Abitur NRW Chemie 2021 · GK · Haupttermin

Aufgabenstellung: Das GROVE-Element

1839 hatte William Grove ein galvanisches Element entwickelt, in dem ein Zinkblech in verdünnte Schwefelsäure ($\mathrm{H_2SO_4}$) und ein Platinblech als Kathode in Salpetersäure ($\mathrm{HNO_3}$) eintaucht. Kupferbleche als Kathode sind nicht einsetzbar, da diese zersetzt werden. Die Lösungen wurden durch einen porösen, ionendurchlässigen Tonzylinder getrennt (Abbildung 1). Das Element lieferte für die damalige Zeit hohe Stromstärken. In der Salpetersäure-Halbzelle entstand gasförmiges Stickstoffdioxid ($\mathrm{NO_2}$) als Produkt. Die Reaktion in der Halbzelle verläuft gemäß:

$$\mathrm{NO_3^- + 2\,H_3O^+ + e^- \rightarrow NO_2 + 3\,H_2O}$$

Versuch: Ein GROVE-Element wird, wie in Abbildung 1 dargestellt, aufgebaut. Das Zinkblech hat zu Beginn des Versuchs eine Masse $m_0 = 45{,}00\text{ g}$. Das Element wird über einen Verbraucher vollständig entladen. Das Zinkblech hat am Ende des Versuchs eine Masse $m = 26{,}04\text{ g}$.

Für ein Modellexperiment wird eine moderne Abwandlung des GROVE-Elements vorgeschlagen: In einer Zweikammer-Apparatur (Abbildung 2) mit einer kationendurchlässigen Membran (KAM) soll eine mit Schwefelsäure angesäuerte Kaliumperoxodisulfat-Lösung ($\mathrm{K_2S_2O_8}$) statt der Salpetersäure eingesetzt werden. Als Elektrode wird eine Kohleelektrode verwendet.

Zusatzinformationen

Molare Masse Zink: $M(\mathrm{Zn}) = 65{,}38\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Gesetz: $Q = I \cdot t = n \cdot F \cdot z$

Faraday-Konstante: $F = 96485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Tabelle 1: Redoxpotentiale bei Standardbedingungen

Korrespondierendes Redoxpaar · Standard-Redoxpotential $E^0$

$\mathrm{Zn/Zn^{2+}}$ · $E^0 = -0{,}76\text{ V}$

$\mathrm{Cu/Cu^{2+}}$ · $E^0 = +0{,}34\text{ V}$

$\mathrm{NO_2,\, H_2O / NO_3^-,\, H_3O^+}$ · $E^0 = +0{,}80\text{ V}$

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

Tabelle 2: Gefahrenmerkmale ausgewählter Stoffe

Stoff · Summenformel · Gefahrenmerkmale

Kaliumperoxodisulfat · $\mathrm{K_2S_2O_8}$ · Oxidierender Feststoff

Reizwirkung auf die Haut und Augen

Sensibilisierung der Atemwege

Salpetersäure, konzentriert · $\mathrm{HNO_3}$ · Korrosiv gegenüber Metallen

Akute Toxizität beim Einatmen

Ätzwirkung auf die Haut und Augen

Stickstoffdioxid · $\mathrm{NO_2}$ · Oxidierendes Gas

Akute Toxizität beim Einatmen

Ätzwirkung auf die Haut

Zink · $\mathrm{Zn}$ · Keine bekannt

Zinksulfat · $\mathrm{ZnSO_4}$ · Schwere Augenschädigung

Gewässerschädigend

1.

Beschreiben Sie, wie das GROVE-Element aufgebaut ist, und ordnen Sie dabei die Pole zu. Geben Sie außerdem die beim Betrieb auf Teilchenebene ablaufenden Vorgänge an. [12 Punkte]

2.

Erläutern Sie anhand des GROVE-Elements das Donator-Akzeptor-Prinzip. [6 Punkte]

Begründen Sie mithilfe der Standard-Redoxpotentiale, weshalb sich ein Kupferblech in Salpetersäure zersetzt. [6 Punkte]

3.

