Welcher Entkalker wirkt schneller?
AFB I–IIKalkentferner für Kaffeemaschinen enthalten oft Amidosulfonsäure H₂NSO₃H (einprotonig, pKs ≈ 1,0) oder Citronensäure (dreiprotonig, pKs₁ = 3,13). Kalk reagiert nach CaCO₃ + 2 H₃O⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + 3 H₂O. Im Labor wurden Lösungen gleicher Konzentration untersucht (20 °C).
| Lösung (c₀ = 0,10 mol/L) | pH | Leitfähigkeit in mS/cm |
|---|---|---|
| Amidosulfonsäure | 1,21 | 24 |
| Citronensäure | 2,08 | 3,2 |
- Formulieren Sie die Protolysegleichung der Amidosulfonsäure mit Wasser.
- Berechnen Sie für beide Lösungen den Protolysegrad (bei Citronensäure nur 1. Stufe).
- Erklären Sie den Unterschied in der Leitfähigkeit.
- Beurteilen Sie die Werbeaussage: „Amidosulfonsäure löst pro Mol mehr Kalk als Citronensäure.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{H2NSO3H + H2O <=> H2NSO3- + H3O+}\) (korrespondierende Base: Amidosulfonat-Ion).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Amidosulfonsäure: \(c(\ce{H3O+}) = 10^{-1{,}21} = 0{,}062\) mol/L, \(\alpha = 62\,\%\). Citronensäure: \(c(\ce{H3O+}) = 10^{-2{,}08} = 8{,}3 \cdot 10^{-3}\) mol/L, \(\alpha = 8{,}3\,\%\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Strom leiten nur Ionen, besonders die gut beweglichen H₃O⁺-Ionen. Amidosulfonsäure ist zu 62 % protolysiert, Citronensäure nur zu etwa 8 %; die Lösung der Amidosulfonsäure enthält daher etwa siebenmal so viele Ionen und leitet entsprechend besser.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Falsch: Pro Mol CaCO₃ werden 2 mol H₃O⁺ gebraucht. 1 mol Amidosulfonsäure löst höchstens 0,5 mol Kalk, 1 mol Citronensäure (drei Protonen, die nach Verbrauch von H₃O⁺ nachprotolysiert werden) bis zu 1,5 mol. Richtig ist nur: Amidosulfonsäure wirkt wegen der höheren c(H₃O⁺) schneller.
Verdünnungsreihe mit Propansäure
AFB II–IIIPropansäure (CH₃CH₂COOH) wird als Konservierungsstoff E 280 in Backwaren eingesetzt. Eine Kursgruppe stellt eine Verdünnungsreihe her und misst jeweils den pH-Wert bei 25 °C.
| c₀ in mol/L | 0,10 | 0,010 | 0,0010 |
|---|---|---|---|
| pH | 2,94 | 3,44 | 3,96 |
- Berechnen Sie für jede Lösung den Protolysegrad.
- Zeigen Sie rechnerisch, dass die Säurekonstante in allen drei Lösungen gleich ist, und geben Sie den pKs an.
- Erklären Sie den Anstieg des Protolysegrads mit dem Prinzip von Le Chatelier.
- Beurteilen Sie die Aussage einer Schülerin: „Verdünnte Propansäure ist eine stärkere Säure als konzentrierte.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
0,10 mol/L: \(c(\ce{H3O+}) = 1{,}15 \cdot 10^{-3}\) mol/L, \(\alpha = 1{,}1\,\%\); 0,010 mol/L: \(3{,}63 \cdot 10^{-4}\) mol/L, \(\alpha = 3{,}6\,\%\); 0,0010 mol/L: \(1{,}10 \cdot 10^{-4}\) mol/L, \(\alpha = 11\,\%\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(K_\mathrm{S} = \tfrac{(1{,}15 \cdot 10^{-3})^2}{0{,}0988} = 1{,}33 \cdot 10^{-5}\); \(\tfrac{(3{,}63 \cdot 10^{-4})^2}{9{,}64 \cdot 10^{-3}} = 1{,}37 \cdot 10^{-5}\); \(\tfrac{(1{,}10 \cdot 10^{-4})^2}{8{,}90 \cdot 10^{-4}} = 1{,}35 \cdot 10^{-5}\) (alle in mol/L). Im Rahmen der Messgenauigkeit konstant: \(K_\mathrm{S} \approx 1{,}35 \cdot 10^{-5}\) mol/L, pKs ≈ 4,87.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Beim Verdünnen sinken alle Konzentrationen gleichermaßen. Der Quotient \(c(\ce{H3O+}) \cdot c(\ce{A-}) / c(\ce{HA})\) wird kleiner als Ks (Zähler zwei Faktoren, Nenner einer). Das System gleicht aus, indem weitere Säuremoleküle protolysieren — die Seite mit mehr gelösten Teilchen wird begünstigt, α steigt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Falsch: Die Säurestärke ist durch Ks bzw. pKs festgelegt und bleibt beim Verdünnen gleich (Teilaufgabe b). Es steigt nur der Protolysegrad; c(H₃O⁺) sinkt trotzdem, der pH-Wert steigt. Richtig wäre: „In verdünnter Lösung ist ein größerer Anteil der Propansäure protolysiert.“