Erläutere den Zusammenhang zwischen der Struktur und zwei Eigenschaften von Natriumcarbonat.

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Natriumcarbonat mit Wasser.

Erläutere am Beispiel dieser Reaktion die Säure-Base-Theorie nach Brönsted.

In einer Natriumcarbonatlösung beträgt die Konzentration von Hydroxid-Ionen

Berechne den pH-Wert der Lösung.

Stelle für folgende Reaktionen des Natriumcarbonats die Reaktionsgleichungen auf:

a) Reaktion von Natriumcarbonat mit Calciumchloridlösung

b) Reaktion von Natriumcarbonat mit Salzsäurelösung.

Ein Reaktionsprodukt der unter a) oder b) genannten Reaktionen ist Calciumcarbonat.

Entwickle die Reaktionsgleichung für das Löslichkeitsgleichgewicht von Calciumcarbonat und formuliere das Löslichkeitsprodukt.

Berechne die Löslichkeit von Calciumcarbonat in reinem Wasser.

Ein weiteres Endprodukt ist Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffdioxid reagiert beim Einleiten in Bariumhydroxidlösung zu schwer löslichem Bariumcarbonat, das als weißer Niederschlag ausfällt.

Berechne die Masse an Bariumcarbonat, die beim Einleiten von 210 mL Kohlenstoffdioxid (Normbedingungen) gebildet wird, wenn man von einem vollständigen Stoffumsatz ausgeht.

Experiment:

Es liegen zwei gleichkonzentrierte Lösungen von Natriumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat vor.

Identifiziere beide Lösungen durch die Ermittlung des pH-Wertes.

Strukturmerkmale:

• Ionenbindung: Natriumcarbonat besteht aus einem Ionengitter, in dem positiv geladene Natrium-Ionen () und negativ geladene Carbonat-Ionen () durch elektrostatische Anziehungskräfte (Ionenbindung) zusammengehalten werden.

• Anionenstruktur: Das Carbonat-Ion ist ein zusammengesetztes Anion, in dem das Kohlenstoffatom trigonal-planar von drei Sauerstoffatomen umgeben ist.

Zusammenhang mit zwei gewählten Eigenschaften:

1. Gute Löslichkeit in Wasser:

   • Strukturbezug: Beim Lösevorgang treten die Wasserdipole mit den Ionen des Gitters in Wechselwirkung (Ion-Dipol-Wechselwirkungen).

   • Erläuterung: Da Natriumcarbonat zu den Alkalicarbonaten gehört, ist die Gitterenergie im Vergleich zur Hydrationsenergie der Ionen so gering, dass der Gitterverband aufgebrochen werden kann. Die Ionen werden hydratisiert und verteilen sich frei beweglich im Lösungsmittel.

2. Mangelnde Säurebeständigkeit (Reaktion mit Säuren):

   • Strukturbezug: Das Carbonat-Ion fungiert als Brönsted-Base, da es Protonen () aufnehmen kann.

   • Erläuterung: Bei Kontakt mit einer stärkeren Säure (z. B. ) reagieren die Carbonat-Ionen zu Kohlensäure (), die aufgrund ihrer Instabilität sofort in Wasser und das leicht flüchtige Kohlenstoffdioxid () zerfällt. Dies erklärt die chemische Instabilität gegenüber sauren Lösungen.

Reaktionsgleichung:

Erläuterung nach der Säure-Base-Theorie von Brönsted:

• Definition: Nach Brönsted sind Säuren Protonendonatoren (geben -Ionen ab) und Basen Protonenakzeptoren (nehmen -Ionen auf).

• Anwendung: In dieser Reaktion fungiert das Carbonat-Ion () als Base, da es ein Proton vom Wassermolekül aufnimmt.

• Das Wassermolekül () agiert hier als Säure, da es ein Proton an das Carbonat-Ion abgibt.

• Es bilden sich die korrespondierenden Paare: / (Base 1 / Säure 1) und / (Säure 2 / Base 2).

Berechnung des pH-Wertes

Gegeben ist die Konzentration der Hydroxid-Ionen: .

1. Schritt: Berechnung des pOH-Wertes

Der pOH-Wert ist der negative Dekadische Logarithmus der Hydroxid-Ionen-Konzentration:

2. Schritt: Berechnung des pH-Wertes Unter Standardbedingungen () gilt der Zusammenhang:

Ergebnis: Der pH-Wert der Natriumcarbonatlösung beträgt 11,78.

a) Reaktion mit Calciumchloridlösung:

Hierbei handelt es sich um eine Fällungsreaktion, da Calciumcarbonat schwerlöslich ist.

Ionen-Schreibweise:

b) Reaktion mit Salzsäurelösung:

Da Natriumcarbonat das Salz einer schwachen, flüchtigen Säure ist, reagiert es mit der stärkeren Salzsäure unter Gasentwicklung.

Reaktionsgleichung des Gleichgewichts:

In einer gesättigten Lösung stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem festen Bodenkörper und den gelösten Ionen ein.

Formulierung des Löslichkeitsprodukts ():

Berechnung der Löslichkeit () in reinem Wasser:

Aus der Tabelle im Anhang entnehmen wir den Zahlenwert für Calciumcarbonat:

.

Da laut Gleichung gilt:

, folgt:

Stöchiometrische Berechnung der Bariumcarbonat-Masse

Reaktionsgleichung:

1. Schritt: Stoffmenge an Kohlenstoffdioxid () berechnen

Unter Normbedingungen beträgt das molare Volumen .

2. Schritt: Masse an Bariumcarbonat () berechnen

Das Stoffmengenverhältnis beträgt laut Gleichung , also .

Molare Masse .

Ergebnis: Es bilden sich etwa 1,85 g Bariumcarbonat.

Experimentelle Identifizierung durch pH-Wert-Ermittlung

Um zwei gleichkonzentrierte Lösungen von Natriumcarbonat () und Natriumhydrogencarbonat () zu unterscheiden, betrachten wir die Stärke der darin enthaltenen Basen.

Theoretische Grundlage:

• Beide Salze reagieren in Wasser alkalisch, da die Anionen als Brönsted-Basen fungieren.

• Das Carbonat-Ion () ist die korrespondierende Base zum Hydrogencarbonat-Ion.

• Das Hydrogencarbonat-Ion () ist die korrespondierende Base zur Kohlensäure ().

Vergleich der Basenstärken (laut Tabellenanhang):

• Das Carbonat-Ion () ist eine deutlich stärkere Base als das Hydrogencarbonat-Ion (), da die Kohlensäure eine schwächere Säure ist als das Hydrogencarbonat-Ion selbst.

Identifizierung:

1. Natriumcarbonat-Lösung (): Aufgrund der höheren Basenstärke des -Ions reagiert diese Lösung stärker alkalisch. Bei gleicher Konzentration wird hier ein deutlich höherer pH-Wert gemessen (typischerweise ).

2. Natriumhydrogencarbonat-Lösung (): Das -Ion ist ein Ampholyt, reagiert aber in reinem Wasser nur schwach alkalisch. Hier wird ein niedrigerer pH-Wert gemessen (typischerweise ).

Fazit für das Experiment: Die Lösung mit dem höheren pH-Wert ist Natriumcarbonat, die Lösung mit dem niedrigeren (aber immer noch im alkalischen Bereich liegenden) pH-Wert ist Natriumhydrogencarbonat.