Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtmodeller

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1 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtmodeller 1. Fähigkeit: Erstellen und Auswertung der Konzentrations-/Zeit-Diagramme, ausgehend von verschiedenen Ausgangskonzentrationen Aufgabe a) Ermittle zunächst mit Hilfe des Modellversuch-Programms die Zahlenwerte und trage sie in die Tabelle ein: Fall 1: c(edukte) = 300 (sehr hoch) c(produkte) = 60 (sehr niedrig) Pipettenbreite(Hinreaktion) = 20 (größer) Pipettenbreite(Rückreaktion) = 10 (kleiner) Übertragungsschritt c(edukte) c(produkte) Fall 2: c(edukte) = 60 (sehr niedrig) c(produkte) = 300 (sehr hoch) Pipettenbreite(Hinreaktion) = 20 (größer) Pipettenbreite(Rückreaktion) = 10 (kleiner) Übertragungsschritt c(edukte) c(produkte) Aufgabe b) Gib an, nach wie vielen Übertragungsschritten sich die Konzentrationen bei Fall 1 und bei Fall 2 nicht mehr ändern, selbst wenn weitere Übertragungsschritte durchgeführt werden: Fall 1: ca. Fall 2: ca. Aufgabe c) Trage die Werte aus Aufgabe a) wie folgt in ein dreiteiliges Diagramm ein und verbinde sie zu jeweils einer Kurve: Edukte mit Rot, Produkte mit Blau Fall 1 Fall 2 c (entspricht der Füllhöhe) Skalierung: 10 Füllhöhe-Einheiten entsprechen 1 cm ; 1 Übertragungsschritt entspricht 5 mm Aufgabe d) Kennzeichne in dem Diagramm aus Aufgabe c) den Bereich, in dem ein chemisches Gleichgewicht vorliegt und gib an, woran dieser Zustand erkennbar ist: 1/3

2 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtmodeller Aufgabe e) Begründe kurz mit Hilfe der Aufgabenstellung von Aufgabe b), warum das chemische Gleichgewicht auch als "dynamisches" Gleichgewicht bezeichnet wird! 2. Fähigkeit: Erstellen und Auswertung der Reaktionsgeschwindigkeits-/Zeit-Diagramme, ausgehend von verschiedenen Ausgangskonzentrationen Aufgabe a) Ermittle zunächst mit Hilfe des Modellversuch-Programms die Zahlenwerte und trage sie in die Tabelle ein: Fall 1: c(edukte) = 300 (sehr hoch) c(produkte) = 60 (sehr niedrig) Pipettenbreite(Hinreaktion) = 20 (größer) Pipettenbreite(Rückreaktion) = 10 (kleiner) Übertragungsschritt Hinübetragenes Volumen Rückübetragenes Volumen Fall 2: c(edukte) = 60 (sehr niedrig) c(produkte) = 300 (sehr hoch) Pipettenbreite(Hinreaktion) = 20 (größer) Pipettenbreite(Rückreaktion) = 10 (kleiner) Übertragungsschritt Hinübetragenes Volumen Rückübetragenes Volumen Aufgabe b) Gib an, nach wie vielen Übertragungsschritten die beiden übertragenen Volumina identisch sind und sich nicht mehr ändern, selbst wenn weitere Übertragungsschritte durchgeführt werden: Fall 1: ca. Fall 2: ca. Die leichte Abweichung zum Ergebnis von Aufgabe 1b) ist dadurch zu erklären, dass die in der Nähe des Gleichgewichts nur sehr kleine Differenz der Übertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich zum sehr großen Gesamtvolumen "weggerundet" wird. Aufgabe c) Ordne am Beispiel des Esterhydrolyse-/Esterkondensations-Gleichgewicht von Ethansäure mit Ethanol zu Ethansäureethylester und Wasser zu, welchen Größen die im Modellversuch angegebenen jeweils entsprechen: - Füllhöhe in Gefäß A: - Füllhöhe in Gefäß B: - Pipettenbreite Hinreaktion: Gleichgewichtskonstante* Hinreaktion (k hin ) - Pipettenbreite Rückreaktion: Gleichgewichtskonstante* Rückreaktion (k rück ) - Hinübertragenes Volumen**: - Rückübertragenes Volumen**: [*Proportionalitätskonstanten, Ableitung nicht erforderlich] **Abhängig von der jeweiligen Füllhöhe und der jeweiligen Pipettenbreite, entsprechend also: und 2/3

3 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtmodeller Aufgabe d) Trage die Werte aus Aufgabe 2a) wie folgt in ein dreiteiliges Diagramm ein und verbinde sie zu jeweils einer Kurve: Hinreaktion mit Blau, Produkte mit Grün Fall 1 Fall 2 v (entspricht dem übertragenen Volumen) Skalierung: 500 Füllhöhe-Einheiten entsprechen 1 cm ; 1 Übertragungsschritt entspricht 5 mm Aufgabe e) Kennzeichne in dem Diagramm aus Aufgabe d) den Bereich, in dem ein chemisches Gleichgewicht vorliegt und gib an, woran dieser Zustand erkennbar ist: 3. Fähigkeit: Ausräumen der Fehlvorstellung, dass ein Gleichgewicht bei gleicher (statt richtig gleichbleibender) Edukt- und Produkt-Konzentration vorläge. Aufgabe a) Ermittle zunächst mit Hilfe des Modellversuch-Programms die Zahlenwerte und trage sie in die Tabelle ein: Fall 1: c(edukte) = 180 (mittel) c(produkte) = 180 (genauso hoch) Pipettenbreite(Hinreaktion) = 20 (größer) Pipettenbreite(Rückreaktion) = 10 (kleiner) Übertragungsschritt c(edukte) c(produkte) Fall 2: c(edukte) = 120 (niedrig) c(produkte) = 240 (hoch) Pipettenbreite(Hinreaktion) = 15 (mittel) Pipettenbreite(Rückreaktion) = 15 (genauso hoch) Übertragungsschritt c(edukte) c(produkte) Aufgabe b) Ergänze: Im Gleichgewichtszustand sind nicht die und gleich, sondern die Geschwindigkeit von. und 3/3

4 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichttemperaturer 1. Fähigkeit: Erstellen von Reaktionsgleichungen für Gleichgewichtsreaktionen in Richtung der exothermen Reaktionsrichtung als Hinreaktion. Aufgabe: Gib für das im Programm angegebene Gleichgewicht an, welche der folgenden Darstellungen für die Reaktionsgleichung in der Summenformelschreibweise richtig sind: o 2NO 2 N 2O 4 ; ΔH = - 57 kj/mol o N 2O 4 2NO2 ; ΔH = + 57 kj/mol o 2NO 2 N 2O kj/mol o N 2O kj/mol 2NO 2 2. Fähigkeit: Aufstellen des Massenwirkungsgesetzes mit Hilfe der Reaktionsgleichung. Aufgabe: Erstelle das MWG für die Reaktion aus Aufgabe 1: = 3. Fähigkeit: Ableiten aus dem Versuchsergebnis, welchen Einfluss eine Temperaturerhöhung allgemein auf die Gleichgewichtslage (nicht der Reaktionsgeschwindigkeit!) einer exothermen Reaktion hat. Aufgabe a) Ergänze in der Tabelle die Beobachtungen sowie die Zahlenwerte 20 C 30 C 40 C Stoffebene Farbe des Gemischs im Kolben Teilchenanteil Edukte (braunes NO 2) Teilchenebene Teilchenanteil Produkt (farbloses N 2O 4) Aufgabe b) Ergänze den Merksatz zu der sich aus a) ergebenden Folgerung: Je höher die Temperatur einer exothermen Reaktion, desto ist der Teilchenanteil der, das Gleichgewicht wird also nach verschoben. Die Ausbeute einer exothermen Reaktion kann daher durch eine Temperatur- erhöht werden. 4. Fähigkeit: Erkennen, welchen Einfluss eine Temperaturerhöhung auf das Massenwirkungsgesetz hat. Aufgabe: Begründe mit Hilfe des MWG, wie sich die Produkt-Konzentration einer exothermen Reaktion bei Temperaturerhöhung ändert. Die Gleichgewichtskonstante K einer exothermen Reaktion dass Produkt entsteht. 5. Fähigkeit: Allgemeine Vorhersage der Gleichgewichtsverschiebung bei verschiedenen Fällen. Aufgabe: Ergänze die Tabelle in der Form: Es folgt eine Gleichgewichtsverschiebung nach... sich, so Temperatur Erniedrigung Reaktionsrichtung Extoherm Endotherm Erhöhung 1/2

