Aufgabe 2 - Säure-Base-Reaktionen und pH-Wert · Abitur NRW Chemie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Fachspezifische Vorgaben:

Obwohl von Blausäure (Cyanwasserstoff, $\text{HCN}$) eine erhebliche Gefahr ausgeht, dient sie als bedeutender Ausgangsstoff der organischen Chemie. In reinem Zustand ist Blausäure eine wasserklare, sehr flüchtige Flüssigkeit. Ihre Dämpfe riechen nach Bittermandeln. Blausäure ist giftig, die Aufnahme von Blausäure kann schon bei kleinen Mengen tödlich sein. Salze der Blausäure heißen Cyanide.

Herstellung

Damit beim Transport von Blausäure keine Gefahr entsteht, stellt man sie in der Regel direkt dort her, wo sie weiterverwendet wird:

Hierbei kommt neben anderen Verfahren das Andrussow-Verfahren zum Einsatz, bei dem ein Gemisch aus Ammoniak ($\text{NH}_3$), Methan ($\text{CH}_4$) und Sauerstoff aus der Luft bei rund $1200\text{ }^\circ\text{C}$ unter Verwendung eines Platinnetzes als Katalysator umgesetzt wird. Bei diesem Verfahren entstehen die gewünschte Blausäure und Wasser.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Blausäure in situ (also direkt im Reaktor) herzustellen. Hierzu lässt man Ammoniumchlorid ($\text{NH}_4\text{Cl}$) und Natriumcyanid ($\text{NaCN}$) miteinander reagieren, es entstehen Blausäure, Ammoniak und Natriumchlorid.

Bestimmung der Massenkonzentration

Wegen der starken Giftigkeit von Blausäure muss man ihren Gehalt überall dort bestimmen, wo sie vorkommen kann. Schon Cyanid-Ionen-Konzentrationen ab $1\text{ mg/L}$ gelten für Fische als kritisch.

Zur Untersuchung eines Abwassers auf seinen Blausäuregehalt wurde eine $50\text{ mL}$ Probe entnommen und mit Natronlauge, $c(\text{NaOH}) = 0{,}01\text{ mol/L}$ titriert. Der Äquivalenzpunkt der Titration lag im alkalischen Bereich und man erhielt einen Verbrauch von $V(\text{NaOH}) = 9{,}8\text{ mL}$.

Entsorgung

Lösungen, die Cyanid-Ionen enthalten, dürfen auf keinen Fall mit Säuren in Berührung kommen. Zur Entsorgung Cyanid-Ionen-haltiger Lösungen werden diese auf $\text{pH} = 11$ eingestellt und mit Kupfersulfat als Katalysator versetzt. Danach tropft man unter dem Abzug 30-prozentige Wasserstoffperoxid-Lösung ($\text{H}_2\text{O}_2$) hinzu und lässt diese Lösung mindestens zwei Stunden stehen. Cyanid-Ionen werden dabei zu Cyanat-Ionen ($\text{OCN}^-$) oxidiert. Diese hydrolysieren dann langsam zu Ammoniak-Molekülen und Hydrogencarbonat-Ionen ($\text{HCO}_3^-$).

Zusatzinformationen:

Blausäure ($\text{HCN}$): · $\text{p}K_\text{S}\text{-Wert: } 9{,}40$ · $M(\text{HCN}) = 27{,}03\text{ g/mol}$

Kohlensäure ($\text{H}_2\text{CO}_3$): · $\text{p}K_\text{S}\text{-Wert: } 6{,}36\text{ (erste Protolysestufe)}$

Ammonium-Ionen ($\text{NH}_4^+$): · $\text{p}K_\text{S}\text{-Wert: } 9{,}25$

Elektronegativitäten (Pauling):

$\text{EN}(\text{C}) = 2{,}55$

$\text{EN}(\text{N}) = 3{,}04$

$\text{EN}(\text{H}) = 2{,}2$

Massenkonzentration:

$$\beta(\text{Stoff}) = \frac{m(\text{Stoff})}{V}$$

Aufgabenstellung (Teilaufgaben 2 und 3)

2.

Geben Sie für die großtechnische Gewinnung von Blausäure bei etwa 1200 °C aus Ammoniak, Methan und Sauerstoff die Reaktionsgleichung an. Untersuchen Sie mithilfe dieser Gleichung und der Oxidationszahlen, ob diese Synthese eine Redoxreaktion darstellt. Begründen Sie anhand einer Reaktionsgleichung, dass die in-situ-Erzeugung von Blausäure eine Säure-Base-Reaktion ist. [20 Punkte]

3.

Erläutern Sie anhand einer Reaktionsgleichung, dass bereits Kohlensäure genügt, um aus Lösungen mit Cyanid-Ionen Blausäure freizusetzen. Erläutern Sie ferner, wie Lösungen mit Cyanid-Ionen mithilfe von Wasserstoffperoxid entsorgt werden, auch unter Verwendung von Reaktionsgleichungen. [16 Punkte]