Teil C

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

Aufgabe C1

Energiespeicher in chemischer Form finden vielfältige Anwendungen als Kälte- oder Wärmespeicher im täglichen Leben bzw. in der Industrie. Diese enthalten z. B. Ammoniumsalze, die auf unterschiedliche Weise identifiziert werden können.

Experiment A
Du erhältst die Proben I, II und III mit gleichen Stoffmengen je eines der folgenden Salze: Natriumchlorid, Ammoniumchlorid und wasserfreies Calciumchlorid. Löse jede Probe in $50\,\text{mL}$ Wasser und messe jeweils die Temperaturänderung.

Experiment B
Bestimme die pH-Werte der bei Experiment A hergestellten Lösungen mithilfe von Universalindikatorlösung.

Experiment C
Die Identifizierung eines Ammoniumsalzes kann auch mithilfe von Natriumhydroxidlösung und Universalindikatorpapier erfolgen. Gebe zu einer Stoffprobe Ammoniumchlorid auf einer Uhrglasschale fünf Tropfen Natriumhydroxidlösung. Prüfe das entstehende Gas mit angefeuchtetem Universalindikatorpapier.

Führe die Experimente durch. Gib deine Messwerte und Beobachtungen an.

(05 BE)

Ordne die Salze des Experiments A den Stoffproben I, II bzw. III zu. Begründe deine Entscheidungen. Verwende u. a. die folgende Tabelle.

Salz	$\Delta H_m^\Theta$ in $\,\text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}$
Natriumchlorid	$+ 3,89$
Ammoniumchlorid	$+ 14,6$
Calciumchlorid (wasserfrei)	$– 83$

molare Reaktionsenthalpien ausgewählter Chloride beim Lösen in Wasser unter Standardbedingungen

(03 BE)

Berechne die Temperaturänderung in einer Kältepackung, bei der sich $15\,\text{g}$ Ammoniumchlorid in $50\,\text{mL}$ Wasser lösen.

Hinweis: Die Dichte und spezifische Wärmekapazität werden in Näherung der des Wassers gleichgesetzt.

(03 BE)

Werte die Experimente B und C unter Verwendung von Reaktionsgleichungen hinsichtlich der Identifizierung von Ammoniumchlorid aus.

(04 BE)

(15 BE)

Aufgabe C2

Die Elektrolyse wurde vor über 200 Jahren entdeckt. Ihre Grundgesetze wurden durch MICHAEL FARADAY beschrieben.

Experiment A
Befülle die Elektrolysezelle mit Natriumbromidlösung. Elektrolysiere sie mit Kohlelektroden bei einer Spannung von ca. 5 V über einen Zeitraum von drei Minuten. Pipettiere anschließend ca. 2 ml Lösung am Pluspol für Experiment B ab.

Experiment B
Du erhältst in den Reagenzgläsern 1 und 2 Lösungen organischer Stoffe. In einem der Reagenzgläser befindet sich Sorbinsäurelösung, in dem anderen Ethanol. Identifiziere sie mit Hilfe des abpipettierten Stoffs aus Experiment A die Sorbinsäurelösung.

$CH_3–CH=CH–CH=CH–COOH$

Strukturformel der Sorbinsäure

Experiment C
Pipettiere am Minuspol etwa $1\,\text{mL}$ Lösung aus Experiment A ab und setze diese mit wenigen Tropfen Phenolphthaleinlösung.

Experiment D
Versetze die Lösung in deiner Elektrolysezelle aus Experiment A mit $5\,\text{mL}$ Natriumthiosulfatlösung.

Führe die Experimente durch. Gib deine Beobachtungen an.

(06 BE)

Entwickle die Reaktionsgleichungen für die in Experiment A ablaufenden Prozesse. Ordne die Begriffe Anode und Kathode den Beobachtungen zu.

(03 BE)

Berechne die Masse des abgeschiedenen Broms bei der Elektrolyse einer Natriumbromidlösung mit einer Stromstärke $I = 1\,\text{A}$ in der Zeit $t = 5\,\text{min}.$

(02 BE)

Erläutere die Beobachtung, die zur Identifizierung der Sorbinsäure in Experiment B geführt hat.

(02 BE)

Begründe die Notwendigkeit, nach dem Experimentieren Reste elementaren Broms zu entsorgen. Leite sie aus den Beobachtungen der durchgeführten Experimente eine Möglichkeit ab, elementares Brom aus einer Lösung zu entfernen.

