Granulat im Rohrreiniger
AFB I–IIEin fester Rohrreiniger enthält Natriumhydroxid-Plätzchen und Aluminium-Körnchen. Mit Wasser in den Abfluss gegeben, sprudelt es kräftig; das Gas lockert Verstopfungen:
\(\ce{2 Al + 2 OH- + 6 H2O}\) \(\ce{-> 2 [Al(OH)4]- + 3 H2}\)
Trifft der Reiniger auf Urinstein-Reste mit Ammonium-Ionen, riecht es stechend nach Ammoniak. \(M(\ce{Al}) = 26{,}98\,\text{g/mol}\), \(V_m = 24\,\text{L/mol}\) (20 °C).
- Bestimmen Sie die Oxidationszahlen in der Gasbildungsreaktion und nennen Sie Elektronendonator und Elektronenakzeptor.
- Stellen Sie die Teilgleichungen für Oxidation und Reduktion in alkalischer Lösung auf.
- Berechnen Sie das Gasvolumen, das 1,35 g Aluminium bei 20 °C liefern.
- Erklären Sie den Ammoniakgeruch mit dem Donator-Akzeptor-Prinzip und vergleichen Sie mit der Gasbildung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Al: 0 → +III (in [Al(OH)₄]⁻); H in H₂O: +I → 0 (in H₂); O bleibt −II. Elektronendonator (Reduktionsmittel): Aluminium; Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel): Wasser bzw. dessen H-Atome.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Oxidation: \(\ce{Al + 4 OH- -> [Al(OH)4]- + 3 e-}\) (·2); Reduktion: \(\ce{2 H2O + 2 e- -> H2 + 2 OH-}\) (·3). Summe: \(\ce{2 Al + 8 OH- + 6 H2O}\) \(\ce{-> 2 [Al(OH)4]- + 3 H2 + 6 OH-}\), gekürzt zur gegebenen Gleichung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{Al}) = 1{,}35\,\text{g} : 26{,}98\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 0{,}0500\,\text{mol}\); \(n(\ce{H2}) = \tfrac{3}{2} \cdot 0{,}0500\,\text{mol} = 0{,}0750\,\text{mol}\); \(V = 0{,}0750\,\text{mol} \cdot 24\,\tfrac{\text{L}}{\text{mol}} = 1{,}8\,\text{L}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(\ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}\): NH₄⁺ ist Protonendonator (Säure), OH⁻ Protonenakzeptor (Base); Paare NH₄⁺/NH₃ und H₂O/OH⁻, alle OZ bleiben gleich. Bei der Gasbildung werden dagegen Elektronen übertragen (Redoxreaktion). Beide Reaktionen folgen dem Donator-Akzeptor-Prinzip, unterscheiden sich aber im übertragenen Teilchen.
Schwefeldioxid im Wein
AFB II–IIIWein wird „geschwefelt“: Zugesetztes Schwefeldioxid (E 220) schützt vor Oxidation durch Luftsauerstoff. In Wasser bildet sich schweflige Säure, die in zwei Stufen protolysiert:
| Größe | Wert |
|---|---|
| pH-Wert des Weins | 3,5 |
| pKs1 (H₂SO₃ / HSO₃⁻) | 1,81 |
| pKs2 (HSO₃⁻ / SO₃²⁻) | 7,2 |
| freies SO₂ (Grenzwert-Bereich) | 30–50 mg/L |
Beim Schutz vor Sauerstoff wird Hydrogensulfit zu Sulfat oxidiert.
- Formulieren Sie die Gleichung der ersten Protolysestufe und geben Sie die korrespondierenden Säure-Base-Paare an.
- Berechnen Sie das Konzentrationsverhältnis \(c(\ce{HSO3-}) : c(\ce{H2SO3})\) im Wein und begründen Sie, welches Teilchen als Antioxidans wirkt.
- Stellen Sie die Redoxgleichung für die Oxidation von Hydrogensulfit durch Sauerstoff auf und nennen Sie die Redoxpaare.
- Beurteilen Sie die Aussage „Schwefeldioxid wirkt im Wein zugleich als Säure und als Antioxidans“ mithilfe des Donator-Akzeptor-Prinzips.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{H2SO3 + H2O}\) \(\ce{<=> HSO3- + H3O+}\); Paare: H₂SO₃/HSO₃⁻ und H₃O⁺/H₂O.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\lg\tfrac{c(\ce{HSO3-})}{c(\ce{H2SO3})} = \text{pH} - \text{p}K_{s1} = 3{,}5 - 1{,}81 = 1{,}69\) ⇒ Verhältnis ≈ 49 : 1. Da pH ≪ pKs2, liegt kaum SO₃²⁻ vor: Das wirksame Teilchen ist überwiegend HSO₃⁻.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Oxidation: \(\ce{HSO3- + H2O}\) \(\ce{-> SO4^2- + 3 H+ + 2 e-}\) (·2); Reduktion: \(\ce{O2 + 4 H+ + 4 e-}\) \(\ce{-> 2 H2O}\). Gesamt: \(\ce{2 HSO3- + O2 -> 2 SO4^2- + 2 H+}\). Redoxpaare: SO₄²⁻/HSO₃⁻ und O₂/H₂O.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zutreffend: Als H₂SO₃/HSO₃⁻ ist es Protonendonator (Säure, senkt den pH), als HSO₃⁻ zugleich Elektronendonator (Reduktionsmittel), der O₂ abfängt, bevor Weininhaltsstoffe oxidiert werden. In beiden Rollen ist es Donator. Die Redoxreaktion setzt zusätzlich H⁺ frei — Oxidation und Säurewirkung sind hier gekoppelt; aufgebrauchtes SO₂ muss nachdosiert werden.