Aufgabe A – Kältesofortkompressen

Hinweis: Die Aufgabe A beinhaltet einen fachpraktischen Anteil und muss in der Prüfung bearbeitet werden. Von den anderen drei Aufgaben B, C und D müssen zwei zur Bearbeitung ausgewählt werden.

Zur Kühlung von Verletzungen kann man in der Ersten Hilfe und im Rettungswesen sogenannte Kältesofortkompressen verwenden.

Fertige eine beschriftete Skizze für den Lösevorgang einer Ionensubstanz $Formula: (\text{AB})$ $Formula: (\text{AB})$ in Wasser auf der Teilchenebene an.

Erkläre die Funktionsweise einer Kältesofortkompresse (M 1).

8 BE

Schülerexperiment

Ermittle experimentell auch unter Angabe der relevanten Beobachtungen mit den gegebenen Materialien die molare Lösungsenthalpie von Ammoniumnitrat (M 2).

Beurteile die Eignung des Experiments zur Bestimmung der molaren Lösungsenthalpie von Ammoniumnitrat unter Berücksichtigung des theoretischen Wertes.

9 BE

Beurteile auch unter Berechnung der Temperaturänderung den Einsatz der beschriebenen Do-it-yourself Kompresse (M 3).

6 BE

Formuliere die beiden Reaktionsgleichungen für die Herstellung von Ammoniumnitrat (M 4).

Diskutiere anhand von drei Argumenten die Verwendung von Ammoniumnitrat in Kältesofortkompressen (M 1 bis M 4).

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Material 1: Kältesofortkompressen

In einer Kunststoffhülle befinden sich granuliertes Ammoniumnitrat und ein mit Wasser gefülltes Päckchen. Zur Anwendung wird die Kompresse bis zum Platzen dieses Päckchens zusammengedrückt. Die äußere Hülle muss dabei verschlossen bleiben.

Die Kompresse ist bis zu Formula: 30 Minuten kalt und kann nur einmal verwendet werden. Zudem sollte diese bei Raumtemperatur, sowie außerhalb der Reichweite von Kindern, gelagert werden.

Bei Berührung des Inhalts einer Kompresse mit der Haut sollte diese Formula: 15 Minuten lang mit Wasser gespült werden. Bei Einnahme sollte sofort ein Arzt aufgesucht werden.

Material 2: Experiment zur kalorimetrischen Bestimmung der Lösungsenthalpie

Geräte

Waage
Kalorimetergefäß
Temperaturmessgerät
ggf. Glasstab oder Magnetrührwerk
Messzylinder
Filterpapier oder Uhrglas o. Ä.
Spatel

Chemikalien

Ammoniumnitrat $Formula: (m=8\;\text{g})$ $Formula: (m=8\;\text{g})$
destilliertes Wasser $Formula: (V=100\;\text{mL})$ $Formula: (V=100\;\text{mL})$

Anmerkung: $Formula: c_p(\text{H}_2\text{O})=4,18\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}}$ $Formula: c_p(\text{H}_2\text{O})=4,18\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}}$

Der theoretische Wert für die molare Standardlösungsenthalpie von Ammoniumnitrat beträgt $Formula: \Delta_LH=+15\;\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}.$ $Formula: \Delta_LH=+15\;\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}.$

Material 3: Do-it-yourself-Bauanleitung für Kältesofortkompressen

Eine Do-it-yourself-Bauanleitung für Kältekompressen empfiehlt ein Mischungsverhältnis der Inhaltsstoffe von $Formula: 1\text{:}1$ $Formula: 1\text{:}1$ (Bsp. $Formula: 50\;\text{g}$ $Formula: 50\;\text{g}$ Ammoniumnitrat und $Formula: 50\;\text{mL}$ $Formula: 50\;\text{mL}$ Wasser).

In $Formula: 100\;\text{mL}$ $Formula: 100\;\text{mL}$ Wasser sind theoretisch bis zu $Formula: 208,9\;\text{g}$ $Formula: 208,9\;\text{g}$ Ammoniumnitrat löslich.

Material 4: Herstellung und Verwendung von Ammoniumnitrat

Ammoniumnitrat findet weiterhin vielseitige Verwendung z. B. als anorganisches Düngermittel und Sprengstoff. Ammoniumnitrat kann sich explosionsartig zersetzen. In den letzten Jahrzehnten ereignete sich diesbezüglich eine große Zahl von Unfällen.

Flussdiagramm: Wasserspaltung und Luftzerlegung Haber-Bosch-Verfahren Ostwald-Prozess Ammoniumnitrat

Abb. 1: Prozess zur Herstellung von Ammoniumnitrat (vereinfacht)

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Anfertigen einer Skizze

Skizze Lösungsvorgang eines Ionengitters in hydratisierte Ionen

Erklärung der Funktionsweise

Durch Zusammendrücken des inneren Päckchens kommen Wasser und Ammoniumnitrat in Kontakt.
Ammoniumnitrat löst sich in einem endothermen Vorgang im Wasser.
Die Umgebung kühlt sich durch den Wärmeaustausch mit der Lösung ab.

