Das Sicherheitszündholz
AFB I–IIDer Kopf eines Sicherheitszündholzes enthält Kaliumchlorat und Schwefel, die Reibfläche der Schachtel roten Phosphor und Glaspulver. Streicht man den Kopf über die Reibfläche, reagieren winzige abgeriebene Mengen Phosphor heftig mit dem Kaliumchlorat, der Kopf flammt auf und entzündet das Holz. Bis ins 20. Jahrhundert waren „Überall-Zündhölzer“ mit weißem Phosphor im Kopf üblich.
| Stoff | Zündtemperatur |
|---|---|
| weißer Phosphor | 34 °C |
| Streichholzkopf | 180–200 °C |
| Schwefel | 250 °C |
| Fichtenholz | 280 °C |
| roter Phosphor | 300 °C |
Weißer und roter Phosphor verbrennen beide zu \(\ce{P4O10}\); roter Phosphor ist um 17,6 kJ pro mol P-Atome energieärmer als weißer.
- Erklären Sie, warum ein Zündholz an der Luft nicht von selbst brennt, obwohl seine Verbrennung exotherm ist.
- Beschreiben Sie die Aufgabe der Reibung und die Zündkette bis zum brennenden Holz.
- Skizzieren Sie in einem gemeinsamen Energiediagramm die Verbrennung von weißem und rotem Phosphor zu \(\ce{P4O10}\).
- Beurteilen Sie, warum Sicherheitszündhölzer die Überall-Zündhölzer verdrängt haben.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Verbrennung hat eine hohe Aktivierungsenergie: Bei Raumtemperatur erreichen praktisch keine Teilchen den Übergangszustand. Das System ist kinetisch gehemmt, obwohl die Produkte energieärmer sind (\(\Delta H < 0\)).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Reibung erzeugt örtlich Wärme; sie liefert die Aktivierungsenergie für die Reaktion von rotem Phosphor mit Kaliumchlorat. Diese stark exotherme Reaktion erhitzt den Kopf über seine Zündtemperatur (180–200 °C), der brennende Kopf (Schwefel, 250 °C) erhitzt schließlich das Holz über 280 °C. Jede Stufe liefert die Aktivierungsenergie für die nächste.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Gemeinsames Produkt-Niveau \(\ce{P4O10}\) ganz unten. Weißer Phosphor startet höher (um \(4\cdot 17{,}6 = 70{,}4\,\text{kJ}\) je Formelumsatz \(\ce{P4 + 5 O2}\)) und hat einen niedrigen Berg (kleine \(E_A\), Zündtemperatur 34 °C); roter Phosphor startet tiefer und hat einen deutlich höheren Berg (Zündtemperatur 300 °C). \(\Delta H\) ist für weißen Phosphor um 70,4 kJ negativer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Weißer Phosphor hat eine sehr kleine Aktivierungsenergie und entzündet sich schon bei 34 °C — Überall-Zündhölzer konnten sich durch leichte Reibung oder Wärme in der Tasche entzünden; zudem ist weißer Phosphor sehr giftig. Beim Sicherheitszündholz sind Oxidationsmittel (Kopf) und roter Phosphor (Reibfläche) getrennt, und roter Phosphor ist durch seine hohe Aktivierungsenergie kinetisch stabil: Eine Zündung ist nur beim gezielten Anreiben möglich.
Ozon in der Stratosphäre
AFB II–IIIIn 15–35 km Höhe schützt die Ozonschicht vor UV-Strahlung. Ozon wird dort ständig gebildet und abgebaut. Ein wichtiger Abbauschritt ist \(\ce{O3 + O -> 2 O2}\) mit \(E_A = 17\,\text{kJ/mol}\). Sauerstoff-Atome entstehen, wenn \(\ce{O2}\)-Moleküle UV-Licht absorbieren (\(h = 6{,}626\cdot 10^{-34}\,\text{J·s}\), \(c = 2{,}998\cdot 10^{8}\,\text{m/s}\), \(N_A = 6{,}022\cdot 10^{23}\,\text{mol}^{-1}\)).
| Stoff | O₂(g) | O₃(g) | O(g) |
|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) (kJ/mol) | 0 | +142,7 | +249,2 |
- Berechnen Sie \(\Delta_r H^\circ\) des Abbauschritts und die Aktivierungsenergie der Rückreaktion.
- Zeichnen Sie ein beschriftetes Energiediagramm des Abbauschritts.
- Erklären Sie, warum Ozon nicht über die Rückreaktion entsteht, und berechnen Sie die größte Wellenlänge, mit der UV-Licht O₂ spalten kann.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Weil die Bildungsenthalpie von Ozon positiv ist, zerfällt Ozon sofort vollständig zu Sauerstoff.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\Delta_r H^\circ = 2\cdot 0 - (142{,}7 + 249{,}2) = -391{,}9\,\text{kJ/mol}\); \(E_A(\text{rück}) = 17 + 391{,}9 = 408{,}9\,\text{kJ/mol}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Edukt-Niveau \(\ce{O3 + O}\), knapp darüber (17 kJ/mol) der Übergangszustand ‡, dann tiefer Abfall zum Produkt-Niveau \(\ce{2 O2}\) (391,9 kJ/mol unter den Edukten). Pfeile: \(E_A(\text{hin})\) von den Edukten zum Gipfel, \(E_A(\text{rück}) = 408{,}9\,\text{kJ/mol}\) von den Produkten zum Gipfel, \(\Delta H\) von Edukten zu Produkten (nach unten).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Rückreaktion \(\ce{2 O2 -> O3 + O}\) müsste 408,9 kJ/mol Aktivierungsenergie aufbringen — bei den tiefen Temperaturen der Stratosphäre praktisch unmöglich. Stattdessen spaltet UV-Licht \(\ce{O2}\): \(\Delta H = 2\cdot 249{,}2 = 498{,}4\,\text{kJ/mol}\). Pro Photon: \(E = 498{,}4\cdot 10^{3}/6{,}022\cdot 10^{23}\,\text{J} = 8{,}28\cdot 10^{-19}\,\text{J}\); \(\lambda = hc/E = 2{,}40\cdot 10^{-7}\,\text{m} = 240\,\text{nm}\). Die O-Atome bilden dann mit \(\ce{O2}\) das Ozon.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Teilweise richtig: Ozon ist energetisch instabil gegenüber \(\ce{O2}\) (\(\Delta_f H^\circ > 0\), Zerfall exotherm). „Sofort“ ist falsch: Der Zerfall muss eine Aktivierungsenergie überwinden; der Abbauschritt \(\ce{O3 + O}\) hat zwar eine kleine Aktivierungsenergie, braucht aber O-Atome, die selten sind. In der Stratosphäre stellt sich ein Fließgleichgewicht aus Bildung und Abbau ein, bodennahes Ozon hält sich Stunden bis Tage. Die Energiebilanz sagt also nichts über die Geschwindigkeit.