Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie GK · Nachtermin 2021

Aufgabenstellung: Chlorung von Schwimmbadwasser und mögliche Folgen

Fachspezifische Vorgaben

Um Schwimmbadwasser aus hygienischen Gründen zu desinfizieren, wird es unter anderem gechlort; dafür stehen u. a. zwei Verfahren zur Verfügung.

Verfahren A: Zugabe von gasförmigem Chlor

Bei diesem Verfahren wird dem Wasser mit Überdruck gasförmiges Chlor zugegeben. Gelöstes Chlor reagiert in einer Gleichgewichtsreaktion mit Wasser und bildet Salzsäure und hypochlorige Säure (HClO), welche aufgrund ihres hohen Oxidationsvermögens die Desinfektion im Wasser bewirkt:

$$\mathrm{Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO} \quad \text{(I)}$$

Die hypochlorige Säure zerfällt zudem in Schwimmbadwasser nach:

$$\mathrm{2\,HClO \rightleftharpoons 2\,HCl + O_2} \quad \text{(II)}$$

Daher muss eine ständige Nachdosierung erfolgen. Für eine ausreichende Desinfektion müssen $n(\mathrm{Cl_2}) = 4{,}0 \cdot 10^{-6}\text{ mol}$ je Liter Schwimmbadwasser gelöst werden.

Verfahren B: Durchflusselektrolyse

Die Durchflusselektrolyse wird als umweltfreundliche Methode eingesetzt. Hierbei wird leicht kochsalzhaltiges Wasser, $w(\mathrm{NaCl}) = 0{,}4\,\%$, in einer Wasserleitung durch eine nach beiden Seiten offene Elektrolysezelle geleitet. Unter Einwirkung eines Elektrolysestroms entsteht an einer der Elektroden Chlor, das gemäß (I) in wässriger Lösung ein Gleichgewicht ausbildet. An der zweiten Elektrode entstehen Wasserstoffgas und Hydroxid-Ionen.

Korrosion von Baustahl

Die korrodierende Wirkung des Schwimmbadwassers führte 1985 in der schweizerischen Gemeinde Uster zum Einsturz einer mit Baustahl befestigten Decke innerhalb eines Schwimmbads. Grund hierfür waren die hohe Luftfeuchtigkeit und Aerosole des Schwimmbadwassers, die sich immer wieder als Elektrolytfilm auf dem Baustahl abschieden.

Das gelöste Chlor im Elektrolytfilm reagierte mit dem Eisen des Baustahls zu Eisen(II)-chlorid ($\mathrm{FeCl_2}$). Das Eisen(II)-chlorid reagierte anschließend mit Wasser und gelöstem Sauerstoff zu Rost (Eisen(III)-oxidhydroxid, $\mathrm{FeO(OH)}$) und Salzsäure, was die Korrosion des Eisens weiter fortschreiten ließ.

Versuche zur Sauerstoffkorrosion

1. In einem ersten Versuchsansatz wurde in ein U-Rohr mit ionendurchlässiger Glasfritte der eine Schenkel mit abgekochtem, nicht sauerstoffhaltigem Wasser befüllt, in das einige Kristalle Kaliumhexacyanoferrat(III) gegeben wurden. In die gelbe Lösung wurde ein frisch geschmirgelter Eisennagel als Elektrode getaucht.

Der zweite Schenkel wurde mit sauerstoffhaltigem Wasser befüllt, das mit einigen Tropfen Phenolphthalein-Lösung versetzt wurde. In die farblose Lösung wurde eine Grafitelektrode getaucht.

Beide Elektroden wurden über ein Amperemeter elektrisch leitend miteinander verbunden.

Am Eisennagel war eine Blaufärbung zu beobachten.

In der Nähe der Grafitelektrode kam es zu einer rosaroten Färbung.

2. In einem zweiten Versuchsansatz wurde der Nagel aus dem ersten Versuchsansatz so mit einem Stück Magnesiumband umwickelt, dass dieses elektrisch leitend mit dem Nagel verbunden ist und in die Lösung eintaucht.

Die Blaufärbung am Eisennagel blieb hierbei aus, die rosarote Färbung an der Grafitelektrode war weiterhin zu beobachten.

Zusatzinformationen und Daten

Baustahl ist ein preisgünstiger Stahl, der nur eine geringe Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Kaliumhexacyanoferrat(III) ist ein Nachweisreagenz, das bei Blaufärbung Eisen(II)-Ionen anzeigt.

Phenolphthalein ist ein Säure-Base-Indikator, der durch rosarote Färbung alkalische Lösungen anzeigt.

Elektronegativitäten nach Pauling: $EN(\mathrm{O}) = 3{,}44$, $EN(\mathrm{Cl}) = 3{,}16$, $EN(\mathrm{H}) = 2{,}2$

Faraday-Gesetz: $Q = I \cdot t = n \cdot F \cdot z$, mit $F = 96485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Tabelle 1: Gefahrenmerkmale ausgewählter Stoffe und Zubereitungen

Stoff

Gefahrenmerkmale

Chlorgas

Giftiges und oxidierend wirkendes Gas mit Reizwirkung auf Haut und Augen. Gewässergefährdend.

Natriumchlorid

Keine Gefahrenmerkmale.

Tabelle 2: Redoxpotentiale bei Standardbedingungen

Korrespondierendes Redoxpaar

Standard-Redoxpotential $E^0$

$\mathrm{Na / Na^+}$ · $-2{,}71\text{ V}$

$\mathrm{Mg / Mg^{2+}}$ · $-2{,}36\text{ V}$

$\mathrm{H_2, OH^- / H_2O}$ · $-0{,}83\text{ V}$

$\mathrm{Fe / Fe^{2+}}$ · $-0{,}41\text{ V}$

$\mathrm{H_2, H_2O / H_3O^+}$ · $0{,}00\text{ V}$

$\mathrm{OH^- / O_2, H_2O}$ · $+0{,}40\text{ V}$

$\mathrm{Cl^-, OH^- / ClO^-, H_2O}$ · $+0{,}89\text{ V}$

$\mathrm{Cl^- / Cl_2}$ · $+1{,}36\text{ V}$

1.

Erklären Sie mithilfe von Oxidationszahlen, warum es sich bei den Reaktionen (I) und (II) in Verfahren A jeweils um eine Redoxreaktion handelt. Skizzieren Sie die Elektrolysezelle der Durchflusselektrolyse und die in ihr ablaufenden elektrochemischen Vorgänge. Geben Sie dazu die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung der elektrochemischen Reaktion an.

[22 Punkte]

2.

Ermitteln Sie für die Durchflusselektrolyse die Mindestzersetzungsspannung unter Standardbedingungen. Berechnen Sie die theoretisch erforderliche Stromstärke, damit bei einem Durchfluss von 10 Litern Schwimmbadwasser pro Minute je Liter Schwimmbadwasser $2 \cdot 10^{-6}\text{ mol}$ Chlor zusätzlich gelöst werden. Begründen Sie, weshalb die Durchflusselektrolyse eine umweltfreundliche Methode zur Desinfektion von Wasser darstellt.

[18 Punkte]

3.

Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die geschilderte Entstehung von Eisen(II)-chlorid am Baustahl sowie für die anschließende Reaktion zu Rost an. Deuten Sie die Beobachtungen beim Versuch zur Sauerstoffkorrosion unter Angabe von Teil- und Gesamtreaktion. Begründen Sie, warum die Blaufärbung am Eisennagel im zweiten Versuchsansatz ausbleibt.

[20 Punkte]