Aufgabe 1 – Reaktionen in wässrigen Lösungen

Wasser ist eine wichtige Lebensgrundlage, die auf der großen Vielfalt von Reaktionssystemen in wässriger Phase beruht, unabhängig davon, ob einfache oder hochkomplexe Verbindungen beteiligt sind.

1.1

Erläutere die Autoprotolyse des Wassers mit Hilfe von Reaktionsgleichungen.

Leite den K_W- Wert her und berechne den pH-Wert von chemisch reinem Wasser bei Standardbedingungen.

5 BE

1.2

Ein Stahlwasserkocher wurde mit Essigsäure von Kalksteinablagerungen (Calciumcarbonat) gereinigt.

Formuliere die Reaktionsgleichung für den Reinigungsprozess.

Bestimme die Reaktionsart und begründe.

3 BE

1.3

Experiment

Es soll kontrolliert werden, ob nach der Reinigung des Stahlwasserkochers Eisen in Lösung gegangen ist.

Überprüfe die vorliegende Lösung auf Eisen(III)-Ionen.

Fordere die benötigten Geräte und Chemikalien an.

Werte dein Ergebnis unter Verwendung einer Reaktionsgleichung aus.

5 BE

1.4

Eisen(III)-chlorid wird in Wasser gelöst, dabei entsteht eine saure Lösung.

Begründe die Bildung der sauren Lösung mit Hilfe von Reaktionsgleichungen.

3 BE

1.5

Vergleiche die Protolyse und die Redoxreaktion unter vier Aspekten.

4 BE

20 BE

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1.1

Erläutern der Autoprotolyse von Wasser

Bei der Autoprotolyse reagieren zwei Wassermoleküle miteinander in einer Protonenübertragungsreaktion, wobei ein Wassermolekül das andere protoniert. Bei dieser Gleichgewichtsreaktion entstehen ein Oxonium-Ion und ein Hydroxid-Ion.

Autoprotolyse von Wasser: $Formula: \ce{H2O + H2O \rightleftharpoons H3O+ + OH-}$ $Formula: \ce{H2O + H2O \rightleftharpoons H3O+ + OH-}$

Herleiten des Ionenprodukts des Wassers

$Formula: K_c=\dfrac{c(\text{OH}^-)\cdot c(\text{H}_3\text{O}^+)}{c^2(\text{H}_2\text{O})}$ $Formula: K_c=\dfrac{c(\text{OH}^-)\cdot c(\text{H}_3\text{O}^+)}{c^2(\text{H}_2\text{O})}$

$Formula: K_c\cdot c^2(\text{H}_2\text{O})=K_\text{W}$ $Formula: K_c\cdot c^2(\text{H}_2\text{O})=K_\text{W}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} K_\text{W}&=&c(\text{OH}^-)\cdot c(\text{H}_3\text{O}^+)\\[5pt] &=&1\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot1\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &=&1\cdot10^{-14}\;\dfrac{\text{mol}^2}{\text{L}^2} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} K_\text{W}&=&c(\text{OH}^-)\cdot c(\text{H}_3\text{O}^+)\\[5pt] &=&1\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot1\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &=&1\cdot10^{-14}\;\dfrac{\text{mol}^2}{\text{L}^2} \end{array}$

Für den pH-Wert gilt:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} pH&=&-\lg\dfrac{c(\text{H}_3\text{O}^+)}{\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}}\\[5pt] &=&7 \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} pH&=&-\lg\dfrac{c(\text{H}_3\text{O}^+)}{\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}}\\[5pt] &=&7 \end{array}$

Für reines Wasser gilt unter Standardbedingungen somit Formula: pH=7.

1.2

Formulieren der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{CH3COOH + CaCO3 \rightleftharpoons CH3COO- + Ca^2+ + HCO3^-}$ $Formula: \ce{CH3COOH + CaCO3 \rightleftharpoons CH3COO- + Ca^2+ + HCO3^-}$

$Formula: \ce{CH3COOH + CaCO3 \rightleftharpoons}$ $Formula: \ce{CH3COOH + CaCO3 \rightleftharpoons}$

$Formula: \ce{CH3COO- + Ca^2+ + HCO3^-}$ $Formula: \ce{CH3COO- + Ca^2+ + HCO3^-}$

Bestimmen und Begründen der Reaktionsart

Es handelt sich um eine Protolyse: Die Oxidationszahlen ändern sich nicht; es werden Protonen zwischen den reagierenden Teilchen ausgetauscht.