Hinweis: Bei dem Schülerexperiment werden außerdem der Arbeitsschutz und die Durchführung bewertet.

Beobachtungen

vollständiges Auflösen des Salzes
Werte für Temperatur des Anfangs- und Endzustands

Berechnung der molaren Lösungsenthalpie mithilfe der Kalorimetergleichung

$Formula: n_\text{Ammoniumnitrat}=\dfrac{m}{M}=\dfrac{8\;\text{g}}{80\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0,1\;\text{mol}$ $Formula: n_\text{Ammoniumnitrat}=\dfrac{m}{M}=\dfrac{8\;\text{g}}{80\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0,1\;\text{mol}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_LH_m&=&-\dfrac{Q}{n_\text{Ammoniumnitrat}}\\[5pt] &=&-\dfrac{c_p(\text{H}_2\text{O})\cdot m(\text{H}_2\text{O})\cdot\Delta T}{n_\text{Ammoniumnitrat}}\\[5pt] &=&-\dfrac{4,18\;\frac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}}\cdot100\;\text{g}\cdot\Delta T}{0,1\;\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_LH_m&=&-\dfrac{Q}{n_\text{Ammoniumnitrat}}\\[5pt] &=&-\dfrac{c_p(\text{H}_2\text{O})\cdot m(\text{H}_2\text{O})\cdot\Delta T}{n_\text{Ammoniumnitrat}}\\[5pt] &=&-\dfrac{4,18\;\frac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}}\cdot100\;\text{g}\cdot\Delta T}{0,1\;\text{mol}} \end{array}$

Anhand der Abweichung zum theoretischen Wert $Formula: (\Delta_LH=+15\;\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1})$ $Formula: (\Delta_LH=+15\;\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1})$ soll das kalorimetrische Experiment auf seine Eignung zur Bestimmung der molaren Lösungsenthalpie beurteilt werden.

$Formula: n(\ce{NH4NO3})=\dfrac{m(\ce{NH4NO3})}{M(\ce{NH4NO3})}=\dfrac{50\;\text{g}}{80\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0,625\;\text{mol}$ $Formula: n(\ce{NH4NO3})=\dfrac{m(\ce{NH4NO3})}{M(\ce{NH4NO3})}=\dfrac{50\;\text{g}}{80\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0,625\;\text{mol}$

Umstellen der kalorimetrischen Grundgleichung:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta T&=&-\dfrac{n(\ce{NH4NO3})\cdot\Delta_LH(\ce{NH4NO3})}{c_p(\ce{H2O})\cdot m(\ce{H2O})}\\[5pt] &=&-\dfrac{0,625\;\text{mol}\cdot15\;\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}}{0,05\;\text{kg}\cdot4,18\;\frac{\text{kJ}}{\text{K}\cdot\text{kg}}}\\[5pt] &=&-44,856\;\text{K} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta T&=&-\dfrac{n(\ce{NH4NO3})\cdot\Delta_LH(\ce{NH4NO3})}{c_p(\ce{H2O})\cdot m(\ce{H2O})}\\[5pt] &=&-\dfrac{0,625\;\text{mol}\cdot15\;\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}}{0,05\;\text{kg}\cdot4,18\;\frac{\text{kJ}}{\text{K}\cdot\text{kg}}}\\[5pt] &=&-44,856\;\text{K} \end{array}$

Das vollständige Lösen ist möglich, da die Löslichkeit nicht überschritten wird. Die Temperaturverringerung von Raumtemperatur um $Formula: 44,8\;\text{K}$ $Formula: 44,8\;\text{K}$ bedeutet Kühlung auf etwa $Formula: -20\;^\circ\text{C}.$ $Formula: -20\;^\circ\text{C}.$ Solch eine Kompresse kann nicht eingesetzt werden, da Verletzungen der Haut auftreten können.

Formulieren der Reaktionsgleichungen

$Formula: \ce{N2_{(g)} + 3H2_{(g)} \rightleftharpoons 2NH3_{(g)}}$ $Formula: \ce{N2_{(g)} + 3H2_{(g)} \rightleftharpoons 2NH3_{(g)}}$

$Formula: \ce{NH3_{(s)} + HNO3_{(aq)} \rightleftharpoons NH4NO3_{(aq)}}$ $Formula: \ce{NH3_{(s)} + HNO3_{(aq)} \rightleftharpoons NH4NO3_{(aq)}}$

Diskussion der Verwendung von Ammoniumnitrat in Kältesofortkompressen

Pro-Argumente:

gut in Wasser löslich
bereits geringe Masse an Salz sorgt für effektive Abkühlung

Contra-Argumente:

Herstellung trotz hoher Verfügbarkeit des Stickstoffs sehr energieaufwendig, da Trennung von Sauerstoff, Gewinnung Wasserstoff, Salpetersäure usw.
Sprengstoff, hohes Gefährdungspotential
nur einmalige Verwendung möglich

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