5 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichttemperaturer 6. Fähigkeit: Anwenden auf das Boudouard-Gleichgewicht. Information: Kohlenstoffmonoxid liegt in einem Gleichgewicht mit Kohlenstoffdioxid und elementarem Kohlenstoff vor. Im Hochofenprozess wird v.a. Kohlenstoffmonoxid als Reduktionsmittel zur Reduktion von Eisenoxiden benutzt. Aufgabe a) Erstelle die Reaktionsgleichung und das MWG für das Boudouard-Gleichgewicht. = Aufgabe b) Begründe mit Hilfe des Massenwirkungsgesetzes, warum im Hochofen hohe Temperaturen günstig sind. 2/2

6 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtdrücker 1. Fähigkeit: Aufstellen des Massenwirkungsgesetzes mit Hilfe der Reaktionsgleichung. Aufgabe a) Erstelle die Reaktionsgleichung für die Gleichgewichtsreaktion von Stickstoffioxid zu Distickstofftetraoxid. RT RT Aufgabe b) Gib unter der Reaktionsgleichung von Teilaufgabe a) an, wie viele Raumteile (RT) die gasförmigen Stoffe jeweils auf der Edukt- und auf der Produkt-Seite der Gleichung beanspruchen. Aufgabe c) Erstelle das MWG für die Reaktion aus Teilaufgabe a): = 2. Fähigkeit: Ableiten aus dem Versuchsergebnis, welchen Einfluss eine Druckerhöhung allgemein auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion hat, bei welcher die gasförmigen Produkte weniger Raumteile beanspruchen. Aufgabe a) Ergänze in der Tabelle die Beobachtungen sowie die Zahlenwerte Druck Stoffebene Teilchenebene mittel hoch sehr hoch Farbe des Gemischs im Kolben braun hellbraun fast farblos Teilchenanteil Edukte (braunes NO2) Teilchenanteil Produkt (farbloses N2O4) Gesamtzahl der Teilchen Aufgabe b) Ergänze den Merksatz zu der sich aus a) ergebenden Folgerung: e höher der Druck, desto weiter verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Stoffe, die Raumteile beanspruchen. Ziel ist eine der Gesamtzahl der Gasteilchen. 3. Fähigkeit: Erkennen, welchen Einfluss eine Druckerhöhung auf das Massenwirkungsgesetz hat. Aufgabe: Begründe mit Hilfe des MWG, wie sich die Produkt-Konzentration einer Reaktion mit weniger Raumteilen auf der Produktseite bei Temperaturerhöhung ändert. Setzt man die Gleichung (1) c(x) = n(x) / V(X) für die Definition der [Stoffmengen-]Konzentration ins MWG aus Teilaufgabe 1c) ein, so 1/2

7 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtdrücker erhält man für die Gleichgewichtskonstante K: (2) K = n(n 2 O 4 ) V n(no 2 ) 2 Bei einer Verkleinerung des Volumens wird der K ist, muss der auch kleiner, da aber werden. Dies entspricht einer Verschiebung nach. 4. Fähigkeit: Allgemeine Vorhersage der Gleichgewichtsverschiebung bei verschiedenen Fällen. Aufgabe: Ergänze die Tabelle in der Form: Es folgt eine Gleichgewichtsverschiebung nach... Mehr Raumteile/ Gasteilchen auf der Druck Erniedrigung Eduktseite Produktseite Erhöhung 5. Fähigkeit: Anwenden auf das Gleichgewicht der Bildung von Iodwasserstoff aus den Elementen. Information: Gasförmiger elementarer Wasserstoff und gasförmiges elementares Iod liegen in einem Gleichgewicht mit gasförmigem Iodwasserstoff vor. Aufgabe a) Erstelle die Reaktionsgleichung und das MWG für dieses Gleichgewicht. RT RT = Aufgabe b) Begründe mit Hilfe des MWG unter Berücksichtigung der Volumenänderung, welchen Einfluss eine Druckerhöhung auf die Gleichgewichtslage hat. = 2/2

8 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtkonzentrierer 1. Fähigkeit: Aufstellen des Massenwirkungsgesetzes mit Hilfe der Reaktionsgleichung. Aufgabe a) Erstelle für die beiden folgenden Reaktionsgleichung jeweils das MWG: (1) [Fe(H 2O) 6] SCN - [Fe(H 2O) 3(SCN) 3] H 2O (im Schulbuch ist eine vereinfachte Form dieser Reaktionsgleichung angegeben, bei welcher die Wassermoleküle vernachlässigt werden) (2) Fe SCN - Fe(SCN) 3 (1) = (2) = Da Wasser als Lösungsmittel in großem Überschuss vorkommt, ist die Vereinfachung (2) zulässig. Trotzdem kann bei Zugabe von Wasser zu einer Eisen(III)-thiocyanat-Lösung eine stärkere Aufhellung beobachtet werden, als aufgrund einer bloßen Verdünnung zu erwarten wäre! (vgl. Aufgabe 3, Versuch 5) 2. Fähigkeit: Ableiten aus dem Versuchsergebnis, welchen Einfluss verschiedene Konzentrationsänderungen allgemein auf die Gleichgewichtslage haben Aufgabe a) Ergänze in der Tabelle die beobachtete Farbänderung sowie die tendenzielle Änderung der Teilchenzahl (nimmt ab, bleibt gleich, nimmt zu) Konzentrations- -verringerung führt zu folgender Farbänderung -verringerung führt zu folgender Änderung der Teilchenzahl -erhöhung führt zu folgender Farbänderung -erhöhung führt zu folgender Änderung der Teilchenzahl gelbe Eisen(III)- ionen Edukte farblose Thiocyanationen rotes Eisen(III)- thiocyanat Produkte farbloses Wasser 1/3

