Der Airbag
AFB I–IIIn älteren Airbags zündet ein elektrischer Impuls eine Tablette aus Natriumazid \(\ce{NaN3}\) und Kaliumnitrat. Innerhalb von etwa 30 ms entstehen rund 60 L Stickstoff, die den Luftsack füllen.
| Schritt | Reaktion |
|---|---|
| Zündung | \(\ce{2 NaN3 -> 2 Na + 3 N2}\) |
| Nachreaktion | \(\ce{10 Na + 2 KNO3 -> K2O + 5 Na2O + N2}\) |
- Bestimmen Sie die Oxidationszahlen aller Atome in \(\ce{NaN3}\), \(\ce{KNO3}\), \(\ce{N2}\) und \(\ce{Na2O}\).
- Erläutern Sie, dass die Zündreaktion eine Redoxreaktion ist, und nennen Sie Oxidation und Reduktion.
- Zeigen Sie mithilfe der Oxidationszahlen, dass in der Nachreaktion die Elektronenbilanz ausgeglichen ist.
- Beurteilen Sie, warum die Nachreaktion für die Sicherheit der Insassen notwendig ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{NaN3}\): Na +I, N im Mittel \(-\tfrac{1}{3}\); \(\ce{KNO3}\): K +I, N +V, O −II; \(\ce{N2}\): N 0; \(\ce{Na2O}\): Na +I, O −II.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Na: +I → 0 (Reduktion, Na⁺ nimmt 1 e⁻ auf). N: \(-\tfrac{1}{3}\) → 0 (Oxidation). Pro 2 NaN₃ werden 2 Elektronen vom Azid auf Na⁺ übertragen — beide Vorgänge laufen gekoppelt ab, also Redoxreaktion.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
10 Na: 0 → +I, abgegeben 10 e⁻. 2 N: +V → 0, aufgenommen 2 · 5 = 10 e⁻. K und O ändern ihre OZ nicht. Abgabe = Aufnahme = 10 e⁻.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Ohne Nachreaktion bliebe elementares Natrium zurück, das mit Luftfeuchtigkeit heftig zu Natronlauge und Wasserstoff reagiert (Verätzung, Brandgefahr). Kaliumnitrat oxidiert Na zu Na₂O und liefert zusätzlich N₂. Die Oxide werden anschließend meist mit SiO₂ zu Silikaten gebunden. Die Nachreaktion ist daher sicherheitsrelevant.
Stickstoff in der Kläranlage
AFB II–IIIKommunales Abwasser enthält Ammonium-Ionen. Klassisch werden sie in zwei Stufen zu Stickstoff umgesetzt. Neuere Anlagen nutzen Bakterien, die Ammonium direkt mit Nitrit umsetzen (Anammox). Dafür muss nur ein Teil des Ammoniums vorher zu Nitrit oxidiert werden.
| Stufe | Reaktion (vereinfacht) |
|---|---|
| Nitrifikation (belüftetes Becken) | \(\ce{NH4+ + 2 O2 -> NO3- + 2 H+ + H2O}\) |
| Denitrifikation (Methanol-Zugabe) | \(\ce{6 NO3- + 5 CH3OH -> 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH-}\) |
| Anammox-Verfahren | \(\ce{NH4+ + NO2- -> N2 + 2 H2O}\) |
- Geben Sie die Oxidationszahl des Stickstoffs in allen Stickstoff-Teilchen der Tabelle an.
- Erläutern Sie anhand der Oxidationszahlen, warum pro Ammonium-Ion genau zwei Sauerstoff-Moleküle nötig sind.
- Zeigen Sie, dass das Stoffmengenverhältnis 6 : 5 von Nitrat und Methanol bei der Denitrifikation aus der Elektronenbilanz folgt.
- Beurteilen Sie das Anammox-Verfahren im Vergleich zum klassischen Weg hinsichtlich Sauerstoff- und Methanolbedarf. Begründen Sie mit Elektronenbilanzen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{NH4+}\): −III; \(\ce{NO2-}\): +III; \(\ce{NO3-}\): +V; \(\ce{N2}\): 0.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
N: −III → +V, also 8 e⁻ abgegeben. O im O₂: 0 → −II, jedes O₂ nimmt 4 e⁻ auf. 8 e⁻ : 4 e⁻ = 2 O₂ pro NH₄⁺.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
C: −II (CH₃OH) → +IV (CO₂): 6 e⁻ abgegeben pro Methanol. N: +V → 0: 5 e⁻ aufgenommen pro Nitrat. Gleichheit: 6 · 5 = 5 · 6 = 30 e⁻ ⇒ 6 NO₃⁻ : 5 CH₃OH.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Anammox ist eine Komproportionierung (−III und +III → 0), braucht keinen Methanol. Für 2 N-Atome: klassisch 2 · 2 = 4 O₂ plus Methanol. Anammox: nur ein NH₄⁺ zu NO₂⁻ (−III → +III, 6 e⁻ = 1,5 O₂). Sauerstoffbedarf sinkt um über 60 %, Belüftung (Energie) und Methanol-Kosten sinken, weniger CO₂-Ausstoß — ökologisch und ökonomisch deutlich günstiger; Nachteil: langsam wachsende Bakterien.