Triebmittel in der Weihnachtsbäckerei
AFB I–IILebkuchen und Spekulatius werden oft mit Hirschhornsalz gebacken. Es besteht im Wesentlichen aus Ammoniumhydrogencarbonat \(\ce{NH4HCO3}\). Beim Backen zerfällt es vollständig in gasförmige Stoffe, die den Teig lockern (M1). Backpulver dagegen enthält Natriumhydrogencarbonat \(\ce{NaHCO3}\) und ein festes Säuerungsmittel; es wirkt erst, wenn der Teig feucht ist (M2).
| Material | Angabe |
|---|---|
| M1 Hirschhornsalz | ab etwa 60 °C: \(\ce{NH4HCO3(s) -> NH3(g) + CO2(g) + H2O(g)}\); stechender Geruch beim Backen |
| M2 Backpulver | Natriumhydrogencarbonat + Säuerungsmittel (z. B. Dinatriumdihydrogenpyrophosphat); im feuchten Teig entstehen Oxonium-Ionen, es bildet sich \(\ce{CO2}\) |
- Nennen Sie die Ionen, aus denen Ammoniumhydrogencarbonat aufgebaut ist, mit Formel und Namen.
- Erläutern Sie, dass der Zerfall von Hirschhornsalz (M1) als Säure-Base-Reaktion nach Brönsted aufgefasst werden kann. Geben Sie dazu die Protolyse als Gleichung an und kennzeichnen Sie die korrespondierenden Säure-Base-Paare. (Hinweis: \(\ce{H2CO3}\) zerfällt in \(\ce{H2O}\) und \(\ce{CO2}\).)
- Deuten Sie die Bildung von Kohlenstoffdioxid im feuchten Backpulver-Teig (M2) mithilfe einer Reaktionsgleichung.
- Vergleichen Sie die Rolle des Hydrogencarbonat-Ions in Hirschhornsalz und in Backpulver.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ammonium-Ion \(\ce{NH4+}\) und Hydrogencarbonat-Ion \(\ce{HCO3-}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Das Ammonium-Ion gibt ein Proton an das Hydrogencarbonat-Ion ab: \(\ce{NH4+ + HCO3- -> NH3 + H2CO3}\); anschließend \(\ce{H2CO3 -> H2O + CO2}\).
Säure 1 \(\ce{NH4+}\) / Base 1 \(\ce{NH3}\); Base 2 \(\ce{HCO3-}\) / Säure 2 \(\ce{H2CO3}\). Es handelt sich um einen Protonenübergang ohne Wasser als Partner — nach Brönsted ist das eine Säure-Base-Reaktion. Durch die Hitze entweichen \(\ce{NH3}\), \(\ce{CO2}\) und \(\ce{H2O}\) als Gase.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ce{HCO3- + H3O+ -> H2CO3 + H2O}\), \(\ce{H2CO3 -> H2O + CO2}\). Das Hydrogencarbonat-Ion nimmt ein Proton des Oxonium-Ions auf; die entstehende Kohlensäure zerfällt, gasförmiges \(\ce{CO2}\) lockert den Teig. Ohne Wasser bilden sich keine Oxonium-Ionen — deshalb reagiert Backpulver erst im feuchten Teig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Gemeinsamkeit: In beiden Fällen reagiert \(\ce{HCO3-}\) als Brönsted-Base (Protonenakzeptor) zu \(\ce{H2CO3}\), das in \(\ce{CO2}\) und \(\ce{H2O}\) zerfällt.
Unterschied: Protonendonator ist beim Hirschhornsalz das Ammonium-Ion im selben Salz (Reaktion durch Erhitzen), beim Backpulver das Oxonium-Ion aus Säuerungsmittel und Wasser. Beim Hirschhornsalz entsteht zusätzlich Ammoniak (Geruch).
Alkalisch ohne Hydroxid?
