Teil C – Experimente: Unbekannte Stoffe und Metalle

Hinweis: Von den nachfolgenden Aufgabenteilen C1 und C2 soll in der Prüfung nur einer bearbeitet werden.

Aufgabe C1

Bei der Analyse unbekannter Stoffe werden qualitative und quantitative Methoden angewendet.

Experiment A
Bestimme mit Hilfe einer Säure-Base-Titration die Stoffmengenkonzentration von Essigsäure (Ethansäure) im Haushaltsessig. Pipettiere dazu $10\,\text{mL}$ Haushaltsessig in einen Erlenmeyerkolben. Titriere mit einer unbekannten Hydroxidlösung der Stoffmengenkonzentration $c= 1\,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}.$ Verwende als Indikator Phenolphthaleinlösung.

Führe die Titration zweimal durch. Gib deine Messwerte an.

(03 BE)

Die Lösung des Reaktionsprodukts aus Experiment A wurde vollständig eingedampft und steht Ihnen als Feststoffprobe zur Verfügung.

Experiment B
Versetze zwei Spatel des im Experiment A erzeugten Feststoffs mit ca. $3\,\text{mL}$ destilliertem Wasser. Gib zu der Lösung drei Tropfen Perchlorsäure $(HClO_4).$
Versetze zum Vergleich je ca. $3\,\text{mL}$ Natriumacetat- und Kaliumacetatlösung mit drei Tropfen Perchlorsäure.

Führe das Experiment durch. Gib deine Beobachtungen an.

(03 BE)

Perchlorsäure bildet bei der Protolyse Perchlorat-Ionen.

3.1

Entwickle die Reaktionsgleichung für die Protolyse der Perchlorsäure.

(01 BE)

3.2

Leite aus deinen Beobachtungen in Experiment B die Zusammensetzung der Hydroxidlösung ab.

(02 BE)

3.3

Entwickle die Reaktionsgleichung für die Titration in Experiment A.
Berechne die Stoffmengenkonzentration der Essigsäure im Haushaltsessig.

(03 BE)

Essigsäure kann z.B. durch die Reaktion von Acetaldehyd (Ethanal) mit Sauerstoff oder durch die Reaktion von Ethanol mit Sauerstoff gewonnen werden.

Entwickle für beide Herstellungsverfahren die Reaktionsgleichungen.
Benenne die funktionelle Gruppe im Essigsäure-Molekül.

(03 BE)

(15 BE)

Aufgabe C2

Die Reaktionen von Metallen und ihren Verbindungen finden in der Technik vielfältige Anwendungen.

Experiment A
Erhitze eine erbsengroße Stoffportion des vorgegebenen Reaktionsgemischs aus Kupfer $\text{(II)}$ -oxidpulver und einem Überschuss an Zinkpulver kräftig in einem Reagenzglas.

Experiment B
Versetze das abgekühlte Reaktionsgemisch aus Experiment A vorsichtig mit ca. $3\,\text{mL}$ Salzsäure.

1.1

Führe die Experimente durch. Gib deine Beobachtungen an.

(03 BE)

1.2

Erläutere jeweils eine Stoffumwandlung aus Experiment A und B.

(04 BE)

Metalle mit niedrigerem Standardelektrodenpotenzial fällen Metalle mit höherem Standardelektrodenpotenzial aus ihren Salzlösungen aus. Dagegen fällen Metalle mit höherem Standardelektrodenpotenzial Metalle mit niedrigerem Standardelektroden- potenzial nicht aus ihren Salzlösungen aus.

Belegen Sie diese Aussagen mithilfe von zwei Experimenten.

2.1

Experiment C
Plane dein Vorgehen.
Es stehen dir folgende Geräte und Chemikalien zur Verfügung:
Uhrglasschalen, Zink $\text{(II)}$ -sulfat, Kupfer $\text{(II)}$ -sulfat- und Silber $\text{(I)}$ -nitratlösung jeweils mit der Stoffmengenkonzentration $c= 0,1\,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}.$
Fordere weitere Stoffe an.

(03 BE)

2.2

Führe die geplanten Experimente durch. Gib deine Beobachtungen an.

