Chemie-Arbeitsblatt _ _ Klasse _ _ _ Name __________________________________________________________________Datum _ _ ._ _._ _

 

Übungsaufgabe zur Thematik Entkalker

 
Ein Entkalker unbekannter Zusammensetzung soll untersucht werden mit dem Ziel, die entsprechende wirksame Säure herauszufinden. Als wirksame Säure können die „üblichen Verdächtigen" angenommen werden, also Essigsäure, Citronensäure, Michsäure, Malonsäure, Maleinsäure und Amidosulfonsäure.
 
Es werden die bereits bekannten Versuche durchgeführt:
 
V1:  Reaktion des Entkalkers mit Calciumcarbonat.
V2:  Bestimmung des CO2-Volumens, das mit 2,5 mL Entkalker-Lösung entsteht.
V3: Bestimmung der Trockenmasse.
V4:  Aufnahme einer Titrationskurve und Bestimmung des Äquivalenzpunktes.
Messergebnisse:
zu V1: Der Entkalker reagiert mit Marmor unter Gasbildung: es schäumt.
zu V2: 2,5 mL Entkalker-Lösung reagieren mit Marmor-Granulat im Überschuss zu 78 mL CO2.
zu V3: 50 mL Entkalker-Lösung werden eingetrocknet und ergeben ein Trockengewicht von 7,5 g.
zu V4: 10 mL der Entkalker-Lösung werden mit 50 mL Wasser verdünnt. Bei der Titration mit Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 1 mol/L werden 13 mL der Lauge verbraucht.

Arbeitsauftrag:

Finde heraus, um welchen Entkalker es sich handelt.
 


 

Lösungen:

 
Zu V1: Aus der Reaktion mit Marmor = Calciumcarbonat (CaCO3)- Gasbildung - wird deutlich, dass es sich um eine Säure handelt. Die stärkere Säure (welche auch immer) treibt aus dem Salz der schwächeren Säure (hier: Kohlensäure = H2CO3) das Anhydrid aus, also CO2.
   
Zu V2: Als mögliche Reaktionspartner stehen hier folgende Säuren zur Verfügung:

1-protonige Säuren = 1-wertige Säuren: Essigsäure, Milchsäure, Amidosulfonsäure

2-protonige Säuren = 2-wertige Säuren: Maleinsäure, Malonsäure

3-protonige Säuren = 3-wertige Säuren: Citronensäure,
 

2,5 mL Entkalker-Lösung ergeben mit Marmor-Granulat im Überschuss 78 mL CO2-Volumen. Daraus wird die Molzahl
n(CO2) errechnet mit 24 l/mol als molares normales Molvolumen Vmnbei 1013 hPa und 20 °C:

n(CO2) = V(Gas) / Vmn  = 0,078 L / 24 L = 0,00325 mol = 3,25 mmol

Ist die Säure 1-wertig, dann müssen nach jeder entsprechenden Reaktionsgleichung 2 Säuremoleküle mit einem Teilchen Calciumcarbonat reagieren, also ist die Stoffmenge n(Säure) doppelt so groß, nämlich 6,5 mmol.

Ist die Säure 2-wertig, dann muss nach jeder entsprechenden Reaktionsgleichung 1 Säuremolekül mit einem Teilchen Calciumcarbonat reagieren, also ist die Stoffmenge n(Säure) gleich groß, nämlich 3,25 mmol.

Ist die Säure 3-wertig, dann müssen nach jeder entsprechenden Reaktionsgleichung 2 Säuremoleküle mit drei Teilchen Calciumcarbonat reagieren, also ist die Stoffmenge n(Säure) 2/3 mal so groß, nämlich 2,167 mmol.

In allen drei Fällen ist das Verhältnis n(CaCO3) : n(CO2) = 1 : 1

Aus der Angabe "2,5 mL Entkalker-Lösung" kann zunächst keine weitere Schlussfolgerung gezogen werden, in diesen 2,5 mL können 6,5 Mole Säure oder 3,25 Mole oder auch nur 2,167 Mole enthalten sein.

Allerdings kann die Beziehung c(Säure) = n(Säure) /V(Säure) = 3,25 mmol / 2,5 mL = 1,3 mol/L später zur Verifikation oder Falsifikation verwendet werden.
 

