Entkalken mit Citronensäure
AFB I–IIEin Entkalker-Pulver besteht aus Citronensäure (Strukturformel HOOC–CH₂–C(OH)(COOH)–CH₂–COOH, Summenformel C₆H₈O₇, Kurzschreibweise H₃Cit). Eine Portion enthält 20,0 g. Beim Entkalken reagiert Kalk nach \(\ce{2 H3Cit + 3 CaCO3 ->}\) \(\ce{Ca3(Cit)2 + 3 CO2 + 3 H2O}\).
| M(H₃Cit) | M(CaCO₃) | pKs₁ | pKs₂ | pKs₃ |
|---|---|---|---|---|
| 192,12 g/mol | 100,09 g/mol | 3,13 | 4,76 | 6,40 |
- Begründen Sie, dass Citronensäure dreiprotonig ist, obwohl das Molekül acht H-Atome enthält.
- Formulieren Sie die drei Protolysestufen mit Wasser und nennen Sie die Ampholyte.
- Berechnen Sie die Masse Kalk, die eine Portion höchstens lösen kann.
- Beurteilen Sie die Werbeaussage: „Dreifache Säurekraft — Citronensäure setzt pro Molekül sofort drei Protonen frei und ist deshalb stärker als Salzsäure gleicher Konzentration.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Nur die H-Atome der drei Carboxygruppen werden in Wasser als Protonen abgegeben (stark polare O–H-Bindung neben der C=O-Gruppe). Die vier C–H-Bindungen sind kaum polar, die alkoholische OH-Gruppe protolysiert in Wasser praktisch nicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{H3Cit + H2O <=>}\) \(\ce{H2Cit- + H3O+}\); \(\ce{H2Cit- + H2O <=>}\) \(\ce{HCit^2- + H3O+}\); \(\ce{HCit^2- + H2O <=>}\) \(\ce{Cit^3- + H3O+}\). Ampholyte: H₂Cit⁻ und HCit²⁻.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{H3Cit}) = \tfrac{20{,}0\,\text{g}}{192{,}12\,\text{g/mol}} = 0{,}104\,\text{mol}\); \(n(\ce{CaCO3}) = \tfrac32 \cdot 0{,}104\,\text{mol} = 0{,}156\,\text{mol}\); \(m = 0{,}156\,\text{mol} \cdot 100{,}09\,\text{g/mol} \approx 15{,}6\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Nicht haltbar: Die Protonen werden stufenweise abgegeben, jede Stufe schwächer (pKs₁ = 3,13 < pKs₂ = 4,76 < pKs₃ = 6,40). Schon die erste Stufe ist eine schwache Säure, während HCl vollständig protolysiert. Die Lösung enthält daher weniger H₃O⁺ als Salzsäure gleicher Konzentration. Richtig ist nur: Bei der Neutralisation (Kalk als Base zieht die Gleichgewichte nach rechts) kann ein Molekül insgesamt drei Protonen liefern.
Schwefelwasserstoff aus Biogas
AFB II–IIIBiogas enthält Schwefelwasserstoff H₂S, der Motoren korrodiert. In einem Laugenwäscher wird das Gas durch Natronlauge geleitet. Eine Anlage erzeugt 400 m³ Biogas pro Stunde mit einem Volumenanteil φ(H₂S) = 0,25 %.
| pKs(H₂S) | pKs(HS⁻) | Vm (20 °C) | M(NaOH) |
|---|---|---|---|
| 7,0 | 12,9 | 24,0 L/mol | 40,00 g/mol |
- Formulieren Sie die beiden Protolysestufen von Schwefelwasserstoff mit Wasser und nennen Sie die Namen der Anionen.
- Erklären Sie, warum pKs(HS⁻) um fast sechs Einheiten größer ist als pKs(H₂S).
- Berechnen Sie die Masse Natriumhydroxid pro Stunde, wenn H₂S vollständig zu Hydrogensulfid umgesetzt wird: \(\ce{H2S + OH- -> HS- + H2O}\).
- Beurteilen Sie den Vorschlag, die doppelte Menge Natronlauge einzusetzen, „damit H₂S vollständig zu Sulfid reagiert“.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{H2S + H2O <=>}\) \(\ce{HS- + H3O+}\) (Hydrogensulfid-Ion); \(\ce{HS- + H2O <=>}\) \(\ce{S^2- + H3O+}\) (Sulfid-Ion).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
In der zweiten Stufe muss das Proton von einem negativ geladenen Ion abgelöst werden; die elektrostatische Anziehung zwischen HS⁻-Rest und H⁺ ist größer als beim neutralen H₂S. Zudem entsteht mit S²⁻ ein zweifach negativ geladenes Ion, das Protonen stark bindet. HS⁻ ist daher eine sehr viel schwächere Säure.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(V(\ce{H2S}) = 0{,}0025 \cdot 400\,\text{m}^3 = 1{,}0\,\text{m}^3 = 1000\,\text{L}\); \(n = \tfrac{1000\,\text{L}}{24{,}0\,\text{L/mol}} = 41{,}7\,\text{mol}\); \(m(\ce{NaOH}) = 41{,}7\,\text{mol} \cdot 40{,}00\,\text{g/mol} \approx 1{,}67\,\text{kg}\) pro Stunde.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Wenig sinnvoll: HS⁻ ist eine sehr schwache Säure (pKs = 12,9); ihre korrespondierende Base S²⁻ ist so stark, dass sie mit Wasser weitgehend zurückreagiert: \(\ce{S^2- + H2O <=>}\) \(\ce{HS- + OH-}\). Der zusätzliche Hydroxid-Anteil bleibt größtenteils als OH⁻ in der Lösung und wird verschwendet. Für die Bindung des H₂S genügt die erste Stufe; die doppelte Laugenmenge erhöht nur Kosten und Ätzgefahr.