensator

O Elektrolyt-

Kondensator

@ Li-lonenKondensator @ Li-lonen-

Akkumulator

100

© Ni-MH01

1

10

Akkumulator @ Ni-CdAkkumulator

100 @ Blei-

Energiedichte inWh-kg™

Akkumulator

3 Energiedichte-Leistungsdichte-Diagramm

einiger

Energiespeicher (beide Achsen logarithmisch) Zyklenzahl. Akkumulatoren lassen sich aufgrund von Alterungsprozessen nicht beliebig oft laden und entladen. Die Zyklenzahl gibt Auskunft Giber

die maximale Anzahl der Lade- und Entladevor-

gange, bis die Kapazitdt so weit abgesunken ist,

dass der Akku unbrauchbar ist. 1

a)#®

Beschreiben Sie den Zusammenhang zwi-

schen der Energiedichte und der Temperatur in

Entladen eines Bleiakkumulators flieRen

2 mol Elektronen durch den duferen Stromkreis,

wenn jeweils 1 mol Blei und Bleidioxid und 2 mol Schwefelsaure umgesetzt werden. Das entspricht einer Ladung Q von Q=n - Nj -e mit der Avogadro-Konstante N, fiir die Zahl der Teilchen in 1 mol

und der Elementarladung des Elektrons e.

Q =2,00mol - 6,02 - 10®mol™ - 1,60 -107™C =19,3-10°C

6

oderQ= 1227° Ah=53,5Ah Mit den

Massen für 1 mol

Blei, Bleidioxid

und

2 mol Schwefelsäure von 642 g ergibt sich eine spezifische Kapazität des Bleiakkumulators von

53,5Ah _ Copez=_ Gcnr kg S33 AN -ekg

Mit einer Nennspannung des Bleiakkumulators

von 2,0 V erhält man für die Energiedichte

méogliche Griinde fiir die Kurvenverlaufe.

Bei einer Zink-Kohle-Batterie flieBen bei Entla-

a) %9 Recherchieren Sie folgende Batterie- und

dung ebenfalls 2 mol Elektronen, wobei

Akkubezeichnungen nach dem IEC-System. Ge-

Zink und jeweils 2 mol Mangandioxid und Wasser umgesetzt werden. Mit einer Kapazitat der Batterie von 53,5 Ahist die spezifische Kapazitat:

se, die Nennspannung, die Kapazitat sowie je

zwei Anwendungen an. PartnerA: LR61, HR14; Partner B: 3LR12, R20; Partner C: CR2020, CRP2

b) Stellen Sie die Ergebnisse Ihren Partnern vor.

Ineiner Zink-Luft-Batterie wird Zink oxidiert und Sauerstoff im alkalischen Elektrolyten reduziert. a) Formulieren Sie die Teilgleichungen fiir Oxida-

tion und Reduktion sowie die Gesamtgleichung.

b) Berechnen Sie die theoretisch zu erwartende Nennspannung unter Standardbedingungen. c) Berechnen Sie analog zum Rechenbeispiel die theoretischen Kenndaten und vergleichen Sie die Kennzahlen der drei Arten von Zellen.

4

Beim

W oV

ben Sie tabellarisch die Bauart, den Typ, die Mas-

3

Theoretische Kenndaten fiir Bleiakkumulator und Zink-Kohle-Batterie

Abb.1 (PartnerA) und in Abb. 2 (Partner B).

b) Vergleichen Sie Ihre Angaben und nennen Sie

2

Rechenbeispiel

a)[=Berechnen Sie die mindestens erforderlichen Massen an Blei, Bleioxid und Schwefelsau-

Cpu=2,0V - 833Ah - kg™=167 Wh - kg” 1 mol

53,5Ah =195Ah - kg 0.275kg Die Batterie hat eine Nennspannung von 1,5V,

sodass fiir die Energiedichte gilt:

W15V -195Ah - kg’ =292 Wh Im Vergleich zum

- kg™

Bleiakkumulator ist dies ein

hoher Wert, der aus den kleinen molaren Massen

der beteiligten Stoffe im Fall der Zink-Kohle-Batterie resultiert. Die berechneten Kenndaten sind

fiir die realen Zellen oft deutlich ungiinstiger. So wurde zum Beispiel bei der Berechnung der Mas-

re (w=38%), um einen Bleiakkumulator mit einer

sen fiir den Bleiakkumulator nicht beriicksich-

Kapazitat von 96 483 As zu bauen.

tigt, dass die Schwefelsdure mit Wasser verdiinnt

b) Berechnen Sie mit dem Ergebnis aus spezifische Kapazitat des Akkus.

a) die

ist, also die Masse um die Menge an Wasser noch vergroRert werden muss.

Elektrische Spannungsquellen

165

1 Aufbau und Funktionsweise einer Redox-Flow-Zelle Angesichts der steigenden Weltbevolkerung von mittlerweile Gber 7,6 Milliarden Menschen und dem wachsenden Bediirfnis nach Mobilitat steigt der Bedarf an Energie weiter an. Der Vorrat an fossilen Energietragern ist jedoch begrenzt. Zudem wird bei deren Verbrennung das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid frei. Elektri-

sche Energiespeicher gelten derzeit als Schliissel fiir die

Energiewende, um den unregelméRigen Stromfluss aus Windkraftanlagen und Solarzellen kontinuierlich und passend zum Bedarf bereitzustellen. Eine Moglichkeit fiir so einen Speicher stellt die Redox-Flow-Zelle dar.

net sich die Technik ebenso fiir den mobilen Einsatz

wie auch fiir groRe Industrieanlagen. Mobile entladene Speichertanks konnen an Tankstellen gegen aufgela-

dene Tanks ausgetauscht werden, sodass eine soforti-

ge Weiterfahrt méglich ist. Die entladenen Tanks werden in der Tankstelle, idealerweise mit Solarstrom oder Windstrom, wieder aufgeladen.

Brennstoffzellen.

Die bisher behandelten

Batterien

und Akkumulatoren wandeln gespeicherte chemische

Zellen ist, dass Energiespeicherung und Umwandlung

nichtwie bei herkdmmlichen Sekundarzellen am selben

Energie in elektrische Energie um. Dafiir missen die umzusetzenden Stoffe vorher erzeugt werden. Brennstoffzellen (Abb.1) sind hingegen reine Energiewand-

Ort, also in der galvanischen Zelle stattfinden, sondern

ler. Die Stoffe werden kontinuierlich zu- und abgefiihrt,

rdumlich voneinander getrennt. Dazu ist die RedoxFlow-Zelle zusatzlich mit zwei externen Speichertanks

ohne in der Zelle gespeichert werden zu miissen. Mit

Redox-Flow-Zelle.

Das

Besondere

an

Redox-Flow-

ausgestattet, die Elektrolytlésungen enthalten (Abb. 1). Bei der bereits weitgehend erforschten Vanadium-Redox-Zelle sind in den Elektrolytlosungen beispielsweise

zwei unterschiedliche Vanadium-Kationen vorhanden.

Werden die beiden Elektrolytlésungen in die Reaktionskammer geleitet, so laufen folgende Teilreaktionen ab: Minuspol:%* = V¥*+ e

Pluspol: VO,+ 2 H'+ € -

VO + H,0

Die in den Elektrolytldsungen gespeicherte chemische Energie wird dabei in elektrische Energie umgewandelt. Durch Anlegen einer Spannung werden die obigen Entladungsreaktionen in der Reaktionskammer umgekehrt, so dass die Zelle im Prinzip wie ein Akku aufgeladen wird. Die Kombination aus Speichertanks und Reaktionskammer bietet jedoch gegeniiber herkémm-

lichen Akkus entscheidende Vorteile: Die Redox-Flow-

Zelle kann beliebig oft geladen und entladen werden, sie zeigt praktisch keine Selbstendladung. Die Elektro-

166

lytldsungen sind giinstig und nahezu unbegrenzt haltbar. Durch unterschiedlich groRe Speichertanks eig-

Elektrische Spannungsquellen

Brennstoffzellen lasst sich somit dauerhaft elektrische

Energie bereitstellen, ohne dass die galvanische Zelle gewechselt oder neu geladen werden muss. Dariiber

hinaus erreichen Brennstoffzellen mit rund 80% einen

fast doppelt so hohen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung wie herkémmliche Kraftwerke oder Verbrennungsmotoren. Inzwischen gibt es viele Anwendungen von Brennstoffzellen, die von mobilen Kleingeréten zur Versorgung von elektrischen Geréten iber USB-Schnitt-

stellen bis zu stationaren Kraftwerken fiir die elektrische Versorgung von Stadtteilen reichen. Ein besonders

wichtiges Einsatzgebiet konnte die Nutzung von Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen werden. Reaktionen

in Brennstoffzellen.

Der am weitesten

entwickelte und am haufigsten genutzte Typ von Brenn-

stoffzellen ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle. Hier wird

die Reaktionsenergie der Knallgasreaktion zur Umwandlung in elektrische Energie genutzt. Dabei werden Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden kataly-

Vergleichen Sie die Brennstoffzelle und die Redox-

Flow-Zelle hinsichtlich des Aufbaus und der ablaufenden Vorgéange. Erklaren Sie daran, weshalb die Redox-Flow-Zelle sowohl Energiespeicher als auch Energiewandler ist, die Brennstoffzelle hingegen ausschlieBlich einen Energiewandler darstellt. In der Diskussion um Elektromobiliat im Automobil-

bau sind Brennstoffzellen und Redox-Flow-Zellen hoch im Kurs. Toyota hat mit dem Mirai 2015 das erste Serienfahrzeug mit Brennstoffzellentechnologie auf den Markt gebracht; 2017 folgte von nanoflowcell der

palladinierte

Nickel-Netzelektrode—'

Separator

Kalilauge

2 Prinzip einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

tisch zur Reaktion gebracht und es entsteht Wasser als

Produkt. Die beiden Reaktionsraume sind durch einen

Separator getrennt. Als Elektrolyten werden entweder saure oder alkalische Umgebungen verwendet. In saurer Umgebung laufen folgende Teilreaktionen ab:

Quant als Prototyp fiir ein Auto mit Redox-Flow-Zelle.

a) #&% Gruppe A: Zeichnen Sie den Aufbau einer Direkt-

methanol-Brenstoffzelle und erklaren Sie die ablaufenden Reaktionen. Gruppe B: Bei der Eisen-Chrom-Redox-Flow-Zelle lauft

eine Redoxreaktion zwischen den Redoxpaaren Fe®/ Fe? und Cr*/Cr* ab. Stellen Sie die Reaktionsglei-

chungen fiir die beim Laden und Entladen ablaufenden

Prozesse in den Halbzellen auf. b) Stellen Sie sich die Ergebnisse gegenseitig vor.

Minuspol: Hy(g) — 2H"(aq)+2 e Pluspol: 0,(g)+4 H*(ag)+4e™ > 2H,0(l)

c) Bewerten Sie die Direktmethanol-Brennstoffzelle

Fiir einen pH-Wert von Null entspricht das Standardelektrodenpotential am Minuspol dem der Standardwasserstoffelektrode £°(H'/H,) = 0,00 V, das am Pluspol dem einer Sauerstoffelektrode mit £°(0,/H,0) = 1,23V, sodass sich eine Standardspannung von 1,23 V ergibt.

die mit AFC, PEMFC, SOFC, MCFC und DMFC abgekiirzt

Die Teilgleichungen fiir die Reaktion in alkalischer Umgebung lauten: Minuspol:

Hy(g)+20H (aq)

Pluspol: 0,(g)+2H,0(l)+4e” Aus

den

Minuspol

nen Brennstoffzellentypen und vergleichen Sie die Typen hinsichtlich der Art der Elektrolyten, des mobilen

lons, der Betriebstemperatur, der erreichbaren Leis-

wendungen. Erstellen Sie fiir Ihr Beispiel eine Tabelle.

- 4 0H (aq) am

werden. Recherchieren Sie arbeitsteilig die verschiede-

tung und der moglichen und bereits realisierten An-

> 2H,0(l)+2 e”

Standardpotentialen

und die Redox-Flow-Zelle als umweltfreundliche Alternative zu Verbrennungsmotoren. a) fieh Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen,

b) Stellen Sie sich Ihre Ergebnisse gegenseitig vor.

E°(H,0/

H,) =-0,83 V und am Pluspol £°(O,/OH") = 0,40 V erhélt

man wiederum eine Standardspannung von 1,23 V. In

der Praxis liegen die Zellspannungen der unterschiedlichen Typen von Brennstoffzellen allesamt um etwa 1V. Bei der Direktmethanol-Brennstoffzelle wird statt Wasserstoff Methanol als Brennstoff eingesetzt:

a) Beschreiben Sie die unten gezeigten Kurvenverliufe und leiten Sie daraus das Problem der Verwendung

voon‘regenerativen Energien heraus.

b) & =T Erkliren Sie, inwiefern Wasserstoff als

Brennstoff und Redox-Flow-Zellen zur Lésung des Problems beitragen kénnen. Schwankungen des Photovoltaik-Wind-Mix im Jahresgang

Minuspol: CHz0H (aq) + H,0 (1) -> 6 H* (aq) + 6e”+ CO,(g) Pluspol: O, (g) +4 H* (aq) + 4 e” —>2 HO (l) In Brennstoffzellen wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dabei können die Reaktionspartner kontinuierlich zugeführt werden.

150% Jahres-

/

mittel

50%

— Erzeugung

In der Redox-Flow-Zelle kann zusätzlich chemische

(Photovoltaik-Wind-Mix)

Energie gespeichert werden.

Jan.

März

T

T

Mai

T

— Verbrauch

T

Juli

T

T

Sept.

T

T

Nov.

Elektrische Spannungsquellen

167

Basiswissen

Elektrochemische Spannungsquellen

1. Redoxreaktionen und Redoxreihe der Metalle

b) Elektrodengleichgewichte

Reduktion: Aufnahme von Elektronen

An der Elektrodenoberflache bildet sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen reduzierter und oxidierter Form des Redoxpaares aus:

Oxidation: Abgabe von Elektronen Redoxreaktion: Elektronenübertragungsreaktion Elektronendonatoren: Elektronen abgebende Teilchen Elektronenakzeptoren: Elektronen aufnehmende Teil-

Ox+ze”

=

Red

chen

Hier istz die Zahl der ausgetauschten Elektronen.

Reduktion und Oxidation sind stets miteinander gekoppelte Teilreaktionen und finden immer gleichzeitig statt.

Beispiel: Daniell-Zelle Minuspol

Redoxpaare: Teilchenpaare, die durch Elektronentibertragung ineinander tiberfiihrt werden. Allgemeine Redoxgleichung: Reduktion: Ox;+z¢e” Oxidation: Red,

-

-

Red,

Oxp+z€”

Redoxreaktion: Ox; + Red,

—

Red;+0x,

Redoxpaare: Ox;/Red,; und Ox,/Red, Redoxreihe der Metalle: Ordnung der Redoxpaare Metall-Kation/Metall-Atom nach ihrem edlen Charakter. Damit ein Metall aus seiner Salzlosung abgeschieden wird, muss es mit einem unedleren Metall kombiniert werden. Atome unedler Metalle geben leicht Elektronen ab, sie werden von verdiinnten Sauren

unter Wasser-

stoffentwicklung zu den entsprechenden Metall-Katio-

nen oxidiert. Edelmetall-Atome lassen sich nur schwer

oxidieren. lhre lonen sind gute Elektronenakzeptoren.

2. Oxidationszahlen

aktion die Oxidationszahl des Atoms, wird das Atom oxi-

diert. Bei einer Reduktion nimmt die Oxidationszahl des

Atoms ab. Die Anderung des Zahlenwerts entspricht der Anzahl der formal oder real aufgenommenen oder abgegebenen Elektronen.

3. Galvanische Zellen a) Kennzeichen galvanischer Zellen » Elektrochemische Quellen, die chemische in elektri-

sche Energie umwandeln.

Reduktion und Oxidation laufen freiwillig und raumlich getrennt in zwei Halbzellen ab. « Bestandteile: Elektroden, Elektrolyte, Diaphragma * Anden Elektroden einer galvanischen Zelle kann eine *

Spannung gemessen werden. Bei Anschluss

eines Energiewandlers

168

an die Zelle

flieRt ein elektrischer Strom und an den Elektroden

werden Stoffe umgesetzt.

Elektrische Spannungsquellen

Stromfluss oxidiert:

(Minuspol):

Zn*/Zn,

Zink wird

bei

(Pluspol): Cu®/Cu, Cu* wird

bei

Zn(s) -> Zn*(aq)+2€ Akzeptorhalbzelle

Stromfluss reduziert:

Cu*(ag)+2e - Cu(s) Beide Halbzellen sind iiber Diaphragma miteinander

Oxidationszahlen geben die formale Ladung eines Atoms in einer Verbindung an. Erhoht sich bei einer Re-

=

Donatorhalbzelle

verbunden, das die fiir den Ladungsausgleich notige lonenwanderung ermdglicht. Zellspannung: etwa 1,1V,

) Zelldiagramm

= = = *

einfache Form der Beschreibung galvanischer Zellen senkrechter Balken: Phasengrenze gestrichelter senkrechter Balken: Diaphragma zwei gestrichelte senkrechte Balken: zwei aufeinander folgende Diaphragmen in einer Salzbriicke

+ Minuspol (Donatorzelle): links =

Pluspol (Akzeptorzelle): rechts

Beispiel: Daniell-Zelle Zn(s) | Zn** (aq) i Cu** (aq) | Cu (s)

d) Elektrodenpotenial E = Ursache: Unterschiedliche elektrische Aufladung der

Elektroden aufgrund der Ausbildung eines Elektro-

dengleichgewichts « Elektrodenpotentiale einzelner Elektroden sind nicht

direkt messbar.

e) Zellspannung Uzeye An den Elektroden messbare Spannung, es gilt: Uzee = E(Akzeptorhalbzelle) - £(Donatorhalbzelle) f) Standardwasserstoffelektrode platiniertes Platinblech in wassriger Lésung mit Standardkonzentration an H*(ag)-lonen ¢ = 1 mol - [, umspiilt von Wasserstoffgas mit dem Standarddruck p°=1000 hPa

E°(H*/Hy(Pt)) = 0,00V bei 25°C

Li*-lonen dienen nur als Ladungstrager und werden in

den Elektrodenmaterialien zum Ladungsausgleich ein-

gelagert. Zwischen wasserfreier,

organischer

leichter wird die reduzierte Form eines Redoxpaares

oxidiert.

i) Nernst-Gleichung Zusammenhang zwischen dem Elektrodenpotential einer Halbzelle und dem Logarithmus der lonenkonzentration Fiir Metallhalbzellen gilt:

E(Me™/Me) = E° (Me™/Me) +

0,059V 7

c(Me®)

8 mol + 1

4. Elektrochemische Energiequellen

a) Batterien den können (Primärzellen).

Beispiele: Zink-Kohle-Batterie, Alkali-Mangan-Batterie, Zink-Luft-Batterie, Zink-Silberoxid-Batterie, Lithium-Mangandioxid-Batterie b) Akkumulatoren galvanische Zellen, die bei Anlegen einer Spannung durch Umkehrung der Zellreaktion wieder aufgeladen werden können (Sekundärzellen).

Laden: elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt Entladen: chemische Energie wird in elektrische Enerkumulator

Elektrolyt,

in dem

Lithium-

H,

(M)

T\

palladinierte

Nickel-Netzelektrod:

S

Separator

Kalilauge

* Vorteil: Die Edukte und Produkte kénnen kontinuierlich zu- und abgefiihrt werden,

sodass fortlaufend

chemische in elektrische Energie umgewandelt werden kann. = Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser. Die beiden am héufigsten verwendeten Typen sind die alkalische Brennstoffzelle und die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle.

* Direkt-Methanol-Brennstoffzelle: = Statt Wasserstoff wird Methanol mit Luftsauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt.

galvanische Zellen, die nicht wieder aufgeladen wer-

gie umgewandelt Beispiele: Bleiakkumulator,

befindet sich ein

d) Brennstoffzellen

h) Elektrochemische Spannungsreihe: Ordnungvon Redoxpaaren nach ihren Standardelektrodenpotentialen Bezugspunkt ist das Potential der StandardwasserJekleiner das Standardelektrodenpotential ist, umso

Elektroden

salze gelost sind. Zellspannung: etwa 3,7V

g) Standardelektrodenpotential £° Elektrodenpotential unter Standardbedingungen (c®= 1 mol - [, p°=1000 hPa), das gegen eine Standardwasserstoffelektrode gemessen wird.

stoffelektrode.

den

Nickel-Metallhydrid-Ak-

) Lithium-lonen-Akkumulator Donatorhalbzelle (Minuspol): Graphit, Graphen

Akzeptorhalbzelle (Pluspol): Lithium-Metalloxid

e) Redox-Flow-Zellen *

Modifikation

der Brennstoffzellentechnolgie,

in de-

nen die elektrochemische Energie von Redoxsystemen in Elektrolyttanks gespeichert wird. Durch fortlaufende Zufuhr der Elektrolyten zum Reaktionsraum kann eine kontinuierliche Energiebereitstellung erfolgen. Durch Laden werden die Prozesse umgekehrt. = Bedeutung: Speicherung elektrischer Energie aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen. f) Kenndaten von elektrochemischen Energiequellen

* Nennspannung:fiir eine bestimmte Kombinationvon Halbzellen spezifisch * Kapazitdt: Menge an Ladung, die einer galvanischen

Zelle entnommen werden kann

* Leistung: gelieferte Energie pro Zeit * Energie: einer Zelle entnehmbare Energie * Zyklenzahl: Zahl der Lade-Entlade-Zyklen bei Akkumulatoren,

bis der Akkumulator

unbrauchbar

ge-

worden ist.

Elektrische Spannungsquellen

169

Training LE A1

Elektrochemische Spannungsquellen

] a) Erklaren Sie, weshalb Redoxreaktionen ein

Beispiel fiir das Donator-Akzeptor-Konzept sind. b) Nennen Sie Voraussetzungen dafiir, dass ein Teil-

chen als Elektronendonator oder als Elektronenakzeptor reagieren kann.

A2 Redoxreaktionen lassen sich mit der Methode der Oxidationszahlen erkennen. a) Erklaren Sie, was man unter einer Oxidationszahl versteht und beschreiben Sie allgemein, wie man

unter Anwendung von Oxidationszahlen feststellen kann, ob eine Redoxreaktion vorliegt.

b) Ermitteln Sie alle Oxidationszahlen der an den folgenden Reaktionen beteiligten Atome. Begriinden Sie, ob eine Redoxreaktion vorliegt.

A Ca(s)+2H,0(l) = Ca(OH), (aqg) + Hz (g) B CaO (s)+H,0 () = Ca(OH), (aq) C Cu(s)+4HNO;(aq)

* Elektronengasmodell, Metallbindung * Elektroneniibertragungsreaktion, Redoxreaktion * Oxidationszahl, Donator-Akzeptor-Konzept

* Redoxtitration * Redoxreihe, elektrochemische Spannungsreihe

* galvanische Zelle * Pluspol, Minuspol * Redoxpaar, Halbzelle, Zelldiagramm

* Elektrodenpotential und Zellspannung

* Standardwasserstoffelektrode, Standardelektroden-

potential

* Konzentrationszelle, Nernst-Gleichung * Batterie und Akkumulator * Brennstoffzelle und Redox-Flow-Zelle

* Komplexe, Zentralion, Ligand, Koordinationszahl

ner mit verdlinnter Schwefelsaure angesauerten

B1 a) Erkléren Sie die oben stehenden Begriffe. b) Verkniipfen Sie die Begriffe zu einer Conceptmap. c) Ubertragen Sie die Begriffe und Ihre Erkldrungen in digitale Karteikarten.

sich die violette Permanganatlosung und die L6-

B2

und Fe*-lonen. Stellen Sie die Redoxgleichung auf.

zu Kohlenstoffmonooxid verbrannt, Eisenoxid (Fe,03) wird mit Kohlenstoffmonooxid zu Eisen reduziert, Koh-

A4

lenstoffmonooxid zerfallt dabei in Kohlenstoff und

= Cu(NOs); (aq) +2NO, (g) +2 H20 (l) A3 Gibt man eine Lésung von Eisen(ll)-sulfat zu eiKaliumpermanganatlésung (KMnOy (aq)), entfarbt

sung wird zunehmend gelblich. Es entstehen Mn**-

a) Skizzieren Sie den Aufbau einer galvanischen

Zelle mit den Metallen Zink und Silber. Beschriften Sie die Skizze. Kennzeichnen Sie den Elektronenfluss im Stromkreis und die Wanderungsrichtung der lonen in der Lésung, wenn diese Zelle mit einem Energiewandler betrieben wird. b) Stellen Sie die entsprechenden Teilgleichungen

fiir Oxidation und Reduktion auf und leiten Sie daran die Redoxgleichung ab.

c) Stellen Sie das Zelldiagramm auf, berechnen Sie die Zellspannung Uzee unter Standardbedingungen. Ermitteln Sie Donator- und Akzeptorhalbzelle.

A5 Gegeben sind folgende Halbzellen:

sn(s)|Sn*(1 mol - [') und Pb | Pb* (0,001 mol - ')

a) Berechnen Sie die Elektrodenpotentiale beider Halbzellen und die Zellspannung. b) Bestimmen Sie Donator- und Akzeptorhalbzelle und geben Sie die FlieRrichtung der Elektronen an, wenn ein Energiewandler angeschlossen ist. A6

Erklaren Sie an einem selbst gewahlten Beispiel

die Unterschiede zwischen einer Primérzelle und einer Sekundarzelle.

Lösungen stehen im Anhang. 170

Die wichtigsten Begriffe

Elektrische Spannungsquellen

Bei der Gewinnung von Roheisen im Hochofen

laufen verschiedene Redoxreaktionen ab: Koks wird

Kohlenstoffdioxid.

a) Formulieren Sie jeweils die Reaktionsgleichungen und geben Sie die Oxidationszahlen an.

b) Benennen Sie fiir den Zerfall des Kohlenstoffmonooxids die Art der Reaktion. B3 Beider Herstellung von elektrischen Leiterplatten werden Kunststoffplatten zunachst mit Kupfer beschichtet und danach die vorgesehene Leiterbahn mit einem wasserunloslichen Lack aufgezeichnet. Dann dtzt man das Uiberschiissige Kupfer weg, sodass nur noch die Leiterbahnen tibrig bleiben. Dabei gehen Kupfer(ll)-lonen in Lésung. Als Atzmittel kann Eisen(ll1)-

chloridlésung verwendet werden. Salzsaure eignet sich hingegen nicht. a) Erklaren Sie, warum Eisen(lll)-chlorid als Atzmittel

verwendet werden kann und formulieren Sie die Reaktionsgleichung fiir den Atzvorgang. b) Begriinden Sie, warum sich Salzsaure in diesem Fall

nicht zum Atzen eignet.

) Versetzt man Salzsaure jedoch mit Wasserstoffperoxid, so kann die entstandene Lésung als Atzmittel ver-

wendet werden. Erklaren Sie diesen Sachverhalt unter Einbezug der Spannungsreihe.

B4 Ein Laborant soll einen Chemikalienschrank aufräumen. Dabei entdeckt er auch drei nicht beschriftete Flaschen: Eine Flasche enthält eine blaue Lösung, die an-

deren beiden jeweils eine farblose Lösung. Außerdem findet er ein mattgraues und ein silbern glänzendes

Metallstück sowie Etiketten mit den Aufschriften: Silbernitratlösung, Kupfersulfatlösung und Zinksulfatlösung, Zink und Silber. Auf Nachfrage erhält er den Auftrag, per Experiment eine Zuordnung vorzunehmen. a) Benennen Sie die Stoffe, die schon durch ihr Ausse-

hen zugeordnet werden können. b) Entwickeln Sie eine Versuchsreihe, mit deren Hilfe eine weitgehende Zuordnung der Stoffe méglich wird und erldutern Sie den theoretischen Hintergrund fiir Ihre Vorgehensweise. ) Stellen Sie fiir die in der Experimentreihe abgelaufenen Reaktionen die Reaktionsgleichungen auf. BS

Die Daniell-Zelle besteht aus einer Kupferhalbzelle

und einer Zinkhalbzelle. In einer solchen Batterie be-

tragt die Konzentration der Metall-lonen in den beiden Halbzellen zunéchst ¢ (M*)=0,1 mol - ["". Nach einiger Zeitim Betrieb ist die Konzentration der Kupfer-lonen auf ein Zehntel der Ausgangskonzentration gesunken. a) Ermitteln Sie die entsprechende Konzentration der Zn*-lonen und erlautern Sie lhren Lésungsweg. b) Berechnen Sie fiir beide Konzentrationen die Potentiale der Halbzellen und die Zellspannungen Uzee. c) Erlautern Sie, wie sich die Folgereaktion der Zink-lonen in einer alkalischen Losung auf Elektrodenpotential und Zellspannung auswirken. B6

Die Zink-Luft-Batterie wird als Knopfzelle in Hor-

gerdten verwendet. Offnet man eine neue Batterie, so kann man ein silbergraues Pulver erkennen, in einer

verbrauchten Batterie dagegen weile Kriimel. a) Erkléren Sie, auch mit Reaktionsgleichungen, diese Veranderung. b) Als Elektrolyt wird in dieser Batterie eine Kaliumhydroxidl6sung verwendet. Diskutieren Sie dessen Aufgabe, beachten Sie dabei auch mégliche Folgereaktionen.

c) Beim Kauf solcher Batterien ist der Pluspol mit einem Kunststoffstreifen abgeklebt, der vor Inbetrieb-

nahme entfernt werden muss. Erldutern Sie diese Vorgehensweise.

a) Erklaren Sie diese Erscheinungen unter Angabe von Reaktionsgleichungen. b) Leiten Sie anhand der obigen Angaben ab, in welchen pH-Bereichen die in der Losung vorliegenden

[Cu(NHs)s]*-lonen stabil sind.

B8 Nach der Trinkwasserverordnung darf die Konzentration der beiden Schwermetall-lonen von Nickel (Ni*)

und Chrom (Cr*) einen Grenzwert von je 0,05 mg - ™!

nicht Gberschreiten. Zur Bestimmung der Konzentration der Ni**-lonen wird in die Trinkwasserprobe eine Nickelelektrode eingetaucht. Diese Halbzelle wird mit einer Nickelhalbzelle aus einer Nickelelektrode und einer Nickelsulfatldsung (¢ =0,1 mol - I') zu einer galvanischen Zelle verbunden. Man misst eine Spannung von Ugzelle =0,207 V, wobei die Nickelelektrode in der Wasser-

probe den Minuspol bildet. Zur Bestimmung der Cr**-lonenkonzentration wird eine Chromelektrode in die Wasserprobe getaucht und mit

der gleichen Nickelhalbzelle (Ni | Ni* (c= 0,1 mol - ')

zu einer galvanischen Zelle verbunden. Man misst eine Spannung von Uzge=0,657 V. Auch hier ist die Chromelektrode der Minuspol. a) Fertigen Sie eine beschriftete Skizze der beschriebenen galvanischen Zellen zur Bestimmung der Konzentration der Ni*-lonen in Trinkwasser an und geben Sie das Zelldiagramm an. b) Formulieren und erlautern Sie die Teilgleichungen sowie die Gesamtgleichung der Reaktion, die in der Zel-

le aus Aufgabe a) ablaufen.

) Berechnen Sie Konzentration der Ni**-lonen in der Wasserprobe. d) Fiihren Sie fiir die Bestimmung der C*-lonen die

analogen Schritte aus den Aufgaben a) bis¢) durch.

e) Beurteilen Sie, ob die untersuchten Trinkwasserpro-

ben noch dem angegebenen Grenzwert gentigen. B9 Viele Bleachinggele fiir Zdhne erhalten als Bleichmittel Carbamidperoxid, dasim Mundraum Wasserstoffperoxid und Harnstoff freisetzt. Wasserstoffperoxid istdas eigentliche Bleichmittel. Frei verkaufliche Produkte diirfen nur einen Massenanteil von w=0,1 % Was-

serstoffperoxid enthalten. Produkte mit hoheren Gehal-

ten sind nur fiir den Gebrauch durch Zahnérzte erlaubt. Fur ein Bleachinggel aus einem Onlineshop wurde der

B7 Zueiner wéssrigen Losung des Kupfer(ll)-tetram-

Gehalt an Wasserstoffperoxid manganometrisch bestimmt. Als Daten erhielt man: m (Probe)=0,39 g;

[Cu(Cly)[*-lonen als Komplex vor.

Titration ablaufende Reaktion. b) Berechnen Sie den w (H,0,) fiir das Produkt und be-

min-Komplexes wird konzentrierte Salzsdure getropft. Dabei verfarbt sich die Lésung allmahlich von tiefblau nach hellblau. Bei groRem Uberschuss an Salzsaure ist die Losung griin gefarbt. In der griinen Lésung liegen

Losen in 100 ml mit Schwefelsaure angesauertem Wasser; c(MnO4")= 0,02 mol - 17'; V (Maßlösung) = 25 ml a) Formulieren Sie die Redoxgleichung für die bei der

urteilen Sie, ob Sie das Bleachinggel nutzen diirften.

Elektrische Spannungsquellen

171

Elektrochemische Spannungsquellen C1 Vom Froschschenkel zur Batterie Haken aus...

Beriihrung

Reaktion der Schenkel

Kupfer

Eisen

Zucken

Eisen

Kupfer

Zucken

Eisen

Eisen

kein Zucken

Zink

Eisen

schwécheres Zucken

Zink

Kupfer

starkeres Zucken

1 Versuche mit Froschschenkeln Die Entdeckung der elektrochemischen Energieumwandlung geht auf das italienische Ehepaar Luigi und

Lucia GALVANI zurlick. So soll nach einem Bericht Lu-

cia GALvANI

Asphaltstopfen -

Eisenstab

(Minuspol) Kupferzylinder

(Pluspol)

Essig Tonvase Propfen aus Asphalt

1780 folgende zufdllige Beobachtung ge-

macht haben: Sie lagerte enthdutete, noch rohe Frosch-

schenkel in einer Schiissel aus Zinn, um sie danach zu

braten. Beim Beriihren mit einem Eisenmesser zuck-

ten die Froschschenkel plétzlich. In einem anderen Bericht heiBt es, dass Luigi GALvANI rohe Froschschenkel

mit Kupferhaken an ein Eisengitter gehdngt habe. Berithrten die Froschschenkel vom Wind getrieben das Eisengitter, begannen sie lebhaft zu zucken. Der Vorgang lieR sich beliebig oft wiederholen. GALvANI deutete

dies falschlich als tierische Elektrizitat. Der italienische

Physiker Alessandro VoLTa erkannte spéter, dass die Zu-

ckungen durch die verschiedenen Metalle hervorgerufen wurden (Abb. 1).

a) Erklaren Sie dieim Text beschriebenen Zufallsent-

deckungen anhand lhrer Kenntnisse zu galvanischen

Zellen. Gehen Sie dabei auch aufdiein Abb. 1 dargestellten Versuchsbeobachtungen ein. b) Stellen Sie eine Vermutung auf, wie sich die Froschschenkel bei folgenden Metallkombinationen verhalten: A: Kupferhaken, Kupfergitter; B: Zinkteller, Gabel

aus Silber.

c) Skizzieren Siefiir die im Text genannten Beispiele die galvanischen Zellen. Ordnen Sie jeweils Plus- und

Minuspol zu und stellen Sie die Reaktionsgleichun-

gen fiir die spannungsliefernden Reaktionen auf (am edleren Metall bildet sich aus dem Elektrolyten Wasserstoff). Berechnen Sie die Zellspannung iiber die Standardelektrodenpotentiale. d) In zwei weiteren Versuchen tauchte man einmal die Froschschenkel in Salzwasser, ein anderes Mal ma-

rinierte man die Froschschenkel in Ol, bevor man sie, wie Galvani es tat, mit einem Kupferhaken an

das Eisengitter hangte. Die in Salzwasser getunkten Schenkel zuckten deutlich starker, die 6lmarinierten

Schenkel nur selten und dann auch sehr schwach. Erkléaren Sie diese Beobachtungen.

172

C2 Die alteste Batterie?

Elektrische Spannungsquellen

2 Bagdad-Batterie

Nicht erst seit GALvANI

und VoLTA kénnen

Menschen

Strom auf elektrochemischem Wege herstellten. Im IrakMuseum von Bagdad steht eine etwa 14 cm hohe Tonva-

se mit eigentiimlichem Inhalt (Abb. 2). Der Eisenstab war nach

unten hin zunehmend

zerfressen

und

ragte, wie

auch ein Teil des Kupferzylinders etwa einen Zentimeter tiber den Pfropf aus Asphalt hinaus. Diese 1936 bei Aus-

grabungsarbeiten am Hiigel Khujut Rabbou’a siidéstlich

von Bagdad gefundene Vase wurde auf die Zeit zwischen 248 v.Chr. und 226 n.Chr. datiert. Sie diente den Menschen in der Region, den Parthern, vermutlich als Batte-

rie, denn sobald man auch nur Traubensaft, Essig oder Salzwasser in den Kupferzylinder einfiillt, lasst sich zwi-

schen dem Eisenstab und dem Kupferzylinder eine Spannung von etwa 0,4V messen.

a) Beschreiben Sie den inneren Aufbau der Tonvase und begriinden Sie, weshalb der Aufbau fiir eine Bat-

terie spricht. b) Ordnen Sie den Metallen Plus- und Minuspol zu und erklaren Sie die Funktion der Metalle sowie der zugesetzten Lésungen. c) Stellen Sie die Teilgleichungen fiir die Oxidation und die Reduktion auf. Bedenken Sie, dass die Elektrolyt-

|6sungen leicht sauer sind. d) In einer Zeitschrift findet sich folgende Werbung: »Eine Uhr, die nur mit Wasser betrieben wird. Einfach

den Tank mit Wasser fiillen und eine Prise Salz oder

einen Spritzer Zitronensaft zugeben, schon lauft die Uhr.“ Die Uhr besteht aus einer Kammer, in die ein

Kupfer-und ein Zinkblech hineinragen.

Erkléren Sie die Funktionsweise der Uhr und neh-

men Sie kritisch Stellung zu der Werbeaussage, dass

die Uhr wirklich nur mit Wasser betrieben wird.

C3 Akku oder Brandsatz?

C4

Fischzuchtin jedem Gewdasser?

Giite-

Grad der

klasse organischen Belastung I

unbelastet

0,-Gehalt

Eignung als

inmg - " Fischgewssser

über8

Laichgewässer für Edelfische

I

mäßig belastet

über6

ertragreiche Fischgewässer

n

kritisch belastet

über4

Fischsterben möglich durch Sauerstoffmangel

IV

V

stark

über2

übermäßig

unter2

verschmutzt

verschmutzt

geringe Fischertrége;

periodisches Fischsterben

keindauerhaftes

Uberleben der Fische

3 Li-lonen-Akku - brandgefihrlicher Zukunftsenergietrager?

4 Giiteklassen von Gewdssern

Berichte liber brennende oder explodierende Lithiumlonen-Akkumulatoren geistern immer wieder durch die

Sie sind Fischziichter fiir Karpfen und Zander und mochten zwei weitere Teiche fiir die Zucht pachten? Fiir Ihre Zanderzucht benétigen Sie einen Teich mit Wasser der Güteklasse I, die Karpfen gedeihen am besten in méaRig belastetem Wasser. Drei Teiche sind in der engeren Wahl. Durch die Bestimmung des Sauerstoffgehalts erhoffen Sie sich eine Einschatzung der Wasserqualitat und somit

Presse und das Internet (Abb.3). Sogar ein Flugzeugtyp

wurde deswegen voriibergehend stillgelegt. Als Ursache wird meistens angegeben, dass beim Laden entstandene Lithiumspitzen durch den Separator gewachsen

sind und ein Kurzschluss den Akku entziindete. Diese Lithiumspitzen kénnen sich beim sogenannten Schnell-

laden bilden. Dabei erfolgt der Ladevorgang mit deutlich héherer Spannung, als es der Zellspannung entspricht. Mit héherer Spannung steigt die Stromstarke. Damit ver-

kiirzt sich die Ladezeit.

über die Nutzbarkeit des jeweiligen Gewassers (Abb.4).

Ein klassisches Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts ist die Winkler-Methode. Folgende Messwerte haben sich fiir die Teiche ergeben:

Teich A: V (Probe) = 104,3 ml; V(S,05 (aq)) = 8,1 ml

a) Zeichnen Sie das Funktionsbild eines Lithium-lonenAkkus, beschriften Sie Ihre Abbildung und benennen

Teich B: V(Probe) =99,4 ml; v(s;o;" (aqg))=8,6 ml Teich C: V (Probe)=102,7 ml; V(S,0* (aq))=5,8 ml

b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen fiir den Entladevorgang und den Ladevorgang beim

a) Beschreiben Sie die einzelnen Schritte der Sauerstoffbestimmung nach der Winkler-Methode. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen und begriinden

Sie die Funktion der einzelnen Bauteile.

Lithium-lonen-Akku und leiten Sie daraus die

Bezeichung Lithium-lonen-Akku ab.

c) Vergleichen Sie den Aufbau und den Entladevorgang des Lithium-lonen-Akkus mit dem eines Bleiakkus.

Leiten Sie aus dem Aufbau beider Akkus ab, warum

sich der Lithium-lonen-Akku bei einem Kurzschluss

entziinden kann. d) Lithium-lonen-Akkus werden auch in modernen

Elektroautos eingesetzt. Die Reichweite dieser Au-

tos ist derzeit jedoch noch vergleichsweise gering.

Um ein Auto 500 km weit fahren zu lassen, bendtigt

man etwa 90 kWh elektrische Energie. Berechnen

Sie anhand von Oxidationszahlen, welche Teilchen oxidiert und welche reduziert werden.

b) Ermitteln Sie das Stoffmengenverhaltnis zwischen den im Wasser gelosten O,-Molekiilen und den ver-

brauchten S,05-lonen.

c) Berechnen Sie den Sauerstoffgehalt fiir die vorgelegten Gewasserproben und bestimmen Sie die Giiteklasse. Geben Sie die Werte als Massenkonzentration

Bin mg (Sauerstoff) - I”' (Wasser) an.

d) Wahlen Sie zwei der Seen fiir Ihr Zuchtvorhaben aus. Begriinden Sie lhre Entscheidung.

Sie, wie schwer die folgenden Akkus sein miissen,

damit das Auto die Strecke von 500 km zuriicklegen kann. Die Energiedichte eines Bleiakkus betragt

30 Wh - kg™, die eines NiMH-Akkus 60 Wh - kg™ und

die eines

Lithium-lonen-Akkus bis zu 250 Wh - kg™

Elektrische Spannungsquellen

173

Kapitel

Elektrische Energie für

chemische Reaktionen

Elektrizität und Chemie scheint auf den ersten Blick nichts zu verbinden. Tatsächlich nutzte man aber bis zur Erfindung des Generators chemische Reaktionen zur Stromerzeugung. Umgekehrt konnten schon früh chemische Elemente elektrochemisch mittels Elektrolyse gewonnen werden. Noch heute stellt man bedeutsame Metalle wie Aluminium und Zink und auch wichtige Nichtmetalle wie Chlor oder Wasserstoff elektrolytisch her. Die Elektrolyse ermoglicht es sogar, kleinste Mengen an Edelmetallen aus Elektroschrott zurlickzugewinnen. Doch elektrische Energie wird nicht nur fiir die Gewinnung von Elementen aus Verbindungen verwendet. Auch fiir den Korrosionsschutz sind elektrolytische Verfahren hilfreich, wenn es um das Aufbringen dtinner

Schutzschichten geht.

174

Was Sie schon kennen:

In diesem Kapitel lernen Sie:

* woran man eine Reduktion und eine Oxidation

*

erkennen kann,

*

wie eine Elektrolysezelle aufgebaut ist und welche Vorgänge darin ablaufen.

das Donator-Akzeptor-Prinzip bei Elektronenübertragungsreaktionen und Säure-Base-Reaktionen,

*

* _ den Aufbau galvanischer Zellen aus zwei Halbzellen,

*

was Zersetzungs- und Überspannung bedeuten.

*

wie man anhand der Standardelektrodenpotentiale die Zellspannung bestimmt,

wie man mit den Faradayschen Gesetzen Elektrolysevorgänge quantitativ beschreiben kann.

*

wie man Chlor, Aluminium, Zink und Kupfer

*

die Vorgänge beim Laden eines entladenen Akkus wie dem Bleiakku,

*

wie sich Metalle aus Smartphones und elektronischen Geräten zurückgewinnen lassen.

*_

die Einteilung der Metalle in edie und unedle Metalle,

*

wie man Metalle vor Korrosion schützen kann.

sowie die elektrochemischen Gleichgewichte an den Elektroden,

*

* typische Anwendungen für Gebrauchsmetalle.

wie die Vorgänge bei der Elektrolyse und in einer galvanische Zellen zusammenhängen.

technisch durch Elektrolyse gewinnen kann.

Sind Sie fit für dieses Kapitel? 1

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Elektroden in einem geladenen Blei-Akkumulator sowie einige der

darin vorkommenden charakteristischen Teilchensorten. Pfeile, die die ablaufenden Reaktionen kennzeichnen, fehlen.

a) Ubernehmen Sie die Schemazeichnung in Grundziigen in Ihre Mappe und kennzeichnen Sie die beim Entladen des Akkus ablaufenden Reaktionen (schwarze Pfeile) und die Richtung des Elektronenflusses (rote Pfeile). Ordnen Sie auch die Pole den Elektroden zu. b) Stellen Sie die Teilgleichungen fiir die Elektroden-

504

reaktionen auf und formulieren Sie daraus eine Redox-

gleichung, Ordnen Sie Reduktion und Oxidation zu. Nutzen Sie dafiir Oxidationszahlen.

c) Erkléren Sie, warum es sich beim Blei-Akku um eine

galvanische Sekundérzelle handelt. Geben Sie das Zelldiagramm an.

d) Leiten Sie aus den Standardelektrodenpotentialen die Zellspannung der Zelle ab. e) Beschreiben Sie die beim Betrieb zu erwartenden

Veranderungen an den Elektroden. 2

Fertigen Sie eine Skizze zum Laden des Blei-Akkus an

und kennzeichnen Sie darin die ablaufenden Redoxprozesse durch Pfeile und anhand von Teilgleichungen

fiir die Oxidation und die Reduktion.

Lösungen stehen im Anhang 175

5.1 Elektrolysen sind erzwungene Redoxreaktionen

Lésung von Zinkiodid 1 Bildung von Zink und lod bei der Elektrolyse einer Zinkiodidlosung

In galvanischen Zellen wie in der Zink-lod-Zelle laufen Redoxreaktionen freiwillig ab. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die Vorgénge entsprechen dem Entladen einer Batterie oder eines Akkumulators. Fiihrt man nach langerem Betrieb

einer Zink-lod-Zelle oder einem Akkumulator elektrische Energie von auRen zu, lassen sich die in der Zelle

abgelaufenen Redoxreaktionen wieder umkehren. Einen solchen Vorgang bezeichnet man als Elektrolyse. Die zugefiihrte Energie wird als chemische Energie in den entstehenden Produkten gespeichert. Elektrolyse von Zinkiodidlésung. Taucht man zwei Graphitelektroden in eine Losung von Zinkiodid (Znl,, aq) und legt eine Gleichspannung an, zeigen sich in der Losung um den Pluspol herum braungelbe Schlieren. Es entsteht also elementares lod. Am Minuspol tiberzieht eine grauliche Schicht aus metallischem Zink den in die Elektrolytlésung eingetauchten Bereich der Elektrode (Abb. 1). Aus der Verbindung Zinkiodid entstehen durch Elektrolyse also die elementaren Stoffe Zink und lod. An den Graphitelektroden herrscht am Minuspol durch die angelegte Gleichspannung ein Elektronentiberschuss. Positiv geladene Zn*-lonen nehmen an der Elektrodenoberflache je zwei Elektronen auf und wer-

den zu Zn-Atomen reduziert (Abb. 1).

Minuspol: Zn*(aq) +2 €™ ~>Zn(s) Am Pluspol liegt ein Elektronenmangel vor. Die negativ geladenen I™-lonen (lodid-lonen) geben an der Elektro-

176

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

denoberflache je ein Elektron ab und werden zu lod-Mo-

lekiilen (1) oxidiert.

Pluspol: 21 (aq) > I, (aq) + 2 € lonenwanderung. Die Grundlage der elektrischen Leitfahigkeit von Lésungen sowie der Elektrolyse sind be-

wegliche Ladungstrager. Im Elektrolyten der Elektrolyse sind lonen die Ladungstrager. Wird eine Spannung

angelegt, bewirkt die Polung der Elektroden eine fonenwanderung in der Losung. Die negativ geladenen lonen wandern zum Pluspol, die positiv geladenen lonen zum Minuspol. Experimentell lasst sich die lonenwanderung besonders gut bei lonen beobachten, die farbige L6sungen bilden. Platziert man einen Kaliumpermanga-

natkristall zwischen zwei Elektroden in einer Kalium-

chloridlésung, bildet sich ein violetter Farbhof um den

Kristall. Die Farbung wird durch einfach negativ geladene Permanganat-lonen (MnO, (aq)) verursacht. Legt man nun eine Gleichspannung an, wandern die violet-

ten Schlieren langsam in Richtung Pluspol (Abb. 2).

