Hirschhornsalz im Lebkuchen
AFB I–IIHirschhornsalz (Ammoniumhydrogencarbonat, NH₄HCO₃, \(M = 79{,}06\) g/mol) ist ein Triebmittel für flache Gebäcke. Beim Backen zerfällt es vollständig in drei Gase: \(\ce{NH4HCO3 -> NH3 + CO2 + H2O}\). Der erste Schritt ist ein Protonenübergang im Feststoff: \(\ce{NH4+ + HCO3- -> NH3 + H2CO3}\); anschließend zerfällt H₂CO₃ in CO₂ und H₂O. Eine Gruppe misst das Gasvolumen bei 180 °C und 1013 hPa:
| m(Hirschhornsalz) in g | 0,79 | 1,58 | 3,16 |
|---|---|---|---|
| V(Gas) bei 180 °C in L | 1,1 | 2,2 | 4,5 |
- Nennen Sie im Protonenübergang Säure und Base und begründen Sie Ihre Zuordnung.
- Erklären Sie mithilfe der Lewis-Formeln, warum HCO₃⁻ ein Proton binden kann, NH₄⁺ dagegen nicht.
- Berechnen Sie das Gasvolumen aus 1,58 g Hirschhornsalz bei 180 °C (\(V_m = 37{,}2\) L/mol) und vergleichen Sie mit dem Messwert.
- Beurteilen Sie, ob sich diese Reaktion mit dem Arrhenius-Konzept (Säure bildet H⁺, Base bildet OH⁻ in Wasser) beschreiben lässt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
NH₄⁺ gibt ein Proton ab → Säure (Protonendonator); HCO₃⁻ nimmt es auf → Base (Protonenakzeptor). Aus NH₄⁺ wird NH₃, aus HCO₃⁻ wird H₂CO₃.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die O-Atome im HCO₃⁻ besitzen freie Elektronenpaare, aus denen die neue O–H-Bindung entsteht. Das N-Atom im NH₄⁺ ist mit vier Bindungen abgesättigt und hat kein freies Elektronenpaar mehr — es kann nur noch abgeben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n = \tfrac{1{,}58\,\text{g}}{79{,}06\,\text{g/mol}} = 0{,}0200\,\text{mol}\); \(n(\text{Gas}) = 3 \cdot 0{,}0200\,\text{mol} = 0{,}0600\,\text{mol}\); \(V = 0{,}0600\,\text{mol} \cdot 37{,}2\,\tfrac{\text{L}}{\text{mol}} \approx 2{,}2\,\text{L}\). Stimmt mit dem Messwert überein; die Tabelle zeigt V ∼ m.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Nein: Die Reaktion läuft im Feststoff ohne Lösungsmittel; es entstehen weder H⁺(aq) noch OH⁻. Nach Brønsted ist sie trotzdem eine Säure-Base-Reaktion, weil ein Proton von NH₄⁺ auf HCO₃⁻ übergeht. Das Brønsted-Konzept ist daher allgemeiner.
Leitet reine Essigsäure?
AFB II–IIIReine Essigsäure („Eisessig“) wird schrittweise mit destilliertem Wasser verdünnt. Nach jedem Schritt wird die elektrische Leitfähigkeit κ bei 20 °C gemessen (Schülermesswerte, gerundet):
| w(Essigsäure) in % | 100 | 80 | 50 | 20 | 5 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| κ in mS/cm | 0,00 | 0,15 | 0,90 | 1,60 | 1,20 | 0,60 |
- Beschreiben Sie den Verlauf der Messwerte.
- Erklären Sie den Anstieg mit dem Brønsted-Konzept und formulieren Sie die Reaktionsgleichung.
- Erläutern Sie, warum κ bei starker Verdünnung wieder sinkt, obwohl sich das Gleichgewicht weiter nach rechts verschiebt.
- Beurteilen Sie die Aussage „Essigsäure ist immer eine Säure“ aus Sicht von Brønsted.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Reine Essigsäure leitet praktisch nicht. Mit zunehmendem Wasseranteil steigt κ bis zu einem Maximum bei etwa 20 % Essigsäure an und fällt bei weiterer Verdünnung wieder ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Leitfähigkeit braucht Ionen. In reiner Essigsäure fehlt eine geeignete Base; erst Wassermoleküle nehmen Protonen auf: \(\ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}\). Mehr Wasser → mehr Protolyse → mehr Ionen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Durch Wasserzugabe verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts (Le Chatelier, größerer Anteil protolysierter Moleküle). Gleichzeitig sinkt die Gesamtkonzentration an Essigsäure stark; die Ionenkonzentration pro Volumen und damit κ nimmt ab. Am Maximum halten sich beide Effekte die Waage.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Nach Brønsted ist ein Teilchen nur dann Säure, wenn es in einer Reaktion ein Proton abgibt. Ohne Base (reiner Eisessig) findet kaum ein Protonenübergang statt. Die Aussage ist daher verkürzt: CH₃COOH ist ein möglicher Protonendonator — die Säurerolle zeigt sich erst gegenüber einem Akzeptor wie H₂O.