Prüfen Sie, ob das vorgeschlagene Modellexperiment als galvanisches Element funktioniert. [8 Punkte]

Stellen Sie in einer einfachen Skizze die elektrochemischen Vorgänge und die Bewegungen der Ionen dar, die im Modellexperiment bei Stromfluss auftreten (vgl. Abbildung 2). [8 Punkte]

Beurteilen Sie die moderne Abwandlung des GROVE-Elements auf Grundlage der verwendeten Stoffe und Materialien, auch im Hinblick auf Umweltverträglichkeit und Störanfälligkeit. [6 Punkte]

Aufgabe 2: Blausäure – schwache Säure, starkes Gift

Fachspezifische Vorgaben & Zusatzinformationen

Trotz ihres Gefährdungspotentials ist Blausäure (Cyanwasserstoff, HCN) ein wichtiger Ausgangsstoff in 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: Um eine Gefährdung beim Transport von Blausäure zu verhindern, wird sie meist am Ort der Weiterverwendung hergestellt: Hierbei kommt neben anderen Verfahren das Andrussow-Verfahren zum Einsatz, bei dem ein Gemisch aus Ammoniak (NH₃), Methan (CH₄) und Sauerstoff aus der Luft bei rund 1200 °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 (NH₄Cl) und Natriumcyanid (NaCN) miteinander reagieren, es entstehen Blausäure, Ammoniak und Natriumchlorid.

Bestimmung der Massenkonzentration: Die hohe Toxizität von Blausäure macht deutlich, dass überall dort, wo diese auftreten kann, auch eine Bestimmung ihres Gehaltes notwendig wird. Schon Cyanid-Ionen-Konzentrationen ab 1 mg/L gelten für Fische als kritisch. Zur Untersuchung eines Abwassers auf seinen Blausäuregehalt wurde eine 50 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 (H₂O₂) hinzu und lässt diese Lösung mindestens zwei Stunden stehen. Cyanid-Ionen werden dabei zu Cyanat-Ionen (OCN⁻) oxidiert. Diese hydrolysieren dann langsam zu Ammoniak-Molekülen und Hydrogencarbonat-Ionen (HCO₃⁻).

Zusatzdaten: Blausäure (HCN): $\text{p}K_\text{S} = 9{,}40$, $M(\text{HCN}) = 27{,}03\ \text{g/mol}$; Kohlensäure (H₂CO₃): $\text{p}K_\text{S} = 6{,}36$ (erste Protolysestufe); Ammonium-Ionen (NH₄⁺): $\text{p}K_\text{S} = 9{,}25$. Elektronegativitäten (Pauling): $\text{EN}(\text{C}) = 2{,}55$, $\text{EN}(\text{N}) = 3{,}04$, $\text{EN}(\text{H}) = 2{,}2$. Massenkonzentration: $\beta(\text{Stoff}) = \frac{m(\text{Stoff})}{V}$.

1.

Erläutern Sie die Säure-Base-Theorie nach Brönsted anhand der Protolyse von Blausäure in Wasser. Berechnen Sie die Massenkonzentration von Blausäure in der untersuchten Probe und geben Sie dabei die Reaktion an, die der Titration zugrunde liegt. Bewerten Sie, welche Gefahr besteht, wenn das Abwasser in ein Gewässer eingeleitet wird. Erläutern Sie, warum der pH-Wert am Äquivalenzpunkt der Blausäuretitration im alkalischen Bereich liegt. [24 Punkte]

2.