9 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtkonzentrierer Aufgabe b) Ergänze den Merksatz zu der sich aus 2a) ergebenden Folgerung: Die Konzentrationsverringerung eines der Ausgangsstoffe verschiebt das Gleichgewicht nach. Die Konzentrations- Gleichgewicht nach links. eines der Endstoffe verschiebt das 3. Fähigkeit: Auswerten von Versuchen zur Gleichgewichtsverschiebung mit Hilfe von Konzentrationsänderungen Versuch 1: Zu einer Eisen(III)-thiocyanat-Lösung wird etwas festes gelbes Eisen(III)-chlorid gegeben. Sobald sich dieses löst, tritt eine Farbvertiefung auf. Versuch 2: Zu einer Eisen(III)-thiocyanat-Lösung wird etwas festes Kaliumthiocyanat gegeben. Sobald sich dieses löst, tritt eine Farbvertiefung auf. Versuch 3: Zu einer Eisen(III)-thiocyanat-Lösung wird etwas Natriumhydroxid-Lösung gegeben. Es tritt eine Farbaufhellung auf. Es ensteht ein weißer Niederschlag. Versuch 4: Zu einer Eisen(III)-thiocyanat-Lösung wird etwas Silber(I)-nitrat-Lösung gegeben. Es tritt eine Farbaufhellung auf. Es ensteht ein weißer Niederschlag. Versuch 5: Zu einer Eisen(III)-thiocyanat-Lösung wird etwas Wasser gegeben. Es tritt eine stärkere Farbaufhellung auf, als durch einen bloßen Verdünnungseffekt zu erwarten wäre. Aufgabe a) Ordne in den Schema-Pfeilen* die Versuchsnummern von V1 bis V5 zu. * Konzentrations-Verringerung Konzentration-Erhöhung [Fe(H 2O) 6] SCN - [Fe(H 2O) 3(SCN) 3] H 2O Aufgabe b) Erstelle die Reaktionsgleichung für die Niederschlagsreaktion in V3 Aufgabe c) Erstelle die Reaktionsgleichung für die Niederschlagsreaktion in V3 4. Fähigkeit: Anwenden auf ein Esterkondensations-/Esterhydrolyse-Gleichgewicht Aufgabe: Erläutere eine Möglichkeit, die Ausbeute an Ethansäuremethylester zu erhöhen, ohne die Konzentration eines der beiden Edukte zu erhöhen. Begründe mit Hilfe der Reaktionsgleichung in der Halbstrukturformelschreibweise und anhand des MWG. + + = 2/3

10 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms Gleichgewichtkonzentrierer 5. Fähigkeit: Anwenden auf ein Chromat-/Dichromat-Gleichgewicht Information: Löst man Kaliumchromat in Wasser, so entsteht eine gelbe Lösung von Chromationen 2- (Summenformel CrO 4 ). Diese Chromationen stehen in einem Gleichgewicht mit orangefarbenen Dichromationen (Summenformel Cr 2O 2-7 ) Versuch1: Gibt man nun verdünnte Salzsäure zu der Lösung, so färbt sich die Lösung stärker orange. Versuch 2: Gibt man verdünnte Natronlauge zu der Lösung, so färbt sich die Lösung in Richtung eines helleren Gelbs. Versuch 3: Es tritt eine stärkere Farbaufhellung bzw. Farbänderung in Richtung eines helleren Gelbs auf, als durch einen bloßen Verdünnungseffekt zu erwarten wäre. Aufgabe Ordne in den Schema-Pfeilen* die Versuchsnummern von V1 bis V3 zu. * Konzentrations-Verringerung Konzentration-Erhöhung 2CrO H 3O + Cr 2O H 2O 6. Fähigkeit: Anwenden des Prinzips des kleinsten Zwangs (von Le Chatelier) Information: Wird auf ein System, das sich im Gleichgewicht befindet, ein äußerer Zwang ausgeübt, so verschiebt sich das System derart, dass es dem Zwang ausweicht. Aufgabe: Ordne die unten stehenden Begriffe in der Tabelle zu: Zwang Konzentrations- Erhöhung Verringerung Druck- Erhöhung Verringerung Temperatur- Erhöhung Verringerung Ausweichen durch Verminderung der Gasteilchenzahl ; Bildung Begünstigung der endothermen Reaktionsrichtung ; Verbrauch Erhöhung der Gasteilchenzahl ; Begünstigung der exothermen Reaktionsrichtung 3/3

11 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms MWG 1. Fähigkeit: Aufstellen des Massenwirkungsgesetzes mit Hilfe der Reaktionsgleichung. Aufgabe a) Ergänze die Reaktionsgleichung für die Ammoniaksynthese und erstelle das MWG: ; ΔH = -92 kj/mol RT RT = 2. Fähigkeit: Ableiten aus den Teilchenzahlen (entsprechend den prozentualen Anteilen), welchen Einfluss eine Temperaturänderung auf das Ammoniaksynthese-Gleichgewicht hat. Aufgabe a) Ergänze mit Hilfe des Programms in der Tabelle die jeweiligen Teilchenzahlen im Gleichgewicht! Temperatur sehr niedrig niedrig mittel hoch sehr hoch NH 3- Moleküle Aufgabe b) Ergänze den Merksatz zu der sich aus 2a) ergebenden Folgerung: Eine Temperaturerhöhung verschiebt das Gleichgewicht nach, da es sich um eine Reaktion handelt. Eine höhere Ausbeute ist also bei Temperatur zu erwarten, allerdings läuft die Reaktion dann zu langsam ab. 3. Fähigkeit: Ableiten aus den Teilchenzahlen (entsprechend den prozentualen Anteilen), welchen Einfluss eine Druckänderung auf das Ammoniaksynthese-Gleichgewicht hat. Aufgabe a) Ergänze mit Hilfe des Programms in der Tabelle die jeweiligen Teilchenzahlen im Gleichgewicht! Druck sehr niedrig niedrig mittel hoch sehr hoch H 2-Moleküle N 2-Moleküle NH 3-Moleküle Gesamtteilchenzahl Aufgabe b) Ergänze den Merksatz zu der sich aus 3a) ergebenden Folgerung: Eine Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht nach, da auf der Produktseite eine Gasteilchen vorliegen und insgesamt der (Gas-)Teilchenzahl angestrebt wird. 1/3

12 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms MWG 4. Fähigkeit: Ableiten aus den Teilchenzahlen (entsprechend den prozentualen Anteilen), welchen Einfluss eine Konzentrationsänderung der Produkte auf das Ammoniaksynthese- Gleichgewicht hat. Aufgabe a) Ergänze mit Hilfe des Programms in der Tabelle die jeweiligen Teilchenzahlen NH 3- Konzentration NH 3-Moleküle im Ausgangszustand NH 3-Moleküle im Gleichgewicht Veränderung? (nimmt ab, bleibt gleich, nimmt zu) sehr niedrig niedrig mittel hoch sehr hoch Aufgabe b) Ergänze den Merksatz zu der sich aus 4a) ergebenden Folgerung: Eine Verringerung der Ammoniakkonzentration verschiebt das Gleichgewicht nach in Richtung der. Die Ausbeute an Ammoniak wird. 5. Fähigkeit: Abwägen der thermodynamischen (= die Gleichgewichtslage beeinflussenden) und der kinetischen (= die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussenden) Faktoren, um eine möglichst hohe Ausbeute zu erhalten. Aufgabe a) Betrachte im Animationsfenster die Animationen 2 und 3. Gib an, wie sich die (mittlere) Bewegungsgeschwindigkeit von Gasteilchen bei Temperaturerhöhung ändert: Gib die vollständige Bezeichnung und die Abkürzung für die Regel an, welche den Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Reaktionsgeschwindigkeit aufzeigt: Gib den Namen der Erklärungstheorie an, mit welcher der Zusammenhang zwischen den beiden vorherigen Antworten hergestellt werden kann: Aufgabe b) Betrachte im Animationsfenster die Animationen 4 und 5, anschließend 6 und 7. Gib an, welcher Katalysetyp hier vorliegt: [Tipp: Falls Du unsicher bist, wiederhole jetzt die Aufgaben 1 und 2 aus den Übungsaufgaben zum Lernprogramm Katalyser, bevor Du mit diesen Aufgaben weitermachst] Welche drei Teilschritte lassen sich in einem solchen Katalysezyklus erkennen: /3

13 Übungsaufgaben zum Kapitel Chemisches Gleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms MWG Aufgabe c) Lade jetzt das Programm Katalyser herunter und skizziere ein vollständig beschriftetes Katalysezyklus-Schema und ein ebenfalls vollständig beschriftetes Energiediagramm für die Ammoniaksynthese. Aufgabe d) Leite aus dem folgenden Diagramm (1) die Wirkungsweise eines Katalysators und (2) die Folgen des Katalysator-Einsatzes ab: ohne mit Katalysator v 1 2 t 1 2 Aufgabe e) Begründe mit Hilfe von Aufgabe 2, warum bei der Amoniaksynthese ein Katalysator unbedingt erforderlich ist! 3/3

