Selbsttönende Brillengläser
AFB I–IISelbsttönende Brillengläser enthalten fein verteilte Silberchlorid-Kristalle im Glas. Unter UV-Licht bilden sich Silberatome, das Glas dunkelt ab; im Schatten hellt es wieder auf. Die Chloratome können das Glas nicht verlassen. Eine Gruppe misst die Lichtdurchlässigkeit (Transmission) eines Glases:
| t in min | Bedingung | Transmission in % |
|---|---|---|
| 0 | Sonne | 88 |
| 1 | Sonne | 42 |
| 2 | Sonne | 27 |
| 5 | Sonne, dann Schatten | 22 |
| 10 | Schatten | 55 |
| 15 | Schatten | 74 |
| 25 | Schatten | 86 |
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für das Abdunkeln und kennzeichnen Sie Hin- und Rückreaktion.
- Beschreiben Sie den Verlauf der Messwerte.
- Erklären Sie, warum sich das Glas beliebig oft verdunkeln lässt, ein belichtetes Schwarz-Weiß-Fotopapier dagegen nicht.
- Beurteilen Sie die Beobachtung, dass die Gläser hinter der Windschutzscheibe eines Autos kaum dunkeln.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{AgCl <=> Ag + Cl}\). Hinreaktion (unter UV-Licht): Bildung von Silberatomen, das Glas dunkelt. Rückreaktion (im Schatten): Silber und Chlor bilden wieder AgCl, das Glas hellt auf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
In der Sonne sinkt die Transmission rasch von 88 % auf 22 % (nach 5 min), die Abnahme wird immer langsamer. Im Schatten steigt sie wieder an und erreicht nach 25 min mit 86 % fast den Ausgangswert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Im Glas liegt ein geschlossenes System vor: Die Chloratome sind im Glas eingeschlossen und stehen für die Rückreaktion zur Verfügung. Beim Fotopapier werden die Halogenatome von der Gelatine gebunden bzw. beim Entwickeln/Fixieren entfernt — die Rückreaktion fehlt der Partner.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Windschutzscheiben absorbieren den größten Teil der UV-Strahlung. Die Hinreaktion wird dann kaum angetrieben, während die Rückreaktion weiterläuft — das Glas bleibt hell. Für Autofahrer sind solche Gläser daher als Sonnenschutz ungeeignet.
Wie ein Tropfstein wächst
AFB II–IIIRegenwasser nimmt im Boden viel Kohlenstoffdioxid auf und löst auf dem Weg durch Kalkgestein Calciumcarbonat: \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O}\) \(\ce{<=> Ca^2+ + 2 HCO3^-}\). In der Höhle tropft das Wasser von der Decke, gibt CO₂ an die Höhlenluft ab, und Kalk scheidet sich ab.
| Messgröße | Bodenluft | Höhlenluft |
|---|---|---|
| CO₂-Anteil in % | 3,0 | 0,1 |
| c(Ca²⁺) im Wasser in mmol/L | 2,5 (beim Eintritt) | 1,9 (nach dem Abtropfen) |
An einer Tropfstelle fallen pro Tag 0,50 L Wasser. \(M(\ce{CaCO3}) = 100\,\text{g/mol}\).
- Erläutern Sie, welche Richtung der Reaktion im Boden und welche in der Höhle abläuft.
- Berechnen Sie die Masse Calciumcarbonat, die sich an der Tropfstelle in einem Jahr (365 d) abscheidet.
- Begründen Sie, warum sich nicht das gesamte gelöste Calcium abscheidet.
- Beurteilen Sie die Folgen, wenn viele Besucher die CO₂-Konzentration in der Höhlenluft deutlich erhöhen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Im Boden (viel CO₂) läuft die Hinreaktion: Kalk wird gelöst. In der Höhle gibt das Wasser CO₂ an die CO₂-arme Luft ab; es läuft die Rückreaktion \(\ce{Ca^2+ + 2 HCO3^-}\) \(\ce{-> CaCO3 + CO2 + H2O}\), Kalk scheidet sich ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\Delta c = 2{,}5 - 1{,}9 = 0{,}6\,\text{mmol/L}\); \(V = 365 \cdot 0{,}50\,\text{L} = 182{,}5\,\text{L}\); \(n = 0{,}6\,\text{mmol/L} \cdot 182{,}5\,\text{L} \approx 110\,\text{mmol}\); \(m = 0{,}110\,\text{mol} \cdot 100\,\text{g/mol} \approx 11\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Der Tropfen hängt nur kurz; CO₂ entweicht nicht vollständig, und im Wasser bleiben CO₂, Ca²⁺ und HCO₃⁻ nebeneinander — Hin- und Rückreaktion laufen beide, es bleibt ein Gemisch. Erst ein vollständiges Entweichen von CO₂ (offenes System) würde die Rückreaktion vollständig ablaufen lassen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Das Tropfwasser gibt weniger CO₂ ab, es scheidet sich weniger Kalk ab; bei hohem CO₂-Anteil kann sogar die Hinreaktion wieder überwiegen und Tropfsteine anlösen. Schauhöhlen begrenzen daher Besucherzahlen und belüften.