Aufgabe A – Abflussreiniger

Abflussreiniger kommen bei Abflussverstopfung durch organisches Material zum Einsatz. Sie sind als feste und flüssige Produkte erhältlich, die in der Regel stark ätzende Inhaltsstoffe enthalten.

Wende auf die Protolyse von Mercaptoethansäure das Donator-Akzeptor-Prinzip an (M 1).

Begründe die unterschiedliche Säurestärke von Ethansäure und Mercaptoethansäure.

7 BE

Berechne die ermittelte Temperaturdifferenz bei der Durchführung des Experiments 1 (M 3).

5 BE

Leite aus der Auswertung drei der im Experiment 2 gemachten Beobachtungen ab (M 3).

Entwickle für diese Reaktion die Reaktionsgleichung (M 2, M 3).

Begründe zwei Vorteile dieser Reaktion für die reinigende Wirkung.

7 BE

Schülerexperiment

Führe das Schülerexperiment entsprechend der Anleitung durch (M 4).

Werte die Beobachtungen auch unter Angabe von Reaktionsgleichungen für die Reaktionen im Reagenzglas (Reaktion 1) sowie am Universalindikatorpapier (Reaktion 2) aus (M 2).

Hinweis: Verwende beim Formulieren der Reaktionsgleichung für die Reaktion im Reagenzglas folgende Eduktteilchen: Aluminium-Atome, Nitrat-Ionen, Hydroxid-Ionen und Wasser-Moleküle.

Formuliere eine Hypothese über die Funktion von Natriumnitrat in festen Rohrreinigern (M 2, M 4).

Hinweis: Für den Fall, dass du keine auswertbaren Beobachtungen erzielt hast, kannst du dir Ersatzbeobachtungen unter Abzug von 3 BE geben lassen

12 BE

Vergleiche die pH-Werte einer Natriumhydroxidlösung und einer Natriummercaptoethanatlösung mit den Konzentrationen von jeweils $Formula: c=0{,}1\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: c=0{,}1\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ (M 1).

Beurteile die zwei Abflussreiniger

a)	hinsichtlich möglicher Gefahren bei der Handhabung sowie
b)	nach ökologischen Faktoren (M 5).

9 BE

40 BE

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Material 1: Mercaptoethansäure

Mercaptoethansäure (Mercaptoessigsäure $Formula: \ce{HS-CH2-COOH})$ $Formula: \ce{HS-CH2-COOH})$ ist eine farblose, viskose Flüssigkeit. Vereinfacht kann sie als eine einprotonige Säure mit dem $Formula: \mathrm{p}K_\text{S}\text{-}$ $Formula: \mathrm{p}K_\text{S}\text{-}$ Wert von Formula: 3{,}68 betrachtet werden.

Abb. 1: Strukturformel eines Mercaptoethansäure-Moleküls

Mercaptoethansäure wird seit den 1940er Jahren als aktive Substanz in Dauerwellenpräparaten („Kalte Welle“), Haarglättern und Enthaarungsmitteln verwendet.

Das Natriumsalz der Mercaptoethansäure kommt in Bio-Rohrreinigern als Alternative zu Natriumhydroxid oder Natronlauge zum Einsatz. Natriummercaptoethanat (Natriummercaptoacetat $Formula: \ce{HS-CH2-COONa})$ $Formula: \ce{HS-CH2-COONa})$ ist schwach gewässergefährdend und wird nach geltenden Richtlinien als leicht biologisch abbaubar eingestuft.

Material 2: Hauptinhaltsstoffe und Wirkprinzip eines festen Abflussreinigers

Viele feste Abflussreiniger enthalten etwa 50 % Natriumhydroxid und als Zusätze Aluminium und Natriumnitrat. Bei Zugabe von Wasser lösen sich die Bestandteile. Es entsteht konzentrierte Natronlauge, die stark ätzend wirkt, Seifenablagerungen löst und Haare zersetzt.

