Aufgabe 2 - Gibbs-Helmholtz-Gleichung · Abitur NRW Chemie LK · Wasserstoffperoxid 2025

Im Haushalt kann dreiprozentige Wasserstoffperoxid-Lösung u. a. als Desinfektions- und Reinigungsmittel eingesetzt werden. Regelmäßige Qualitätskontrollen sind nötig, da diese Lösungen nicht beständig sind.

Material 1: Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid neigt dazu, in einer exothermen Reaktion leicht in Sauerstoff und Wasser zu zerfallen.

Material 2: Spezielle Redoxreaktionen

Synproportionierung und Disproportionierung sind Spezialfälle der Redoxreaktionen. Bei der Synproportionierung wird aus einer höheren und einer niedrigeren Oxidationsstufe einer Atomsorte in den Edukten eine mittlere Oxidationsstufe in den Produkten gebildet. Bei der Disproportionierung wird aus einer mittleren Oxidationsstufe einer Atomsorte in den Edukten eine höhere und eine niedrigere Oxidationsstufe in den Produkten gebildet.

Material 3: Konzentrationsbestimmung einer Wasserstoffperoxid-Lösung

Die Konzentrationsbestimmung einer angesäuerten Wasserstoffperoxid-Lösung kann durch eine Redoxtitration mit Kaliumpermanganat-Lösung erfolgen.

Die dieser Analyse zugrunde liegende Reaktion wird durch die nachfolgende chemische Gleichung in Ionenschreibweise beschrieben:

$$2\,\mathrm{MnO}_4^- + 5\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}_2 + 6\,\mathrm{H}_3\mathrm{O}^+ \rightleftharpoons 2\,\mathrm{Mn}^{2+} + 14\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} + 5\,\mathrm{O}_2$$

Die Permanganat-Ionen verursachen einen violetten Farbton der Lösung und Mangan(II)-Ionen einen schwach rosafarbenen bis farblosen Farbton. Wasserstoffperoxid-Lösung ist farblos.

Für das Ansäuern wird der Einsatz von Schwefelsäure anstatt Salzsäure vorgeschrieben.

Tab. 1: Standardpotenziale relevanter Redoxpaare [1] Redoxpaar · Standardpotenzial $E^\circ$ in Volt

$\mathrm{O_2|H_2O_2}$ · $1{,}21$ ($\mathrm{pH} = 0$)

$\mathrm{Cl_2|2\,Cl^-}$ · $1{,}36$

$\mathrm{MnO_4^-|Mn^{2+}}$ · $1{,}51$ ($\mathrm{pH} = 0$)

$\mathrm{S_2O_8^{2-}|SO_4^{2-}}$ · $2{,}01$

Material 4: Schülerexperiment zur Bestimmung des Massenanteils an Wasserstoffperoxid

Im Handel vertriebene Wasserstoffperoxid-Lösung zur Desinfektion beinhalten in der Regel laut Hersteller einen Massenanteil an Wasserstoffperoxid von $w = 3\,\%$.

Für die quantitative Analyse einer im Handel gekauften und über längere Zeit gelagerten Wasserstoffperoxid-Lösung wurden $10\,\mathrm{mL}$ dieser Lösung entnommen und mit destilliertem Wasser auf $100\,\mathrm{mL}$ verdünnt (Analysen-Lösung).

Geräte:

Weithalserlenmeyerkolben ($V = 200\,\mathrm{mL}$ bis $V = 300\,\mathrm{mL}$)

Vollpipette ($V = 10\,\mathrm{mL}$) mit Pipettierhilfe

Bürette mit Stativmaterial

Messzylinder ($V = 10\,\mathrm{mL}$)

Chemikalien:

Kaliumpermanganat-Lösung als Maßlösung ($c = 0{,}02\,\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}}$)

Schwefelsäure-Lösung ($w \approx 20\,\%$)

Wasserstoffperoxid-Lösung als Analysen-Lösung

dest. Wasser

Durchführung:

Entnehmen Sie der vorbereiteten Analysen-Lösung $10\,\mathrm{mL}$ und säuern Sie diese mit ca. $5\,\mathrm{mL}$ der bereitgestellten Schwefelsäure-Lösung an. Füllen Sie das Gemisch mit destilliertem Wasser auf ca. $100\,\mathrm{mL}$ auf.

Titrieren Sie diese Lösung mit der zur Verfügung stehenden Kaliumpermanganat-Lösung bis zum bleibenden Farbumschlag.

Führen Sie mindestens zwei Titrationen durch.

Hinweis zur Auswertung: Gehen Sie bei Ihren Berechnungen davon aus, dass die Dichte der für die Analyse hergestellten Wasserstoffperoxid-Lösung $\rho \approx 1\,\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mL}}$ beträgt.

[1] Haynes, W., Lide, D. R. & Bruno, T. J. (2014). CRC Handbook of Chemistry and Physics (95. Aufl.). Taylor & Francis.

2.

Begründen Sie anhand der Gibbs-Helmholtz-Gleichung, dass der Zerfall von Wasserstoffperoxid unabhängig von der Temperatur exergonisch verläuft (M 1).