Die Iod-Uhr
AFB I–IIKaliumperoxodisulfat oxidiert Iodid-Ionen: \(\ce{S2O8^2- + 2 I- -> 2 SO4^2- + I2}\). Der Lösung wird eine kleine, stets gleiche Menge Natriumthiosulfat zugesetzt, die entstehendes Iod sofort wieder zu Iodid reduziert, sowie etwas Stärke-Lösung. Erst wenn das Thiosulfat verbraucht ist, färbt sich die Lösung schlagartig blau („Iod-Uhr“). Da bis zur Blaufärbung immer dieselbe Iodmenge gebildet wird, ist die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zu \(1/t\).
| Temperatur in °C | 20 | 30 | 40 | 50 |
|---|---|---|---|---|
| Zeit \(t\) bis zur Blaufärbung in s | 120 | 58 | 29 | 15 |
- Beschreiben Sie, wie der Versuch durchgeführt werden muss, damit ausschließlich der Einfluss der Temperatur erfasst wird.
- Berechnen Sie für jede Temperatur die relative Geschwindigkeit \(1000/t\) sowie den Beschleunigungsfaktor je 10 K.
- Überprüfen Sie, ob die Messwerte mit der RGT-Regel vereinbar sind.
- Schätzen Sie ab, nach welcher Zeit die Blaufärbung bei 10 °C und bei 60 °C eintreten würde.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Alle Lösungen (Peroxodisulfat-, Iodid-, Thiosulfat- und Stärke-Lösung) werden mit gleichen Konzentrationen und Volumina angesetzt und vor dem Mischen im Wasserbad auf die jeweilige Temperatur gebracht. Die Stoppuhr startet beim Zusammengießen, gestoppt wird beim Umschlag nach Blau; Mischreihenfolge und Rühren sind immer gleich. Nur die Temperatur des Wasserbads wird verändert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(1000/t\): 20 °C: 8,3 s⁻¹; 30 °C: 17,2 s⁻¹; 40 °C: 34,5 s⁻¹; 50 °C: 66,7 s⁻¹.
Faktoren je 10 K: \(120/58 \approx 2{,}1\); \(58/29 = 2{,}0\); \(29/15 \approx 1{,}9\) — im Mittel etwa 2.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die RGT-Regel sagt für +10 K einen Faktor von etwa 2 bis 4 voraus. Die gemessenen Faktoren liegen mit 1,9 bis 2,1 am unteren Rand dieses Bereichs; im Rahmen der Messgenauigkeit (Reaktionszeit bei 50 °C nur 15 s, Umschlag auf etwa 1 s genau) sind die Messwerte mit der Regel vereinbar.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
10 °C: Die Reaktion ist etwa halb so schnell wie bei 20 °C, also \(t \approx 240\,\mathrm{s}\) (4 min).
60 °C: etwa doppelt so schnell wie bei 50 °C, also \(t \approx 7\text{ bis }8\,\mathrm{s}\). Beide Werte sind Abschätzungen: Die Regel ist nur eine Faustregel, und kurze Zeiten lassen sich von Hand kaum noch genau messen.
Eisen in drei Formen
AFB II–IIIDrei Eisenproben gleicher Masse (je 0,28 g) — ein Eisennagel, Eisenwolle und Eisenpulver — werden bei 25 °C jeweils in 50 mL Salzsäure (\(c = 2\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) gegeben: \(\ce{Fe + 2 HCl -> FeCl2 + H2}\). Das Wasserstoffvolumen wird mit einem Kolbenprober gemessen (M2). \(M(\ce{Fe}) = 55{,}85\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), \(V_m = 24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\).
Einmal-Handwärmer enthalten in einem luftdurchlässigen Beutel Eisenpulver, etwas Wasser, Kochsalz und Aktivkohle. An der Luft wird das Eisen oxidiert, vereinfacht: \(\ce{4 Fe + 3 O2 + 6 H2O -> 4 Fe(OH)3}\), \(\Delta_r H < 0\). Der Beutel liegt bis zum Gebrauch luftdicht verpackt.
- Ordnen Sie die Kurven A bis C in M2 den drei Eisenproben begründet zu.
- Bestimmen Sie rechnerisch das Wasserstoffvolumen, das jede Probe nach vollständiger Reaktion liefert.
- Erklären Sie, warum die Kurven unterschiedlich steil verlaufen, aber demselben Endwert zustreben.
- Bewerten Sie die Verwendung von Eisenpulver statt Eisenspänen im Handwärmer.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
A: Eisenpulver (steilster Anstieg), B: Eisenwolle, C: Eisennagel (flachster Anstieg). Begründung: Je feiner das Eisen zerteilt ist, desto größer ist seine Oberfläche bei gleicher Masse und desto schneller entsteht Wasserstoff.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(n(\ce{Fe}) = 0{,}28\,\mathrm{g}/55{,}85\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 5{,}0\,\mathrm{mmol}\); \(n(\ce{HCl}) = 2\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\cdot0{,}050\,\mathrm{L} = 100\,\mathrm{mmol}\) — die Säure liegt weit im Überschuss (benötigt: 10 mmol), Eisen begrenzt.
\(n(\ce{H2}) = n(\ce{Fe}) = 5{,}0\,\mathrm{mmol}\); \(V(\ce{H2}) = 5{,}0\,\mathrm{mmol}\cdot24{,}5\,\mathrm{mL\,mmol^{-1}} \approx 123\,\mathrm{mL}\) für jede Probe.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Reagieren können nur Eisenatome an der Oberfläche, die mit der Säure in Kontakt stehen. Pulver hat bei gleicher Masse die weitaus größte Oberfläche, der Nagel die kleinste; entsprechend unterschiedlich viele Eisenatome reagieren pro Zeit — die Anfangssteigungen unterscheiden sich stark.
Der Endwert hängt nur von der Stoffmenge des Eisens ab, die bei allen drei Proben gleich ist. Kurve C hat ihn nach 600 s noch nicht erreicht, würde ihm aber bei längerer Messung zustreben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Kriterium Wärmeleistung: Ein Handwärmer soll rasch spürbar warm werden. Eisenpulver bietet eine sehr große Oberfläche für den Luftsauerstoff; die Oxidation — ohne Pulver ein langsames Rosten über Monate — läuft schnell genug ab, dass die freiwerdende Wärme die Hand erwärmt. Späne würden bei gleicher Masse nur einen Bruchteil der Leistung liefern.
Kriterium Handhabung: Wegen der hohen Geschwindigkeit muss der Beutel luftdicht verpackt sein; die Gesamtwärme ist durch die Eisenmenge begrenzt. Kochsalz und Wasser beschleunigen die Reaktion zusätzlich. Urteil: Eisenpulver ist für diesen Zweck sinnvoll, weil erst der hohe Zerteilungsgrad aus einem langsamen Vorgang eine nutzbare Wärmequelle macht.