Geben Sie eine Reaktionsgleichung für die großtechnische Synthese von Blausäure aus Ammoniak, Methan und Sauerstoff bei rund 1200 °C an. Untersuchen Sie mithilfe dieser Gleichung und der Oxidationszahlen, ob bei dieser Synthese eine Redoxreaktion vorliegt. Begründen Sie anhand einer Reaktionsgleichung, dass die in-situ-Herstellung 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 das Entsorgen von Lösungen mit Cyanid-Ionen mittels Wasserstoffperoxid, ebenfalls unter Verwendung von Reaktionsgleichungen. [16 Punkte]

Aufgabenstellung: Farbauffrischung mit Reactive Black 5

Fachspezifische Vorgaben

Durch häufiges Waschen verlieren viele Textilien an Farbintensität. Farbauffrischer wirken diesem Effekt entgegen, sodass das „Lieblingsstück“ länger nutzbar bleibt. Für schwarze Textilien kann dazu der Farbstoff Reactive Black 5 eingesetzt werden.

Reactive Black 5

Bei Reactive Black 5 handelt es sich um einen Reaktivfarbstoff, d. h. sein Farbstoff-Molekül besitzt neben der farbgebenden Komponente eine reaktive Komponente, die mit den funktionellen Gruppen der Faseroberfläche reagieren kann. Mit Reactive Black 5 lässt sich ein blauer bis schwarzer Farbton erzielen.

Synthese von Reactive Black 5

Zur Synthese von Reactive Black 5 wird eine Lösung von Parabaseester, der aus Acetanilid als Hauptausgangsstoff in einer mehrstufigen Synthese hergestellt wird, mit Natriumnitrit, $\text{NaNO}_2$, und Salzsäure, $\text{HCl(aq)}$, versetzt. Die dabei entstehenden Diazonium-Ionen lässt man anschließend mit H-Säure zum Farbstoff reagieren.

Färben mit Reactive Black 5

Die zu färbenden Textilien werden zusammen mit Reactive Black 5 und Waschmittel in der Waschmaschine gewaschen. In dem vorherrschenden alkalischen Milieu spaltet das Reactive Black 5-Molekül formal Schwefelsäure ab und es entsteht ein Farbstoffmolekül der vereinfachten Formel $\text{R-SO}_2\text{-CH=CH}_2$. Die Doppelbindung kann nun mit den OH-Gruppen der Baumwolloberfläche reagieren.

Zusatzinformationen:

Kurzschreibweise des Farbstoffmoleküls zur Betrachtung der Farbigkeit:

Kurzschreibweise des Farbstoffmoleküls zur Betrachtung der Reaktivität:

Tabelle: Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe Wellenlänge $\lambda$ in nm · Spektralfarbe · Komplementärfarbe

< 400 · ultraviolett · farblos

400 – 435 · violett · gelbgrün

435 – 480 · blau · gelb

480 – 490 · grünblau · orange

490 – 500 · blaugrün · rot

500 – 560 · grün · purpur

560 – 580 · gelbgrün · violett

580 – 595 · gelb · blau

595 – 605 · orange · grünblau

605 – 770 · rot · blaugrün

1.

Nennen Sie die Farbstoffklasse, zu der Reactive Black 5 gehört. Erklären Sie am Beispiel von Reactive Black 5, wie Struktur und Farbigkeit zusammenhängen. Geben Sie mit Begründung einen Bereich für das zu erwartende Absorptionsmaximum an und zeichnen Sie anhand der passenden Kurzschreibweise (siehe Zusatzinformationen) eine weitere relevante mesomere Grenzstruktur des Farbstoff-Moleküls. [18 Punkte]

2.

Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung für die Umsetzung der Diazonium-Ionen mit H-Säure. Erläutern Sie den Reaktionsablauf in Einzelschritten und nutzen Sie dazu passende, vereinfachte Strukturformeln. [14 Punkte]

3.

Geben Sie mithilfe geeigneter vereinfachter Strukturformeln die Reaktionsgleichung sowie den Reaktionstyp für die Umsetzung von Reactive Black 5 in alkalischer Lösung an. Erläutern Sie anhand einer Reaktionsgleichung in der Kurzschreibweise und des Reaktionstyps, wie Reactive Black 5 auf Baumwolltextilien haftet. Erläutern Sie, wie der Farbstoff auf Polyesterfasern haftet. Begründen Sie, weshalb sich Reactive Black 5 gut für Baumwolle, aber nur eingeschränkt für Polyester eignet. [28 Punkte]