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Textaufgaben: Säure-Base-Reaktionen

Zwei Sachaufgaben vom Salmiakring im Glasrohr bis zur Tablette gegen Sodbrennen.

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Salmiakring im Glasrohr

AFB I–II

In ein 50 cm langes Glasrohr steckt man gleichzeitig links einen Wattebausch mit konzentrierter Salzsäure und rechts einen mit konzentriertem Ammoniakwasser. Aus beiden entweichen Gase: Chlorwasserstoff und Ammoniak. Nach einigen Minuten bildet sich im Rohr ein weißer Ring aus feinem Feststoff, dem Salz Ammoniumchlorid (Salmiak) — 20 cm vom linken und 30 cm vom rechten Ende entfernt.

Versuch im Glasrohr
Watte mitSalzsäure Watte mitAmmoniakwasser weißer Ring 20 cm30 cm
Die beiden Gase wandern aufeinander zu; wo sie sich treffen, entsteht Ammoniumchlorid.
  1. Erstelle die Reaktionsgleichung der beiden Gase nach dem Schema Säure 1 + Base 2 → Base 1 + Säure 2.
  2. Bestimme die beiden korrespondierenden Säure-Base-Paare dieser Reaktion.
  3. Ordne die Reaktion in den Säure-Base-Begriff nach Brønsted ein, obwohl kein Wasser beteiligt ist.
  4. Stelle eine begründete Vermutung auf, warum sich der Ring näher an der Salzsäure bildet (molare Massen: HCl 36,5 g/mol, NH₃ 17 g/mol).

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Welches Gas ist Protonendonator, welches Akzeptor? Die Produkt-Ionen bilden das Salz.Erstellen: in der geforderten Darstellungsform vollständig anfertigen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Ein Paar unterscheidet sich um genau ein H⁺ — je eine Säure links und ihre Base rechts.
Hinweis zu Aufgabe c)
Wie lautet Brønsteds Definition — kommt darin Wasser vor?
Hinweis zu Aufgabe d)
Beide Gase bewegen sich aufeinander zu. Welches Teilchen ist leichter und damit bei gleicher Temperatur schneller?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(\mathrm{HCl + NH_3 \longrightarrow Cl^- + NH_4^+}\) (Säure 1 + Base 2 → Base 1 + Säure 2). Die Ionen lagern sich zum festen Salz \(\mathrm{NH_4Cl}\) zusammen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Paar 1: \(\mathrm{HCl/Cl^-}\), Paar 2: \(\mathrm{NH_4^+/NH_3}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Nach Brønsted ist eine Säure ein Protonendonator, eine Base ein Protonenakzeptor — Wasser ist dafür nicht nötig. Hier gibt HCl direkt ein Proton an das freie Elektronenpaar des N-Atoms im NH₃ ab.

Es handelt sich also um eine Säure-Base-Reaktion (Protonenübergang) in der Gasphase.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Vermutung: Ammoniak-Moleküle sind mit 17 g/mol deutlich leichter als HCl-Moleküle (36,5 g/mol). Bei gleicher Temperatur bewegen sich leichtere Teilchen schneller und legen in derselben Zeit einen längeren Weg zurück (Diffusion).

NH₃ kommt deshalb weiter voran (30 cm) als HCl (20 cm); dort, wo sich beide treffen, entsteht der Ring.

2

Mittel gegen Sodbrennen

AFB II–III

Bei Sodbrennen steigt saurer Magensaft in die Speiseröhre. Magensaft enthält Salzsäure, grob mit \(c(\mathrm{H_3O^+}) = 0{,}1\,\mathrm{mol/L}\). Mittel gegen Sodbrennen („Antazida“) enthalten Stoffe, die Protonen aufnehmen, zum Beispiel Natron (Natriumhydrogencarbonat, \(\mathrm{NaHCO_3}\), \(M = 84\,\mathrm{g/mol}\)) oder Magnesiumhydroxid \(\mathrm{Mg(OH)_2}\). Eine Natron-Tablette enthält 0,5 g Wirkstoff. Nach der Einnahme von Natron müssen viele Menschen aufstoßen.

