Aufgabe Modul E - 5.1 · Abitur Hessen Chemietechnik LK 2021

Zeolith A ist ein festes Alumosilikat, das sich aus gleichen Anteilen an $\text{SiO}_4$- und $\text{AlO}_4$-Einheiten zusammensetzt. Die Einheiten sind so miteinander verbunden, dass sich eine Struktur mit Kanälen und Hohlräumen ergibt, die eine große Oberfläche aufweist. Durch das Ladungsverhältnis von Sauerstoffatomen zu Aluminiumatomen ist das Gerüst negativ aufgeladen. Durch das Einlagern einer entsprechenden Anzahl an Natrium-Kationen wird erreicht, dass Zeolith A nach außen hin neutral ist.

Zeolith A wird bevorzugt in Waschmitteln eingesetzt und wirkt hier als Ionenaustauscher. Dabei werden die eingelagerten Natrium-Kationen durch Calcium-Kationen aus dem Waschwasser ausgetauscht. Dies ist notwendig, da die Calcium-Ionen ansonsten mit den waschaktiven Substanzen schwerlösliche Verbindungen bilden, die sich als Grauschleier auf der Kleidung niederschlagen. Für ein optimales Waschergebnis ist daher am besten weiches, calciumarmes Wasser geeignet.

Material 10

Fotometrische Analyse zur Bestimmung des Calcium-Gehalts eines Wassers

Herstellung der Kalibrierlösungen

Für die Herstellung der Stammlösung (SL) werden zunächst $2{,}946\,\text{g}$ Calciumnitrat Tetrahydrat ($\text{Ca(NO}_3)_2 \cdot 4\,\text{H}_2\text{O}$) abgewogen und mit demineralisiertem Wasser im Messkolben auf $500\,\text{mL}$ aufgefüllt.

Für die Kalibrierlösungen werden die in der Tabelle angegebenen Volumina an SL abgenommen und im $100\,\text{mL}$ Messkolben mit demineralisiertem Wasser aufgefüllt.

Vorbereitung der fotometrischen Messung

Von der Wasserprobe (PL) sowie von den Kalibrierlösungen (KL) werden jeweils $1\,\text{mL}$ entnommen, in eine verschließbare Küvette gegeben und mit $1\,\text{mL}$ Reagenzlösung 1 versetzt. Man schüttelt die Küvetten und lässt sie 3 Minuten stehen (Reaktionszeit). Danach wird in jede Küvette jeweils $1\,\text{mL}$ der Reagenzlösung 2 gegeben und wiederum geschüttelt.

Eine Blindprobe wird analog hergestellt.

Die Reagenzlösungen dienen zur Ausbildung eines pH-Wertes von 7,5 und enthalten eine Substanz, die zusammen mit den Calcium-Ionen eine violette Verbindung bildet.

Fotometrische Messung

Alle Küvetten werden im Fotometer bei einer Messwellenlänge von $570\,\text{nm}$ gemessen. Man erhält die folgenden Daten.

Messlösung · $V_{\text{SL}}$ in mL · $E$

KL 1 · 1 · 0,065

KL 2 · 5 · 0,250

KL 3 · 10 · 0,484

KL 4 · 15 · 0,744

KL 5 · 20 · 0,988

PL · – · 0,305

Material 11

Härtebereiche von Wasser in Bezug auf die Konzentration an Calcium-Ionen

Härtebereich · $\beta(\text{Ca}^{2+})\text{ in }\frac{\text{mg}}{\text{L}}$ · Grad deutscher Härte

°dH

1 (weich) · < 52 · < 7,3

2 (mittel) · 52 – 100 · 7,3 – 14

3 (hart) · 100 – 152 · 14 – 21,3

4 (sehr hart) · > 152 · > 21,3

geändert nach: https://www.chemie.de/lexikon/Wasserh%C3%A4rte.html (abgerufen am 26.04.2020).

Material 12

Reaktionsgleichung für die Synthese von Zeolith A

$$12\,\text{Al(OH)}_3 + 12\,\text{Si(OH)}_4 + 12\,\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_{12}((\text{AlO}_2)_{12}\,(\text{SiO}_2)_{12}) + 48\,\text{H}_2\text{O}$$

Zeolith A

$$M = 2191\,\frac{\text{g}}{\text{mol}}$$

5.1 Leitungswasser wurde einer Behandlung mit Zeolith A unterzogen. Nun wird die Effektivität des Ionenaustausches anhand des Gehalts an Calcium-Ionen im Wasser durch eine fotometrische Analyse überprüft.

Ermitteln Sie die Massenkonzentration $\beta(\text{Ca}^{2+})$ in $\text{mg/L}$ aus den Angaben in Material 10 und beurteilen Sie die Effektivität des Ionenaustausches anhand der Angaben in Material 11. (6 BE)

a)

b)