Aufgabe 4 – Vollständige und unvollständige Protolyse

Methansäure ist Bestandteil verschiedener Entkalkungsmittel, die im Haushalt z. B. zur Entfernung von Kalkbelag in Warmwassergeräten verwendet werden. Zu diesem Zweck werden im Handel Entkalkungsmittel angeboten, die zusätzlich einen Farbindikator enthalten.

Ordne die Lösungen I bis IV den in M 1 genannten Lösungen mithilfe der Beobachtungen beider Versuchsreihen begründet zu (M 1, M 4).

11 BE

Gib vier Hinweise, die bei der Durchführung der in M 1 beschriebenen Untersuchung zu beachten waren, damit vergleichbare Ergebnisse erzielt werden konnten.

Begründe die Vorgehensweise, um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen.

6 BE

Ordne die Titrationskurven A bis D den in M Formula: 1 genannten Lösungen zu (M , M Formula: 2 ).

Begründe deine Zuordnung bei Methansäure-Lösung anhand

eines typischen Punktes im Kurvenverlauf und
der Berechnung eines zur Titrationskurve passenden pH-Wertes (M , M ).

7 BE

Formuliere eine Reaktionsgleichung für die Reaktion von Methansäure mit Wasser (M 1).

Berechne die Stoffmengenkonzentration der Methansäure-Lösung in dem in M 3 beschriebenen Entkalkungsmittel und leite daraus einen Sicherheitshinweis für die Anwendung ab.

6 BE

Formuliere eine Reaktionsgleichung für die Reaktion, die der Entfernung von Kalkablagerungen durch Methansäure-Lösung zugrunde liegt (M Formula: 3 ).

Berechne die Masse an Calciumcarbonat, die laut Anwendungsempfehlung entfernt werden kann (M Formula: 3 ).

Hinweis: Für den Fall, dass du die Stoffmengenkonzentration der Methansäure im Entkalkungsmittel bei Teilaufgabe Formula: 4 nicht ermitteln konntest, gehe von dem Ersatzwert $Formula: c = 6{,}0\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: c = 6{,}0\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ aus.

5 BE

Diskutiere anhand von zwei Argumenten, ob die Beimischung von Methylorange für den Anwender von Nutzen ist (M 3, M 4).

5 BE

Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!

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

M 1: Experimentelle Untersuchung verschiedener Lösungen

In einem Versuch wurden vier Lösungen (I bis IV) gleicher Stoffmengenkonzentration unter vergleichbaren Bedingungen untersucht: Natriumhydroxid-Lösung, Salzsäure, Methansäure ( $Formula: \ce{HCOOH}$ $Formula: \ce{HCOOH}$ ) und Propansäure. Der $Formula: \text{p}K_\text{s}$ $Formula: \text{p}K_\text{s}$ -Wert von Propansäure beträgt Formula: 4{,}87 . Unter vergleichbaren Bedingungen wurden die Lösungen untersucht. In einem ersten Schritt wurde Methylorange-Lösung hinzugefügt. In einem zweiten Schritt wurden Marmorstücke zu den Lösungen gegeben. Marmor besteht größtenteils aus Calciumcarbonat ( $Formula: \ce{CaCO3}$ $Formula: \ce{CaCO3}$ ).

Dabei ergaben sich die folgenden Beobachtungen:

nach Zugabe von Methylorange-Lösung:

Lösung:	I	II	III	IV
Färbung:	rot	gelborange	rot	orange

nach Zugabe von Marmorstücken:

Lösung:	I	II	III	IV
Beobachtung:	heftige Gasentwicklung	keine Veränderung	mittelstarke Gasentwicklung	sehr schwache Gasentwicklung

M 2: Titrationskurven verschiedener Säure-Base-Titrationen

Mit $Formula: 100\text{ mL}$ $Formula: 100\text{ mL}$ der Lösungen I bis IV wurde jeweils eine Säure-Base-Titration durchgeführt.

Die Stoffmengenkonzentration Formula: c der Maßlösungen betrug $Formula: 1{,}0\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: 1{,}0\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ , die der jeweiligen Probelösung $Formula: 0{,}1\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: 0{,}1\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ .

Vier pH-Titrationskurven A–D: drei ansteigende S‑Kurven (A,B,C) und eine fallende Kurve (D), pH gegen Volumen (mL).

M 3: Entkalkungsmittel mit Farbindikator

Bei der Warmwasserbereitung kommt es zur Ablagerung von Kalk. Hauptbestandteil ist schwerlösliches Calciumcarbonat. Die molare Masse von Calciumcarbonat beträgt $Formula: M = 100{,}1\text{ }\frac{\text{g}}{\text{mol}}$ $Formula: M = 100{,}1\text{ }\frac{\text{g}}{\text{mol}}$ . Kalkablagerungen sehen nicht nur unschön aus, sie beeinträchtigen zunehmend die korrekte Funktionsweise von z. B. Kaffeemaschinen oder Wasserkochern. Daher müssen diese Geräte regelmäßig mit Entkalkungsmitteln gereinigt werden. Hierfür kommen Säuren zum Einsatz.