14 Übungsaufgaben zum Kapitel Protonenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Protonierer Tipp: Vergleiche auf der KGA-Chemie-Unterrichtsmaterialseite im Lehrplan Kapitel C 10.2 Protonenübergänge - mit dem Arbeitsheft Protonenübergänge und den Farbfolien Protonenübergänge auf verschiedenen Darstellungsebenen Hinweis: Diese Übungsaufgaben werden meist nicht als Kopie ausgeteilt, sie können aber jederzeit heruntergeladen werden. Daher müssen nur die Lösungen zu jeder Aufgabe ins Schulheft mitgeschrieben werden. 1. Fähigkeit: Auswahl der optimalen Darstellungsform für Säure-Base-Reaktionen und Kenntnis, welche Informationen mit dieser Symbol- bzw. Modellschreibweise bezüglich der Teilchen jeweils direkt darstellbar sind. Betrachte die Darstellung der Produkte für die Ausgangsstoffkombination Wasser mit Chlorwasserstoff auf allen vier Darstellungsebenen. a) Benenne die beiden gezeigten Teilchen: b) Kreuze in der Tabelle alle zutreffenden Felder an: Darstellungsebene Direkt erkennbarer Informationsgehalt 1 Art und Anzahl der Atome der beteiligten Elemente A B C D Kugelmodell Summenformel Strukturformel Schalenmodell O O O O 2 Räumlicher Bau O O O O 3 Relativer Atomradius O O O O 4 Aus mehreren Atomen zusammengesetzte Teilchen wie Moleküle oder Molekülionen O O O O 5 (Gesamt-)Ladungen O O O O 6 Anzahl und Anordnung der Valenzelektronen O O O O 7 Verknüpfung und Anordnung der Atome der beteiligten Elemente O O O O 8 Bindungspolaritäten O O O O 9 Teilladungen O O O O 10 Verteilung der Elektronen auf die verschiedenen Schalen O O O O 11 Anzahl der Protonen im Kern O O O O 12 (Gesamt-)Ladung als Differenz der Gesamtprotonenzahl sowie der Gesamtelektronenzahl O O O O c) Ordne die vier Darstellungsebenen von A bis D nach abnehmendem Informationsgehalt: > > > 1/4

15 Übungsaufgaben zum Kapitel Protonenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Protonierer d) Vergleiche die Kugelmodell-Darstellung im Programm mit der in Deinem Schulbuch. Welche Information wird dort meist nicht beim Kugelmodell mit aufgeführt? (Tipp: Vgl. Feld A5) e) Grundwissen: Welches Erklärungsmodell wird für die Ableitung der tatsächlichen Bindungswinkel benötigt? (Tipp: Vgl. die Felder A2 und C2) Abkürzung: f) Welcher Bindungswinkel ist in der Strukturfomel hier in der 2D-Projektion dargestellt und welcher ungefähre 3D- Bindungswinkel liegt tatsächlich im Oxoniumion vor? dargestellt in 2D: tatsächlich in 3D: 2. Fähigkeit: Kenntnis der Säure-Base-Definition nach Arrhenius (Spezialfall auf Stoffebene der Produkte, nur in wässriger Lösung) und der nach Brönsted (allgemeiner Fall auf Teilchenebene der Edukte, auch in der Gasphase) a) Gib die Reaktionsgleichung in der Summenformelschreibweise für die folgenden drei Reaktionen an. Gib jeweils die Namen der Teilchen bei den Ausgangsstoffen und bei den Endstoffen an, und ordne zu, welcher (Aggregat-)Zustand [fest, flüssig, gasförmig] oder welches Stoffgemisch [wässrige Lösung] vorliegt. - Wasser mit Chlorwasserstoff: Summenformel-Gl: Namen: Zustand: - Ammoniak mit Wasser: Summenformel-Gl: Namen: Zustand: - Ammoniak mit Chlorwasserstoff: Summenformel-Gl: Namen: Zustand: 2/4

16 Übungsaufgaben zum Kapitel Protonenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Protonierer b) Kennzeichne in der Lösung aus 2a) alle Teilchen, die für sauren Lösungen kennzeichnend sind durch rotes Einkreisen, alle Teilchen, die für alkalische (basische) Lösungen kennzeichnend sind durch blaues Einkreisen. c) Gib die Reaktionsgleichungen in der Strukturformelschreibweise an und kennzeichne - alle positiv polarisierten H-Atome mit Rot, - freie Elektronenpaare an negativ polarisierten Atomen mit blau und - Wasserstoffbrückenbindungen als orangefarbene gestrichelte Linien. - Wasser mit Chlorwasserstoff: Strukturformel-Gl: - Ammoniak mit Wasser: Strukturformel-Gl: - Ammoniak mit Chlorwasserstoff: Strukturformel-Gl: d) Ergänze in dieser nach abnehmender Elektronegativität geordneten Reihe die fehlenden Elemente: sehr hoch: mittel bis niedrig F > > > >> Br >>>> C > H e) Ergänze die Lücken: Nach Arrhenius bilden Säuren mit Wasser, Basen dagegen. Nach Brönsted sind Säuren, d.h. sie Elektronen. Basen sind, d.h. sie Elektronen. 3/4

17 Übungsaufgaben zum Kapitel Protonenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Protonierer 3. Fähigkeit: Erstellen neuer Säure-Base-Reaktionen durch Kombination der korrespondierenden Säure-Base-Paare. Kenntnis, dass an einer Säure-Base-Reaktion (= Protonenübergang/Protonenübertragungsreaktion) immer zwei korrespondierende Säure-Base-Paare beteiligt sind. a) Ergänze mit Hilfe des Programms für die Ausgangsstoffkombination Wasser mit Chlorwasserstoff in der Summenformelschreibweise: Nur Protonenaufnahme: + Nur Protonenabgabe: + Protonenübergang: + + Base 1 Säure 2 Säure 1 Base 2 Protonen- Protonen- Hinweis: Welches Teilchen kommt in der Protonenübergangs-Gesamtgleichung nicht vor? b) Gib die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Hydroxidionen mit Oxoniumionen in der Summenformelschreibwe an und ordne die korrespondierenden Säure-Base-Paare zu: + + Base 1 Säure 2 Säure 1 Base 2 c) Unterstreiche alle Säure-Teilchen in den Teilaufgaben 3a) und 3b) mit rot, alle Base- Teilchen mit blau. d) Errechne mit Hilfe des Schalenmodells die (Gesamt-)Ladung der folgenden Ionen: Protonenzahl Gesamtelektronenzahl Gesamtladung Hydroxidion Oxoniumion Ammoniumion Chloridion 4/4

18 Übungsaufgaben zum Kapitel Protonenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Acidbaser Tipp: Vergleiche auf der KGA-Chemie-Unterrichtsmaterialseite im Lehrplan Kapitel C 10.2 Protonenübergänge - mit dem Arbeitsheft Protonenübergänge Hinweis: Diese Übungsaufgaben werden meist nicht als Kopie ausgeteilt, sie können aber jederzeit heruntergeladen werden. Daher müssen nur die Lösungen zu jeder Aufgabe ins Schulheft mitgeschrieben werden. 1. Fähigkeit: Ermitteln der Summenformeln aus den Namen wichtiger Säure- oder Baseteilchen. Ermittle mit Hilfe des Programms Acidbaser die Summenformeln folgender Teilchen: Name des Teilchens: Summenformel: a) Wasser b) Ammoniak c) Hydroxidion d) Oxoniumion e) Kohlensäure f) Hydrogencarbonation g) Carbonation 2. Fähigkeit: Übersetzen der Summenformel in eine Strukturformel und den Namen Gib zu jeder Summenformel die entsprechende Strukturformel und den Namen an: a) H 3 O + b) OH - Name: Name: c) NH 4 + d) HCO 3 - Name:* *Vgl. mit 1b) Name: 1/4