AFB II–IIINach Svante Arrhenius (1887) sind Säuren Stoffe, die in Wasser Wasserstoff-Ionen \(\ce{H+}\) bilden, und Basen Stoffe, die in Wasser Hydroxid-Ionen \(\ce{OH-}\) bilden. Drei Salzlösungen (je \(c = 0{,}1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) wurden mit einem pH-Meter untersucht (M3). Ein pH-Wert über 7 zeigt eine alkalische, unter 7 eine saure Lösung an.
| Lösung (0,1 mol/L) | Formel des Salzes | gemessener pH-Wert |
|---|---|---|
| Soda-Lösung | \(\ce{Na2CO3}\) | 11,7 |
| Natriumacetat-Lösung | \(\ce{CH3COONa}\) | 8,9 |
| Ammoniumchlorid-Lösung | \(\ce{NH4Cl}\) | 5,1 |
- Stellen Sie für die Soda-Lösung und für die Ammoniumchlorid-Lösung jeweils die Reaktionsgleichung der Protolyse mit Wasser auf und kennzeichnen Sie die korrespondierenden Säure-Base-Paare.
- Erklären Sie, warum die Messwerte der Soda- und der Natriumacetat-Lösung mit dem Konzept von Arrhenius nicht erklärt werden können, mit dem Brönsted-Konzept dagegen schon.
- Stellen Sie eine begründete Vermutung auf, ob eine Kaliumfluorid-Lösung (\(\ce{KF}\)) sauer, neutral oder alkalisch reagiert.
- Beurteilen Sie die Aussage „Salze bestehen aus Ionen und reagieren in Wasser deshalb immer neutral.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Soda: \(\ce{CO3^2- + H2O <=> HCO3- + OH-}\); Paare \(\ce{HCO3-}/\ce{CO3^2-}\) und \(\ce{H2O}/\ce{OH-}\). Es entstehen Hydroxid-Ionen — die Lösung ist alkalisch.
Ammoniumchlorid: \(\ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}\); Paare \(\ce{NH4+}/\ce{NH3}\) und \(\ce{H3O+}/\ce{H2O}\). Es entstehen Oxonium-Ionen — die Lösung ist sauer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Nach Arrhenius müsste eine Base selbst Hydroxid-Ionen enthalten und in Wasser freisetzen. \(\ce{Na2CO3}\) und \(\ce{CH3COONa}\) enthalten keine \(\ce{OH-}\)-Ionen, trotzdem sind die Lösungen alkalisch.
Nach Brönsted ist eine Base jedes Teilchen, das ein Proton aufnimmt. Carbonat- und Acetat-Ionen nehmen ein Proton von Wassermolekülen auf; dabei entstehen \(\ce{OH-}\)-Ionen (\(\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}\)). Das Brönsted-Konzept betrachtet Teilchen und ihre Rolle in der Reaktion, nicht Stoffe.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das Fluorid-Ion hat freie Elektronenpaare und ist die korrespondierende Base von Fluorwasserstoff: \(\ce{F- + H2O <=> HF + OH-}\). Es entstehen (wenige) Hydroxid-Ionen, die Lösung sollte schwach alkalisch reagieren. \(\ce{K+}\) ist wie \(\ce{Na+}\) unbeteiligt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist falsch. Zwar bestehen Salze aus Ionen, doch einzelne Ionen können als Brönsted-Säure (\(\ce{NH4+}\), pH 5,1) oder Brönsted-Base (\(\ce{CO3^2-}\), \(\ce{CH3COO-}\), pH 11,7 bzw. 8,9) mit Wasser reagieren. Neutral reagiert eine Salzlösung nur, wenn keines der Ionen merklich mit Wasser protolysiert, z. B. Kochsalz \(\ce{NaCl}\). Die Aussage müsste lauten: „Salzlösungen können sauer, neutral oder alkalisch reagieren — je nachdem, welche Ionen sie enthalten.“