Elektrolyse und galvanische Zelle. Unterbricht man

die erzwungene Reaktion bei der Elektrolyse der Zink-

iodidlosung, lasst sich zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 1,38 V messen. Diese entspricht der Spannungder galvanischen Zelle aus einer Zinkhalbzelleundeinerlodhalbzelle. Aus der Elektrolysezelleisteine galvanische Zelle geworden, in der die umgekehrte Reaktion freiwillig ablauft. Am Minuspol der galvanischen Zelle werden jetzt Metall-Atome durch Elektronenabgabe oxidiert und am Pluspol werden Nichtmetall-Atome

s, Partner A: Elektrolyse einer Zinkbromidldsung (ZnBry, aq) Partner B: Galvanische Zelle, bestehend aus einer Zink-

halbzelle und einer Bromhalbzelle a) Zeichnen Sie fiir Ihr Beispiel den Versuchsaufbau und beschreiben Sie die zu erwartenden Beobachtungen.

b) Erldutern Sie, wie es in Ihrem Beispiel zur Ausbildung

Minuspol

des Minuspols und des Pluspols kommt. c) Diskutieren Sie die Ergebnisse mit lhrem Lernpartner. Stellen Sie die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede

Pluspol

beider Versuchsaufbauten und der ablaufenden Prozesse in einer Tabelle gegeniiber.

d) Begriinden Sie an diesen Beispielen, dass sich die

2 lonenwanderung bei angelegter Gleichspannung

stofflichen Vorgange und energetischen Bilanzen um-

durch Elektronenaufnahme reduziert. Die Polung bleibt im Vergleich zur Elektrolyse gleich, aber zwischen den ortlich getrennt ablaufenden Redoxreaktionen andert sich die Richtung des Elektronenflusses. Dieses Prinzip findet sich in allen Akkumulatoren.

halt Cu*(aq)-lonen und Cl(aq)-lonen. Die Lésung hat

kehren. Eine wassrige Lésung von Kupfer(ll)-chlorid (CuCly) ent-

durch die hydratisierten Cu**-lonen eine blaue Farbe. a) Skizzieren Sie den Aufbau einer galvanischen Zelle aus einer Kupferhalbzelle und einer Chlorhalbzelle mit Graphitelektroden. Begriinden Sie, dass bei dem Vor-

gang eine Lésung von Kupfer(l)-chlorid entsteht.

b) Stellen Sie das Zelldiagramm und die Reaktions-

gleichungen fiir die Vorgange an den Elektroden auf.

c) Durch den Einsatz elektrischen Stroms lassen sich aus der entstehenden Lésung die Elemente Kupfer und Chlor gewinnen. Skizzieren Sie die Elektrolysezelle

einer Kupfer(ll)-chlorid|&sung . Erléutern Sie die zu er-

wird freigesetzt. Die Reaktion lauft freiwillig a

wartenden Beobachtungen an den Graphitelektroden.

{4 Viele Elektrolysen werden mit Elektroden durchgefiihrt, die nichtan der Reaktion teilnehmen, also

inert sind. Ermitteln Sie, welche Unterschiede es bei

Energiebilanz. Durch Zufuhr von elektrischer Energie bilden sich bei der Elektrolyse energiereiche Stoffe wie das Metall Zink und das Nichtmetall lod. Die Elektrolyse kann somit genutzt werden, um die Elemente aus ihren

Salzlosungen zu gewinnen. Dabei wird die zugefiihrte elektrische Energie zu groRen Teilen in den Produkten als chemische Energie gespeichert. Ein Teil der elektrischen Energie wird aber auch in Warmeenergie umge-

wandelt.

In der galvanischen gekehrter Richtung Stoffe Zink und lod elektrische Energie

Zelle laufen die Reaktionen in umab. Die Atome der energiereichen reagieren zu ihren lonen. Dabei wird freigesetzt.

der Elektrolyse einer Zinkiodidl6sung machen wiirde, wenn man die Graphitelektroden beider Pole gegen

Zinkelektroden austauschen wiirde. 4

[=7Bei der Elektrolyse einer Kupfersulfatldsung werden die Kupferdréhte als Elektroden iibereinander angeordnet. Es wird eine Gleichspannung angelegt. Nach einiger Zeit entférbt sich die Lésung im Bereich der

oberen Elektrode und rotbraune Ablagerungen bilden

sich an der nicht isolierten Drahtspitze. Im Bereich der unteren Elektrode wird die Lésung intensiver blau und

der Kupferdraht zeigt keine Ablagerungen.

a) Geben Sie die an den beiden Elektroden stattfindenden Reaktionen an und erklaren Sie die Farbanderun-

gen der Lésung um die Elektroden.

b) Begriinden Sie die unterschiedliche Lange der Elekt-

Elektrolysen sind erzwungene Redoxreaktionen. Die zugefiihrte elektrische Energie wird als chemische Energie gespeichert. Die Elektrolyse ist die Umkehrung der Reaktionen einer galvanischen Zelle.

roden und warum der langere Pluspol erst am Ende ab-

isoliert werden darf.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

177

Praktikum

Elektrolysen Aufgaben: a) Notieren und erkléren Sie Ihre Beobachtungen. b) Stellen Sie fiir die Reaktionen der Elektrolysen und der galvanischen Zellen die Teil- und Gesamtgleichungen auf. Begriinden Sie die gleichbleibende Polung der Elektroden. ) Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit denen Ihres Lernpartners.

Versuch 2:

Elektrolyse von Zinksulfatlosung mit Kupferelektroden

&8

Materialien: Reagenzglas, 2 isolierte Kupferkabel

(etwa 23 cm lang, Enden abisoliert), Graphitstab und

Zinkstab (jeweils an den Enden abisoliert), Kabel, 2 Krokodilklemmen, Gleichspannungsquelle;

Zinksulfatlésung (0,3 mol - I, 7,9)

Durchfiithrung: 1. Bauen Sie die Apparatur wie dargestellt zusam-

Versuch 1: Elektrolyse mit Graphitelektroden

2

SO&

Materialien: Kunststoffbecher (20 ml) oder Bechergléser (50 ml), Glelchspannungsquelle,

Spannungsmessgerat, Krokodilklemmen,

Elektrokleinmotor (Solarmotor);

Bleistiftminen, Lésungen (1 mol - ") von Zinkiodid

(5,9) (PartnerA) und Kupfer(ll)-sulfat (7, 9) (Partner B) Durchfiihrung: 1. Fiillen Sie den Kunststoffbecher mit der jeweiligen Elektrolytlsung und befestigen Sie die Graphit-

elektroden mit den Krokodilklemmen am Rand.

2. Verbinden Sie die Elektroden mit der Gleichspannungsquelle und mit dem Spannungsmessgerat. 3. Regeln Sie die Spannung in Schritten von 0,5V hoch, bis an den Elektroden eine deutlich sicht-

bare Reaktion erfolgt. 4. Trennen Sie die Elektroden von der Spannungsquelle, ermitteln Sie die Spannung der entstandenen galvanischen Zelle und die Polung. 5. Entfernen Sie das Messgerat und schlieRen Sie

stattdessen einen Elektrokleinmotor an.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

men und fiillen Sie die Zink-

sulfatlésung so ein, dass die obere Elektrode gerade eintaucht. Die Kupferkabel diir-

©

fen sich nicht bertihren. 2. Verbinden Sie die Elektroden mit der Spannungsquelle und regeln Sie etwa 20V ein.

3. Beenden Sie den Versuch,

sobald Sie deutliche Veréan-

derungen an den Elektroden

und in der Losung sehen. 4. Wiederholen Sie den Versuch

mit einer Kupferelektrode als Pluspol und einem Graphitstab als Minuspol, der an beiden Enden

abisoliert sein muss.

5. Wiederholen Sie erneut mit der Kupferelektrode

als Minuspol und einer Zinkelektrode als Pluspol, die nur an den Enden abisoliert ist.

Aufgaben: a) Notieren und erklären Sie Ihre Beobachtungen. b) Geben Sie die Reaktionen an den beiden Elektroden an. Ordnen Sie den Pluspol und Minuspol zu. c) Begründen Sie den Bereich der blauen Verfärbung gegen Ende des Versuchs.

Versuch 3:

Bestimmung der Zersetzungsspannung

o5

& &O@

Materialien: Kunststoffbecher (20 ml), Kabel, Krokodilklemmen, Gleichspannungsquelle, Spannungsmessgerat, Strommessgerét; blank geschmirgelte Kupfer- und Zinkdréhte als. Elektroden, Platinelektroden, Lésungen (1 mol - ') von Zinkiodid (5, 9) (Partner A), Kupfer(ll)-sulfat (7, 9) (Partner B) und Zinksulfat (5, 9) (Partner C) Durchfiihrung: 1. Fullen Sie den Kunststoffbecher mit der jeweiligen Elektrolytlésung und befestigen Sie eine Metall-

elektrode und eine Platinelektrode mit den Krokodilklemmen am Becherrand. 2. Verbinden Sie die Elektroden mit der Gleichspannungsquelle und dem Strommessgerat als Reihenschaltung. Die Metallelektrode wird als Minuspol, die Platinelektrode als Pluspol geschaltet. SchlieBen Sie das Spannungsmessgerat als Parallelschaltung an.

3. Erhéhen Sie die Spannung in 0,25 V-Schritten von

0V bis 8V. Lesen Sie die jeweilige Stromstarke ab. Aufgaben: a) Notieren Sie lhre Beobachtungen und geben Sie die Teilgleichungen fiir die Oxidation und die

anderen Lernpartner.

Materialien: U-Rohr mit seitlichen Ansatzen,

2 Gasableitungsrohre, 2 Becherglaser (600 ml), Reagenzgléser, Glaswolle, Gleichspannungsquelle,

1=05A

Schwefelsaure A

—

wolle-

Durchführung: 1. Bauen Sie den Versuch entsprechend der Abbildung mit den jeweiligen Elektroden auf, schließen

Sie Spannungsmessgerät (parallel) und Strommessgerät (in Reihe) an.

2. Regeln Sie die Spannung schrittweise in 0,25V Schritten von 0 bis 10 V hoch und messen Sie die jeweilige Stromstarke. 3. Stellen Sie nun eine lebhafte Gasentwicklung (etwa 0,5 A) ein. Fangen Sie die entstehenden Gase pneumatisch auf. Fiihren Sie mit den Gasen

(2, 3) getrennt geeignete Nachweisreaktionen

4. Erneuern Sie die Schwefelsaure und wiederholen

b) Erstellen Sie aus den Messwerten jeweils ein Spannungs-Stromstarke-Diagramm. Kennzeichnen Sie den Beginn einer sichtbaren Reaktion. c) Beschreiben Sie die Kurvenverlaufe und ermitteln Sie die jeweilige Zersetzungsspannung. d) Vergleichen Sie die von Ihnen ermittelten Zersetzungsspannungen mit den Zellspannungen der entsprechenden galvanischen Zellen. e) Vergleichen Sie lhre Ergebnisse mit denen der

SO~

Anode

durch. Nutzen Sie auch die Kalkwasserprobe.

Reduktion an. Ordnen Sie diese den Polen zu.

Versuch 4: Elektrolyse mit verschiedenen Elektroden

Spannungsmessgerat, Strommessgerat, Glimmspan, durchbohrte Gummistopfen, 2 Messzylinder (50 ml); Platinelektroden (Partner A), Graphitelektroden (Partner B), Schwefelsaure (0,5 mol - I''; 5), Kalkwasser

2

Sie die Elektrolyse. zwei Messzylindern eine Spannung von die dazugehdrende

Fangen Sie die Gase nun in pneumatisch auf. Stellen Sie etwa 3V ein und notieren Sie Stromstarke. Lesen Sie nach

2,4,6 und 8 Minuten die jeweiligen Gasvolumina

ab.

Aufgaben: a) Notieren Sie Ihre Ergebnisse in einer Tabelle. b) Erklaren Sie die Vorgange in den Elektrolysen und

fiir die Nachweisreaktionen anhand von Reaktionsgleichungen. c) Erstellen Sie jeweils ein Spannungs-Stromstarke-

Diagramm und ermitteln Sie die jeweilige Zersetzungsspannung U, fiir Graphitelektroden und Platinelektroden. Prasentieren Sie die Ergebnisse Ihrem Lernpartner.

d) Berechnen Sie aus den Werten fiir die Gasvolumina jeweils die Stoffmenge n. | Erstellen Sie aus den Messdaten aus Schritt4 ein Zeit-Stoffmenge-Diagramm und ein Stromstarke-Stoffmenge-Diagramm. Erklaren Sie das Diagramm mithilfe der Faradayschen Gesetze.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

179

5.2 _ So viel Spannung muss sein - Zersetzungsspannung in mA

Gas

Hz Platin (platiniert)

u, "y,

8

0,

Stromdichte in A + cm”?

10°

102

10°

10°

-1,15

-1725

Pt{(platiniert) Pt (blank) Graphit

-0,02 -0,12 060

-004 -023 -078

-005 035 -097

Pt(platiniert)

0,40

0,52

0,64

0,77

0,1

0,12

025

050

Pt (blank) Graphit Cl, Pt(platiniert) Pt (blank) Graphit

-0,94

072 053 0,006 0,008

-104

08 090 0016 003

128 109 002 0054

-0,07 047 -1,03 149 124 0,08 024

1 Zersetzungsspannung und Uberspannung

2 Uberspannungsanteile fiir einige Gase in Volt

Um bei einer Elektrolyse nennenswerte Mengen an ele-

schneller ab als die Umkehrreaktion in der galvanischen Zelle und die Stromstarke steigt linear an (Abb.1 ). Gleichzeitig erhohen sich proportional die Stoffmengen der abgeschiedenen Produkte. Fiir das Ermitteln der Zersetzungsspannung verlangert man den steil ansteigenden, linearen Kurventeil im Spannung-StromstarkeDiagramm bis zum Schnittpunkt mit der Spannungsachse. Hier liest man dann den Wert fiir Uz ab.

mentaren Stoffen zu erhalten, muss meist eine Span-

nung angelegt werden, die deutlich hoher ist als die Zellspannung der durch die Elektrolyse entstehenden galvanischen Zelle. Das zeigt sich vor allem bei der Bildung gasformiger Reaktionsprodukte. Eine wesentliche Rolle spielen dabei die Elektrodenmaterialien. Gleichgewichtsspannung. Bei der Elektrolyse einer Zinkiodidlosung setzt eine schwache Reaktion an den Elektroden erst ab etwa 1,4 V ein. Auch die Stromstarke

bleibt zunachst sehr gering, wie der anfangliche Verlauf der Spannungs-Stromstdrke-Kurve zeigt (Abb. 1 @J. Die-

se Beobachtung lässt sich einfach erklären: Bereits bei

geringer Spannung bilden sich geringe Mengen der Produkte Zink und lod. Es entsteht somit eine galvanische Zelle, in denen Zn-Atome oxidiert und I,-Molekiile redu-

ziert werden. Die Zellspannung der galvanischen Zelle wirkt der Elektrolysespannung entgegen. Bei der Elektrolyse einer Zinkiodidlosung flieBt bis zu einem Spannungswert von 1,38 V praktisch kein elektrischer Strom. Es herrscht ein Gleichgewicht, denn die

Reaktionen der Elektrolyse und der galvanischen Zelle laufen gleich schnell ab. Daher wird diese Spannung auch Gleichgewichtsspannung U genannt. Sie ergibt sich als Differenz der Halbzellenpotentiale £°, die bei der Elektrolyse Abscheidungspotentiale £5, genannt werden. Es gilt:

Ugetie= E1,| 21") - E°(zn**| Zn) Uszee =0,62 V(0,76 V) =1,38V

Zersetzungsspannung. Eine Elektrolyse lauft erst ab einem bestimmten Spannungswert merklich ab. Man bezeichnet diese Mindestspannung als Zersetzungsspannung Uy. Erhoht man die Spannung (iber die Zersetzungsspannung hinaus, lauft die Elektrolysereaktion

180

material

Quecksilber

Graphit

U=1,38

Elektroden-

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

Uberspannung. Bei Elektrolysen mit gasformigen Produkten liegt die gemessene Zersetzungsspannung héufig deutlich ber dem Wert der Gleichgewichtsspannung. Die Differenz zwischen Zersetzungsspannung Uz und der Gleichgewichtsspannung U wird als Uberspannung n bezeichnet. Es gilt: n=Uz-U Wie hoch der Uberspannungsanteil ist, hdngt maRgeblich vom Elektrodenmaterial und dessen Oberflachenbeschaffenheit ab. So ist bei der Elektrolyse einer Zinkiodidlésung mit Graphitelektroden ein merklicher Stoffumsatz erst bei einer Spannung von etwa 1,6 V zu beobachten, wahrend bei der Elektrolyse an platinierten Platinelektroden Gleichgewichtsspannung U und Zersetzungsspannung Uy praktisch gleich sind (Abb. 1). Weitere EinflussgréRen auf die Uberspannung sind

Temperatur und Konzentration des Elektrolyten sowie

die Stromdichte, also der Quotient aus der Stromstarke und der Oberfliche des Elektrodenmaterials. Die Uberspannung steigt mit zunehmender Stromdichte an

(Abb.2).

Die hohen Uberspannungsanteile bei Gasen sind meist

reaktionskinetischer Natur: Einzelne Reaktionsschritte

an den Elektroden wie beispielsweise das Ablosen der

Gasteilchen von der Elektrode kénnen erschwert sein und damit langsamer ablaufen. Bei Metallen sind derar-

tige Einfliisse meist zu vernachlassigen, weshalb es dort kaum Uberspannungseffekte gibt.

37 A

B/F-

24

Entscheidung zwischen Elektrodenreaktionen bei der Elektrolyse einer neutralen Natriumfluorid-

Sarnnn 4] ]U=231V

9

16sung (1 mol - [') an Platinelektroden (Abb. 3).

JE

TE„= 0,82 V

Minuspol: Na*|Na und H,0|H,

DA

Na*+e > Na;

————-Ty(Hy)=-03V----

14

En(Ha) = £ (Ha) + 17 (Hy) == 0,41V +(-0,23V)

000000 &

=-0,64V

Na*/Na

= Aufgrund des gréReren Abscheidungspotentials wird Wasserstoff am Minuspol abgeschieden.

3 Potentiale fiir die Elektrolyse einer Natriumfluoridiésung

Vorhersage von Elektrodenreaktionen. Bei einer Elektrolyse sind unterschiedliche Reaktionen an den Elektroden méglich. Fiihrt man beispielsweise die Elektrolyse von Natriumfluoridlésung an Platinelektroden

Pluspol: F5|F~ und H0| 0,2

Fa->2F+2€e”;Ew(F2|F)=2,855V

des gel6sten Salzes auch die Molekiile des Wassers an den Vorgéngen beteiligt sein kénnen.

= Wegen des kleineren Abscheidungspotentials

wird am Pluspol Sauerstoff abgeschieden.

Um die tatséchlich ablaufende Redoxreaktion vorher-

Fir die Elektrolyse von Natriumfluoridlosung gilt aufgrund der aufgefiihrten Berechnung und von Abb.3: Der Spannungswert fiir die Abscheidung von Wasser-

stoff und von Sauerstoff ist trotz Uberspannung niedri-

ger als der fiir die Abscheidung von Natrium und Fluor. Elektrolysen finden erst oberhalb der Zersetzungsspannung statt. Dabei werden am Pluspol die Teilchen mit dem kleinsten Abscheidungspotential oxidiert und am Minuspol die Teilchen mit dem groRten Abscheidungspotential reduziert. Uberspannungen an den Elektroden miissen beachtet werden.

@®

2 H20 ->02+4H*+4 @; Ey°(H2O |O02) =0,82 V (PH=7);n(0,)=0,85V Ey=E4(02)+17(02)=0,82V+0,85V=1,67V

durch, entstehen weder Natrium noch Fluor als Produkte. Ursache ist, dass in einer Losung neben den lonen

sagen zu konnen, listet man wie im Rechenbeispiel alle in der Losung moglichen Redoxpaare auf, formuliert entsprechende Teilgleichungen und ordnet ihnen ihre Standardelektrodenpotentiale zu. Die Reduktionsvorgange werden dem Minuspol und die Oxidationsvorgange dem Pluspol zugewiesen. AuRerdem sind noch die Uberspannungen zu beriicksichtigen. Aus diesen Angaben ermittelt man die Teilchen mit dem kleinsten Abscheidungspotential. Deren Oxidation findet am Pluspol statt. Am Minuspol werden die Teilchen mit dem gréften Abscheidungspotential reduziert. In vielen Féllen kann durch die Wahl des Elektrodenmaterials und die Uberspannung eine Reaktion in die gewiinschte Richtung gelenkt werden.

@D

Hy0+2 e > Hy+20H Ejw°(H2O|H2)=-0,41 V bei (pH=7); 7 (Hz)=-0,23V

H,0/H,@

24 -3

EL(Na‘[Na)=-2,71v

1

a) ¥ Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen fiir

die Elektrolyse der Salze Zinkchlorid ZnCly(Partner A), Zinkbromid ZnBr, (Partner B) und Kupfer(ll)chlorid CuCl, (PartnerC) in wassriger Lésung. Berechnen Sie

die jeweilige Zersetzungsspannung U bei Standardbedingungen, wenn keine Uberspannung auftritt. b) Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse.

2

Salzsaure (1 mol - I”') wird bei einer Stromdichte von

0,1 A-cm™ elektrolysiert. Dabei entstehen bei Stan-

dardbedingungen die Produkte Wasserstoff und Chlor. a) Berechnen Sie die Zersetzungsspannung Us. b) Berechnen Sie, welche Zersetzungsspannungen Uz sich experimentell ergeben, wenn man folgende Elektrodenmaterialien einsetzt: platiniertes Platin, blankes

Platin und Graphit (Abb.2).

E Elektrolysiert man eine Kupfer(ll}-chloridlésung mit Kupferelektroden, so bildet sich am Pluspol kein Gas.

Man stellt fest, dass das Kupferblech des Pluspols genauso viel an Masse verliert wie das Kupferblech des

Minuspols an Masse gewinnt.

a) Leiten Sie aus den Beobachtungen die entsprechende Elektrodenreaktionen her und ordnen Sie die Begrif-

fe Reduktion und Oxidation zu. b) Ermitteln Sie die Zersetzungsspannung Uz.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

5.3 Mit den Faraday-Gesetzen erfasst man Elektrolysen quantitativ

-+ | consider the foregoing investigation as sufficient to prove the very extraor-

dinary and important principle with respect to water, that

when subjected to the influence of the electric current, a quantity of it is decomposed exactly proportionate to the quantity of electricity which has passed, notwithstanding the

thousand variations in the conditions and circumstances under which it may at the time placed ...,

{A§N03—Lbsung1 mol- 1!

1 Michael Faraday und seine Veroffentlichung von 1834

2 Versuchsaufbau zum 2. Faradayschen Gesetz

Bisher wurde gezeigt, dass bei einer Elektrolyse Stoffe abgeschieden werden. Michael FARADAY untersuchte zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Massen der bei der

den am Pluspol die Kationen aus der Lésung reduziert und am Minuspol die Metall-Atome oxidiert.

Elektrolyse entstehenden

Stoffe quantitativ (Abb.1).

Dazu elektrolysierte Faraday verschiedene Losungen und variierte Stromstarke und Elektrolysedauer. Seine Ergebnisse beschrieb er mit zwei grundlegenden GesetzméBigkeiten - den Faradayschen Gesetzen. 1. Faradaysches Gesetz. Elektrolysiert man eine Zinkiodidlésung bei konstanter Stromstarke und verdoppelt oder vervielfacht dabei die Dauer der Elektrolyse, so verdoppelt beziehungsweise vervielfacht sich auch die am Minuspol abgeschiedene Menge an Zink. Die elektrolytisch abgeschiedene Stoffmenge n ist der Elektrolysezeit t proportional. Lasst man nun die Elektrolysezeit konstant und verdoppelt oder vervielfacht die Stromstarke /, so ist wiederum die abgeschiedene Stoffmenge

Zink entsprechend vervielfacht. Das bedeutet,

dass die abgeschiedene Stoffmenge n auch proportional zur Stromstarke / ist. Die beiden Proportionalitaten ergeben in der Zusammenfassung ein Produkt: n~/ - t Das Produkt aus Stromstérke / und Elektrolysezeit t ist die elektrische Ladung Q: Q=1 - t. Damit ist die bei der Elektrolyse abgeschiedene Stoffmenge n proportional

zur geflossenen Ladung Q. Das 1. Faradaysche Gesetz beschreibt diesen Zusammenhang: n~Qodern~1 - t

2, Faradaysches Gesetz. Die bei der Elektrolyse am Minuspol abgeschiedene Stoffmenge hangt von der Ladungszahl z der Kationen ab. Dies lasst sich durch fol-

genden Versuch zeigen (Abb.2): Eine Elektrolysezelle

mit zwei Kupferelektroden in einer Kupfersulfatlosung und eine Elektrolysezelle mit zwei Silberelektroden in einer Silbernitratlésung werden hintereinander geschaltet, sodass wahrend der Elektrolyse durch beide Zellen die gleiche Ladung Q flieRt. In beiden Zellen wer-

182

CuSO,

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

Die Auswertung einer solchen Versuchsreihe ergibt, dass die abgeschiedenen Stoffmengen an Silber und Kupfer immer im Verhéltnis n (Ag) : n(Cu) =2: 1 stehen. Mit der gleichen Ladungsmenge werden doppelt so viele Silber-Atome wie Kupfer-Atome abgeschieden. Dies lasst sich durch die Elektroneniibertragung an den jeweiligen Pluspolen (Kathoden) erkléren:

Cu*(aq)+2e > Cufs)

2Ag (aq) +2 € 2 Ag(s) Kupfer-lonen sind zweifach positiv geladen (z = 2). Zur Bildung eines Kupfer-Atoms werden zwei Elektronen bendtigt. Silber-lonen sind einfach positiv geladen (z = 1). Mit zwei Elektronen werden zwei Silber-Atome gebildet. Dementsprechend werden fiir die Abscheidung von 1 mol Kupfer 2 mol Elektronen benétigt, fiir die Abscheidung von 1 mol Silber lediglich 1 mol Elektronen. Die Ladung von 1 mol Elektronen wurde von Faraday experimentell bestimmt. Er bendtigte zur Abscheidung von 1 mol Silber eine elektrische Ladung Q von etwa 96 500 C. Dies entspricht der Ladungvon 1 mol Elektronen. Sie wird als Faraday-Konstante F bezeichnet. Genauere Messungen ergeben den heute giiltigen

Wert F=96485A - s - mol™ =96485C - mol™.

Im 2. Faradayschen Gesetz werden die Zusammenhange zwischen Ladungszahl z, geflossener Ladung Q und abgeschiedener Stoffmenge n beschrieben: __ n=_ -t—F odern=—

Mit dem 2. Faradayschen Gesetz lässt sich die gebildete Stoffmenge bei einer bestimmten Ladung berechnen oder die Ladung, die für die Abscheidung einer gewünschten Stoffmenge erforderlich ist.

Rechenbeispiel

Ubersetzen Sie die englische Textpassage in Abb. 1. Fassen Sie den Test mit eigenen Wort zusammen und

Berechnung der Stoffmenge Durch die elektrolytische Abscheidung von Was-

serstoff soll eine Ladung von 100000 C gespeichert

erlautern Sie die beschriebenen Zusammenhange. Ergénzen Sie passende Beispiele. Bei der Elektrolyse einer schwefelsauren Kupfersulfat-

werden.

18sung mit Kupferelektroden bildet sich am Minuspol

Notieren der gegebenen und gesuchten Werte:

a) Berechnen Sie die elektrische Ladung Q, die zur

Reaktionsgleichung: 2 H* (aq) + 2e™ >

Gewinnung von 1 kg Reinstkupfer erforderlich ist. b) Ermitteln Sie die erforderliche Stromstarke, damit in

H,(g)

Gegeben: Q=100000C,z=2, F=96485C - mol™ Gesucht: n(H,)

(H2)=

= &Q

1 hjeweils 1 kg Kupfer abgeschieden werden kann.

) &l Technische Angaben zur Kupferraffination

nennen eine erforderliche Ladung von 1 kah fiir 1 kg

Kupfer. Beurteilen Sie die technische Machbarkeit.

Einsetzen der Werte: n(H,)

Reinstkupfer.

_ 100000C —__100000C

77 - agassc . mor

=0,518 mol

Bei der Elektrolyse miissen 0,518 mol Wasserstoff

gebildet werden, um 100000 C zu speichern.

[ G T

0,50

T

0,25

Berechnung der Stromstarke Innerhalb von einer Minute soll 1 g Silberam Minuspol abgeschieden werden. Berechnen Sie

die erforderliche Stromstarke.

Notieren der gegebenen und gesuchten Werte:

Reaktionsgleichung: Ag*(aq) +e™ > Ag(s) Gegeben: t=1min=60s,m=1g,M=108g

mol™,

F=96485C - mol™,z=1 Gesucht: / Umstellen der Formel und Einsetzen der Werte: _m_1-t

MM Z-F

j,zm-z-FJE

M-t

0

0

96485

0inC

a) Im Diagramm sind fiir verschiedene Stoffe die bei der Elektrolyse gebildeten Stoffmengen n gegen die geflossene Ladung Q aufgetragen. Beschreiben Sie die Kernaussagen des Diagramms. b) Erkléren Sie, dass vom Diagramm die Aussagen der Faradayschen Gesetze wiedergegeben werden.

c) $

7 Begriinden Sie mithilfe von Reaktionsglei-

chungen, warum die gebildete Stoffmenge an Silber doppelt so groR ist wie die gebildete Stoffmenge anKupfer (Partner A), die von Wasserstoff doppelt so groft

wie die Stoffmenge an Sauerstoff ist (Partner B).

d) Tauschen Sie Ihre Ergebnisse aus und

e

1 96485A7‘s.«

5.

108 g mol™-60s

mol

!

=14,9A

Zum Abscheiden von 1g Silber in einer Minute ist eine Stromstérke von /= 14,9 A nétig.

verallgemeinern Sie diese.

In einem Versuchsaufbau werden zwei Elektrolysezellen in Reihe geschaltet. In der ersten Zelle soll aus einer Kupfersulfatlésung Kupfer abgeschieden werden,

in der zweiten Zelle aus einer Zinksulfatlésung Zink.

Stellen Sie die betreffenden Reaktionsgleichungen

auf und machen Sie begriindete Aussagen über die zu

Die Faradayschen Gesetze beschreiben den Zusammenhang zwischen umgesetzter Stoffmenge n, lonenladung zund geflossener Ladung Q bei der Elektrolyse. Fir die Faraday-Konstante F gilt:

F=96485A - s - mol™=96485C - mol™

erwartenden Stoffmengenverhaltnisse. O,i Fiihrt man eine Elektrolyse bei hoher Stromstarke

oder iiber einen langeren Zeitraum durch, so erwarmt sich die Elektrolytlésung. Erkléren Sie diese Beobachtung und entwickeln Sie eine Definition fiir den Wirkungsgrad eines elektrochemischen Prozesses.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

183

5.4 Chemie angewandt: Herstellung von Chlor durch Elektrolyse NaCl

4 Sole-Aufsiittigung | |

Dünnsole

w (NaCl) = 20%

Natronlauge

w (NaOH) = 13% Eindampfung und Entsalzung PTFE-

Membran

=50%

Chlor und Natronlauge sind bedeutende Grundstoffe in

der chemischen Industrie. So wird Chlor fiir die Herstellung von Bleichmitteln in der Papier- und Textilindustrie benétigt. Auch die Produktion von Kunststoffen wie PVC aus Chlorethen (Vinylchlorid), von Medikamenten wie

den Sulfonamiden oder bestimmten Farbstoffen wére

ohne Chlor nicht denkbar. Natronlauge wird unter anderem fiir die Herstellung von Seifen, Reinigungsmitteln oder von Natriumcarbonat (Soda) benétigt. Soda ist ein wichtiger Rohstoff fiir die Herstellung von Glas. Chloralkalielektrolyse. GroRtechnisch werden Chlor und Natronlauge durch Chloralkalielektrolyse hergestellt- allein in Deutschland jéhrlich Giber drei Millionen

Tonnen jeweils. Als weiteres Produkt entsteht dabei

Wasserstoff. Die Chloralkalielektrolyse ist damit einer der wichtigsten groRtechnisch durchgefiihrten Prozesse liberhaupt. Neben dem heute iberwiegend angewandten Membranverfahren werden in einigen élteren Anlagen noch das Diaphragmaverfahren und vereinzelt das Amalgamverfahren eingesetzt. In allen Verfahren dient das aus Salzlagerstatten geforderte Steinsalz als Rohstoff. Aus dem Steinsalz wird eine gereinigte Natriumchloridlésung, die Sole, hergestellt. Diese enthalt neben H,0-Molekiilen nur Na*-lonen und CI™-lonen. Ausgehend von den Abscheidungspotentialen sind bei der Elektrolyse der Sole folgende Reaktio-

nen denkbar:

Pluspol (Anode):

= Clz+2 e Ew’=1,36V

2H,0(l) - O2(g)+4H*+4e”; Ey=0,82V (pH=7)

Minuspol (Kathode): Na*(aq)+e”

2H,0+2¢€

184

-> Na(s); Ey”=-2,71 V

> 20H (aq)+H,(g); Ey=-0,41V (pH=7)

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

und Entsalzung

Natronlauge w (NaOH)

1 Membranverfahren

2Cl (aq)

Eindampfung

|

Natronlauge

Dia-

w (NaOH) = 50%

phragma

w(NaCl)

2 Diaphragmaverfahren

=

1%

Die mit 1,23 V niedrigste Zersetzungsspannung ergibt sich fiir die Bildung von Sauerstoff an der Anode und

von Wasserstoffan der Kathode. Um die erwiinschte Ab-

scheidung von Chlor an der Anode zu erreichen, nutzt

man

bei den

drei technischen

Verfahren

Uberspan-

nungseffekte an den Elektroden aus, sodass sich aus-

schlieRlich Chlorgas, Wasserstoffgas und Natronlauge bilden:

2NaCl(aqg)+2H,0(l)

= Cly(g)+2NaOH (aq) +H,(g)

Bei der Elektrolyse muss zudem vermieden werden, dass sich die Produkte mischen: Chlor kénnte ansonsten mit Wasserstoff explosives Chlorknallgas bilden, OH”-lonen könnten

mit Cl,-Molekiilen in einer Dispro-

portionierungsreaktion zu Cl™lonen

und Hypochlorit-

lonen (OCl™-lonen) reagieren, was die Ausbeute weiterhin schmélert. Membranverfahren. Das Membranverfahrenistdie mo-

dernste Variante der Chloralkalielektrolyse. Es ist durch die Prozessfiihrung in Kreisldufen vergleichsweise umweltfreundlich, energieeffzient und liefert eine sehr rei-

ne Natronlauge. Die Elektrolysezelle ist durch eine spe-

zielle Membran aus Teflon (Polytetrafluorethen, PTFE)

in Kathodenraum und Anodenraum getrennt. Die Membran ist nur fiir H,0-Molekiile und Na*-lonen durchldssig, nicht aber fiir CI"-lonen

und

OH™lonen.

erreicht, dass die Sole im Anodenraum

So wird

bleibt und im

Kathodenraum nur die gebildete Natronlauge (Abb. 1).

Die Anode besteht aus bestandigem Titan, das mit einer diinnen Schicht von elektrisch leitfahigem Rutheniumoxid iberzogen ist. Die Beschichtung katalysiert die Bildung von Chlor und erhéht die Uberspannung fiir Sau-

erstoff. Fiir die Kathode verwendet man

Nickel oder

Edelstahl mit Nickelbeschichtung. Das Nickel ist bei der Wasserstoffbildung katalytisch wirksam. Die Elektroly-

se wird mit einer Zellspannung von etwa 3 V durchgefuhrt. Die Stromstarke betragt bis zu 3,5 kA pro Quad-

ratmeter Elektrodenflache.

Das an der Anode entstandene Chlorgas ist noch sauerstoffhaltig und feucht. Durch Abkiihlen wird es verflussigt und dabei getrocknet und gereinigt. Die im Kathodenraum entstandene Natronlauge wird fortlaufend abgepumpt. Ein Teil davon wird verdiinnt zuriick in den

Kathodenraum

geleitet. Die iibrige Natronlauge wird

durch Verdampfen von Wassers aufkonzentriert und gelangt als konzentrierte Lauge in den Handel. Fiir ei-

nen kontinuierlichen Prozess wird auch ein Teil der Sole

fortlaufend entnommen und mit reinem Kochsalz angereichert zuriick in die Elektrolysewanne gefiihrt.

Diaphragmaverfahren. Beim Diaphragmaverfahren ist die Elektrolysezelle durch eine porése Trennwand, ein Diaphragma, in den Anodenraum und den Kathodenraum unterteilt. Das Diaphragma besteht bei alteren Anlagen aus Asbest, bei neueren Anlagen nur aus Kunststofffasern. Diese Trennwand behindert die lonenwanderung im elektrischen Feld nur wenig, sodass der elek-

trische Widerstand der Zelle kaum erhoht ist. Fiir Gase

ist das Diaphragma dagegen praktisch undurchlassig, Wasserstoff und Chlor kdnnen sich also nicht zu explosivem Chlorknallgas vermischen (Abb. 2).

1

a) % Stellen Sie den Ablauf des Membranverfahrens (Partner A) und des Diaphragmaverfahrens (Partner B) in je einem FlieBschema dar. Stellen Sie sichim Anschluss lhre Ergebnisse gegenseitig vor. b) Erlautern Sie die Bedeutung der Uberspannung bei der Chloralkalielektrolyse anhand von méglichen und

den real ablaufenden Elektrodenvorgangen.

c) Neben der Chloralkalielektrolyse kann gereinigtes

Steinsalz auch in der Schmelze zu Natrium und Chlor umgesetzt werden. Formulieren Sie fiir diese Schmelz-

flusselektrolyse die Reaktionsgleichung und die Vorgéinge an den Elektroden. Ein friiher gebréuchliches Verfahren zur Herstellung von Chlor war das Amalgamverfahren. Die Kathode besteht aus Quecksilber. Dort werden Na*-lonen zu

Na-Atomen reduziert und es bildet sich eine fliissige

Quecksilber-Natrium-Legierung (Natriumamalgam). a) Beschreiben Sie das Verfahren.

NacCl

w(NaCl)=31% Diinnsole

a

w(NaCl) =27%

Natronlauge

w(NaOH) =50%

An der Anode aus Titan entsteht Chlor. An der Kathode

aus einem feinen Eisennetz wird Wasserstoff abgeschieden und es entstehen OH™-lonen. Diese bilden mit den

Graphit-Kugel

2=

AmalgamZersetzer

Na'-lonen aus der Sole, diein den Kathodenraumdiffundiert, Natronlauge. Das Einstrémen der Sole durch das

Quecksilber

Diaphragma erschwert die Wanderung der OH™-lonen in den Anodenraum, sorgt aber auch fiir den hohen Anteil an Kochsalz in der entstehenden Natronlauge.

b) %2 Partner A: Begriinden Sie die Abscheidung von Natrium anstelle von Wasserstoff an der Kathode. Partner B: Erlautern Sie, weshalb beim Amalgamverfahren keine Trennung in Anoden- und Kathodenraum notig ist. Stellen Sie sich Ihre Ergebnisse vor.

Beim Verlassen des Kathodenraums enthilt der Elekt-

rolyt ungefahr 13% Natriumhydroxid sowie noch etwa 19 % Natriumchlorid. Die Natronlauge muss daher in einem energieaufwandigen Verfahren durch Eindampfen

auf 50% aufkonzentriert werden. Dabei fallt das Natri-

umchlorid als Feststoff aus. Durch weitere Reinigungsschritte kann das Natriumchlorid fast vollstandig aus der Natronlauge entfernt werden. Das an der Anode gebildete Chlorgas kann noch bis zu 3% Sauerstoff enthal-

Ey=Ep’ (H/Hg) + 1 (Hy/Hg) =-1,92V/ £ (Na*/Na-Amalgam) =-1,84V

¢) Vergleichen Sie die drei Verfahren anhand der folgenden Daten. Begriinden Sie daran die héhere

Wirtschaftlichkeit sowie die vergleichsweise bessere

Umuweltbilanz des Membranverfahrens.

ten. Wie beim Membranverfahren lasst sich das Chlor durch Verfliissigung als Reinstoff gewinnen.

o1

Membran-

Diaphragma-

Amalgam-

Verfahren

Verfahren

Verfahren

Chlor

Natronlauge 33 %,

Beider Chloralkalielektrolyse werden aus einer Kochsalz16sung Natronlauge, Chlor und Wasserstoff hergestellt. Beim Membranverfahren und beim Diaphragmaverfahren sind die Anodenraume und Kathodenraume getrennt, damit die Produkte sich nicht vermischen.

verunreinigt (0,)

sehr rein

Wasserstoff

rein

Energiebedarf glinstig

Umwelt-

5

belastung: _ Keine

sehr rein

13 %, verunrei50 %,

nigt (NaCl) rein

hoch

Asbest

sehr rein sehrrein

hoch

7

(Altanlägey __ Quecksilber

Elektrische Energie für chemische Reaktionen

185

Projekt

Wohin mit den Althandys?

Ein neues Smartphone oder ein neues Tablet sind

Millionen alter Handys verstauben

Fall dürfen die Geräte im Hausmüll landen, denn das

lagen 2017 etwa

cool. Doch wo bleiben die alten Geräte? Auf keinen Handy und andere Elektroaltgeräte stecken voller Rohstoffe, die sich in weiten Teilen aus den Geräten zurückgewinnen lassen. Seit 2004 ist es verboten,

Elektroaltgeräte in den Hausmüll zu geben. Aufgaben zur Berarbeitung des Projekts:

a) Informieren Sie sich anhand von Abb. 1 bis 4 über die in Smartphones und anderen elektronischen

Geräten enthaltenen Werkstoffe und beurteilen

Sie die Bedeutung des Recyclings von Elektroaltgeräten unter ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Berechnen Sie dazu auch

SV Nach einer Studie des Verbandes

Bitcom

124 Millionen alter Handys un-

genutzt in den Haushalten herum, Tendenz stei-

gend. Viele der Gerate sind maximal vier Jahre alt. Gut 10% der Altgerate werden derzeit iber Sammelstellen oder den Fachhandel sachgerecht entsorgt. Die Handys bilden nur die Speerspitze alter Elektrogerate, die im Haushalt verstauben. Derzeit

fallen allein in Deutschland pro Jahr etwa 1,7 Millionen Tonnen Elektroaltgeréte an. Das st viel, doch nach Schatzungen werden nur knapp 40 % des anfallenden Elektroschrotts gesammelt. 3 Elektroschrott in der Presse |

die Massen an Gold, Silber, Platin und Kupfer,

die aus den Althandys zurückgewonnen werden können. Legen Sie einen Wert von 170 g fiir die durchschnittliche Masse eines Handys und eine Recyclingrate von 80 % zugrunde. Recherchieren

Accra - die groRte Miillkippe der Welt

Sie die aktuellen Preise der Metalle und berechnen Sieden Geldwert der Metalle in den Altgeraten.

b) Informieren Sie sich iiber Rohstoffe, die in der EU

als kritisch angesehen werden. Fertigen Sie ein Plakat an, auf dem Sie zu 10 kritischen Metallen

Reserven, Bedarfe und Verwendungen angeben. c) Beschreiben Sie das Verfahren zum Recycling von Elektroschrott in der derzeit modernsten Anlage in Antwerpen (Abb. 5) und stellen Sie die beschriebenen Reaktionen als Reaktionsgleichung dar. d) Fiihren Sie die Experimente durch und versuchen Sie Gold und Kupfer moglichst rein aus den Platinen zuriickzugewinnen.

SV Agbogbloshie am Stadtrand von Accra, der Hauptstadt Ghanas, ist eine der groRten Elektro-

schrottdeponien Afrikas. Jeden Monat treffen dort

mehrere hundert Container mit groRtenteils unbrauchbaren

Metall win% @

Co* Fe

7

35

n

3

A—g w 05

cd

Pt*

U5

0,004

Metall win %

* Kritische Metalle:

& &5

D_leVersorgung mit

.

Li* Pb

diesen Metallen

35 __ ist infolge der poli-

o

Au

In*

tischen Lage in

0,5

05

%1 _

0,002

den Forderldndern oder durch Res-

sourcenknappheit gefährdet.

1 Anteile ausgewählter Metalle in Smartphones

natürliche Lagerstätten:

6g:t"

Platinen aus Elektroschrott:

240g - t™

Smartphones:

360g - t"

2 Goldanteile in verschiedenen Goldquellen

186

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

Elektrogeraten

aus Europa ein, ob-

wohl der Export defekter Geréte in Europa verboten ist. Die Altgerate werden vor Ort zerlegt

und brauchbare Einzelteile wieder in andere Léan-

der verschifft. Der unbrauchbare Rest wie Kabel, Transistoren, Platinen oder Gehduse werden verbrannt,um die restlichen Metalle aus der Asche he-

rauszukratzen. Durch die unkontrollierten Brande

werden zahlreiche giftige und gesundheitsschad-

liche Stoffe wie Dioxine,

Kohlenstoffmonooxid,

Blauséaure und Schwermetalle freigesetzt. Die Gase

und Staube geféhrden die meist jugendlichen Arbeiter. Kopfschmerzen, Juckreiz, Schwindel und Hautausschlége sind an der Tagesordnung. Auf lange Sicht werden Nieren, Leber und die Lunge massiv geschadigt. Da Agbogbloshie regelmaRig durch Regenfalle (iberschwemmt wird, gelangen

Giftstoffe zum Teil auch ins Grundwasser.

4 Elektroschrott in der Presse Il

Luft-Methan-Gemisch Bruchstiicke von Platinen, Kupferschrott, Kupfererze P P

zur Abgasreinigung ıM

T

3. Erhitzen Sie mit dem einen Gasbrenner die Aktivkohle-Elektroschrott-Schichten, bis das Glas zu

4Al

3C+60? -33C0,+12e”

Gesamtreaktion:

2Al,O;(s)+3C(s) — 4Al(s)+3CO,(g);

endotherm

Das fliissige Aluminium sammelt sich am Boden der Wanne, wird von da aus abgesaugt und in Barren gegossen. Es hat eine Reinheit von 99,5 % bis 99,95 %.

Das an der Kathode abgeschiedene Kupfer wird von den Edelstahlblechen abgezogen, eingeschmolzen und zu Zylindern, Platten oder Barren gegossen. Der Bedarf an elektrischer Energie betragt nur 0,3 kWh pro Kilogramm Kupfer. Ein groBer Teil der Betriebskosten einer

Kupferhtitte entfallt auf den Umweltschutz: In Bezug

auf die Emissionen fiir Blei, Arsen oder Cadmium gelten

strenge Auflagen mit niedrigen Grenzwerten.

Kupferraffination. Bei der Herstellung von Kupfer durch Reduktion aus Kupfererzen fallt etwa 99 %iges Rohkupfer an. Rohkupfer ist fiir die meisten Anwendungen nicht rein genug. Neben edleren Metallen wie Silber, Gold und Platin enthalt Rohkupfer auch uned1

2

Zink und Aluminium werden in der Technik durch elektrolytische Verfahren hergestellt. Hoch reines Kupfer

erzeugt man durch elektrolytische Kupferraffination.

a) & Formulieren Sie fiir folgende Vorgange Reaktionsgleichungen. Nutzen Sie auch Abb. 1. Lésen von Zinkoxid in verdiinnter Schwefelsaure (PartnerA), Reaktion von Cd**-lonen mit Zink (Partner B). b) Stellen Sie sich gegenseitig Ihre Ergebnisse vor und erklaren Sie daran, warum die Zinksulfatlosung vor der Elektrolyse sorgfaltig gereinigt werden muss. a) 2

Abbildung und eigenen Recherchen einen Sachtext iiber die Gewinnung von Bauxit.

Bauxit \ Al0; - H;0/Fe;05

Erhitzen unter Druck —— —#

v

wassriger Losung elektrolytisch abscheiden asst (Part-

Al(OH)3 Erhitzen [———>H,0

b) Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Berechnen Sie die elektrische Ladung zur Ab-

Aluminiumoxid

AlO3

scheidung von 1 mol Aluminium und dann die elektri-

3

Vorteile des Recyclings zusammen.

Ausgangsstofffiir die Herstellung von Aluminiumoxid ist Bauxit. Schreiben Sie mithilfe der folgenden

(Fe(OH);)

Aluminiumhydroxid

Kryolithschmelze zugibt (Partner B).

d) Informieren Sie sich tiber das Recycling von Aluminium. Stellen Sie die wirtschaftlichen und 6kologischen

Eisenhydroxid

Ausriihren, Filtrieren {

nerA). Erklaren Sie, warum man Aluminiumoxid der

sen Wert mit den tatsachlichen Umsétzen in Abb. 2.

Natronlauge

NaAl(OH),

Erkléren Sie, warum sich Aluminium nicht aus

sche Energie fiir diese Elektrolyse. Vergleichen Sie die-

—Z

4

a) Erlautern Sie am Beispiel der Kupferraffination die theoretisch moglichen Anoden- und Kathodenreaktionen, wenn Sie von einer Rohkupferelektrode mit

Beimengungen von Zink und Silber ausgehen. b) Begriinden Sie, welche Vorgange wahrend der Elektrolyse an den Elektroden tatsachlich ablaufen.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

5.6 Aluminium durch Eloxieren beständig Verkehr

48%

(Fahrzeuge)

Weiterverarbeitung. In die Poren der Aluminiumoxid-

schicht lassen sich Farbstoffe einlagern (Abb.2). Man

kann eine breite Skala von Farben bis hin zu Messing-,

Bauwesen

Bronze- und Goldtönen erzielen. Besonders häufig werden saure organische Farbstoffe verwendet, da sie mit

Verpackung

Elektrotechnik

Aluminiumoxid leicht Verbindungen eingehen und gut an der Oberfläche haften.

Maschinenbau

Nach der Färbung bringt man das Werkstück für eini-

ge Zeit in heißes Wasser oder behandelt es mit Was-

Eisen- und

serdampf. Dabei schließen sich die Poren und es bil-

Stahlindustrie

det sich ein Aluminiumhydroxidgel, das die Oberfläche

Haushaltswaren

versiegelt. Die Schutzschicht ist mechanisch besonders widerstandsfähig und chemisch beständig. Selbst durch aggressive Chemikalien wie Schwefeldioxid oder

Sonstige 1 Anwendungsgebiete fiir Aluminium

Schwefelsaure wird sie kaum angegriffen.

Aluminium ist als Gebrauchsmetall weit verbreitet (Abb. 1). Neben der geringen Dichte ist es vor allem die Korrosionsbestandigkeit, die Aluminium

Beim Eloxalverfahren werden Werkstiicke aus Aluminium elektrolytisch oxidiert. Die schiitzende Aluminum-

als Werkstoff

oxidschicht wird dadurch verstarkt.

auszeichnet. Der Grund liegt in der Passivierung des Aluminiums. Es liberzieht sich bereits an der Luft mit einer harten, nur bis etwa 10 nm dicken, durchsichtigen Oxidschicht, wobei der metallische Glanz erhalten bleibt.