19 Übungsaufgaben zum Kapitel Protonenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Acidbaser 3. Fähigkeit: Erkennen der zentralen Bausteine eines Teilchens, die jeweils für die Säurebzw. Base-Eigenschaft verantwortlich sind. Erstelle die Strukturformeln der folgenden Teilchen und kennzeichne positiv polarisierte H-Atome mit der Farbe Rot und freie Elektronenpaare an negativ polarisierten Atomen mit der Farbe Blau und gib an, ob es sich um eine Säure (S), eine Base (B) oder um einen Ampholyt (AM) [also um beides] handelt: a) Chlorwasserstoff b) Oxidion S/B/AM: S/B/AM: c) Wasser d) Hydrogencarbonation S/B/AM: S/B/AM: 4. Fähigkeit: Aufstellen einfacher Säure-Base-Reaktionen. Gib die Reaktionsgleichungen in der Summenformelschreibweise für die folgenden Reaktionen an und ordne jeweils die korrespondierenden Säure-Base-Paare zu nach dem Schema: Protonierung von... mit... a) Protonierung von Carbonation mit Salpetersäure + + 2/4

20 Übungsaufgaben zum Kapitel Protonenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Acidbaser b) Protonierung von Hydroxidion mit Schwefelsäure + + c) Protonierung von Carbonation mit Kohlensäure + + d) Protonierung von Hydrogencarbonation mit Oxoniumionen + + e) Protonierung von Hydroxidion mit Hydrogencarbonationen Fähigkeit: Aus der jeweiligen Säure- bzw. Basenstärke eine Vorhersage zu treffen, ob die Reaktion (hier vereinfacht völlig unabhängig von der Konzentration) gut oder schlecht abläuft, d.h. ob die Ausgangsstoffe auch ohne ständige Energiezufuhr eher vollständig zu den Endstoffen reagieren oder aber auch nach Ablauf der Reaktion weitgehend unverändert vorliegen. Gib für die folgenden Reaktionen die Basen- bzw. Säurestärke an und die Vorhersage, ob sie eher gut (g) oder schlecht (s) ablaufen: Säure-Base-Reaktion Protonierung von... mit... Basenstärke (stark/mittel/schwach) Säurestärke (stark/mittel/schwach) Vorhersage (g/s) a) Hydroxidion Oxoniumion b) Wasser Wasser c) Ammoniak Chlorwasserstoff d) Chloridion Ammoniumion e) Wasser Essigsäure 3/4

21 Übungsaufgaben zum Kapitel Protonenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Acidbaser 6. Fähigkeit: Eine Säure-Base-Reaktion auch mit Worten korrekt zu beschreiben. In einer Säure-Basen-Reaktion wird immer eine Base mittels einer Säure protoniert. Es reagieren also immer insgesamt zwei korrespondierende Säure-Base-Paare miteinander, wobei ein Proton von der Säure (dem Protonendonator) auf die Base (den Protonenakzeptor) übertragen wird. Schreibe vollständige Sätze nach dem Muster Die Base... wird mit der Säure... protoniert, dabei entstehen die korrespondierende Säure... und die korrespondierende Base... Achtung: Hier sind die Ausgangsstoffe nicht unbedingt in der richtigen Reihenfolge für einen guten Reaktionsverlauf angegeben. Ordne die Ausgangsstoffe also so an, dass immer die stärkste Ausgangsstoffkombination miteinander reagiert! a) Ausgangsstoffe Essigsäure und Wasser Die Base wird mit der Säure protoniert, dabei entstehen die korrespondierende Säure und die korrespondierende Base. b) Ausgangsstoffe Hydrogensulfation und Hydroxidion Die Base wird mit der Säure protoniert, dabei entstehen die korrespondierende Säure und die korrespondierende Base. c) Ausgangsstoffe Wasser und Phosphorsäure Die Base wird mit der Säure protoniert, dabei entstehen die korrespondierende Säure und die korrespondierende Base. 7. Fähigkeit: Ableiten einer Protonendruckreihe und Vorhersage der Farbe, die entsteht, wenn man vergleichbare Mengen der entsprechenden Teilchen in eine wässrige Universalindikator-Lösung gibt. Ergänze die Lücken in der Tabelle mit den angegebenen Bausteinen: Beachte, dass manche Lösungsbausteine mehrfach vorkommen können! Indikatorfarbe Stärke Säure Korrespondie rende Base Sehr stark Stark Mittelstark Schwach Sehr schwach Stärke Indikatorfarbe 2x blau grün 2x O 2-2x OH - gelb orange H 2 O H 3 O + 2x Cl - rot HCl NH 3 NH 4 + Sehr schwach Sehr stark schwach stark mittel 4/4

22 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms phwert 1. Fähigkeit: Berechnung des ph-werts einer starken einprotonigen Säure bei gegebener Säurekonzentration. Achtung: Sinnvolle Mindestkonzentration von 10-6 mol/l, da sonst der Anteil der Oxoniumionen aus der Autoprotolyse des Wassers 10-7 mol/l dazu addiert werden müsste! Aufgabe a) Ermittle zunächst mit Hilfe des Programms den ph-wert einer verdünnten Salzsäure, die durch Einleiten von 0,25 Mol Chlorwasserstoffgas (pks = -7) in einen Liter Wasser hergestellt wurde. Ergänze anschließend die Lücken in der folgenden Berechnung: Lösung: Alle Säuren mit einem pks < ca. (Grenzwert s. Schulbuch) sind starke Säuren, die vollständig dissoziieren. Es gilt also: c(h3o + ) = c( ) = mol/l ph = -lg( ) ph = (mit dem Programm ermittelt) (s. Formelsammlung) (errechneter Wert) Auf meinem Taschenrechner muss ich zur Berechnung des ph-werts nacheinander die folgenden Tasten drücken: z.b.: log 0.25 = +/- Logarithmus Vorzeichenwechsel Aufgabe b) Versuche zunächst mit Hilfe des Programms den ph-wert einer verdünnten Salzsäure, mit einer Ausgangs Chlorwasserstoff-Konzentration von 10-8 mol/l zu ermitteln. Welcher ph-wert wird als Lösung angezeigt: ph = und welche Konzentration wird als Minimalkonzentration dafür automatisch eingesetzt: c= 1 mal 10 hoch mol/l Ergänze anschließend die Lücken in der folgenden Berechnung: Lösung: In reinem Wasser liegt auch ohne Säurezugabe bereits aufgrund der Autoprotoylse eine Oxoniumionenkonzentration von 10-7 mol/l vor. Dies entspräche einem ph-wert von: Es gilt also: [Hilfsformeln: a 10 b + c 10 b = (a+c) b 10 n = n+1 = n-1 Hilfsrechnung: = 0, ] c(h3o + ) = c(hcl) + = mol/l ph = -lg( ) ph = (nur errechneter Wert, im Programm nicht vorgesehen) Der ph-wert wird also nur ganz schwach also. Warum ist ein ph-wert von 8 hier als Lösung unsinnig? 1/5

