Aufgabe 2: Blausäure – schwache Säure, starkes Gi… · Abitur NRW Chemie GK · Haupttermin 2021

1a) Reaktionsgleichung für die Protolyse von Blausäure in Wasser:

Lösung: $\text{HCN} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CN}^- + \text{H}_3\text{O}^+$

1b) Erläuterung nach Brönsted (Säure/Base, korrespondierende Paare, Protonendonator/-akzeptor):

Lösung: Blausäure ist eine Säure (Protonendonator), Wasser fungiert als Base (Protonenakzeptor). Korrespondierende Säure-Base-Paare sind $\text{HCN} / \text{CN}^-$ und $\text{H}_3\text{O}^+ / \text{H}_2\text{O}$.

1c) Reaktionsgleichung der Titrationsreaktion mit Natronlauge:

Lösung: $\text{HCN} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCN} + \text{H}_2\text{O}$ / $\text{HCN} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CN}^- + \text{H}_2\text{O}$

1d) Berechnete Massenkonzentration $\beta(\text{HCN})$ in der untersuchten Probe:

Lösung: $0{,}053\ \text{g/L}$ / $53\ \text{mg/L}$

1e) Bewertung des Gefährdungspotentials bei Einleitung des Abwassers in ein Gewässer:

Lösung: Mit rund $53\ \text{mg/L}$ ist die Konzentration deutlich höher als der kritische Grenzwert für Fische von $1\ \text{mg/L}$. Es besteht eine akute Gefährdung der Wasserorganismen.

1f) Erläuterung des alkalischen pH-Wertes am Äquivalenzpunkt (inkl. Reaktionsgleichung mit Wasser):

Lösung: Am Äquivalenzpunkt liegt Natriumcyanid vor. Das Cyanid-Ion ist die korrespondierende Base der sehr schwachen Blausäure und reagiert mit Wasser alkalisch: $\text{CN}^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCN} + \text{OH}^-$. Die gebildeten Hydroxid-Ionen bewirken den alkalischen pH-Wert.

2a) Reaktionsgleichung für die industrielle Herstellung (Andrussow-Verfahren):

Lösung: $2\ \text{CH}_4 + 2\ \text{NH}_3 + 3\ \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{HCN} + 6\ \text{H}_2\text{O}$

2b) Untersuchung auf Redoxreaktion unter Angabe der Oxidationszahlen:

Lösung: Es handelt sich um eine Redoxreaktion. Der Kohlenstoff in Methan (Oxidationszahl $-\text{IV}$) wird zum Kohlenstoff in Blausäure ($+\text{II}$) oxidiert. Der Sauerstoff in $\text{O}_2$ (Oxidationszahl $0$) wird zum Sauerstoff im Wasser ($-\text{II}$) reduziert. Stickstoff ($-\text{III}$) und Wasserstoff ($+\text{I}$) behalten ihre Oxidationszahlen.

2c) Reaktionsgleichung für die In-situ-Herstellung von Blausäure:

Lösung: $\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaCN} \rightleftharpoons \text{NH}_3 + \text{HCN} + \text{NaCl}$

2d) Begründung für das Vorliegen einer Säure-Base-Reaktion bei der In-situ-Herstellung:

Lösung: Das Ammonium-Ion ($\text{NH}_4^+$) fungiert als Säure (Protonendonator) und korrespondiert mit der Base Ammoniak ($\text{NH}_3$). Das Cyanid-Ion ($\text{CN}^-$) fungiert als Base (Protonenakzeptor) und korrespondiert mit der Säure $\text{HCN}$. Da ein Proton übertragen wird, liegt eine Säure-Base-Reaktion vor.

3a) Reaktionsgleichung für die Freisetzung von Blausäure durch Kohlensäure:

Lösung: $\text{CN}^- + \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{HCN} + \text{HCO}_3^-$

3b) Erläuterung der Freisetzung anhand der Säurestärken ($\text{p}K_\text{S}$-Werte bzw. Gleichgewichtslage):

Lösung: Kohlensäure ist mit $\text{p}K_\text{S} = 6{,}36$ die stärkere Säure im Vergleich zur schwächeren Blausäure mit $\text{p}K_\text{S} = 9{,}40$. Die stärkere Säure vertreibt die schwächere Säure aus ihrem Salz, bzw. das Gleichgewicht der Reaktion $\text{CN}^- + \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{HCN} + \text{HCO}_3^-$ liegt weit auf der rechten Produktseite.

3c) Erläuterung und Reaktionsgleichungen zur Entsorgung mit Wasserstoffperoxid:

Lösung: Cyanid-Ionen werden durch Wasserstoffperoxid zu weniger gefährlichen Stoffen umgesetzt. Zunächst Oxidation zu Cyanat-Ionen: $$\text{CN}^- + \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{OCN}^- + \text{H}_2\text{O}$$ Anschließend Hydrolyse der Cyanat-Ionen: $$\text{OCN}^- + 2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{HCO}_3^-$$