1

Aufgrund dieser Oxidschicht reagiert Aluminium trotz

nium in Wasser (Partner A), in verdiinnter Salzsaure

(Partner B) und verdiinnter Natronlauge (Partner C)

seines unedlen Charakters weder mit Sauerstoff noch

erwarten sollte, wenn man die Stellung in der Span-

mit Wasser. Salzsaure und alkalische Lésungen zerstrenallerdingsdendiinnen Schutzfilmschnellund oxidieren dann das unedle Aluminium vollstandig. Um die

nungsreihe zugrunde legt. Notieren Sie die jeweilige Reaktionsgleichung. Hinwelis: In alklischer Lésung ent-

Bestandigkeit von Aluminium zu verbessern, verstarkt

steht das l6sliche Tetrahydroxidoaluminat-lon.

mandie natiirliche Oxidschicht durch das Eloxalverfah-

ren - die elektrolytische Oxidation von Aluminium.

2

Eloxalverfahren. Beim Eloxalverfahren werden die zu

eloxierenden Gegenstidnde in schwefelsaurer Losung als Anode zwischen zwei Kathoden geschaltet. Dadurch erreicht man eine Gberall gleiche Stromdichte und erzeugt eine gleichmaRige Oxidschicht. Als Kathode wer-

lonen diffundieren durch feine Poren durch die auflie-

gende Schicht aus Aluminiumoxid und bilden auf der

b) Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse.

a)Zeichnen Sie mithilfe des Textes eine Elektrolysezelle zum Eloxieren eines Werkstiicks. Als Kathode sollen Graphitstabe verwendet werden. b) Skizzieren Sie die Vorgénge, die wahrend der Elektrolyse am Werkstlick aus Aluminium ablaufen, mithilfe

einer Teilchendarstellung. Nutzen Sie auch Abb. 2.

ALOs(s)+3 Ha(g) Diese elektrolytisch erzeugte Aluminiumoxidschicht besitzt eine wabenartige Struktur aus dicht beieinander liegenden Poren. Beim Eloxieren wird das Werkstück etwas dicker, denn die Oxidbildung ist mit einer Volu-

menzunahme verbunden. So wird die Aluminiumoxidschicht etwa um den Faktor 5000 verstärkt.

190

Elektrische Energie für chemische Reaktionen

diinne Ox‘idschicht Aluminium ( — | Aluminium

|—s ( Aluminium

2 Bildung und Weiterverarbeitung der Eloxalschicht

Praktikum

Eloxieren von Aluminium

Versuch 1: Eloxieren eines Aluminiumwerkstücks

x

OO —m

Arbeitsauftrag: Fiihren Sie den Versuch in Gruppen durch. Jede Gruppe eloxiert ein Werkstiick. Dieses wird dann in Versuch 2 verschiedenartig weiterverarbeitet. Materialien: Becherglas (250 ml), Strommessgerat,

Gleichspannungsquelle, Pinzette, Kabel,

Krokodilklemmen, feines Schmirgelpapier; Graphitelektrode, Aceton (2, 7), Aluminiumblech (etwa 3 - 10 cm) oder Gegenstand aus Aluminium,

Schwefelsaure (1 mol - [,5)

Durchfiihrung: 1. Reinigen Sie die Oberflache des Aluminiumblechs mit feinem Schmirgelpapier und reiben Sie das Blech mit Aceton ab. Nun darf das Blech nur noch seitlich an den Kanten gefasst werden. 2. Fiillen Sie ein Becherglas zur Hélfte mit verdiinnter Schwefelsaure, tauchen Sie die Graphit-

elektrode ein und verbinden Sie diese mit dem

3.

4.

5. 6.

Minuspol der Gleichspannungsquelle. Stellen Sie das Aluminiumblech in das Becherglas und schlieRen Sie es an den Pluspol der Gleichspannungsquelle an. Elektrolysieren Sie fiir etwa 30 min mit einer Spannungvon 15V. Schalten Sie ein Strommessgerat in Reihe, um wihrend des Versuches die Anderung der Stromstarke zu verfolgen. Spulen Sie das Aluminiumblech nach der Elektrolyse unter flieBendem Wasser ab. Nutzen Sie das eloxierte Blech fiir Versuch 2.

Aufgaben: a) Begriinden Sie den Schritt 1. b) Zeichnen und beschriften Sie die Elektrolyseapparatur und formulieren Sie die an den Elektroden ablaufenden Vorgange. c) Begriinden Sie die Verdnderung der Stromstarke wahrend der Elektrolyse. d) Im Gegensatz zur Galvanisierung wird beim Eloxalverfahren das Werkstiick als Pluspol geschaltet. Erklaren Sie, weshalb man es nicht als

Minuspol schaltet.

Versuch 2: Einférben und Priifen der Eloxalschicht

SO0

Materialien: 4 Becherglaser (100 ml), Becherglas

(400 ml) Thermometer, Heizplatte oder Wasserkocher, Tiegelzange; unbehandeltes Aluminiumblech (3 - 10 cm), 4 frisch eloxierte Aluminiumbleche aus Versuch 1, Schwefel-

säure (25 %; 5), Alizarin (7), Eosin (7)

Durchfiihrung: 1. Losen Sie in je einem kleinen Becherglas einen Spatel Alizarin oder Eosin in 80 m1 80 °C heiRem,

destilliertem Wasser. Die Lésungen sollten intensiv gefarbt sein. 2. Stellen Sie je zwei eloxierte Aluminiumbleche in die Farbstofflosungen. Halten Sie die Temperatur

der Ansétze bei 80 °C und belassen Sie die Bleche

für 10 min in den Lösungen. 3. Entnehmen Sie die Aluminiumbleche und spülen Sie die Bleche zunächst mit etwas warmem Wasser, dann mit destilliertem Wasser.

4. Fixieren je eines der mit Alizarin beziehungsweise Eosin gefärbten Bleche etwa 10 min in kochen-

dem Wasser. Die anderen beiden Bleche werden

nicht fixiert. 5. Tauchen Sie die gefarbten Bleche und auch das

unbehandelte Aluminiumblech fiir etwa drei Minuten in Schwefelsaure.

Aufgaben: a) Notieren und deuten Sie Ihre Beobachtungen. b) Erklaren Sie die unterschiedliche Einfarbung des Aluminiumblechs mithilfe der Abb.2 auf S. 190. Begriinden Sie, wo die Farbstoffe eingelagert

werden.

c) Erklaren Sie die Unterschiede in der Reaktion des

unbehandelten Aluminiumstiicks mit Schwefelsaure mit dem Verhalten der eloxierten Bleche in der sauren Losung. Gehen Sie dabei auch auf die

fixierten und nicht fixierten Stiicke ein. d) Fir Bergsteiger gibtes eloxierte, gefarbte Karabiner-

haken. Selbst bei langerem

Gebrauch und starker

mechanischer Belastung

wird die Farbschicht kaum abgerieben. Erklaren Sie

dies.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

191

1 Stahlseile der Fleher Briicke - durch Rost beschddigt

2 Kupfer - Zink-Lokalelement und Siurekorrosion

Es ist ein allgegenwartiges Problem: Friiher waren es Autos, heute sind es Briicken oder andere Bauwerke

kurzgeschlossene galvanische Zelle, ein Lokalelement. Lokalelemente begiinstigen die elektrochemische S&u-

und es treten Rostschaden auf - besonders, wenn Luft

nigungen oder beschadigte Metalliiberziige ausbilden.

aus Stahlbeton (Abb. 1). Anihnen nagt der Zahn der Zeit

und Feuchtigkeit zugegen sind. Als Rosten bezeichnet man die Korrosion von Eisen (lat. corrodore: zernagen, zerfressen). Es werden im Wesentlichen zwei Arten von Korrosion unterschieden. Bei der Sdurekorrosion werden die Atome unedler Metalle durch H;O"-lonen oxi-

Sauerstoffkorrosion. Die Bildung von Rost auf Eisen ist eintypischer Fall von Sauerstoffkorrosion. Der in Wasser geloste Sauerstoff aus der Luft und Eisen reagieren miteinander. O,-Molekiile oxidieren die Atome des uned-

diert, bei der Sauerstoffkorrosion erfolgt dies durch die

len Eisens, wobei Fe**-lonen entstehen. Die O,-Molekiile

O2-Moleküle der Luft.

werden zu Hydroxid-lonen (OH") reduziert:

Säurekorrosion. Stellt man ein reines Zinkblech und ein Kupferblech in eine verdünnte Säure, bilden sich am unedlen Zink allmählich Wasserstoffbläschen, am

edlen Kupfer dagegen nicht (Abb.2 (D). Zink korrodiert, Kupfer nicht: Zn-Atome wirken als Elektronendonatoren und werden zu Zn*-lonen oxidiert; die H;0*lonen der Saure werden zu H,-Molekiilen reduziert:

Oxidation: Zn (s) —» Zn*(aq) +2e” Reduktion: 2 H30(aq)

+2e™>

H,(g)+2H,0(l)

Die Oberflache des Zinkblechs wird durch die bei der

Oxidation gebildeten Zn*-lonen

positiv geladen. Die-

se Ladung behindert die Reduktion der ebenfalls positiv geladenen H;0*lonen. Daher tritt nur eine schwache

Gasentwicklungauf.

Lokalelemente. Beriihren sich Zinkblech und Kupferblech im oben beschriebenen Versuch, ist hingegen eine starke Gasentwicklung am Kupferblech zu erken-

nen (Abb.2(@). Der Grund: Beim Kontakt zwischen Kup-

ferund Zink gibt es einen Kurzschluss. Die freigesetzten

Elektronen flieRen vom unedlen Zink zunéchst auf das

edlere Kupfer und entladen dort ungehindert die H;0*lonen zu H,-Molekiilen. Durch den direkten Kontakt von Zink und Kupfer im sauren Elektrolyten entsteht eine

192

rekorrosion. Sie konnen sich auch durch Metallverunrei-

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

Oxidation: 2 Fe(s) —> 2 Fe*(aq) +4e” Reduktion: 0,(aq) +4 e +2 H,0(l) -> 4 OH (aq)

Redoxreaktion: 2 Fe (s) + 0,(aq) + 2 H,0 (1) »

2Fe*(aq) +4OH (aq)

Die Oxidation findet bevorzugt auf der Eisenoberflache statt, die Reduktion

an der Grenzflaiche Wasser-Luft.

Nach dieser eigentlichen Redoxreaktion laufen weitere Folgereaktionen ab. Fe**-lonen reagieren mit OH™-lonen

zu festem Eisen(1l)-hydroxid:

Fe?*(aq) + 2 OH (aq) — Fe(OH), (s) Nachfolgend

wird Eisen(ll)-hydroxid durch Luftsauer-

stoff zu rotbraunem Eisen(lll)-oxidhydroxid oxidiert: 4 Fe(OH),(s) + O, (g) — 4 FeO(OH) (s) + 2 H,0 (1) Dieses

wasserhaltige

Eisen(lll)-oxidhydroxid

wird

als

Rost bezeichnet. Vereinfacht wird dafiir die Formel

Fe,0; - H,0 verwendet. Durch Alterung und Wasserabgabe bildet sich schlieBlich ein heterogenes Gemisch aus rotbraunem FeO(OH) und schwarzem Fe;0,. Diese gealterte Rostschicht bleibt pords und fiir Wasser und Sauerstoff durchléssig. So kénnen an dem darunterliegenden Metall Korrosion und Rostbildung weiter ablaufen. Der Gegenstand aus Eisen rostet vollstandig durch.

Umgebung und Klima

Korrosionsrate in um + a”

n Schadstoffarme Luft o S (Eändliche Gebiete)

mit mäßiger SchwefeldioxidBelastung

Industriegebiete und Küsten-

”

OT Al bISC, ‚7

25 bis 50

0,7 bis 2,1

a) Nennen und beschreiben Sie wesentliche Faktoren,

diesich korrosionsférdernd auf eine Metallkonstruktion wie die eines Fahrrades auswirken.

b) ¢4 Untersuchen Sie verschiedene Fahrréder auf

Roststellen. Ermitteln Sie die Haufigkeiten fiir die Rost50 bis 80

2,1 bis 4,2

Industriegebiete mit hoher Feuchtigkeit und aggressiver

80bis200

4,2 bis 8,4

Atmosphäre

Ein Beispiel fiir Korrosion im Alltag ist das Rosten von Fahrradern, die lange Zeitim Freien standen.

bereiche mit mäßiger Salz-

belastung

1

x

35525Z

1,

Städte und Industriegebiete

Zink

bildung an den verschiedenen Stellen des Fahrrades. c) Stellen Sie Hypothesen {iber die Unterschiede im Grad der Rostbildung auf. Nennen und erldutern Sie MaRnahmen bei der Pflege und Wartung des Rades, die eine Korrosion verhindern sollen.

3 Umwelteinflüsse auf die Korrosionsrate von Eisen und Zink Umgebungsfaktoren

und

Korrosionsvorgänge.

Eisenblech, das längere Zeit leitend mit einem

Ein Stück

Kupfer verbunden ist, rostet aufgrund der Bildung eines

Lokalelements viel schneller als ein Eisenblech allein.

Die Korrosion von Eisen hängt jedoch auch maßgeblich von den Umgebungsfaktoren ab, wie die folgenden Beispiele verdeutlichen: In ägyptischen Pyramiden fand man 4000 Jahre alte Eisenwerkzeuge, die noch gut erhalten waren. Als Hochgebirgswanderer kann man fest-

a) Beschreiben Sie die elektrochemischen Vorgénge beim Rosten von Eisen mithilfe der Abbildung.

stellen, dass die eisernen Haken der Klettersteige selbst

Formulieren Sie fiir alle Vorgénge entsprechende Reaktionsgleichungen.

nach mehreren Jahrzehnten nur kaum korrodiert sind.

In der trockenen Luft Agyptens kann sich praktisch kein

Wasserfilm

auf der

Metalloberfliche

ausbilden.

Da-

durch ist eine Sauerstoffkorrosion kaum mdglich. Die sehr reine Hochgebirgsluft ist im Gegensatz zur Luft in Kultur- und Industriegebieten arm an Saurebildnern wie Schwefeldioxid

oder Stickstoffoxiden;

findet somit kaum statt (Abb. 3).

b) Erlautern Sie mithilfe der Abbildung, warum die

3

Saurekorrosion

Cl™-lonen in hoherer Konzentration sind ebenfalls korrosionsférdernd. Sie verdréngen die Oxid-lonen (0%) aus der teilweise schiitzenden Oxidschicht des Eisens und

4

diffundieren zusammen mit den Metall-lonen aus der Oxidschicht heraus. Somit wird die Metalloberflache fortlaufend freigelegt und die Korrosion dringt immer tiefer in die Metallschicht ein. Einige unedle Gebrauchsmetalle, wie Aluminium

de Metall vor Wasser und Sauerstoff schiitzen. Beim Zink kommt noch eine Schicht aus schwerléslichem Zinkcarbonat (ZnCOs) hinzu. Unter Korrosion versteht man die Zerstérungvon

Metallen durch saure oder sauerstoffhaltige Losungen. Feuchtigkeit, Salze und Lokalelemente férdern die

Korrosion.

a) Begriinden Sie, warum es im Versuch in Abb.2 (@) am Kupferblech zu einer Gasentwicklung kommt und

am Zinkblech keine Gasentwicklung zu beobachten ist. b) Formulieren Sie eine allgemeine GesetzmaBigkeit fiir die Korrosionsanfalligkeit von Metallen. [SHeizkessel und Heizkérper bestehen haufig aus Eisen oder Stahlblech. Die Leitungsrohre fiir den Wasserkreislauf bestehen aus Kupfer oder Kupferlegierungen. In dem geschlossenen System kreist dabei das warme Wasser. An den Verbindungsstellen liegen also Voraussetzungen fir ein Lokalelement vor. Skizzieren Sie einsolches Lokalelement und erldutern Sie, warum es

und Zink, sind korrosionsbe-

standig, weil sie aufihrer Oberflache von wasserdichten Oxidschichten liberzogen sind, die das darunter liegen-

Metallfunde in dgyptischen Pyramiden auch nach iiber 4000 Jahren praktisch rostfrei waren.

5l

nicht zur Korrosion des Eisens kommt.

% Beim Hausbau werden Dach-Fenster-Ubergénge aus Bleiblech gefertigt, weil Blei ein weiches und kalt

sehr gut formbares Metall ist. Begriinden Sie, warum

die Bleibleche nicht korrodieren, obwohl Blei ein unedles Metall ist. Beriicksichtigen Sie dabei, dass im Regenwasser immer etwas Kohlenstoffdioxid gelést ist, der pH-Wert von Regenwasser etwa 4,5 - 5,5 betragt und im Regenwasser Spuren von Schwefelsaure mit

Sulfat-lonen (S0,2") geldst enthalten kann.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

5.8 Korrosionsschutz

Zinn

E°(Sn*/Sn)=~0,14V.

Zink 50-150 um

Eisen

E°’(Fe*/Fe) =-0,44 V

Stahlblech 1 Korrosionsschutz - Lackaufbau bej einer Autokarosserie

2 Lokalelement und Säurekorrosion bei verzinntem Eisen

Metallkorrosion verursacht Jahr fiir Jahr erhebliche Schéden - insbesondere bei Eisenkonstruktionen. Sind

450 °C heiße Zinkschmelze getaucht. Dabei entsteht an

tragende Teile wie bei einer Briickenkonstruktion betroffen, birgt das Rosten zudem

ein Sicherheitsrisiko.

Ein wirksamer Korrosionsschutz ist also wichtig. Dazu gibt es verschiedene Strategien. In den meisten Fallen wird die Metalloberflache gegen das Eindringen und den Angriff von Feuchtigkeit und Sauerstoff mit einer Schutzschicht versehen. Diese kann aus einem anderen

Metall oder aus nichtmetallischen Materialien beste-

hen. Wenn Feuchtigkeitszutritt nicht verhindert werden kann, werden elektrochemische Verfahren eingesetzt.

Nichtmetallische Uberziige. Lack, Emaile, Wachs und Olsind nichtmetallische Uberziige. Haufig werden diese wie bei einer Autokarosserie auch kombiniert (Abb. 1). Eine Wachsschicht auf dem Auto lasst Wasser abperlen,

Feuchtigkeit kann schlechter eindringen. Emailen sind glasartige oxidische Gemische, die gut auf Metalloberflachen haften und besonders im Sanitarbereich eingesetzt werden. Die aufgefiihrten Uberziige versiegeln die Metalloberflache, schiitzen aber nur, wenn die Versiege-

lung nicht beschadigt wird. Metallische Uberziige. Einige unedle Metalle wie Zink, Zinn, Chrom und Nickel bilden sehr feste Oxidoberflachen, die das darunterliegende Metall vor weiterer

Korrosion schiitzen. Diese Eigenschaft der Metalle be-

zeichnet man als Passivierung. Insbesondere Eisenkon-

struktionen werden demzufolge mit diesen Metallen beschichtet, um die Rostbildung zu vermeiden. Beispiele sind das Verzinken, das Verzinnen oder das Verchromen

von Eisen.

Zinkuberziige kdnnen durch Feuerverzinken oder elektrolytisch durch Galvanisieren aufgebracht werden.

Beim Feuerverzinken wird ein Werkstiick wie eine Au-

tokarosserie oder ein Balkongelander aus Eisen in eine

194

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

der Grenzfläche Eisen - Zink eine Eisen-Zink-Legierung

(Abb. 1). Die zunächst silbrig glänzende Zinkoberfläche wird aufgrund der Bildung der Oxidschicht im Lauf der

Zeit matt.

Auch Überzüge aus Zinn auf einem Eisenwerkstück werden durch Galvanisierung erzeugt. Dabei entsteht sogenanntes Weißblech, das überwiegend für Konservendo-

sen verwendet wird. Beschidigung

metallischer

Uberziige.

Werden

die

metallischen Schutzschichten beschadigt, kann es zur

Korrosion durch die Bildung von Lokalelementen kommen. Dabei hangt es vom Elektrodenpotential der Metalle ab, welche Atome oxidiert werden. Im Fall von ver-

zinktem Eisen wie bei einer verzinkten Autokarosserie

hat Zink ein niedrigeres Elektrodenpotential als Eisen. Zn-Atome werden folglich zu Zn*-lonen oxidiert; am Ei-

sen werden H30*lonen zu Hp-Molekiilen reduziert.

Oxidation: Zn(s) - Zn*(aq) +2e”

Reduktion: 2 Hs0*(aq) +2e™> Hy(g)+2H;0(1) Bei einer Beschadigung der Oberflache wird daher das Eisen zunéchst nicht angegriffen.

Uberziige aus einem edleren Metall als Eisen schiitzen jedoch nur, solange die Beschichtung intakt ist. Im WeiRblech hat Zinn das héhere Elektrodenpotential. Somit wird die Eisenschicht zum Minuspol. Fe*-lonen gehen in Lésung und bei gedffneter Dose bildet sich mit Sauerstoff Rost (Abb. 2). Statt die Korrosion von Eisen zu verhindern, wird die Rostbildung nun sogar begiinstigt.

Kathodischer Korrosionsschutz. Sehr oft reicht der

Korrosionsschutz durch Uberziige oder eine Kombinationen aus Uberziigen nicht aus. Uberseeschiffe, Olbohrplattformen oder im Meer verlegte Pipelines sind durch

S S Ta

Beschreiben Sie den Aufbau einer modernen Autolackierung (Abb. 1) und erklaren Sie den Sinn der Auftragung mehrerer Schichten. Beziehen Sie nicht nur Aspekte des Korrosionsschutzes ein. a) s PartnerA: Skizzieren Sie fiir eine verzinkte Eisenoberflache das sich bildende Lokalelement, wenn die Zinkschicht bis an die Eisenoberflache beschadigt wurde. Erlautern Sie, warum das Eisen weiterhin gegen Saurekorrosion geschiitzt ist. Partner B: Beschreiben Sie Abb.2 und fertigen Sie einen Sachtext an, in dem Sie die Ursachen des Rostens einer beschadigten verzinnten Weiblechdose erklaren.

Stellen Sie die Reaktionsgleichungen fiir die Vorgénge 3 Korrosionsschutz durch Gleichspannung

auf.

ihre Umgebung besonders stark der Korrosion ausgesetzt. Daher wird bei solchen Objekten ein kathodischer Korrosionsschutz eingesetzt. Dabei wird das zu schützende Objekt als Kathode gegen ein unedleres Metall geschaltet. An Schiffen oder Ölbohrplattformen werden außen Zinkplatten angebracht. Pipelines, unterirdische

b) Prasentieren Sie sich gegenseitig Ihre Ergebnisse. c) StoRstangen von Autos wurden in den 1970er Jahren verchromt. Dies hat den Bauteilen einen besonderen Glanz verliehen. Beurteilen Sie das Verchromen vom StoRstangen unter dem Aspekt des Korrosionsschutzes. Stellen Sie entsprechende Reaktionsgleichungen auf. Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Warmwassertank im

Tankanlagen

oder Brücken verbindet man elektrisch

leitend mit Platten aus Magnesiumlegierungen, die sich im Wasser oder in direkter Nähe in feuchtem Boden be-

Schnitt.

finden. So löst sich das unedle Metall auf, die zu schüt-

des Magnesiumstabs im Tank und stellen Sie die Teilgleichun-

zende Stahlkonstruktion bleibt intakt.

Durch die leitende Verbindung des Stahls mit den unedlen Metallplatten bildet sich eine kurzgeschlossene galvanische Zelle (Lokalelement). Dabei wird der Stahl zum Pluspol, zur Kathode, und entsprechend das unedle Metall zum Minuspol, zur Anode. Das Metall der Ano-

de wird oxidiert und liefert damit Elektronen an die Ka-

thode. Die Anode 6st sich dabei allmahlich auf, sie wird

daher als Opferelektrode oder Opferanode bezeichnet.

Diezum Stahl flieRenden Elektronen verhindern dessen Oxidation.

Die zu schiitzende Konstruktion kann auch als Kathode mit einer externen Gleichspannungsquelle verbunden werden. Als Hilfsanoden in dieser als Fremdstromanode bezeichneten Anordnung werden Graphit oder Eisenschrott verwendet (Abb. 3). In modernen Warmwasser-

tanks im Haus nutzt man diese Technik anstelle eines

a) Beschreiben Sie die Funktion

gen fiir die am Magnesiumstab

und am Eisenmantel ablaufenden Reaktionen auf.

b) Vergleichen Sie die Anordnung mit der Anordnungin

Abb. 3. Stellen Sie das gemeinsame Prinzip hinter beiden Ver-

fahren heraus.

¢) Begriinden Sie die Zuordnung

von Anode und Kathode in Abb.3 und stellen Sie fiir die im System ablaufenden Reaktionen die Reaktionsgleichungen auf.

d) 9% Berechnen Sie mit den Angaben im Text, wie viel

elektrische Energie eine solche Anlage pro Jahr beno-

tigt. Ermitteln Sie auch die Stromkosten. Q Beim Verzinken wird das Werkstück in flüssiges Zink eingetaucht. Die Zinnschicht beim Weißblech wird

Magnesiumstabs als Opferanode. Die bendtigte elektri-

elektrolytisch erzeugt, obwohl Zinn niedriger schmilzt.

vier Watt pro Stunde recht gering.

% In der Messtechnik oder im HiFi-Bereich, wo eine

sche Energie einer solchen Anlage ist dabei mit zwei bis

Unedle Metalle kénnen durch Uberziige gegen Korrosion geschiitzt werden. Auch Opferanoden und Gleichspannungsquellen kdnnen die Korrosion unterdriicken.

Begriinden Sie diese unterschiedliche Vorgehensweise.

prazise Ubertragung auch kleiner elektrischer Signale erforderlich ist, werden oft Steckverbindungen eingesetzt, deren Oberflache vergoldet ist. Begriinden Sie, was durch dieses Verfahren erreicht werden soll.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

195

Praktikum

Korrosion und Korrosionsschutz

Versuch 1: Korrosionsschutz von Eisen

OO_“

Materialien: Petrischalen, Becherglas

(200 ml), Messzylinder (100 ml), Waage, feines Schmirgelpapier, Gleichspannungsquelle; blanke Eisennagel, bis zur Halfte in der Brennerflamme oxidierte Eisennagel, in der Mitte mit

Kupferdraht umwickelte Eisennégel, in der Mitte mit einem schmalen, diinnen Zinkblech umwickelte Eisennégel, Natriumnitritlosung (w < 5%), Nachweislésung (3 g Natriumchlorid, 0,1 g Kaliumhexacyanidoferrat(lll), 10 Tropfen Phenolph-

thaleinlésung (w < 0,9 %, 2, 7) in 100 ml Wasser)

Durchfiihrung: 1. Schmirgeln Sie zunachst alle Metallteile blank. 2. Praparieren Sie vier Eisennagel nach den angegebenen Verfahren und legen Sie jeweils einen Nagel

in eine Petrischale. Geben Sie so viel Nachweis-

16sung dazu, dass die Nagel bedeckt sind. Die Schalen diirfen dann nicht mehr bewegt werden. 3. Geben Sie jeweils einen blanken Eisennagelin zwei Petrischalen und iibergieRen Sie die Nagel mit der Nachweislosung. Fligen Sie in der einen

Schale zusatzlich 2 ml der Natriumnitritlosung zu.

4. Legen Sie in eine Petrischale zwei blanke Eisennagel, sodass die Nagelkopfe auf dem Rand liegen und sich die Nagel nicht beriihren. Verbinden Sie die Nagel mit den Polen einer Gleichspannungsquelle. BegieRen Sie die Nagel mit der Nachweisl6sung, sodass diese bedeckt sind. Schalten Sie

Experimentelle Hausaufgabe: Korrosion am Bleistiftanspitzer Materialien: Trinkglas;

2 Bleistiftanspitzer aus Magnesium, Leitungswasser, Speisesalz, Essig Durchführung:

Geben Sie einen gehäuften Teelöffel Speisesalz in ein halbvoll mit Leitungswasser gefülltes Trinkglas. Rüh-

ren Sie um, bis das Salz gelöst ist. Legen Sie anschlie-

Rend den Anspitzer in die L6sung. Wiederholen Sie den Versuch mit Essig anstelle von Salzwasser. Aufgaben:

a) Notieren Sie sofort und nach einer Stunde

ihre Beobachtungen. Differenzieren Sie dabei zwischen dem Gehéuse und der Klinge. b) Erklaren Sie Inre Beobachtungen.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

die Gleichspannungsquelle ein und stellen Sie eine Spannungvon 2V ein. Aufgaben: a) Notieren Sie wahrend drei Tagen in regelméBigen Abstanden lhre Beobachtungen. Geben Sie dabei für Schritt4 die Polung an.

b) Erklaren Sie Ihre Beobachtungen.

c) Erlautern Sie, welche Reaktionen in den Petrischalen abgelaufen sind und stellen Sie die entspre-

chenden Reaktionsgleichungen auf.

d) Skizzieren und beschreiben Sie fiir die mit einem Fremdmetall umwickelten Eisennagel das entsprechende Lokalelement. Gehen Sie dabei auch auf die Umfarbung des Phenolphthaleins ein. ) Informieren Sie sich tiber die Reaktion mit der Nachweislésung und beschreiben Sie, wozu dieser

Nachweis dient.

Praktikum

Galvanisieren

Versuch 1: Verzinken eines Eisenblechs

SO

Materialien: Becherglas 100 ml, Gleichspannungs-

quelle, Strommessgerat, feines Schmirgelpapier,

durchbohrtes Eisenblech, Analysenwaage; Kupferdraht, Graphitelektrode, Elektrolytlosung aus 10 g Zinksulfat (5, 7,9) und 5 ml Haushaltsessig in

50 ml Wasser

Durchfiihrung: 1. Schmirgeln Sie das Eisenblech und wiegen Sie es. 2. Befestigen Sie den Kupferdraht am Eisenblech und stellen Sie beide Elektroden in das Becherglas mit der Elektrolytlosung. 3. Schalten Sie das Eisenblech als Minuspol und die Graphitelektrode als Pluspol. Regeln Sie die Span-

2. Schalten Sie das Eisenblech als Minuspol und das Messingblech als Pluspol und elektrolysieren Sie 10 min bei einer Spannungvon 9 V. Aufgaben: a) Beschreiben Sie lhre Beobachtungen. b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen fiir die Abscheidung der Messing bildenden Metalle auf dem Eisenblech.

Versuch 3: Silberschrift auf einem Kupferblech

ROR oot

erkennbaren Zinkabscheidung kommt und nur eine geringe Gasentwicklung auftritt. Elektrolysieren Sie

Materialien: Gleichspannungsquelle, Strommessgerat, Spannungsmessgerat, Becherglas (weit; 200 ml), Getrankeuntersetzer, Schmirgelpapier;

etwa 10 min, notieren Sie die Stromstarke.

Kupferblech, Graphitelektrode gleicher GroRe,

nungso ein, dass es am Eisenblech zu einer gut

4. Wiegen Sie das gereinigte und getrocknete Blech. Aufgaben: a) Beschreiben Sie lhre Beobachtungen b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung fiir die Zinkabscheidung. I Berechnen Sie die geflossene Ladung Q und dann die daraus folgende Stoffmenge und Masse an Zink, die theoretich abgeschieden werden konnte und vergleichen Sie mit der tatsachlich erhaltenen Masse. Begriinden Sie, warum weniger

Zink abgeschieden wird als zu erwarten ist.

Versuch 2:

Uberzug aus Messing

D

Materialien: Becherglas 100 ml, Gleich-

spannungsquelle, Spannungsmessgerat, feines Schmirgelpapier, Eisenblech, Messingblech; Elektrolytlosung aus: 1 g blaues Kupfersulfat (5, 7, 9),0,3 g Zinksulfat (5, 7,9), 8 g Kaliumnatriumtartrat,

0,6 g Natriumhydroxid (5) in 100 ml Wasser

Durchfiihrung: 1. Reinigen Sie die Bleche sorgféltig und stellen Sie diese in das Becherglas mit der Elektrolytlésung.

farbiger Nagellack, Aceton (2, 7), Elektrolytlosung aus 0,4 g Silbernitrat (3, 5,9), 10 g Thioharnstoff (7,8,9) und 2 Tropfen Salpetersaure (w=65%, 3, 5, 6) in 200 ml Wasser Durchführung: 1. Schmirgeln Sie das Kupferblech blank und reinigen Sie es mit destilliertem Wasser und Aceton. Lackieren Sie das Blech beidseitig mit Nagellack

und kratzen Sie auf einer Seite ein Schriftbild mit etwa 10 - 2 mm großen Zeichen.

2. Schneiden Sie in den Getränkeuntersetzer im Abstand von 5 mm mehrere Schlitze, durch die die beiden Elektroden genau hindurch passen.

3. Füllen Sie die Elektrolytlösung in das Becherglas und hängen Sie die beiden Elektroden mithilfe des Getränkeuntersetzers in die Lösung. 4. Schließen Sie die Gleichspannungsquelle mit

dem Kupferblech als Kathode an. Ergänzen Sie die Messgeräte. Stellen Sie eine Spannung von

1,5 V ein und verändern Sie den Abstand der beiden Elektroden so, dass ein Strom von etwa 0,1 A

fließt. Elektrolysieren Sie dann 5 min. Aufgaben: a) Notieren und deuten Sie Ihre Beobachtungen. b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Silberabscheidung. c) Begründen Sie, warum sich das Silber nur im nagellackfreien Bereich abscheidet.

Elektrische Energie für chemische Reaktionen

197

5.9 Galvanotechnik - nicht nur für den Korrosionsschutz

E

i *%Eé‘t‘é;‘&fimfl

Abnahme

derGlpsform

Original

Gipsabdruck

Y

J—_

——

Metallkopie

Elektrolyt Kathode (Graphitschicht)

Ano 7 de Galvanisieren

Abtrennen der Gipsforn

1 Verfahren der Galvanoplastik - Original und Kopie

Auf metallisch glänzende Gegenstände stoßen wir überall: Chromglänzende Armaturen im Badezimmer oder verchromte Bauteile am Auto, versilbertes verzinkte Schrauben oder Dachrinnen,

Essbesteck, versilberte

Prozesssteuerung.

Die

Qualität

des

galvanischen

oder vergoldete Schmuckteile. Das Bauprinzip ist dabei im Wesentlichen gleich. Eine sehr diinne, glanzende Metallschicht ist auf dem eigentlichen Gebrauchsgegenstand aufgebracht. Der Gebrauchsgegenstand besteht entweder aus einem Metall oder anderen Mate-

vanisierbad ab. Ein überall gleichmäßiger, fest haften-

rialien wie Kunststoff; die diinne Metallschicht wird elek-

geschieden wird. Um zu verhindern, dass zu viele freie

trolytisch wendung

Metall-lonen in der Lésung vorhanden sind und sich dann unkontrolliert abscheiden, setzt man galvanischen Badern haufig Komplexbildner, wie Ammoniak

aufgetragen (Abb.1). Diese Elektrolyseannennt man Galvanisieren. Die aufgetragene

Metallschicht besteht entweder aus edlen Metallen wie Kupfer, Silber und Gold oder aus ebenfalls korrosionsbesténdigen Metallen wie Chrom, Zink oder Zinn.

Vorbehandlung. Beim Galvanisieren werden Metall-lonen an der Oberflache eines Gegenstandes durch Anlegen einer externen Spannung reduziert und als Atome abgeschieden. Damit diese schiitzenden Metalliiberziige gut und dauerhaft auf dem Gegenstand halten und nicht abblattern, ist eine sorgféltige Vorbehandlung des Gegenstands erforderlich (Abb.2).

Dazu wird zunachst die stets auf der Metalloberfléche

des Gegenstands vorhandene Oxidschicht im Sdurebad abgel6st. Dies bezeichnet man in der Metalltechnik als Beizen. AnschlieRend wird das Werkstiick poliert und somit geglattet. Nun folgt das Entfetten des Werkstiicks mit organischen Losemitteln oder Tensidlosungen. Erst

die so vorbehandelte und staubfreie Metalloberflache gewahrleistet eine gute Haftung des Uberzugs.

Elektrolysevorgdnge. Das zu galvanisierende Werkstiick wird als Kathode im Galvanisierbad geschaltet. Als Elektrolyt wird eine Salzlésung des Uberzugsmetalls verwendet, als Anode das Uberzugsmetall selbst.

Es laufen folgende Reaktionen ab:

198

Anode: Me(s) --> Me*(aq)+ze” Kathode: Me**(aq) +ze” -> Me(s)

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

Überzugs hängt neben der Vorbehandlung maßgeblich von den elektrochemischen Bedingungen im Gal-

den Überzug gelingt nur, wenn pro Zeiteinheit nur eine kleine, möglichst gleichbleibende Menge an Metall ab-

(NHs), Cyanid-lonen [CN") oder Tartrat-lonen (C4H,0¢>)

zu. Deren Teilchen reagieren mit den Metall-lonen in einer Gleichgewichtsreaktion. Somit liegen in der Losung komplex gebundene und freie hydratisierte Metall-lonen vor, wie das Beispiel zeigt:

[Ag(NH3)[*(aq) = Ag’(aq) +2 NHs(aq) Die Konzentration der freien Kationen wird durch die Komplexbildung konstant niedrig gehalten, da die

durch

Reduktion

verbrauchten

lonen

kontinuierlich

durch den Zerfall des Komplexes nachgebildet werden.

Abscheidung von Legierungen. Messing ist eine Legierung aus etwa 70% Kupfer, 30% Zink und Spuren an weiteren Metallen. Uberziige aus solchen Legierungen

lassen sich durch

Galvanisieren

herstellen, wenn

die Legierungsmetalle gleichzeitig als lonen in der Elektrolytlosung vorhanden sind. Die Abscheidungs-

potentiale der verschiedenen lonensorten sind jedoch meist unterschiedlich. Uber Faktoren wie Konzentrati-

on, Temperatur und pH-Wert der Elektrolytlosung lassen sich die Abscheidungspotentiale angleichen. Dann erfolgt eine Abscheidung entsprechend der gewiinschten Legierungszusammensetzung. Die Abscheidungs-

Vorprodukte

‘

1

Vorbehandlung

(Entfetten, Beizen) Metallisierungsprozesse

Ein Eisenblech soll galvanisch verzinkt werden. Zur Elektrolytlésung wird Natriumhydroxid gegeben. a) Fertigen Sie eine beschriftete Zeichnung zum Aufbau der Galvanisierungszelle an. Treffen Sie eine begriindete Materialwahl fiir die Gegenelektrode.

b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen fiir die

Vorgznge an den beiden Elektroden. ¢) Erlautern Sie, warum der Elektrolyt Natronlauge enthalten soll.

Nachbehandlung

d) =7 Berechnen Sie mithilfe der folgenden Daten die

(Chromatieren, Versiegeln)

Fertigprodukte

Masse an abgeschiedenem Zink auf dem Blech und die

Abwasser [

Schlamme

2 Arbeitsschritte beim Galvanisieren

dafiir erforderliche elektrische Ladung Q.

MaRe des Eisenblechs: 5cm - 10cm - 0,1 cm Dicke der Zinkschicht: 0,1 mm (@ (zn)=1,14g - cm™).

) Erértern Sie, warum es sinnvoll ist, Eisenbleche zu

geschwindigkeit der beteiligten Metalle und damit die genaue Legierungszusammensetzung wird (ber die Stromstérke eingestellt. Uberziige aus Legierungen sind in der Regel hérter und haufig auch korrosionsbestandiger als Uberziige der reinen Metalle. Daher werden oft auch bei Uberziigen aus reinen Metallen in geringen Mengen weitere Metalle zugesetzt, um einen besseren Korrosionsschutz zu erreichen. Daneben werden auch Uberziige aus unterschiedlichen Metallen in mehreren Schichten aufgebracht, um zum Beispiel die Haftung zu

verbessern.

Galvanoplastik.

Auch

maRgetreue

Nachbildungen

dreidimensionaler Gegenstande lassen sich durch Gal-

vanoplastik herstellen (Abb. 1). Vom Original oder dem

Gegenstand wird aus keramischem oder anderem plas-

tischen Material eine Matrize erstellt. Diese Matrize wird

durch Auftragen einer sehr diinnen Graphitschicht elektrisch leitend gemacht. Durch Galvanisieren wird der Abdruck mit einem Metalliiberzug versehen und man

erhélt eine Metallform. Diese Metallform wird mit dem

gewliinschten Material ausgegossen und die Matrize entfernt. Nun liegt eine Abbild des Originals vor. In gleicher Weise kénnen auch nichtmetallische Gegenstéande galvanisch mit einem Metall iiberzogen werden. Umuweltprobleme. In der Galvanotechnik werden um-

weltgefdhrdende Stoffe wie Schwermetalle oder Komplexbildner verwendet. Daher sind eine sorgfaltige

Aufbereitung der galvanischen Bader und eine Prozessfiihrung in Kreislaufen erforderlich. Wie bei allen Elektrolysen ist auch in der Galvanotechnik der Strombedarf sehr groß.

Beim Galvanisieren werden Werkstücke durch elektro-

verzinken.

a) Beschreiben Sie, ausgehend von Abb. 2, die einzelnen Arbeitsschritte beim Galvanisieren eines Gegen-

stands. Nutzen Sie hierzu auch die Informationenim Text. b) Erlautern Sie, warum aufgebrauchte galvanische Bader nicht direkt in das Abwasser geleitet werden diirfen, sondern aufbereitet werden miissen.

c) & Beschreiben Sie, woraus die bei der Abwasserbe-

handlung erhaltenen Schlamme bestehen. Recherchieren Sie, wie diese Schlamme weiter behandelt werden. a) Beschreiben Sie, von welchen Faktoren die Qualitat

einer galvanisch aufgebrachten Metallschicht abhangt. b) Erlautern Sie mithilfe der Beziehung zwischen Elek-

trodenpotential und Konzentration, wie sich der Zusatz

eines Komplexbildners auf das Abscheidungspotential

eines Metalls auswirkt.

4l % Ubliche Spiegel bestehen aus einer planen Glasscheibe mit einer stark reflektierenden Schicht auf

der Riickseite. Bei hochwertigen Spiegeln besteht diese Schicht aus Silber. Es gabe verschiedene Méglichkeiten, diese Silberschicht aufzubringen: durch Bedampfen, durch Galvanotechnik oder durch ein Re-

duktionsmittel aus einer Silbersalzlésung wie bei der Tollens-Probe. Recherchieren Sie diese verschiedenen Verfahren und wahlen Sie mit Begriindung ein besonders gut geeignetes Verfahren zur Spiegelherstellung

aus,

Soll ein Werkstiick mit einer Legierung iiberzogen

werden, bereitet dies aus elektrochemischer Sicht eini-

ge weitere Schwierigkeiten.

a) Analysieren Sie die auftretenden Schwierigkeiten am Beispiel einer Legierung aus je 50 % Gold und Kupfer. b) Schlagen Sie Manahmen vor, um die Schwierigkeiten zu liberwinden.

lytisch abgeschiedene dünne Metallschichten verschönert oder vor Korrosion geschützt.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

199

Basiswissen

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

1. Elektrolyse

3. Faradaysche Gesetze

Die Elektrolyse ist die Umkehrung der Reaktion in einer galvanischen Zelle. Die Redoxreaktion wird durch eine angelegte duRere Spannung erzwungen.

Die bei der Elektrolyse abgeschiedenen Stoffmengen n sind zur geflossenen elektrischen Ladung Q proportional. Es gilt:

Der zu elektrolysierende Stoff muss gelost oder geschmolzen sein, damit bewegliche lonen vorliegen. Durch die angelegte Spannung wandern die positiv geladenen Kationen zum Minuspol (Kathode) und werden

n=dt o odern=-2_E

dort durch Elektronenaufnahme entladen: Me* (aq/l) +ze” -> Me(s)

Die negativ geladenen Anionen wandern zum Pluspol (Anode) und werden durch Elektronenabgabe entladen:

X* (aq/l) —> X+ze” Minuspol (Kathode)

— b= ‘r

i

I

4 :

4e“ =

3

Pluspol (Anode)

Die Faraday-Konstante F beträgt:

1F=96485A - s - mol™ =96485C - mol” Mit dem 2. Faradayschen Gesetz lasst sich die bei der Elektrolyse erforderliche Ladung fiir eine bendtigte Stoffmenge berechnen. Beispiel: Als Korrosionsschutzsollen aufeinem Blech als diinne Schicht 20 g 2 0,306 mol Zink galvanisch abgeschieden werden, dafiir wird eine Ladung benétigt von Q=n-z-F=0,306mol

-2 -96485A smol' =59012A

s

4. Technisch wichtige Elektrolysen

»

!

Mittels Elektrolyse kdnnen aus vorhandenen

é f i

|

(2. Faradaysches Gesetz)

Rohstof-

fen zahlreiche Stoffe wie Natronlauge, Chlor und Was-

serstoff oder Metalle wie Magnesium, Zink, Aluminium und Kupfer gewonnen werden.

Zn(s)

ry(aq)

a) Wasserelektrolyse

2H,0(l) 5 2 Hy(g) + O g)

Strom aus erneuerbaren Energien wird in chemischer Energie gespeichert und kann in Brennstoffzellen ge-

2. Zersetzungsspannung

Die Gleichgewichtsspannung U ist die Potentialdifferenz zwischen den Abscheidungspotentialen £ der Re-

aktionen am Pluspol und am Minuspol; sie entspricht der Potentialdifferenz £ der entsprechend umgekehrten galvanischen Zelle.

Die Zersetzungsspannung U, ist die Mindestspannung bei einer Elektrolyse. Bei dieser Spannung setzen kon-

tinuierliche Reaktionen an den Elektroden ein. Der Wert

der Zersetzungsspannung U, ist oft hoher als der Wert der Gleichgewichtsspannung. Ursache ist die Uberspannung ). Eine solche Uberspannung tritt besonders bei Reaktionen auf, bei denen sich Gase bilden. Der Wert

der Uberspannung wird durch das Elektrodenmaterial und die eingesetzte Stromstarke beeinflusst. Esgilt: U;=U+n

In einer Elektrolysezelle laufen immer die Reaktionen

ab, die die kleinste Zersetzungsspannung

erfordern:

Uz=[Ex(Pluspol) +n (Pluspol)] [Ex(Minuspol) + n (Minuspol)]

Bei der Elektrolyse einer Zinkchloridlosung mit pH =7 an Graphitelektroden werden somit wegen der Uberspannung Zink und Chlor gebildet und nicht Wasserstoff und Sauerstoff.

200

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

nutzt werden.

b) Chloralkalielektrolyse 2NaCl(aqg)+2H,0(l) = 2NaOH (aq)+ H,(g) + Cly(g) Das vorherrschende Verfahren ist das Membranverfah-

ren.

¢) Aluminiumgewinnung

2AL,05(1) +3C(s) — 4Al(l)+3CO,(g)

Der Prozess ist sehr energieaufwendig.

d) Kupferraffination Aus Rohkupfer wird hochreines Kupfer fiir die Elektrotechnik gewonnen. Im Anodenschlamm befinden sich

wertvolle Edelmetalle wie Gold und Silber. 5. Korrosion

Korrosion richtet groBe Schaden an metallischen Gegenstanden oder Bauwerken an. Bei der Korrosion reagiert ein unedles Metall mit Sauren oder Sauerstoff. aus der Umgebung. Bei der Oxidation entstehen Metalllonen. Korrosionsvorgange werden durch Umwelteinfliisse wie hohere Temperaturen, Luftfeuchtigkeit, ,sau-

ren Regen“ oder Salze beglinstigt. Einige unedle Metalle

wie Aluminium und Zink bilden eine vor weiterer Korrosion schiitzende Oxidschicht, sie sind passiviert.

a) Säurekorrosion Beider Säurekorrosion reagieren die Atome unedler Metalle wie Zink oder Eisen mit den H3O*-lonen aus der sie benetzenden Feuchtigkeit. Das unedle Metall wird oxidiert und die H;0™-lonen werden zu H,-Molekiilen redu-

ziert:

taucht, das fliissige Zink bildet nach dem Erstarren eine

geschlossene Schutzschicht.

Zn(s)+2 H3O*(aq) > Zn?(aq)+H,(g)+2 H2O(I) Besteht ein Werkstoff aus verschiedenen Metallen, kann

sich ein korrosionsförderndes Lokalelement bilden. b) Sauerstoffkorrosion

An der Sauerstoffkorrosion eines Metalls sind das be-

netzende Wasser und der im Wasser gelöste Sauerstoff beteiligt. Beim Eisen nennt man diesen Korrosions-

vorgang Rosten. Dabei bildet sich zunächst lösliches Eisen(I!)-hydroxid, dann

eine feste, poröse, rotbraune

bis schwarze Rostschicht. Diese Rostschicht ist für Was-

ser und Sauerstoff durchlässig, sodass der Rostvorgang das Metall vollständig zerstören kann. Korrosion/Redoxreaktion:

2Fe(s)+2H0(l)+0,(g) — 2Fe*(aq)+4OH (aq) Folgereaktion:

Fe*(aq)+2 OH"(aq) — Fe(OH),(s) Bildung des porésen Rosts:

4Fe(OH),(s) + O4(g) — 4FeO(OH)(s)+2 Hy0(l) 6. Korrosionsschutz Korrosionsschutz

Beispiel: Feuerverzinken Zinkiiberziige konnen elektrolytisch oder durch Feuerverzinken erzeugt werden. Zum Feuerverzinken werden die Metallteile in eine 450°C heiBe Zinkschmelze ge-

umfasst vorbeugende

MaRnahmen,

um die Beschadigung oder Zerstérung metallischer Bauteile zu unterbinden oder zu verzogern. Dafiir wird die Metalloberflache gegen den Kontakt mit Feuchtigkeit oder Sauerstoff geschiitzt. Ist dieser Schutz nicht langfristig moglich, werden auch elektrochemische Verfahren eingesetzt. a) Korrosionsschutz mit nichtmetallischen Uberziigen

Als nichtmetallische Schutzschichten auf Metallen wer-

den Ole, Wachse, Lacke und Emailen eingesetzt. Hiufig

werden wie bei einer Autokarosserie unterschiedliche

Schutzschichten kombiniert. Durch die Schutzschichten wird die Metalloberflache versiegelt.

b) Korrosionsschutz mit metallischen Uberziigen

Fiir metallische Uberziige kénnen edle und unedle Metalle verwendet werden. Die eingesetzten unedlen Metalle bilden im Gegensatz zum Eisen selbst eine fest haftende, schiitzende Oxidschicht (Passivierung).