Hinweis: In alkalischen Lösungen bildet Aluminium ein Komplexanion $Formula: \ce{[Al(OH)4]^-}.$ $Formula: \ce{[Al(OH)4]^-}.$

Material 3: Experimente mit festem Abflussreiniger

Experiment 1: kalorimetrische Bestimmung der Lösungsenthalpie von Natriumhydroxid

Anleitung:

In einem Kalorimeter werden $Formula: 2\ \text{g}$ $Formula: 2\ \text{g}$ Natriumhydroxid in $Formula: 25\ \text{mL}$ $Formula: 25\ \text{mL}$ Wasser gelöst. Die Temperaturdifferenz wird ermittelt.

Reaktionsgleichung:

$Formula: \text{NaOH}_{\,(\text{s})}\longrightarrow \text{Na}^+_{\,(\text{aq})}+\text{OH}^-_{\,(\text{aq})}$ $Formula: \text{NaOH}_{\,(\text{s})}\longrightarrow \text{Na}^+_{\,(\text{aq})}+\text{OH}^-_{\,(\text{aq})}$

Tab. 1: thermodynamische Werte

	Gitterenthalpie in $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}}$ $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}}$	Hydratationsenthalpie in $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}}$ $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}}$
Natriumhydroxid		/
Natrium-Ion	/
Hydroxid-Ion	/

Tab. 1: thermodynamische Werte

	Gitter-enthalpie in $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}}$ $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}}$	Hydratations-enthalpie in $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}}$ $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\textbf{kJ}}{\textbf{mol}}}$
Natrium-hydroxid		/
Natrium-Ion	/
Hydroxid-Ion	/

Experiment 2: Reaktion von Wasser mit Aluminium in einer stark alkalischen Lösung

Anleitung:

Eine Spatelspitze Aluminiumspäne wird zu $Formula: 50\ \text{mL}$ $Formula: 50\ \text{mL}$ konzentrierter Natriumhydroxidlösung gegeben. Das entstandene Gas wird aufgefangen und mit Hilfe der Knallgasprobe identifiziert.

Auswertung:

es findet eine exotherme Reaktion statt
das entstandene Gas ist Wasserstoff

Material 4: Schülerexperiment

Geräte

Gasbrenner
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Reagenzglasständer
Spatel
Becherglas
Pasteurpipette

Chemikalien

Abflussreiniger $Formula: (m=1\ \text{g})$ $Formula: (m=1\ \text{g})$
destilliertes Wasser
Universalindikatorpapier

Anleitung:

Löse in einem Reagenzglas $Formula: 1\ \text{g}$ $Formula: 1\ \text{g}$ Abflussreiniger in circa $Formula: 2\ \text{mL}$ $Formula: 2\ \text{mL}$ Wasser. Erwärme vorsichtig das Gemisch und halte ein angefeuchtetes Stück Universalindikatorpapier an die Öffnung des Reagenzglases. Führe vorsichtig eine Geruchsprobe durch.

Material 5: Konventionelle und alternative flüssige Abflussreiniger

Reinigungsmittel-Etikett mit Gefahrensymbolen, Anwendungshinweis und Inhaltsstoffliste

Abb. 2: Ausschnitte aus Etiketten eines konventionellen (links) und alternativen Abflussreinigers (rechts)

Quellen:

Material 1:

https://de.wikipedia.org/wiki/Mercaptoessigs%C3%A4ure (letzter Zugriff am 27.02.2025)

https://www.fishersci.at/chemicalProductData_uk/wercs?itemCode=10053903&lang=DE (letzter Zugriff am 13.02.2025)

https://repository.publisso.de/resource/frl:6459685/data (letzter Zugriff 13.02.2025)

Material 5:

verändert nach: https://www.dm.de/rorax-rohrreiniger-biopower-gel-p4001499969287.html (letzter Zugriff am 27.02.2025)

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Anwendung des Donator-Akzeptor-Prinzips

$Formula: \ce{HS-CH2-COOH + H2O \rightleftharpoons HS-CH2-COO- + H3O+}$ $Formula: \ce{HS-CH2-COOH + H2O \rightleftharpoons HS-CH2-COO- + H3O+}$

