Rote Farbe unter Zwang
AFB I–IIEisen(III)-Ionen bilden mit Thiocyanat-Ionen ein tiefrotes Komplex-Ion: \(\ce{Fe^3+ + SCN-} \rightleftharpoons \ce{[Fe(SCN)]^2+}\). Eine verdünnte, orangerote Gleichgewichtslösung wird auf fünf Reagenzgläser verteilt:
| Glas | Zugabe zu 5 mL Lösung | Beobachtung |
|---|---|---|
| 1 | — | orangerot (Vergleich) |
| 2 | 2 Tropfen FeCl₃-Lösung | tiefrot |
| 3 | 2 Tropfen KSCN-Lösung | tiefrot |
| 4 | eine Spatelspitze NaF | fast farblos |
| 5 | 5 mL Wasser | deutlich heller, auch im Vergleich zu einer 1 : 1 verdünnten Farbstofflösung |
Fluorid-Ionen bilden mit Fe³⁺ das farblose Komplex-Ion [FeF₆]³⁻.
- Formulieren Sie das MWG und geben Sie die Einheit von \(K_c\) an.
- Erklären Sie die Beobachtungen in Glas 2 und 3.
- Deuten Sie die Beobachtung in Glas 4.
- Begründen Sie, warum Glas 5 heller ist, als es allein durch das Verdünnen zu erwarten wäre.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(K_c = \dfrac{c(\ce{[Fe(SCN)]^2+})}{c(\ce{Fe^3+}) \cdot c(\ce{SCN-})}\), Einheit L/mol.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zugabe von Fe³⁺ bzw. SCN⁻ vergrößert den Nenner: \(Q < K\). Die Hinreaktion überwiegt, es bildet sich mehr roter Komplex, bis wieder \(Q = K\) — die Lösung wird tiefrot.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
F⁻ bindet Fe³⁺ zu farblosem [FeF₆]³⁻ und entzieht es dem Gleichgewicht: \(Q > K\), die Rückreaktion überwiegt, der rote Komplex zerfällt fast vollständig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Halbieren aller Konzentrationen: \(Q = \dfrac{c/2}{(c/2)(c/2)} = 2 K\), also \(Q > K\). Die Rückreaktion überwiegt, zusätzlich zerfällt Komplex — die Farbe nimmt stärker ab als durch den Verdünnungsfaktor 2 allein (Seite mit mehr gelösten Teilchen wird begünstigt).
Kohlenstoffmonoxid im Blut
AFB II–IIIKohlenstoffmonoxid verdrängt Sauerstoff vom Hämoglobin: \(\ce{HbO2 + CO} \rightleftharpoons \ce{HbCO + O2}\). Bezogen auf die Volumenanteile in der Atemluft gilt \(K \approx 210\). Ab etwa 50 % HbCO besteht Lebensgefahr. Luft enthält 21 % O₂; Rettungskräfte beatmen mit reinem Sauerstoff, in Spezialzentren sogar in Druckkammern (Sauerstoff mit 3 bar, entspricht einem O₂-Anteil von „300 %“ bei Normaldruck).
- Stellen Sie das MWG auf und deuten Sie den Wert von \(K\).
- Berechnen Sie das Verhältnis HbCO : HbO₂ in Luft mit 0,10 % CO.
- Erläutern Sie mit dem Prinzip von Le Chatelier, warum reiner Sauerstoff hilft, und berechnen Sie den HbCO-Anteil bei einem Rest von 0,010 % CO in Luft bzw. in reinem O₂.
- Beurteilen Sie den Nutzen der Druckkammer gegenüber reinem Sauerstoff bei Normaldruck.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(K = \dfrac{c(\ce{HbCO}) \cdot c(\ce{O2})}{c(\ce{HbO2}) \cdot c(\ce{CO})} \approx 210\): Das Gleichgewicht liegt rechts — Hämoglobin bindet CO rund 210-mal stärker als O₂.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\dfrac{c(\ce{HbCO})}{c(\ce{HbO2})} = K \cdot \dfrac{c(\ce{CO})}{c(\ce{O2})} = 210 \cdot \dfrac{0{,}10\,\%}{21\,\%} = 1{,}0\) — die Hälfte des Hämoglobins ist blockiert: Lebensgefahr.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Mehr O₂ vergrößert den Zähler: \(Q > K\), die Rückreaktion überwiegt, CO wird freigesetzt und abgeatmet. Luft: \(r = 210 \cdot 0{,}010/21 = 0{,}10\) ⇒ ≈ 9 % HbCO; reiner O₂: \(r = 210 \cdot 0{,}010/100 = 0{,}021\) ⇒ ≈ 2 % HbCO.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
In der Druckkammer: \(r = 210 \cdot 0{,}010/300 = 0{,}007\) ⇒ ≈ 0,7 % HbCO; der Zwang ist dreimal so groß, CO wird schneller und vollständiger verdrängt, zudem löst sich mehr O₂ direkt im Blut. Nachteile: Aufwand, wenige Zentren, Transportzeit, Risiken des Überdrucks. Sinnvoll bei schweren Vergiftungen; für leichte Fälle reicht reiner O₂ bei Normaldruck.