Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie LK · Nachtermin 2021

Aufgabenstellung: Chlorung von Schwimmbadwasser und mögliche Folgen

Fachspezifische Vorgaben

Schwimmbadwasser wird aus hygienischen Gründen z. B. durch Chlorung desinfiziert, wofür unter anderem zwei Verfahren in Frage kommen.

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 $n(\mathrm{Cl_2}) = 4{,}0 \cdot 10^{-6}\ \mathrm{mol}$ 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.

Eine Überlegung ist es, das Durchflusselektrolyse-Verfahren auch in Meerwasser-Schwimmbädern zur Desinfektion zu nutzen. Meerwasser enthält neben Natrium- und Chlorid-Ionen auch nennenswerte Anteile an Magnesium- und Sulfat-Ionen.

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 niederschlugen.

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.

Zudem förderten die Chlorid-Ionen im Elektrolytfilm die elektrochemischen Prozesse. Ein im Folgenden dargestellter Versuch konnte dies demonstrieren.

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.

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

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

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 $E^0$

$\mathrm{Na / Na^+}$ · $E^0 = -2{,}71\ \mathrm{V}$

$\mathrm{Mg / Mg^{2+}}$ · $E^0 = -2{,}36\ \mathrm{V}$

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

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

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

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

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

$\mathrm{Cl^- / Cl_2}$ · $E^0 = +1{,}36\ \mathrm{V}$

$\mathrm{SO_4^{2-} / S_2O_8^{2-}}$ · $E^0 = +2{,}01\ \mathrm{V}$

1.

Erklären Sie mithilfe von Oxidationszahlen, warum es sich bei den Reaktionen (I) und (II) im Verfahren A jeweils um eine Redoxreaktion handelt. Skizzieren Sie die Elektrolysezelle des Durchflusselektrolyse-Verfahrens und die darin ablaufenden Elektrolyseprozesse. Geben Sie dazu die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung der elektrochemischen Reaktion sowie die Mindestzersetzungsspannung unter Standardbedingungen an. [18 Punkte]

2.

Berechnen Sie die theoretisch erforderliche Stromstärke, damit bei der Durchflusselektrolyse mit einem Durchfluss von 10 Litern Schwimmbadwasser pro Minute je Liter Schwimmbadwasser $2 \cdot 10^{-6}\ \mathrm{mol}$ Chlor zusätzlich gebildet werden. Begründen Sie, weshalb die Durchflusselektrolyse eine umweltfreundliche Methode zur Desinfektion von Wasser ist. Beurteilen Sie anhand der möglichen und der tatsächlich entstehenden Elektrolyseprodukte der genannten Ionen, ob sich das Durchflusselektrolyse-Verfahren auch in Meerwasser-Bädern einsetzen lässt. [16 Punkte]

3.

Deuten Sie die im Versuch gemachten Beobachtungen. Geben Sie die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung der im Versuch ablaufenden Reaktionen an. Entwickeln Sie begründet zwei Abwandlungen des Versuchs zur Sauerstoffkorrosion, mit denen sich mögliche Korrosionsschutzmaßnahmen für Eisen untersuchen lassen. [16 Punkte]

4.

Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die beschriebene Entstehung von Eisen(II)-chlorid und dessen anschließende Umsetzung zu Rost an. Erläutern Sie, wie die dabei gebildete Salzsäure die Korrosion weiter voranschreiten lässt. Beurteilen Sie die Korrosion durch Chlor und die durch Sauerstoff im Hinblick auf das Fortschreiten der Schädigung des Baustahls. [16 Punkte]