Aufgabe 2 – Säurehaltiger Reiniger im Bad

Essigsäure und Salzsäure werden oft in Badreinigern zur Entfernung von Kalkflecken eingesetzt. Neben säurehaltigen Reinigern werden in Badezimmern auch Chlorreiniger zur Desinfektion genutzt, die Natriumhypochlorit enthalten.

Formuliere eine Reaktionsgleichung für die beim Entkalken mit säurehaltigen Reinigern ablaufende Reaktion (M 1).

Berechne die Masse des maximal möglichen Kalkabtrages für den im Material 2 angegebenen Kalkreiniger (M 2).

Berechne die pH-Werte des in Material 2 verwendeten Kalkreinigers und eines Essigreinigers mit derselben Stoffmengenkonzentration

11 BE

Beurteile die Aussagekraft des beschriebenen Testverfahrens zum Vergleich unterschiedlicher Reiniger (M 2).

Plane ein Experiment zur Identifikation des bei der Reaktion entstehenden Gases und gib die zu erwartende Beobachtung an (M 1).

Erkläre einen Unterschied bei den Beobachtungen, wenn der Test mit einem salzsäurehaltigen Reiniger und einem Essigsäurereiniger derselben Stoffmengenkonzentration durchgeführt wird (M 1 und M 2).

9 BE

Stelle eine Hypothese zur Entstehung der rötlichen Verfärbung der Messingoberfläche bei der Behandlung mit säurehaltigen Reinigern auf (M 1).

Leite eine Empfehlung zur Reinigung mit säurehaltigen Reinigungsmitteln ab (M 1).

7 BE

Erläutere mithilfe von Standardpotenzialen die chemischen Hintergründe des beschriebenen Unfalls (M 3, M 4).

Formuliere für die stattfindende Reaktion eine Reaktionsgleichung (M 3, M 4).

Nenne zwei Hinweise zum Einsatz von Chlorreinigern im Haushalt (M 3).

8 BE

Diskutiere anhand von vier Argumenten, ob der Einsatz von Chlorreinigern im Bad sinnvoll ist (M 3, M 4)

5 BE

40 BE

Weiter lernen mit SchulLV Plus!

monatlich kündbarSchulLV Plus-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?

Material 1: Säuren in Entkalkern

Entkalker sorgen für eine Reaktion von Säuren mit schwerlöslichem Kalk (Calciumcarbonat, $Formula: M(\ce{CaCO3})=100{,}1\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}}\bigr)$ $Formula: M(\ce{CaCO3})=100{,}1\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}}\bigr)$ zu einem wasserlöslichen Salz und Kohlenstoffdioxid. Dafür wird in Bädern häufig Essigsäure-Lösung (Ethansäure-Lösung) eingesetzt, bei starken Verkalkungen auch Salzsäure.

Bestehen Wasserhähne oder Duschköpfe aus Messing (eine goldfarbene Legierung aus Kupfer und Zink), so kann es durch die Behandlung mit einer sauren Lösung zu einer rötlichen Verfärbung der Oberfläche kommen.

Material 2: Testverfahren für Kalkreiniger

Um die Wirksamkeit unterschiedlicher Kalkreiniger zu vergleichen, wird folgendes Verfahren vorgeschlagen: Marmorplatten werden gewogen und dann in den entsprechenden Reiniger gelegt. Marmor besteht überwiegend aus Calciumcarbonat. Nach einer festgelegten Einwirkzeit wird die Marmorplatte abgespült, getrocknet und die Masse erneut bestimmt. Die Tests werden jeweils mit $Formula: 1{,}00\ \text{L}$ $Formula: 1{,}00\ \text{L}$ Kalkreiniger durchgeführt.

