Salmiakring im Glasrohr
AFB I–IIIn 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.
- Erstelle die Reaktionsgleichung der beiden Gase nach dem Schema Säure 1 + Base 2 → Base 1 + Säure 2.
- Bestimme die beiden korrespondierenden Säure-Base-Paare dieser Reaktion.
- Ordne die Reaktion in den Säure-Base-Begriff nach Brønsted ein, obwohl kein Wasser beteiligt ist.
- 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)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
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.
Mittel gegen Sodbrennen
AFB II–IIIBei 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.
- Weise mit zwei Reaktionsgleichungen nach, dass das Hydrogencarbonat-Ion ein Ampholyt ist.
- Werte die Angaben aus: Wie viel Milliliter Magensaft kann eine Natron-Tablette höchstens „entsäuern“, wenn jedes \(\mathrm{HCO_3^-}\) ein Proton aufnimmt?
- Diskutiere Vor- und Nachteile von Natron und Magnesiumhydroxid als Mittel gegen Sodbrennen.
- Jemand behauptet: „Ein großes Glas Wasser neutralisiert die Magensäure — Wasser ist ja auch eine Base.“ Nimm dazu Stellung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
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.