23 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms phwert Auf meinem Taschenrechner muss ich zur Berechnung des ph-werts nacheinander die folgenden Tasten drücken: z.b.: log 1.1 EXP 7 +/- = +/- Logarithmus Vorzeichenwechsel 2. Fähigkeit: Berechnung des ph-werts einer starken mehrprotonigen Säure (bei der auch die beim ersten Deprotonierungsschritt entstandene einprotonige Säure immer noch stark ist, sonst läge eine Pufferlösung vor!). Aufgabe: Lösung: Ermittle zunächst mit Hilfe des Programms den ph-wert einer verdünnten Schwefelsäure- Lösung mit einer Konzentration von 0.25 mol/l. Die Schwefelsäure besitzt einen pks-wert von -3, das Hydrogensulfation einen pks-wert von 1,92. Ergänze anschließend die Lücken in der folgenden Berechnung: Alle Säuren mit einem pks < ca. (Grenzwert s. Schulbuch) sind starke Säuren, die vollständig dissoziieren. Es gilt also: Reaktionsgleichungen in der Summenformelschreibweise: - erster Protolyseschritt: zweiter Protolyseschritt: + + c(h3o + ) = 2 c( ) = mol/l ph = -lg( ) ph = (mit dem Programm ermittelt) (errechneter Wert) Bei Schwefelsäure-Konzentrationen von nahe 1 mol/l, also an der Grenze zwischen verdünnten Lösungen und konzentrierten Lösungen, verhält sich Schwefelsäure eher wie eine einprotonige Säure, der zweite Protolyseschritt findet dann nicht mehr statt. Statt des für eine Schwefelsäurekonzentration von 1 mol/l bei vollständiger zweistufiger Protolyse eigentlich zu erwartenden ph-werts von (s. Programm) liegt er also eher bei (s. Programm) wie dies bei einer einprotonigen Säure bei einer Konzentration von 1 mol/l zu erwarten ist. 2/5

24 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms phwert 3. Fähigkeit: Berechnung des ph-werts einer schwachen einprotonigen Säure bei gegebener Säurekonzentration. - Bei einer schwachen mehrprotonigen Säure findet ebenfalls nur ein Protolyseschritt statt. - Mittelstarke Säuren werden hier vereinfachend genau wie schwache Säuren behandelt. Aufgabe: Lösung: Ermittle zunächst mit Hilfe des Programms den ph-wert einer verdünnten Essigsäure mit einer Konzentration von 0,25 mol/l. Ergänze anschließend die Lücken in der folgenden Berechnung: Alle Säuren mit einem pks > ca. (Grenzwert s. Schulbuch) sind schwache (oder mittelstarke) Säuren, die weitgehend undissoziiert vorliegen, die Oxoniumionenkonzentration und der ph-wert hängen also von der Säurekonstante KS und der Konzentration (es ist ja ein Gleichgewicht!) ab nach der Näherungsformel: ph = 1 2 [ pk lg c HA S 0 ] (vgl. Formelsammlung) Reaktionsgleichungen in der Summenformelschreibweise: + + ph = 1 [ lg ] 2 ph = (mit dem Programm ermittelt) (errechneter Wert) 4. Fähigkeit: Berechnung der Oxoniumionenkonzentration bei bekanntem ph-wert. - Die Säurestärke und der pks-wert ist hierfür zunächst egal! - Nur im Falle einer starken Säure kann die Oxoniumionenkonzentration dann aber auch der Anfangs-Säurekonzentration gleichgesetzt werden. Aufgabe a) Der ph-wert einer verdünnten Salpetersäure (pks=-1,32) beträgt 1,4. Berechne die Oxoniumionenkonzentration. Lösung: c H 3 O + =10 ph c H 3 O + =10 c H 3 O + = Die Oxoniumionenkonzentration beträgt mol/l. Auf meinem Taschenrechner muss ich zur Berechnung der Oxoniumionenkonzentration nacheinander die folgenden Tasten drücken: 3/5

25 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms phwert z.b.: SHIFT log 1.4 +/- = Logarithmus mit Vorzeichenwechsel Überprüfen des Ergebnisses mit Hilfe des Programms: Starke und sehr starke Säure; Konzentration: 0.04 mal 10 hoch 0 Mol pro Liter ph-wert: Aufgabe b) Der ph-wert einer verdünnten Salpetersäure (pks=-1,32) beträgt 1,4. Berechne die Konzentration der eingesetzten Salpetersäure. Lösung: Bei starken Säuren gilt [vgl. erster Lösungsschritt von Aufgabe 1a)]: c HA =c H 3 O + Berechnung von c(h3o + wie in 4a): c HA = mol /l 5. Fähigkeit: Berechnung der Oxoniumionenkonzentration einer schwachen Säure. Aufgabe: Berechne die Oxoniumionenkonzentration in einer verdünnten Kohlensäure mit einer Konzentration von 0,02 mol/l. Der pks von Kohlensäure beträgt 6,52. Lösung: c H 3 O + = K S c HA 0 c H 3 O + = = mol/l Überprüfen des Ergebnisses mit Hilfe des Programms: mittelstarke und schwache Säure; Kohlensäure; Konzentration: 0.02 mal 10 hoch 0 Mol pro Liter ph-wert: 6. Fähigkeit: Berechnung der Anfangs-Konzentration einer schwachen Säure aus dem ph-wert. Aufgabe: Berechne die Konzentration von verdünnten Kohlensäure mit einem ph-wert von 4,1. Der pks von Kohlensäure beträgt 6,52. [Hinweis: Mehrprotonige schwache Säuren verhalten sich wie einprotonige schwache Säuren, es findet nur ein Protolyseschritt statt] Lösung: (1) c H 3 O + = K S c HA 0 aus ph = 1 2 [ pk S lg c HA 0 ] (s. Formelsammlung) (2) c H 3 O + 2 =K S c HA 0 (3) c HA 0 = c H 3 O + 2 K S (4) c H 3 O + =10 ph (5) pk S = lg K S (6) K S =10 pk S (4) und (6) in (3) c HA 0 = 10 ph 2 10 pk S 4/5

26 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewicht mit Hilfe des Lernprogramms phwert c HA 0 = = mol /l ########################## Ab hier weitgehend analog für die Basen ######################### 7. Fähigkeit: Berechnung des ph-werts (von Lösungen) starker Basen. - Prinzip: Berechnung des poh-werts wie bei starken Säuren, anschließend Berechnung des ph-werts nach: ph = 14 - poh Aufgabe: Berechne den ph-wert einer Lösung einer verdünnten Natronlauge mit einer Konzentration von 0,25 mol/l. Alle Alkalimetallhydroxide lösen sich vollständig in Wasser. Es gilt also: c(oh - ) = c( ) = mol/l poh = -lg( ) poh = ph = 14 - poh ph = 8. Fähigkeit: Berechnung des ph-werts (von Lösungen) schwacher Basen. - Prinzip: Berechnung des poh-werts wie bei schwachen Säuren, anschließend Berechnung des ph-werts nach ph = 14 - poh Aufgabe: Berechne den ph-wert einer Ammoniak-Lösung mit einer Konzentration von 0,25 mol/l. Der pks-wert des Ammoniumions beträgt 9,25. pks + pkb = 14 daraus folgt der pkb-wert der korrespondierenden Base Ammoniak beträgt 4,75. poh = 1 2 [ pk B lg c A- 0 ] poh = 1 [ lg ]= 2 ph = 14 - poh ph = 5/5

27 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 1/9 Vorher sollten die Übungsaufgaben zu den drei Lernprogrammen Protonierer, Acidbaser und phwert vollständig bearbeitet und möglichst auch verstanden worden sein! 1 Neutralisation 1.1 Ergänze die Lücken in der Tabelle und schreibe die vier im Programm darstellbaren Kombinationsmöglichkeiten A bis D jeweils als vollständigen Satz ins Heft nach dem Muster: A Titration von <Probelösung> mit <Maßlösung>... Titration von mit Probelösung Base Stark A Starke Säure Maßlösung Starke Base mit Schwach C mit Säure Stark B mit Schwach D mit 1.2 Gib an, welcher Säuretyp nach Anzahl der abgegebenen Protonen hier zur Vereinfachung im Programm nicht als Probelösung vorkommt: 1.3 Gib für die vier Kombinationsmöglichkeiten jeweils die Neutralisationsreaktion einmal nur als reine Säure-Base-Reaktion und ein zweites Mal mit allen beteiligten Ionen an und benenne die jeweils entstandene Salzlösung: A/B + + B1 S2 S1 B