Beispiel: Metalliiberziige durch Galvanisierung Metalliiberziige kénnen elektrolytisch erzeugt werden, dies nennt man auch Galvanisieren. Verzinntes Eisenblech heift WeiRblech und wird zum Beispiel fiir Konservendosen verwendet. Wenn ein Zinn- oder Chromtberzug beschadigt ist, bilden sich Lokalelemente, die

die Korrosion begiinstigen. ) Kathodischer Korrosionsschutz

Beim kathodischen Korrosionsschutz wird ein unedles

Metall als Opferanode eingesetzt, das Werkstiick bildet die Kathode. Die Opferanode [6st sich allmahlich

auf. Dieses Verfahren wird besonders bei Frachtschiffen, Pipelines, Ol-Bohrplattformen

und unterirdischen

Tanks eingesetzt. Als Opferanoden werden haufig Zink oder Magnesiumlegierungen verwendet.

d) Eloxalverfahren

Aluminium ist ein vielseitig verwendbares Leichtmetall. Es wird unter hohem Energieaufwand elektrolytisch gewonnen. Aluminium ist unedel, aber durch eine diinne harte Oxidschicht gegen weitere Korrosion geschiitzt. Beim Eloxalverfahren (elektrolytische Oxidation von Aluminium) wird diese natiirliche Oxidschicht durch eine besonders dichte und gleichméRige Schicht ersetzt, die auch gegen saure und alkalische Losungen schiitzt. Die wabenartige Struktur der Schicht ist eine gute Grundlage beim Einfarben der Metalloberflache.

7. Galvanotechnik In der Galvanotechnik wird die Elektrolyse technisch angewendet, um auf Werkstiicken oder Gegenstanden sehrdiinne metallische Uberziige aufzubringen. Fiir diese Uberziige werden entweder Edelmetalle wie Kupfer,

Silber und Gold verwendet oder korrosionsbesténdige Metalle wie Chrom, Zink und Zinn.

Nichtmetallische Gegenstande werden durch Graphitauftragung vor dem Galvanisieren elektrisch leitend gemacht. Im Galvanisierbad wird das Werkstiick als Kathode geschaltet, die Anode besteht aus dem Uber-

zugsmetall oder einer inerten Elektrode wie Graphit. Mit der Galvanoplastik lassen sich maRgetreue Nachbildungen dreidimensionaler Gegenstande herstellen. Galvanisierbader enthalten Zuséatze, die wie die verwen-

deten Schwermetalle umweltbelastend sein konnen.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

201

Elektrische Energie für chemische Reaktionen LE A1 a) Skizzieren Sie am Beispiel der Elektrolyse von Kupfersulfat den Aufbau einer Elektrolysezelle. Beschriften Sie lhre Zeichnung und kennzeichnen Sie den Elektronenfluss und die Wanderungsrichtung der lonen in der Losung. b) Elektrolysiert man eine Kupfersulfatlésung fiir einige Zeit, so bildet sich an einer Elektrode ein rot-

brauner Belag. An der anderen Elektrode tritt eine

Gasentwicklung auf. Das Gas zeigt eine positive

Glimmspanprobe. Deuten Sie diese Beobachtungen. Ordnen Sie die entsprechenden Pole zu und formulieren Sie die Reaktionsgleichung fiir die Bildung des rotbraunen Belags. A2 Eine Zinkbromidlsung (1 mol - I”") wird an Graphitstaben elektrolysiert. Die Stromdichte be-

trägt 102A cm™. Formulieren Sie alle denkbaren Elektrodenreaktionen, ermitteln Sie unter

Verwendung eventueller Uberspannungen die Abscheidungspotentiale und berechnen Sie die Zersetzungsspannung. Skizzieren Sie ein Spannungsdiagramm.

A3 Fiir eine Brennstoffzelle soll der Wasserstofftank bei Raumbedingungen mit 1000 | Wasserstoff gefiillt werden. Der Wasserstoff wird elektrolytisch

aus Wasser gewonnen. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und berechnen Sie die Stoffmenge der umgesetzten H,0-Molekiile. Begriinden Sie, warum das Elektrolysewasser leicht angesauert

werden muss.

A4 Beschreiben Sie das Membranverfahren und erkldren Sie daran die Bildung von Chlor und Natronlauge.

A5

Vergleichen Sie die Schmelzflusselektrolyse

Die wichtigsten Begriffe * Elektrolyse * Anode, Kathode, Pluspol, Minuspol

* Gleichgewichtsspannung, Zersetzungsspannung, Abscheidungspotential

* Überspannung * Faradaysche Gesetze, Faraday-Konstante * Chloralkalielektrolyse, Membranverfahren, Diaphragmaverfahren

* Schmelzflusselektrolyse, Kupferraffination * Säurekorrosion, Sauerstoffkorrosion, Lokalelement * Passivierung, kathodischer Korrosionsschutz * Eloxalverfahren * Galvanisieren, Galvanotechnik

B1 a) Erklären Sie die oben stehenden Begriffe. b) Verknüpfen Sie die Begriffe zu einer Conceptmap. c) Übertragen Sie die Begriffe und Ihre Erklärungen in digitale Karteikarten. B2 Das bei der Chloralkalielektrolyse gebildete Chlor wird auch bei organischen Synthesen verwendet. Dabei bildet sich als Nebenprodukt Chlorwasserstoffgas, das mit Wasser als Salzsäure ausgewaschen wird, Daraus

kann elektrolytisch wieder Chlor hergestellt werden. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Elektrolyse von Salzsäure und für die Vorgänge an

Anode und Kathode.

b) Ermitteln Sie die Zersetzungsspannung unter

Standardbedingungen ohne Uberspannung.

c) Erléutern Sie, ob bei diesem Prozess eine Uberspan-

nungvon Bedeutung sein kann. B3

Ein Autoblech soll galvanisch mit einem 0,2 mm

starken Zinkiiberzug versehen werden, das Blech selbst

ist 0,8 m? groR.

von Aluminium mit der Elektrolyse zur Herstellung

a) Beschreiben Sie die Vorgange beim Feuerverzinken

von Zink und begriinden Sie, weshalb man bei der

und beim elektrolytischen Verzinken, auch mit mogli-

Aluminiumgewinnung nicht auf wéssrige Medien zuriickgreifen kann.

chen Reaktionsgleichungen.

A6 a) Getrankedosen fiir Erfrischungsgetranke werden aus Weifblech, Aluminium oder innen mit Kunststoff beschichtetem Blech hergestellt. Verglei-

Ladung Q. Nutzen Sie die Faradayschen Gesetze. ¢) Beschreiben Sie, wie der Zinkiiberzug als Korrosionsschutz wirkt. Fertigen Sie eine entsprechende Skiz-

chen Sie die drei Materialien unter dem Blickwinkel maoglicher Korrosion. b) Erklaren Sie, weshalb der Inhalt einer ge6ffneten

WeiRblechdose in kurzer Zeit verdirbt. AT

Erklaren

Sie die Funktionsweise

anode als Korrosionsschutzverfahren.

zean.

B4 Aluminiumfolie wird als Lebensmittelverpackung verwendet. Dies funktioniert problemlos, wenn das

einer Opfer-

Lösungen stehen im Anhang. Elektrische Energie für chemische Reaktionen

b) Berechnen Sie die Masse des Zinkiiberzugs und die fiir die elektrolytische Verzinkung erforderliche

Lebensmittel in einem Kunststoffbehalter aufbewahrt wird. Bei einem Metallbehélter beobachtet man sehr schnell Lochfra®, besonders bei salzigen oder sauren

Lebensmitteln. Erklaren Sie dieses Phanomen.

C1 Aluminiumhiitte in Existenznot

C2 Silber - glanzend oder schwarz?

1 Menschen fiirchten um ihre Arbeitsplétze

2 Angelaufene Silbermiinzen

In Deutschland werden in Aluminiumhitten pro Jahr etwa 520000 Tonnen Aluminium durch Elektrolyse aus dem Mineral Bauxit produziert. Die Aluminiumproduktion bendtigt groRe Mengen elektrischer Energie. Der

Silber ist ein wunderbar

zunéchst matter, dann schwarzer Belag. An der Oberfla-

lich verordneten Aufschlag von einem Zehntel Cent pro Kilowattstunde zur Forderung regenerativer Energien voll an die Endverbraucher weiterzugeben. Die Betrei-

ten, die sich dann bei der Anwendung schwarz farben.

Energieversorger

hat nun

angekiindigt,

einen

staat-

ber der Aluminiumhiitten drohen: ,Damit wird der Betrieb unrentabel und wir miissen die Hiitten schlieBen.” a) Beschreiben Sie in einem FlieRdiagramm die

Produktion von Aluminium ausgehend vom Bauxit. b) Skizzieren Sie den Aufbau einer Elektrolysezelle zur Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid. Beachten Sie dabei, dass die Elektroden auf der

Anodenseite und auf der Kathodenseite aus Graphit c)

bestehen. Beschriften Sie die Skizze.

Stellen Sie die Teilgleichungen der Redoxreaktion an

Anode und Kathode auf. Beachten Sie, dass wahrend der Elektrolyse die Graphitelektrode der Anode

immer kleiner wird.

d) Die gelieferte elektrische Energie in Kilowattstunden

(kWh) berechnet man mit der Formel

We=(U+1+t)/3600000.

Die Schmelzflusselektrolye wird bei einer Spannung von 4,5 bis 5 Volt durchgefiihrt. Berechnen Sie die

Mehrkosten fiir die Produktion von einer Tonne Aluminium.

e) Der Weltmarktpreis von Aluminium schwankte An-

fang 2018 zwischen 1650€ und 2000 € pro Tonne.

Berechnen Sie fiir beide Extremwerte den Anteil, den

eine Erhdhung der Energiekosten am Endpreis fiir

Aluminium hat.

f) Beurteilen Sie die Reaktion der Betreiber der Aluminiumbhiitten in Bezug auf die Energiekosten.

glanzendes

Metall,

das fiir

Miinzen und besonders fiir Schmuck verwendet wird.

Leider bildet sich auf diesen Gegenstanden schnell ein

chewirdin einer Reaktion mit dem Spurengas Schwefelwasserstoff H,S das schwarze Silbersulfid Ag,S gebildet. Im Handel werden spezielle Silberputztiicher angeboAlternativ wird vorgeschlagen, das Silber mit Zahnpasta

zu polieren oder es mit Aluminiumfolie in einer Salzlosungzu reinigen. In einer Schiissel wird der Silbergegenstand dabei auf Aluminiumfolie gelegt und vollstandig mit Kochsalz- oder Sodal6sung bedeckt. Tatsachlich glanzt das Silber nach einiger Zeit wieder.

a) Die Silberreinigung mit Aluminium ist eine elektrochemische Reaktion, bei der auch Aluminium-

hydroxid und Schwefelwasserstoff entstehen. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung. b) Erklaren Sie die vorgeschlagene Reinigung des Silbers mit Aluminiumfolie. Fertigen Sie dazu auch

eine Skizze des Lokalelements an.

)

Erkléren Sie, warum das Silberputztuch schwarz

wird. Bewerten Sie unter diesem Gesichtspunkt die

beiden Reinigungsmethoden. d) Bei der Silberbesteckherstellung wird auf einen

Nickelstahlrohling galvanisch eine diinne Silberschicht aufgebracht. Skizzieren Sie einen Versuchs-

aufbau fiir das Galvanisieren von Besteck.

e) Erlautern Sie, warum Silberbesteck nicht durch Saure- oder Sauerstoffkorrosion gefahrdet ist. f) Ein Besteckteil hat eine Oberfléche von 112 cm? und wird mit einer 0,15 mm dicken Silberschicht

galvanisch liberzogen. Berechnen Sie die Masse des abgeschiedenen Silbers und die erforderliche Ladung.

Elektrische Energie fiir chemische Reaktionen

203

Kapitel

Reaktionswege in der Organischen Chemie Unser Lebensstandard beruht auf einer Vielzahl von Stoffen, die durch

chemische Prozesse hergestellt oder verändert werden. Die Palette reicht

dabei von Farbstoffen und Waschmitteln bis hin zu Arzneimitteln und Kunststoffen.

Die chemische Industrie ist heute in der Lage, weit über 100 000 verschiedene

Produkte herzustellen. Die meisten dieser Syntheseprodukte müssen in einer

Reaktionsfolge über mehrere Zwischenprodukte hergestellt werden. Die Herausforderung der Chemiker besteht dabei in einer sinnvollen Verknüpfung der einzelnen Umsetzungsschritte zu einer effektiven Syntheseroute. Für deren Planung ist es unerlässlich, das Reaktionsverhalten der eingesetzten Stoffe zu

kennen und die Reaktionsverläufe auf der Teilchenebene zu verstehen.

204

Was Sie schon kennen:

In diesem Kapitel lernen Sie:

*

*

wie Elektronenpaarbindungen zustande kommen,

*_ verschiedene Arten zwischenmolekularer Wechsel-

wirkungen und deren Einfluss auf die Löslichkeit sowie

die Reaktionstypen Substitution, Addition und Eliminierung sowie die reaktiven Teilchen Elektrophile, Nucleophile und Radikale,

die Schmelz- und Siedetemperatur eines Stoffes,

»

*

wichtige Stoffklassen der Organischen Chemie (Alkane, Alkene, Alkohole, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Ester) und deren typische Eigenschaften,

wie Reaktionen organischer Stoffe auf der Teilchenebene in Einzelschritten beschrieben werden kénnen.

»

welchen Einfluss induktive Effekte auf die Reaktivitat von Teilchen haben.

=

die funktionellen Gruppen der genannten Stoffklassen,

=

wie man durch Wahl der Reaktionsbedingungen

»

die systematische Benennung organischer Verbindungen nach den IUPAC-Regeln,

*

was aromatische Verbindungen kennzeichnet,

»

welche Bedeutung die Mesomeriestabilisierung fiir Reaktionen aromatischer Verbindungen hat.

*

wiesich in der Technik Reaktionen gezielt zu Syntheserouten verkniipfen lassen, um gezielt organische Produkte herstellen zu konnen.

* wie Sie die Strukturformeln und Skelettformeln von organischen Molekiilen aufstellen,

*

wie Sie Reaktionsenthalpien aus Bindungsenthalpien abschatzen und Enthalpiediagramme aufstellen.

die Ablaufe einer Reaktion gezielt steuern kann.

Sind Sie fit fiir dieses Kapitel? 1

2

Zeichnen Sie fiir die Verbindungen A bis D jeweils die Strukturformel, die vereinfachte Strukturformel sowie die Skelettformel. A Butan-2,3-diol B 2-Methylpentan-3-on C 2-Methylheptanal D Ethandiséure a) Nennen Sie den Namen fiir die Verbindungen E bis G und geben Sie jeweils die zugrundeliegenden IUPACRegelnan. b) Erlautern Sie auch anhand geeigneter Skizzen, warum die Verbindung G bei Raumtemperatur fliissig ist und das entsprechende Alkan gasformig.

E

6

0

H3C—C—CH2—CH2—CH3

F @

oM

Enthalpie

Edukte Produkte Reaktionsablauf

des Enthalpiediagramm ermittelt.

Bindung

Sie dabei Edukte, gedachte Zwischenprodukte sowie

¢) Begriinden Sie anhand des Enthalpiediagramms,

dass die Reaktion exotherm ist. d) Berechnen Sie mithilfe der mittleren molaren Bindungsenthalpien in der nebenstehenden Tabelle die Reaktionsenthalpie.

H o CHy

Zwischenprodukte

Firdie Verbrennung von Methan wurde nebenstehen-

Produkte an.

—CHo—CH2—CH3

gedachte

auch mit n-Heptan mischbar ist.

a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung fiir die Verbrennung von Methan auf. b) Beschreiben Sie das Enthalpiediagramm. Geben

—C

ch—éH—CHg—CHg

c) Erlautern Sie, warum Ethanol sowohl mit Wasser als

3

H3

C-H

mittlere molare Bildungsenthalpie inkJ - mol™ 414

0=0

498

H-0 C=O(in CO,)

463 803

Lösungen stehen im Anhang 205

Übersicht

Organische Stoffklassen und funktionelle Gruppen

Alkan

Eigenschaften

Methan Ethan

Propan Butan

Vorkommen

gasförmig, brennbar

Erdgas

gasförmig, unter niedrigem Druck

Erdgas Erdöl

flüssig, brennbar

Isomerie.

Hexadecan Heptadecanund

sehrviskos,

hohere Alkan

1 Eigenschaften und Vorkommen einiger Alkane In der Einfilhrungsphase haben Sie verschiedene Klassen organischer Stoffe kennengelernt und dabei zentrale Stoffeigenschaften und das Reaktionsverhalten mit der Molekiilstruktur erklart. Die einfachsten organischen Verbindungen sind die Alkane

(Abb. 1). Von diesen gesdttigten Kohlenwasserstoffen

leiten sich die Namen der meisten anderen organischen Verbindungen ab.

HH

H

Gruppen

und

Stoffklassen.

Tauscht

man bei Alkan-Molekiilen ein oder mehrere H-Atome gegen andere Atome oder Atomgruppen aus, ergeben sich Verbindungen mit charakteristischem Reaktionsverhalten und Stoffeigenschaften. Solche Atome beziehungsweise Atomgruppen, die die Eigenschaften und das Reaktionsverhalten einer Verbindung pragen, bezeichnet man als funktionelle Gruppen. Verbindungen, deren Molekiile dieselben funktionel-

len Gruppen tragen, werden zu Stoffklassen zusammengefasst. Die Vertreter einer Stoffklasse weisen entsprechend sehr ahnliche Stoffeigenschaften auf und zeigen auch ein dhnliches Reaktionsverhalten. Einen Uberblick iiber wichtige Stoffklassen organischer Verbindungen zeigt Abb. 2. Komplexere Molekiile konnen mitunter mehrere verschiedene funktionelle Gruppen besitzen. So verfiigt das Milchsdure-Molekiil neben der Carboxy-Gruppe auch dber eine Hydroxy-Gruppe: Milchsaure zeigt also die Eigenschaften von Carboséuren und von

Alkanolen.

AL

206

B

H O H

—C’—(‘(/o HH H

H*{%—(”)*?Ifhl H H

T

Propanon

Aceton

Systematische Benennung. Neben der Strukturformel ist die systematische Benennung nach IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) eine weitere Moglichkeit, die funktionelle Gruppe und damit die Stoffklasse einer organischen Verbindung eindeutig anzugeben. Weltweit gelten fiir die Benennung der heute rund 45 Millionen bekannten organischen Verbindungen folgende Regeln: »

Funktionelle

einer

Propanal besitzt eine Aldehyd-Gruppe. Es gehort daher zur Stoffklasse der Aldehyde. Propanon dagegen besitzt eine Keto-Gruppe und ist somit ein Keton. Beide Verbindungen sind Isomere. Die Molekiilformel ist gleich, die Verknipfung der Atome und damit die Molekdlstruktur ist jedoch unterschiedlich.

Erdol

brennbar

Verbindung

formel nicht aus. So lassen sich zur Molekiilformel C3HgO folgende Strukturformeln angeben:

Propanal

Erdol

brennbar

organische

Propionaldehyd

brennbar

viskos,

eine

Stoffklasse zuordnen zu kénnen, reicht die Molekiil-

Pentan bisOctan _ flüssig, leicht flüchtig, Erdöl Nonan bis

Um

*

Die langste Kette von C-Atomen, die die funktio-

nelle Gruppe tragt, ergibt den Staffnameny Die C-Atome in der Kette werden so durchnummeriert, dass die C-Atome mit funktionellen Gruppen moglichst kleine Ziffern erhalten. Die Ziffern wer-

den dem Stammnamen angehangt. * Fiir die Kennzeichnung der SGIfKIgSSE wird die * *

« =

entsprechende Endung eingefiigt.

Für die fZaHl der funktionellen Gruppen wird die

entsprechende griechische Vorsilbe eingefiigt. Die Seitenketten werden benannt und alphabetisch geordnet. Die Zahl der Gruppen bleibt bei der alphabetischen Reihenfolge unberiicksichtigt. Firdie Anzahl der gleichen Seitenketten stellt man die entsprechenden griechischen Vorsilben voran. Die Verkniipfungsstellen von Haupt- und Seitenketten werden ermittelt und die Zahlen vorange-

stellt. J

2

3

H

4

OH

5

8

H3C—?H— —(f—CHz—CH3 CH3 CH3CH,—CH3

4-Ethyl-2,3-dimethy [iex@-3,4-@iel

oo

s

Folgt man diesen Regeln, lasst sich der Name der Verbindung leicht ermitteln. Umgekehrtist es auch még-

HoH

O—H

lich, anhand des Namens die Strukturformel der Ver-

Reaktionswege in der Organischen Chemie

bindung eindeutig aufzustellen.

Stoffklasse

funktionelle Gruppe

Alkene

X

/ Alkohole

/

Benennung Endung: -en

= N\

IUPAC-Name

Molekül-

(Trivalname)

formel

Ethen

CaHg

(Ethylen)

Strukturformel H H

—0—H

Endung: -ol

Ethanol

(Ethylalkohol)

CoHs0

\e=d /N

H H

PN

H_?_?/O\H HH

Aldehyde

?\

Endung; -al

S,

Ethanal

(Acetaldehyd)

CO

/fi\

LN HÜ

Ketone

’fi\

R Carbonsäuren

AR

Endung: -on

/1'7)\

Endung: -sdure | Ethansdure

C3HgO

Inceton)

O

0

Vorsilbe: Alkoxy- | Methoxymethan (Dimethylether)

C2H402

H

WA PN

A

ur

/IO\\

HN

HN

CzHgO

H

/fi\

C

o

Endung: -oat

R

Ethylethanoat

igsi (Essigsäureethylester)

C4HgO,

v

H_ _O__H H/Kf

Sa

H

Carbonsäureester

>

’I(:{\

N

s (Essigsäure)

SM

Ether

Propanon

7

H

/fi\

H\

H

H

\ A H

NN H7 \H

2 Wichtige Stoffklassen in der Organischen Chemie

1

&Y Teilen Sie die Verbindungen A bis D in lhrer

3

Gruppe auf. Ordnen Sie Ihrem Beispiel die entsprechende Stoffklasse zu und benennen Sie die Verbindung nach den IUPAC-Regeln. Stellen Sie sich

im Anschluss Ihre Ergebnisse gegenseitig vor.

s

/(Ä

H—0,

K

c&

//ö\

F S O—H HH

HfoQ/

}

/9\

eHOM

C

L

Py

IM

a) s Geben Sie an, welche funktionelle Gruppe in den jeweiligen Verbindungen vorliegt und zeichnen Sie die Strukturformel: Partner A: Ethylpropanoat; Partner B: 2-Methylpentan-3-on.

4

¢) Erkléren Sie Ihrem Lernpartner Ihre Ergebnisse. a)Beschreiben Sie die Aggregatzustinde der ver-

schiedenen Alkane in Abb. 1. Erkléren Sie denerkennbaren Trend.

b) Erkléaren Sie, weshalb Ethan bei Raumtemperatur

gasformig, Ethanol hingegen fliissigist.

c) Erkléren Sie anhand lhrer Kenntnisse tiber zwischenmolekulare Wechselwirkungen, weshalb sich

2

& a) Zeichnen Sie drei Strukturformeln fiir

Hande, an denen Motordl haftet, mit Waschbenzin,

Verbindungen mit der Molekiilformel C3HgO,.

nicht aber mit Wasser reinigen lassen.

b) Geben Sie fiir Ihre Lésung die zugehbrige Stoffklasse und den systematischen Namen an. c) Vergleichen Sie lhre Ergebnisse.

Stellen Sie eine Hypothese auf, weshalb

C~C-Mehrfachbindungen auch zu den funktionellen Gruppen gezéahlt werden.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

207

6.1

Alkane reagieren mit Halogenen zu Halogenalkanen die einzelnen Schritte der Spaltung und Neubildung von

Bindungen in den reagierenden Teilchen beschrieben. Die Bewegung

von Elektronen wird dabei durch ver-

schiedene Pfeile beschrieben: Pfeile mit einer norma-

len Spitze @zeigen die Bewegung von zwei Elektronen an, Pfeile mit einer halben Spitze @ kennzeichnen die Bewegung von einem Elektron:

7

Reaktionmechanismus ist die radikalische Substitution.

Alkane sind im Allgemeinen reaktionstrége. So reagieren sie nicht mit sauren oder alkalischen Lésungen und

auch nicht mit unedlen Metallen wie Natrium. Anderer-

seits konnen Alkane auch sehr heftig reagieren: Nach Zufuhr der nétigen Aktivierungsenergie und einem entsprechenden Zerteilungsgrad verbrennen Alkan-LuftGemische explosionsartig.

Reaktionen mit Halogenen. Ein Gemisch aus Brom und n-Heptan kann im Dunkeln lber einen langeren Zeitraum gelagert werden. Belichtet man das Gemisch jedoch und fiihrt so die nétige Aktivierungsenergie Minuten

eine Entfarbung

beobachten. Ein Stiick angefeuchtetes Indikatorpapier iber dem ReaktionsgefaR farbt sich rot (Abb. 1). Brom hat mit n-Heptan zu Bromheptan und Bromwasserstoff

(HBr) reagiert:

Crhrg (1) + Bra(g) 7 CrHisBr (1) + HBr (g) Bei der Reaktion wird im n-Heptan-Molekiil ein H-Atom durch ein Br-Atom ersetzt. Allgemein bezeichnet man eine Reaktion, bei der in einem Molekiil ein Atom oder

eine Atomgruppe durch einen anderen Bindungspartner ersetzt wird, als Substitution

die Stelle setzen): |l

T

e T

|

f

X

(lat. substituere: an

+ H—

mit X = Halogen-Atom Chlor reagiert in dhnlicher Weise wie Brom mit Alkanen

in einer Substitutionsreaktion. Als Produkte entstehen Molekiile einer neuen Stoffklasse, die Halogenalkane.

Radikalische Substitution. Die Halogenierung der Alkane lauft (iber reaktionsfahige Teilchen mit ungepaarten Elektronen. Solche Teilchen bezeichnet man als Radikale, den Reaktionstyp dementsprechend als radikalische Substitution. Dabei laufen die folgenden Teilreaktionen

ab, die am

Beispiel

der Reaktion

von

Methan mit Brom beschrieben werden. Startreaktion: Br,-Molekiile werden durch Absorption von Licht in Br-Atome gespalten. Die Bindung wird dabei so getrennt, dass jedes Br-Atom ein ungepaartes

Elektron hat und damit ein reaktives Br-Radikal ist. Man

spricht von einer homolytischen Spaltung (gr. homos: gleich, lysis: Auflésung) oder Homolyse:

Licht

1B

Bra-Molekill

Br + Brl Br-Radikale

Kettenreaktion: Ein Br-Radikal reagiert mit einem H-Atom des CHg-Molekiils zu einem HBr-Molekiil. Dabei wird eine H-C-Bindung homolytisch gespalten und es bleibt ein CHs-Radikal als reaktionsfahige Zwischenstufe zuriick. Dieses Radikal reagiert mit einem weiteren Bry-Molekiil zu einem CH3Br-Molekiil. Dabei entsteht durch Homolyse wieder ein Br-Radikal, das fiir die Re-

aktion mit einem weiteren CHy-Molekdl zur Verfligung

steht. So lauft die Kettenreaktion von selbst weiter.

H

H—(}”—/H\/\En — H CHg-Molekül

i

H—(I:-/V\E

H

H

H—%- + H—Bi CHyH

Radikal

Brl —>

Y

H—cl—tin

H CHaBr-

HBr-

Molekül

+ -Brl

Molekül

Reaktionsmechanismus. Die Reaktionen organischer Verbindungen laufen oft in mehreren Teilschritten ab.

Abbruchreaktionen:

onsmechanismus beschreiben. Dabei werden detailliert

einander, bricht die Kettenreaktion ab. Br-Radikale können miteinander zu Br,-Molekülen reagieren; mit

Den Verlauf kann man modellhaft durch einen Reakti-

208

\

In der Organischen Chemie gibt es nur eine überschaubare Anzahl von Reaktionsmechanismen. Selbst komplexe Reaktionen können in diese wenigen Mechanismen unterteilt werden. Ein Beispiel für einen

1 Reaktion von Heptan mit Brom

zu, lasst sich nach wenigen

NG

Reaktionswegein der Organischen Chemie

Reagieren

zwei

Radikale

mit-

Ultraviolett

violett 300kJ - mol ' blay 260 kJ - mol”

grün’ 225K -mol gelb 205k -mol

orange T80 kI - mol T rot 170 k) - mol

Bei Lichteinstrahlung reagieren Alkane mit Halogenen zu Halogenalkanen. Der Reaktionsmechanismus der

radikalischen Substitution beschreibt modellhaft den Verlauf dieser Reaktion.

Cl,—>2Cl-

242 kJ : mol ”

Br,— 2 Bre

193 KJ- mol

1

a)Beschreiben Sie Abb.1 und erkléren Sie die Beobachtungen. b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung fiir die Reaktion

von Brom mit Heptan zu 1-Bromheptan auf.

AF 759 k: mol L>21

c) (&7 Formulieren Sie die einzelnen Schritte des Reaktionsmechanismus fir die Bildung von 1-Bromheptan

151 kJ - mol

aus n-Heptan und Brom.

d) Leiten Sie aus Aufgabe b) und c) die Unterschiede

2 Energiewerte von Lichtwellen und Bindungen

zwischen einer Reaktionsgleichung und einem Reakti-

onsmechanismus ab.

CHs-Radikalen kénnen CHsBr-Molekiile entstehen. Aus

zwei CH;-Radikalen kann sich ein Ethan-Molekiil (C;Hg) bilden. Wegen der Abbruchreaktionen muss die Kettenreaktion also immer wieder gestartet werden. EIV\-B‘n Br

—

i

@_/V\_?_H

—

Br—| Brl

H

lytische Bindungsspaltung (Homolyse).

2

i

3 CH3Br-Molekül

H

a) 2 Die radikalische Substitution gelingt nicht mit Licht beliebiger Farbe. Begriinden Sie mithilfe von

ner A) und fiir die Bromierung (Partner B) eines Alkans haben muss und warum beide Reaktionen nicht bei Belichtung mit rotem Licht ablaufen.

HH

„_%„N\.Jf_„ — “_%_‘%_” Cate-Molekt H

Erklaren Sie, warum nicht nur ein Produkt entsteht.

Abb.2, welche Farbe das Licht fiir die Chlorierung (Part-

H

H

Nennen Sie fiinfverschiedene Produkte der Chlorierung von Ethan und geben Sie die Strukturformeln an.

Bra-Molekül

Er—?—H

H

e) Erklaren Sie an dem Mechanismus den Begriff homo-

b) % Bei der Reaktion von Fluor mit einem Kohlenwas-

serstoff wird eine Energie von 484 kJ - mol” frei, Erläu-

HH

tern Sie mit Bezug zu Abb. 2, warum bei Fluor die Reak-

Licht spaltet Bindungen. Licht ist elektromagnetische Strahlung und damit eine Form von Energie. Licht einer bestimmten Farbe hat eine bestimmte Wellenlénge und daher eine festgelegte Energie (Abb.2). Diese Energie wird in der Einheit kJ - mol™ angegeben.

Bei der Startreaktion der radikalischen Substitution wer-

den durch Licht die Halogen-Molekiile homolytisch gespalten. Die benétigte Energie entspricht der Bindungsenthalpie. Bei der Br-Br-Bindung sind dies

tion als Explosion verlauft.

4

g Fir die Reaktion von Chlor mit Methan wurden Reaktionsenthalpien berechnet und in einem

Diagramm dargestellt.

a) Geben Sie die Reaktionsgleichungen fiir die Reaktionsschritte @ bis. @ an. b) Erlautern Sie die Energieumwandlung jeweils bei der angegebenen Reaktion. Enthalpie

193 kJ - mol™, bei der Cl-Cl-Bindung 242 kJ - mol™.

Mehrfachsubstitution.

Bei

der

Bildung

von

Brom-

methan (CH3Br) wird ein H-Atom im Methan-Molekiil

durch ein Br-Atom ersetzt. Neben Brommethan kénnen aber auch Dibrommethan, Tribrommethan und sogar Tetrabrommethan entstehen. Diese Verbindungen bilden sich durch mehrfach erfolgende Substitution von H-Atomen durch Br-Atome. Uber das Mischungsverhaltnis der Edukte lasst sich die Ausbeute des gewiinschten

Reaktionsablauf

Produkts steuern.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

209

6.2 Der Verlauf der radikalischen Substitution ist steuerbar

) we i}

Lichtenergie - .

o

IEL=Cl.

HHH

.

|

+

)

Lichtenergie

H*(‘I*(‘I*(‘Z*H

—

——

I

—

&

N

H ICU H

|

!Ql*(]fi*(]fi*?*H oder

HHH

Chlor

HHH HHH

Lichtenergie —_—p

Propan

erwartetes Produktverhaltnis: tatsachliches Produktverhaltnis:

; @

W

H*?*?*(IZ*H

F

_

ICLZH

HHH

1-Chlorpropan

oder

2-Chlorpropan

6

¥

2

45

3

55

+

Chlorwasserstoff

1 Isomere Reaktionsprodukte bei der Chlorierung von Propan

Die Halogenierung von Alkanen lauft nach dem Mechanismus der radikalischen Substitution ab. Als Ergebnis der Reaktion zeigt sich oft ein Produktgemisch aus vielen verschiedenen Halogenalkanen. Dessen Zusammensetzung lasst sich gezielt beeinflussen.

zur Bildung eines primaren Alkyl-Radikals wird mehr Energie bendtigt als zur Bildung eines sekundaren. Bei Raumtemperatur entstehen also mehr der energieérmeren und damit stabileren 2-Propyl-Radikale als sich 1-Propyl-Radikale bilden. Bei der Reaktion mit Chlor

Mehrfachsubstitution.

1-Chlorpropan-Molekiile.

Das Verhéltnis von

Halogen-

Molekiilen zu Alkan-Molekiilen bestimmt, ob eine Mehrfachsubstitution wahrscheinlich ist, oder ob (iberwie-

gend das Monosubstitutionsprodukt gebildet wird. So fiihrt bei der Bromierung von Methan ein Uberschuss an Methan dazu, dass iiberwiegend Brommethan entsteht.

Ein Uberschuss an Brom erhdht die Ausbeute mehrfach-

substituierter Brommethane

wie

Induktive Effekte. Die Stabilitat eines Alkyl-Radikals wird von den Atomen und Atomgruppen beeinflusst,

die mit dem Radikal-C-Atom verbunden sind. Durch das einzelne Elektron hat das Radikal-C-Atom nur sieben,

Tri-

Die Chlorierung von

Alkyl-Gruppen, die mit dem Radikal-C-Atom verbunden

Dibrommethan,

Propan fiihrt zu den zwei Monochlorpropanen 1-Chlorpropan und 2-Chlorpropan (Abb. 1). Fiir die Bildung von 1-Chlorpropan gibt es dabei sechs gleichwertige Substitutionsmoglichkeiten an den beiden primaren C-Atomen (Abb.1 @ und Abb. 2). 2-Chlorpropan kann nur durch die Substitution von einem der beiden H-Atome am sekundären C-Atom gebildet werden (Abb.1 @).

Theoretisch wäre daher ein Produktverhältnis beider

Chlorpropane von 6 : 2, beziehungsweise von 3 : 1 zu erwarten. Tatsächlich ergibt die Umsetzung von Propan mit Chlor bei Raumtemperatur ein experimentell ermit-

teltes Verhältnis, dass deutlich von dem erwarteten Ver-

210

als

statt den energetisch giinstigen acht Elektronen. Dieser Elektronenmangel erklart die allgemein hohe Reaktivitat der Alkyl-Radikale.

brommethan oder Tetrabrommethan.

Isomere Substitutionsprodukte.

entstehen folglich mehr 2-Chlorpropan-Molekiile

sind, erhéhen die Elektronendichte am Radikal-C-Atom

(Abb. 3). Man sagt: Sie {iben einen positiven induktiven

Effekt (+I-Effekt) aus. Durch den ,elektronenschiebenden® +I-Effekt erhdhen die Alkyl-Gruppen die Elektronendichte am Radikal-C-Atom und verringern so dessen den Elektronenmangel. Das Radikal wird stabilisiert und die Aktivierungsenergie fiir die Bildung des Radikalsist entsprechend geringer. Diese Wirkung steigt mit der Anzahl der am Radikal-C-Atom gebundenen AlkylGruppen, sodass die homolytische Bindungsspaltung

einer C-H Bindung an einem sekundéren C-Atom (Abb. 4 @) schneller erfolgen kann als bei einem priméaren

hältnis abweicht (Abb. 1). Bezogen auf die Anzahl der jeweiligen Bindungen werden H-Atome am sekundären C-Atom besonders häufig substituiert.

(Abb. 4(@).

Die Abweichung von der statistischen Bildungswahrscheinlichkeit der verschiedenen Chlorpropane beruht auf den unterschiedlichen Stabilitaten der Alkyl-Radikale (Abb.4). Fiir die homolytische Bindungsspaltung

nen negativen induktiven Effekt (-I-Effekt) aus (Abb.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

Sind elektronegativere Substituenten wie Cl-Atome mit einem C-Atom verbunden, (iben diese Substituenten ei-

3). So polarisiert ein Cl-Atom aufgrund des gréReren EN-Wertes die Cl-C-Bindung und verringert die Elektronendichte am C-Atom.

Stabilitat der Radikale 2 Primäre, sekundäre und tertiäre C-Atome

4 Relative Stabilitdt von Alkyl-Radikalen

Selektivität contra Reaktivität. Bei der Reaktion von Brom mit Propan erhält man bei Raumtemperatur etwa

1

96 % 2-Brompropan und nur4 % 1-Brompropan. Im Ge-

gensatz zum reaktiveren Chlor erfolgt die Halogenierung wesentlich selektiver am sekundären C-Atom. Neben der Stabilität der Alkyl-Radikale hat also auch die Reaktivität der unterschiedlichen Halogene entschei-

denden Einfluss auf die radikalische Substitution. Fluor

2

ist derart reaktiv, dass nicht nur C- H Bindungen gespal-

ten werden, sondern auch C-C Bindungen. Der Bruch

der Moleküle und die damit verbundene explosionsartige Energiefreisetzung macht die Fluorierung kaum

nutzbar. Reaktionen mit lod laufen in der Regel gar nicht

3l

ab. lod-Radikale sind so wenig reaktiv, dass sie in der Kettenreaktion nicht mit den Alkanen reagieren. Stoffe, die wie lod radikalische Reaktionen unterdriicken, wer-

radikalischen Substitution an Alkanen beeinflussen.

Firdie |-Effekte findet man in der Literatur gelegentlich die Bezeichnungen elektronenziehend und elektronenschiebend. Erklaren Sie, was diese Bezeichnungen bedeuten und ordnen Sie die I-Effekte hinsichtlich des

Vorzeichens den Bezeichnungen zu (Abb. 3).

a) * Geben Sie den Reaktionsmechanismus mit allen

dukts an: PartnerA: 2-Chlor-2-methylbutan Partner B: 2,3-Dibrombutan

b) Kontrollieren Sie Ihre Ergebnisse gegenseitig. 4

sich Produktanteile der einzelnen Halogenalkene bei der

Abweichungen von der Erwartung ergeben.

Reaktionsschritten fiir die Bildung des jeweiligen Pro-

den Inhibitoren (lat. inhibere: hemmen) genannt.

Durch gezielte Auswahl der Versuchsbedingungen lassen

a) Geben Sie die Strukturformeln der isomeren Monobromverbindungen von 3-Ethylpentan an und benennen Sie die jeweiligen Produkte. b) =l Geben Sie das zu erwartende Produktverhltnis anund begriinden Sie, weshalb sich experimentell

Bä"Alkan»Moleküle reagieren nicht mit lod-Radikalen,

Alkyl-Radikale jedoch sehr schnell mit lod-Molekülen. Begründen Sie die Folgen dieser Beobachtungen für eine Zugabe von lod bei der Bromierung von Methan. 5 a) Erldutern Sie die Versuchsergebnisse der Tabelle. Radikalen mit C-H Bindungen verschiedener Alkane. R steht in den Strukturformeln fiir eine Alkyl-Gruppe.

R—C—H

Y I

R—C—H

5

R—C—H

1

2

3

1

250

6300

o

] Y

10

It o

|

L

@ O

+ m

1} —Or

Angegeben ist die relative Reaktivitat von Halogen-

b) OÄ Bei 600 °C andert sich das Produktverhaltnis

von 1-Chlorpropan zu 2-Chlorpropan auf3 : 1 (Abb. 1). Stellen Sie eine Hypothese fiir die Verschiebung auf.

3 Positive und negative induktive Effekte

Reaktionswege in der Organischen Chemie

211

6.3 Halogenalkane - Segen und Fluch Temperatur in °C

- H=(CHy )1

- H-(CHy),-Br

- H-(CH,J-CL - H-(CH ) F - H-(CHJo-H Anzahl der C-Atome n

1 2 3 4 S 1 Siedetemperaturen von Alkanen und Halogenalkanen

2 Elektronendichteverteilung in einem Halogenalkan-Molekiil

Halogenalkane zeigen gegeniiber Alkanen stark veranderte Eigenschaften. Die Ursache ist die Substitution von H-Atomen durch starker elektronegative HalogenAtome (Abb. 2). Siedetemperaturen. Vergleicht man die Siedetemperaturen von Alkanen und von Monohalogenalkanen gleicher Kettenlange, zeigt sich, dass die Siedetemperaturen aller Halogenalkane deutlich h6her sind als die der entsprechenden Alkane mit gleicher Anzahl an CAtomen (Abb. 1). Die Erklarung liefert wieder ein Blick in die zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Die unpolaren Alkan-Molekiile ziehen sich lediglich tiber die schwachen Van-der-Waals-Wechselwirkungen an. In den Halogenalkan-Molekiilen ist die Bindung zwischen dem C-Atom und dem Halogen-Atom aufgrund der hohen Elektronegativitat der Halogen-Atome polar. Die Elektronendichte im Halogenalkan-Molekiil ist dadurch ungleich

verteilt (Abb.2) und es bilden sich Teilladungen (&+ und

&-) aus. Je nach Struktur der Molekiile und Art und Anzahl der Halogen-Atome konnen Halogenalkan-Molekiile Dipole sein. Zwischen den permanenten Dipolen der Halogenalkan-Molekiile kénnen daher Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wirken. Diese sind starker als Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Somit sind die Siedetemperaturen der Halogenalkane gréRer als die der

entsprechenden Alkane.

Loslichkeit. Die zwischenmolekularen Wechselwirkun-

gen bestimmen auch die Loslichkeit und Mischbarkeit von Stoffen. Hydrophobe Stoffe, deren Molekiile keine H-Briicken

eingehen,

sind

miteinander

mischbar.

So

mischen sich Trichlormethan (Chloroform) und n-He-

xan. Hydrophile Stoffe, deren Molekiile untereinander

H-Briicken ausbilden, sind ebenfalls mischbar. Wasser

und Trichlormethan dagegen nicht.

212

Reaktionswege in der Organischen Chemie

Verwendung. Im Gegensatz zu vielen anderen organischen Stoffklassen kommen Halogenalkane in der Natur nur relativ selten vor. Allerdings haben vor allem die Monohalogenverbindungen groe Bedeutung als reaktive Zwischenstufen in der Herstellung von Produkten der chemischen Industrie. Viele Halogenalkane finden aber auch direkte Anwendung als Feuerléschmittel, In-

sektizide oder Lésemittel. Trichlormethan (Chloroform)

wurde lange Zeit als Narkosemittel eingesetzt. Da es sehr giftig ist und heute als krebserregend und fruchtschadigend eingestuft ist, darf es nicht mehr angewendet werden. Stattdessen nutzt man Halothan (2-Brom2-chlor-1,1,1-trifluorethan) oder Flurane.

Unter dem Namen Freon oder Frigen wurden bis Mitte

der 1990er Jahre verschiedene Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) des Methans und Ethans als Treibmit-

telin Spraydosen und Kaltemittelin Kiihlanlagen eingesetzt. Diese FCKWs sind nicht toxisch, leicht fliichtig und

nicht brennbar. Jedoch sind diese Stoffe maRgeblich an der Schadigung des Ozonlochs beteiligt und wirken als Treibhausgase. Deshalb wurden FCKWs durch Fluor-

kohlenwasserstoffe (FKW) ersetzt. Diese wirken zwar

nicht mehr ozonschadigend, aber auch sie sind Treibhausgase, die im Vergleich zum Kohlenstoffdioxid pro

Gramm Gas wesentlich klimaschadlicher sind und teil-

weise deutlich langerin der Atmosphére verbleiben. Zur besseren Vergleichbarkeit der Wirkung der unterschied-

lichen Gase auf den Treibhauseffekt wird das Treib-

hauspotential (greenhouse warming potential, GWP), auch Kohlenstoffdioxiddquivalent genannt, angegeben. Der Beitrag eines ausgestolenen Gases wird somit in die Masse Kohlenstoffdioxid umgerechnet, die die gleiche Auswirkung auf den Treibhauseffekt der Erde hétte und beispielsweise als Wert der relativen Klimawirksamkeit angegeben (Abb. 3).

Treibhausgas(e)

Klimawirksamkeit Verweildaue (GWP) bezogen auf der Atmosphére Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid

1

variabel

Methan (CH,)

21

9-15 Jahre

Lachgas (N,0)

310

120 Jahre

Fluorchlorkohlen-

über 13000

über 600 Jahre

Fluorkohlenwasser-

140-11700

1,5-264 Jahre

(CO,)

wasserstoffe (FCKW)

stoffe (FKW)

3 Ausgewdbhlte Treibhausgase im Vergleich Nomenklatur. Die Fiille der Halogenalkane macht die eindeutige Benennung zur Unterscheidung der einzelnen Verbindungen sehr wichtig. Bei der Benennung eines Halogenalkans ergibt die ldngste Kette an

Angaben in Millionen des Kohlenstoffdioxidaquivalents mm Produktion von fluorhaltigen Gasen ‚ Schaumherstellung Aluminiumherstellung

zwei verzweigten Halogenalkan-Molekiilen auf einen

Zettel. Reichen Sie anschlieRend den Zettel im Uhrzeigersinn an Ihren Lernpartner weiter. Dieser benennt die Molekiile systematisch und notiert die Namen auf dem Zettel. Im Anschluss geben Sie den Zettel an den dritten Lernpartner. Dieser vergleicht Strukturformeln und

Bezeichnung Fluor, Chlor, Brom oder lod vorangestellt.

2

oder lateinische Zahlworter wie di, tri oder tetra voran-

gestellt:

Namen und kontrolliert auf die Richtigkeit.

Erlutern Sie den Zusammenhang zwischen dem Molekiilaufbau und den Siedetemperaturen der angegebenen Verbindungen.

Halogenalkan

1,2,3 TribrompropaH

Formel CH3CI

Monobrommethan

CH3Br

Monoiodmethan

CHal

43

CHsCI

13

1,2-Dichlorethan

3

Siedetemperaturin °C

Monochlormethan

Monochlorethan

Treten verschiedene Halogen-Atome oder auch Alkylzweigter Alkane in alphabetischer Reihenfolge in den Namen eingeordnet. Die Vorsilben fiir die Zahlworter werden bei der alphabetischen Reihung nicht beriicksichtigt:

Schallschutzscheiben Klima- und Kälteanlagen elektrische Betriebsmittel sonstiger Verbrauch

1§y Zeichnen Sie jeder fiir sich die Strukturformeln von

Stammnamen der Verbindung. Diesem Namen wird die

Gruppen auf, werden diese wie bei der Benennung ver-

mm m MM mm

4 AusstoR von fluorierten Treibhausgasen

C-Atomen, die ein Halogen-Atom oder mehr tragt, den

Wie bei den verzweigten Alkanen wird die Hauptkette so nummeriert, dass die Seitenketten und die HalogenAtome méoglichst niedrige Ziffern erhalten. Sind mehrere Halogen-Atome vorhanden, werden griechische

2

23

CzH4Clz

24

5

84

a) Beschreiben Sie die Entwicklung der Emissionen an fluorierten Triebhausgasen in den Jahren von 1990 bis

2014 (Abb.4). b) & Stellen Sie eine Hypothese auf, wie sichin

Zukunft die prognostizierte Zunahme des AusstoRes fluorierter Treibhausgase vermindern lasst.

% Bei Sportverletzungen greift man zur Linderung haufig zu Eissprays mit Chlorethan. Als Ersatzstoff fiir das Gas nutzt man ein Propan-Dimethylether-Gemisch. a) &} Informieren Sie sich iiber das Gefahrenpotenzial

sowie die Umweltauswirkungen von Chlorethan und Die Eigenschaften der Halogenalkane weichen deutlich von denen der jeweiligen Alkane ab. Halogenalkane finden Verwendung in zahlreichen Produkten, ihr Einsatz

ist jedoch haufig sehr umstritten.

des Ersatzstoffes. b) Stellen Sie Vor-und Nachteile von Chlorethan gegen(iber des Ersatzstoffes tabellarisch zusammen und beurteilen Sie die Verwendung von Chlorethan als Eisspray.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

Praktikum

Gesattigte Kohlenstoffverbindungen

Versuch 1:

Versuch 2:

O&

&L e

Materialien: Messzylinder (10 ml), Erlenmeyerkolben (50 ml) mit Stopfen, Indikatorpapier, Pipette (10 ml), Pipettierhilfe, Lichtquelle (zum Beispiel Farbwechsel LED-Spot), Scheidetrichter (50 ml) mit Stopfen, 2 Becherglaser (50 ml), Gasbrenner; L6sung von Brom (0,1%) in Heptan (2,7, 8, 9),

Materialien: 3 Erlenmeyerkolben (50 ml) mit Stopfen, Messzylinder (50 ml), Pipette (10 ml), Alufolie, 2 Lichtquellen (zum Beispiel Farbwechsel LED-Spot), Stoppuhr; L6sung von Brom (0,1 %) in Heptan (2, 7, 8, 9), Alufolie

Belichten eines Gemisches aus Brom und Heptan

' flfi

Natronlauge (0,1 mol - F 5), Kupferblechstreifen, Alufolie, demineralisiertes Wasser

Durchführung: 1. Füllen Sie 10 ml Heptanlösung in den Erlenmey-

erkolben und testen Sie den Gasraum mit einem

feuchten Indikatorpapier. Verschließen Sie den Kolben mit einem Stopfen. 2. Bringen Sie den Erlenmeyerkolben in den Strah-

lengang der Lichtquelle (weiBes Licht) und beob-

achten Sie fiir einigen Minuten.

