Aufgabe 2 · Abitur NRW Chemie GK · Das Döbereiner-Feuerzeug – eines de 2026

2 Material

Material 1: Döbereiner-Feuerzeug [1], [2]

Im Jahre 1823 stellte Döbereiner fest, dass feinverteiltes Platin in der Lage ist, ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch bei Raumtemperatur zur Reaktion zu bringen. Mit dieser Entdeckung eröffnete Döbereiner ein neues Forschungsfeld für die Chemie und die Physik - die Katalyse.

Das Döbereiner-Feuerzeug besteht aus einem zylinderförmigen Glas, welches mit verdünnter Schwefelsäure gefüllt ist. In dem Gefäß hängt eine nach unten offene Glasglocke (je nach Bauart mit unterschiedlichem Fassungsvermögen), in deren Innenraum ein Stück Zink mit einem Draht befestigt ist. Die Glasglocke ist mit einem Hahn verschlossen. Direkt gegenüber diesem befindet sich ein Platinschwamm (feinverteiltes Platin), welcher beim Betrieb des Feuerzeugs als Katalysator wirkt. Wird der Hahn geöffnet, kommt das Zink mit der sauren Lösung in Berührung und es entwickelt sich Wasserstoff (Reaktion 1). Dieser strömt zur Öffnung, kommt in Kontakt mit dem Platinschwamm und reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft (Reaktion 2). Dabei wird der Platinschwamm zum Glühen gebracht und der nachströmende Wasserstoff entzündet sich.

Standardbildungsenthalpie von Wasserdampf (bei $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$):

$$\Delta_{\text{f}}H^\circ = -241{,}83\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

Material 2: Schematische Darstellung der Vorgänge an der Platin-Oberfläche [3]

Material 3: Modellexperiment zum Döbereiner-Feuerzeug

In einem Modellexperiment wird der Einfluss der Stoffmengenkonzentration einer sauren Lösung auf die Reaktionsgeschwindigkeit untersucht. Dazu wird jeweils die gleiche Masse an Zink mit Salzsäure unterschiedlicher Stoffmengenkonzentrationen ($c_1 = 0{,}1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$, $c_2 = 0{,}01\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$) versetzt.

2.1

Berechnen Sie für die Reaktion 1 die Masse an Zink (bei einem Druck von 101,325 kPa und einer Temperatur von 298,15 K), die im Laufe eines Jahres verbraucht wird, um eine Glasglocke mit 150 mL Fassungsvermögen einmal täglich mit Wasserstoff zu befüllen (M 1).

2.2

Analysieren Sie die Inhaltsstoffe des Döbereiner-Feuerzeugs unter dem Aspekt der Einsatzdauer und Wiederverwendbarkeit (M 1).