Cyclohexan im Licht
AFB I–IIIn zwei Reagenzgläser werden je 3 mL Cyclohexan und 1 mL einer Lösung von Brom in Cyclohexan gegeben. Glas A wird mit Alufolie umwickelt, Glas B mit einer Lampe belichtet. Über beide Öffnungen wird ein feuchtes Universalindikatorpapier gehalten.
| Glas A (dunkel) | Glas B (belichtet) | |
|---|---|---|
| nach 1 min | braun | hellbraun |
| nach 10 min | braun | farblos |
| Indikatorpapier | grün | rot |
| Nebel an der Öffnung (Anhauchen) | kein | weißer Nebel |
- Beschreiben Sie die Unterschiede zwischen Glas A und Glas B.
- Deuten Sie die Färbung des Indikatorpapiers über Glas B.
- Formulieren Sie den Reaktionsmechanismus für Glas B mit Startreaktion, zwei Kettenschritten und zwei möglichen Abbruchreaktionen.
- Erläutern Sie, warum in Glas A keine Reaktion abläuft.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Glas A bleibt braun, das Indikatorpapier bleibt grün. Glas B entfärbt sich innerhalb von 10 min, das Indikatorpapier färbt sich rot, an der Öffnung bildet sich Nebel.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Es entweicht ein Gas, das mit Wasser eine saure Lösung bildet: Bromwasserstoff. \(\ce{HBr + H2O -> H3O+ + Br-}\). HBr entsteht nur bei einer Substitution — nicht bei einer Addition.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Start: \(\ce{Br2 ->[Licht] 2 Br^.}\)
Kette: \(\ce{Br^. + C6H12 -> HBr + C6H11^.}\); \(\ce{C6H11^. + Br2 -> C6H11Br + Br^.}\)
Abbruch z. B.: \(\ce{Br^. + Br^. -> Br2}\); \(\ce{C6H11^. + Br^. -> C6H11Br}\); \(\ce{2 C6H11^. -> C12H22}\) (Bicyclohexyl).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Reaktion benötigt Bromradikale. Ihre Bildung (Homolyse der Br–Br-Bindung) erfordert Energie, die bei Raumtemperatur nur Licht liefert. Im Dunkeln entstehen keine Startradikale — die Kettenreaktion kommt nicht in Gang, obwohl sie insgesamt exotherm wäre.
Chlorknallgas
AFB II–IIIEin Gemisch aus Wasserstoff und Chlor (Chlorknallgas) ist im Dunkeln bei Raumtemperatur beständig. Bestrahlt man es mit blauem Licht, explodiert es heftig; rotes Licht löst dagegen keine Reaktion aus. Auch diese Reaktion verläuft als radikalische Kettenreaktion.
| Größe | Wert |
|---|---|
| Bindungsenthalpie H–H | \(436\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) |
| Bindungsenthalpie Cl–Cl | \(242\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) |
| Bindungsenthalpie H–Cl | \(431\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) |
| Energie von 1 mol Photonen, rotes Licht (650 nm) | \(184\,\mathrm{kJ}\) |
| Energie von 1 mol Photonen, blaues Licht (450 nm) | \(266\,\mathrm{kJ}\) |
- Stellen Sie einen Reaktionsmechanismus für die Reaktion von Wasserstoff mit Chlor auf (Start, zwei Kettenschritte, ein Abbruch).
- Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie von \(\ce{H2 + Cl2 -> 2 HCl}\) aus den Bindungsenthalpien.
- Erklären Sie mithilfe von M2, warum blaues, aber nicht rotes Licht die Reaktion auslöst.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Da Chlorknallgas im Dunkeln nicht reagiert, kann es gefahrlos in Glasflaschen gelagert werden.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Start: \(\ce{Cl2 ->[h\nu] 2 Cl^.}\)
Kette: \(\ce{Cl^. + H2 -> HCl + H^.}\); \(\ce{H^. + Cl2 -> HCl + Cl^.}\)
Abbruch z. B.: \(\ce{Cl^. + Cl^. -> Cl2}\), \(\ce{H^. + Cl^. -> HCl}\), \(\ce{H^. + H^. -> H2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Gespalten: \(436 + 242 = 678\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); gebildet: \(2\cdot 431 = 862\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
\(\Delta_r H = 678 - 862 = -184\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (stark exotherm; entspricht \(2\cdot\Delta_f H^\circ(\ce{HCl}) = 2\cdot(-92{,}3)\)).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Der Startschritt spaltet die Cl–Cl-Bindung (242 kJ/mol). Ein Mol rote Photonen trägt nur 184 kJ — jedes einzelne Photon hat zu wenig Energie, um ein Cl₂-Molekül zu spalten. Blaue Photonen (266 kJ je mol) reichen aus. Die H–H-Bindung (436 kJ/mol) wird von keinem der beiden Lichtarten gespalten; die Kette startet also über Chlorradikale.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist nur eingeschränkt richtig. Im völligen Dunkeln ist das Gemisch zwar beständig, aber schon Tageslicht, Blitzlicht, ein Funke oder Erwärmen können Radikale erzeugen. Wegen der langen Ketten und der großen Reaktionsenthalpie genügt ein Startereignis für eine Explosion, die eine Glasflasche zerstört. Chlorknallgas darf daher nicht gelagert werden; Chlor und Wasserstoff werden getrennt aufbewahrt.