3. Losen Sie, sobald Sie im Gasraum etwas beob-

achten kénnen, den Stopfen und priifen Sie den

Gasraum (iber der Losung mit angefeuchtetem

Indikatorpapier. 4. Vorbereitung der Beilsteinprobe: Die Heptanlosung aus Schritt 3 wird mit 25 ml Natronlauge in den Scheidetrichter gegeben. Nach dem VerschlieRen mit dem Stopfen wird der Scheidetrichter vorsichtig geschittelt und im Anschluss die Heptanphase von der wassrigen Phase getrennt.

5. Durchfiihrung der Beilsteinprobe (Abzug!): Gliihen

Sie dann den Kupferstreifen in der rauschenden Brennerflamme aus, geben Sie einige Tropfen der abgetrennten Heptanlésung darauf und halten Sie den Kupferstreifen erneut in die Brennerflamme.

Aufgaben: a) Protokollieren Sie Ihre Beobachtungen. b) Erklaren Sie Ihre Beobachtungen. Stellen Sie eine Reaktionsgleichung fiir die bei Belichtung ablau-

fende Reaktion auf.

) Stellen Sie eine Hypothese tiber die Bedeutung der Lichteinstrahlung auf. Hinweis: Fiir uns farbige

Stoffe absorbieren Licht im sichtbaren Bereich.

d) Zusatzaufgabe: Informieren Sie sich Giber den

Mechanismus der radikalischen Substitution und

stellen Sie den Verlauf an diesem Beispiel dar. .

Reaktionswege in der Organischen Chemie

Einfluss der Belichtungsdauer auf die Bromierung

-

Durchfiihrung: 1. Geben Sie jeweils 10 ml einer dunkel aufbewahrten Lésung von Brom in Heptan in drei Erlenmey-

erkolben und verschlieBen Sie die Kolben.

2. Umwickeln Sie einen Kolben lichtundurchlassig

mit Alufolie und stellen Sie den Kolben beiseite.

3. Bringen Sie die beiden anderen Kolben gleichzeitig in die Strahlengénge der weien Lichtquellen. 4. Nehmen Sie einen der beiden Kolben nach etwa 5 Sekunden von der Lichtquelle und umwickeln Sie ihn lichtundurchlassig mit Alufolie. Lassen Sie den anderen Kolben 2 Minuten auf der Lichtquelle

stehen. Vergleichen Sie im Anschluss die Farbung aller Lésungen.

Aufgabe: Notieren und erklaren Sie |hre Beobachtungen.

Forschungsauftrag 1: Einfluss der Wellenldnge auf die Bromierung

OR -

Materialien: Erlenmeyerkolben (50 ml) mit Stopfen, mehrere Farbwechsel-LED-Spots; Heptanlésung von Brom (0,1%, 2,7, 8, 9), Alufolie

Aufgaben: a) Planen Sie einen Versuch, mit dem sich der Ein-

fluss der Wellenlange des eingestrahlten Lichts untersuchen lasst.

b) =1 Kontrollieren Sie Ihre Planung mithilfe der

Check-Karte und fiihren Sie den Versuch durch.

) Erlautern Sie lhre Versuchsbeobachtungen.

Versuch 3:

Salzsaure (37 %, 5, 7), 2-Methylpropan-2-ol (2, 7), Calciumchlorid (wasserfrei, 7)

Reaktivität von Halogenalkanen

Durchfiihrung:

77

Materialien: Tropfpipetten, 7 Stopfen;

1-Brombutan (2, 7, 9), 2-Brombutan (2), 2-Brom2-methylpropan (2), lodethan (2, 7), Ethanol (2, 7), Silbernitratlosung (1 %; 7, 9), Salzsaure (I">HO™ >NH3 >Br™ >Cl">F >H,0

tive Ladung am zentralen C-Atom tragt. Dieses als Car-

benium-lon oder Carbokation bezeichnete lon ist als Zwischenstufe nachweisbar (Abb.1 (@ und 2). An das Carbenium-lon kann sich nun das negativ geladene Hydroxid-lon (OH") anlagern (Abb.1 3)). Das freie Elektro-

nenpaar des O-Atoms wird dabei zum bindenden Elektronenpaar der C- 0-Bindung und der Alkohol entsteht.

Allgemein bezeichnet man Teilchen, die wie das OH™-lon bevorzugt Carbenium-lonen oder C-Atomen mit einer

positiven Teilladung (5+) angreifen, als Nucleophile (lat. nucleus: Kern, gr. philos: Freund). Die ablaufende Reaktion

wird entsprechend

(Sn) genannt. 218

nucleophile Substitution

Reaktionswege in der Organischen Chemie

mit

3 Polarisierbarkeit und Reaktivitit bei Sy-Reaktionen

stabilisieren die pı H

CH3

|

HA S

priméres Carbenium-lon

]

1

CH3 |

H7 CH3 H3C/C\CH3 sekundares Carbenium-lon tartiares Carbenium-lon

4 Stabilitdt von Carbenium-lonen

Stabilitdt von Carbenium-lonen. Neben dem angreifenden Teilchen beeinflusst das angegriffene Teilchen die Geschwindigkeit der Reaktion. Vergleicht man beispielsweise die Reaktion von 1-Brompropan, 2-Brompropan und 2-Brom-2-methylpropan mit Cl™lonen, zeigt sich eine zunehmende Reaktionsgeschwindigkeit.

Dieses Verhalten kann mit der Stabilitat der auftretenden Carbenium-lonen erklart werden (Abb.4).

Einfluss des austretenden Teilchens. Die Synthese von Halogenalkanen aus Alkoholen wird bevorzugt in saurer Losung durchgefiihrt. Dabei nutzt man den Einfluss des austretenden Teilchens fiir die Steuerung der Reaktion. Bei der Reaktion in saurer Losung wird im ersten Schritt die OH-Gruppe protoniert. Aus dem entstehenden lon wird im néchsten Schritt ein H,0-Molekiil abgespalten. Zusatzlich entsteht ein Carbenium-lon:

H®

= _&_

H/O

I

H

Vo

H/OL '

Führt man die genannte Reaktion in neutraler Lösung

durch, entstehen OH™-lonen als Zwischenstufe. Aufgrund der entgegengesetzten Ladung zum Carbeniumlon hat das OH™lon jedoch eine kleinere Tendenz zum Austritt als das ungeladene H,0-Molekiil. Man sagt: Das H,0-Molekill ist eine bessere Abgangsgruppe als das OH™lon. Die Reaktion von Halogenalkanen zu Alkoholen verlauft daher durch Saurezugabe schneller. Neben der Ladung eines Teilchens spielen aber auch andere Faktoren wie die Polarisierbarkeit eines Atoms oder einer Gruppe

eine Rolle. Bei den Halogenid-lonen stellt man in der

Tendenz, als austretendes Teilchen zu wirken, folgende Abstufung fest: I” > Cl” > Br” > F7

a) Entscheiden Sie anhand von Strukturformeln, ob die folgenden Teilchen als Nucleophil reagieren kdnnen:

H,0, F, Hy, NH,", CH30™

b) Erkléren Sie, wie sich die Nucleophilie in der Reihe

NH,™, NH3, NH4* dndert.

&% Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen fiir folgende Substitutionsreaktionen. Geben Sie die

Namen der Produkte und der jeweiligen Nucleophile an:

Partner A: 1-Brompropan mit Kalilauge (KOH, aq),

Partner B lodmethan mit Ammoniak (NHs), Partner C: Bromethan

(NaSH),

mit Natriumhydrogensulfid

Partner D: 1-Brompropan mit Natriumcyanid (NaCN), Partner E: 2-Chlor-2-methylpropan mit Natrium-

methanolat (NaOCH;).

E Eine Lerngruppe untersucht die unterschiedliche

Reaktivitat von Halogenbutanen bei der Reaktion mit Wasser. Eine Schiilerin behauptet: ,Die Reaktivitat wird

im Wesentlichen von der Polaritét der KohlenstoffHalogen-Bindung beeinflusst. Je groRer die Polaritat ist, desto schneller verlauft die Reaktion“ Ihre Kollegin

halt dagegen und meint, dass die Bindungsstarke den Ausschlag gibt. Nehmen Sie zu den Aussagen begriindet Stellung.

Halogen

Bindungsenergie einer

C-X-Bindungin kJ - mol™

ZENIE-5)

Fluor

461

15

Chlor

356

0,7

Brom

297

0,5

lod

239

02

a) %2 Geben Sie begriindet an, welches Halogenalkan

jeweils schneller mit Kalilauge reagiert.

PartnerA: lodmethan oder Chlormethan Partner B: 1-Brompentan oder 2-Brompentan

b) Tauschen Sie im Anschluss lhre Ergebnisse mit lhrem

Lernpartner aus.

Q Auch Lösemittel beeinflussen die Geschwindigkeit einer Sy-Reaktion. So verläuft die Reaktion von 2-Brom-

2-methylpropan mit OH™-lonen in Wasser oder Ethanol

schneller als in Aceton. Erklaren Sie diesen Befund unter Einbeziehen der Struktur der Lsemittel-Molekiile.

Bei einer nucleophilen Substitution wird ein Atom oder eine Atomgruppe durch einen Substituenten ersetzt. Das angreifende Teilchen, das Nucleophil, verfügt über ein freies Elektronenpaar und trägt eine negative Ladung oder mindestens eine negative Teilladung.

& Nucleophile sind in ihrer Struktur und ihren Reaktionen vergleichbar mit Bronsted-Basen. a) Erdrtern Sie diesen Sachverhalt am Beispiel des H,0-Molekiils. b) Vergleichen Sie in Analogie zur Basenstarke die Nucleophilie des CI™-lons mit der des OH™-lons.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

219

6.6 Der Verlauf einer nucleophilen Substitution ist steuerbar

Nu

. Bildung eines Übergangszustands

Nur- CX CH3

H3

>

CH3 Ne—C—H CH3

x®

Bildung einer

Zwischenstufe

FHs X =austretendes Teilchen

| Nu® _

?Hs H—(li—Nu

CH3

Nu”= Nucleophil

X

5

CH3

1 Alternative Reaktionsverldufe bei einer nucleophilen Substitution an einem sekunddren C-Atom

Der zweischrittige Reaktionsmechanismus der nucleophilen Substitution stellt nur einen Grenzfall dar. In einem alternativen Reaktionsverlauf erfolgt die Substitu-

tion ineinem Schritt (Abb. 1). Der Reaktionsverlauf einer

schrittige und der zweischrittige Mechanismus parallel

ablaufen (Abb.2). Eine Anderung des Nucleophils oder des Losemittels kann zwar die Reaktionsgeschwindig-

keit des einen Mechanismus verlangsamen, erhoht aber

lasst sich {iber die Reaktionsbedingungen und die Wahl der Edukte steuern.

gleichzeitig oft die des anderen. Von den Reaktionsbedingungen héngt also ab, nach welchem Mechanismus e@ Produkte vorwiegend gebildet werden (Abb. 2).

Reaktionsbedingungen. Die Substitution primarer und tertidrer Halogenalkane erfolgt meist nur nach ei-

Vielfalt der Produkte. Mit der Auswahl des Nucleophils wird das Reaktionsprodukt bestimmt. Es können so-

Sy-Reaktion

und

die Vielfalt der

herstellbaren

ner Variante des mechanistischen

Verlaufs:

Stoffe

Primare

gar funktionelle Gruppen ineinander überführt werden.

Durch

gen zugänglich (Abb. 3). So werden für die Synthese von

Halogenalkane reagieren nach dem einschrittigen Mechanismus,

tertidre nach

dem

zweischrittigen.

ungiinstige Wahl von Nucleophilen oder Lésemitteln kann die Reaktionsgeschwindigkeit zudem so stark herabgesetzt werden, dass die jeweilige Reaktion praktisch zum Erliegen kommt. Im Gegensatz dazu kénnen bei der Substitution sekundérer Halogenalkane der ein-

Ausgehend von Halogenalkanen sind viele Verbindun-

Aminen Halogenalkane mit Ammoniak umgesetzt. Die entstehenden Amine sind wichtige Synthesebausteine: |

—G—CL+ NHy —>

Halogenalkan

Einschrittiger Mechanismus

primär

Läuft gut ab bei guten Nucleophilen und einfach

H

ch—é—x

austretenden Teilchen,

—JI:—NHZ + HCL

Zweischrittiger Mechanismus

Läuft nicht ab, denn pimäre Carbenium-lonen sind

zuinstabil.

H

sekundär Pli

L

HsC—C—X

tertiär CH3

Läuft relativ langsam ab, denn Nucleophile begiinstigen die Bildung des 5-bindigen Uber-

gangszustandes.

Läuft extrem langsam ab, selbst mit guten Nucleophilen.

ch—?—x CH3

Léuft relativ langsam ab, aber Losemittel-Molekiile mit polaren Gruppen und einfach austretende Teil-

chen erhéhen die Reaktionsgeschwindigkeit.

Läuft gut ab, denn das tertiäre Carbenium-lon ist relativ stabil. Lésemittel-Molekiile mit pola-

ren Gruppen und einfach austretende Teilchen begünstigen die lonenbildung.

2 Uberblick iiber die Steuerungsméglichkeiten bei einer nucleophilen Substitution

220

Reaktionswege in der Organischen Chemie

AlCl;

H,0

NO;

CN“

O-R

Cellu-

lose

3 Wichtige Substitutionsreaktionen

Von besonderer Bedeutung fiir die organische Synthesechemie ist die Herstellung von Nitrilen durch Anlage-

rung von Cyanid-lonen (CN”). Bei dieser Reaktion wird die Kette von C-Atomen im Molekiil um ein C-Atom erweitert. Nitrile selbst besitzen zwar nur wenige Anwendungen, lassen sich aber durch Reaktion mit Wasser leicht zu Carbonsauren oder Aminen umsetzen:

R—C=N

+ 2H,0

—

P

R—(‘\

+ NH3

OH

R—C=N + 2H, —» R—CH,—NH, Ein Ether-Molekiil enthélt ein O-Atom, an dem zwei organische Reste gebunden sind. Bei zwei Alkyl-Resten spricht man von Dialkylethern. Der bekannteste Ether ist der Diehylether, der friiher als Narkosemittel verwendet wurde. Die Verwendung war so bekannt, dass

Diethylether landldufig nur Ether genannt wurde. Auch Ether kdnnen durch Sy-Reaktionen synthetisiert werden. So erhalt man Diethylether, wenn man Ethanol

mit Schwefelsaure erhitzt. Dieser Ether lasst sich aber

auch durch Umsetzung von Ethanol mit Natrium herstellen. Dabei entsteht das Ethylat-lon. Dieses Nucleo-

phil reagiert dann mit Bromethan zu Diethylether:

2HyC—CH,—O—H + 2Na —> HaC—CH;—OF + 2Na* + H; H3C—CH2—0P + H3C—CH2—B

—>

HaC—CH2—O—CH2—CH3 + I8

Durch nucleophile Substitutionsreaktionen lassen sich eine Vielzahl von organischen Verbindungen herstellen. Die Reaktionen können nach einem einschrittigen oder einem zweischrittigen Reaktionsmechanismus verlaufen.

Beschreiben Sie den

einschrittigen Mechanismus der

nucleophilen Substitution (Abb. 1). a) fih Geben Sie mogliche Edukte fiir die Synthese der

folgenden Verbindungen an. Formulieren Sie jeweils eine Reaktionsgleichung. PartnerA: H3C—CH—CH,—CH,—OH H3

Partner B: ch—cnz—iH—CHg—cng N PartnerC: H3C—CH2—0—CH2—CH3z

b) Begründen Sie, ob die Reaktion nach dem einschrittiger oder dem zweischrittigen Mechanismus verläuft.

In einem Rundkolben wird wasserunlösliches Bromethan mit Kalilauge überschichtet. Beim Erhitzen klart das zunächst heterogene Gemisch auf. Fügt man nach dem Abkühlen etwas angesäuerte Silbernitratlösung

hinzu, lässt sich ein weißer Niederschlag erkennen.

a) Deuten Sie die Beobachtungen und stellen Sie die entsprechende Reaktionsgleichung auf. b)

Formulieren Sie den Mechanismus der Reaktion.

a) {4 Erkléren Sie unter Angabe der jeweiligen

Reaktionsmechanismen die zunehmende Reaktions-

geschwindigkeit beim Vergleich der Reaktionen von

1-Brompropan, 2-Brompropan und 2-Brom-2-methyl-

propan mit C["-lonen. b) O,i Beim Vergleich der Reaktionen der Bromalkane

aus Aufgaben a) mit I™lonen ergeben sich folgende relative Reaktionsgeschwindigkeiten:

Bromethan: 1 1-Brompropan: 0,8 2-Brompropan: 0,003

2-Brom-2-methylpropan: 0,0013

Reaktionswege in der Organischen Chemie

221

6.7 Die Veresterung ist eine besondere nucleophile Substitution

Veresterung

(Kondensation)

—__ R

CHy

Esterspaltung

CH,—CHs

(Hydrolyse)

Essigsaure

Ethanol

+

Essigsaureethylester

H,0

Wasser

1 Bildung von Essigsdureethylester

Ein Gemisch

aus Ethansdure

und

Ethanol riecht zu-

néchst nach Essig. Lasst man das Gemisch stehen, kann

man nach einiger Zeit den Geruch von Klebstofflésemittel deutlich wahrnehmen. Esist Ethylethanoat (Essigsau-

reethylester) entstanden (Abb.1). Der neue Stoff zahlt

zur Stoffklasse der Ester. Bei der Esterbildung reagieren eine Carbonséure und ein Alkohol miteinander. Die Reaktion wird durch eine starke hygroskopisch wirkende Séaure wie konzentrierte Schwefelsaure katalysiert.

Die OH-Gruppe aus der Carboxy-Gruppe im Carbonsaure-Molekiil und das H-Atom der OH-Gruppe des Alkohol-Molekiils werden als H,0-Molekiil abgespalten. Das

Da nun die positive Ladung beim O-Atom liegt, bildet

sich statt des Carbenium-lons ein Oxonium-lon.

Bt

RI—Co” O—H

Der dritte Reaktionsschritt ist eine Umlagerung:

Das

Proton am Oxonium-0-Atom bindet an eine der beiden

OH-Gruppen, es entsteht ein neues Oxonium-lon.

0-Atom aus dem Alkohol-Molekiil und das C-Atom der

Carboxy-Gruppe gehen eine neue Elektronenpaarbindung ein. Die Esterbildung ist eine Kondensationsreaktion, da aus Atomgruppen der beiden Edukt-Molekiile

ein kleines Molekiil abgespalten wird, in diesem Fall ein

H,0-Molekil. Mechanismus

schen dem

der

Veresterung.

Die

Reaktion

zwi-

Saure-Molekiil und dem Alkohol-Molekil

wird durch ein Proton aus der katalytisch beteiligten starken Séure eingeleitet. Dieses Proton lagert sich an das O-Atom der Carbonyl-Gruppe an. Dabei entsteht ein

Carbenium-lon:

R

—>

{\b—H

+ H" ===

o

Im zweiten, schnellen Reaktionsschritt greift das Alko-

hol-Molekül über die polare OH-Gruppe als Nucleophil am Carbenium-lon an. Das positiv geladene C-Atom der Carboxy-Gruppe und das negativ teilgeladene O-Atom

Ein

freies Elektronenpaar des O-Atoms bildet dabei durch Elektronenverschiebung eine neue C-O-Bindung aus.

222

Reaktionswege in der Organischen Chemie

H KJJ\

B—H

RI—CEO—H

o

“

R'-Ce C\Q—H

des Alkohol-Molekiils treten in Wechselwirkung.

Im n&chsten Schritt spaltet sich aus dem Oxonium-lon ein H,O-Molekiil ab. Das entstehende Carbenium-lon gibt ein Proton ab und wird so zum ungeladenen Molekiil. Die Gesamtreaktion ist eine Sy-Reaktion.

H

===

R’

0—R?

+HO

!

R}

//Ö\

_C\O\—RZ

+H*

Benennung und Eigenschaften., Die Benennung von Estern erfolgt mit dem Namen des ursprünglichen Alkohols als Alkyl-Rest und dem Namen des Säurerest-lons. Im gezeigten Beispiel ist Ethylethanoat entstanden. Häufig werden Trivialnamen oder veralterte Namen wie Essigsäureethylester oder Ethylacetat verwendet.

Die Ester-Gruppe R'-COOC-R?ist die funktionelle Gruppe der Ester. Ester-Molekiile kénnen keine H-Briicken untereinander ausbilden. Ihre Siedetemperaturen liegen daher tiefer als die der entsprechenden Carbonsauren mit dhnlicher molarer Masse. Da die Ester-Gruppe im Molekiil polar ist, kénnen aber H-Briicken mit H,0Molekiilen ausgebildet werden, sodass Ester-Molekiile mit kurzen Alkyl-Resten maRig gut wasserloslich sind. Ester sind wichtige Naturstoffe und dabei ander Aromabildung vieler Friichte beteiligt. In Lebensmittelzubereitungen, wie bei den Backaromen, werden auch naturidentische Syntheseester verwendet. Fette sind Ester aus Glycerin (Propan-1,2,3-triol) und langkettigen Fettséuren. Wachse wie Bienenwachs sind Ester aus langkettigen Fettsauren und langkettigen Alkoholen. Esterspaltung. Die einzelnen Teilschritte der Esterbildung sind umkehrbar. Die Esterbildung ist eine reversible Reaktion, bei der sich ein chemisches Gleichgewicht

einstellt. In Gegenwart von Wasser zerfallen Ester teilweise wieder in ihre Ausgangsstoffe.

Saure +Alkohol = Ester + Wasser In Gegenwart von Wasser reagiert ein Ester also wieder zur Carbonsaure und zum Alkohol. Diese Esterspaltung istauch eine Hydrolyse. Der Reaktionsmechanismus fiir die Esterspaltung beschreibt in umgekehrter Reihenfolge den Ablauf der Esterbildung. Auch hier wird die Reaktion durch eine starke Saure katalytisch beschleunigt. Verseifung. Ester konnen auch alkalisch, also durch Zu-

gabe von Hydroxid-lonen (OH") gespalten werden: R-COO-R + OH- — R-COO-+R-OH Die OH™-lonen greifen im ersten Schritt das positiv teilgeladene C-Atom der Ester-Gruppe an. Im zweiten Schritt wird ein Alkoholat-lon abgespalten. Dabei wird gleichzeitig ein Carbonsaure-Molekiil gebildet. Dieses gibt im néchsten Schritt das Proton an die starke Base Alkoholat-lon (R-0) ab. Somit bildet sich bei der Reaktion im alkalischen Milieu anstatt des CarbonsaureMolekiils das Carbonséure-Anion (R-CO0"). Die groRe Basenstarke des R-O™-lons fiihrt dazu, dass die Gleich-

a) #2 Wihlen Sie aus den genannten Carbonsauren A bis C und Alkoholen 1 bis 3 jeweils zwei unterschied-

liche Kombinationen aus und stellen Sie die Reaktionsgleichungen fiir die Bildung des Esters auf. b) Markieren Sie in den Edukten und Produkten die je-

weilige funktionelle Gruppe und benennen Sie diese.

c) Geben Sie die Namen der gebildeten Ester an und erlautern Sie sich gegenseitig die Benennung. A Methanol B Propan-1-ol C Ethanol

1 Methansdure

2 Propansiure

3 Butansiure

d) Zeichnen Sie die Strukturformel fiir Methylethanoat und Propylpentanoat.

s Stellen Sie die Reaktionsmechanismen fiir folgende Reaktionen mit Strukturformeln fiir die jeweiligen

Reaktionsschritte auf. Beschreiben Sie den Reaktionsmechanismus mit begleitendem Text. Stellen Sie Ihre Ergebnisse anschlieRend Ihrem Lernpartner vor: Partner A: Die Bildung von Ethylbutanoat, Partner B: Die saurekatalysierte Hydrolyse von Methyl-

ethanoat. Zur Aufklarung von Reaktionsmechanismen wird mit Isotopen gearbeitet. Uber deren Strahlung oder Masse

kann die Atomsorte dann verfolgt werden. Bei einer Veresterungsreaktion wird Ethanol das schwerere

Sauerstoff-Isotop '®0 verwendet. Nachdem man die

Produkte getrennt hat, findet sich dieses Isotop im ge-

bildeten Ester wieder.

a) Priifen Sie, ob diese Beobachtung mit dem Reaktionsmechanismus {ibereinstimmt.

b) Geben Sie an, welches Ergebnis zu erwarten ist, wenn das 'so-lsotop in der Carbonsäure nachgewiesen

werden kann. c) Erläutern Sie, warum es zum Aufklären des Mechanismus sinnvoll ist, mit Sauerstoff-Isotopen und nicht mit Kohlenstoff-Isotopen zu arbeiten. Viele Nagellackentferner werden heute mit Ethylethanoat (Essigsaureethylester) statt des gelegentlich noch verwendeten Acetons hergestellt. Recherchieren Sie die Eigenschaften der beiden Losemittel und erstellen

Sie einen Flyer als Verbraucherinfo.

Ester kommen in der Natur haufiger vor. Recherchieren Sie Beispiele fiir natiirlich vorkommende Ester.

gewichtslage der alkalischen Esterspaltung weit auf der Seite der Produkte liegt. Da diese Reaktion zur Seifenge-

a) =7 In Ananas und Bananen kommen Buttersaure-

man die alkalische Esterspaltung auch Verseifung.

unangenehm riechen, bei Bananen aber der unange-

winnung aus natiirlichen Fetten eingesetzt wird, nennt

ester als Aromastoffe vor. Begriinden Sie, warum nach

langerer Lagerung schlecht gewordene Ananasfriichte nehme Geruch nicht auftritt.

Ester entstehen in einer saurekatalysierten Reaktion aus Carbonsauren und Alkoholen. Die Esterbildung und die ihre Umkehrung, die Esterspaltung, sind Gleichgewichtsreaktionen.

b) Entwickeln Sie ein Experiment, mit dem Sie lhre

Begriindung (iberpriifen konnen.

1 Stellen Sie anhand der Textinformation den

Mechanismus der Verseifung von Ethylethanoat auf.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

223

Praktikum

Veresterung und Esterspaltung

Versuch 1: Reaktion von Alkoholen mit Carbonséuren

o

OO& &

Materialien: Tropfpipetten, Becherglaser (100 ml),

Eisbad, Wattestopfen, Wasserbad; Essigséure (Eisessig, 2, 5), Butansaure (5, 7), Propansaure (2, 5, 7), Ethanol (2, 7), Pentan-1-ol (2, 7), Schwefelséure (w > 90 %, 5), Natronlauge (w ~8 %, 5) Durchfiihrung: 1. Mischen Sie im Reagenzglas jeweils 2 ml einer Carbonséure mit 2 ml eines Alkohols. Geeignete

Kombinationen sind:

A Essigsaure und Ethanol B Essigsaure und Pentan-1-ol C Propanséure und Ethanol (Abzug!)

D Butanséure und Ethanol (Abzug!)

2. Stellen Sie das Reagenzglas in ein Eisbad. Fiigen Sie vorsichtig 4 bis 8 Tropfen konzentrierte Schwefelséure hinzu. 3. VerschlieRen Sie das Reagenzglas mit einem Wattestopfen schiitteln Sie die Mischung gut

durch. Stellen Sie das Gemisch fiir etwa 40 Minu-

ten in etwa 60 °C warmes Wasser (Wasserbad). 4. Mischen Sie im Becherglas etwa 20 ml verdiinnte Natronlauge mit der gleichen Menge Wasser. GieRen Sie dann jeweils einen Versuchsansatz dazu. Priifen Sie vorsichtig durch Zufacheln den Geruch. Aufgaben: a) Stellen Sie Ihre Ergebnisse in einer Tabelle zusammen, indem Sie den systematischen Namen des

gebildeten Esters und dessen Geruch zuordnen. b) Notieren und deuten Sie Ihre Beobachtungen. Erklaren Sie, warum die Geruchsprobe in einem alkalischen Medium vorgenommen wird. c) Stellen Sie die Reaktionsgleichungen fiir die Bildung der Ester auf und erkléren Sie die Bedeutung der zugesetzten Schwefelsaure. d) Stellen Sie den Mechanismus fiir Reaktion B auf.

e) Ethylethanoat hat eine etwas niedrigere Siede-

temperatur als die Edukte, aus denen der Ester

hergestellt wurde. Zudem ist seine Wasserloslichkeit geringer als die der Edukte. Erklaren Sie diese Befunde unter Nutzung von Molekiilstrukturen und zwischenmolekularer Wechselwirkungen. f) Recherchieren Sie Vorkommen und Verwendung der von Ihnen hergestellten Ester.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

Versuch 2:

Synthese von Oxalsauredimethylester

SLeadd® i

fl

Materialien: Rundkolben (50 ml) Riickflusskiihler, Abdampfschale, Waage, Trockenschrank, 2 Gummischlauche, Stativmaterial, Messzylinder (10 ml), Tropfpipetten, Korkring, Trichter, Filtrierpapier; Oxalsaure (Ethandisaure, 5, 7), Methanol (2, 6, 8), Schwefelsaure (w > 90 %, 5), Natriumcarbonatlésung

(10%ig; 7)

Durchfiihrung: 1. Entwéssern Sie 6 g Oxalsaure mindestens 3 Stun-

denim Trockenschrank bei 130 °C.

2. Wiegen Sie 3 g entwasserte Oxalsaure ab und geben Sie diese Menge in den Rundkolben. Pipettieren Sie anschlieRend 10 ml Methanol hinzu. Fiihren Sie die folgenden Schritte im Abzug durch. 3. Tropfen Sie vorsichtig und unter leichtem Schiitteln 2 ml konzentrierte Schwefelsaure zum

Gemisch im Rundkolben.

4. Bauen Sie eine Riickflussapparatur auf und schlie-

Ren Sie den Kiihler an die Wasserzufuhr und

-abfuhran. 5. Erhitzen Sie mit aufgesetztem Ruckflusskiihler

für 30 bis 40 Minuten zum Sieden. Lassen Sie

anschlielend das Produktgemisch auf Zimmertemperatur abkiihlen. 6. Filtrieren Sie den Feststoff ab und waschen Sie ihn mit 10 ml Natriumcarbonatlésung. 7. Lassen Sie das Produkt im Abzug trocknen und

bestimmen Sie danach seine Masse.

Aufgaben: a) Notieren und deuten Sie Ihre Beobachtungen.

b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung fiir die

abgelaufene Reaktion (Strukturformeln). c) Berechnen Sie Giber die Massen die Ausbeute an

Produkt. d) 4 Erlautern Sie, warum...

- die Edukte absolut wasserfrei sein miissen,

- das Produkt mit Natriumcarbonatlésung gewaschen wird, - das Produkt nicht im Trockenschrank getrock-

net wird.

€) Recherchieren Sie Anwendungsmoglichkeiten der

Oxalséurediester.

Versuch 3: Reaktion von Estern |

e

O0R& -# fli m

Materialien: Tropfpipetten, Erlenmeyerkolben (50 ml), Eisbad, Wasserbad, Wattestopfen, Filtrierpapier;

Schwefelsaure (konz. w > 90 %, 5), Proben: Pentyl-

ethanoat (2), Ethylmethanoat (2, 7), Ethylethanoat

(2, 7) oder n-Butylethanoat (2, 7)

Durchfiihrung: 1. Mischen Sie in einem Reagenzglas 2 ml eines

Esters mit 1 ml Wasser.

2. Stellen Sie das Reagenzglas in ein Eisbad. Fiigen Sie vorsichtig4 bis 8 Tropfen konzentrierte Schwefelsaure hinzu und schiitteln Sie das Gemisch gut durch. 3. VerschlieRen Sie das Reagenzglas mit einem Wattestopfen und stellen Sie es fir etwa 40 Minuten in etwa 60 °C warmes Wasser (Wasserbad). Schiitteln Sie das Gemisch regelmaRig und nehmen Sie dabei vorsichtig Geruchsproben.

4. GieRen Sie den Reaktionsansatzin den Erlen-

meyerkolben und saugen Sie mit einer Tropfpipette etwas Flussigkeit von der Oberflache und in Bodennahe ab. Tropfen Sie diese dann jeweils auf Filtrierpapier. Priifen Sie vorsichtig den Geruch.

Aufgaben: a) Beschreiben Sie die jeweiligen Geriiche und deuten Sie lhre Beobachtungen. b) Stellen Sie die Reaktionsgleichungen fiir die Reak-

tionen auf.

c) Stellen Sie den Reaktionsmechanismus fiir eine der durchgefiihrten Esterspaltungen auf und erklaren Sie daran, weshalb die Veresterung sowie

die Esterspaltung Gleichgewichtsreaktionen sind. d) Begriinden Sie anhand des Mechanismus in

Aufgabe c), weshalb das Reaktionsgemisch durch Zugabe einiger Tropfen Schwefelsaure angesauert werden muss.

Versuch 4: Reaktion von Estern Il

SO

/@fl

Materialien: Erlenmeyerkolben (100 ml),

Messzylinder (50 ml), Magnetrihrer, Riihrstabchen, Messpipette (10 ml), Pipettierhilfe;

Ethylethanoat (2, 7), Natronlauge (verd., 5), Phenolphthaleinlésung (< 0,9 %, 2, 7) Durchführung: 1. Geben Sie 20 ml Wasser und 10 ml Ethylethanoat in einen Erlenmeyerkolben und tropfen Sie drei bis vier Tropfen Phenolphthalein zu. 2. Stellen Sie den Ansatz auf den Magnetriihrer. Riih-

ren Sie den Ansatz mit dem Riihrstabchen durch.

3. Fiillen Sie 2 ml Natronlauge ein. Wiederholen Sie den Vorgang, sobald eine Farbanderung eintritt. Aufgabe: Notieren und deuten Sie lhre Beobachtungen, auch

indem Sie eine Reaktionsgleichung aufstellen.

Versuch 5:

Seifenherstellung im Schnappdeckelglas

SO

Materialien: Tropfpipette, Schnappdeckelglas

(10 ml), Zippbeutel, Papierhandtiicher, Pinzette; Natriumhydroxidpléatzchen (5), verschiedene Speise6le, Ethanol (2, 7), Natriumchlorid Durchfiihrung: 1. Geben Sie 1 ml Speisedl in ein Schnappdeckelglas. Fiillen Sie das Gefal zu 2/3 mit Wasser auf.

2. Geben Sie sechs Platzchen Natriumhydroxid und fiinf Tropfen Ethanol hinzu. 3. Geben Sie das verschlossene Schnappdeckelglas umbhiillt mit Papiertiichern in einen Zippbeutel. 4. Schiitteln Sie das Reaktionsgemisch fiir vier Minuten. Es sollte eine deutliche Erwarmung des Reaktionsgemisches splirbar sein. Wenn nicht, geben Sie noch 1 bis2 Platzchen Natriumhydroxid hinzu. 5. Geben Sie drei bis vier Spatelspitzen Natriumchlorid zum Gemisch und schiitteln Sie erneut kraftig.

6. Nehmen Sie nach dem Abkiihlen die weiße

Schicht an der Phasengrenze des Wassers heraus und entfernen Sie die anhangende Natronlauge durch vorsichtiges Abspiilen mit Wasser.

Aufgaben: a) Notieren Sie Ihre Beobachtungen. b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung fiir die Bildung einer Seife auf. Gehen Sie von einem Glycerin-Molekiil aus, das mit je einem Stearinsdure-,

Olsdure- und Linolséure-Baustein verestert ist.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

225

6.8 Herstellung von Alkenen

Paraffinöl

Katalysalo; Stativklemme

und

®

Absorber

Erwärmen

kräftiges Erhitzen

Wasserbad

—

H>

AAn /H

):

HM

/:

E

H

lr

a

_E

Y

Hn

}]‘

}\‘

Y

E H

1 Modellversuch zum Cracken

2 Cracken - molekular betrachtet

Beivielen Synthesen sind Alkene und Alkine unverzichtbare Zwischenprodukte. Sie sind reaktiver als Alkane und haben mit der Mehrfachbindung &hnlich wie bei einer funktionellen Gruppe einen bevorzugten Reaktionsort im Molekil. Damit ist es moglich, neue Gruppen an gewiinschten Stellen im Molekil einzufiihren. So konnen gezielt Stoffe zu Vertretern anderer Stoffklassen umgewandelt werden. In den fossilen Rohstoffen Erdél und Erdgas kommen Alkene jedoch nur in sehr geringen Anteilen vor. Der GroRteil der benétigten Alkene muss

fahrt. In den genannten Beispielen wird aus dem EduktMolekiil ein kleineres Molekiil abgespalten. Gleichzeitig

daher synthetisiert werden. Fiir die Herstellung kann

man von unterschiedlichen Edukten mit entsprechenden Reaktionswegen ausgehen.

bildet sich zwischen zwei benachbarten C-Atomen eine Doppelbindung aus. Diesen man als Eliminierung.

X D4 R—E—E—R

—

R

H

3

Reaktionstyp

R

H

bezeichnet

—x

Groftechnisch werden Alkene vor allem durch thermisches Cracken von langerkettigen Alkanen gewonnen. In einem Laborexperiment werden Kohlenwasserstoffe aus Paraffindl als Dampf liber einen Katalysator geleitet

Synthese. Eine einfache Herstellungsmethode, die vor allem im LabormalRstab verwendet wird, geht von Alkoholen aus. Mithilfe eines Katalysators, der wie konzen-

trierte

Schwefelséure

hat, kommt

es beim

hygroskopische Erwdrmen

Eigenschaften

des Alkohols zu einer

Wasserabspaltung. Die Reaktion wird daher als Dehydratisierung bezeichnet. Industriell bedeutsam ist die Gewinnung von Ethen aus Ethanol. Vor allem in Léndern,indenen Bioethanol glinstigin groken Mengen zur Verfiigung steht, wird dieses Verfahren genutzt:

HHH

H—é—(j:—Q//

b

——

HOM FQ

HM

+

H‚O SH

Neben Alkoholen eignen sich auch Halogenalkane als Edukte fiir die Herstellung von Alkenen. Halogenalkane kénnen in Substitutionsreaktionen aus Alkanen hergestellt werden. Bei der folgenden Reaktion werden Halogenwasserstoffe abgespalten und man erhalt Alkene. Diese als Dehydrohalogenierung bezeichnete Reaktion wird mit einer starken Base als Katalysator durchge-

226

Reaktionswege in der Organischen Chemie

(Abb. 1). Auf der heiRen Katalysatoroberflache zerfallen

die langerkettigen Molekiile zunachst in Alkyl-Radikale. Durch Ubertragung von H-Atomen reagieren diese Radikale dann weiter zu kurzkettigen Alkan- und Alken-Mole-

kiilen (Abb.2). Wahrend bei den aufgefiihrten Eliminierungsreaktionen die Kette an C-Atomen erhalten bleibt,

flihrt das Cracken durch Spalten von C-C-Bindungen zu kiirzeren C-Atom-Ketten. Im Versuch sammeln sich diese kurzkettigen Kohlenwasserstoffe im Kolben im Eisbad. Die Alkene entfarben Bromwasser. Industriell wird zum Cracken noch vorwiegend Leichtbenzin eingesetzt. Der Crackprozess wird bei Temperaturen von etwa 400 °C durchgefiihrt. Uber die Temperatur und die Verweildauerim Ofen kann der Crackprozess gesteuert werden. Man erhélt aber immer ein Produktgemisch (Abb.3), das noch aufgetrennt werden muss. Inzwischen gelingt es, den Crackprozess mit dem wesentlich preiswerteren Schwer6l durchzufiihren. Führt man die Crackreaktion an einem geeigneten Katalysator in Gegenwart von Wasserstoff durch, erhalt man

tiberwiegend kurzkettige Alkane, die als Kraftstoffe genutzt werden.

35+

4 Anteil in %

Alkene werden iiberwiegend durch Cracken aus Erdölfraktionen gewonnen. Ethen, Propen und Butene sind wichtige Grundchemikalien.

30 257 20

1

15+

a)Beschreiben Sie den Modellversuch zum Cracken

(Abb.1).

b) Erlautern Sie die Funktion der einzelnen Stoffe.

10+

c) E Beschreiben Sie einen Versuch, mit dessen Hilfe

man zeigen kann, dass in dem Kolben im Eisbad kurzkettige Kohlenwasserstoffe kondensieren und nicht

2 3 Produktverteilung beim Cracken von Rohbenzin

wichtige

Chemiestandorte

und

6 bis 12 C-Atomen im Molekiil zusammensetzt. c) $ Diskutieren Sie, wie sich Verdnderungen der Tem-

peratur (PartnerA) und der Verweildauer (Partner B) aufden Crackprozess auswirken. Fiithren Sie lhre Ergebnisse zusammen.

3

aber auch Ethanol, Chlorethan, Ethanal und Ethanséu-

4

re synthetisiert. Diese sind Rohstoffe fiir wichtige All-

dem Buta-1,3-dien durch eine Eliminierungsreaktion

hergestellt werden kann. ¢ Stellen Sie die Reaktionsgleichungen fiir diese

In der Natur wirkt Ethen bei vielen Pflanzen als Hormon, das Wachstum und Reifung von Friichten beeinflusst.

Eliminierungsreaktionen auf. d) Ordnen Sie diesen Eliminierungen die Begriffe

Dies nutzt man in der Lebensmittelindustrie aus. Friich-

te wie Tomaten oder Bananen werden unreif geerntet,

Dehydratisierung und Dehydrohalogenierung zu.

5

tion an einem Butan-Molekül zwei H-Atome durch CIAtome ersetzt werden. Partner B: Geben Sie an, welche Produkte bei der Additonsreaktion eines Chlor-Moleküls an ein But-1-en-Mo-

nen. Butene und Butadiene sind Rohstoffe in der KautButa-1,3-dien

hergestellte

Butadienkautschuk (BR oder BuNa) hat ahnlich gute

Eigenschaften wie Naturkautschuk und ist damit zur Herstellung von Kfz-Reifen geeignet.

Alkine. Kohlenwasserstoffe mit einer C=C-Dreifachbin-

dung im Molekiil bezeichnet man als Alkine. In ihrem Reaktionsverhalten gleichen sie den Alkenen. Der wich-

tigste Vertreter ist Ethin (C;H,). Es kann neben dem Cra-

cken von Kohlenwasserstoffen auch aus Kohle gewonnen werden. Ethin wird fiir organische Synthesen, als Schweilgas und in Brennschneidern verwendet.

a) ’;Cä Partner A: Geben Sie an, welche Produkte entstehen können, wenn bei einer radikalischen Substitu-

Weitere Alkene. Neben Ethen sind Propen, die Butene und Butadiene bedeutsam. Aus Propen wird der Massenkunststoff Polypropen (Polypropylen, PP) gewonaus

a)Zeichnen Sie die Strukturformel fiir Buta-1,3-dien.

b) Nennen Sie einen Alkohol und ein Chloralkan, aus

tagsprodukte wie Waschmittel, Lésemittel und Farben.

Der

a)Erstellen Sie einen Steckbrief zu Ethen. b) Erlautern Sie die Vorteile und Nachteile einer Pipeline fiir Ethen.

und Polyvinylchlorid (PVC) bendtigt. Aus Ethen werden

schukindustrie.

b) Stellen Sie mégliche Reaktionsgleichungen fiir den Crackprozess auf. net, die sich liberwiegend aus Kohlenwasserstoffen mit

Raffinerien. Etwa drei Viertel der Ethenproduktion wird fiir die Herstellung von Kunststoffen wie Polyethen (PE)

transportiert und gelagert. Vor dem Verkauf werden sie zum gezielten Reifen mit Ethen begast.

a)Beschreiben Sie Abb.3.

Hinweis: Als Rohbenzin wird eine Erddlfraktion bezeich-

Ethen. Mit einer Weltjahresproduktion von 150 Millionen Tonnen ist Ethen (C;H,) das wichtigste Alken und zugleich auch die wichtigste organische Grundchemikalie. Die wirtschaftliche Bedeutung zeigt sich auch in dem westeuropdischen Pipelinesystem. Dieses Lei-

tungsnetz verbindet

das verdampfte Paraffinol.

6

lekül entstehen können. b) Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse und bewerten Sie die beiden Reaktionstypen. Berücksichtigen Sie dabei auch die Verfiigbarkeit der Edukte.

% Ethin kann aus Calciumcarbid CaC, und Wasser gewonnen werden. Calciumcarbid wird bei hohen

Temperaturen aus gebranntem Kalk CaO und Kohlenstoff hergestellt. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichungen auf. b) Erstellen Sie ein Poster zur Carbidlampe. c) Erlautern Sie, warum in Deutschland Ethin erst sehr spét aus Erdgas oder Erdél hergestellt wurde.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

227

Praktikum

Darstellung von Alkenen

Versuch 1:

Versuch 2: Modellversuch zum Cracken

2-Brommethylpropan

&

Methylpropen aus 2-Methylpropan-2-ol und aus

&CO -a

Materialien: Kleine Erlenmeyerkolben, durchbohrte Gummistopfen, gewinkelte und gerade Glasrohre, Becherglas als Wasserbad, Reagenzglas, Einwegspritze mit langer Kanüle; Methylpropan-2-ol (2, 7), konzentrierte Phosphorséure (85%;5), 2-Brom-2-methylpropan (2), Kaliumhydroxid (5, 7), Bromwasser (;

®

e

Alkoholen

H—0SO03H

®

2 Technisch wichtige Additionsreaktionen

Reaktionswege in der Organischen Chemie

die Additi-

on von Ethanol an Methylpropen Ethyl-tert-butylether, das als Antiklopfmittel Kraftstoffen zugesetzt wird. Mit

; ©

HH

Wasserstoff

schenprodukte in der chemischen Industrie, da ihre Ha-

le an Doppelbindungen in Fett-Molekiilen (Abb. 3) von

CH,=CH,+ Bry — CH,Br-CH,Br Addition von ...

Doppelbindung kénnen unterschiedliche Reaktionspartner angreifen. In Abb.2 sind solche Reaktionspartner fiir technisch wichtige Additionsprodukte zusammengestellt. Halogenalkane @ und Dihalogenalkane (@) wurden bis zur Jahrtausendwende häufig als Lösemittel und Kältemittel verwendet. Wegen ihres hohen Gefahrenpotenzials für Lebewesen und Umwelt sind sie kaum noch Endprodukte. Sie bleiben aber wichtige Zwi-

®

_é_é_

Schwefelsäure

T dsom

Anzahl

Position der

C-Atome

Name der

Doppelbindung

Fettsäure

Anteil in % an Butter

Olivenöl

Kokosfett

Sonnenblumenöl

4

Buttersaure

9

0

16

0

12

Laurinsäsure

3

1

48

0

14

Myristinsaure

8

1

16

0

16

Palmitinsaure

22

10

9

8

18

Stearinsaure

10

2

3

8

Olsaure

37

78

6

27

Linolsäure

10

9

2

57

30

85

10

135

18

9

18

z

lodzahl

3 Ole und Fette werden durch die lodzahl charakterisiert. Olen addiert. Dabei bilden sich bei Raumtemperatur

feste Fette. Mit diesem Verfahren wird aus Pflanzenélen

Margarine gewonnen. In der Analytik von Fetten und Olen gibt die sogenannte lodzahl Aufschluss liber die Anzahl der Doppelbindungen in Fett-Molekiilen.

Alken-Molekiile kénnen

auch untereinander in einer

Selbstaddition reagieren. Diese Polymerisation genannte Reaktion ist Grundlage der Kunststoffherstellung aus Alkenen.

gative Ladungsdichte begiinstigt den Angriff positiv geladener oder positiv polarisierter Teilchen. Aufgrund

ihres elektronenliebenden Charakters werden die an-

greifenden Teilchen als Elektrophile bezeichnet. Bei der Reaktion wird die m-Bindung gel6st und es entstehen zwei neue o-Bindungen zu den addierten Atomen oder Molekiilgruppen. Diese Reaktion verlauft exotherm. Alkene haben mit der Doppelbindung ein reaktives

Zentrum im Molekiil. Durch Additionsreaktionen

kénnen aus Alkenen gezielt Verbindungen anderer Stoffklassen gewonnen werden.

Elektrophile. Ursache fiir die hohe Reaktivitat der Al-

ken-Molekiile ist die C=C-Doppelbindung. Die hohe ne-

1

a)Vergleichen Sie die in Abb.1 dargestellte Reaktion

4

von Ethen mit Brom mit der Reaktion von Ethan mit Brom. Gehen Sie dabei auch auf die Reaktionsbedin-

2

gungen ein.

Strukturformeln hierfiir auf und geben Sie die Namen der beiden Verbindungen an. b) $ Formulieren Sie die Reaktionsgleichung fiir die

b) Stellen Sie jeweils die Reaktionsgleichung auf und

Addition von Brom (PartnerA) und Bromwasserstoff

a) &) Beschreiben Sie Abb. 2.

c) Priifen Sie, in welchen Fallen sich Isomere bilden

ordnen Sie den Reaktionstyp zu.

b) Stellen Sie fiir je zwei der gezeigten Reaktionspartner die Reaktionsgleichungen fiir die Addition an

Propen auf. Benennen Sie die Produkte und geben die Stoffklassen an.

c) Recherchieren Sie fiir Ihre Produkte die technische

Verwendung und Bedeutung. 3

a)Von But-2-en existieren zwei Isomere. Stellen Sie die

d) Stellen Sie Ihre Ergebnisse als Poster dar. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen fiir die folgenden Additionsreaktionen und nennen Sie den Namen der gebildeten Produkte: A

Ethen und Ethanol

B Cyclohexen und Chlor C Cyclohexen und Chlorwasserstoff

(Partner B) an But-2-en.

kénnten.