(02 BE)

2.3

Erläutere deine Beobachtungen unter Verwendung der Standardelektrodenpotenziale.

(03 BE)

(15 BE)

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Lösung C1

Experiment A

Durchführung:	Säure-Base-Titration von $10\,\text{mL}$ Haushaltsessig, wobei eine Hydroxidlösung $(c= 1\,\text{mol} \cdot \text{L})^{-1}$ als Maßlösung und Phenolphthalein als Indikator dient, bis die Farbe von farblos nach schwach rosa wechselt.
Beobachtungen:	Die Maßlösung ( $1$ molare Metallhydroxidlösung) wird verbraucht: $V (M\text{OH}) = 8,7 \,\text{mL}$

Beobachtungen in Experiment B

Versetzung des Acetats aus der Titration mit Perchlorsäure:	Bildung eines weißen Niederschlags
Versetzung von Natriumacetat mit Perchlorsäure:	Keine Veränderung
Versetzung von Kaliumacetat mit Perchlorsäure:	Bildung eines weißen Niederschlags

3.1

Reaktionsgleichung für die Protolyse von Perchlorsäure

$HClO_4\,_\text{(l)} + H_2O\,_\text{(l)}$ $\rightleftharpoons$ $H_3O^+\,_\text{(aq)} + ClO_4^-\,_\text{(aq)}$

3.2

Zusammensetzung der Hydroxidlösung

Die Versetzung der Maßlösung mit Perchlorsäure zeigt die Bildung eines weißen Niederschlags.
Da diese Niederschlagsbildung nur bei Kaliumacetat und nicht bei Natriumacetat vorkommt, muss es sich bei der Maßlösung um Kaliumacetat handeln.
Das bedeutet, es wurde das Salz Kaliumacetat gebildet.

3.3

Reaktionsgleichung für die Titration

Reaktionsgleichung anzeigen

Berechnung der Stoffmengenkonzentration der Essigsäure

Die Stoffmengenkonzentration von Essigsäure kann aus der verbrauchten Maßlösung berechnet werden:

$H_3O^+\,_\text{(aq)} + OH^-\,_\text{(aq)}$ $\rightleftharpoons$ $2\,H_2O$

Dabei gilt:

$n(KOH) : n(HAc) = 1$ $\quad$ und $\quad$ $n= c \cdot V$

$\dfrac{n(HAc)}{n(KOH)} = \dfrac{c(HAc) \cdot V(HAc)}{c(KOH) \cdot V(KOH)}$

$\begin{array}[t]{rll} c(HAc) &=& \dfrac{V(KOH) \cdot c(KOH)}{V(HAc)} & \\[5pt] &=& \dfrac{8,7\,\text{mL} \cdot 1 \,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}}{10\,\text{mL}} & \\[5pt] &=& 0,87 \,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1} \end{array}$

In Haushaltsessig ist eine Stoffmengenkonzentration von $c=0,87 \,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}$ enthalten, wenn $8,7\,\text{mL}$ an Maßlösung verbraucht werden.

Reaktionsgleichungen für die Herstellungsverfahren

Acetaldehyd (Ethanal) mit Sauerstoff:
$C_2H_5OH\,_\text{(aq)} + O_2\,_\text{(g)}$ $\rightleftharpoons$ $CH_3COOH\,_\text{(l)} +H_2O\,_\text{(l)}$

Ethanol mit Sauerstoff:
$2\,CH_3CHO\,_\text{(l)} + O_2\,_\text{(g)}$ $\rightleftharpoons$ $2\,CH_3COOH\,_\text{(l)}$

Funktionelle Gruppe im Essigsäure-Molekül

Es handelt sich um eine Carboxylgruppe: $–COOH$

Lösung C2

1.1

Experiment A

Beobachtung:

Aufglühen des Reaktionsgemisches beim Erhitzen
Verbleib eines grauweißen Feststoffes beim Abkühlen
Abscheiden eines rotbraunen Belags an der Wand des Reaktionsglases

Experiment B

Beobachtung:

