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Textaufgaben: Basen als Protonenakzeptoren

Zwei Sachaufgaben vom Gartenbeet bis zur Fischküche.

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1

Branntkalk für den Garten

AFB I–II

Gartenböden versauern mit der Zeit. Viele Gärtner streuen deshalb im Herbst Branntkalk (Calciumoxid, CaO) aus. Branntkalk ist ein weißes Salz; im feuchten Boden reagiert er mit Wasser, der Boden wird dabei alkalischer. Auf der Packung steht: „Schutzbrille tragen — reagiert mit Wasser stark ätzend.“

  1. Gib die Formeln der Ionen an, aus denen Branntkalk aufgebaut ist.
  2. Beschreibe die Reaktion des Oxid-Ions mit einem Wassermolekül mithilfe von Lewis-Formeln.
  3. Begründe, dass das Calcium-Ion bei dieser Reaktion nicht als Base wirkt.
  4. Ein Beet wird mit 5,6 g Branntkalk bestreut (\(M(\mathrm{CaO}) = 56\,\mathrm{g/mol}\)). Ermittle die Stoffmenge an Hydroxid-Ionen, die daraus höchstens entstehen kann.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Calciumoxid ist ein Salz aus einem Metall und einem Nichtmetall — Ladungen aus der Stellung im PSE.Angeben: ohne Erläuterung aufzählen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Das Oxid-Ion hat vier freie Elektronenpaare. Welches Teilchen gibt das Proton ab, welches nimmt es auf, und was entsteht?
Hinweis zu Aufgabe c)
Was braucht ein Teilchen, um ein Proton zu binden? Wie wirkt die Ladung des Ca²⁺-Ions auf ein Proton?
Hinweis zu Aufgabe d)
Erst die Stoffmenge CaO berechnen: \(n = m : M\). Wie viele OH⁻ liefert eine Formeleinheit CaO?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Calcium-Ionen \(\mathrm{Ca^{2+}}\) und Oxid-Ionen \(\mathrm{O^{2-}}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Das Oxid-Ion \(\mathrm{[|\overline{\underline{O}}|]^{2-}}\) bindet mit einem seiner vier freien Elektronenpaare ein Proton aus einem Wassermolekül. Das Wassermolekül ist Protonendonator, das Oxid-Ion Protonenakzeptor (Base).

\(\mathrm{O^{2-} + H_2O \longrightarrow OH^- + OH^-}\): Aus dem Oxid-Ion wird ein Hydroxid-Ion (drei freie Paare, eine O–H-Bindung), aus dem Wassermolekül ebenfalls — es behält das Elektronenpaar der gelösten O–H-Bindung.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Eine Base braucht ein freies Elektronenpaar in der Außenschale, an das sie das Proton binden kann. Das Ca²⁺-Ion hat seine beiden Außenelektronen abgegeben und besitzt keine freien Außen-Elektronenpaare.

Außerdem ist es zweifach positiv geladen und stößt das positive Proton ab. Es bleibt bei der Reaktion unverändert (hydratisiert) in der Lösung.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

\(n(\mathrm{CaO}) = \dfrac{5{,}6\,\mathrm{g}}{56\,\mathrm{g/mol}} = 0{,}1\,\mathrm{mol}\).

Pro Formeleinheit: \(\mathrm{CaO + H_2O \longrightarrow Ca^{2+} + 2\,OH^-}\), also \(n(\mathrm{OH^-}) = 2 \cdot 0{,}1\,\mathrm{mol} = 0{,}2\,\mathrm{mol}\).

2

Fischgeruch und Zitronensaft

AFB II–III

Der typische Geruch von nicht mehr ganz frischem Fisch stammt vor allem von Trimethylamin \(\mathrm{(CH_3)_3N}\), das beim Abbau von Eiweiß entsteht. Der Stoff siedet schon bei 3 °C, seine Moleküle gelangen also leicht in die Luft. In der Küche beträufelt man Fisch mit Zitronensaft — danach riecht er deutlich weniger. Zitronensaft enthält Citronensäure, einen Protonendonator.

Lewis-Formel von Trimethylamin
N H₃CCH₃CH₃ TrimethylaminSiedetemperatur3 °Criecht nach Fisch
Das freie Elektronenpaar am Stickstoff ist blau markiert.
  1. Ordne Trimethylamin begründet einer der Rollen Protonendonator oder Protonenakzeptor zu.
  2. Zeichne die Lewis-Formel des Teilchens, das entsteht, wenn Trimethylamin ein Proton aufnimmt, und gib seine Ladung an.
  3. Interpretiere die Beobachtung, dass der Fischgeruch nach dem Beträufeln mit Zitronensaft abnimmt.
  4. Ein Mitschüler meint: „Salzwasser hilft genauso gut, denn die Na⁺-Ionen binden das Trimethylamin.“ Überprüfe diese Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Schau auf die Lewis-Formel: Hat das N-Atom ein abgebbares H oder ein freies Elektronenpaar?Zuordnen: aufgrund fachlicher Kriterien begründet zuweisen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Das Proton wird am freien Elektronenpaar gebunden: Das N-Atom hat danach vier Bindungen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Aus welcher Art von Teilchen wird ein Ion? Können Ionen ebenso leicht in die Luft gelangen wie kleine Moleküle?
Hinweis zu Aufgabe d)
Welche Voraussetzung muss ein Reaktionspartner erfüllen, damit die Base ein Proton aufnehmen kann?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Trimethylamin ist ein Protonenakzeptor (Base): Das N-Atom besitzt ein freies Elektronenpaar, an das ein Proton gebunden werden kann. Ein abgebbares H an einem stark elektronegativen Atom hat es nicht — alle H-Atome sitzen an C-Atomen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Das Trimethylammonium-Ion \(\mathrm{[(CH_3)_3NH]^+}\): N in der Mitte mit vier Bindungsstrichen (drei zu \(\mathrm{CH_3}\), einer zu H), kein freies Elektronenpaar mehr, in eckigen Klammern mit der Ladung \(+\).

\(\mathrm{(CH_3)_3N + H^+ \longrightarrow (CH_3)_3NH^+}\) — das Proton stammt aus der Citronensäure.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Citronensäure gibt Protonen ab, das Trimethylamin nimmt sie auf. Aus den flüchtigen, neutralen Molekülen werden Ionen.

Ionen werden in der wässrigen Flüssigkeit hydratisiert und von Gegen-Ionen angezogen — sie verdampfen praktisch nicht. Es gelangen deshalb kaum noch Geruchsteilchen in die Luft: Der Geruch nimmt ab, obwohl der Stoff chemisch noch da ist.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist falsch. Trimethylamin ist eine Base und braucht einen Protonendonator. \(\mathrm{Na^+}\)-Ionen besitzen kein abgebbares Proton; als positive Ionen können sie auch keine Bindung zum freien Elektronenpaar im Sinne eines Protonenübergangs eingehen.

Salzwasser spült höchstens etwas Trimethylamin ab — in Ionen umgewandelt wird es nicht. Wirksam ist nur eine Säure (Zitrone, Essig).