Oxalsäure — vom Rhabarber zum Nierenstein
AFB I–IIRhabarber und Sauerampfer enthalten Oxalsäure \(\ce{H2C2O4}\) (Strukturformel HOOC–COOH). Als „Kleesalz“ wird Kaliumhydrogenoxalat \(\ce{KHC2O4}\) zum Entfernen von Rost- und Tintenflecken verkauft. In den Nieren kann Oxalat mit Calcium-Ionen schwer lösliche Calciumoxalat-Steine \(\ce{CaC2O4}\) bilden (M1).
| Teilchen | Vorkommen |
|---|---|
| \(\ce{H2C2O4}\) | Rhabarberblätter, Sauerklee |
| \(\ce{HC2O4-}\) | Kleesalz (Kaliumsalz) |
| \(\ce{C2O4^2-}\) | Nierensteine (Calciumsalz) |
- Nennen Sie die Namen der beiden Anionen der Oxalsäure und geben Sie an, wie viele saure H-Atome das Oxalsäure-Molekül besitzt.
- Stellen Sie die Reaktionsgleichungen für die beiden Protolysestufen der Oxalsäure mit Wasser auf.
- Erklären Sie mithilfe von zwei Reaktionsgleichungen, dass das Anion des Kleesalzes ein Ampholyt ist.
- Begründen Sie, dass in einer Oxalsäure-Lösung deutlich mehr Hydrogenoxalat- als Oxalat-Ionen vorliegen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{HC2O4-}\): Hydrogenoxalat-Ion; \(\ce{C2O4^2-}\): Oxalat-Ion. Das Molekül besitzt zwei saure H-Atome (je eines pro Carboxygruppe) — Oxalsäure ist zweiprotonig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
1. Stufe: \(\ce{H2C2O4 + H2O <=> HC2O4- + H3O+}\)
2. Stufe: \(\ce{HC2O4- + H2O <=> C2O4^2- + H3O+}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Als Säure: \(\ce{HC2O4- + OH- -> C2O4^2- + H2O}\). Als Base: \(\ce{HC2O4- + H3O+ -> H2C2O4 + H2O}\).
Das Hydrogenoxalat-Ion besitzt noch ein saures H-Atom und zugleich freie Elektronenpaare an den O-Atomen; je nach Partner gibt es ein Proton ab oder nimmt eines auf — es ist ein Ampholyt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
In der zweiten Stufe muss ein positiv geladenes Proton von einem bereits einfach negativ geladenen Anion abgetrennt werden. Die elektrostatische Anziehung ist größer als beim neutralen Molekül, die zweite Stufe läuft deutlich schwerer ab. Zudem drängen die Oxonium-Ionen aus der ersten Stufe das Gleichgewicht der zweiten Stufe nach links (Le Chatelier). Daher überwiegt \(\ce{HC2O4-}\).
Poolchemie: pH-Minus trifft pH-Plus
AFB II–IIIFür Schwimmbecken gibt es „pH-Minus“- und „pH-Plus“-Granulat (M2). Die Gebrauchsanweisung warnt: „Produkte niemals mischen oder gemeinsam lagern.“ Im Labor werden je eine Spatelspitze beider Granulate in Wasser gegeben und die Lösungen zusammengegossen: Die Mischung schäumt heftig auf, ein farbloses Gas entweicht.
| Produkt | Wirkstoff | molare Masse |
|---|---|---|
| pH-Minus | Natriumhydrogensulfat \(\ce{NaHSO4}\) | \(120{,}06\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| pH-Plus | Natriumcarbonat (Soda) \(\ce{Na2CO3}\) | \(105{,}99\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
- Beschreiben Sie mithilfe einer Reaktionsgleichung, wie pH-Minus im Beckenwasser Oxonium-Ionen bildet.
- Deuten Sie das Aufschäumen beim Mischen der beiden Lösungen. Formulieren Sie dazu die Reaktionsgleichungen der schrittweisen Protonenübergänge.
- Ermitteln Sie die Masse an pH-Minus, die nötig ist, um 530 g pH-Plus vollständig in Kohlenstoffdioxid umzusetzen.
- Planen Sie ein Experiment, mit dem sich zeigen lässt, dass Schwefelsäure ihr zweites Proton schwerer abgibt als ihr erstes. Gehen Sie von einer Natriumhydrogensulfat-Lösung und einer Salzsäure gleicher Konzentration aus.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{HSO4- + H2O <=> SO4^2- + H3O+}\). Das Hydrogensulfat-Ion ist die zweite Stufe der Schwefelsäure; es gibt sein verbliebenes Proton an ein Wassermolekül ab, es entstehen Oxonium-Ionen, der pH-Wert sinkt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{HSO4- + CO3^2- -> SO4^2- + HCO3-}\)
\(\ce{HSO4- + HCO3- -> SO4^2- + H2CO3}\), \(\ce{H2CO3 -> H2O + CO2}\)
Das Carbonat-Ion nimmt als zweiwertige Base schrittweise zwei Protonen auf; das Hydrogencarbonat-Ion reagiert dabei als Base. Die entstehende Kohlensäure zerfällt, das Gas Kohlenstoffdioxid bewirkt das Aufschäumen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{Na2CO3}) = 530\,\mathrm{g}/105{,}99\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 5{,}00\,\mathrm{mol}\).
Pro Carbonat-Ion werden zwei Protonen benötigt: \(n(\ce{NaHSO4}) = 10{,}0\,\mathrm{mol}\), \(m = 10{,}0\,\mathrm{mol}\cdot120{,}06\,\mathrm{g\,mol^{-1}} \approx 1{,}20\,\mathrm{kg}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Je 100 mL Natriumhydrogensulfat-Lösung und Salzsäure mit \(c = 0{,}1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) herstellen (gleiche Temperatur). pH-Wert mit einem kalibrierten pH-Meter messen, alternativ die elektrische Leitfähigkeit mit gleicher Elektrodenanordnung und gleicher Spannung vergleichen.
Erwartung: Salzsäure protolysiert vollständig, die Hydrogensulfat-Lösung nur teilweise — ihr pH-Wert ist höher, ihre Leitfähigkeit kleiner (zu berücksichtigen: \(\ce{Na+}\) leitet mit). Da \(\ce{HSO4-}\) genau das Teilchen der zweiten Stufe ist und die erste Stufe der Schwefelsäure praktisch vollständig abläuft, zeigt der Vergleich, dass die zweite Stufe schwerer abläuft.