28 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 2/9 C + + B1 S2 S1 B D + + B1 S2 S1 B Gib den Namen der Reaktion an, zu welcher die die bei allen vier Möglichkeiten vorkommende Neutralisationsreaktion die Umkehrreaktion darstellt. 1.5 Begründe genau mit Hilfe der Reaktionsgleichung der Neutralisationsreaktion, warum Wasser ein Ampholyt ist. 2 Maßanalyse/Volumetrie 2 Titriere nun mit Hilfe des Programms eine Salzsäure-Lösung als Probelösung mit unbekannter Konzentration mit Natronlauge einer Konzentration von 1 mol/l als Maßlösung (entspricht Fall B). Gib die Maßlösung Tropfen weise zur Probelösung hinzu, bis eine Farbänderung eintritt. Konzentriere Dich jetzt nur auf die Beobachtungen im Versuchsaufbauschema im rechten Feld des Programms. 2.1 Notiere die mit weiß (nur zur Kontrolle) sichtbare, zufällig für die Probelösung generierte Konzentration der Salzsäure: 2.2 Gib das gewählte Volumen der Probelösung an:

29 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 3/9 2.3 Welche Veränderung ist nach jedem Zutropf-Vorgang im Flüssigkeitsspiegel der Maßlösung in der Bürrette erkennbar? 2.4 Gib den Namen und die Farbe des Indikators zu Versuchsbeginn an: 2.5 Gib die Farbe des Indikators nach dem Farbumschlag an: 2.6 Gib direkt nach dem Farbumschlag das Volumen der verbrauchten Maßlösung an: 2.7 Ermittle direkt nach dem Farbumschlag mit Hilfe des Programms die Konzentration der Probelösung: 2.8 Berechne nun selbst die Konzentration der Probelösung mit Hilfe der Formel: c Maßlösung V Maßlösung =c Probelösung V Probelösung c Probelösung = c Maßlösung V Maßlösung V Probelösung mol /l ml c Probelösung = ml = mol /l 2.9 Vergleiche nun diesen errechneten Wert mit dem im Programm anfangs zufällig festgelegten Wert. Wie könnte man die Genauigkeit steigern? (Zwei Möglichkeiten!) 2.10 Den ph-wert, bei dem genau gleiche Mengen an Säure und Base miteinander reagieren, bezeichnet man als -punkt Im Falle der Titration von starken Basen mit starken Säuren (oder umgekehrt) liegt dieser ph- Wert bei man bezeichnet diesen Punkte dann auch als -punkt, da dann eine Salzlösung (z.b. -Lsg.) vorliegt Titriert man 20 Milliliter einer Schwefelsäure-Lösung unbekannter Konzentration (als Beispiel einer mehrprotonigen Säure, im Programm nicht vorgesehen) mit Natronlauge einer Konzentration von 1 mol/l als Maßlösung, so erfolgt bei einem zugetropften Volumen von 20 Milliliter der Farbumschlag des Indikators Bromthymolblau von Gelb nach Blau.

30 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 4/9 [Tipp: Wiederhole vorher die Aufgabe Nr. 2 aus den Übungsaufgaben zum ph-wert] H + Maß. c Maß. V Maß. = H + Prob. c Prob. V Prob. c Prob. = H + c Maß. V Maß. H + V Prob. 1 mol /l ml c Prob. = = mol/l 2 ml Die gesuchte Schwefelsäure-Konzentration der Probelösung beträgt mol/l Erweiterungsaufgabe Redoxtitration für's schriftliche Abitur E1 Bei der Titration von 10 ml Oxalsäure (HOOCCOOH) unbekannter Konzentration mit saurer Kaliumpermanganat (= KMnO 4)-Lösung (c(mno 4- ) = mol/l) ergibt sich ein Verbrauch von 32 Milliliter KMnO 4-Lösung. Berechne die Konzentration der Oxalsäure. [Notwendige Zusatzinfo - für eine komplizierte Redoxgleichung: Es entstehen farblose Mangan(II)-ionen sowie gasförmiges Kohlenstoffdioxid; - oder einfacher: 2 Permanganationen reagieren mit 5 Oxalsäure-Molekülen] OZ Maß. c Maß. V Maß. = OZ Prob. c Prob. V Prob. c Prob. = OZ Maß c Maß. V Maß. OZ Prob. V Prob. 5 mol /l ml c Prob. = = mol/l 2 ml Die gesuchte Oxalsäure-Konzentration der Probelösung beträgt mol/l. => Prinzipiell kann jede Reaktionsgleichung mit genau definierten Koeffizienten und einem gut sichtbaren Farbumschlag für die Maßanalyse verwendet werden. Neben Säure-Base-Reaktionen sind dies meist Redox-Reaktionen. Die Farbänderung kann durch einen extra hinzugegebenen (Säure-Base- oder Redox-)Indikator erfolgen oder auch durch einen der Ausgangs- oder Endstoffe! Ende Erweiterungsaufgabe

31 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 5/9 3 ph-werte und Titrationskurven 3 Führe im Programm alle vier Kombinationsmöglichkeiten durch und konzentriere Dich diesmal auf die im Diagramm angegebenen Veränderungen des ph-werts je nach zugetropftem Volumen. 3.1 Ordne den vier Diagrammen I bis IV die vier Kombinationsmöglichkeiten A bis D (vgl. 1.1) zu. ph K I ph II L N M ph R O P Volumen der zugebenen Maßlösung (s.o. 1.1: "mit...") in ml ph III IV W V ph S Q X T U Volumen der zugebenen Maßlösung (s.o. 1.1: "mit...") in ml 3.2 Gib mit Hilfe des Schulbuchs an, bei welchen der in den Diagrammen I bis IV eingezeichneten Punkte es sich um Äquivalenzpunkte handelt: 3.3 Ergänze mit Hilfe der Lösungen der Aufgabe 1.3 die folgende Tabelle: Kombinationsmöglichkeit Name der Salz-Lösung am Äquivalenzpunkt Lage des Äquivalenzpunkts im? Bereich Name des Ions, das als schwache? wirkt A B C D

32 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 6/9 3.4 Trage in die Diagramme I bis IV aus Aufgabe 3.1 die Umschlagsbereiche der folgenden Indikatoren ein (erst Grenzen mit Feineliner ziehen, dann flächige Schraffur mit Buntstift). Kombinationsmöglichkeit In Diagramm Indikatoren A I Bromtyhmolblau (6,0-7,6) gelb(sauer)-blau(alkalisch) B II Bromtyhmolblau (6,0-7,6) gelb(sauer)-blau(alkalisch) C III Methylorange (3,1-4,4) rot(stärker sauer)-gelb(schwächer sauer/alkalisch) D IV Phenolphthalein (8,2-10) farblos(sauer/schwach alkalisch)-pink(stärker alkalisch) Lage des Äquivalenzpunkts im? Bereich 3.5 Kreuze in der Tabelle für die angegebenen Punkte Zutreffendes an: I II III IV K L M N O P Q R S T U V W X Äquivalenzpunkt o o o o o o o o o o o o o o Halbäquivalenzpunkt o o o o o o o o o o o o o o ph-wert der reinen Probelösung ph-wert am Äquivelanzpunkt ph-wert am Halbäquivalenzpunkt o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 3.6 Gib für die angegebenen Punkte die allgemeine mathematische Formel an, nach welcher an dieser Stelle der ph-wert berechnet werden kann (vgl. Formelsammlung). M: (K analog) O: (T analog) U: (P analog)