Zu V3: Bei der Bestimmung der Trockenmasse ergeben 50 mL Lösung eine Trockenmasse von 7,5 g. Umgerechnet auf 1000 mL = 1 L beträgt die Trockenmasse 150 g Säure. Der Rest ist Wasser als Lösungsmittel. Geht man davon aus, dass in der Lösung nur ein Stoff wirksam ist (und bei einer Übungsaufgabe kann man davon ausgehen), hätte man jetzt also schon die Stoffportion Säure. Nur wissen wir immer noch nicht, wie viel Molen Säure diese Stoffportion entspricht, es kann ja eine 1-wertige, 2-wertige oder 3-wertige Säure sein. Deswegen gibt V4 weiteren Aufschluss!

Also: m(Säure) = 150 g
 

Zu V4: 10 mL der Entkalker-Lösung werden zwar verdünnt, neutralisieren aber auch nicht mehr als 13 mL der Lauge mit der Konzentration c(Lauge) = 1 mol/l. Die Verdünnung erfolgt allein aus titrationstechnischen Gründen (Genauigkeit der Ablesung in einem Erlenmeyerkolben entsprechender Größe).

Die Beziehung n(Säure) = n(Lauge) beim Äquivalenzpunkt wird aufgelöst: Von den 4 Größen sind 3 bekannt.

c(Säure) * V(Säure) = c(Lauge) * V(Lauge)

<==> c(Säure) = c(Lauge) * V(Lauge) / V(Säure) = 1 mol/L * 0,013 L / 0,01 L = 1,3 mol/L

Mit der Gleichsetzung der Beziehungen n(Säure) = c(Säure) * V(Säure) und n(Säure) = m(Stoffportion) / M(Säure) und

entsprechender Umformung erhält man: M(Säure) = m(Säure) / c(Säure) * V(Säure)

M(Säure) = 150 g / 1,3 mol/L * 1,0 L = 115,4 g/mol. Damit ist die Molare Masse der Säure festgelegt.

Der Vergleich dieser berechneten Molaren Masse der Säure mit den Molaren Massen der o.g. Säuren ergibt, dass dafür (innerhalb der Rechen- und Versuchsgenauigkeit) nur die Maleinsäure in Frage kommt. Ihre Molare Masse beträgt:
M(Maleinsäure) = 116,07 g/mol.

Die Molaren Massen der anderen Säuren betragen:

M(Essigsäure) = 60,1 g/mol
Milchsäure = 90,1 g/mol
Amidosulfonsäure = 97,09 g/mol

Maleinsäure = 116,1 g/mol
Malonsäure = 104,1 g/mol

Citronensäure = 192,13 g/mol

Zusätzliche Fakten tragen dazu bei, das Ergebnis zu untermauern:
Essigsäure ist selbst als 99,9%-Lösung eine Flüssigkeit, es gibt also keine Trockenmasse. Milchsäure ist eine farblose, fast ölige, geruchlose Flüssigkeit, die sich auch nicht als Feststoff eindampfen lässt.
Feststoffe sind: Amidosulfonsäure, Maleinsäure, Malonsäure, Citronensäure. Vom Vergleich der berechneten Molaren Massen passt nur Maleinsäure.

Didaktische Anmerkung: Bei dieser Aufgabe geht es im wesentlichen um den geschickten Bezug verschiedener Größengleichungen aufeinander, der Fragestellung angepasst. Es handelt sich um die wenigen wesentlichen Beziehungen c = n/V, n = m/M und n=V/Vmn.
Zudem soll das quantitative Verständnis der Titration mehrwertiger Säuren mit einer einwertigen Lauge vertieft werden. Dabei wird bewusst vernachlässigt, dass die zwei- und drei-protonigen Säuren mehrere Äquivalenzpunkte haben, also letzten Endes der Laugenverbrauch größer ist. In dieser Rechenaufgabe wird davon ausgegangen, dass die Säure bei der Reaktion mit Marmor beide Protonen abgibt wie auch bei der Neutralisation. Eine differenzierte Betrachtungsweise erscheint mit in einem WP-Kurs Kl. 9 oder 10 nicht angebracht.

 

update am: 06.04.17                                                                                                                                                                                 zurück     zur Hauptseite