(02 BE)

(15 BE)

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Lösung C1

Beobachtungen

Experiment A:

Probe I
Keine signifikante Temperaturänderung

Probe II
Temperaturerhöhung

Probe III
Temperaturverringerung

Experiment B:

Probe I
pH-Wert neutral $(\approx 7)$

Probe II
pH-Wert sauer $(\lt 7)$

Probe III
pH-Wert neutral $(\approx 7)$

Experiment C:

Universalindikatorpapier färbt sich blau (basisch), Gasentwicklung (Ammoniakgeruch)

Zuordnung der Salze und Begründung

Die molare Reaktionsenthalpie ist ein wichtiger Faktor bei der Identifizierung der Salze, da sie direkte Auswirkungen auf die Temperaturänderungen der Lösungen hat.

Probe I
keine signifikante Temperaturänderung
Natriumchlorid $\Delta H_m^\Theta = + 3,89\, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}$

Probe II
Erhöhung der Temperatur
Ammoniumchlorid $\Delta H_m^\Theta = + 14,6\, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}$

Probe III
Verringerung der Temperatur
Calciumchlorid $\Delta H_m^\Theta = - 83\, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}$

Berechnung der Temperaturänderung

Berechne die Temperaturänderung in einer Kältepackung, bei der sich $15\,\text{g}$ Ammoniumchlorid in $50\,\text{mL}$ Wasser lösen.

Zunächst wird die Stoffmenge an Ammoniumchlorid berechnet:

$\begin{array}[t]{rll} n (NH_4Cl) &=& \dfrac{m (NH_4Cl)}{M (NH_4Cl)} &\\[5pt] &=& \dfrac{15\,\text{g}}{53,5\,\text{g} \cdot \text{mol}^{-1}} &\\[5pt] &=& 0,28 \,\text{mol} \end{array}$

Die molare Reaktionsenthalpie $(\Delta_R H_m^\Theta = + 14,6 \, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1})$ gibt die Energieänderung pro Mol an. Für die gesamte Energieänderung für Ammoniumchlorid folgt:

Weiterhin gilt für die Gesamtmasse der Lösung:

$\begin{array}[t]{rll} m\,\text{(Lösung)} &=& 15\,\text{g} + 50\,\text{g} & \\[5pt] &=& 65\,\text{g} \end{array}$

Mithilfe der kalorimetrischen Grundgleichung kann nun die Temperaturänderung berechnet werden:

$\begin{array}[t]{rll} \Delta_R H_m&=& - \dfrac{m(\,\text{Lösung}) \cdot c_p (H_2O) \cdot \Delta T}{n} & \\[15pt] \Delta T &=& - \dfrac{\Delta_R H_m \cdot n}{m(\,\text{Lösung}) \cdot c_p (H_2O)} & \\[5pt] &=& \dfrac{14,6 \, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot 0,28 \,\text{mol}}{65\,\text{g} \cdot 4,19 \, \text{J} \cdot \text{g}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}} & \\[5pt] &=& \dfrac{4088\, \text{J}}{272,35\,\text{J} \cdot \text{K}^{-1}} & \\[5pt] &=& 15,01 \,\text{K} \end{array}$

Die Temperaturänderung in einer Kältepackung, bei der sich $15\,\text{g}$ Ammoniumchlorid in $50\,\text{mL}$ Wasser lösen beträgt $15,01 \,\text{K}.$

Auswertung Experiment B

Natriumchlorid $(NaCl):$
Natriumchlorid ist ein neutrales Salz, das in Wasser vollständig dissoziiert. Der pH-Wert der Lösung bleibt neutral $(pH \approx 7).$
$NaCl$ $\longrightarrow$ $Na^+ + Cl^+$

Ammoniumchlorid $(NH_4Cl):$
Ammoniumchlorid dissoziiert in Wasser zu Ammonium- und Chlorid-Ionen. Das Ammonium-Ion reagiert mit Wasser zu Ammoniak und Hydronium-Ionen, was die Lösung sauer macht $(pH \lt 7).$
$NH_4Cl$ $\longrightarrow$ $Na^+ + Cl^-$
$NH_4^+ + H_2O$ $\longrightarrow$ $NH_3 + H_3O^+$

Calciumchlorid $(CaCl_2):$
Calciumchlorid ist ein neutrales Salz und bleibt in Wasser neutral $(pH \approx 7).$
$CaCl_2$ $\rightarrow$ $Ca^{2+} + 2 \, Cl^-$

Ergebnis: Die Probe, die in Experiment B einen sauren pH-Wert aufweist, enthält Ammoniumchlorid.

