Experiment 1 – Redoxampholyte

Redoxampholyte sind Stoffe, die in Abhängigkeit vom Reaktionspartner als Oxidationsmittel oder als Reduktionsmittel wirken können.

Untersuche, ob Wasserstoffperoxid als Redoxampholyt wirkt.

Führe dazu folgende Experimente durch:

(A)

Gib in ein Reagenzglas ca. $Formula: 2\;\text{mL}$ $Formula: 2\;\text{mL}$ angesäuerte Wasserstoffperoxid-Lösung. Versetze anschließend diese Lösung mit einer Spatelspitze Kupferpulver.

(B)

Gib in ein Reagenzglas ca. $Formula: 2\;\text{mL}$ $Formula: 2\;\text{mL}$ angesäuerte Wasserstoffperoxid-Lösung. Versetze anschließend diese Lösung mit ca. $Formula: 1\;\text{mL}$ $Formula: 1\;\text{mL}$ Kaliumpermanganat-Lösung.

Notiere deine Beobachtungen.

6 BE

Wähle die zugehörigen Teilgleichungen aus und entwickle jeweils die Gesamtgleichung.

Werte deine durchgeführten Experimente hinsichtlich der Aufgabenstellung aus.

Teilgleichungen für ausgewählte Redoxpaare:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \ce{&2OH^{-}& &<=>& H2O2 &+&2e-}\\[3pt] \ce{&2H2O& &<=>& H2O2 +2H+ &+&2e-}\\[3pt] \ce{&H2O2& &<=>& O2 +2H+ &+&2e-}\\[3pt] \ce{&MnO2 +4OH^{-}& &<=>& MnO4- +2H2O &+&3e-}\\[3pt] \ce{&Mn^2+ +4H2O& &<=>& MnO4- +8H+ &+&5e-}\\[3pt] \ce{&Cu& &<=>& Cu^2+ &+&2e-}\\[3pt] \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \ce{&2OH^{-}& &<=>& H2O2 &+&2e-}\\[3pt] \ce{&2H2O& &<=>& H2O2 +2H+ &+&2e-}\\[3pt] \ce{&H2O2& &<=>& O2 +2H+ &+&2e-}\\[3pt] \ce{&MnO2 +4OH^{-}& &<=>& MnO4- +2H2O &+&3e-}\\[3pt] \ce{&Mn^2+ +4H2O& &<=>& MnO4- +8H+ &+&5e-}\\[3pt] \ce{&Cu& &<=>& Cu^2+ &+&2e-}\\[3pt] \end{array}$

7 BE

Beschreibe den Nachweis des gasförmigen Reaktionsproduktes aus Versuch (B).

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Beobachtungen zu Reaktion (A)

Nach der Zugabe von festem, rötlich-glänzendem Kupferpulver zur farblosen, angesäuerten Wasserstoffperoxid-Lösung $Formula: \ce{H2O2}$ $Formula: \ce{H2O2}$ ist eine allmähliche Veränderung der Flüssigkeit festzustellen. Die zuvor klare Lösung nimmt eine charakteristische türkisfarbene bis hellblaue Färbung an. Das Kupferpulver scheint sich dabei teilweise aufzulösen.

Beobachtungen zu Reaktion (B)

Wird die violette Kaliumpermanganat-Lösung $Formula: \ce{KMnO4}$ $Formula: \ce{KMnO4}$ zur angesäuerten Wasserstoffperoxid-Lösung gegeben, setzt unmittelbar eine heftige Reaktion ein. Es ist eine starke Gasentwicklung zu beobachten, wobei farblose Gasblasen aufsteigen. Gleichzeitig verschwindet die tiefviolette Farbe des Permanganats innerhalb kurzer Zeit vollständig, sodass am Ende des Versuchs eine klare, farblose Lösung vorliegt.