5

d) Stellen Sie sich Ihre Ergebnisse gegenseitig vor.

% Die lodzahl gibt an, wie viel Gramm lod an 100 g Fett formal addiert werden kénnen.

a) Erlautern Sie, warum Sonnenblumendl eine gréRere lodzahl als Butter hat. Nutzen Sie die Daten aus Abb. 3.

b) Stellen Sie jeweils die Reaktionsgleichung auf: A formale Addition eines I-Molekiils, B Addition eines Hp-Molekiils. c) Berechnen Sie die Masse an Wasserstoff, die zur Hartung von 1 kg Sonnenblumendl erforderlich ist. Bei der Hartung sollen 10 % der Doppelbindungen erhalten

bleiben.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

6.10 Die elektrophile Addition Enthalpie

Reaktionsverlauf

1 Reaktionsmechanismus und Enthalpiediagramm der elektrophilen Addition

Beim

Reaktionsmechanismus

werden

neben

Eduk-

ten und Produkten auch Ubergangszustinde und Zwi-

schenstufen sowie das Losen und das Ausbilden von

Bindungen beschrieben. Ein Reaktionsmechanismus ist ein Modell zum Ablauf der Reaktion. Eine wichtige Ergdnzung ist das Enthalpiediagramm, mit dem man Einfliisse auf die Reaktion erkldren kann. Ubergangs-

zusténde werden

nur durchlaufen. Sie sind den be-

nachbarten Teilchen umso ahnlicher, je geringer der Enthalpieunterschied ist. Zwischenstufen sind real exis-

tierende Teilchen, die nachgewiesen werden kénnen.

Ableitung

des Reaktionsmechanismus.

Als Beispiel

wird die Addition von Bromwasserstoff an Ethen betrachtet. Die Addition an Alkene verlauft in hydrophilen Losemitteln schneller als in hydrophoben. Das l&sst sich nur erkldren, wenn beim Angriff auf die Doppelbindung lonen entstehen. Diese lonen kénnen durch die polaren Gruppen der Losemittel-Molekiile hydratisiert werden. Die Aktivierungsenergie ist dann niedriger und die Reaktionsgeschwindigkeit steigt. Das angreifende Teilchen kénnte ein Nucleophil wie das Br-lon sein. Diese Hypothese kann man iiberpriifen, in-

dem man die Konzentration an Br-lonen etwa durch

Zugabe von Natriumbromid erhéht. Da die Reaktionsgeschwindigkeit durch diese MaRnahme nicht erhoht wird, kann der Angriff nicht nucleophil erfolgen. Die Reaktion verlduft bei groRerer Bromwasserstoffkonzentration schneller. Das bedeutet, dass die reaktive Stelle im Ethen-Molekiil durch ein polares HBr-Molekiil angegriffen wird. Im HBr-Molekiil ist das positivierte H-Atom das Elektrophil. Nahern sich ein Ethen-Molekiil und ein HBr-Molekl

an, kommt es also im ersten Re-

aktionsschritt zur Anlagerung des H-Atoms an die Doppelbindung. Gleichzeitig lockert sich die H - Br-Bindung.

234

Reaktionswege in der Organischen Chemie

Das Elektronenpaar der Doppelbindung wird um eine Bindung zwischen dem H-Atom des lekiils und einem C-Atom des Ethen-Molekiils fen. Das Elektronenpaar der HBr-Bindung

genutzt, HBr-Mozu kniipverbleibt

beim Br-Atom. Es entstehen ein Carbenium-lon und ein Br™-lon als nachweisbare Zwischenstufe (Abb. 1). Im abschlieBenden Reaktionsschritt greift das Br-lon

am Carbenium-lon an und es bildet sich eine C-Br-Bindungaus. Als Produkt liegt nun Bromethan vor. Elektrophile Addition. Da der Angriff auf die Doppel-

bindung durch ein Elektrophil erfolgt, heiRt diese Reak-

tion elektrophile Addition (Ag). Ein Elektrophil ist ein Teilchen, das positiv geladen ist oder eine positive Teilladung besitzt. Der Reaktionsmechanismus der elektrophilen Addition zeigt zwei Reaktionsschritte. Diese Annahme ldsst sich im Experiment bestatigen. Wenn man bei der betrachteten Reaktion Chloride zusetzt, miissten Cl™-lonen und Br-lonen beim Angriff auf das Carbenium-lon

konkurrieren. Tatsachlich bildet sich im Versuch neben Bromethan auch Chlorethan.

Regel von Markovnikov. Uber den Mechanismus kann man auch erkldren, warum bei der Addition von Brom-

wasserstoff an Propen iiberwiegend 2-Brompropan entsteht. Beim Propen-Molekdil kann sich ein primares

oder ein sekunddres Carbenium-lon bilden. Da das sekundare Carbenium-lon durch den +I-Effekt zweier Alkyl-Gruppen stabilisiert ist, wird es bevorzugt gebildet. Die Regel zur Orientierung der Addition von Halogen-

wasserstoff-Molekiilen an Alken-Molekiile wurde von Wladimir

Wassiljewitsch

MARKOVNIKOV

beschrieben:

Das H-Atom addiert sich immer an dem C-Atom, an dem

schon die meisten H-Atome gebunden sind.

Addition von Brom. Br,-Molekiile sind unpolar. Die Bil-

dung des Elektrophils fur die Additionsreaktion erfolgt durch die Doppelbindung selbst (Abb.2 (D). Die hohe Elektronendichte der Doppelbindung sorgt durch elektrostatische AbstoRung fiir eine Polarisierung des Br,Molekiils. Unter Auflosung der Doppelbindung bindet sich das positivierte Br-Atom an beide C-Atome. Die Br-Br-Bindung wird dabei heterolytisch gespalten @. Es bilden sich ein Bromonium-lon und ein Br-lon. Im zweiten Schritt greift das Br-lon an der Riickseite des Bromonium-lons an @

Es bildet sich ein 1,2-Dib-

romethan-Molekül. Führt man die Reaktion in Brom-

wasser durch, liegt mit dem H,0-Molekiil ein weiteres Elektrophil vor. Das partiell negativ geladene O-Atom im H,0-Molekiil kann ebenfalls das Bromonium-lon an-

greifen. Als Produkt entsteht dann 2-Bromethan-1-ol

2 Mechanismus der Additon von Brom an Ethen

Die Reaktion verlauft schneller, da H,0-Molekiile die io-

nischen Zwischenstufen stabilisieren.

Einfluss des Substituenten. In der Reihe Ethen über Chlorethen bis zu Trichlorethen nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Additionsreaktion deutlich ab. Bei Tetrachlorethen findet gar keine Reaktion mehr statt (Abb.3). Ursache sind induktive Effekte der Substituenten. Ein Cl-Atom (ibt einen negativen indukti-

ven Effekt (-I-Effekt) aus und die Ladungsdichte im Bereich der Doppelbindung nimmt ab. Fiir die Bildung des Carbenium-lons ware viel Energie notig. Der erste Reaktionsschritt der elektrophilen Addition wird so ver-

langsamt oder unmoglich.

Umgekehrt verlauft die Additionsreaktion bei Alkenen mit zunehmender Zahl an Alkyl-Gruppen an der Doppelbindung schneller ab. Durch den +l-Effekt der Alkyl-Gruppen wird die Ladungsdichte im Bereich der Doppelbindung erhéht und der elektrophile Angriff beglinstigt. Das gebildete Carbenium-lon wird stabilisiert. Die elektrophile Addition ist die typische Reaktion fiir ungesattigte Kohlenwasserstoffe. Das angreifende Teilchen ist ein Elektrophil, das eine Addition an die Doppelbindung einleitet.

a) Beschreiben Sie den Mechanismus der elektrophilen Addition mit eigenen Worten. b) Erkléren Sie die Begriffe Elektrophil und Carbenium-

lon (Carbo-Kation).

a) Stellen Sie den Mechanismus fiir die Reaktion von Brom mit Propen auf. b) Beschreiben Sie den Reaktionsablauf mit den ent-

sprechenden Fachbegriffen.

c) % Diskutieren Sie, wie sich die Produktzusammen-

setzung dndert, wenn man die Reaktion nur mit Brom-

wasser (PartnerA) und mit Bromwasser unter Zusatz

von Kaliumbromid (Partner B) durchfiihrt.

a) Erlautern Sie die unterschiedliche Reaktivitat der in Abb.3 dargestellten Alkene bei einer Additionsreaktion mit Chlorwasserstoff. Gehen Sie dabei auch auf den

Reaktionsmechanismus ein. b) Ordnen Sie die Carbenium-lonen aus a) nach steigender Stabilitat. c) Erklaren Sie anhand der Abfolge der Carbeniumlonen die Markovnikov-Regel ab. a) Zeichnen Sie die Strukturformeln fiir die folgenden Verbindungen: But-2-en, Cyclohexen, Propen-1-ol,

Chlorethen b) Ordnen Sie die Verbindungen nach steigender Geschwindigkeit bei der elektrophilen Addition.

¢) 8 Stellen Sie jeweils die Reaktionsgleichung fiir die Additionsreaktion mit Brom auf und geben Sie die

Namen der Produkte an: PartnerA: But-2-en und Chlorethen

Partner B Cyclohexen und Propen-1-ol

Stellen Sie sich Ihre Ergebnisse gegenseitig vor.

Bei der Addition von Brom an Cyclohexen entsteht nur trans-1,2-Dibromcyclohexan. Erlautern Sie diesen

Sachverhalt. 3 Substituenten beeinflussen die Reaktivitdt von Alkenen.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

235

Übersicht

Reaktionstypen und reaktive Teilchen

Reaktionen an organischen Molekülen können nach Reaktionstypen geordnet werden: Hierzu vergleicht man die Moleküle des Edukts mit den

Molekülen des Produkts. Nach Art der Verände-

rung kann man so die Reaktionstypen Substitution, Addition und Eliminierung zuordnen. Daneben

werden auch die Teilchen des Reaktionspartners betrachtet. Diese angreifenden Teilchen unterteilt man abhängig von ihrer Struktur in Radikale, Nucleophile und Elektrophile. Substitution

—:=c2X»

1 2

lonen oder polare sowie leicht polarisierbare Teilchen mit ihrem

tionspartner in Bereichen hoher Elektronendichte wie bei Mehrfach-

bindungen an.

Beschreiben Sie die Reaktionstypen Substitution,

Addition und Eliminierung.

3

Chlorethan aus Ethan entsteht.

des angreifenden Teilchens aus Cl,-Molekiilen

auf.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

tionspartner in Bereichen niedriger Elektronendichte wie beim

der Carbonyl-Gruppe an.

a) Ordnen Sie zu, mit welchem Reaktionstyp

d) Stellen Sie Reaktionsgleichung für die Bildung

lonen oder polare sowie leicht polarisierbare Teilchen mit ihrem

Carbenium-lon oder dem C-Atom

H*, NO;*, S03 S#Br- Br

b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf. ¢) Ordnen Sie das angreifende Teilchen einer Gruppe zu.

236

über den Verlauf ähnlicher

OH”, Br“

Aus Chlorethan lassen sich Ethen und Ethanol

gewinnen. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichungen fiir die beiden Reaktionen auf.

4

b) Ordnen Sie den jeweiligen Reaktionstyp und das angreifende Teilchen zu. Stellen Sie Reaktionsgleichungen sowohl fiir

die homolytische als auch fiir die heterolytische

Spaltung von Brp-Molekiilen auf.

Praktikum

Additionsreaktionen

Versuch 1: Nachweis von Alkenen

%fi?@@ü (3]

77

Materialien: Schraubreagenzglaser, Tropfpipetten; Cyclohexen (2,7,8,9),Oct-1-en (2, 8,9), Spritzen mit selbst hergestellte Gasproben (2) aus den Versuchen 1 und 2 von Seite 228,

Bromwasser (w )\/

c DCh

H

E

—

* Carbenium-lon

B1 a) Erklaren Sie b) Verkniipfen Sie ) Ubertragen Sie Karteikarten oder

A

HH

H—}II—%—I\

H

—

* Grenzformel

die obenstehenden Begriffe. die Begriffe zu einer Conceptmap. die Begriffe und Ihre Erkldrungen auf in digitale Karteikarten.

B2 a) Geben Sie die Namen der VerbindungenA bis E an.

+ KOH —>

>< 4

* Mesomerieenergie, Mesomeriestabilisierung

+ HCL

HH

+ H2

A4 Lösungen von Di-, Tri- und Tetrachlorethan werden mit Brom versetzt. Ordnen Sie die Reagenzgläser den Verbindungen zu. Erklaren Sie das erhaltene Versuchsergebnis.

W

B

IC

c

@—#—H Icu

HH

H—@—%—%—@—H

nn a

HH

b) Überprüfen Sie die Aussagen 1 bis 4 und geben Sie an, für welche Verbindungen sie zutreffend sind:

1 2 3 4

Die Verbindung ist ein Halogenalkan. DieVerbindung ist polar. Der Stoff 16st sich gut in Wasser. Der Stoff ist eine gesattigte Kohlenstoffverbindung.

B3 a) Stellen Sie die Strukturformeln fiir Ethen und Propen auf. b) Nennen Sie den jeweiligen Alkohol, aus dem Ethen

A5 a) Ordnen Sie die folgenden Verbindungen begriindet den Aromaten oder Nicht-Aromaten zu. b) Geben Sie weitere Grenzformeln an. H

H

H

H

H

H

H

H H

H

Lösungen stehen im Anhang.

254

Reaktionswege in der Organischen Chemie

und Propen durch eine Dehydratisierung gewonnen werden konnen. Stellen Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen auf. c) Nennen Sie die jeweiligen Chloralkane, aus dem Ethen und Propen durch eine Dehydrohalogenierung hergestellt werden kdnnen. Stellen Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen auf. B4 Begriinden Sie, welches Halogenalkan jeweils schneller mit Kalilauge reagiert.

A

B

lodmethan oder Chlormethan

1-Brompentan oder 2-Brompentan

B5 Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zutreffend sind. Korrigieren Sie die falschen Aussagen: A Nucleophile Teilchen sind immer negativ geladen. B Tertidre Halogenalkane reagieren mit Nucleophilen nach dem einschrittigen Reaktionsmechanismus. C Zur Herstellung von Bromalkanen aus Alkoholen arbeitet man bevorzugt im alkalischen Bereich. D Das H,0-Molekiil besitzt eine héhere Abgangstendenz als das OH™lon.

B8

Erklaren Sie, wie und warum sich die Nucleophilie

in der Reihe NH,", NHz, NH,* dndert.

B9 Adipinséure (Hexan-1,6-diséure) ist ein wichtiges

Fluorchlorkohlenwasserstoffe nicht mehr verwendet

Edukt bei der Synthese von Nylon. Ein Weg zu ihrer Herstellung geht von einer Mischung von cis-1,4-Dichlorbut-2-en und tans-1,4-Dichlorbut-2-en aus. a) Geben Sie die Strukturformeln der genannten Verbindungen an. b) Schlagen Sie ausgehend von den beiden Dichlorbutenen einen méglichen Reaktionsweg fiir die Synthese von Adipinséaure vor.

Fluorchlorkohlenwasserstoffe.

d) Erlautern Sie, warum beide cis-/trans-Isomere als Edukte geeignet sind.

B6 Wegen ihrer umweltschadlichen Wirkung diirfen werden. a) Erklaren Sie die umweltschadliche Wirkung der

b) Halogenkohlenwasserstoffe lassen sich aus Alkanenund Alkenen herstellen. Zeigen Sie am Beispiel von Chlorethan, wie man Halogenkohlenwasserstoffe aus Alkanen und wie man sie aus Alkenen gewinnen kann. Geben Sie dazu jeweils die Reaktionsgleichung sowie den Reaktionstyp an. ¢) Formulieren Sie zu beiden Reaktionen den Reaktionsmechanismus. Leiten Sie anhand der jeweiligen Mechanismen notwendige Reaktionsbedingungen ab. B7 Leitet man Propen solange in eine gelbgriine Chlor|6sung bis diese entfarbt ist, kann mithilfe der Gaschromatografie 1,2-Dichlorpropan als Endprodukt nachgewiesen werden @ Leitet man Propen durch eine Chlorlösung, in der Lithiumbromid gelöst ist, kann mit-

hilfe der Gaschromatografie 1-Chlor-2-brompropan als weiteres Produkt nachgewiesen werden @ Al

!

c) Geben Sie die Reaktionstypen an.

B10 Bei der Hydrierung von Cyclohexen wird eine Energie von 119,8 kJ - mol™ frei. Hydriert man Cyclohexa-1,3-dien, misst man eine Hydrierungsenthalpie von

-232,1kJ - mol™, Fiir Benzol erhalt man -208 kJ - mol™. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichungen mit Struktur-

formeln auf.

b) Erklaren Sie die gemessenen Hydrierungsenthalpien.

B11 Fiir die Herstellung von Waschmitteln ist die Verbindung p-Dodecylbenzolsulfonsaure von Bedeutung: H25C12©503H Sie kann nach einem mehrstufigen Verfahren gewonnen werden. Schritt I: Die Reaktion von Chlor unter Lichteinwirkung mit Dodecan unter Bildung von 1-Chlordecan.

Schritt II: Reaktion von 1-Chlordodecan mit Benzolin

WE

a) Erläutern Sie den Mechanismus der elektrophilen

Addition und zeigen Sie so die Bildung von 1,2-Dibrom-

proban. b) Erkléren Sie das Auftreten die zusatzliche Bildung von 1-Chlor-2-brompropan im zweiten Versuch. Geben Sie an, welches andere Reaktionsprodukt man formal

noch hatte erwarten kdnnen.

¢) Lasst man Propen mit Bromwasserstoff reagieren, konnen formal zwei isomere Brompropane gebildet

werden. Tatsdchlich erhélt man aber nur ein Produkt.

Geben Sie die beiden méglichen Produkte an. Begriinden Sie, welches der beiden Produkte man im Experi-

ment erhalt.

Gegenwart von Aluminiumchlorid als Katalysator unter Bildung von Chlorwasserstoff und Dodecylbenzol. Schritt llI: Sulfonierung von Dodecylbenzol. a) Stellen Sie den mehrstufigen Prozess als Syntheseweg dar. b) Geben Sie die jeweiligen Reaktionsgleichungen an und benennen Sie den Reaktionstyp. B12 Aspirin®enthélt als Wirkstoff Acetyl o salicylsaure. Sie kann aus Salicylsaure und Essigsaure unter Abspaltung von Wasser hergestellt werden. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln auf. o b) Geben Sie den Reaktionstyp an. c) Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus fiir die Reaktion im sauren Milieu. d) Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus fir die

Reaktion im alkalischen Milieu.

Reaktionswege in der Organischen Chemie 255

_ Trai

g

Reaktionswege in der Organischen Chemie

C1 _ Erdöl zum Kauen?

€2

Ottokraftstoffe enthalten

Natürliche Frische - stundenlang!

Dies verspricht eine

Reklame

für

Kau-

gummis. Doch wer nun glaubt, die sü-

Ren Kaustreifen wiir-

de nur aus Zutaten aus der belebten Na-

tur

.

hergestellt,

wird

schnell eines Besse-

ren belehrt. Zwar ist der Hauptbestandteil Zucker natirlichen Ursprungs, aber schon bei der zweiten

Position auf der Zutatenliste wird man Uberrascht:

Als Kaumassen kommen Kunststoffe wie Polyvinylacetat und Polyisobuten zum Einsatz. Ferner sind noch Emulgatoren, Feuchthaltemittel, Farbstoffe und Aromen enthalten, die auch nicht alle natürlich sind. Der Kunststoff Polyvinylacetat findet auch in anderen Bereichen des taglichen Lebens Verwendung beispiels-

weise als Bindemittel in Anstrichfarben oder als Klebstoff. Zu seiner Herstellung nutzt man Vinylacetat, eine farblose, brennbare Fliissigkeit mit siiRlichem Geruch und einer Siedetemperatur von 72 °C.

Tk

Moderne Antiklopfmittel Zusatze, die eine Selbstent-

ziindung des Luft-Treibstoff-Gemisches in der Verdichtungsphase verhindern sollen. Bei diesen Antiklopfmitteln handelt es sich heutzutage um Ether. Im Vergleich zu aromatischen Verbindungen, die zuvorals Antiklopfmittel eingesetzt wurden, sind Ether weniger toxisch. Zudem fordern sie die Verbrennung und sorgen so fiir einen geringeren SchadstoffausstoR in der Kaltstart-

phase. Wahrend in den 1990er Jahren vorwiegend Me-

thyl-tertbutylether (MTBE) eingesetzt wurde, setzt man

heute fast ausschlieBlich Ethyl-tertbutylether (ETBE) zu. Ausschlaggebend dafiir ist eine Richtlinie, mit der die EU den Anteil von Biokraftstoffen erhéhen méch-

te. Die Edukte fiir die Synthese von MTBE basieren ausschlieBlich auf Erddl. Bei der Herstellung von ETBE kann man dagegen auf Bioethanol zuriickgreifen. In beiden Fallen erfolgt die Herstellung iiber eine Additionsreaktion an Isobuten (2-Methylprop-1-en).

H3 HiC—O—C—CHy CH3 MTBE

iH3 H3C—CH,—O—C—CHj Ha ETBE

Die Veretherung erfolgt an einem sauren Katalysator, der

stationär gebunden ist. Die Edukte streichen in einem kontinuierlichen Prozess am Katalysator vorbei und reagieren dabei miteinander.

Vinylacetat

Polyvinylacetat

a) Entwickeln Sie ausgehend von Ethen und von Ethin mégliche Reaktionswege zur Synthese von Vinylacetat. Geben Sie die notwendigen Reagenzien an und nennen Sie jeweils den vorliegenden Reaktionstyp. b) Formulieren Sie einen méglichen Reaktionsmecha-

nismus fiir die Reaktion von Ethen im ersten Schritt

des Reaktionswegs. Geben Sie begriindet an, wel-

ches Produkt Sie erwarten wiirden, wenn Propen an-

stelle von Ethen verwendet wiirde. ) Polyvinylacetat lasst sich zu einem anderen

Kunststoff, dem Polyvinylalkohol, umsetzen. Die

Reaktion wird unter alkalischen Bedingungen durchgefiihrt. Begriinden Sie diese Maknahme und formulieren Sie eine Reaktionsgleichung.

a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Syn-

these von ETBE. b) Geben Sie an, wie Sie Isobuten im Reaktionsgemisch nachweisen kénnten.

)

Berechnen Sie fiir ein ETBE-Molekiil den Massen-

anteil, der auf der Basis nachwachsender Rohstoffe

hergestellt werden kann. d) ETBE kann auch iiber einen weiteren Reaktionstyp hergestellt werden. Geben Sie an, um welchen Reaktionstyp es sich handelt. Nennen Sie die Edukte und formulieren Sie einen moglichen Reaktionsmecha-

nismus.

e) Erlautern Sie, warum bei der technischen Synthese ein kontinuierlicher Prozess besonders giinstig ist.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

C3 Der Duftstoff des Stinktiers

C4

synthese von Chloropren

Stoff

Gefahrenhinweise

Buta-1,3-dien

hochentziindlich, kann Krebs erzeugen und

vererbare Schaden verursachen

3,4-Dichlorbut-1-en

atzend, entziindlich, gesundheitsgefahrlich beim Einatmen und Verschlucken

2-Chlorbuta-

leichtentziindlich, kann Krebs erzeugen, reizt

1,3-dien

die Augen, die Atmunsgorgane und die Haut

Chlor

giftig, reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut, ist sehr giftig fiir Wasserorganismen

Chlorwasser- giftig beim Einatmen, verursacht schwere Ver-

stoff

atzungen

2 Stinktier

3 Gefahrenpotenzial einiger organischer Stoffe

Stinktiere verdanken ihren Namen ihrem unangenehm

2-Chlorobuta-1,3-dien (Chloropren) dient hauptséch-

riechenden Sekret, das sie zur Abwehr aus ihren Anal-

driisen verspritzen. Bei dem Sekret handelt es sich um ein Stoffgemisch, welches als eine der wichtigen Komponenten 3-Methylbutan-1-thiol beinhaltet:

H3C

Lo

SH

Im Labor kann man diesen Stoff auf zwei verschiedene Arten herstellen. Bei der ersten Variante wird ein Halogenalkan mit Hydrogensulfid (HS”) umgesetzt. Bei der zweiten Variante werden als Edukte ein Alken und Schwefelwasserstoff (H,S) verwendet.

Chemisch gesehen gehort 3-Methylbutan-1-thiol zur Stoffklasse der sogenannten Thioalkohole oder kurz Thiole. Dabei handelt es sich um organische Verbindungen, die eine oder mehrere Thiol-Gruppen (SH-Gruppen) als funktionelle Gruppen tragen. Sie entsprechen Alkoholen, deren O-Atom

Viele Thiole

besitzen

durch ein S-Atom ersetzt ist.

einen

unangenehmen

Geruch.

Dies kann aber auch durchaus nitzlich sein, weshalb

sie auch industriell produziert werden. a) Zeichnen Sie die Strukturformeln der beiden organischen Verbindungen, die jeweils als Edukt fiir die Synthese von 3-Methylbutan-1-thiol dienen kénnen,

und benennen Sie diese systematisch nach IUPAC. b) Stellen Sie fiir jede Synthesevariante des angegebenen Thioalkohols die Reaktionsgleichung auf und geben Sie begriindet den jeweiligen Reaktionstyp

an.

c) Diskutieren Sie fiir beide Synthesevarianten das Auftreten, weiterer Produkte. Beurteilen Sie auf dieser Basis, welche Synthesevariante fiir die Darstellung

von 3-Methyl-1-butanthiol besser geeignet ist.

d) Geben Sie mégliche Anwendungsgebiete fiir Thioalkoholean.

lich als Ausgangsstoff fiir die Herstellung von Chlorbutadien-Kunststoffen wie Neopren®, Ausgangsstoff fiir die Synthese von Chloropren ist Buta-1,3-dien. Dieses wird bei 250 °Cin der Gasphase mit Chlor so umgesetzt, dass tiberwiegend 3,4-Dichlorbut-1-en entsteht. 3,4-Di-

chlorbut-1-en reagiert anschlieRend in Anwesenheit von verdiinnter Natronlauge bei 85 °C formal unter Abspaltung von Chlorwasserstoff zu 2-Chlorbuta-1,3-dien. Buta-1,3-dien kann beispielsweise in Anwesenheit einer Saure und bei Temperaturen von 180 bis 20°C aus

Butan-1,4-diol kontinuierlich hergestellt werden. Bei ei-

ner kontinuierlich ablaufenden Reaktion werden sténdig Edukte hinzugegeben und Produkte entnommen.

a) Skizzieren Sie den Syntheseweg von Chloropropen aus Butan-1,4-diol. Geben Sie dabei die Strukturformeln der an der Reaktion beteiligten organischen

Substanzen an und ordnen Sie den einzelnen Reakti-

onsschritten die Reaktionstypen begriindet zu. b) Erklaren Sie die unterschiedlichen Siedetempera-

turen von Butan-1,4-diol und Buta-1,3-dien. Ermit-

teln Sie die Reaktionsgleichung fiir die Synthese von Buta-1,3-dien und geben Sie die Reaktionsbedingungen an. Entwickeln Sie unter Beachtung der Siedetemperaturen ein Verfahren fiir einen kontinuierlichen Ablauf der Synthese von Buta-1,3-dien aus Butan-1,4-diol. ien C

Butan-1,4-diol

Schwefelsaure

Wasser

230°C

280°C

100°C

c) Erläutern Sie die Reaktionen von Buta-1,3-dien über

3,4-Dichlorbut-1-en zu Chloropropen anhand von Reaktionsgleichungen in Strukturformeln. Ermitteln Sie anhand der Gefédhrdungspotenziale der einzelnen Stoffe die notwendigen SicherheitsmaRnahmen fiir den Syntheseweg.

Reaktionswege in der Organischen Chemie

257

Kapitel

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach Maß Kunststoffe sind überall. In nahezu allen Bereichen unseres Alltags haben sie andere Werkstoffe wie Glas, Holz oder Metalle ersetzt. So auch im

Fahrzeugbau. Der Grund dafür ist einfach: Kunststoffe lassen sich schnell

und für den jeweiligen Anwendungszweck passgenau herstellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich Kunststoffbauteile schon bei der Produktion färben lassen. Die Langlebigkeit eines Kunststoffs erweist sich nach dem Gebrauch jedoch oft als Fluch, wie die aktuelle Diskussion um Mikroplastik im Meer verdeutlicht. Die Weiterentwicklung von Verfahren zur umweltgerechten Wiederverwertung dieser Wertstoffe sind ein großes Forschungs-

feld der chemischen Industrie.

258

Was Sie schon kennen:

In diesem Kapitel lernen Sie:

*

*

wie sich Kunststoffe klassifizieren lassen,

*

welche Vorteile Kunststoffe in den verschie-

Stoffklassen der organischen Chemie (Alkane, Alkene, Alkohole, Aldehyde, Carbonsäuren, Ester und

Aromaten) und deren typische Eigenschaften, »

den rdumlichen Bau organischer Molekiile und verschiedene Schreibweisen, die Molekiilstrukturen darzustellen,

* die Unterschiede in der Reaktivitat der funktionellen

denen Lebensbereichen mit sich bringen,

*

die molekulare Struktur zurückführen lassen,

*

wie Kunststoffe aus Erdöl und aus nachwachsenden Rohstoffen synthetisiert werden und nach welchen Reaktionstypen die Synthese erfolgt,

*

wie man Kunststoffe auf die jeweilige Anwendung hin optimieren kann,

*

wie Kunststoffe zu Produkten verarbeitet werden,

*

welche Umweltprobleme durch

Gruppen organischer Molekiile,

= Substitution, Addition und Kondensation als Reaktionstypen in der organischen Chemie, *

Elektrophile, Nucleophile und Radikale als reaktive Teilchen,

* verschiedene Arten zwischenmolekularer Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Loslichkeit sowie die Schmelz- und Siedetemperatur eines Stoffes.

wie sich die Eigenschaften von Kunststoffen auf

Kunststoffmiill entstehen,

*

wie Kunststoffe wieder verwendet oder

umweltgerecht entsorgt werden kénnen.

Sind Sie fit fiir dieses Kapitel? 1

Benennen Sie die MolekiileA bis G in der nebenstehen-

den Abbildung und ordnen Sie die Molekiile einer der folgenden Stoffklassen zu: Alkane, Alkene, Alkohole, Aldehyde, Carbonsaure, Ester, Aromaten 2 Erkléren Sie die Begriffe Substitutions-, Additions- und Kondensationsreaktion an einem Beispiel. 3

4

Geben Sie ein Beispiel fiir die Entstehung von Radikalen an und stellen Sie die Reaktionsgleichung auf. Nennen Sie die Art der Bindungsspaltung. Zum Nachweis von C=C-Doppelbindungen in orga-

nischen Molekiilen nutzt man deren Reaktion mit Brom-Molekiilen. Stellen Sie am Beispiel von Ethen die Reaktionsgleichung fiir diese Reaktion und den dazu-

gehbrigen Mechanismus auf.

5

Ordnen Sie zu, welche der nebenstehenden Teilchen H bis M als Nucleophil, Elektrophil und Radikal reagieren. Stellen Sie an geeigneten Beispielen einen nucleophilen, elektrophilen und radikalischen Angriff als Mechanismus dar.

A H_H_H_H

H_

S D

H

H}

B_H

E

—H

Hfifc\ A

0

o

HA

Hiiic}lo—z—H

Y,

o

N

S

AT HH

H

I

J

IC

1Br—Brl

H—i—i—H

He HE R

KHH

cH

Lo

r}»

MH

H

Lösungen stehen im Anhang 259

7.1 Kunststoffe sind überall Pl UR DBa

PP PS

O Polycarbonat

PET

1 Kunststoffe im Alltag

Kunststoffe gehoren zu den am weitesten verbreiteten Werkstoffen in Alltag und Technik. Praktisch kein Le-

bensbereich kommt ohne Kunststoffe aus. Allein ein

der Luft- und Raumfahrt oder in der zukunftsweisenden

Blick in die Klche, ins Badezimmer oder in den Kleider-

3D-Druck-Technologie. Das Potenzial für Kunststoffe scheint auch in Zukunft noch unbegrenzt.

klassische Werkstoffe wie Metalle, Glas, Keramik, Holz und auch Fasern wie Baumwolle oder Wolle teilweise verdréngt haben. Der Grund: Kunststoffe lassen sich fiir ihren Verwendungszweck passend herstellen und sind

Kunststoffe sind Kunststoffen war eher dem Zufall Verstandnis tiber

legen. Sie sind organische Werkstoffe nach MaR.

schaften.

Vom Birkenpech zum 3D-Drucker. Bereits in der Stein-

aufgebaut

zeit nutze man

Eigenschaf-

nen organischen Molekiilen hergestellt, den Monome-

ten denen vieler Kunststoffe entspricht. Beim Erwarmen wird Birkenpech fliissig und hartet beim Abkiihlen wieder aus. Durch diese besondere Materialeigenschaft eignete sich Birkenpech besonders fiir die Befestigung

ren (griech. monos: eins; meros: Teil). Die Monomere reagieren miteinander und bilden riesige Molekiilketten

schrank reicht aus, um zu erkennen, dass Kunststoffe

dann inihren Eigenschaften anderen Werkstoffen tiber-

Birkenpech, das in seinen

In der weiteren

Entwicklungsgeschichte

der

Kunst-

stoffe wurden Naturstoffe wie Cellulose oder Proteine chemisch verandert, um die so erhaltenen halbsynthe-

tischen Kunststoffe fiir Menschen nutzbar zu machen.

Einen ersten Meilenstein in der Entwicklung heutiger

Kunststoffe markierte Leo Hendrik BAEKELAND mit sei-

nem 1907 eingereichten Patent. Er hatte den ersten vollsynthetischen Kunststoff hergestellt, der nach ihm

als Bakelit bezeichnet wurde. Trotz weiterer Entwick-

lungen dienten Kunststoffe damals nur vereinzelt als Ersatzstoffe fiir wertvollere Materialien. Der Siegeszug der Kunststoffe begann nach dem Zweiten Weltkrieg. Fortschritte in der Technik lieRen eine glinstige Massenproduktion zu. Die Entwicklung neuer Kunststoffe ergab ungeahnte Materialeigenschaften und erméglichte sowohl eine Verwendung fiir Alltagsgegensténde, als

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach MaR

lichte

die

Makromolekiile. Die Entwicklungvon bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts iiberlassen. Erst das grundlegende den Aufbau der Kunststoffe ermog-

gezielte

Hermann

dass Kunststoffe

von Pfeilen und zum Abdichten von Booten.

260

auch in High-Tech-Bereichen wie dem Fahrzeugbau, in

sind:

Entwicklung

STAUDINGER

nach

einem

von

Materialeigen-

erkannte

als Erster,

gemeinsamen

Kunststoffe werden

Prinzip

aus vielen

klei-

oder Molekiilnetze mit einer molaren Masse von mehr als 10000 g - mol™ (Abb.2). STAUDINGER fiihrte fiir diese organischen Riesenmolekiile 1922 die Bezeichnung Makromolekiile (griech. makros: groB) ein. Eine weitere Bezeichnung fiir Kunststoffe ist Polymer (griech. poly: vielfach). Damit driickt man aus, dass sich in einem Kunststoff die Monomer-Einheiten wiederholen. Makromolekiile in der Natur. Neben den synthetischen oder halbsynthetischen Kunststoffen gibtesauch

nattirliche Makromolekiile. Cellulose, der Faserstoff der Baumwolle, ist wie auch Starke ein Polysaccharid. Beide Stoffe sind aus langen Ketten von TraubenzuckerEinheiten aufgebaut. Seide und Wolle sind natirliche

Proteinfasern. Ihre Monomere sind Aminosduren. Faserverstirkte Kunststoffe. Seit mehreren kommen

vor allem im Fahrzeugbau

fahrt faserverstarkte

Jahren

und in der Luft-

Kunststoffe (FVK) zum

Einsatz.

Einbettungsmasse

aus Kunststoff

G&

Gewebe aus diinnen

Fasern (2 bis 200 um)

Pressen und Aushérten l

Je nach Struktur der Monomer-Molekiile _ fertiger Werkstoff 2 Kunststoffe bestehen aus Makromolekiilen.

3 Herstellung Faserverstdrkter Kunststoffe

Dabei

stoffverbrauch. Man unterscheidet bei den FVKs carbonfaserverstarkte (CFK), glasfaserverstérkte (GFK) und naturfaserverstarkte Kunststoffe (NFK).

sche

handelt es sich um Fasern,

die

in eine

natiirliche oder synthetiKunststoffmatrix

eingebet-

tet sind (Abb.3). Faserverstarkte Kunststoffe sind ein Beispiel fiir Verbundwerkstoffe (Composite). Dies sind

Werkstoffe, in denen mehrere Materialien miteinander kombiniert werden und einen festen Verbund bilden, der neue Eigenschaften aufweist. Der Vorteil fiir den Fahrzeugbau: Faserverstarkte Kunststoffe sind bei gleicher Festigkeit deutlich leichter als vergleichbare Metalllegierungen. Uber die Gewichtsersparnis sorgen FVKs bei Fahrzeugen fiir einen geringeren Kraft-

1

Viele Verpackungen aus Kunststoff sind mit einem drei-

Kunststoffe sind organische Werkstoffe, die aus riesi-

gen Molekiilen bestehen. Diese Makromolekiile (Polymere) werden durch Reaktionen von Monomeren hergestellt.

4

eckigen Recyclingsymbol mit einer Nummer oder der

Abkiirzung der Kunststoffart gekennzeichnet (Abb. 1).

b) Nennen Sie heutige Kunststoffe oder Kunststoff-

Suchen Sie in Ihrem Haushalt nach Kunststoffverpackungen mit einem Recyclingsymbol und listen Sie iiber drei Tage die Verpackungsmaterialien sowie die Sie die Kunststoffarten und deren Haufigkeit in Ihrem

produkte, die in der Anwendung dem Birkenpech analogsind. a)Recherchieren Sie Gegenstande aus Bakelit. b) Informieren Sie sich tiber weitere Meilensteine der

untereinander. Suchen Sie Moglichkeiten, den Ver-

und stellen Sie diese als Zeitstrahl mit Erlauterungen

brauch an diesen Kunststoffen zu reduzieren.

zu den entwickelten Stoffen sowie den historischen

Kunststoffarten auf. Erstellen Sie ein Diagramm, in dem

Haushalt aufzeigen. Vergleichen Sie die Diagramme 2§

Informieren Sie sich iiber die in den folgenden An-

wendungsfeldern genutzten Kunststoffe. Erstellen Sie

Plakate. Fiihren Sie anschlieRend einen Galeriegang durch.

5

Kunststoffentwicklung, ausgehend von BAEKELAND, Ereignissen dar.

6! & Bei den olympischen Spielen in Helsinki 1952 ver-

wendeten Stabhochspringer noch Stibe aus Bambus und erreichten eine Sprunghdhe von bis zu 4,55 m.

PartnerA: Medizin; Partner B: Fahrzeugbau; PartnerC:

Seit den 1960er Jahren nutzen die Athleten Stabe aus

Textilindustrie; Partner D: Sport; Partner E: Kiiche; Part-

glasfaserverstarkten Kunststoffen, spater aus Stabe aus CFK. Heute liegt der Weltrekord bei tiber sechs Me-

ner F: Spielwaren

3

a) Erklaren Sie die besondere Eignung von Birkenpech fiir die Befestigung von Pfeilen oder zum Abdichten von Booten.

Beschreiben Sie den allgemeinen Aufbau und die Herstellung von Kunststoffen mithilfe von Abb. 2. Verwenden Sie dabei die Begriffe Makromolekiil, Polymer und Monomer.

tern. Beschreiben Sie den Aufbau von GFK und CFK und begriinden Sie daran die Vorteile fiir den Stabhoch-

sprung.

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach MaR

261

Projekt

Identifizierung von Kunststoffen

Das Labor eines Recyclingunternehmens hat Kunststoffproben ohne Kennzeichnung erhalten. Für ein sortenreines Recycling muss nun ermittelt werden, welche Kunststoffe sich hinter den Proben verber-

Forschungsauftrag 1: Verbrennungsanalyse

o

gen.

Arbeitsauftrag:

=88 77

Materialien: Feuerfeste Unterlage (Keramikfliese),

Ermitteln Sie, um welchen Kunststoff es sich bei

Gasbrenner, Stativmaterial, Trichter, Kunststoffspritze (60 ml) oder Kolbenprober, Luer-Lock-Schlauchadapter, Silikonschlauch,

Ihrer Probe handeln könnte. Führen Sie hierzu die entsprechenden Versuche und Forschungsaufträge durch. Protokollieren Sie Ihre Beobachtungen und

Erlenmeyerkolben (150 ml) oder groRes

werten Sie diese im Sinne der Aufgabenstellung aus.

Reagenzglas; Kalkwasser, Watesmo-Papier, Kunststoffprobe (kein

Nutzen Sie auch die weiteren Informationen auf dieser Doppelseite - insbesondere Abb. 1.

PVC)

Aufgaben: a) Entwickeln Sie mithilfe der angegebenen Materialien einen Versuch, mit dem Sie nach-

Qualitative Elementaranalyse

Nachweis von C-und H-Atomen:

weisen können, inwiefern in den Molekülen Ihrer Kunststoffprobe C-Atome und/oder H-Atome

Eine Probe wird verbrannt oder mit Kupferoxid in einem Reaktionsrohr umgesetzt. Die gasférmigen

gebunden sind. Die Probenmenge sollte 5 g nicht

Produkte leitet man auf Watesmo-Papier, welches

Uberschreiten.

weiBes Kupfersulfat enthalt. Zusatzlich fihrt man mit den Verbrennungsgasen die Kalkwasserprobe durch. Die Blaufarbung des weien Kupfersulfats ist ein positiver Nachweis auf Wasser; die Triibung des

b) =7 Vergleichen Sie lhre Planung mit der Check-

Karte und fiihren Sie den Versuch entsprechend durch.

Kalkwassers weist Kohlenstoffdioxid nach.

Nachweis von O-Atomen:

Versuch 1: Indirekter Nachweis von O-Atomen im Molekiil

Ein Nachweis ist direkt nicht moglich; die Verbren-

nung von Kunststoffen liefert jedoch Hinweis: In der Regel verbrennen Kunststoffe ohne gebundenen Sauerstoff unter starker RuRentwicklung. Kunststoff-

oo

proben, die O-Atome in den Molekiilen enthalten,

zeigen nur wenig RuBbildung.

Materialien: Gasbrenner, Pinzette;

Kunststoffproben

Nachweis von Halogen-Atomen: Chlorhaltige Kunststoffe setzen beim Verbrennen Chlorwasserstoff frei. Wéssrige Losungen von Chlorwasserstoff ergeben mit Silbernitratlosung weile Niederschlage.

Kunststoff Polyethen

Polypropen

Polystyrol Polyamid

Polyvinylchlorid

Polycarbonat

Polymethylmethacrylat

Abkiirzung sauerstoff- halogenhaltig haltig PE

-

-

PS

-

-

PP PA

PVC PC

PMMA

-

+

der RuRbildung.

Qualmfarbe (Schwelen)

pH-Bereich Schwelqualm

weiß

neutral

weiß

neutral

-

+

-

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach Maf

Gasbrenner (Abzug!) und beurteilen Sie die Starke

weiß

+

+

Durchfiithrung: Entziinden Sie Stiicke der Kunststoffproben mit dem

-

=

1 Eigenschaften ausgewdbhlter Kunststoffe

262

i177

Schmelzbereichin °C

Bruchverhalten

I8semittelbeständig

105-120

biegsam

ja

80-100

hart

nein

hart

ja

neutral

105-120

braun

alkalisch

180-250

biegsam

braun

sauer

220-230

hart

braun weiß

sauer

neutral

75-110 85-100

hart

hart

ja

ja

nein

nein

Versuch 2: Schmelzbereich

Versuch 4: Bruchverhalten

77 m0

Materialien: Reagenzglas, Glasstab, Thermometer,

Olbad (mit Speised| zur Halfte gefiilltes Becherglas) Waage, Heizriihrer, Magnetriihrstab; Kunststoffproben Durchfiihrung: 1. Geben Sie etwa 0,1 g einer Kunststoffprobe in ein

Reagenzglas und stellen Sie es in das Olbad.

2. Erwdrmen Sie das Olbad und priifen Sie in regelmaRigen Abstanden mit dem Glasstab auf ein begin-

nendes Erweichen des Kunststoffs. Notieren Sie die Temperatur des Olbads.

Aufgabe: Erklaren Sie die Verwendung eines Olbads anstelle eines Wasserbads.

Versuch 3: Schwelprobe und Halogennachweis

D

oo

Materialien: Gasbrenner, Reagenzglas, Glasstab,

Watte, Pinzette, Waage, Universalindikatorpapier; Kunststoffprobe, Silbernitratlosung (1%, 7, 9) Durchfiihrung:

'l

Materialien: Kunststoffproben Durchfiihrung: Biegen Sie streifenférmige Proben der Kunststoffe mehrfach hin und her.

Versuch 5: Losemittelbestandigkeit

®O

mI

Materialien: Becherglas, Spatel, 2 Pinzetten;

Ethylethanoat (2, 7), Kunststoffproben Durchführung: 1. Prüfen Sie durch Kratzen mit dem Spatel die Oberflächenbeschaffenheit der Kunststoffprobe. 2. Tauchen Sie die Kunststoffprobe für einige Minuten vollständig in Ethylethanoat ein. 3. Prüfen Sie nach dem Abtrocknen der Probe die Oberflachenbeschaffenheit mit dem Spatel. 4. Biegen Sie die Kunststoffprobe mehrfach. Aufgabe: Vergleichen Sie die Oberflaichenbeschaffenheit und

das Bruchverhalten der Probe vor und nach dem Losemittelbad.

1. Geben Sie etwa 0,1 g einer Kunststoffprobe in ein

Reagenzglas. 2. Befestigen Sie einen 2 cm langen und mit destilliertem Wasser angefeuchteten Universalindikatorpapierstreifen unterhalb der Reagenzglasdffnung. VerschlieRen Sie die Offnung mit einem locker zusammengedriickten Wattebausch. 3. Erhitzen Sie die Kunststoffprobe kraftig mit dem Gasbrenner, bis Schweldampfe den Wattebausch

erreichen. hend. 4. Entfernen zette und benetzten

Stoppen Sie das Erhitzen dann umgeSie den Wattebausch mit der Pinhalten Sie einen mit Silbernitratlésung Glasstab in das Reagenzglas.

Aufgabe: Erklaren Sie eventuelle Veranderungen der Silbernitratlésung und stellen Sie eine Reaktionsgleichung

fir die ablaufende Reaktion auf.

Forschungsauftrag 2: Dichtebestimmung verschiedener Kunststoffe

©o

C

Materialien: Becherglas (600 ml), Messzylinder (100 ml), Dichtespindeln (0,7-2g- ml"'), Glasstab; Kunststoffproben, Kochsalz, Spilmittel Aufgaben: a) Entwickeln Sie einen Versuch, mit dem sich ein Gemisch von Kunststoffschnipseln mithilfe von

Dichteunterschieden trennen l&sst.

b) 57 Kontrollieren Sie Ihre Versuchsdurchfiihrung

mithilfe der Check-Karte und fiihren Sie den Versuch durch.

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach Maf

263

7.2 Die Molekiilstruktur bestimmt die Eigenschaft

I)

ii l( )

Druck

} (’( w"

1 Verschiedene Molekiilstrukturen von Kunststoffen: Thermoplast (), Duroplast (), Elastomer (C), bei Druck (D) Bei der Vielfalt an Kunststoffen im Alltag verliert man leicht den Uberblick. Betrachtet man jedoch die me-

darauf, dass die Makromolekiile iiber Elektronenpaar-

sich Kunststoffe gut voneinander unterscheiden und in

bindungen ein dreidimensionales Netzwerk bilden (Abb.1B). Da Elektronenpaarbindungen um ein Vielfaches stérker sind als die zudem noch zwischen den

Klassen einteilen: Einige von ihnen sind weich federnd,

Molekiilketten bestehenden Wechselwirkungen, bleibt

chanischen

und

thermischen

Eigenschaften,

lassen

andere dagegen nicht verformbar. Eine dritte Gruppe

verandert ihre Form besonders beim Erwarmen. Diese Eigenschaften bestimmen einerseits Einsatzbereiche und andererseits auch Verarbeitungsmoglichkeiten des jeweiligen Kunststoffs. Nach diesem Verhalten beim Erwarmen und bei mechanischer Belastung unterteilt man Kunststoffe in drei groRe Gruppen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere Thermoplaste. Die meisten Substanzen haben eine genau bestimmbare Schmelztemperatur. Viele Kunststoffe erweichen dagegen in einem Temperaturbereich und gehen in diesem Temperaturbereich vom festen in den fliissigen Zustand (iber. Solche Kunststoffe bezeichnet man als Thermoplaste. Das langsame Erweichen bei Temperaturerhohung

[dsst sich

auf ihre Struktur zu-

riickfiihren: Thermoplaste bestehen aus linearen oder wenig verzweigten Makromolekiilen unterschiedlicher

Lange (Abb.1A). Die einzelnen Makromolekiilketten werden untereinander nur durch H-Briicken oder Vander-Waals-Wechselwirkungen (temporare Dipole) zu-

die Struktur des Netzwerks

beim

Erhitzen erhalten.

Dies erklart die Formstabilitat der Duroplaste. Bei sehr hohen Temperaturen jedoch werden Elektronenpaar-

bindungen gespalten und das Netz der Molekiilketten

zerreifdt. Der Duroplast verkohlt.

Elastomere.

