Lavoisiers rotes Pulver
AFB I–IIAntoine Lavoisier erhitzte 1774/75 Quecksilber etwa zwölf Tage lang in einem abgeschlossenen Luftvolumen knapp unterhalb des Siedepunkts (etwa 350 °C). Auf dem Metall bildete sich rotes Quecksilberoxid, und das Luftvolumen nahm um etwa ein Fünftel ab. Anschließend erhitzte er das rote Pulver in einer Retorte stärker (etwa 500 °C) und fing das entweichende Gas auf: Es entstanden wieder Quecksilber und ein Gas, in dem eine Kerze hell aufflammte. Heute wird der Versuch wegen der Giftigkeit des Quecksilbers nicht mehr durchgeführt.
| Stoff | \(\ce{Hg(l)}\) | \(\ce{O2(g)}\) | \(\ce{HgO(s)}\), rot |
|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | 0 | 0 | −90,8 |
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für beide Versuchsteile und fassen Sie sie in einer Gleichung mit Doppelpfeil zusammen.
- Berechnen Sie die Reaktionsenthalpien beider Versuchsteile (bezogen auf 2 mol Quecksilberoxid).
- Erläutern Sie die Bedeutung des geschlossenen Luftvolumens im ersten und des Auffangens des Gases im zweiten Versuchsteil.
- Begründen, dass es sich um eine umkehrbare Reaktion handelt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
1. Teil: \(\ce{2 Hg + O2 -> 2 HgO}\). 2. Teil: \(\ce{2 HgO -> 2 Hg + O2}\).
Zusammengefasst: \(\ce{2 Hg(l) + O2(g) <=> 2 HgO(s)}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Bildung: \(\Delta_r H^\circ = 2\cdot(-90{,}8) - 0 = -181{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (exotherm).
Zerlegung: \(\Delta_r H^\circ = +181{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (endotherm) — für die Zerlegung muss stärker erhitzt, also Energie zugeführt werden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
1. Teil: Im abgeschlossenen Luftvolumen lässt sich der Verbrauch an Sauerstoff als Volumenabnahme (etwa ein Fünftel, der Sauerstoffanteil der Luft) messen; zugleich bleibt der Sauerstoff im Gefäß und steht für die Bildung des Oxids vollständig zur Verfügung.
2. Teil: Das entstehende Gas wird aus der Retorte abgeleitet und aufgefangen. Dadurch steht es nicht mehr für die Rückreaktion (Bildung von HgO) zur Verfügung — das Oxid kann sich vollständig zersetzen, und das Gas lässt sich mit der Kerze nachweisen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Produkte des ersten Teils (HgO) sind die Edukte des zweiten, dessen Produkte (Hg und O₂) wiederum die Edukte des ersten. Beide Richtungen laufen mit denselben Stoffen ab, nur unter verschiedenen Bedingungen (Temperatur, Abführen des Gases) — die Reaktion ist also umkehrbar, auch wenn Lavoisier jede Richtung in einer eigenen Apparatur durchführte.
Gläser, die sich selbst tönen
AFB II–IIISelbsttönende Brillengläser enthalten fein verteilte Silberchlorid-Kristalle. UV-Licht zerlegt Silberchlorid; die entstehenden Silberatome färben das Glas dunkel. Die Chloratome können das Glas nicht verlassen und reagieren im Dunkeln wieder mit dem Silber: \(\ce{AgCl <=>[\text{UV-Licht}][\text{Dunkelheit}] Ag + Cl}\). M2 zeigt die Lichtdurchlässigkeit eines Glases, das 60 s lang mit UV-Licht bestrahlt wird, bei zwei Temperaturen. Die Windschutzscheibe eines Autos lässt praktisch kein UV-Licht durch.
- Beschreiben Sie den Verlauf der Kurve bei 20 °C.
- Erklären Sie das Dunkeln und das Aufhellen des Glases mithilfe von Hin- und Rückreaktion.
- Vergleichen Sie das Verhalten des Glases bei 20 °C und 35 °C und deuten Sie den Unterschied mithilfe der Einflussfaktoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit.
- Bewerten Sie selbsttönende Gläser als Sonnenschutz beim Autofahren und beim Skifahren im Hochgebirge.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Während der Bestrahlung sinkt die Lichtdurchlässigkeit von 90 % zunächst schnell, dann langsamer und nähert sich etwa 26 %. Nach dem Abschalten des UV-Lichts steigt sie wieder an, und zwar deutlich langsamer, als sie gesunken ist; nach 300 s Dunkelheit sind wieder etwa 88 % erreicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Hinreaktion: UV-Licht zerlegt Silberchlorid in Silber- und Chloratome; die Silberatome absorbieren Licht, das Glas dunkelt. Rückreaktion: Silber und Chlor reagieren wieder zu farblosem Silberchlorid. Unter UV-Licht laufen beide Reaktionen ab, die Hinreaktion überwiegt zunächst; die Tönung nähert sich einem Endwert, bei dem pro Zeit gleich viel Silber entsteht wie verschwindet. Im Dunkeln fehlt die Hinreaktion, nur die Rückreaktion läuft — das Glas hellt auf. Die Umkehrbarkeit ist möglich, weil das Glas ein geschlossenes System ist: Das Chlor kann nicht entweichen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Bei 35 °C wird das Glas weniger dunkel (etwa 38 % statt 26 %) und hellt viel schneller auf (nach 60 s Dunkelheit schon wieder etwa 85 %). Die Hinreaktion wird durch das Licht angetrieben und hängt kaum von der Temperatur ab, die Rückreaktion ist eine gewöhnliche Reaktion zwischen Silber und Chlor und läuft bei höherer Temperatur nach der RGT-Regel schneller ab. Dadurch wird unter Licht ein größerer Teil des Silbers sofort zurückgebildet, und im Dunkeln verschwindet die Tönung schneller.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Autofahren: Die Windschutzscheibe hält das UV-Licht ab, die Gläser dunkeln im Auto kaum — als Sonnenbrille beim Fahren sind sie ungeeignet, obwohl es hell ist. Hochgebirge im Winter: viel UV-Strahlung und niedrige Temperatur — die Gläser werden stark getönt, ein guter Blendschutz. Nachteil: Beim Betreten eines Gebäudes hellen sie in der Kälte nur langsam auf, man sieht eine Zeit lang schlecht.
Urteil: Für wechselnde Lichtverhältnisse im Freien praktisch, als alleiniger Sonnenschutz beim Autofahren nicht geeignet.