Stickstoff im Boden
AFB I–IIIm Boden wandeln Bakterien Stickstoffverbindungen ineinander um. Aus Gülle entsteht zunächst Ammonium, das über Nitrit zu Nitrat umgesetzt wird (Nitrifikation). Unter Sauerstoffmangel wandeln andere Bakterien Nitrat über Lachgas in Stickstoff um (Denitrifikation). M1 fasst die beteiligten Teilchen zusammen.
| Teilchen | Formel | Vorkommen |
|---|---|---|
| Ammonium-Ion | \(\ce{NH4+}\) | Gülle, Mineraldünger |
| Nitrit-Ion | \(\ce{NO2-}\) | Zwischenstufe der Nitrifikation |
| Nitrat-Ion | \(\ce{NO3-}\) | Pflanzennährstoff, Grundwasser |
| Distickstoffmonooxid | \(\ce{N2O}\) | Treibhausgas, Zwischenstufe |
| Stickstoff | \(\ce{N2}\) | Luft |
- Geben Sie die Oxidationszahl des Stickstoffs in allen Teilchen aus M1 an.
- Erläutern Sie am Übergang \(\ce{NH4+ -> NO3-}\), ob es sich um eine Oxidation oder eine Reduktion handelt, und geben Sie die Zahl der übertragenen Elektronen je N-Atom an.
- Ordnen Sie die Teilschritte \(\ce{NO3- -> N2O}\) und \(\ce{N2O -> N2}\) als Oxidation oder Reduktion ein und bestimmen Sie jeweils die Elektronenzahl je N-Atom.
- Begründen Sie, warum N in \(\ce{NH3}\) und im geladenen \(\ce{NH4+}\) dieselbe Oxidationszahl hat.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{NH4+}\): −III; \(\ce{NO2-}\): +III; \(\ce{NO3-}\): +V; \(\ce{N2O}\): +I; \(\ce{N2}\): 0.
Z. B. Nitrit: \(x + 2\cdot(-2) = -1 \Rightarrow x = +3\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die OZ steigt von −III auf +V: Oxidation. Je N-Atom werden \(5 - (-3) = 8\) Elektronen abgegeben (über Nitrit: zunächst 6, dann 2). Der Elektronenakzeptor ist im Boden der Luftsauerstoff.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ce{NO3- -> N2O}\): +V → +I, Reduktion, 4 Elektronen je N-Atom (8 je \(\ce{N2O}\)).
\(\ce{N2O -> N2}\): +I → 0, Reduktion, 1 Elektron je N-Atom (2 je Molekül). Die Denitrifikation ist insgesamt eine Reduktion um 5 Elektronen je N-Atom.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
In \(\ce{NH4+}\) kommt ein Proton \(\ce{H+}\) (OZ +I) hinzu, und die Ladung des Teilchens steigt um +1. Summenregel: \(x + 4 = +1\) bzw. \(x + 3 = 0\) liefern beide \(x = -3\). Die Bildung von Ammonium aus Ammoniak ist ein Protonenübergang (Säure-Base), kein Elektronenübergang — die OZ ändert sich nicht.
Vom Erz zum Eisen
AFB II–IIIEisen kommt in der Natur fast nur in Oxiden vor. Im Hochofen wird Eisenerz mit Kohlenstoffmonooxid reduziert: \(\ce{Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}\). Beim Thermitverfahren zum Verschweißen von Schienen reagiert Eisen(III)-oxid mit Aluminiumpulver: \(\ce{Fe2O3 + 2 Al -> Al2O3 + 2 Fe}\). M2 nennt Daten.
| Stoff | Formel | \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) |
|---|---|---|
| Hämatit (Roteisenstein) | \(\ce{Fe2O3}\) | −824,2 |
| Magnetit (Magneteisenstein) | \(\ce{Fe3O4}\) | — |
| Aluminiumoxid | \(\ce{Al2O3}\) | −1675,7 |
| Eisen, Aluminium | \(\ce{Fe}\), \(\ce{Al}\) | 0 |
- Bestimmen Sie die Oxidationszahlen aller Atome in der Hochofen-Gleichung und kennzeichnen Sie Oxidation und Reduktion.
- Deuten Sie die mittlere Oxidationszahl des Eisens in Magnetit \(\ce{Fe3O4}\).
- Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie des Thermitverfahrens mit den Daten aus M2.
- Vergleichen Sie Hochofen- und Thermitreaktion im Hinblick auf die Elektronenübergänge.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\overset{+\mathrm{III}}{\ce{Fe}}{}_2\overset{-\mathrm{II}}{\ce{O}}{}_3 + 3\,\overset{+\mathrm{II}}{\ce{C}}\overset{-\mathrm{II}}{\ce{O}} \to 2\,\overset{0}{\ce{Fe}} + 3\,\overset{+\mathrm{IV}}{\ce{C}}\overset{-\mathrm{II}}{\ce{O}}{}_2\)
Fe: +III → 0, Reduktion (3 e⁻ je Fe-Atom). C: +II → +IV, Oxidation (2 e⁻ je C-Atom). Bilanz: 2 · 3 = 3 · 2 = 6 Elektronen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(3x + 4\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +\tfrac{8}{3} \approx +2{,}67\). Eine gebrochene OZ gibt es für ein einzelnes Atom nicht; Magnetit enthält Eisen in zwei Oxidationsstufen: ein \(\ce{Fe^2+}\) und zwei \(\ce{Fe^3+}\) je Formeleinheit (\(\ce{FeO*Fe2O3}\)): \((2 + 2\cdot 3)/3 = 8/3\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\Delta_r H^\circ = -1675{,}7 - (-824{,}2)\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}} = -851{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (Elemente: 0). Die stark exotherme Reaktion schmilzt das entstehende Eisen (über 2000 °C).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Gemeinsam: In beiden Reaktionen wird \(\ce{Fe^3+}\) (+III) zu Fe (0) reduziert, je Fe-Atom 3 Elektronen, insgesamt 6 Elektronen je Formelumsatz; Sauerstoff behält −II.
Unterschied: Den Elektronen liefert im Hochofen der C in CO (+II → +IV, je 2 e⁻, 3 Teilchen), beim Thermitverfahren das Aluminium (0 → +III, je 3 e⁻, 2 Atome). Aluminium ist das deutlich unedlere Metall; die Reaktion ist viel stärker exotherm und läuft nach dem Zünden ohne weitere Energiezufuhr ab.