Korrespondierende Säure-Base-Paare:

Säure 1 / Base 1: $Formula: \ce{HS-CH2-COOH\,/\,HS-CH2-COO-}$ $Formula: \ce{HS-CH2-COOH\,/\,HS-CH2-COO-}$
Säure 2 / Base 2: $Formula: \ce{H3O+/\,H2O}$ $Formula: \ce{H3O+/\,H2O}$

Ein Proton wird von der Carboxy-Gruppe des Mercaptoethansäure-Moleküls auf ein Wasser-Molekül übertragen.

Begründung der unterschiedlichen Säurestärke

unterschiedliche Substituenten am C2-Atom
die Elektronegativität von Schwefel ist größer als die von Wasserstoff: $Formula: \text{EN}_{\text{S}}=2{,}5\gt\text{EN}_{\text{H}}=2{,}1$ $Formula: \text{EN}_{\text{S}}=2{,}5\gt\text{EN}_{\text{H}}=2{,}1$
daher stärkerer −I-Effekt bei Mercaptoethansäure
erleichterte Protonenabgabe

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{L}H_\text{m}&=&\Delta_\text{H}H_\text{m}(\text{Na}^+)+\Delta_\text{H}H_\text{m}(\text{OH}^-)-\Delta_\text{G}H_\text{m}(\text{NaOH})\\[5pt] &=&-398\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-364\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-\left(-720\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\\[5pt] &=&-42\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{L}H_\text{m}&=&\Delta_\text{H}H_\text{m}(\text{Na}^+)+\Delta_\text{H}H_\text{m}(\text{OH}^-)-\Delta_\text{G}H_\text{m}(\text{NaOH})\\[5pt] &=&-398\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-364\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-\left(-720\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\\[5pt] &=&-42\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll}\Delta_\text{L}H_\text{m}&=&-\dfrac{c_p(\ce{H2O})\cdot m(\ce{H2O})\cdot\Delta T}{n(\ce{H2O})} &\mid\;\text{nach }\Delta T\text{ auflösen}\\[5pt] \Delta T&=&-\dfrac{\Delta_\text{L}H_\text{m}\cdot n(\text{NaOH})}{c_p(\ce{H2O})\cdot m(\ce{H2O})}\\[5pt] \Delta T&=&-\dfrac{\Delta_\text{L}H_\text{m}\cdot m(\text{NaOH})}{c_p(\ce{H2O})\cdot m(\ce{H2O})\cdot M(\text{NaOH})}\\[5pt] \Delta T&=&-\dfrac{-42\;\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\cdot2\;\text{g}}{4{,}19\;\frac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}}\cdot0{,}025\;\text{kg}\cdot40\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}\\[5pt] \Delta T&\approx&20\;\text{K} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll}\Delta_\text{L}H_\text{m}&=&-\dfrac{c_p(\ce{H2O})\cdot m(\ce{H2O})\cdot\Delta T}{n(\ce{H2O})} &\mid\;\text{nach }\Delta T\text{ auflösen}\\[5pt] \Delta T&=&-\dfrac{\Delta_\text{L}H_\text{m}\cdot n(\text{NaOH})}{c_p(\ce{H2O})\cdot m(\ce{H2O})}\\[5pt] \Delta T&=&-\dfrac{\Delta_\text{L}H_\text{m}\cdot m(\text{NaOH})}{c_p(\ce{H2O})\cdot m(\ce{H2O})\cdot M(\text{NaOH})}\\[5pt] \Delta T&=&-\dfrac{-42\;\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\cdot2\;\text{g}}{4{,}19\;\frac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}}\cdot0{,}025\;\text{kg}\cdot40\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}\\[5pt] \Delta T&\approx&20\;\text{K} \end{array}$

Ableiten der Beobachtungen

Die Lösung erwärmt sich.
Das Gas ist farblos und geruchlos.
Bei der Knallgasprobe ist ein Geräusch wahrnehmbar.
Reagenzglas enthält Tropfen an der Reagenzglaswand.

