Mineralwasser unter der Lupe
AFB I–IIMineralwasser sickert oft jahrelang durch Gestein und löst dabei Salze wie Kalkstein oder Gips (Calciumsulfat, \(\mathrm{CaSO_4}\)). Auf dem Etikett einer Flasche steht ein Auszug aus der Analyse. Obwohl ein Liter dieses Wassers mehr als 0,6 g gelöste Salze enthält, sieht es völlig klar aus.
- Nenne alle Kationen und Anionen des Etiketts mit ihrer Ionenformel.
- Zeichne im Teilchenmodell ein hydratisiertes Magnesium-Ion und ein hydratisiertes Chlorid-Ion mit je vier Wassermolekülen. Kennzeichne an einem Wassermolekül die Teilladungen.
- Der Sulfat-Anteil stammt vor allem aus Gips. Stelle die Lösungsgleichung für das Lösen von Calciumsulfat in Wasser auf.
- Erkläre, warum ein Magnesium-Ion seine Hydrathülle deutlich fester bindet als ein Natrium-Ion.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kationen: \(\mathrm{Ca^{2+}}\), \(\mathrm{Mg^{2+}}\), \(\mathrm{Na^+}\).
Anionen: \(\mathrm{HCO_3^-}\), \(\mathrm{SO_4^{2-}}\), \(\mathrm{Cl^-}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\mathrm{Mg^{2+}}\) in der Mitte, rundherum vier gewinkelte Wassermoleküle, deren O-Atome zum Ion zeigen; die H-Atome weisen nach außen.
\(\mathrm{Cl^-}\) in der Mitte (größerer Kreis), rundherum vier Wassermoleküle, die je ein H-Atom zum Ion richten. An einem Molekül: \(\delta^-\) am O-Atom, \(\delta^+\) an beiden H-Atomen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\mathrm{CaSO_4(s)}\xrightarrow{\mathrm{H_2O}}\mathrm{Ca^{2+}(aq)}+\mathrm{SO_4^{2-}(aq)}\)
Ladungsbilanz rechts: \(+2+(-2)=0\). Das Sulfat-Ion bleibt als Ganzes erhalten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Das Magnesium-Ion trägt die doppelte Ladung (+2 statt +1). Es ist außerdem kleiner, weil 12 statt 11 Protonen die gleiche Anzahl Elektronenschalen anziehen.
Doppelte Ladung auf kleinerem Raum bedeutet: Die O-Atome der Wassermoleküle kommen näher an das Ion heran und werden stärker angezogen. Die Hülle ist deshalb fester gebunden — kleine, hoch geladene Ionen werden besonders stark hydratisiert.
Ein violetter Kristall, drei Reagenzgläser
AFB II–IIIKaliumpermanganat \((\mathrm{KMnO_4})\) ist ein Salz aus farblosen \(\mathrm{K^+}\)-Ionen und violetten Permanganat-Ionen \(\mathrm{MnO_4^-}\). In drei Reagenzgläser wird je ein gleich großer Kristall gegeben, ohne zu schütteln: Glas A enthält Wasser von 20 °C, Glas B Waschbenzin (unpolar) von 20 °C, Glas C Wasser von 60 °C.
Beobachtung nach fünf Minuten: In A breiten sich vom Kristall aus violette Schlieren nach oben aus, der Kristall wird kleiner. In B bleibt der Kristall unverändert, die Flüssigkeit farblos. In C ist schon die halbe Flüssigkeit violett. Nach einem Tag ist das Wasser in A gleichmäßig violett gefärbt.
- Deute die Beobachtungen in den Gläsern A und B auf der Teilchenebene.
- Vergleiche die Vorgänge in den Gläsern A und C — sowohl den Ablauf als auch den Zustand nach einem Tag.
- Entwickle ein Experiment, mit dem sich zeigen lässt, dass die Flüssigkeit in Glas A nach einem Tag frei bewegliche Ionen enthält, die in Glas B fehlen.
- Ein Mitschüler meint: „In Glas A ist das Kaliumpermanganat verschwunden, es wurde vom Wasser zerstört.“ Beurteile diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
A: Die Wassermoleküle sind Dipole. Sie richten sich an den Ionen der Kristalloberfläche aus (O-Seite zu \(\mathrm{K^+}\), H-Seite zu \(\mathrm{MnO_4^-}\)), ziehen die Ionen — zuerst an Ecken und Kanten — aus dem Gitter und umhüllen sie. Die hydratisierten violetten Permanganat-Ionen verteilen sich durch die Eigenbewegung der Teilchen (Diffusion): Es entstehen Schlieren, nach einem Tag ist die Farbe gleichmäßig verteilt.
B: Die Moleküle des Waschbenzins sind unpolar und tragen keine Teilladungen. Sie ziehen die Ionen nicht an; die Anziehung im Ionengitter bleibt ungestört, der Kristall löst sich nicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Gemeinsamkeit: In beiden Gläsern wird der Kristall hydratisiert und gelöst; nach einem Tag sind beide Lösungen gleichmäßig violett (gleiche Stoffmenge in gleichem Volumen, also gleiche Farbe).
Unterschied: In C läuft alles schneller ab. Bei 60 °C bewegen sich die Wassermoleküle schneller, treffen häufiger und heftiger auf den Kristall und lösen mehr Ionen pro Sekunde heraus; auch die hydratisierten Ionen verteilen sich schneller.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Leitfähigkeitsprüfung: zwei Elektroden in die Flüssigkeit tauchen, mit Spannungsquelle und Strommessgerät (oder Glühlampe) in Reihe schalten. Nacheinander gleich tief und mit gleichem Elektrodenabstand messen: destilliertes Wasser (Vergleichsprobe), Lösung aus A, Flüssigkeit aus B; Elektroden zwischendurch spülen.
Erwartung: Nur die Lösung aus A zeigt einen deutlichen Strom. Destilliertes Wasser und Waschbenzin leiten praktisch nicht — der Strom in A muss also von den gelösten, frei beweglichen Ionen stammen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist falsch. Das Kaliumpermanganat ist nicht zerstört, sondern in hydratisierte Ionen zerlegt: \(\mathrm{KMnO_4(s)}\xrightarrow{\mathrm{H_2O}}\mathrm{K^+(aq)}+\mathrm{MnO_4^-(aq)}\). Beleg: Die violette Farbe der Permanganat-Ionen ist im ganzen Glas vorhanden.
Verdunstet man das Wasser, bleiben wieder violette Kristalle zurück. „Verschwunden“ ist nur der sichtbare Kristall — die Ionen sind vollständig erhalten, nur fein verteilt.