Abitur NRW Chemie 2021 · GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg

Aufgabenstellung: Das GROVE-Element

Fachspezifische Vorgaben:

1839 hatte WILLIAM GROVE ein galvanisches Element entwickelt, in dem ein Zinkblech in verdünnte Schwefelsäure ($H_2SO_4$) und ein Platinblech als Kathode in Salpetersäure ($HNO_3$) 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 ($NO_2$) als Produkt. Die Reaktion in der Halbzelle verläuft gemäß:

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

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 ($K_2S_2O_8$) statt der Salpetersäure eingesetzt werden. Als Elektrode wird eine Kohleelektrode verwendet.

Zusatzinformationen:

$M(Zn) = 65{,}38\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

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 $E^0$

$Zn/Zn^{2+}$

$E^0 = -0{,}76\text{ V}$

$Cu/Cu^{2+}$

$E^0 = +0{,}34\text{ V}$

$NO_2,\,H_2O / NO_3^-,\,H_3O^+$

$E^0 = +0{,}80\text{ V}$

$SO_4^{2-} / S_2O_8^{2-}$

$E^0 = +2{,}01\text{ V}$

Tabelle 2: Gefahrenmerkmale ausgewählter Stoffe

Stoff

Summenformel

Gefahrenmerkmale

Kaliumperoxodisulfat

$K_2S_2O_8$

Oxidierender Feststoff

Reizwirkung auf die Haut und Augen

Sensibilisierung der Atemwege

Salpetersäure, konzentriert

$HNO_3$

Korrosiv gegenüber Metallen

Akute Toxizität beim Einatmen

Ätzwirkung auf die Haut und Augen

Stickstoffdioxid

$NO_2$

Oxidierendes Gas

Akute Toxizität beim Einatmen

Ätzwirkung auf die Haut

Zink

$Zn$

Keine bekannt

Zinksulfat

$ZnSO_4$

Schwere Augenschädigung

Gewässerschädigend

1.

Beschreiben Sie, wie das GROVE-Element aufgebaut ist, und ordnen Sie dabei die Pole zu. Geben Sie die Vorgänge, die während des Betriebs ablaufen, auf Teilchenebene an. Berechnen Sie die theoretische Spannung eines GROVE-Elements bei Standardbedingungen sowie die im Versuch geflossene Ladungsmenge Q. [22 Punkte]

2.

Erläutern Sie am Beispiel des GROVE-Elements das Donator-Akzeptor-Prinzip. Geben Sie dazu die im Betrieb des GROVE-Elements ablaufende Redoxreaktion auch in Form der Teilreaktionen an. Begründen Sie, weshalb sich ein Kupferblech in Salpetersäure zersetzt. [16 Punkte]

3.

Prüfen Sie, ob das vorgeschlagene Modellexperiment als galvanisches Element funktioniert. Stellen Sie in einer einfachen Skizze die elektrochemischen Vorgänge und die Ionenwanderung bei Stromfluss im Modellexperiment dar (vgl. Abbildung 2). Beurteilen Sie die moderne Abwandlung des GROVE-Elements auf Grundlage der verwendeten Stoffe und Materialien, auch im Hinblick auf Umwelteigenschaften und Störanfälligkeit. [22 Punkte]

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:

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

Aufgabe 2: Blausäure – schwache Säure, starkes Gift

1. Erläutern Sie anhand der Protolyse von Blausäure in Wasser die Säure-Base-Theorie nach Brönsted. Berechnen Sie die Massenkonzentration von Blausäure in der untersuchten Probe und geben Sie dabei die der Titration zugrunde liegende Reaktion an. 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]

a)

b)

c)

d)

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]

Aufgabenstellung: Farbauffrischung mit Reactive Black 5

Fachspezifische Vorgaben:

Durch häufiges Waschen verlieren die Farben zahlreicher Textilien an Intensität. Farbauffrischer wirken diesem Effekt entgegen, sodass das „Lieblingsstück“ länger nutzbar bleibt. Reactive Black 5 ist ein Farbstoff, der sich für schwarze Textilien eignet.

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.

Geben Sie an, zu welcher Farbstoffklasse 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 sowie eine weitere relevante mesomere Grenzstruktur des Farbstoff-Moleküls an, und nutzen Sie dafür die passende Kurzschreibweise (siehe Zusatzinformationen). [18 Punkte]

2.

Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung für die Umsetzung der Diazonium-Ionen mit H-Säure. Erläutern Sie den Reaktionsablauf in einzelnen Schritten, indem Sie passende vereinfachte Strukturformeln verwenden. [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 Reactive Black 5 für Baumwolltextilien gut, für Polyestertextilien dagegen nur eingeschränkt geeignet ist. [28 Punkte]