Ein untersuchter Kalkreiniger enthält Salzsäure. Der Anteil der Masse von Chlorwasserstoff $Formula: \bigl(M(\text{HCl})=36{,}5\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}}\bigr)$ $Formula: \bigl(M(\text{HCl})=36{,}5\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}}\bigr)$ in einem Liter Kalkreiniger beträgt laut Herstellerangabe $Formula: 3\,\%$ $Formula: 3\,\%$ (Dichte des Reinigers: $Formula: \rho=1{,}01\ \tfrac{\text{g}}{\text{mL}}\bigr).$ $Formula: \rho=1{,}01\ \tfrac{\text{g}}{\text{mL}}\bigr).$

Allgemein gilt: $Formula: \rho=\dfrac{m}{V}$ $Formula: \rho=\dfrac{m}{V}$

Material 3: Säurehaltige Reiniger und Chlorreiniger

Eine Person hat bei der Reinigung ihres Badezimmers einen Fehler begangen. Sie verwendete gleichzeitig einen salzsäurehaltigen Reiniger und einen Chlorreiniger.

Doch der Versuch, diese beiden Reiniger miteinander zu mischen, führte zur Entstehung von giftigem Chlorgas. Der Person war die Gefahr nicht bewusst, sie atmete das entstehende Gas ein und musste daraufhin umgehend in ein Krankenhaus eingeliefert werden.

Material 4: Natriumhypochlorit in Chlorreinigern

Chlorverbindungen wirken desinfizierend. Zur Desinfektion und Schimmelentfernung werden oft Chlorreiniger verwendet. Sie sind preisgünstig und enthalten kein elementares Chlor, sondern Natriumhypochlorit $Formula: (\ce{NaClO}),$ $Formula: (\ce{NaClO}),$ ein Salz der Hypochlorigen Säure $Formula: (\ce{HClO}).$ $Formula: (\ce{HClO}).$

Standardpotenzial (bei $Formula: T=298{,}15\ \text{K},\,$ $Formula: T=298{,}15\ \text{K},\,$ $Formula: p=101{,}325\ \text{kPa},\,$ $Formula: p=101{,}325\ \text{kPa},\,$ $Formula: c=1\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}\bigr)$ $Formula: c=1\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}}\bigr)$

reduzierte Form	$Formula: \boldsymbol{\rightleftharpoons}$ $Formula: \boldsymbol{\rightleftharpoons}$	oxidierte Form	Standardpotenzial $Formula: \boldsymbol{E^\circ}$ $Formula: \boldsymbol{E^\circ}$ in $Formula: \textbf{V}$ $Formula: \textbf{V}$
$Formula: \ce{Cl2 + 4H2O}$ $Formula: \ce{Cl2 + 4H2O}$	$Formula: \rightleftharpoons$ $Formula: \rightleftharpoons$	$Formula: \ce{2HClO + 2H3O+ + 2e-}$ $Formula: \ce{2HClO + 2H3O+ + 2e-}$

Quellen (ggf. verändert):

M 1: Masurek, C. (2023, 4. September). Entzinkung von Messing. https://www.mcm-systeme.de/ratgeber/entzinkung-vonmessing (Zugriff am: 05.04.2024)

M 2: Christa, V., Baier, H. & Posdorf, C. (2022, 13. Oktober). Badreiniger-Test: Kalk entfernen viele nur mittelmäßig – Kritik an aggressiven Säuren. ÖKOTEST. https://www.oekotest.de/bauen-wohnen/Badreiniger-Test-Kalk-entfernen-vielenur-mittelmaessig--Kritik-an-aggressiven-Saeuren_12844_1.html (Zugriff am: 05.04.2023)

M 3: Essig und Chlorreiniger gemischt: Frau wollte Bad putzen und endet im Krankenhaus (2021, 15. Juni). RTL. https://www.rtl.de/cms/essig-und-chlorreiniger-gemischt-frauwollte-bad-putzen-und-endet-im-krankenhaus-4775918.html (Zugriff am: 05.04.2024)

M 4: Haynes, W., Lide, D. R. & Bruno, T. J. (2014). CRC Handbook of Chemistry and Physics (95. Aufl.). Taylor & Francis.

Weiter lernen mit SchulLV Plus!

monatlich kündbarSchulLV Plus-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?

