Chlor aus dem Tropftrichter
AFB I–IIVersuch: In einem Rundkolben liegen 1,58 g Kaliumpermanganat \(\ce{KMnO4}\). Aus einem Tropftrichter wird langsam konzentrierte Salzsäure zugetropft (Abzug!). Es entweicht ein gelbgrünes, stechend riechendes Gas, das feuchtes Indikatorpapier bleicht; die violette Farbe verschwindet, zurück bleibt eine fast farblose Lösung mit \(\ce{Mn^2+}\)-Ionen. M1 enthält Daten.
| Größe | Wert |
|---|---|
| molare Masse \(M(\ce{KMnO4})\) | \(158{,}0\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| molares Volumen eines Gases (25 °C, 1013 hPa) | \(24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\) |
| Salzsäure | im Überschuss |
- Bestimmen Sie die Oxidationszahlen von Mangan und Chlor vor und nach der Reaktion.
- Stellen Sie die Teilgleichungen für Oxidation und Reduktion sowie die Redoxgleichung (Ionenschreibweise, saure Lösung) auf.
- Erläutern Sie die Reaktion mit dem Donator-Akzeptor-Prinzip; benennen Sie Oxidationsmittel, Reduktionsmittel und die beiden Redoxpaare.
- Berechnen Sie das Volumen an Chlor, das bei vollständigem Umsatz des Kaliumpermanganats höchstens entsteht.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Mn: +VII in \(\ce{MnO4-}\) → +II in \(\ce{Mn^2+}\). Cl: −I in \(\ce{Cl-}\) → 0 in \(\ce{Cl2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Oxidation: \(\ce{2 Cl- -> Cl2 + 2 e-}\) \(|\cdot 5\)
Reduktion: \(\ce{MnO4- + 8 H3O+ + 5 e- -> Mn^2+ + 12 H2O}\) \(|\cdot 2\)
\(\ce{2 MnO4- + 10 Cl- + 16 H3O+}\) \(\ce{-> 2 Mn^2+ + 5 Cl2 + 24 H2O}\); Ladungsprobe: links −2 − 10 + 16 = +4, rechts +4.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Chlorid-Ionen sind Elektronendonatoren (Reduktionsmittel) und werden oxidiert; Permanganat-Ionen sind Elektronenakzeptoren (Oxidationsmittel) und werden reduziert. Redoxpaare: \(\ce{Cl2}/\ce{Cl-}\) und \(\ce{MnO4-}/\ce{Mn^2+}\).
Wie bei Säure-Base-Reaktionen, bei denen Protonen vom Donator zum Akzeptor übergehen, wandern hier Elektronen; beteiligt sind zwei korrespondierende Paare. Die Salzsäure wirkt doppelt: Ihre Oxonium-Ionen liefern das saure Milieu, ihre Chlorid-Ionen die Elektronen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(n(\ce{KMnO4}) = 1{,}58\,\mathrm{g} / 158{,}0\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 0{,}0100\,\mathrm{mol}\).
\(n(\ce{Cl2}) = \tfrac{5}{2}\cdot 0{,}0100\,\mathrm{mol} = 0{,}0250\,\mathrm{mol}\); \(V = 0{,}0250\,\mathrm{mol}\cdot 24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}} \approx 0{,}61\,\mathrm{L}\).
Kupfer im Ätzbad
AFB II–IIIBeim Herstellen von Leiterplatten wird überschüssiges Kupfer chemisch weggeätzt. M2 vergleicht zwei gebräuchliche Ätzbäder. Verbrauchte Eisen(III)-chlorid-Bäder lassen sich regenerieren, indem man Chlor einleitet.
| Ätzbad | Zusammensetzung | Beobachtung |
|---|---|---|
| Bad A | Eisen(III)-chlorid-Lösung \(\ce{FeCl3}\) | braun → grünlich-blau; es entstehen \(\ce{Fe^2+}\)- und \(\ce{Cu^2+}\)-Ionen |
| Bad B | Wasserstoffperoxid-Lösung mit Salzsäure | farblos → blau; es entstehen \(\ce{Cu^2+}\)-Ionen und Wasser |
- Formulieren Sie für Bad A die Teilgleichungen und die Redoxgleichung.
- Entwickeln Sie für Bad B die Redoxgleichung in Ionenschreibweise.
- Begründen Sie anhand der Oxidationszahlen, dass Wasserstoffperoxid sowohl als Oxidationsmittel als auch als Reduktionsmittel reagieren kann, und nennen Sie jeweils das Reaktionsprodukt.
- Beurteilen Sie die beiden Ätzbäder im Hinblick auf Regenerierbarkeit und Abfall; stellen Sie dazu die Gleichung für die Regenerierung von Bad A auf.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Oxidation: \(\ce{Cu -> Cu^2+ + 2 e-}\); Reduktion: \(\ce{Fe^3+ + e- -> Fe^2+}\) \(|\cdot 2\).
\(\ce{Cu + 2 Fe^3+ -> Cu^2+ + 2 Fe^2+}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Reduktion: \(\ce{H2O2 + 2 H3O+ + 2 e- -> 4 H2O}\); Oxidation: \(\ce{Cu -> Cu^2+ + 2 e-}\).
\(\ce{Cu + H2O2 + 2 H3O+ -> Cu^2+ + 4 H2O}\) (Ladung links +2, rechts +2).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
In \(\ce{H2O2}\) hat O die mittlere OZ −I, also eine Stufe zwischen 0 (\(\ce{O2}\)) und −II (\(\ce{H2O}\)). O kann daher Elektronen aufnehmen (Oxidationsmittel, Produkt \(\ce{H2O}\), wie in Bad B) oder abgeben (Reduktionsmittel, Produkt \(\ce{O2}\)), z. B. gegenüber dem starken Oxidationsmittel Permanganat: \(\ce{H2O2 + 2 H2O -> O2 + 2 H3O+ + 2 e-}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Regenerierung Bad A: \(\ce{2 Fe^2+ + Cl2 -> 2 Fe^3+ + 2 Cl-}\) — das Oxidationsmittel wird zurückgewonnen, das Bad kann mehrfach verwendet werden; das gelöste Kupfer reichert sich an und kann z. B. elektrolytisch zurückgewonnen werden. Nachteil: Umgang mit giftigem Chlor, eisenhaltiger Abfall.
Bad B: \(\ce{H2O2}\) wird zu Wasser, es entsteht kein eisenhaltiger Abfall; das Bad ist aber nicht regenerierbar, \(\ce{H2O2}\) muss nachdosiert werden und zerfällt mit der Zeit. Urteil (z. B.): Für Kleinanwender ist Bad B sauberer, für große Anlagen ist das regenerierbare Bad A wirtschaftlicher — beide Aussagen müssen fachlich begründet sein.