Analyse der Redoxprozesse zu Reaktion (A)

Bei der Umsetzung von Kupfer mit angesäuertem Wasserstoffperoxid erfolgt eine Redoxreaktion, bei der das Metall oxidiert wird. Die entsprechenden Teil- und Gesamtgleichungen lauten:

Oxidation:

$Formula: \ce{Cu <=> Cu^2+ + 2 e^-}$ $Formula: \ce{Cu <=> Cu^2+ + 2 e^-}$

Reduktion:

$Formula: \ce{H2O2 + 2 H^+ + 2 e^- <=> 2 H2O}$ $Formula: \ce{H2O2 + 2 H^+ + 2 e^- <=> 2 H2O}$

Gesamt:

$Formula: \ce{Cu + 2 H^+ + H2O2 <=> Cu^2+ + 2 H2O}$ $Formula: \ce{Cu + 2 H^+ + H2O2 <=> Cu^2+ + 2 H2O}$

Analyse der Redoxprozesse zu Reaktion (B)

In der Reaktion mit Kaliumpermanganat fungiert das Wasserstoffperoxid als Reaktionspartner für das starke Oxidationsmittel Permanganat. Unter Berücksichtigung des Elektronenausgleichs ergeben sich folgende Gleichungen:

Reduktion:

$Formula: \ce{2 MnO4^- + 16 H^+ + 10 e^- -> 2 Mn^2+ + 8 H2O}$ $Formula: \ce{2 MnO4^- + 16 H^+ + 10 e^- -> 2 Mn^2+ + 8 H2O}$

Oxidation:

$Formula: \ce{5 H2O2 -> 5 O2 + 10 H^+ + 10 e^-}$ $Formula: \ce{5 H2O2 -> 5 O2 + 10 H^+ + 10 e^-}$

Gesamt:

$Formula: \ce{2 MnO4^- + 6 H^+ + 5 H2O2 -> 2 Mn^2+ + 5 O2 + 8 H2O}$ $Formula: \ce{2 MnO4^- + 6 H^+ + 5 H2O2 -> 2 Mn^2+ + 5 O2 + 8 H2O}$

Auswertung der Stoffeigenschaften von Wasserstoffperoxid

Die durchgeführten Experimente verdeutlichen das vielseitige Reaktionsverhalten von Wasserstoffperoxid $Formula: (\ce{H2O2} ).$ $Formula: (\ce{H2O2} ).$ In Reaktion (A) nimmt das Molekül Elektronen auf und fungiert somit als Elektronenakzeptor bzw. Oxidationsmittel. Im Gegensatz dazu gibt es in Reaktion (B) Elektronen ab und wirkt als Elektronendonator bzw. Reduktionsmittel. Stoffe, die je nach Stärke des Reaktionspartners sowohl oxidierend als auch reduzierend wirken können, werden in der Fachsprache als Redoxampholyte bezeichnet.

Identifikation des gasförmigen Reaktionsproduktes

Wie in der Auswertung zu Teilaufgabe 2 hergeleitet, entsteht bei der Reaktion von Kaliumpermanganat mit Wasserstoffperoxid im sauren Milieu elementarer Sauerstoff $Formula: (\ce{O2})$ $Formula: (\ce{O2})$ als gasförmiges Produkt. Da Sauerstoff farb- und geruchlos ist, muss seine Identität durch eine chemische Eigenschaft bestätigt werden.

Durchführung und Beobachtung der Glimmspanprobe

Zum Nachweis des Sauerstoffs wird die Glimmspanprobe herangezogen. Hierzu wird ein Holzspan entzündet und nach kurzem Brennen ausgepustet, sodass nur noch ein glimmendes Ende verbleibt. Dieser glimmende Span wird in die Öffnung des Reagenzglases gehalten, in dem die Reaktion (B) stattfindet.

Beim Kontakt mit dem entweichenden Gas flammt der glimmende Holzspan hell auf oder beginnt deutlich intensiver zu glühen. Diese Beobachtung basiert auf der brandfördernden Eigenschaft von Sauerstoff, der die Oxidationsgeschwindigkeit des Holzes bei steigender Konzentration massiv erhöht. Damit ist das gasförmige Reaktionsprodukt eindeutig als Sauerstoff identifiziert.

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