Ein Hersteller bietet ein Entkalkungsmittel mit Farbindikator an. Im Sicherheitsdatenblatt dieses Produktes findet man folgende Informationen:

chemische Charakterisierung: Gemisch / Mischung, wässrige Lösung
gefährliche Inhaltsstoffe: Methansäure
pH-Wert, unverdünnt: $Formula: \approx 1{,}5$ $Formula: \approx 1{,}5$
weitere Inhaltsstoffe: Methylorange

In einer Produktbeschreibung heißt es:

Rote Färbung: Aktive Entkalkung. Gelborange Färbung: Entkalkungskraft ist aufgebraucht.

Eine Anwendungsempfehlung für die Entkalkung einer Kaffeemaschine sieht vor, $Formula: 125\text{ mL}$ $Formula: 125\text{ mL}$ Entkalkungsmittel mit $Formula: 500\text{ mL}$ $Formula: 500\text{ mL}$ Wasser aufzufüllen.

M 4: Methylorange

Methylorange wird als Säure-Base-Indikator verwendet. Das Farbspektrum reicht von Rot in stark sauren Lösungen über Orange im Umschlagbereich bis hin zu Gelborange.

Auszug aus einem Sicherheitsdatenblatt einer $Formula: 0{,}1\text{ }\%$ $Formula: 0{,}1\text{ }\%$ -igen Methylorange-Indikatorlösung:

Verwendungen, von denen abgeraten wird:

Nicht für private Zwecke (Haushalt), als Nahrungsmittel, Getränk und Futtermittel verwenden.

Beschreibung des Gemischs:

Dieses Produkt entspricht keinem Kriterium für die Einstufung in eine Gefahrenklasse.

Beschreibung der Erste-Hilfe-Maßnahmen:

Allgemeine Anmerkungen: Kontaminierte Kleidung ausziehen.
Nach Inhalation: Für Frischluft sorgen. Bei Auftreten von Beschwerden oder in Zweifelsfällen ärztlichen Rat einholen.
Nach Kontakt mit der Haut: Haut mit Wasser abwaschen/duschen.
Nach Berührung mit den Augen: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Bei Auftreten von Beschwerden oder in Zweifelsfällen ärztlichen Rat einholen.
Nach Aufnahme durch Verschlucken: Mund ausspülen. Bei Unwohlsein Arzt anrufen.

Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!

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

Zuordnen:

Lösung II: Natriumhydroxid-Lösung
Lösung IV: Propansäure-Lösung
Lösung I: Salzsäure
Lösung III: Methansäure-Lösung

Begründen der Zuordnung:

Methylorange ändert seine Farbe in sauren Lösungen bei $Formula: \text{pH}$ $Formula: \text{pH}$ -Werten von bis von Rot nach Gelborange.
Gelborangefärbung in der Lösung II zeigt einen $Formula: \text{pH}$ $Formula: \text{pH}$ -Wert mit $Formula: \text{pH} \ge 4{,}4$ $Formula: \text{pH} \ge 4{,}4$ an bzw. ist keine Gasentwicklung zu beobachten (Lösung II: Natriumhydroxid-Lösung)
Vergleichen der $Formula: \text{p}K_\text{s}$ $Formula: \text{p}K_\text{s}$ -Werte
Die Säurestärke in den weiteren Lösungen nimmt in der Reihenfolge Propansäure ( $Formula: \text{p}K_\text{s} = 4{,}87$ $Formula: \text{p}K_\text{s} = 4{,}87$ ), Methansäure ( $Formula: \text{p}K_\text{s} = 3{,}75$ $Formula: \text{p}K_\text{s} = 3{,}75$ ), Salzsäure ( $Formula: \text{p}K_\text{s} = -7$ $Formula: \text{p}K_\text{s} = -7$ ) zu.
Propansäure-Lösung enthält demnach eine geringere Stoffmengenkonzentration an Oxonium-Ionen, der $Formula: \text{pH}$ $Formula: \text{pH}$ -Wert ist höher als in den beiden anderen sauren Lösungen. Methylorange färbt sich in Propansäure-Lösung orange (Lösung IV) und in Methansäure-Lösung und Salzsäure rot.
Die Gasentwicklung ist in dieser Lösung am schwächsten.
Um die Lösungen I und III zu unterscheiden, muss die Stärke der Gasentwicklung herangezogen werden: je stärker die Gasentwicklung, desto höher ist die Stoffmengenkonzentration der reagierenden Teilchen.
Da gleichkonzentrierte Lösungen untersucht wurden, beruht die stärkere Gasentwicklung bei Lösung I auf der größeren Säurestärke, also Salzsäure. Lösung III enthält Methansäure.

Angeben von vier Hinweisen:

Es müssen gleiche Volumina der verwendeten Lösungen I bis IV eingesetzt werden.
Es muss dieselbe Tropfenanzahl bei der Zugabe der Methylorange-Lösung zu den Lösungen I bis IV hinzugefügt werden.
Es müssen nahezu gleich große Marmorstücke zu den Lösungen I bis IV hinzugegeben werden.
Die Temperatur der Lösungen muss gleich sein.