  1. Weise mit zwei Reaktionsgleichungen nach, dass das Hydrogencarbonat-Ion ein Ampholyt ist.
  2. Werte die Angaben aus: Wie viel Milliliter Magensaft kann eine Natron-Tablette höchstens „entsäuern“, wenn jedes \(\mathrm{HCO_3^-}\) ein Proton aufnimmt?
  3. Diskutiere Vor- und Nachteile von Natron und Magnesiumhydroxid als Mittel gegen Sodbrennen.
  4. Jemand behauptet: „Ein großes Glas Wasser neutralisiert die Magensäure — Wasser ist ja auch eine Base.“ Nimm dazu Stellung.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Ein Ampholyt reagiert mit einem Donator als Base und mit einem Akzeptor als Säure. Wähle je einen passenden Partner.Nachweisen: mit Gesetzmäßigkeiten oder logischen Schlüssen belegen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zuerst \(n = m : M\), dann \(V = n : c\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Wie viele Protonen nimmt eine Formeleinheit jeweils auf? Welches Produkt entsteht aus Natron — und woher kommt das Aufstoßen?
Hinweis zu Aufgabe d)
Unter welcher Bedingung wirkt Wasser als Base? Was geschieht mit den H₃O⁺-Ionen, wenn man Wasser zugibt?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Als Base (gegenüber Magensäure): \(\mathrm{HCO_3^- + H_3O^+ \rightleftharpoons H_2CO_3 + H_2O}\).

Als Säure (gegenüber einer Lauge): \(\mathrm{HCO_3^- + OH^- \rightleftharpoons CO_3^{2-} + H_2O}\). Da dasselbe Teilchen je nach Partner Protonen aufnimmt oder abgibt, ist es ein Ampholyt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\(n(\mathrm{NaHCO_3}) = \dfrac{0{,}5\,\mathrm{g}}{84\,\mathrm{g/mol}} \approx 0{,}00595\,\mathrm{mol}\) — so viele \(\mathrm{H_3O^+}\) können höchstens abgefangen werden.

\(V = \dfrac{n}{c} = \dfrac{0{,}00595\,\mathrm{mol}}{0{,}1\,\mathrm{mol/L}} \approx 0{,}060\,\mathrm{L} = 60\,\mathrm{mL}\) Magensaft.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Natron wirkt schnell, bildet aber Kohlensäure, die in \(\mathrm{CO_2}\) und Wasser zerfällt: Das Gas dehnt den Magen und führt zum Aufstoßen; außerdem wird Natrium aufgenommen. Eine Formeleinheit fängt nur ein Proton ab.

\(\mathrm{Mg(OH)_2}\) liefert zwei \(\mathrm{OH^-}\) pro Formeleinheit (zwei Protonen) und bildet kein Gas; es löst sich aber schlecht und wirkt langsamer. Fazit: Natron für schnelle, seltene Anwendung, Magnesiumhydroxid bei häufigerem Bedarf — beides ersetzt keinen Arztbesuch.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist nur teilweise richtig. Wasser ist ein Ampholyt und nimmt gegenüber starken Säuren Protonen auf — aber in Salzsäure ist das bereits geschehen: Die Protonen sitzen schon als \(\mathrm{H_3O^+}\) an Wassermolekülen.

Zusätzliches Wasser nimmt kein weiteres Proton auf, es verdünnt die Lösung nur; die Anzahl der \(\mathrm{H_3O^+}\)-Ionen bleibt gleich. Neutralisieren kann nur eine stärkere Base als Wasser (z. B. \(\mathrm{HCO_3^-}\), \(\mathrm{OH^-}\)). Kurzfristig lindert Wasser, weil es verdünnt und Säure aus der Speiseröhre spült.