Der Springbrunnenversuch
AFB I–IIEin trockener Rundkolben wird mit Chlorwasserstoff-Gas gefüllt, mit einem Stopfen verschlossen und umgedreht. Durch den Stopfen führt ein Glasrohr in ein Becherglas mit Wasser, dem grüner Universalindikator zugesetzt ist. Spritzt man einige Tropfen Wasser in den Kolben, schießt das Wasser aus dem Becherglas wie ein Springbrunnen nach oben und färbt sich dabei rot. Die entstandene Lösung leitet den elektrischen Strom gut — reines Wasser und trockenes HCl-Gas leiten dagegen kaum.
- Nenne die Teilchen, die in der roten Lösung außer Wassermolekülen vorliegen.
- Stelle die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Chlorwasserstoff mit Wasser mit Lewis-Formeln auf und kennzeichne den Protonendonator.
- Erkläre auf Teilchenebene, warum das Wasser in den Kolben hineinschießt.
- Deute die Ergebnisse der Leitfähigkeitsprüfung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Oxonium-Ionen \(\mathrm{H_3O^+}\) und Chlorid-Ionen \(\mathrm{Cl^-}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\mathrm{H{-}\overline{\underline{Cl}}| + H{-}\overline{O}{-}H \longrightarrow [H_3O]^+ + [|\overline{\underline{Cl}}|]^-}\) — in der Lewis-Formel des Oxonium-Ions trägt das O-Atom drei Bindungen und ein freies Elektronenpaar, das Chlorid-Ion vier freie Elektronenpaare.
Protonendonator ist das HCl-Molekül: Es gibt das Proton \(\mathrm{H^+}\) an das Wassermolekül ab, das es über ein freies Elektronenpaar des O-Atoms bindet.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die eingespritzten Tropfen reagieren sofort mit vielen HCl-Molekülen. Aus Gasteilchen werden gelöste Ionen, die kaum Platz beanspruchen — die Zahl der Gasteilchen im Kolben sinkt stark.
Dadurch entsteht im Kolben ein Unterdruck. Der äußere Luftdruck drückt das Wasser aus dem Becherglas durch das Rohr nach oben; dort reagiert es mit weiterem HCl-Gas, bis der Kolben fast voll ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Reines Wasser enthält praktisch keine Ionen, HCl-Gas besteht aus neutralen Molekülen — beide leiten kaum. In der Lösung liegen dagegen frei bewegliche \(\mathrm{H_3O^+}\)- und \(\mathrm{Cl^-}\)-Ionen vor.
Die gute Leitfähigkeit belegt also, dass bei der Reaktion Ionen entstanden sind — ein Beleg für den Protonenübergang und damit für die Deutung als Säure-Reaktion.
Kohlensäure im Mineralwasser
AFB II–IIIMineralwasser „mit Kohlensäure“ enthält gelöstes Kohlenstoffdioxid. Ein kleiner Teil davon reagiert mit Wasser zu Kohlensäure: \(\mathrm{CO_2 + H_2O \longrightarrow H_2CO_3}\). Universalindikator färbt sprudelndes Mineralwasser orange-gelb; lässt man die Flasche offen stehen, bis kein Gas mehr entweicht, wird die Färbung grünlich. Kohlensäure kann — wie Schwefelsäure — zwei Protonen abgeben.
- Stelle die beiden Stufen der Protonenabgabe der Kohlensäure an Wasser mit Reaktionsgleichungen dar.
- Erläutere anhand der Lewis-Formel, warum gerade die beiden H-Atome der Kohlensäure als Protonen abgegeben werden können.
- Vergleiche das Hydrogencarbonat-Ion \(\mathrm{HCO_3^-}\) mit dem Chlorid-Ion \(\mathrm{Cl^-}\) hinsichtlich ihrer Fähigkeit, als Protonendonator zu reagieren.
- Ein Getränkehersteller wirbt: „Unser Wasser enthält keine Säure — nur natürliche Kohlensäure.“ Beurteile diese Aussage mithilfe der Beobachtungen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
1. Stufe: \(\mathrm{H_2CO_3 + H_2O \longrightarrow H_3O^+ + HCO_3^-}\)
2. Stufe: \(\mathrm{HCO_3^- + H_2O \longrightarrow H_3O^+ + CO_3^{2-}}\) (Hydrogencarbonat-Ion → Carbonat-Ion)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Beide H-Atome sind an O-Atome gebunden. Wegen \(\Delta EN = 3{,}44-2{,}20 = 1{,}24\) ist die O–H-Bindung stark polar, das H-Atom trägt eine deutliche positive Teilladung \(\delta^+\).
Ein freies Elektronenpaar eines Wassermoleküls kann dieses Proton binden; das bindende Elektronenpaar bleibt am O-Atom der Kohlensäure zurück. H-Atome an C-Atomen (in anderen Molekülen) wären dafür kaum polar genug — die Kohlensäure hat aber gar keine.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Gemeinsamkeit: Beide sind einfach negativ geladene Säurerest-Ionen (von Kohlensäure bzw. Salzsäure).
Unterschied: \(\mathrm{HCO_3^-}\) besitzt noch ein an O gebundenes H-Atom und kann es als Proton abgeben (2. Stufe) — es ist selbst ein Protonendonator. \(\mathrm{Cl^-}\) hat kein H-Atom mehr und kann kein Proton abgeben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist fachlich falsch: Kohlensäure ist eine Säure, sie gibt Protonen an Wasser ab. Die orange-gelbe Färbung des Indikators zeigt Oxonium-Ionen an, die Lösung ist also schwach sauer.
Richtig ist nur, dass sie schwach sauer ist und dass die Säure beim Entweichen des \(\mathrm{CO_2}\) verschwindet (Färbung wird grünlich). Werbetechnisch soll „keine Säure“ harmlos klingen; korrekt wäre „enthält nur schwache, flüchtige Kohlensäure“.