Kunststoffe wie Gummi

oder auch

die

Polsterung in einem Sofa sind Elastomere. Diese Kunststoffe lassen sich durch Zug oder Druck leicht verformen, nehmen ihre alte Form jedoch wieder ein, sobald der Zug oder Druck nachlassen. Elastomere sind also formstabil und elastisch zugleich. Die Molekiilstruktur von Elastomeren dhnelt der Struktur der Duroplaste; die Verkniipfungsstellen liegen allerdings viel weiter auseinander, sodass das Netz aus Makromolekiilen

weitmaschiger ist. Unter Zug und Druck lasst sich das Netz verzerren (Abb.1C und D). Bei hohen Temperatu-

renwird das Netzwerk jedoch aufgrund der starken Molekiilschwingungen so stark gedehnt, dass die Elektro-

nenpaarbindungen brechen und die Struktur zerstért

wird.

sammengehalten. Wird der Kunststoff erwarmt, geraten

die Makromolekiile in Schwingungen. Die zwischenmolekularen Wechselwirkungen werden tiberwunden und

die Makromolekiilketten kdnnen dann aneinander vorbeigleiten. Der Thermoplast erweicht und schmilzt. Bei der Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe wird diese Eigenschaft genutzt. Duroplaste. Im Gegensatz zu thermoplastischen Kunststoffen werden Duroplaste auch bei hohen Temperaturen nicht weich oder zahfliissig. Dieses Verhalten beruht

264

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach MaR

Verarbeitung von Thermoplasten. Unter den Kunststoffen bilden die Thermoplaste die groRte Gruppe. Fiir deren Verarbeitung wird das Thermoplastgranulat zu einer zahflussigen Schmelze erwarmt, die dann aufver-

schiedene Weisen weiterverarbeitet wird.

Beim SpritzgieBen (Abb.3) wird die Kunststoffschmelze unter hohem Druck in eine Spritzgussform (Werkzeug) gepresst. Nach dem Abkiihlen wird das fertige Formteil ausgeworfen.

a) ( Beschreiben Sie die molekulare Struktur von

Thermoplasten (Partner A), Duroplasten (Partner B)

und Elastomeren (Partner C) (Abb. 1). b) Erkléren Sie auf der Grundlage der Struktur die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Kunststoffklassen. c) Zeichnen Sie die Molekiilstruktur eines Elastomers, das unter Zug steht und eines Elastomers, das erwarmt

wird.

d) Erstellen Sie ein gemeinsames Plakat.

a) &% Informieren Sie sich iiber die Verwendungvon

Kunststoffen im Alltag: Thermoplaste (Partner A), Duroplaste (Partner B), Elastomere (Partner C) 2 Moderne Kunststoffe sind vielseitig und widerstandsféhig. Hohlkérper wie PET-Getrankeflaschen werden durch Blasformen hergestellt. Anstelle des Granulats wird ein durch SpritzgieRen hergestellter Vorformling durch Infrarotstrahler erwarmt und anschlieBend heiR in eine Hohlform (Werkzeug) gefahren. Hohlform und Vorformling werden eingeschlossen, sodass kein Gas ent-

weichen kann. Durch Einleiten von Druckluft in den Vorformling wird dieser ausdehnt und in die Werkzeugkontur gepresst. In erkaltetem Zustand lasst sich der so erzeugte Hohlkérper aus dem Werkzeug auswerfen.

Fasern stellt man durch Schmelzspinnen her: Der heiRe, zahflissige Thermoplast wird dabei durch feine Spinndiisen gepresst. Die entstehenden diinnen Faden werden durch Kaltluft gekiihlt und erstarren dadurch sehr

schnell. AnschlieBend lassen sich die Fasern aufwickeln und weiterverarbeiten. Kunststoffe werden nach ihren thermischen und mechanischen Eigenschaftenin Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere eingeteilt.

b) Fertigen Sie mit Ihren Rechercheergebnissen eine

Prasentation an. a) Nennen Sie Kunststoffgegenstande beim Kanusport. Ordnen Sie die Gegenstande den Thermoplasten,

Duroplasten oder Elastomeren zu b) Begriinden Sie lhre Zuordnung gen physikalischen Eigenschaften und den molekularen Aufbau des

stoffs.

2 Thermoplastische Kunststoffe werden durch Spritz-

gieen (Partner A) oder durch Blasformen (Partner B)

verarbeitet.

a) Recherchieren Sie jeweils einen Gegenstand, der mit einem der beiden Verfahren hergestellt werden kann.

b) Begriinden Sie, warum diese Verfahren nicht zur Verarbeitung duroplastischer Kunststoffe geeignet sind. a) 8, PartnerA: Beschreiben Sie in einem zusammen-

hangenden Text die Produktion eines Kunststofftellers

durch SprieRgiefen (Abb. 3). Partner B: Stellen Sie in einem FlieRschema die Arbeitsschritte des Blasformens dar. b) Erklaren Sie sich gegenseitig lhre Ergebnisse. % 25, Erklaren Sie folgende Beobachtungen auf der molekularen Ebene und unter Einbeziehung energetischer

Aspekte. Tauschen

festes

Kunststoffgranulat

Sie sich anschlie-

Rend aus. Kunststoff-

Werkzeug fi r

schmelze

(Abb. 2). tiber die notwendider Gegenstande jeweiligen Kunst-

Trichter

Formteil

PartnerA: Zieht man

Halterung

ein Gummiband in

die Linge, erwarmt

sich das Gummiband leicht.

Partner B: Beim Erwéarmen wird ein gedehntes

Gummiband kiirzer.

[ Summiband 10em

ga

3 SpritzgieRen zur Herstellung von Kunststoffprodukten

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach Maß

265

7.3 Ungesättigte Monomere polymerisieren Elektron bildet eine Einfachbindung mit dem ungepaar-

ten Elektron des Radikals aus. Das zweite Elektron der m-Bindung verbleibt beim zweiten C-Atom. Es entsteht ein Alkyl-Radikal. H,C=CH

+

H2C=CH

1 Bildung von Polystyrol

Kunststoffe lassen sich durch verschiedene Polyreaktionen herstellen, in denen die Monomere zu Makromolekiilen verkniipft werden. Eine davon ist die Polymerisation. Fiir diese Polyreaktion missen die Monomer-Molekiile C=C-Doppelbindungen enthalten. Die Doppelbindungen werden in einem mehrstufigen Reaktionsmechanismus aufgelést und es entstehen Einfachbindungen, iiber die die Monomer-Molekiile

miteinander verbunden sind. Die Produkte einer Polymerisation werden als Polymerisate bezeichnet. Sie sind meist kettenformig. Polymerisationsreaktionen erfolgen héufig nach einem radikalischen Mechanismus. Dieser wird am Beispiel der Bildung von Polystyrol aus Styrol-Monomeren vorgestellt (Abb. 1).

Im zweiten Schritt dieser Kettenreaktion reagiert nun das entstandene Alkyl-Radikal in gleicher Weise mit einem weiteren Styrol-Molekiil. Dabei entsteht ein weiteres Alkyl-Radikal, dessen Kette an C-Atomen um eine

Monomereinheit verlangert ist. Die Kettenverlangerung

der Alkyl-Radikale lasst sich beliebig oft wiederholen.

Radikalische Polymerisation. Wie bei jedem radika-

lischen Reaktionsmechanismus miissen auch bei der radikalischen Polymerisation zunéchst Radikale, also Atome oder Molekiile mit ungepaarten Elektronen, er-

zeugt werden. Bei der Herstellung von Polystyrol aus Styrol erfolgt dies durch zugesetzte Radikalstarter (Initiatoren), deren Molekiile durch Erwérmen oder ener-

giereiche Strahlung leicht in Radikale zerfallen. Beispie-

le fiir Radikalstarter sind Peroxide wie Dibenzoylperoxid oder Cumolperoxid. Bei der Radikalbildung werden Einfachbindungen in den Molekiilen so gespalten, dass bei beiden Atomen der Bindung je ein Elektron verbleibt.

Man spricht von einer homolytischen Bindungsspaltung.

Vereinfacht lasst sich die Radikalbildung wie folgt dar-

stellen. Re steht dabei fiir ein Radikal.

RR

_Zefal y 9 R

Durch diese Startreaktion wird die Polymerisation in Gang gesetzt. Jedes Radikal reagiert anschließend mit einem Styrol-Molekül. Dabei greift das Radikal an einem C-Atom der C=C-Doppelbindung an. Die t-Bindung der Doppelbindung wird homolytisch gespalten. Das eine

266

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach Maß

Mit fortschreitendem Reaktionsverlauf vermindert sich

die Anzahl der Styrol-Molekiile. Gleichzeitig steigt die Anzahl der Radikale an, wodurch

die Wahrscheinlich-

keit fiir Kettenreaktionen abnimmt und die fiir das Aufeinandertreffen von Radikalen steigt. Reagieren nun zwei Radikale miteinander, bildet sich eine Elektronenpaarbindung zwischen ihnen aus. Es kommt zum

Kettenabbruch.

el

HH

e H

H

H

—

H

Je nach Art und Struktur der Monomere nach dem

gleichen

lassen sich

Reaktionsmechanismus verschie-

dene Polymerisate herstellen (Abb. 2).

stnllkturfor -

M Nal H 7 H H

mel

Monomer

Ethen Ethylen

Polymer

Polyethen (PE)

H )c —d H

H}:

CH3

H

F>CA200°C

Polyethen

140-200°C

a) Zeichnen Sie von jedem dieser drei Beispiele einen Strukturausschnitt, der die Wiederholungseinheit der Makromolekiile zeigt. b) Begriinden Sie, warum es sich bei HeifRklebern um thermoplastische Kunststoffe handeln muss. ) Erklaren Sie auf der Grundlage der Moleklstruktur die unterschiedlichen Schmelz- und damit Applikations-

b) Erklaren Sie am Beispiel eines Strukturausschnitts

des Polykondensats, warum der Kunststoff im Kérper

abgebaut werden kann. Benennen Sie den dabei ab-

laufenden Reaktionstyp und begriinden Sie, weshalb bei der Verstoffwechselung keine Gefahrdung fiir den Organismus auftritt. B8 Gegeben ist der folgende Strukturausschnitt eines

Kunststoffs.

S Z . S "'ifllZH—(‘fHf@—Q—CHZ%Hgffiffi*fi?H—éHfofim-

F0Lo o _in

FQL o1 O —in

=

—

1.=

---—@—CH—EH—C—Q—CHg—CHg—g—(‘I—CH—iH—C—Q-—-O

H2

O

(He

a) Erläutern und begründen Sie, ob es sich um einen thermoplastischen oder um einen duroplastischen

Kunststoff handelt.

b) Beschreiben Sie, wie Sie diesen Kunststoff herstel-

len können. Geben Sie Namen und Strukturformeln der Monomere sowie die Polyreaktionen an.

temperaturen.

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach Maß

285

Training C1

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach Ma3 a) Stellen Sie den Mechanismus der Herstellung von PVC aus Vinylchlorid auf. Erklaren Sie die Vorgéange. b) Zeichnen Sie einen Strukturausschnitt des Makro-

Bdden und Spielzeug aus PVC - ein Problem?

molekiils und erklaren Sie, welche Wechselwirkun-

gen zwischen PVC-Makromolekiilen vorliegen. )

Erlautern Sie, was beim Verschweifien der Nahtstel-

len von PVC-Platten auf molekularer Ebene ablauft.

d) Erkléren Sie die Unterschiede zwischen Hart-PVC und Weich-PVC mithilfe der Strukturen der Makro-

molekiile. Fertigen Sie auch eine Skizze an, die die

Wirkung von Pthalaten auf Teilchenebene verdeutlicht.

H3Q

AI

e) Bisphenol A dient nicht nur als Weichmacher, sondern wird zur Herstellung von Polycarbonat in groRen Mengen als Edukt eingesetzt. Bei Polycarbonat konnte bisher aber keine gesundheitsschadliche Wirkung von Bisphenol A nachgewiesen werden. Stellen Sie hierfiir eine Hypothese auf und geben Sie eine Gleichung fiir die Bildung von Polycarbonat an.

H3

f)

Dimethylphthalat

il

-

icu PVC

cher aus dem Weich-PVC diffundieren konnen und

sich im Fettgewebe anreichern kdnnen. Stellen Sie eine Hypothese auf, weshalb gerade in Kindergarten héhere Gehalte an Weichmachern in der Luft gemessen werden.

g) Bewerten Sie den Einsatz von Weichmachern.

CH.

Polycarbonat

2 Weichmacher und Ausschnitte von Makromolekiilen

C2 Biokunststoffe

Hart-PVC und Weich-PVC

Alles fiir die Tonne?

weicht erst bei rund 80 °C und hat eine Zugfestigkeit

die Flut an Plastikmiill einddmmen und so fiir ein

Hart-PVC hat eine Dichte von etwa 1,39 g+ cmer-

von bis zu 75 N - mm2

Durch Zugabe von Weichma-

chern wie Phthalaten oder BisphenolA (Abb.2) entsteht Weich-PVC. Die Dichte von Weich-PVC betragt

etwa 1,3 g - cm™, die Zugfestigkeit bis zu25 N - mm™2

Weich-PVC ist bereits bei Temperaturen unter 0°C

biegsam. Die fiir die Herstellung von Weich-PVC ver-

wendeten Weichmacher stehen in der Kritik. Viele von ihnen wirken ahnlich wie kérpereigene Hormone und kénnen das Hormonsystem des Korpers durcheinander bringen. Weichmacher werden unter

anderem mit Missbildungen der Geschlechtsorgane, verfriihter Pubertat

und

spateren

Stérungen

Fruchtbarkeit in Verbindung gebracht.

der

Einer der meist produzierten Kunststoffe ist Polyvinylchlorid (PVC), etwa fiir Spielzeuge oder Bodenbela-

ge. Verlegt werden PVC-Béden (,Vinylboden®) meist in Bahnen oder als Platten. Fiir bestimmte Anwendungen missen die Verbindungsstellen verschlossen werden. Dies geschieht durch Einschmelzen einer Kunststoff-

schnur mithilfe einer Art HeiRklebepistole (Abb. 1).

286

Erkléren Sie anhand der Struktur, weshalb Weichma-

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach MaR

Kunststofffolien aus Polymilchsaure (PLA) sollen

gutes Gewissen sorgen. Manche Bestimmungen von Abfallentsorgern scheinen jedoch nur schwer nach-

vollziehbar. So darf der Biomdillbeutel selbst nicht

in die Biotonne. Der Grund: In vielen Kompostieranlagen verrotten die Beutel zu langsam. Die Entsorgung in der Gelben Tonne sei ebenfalls keine gute Idee, befinden Experten, da PLA auch hier ein Problem ist. Eigene Wiederverwertungsanlagen dafiir gibt es nicht. So entpuppt sich ausgerechnet die Ent-

sorgung als das gréRte Problem des Bioplastiks. Die

vermeintlich umweltfreundlichen Millbeutel wirft man am besten in den Restmiill, so die Empfehlung

von Umweltschutzexperten. a) Zeichnen Sie einen Strukturausschnitt eines PLAMolekiils und geben Sie die Polyreaktion an, durch die der Kunststoff hergestellt werden kann. b) Nehmen Sie Stellung zur Verwendung von Biokunststoffen fiir Abfallbeutel zur Empfehlung der Experten, Biokunststoffe im Restmiill zu entsorgen.

C3

Wasserabweisend und doch atmungsaktiv Wasserdampf

C4

Komposite - Werkstoffe fiir Zahnfiillungen

Setzt der Zahnarzt eine sogenannte Kunststofffiillung

Regen

ein, dann handelt es sich nicht um ein reines Polymer,

AuBenseite

sondern um einen Verbundstoff aus einer organischen Polymermatrix und einem anorganischen Fiillmaterial wie beispielsweise Silikate, Oxide, Quarzglas. Solche

Kunststoffe nennt man Komposite. Zur Herstellung der

Schutavlies

pree Membran

weiches

Innenseite

Innenfutter

organischen Polymermatrix nutzt man mit bifunktionellen Molekiilen:

T

Polyester

[& u

-

CH3

hydrophiler -,

]

Polyether

C-R'-0

Y

H2C=$—C—Ö—R—Ö—C—$=CH2

3 Aufbau einer Funktionsjacke aus Gore-Tex®

hydrophober

Methacrylate

LR

CH3

Comonomere

mit

ähnlichem

werden

Monomermasse

molekularen

Aufbau

sorgen für die Vernetzung der Polymerketten. Zudem

der

Fotoinitiatoren

wie

Benzoinmethylether zugefügt, die bei Belichtung mit

UV-Licht zerfallen: 4 Ausschnitt einer Sympatex®-Membran

Der Herbst ist die Zeit der Outdoor-Jacken. Sie sollen

OO

&-

| *

Or \II

CH3

schon warm halten, vor Nasse schiitzen und gleichzeitig

atmungsaktiv sein. Mit Funktionskleidung ist dies heut-

zutage kein Problem mehr. Die Strategien der Hersteller, wasserabweisende und dennoch wasserdampfdurch|assige Gewebe zu produzieren, sind dabei unterschied-

lich (Abb. 3).

Mikroporése Membranen aus Gore-Tex® werden aus Polytetrafluorethen-Fasern (PTFE-Fasern) hergestellt.

Die Membran

verschiedene

wird

anschlieRend

Richtungen

durch

Strecken

in

perforiert. Dabei entstehen

Poren mit einer GroRe von 0,05-0,2 um.

a) Beschreiben Sie am Beispiel von Gore-Tex® (Abb. 3) den generellen Aufbau von Funktionstextilien. Begriinden Sie, warum diese Textilien die oben genannten Eigenschaften zeigen konnen. b) Stellen die Sie Reaktionsgleichung sowie den Re-

aktionsmechanismus fiir die Bildung von PTFE auf.

Gehen Sie von einem radikalischen Mechanismus aus.

c) Beschreiben Sie den Aufbau einer Sympatex®Membran (Abb. 4). Geben Sie die Polyreaktion an, durch die die Fasern hergestellt werden kénnen. d) Stellen Sie eine Hypothese auf, wie der Trans-

port von Wasser-Molekiilen durch die Sympatex®-

Membran erfolgen kann. Fertigen Sie eine Skizze tber die Vorgdnge auf molekularer Ebene an. e) Funktionstextilien sind in der Entsorgung problema-

tisch. Erkldren Sie diesen Sachverhalt.

O

ÖO

H3 Die Polymerisate schrumpfen bei der Aushärtung, sodass sich unerwünschte Randspalten bilden können. Dem Polymerisat zugesetzte Füllkörper wie Quarzglas

oder Silikate verhindern dies. Der Anteil an Füllstoffen

kann bis zu 70% betragen. Um den Zusammenhalt zwi-

schen

sind

Polymermatrix

in dem

Gemisch

und

Füllstoff zu gewährleisten,

zusätzlich

Haftvermittler wie

Methylacryloxy-Propyl-Trimethoxysilanol enthalten. Dabei handelt es sich in der Regel um organische Siliciumverbindungen, die sowohl mit dem Kunststoff

als auch mit dem Füllstoff eine Verbindung eingehen können.

Kunststoff

(Polymer- H,C=C—

matrix}

|

CH3

€ H _ " H: D—Si— Fillstot

4 fi B

—Q-QCHZ-}-#—Q“'H 3

oy,

(Quarzglas, Silikate)

a) Formulieren Sie den Mechanismus der Polymerisationsreaktion. Geben Sie den Reaktionstyp an.

b) Skizzieren und begriinden Sie die Vernetzung der Polymerketten. ) Erlautern Sie ausfiihrlich und unter Angabe von Reaktionsgleichungen sowie Reaktionstypen die Funktion der Haftvermittler. d) Erklaren Sie, weshalb der Zahnarzt beim Befiillen

eines Zahnloches eine UV-Lampe benutzt

Kunststoffe - organische Werkstoffe nach MaR

287

Kapitel

Bausteine des Lebens Unser Leben beruht auf chemischen Reaktionen. Dies wird nirgendwo deutlicher als in der Chemie der Biomoleküle. Wir nehmen über die Nahrung Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße als Nährstoffe auf. Im Körper werden deren Moleküle in kleinere Moleküle zerlegt. Ein Teil davon wird für die Bildung körpereigener Proteine, Kohlenhydrate und Fette genutzt. Überwiegend werden die kleinen Moleküle aber in exothermen Reaktionen weiter abgebaut,

wodurch die für uns lebensnotwendige Energie bereitgestellt wird. Doch Nährstoffe alleine reichen für unsere Existenz nicht aus. Eine weitere Gruppe lebensnotwendiger Stoffe sind die Nucleinsäuren. Sie sind die Träger der Erbinformation und regeln über die Synthese von Proteinen alle Lebensprozesse.

In diesem Kapitel lernen Sie:

Was Sie schon kennen: * _ die verschiedenen funktionellen Gruppen organischer

welche wichtigen Gruppen von Biomolekiilen in unserem Stoffwechsel umgewandelt werden.

Moleküle und ihr Reaktionsverhalten, *

welche Eigenschaften Fette haben und wie sich die Eigenschaften mit der Struktur der Fett-Molekiile erklaren lasst.

verschiedene Schreibweisen für organische Moleküle,

* wie Sie die Eigenschaften von molekularen Stoffen mit der Struktur ihrer Moleküle erklären,

*_

Protolyse- und Redoxreaktionen bei organischen Molekülen unter Anwendung des chemischen Gleichgewichts beschreiben,

*

die Reaktionstypen Veresterung, Kondensation, Hydrolyse und Esterspaltung,

*

wie sich Fette analysieren und charakterisieren lassen. wie Aminosaure-Molekiile aufgebaut sind und wie Aminosauren zu Proteinen verkniipft werden. wie Enzyme aufgebaut sind und wie sie wirken. was man unter optischer Aktivitat versteht und welche Bedeutung dieses Phdnomen fiir unser Leben hat.

Elektrophile und Nucleophile als reaktive Teilchen sowie mögliche Reaktionsarten wie Substitution und

wie Kohlenhydrate aufgebaut sind und entsprechend ihrer Struktur und ihrer Eigenschaften eingeteilt werden.

Addition.

* die verschiedenen Formen der Wechselwirkungen

zwischen Molekiilen.

wie die Erbsubstanz DNA aufgebaut ist.

Sind Sie fit fiir dieses Kapitel? a) Nennen Sie die in den nebenstehenden Formeln

An

Namen der Verbindungen an.

b) Zahlen Sie fiir jeden Stoff zwei charakteristische Eigenschaften auf.

m

Erklaren Sie das Protolyseverhalten von VerbindungC

und die Unterschiede im Redoxverhalten der Verbindungen A, E und F bei der Reaktion mit cu®-lonen.

4

a)Stellen Sie den Mechanismus der saurekatalysierten Reaktion der Molekiile von A mit denen von C auf.

D

LL o= T HH

SWE

H

OH

H H—C—N—H [l

HH HH

HH

/ os HON

\

I

3

S HH

HH B L P HE Il % H

2 | Geben Sie Nachweise fiir die Molekiile der Stoffklassen A,CundEan.

B _ HH

T HH

vor-kommenden funktionellen Gruppen und ordnen Sie die Molekiile einer Stoffklasse zu. Geben Sie die

T—O—%

1

Benennen Sie den Mechanismus.

b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Spaltung der Molekiile von G in alkalischer Losung auf. Benennen Sie

den Mechanismus.

¢) Begriinden Sie, ob die angreifenden Teilchen als

Elektrophil oder Nucleophil reagieren.

d) Erklaren Sie, weshalb Verbindung G trotz hGherer molarer Masse eine niedrige Siedetemperatur hat als.

Verbindung Aund C.

Lösungen stehen im Anhang 289

8.1 Ein Blick in die Zelle Atomart Biomolekiile

Polypeptide und Proteine

Kohlenstoff Sauerstoff

Nucleinsduren

Kohlenhydrate Lipide

Wasser

9,5 255

0,19

0,0014

47

33 66

Wasserstoff

63

0,22

Stickstoff

14

45

0,0005

Phosphor

022

0,1

0,0005

0,5

0,1

Schwefel

0,017

1 Chemische Zusammensetzung von Zellen

2 Verteilung der sechs biologisch wichtigsten Atomarten

Unser Kérper ist wie der aller Lebewesen aus Zellen auf-

Glucose-Molekiile kénnen durch die Zellmembran

besteht chemisch betrachtet zum groRten Teil aus Was-

chemischer Redoxreaktionen die Glucose-Molekiile mit

gebaut. Jede unserer rund 100 Billiarden Zellen (10") ser, verschiedenen Biomolekiilen und Salzen (Abb.1).

Die chemische Elementaranalyse ergibt, dass gut 97 % der Masse menschlicher Zellen auf die Atome der Nichtmetalle Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff,

Phosphor und Schwefel entfallen (Abb.2).

Nur Lebewesen sind in der Lage, aus diesen Atomarten Molekiile von Kohlenhydraten, Fetten, Eiweifien, Nuclein-

séauren und vielen weiteren Biomolekiilen aufzubauen.

Diese Naturstoffe stellen die stoffliche Grundlage dar fiir Zellorganellen (Abb.3) und damit fiir Zellen, Gewebe, Organe und schlieRlich den gesamten Organismus. Stoffwechsel. Alle chemischen Reaktionen, die in lebenden Zellen und Organismen ablaufen, bezeichnet

man als Stoffwechsel. Je nach vornehmlicher Funktion wird in Baustoffwechsel fiir den Aufbau und den Erhalt

von Kérpersubstanz und in Betriebsstoffwechsel fiir die Bereitstellung von Energie unterschieden. Stoffwechsel umfasst die Bereiche Aufnahme, Transport, Umwandlung und Ausscheidung von Stoffen. An allen Stoffwechselreaktionen sind Enzyme als Biokatalysatoren beteiligt. Aufgrund ihrer vielfaltigen Energie- und Stoffumwandlungsprozesse werden Zellen an-

schaulich als chemische Fabriken beschrieben.

Zellatmung. Ein Beispiel fiir Stoffwechselvorgénge ist der Abbau des Kohlenhydrats Stérke. Starke bildet Riesenmolekiile, in denen mehrere tausend Glucose-Bau-

steine miteinander verknipft sind.

Diese

Makromo-

lekiile (gr. makros: groR) kénnen nicht von den Zellen

aufgenommen werden und werden daher zunachst verdaut. Bereits im Mund und auch im Diinndarm zerlegen Enzyme die Molekiile der Stérke in den Zweifachzucker Maltose (Malzzucker) und diesen dann in den Einfachzucker Glucose (Traubenzucker).

290

Anteil der Atome an der Gesamtzahlin % Mensch Erdkruste Meerwasser

Bausteine des Lebens

in

die Zellen gelangen. Dort werden Uiber eine Kette bio0O,-Molekiilen letztlich zu den energiedrmeren Molekiilen des Kohlenstoffdioxids und des Wassers abgebaut. Man nennt diesen Vorgang die Zellatmung. Die dabei freiwerdende Energie wird genutzt, um die energierei-

che Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) herzustel-

len. Die in der Verbindung gespeicherte Energie kann transportiert und anschlieRend beispielsweise fiir die Synthese korpereigener Stoffe oder fiir Bewegungen durch Muskelkontraktionen genutzt werden. Fotosynthese. Eine besonders wichtige biochemische Reaktionskette in den Zellen griiner Pflanzen ist die Fotosynthese. Mithilfe des Blattfarbstoffs Chlorophyll

in den Chloroplasten werden bestimmte Wellenlangen-

bereiche aus dem Spektrum des Sonnenlichts absorbiert. Mit der aufgenommenen Strahlungsenergie konnen Pflanzen aus den energiearmen Stoffen Kohlenstoffdioxid und Wasser Glucose und andere energiereiche Verbindungen aufbauen. Die Strahlungsenergie der Sonne wird bei der Fotosynthese in chemische Energie umgewandelt, gespeichert und so fiir das Leben nutzbar gemacht. Mit dem Sonnenlicht steht den Lebewesen eine praktisch unerschépfliche Energiequelle zur Verfligung. Die griinen Pflanzen stellen damit die priméare Quelle fir energiereiche Kohlenstoffverbindungen fiir all die Lebewesen dar, die korpereigene Biomolekiile nur aus anderen organischen Molekiilen aufbauen kénnen. Dazu gehéren alle

Tiere und damit auch wir Menschen.

Zellen sind die Grundeinheiten aller Lebewesen. In ihnen laufen Stoffwechselprozesse ab. Die Reaktionen werden dabei durch Enzyme katalysiert. Man unter-

scheidet Baustoffwechsel und Betriebsstoffwechsel.

Zucke

3 Die Zelle als Umschlagplatz für zahlreiche Stoffe 1

a) €

Erstellen Sie Steckbriefe zu den auf dieser

Doppelseite genannten Klassen von Biomolekiilen.

Gehen Sie dabei auch auf das Vorkommen innerhalb einer Zelle und die jeweiligen Funktionen im Stoff-

wechsel ein. Recherchieren Sie die Strukturformel oder einen Formelausschnitt fiir ein Beispiel. Kennzeichnen

Sie die in den Molekiilen enthaltenen funktionellen Gruppen. Ordnen Sie Ihre Beispiele soweit méglich den

Baustoffen und den Betriebsstoffen zu. PartnerA: Kohlenhydrate; Partner B:

stoffwechselphysiologischen Zusammenhange zwischen Fotosynthese und Zellatmung deutlich werden.

¢) Nehmen Sie Stellung zur folgenden Aussage: ,In

Pflanzenzellen wird Glucose hergestellt und in Tierzellen wird Glucose verbraucht.“ Nutzen Sie fiir Ihre Argumentation auch Ihr Schema aus Aufgabenteil a).

& Beschreiben Sie Abb. 2 und erklaren Sie die Unterschiede in der Haufigkeit der Atomsorten zwischen

Eiweifte

(Proteine); Partner C: Fette und Lipide; Partner D:

Mensch, Erdkruste und Meerwasser. Geben Sie Beispiele

a) s Erstellen Sie ein Schema zur Fotosynthese (Part-

fiir Stoffe an, die Ihre Erklérung veranschaulichen. QVergleichen Sie folgende Angaben des jährlichen Energieumsatzes auf der Erde und geben Sie mögliche Erklärungen, aber auch Probleme an, die aus diesen

auch Abb.3. Verwenden Sie in Ihrem Schema die Begiffe

Sonneneinstrahlung

3,8 - 102 kJ

Chloroplast, Mitochondrium, Kohlenstoffdioxid, Was-

Fotosyntheseleistung

5,3 - 10° kJ

ser, Sauerstoff, ATF, Strahlungsenergie, Stoffwechsel-

Energiebedarf aller Menschen

5,0 - 102 kJ

Nucleinsauren.

b) Stellen Sie Ihre Ergebnisse in einem Galeriegang vor.

2

b) =7 Kombinieren Sie beide Schemata so, dass die

nerA) und zur Zellatmung (Partner B). Nutzen Sie dazu

prozesse, thermische Energie

Angaben erwachsen:

Anteil Nahrung am Energiebedarf

1,7 - 108 KJ

Bausteine des Lebens

8.2 Fette sind Glycerinester von Fettsäuren

Palmitinsäure-Rest

Ölsäure-Rest

Esterbindung Glycerin-Rest

f @-C-Atom

Linolsäure-Rest

A_‚j Bii)"‘

Buttersäure (Butansäure)

-5°C

Caprylsäure (Octansäure)

16°C

Laurinsäure (Dodecansäure)

44°C

Palmitinsäure (Hexadecansäure)

63 °C

Stearinsäure (Octadecansäure)

69°C

Ölsäure (cis-Octadeca-9-ensäure) *

16°C

Linolsaure (all-cis-Octadeca-9,12-dienséure) *

=57C

Linolenséure (all-cis-Octadeca-9,12,15-trienséure) *~11 °C *essentielle Fettsaure

1 Fett-Molekül mit unterschiedlichen Fettsäure-Resten

2 Schmelztemperaturen wichtiger Fettsduren

Fette liefern mehr als doppelt so viel Energie wie die gleiche Masse an Kohlenhydraten oder EiweiR. Ein Erwachsener bendtigt taglich etwa ein Gramm Fett pro Kilogramm Korpergewicht. Der durchschnittliche Verbrauch liegt in Deutschland aber (iber diesem Wert. Dabei entfallt gut die Halfte der Nahrungsfette auf versteckte Fette in Milchprodukten, Wurst und SiiRwaren.

zin. Fette sind also hydrophob und lipophil. Denn die langen Fettsaure-Reste sind unpolar und kénnen nur Wechselwirkungen durch temporére Dipole wie Vander-Waals-Wechselwirkungen ausbilden. Zudem sind die Ester-Gruppen nur schwach polar. Mit H,0-Molekiilen kénnen Fett-Molekiile daher nur in sehr geringem MaRe iiber H-Briicken wechselwirken.

Struktur von Fett-Molekiilen. Spaltet man Fett mit heiBem Wasserdampf, erhélt man als Produkte den dreiwertigen Alkohol ~Glycerin (Propan-1,2,3-triol) und langkettige Carbonséuren, die Fettsauren. In jedem Fett-Molekiil sind die drei OH-Gruppen eines Glycerin-Molekiils mit je einer Carboxy-Gruppe eines

Fettséure-Molekiils verestert. Fette sind Fettsaureester

des Glycerins - die Triacylglycerine (Abb. 1). Die Vielfalt der Fett-Molekiile ergibt sich aus der Vielzahl an unter-

schiedlichen Fettséuren und den zahlreichen Kombi-

nationsmoéglichkeiten der Fettsduren in einem FettMolekiil. So kdnnen in einem Molekiil gleiche aber auch

unterschiedliche Fettséduren verestert sein. Die Molekiile der natiirlichen Fettsduren sind meist unverzweigt und besitzen eine geradzahlige Anzahl an C-Atomen. Enthalten die Reste der Fettsauren keine C=C-Doppelbindungen, liegen gesdttigte Fette vor. Es konnen

in Fett-Molekiilen aber auch Fettséure-Reste mit einer

oder

mehreren

cis-standigen

C=C-Doppelbindungen

gebunden sein. Man spricht dann von ungesdttigten

Fettsduren (Abb.2). Fettsauren, die unser Kérper nicht selbst aus Vorstufen herstellen kann, heillen essentielle Fettsauren. Beispiele sind Olsdure, Linolsiure oder Lin-

olenséaure. Diese sollten Teil der Nahrung sein. Eigenschaften. Eine zerdriickte Nuss hinterlasst Fettflecken auf Papier oder auf Stoff. Mit Wasser ldsst sich der Fleck nicht entfernen wohl aber mit Reinigungsben-

292

Fettsäure (IUPAC-Name)

Bausteine des Lebens

Fette sind Gemische und haben daher keine bestimmte Schmelztemperatur, sondern einen Schmelzbereich, der

charakteristisch fiir ein Fett ist (Abb. 3). Je hoherder Anteil an ungeséttigten Fettsauren in einem Fett ist, desto niedriger liegt der Schmelzbereich des Fettes. Denn die Molekiile geséttigter Fette bilden aufgrund ihrer geraden Form starker geordnete Strukturen. Damit sind die

zwischenmolekularen Krafte starker und es muss mehr

Energie bei Schmelzen aufgewendet werden. Gesattigte Fette schmelzen daher bei héheren Temperaturen als ungesattigte Fette. Bei Raumtemperatur flissige Fette

bezeichnet man als fette Ole oder kurz Ole.

Fette im Stoffwechsel. Die Fetttropfchen in der Nahrung konnen die Darmwand nicht passieren. Bei der Fettverdauung werden die Nahrungsfette zunéchst von der Gallenfliissigkeit emulgiert, sodass Fett spaltende Enzyme, die Lipasen, besser wirken konnen. Lipasen katalysieren die Hydrolyse der Fette. Die Spaltprodukte Glycerin und Fettséuren werden in die Zellen der Darmwand

aufgenommen,

dort wieder

zu

Fett-Molekiilen

verknlpft und fir den Weitertransport mit einer Hiille von Protein-Molekiilen umgeben. Uber das Lymphsystem oder das Blut werden die so umhiillten FettMolekiile

in die

Leber,

in Muskelfasern

oder

in Fett-

zellen transportiert. In diesen Zellen erfolgt wiederum die Spaltung der Fett-Molekiile, bevor die Fettséuren in

den Mitochondrien der Zellen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert werden.

Anteil der Fettsäure in Kokosfett Olivenöl

Fettsäure

.

a) Zeichnen Sie die Strukturformel eines Fett-Moleküls

Leinöl

mit den Fettsäure-Bausteinen Caprylsäure, Stearinsäu-

re und Linolensäure. Nutzen Sie für die Fettsäure-Reste Skelettformeln.

Laurinsäure

48%

1%

Palmitinsaure

9%

10%

5%

Stearinsaure

3%

2%

4%

Olsaure

6%

8%

22%

c) Bestimmen Sie die Anzahl méglicher Isomere und

Linolsaure

2%

9%

17%

d) Stellen Sie die Reaktionsgleichung fiir die Hydrolyse des Fetts auf. Benennen Sie den Reaktionstyp der

Linolensaure Schmelzbereich

= 20 bis 23

=

-

b) Bauen Sie das Molekül mit einem Molekülbaukasten nach. Berechnen Sie die molare Masse des Fetts.

zeichnen Sie deren Strukturformeln.

52%

-2bis0

-27 bis-16

Bildung eines Z

s[

Fetts aus den genannten Edukten.

Erklaren Sie folgende Befunde mithilfe der

in°C

Struktur der

3 Zusammensetzung und Schmelzbereiche von Fetten

Rend Ihre Ergebnisse vor. Partner A: Fette besitzen keine definierte Schmelztem-

Fett-Molekiile. Stellen Sie sich anschlie-

peratur sondern einen Schmelzbereich.

Einige Fettsauren gehen in den Baustoffwechsel ein und haben dort lebenswichtige Funktionen - beispielsweise bei der Herstellung von Biomembranen oder bei der Bildung von Hormonen. Aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaften dienen Fette im Korper als Lésemittel fiir die lipophilen Vitamine A, D, E und K. Der Kérper kann diese Vitamine nur zusammen mit Fetten aufnehmen. Gleiches gilt auch fiir viele Geschmacksstoffe, weshalb fettreiche Lebensmittel haufig als besonders schmackhaft empfunden werden. Im Kiichenjargon bezeichnet man Fette daher als Geschmackstrager.

Partner B: Gehartete Fette haben einen héheren Schmelzbereich als ungehértete Fette.

Aus einem Buch fiir Lebensmittelchemiker: Fettsduren symbolisiert man wie folgt: Man gibt die An-

zahl der C-Atome des Molekiils als Ziffer an. Ob und wie viele Doppelbindungen ein Fettsdure-Molekiil enthdlt,

wird durch einen Doppelpunkt und die entsprechende

Ziffer dahinter angegeben. Die Position der ersten von

‘mehreren méglichen Doppelbindungen zéihlt man vom letzten C-Atom der Kohlenwasserstoffkette, dem w-Atom

(Omega). Das Symbol 18: 1 w 9 steht fiir Glséiure: Die

Kohlenstoffkette enthdlt 18 C-Atome, zwischen dem 9.

Haltbarkeit von Fetten. Fette sind nur begrenzt halt-

und 10. C-Atom befindet sich eine Doppelbindung.

bar.

a) Formulieren Sie die Symbole fiir die Fettsauren in

Sie

sind

empfindlich

gegeniiber

Licht,

Wasser,

Sauerstoff und hohen Temperaturen. Mikroben spalten Fett hydrolytisch. Bei langerer Lagerung nimmt so der Anteil an freien Fettsauren zu: Das Fett wird ranzig. Ins-

besondere frei werdende Butanséure (Buttersiure) ver-

Abb. 2 nach der entsprechenden Schreibweise.

b) Vergleichen Sie fiir die ungesattigten Fettsauren die

in Abb. 2 dargestellte Nomenklatur mit dem w-System.

c) Uberpriifen Sie, ob es sich bei Olséure, Linolsiure

ursacht einen duBerst unangenehmen Geruch. In altem oder (iberhitztem Frittierfett entsteht aus Glycerin durch Oxidation krebserregendes Acrolein (Propenal).

und Linolensdure um Omega-3-Fettsduren handelt.

Fetthartung. Aus ungesattigten Fetten erhalt man durch Addition von H,-Molekiilen an die C=C-Doppelbindungen der Fettséure-Reste gesattigte Fette. Aus

% Bei der Fetthirtung kénnen cis-Fettsauren in fiir uns

fetten Olen werden dabei feste Fette, man spricht daher

melschreibweise fiir die Hartung von Olsaure auf.

von Fetthdrtung. Gehértete Fette sind hitzebestandiger

als Ole. Frittierfett besteht meist aus geharteten Fetten.

Auch

bei der Herstellung von Margarine aus pflanz-

lichen Olen nutzt man die Fetthartung.

Fette sind Glycerinester mit drei gesattigten oder ungesattigten Fettsaure-Resten. Sie sind wichtige Energielieferanten, aber auch Losemittel fir Vitamine

oder Baustoffe fir Membranen und Hormone.

d) Recherchieren Sie die Bedeutung der Omega-3-Fettsauren fiir uns. Listen Sie Lebensmittel auf, in denen

diese Fettsauren vorkommen. Erstellen Sie ein Plakat. schédliche trans-Fettsauren umgewandelt werden.

a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung in Strukturforb){§ Entwickeln Sie eine Hypothese, wie bei der Fett-

hértung an einer mit Wasserstoff gesttigten Platin-

oberflache aus einem cis-Olsaure-Molekiil ein trans-Olsaure-Molekiil werden kann. Hinweis: Die Addition von

Wasserstoff ist eine Gleichgewichtsreaktion. G Beim Erhitzen eines Fetts mit Natronlauge bilden sich Natriumsalze der Fettsauren, die Seifen. Stellen Sie die Reaktionsgleichung fiir die Reaktion auf und be-

nennen Sie die Art der Reaktion.

Bausteine desLebens

293

Projekt

Gewinnung und Charakterisierung von Fetten

Raps soweit das Auge

reicht. Zusammen mit

Sonnenblumen und Sojabohnen gehört Raps zu den

Versuch 1:

Gewinnung von Fetten nach Soxhlet

Ölsaaten. Aus den Samen

dieser Pflanzen wird in

speziellen Ölmühlen Pflan-

zenöl gewonnen, das im

Lebensmittelbereich aber

auch in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt wird. Für die Herstellung von Biodiesel ist ebenfalls Rapsöl nötig. Auftrag zur Bearbeitung des Projekts:

Sie sind Mitarbeiter einer Ölmühle und haben die

Aufgabe, aus einer Ihnen zugeteilten Ölsaat möglichst viel Pflanzenöl zu gewinnen und im Anschluss

das Öl zu charakterisieren. Führen Sie dazu den For-

schungsauftrag und die nachfolgenden Experimente durch und fertigen Sie eine umfassende Auswertung der Versuche an.

Forschungsauftrag 1:

Isolation von Ölen aus Pflanzensamen

fi @ @ Z z

8

Mögliche Materialien: Proben von Pflanzensamen, Waage, Heizplatte, Wasserbad, Küchenmesser, Sieb, Hammer, Mörser und Pistill, Knoblauchpresse oder

Multizerkleinerer, Filtrierpapier, Porzellanschale, Uhrgläschen, Becherglas; Ethanol (2, 7), Heptan (2,7, 8,9), Waschbenzin (2, 7,8, 9) Aufgaben:

a) =7 Planen Sie ein Experiment, mit dem Sie Ol aus den zugeteilten Pflanzensamen isolieren konnen. Uberpriifen Sie mit der Fettfleckprobe, ob die

von lhnen isolierte Substanz tatséchlich ein Fett ist. Kontrollieren Sie Ihre Versuchsvorschrift mit den Check-Karten und fithren Sie den Versuch im Anschluss durch. Bewahren Sie das Ol fiir den Versuch 2 auf.

b) Bestimmen Sie die Ausbeute an Ol.

294

Bausteine des Lebens

Materialien: Soxhlet-Apparatur, Waage, Siedesteine, Morser, Pistill oder Multizerkleinerer, Abdampfschale, Pinzette, Heizhaube;

Probe, Heptan (2,7, 8, 9) Durchfiithrung: 1. Wiegen Sie etwa 5 g der zugeteilten Probe ab.

Riickflusskühler

— Kühlwasser

Zerkleinern Sie die Probe

Extraktionsraum

moglichst fein. 2. Bringen Sie das Extraktionsgut in die Papphiilse.

Hiilse mit

Fiillen Sie anschlieRend den Kolben der Soxhlet-

apparatur zur Halfte mit Heptan. Geben Sie drei Siedesteinchen zu.

3. Bauen Sie die Apparatur entsprechend der

Abbildung zusammen,

ff

[

Uberlauf Dampfleitungsrohr Rundkolben

Losemittel

\@Heizhaube

schließen Sie den Rückflusskühler an die Wasserversorgung an und regeln Sie einen konstanten

Wasserstrom ein. 4. Schalten Sie die Heizhaube ein und erhitzen Sie

das Heptan bis zum Sieden. Lassen Sie die Extrak-

tion fiir etwa eine Stunde laufen.

5. Wiegen Sie fiir die Isolation des extrahierten Fettes eine leere Abdampfschale. GieRen Sie den Inhalt

des Rundkolbens in die Schale und entfernen Sie

die Siedesteinchen. Lassen Sie das Extraktionsmittel Heptan unter dem Abzug verdunsten. Wiegen Sie anschlieRend die Abdampfschale emeut.

Aufgaben: a) Beschreiben Sie den Aufbau der Apparatur und erklaren Sie das Funktionsprinzip. Dokumentieren

Sie dazu die verschiedenen Phasen des Versuchs anhand von Skizzen oder einem kommentierten

Videoclip. Recherchieren Sie in diesem Zusammenhang das Saugheberprinzip. b) Ermitteln Sie die Masse und die Ausbeute des extrahierten Ols und vergleichen Sie diese mit Ihren Ergebnissen aus dem Forschungsauftrag. Beurteilen Sie beide Verfahren.

Versuch 2:

Gesättigt oder ungesättigt?

2

5

m

A

f

8

9

=

Materialien: Waage, Messzylinder (25 ml), Tropfpipette; Heptan (2, 7, 8, 9), Bromwasser (w < %, 5, 7), Proben verschiedener Fette und Öle aus den Vorversuchen,

Vergleichsproben: Olivenöl, Stearinsäure (7) Durchführung: 1. Lösen Sie in je einem Reagenzglas etwa 0,5 g Ihres selbst gewonnenen Fetts oder Öls in 5 ml Heptan. Verfahren Sie mit den Vergleichsproben ebenso. 2. Tropfen Sie zu allen Ansätzen Bromwasser, bis

keine Entfärbung mehr eintritt. Zählen Sie die Tropfen. Aufgaben:

a) Notieren und deuten Sie Ihre Beobachtungen. Erklären Sie das Versuchsprinzip.

b) Stellen Sie beispielhaft die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Ölsäure mit Brom auf.

c) Erlautern Sie, inwiefern man mit diesem Versuch

den Gehalt an ungesattigten Fettsauren abschat-

zen kann. d) Informieren Sie sich iiber die Bestimmung der lodzahl und vergleichen Sie das von Ihnen durchge-

flihrte Verfahren damit.

2. Losen Sie die drei Fette jeweils in einem kleinen Erlenmeyerkolben in je 25 ml Heptan. 3. Versetzen Sie die Losungen mit jeweils drei Tropfen Phenolphthaleinlésung. 4. Titrieren Sie mit alkoholischer Kalilauge bis zum Farbumschlag. Aufgaben: a) Notieren Sie jeweils das Volumen der bis zum Farbumschlag verbrauchten Lauge. b) Berechnen Sie mit dem Rechenbeispiel die Saure-

zahlen der untersuchten Fette. ) Bewerten Sie Ihr selbst gewonnenes Ol mithilfe der Informationen zur Saurezahl.

Wie gut ist mein 017

Bevor Fette und Ole in den Handel kommen, werden sie einer Qualitatskontrolle unterzogen. Dabei priift man beispielsweise Geruch, Farbe, Dichte und

Schmelzbereich der Produkte. Kennzahlen wie die

lodzahl oder die Sdurezahl geben Auskunft tiber die Zusammensetzung und die Frische der Fette. Die Saurezahl (SZ) ist definiert als die Masse an Kaliumhydroxid (KOH) in mg, die zur Neutralisation der freien Fettsduren in 1 g eines Fetts oder Ols erforder-

lich ist. Frische Fette enthalten fast keine freien Fett-

sauren. Beim Altern nimmt ihr Anteil aufgrund von

Hydrolyse zu. So liegt bei frischem Sonnenblumendl

die Saurezahl unter 2 mg KOH(s) pro Gramm Fett

(Sz=2). Ein Jahr altes Sonnenblumendl weist eine

Saurezahl von iiber 15 mg KOH (s) pro Gramm Fett auf(SzZ=15).

Versuch 3:

Frisches oder altes Fett?

OOa &5

Materialien: Waage, 3 Erlenmeyerkolben (100 ml), Biirette, Messzylinder (50 ml); verschiedene Fettproben, Heptan (2, 7, 8, 9), alkoholische Kalilauge (0,1 mol - "', 2,7, 5) Phenolphthaleinlésung (14

in einer Gleichgewichtsreaktion Kesselstein (Calci-

H

OH

0-1,25

enthaltenen Ca**-lonen verantwortlich. Diese bilden

M2 Vereinfachte Strukturen von Textilfasern

OH

weich

Flir die Hartegrade sind vornehmlich die im Wasser

SO3Na*

H

c(Ca®)inmmol - I Gesamthärte in °dH

NH,

umcarbonat). Ca*(aq) +2 HCOy (aq) =

CaCO3(s) + CO,(aq) + H2O(l);

AyH% >0

Die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser sinkt

m_ltzu_nehmender Temperatur.

)

.

