Der Handwärmer
AFB I–IIEinweg-Handwärmer enthalten feines Eisenpulver. Reißt man die Verpackung auf, dringt Luft ein, und der Beutel wird für Stunden warm. Vereinfacht läuft die Reaktion \(\mathrm{4\,Fe+3\,O_2\longrightarrow 2\,Fe_2O_3}\) ab. Eisen(III)-oxid ist wie Magnesiumoxid ein Salz.
- Nenne die Ionen, aus denen Eisen(III)-oxid aufgebaut ist.
- Stelle die Teilgleichung für die Oxidation des Eisens auf und kontrolliere die Ladungsbilanz.
- Ein Handwärmer enthält 22,3 g Eisenpulver. Berechne die Stoffmenge der Elektronen, die bei vollständiger Oxidation abgegeben werden \((M(\mathrm{Fe})=55{,}8\ \mathrm{g/mol})\).
- Auf der Packung steht: „Eisen reagiert mit dem Sauerstoff der Luft und wird dabei oxidiert.“ Beurteile, ob diese Erklärung aus heutiger Sicht vollständig ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Eisen(III)-oxid besteht aus Eisen(III)-Ionen \(\mathrm{Fe^{3+}}\) und Oxid-Ionen \(\mathrm{O^{2-}}\) (Verhältnis 2 : 3).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\mathrm{Fe\longrightarrow Fe^{3+}+3\,e^-}\)
Ladungsbilanz: links \(0\), rechts \((+3)+3\cdot(-1)=0\) — ausgeglichen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\mathrm{Fe})=\dfrac{22{,}3\ \mathrm{g}}{55{,}8\ \mathrm{g/mol}}\approx 0{,}40\ \mathrm{mol}\)
Jedes Atom gibt 3 Elektronen ab: \(n(\mathrm{e^-})=3\cdot 0{,}40\ \mathrm{mol}=1{,}2\ \mathrm{mol}\) (das sind etwa \(7{,}2\cdot 10^{23}\) Elektronen).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage beschreibt die Oxidation im Sinne von Klasse 8 (Reaktion mit Sauerstoff) und ist insofern richtig.
Sie ist aber unvollständig: Im Teilchenbild wird Eisen oxidiert, weil jedes Eisen-Atom drei Elektronen abgibt und zum \(\mathrm{Fe^{3+}}\)-Ion wird. Der Sauerstoff ist nur der Partner, der die Elektronen aufnimmt. Dieselbe Oxidation des Eisens fände auch mit Chlor statt, ganz ohne Sauerstoff. Eine vollständige Erklärung nennt also die Elektronenabgabe.
Das angelaufene Silberbesteck
AFB II–IIISilberbesteck wird mit der Zeit dunkel. Schuld sind Spuren von Schwefelwasserstoff \(\mathrm{H_2S}\) in der Luft, zum Beispiel aus Eiern oder Zwiebeln. Es bildet sich ein schwarzer Belag aus Silbersulfid \(\mathrm{Ag_2S}\): \(\mathrm{4\,Ag+2\,H_2S+O_2\longrightarrow 2\,Ag_2S+2\,H_2O}\).
- Beschreibe, welche Ionen im schwarzen Belag vorliegen und was dabei mit einem Silber-Atom geschieht.
- Erkläre, warum das Anlaufen eine Oxidation des Silbers ist, obwohl kein Silberoxid entsteht.
- Vergleiche die Oxidation von Silber mit der Oxidation von Kupfer zu Kupfer(II)-oxid: Elektronen pro Atom und Formel des Produkts.
- Ein Prospekt verspricht: „Unser Poliertuch entfernt den Belag, ohne Silber abzutragen.“ Nimm Stellung zu diesem Versprechen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Der Belag besteht aus Silber-Ionen \(\mathrm{Ag^{+}}\) und Sulfid-Ionen \(\mathrm{S^{2-}}\) im Verhältnis 2 : 1.
Jedes Silber-Atom gibt ein Elektron ab und wird zum Silber-Ion: \(\mathrm{Ag\longrightarrow Ag^{+}+e^-}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Oxidation bedeutet Elektronenabgabe. Silber-Atome geben Elektronen ab und werden zu \(\mathrm{Ag^{+}}\)-Ionen — genau das geschieht beim Anlaufen.
Ob dabei ein Oxid oder ein Sulfid entsteht, spielt keine Rolle. (Den Sauerstoff braucht es hier als Partner, der Elektronen aufnimmt; im Produkt steckt er im Wasser, nicht beim Silber.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Silber: \(\mathrm{Ag\longrightarrow Ag^{+}+e^-}\), ein Elektron pro Atom; Produkt \(\mathrm{Ag_2S}\) (zwei \(\mathrm{Ag^+}\) pro \(\mathrm{S^{2-}}\)).
Kupfer: \(\mathrm{Cu\longrightarrow Cu^{2+}+2\,e^-}\), zwei Elektronen pro Atom; Produkt \(\mathrm{CuO}\) (ein \(\mathrm{Cu^{2+}}\) pro \(\mathrm{O^{2-}}\)).
Gemeinsam: Beide Metalle werden zu positiven Ionen oxidiert; unterschiedlich ist die Zahl der abgegebenen Elektronen und damit das Anzahlverhältnis im Salz.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Das Versprechen ist chemisch nicht haltbar. Im Belag \(\mathrm{Ag_2S}\) steckt Silber — als \(\mathrm{Ag^{+}}\)-Ionen. Wer den Belag abreibt, entfernt diese Silber-Ionen mit.
Die Menge ist bei einem dünnen Belag klein, aber bei häufigem Polieren wird das Besteck messbar dünner. Richtig wäre: „Das Tuch trägt nur das Silber ab, das bereits oxidiert ist.“ Schonender wäre ein Verfahren, das die Silber-Ionen wieder in Silber-Atome zurückverwandelt.