Auswertung Experiment C

Zugabe von Natriumhydroxidlösung zu Ammoniumchlorid:

$NH_4Cl + NaOH$ $\longrightarrow$ $NH_3 ↑ + NaCl + H_2O$

Bei der Reaktion entsteht Ammoniakgas, welches mit dem angefeuchtetem Universalindikatorpapier nachgewiesen wird.

Dabei findet folgende Reaktion statt:

$NH_3 + H_2O$ $\longrightarrow$ $NH_4^+ + OH^-$

Ammoniak ist basisch und färbt das Universalindikatorpapier blau.

Ergebnis: Die Probe, die Ammoniak freisetzt und das Indikatorpapier blau färbt, enthält Ammoniumchlorid.

Lösung C2

Beobachtungen

Experiment A:

Am Pluspol (Anode): Bildung von braunem Gas.
Am Minuspol (Kathode): Bildung von farblosem Gas.

Experiment B:

Reagenzglas 1: Keine sichtbare Reaktion.
Reagenzglas 2: Bildung eines gelben Niederschlags (Nachweis von Sorbinsäure durch Brom).

Experiment C:

Die Lösung färbt sich pink (basische Reaktion).

Experiment D:

Entfärbung der braunen Bromlösung (Reduktion von Brom).

Reaktionsgleichungen für die Elektrolyse

Teilgleichungen anzeigen

An der Anode, also am Pluspol, werden Bromid-Ionen oxidiert. Hier wird braunes Gas (Brom) gebildet.
An der Kathode, also am Minuspol, findet die Reduktion von Wasser statt. Dabei wird farbloses Gas (Wasserstoff) gebildet und die Lösung wird basisch.

Berechnung der Masse des abgeschiedenen Broms

Für die Berechnung gilt das Faradaysche Gesetz:

$I \cdot t = F \cdot z \cdot n$

Mit einer Stromstärke von $I = 1\,\text{A}$ in der Zeit von $t = 5\,\text{min} = 300\,\text{s}$ und einer Ladungszahl von $z=2$ folgt:

$\begin{array}[t]{rll} n (Br_2) &=& \dfrac{I \cdot t}{F \cdot z} & \\[5pt] &=& \dfrac{1\,\text{A} \cdot 300\,\text{s}}{9,65 \cdot 10^4 \, \text{As} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot 2} & \\[5pt] &=& 0,00155 \,\text{mol} \end{array}$

Daraus folgt die Masse:

$\begin{array}[t]{rll} m (Br_2) &=& n(Br_2) \cdot M(Br_2) & \\[5pt] &=& 0,00155 \,\text{mol} \cdot 159,8 \,\text{g} \cdot \text{mol}^{-1} & \\[5pt] &\approx& 0,25\,\text{g} \end{array}$

Bei der Elektrolyse einer Natriumbromidlösung mit einer Stromstärke von $1\,\text{A}$ in der Zeit von $5\,\text{min}$ werden ca. $0,25\,\text{g}$ Brom abgeschieden.

Erläuterung zur Identifizierung der Sorbinsäure

Bei Experiment B entsteht in einem der Reagenzgläser ein gelber Niederschlag, was auf die Reaktion von Brom mit Sorbinsäure hinweist.

Sorbinsäure ist eine organische Verbindung mit zwei konjugierten Doppelbindungen:

$CH_3-CH=CH–CH=CH–COOH$

Diese Doppelbindungen reagieren in einer Additionsreaktion mit dem Brom, da dieses ein starkes Oxidationsmittel ist.

Entsorgung von Brom

Elementares Brom ist toxisch und umweltschädlich. Daher ist es notwendig, es nach dem Experiment zu entsorgen.
Eine Möglichkeit, elementares Brom zu entfernen, besteht darin, es mit Natriumthiosulfatlösung zu reagieren, um es in eine weniger schädliche Verbindung zu überführen (vgl. Experiment D):

$Br_2 + 2\, Na_2S_2O_3$ $\longrightarrow$ $2 \, NaBr + Na_2S_4O_6$

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