Gasentwicklung beim Versetzen mit Salzsäure
Auflösen des grauweißen Feststoffs
Verbleiben eines rotbraunen Rückstands

1.2

Stoffumwandlungen

Kupfer $\text{(II)}$ -oxid und Zink reagieren zu Kupfer und Zinkoxid:

Reaktionsgleichung anzeigen

$\begin{array}[t]{rll} CuO\,_\text{(s)}&+& Zn\,_\text{(s)} &\rightleftharpoons& Cu\,_\text{(s)} &+& ZnO\,_\text{(s)} & \\[5pt] \text{schwarz} && \text{grau} && \text{rotbraun} && \text{grauweiß} \end{array}$
Bei der Reaktion von Zink und Salzsäure werden Zink-Ionen und Wasserstoff gebildet:

Reaktionsgleichung anzeigen

$\begin{array}[t]{rll} Zn\,_\text{(s)}&+& 2\,H_3O^+\,_\text{(aq)} &\rightleftharpoons& Zn^{2+}\,_\text{(aq)} &+& 2\,H_2O\,_\text{(l)} &+& H_2 \,_\text{(g)} \end{array}$

2.1

Experiment C
Anforderung: Kupfer-, Zink- und Silberblech (jeweils mind. 2)

Anordnungs– bzw. Durchführungsmöglichkeiten des Versuchs:

Uhrglasschale I:	Zinkblech in einer Kupfer $\text{(II)}$ -sulfatlösung
Uhrglasschale II:	Kupferblech in einer Zink $\text{(II)}$ -sulfatlösung

Uhrglasschale I:	Zinkblech in einer Silber $\text{(II)}$ -nitratlösung
Uhrglasschale II:	Silberblech in einer Zink $\text{(II)}$ -sulfatlösung

Uhrglasschale I:	Kupferblech in einer Silber $\text{(II)}$ -nitratlösung
Uhrglasschale II:	Silberblech in einer Kupfer $\text{(II)}$ -sulfatlösung

2.2

Beobachtungen

Uhrglasschale I:	rotbrauner Belag auf dem Zinkblech
Uhrglasschale II:	keine Reaktion

Uhrglasschale I:	schwarzer Belag auf dem Zinkblech
Uhrglasschale II:	keine Reaktion

Uhrglasschale I	schwarzer Belag auf dem Kupferblech
Uhrglasschale II	keine Reaktion

2.3

Erläuterung der Beobachtungen in Experiment C

Uhrglas- schale I:	$E^0(Zn/Zn^{2+}) \lt E^0(Cu/Cu^{2+})$ Kupfer fällt durch Zink aus der Salzlösung aus: $Cu^{2+}\,_\text{(aq)} + Zn\,_\text{(s)}$ $\rightleftharpoons$ $Cu\,_\text{(s)} + Zn^{2+}\,_\text{(aq)}$
Uhrglas- schale II:	$E^0(Cu/Cu^{2+}) \gt E^0(Zn/Zn^{2+})$ Es wird kein Zink ausgefällt.

Uhrglas- schale I:	$E^0(Zn/Zn^{2+}) \lt E^0(Ag/Ag^{+})$ Silber fällt durch Zink aus der Salzlösung aus: $2\,Ag^+\,_\text{(aq)} + Zn\,_\text{(s)}$ $\rightleftharpoons$ $2\,Ag\,_\text{(s)} + Zn^{2+}\,_\text{(aq)}$
Uhrglas- schale II:	$E^0(Ag/Ag^{+}) \gt E^0(Zn/Zn^{2+})$ Es wird kein Zink ausgefällt.

Uhrglas- schale I:	$E^0(Cu/Cu^{2+}) \lt E^0(Ag/Ag^{+})$ Silber fällt durch Kupfer aus der Salzlösung aus: $2\,Ag^+\,_\text{(aq)} + Cu\,_\text{(s)}$ $\rightleftharpoons$ $2\,Ag\,_\text{(s)} + Cu^{2+}\,_\text{(aq)}$
Uhrglas- schale II:	$E^0(Cu/Cu^{2+}) \lt E^0(Ag/Ag^{+})$ Es wird kein Kupfer ausgefällt.

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