Entkalken im Bad
AFB I–IIEntkalker enthalten Säuren, deren Oxonium-Ionen den Kalk \(\mathrm{CaCO_3}\) auflösen:
\(\mathrm{CaCO_3+2\,H_3O^+\longrightarrow Ca^{2+}+CO_2+3\,H_2O}\)
Auf der Packung steht: „Nicht für verzinkte Oberflächen geeignet.“ Auf verzinktem Blech beobachtet man nämlich Gasbläschen, die bei der Knallgasprobe ploppen:
\(\mathrm{Zn+2\,H_3O^+\longrightarrow Zn^{2+}+H_2+2\,H_2O}\)
- Ordne beide Reaktionen einem Reaktionstyp zu.
- Stelle für die Reaktion mit Zink die Teilgleichungen für Oxidation und Reduktion auf.
- Erläutere das Donator-Akzeptor-Prinzip an der Reaktion mit Kalk. Das Carbonat-Ion nimmt dabei insgesamt zwei Protonen auf.
- Begründe den Warnhinweis auf der Packung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kalk: Säure-Base-Reaktion — die Oxonium-Ionen geben Protonen an das Carbonat-Ion ab; Calcium bleibt \(\mathrm{Ca^{2+}}\).
Zink: Redoxreaktion — Zink-Atome werden zu \(\mathrm{Zn^{2+}}\)-Ionen, obwohl ebenfalls eine Säure beteiligt ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Oxidation: \(\mathrm{Zn\longrightarrow Zn^{2+}+2\,e^-}\)
Reduktion: \(\mathrm{2\,H_3O^++2\,e^-\longrightarrow H_2+2\,H_2O}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Oxonium-Ionen sind Protonendonatoren (Säure), das Carbonat-Ion \(\mathrm{CO_3^{2-}}\) ist Protonenakzeptor (Base). Nach Aufnahme von zwei Protonen entsteht Kohlensäure \(\mathrm{H_2CO_3}\), die in \(\mathrm{CO_2}\) und Wasser zerfällt.
Abgabe und Aufnahme der Protonen geschehen gleichzeitig — ohne Akzeptor könnte die Säure keine Protonen abgeben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zink ist unedler als Wasserstoff und wird von den Oxonium-Ionen oxidiert: Die Zinkschicht löst sich auf, und es entsteht brennbarer Wasserstoff.
Die Zinkschicht schützt aber das darunterliegende Eisen vor Rost. Wird sie abgetragen, rostet das Blech. Deshalb darf der Entkalker nicht auf verzinkte Oberflächen.
Ein Prinzip für zwei Reaktionstypen
AFB II–IIIFür ein Lernplakat soll eine Gruppe Säure-Base-Reaktionen und Redoxreaktionen gegenüberstellen. Als Beispiele dienen \(\mathrm{HNO_3+H_2O\longrightarrow H_3O^++NO_3^-}\) und \(\mathrm{2\,Na+Cl_2\longrightarrow 2\,NaCl}\). Ein Gruppenmitglied gibt zusätzlich Natrium in Wasser: Es bildet sich ein Gas, und Phenolphthalein färbt die Lösung pink:
\(\mathrm{2\,Na+2\,H_2O\longrightarrow 2\,Na^++2\,OH^-+H_2}\)
- Vergleiche die beiden Reaktionstypen anhand der zwei Beispiele: übertragenes Teilchen, Donator, Akzeptor.
- Deute die Beobachtungen beim Versuch mit Natrium und Wasser.
- Ein Mitschüler meint: „Weil OH⁻ entsteht, ist Natrium in Wasser eine Säure-Base-Reaktion.“ Überprüfe diese Aussage.
- Diskutiere, ob man Säure-Base- und Redoxreaktionen unter dem Oberbegriff „Donator-Akzeptor-Reaktionen“ zusammenfassen sollte.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Säure-Base (\(\mathrm{HNO_3}\)): übertragen wird ein Proton; Donator \(\mathrm{HNO_3}\) (Säure), Akzeptor \(\mathrm{H_2O}\) (Base).
Redox (Na/Cl₂): übertragen werden Elektronen; Donator Na (Reduktionsmittel), Akzeptor \(\mathrm{Cl_2}\) (Oxidationsmittel).
Gemeinsam: Ein Teilchen gibt ab, ein anderes nimmt gleichzeitig auf; es entstehen korrespondierende Paare. Unterschied: Art des übertragenen Teilchens.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Das Gas ist Wasserstoff (Knallgasprobe). Die Pinkfärbung zeigt Hydroxid-Ionen, die Lösung ist alkalisch.
Natrium-Atome geben Elektronen ab (\(\mathrm{Na\to Na^+}\)); Wassermoleküle nehmen sie auf: \(\mathrm{2\,H_2O+2\,e^-\longrightarrow H_2+2\,OH^-}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Aussage ist falsch. Natrium ändert seine Ladung von 0 auf +1, es findet ein Elektronenübergang statt — also eine Redoxreaktion. Kein Proton wandert zum Natrium.
Die Hydroxid-Ionen entstehen, weil Wasser als Oxidationsmittel Elektronen aufnimmt. Dass ein Produkt eine Base ist, bestimmt nicht den Reaktionstyp.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Pro: Ein gemeinsames Prinzip erleichtert das Lernen — Donator, Akzeptor und korrespondierende Paare treten in beiden Typen auf, und viele Aufgaben lassen sich mit denselben Fragen lösen.
Contra: Protonen und Elektronen sind verschiedene Teilchen; Fachbegriffe (Säure/Base, Oxidations-/Reduktionsmittel) und Erkennungsmerkmale unterscheiden sich, und Verwechslungen wie beim Natrium in Wasser liegen nahe.
Fazit: Der Oberbegriff ist sinnvoll, wenn zugleich immer angegeben wird, welches Teilchen übertragen wird.