Formulierung der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{CaCO3 + 2H3O+ \longrightarrow CO2 + Ca^2+ + 3H2O}$ $Formula: \ce{CaCO3 + 2H3O+ \longrightarrow CO2 + Ca^2+ + 3H2O}$

Berechnung der Masse des maximal möglichen Kalkabtrags

Zuerst wird die Stoffmenge von Chlorwasserstoff berechnet:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} m(\text{HCl})&=&\rho\cdot V(\text{HCl})\cdot3\,\% \\[5pt] &=&1{,}01\;\dfrac{\text{g}}{\text{mL}}\cdot1{,}00\cdot10^3\;\text{mL}\cdot0{,}03 \\[5pt] &=&30{,}3\;\text{g} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} m(\text{HCl})&=&\rho\cdot V(\text{HCl})\cdot3\,\% \\[5pt] &=&1{,}01\;\dfrac{\text{g}}{\text{mL}}\cdot1{,}00\cdot10^3\;\text{mL}\cdot0{,}03 \\[5pt] &=&30{,}3\;\text{g} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} n(\text{HCl})&=&\dfrac{m(\text{HCl})}{M(\text{HCl})} \\[5pt] &=&\dfrac{30{,}3\;\text{g}}{36{,}5\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &=&0{,}83\;\text{mol} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} n(\text{HCl})&=&\dfrac{m(\text{HCl})}{M(\text{HCl})} \\[5pt] &=&\dfrac{30{,}3\;\text{g}}{36{,}5\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &=&0{,}83\;\text{mol} \end{array}$

Nun kann die Masse des Kalkabtrags berechnet werden:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} n(\ce{CaCO3})&=&\dfrac{1}{2}\cdot n(\text{HCl}) \\[5pt] &=&0{,}42\;\text{mol} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} n(\ce{CaCO3})&=&\dfrac{1}{2}\cdot n(\text{HCl}) \\[5pt] &=&0{,}42\;\text{mol} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} m(\ce{CaCO3})&=&n(\ce{CaCO3})\cdot M(\ce{CaCO3}) \\[5pt] &=&0{,}42\;\text{mol}\cdot100{,}1\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}} \\[5pt] &=&42{,}0\;\text{g} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} m(\ce{CaCO3})&=&n(\ce{CaCO3})\cdot M(\ce{CaCO3}) \\[5pt] &=&0{,}42\;\text{mol}\cdot100{,}1\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}} \\[5pt] &=&42{,}0\;\text{g} \end{array}$

Berechnung der pH-Werte beider Reiniger

Die Stoffmengenkonzentration wird zuerst berechnet:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} c(\text{HCl})&=&\dfrac{n(\text{HCl})}{V(\text{HCl})} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}83\;\text{mol}}{1{,}00\;\text{L}} \\[5pt] &=&0{,}83\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} c(\text{HCl})&=&\dfrac{n(\text{HCl})}{V(\text{HCl})} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}83\;\text{mol}}{1{,}00\;\text{L}} \\[5pt] &=&0{,}83\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$

Es soll gelten: $Formula: c(\text{HCl})=c(\ce{CH3COOH})$ $Formula: c(\text{HCl})=c(\ce{CH3COOH})$

Da es sich bei Salzsäure um eine starke Säure handelt, ergibt sich für den pH-Wert des Kalkreinigers:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \text{pH}&\approx&-\lg\left\{c(\text{HCl})\right\} \\[5pt] &=&-\lg0{,}83 \\[5pt] &=&0{,}08 \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \text{pH}&\approx&-\lg\left\{c(\text{HCl})\right\} \\[5pt] &=&-\lg0{,}83 \\[5pt] &=&0{,}08 \end{array}$

Essigsäure ist eine schwache Säure. Somit gilt für den pH-Wert des Essigsäure-Reinigers:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \text{pH}&\approx&\dfrac{1}{2}\cdot\left(\text{p}K_\text{S}-\lg\{c(\ce{CH3COOH})\}\right) \\[5pt] &=&\dfrac{1}{2}\cdot(4{,}75-\lg0{,}83) \\[5pt] &=&2{,}4 \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \text{pH}&\approx&\dfrac{1}{2}\cdot\left(\text{p}K_\text{S}-\lg\{c(\ce{CH3COOH})\}\right) \\[5pt] &=&\dfrac{1}{2}\cdot(4{,}75-\lg0{,}83) \\[5pt] &=&2{,}4 \end{array}$

Beurteilung der Aussagekraft des Testverfahrens

Marmor und Kalk bestehen beide aus Calciumcarbonat, daher ist die Verwendung von Marmor als Modell für Kalk sinnvoll.
Bei Marmor kann die Massendifferenz einfach bestimmt werden.
Mit dem beschriebenen Experiment kann daher der Kalkabtrag gemessen und für verschiedene Reiniger verglichen werden.
Sachurteil: Das beschriebene Testverfahren ist für den Vergleich sinnvoll.