$Formula: \overset{\color{#0096C8}{-\text{III}+\text{I}+\text{III}-\text{II}-\text{II}+\text{I}}}{\text{CH}_3\text{COOH}}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,+\text{IV}-\text{II}}}{\text{CaCO}_3}\rightleftharpoons\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}+\text{I}+\text{III}-\text{II}-\text{II}}}{\text{CH}_3\text{COO}^-}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}}}{\text{Ca}^{2+}}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\,+\text{IV}-\text{II}}}{\text{HCO}_3^-}$ $Formula: \overset{\color{#0096C8}{-\text{III}+\text{I}+\text{III}-\text{II}-\text{II}+\text{I}}}{\text{CH}_3\text{COOH}}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}\,+\text{IV}-\text{II}}}{\text{CaCO}_3}\rightleftharpoons\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}+\text{I}+\text{III}-\text{II}-\text{II}}}{\text{CH}_3\text{COO}^-}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}}}{\text{Ca}^{2+}}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\,+\text{IV}-\text{II}}}{\text{HCO}_3^-}$

Es handelt sich um eine Protolyse: Die Oxidationszahlen ändern sich nicht; es werden Protonen zwischen den reagierenden Teilchen ausgetauscht.

$Formula: \overset{\color{#0096C8}{-\text{III}+\text{I}+\text{III}-\text{II}-\text{II}}}{\text{CH}_3\text{COO}^-}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}}}{\text{Ca}^{2+}}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\,+\text{IV}-\text{II}}}{\text{HCO}_3^-}$ $Formula: \overset{\color{#0096C8}{-\text{III}+\text{I}+\text{III}-\text{II}-\text{II}}}{\text{CH}_3\text{COO}^-}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}}}{\text{Ca}^{2+}}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\,+\text{IV}-\text{II}}}{\text{HCO}_3^-}$

1.3

Experiment:

Anfordern: Kaliumthiocyanat, Tüpfelplatte oder Reagenzglas, Tropfpipette
Durchführung
Beobachtung: blutrote Färbung

Auswertung:

Kaliumthiocyanat bildet mit Eisen(III)-Ionen eine rote Komplexverbindung:

$Formula: \ce{3K+ + 3SCN- + Fe^3+ \rightleftharpoons Fe(SCN)3 + 3K+}$ $Formula: \ce{3K+ + 3SCN- + Fe^3+ \rightleftharpoons Fe(SCN)3 + 3K+}$

Reaktionsprodukt ist Eisenthiocyanat

1.4

Reaktionsgleichungen:

$Formula: \ce{FeCl3 + 6H2O \rightleftharpoons [Fe(H2O)6]^3+}$ $Formula: \ce{FeCl3 + 6H2O \rightleftharpoons [Fe(H2O)6]^3+}$

$Formula: \ce{[Fe(H2O)6]^3+ + H2O \rightleftharpoons [Fe(H2O)5(OH^{-})]^2+ + H3O+}$ $Formula: \ce{[Fe(H2O)6]^3+ + H2O \rightleftharpoons [Fe(H2O)5(OH^{-})]^2+ + H3O+}$

Mehrwertige Metallionen bilden mit Wassermolekülen Aquakomplexe. Aus den im Komplex gebundenen Wassermolekülen können Protonen abgegeben werden, wodurch mit weiteren Wassermolekülen Oxonium-Ionen entstehen, die zur Bildung einer sauren Lösung führen.

1.5

Kriterium	Protolyse	Redoxreaktion
Gemeinsamkeiten Austausch von Teilchen	Teilchen werden zwischen den reagierenden Stoffen ausgetauscht. Es gibt einen Donator (Teilchenabgabe) und einen Akzeptor (Teilchenaufnahme).
Unterschiede ausgetauschte Teilchen	Protonen	Elektronen
Oxidationszahlen	ändern sich nicht	ändern sich

Kriterium

Protolyse

Redoxreaktion

Gemeinsamkeiten

Austausch von Teilchen

Teilchen werden zwischen den reagierenden Stoffen ausgetauscht.

Es gibt einen Donator (Teilchenabgabe) und einen Akzeptor (Teilchenaufnahme).

Unterschiede

ausgetauschte Teilchen

Protonen

Elektronen

Oxidationszahlen

ändern sich nicht

ändern sich

Hinweis: Es können ebenso andere Kriterien zum Vergleich herangezogen werden, z. B.:

Protonenabgabe = Säurereaktion

Elektronenabgabe = Oxidation

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