Ester und Natronlauge
AFB I–IIEthansäureethylester reagiert mit Natronlauge: \(\ce{CH3COOC2H5 + OH- -> CH3COO- + C2H5OH}\). Bei 25 °C werden gleiche Volumina so gemischt, dass zu Beginn \(c(\text{Ester}) = c(\ce{OH-}) = 20{,}0\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\) gilt. Während der Reaktion wird die elektrische Leitfähigkeit gemessen und in die Konzentration der Hydroxid-Ionen umgerechnet (M1).
- Beschreiben Sie den Verlauf der Konzentration in M1.
- Berechnen Sie die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit in den Intervallen 0 s bis 120 s und 480 s bis 600 s und vergleichen Sie die Werte.
- Bestimmen Sie grafisch die momentane Reaktionsgeschwindigkeit bei \(t = 240\,\mathrm{s}\).
- Erläutern Sie, warum sich diese Reaktion über die elektrische Leitfähigkeit verfolgen lässt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Konzentration der Hydroxid-Ionen nimmt von 20,0 mmol/L ab, zuerst schnell, dann immer langsamer; die Kurve ist nach links gekrümmt (fallend und flacher werdend). Nach 900 s ist die Reaktion noch nicht beendet (6,7 mmol/L).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\bar v_{0-120} = (20{,}0 - 15{,}8)\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}/120\,\mathrm{s} \approx 3{,}5\cdot10^{-5}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\).
\(\bar v_{480-600} = (9{,}73 - 8{,}62)\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}/120\,\mathrm{s} \approx 9{,}3\cdot10^{-6}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\).
Im späteren Intervall ist die Reaktion knapp viermal langsamer, weil die Konzentrationen beider Edukte kleiner sind.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Tangente bei 240 s, z. B. durch (240 s | 13,1 mmol/L) und (600 s | 6,3 mmol/L): Steigung \(\approx -6{,}8\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}/360\,\mathrm{s}\).
\(v(240\,\mathrm{s}) \approx 1{,}9\cdot10^{-5}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\) (Werte zwischen \(1{,}6\) und \(2{,}2\cdot10^{-5}\) sind je nach Zeichengenauigkeit zu akzeptieren).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für jedes verbrauchte Hydroxid-Ion entsteht ein Acetat-Ion; die Natrium-Ionen bleiben unverändert. Die Zahl der Ionen bleibt also gleich, aber Hydroxid-Ionen leiten den Strom viel besser als Acetat-Ionen.
Deshalb sinkt die Leitfähigkeit in dem Maß, in dem \(c(\ce{OH-})\) abnimmt — aus der Leitfähigkeit lässt sich \(c(\ce{OH-})\) laufend berechnen, ohne der Lösung Proben zu entnehmen.
Die Brausetablette auf der Waage
AFB II–IIIEine Brausetablette (4,0 g) wird in ein Becherglas mit 100 mL Wasser gegeben, das auf einer Waage steht. Beim Auflösen reagieren Citronensäure und Natriumhydrogencarbonat: \(\ce{C6H8O7 + 3 NaHCO3 -> Na3C6H5O7 + 3 H2O + 3 CO2}\). Das Kohlenstoffdioxid entweicht; die Waage zeigt den Massenverlust \(\Delta m\) (M2). \(M(\ce{CO2}) = 44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), \(V_m = 24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\).
| \(t\) in s | 0 | 10 | 20 | 30 | 45 | 60 | 90 | 120 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(\Delta m\) in g | 0 | 0,26 | 0,44 | 0,55 | 0,66 | 0,72 | 0,77 | 0,78 |
- Stellen Sie die Messwerte in einem \(\Delta m\)-\(t\)-Diagramm dar.
- Ermitteln Sie die mittlere Bildungsgeschwindigkeit von \(\ce{CO2}\) in \(\mathrm{mmol\,s^{-1}}\) für die Intervalle 0 s bis 10 s und 60 s bis 90 s.
- Erklären Sie den Verlauf der Messkurve.
- Beurteilen Sie die Messmethode im Hinblick auf mögliche systematische Fehler.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
x-Achse: Zeit \(t\) in s (0 bis 120 s), y-Achse: Massenverlust \(\Delta m\) in g (0 bis 0,8 g); Achsen beschriftet, Punkte eingetragen und durch eine glatte, zunächst steile und dann flacher werdende Kurve verbunden, die sich 0,78 g annähert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
0 s bis 10 s: \(n(\ce{CO2}) = 0{,}26\,\mathrm{g}/44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 5{,}9\,\mathrm{mmol}\); \(\bar v = 5{,}9\,\mathrm{mmol}/10\,\mathrm{s} \approx 0{,}59\,\mathrm{mmol\,s^{-1}}\) (entspricht etwa 14 mL Gas pro Sekunde).
60 s bis 90 s: \(n(\ce{CO2}) = 0{,}05\,\mathrm{g}/44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 1{,}1\,\mathrm{mmol}\); \(\bar v = 1{,}1\,\mathrm{mmol}/30\,\mathrm{s} \approx 0{,}038\,\mathrm{mmol\,s^{-1}}\) — etwa fünfzehnmal langsamer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Zu Beginn liegen Citronensäure und Hydrogencarbonat in hoher Konzentration vor; pro Zeit reagieren viele Teilchen, die Kurve steigt steil. Mit fortschreitender Reaktion werden die Edukte verbraucht, ihre Konzentrationen sinken und damit die Reaktionsgeschwindigkeit: Die Kurve wird flacher. Sobald ein Edukt aufgebraucht ist, entsteht kein Gas mehr — die Kurve verläuft waagrecht bei etwa 0,78 g.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Vorteile: einfache, kontinuierliche Messung ohne Probenahme; die Masse des entweichenden Gases wird direkt erfasst.
Systematische Fehler: Mit den Gasblasen entweichen Wassertröpfchen und Wasserdampf — der Massenverlust wird zu groß. Ein Teil des \(\ce{CO2}\) bleibt im Wasser gelöst — der Massenverlust ist zu klein. In der Anfangsphase ändert sich die Masse sehr schnell, Ablesefehler sind dort groß; die Auflösung der Waage (0,01 g) begrenzt die Genauigkeit bei kleinen Massenänderungen am Ende.
Urteil: Für den qualitativen Verlauf und die Größenordnung der Geschwindigkeit geeignet, für genaue Werte sollte das Gasvolumen gemessen oder der Wasserverlust in einem Blindversuch bestimmt werden.