Planung eines Experiments zur Identifikation des Gases

Das entstehende Gas wird zum Nachweis in Calciumhydroxid-Lösung (Kalkwasser) eingeleitet, da Kohlenstoffdioxid mit Calciumhydroxid-Lösung schwerlösliches Calciumcarbonat bildet.
Ein weißer Niederschlag (Calciumcarbonat) ist ein positiver Nachweis für Kohlenstoffdioxid.

Erklärung eines Unterschieds bei den Beobachtungen

Bei der Reaktion mit Essigsäure-Lösung ist eine deutlich schwächere Gasentwicklung als bei Salzsäure zu beobachten. Die Reaktion mit Essigsäure-Lösung verläuft langsamer, da Essigsäure im Gegensatz zu Chlorwasserstoff nur zum Teil dissoziiert.

Aufstellung einer Hypothese zur rötlichen Verfärbung der Messing-Oberfläche

Zink ist ein unedles Metall.
Die Oxonium-Ionen der Salzsäure und der Essigsäure-Lösung reagieren deshalb mit Zink zu Wasserstoff und Metallsalzen. Die Metallsalze sind in Wasser löslich.
Kupfer reagiert als halbedles Metall nicht mit Oxonium-Ionen.
Da Zink mit den Oxonium-Ionen reagiert, wird es aus der Messinglegierung herausgelöst.
Zurück bleibt Kupfer, was an der Farbe zu erkennen ist.

Ableiten einer Empfehlung

Messing kann von sauren Lösungen angegriffen werden (Säurekorrosion).
Bestehen Armaturen aus Messing, sollten diese nicht mit säurehaltigen Reinigern geputzt werden.

Erläuterung der chemischen Hintergründe des Unfalls

Moleküle der Hypochlorigen Säure oxidieren Chlorid-Ionen zu Chlor-Atomen. Dabei entstehen Chlor-Moleküle.
Reaktion ist aufgrund der Standardpotenziale möglich, da das Standardpotenzial des Redoxpaares Hypochlorige Säure/Chlor mit $Formula: 1{,}61\ \text{V}$ $Formula: 1{,}61\ \text{V}$ größer ist als das des Redoxpaares Chlor/Chlorid, das $Formula: 1{,}36\ \text{V}$ $Formula: 1{,}36\ \text{V}$ beträgt.

Formulierung der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{H3O+ + HClO + Cl- \longrightarrow Cl2 + 2H2O}$ $Formula: \ce{H3O+ + HClO + Cl- \longrightarrow Cl2 + 2H2O}$

Nennung zweier Hinweise zum Einsatz von Chlorreinigern

Reiniger, die Natriumhypochlorit enthalten, nicht mit salzsäurehaltigen Reinigern gemeinsam anwenden
Ausreichend lüften
Behandelte Flächen gut mit Wasser abspülen
In möglichst geringen Mengen verwenden

Pro-Argumente:

Bei Infektionsgefahr ist eine Desinfektion notwendig.
Schimmelbildung (im Bad) lässt sich mit Chlor-Reinigern vorbeugen.
Chlorreiniger sind preisgünstig.

Contra-Argumente:

Bei unsachgemäßer Benutzung von Chlorreinigern besteht die Gefahr einer Vergiftung mit Chlor.
Andere (weniger gefährliche) Reiniger können gleiche Wirkungen erzielen.

Fazit: Der Einsatz von Chlorreinigern ist unter Beachtung der Vorsichtsmaßnahmen sinnvoll, wenn es keine Alternativen gibt.

Weiter lernen mit SchulLV Plus!

monatlich kündbarSchulLV Plus-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?