Historisch gesehen geht der Begriff der Wasserharte auf das Tastgefiihl beim Waschvorgang zurtick. Hartes Wasser bildet mit den in Seifen enthaltenen Carbonsaure-Anionen schwerlésliche Kalkseifen, die

NH2

336

Fit fiirs Abitur

NH»

Proteinfaser

OOH

COOH

sich als Kristalle auf der Wasche ablagern kénnen:

2RCO0"(aq) + Ca**(aq) = Ca(RCOO), (s)

M4 Bestimmung der Wasserhärte Zur Bestimmung der Wasserhärte einer Leitungswasserprobe wird die Konzentration an Ca®*-lonen manganometrisch ermittelt. Dazu werden 200 ml Leitungswasser mit Natriumoxalatlésung im Uber-

M6 Polymere als unsichtbare Helfer In der Waschmaschine werden Schmutzpartikel von den Textilfasern vorwiegend durch Tenside abgelöst, sodass sie in der Waschlösung schwimmen. Damit die Schmutzpartikel sich nicht wieder auf den Fasern

schuss versetzt, wobei die Ca?*-lonen mit den Oxa-

festsetzen und dort einen Grauschleier bilden, setzt

lat-lonen schwerldsliches Calciumoxalat bilden. Der Niederschlag wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen und anschlieRend mit verdiinnter Schwefelsaure

man Polycarboxylate als Vergrauungsinhibitoren zu. Deren Makromoleküle können aufgrund ihrer Ladung eine Schicht auf bestimmte Fasern bilden und so ein Anhaften der Schmutzpartikel auf der Kleidung verhindern.

wieder gelost. Die in dieser Losung vorliegende freie Oxalséure (Ethandiséure) wird nach dem Erwérmen der Lésung mit KaliumpermanganatmaRIésung bis zum Aquivalenzpunkt titriert. Bei einer solchen Wasseranalyse betrug der Verbrauch an Kaliumpermanganatmaflosung (c=0,02 mol - ') 12 ml.

M5 Synthese von Polycarboxylaten Bei den in Waschmitteln enthaltenen Polycarboxylaten handelt es sich um Copolymere aus Acrylsaure und Maleinsaure. Wahrend der Synthese wird im ersten Schritt eine Lésung aus Ammoniumpersul-

1 Schmutzpartikel mit umgebenden Seifen-Anionen

fat (APS) erhitzt. AnschlieRend werden die beiden Monomere tropfenweise zur Losung gegeben.

HOM

o

>D

. W

\C\i Acrylsaure

o

Maleinsäure

Wl H—l!l—H

H

Polycarboxylate wirken dariiber hinaus auch als sogenannte Entharter, da sie die Bildung von Kesselstein auf Heizstaben unterdriicken. Dadurch kénnen Energiekosten erniedrigt und die Lebensdauer von Waschmaschinen verlangert werden.

v

T

H—V\‘I—H

&8

H

Ammoniumpersulfat

M7 Waschen mit Pflanzen ,Reibe den Fleck mit dem Saft aus einer Seifenkrautwurzel ein und wasche ihn dann unter lauwarmem Wasser

aus.“ Ein altes Hausmittel wird heute immer mehr zum Trend. Besonders die Wurzeln des einheimischen

Seifenkrautes und die Schalen der indischen Waschnuss werden in Europa immer héufiger als Alternative zum

herkémmlichen Waschmittel

a

verwendet. Die Waschwirkung der Pflanzen ist auf den Gehalt an sogenannten Saponinen

zurlickzufiihren. Waschniisse kosten etwa

OH H0H

halb so viel wie gewéhnliches

Waschmittel. Zudem sind sie und ihre Inhaltsstoffe 100 % biologisch abbaubar.

OH

OH

Ha

H3

OH

OH

Fit fiirs Abitur

337

Thema 6

Chemie im Mund

Karies ist eine Volkskrankheit. Nur nur knapp zwei Prozent der Erwachsenen haben ein kariesfreies Gebiss. Fast

die Hélfte aller Kinder bis 10 Jahren besitzt mindestens einen kariésen Zahn.

Aufgaben zur Bearbeitung des Themas 1 Entstehung von Karies a) Beschreiben Sie die Entstehung von Karies anhand von M1 und unter Anwendung Ihrer Kenntnisse zum chemischen Gleichgewicht sowie zu Protolysegleichgewichten. Erlautern Sie in diesem Zusammenhang die Rolle des Kohlensaure-Hydrogencarbonat-Puffers im Speichel. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung fiir die Gleichge-

wichtsreaktion.

b) Erklaren Sie, weshalb eine Remineralisierung des Zahnschmelzes nur in geringem Ausmaf maéglich ist. Bedenken Sie hierzu den pKg-Wert des Phosphat-lons (PO,*).

2 Vielfalt der Filllmaterialien

a)

>

b) Mitentscheidend fiir die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist die StoRwirksamkeit,

wenn die Teilchen zusammenstoRen. Die erforderliche Mindestenergie der Teilchen fiir die exotherme Hinreaktion ist niedriger als die Mindestenergie der

Teilchen fiir die Rlickreaktion. Fiir die Hinreaktion

Mindestenergie aufweisen. Die StoRwirksamkeit ist folglich héher. Beispiele fiir Reaktionen, bei denen ein Kataly-

sator sind:

Alkoholische Géarung:

- V(NaOH)

- 32ml = 32 mmol

n(HCOOH) = Nprebe(HCOOH) + V(Mischung) Vprobe

= 32mmol + 10 = 0,32 mol

d) n(H;0) = no(HCOOH) - n(HCOOH) 0,5mol

- 0,32mol

= 0,18 mol

n(CH;0H) = n(HCOOH) = 0,32 mol n(HCOOCH;) = ng(HCOOH) - n(HCOOH) = 0,5mol

gibt es daher mehr Teilchen, die die erforderliche

- 0,32mol

= 0,18 mol

e) Da bei einer Titration die Schwefelsaure miterfasst wird, muss deren Stoffmenge durch Titration einer Vergleichsprobe getrennt bestimmt werden.

A5 2)250,+0,-250, P*(S05)

CeHi205 = 2 CHsOH + 2CO,

b) Ky =

3H, + Ny —& 2NH3

¢) Die Einheit lautet bar”.

2H,0, = 2H,0 + O,

d) Da die Reaktion exotherm verlauft, sollte eine vergleichsweise niedrige Temperatur gewahlt werden. Bei der Reaktion nimmt die Anzahl der Teilchen ab. Eine Druckerhéhung beglinstigt somit die

Ammoniaksynthese:

Zerfall von Wasserstoffperoxid:

Oxidation von Schwefeldioxid:

2S0; + 0, = 250, Bildung von Chlor nach dem Deacon-Verfahren:

2HCl + 0, = Cl

Kohleverflissigung: C+

HO

—> CO

+ H,

CO + (2n + 1)Hy = CnHapy A3 Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt proportional zur Konzentration der an der Reaktion beteilig-

348

+ H,0

_ 0,5 mol

46g : mol

A2

HCOOCH;

Lésungen

p*(SO) - p(02)

Hinreaktion.

LTk

Hilfen zur L6sung der Aufgaben finden Sie hier:

AT S.94-95; A2 S. 94-95; A3 S. 96-97; A4 S. 102~ 104;A5 S. 110-111; A6 S.110-111; A7 S. 112-113; A8 S. 112-113; A9S. 116-117; A10S. 116-117; AT1S5.118-119;A125.118-119; A135.118-119. Losungen: A1

Nach Brensted ist das H,SO,-Molekiil ein Pro-

tonendonator und damit eine Saure. Das bei der

Protonenabgabe entstehende HSO4-lon ist die zugehdrige Base. Mit einem H,0-Molekiil als Base findet folgende Protoneniibertragungsreaktion

(Protolyse) statt: Base2

gen werden. Man erhélt so eine neue Konstante Ky,

das lonenprodukt des Wassers:

Kw=K-c*(H;0)=c(H30") - c (OH”) Als Gleichgewichtskonstante wird auch der Zahlenwert von Ky durch die Temperatur beeinflusst.

Bei 25 °C betragen c (H3O*) und ¢ (OH") jeweils

107 mol - I"'. Damit gilt:

Ky=10"mol-

- 107 mol

I” =107* mol - 12

A4 Salpetersdure ist eine starke Säure, daher gilt: PH=-1gco(HA)=-1g 0,2=0,7

H,S04(aq) + H,0(1) » HSO4™ (aq) + H30*(aq) Séaure 1

sehen und in die Gleichgewichtskonstante einbezo-

Base 1

Saure2

H,0-Molekiil und H;0*-lon bilden das zweite korrespondierende Saure-Base-Paar. Das HSO4 -lon ist ein Ampholyt, das heif3t, es kann je nach Reaktionspartner sowohl ein Proton aufnehmen (Reaktion als Base) als auch ein Proton ab-

Ammoniak ist eine schwache Base. Es gilt die Näherungsformel:

PH=14-%(pKg- 1gco(B))

=14-%(4,7-1g1,0) =11,65

Natriumhydroxid dissoziiert vollständig zu

Na*-lonen und OH”-lonen. Daher gilt:

geben (Reaktion als Saure). Mit einem H,0-Molekil

pH=14-pOH

HSO4 (ag) + H20 (1) > SO (aq) + H;0"(aq)

Natriumacetat hat einen pKg-Wert von 9,35 und ist eine schwache Basen. Es gilt die Naherungsformel:

Die zugehörige Base zum HSO4”-Ion ist das

pH=14 -2 (pKs- lgco(B))

A2 Saure: HsPO,, CHsCOOH Base: CO3?”, HCOO”

A5

reagiert das HSO, -lon als Saure:

Säure1

Base2

Base 1

Säure2

SO4-lon.

Ampholyt: HPO4?, HS”

A3 Wasser leitet geringfügig den elektrischen Strom. Die Eigenleitfähigkeit des Wassers ist auf eine Protoneniibertragung zwischen H,0-Molekiilen zurtickzufiihren. Da die Protolyse hier zwischen gleichartigen Molekiilen ablauft, spricht man von einer Autoprotolyse. Es entstehen Hy0* lonen und OH™-lonen:

2H;0(l) = H50"(aq) + OH"(aq) Fiir diese Gleichgewichtsreaktion lasst sich das. Massenwirkungsgesetz anwenden:

_ c(H;O*) - c(OH”) T

2 (H0)

Der Zahlenwert fiir K ist sehr klein. Das Gleichgewicht liegt also weit auf der linken Seite. Somit hat die Autoprotolyse praktisch keinen Einfluss auf die Konzentration der H,0-Molekiile. Daher kann die

Konzentration der H,0-Molekiile als konstant ange-

=14 +lgc(NaOH)=14+1g0,5=13,7.

=14-14(9,35-1g0,1)=8,83. NHs(aq)+HCl(ag— NH,' (aq) + Cl" (aq)

Stoffmengenverhaltnis:

(Nt _ 1 n(HCl)

1

C(NH3) - V(NH3) =c(HCI) - V(HCI)

C(NHS):O‚Smol-l"-Bml ~0,13mol - I 50 ml

Die Ausgangskonzentration der Ammoniaklösung

beträgt 0,13 mol + 1”'.

A6 Im Bereich des Aquivalenzpunkts betragt die Konzentration der H;0'-lonen etwas mehr als

107 mol - ”” Ein einzelner Tropfen der zutitrierten Lauge enthélt wesentlich mehr OH™-lonen als zur

Neutralisation der H;0*lonen benétigt wiirden. Die OH™-lonen liegen im Uberschuss vor, sodass der

pH-Wert sprunghaft steigt.

A7 Bei der Titration von Ammoniak mit Salzsaure liegt am Aquivalenzpunkt eine Ammoniumchlorid-

Losung vor: NHz(aq) + HCl (aq) = NH,Cl (aq)

Lésungen

349

Lösungen

Testen Sie sich

Cl™-lonen kénnen weder als Bransted-Säure noch

als Bronsted-Base reagieren. Der pH-Wert wird von

A11 Ein Puffersystem ist eine Losung aus einer schwachen Saure wie HCOy™-lonen und ihrer zuge-

den NH,'"-lonen bestimmt, die als Brensted-Saure

hérigen Base, hier CO3*-lonen-lonen. Gibt man dem

reagieren. Der pH-Wert der Losung liegt im sauren Bereich: NH,*(aqg) + H,0 (1) = NH;(aq) + H;0*(aq)

Puffer eine Lauge zu, so reagieren die darin enthal-

Bei der Titration von Essigsaure mit Natronlauge

liegt am Aquivalenzpunkt eine Natriumacetatldsung

vor: CH;COOH (aq) + NaOH (ag) = NaCH;COO(aq) Na'*-lonen kénnen weder als Brensted-Siure noch als Bronsted-Base reagieren. Der pH-Wert wird von den CH;COO™-lonen bestimmt, die reagieren als

Brensted-Base reagieren. Der pH-Wert der Lésung liegt im alkalischen Bereich:

CH4CO0™(aq) + H;0 (1) = CH3COOH (aq) + OH"(aq)

tenden OH™-lonen mit der Puffersaure, in diesem Fall

den HCO;™-lonen. Die OH™-lonen werden somit “abgefangen” und der pH-Wert bleibt konstant:

HCO3” (aq) + OH” (aq) = CO3? (aq) + H2O(l)

Analog reagieren bei Zugabe von Säure die enthaltenden H;0"-lonen mit der Pufferbase, hier den Car-

bonat-lonen:

€05 (aq) + H;0" (aq) = HCO;™(aq) + H,0 (1) ¢(CH;C007) A12 pH=pKs(CH3COOH)+ Ig [CH,COOH]

=4,75+1g %’%

o

2467

A13 Geeignet ist der Phosphorsäure/Dihydrogehphosphat-Puffer, da der pks-Wert der Phosphorsäure mit 2,16 in der Nähe des gewünschten pH-Werts

liegt. n _ c(A) pH‚szlHA)Jrlgc(HAJ

E c(A) _ pH-pKs{HA) C(HA]JO

C(H2PO4”) _=10 025216 ~2,19

[

I

5 Fe* (aq) + Mn? (aq) + 12 H,O (l) A4 a) Vergleichen Sie Ihre Skizze mit Abb. 1 auf 5.146 Zink bildet den Minuspol und Silber den Pluspol:

b) Minuspol (Oxidation): Zn —> Zn?+2e” Pluspol (Reduktion): Ag'+ e~ > Ag

Redoxreaktion: Zn +2 Ag" — Zn*+2Ag ) Zn|Zn*(c=1mol - ") iAg*(c=1mol - I") | Ag

U® = E° (Akzeptorhalbzelle) - £° (Donatorhalbzelle)

A1

a) Fureine Skizze vergleiche Abb. 1 auf S.180.

b) Derrotbraune Belag bildet sich am Minuspol, es ist metallisches Kupfer: Cu*(aq) +2e” — Cu(s). Am Pluspol hat sich das Gas Sauerstoff gebildet. A2

Mogliche Reaktionen:

Minuspol (Kathode):

Zn*+2e > 2Zn(s); E°=-0,76V 2H,0(l)+2e = H,(g) +2 OH (aq); Pluspol (Anode):

2Br(aq) —> Br,(aq) +2e°;

E°=-0,41V

E°=-1,09V

2H,0(l) > O, (g) +4 H, (aq) +4 €7

E°=-0,82V

Uberspannungsanteile U* an Graphit bei einer

Stromdichtevon 0,01 A- cm™

U* (H2) = - 0,78 V und U* (02) = 0,90 V

U°=E°(Ag" (aq) | Ag (s)) - E°(Zn** (aq) | Zn (s)) U° =+0,80 V - (-0,76 V) = 1,56V

Abscheidungspotentiale für die am Minuspol denk-

0,059 A5 a)E(Sn?*/Sn) =-0,14V+ E V

Zn?(aq)/Zn(s): E°=-0,76V

2

=-0,14V

E1mol - I

8 mol - 1

E(Pb?/Pb) =-0,13V + 209V \g 10° mol - 17 =-0,22V

2

mol + ”

U° = E° (Akzeptorhalbzelle) - £° (Donatorhalbzelle)

baren Reaktionen:

HJO (U)/Ha(g) (PH=7): E°=0,41 V E° = E° (H2O/H2) + U* (H2)

=-0,41V+(-0,78V)=-1,19V

Abscheidungspotentiale fiir die am Pluspol denk-

baren Reaktionen:

U° = E°(Sn“* (aq) | Sn (s)) — E°(Pb** (aq) | Pb (s)) U°=-0,14V-(-0,22V) =0,08V

0,(g)/H0(1) (pH=7): E°=-0,82V

b) Die Bleihalbzelle ist die Donatorhalbzelle, die

E°=E°(0,/H,0) + U* (0,)

Zinnhalbzelle ist die Akzeptorhalbzelle. Die Elektro-

nen flieBen von der Bleihalbzelle zur Zinnhalbzelle.

A6 Bei Primdrzellen wie der Alkali-Mangan-Batterie lassen sich die Vorgange an den Elektroden nicht umkehren, die Zelle kann also nicht erneut geladen

Bry(aq)/2 Br(aq):

£°=1,090V

=0,82V+0,90V=1,72V

Bei der Elektrolyse werden unter den angegebenen Bedingungen Zink und Brom abgeschieden:

Uy= [E°(Bry/2 Br) -E°(Zn*/Zn)]

=1,09V-(-0,76V)=1,85V

werden. Sekundarzellen wie der Bleiakkumulator konnen dagegen wieder aufgeladen werden.

Lésungen

351

)sungen

2

"""

X

e 0,70

(pH=7) OTH,0/M,

Testen Sie sich

A7 Beim kathodischen Korrosionsschutz wird das zu schiitzende Metall als Kathode eines Lokalele-

ments kurgeschlossen. Als Anode dient ein unedle-

n(o,

|ER=082V JER=-0,21V

Br,/2Br

£9=1,09V ]zn?/zn_E0=-0,76V

U,

=1,85V

res Metall. Die Anode [6st sich im Laufe der Zeit auf.

Sie opfert sich quasi fiir den Korrosionsschutz des edleren Metalls.

Kapitel 6 Hilfen zur Lésung der Aufgaben finden Sie hier: A3 Elektrolyse von Wasser: 2H,0(l) = 2 H, (g) + 0, (g) beziehungsweise

2H30%(aq)+2 e — Hy(g) +2 H,0 ().

Berechnung n fiir 1000 | Wasserstoff:

_V __ 10001

"V

241-mol?

=41,67 mol

Reines Wasser leitet nahezu nicht, der Säurezusatz

(H2SO4) erhöht die Leitfähigkeit deutlich, es gibt trotzdem kaum Nebenreaktionen. A4 Beim Membranverfahren ist die Elektrolysezelle durch eine PTFE-Membran in Anoden- und Kathodenraum getrennt. Die Membran ist nur durchlässig fiir H,0-Molekiile und Na,-lonen. An der Anode aus Titan bildet sich bei Elektrolyse Chlor. Eine spezielle Schicht aus Rutheniumoxid erhéht die Uberspannung fiir Sauerstoff. An der Kathode aus Nickel bilden sich Hy-Molekiile und OH™-lonen.

A5 Aufgrund der Stellung in der Spannungsreihe mit £°=-1,66V ist Aluminium sehr unedel. Es

wiirde sich statt Aluminium Wasserstoff bilden. A6

a) Aluminium ist durch eine Eloxalschicht gut

zu schiitzen. Da kein zweites Metall vorhanden ist,

kann sich kein korrosionsférderndes Lokalelement bilden. Wenn in der WeiRblechdose die Zinnschicht beschadigt ist, kénnen sich Lokalelemente bilden,

A15.208-209, 234-236; A2 S.218-219,222-223;

A35.218-219,222-223,229,232-233; A4 5.234235; A4 5.240-242. Lésungen: A1 a) Elektrophile sind Teilchen mit einer positiven Ladung oder positiven Teilladung und greifen bevorzugt Teilchen mit hoher Elektronendichte an. Die C=C-Doppelbindung ist ein solcher Bereich. Nucleophile sind dagegen negativ geladen oder negativ polarisiert. b) In Gegenwart von Licht oder bei hohen Temperaturen kann die Br-Br-Einfachbindung homolytisch in Br-Radikale gespalten werden. Die Anwesenheit eines Katalystors wie FeBr; fiihrt zu einer Polarisierung des Br,-Molekiils und erméglicht eine heterolytische Spaltung der Br-Br-Bindung.

c) Reaktionen verlaufen haufig in mehreren Schritten. Anhand von Reaktionsmechanismen lassen sich die Einzelschritte anschaulich darstellen und

so Informationen fiir die Beeinflussung von Reaktionen gewinnen wie beispielsweise die Wahl der Reaktionsbedingungen, der Edukte oder Losemittel.

B

i

HiC—GH—OH + HO—C—CH; CH3

besonders bei saurehaltigen Getranken oder nach

H3C—CH—0—C—CHa + H20

dem Offnen. Bei der Kunststoffbeschichtung kann

CH3

sich zwar kein Lokalelement bilden, aber bei Be-

schadigung kann das Eisen durch ein saurehaltiges

HyC—CH—OH + HCl

Getrank direkt angegriffen werden.

b) Im WeiRblech hat Zinn das hohere Elektrodenpotential. Bei der Bildung von Lokalelementen wird die Eisenschicht zum Minuspol. Fe?*-lonen gehen in Losung und bei ge6ffneter Dose bildet sich mit Sauer-

stoff Rost.

Lésungen

—

—>

H3C—CH—Cl

H3 A3

A /NI

B

/

\

H3 + NaOH

—> /OH r

+HBr——j\/

+ Nal

+ H,0

c bl

+ KOH —

OH

/\j\

H

>< + H20 —

o

K

Hilfen zur Lésung der Aufgaben finden Sie hier: A15.264-265; A2 S.272-273; A3 5.266-267, 274-275; A4 S.268-269.

+ HCL

Losungen:

EAN — AN +H

A1

a) Gummiringe: Elastomer

Schutzhelm: Duroplast Pfannenwender: Duroplast Biigelperlen: Thermoplast

A4 Reagenzglas 1: Tetrachlorethen Reagenzglas 2: Trichlorethen Reagenzglas 3: Dichlorethen

Cl-Atome besitzen einen -I-Effekt. Sie verringern die

b) Vergleiche Abb. 2 auf S. 264.

Elektronendichte im Bereich der Doppelbindung und somit auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Bei Dichlorethen verlauft die Bromierung am schnells-

c) Thermoplastische Kunststoffe konnen durch SpritzgieRen, Blasformen oder Schmelzspinnen

verarbeitet werden.

ten, bei Trichlorethen deutlich langsamer. Tetra-

d) Da sich thermoplastische Kunststoffe schmelzen

chlorethen reagiert fast gar nicht mit Brom.

lassen, konnen sie einfach in die gewiinschte Form

A5 H HH

H

T

—

H

H

H-

—

H H

H

H

H

O

H

HH

-

H-

HH

-

H

O H

H

H

H

—

H H-

H

H H

—

H

H

A2 Bei der Gewinnung von Rohkautschuk werden Kautschukbaume angeritzt. Der austretende Latexsaft enthalt Naturkautschukpolymere. Durch Ausfallen aus saurer Lésung durch Eindampfen erhalt man Rohkautschuk. Als weitere Quelle von

Naturkautschuk steht Léwenzahn im Fokus der For-

H

kein Aromat, 4 1t-Elektronen H

H

gebracht werden. Die Herstellung von Gegenstanden aus diesen Kunststoffen ist kostengiinstiger und erfordert weniger Nachbearbeitung.

H-

H H

H

schung. Alternativ kann Rohkautschuk auch durch Polymerisation von 2-Methylbuta-1,3-dien hergestellt werden. Fiir eine Reaktionsgleichung siehe S.272Abb.2.

Bei der Vulkanisation reagieren Schwefel-Molekiile mit den C=C-Doppelbindungen der Kautschuk-Molekiile. Dabei werden benachbarte Kautschuk-Molekiile tiber Schwefelbriicken vernetzt. Fiir eine Reaktionsgleichung siehe S. 272 Abb. 3. A3 a)

Aromat, 6 t-Elektronen H

H H

H

H H

H

/\o)k H

H-

-

o

H

H

H

kein Aromat, 8 -Elektronen

1Ql

1Ql

0

)=0

Es liegt eine Polymerisation vor.

H

H-

H

——

b

) HzN—@NHz

+

H

-

-H

a

i H

Hooc—@—coon—\

®

oIl e

Es liegt eine Polykondensation vor.

Lésungen

353

Lösungen

Testen Sie sich

A4 Für Abbildungen vergleiche S. 269 Abb. 3. Aufgrund der unregelmäßigen Anordnung der PhenylGruppen bei einer ataktischen Struktur weist das Polymer überwiegend amorphe Bereiche auf. Das Polymer ist weich und hat einen niedrigen Schmelzbereich. Syndiotaktische und isotaktische Strukturen fithren zu einer starkeren Annaherung der Molekiilketten und ausgepragteren kristallinen Bereichen. Die Polymere sind fester und haben héhere

Schmelzbereiche.

LGG Hilfen zur Lösung der Aufgaben finden Sie hier: A15S.292-293; A2 S. 292-293; A3 S. 298-299; A4 S.306-307; A5 S.310-311; A6 S.312-314; A7 S.316-317. Lösungen:

A1 _ a) b) In einem Fett-Molekül sind drei FettsäureMoleküle mit einem Glycerin-Molekül verestert. z

o

X

H2C—0—C—C47H33 S

tenlénge der Molekiile zu. Die Molekiile der Olsaure

sind leicht gewinkelt und konnen sich daher nicht sehr dicht zusammenlagern. Die zwischenmolekularen Wechselwirkungen sind schwécher ausgepragt und die Schmelztemperatur entsprechend niedrig. Die Molekiile der Linolsaure enthalten zwei Doppelbindungen und sind somit starker gewinkelt. Die zwischenmolekularen Wechselwirkungen sind noch schwécher als bei den Olsaure-Molekiilen; die Schmelztemperatur liegt demnach noch niedriger. A3 a) In einem Aminosaure-Molekiil sind am C-Atom, das der Hydroxy-Gruppe benachbart ist, eine Amino-Gruppe, ein H-Atom und weitere Atome oder Atomgruppen als Reste gebunden. Im Falle des Glycin-Molekiils handelt es sich dabei um ein H-Atom, beim Alanin-Molekiil um eine CH;-Gruppe. Am isolelektrischen Punkt liegen die Carboxy-Gruppe deprotoniert und die Amino-Gruppe protoniert

vor.

b)

FOOH

HZN—?—H

S

H Glycin

d}H\‚}"

N

= HC—O—H

+ 2K*

+

. K*

H3 Alanin

von L-Alanin.

Ho —@—E—CnHau

o o10—C—C47H33 Il

HoN—C—H

) In der Fischer-Projektion des Alanin-Molekiils weist die NH,-Gruppe nach links. Man spricht daher

J HI—g—c—an33 +3K*(aq) + 30H(aq)

H2C—O—H

OOH

S fi —C47Ha1

A

H o+

H

A

R

H

H

H— o

_ P

H2C—O—H

Bei der Reaktion mit Kalilauge entstehen Glycerin und die Kaliumsalze der Fettsäuren. Das GlycerinMolekül kann über drei OH-Gruppen H-Brücken zu H,0-Molekiilen ausbilden. Die Anionen der Fettsaure-Molekiile verfiigen tiber eine polare CarboxyGruppe, die ebenfalls H-Briicken ausbilden kann. A2 Bei Myristinsaure, Palmitinsaure und Stearinséaure handelt es sich um gesattigte Fettsauren, deren geradkettigen Molekdle sich gut zusammenlagern kénnen. Die Schmelztemperaturen der gesattigten Fettsauren sind daher hoher als die der ungesattigten Fettsiuren wie Olsiure und Linolsiure. Innerhalb der Reihe der gesattigten Fettsauren nimmt die Schmelztemperatur mit steigender Ket-

354

Lésungen

Es liegt eine Kondensationsreaktion vor. A4 Fiir die Fischer-Projektion und die HarworthFormeln siehe Seite 306. Beim Ringschluss des Glucose-Molekiils entsteht eines asymmetrisches Zentrum am C1-Atom. Liegen die OH-Gruppen am

C1- Atom und C2-Atom auf derselben Seite der

Ringebene, spricht man a-D-Glucose. Beim 3-DGlucose-Molekiil liegen die OH-Gruppen auf verschiedenen Seiten der Ringebene. A5 a) Fiir die Haworth-Formeln der Molekiile siehe $.310und S.311.

b) Bei den Molekülen der Maltose und der Lactose ist eine Öffnung des Rings möglich, sodass eine freie Aldehyd-Gruppe vorliegt. Maltose und Lactose wir-

ken daher reduzierend.

A6 Cellulose besteht aus langen, gestreckten Molekülen, die sich zu Mikrofibrillen zusammen-

lagern können. Zwischen den parallel angeordneten

Molekülen können sich H-Brücken ausbilden. Die so entstehende kompakte Struktur verleiht Cellulose-

fasern ihre Stabilität. Stärke-Moleküle sind teilweise

verzeigt und somit weniger dicht gepackt.

A7 Nucleotide bestehen aus einem DesoxyriboseRest, einem Triphosphat-Rest und einem Base-Rest. Die Nucleotide werden zu einem Strang verkniipft. Jeweils zwei Strange bilden eine Doppelhelix-Struktur, bei der gegeniiberliegende Base-Reste iiber

H-Briicken miteinander verbunden sind. Es kommt

zu den Basenpaarungen Adenin/Thymin und Cytosin/Guanin.

Lösungen

355

Gefahrenhinweise (H-Sätze) Physikalische Gefahren

H360FD

H200

H360Fd

H201

H202 H203 H204

H205

H220

H221 H222 H223

H224

H225

H226

Instabil, explosiv

Explosiv, Gefahr der Massenexplosion.

Explosiv; große Gefahr durch Splitter, Spreng- und Wurfstücke. Explosiv; Gefahr durch Feuer, Luftdruck oder Splitter, Spreng- und Wurfstücke,

Gefahr durch Feuer oder Splitter, Spreng- und Wurfstiicke.

Gefahr der Massenexplosion bei Feuer. Extrem entziindbares Gas.

Entzindbares Gas. Extrem entziindbares Aerosol. Entziindbares Aerosol.

Fliissigkeit und Dampf extrem entziindbar.

Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.

Fliissigkeit und Dampf entziindbar.

H361 H361f H361d H361fd H362 H370

H371 H372

Kann die Fruchtbarkeit beeintrachtigen.

Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schédigen. Kann das Kind im Mutterleib schadigen. Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeintrachtigen. Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen oder das Kind im Mutterleib schädigen. Kannvermutlich die Fruchtbarkeit beeintréchtigen Kannvermutlich das Kind im Mutterleib schadigen. Kannvermutlich die Fruchtbarkeit beeintrichtigen Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen. Kann Säuglinge über die Muttermilch schädigen. Schädigt die Organe.

Kann die Organe schädigen. Schädigt die Organe bei längerer oder wiederholter Exposition Kann die Organe schadigen bei lngerer oder wiederholter

H228

Entziindbarer Feststoff.

H373

H241 H242 H250 H251

Erwärmung kann Brand oder Explosion verursachen. Erwärmung kann Brand verursachen. Entziindet sich in Beriihrung mit Luft von selbst. Selbsterhitzungsfahig; kann in Brand geraten

Umweltgefahren

H240

H252

H260 H261

H270 H71 H272 H280

H281 H290

Erwarmung kann Explosion verursachen.

In groBen Mengen selbsterhitzungsfahig;

kann in Brand geraten.

In Beriihrung mit Wasser entstehen entziindbare Gase,

die sich spontan entziinden kénnen. In Beriihrung mit Wasser entstehen

entziindbare Gase.

Kann Brand verursachen oder verstarken;

H300 H301 H302 H304 H310 H311

H312 H314 H315 H317

H318 H319

H330 H331

H332

H334

EUH-Satze

explodieren. Enthält tiefgekühltes Gas; kann Kälteverbrennungen oder -verletzungen verursachen. Kann gegeniiber Metallen korrosiv sein.

Lebensgefahr bei Verschiucken. Giftig bei Verschlucken, Gesundheitsschadlich bei Verschlucken. Kann beiVerschlucken und Eindringen in die Atemwege tödlich sein. _ Lebensgefahr bei Hautkontakt. Giftig bei Hautkontakt.

Gesundheitsschidlich bei Hautkontakt. Verursachtschwere Veratzungen der Haut und schwere Augenschéden. Verursacht Hautreizungen.

Kann allergische Hautreaktionen verursachen.

Verursachtschwere Augenschiden.

Verursacht schwere Augenreizung.

Kann vermutlich genetische Defekte verursachen.

H360 H360F H360D

Kann Krebs erzeugen

Kann vermutlich Krebs erzeugen.

Kann die Fruchtbarkeit beeintrichtigen oder das Kind im Mutterleib schadigen. Kann die Fruchtbarkeit beeintrachtigen. Kann das Kind im Mutterleib schidigen

Gefahrenhinweise

Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung. Schadlich fiir Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung. Kann fiir Wasserorganismen schadlich sein, mit langfristiger Wirkung,

Schadigt die offentliche Gesundheit und die Umwelt durch Ozonabbau in der duReren Atmosphire.

EUHO19

Kann bei Verwendung explosionsfahige / entziindbare Dampf/Luft-Gemische bilden. Kann explosionsfahige Peroxide bilden.

EUH029 EUH031 EUH032

Entwickelt bei Beriihrung mit Wasser giftige Gase, Entwickelt bei Beriihrung mit Séure giftige Gase. Entwickelt bei Beriihrung mit Saure sehr giftige Gase.

EUHO044

EUHO066

EUHO70 EUHOT71

EUH201

EUH201A EUH202

EUH205

Kann genetische Defekte verursachen.

Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung.

EUH018

EUHO14

Gesundheitsschadlich bei Einatmen.

Kann bei Einatmen Allergie, asthmaartige Symptome.

Sehr giftig fiir Wasserorganismen

Introckenem Zustand explosiv. Mit und ohne Luft explosionsfahig.

EUH203

Giftig bei Einatmen.

Exposition.

EUH001 EUH006

Lebensgefahr bei Einatmen.

H341 H351

Han Ha12 Ha13

Kann Brand verstarken; Oxidationsmittel. Enthalt Gas unter Druck; kann bei Erwarmung,

Kann Brand oder Explosion verursachen; starkes Oxidationsmittel.

H335 H336

H350

H410

H420

oder Atembeschwerden verursachen. Kann die Atemwege reizen. Kann Schiafrigkeit und Benommenheit verursachen.

H340

H400

Oxidationsmittel.

Gesundheitsgefahren

356

H360Df

Kann die Fruchtbarkeit beeintrachtigen. Kann das Kind im Mutterleib schadigen.

EUH204

EUH206 EUH207

EUH208 EUH209 EUH209A EUH210

EUH401

Reagiert heftig mit Wasser.

Explosionsgefahr bei Erhitzen unter Einschluss.

Wiederholter Kontakt kann zu sproder oder rissiger Haut

fiihren.

Giftig bei Beriihrung mit den Augen.

Wirkt &tzend auf die Atemwege.

Enthlt Blei. Nicht fir den Anstrich von Gegenstanden verwenden, die von Kindern gekaut oder gelutscht werden kénnten.

Achtung! Enthalt Blei Cyanacrylat. Gefahr, Klebt innerhalb von Sekunden Haut und Augenlider zusammen. Darf nicht in die Hande von Kindem gelangen. Enthalt Chrom(vi]. Kann allergische Reaktionen hervorrufen.

Enthélt Isocyanate. Kann allergische Reaktionen hervorrufen.

Enthilt epoxidhaltige Verbindungen. Kann allergische Reaktionen hervorrufen. Achtung! Nicht zusammen mit anderen Produkten verwenden, da gefahrliche Gase (Chlor) freigesetzt werden konnen. Achtung! Enthalt Cadmium. Bei der Verwendung entstehen

gefihrliche Dampfe. Hinweise des Herstellers beachten. Sicherheitsanweisungen einhalten. Enthalt (Name des sensibilisierenden Stoffes). Kann allergische Reaktionen hervorrufen. Kann bei Verwendung leicht entzindbar werden. Kann bei Verwendung entziindbar werden. Sicherheitsdatenblatt auf Anfrage erhltlich.

ZurVermeidung von Risiken fiir Mensch und Umwelt die Gebrauchsanleitung einhalten.

Sicherheitshinweise (P-Sätze) Allgemeines

Reaktion

P101

P301 P302 P303 P304 P305 P306 P307 P308 P309 P310 P311 P312 P313 P314

P102 P103

Ist ärztlicher Rat erforderlich, Verpackung oder Kennzeichnungsetikett bereithalten. Darf nichtin die Hande von Kindern gelangen. VorGebrauch Kennzeichnungsetikett lesen.

Prévention P201 P202 P210 p211 P220 P221

P222

P223 P230 P231 P232

P233 P234

P235

P240 P241 P242 P243

P244 P250 P251 P260 P261 P262 P263

P264

P270 P271

P272

Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen. _ Vor Gebrauch alle Sicherheitshinweise lesen und verstehen, _ Von Hitze /Funken / offener Flamme / heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen. Nicht gegen offene Flamme oder andere Zündquelle sprühen. VonKleidung/.../brennbaren Materialien fernhalten/ entfernt aufbewahren Mischen mit brennbaren Stoffen/... unbedingt verhindern. Kontakt mit Luft nicht zulassen.

Kontakt mit Wasser wegen heftiger Reaktion und möglichem Aufflammen unbedingt verhindern. Feucht halten mit .. Unter inertem Gas handhaben. Vor Feuchtigkeit schitzen.

Behälter dicht verschlossen halten.

Nur im Originalbehälter aufbewahren. Kühl halten.

Behälter und zu befüllende Anlage erden. Explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel/ Lüftungsanlagen / Beleuchtung / ... verwenden. Nur funkenfreies Werkzeug verwenden.

MaRnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen.

Druckminderer frei von Fett und Öl halten. Nicht schleifen/stoRen/ . / reiben. Behälter steht unter Druck: Nicht durchstechen oder verbrennen, auch nicht nach der Verwendung. Staub /Rauch/Gas / Nebel / Dampf / Aerosol nicht einatmen. Einatmen von Staub/Rauch / Gas/ Nebel / Dampf/ Aerosol vermeiden. Nicht in die Augen, auf die Haut oder auf die Kleidung gelangen lassen. Kontakt wahrend der Schwangerschaft/

und der Stillzeit vermeiden.

Nach Gebrauch ... griindlich waschen.

Bei Gebrauch nicht essen, trinken oder rauchen.

Nur im Freien oder in gut belüfteten Räumen verwenden.

Kontaminierte Arbeitskleidung nicht außerhalb

des Arbeitsplatzes tragen.

P315 P320 P321 P322 P330 P33l P332 P333 P334 P335 P336 P337 P33 P340 P341 P342 P350 P351 P352 P353 P360 P361 P362

P281 P282

Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen. Vorgeschriebene persönliche Schutzausrüstung verwenden. Schutzhandschuhe / Gesichtsschild / Augenschutz

P363 P370 P371 P372 P373

P283

Schwer entflammbare / flammhemmende Kleidung tragen.

P374

P273

P280

P284

P285

P231

+P232

P235

+P410

Freisetzung in die Umwelt vermeiden.

mit Kälteisolierung tragen.

Atemschutz tragen.

Bei unzureichender Beliiftung Atemschutz tragen.

Unter inertem Gas handhaben, Vor Feuchtigkeit schiitzen.

Kühl halten. Vor Sonnenbestrahlung schützen.

P375 P376 P377 P378 P380 P381 P390 P391 P301 +P310 P301 +P312

Bei Verschlucken: Bei Berührung mit der Haut: Bei Berührung mit der Haut (oder dem Haar): Bei Einatmen: Bei Kontakt mit den Augen: Bei kontaminierter Kleidung: Bei Exposition: Bei Exposition oder falls betroffen: Bei Exposition oder Unwohlsein: Sofort Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen. Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen. Bei Unwohlsein Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen. Ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen. Bei Unwohlsein ärztlichen Rat einholen/ ärztliche Hilfe hinzuziehen. Sofort ärztlichen Rat einholen/ ärztliche Hilfe hinzuziehen, Besondere Behandlung dringend erforderlich (siehe ... auf diesem Kennzeichnungsetikett). Besondere Behandlung (siehe .. auf diesem Kennzeichnungsetikett). Gezielte Maßnahmen (siehe ... auf diesem Kennzeichnungsetikett). Mund ausspülen. Kein Erbrechen herbeiführen. Bei Hautreizung: Bei Hautreizung oder -ausschlag: In kaltes Wasser tauchen / nassen Verband anlegen. Lose Partikel von der Haut abbürsten. Vereiste Bereiche mit lauwarmem Wasser auftauen. Betroffenen Bereich nicht reiben. Bei anhaltender Augenreizung:

Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspilen. Die betroffene Person an die frische Luft bringen und i einer Position ruhigstellen, die das Atmen erleichtert. Beij Atembeschwerden an die frische Luft bringen und in einer Position ruhigstellen, die das Atmen erleichtert. Bei Symptomen der Atemwege:

Behutsam mit viel Wasser und Seife waschen.

Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspiilen. Mit viel Wasser und Seife waschen.

Haut mit Wasser abwaschen / duschen. Kontaminierte Kleidung und Haut sofort mit viel Wasser abwaschen und danach Kleidung ausziehen. Alle kontaminierten Kleidungsstiicke sofort ausziehen Kontaminierte Kleidung ausziehen und vor ereutem Tragen waschen. Kontaminierte Kleidung vor erneutem Tragen waschen. Bei Brand:

Bei Grofbrand und grofien Mengen: Explosionsgefahr bei Brand. Keine Brandbekimpfung, wenn das Feuer explosive Stoffe/ Gemische / Erzeugnisse erreicht. Brandbekämpfung mit üblichen Vorsichtsmaßnahmen aus angemessener Entfernung.

Wegen Explosionsgefahr Brand aus der Entfernung bekämpfen. Undichtigkeit beseitigen, wenn gefahrlos möglich. Brand von ausströmendem Gas: Nicht löschen, bis Undichtigkeit gefahrlos beseitigt werden kann. . zum Loschen verwenden. Umgebung réumen. Alle Ziindquellen entferen, wenn gefahrlos maglich Verschiittete Mengen aufnehmen, um Materialschaden 2u vermeiden. Verschiittete Mengen aufnehmen.

Bei Verschlucken: Sofort Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen. Bei Verschlucken: Bei Unwohlsein Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen. Sicherheitshinweise

357

P301 +P330 +P331 P302 +P334 P302 +P350 P302 +P352 P303 +P361 +P353 P304 +P340 P304 +P341

Bei Verschlucken: Mund ausspülen. Kein Erbrechen herbeifiihren.

P305 +P351 +P338

Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spiilen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Méglichkeit entfernen. Weiter spillen. Bei Kontakt mit der Kleidung: Kontaminierte Kleidung und Haut sofort mit viel Wasser abwaschen und danach Kleidung ausziehen. Bei Exposition: Giftinformationszentrum oder Arzt

P306 +P360 P307 +P311 P308 +P313 P309 +P311 P332 +P313 P333 +P313 P335 +P334 P337 +P313 P342 +P311 P370 +P376 P370 +P378 P370 +P380 P370 +P380 +P375 P371 +P380 +P375

358

Bei Kontakt mit der Haut: In kaltes Wasser tauchen / nassen Verband anlegen. Bei Kontakt mit der Haut: Behutsam mit viel Wasser und Seife waschen. Bel Kontakt mit der Haut: Mit viel Wasser und Seife waschen.

Bei Kontakt mit der Haut (oder dem Haar): Alle beschmutzten, getrénkten Kleidungsstiicke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen /duschen. Bei Einatmen: An die frische Luft bringen und in einer Position ruhigstellen, die das Atmen erleichtert. Bei Einatmen:

Bei Atembeschwerden an die frische Luft

bringen und in einer Position ruhigstellen, die das Atmen

erleichtert.

anrufen.

Bei Exposition oder falls betroffen: Arztlichen Rat Einholen / arztliche Hilfe hinzuziehen. Bel Exposition oder Unwohlsein: Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen.

Bei Hautreizung: Arztlichen Rat einholen/ arztliche Hilfe hinzuziehen.

Bei Hautreizung oder -ausschlag: Arztlichen Rat einholen / rztliche Hilfe hinzuziehen. Lose Partikel von der Haut abbiirsten. In Kaltes Wasser tauchen/ nassen Verband anlegen. Bel anhaltender Augenreizung: Arztlichen Rat einholen érztliche Hilfe hinzuziehen. Bei Symptomen der Atemwege: Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen. Bei Brand: Undichtigkeit beseitigen, wenn gefahrlos moglich. Bei Brand: . . zum Léschen verwenden

Bei Brand: Umgebung raumen

Bei Brand: Umgebung raumen. Wegen Explosionsgefahr Brand aus der Entfernung bekämpfen. Bei Großbrand und großen Mengen: Umgebung räumen. Wegen Explosionsgefahr Brand aus der Entfernung bekämpfen.

Sicherheitshinweise

Aufbewahrung P401

P402 Pa03 P404 P405 P406

P407 P410 P41l

Pa12 Pa13

-..aufbewahren.

An einem trockenen Ort aufbewahren. An einem gut beliifteten Ort aufbewahren. In einem geschlossenen Behälter aufbewahren. Unter Verschluss aufbewahren. In korrosionsbeständigem/ ... Behälter mit korrosionsbeständiger Auskleidung aufbewahren. Luftspalt zwischen Stapeln /Paletten lassen. Vor Sonnenbestrahlung schiitzen.

Bei Temperaturen von nicht mehr als ... °C/... aufbewahren.

Nicht Temperaturen von mehr als 50 °C aussetzen. Schüttgutin Mengen von mehr als . . kg bei Temperaturen von nicht mehr als ... °C aufbewahren Von anderen Materialien entfernt aufbewahren. Inhaltin/unter... aufbewahren In einem geschlossenen Behiter an einem trockenen Ort aufbewahren. Behalter dicht verschlossen an einem gut beliifteten Ort aufbewahren. Kühl an einem gut belüfteten Ort aufbewahren.

P420 Ppa22 P402 +P404 Pa03 +P233 P403 +P235 PA10 Vor Sonnenbestrahlung geschütztan einem +P403 — gut belüfteten Ort aufbewahren. P410 Vor Sonnenbestrahlung schützen und nicht Temperaturen +P412 _ von mehr als 50°C aussetzen. Pal1 Kühl und bei Temperaturen von nicht mehr als . . °C +P235 aufbewahren Entsorgung P501

Inhalt /Behälter ... zuführen.

Stoffliste Die Daten in der Stoffliste stammen von den gängigen Inverkehrbringern. Nichtkommerziell erhältliche Lösungen und Zubereitungen wurden von der GBK Gefahrgut Büro GmbH, Ingelheim auf Grundlage der verfügbaren Daten eingestuft. Alle Daten wurden geprüft und überarbeitet. Die neue CLP-Verordnung erlaubt den Inverkehrbringern über die Mindesteinstufung (Anhang 6, Tabelle 3.1 der Verordnung (EU) Nr. 286/2011) hinaus abweichende Einstufungen aufgrund eigener Tests oder Klassifizierungen zu vergeben. Die Gebindekennzeichnungen verschiedener Inverkehrbringer können daher untereinander und von den hier vorliegenden Daten abweichen. Haftungsausschluss: Trotz sorgfältiger Prüfung ist es möglich, dass bei der Zusammenstellung Fehler aufgetreten sind.

Die gegebenen Daten sind daher von jeder Lehrkraft zu prüfen.

Hinweis: Der Zusatz (R) in der ersten Spalte weist auf ein Rezept zur Herstellung der betreffenden Lösung in der Tabelle

„Reagenzlösungen“ hin. Das Zeichen X in der letzten Spalte zeigt an, dass die Entsorgung der konkreten Situation an-

gepasst werden muss.

ean

(A;:;;:mn) Alizarin

Aluminiumchlorid

GHS-Piktogramme H-Sätze

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H225

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H302, H319

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H319, H336

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H314

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H315, H318

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H314

Ammoniumchlorid

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H302, H319

Baeyer-Reagenz (R)

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H319

BarfoechReagenz(R)

ED H314

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H319

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1-Brombutan

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H225

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2-Brombutan

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H225

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H225

2-Brom-2-methylpropan

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H225

Bromthymolblaulssung

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H225

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H318

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L orgungsymbole

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;'_;:Z‘Z"f;'‚;s"”g

Benedict-Reagenz

Sicherheitssymbole,

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X Stoffliste

359

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Bromwasserstoff

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H331

Butan-1-ol

B

Butan-2-ol

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H314

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H302

Butylethanoat

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H336

Calciumchlorid

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H319

Calciumhydroxid

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H318

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H315, H318

e-Caprolactam

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Ev":'"g‘;läyg"äen:‘;f‘dlbs“"g @

Cyclohexen

Eisen (Pulver)

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H314

Haa

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Eisen(IM}-chlorid

H226

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H272

H315, H319

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H319

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Stoffliste

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Eisen(Ill)-nitrat

360

H315, H335

H335

H242

ow

Gefahr

H315, H319,

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R

H302+H332,

H225

1,6-Diaminohexan Dieselkraftstoff

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H315, H319

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Achtung

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H225

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H225

Fehling-Losung ], (R)

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Ethanol

Fehling-Lösung Il, (R} Heptan

K

H318

H373

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H319, H336

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H315, H336

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H226

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Kaliumhydroxid

r:::ll:‘l:ulged}“:vx: o Kaliumnitrat Kaliumpermanganat

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EUHO44

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H314

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H302

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Kohlenstoffdioxid

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Kupferpulver

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Kupfer(1)-chlorid-Dihydrat @

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H410

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:ä?ä H315,

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Celahr

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Kupfer(ll-sulfat

H318

Kupfer(11)-sulfatlösung

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HA1O

-

Stoffliste

361

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o S0

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H315,H319

Magnesium (Band)

@

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Maleinséureanhydrid

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H314

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H302

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Ha11

Mangan(I!}-chlorid

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H373

Methan

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H220

Methanol

H225

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H318

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Methylsalicylat

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H318

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H314

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Natriumhydrogensulfat

[N;;':z”:'r"‘::;“m" Natriumnitrat

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Natriumsulfit

H319

H272

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H315, H319

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Ninhydrin, Sprühreagenz

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H319, H336

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H225

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Gefahr

T

Oct-1-en

362

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Stoffliste

@

H304

@

H411

a

X

Pentylethanoat Phenol Phenolphthaleinlösung,

alkoholisch, w