Zwei Säuren in der Verdünnungsreihe
AFB I–IIPropansäure \(\ce{C2H5COOH}\) (E 280) wird als Konservierungsstoff für Brot verwendet. In einem Versuch werden Salpetersäure und Propansäure jeweils in drei Konzentrationen hergestellt und ihre pH-Werte gemessen (M1).
| \(c_0\) in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) | 0,1 | 0,01 | 0,001 |
|---|---|---|---|
| pH Salpetersäure | 1,00 | 2,00 | 3,00 |
| pH Propansäure | 2,94 | 3,44 | 3,96 |
- Beschreiben Sie, wie sich die pH-Werte beider Säuren beim Verdünnen um jeweils den Faktor 10 ändern.
- Berechnen Sie die Protolysegrade der Propansäure für die drei Konzentrationen.
- Erklären Sie die Veränderung des Protolysegrades der Propansäure mithilfe des Protolysegleichgewichts.
- Begründen Sie anhand von M1, welche der beiden Säuren stark und welche schwach ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Salpetersäure: Der pH-Wert steigt je Verdünnungsschritt um genau 1. Propansäure: Der pH-Wert steigt nur um etwa 0,5 (2,94 → 3,44 → 3,96); er liegt stets deutlich über dem der Salpetersäure gleicher Konzentration.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(0{,}1\): \(c(\ce{H3O+}) = 10^{-2{,}94} = 1{,}15\cdot10^{-3}\), \(\alpha = 1{,}15\,\%\).
\(0{,}01\): \(10^{-3{,}44} = 3{,}6\cdot10^{-4}\), \(\alpha = 3{,}6\,\%\).
\(0{,}001\): \(10^{-3{,}96} = 1{,}1\cdot10^{-4}\), \(\alpha = 11\,\%\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ce{C2H5COOH + H2O <=> C2H5COO- + H3O+}\). Beim Verdünnen sinken alle Konzentrationen; im \(K_S\)-Ausdruck steht im Zähler ein Produkt zweier Konzentrationen, im Nenner nur eine — der Zähler wird stärker verkleinert, der Quotient wird kleiner als \(K_S\). Um \(K_S\) wieder zu erreichen, verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts: Es protolysieren anteilig mehr Moleküle (Le Chatelier: Ausweichen auf die Seite mit mehr gelösten Teilchen).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Salpetersäure: \(c(\ce{H3O+}) = c_0\) bei allen Konzentrationen, also vollständige Protolyse — starke Säure. Propansäure: \(c(\ce{H3O+})\) beträgt nur 1 bis 11 % von \(c_0\), das Gleichgewicht liegt links — schwache Säure (\(\mathrm{p}K_S = 4{,}87\)).
Kalk gegen zwei Säuren
AFB II–IIIJe 20,0 mL Salzsäure und Essigsäure (jeweils \(c_0 = 0{,}50\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) werden bei 25 °C auf je 2 g Marmorstücke (\(\ce{CaCO3}\), Überschuss, gleiche Korngröße) gegeben. Das entstehende Kohlenstoffdioxid wird mit einem Kolbenprober aufgefangen (M2). Molares Volumen: \(V_m = 24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\).
- Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Calciumcarbonat mit Oxonium-Ionen auf.
- Interpretieren Sie die beiden Kurven in M2 hinsichtlich Anfangsgeschwindigkeit und Endvolumen.
- Erläutern Sie, weshalb beide Versuche dasselbe Endvolumen liefern, und belegen Sie den Wert rechnerisch.
- Beurteilen Sie, ob Salzsäure oder Essigsäure als Haushalts-Entkalker für eine verkalkte Armatur besser geeignet ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{CaCO3(s) + 2 H3O+(aq) -> Ca^2+(aq) + CO2(g) + 3 H2O(l)}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Salzsäure-Kurve steigt zu Beginn viel steiler: Die Reaktion ist schneller, weil \(c(\ce{H3O+})\) in Salzsäure (0,50 mol/L) viel größer ist als in Essigsäure (nur etwa 0,6 % protolysiert, \(c(\ce{H3O+}) \approx 3\cdot10^{-3}\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)). Nach etwa 2 Minuten ist die Salzsäure verbraucht. Die Essigsäure-Kurve steigt flacher, erreicht nach etwa 10 Minuten aber dasselbe Endvolumen von rund 122 mL.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Werden Oxonium-Ionen durch das Carbonat verbraucht, verschiebt sich das Protolysegleichgewicht der Essigsäure nach rechts, bis alle Moleküle protolysiert und umgesetzt sind. Maßgeblich für den Umsatz ist die Stoffmenge der Säure, nicht ihre Stärke.
\(n(\text{Säure}) = 0{,}50\cdot0{,}020\,\mathrm{mol} = 10\,\mathrm{mmol}\), \(n(\ce{CO2}) = 5{,}0\,\mathrm{mmol}\), \(V = 5{,}0\cdot10^{-3}\,\mathrm{mol}\cdot24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}} = 123\,\mathrm{mL}\) — passt zu M2.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Salzsäure entkalkt zwar schneller, greift aber Metalle (Chrom, verzinkte Teile, Messing) und Fugen an, ihre Dämpfe reizen; bei gleicher Konzentration ist sie gefährlicher. Essigsäure wirkt langsamer, löst bei ausreichender Einwirkzeit aber dieselbe Kalkmenge, ist materialschonender und weniger gefährlich. Für eine Armatur im Haushalt ist Essigsäure (oder eine andere schwache Säure) besser geeignet; Salzsäure wäre nur bei hartnäckigen Belägen auf säurefesten Oberflächen sinnvoll.