Begründen:

Bei einer experimentellen Untersuchung darf immer nur eine Bedingung verändert werden und alle anderen müssen konstant gehalten werden, um zu gesicherten Erkenntnissen zu gelangen.
Die Verwendung verschiedener Lösungen I bis IV stellt eine variable Bedingung dar, daher müssen alle verwendeten Mengen und Reaktionsbedingungen konstant gehalten werden.

Zuordnen der Titrationskurven:

Titrationskurve A gehört zur Methansäure-Lösung.
Titrationskurve B gehört zur Salzsäure.
Titrationskurve C gehört zur Propansäure-Lösung.
Titrationskurve D gehört zur Natriumhydroxid-Lösung.

Begründen der Zuordnung, z. B.:

anhand eines typischen Punktes im Kurvenverlauf:
- $Formula: \text{pH}$ $Formula: \text{pH}$ -Wert am Halbäquivalenzpunkt entspricht dem $Formula: \text{p}K_\text{s}$ $Formula: \text{p}K_\text{s}$ -Wert
- der von Methansäure beträgt .
anhand der Berechnung eines $Formula: \text{pH}$ $Formula: \text{pH}$ -Wertes:
- $Formula: \text{pH}_{\text{Anfang}} \approx \frac{1}{2}(3{,}75 - \lg(0{,}1))$ $Formula: \text{pH}_{\text{Anfang}} \approx \frac{1}{2}(3{,}75 - \lg(0{,}1))$
- $Formula: \text{pH}_{\text{Anfang}} \approx 2{,}38$ $Formula: \text{pH}_{\text{Anfang}} \approx 2{,}38$

Formulieren der Reaktionsgleichung:

$Formula: \ce{HCOOH + H2O <=> HCOO- + H3O+}$ $Formula: \ce{HCOOH + H2O <=> HCOO- + H3O+}$

Berechnen der Stoffmengenkonzentration:

$Formula: 1{,}5 \approx \frac{1}{2}(3{,}75 - \lg(c_0))$ $Formula: 1{,}5 \approx \frac{1}{2}(3{,}75 - \lg(c_0))$
$Formula: c_0 \approx 10^{-(2 \cdot 1{,}5 - 3{,}75)}$ $Formula: c_0 \approx 10^{-(2 \cdot 1{,}5 - 3{,}75)}$
$Formula: c_0 \approx 5{,}6\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: c_0 \approx 5{,}6\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$

Ableiten eines Sicherheitshinweises:

Es handelt sich hierbei um eine saure Lösung mit hoher Stoffmengenkonzentration, daher muss man beim Verschütten bzw. bei Kontakt mit der Haut mit viel Wasser spülen (Verdünnung).

Formulieren einer Reaktionsgleichung:

$Formula: \ce{CaCO3 + 2 H3O+ + 2 HCOO- -> Ca2+ + 3 H2O + CO2 + 2 HCOO-}$ $Formula: \ce{CaCO3 + 2 H3O+ + 2 HCOO- -> Ca2+ + 3 H2O + CO2 + 2 HCOO-}$

Berechnen der Masse:

$Formula: n(\ce{CaCO3}) = \frac{1}{2} \cdot n(\ce{H3O+})$ $Formula: n(\ce{CaCO3}) = \frac{1}{2} \cdot n(\ce{H3O+})$
$Formula: m(\ce{CaCO3}) = \frac{1}{2} \cdot c(\ce{H3O+}) \cdot V(\text{Lsg}) \cdot M(\ce{CaCO3})$ $Formula: m(\ce{CaCO3}) = \frac{1}{2} \cdot c(\ce{H3O+}) \cdot V(\text{Lsg}) \cdot M(\ce{CaCO3})$
$Formula: m(\ce{CaCO3}) = \frac{1}{2} \cdot 5{,}6\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0{,}125\text{ L} \cdot 100{,}1\text{ }\frac{\text{g}}{\text{mol}}$ $Formula: m(\ce{CaCO3}) = \frac{1}{2} \cdot 5{,}6\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0{,}125\text{ L} \cdot 100{,}1\text{ }\frac{\text{g}}{\text{mol}}$

$Formula: m(\ce{CaCO3}) = 35{,}0\text{ g}$ $Formula: m(\ce{CaCO3}) = 35{,}0\text{ g}$ (mit Ersatzwert: $Formula: 37{,}5\text{ g}$ $Formula: 37{,}5\text{ g}$ )

Diskutieren des Nutzens der Beimischung von Methylorange:

Pro-Argument:

Der enthaltene Indikator bietet eine gute Kontrollmöglichkeit für den Anwendenden, denn
- bleibt die Lösung rot, war der Entkalkungsvorgang erfolgreich; ist die Lösung nach der Anwendung gelborange gefärbt, ist die Methansäure-Konzentration zu niedrig für einen schnellen Entkalkungsvorgang.

Contra-Argument:

Methylorange ist an der Zersetzungsreaktion von Calciumcarbonat nicht beteiligt und liegt nach dem Entkalkungsvorgang weiterhin gelöst vor,
- das erfordert ein Nachspülen der Geräte, damit es nicht vom Menschen aufgenommen wird.

Fazit

Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!

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