Säurewäscher im Schweinestall
AFB I–IIDie Abluft großer Ställe enthält Ammoniak. In einem Säurewäscher wird sie durch verdünnte Schwefelsäure geleitet; dabei entsteht Ammoniumsulfat, das als Dünger verkauft wird. Die Protonen werden in zwei Schritten übertragen: \(\ce{NH3 + H2SO4 -> NH4+ + HSO4-}\) und \(\ce{NH3 + HSO4- -> NH4+ + SO4^2-}\).
| Abluftstrom | β(NH₃) vor dem Wäscher | β(NH₃) nach dem Wäscher |
|---|---|---|
| 20 000 m³/h | 15 mg/m³ | 1,5 mg/m³ |
- Geben Sie für beide Schritte die korrespondierenden Säure-Base-Paare an.
- Erläutern Sie am Hydrogensulfat-Ion den Begriff Ampholyt.
- Berechnen Sie die Masse an Schwefelsäure, die pro Stunde verbraucht wird (\(M(\ce{NH3}) = 17{,}03\) g/mol, \(M(\ce{H2SO4}) = 98{,}08\) g/mol).
- Beurteilen Sie den Vorschlag, statt Schwefelsäure Natronlauge als Waschflüssigkeit einzusetzen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Schritt 1: H₂SO₄/HSO₄⁻ und NH₄⁺/NH₃. Schritt 2: HSO₄⁻/SO₄²⁻ und NH₄⁺/NH₃.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
HSO₄⁻ entsteht in Schritt 1 als korrespondierende Base von H₂SO₄ (in der Rückreaktion nimmt es ein Proton auf). In Schritt 2 gibt es ein Proton an NH₃ ab und reagiert als Säure. Ein Teilchen, das je nach Partner Protonen aufnimmt oder abgibt, heißt Ampholyt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(m(\ce{NH3}) = 20\,000\,\tfrac{\text{m}^3}{\text{h}} \cdot 13{,}5\,\tfrac{\text{mg}}{\text{m}^3} = 270\,\tfrac{\text{g}}{\text{h}}\); \(n(\ce{NH3}) = 15{,}9\,\tfrac{\text{mol}}{\text{h}}\); \(n(\ce{H2SO4}) = \tfrac12 n(\ce{NH3}) = 7{,}93\,\tfrac{\text{mol}}{\text{h}}\); \(m(\ce{H2SO4}) \approx 778\,\tfrac{\text{g}}{\text{h}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Ungeeignet: NH₃ reagiert als Base und braucht einen Protonendonator. OH⁻ ist selbst eine Base (Paar H₂O/OH⁻) und kann NH₃ kein Proton liefern; im Gegenteil, es würde NH₄⁺ zu NH₃ deprotonieren. Ammoniak bliebe in der Abluft.
Natron zwischen Säure und Lauge
AFB II–IIIJe 0,84 g Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃, \(M = 84{,}01\) g/mol) werden in zwei Versuchen gelöst. Versuch A: Zugabe von überschüssiger Salzsäure, das Gas wird in einem Kolbenprober aufgefangen (20 °C, 1013 hPa). Versuch B: Zugabe von Natronlauge, anschließend Bariumchlorid-Lösung.
| Versuch | Beobachtung |
|---|---|
| A (+ HCl) | starkes Schäumen, V(Gas) = 228 mL |
| B (+ NaOH, dann BaCl₂) | kein Gas; weißer Niederschlag nach BaCl₂-Zugabe |
- Formulieren Sie für beide Versuche die Protolysegleichungen und geben Sie jeweils die Säure-Base-Paare an.
- Erklären Sie, warum Hydrogencarbonat in beiden Versuchen reagiert.
- Berechnen Sie das erwartete Gasvolumen in Versuch A (\(V_m = 24{,}0\) L/mol) und deuten Sie die Abweichung.
- Beurteilen Sie die Aussage auf der Packung: „Natron ist eine milde Base.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
A: \(\ce{HCO3- + H3O+ -> H2CO3 + H2O}\), danach \(\ce{H2CO3 -> CO2 + H2O}\); Paare H₂CO₃/HCO₃⁻ und H₃O⁺/H₂O. B: \(\ce{HCO3- + OH- -> CO3^2- + H2O}\); Paare HCO₃⁻/CO₃²⁻ und H₂O/OH⁻. Nachweis: \(\ce{Ba^2+ + CO3^2- -> BaCO3 v}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
HCO₃⁻ ist ein Ampholyt: Gegenüber H₃O⁺ nimmt es über ein freies Elektronenpaar eines O-Atoms ein Proton auf (Base), gegenüber OH⁻ gibt es sein Proton ab (Säure). Es gehört zu den Paaren H₂CO₃/HCO₃⁻ und HCO₃⁻/CO₃²⁻.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n = \tfrac{0{,}84\,\text{g}}{84{,}01\,\text{g/mol}} = 0{,}0100\,\text{mol}\); \(V = 0{,}0100\,\text{mol} \cdot 24{,}0\,\tfrac{\text{L}}{\text{mol}} = 240\,\text{mL}\). Gemessen 228 mL (−5 %): Ein Teil des CO₂ bleibt im Wasser gelöst bzw. entweicht vor dem Aufsetzen des Kolbenprobers.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Teilweise zutreffend: Gegenüber Säuren (Magensäure, Versuch A) nimmt HCO₃⁻ Protonen auf und wirkt als Base. Nach Brønsted ist HCO₃⁻ aber ein Ampholyt — gegenüber OH⁻ (Versuch B) reagiert es als Säure. „Base“ beschreibt nur die Rolle im Alltagseinsatz, nicht eine feste Eigenschaft des Teilchens; zudem ist Natron als Stoff ein Salz aus Na⁺ und HCO₃⁻.