33 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 7/9 3.7 Berechne den ph-wert einer 0,5 molaren Natriumacetat-Lösung, wie sie z.b. am Äquivalenzpunkt einer Titration von Essigsäure mit Natronlauge entsteht, wenn die Essigsäure- Ausgangskonzentration ebenfalls 0,5 mol/l betragen hat. (pk B des Acetations = 9,25 = 14-4,75) ph = [ pk B lg { c CH 3 COO - o } ] ph =14 1 [ 9,25 lg { 0,5} ] = 2 Vergleiche diesen Wert mit dem im Programm für eine ähnliche Essigsäure- Ausgangskonzentration ermittelten Wert am Äquivalenzpunkt. 3.8 Berechne den ph-wert am Halbäquivalenzpunkt, wenn zu 0,5 mol Essigsäure in der Probelösung insgesamt 0,25 mol (also die Hälfte) Natronlauge hinzugefügt wurde. (pk S der Essigsäure = 4,75 = 14-9,25) ph = pk S lg { c CH 3COO - GG c CH 3 COOH G G } ph =4,75 lg { 0,25 0,25 }= Am Halbäquivalenzpunkt ist das Verhältnis der schwachen Base und der schwachen Säure also : =, der Logarithmus von 1 = 0, daher gilt dort allgemein: ph = 3.9 Ergänze im Diagramm auf Seite 8 die Kurve für die Titration von 10 Milliliter Essigsäure (pk S=4,75) mit Natronlauge (beide c=1 mol/l) gemäß der folgenden Überlegungen: [Dies entspricht Diagramm bzw. Kombinationsmöglichkeit aus Aufgabe 3.1.] a) Schnittpunkt mit der y-achse bei x=0: Der ph-wert der reinen Essigsäure als Säure ist: [vgl. Punkt T] ph = 1 2 [ pk S lg { c CH 3 COOH o } ]= b) Äquivalenzpunkt: [vgl. Punkt V] x-koordinate: Volumen der benötigten Maßlösung c Maßlösung V Maßlösung =c Probelösung V Probelösung V Maßlösung = c Probelösung V Probelösung c Maßlösung mol /l ml = mol /l y-koordinate: ph-wert, der aus der Reaktion der Acetationen mit Wasser resultiert (Anteile enthaltener Ionen: Essigsäure-Moleküle 0%; Acetationen 100%; vollständige Neutralisation) = ml

34 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 8/9 ph = [ pk B lg { c CH 3 COO - o } ] pk B =14 pk S =14 = ph =14 1 [ lg { }] = 2 c) Halbäquivalenzpunkt: [vgl. Punkt U] x-koordinate: Volumen der benötigten Maßlösung V Maßlösung Halbäquivalenzpunkt = 1 2 V Maßlösung Äquivalenzpunkt = ml y-koordinate: (Anteile enthaltener Ionen: Essigsäure-Moleküle 50%; Acetationen 50%; beide gleich) ph = pk S = (vgl. Henderson-Hasselbalch-Gleichung, s. Formelsammlung) ph d) Steigung am Äquivalenzpunkt: Nahezu senkrecht (90 ) => Sprunghafter ph-anstieg, Farbumschlag e) Steigung am Halbäquivalenzpunkt: Nahezu waagrecht (0 ) => Pufferbereich: Die Zugabe der Maßlösung bewirkt in diesem Bereich nur einen sehr Anstieg 0 V [ml]

35 Übungsaufgaben zum Kapitel Protolysegleichgewichte mit Hilfe des Lernprogramms Titrierer 9/9 4 Pufferlösungen 4.1 Kennzeichne im Diagramm von Aufgabe 3.9 den Pufferbereich mit Orange (Grenzen mit Feinliner, Fläche schraffieren mit Buntstift). Der Pufferbereich erstreckt sich ungefähr von einem ph-wert von pk S-1 bis pk S+1 Wenn der Äquivalenzpunkt hier nach 10 ml erreicht ist, erstreckt sich der Pufferbereich also von ca. 1 ml bis 9 ml. 4.2 In der Tabelle sind einige Puffer sowie Indikatoren aufgeführt. Ergänze den jeweiligen Pufferbereich. Name des Puffers Säure korrespondierende Base pk S der Säure Pufferbereich Glycin-Puffer Glycin Glycin-Anion 9,7 Ammoniak-Puffer Ammoniumion Ammoniak 9,25 TRIS-Puffer TRIS/H + TRIS 8,2 Phosphatpuffer Dihydrogenphosphation Hydrogenphosphation 6,8 Essigsäure-Puffer (= Acetatpuffer) Ethansäure (= Essigsäure) TRIS=Tris(hydroxymethyl)-aminomethan Acetation (= Essigsäureanion) 4, Es soll ein Puffer mit dem ph-wert 4,75 hergestellt werden. Dazu wurden in zwei Versuchen V1 und V2 zwei Lösungen hergestellt. a) Berechne jeweils den ph-wert der beiden Pufferlösungen. Anschließend wurde zu beiden Lösungen 5 ml 1 molare Natronlauge hinzugegeben. b) Berechne jeweils den nun zu erwartenden ph-wert. V1 10 ml 1 molare Ethansäure und 5 ml 1 molare Natronlauge V2 10 ml 0,5 molare Ethansäure und 5 ml 0,5 molare Natronlauge a) ph-wert der Pufferlösung: b) ph-wert nach Zugabe von 5 ml 1 molare NaOH: [Tipp: Es liegen jetzt äquivalente Mengen vor] [Tipp: Wie viel überschüssige Natronlauge kann nicht mehr abgepuffert werden und bestimmt alleine den ph-wert?] c) Welche Folgerung ergibt sich für die Pufferkapazität beider Lösungen? Je höher die (max 1 mol/l bei verdünnten Lösungen), desto die Pufferkapazität.

36 Übungsaufgaben zum Kapitel Elektronenübergänge mit Hilfe des Lernprogramms Oxidaser Tipp: Hinweis: Vergleiche auf der KGA-Chemie-Unterrichtsmaterialseite im Lehrplankapitel C 10.3 Elektronenübergänge - mit dem Arbeitsheft Elektronenübergänge Diese Übungsaufgaben werden meist nicht als Kopie ausgeteilt, sie können aber jederzeit heruntergeladen werden. Daher müssen nur die Lösungen zu jeder Aufgabe ins Schulheft mitgeschrieben werden. 1. Fähigkeit: Aufstellen einfacher Redoxgleichungen (Regeln: Vgl. Arbeitsheft Redoxreaktionen = Arbeitsheft Elektronenübergänge, Seite 2-6) Ergänze die Lücken in folgender Tabelle und übernehme den Merksatz ins Heft: Reaktionstyp Redm1 Oxm2 Summenformel-Gesamtgleichung der Redoxreaktion in der Reihenfolge: Redm1 + Oxm2 Oxm1 + Redm2 Salzbildung Zink Brom Natrium Chlor Verdrängung von Nichtmetallionen mit Nichtmetallen Iodidionen Iodidionen Brom Chlor Bromidionen Chlor Verdrängung von Metallkationen mit Metallen Zink Zink Kupfer(II)- ionen Silber(I)- ionen - Bei einer Salzbildung wird ein mit einem oxidiert. - Bei einer Verdrängung von Nichtmetallionen mit Nichtmetallen wird ein mit einem oxidiert. - Bei einer Verdrängung von Metallkationen mit Metallen wird ein mit einem oxidiert. 1/3