Entwickeln der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{2Al + 2OH- + 6H2O \longrightarrow 2[Al(OH)4]- + 3H2}$ $Formula: \ce{2Al + 2OH- + 6H2O \longrightarrow 2[Al(OH)4]- + 3H2}$

Begründung zweier Vorteile dieser Reaktion

Die Gasentwicklung trägt zur Durchmischung der Lösung bei und signalisiert dem Anwender die „Aktivität“ des Mittels.
Die hohe Temperatur beschleunigt die Zersetzung der festen Ablagerungen

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

Angeben der Beobachtungen

Abflussreiniger löst sich in Wasser
Universalindikatorpapier färbt sich blau
stechender Geruch

Auswertung der Beobachtungen

Reaktion im Reagenzglas:

$Formula: \ce{8Al + 3NO3^- + 5OH- + 18H2O \longrightarrow 3NH3 + 8[Al(OH)4]-}$ $Formula: \ce{8Al + 3NO3^- + 5OH- + 18H2O \longrightarrow 3NH3 + 8[Al(OH)4]-}$

Reaktion am Universalindikatorpapier:

$Formula: \ce{NH3 + H2O \rightleftharpoons NH4^+ + OH-}$ $Formula: \ce{NH3 + H2O \rightleftharpoons NH4^+ + OH-}$

Das Universalindikatorpapier färbt sich durch die Hydroxid-Ionen blau.

Aufstellen einer Hypothese über die Funktion von Natriumnitrat

Durch Reaktion von Aluminium in alkalischen Lösungen entsteht Wasserstoff.
Dieser wird durch Nitrat-Ionen in Ammoniak umgewandelt.
Die Knallgasreaktion wird verhindert.

Vergleichen der pH-Werte

Für den pH-Wert einer Natriumhydroxidlösung (starke Base) gilt:

$Formula: \text{pH}_{\text{NaOH}}=14-\lg(0{,}1)=13$ $Formula: \text{pH}_{\text{NaOH}}=14-\lg(0{,}1)=13$

Der pH-Wert einer Natriummercaptoethanatlösung lässt sich folgendermaßen berechnen:

$Formula: \text{p}K_\text{B}=14-\text{p}K_\text{S}=10{,}32$ $Formula: \text{p}K_\text{B}=14-\text{p}K_\text{S}=10{,}32$

$Formula: \text{pOH}=\dfrac{1}{2}\cdot\bigl(\text{p}K_\text{B}-\lg(0{,}1)\bigr)=5{,}66$ $Formula: \text{pOH}=\dfrac{1}{2}\cdot\bigl(\text{p}K_\text{B}-\lg(0{,}1)\bigr)=5{,}66$

$Formula: \text{pH}_{\ce{HS-CH2-COONa}}=14-\text{pOH}=8{,}34$ $Formula: \text{pH}_{\ce{HS-CH2-COONa}}=14-\text{pOH}=8{,}34$

Der pH-Wert einer Natriumhydroxidlösung ist deutlich höher als der pH-Wert einer Natriummercaptoethanatlösung gleicher Konzentration.

Beurteilung beider Abflussreiniger

Gefahren bei der Handhabung:

Der konventionelle Abflussreiniger hat eine höhere Verletzungsgefahr
Entstehung von giftigem Chlorgas in saurer Lösung bei Verwendung des konventionellen Abflussreinigers möglich
Natriummercaptoethanat in alternativem Abflussreiniger kann allergische Reaktionen hervorrufen

Ökologische Faktoren:

Natronlauge und Natriumhypochlorit sind sehr giftig für Wasserorganismen und wirken korrosiv
Natriummercaptoethanat ist schwach gewässergefährdend und wird nach geltenden Richtlinien als leicht biologisch abbaubar eingestuft

Fazit: Wenn möglich, ist der alternative Abflussreiniger zu bevorzugen, da er weniger gefährlich in der Anwendung und nachhaltiger ist.

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