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.

Erläutere den allgemeinen Zusammenhang zwischen Gitter-, Hydratations- und Lösungsenthalpie für den Lösevorgang.

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 zu berechnenden theoretischen Wertes.

Hinweis: Solltest du keinen Wert für die theoretische Lösungsenthalpie ermitteln können, nutze den fiktiven Wert von $Formula: \Delta_LH^0=20\;\text{kJ/mol}.$ $Formula: \Delta_LH^0=20\;\text{kJ/mol}.$

10 BE

Erkläre die Funktionsweise einer Kältesofortkompresse (M 1).

Beweise rechnerisch, dass der Lösevorgang von Ammoniumnitrat unter Standardbedingungen exergonisch verläuft.

Der Lösevorgang eines Salzes wird häufig als chemische Reaktion bezeichnet.

Beurteile die Richtigkeit dieser Aussage am Beispiel des Lösevorgangs von Ammoniumnitrat anhand von zwei Kriterien.

10 BE

Der Einsatz der beschriebenen Do-it-yourself Kompresse ist nicht zu empfehlen.

Begründe diese Aussage unter Zuhilfenahme einer Berechnung (M 3).

5 BE

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Herstellung

von Ammoniumnitrat (M 4).

eines Edukts für die Reaktion aus Aufgabe a.

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

7 BE

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

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 eine große Zahl von Unfällen.

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

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

Anlage

Thermodynamische Werte

	Ammoniumnitrat	Ammonium-Ion	Nitrat-Ion
molare Gitter- enthalpie in $Formula: \tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}$ $Formula: \tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}$		/
molare Hydratations- enthalpie in $Formula: \tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}$ $Formula: \tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}$
molare Standard- bildungsenthalpie in $Formula: \tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}$ $Formula: \tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}$
molare Standardentropie in $Formula: \tfrac{\textbf{J}}{\textbf{K}\boldsymbol{\cdot}\textbf{mol}}$ $Formula: \tfrac{\textbf{J}}{\textbf{K}\boldsymbol{\cdot}\textbf{mol}}$

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Anfertigen einer Skizze

Skizze Lösungsvorgang eines Ionengitters in hydratisierte Ionen

Erläuterung des Zusammenhangs

Gitterenthalpie: Energie, die zum Herauslösen von Ionen aus dem Ionengitter (Ionenbindung zu überwinden) aufgewendet werden muss
Hydratationsenthalpie: Energie, die freigesetzt wird, wenn sich Wasser-Moleküle an die Ionen anlagern
Lösungsenthalpie: Summe aus Gitterenthalpie und Hydratationsenthalpie, bei positiven Werten ist der Vorgang endotherm, im umgekehrten Fall exotherm

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

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

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

Berechnung des theoretischen Werts der molaren Lösungsenthalpie

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_LH^0&=&\Delta_hH+\Delta_gH\\[5pt] &=&-665\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+680\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\\[5pt] &=&15\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_LH^0&=&\Delta_hH+\Delta_gH\\[5pt] &=&-665\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+680\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\\[5pt] &=&15\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

Anhand der Abweichung zum theoretisch berechneten Wert soll das kalorimetrische Experiment auf seine Eignung zur Bestimmung der molaren Lösungsenthalpie beurteilt werden.

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.

Berechnung der freien molaren Standardbildungsenthalpie als Beweis für den spontanen Lösevorgang

$Formula: \ce{NH4NO3_{(s)} \rightleftharpoons NH4+_{(aq)} + NO_3^{-}_{(aq)}}$ $Formula: \ce{NH4NO3_{(s)} \rightleftharpoons NH4+_{(aq)} + NO_3^{-}_{(aq)}}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_LS^0&=&\left(\Delta_LS^0_\text{Ammonium-Ion}+\Delta_LS^0_\text{Nitrat-Ion}\right)-\left(\Delta_LS^0_\text{Ammoniumnitrat}\right)\\[5pt] &=&\left(113\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}+146\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\right)-151\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\\[5pt] &=&108\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_LS^0&=&\left(\Delta_LS^0_\text{Ammonium-Ion}+\Delta_LS^0_\text{Nitrat-Ion}\right)-\left(\Delta_LS^0_\text{Ammoniumnitrat}\right)\\[5pt] &=&\left(113\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}+146\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\right)-151\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\\[5pt] &=&108\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_LG^0&=&\Delta_LH^0-T\cdot\Delta_LS^0\\[5pt] &=&15\cdot10^3\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}}-298,15\;\text{K}\cdot108\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\\[5pt] &\approx&-17,2\cdot10^3\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}}\\[5pt] &\approx&-17,2\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_LG^0&=&\Delta_LH^0-T\cdot\Delta_LS^0\\[5pt] &=&15\cdot10^3\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}}-298,15\;\text{K}\cdot108\;\dfrac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\\[5pt] &\approx&-17,2\cdot10^3\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}}\\[5pt] &\approx&-17,2\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

Hinweis: Bei der Berechnung über den Satz von Hess ergeben sich je nach Werten deutlich abweichende, jedoch stets negative Ergebnisse.

Da die freie molare Standardlösungsenthalpie einen negativen Wert aufweist, handelt es sich somit um eine exergonische Reaktion.

Beurteilung der Aussage

Einerseits korrekt, da Energieumwandlung stattfindet
Andererseits nicht korrekt, denn es werden keine neuen Stoffe gebildet.

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

Umstellen der kalorimetrischen Grundgleichung:

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

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

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

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

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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