Konservierung von Brot mit E281
AFB I–IIAbgepacktes Schnittbrot wird häufig mit Natriumpropanoat (E281, \(\ce{CH3CH2COONa}\), M = 96,06 g/mol) haltbar gemacht. Ein Hersteller setzt eine Stammlösung mit 3,0 g Natriumpropanoat pro Liter Wasser an. Propansäure hat pKs = 4,87 (25 °C). Wirksam gegen Schimmelpilze ist vor allem die undissoziierte Propansäure.
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion des Propanoat-Ions mit Wasser.
- Begründen Sie, dass die Stammlösung alkalisch reagiert.
- Berechnen Sie den pH-Wert der Stammlösung.
- Erläutern Sie, warum Natriumpropanoat in einem leicht sauren Sauerteigbrot (pH ≈ 4,5) besonders gut konserviert.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{CH3CH2COO- + H2O <=> CH3CH2COOH + OH-}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Propanoat ist die korrespondierende Base der schwachen Propansäure und bildet mit Wasser OH⁻-Ionen. Na⁺ stammt von der starken Base NaOH und protolysiert nicht. Also c(OH⁻) > c(H₃O⁺).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(c_0 = 3{,}0 : 96{,}06\) mol/L \(= 0{,}0312\) mol/L; \(\mathrm{p}K_\mathrm{B} = 14 - 4{,}87 = 9{,}13\); \(\mathrm{pOH} = \tfrac{1}{2}(9{,}13 + 1{,}51) = 5{,}32\); \(\mathrm{pH} = 8{,}68\). \(\alpha \approx 0{,}015\,\%\) — Näherung zulässig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Im sauren Teig nehmen die Propanoat-Ionen Protonen auf (Gleichgewicht nach links bzw. Protonierung durch H₃O⁺). Bei pH 4,5 < pKs = 4,87 liegt der größere Teil als undissoziierte Propansäure vor (Verhältnis c(HA) : c(A⁻) = 10^0,37 ≈ 2,3 : 1) — genau die wirksame Form.
Eisen(III)-chlorid als Ätzmittel
AFB II–IIIKupferbahnen von Leiterplatten werden mit Eisen(III)-chlorid-Lösung geätzt. Ein Schülerlabor misst den pH-Wert frisch angesetzter Lösungen bei 25 °C. Für \(\ce{[Fe(H2O)6]^3+}\) gilt pKs = 2,2. Beim starken Verdünnen trübt sich die Lösung nach einiger Zeit braun.
| c₀(FeCl₃) in mol/L | 0,50 | 0,050 | 0,0050 |
|---|---|---|---|
| pH (gemessen) | 1,3 | 1,8 | 2,5 |
- Formulieren Sie die Protolysegleichung des Hexaaquaeisen(III)-Ions mit Wasser.
- Erklären Sie, warum \(\ce{[Fe(H2O)6]^3+}\) als Säure wirkt, \(\ce{[Na(H2O)_n]+}\) dagegen nicht.
- Überprüfen Sie den Messwert für c₀ = 0,50 mol/L rechnerisch; entscheiden Sie dabei, ob die Näherungsformel zulässig ist.
- Deuten Sie den Verlauf der Messwerte und die braune Trübung beim Verdünnen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{[Fe(H2O)6]^3+ + H2O <=> [Fe(OH)(H2O)5]^2+ + H3O+}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Fe³⁺ ist klein und dreifach geladen (hohe Ladungsdichte). Es zieht Elektronendichte aus den O–H-Bindungen der Wasserliganden, die O–H-Bindungen werden stärker polarisiert, ein Proton wird leicht abgegeben. Na⁺ ist einfach geladen und größer — die Polarisierung reicht nicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Näherung: \(\mathrm{pH} = \tfrac{1}{2}(2{,}2 + 0{,}30) = 1{,}25\), \(c(\ce{H3O+}) = 0{,}056\) mol/L, \(\alpha = 11\,\%\) > 5 % → exakt: \(x^2 + K_\mathrm{S} x - K_\mathrm{S} c_0 = 0\) mit \(K_\mathrm{S} = 6{,}3 \cdot 10^{-3}\) liefert \(x = 0{,}053\) mol/L, pH = 1,27 ≈ 1,3 — stimmt mit dem Messwert überein.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zehnfaches Verdünnen erhöht den pH jeweils nur um etwa 0,6 statt 1 (schwache Säure). Der Protolysegrad steigt dabei stark (11 % → 30 % → 66 %): Das Gleichgewicht verschiebt sich nach Le Chatelier auf die Seite der Ionen. Weitere Stufen folgen ([Fe(OH)₂(H₂O)₄]⁺ …), bis schwer lösliches braunes Eisen(III)-hydroxid bzw. -oxidhydrat ausfällt. Zum Lagern säuert man die Lösung daher an.