„Chemische Gleichgewichte im Chemielehrplan der … · Wiederholung: Neutralisation und...

„Chemische Gleichgewichte

im Chemielehrplan der neuen Oberstufe“

Zusammenstellung der Link-Ebenen-Beiträge

Die Beiträge zur Link-Ebene des Chemielehrplans der Jahrgangsstufe 12 basieren auf dem überarbeiteten und ergänzten Skript, das für die RLFB-Fortbildungsveranstaltung „Chemische Gleichgewichte im Chemielehrplan der neuen Oberstufe“ (Juni bis September 2010) ausgearbeitet wurde. Die Experimente, die besonders für das eigenständige Experimentieren der Schülerinnen und Schüler geeignet sind, sind mit einem „S“ gekennzeichnet.

1

Liebe Kolleginnen und Kollegen, im Schuljahr 2010/11 werden die Themen „Chemisches Gleichgewicht“, „Protolysegleichgewichte“ und „Redoxgleichgewichte“ erstmals nach dem Lehrplan des achtjährigen Gymnasiums unterrichtet. Mit dieser Veranstaltung möchten wir Ihnen Ideen und Impulse geben, wie der Chemie-Lehrplan für die Jahrgangsstufe 12 umgesetzt werden kann. Unser Ziel ist es, zum einen den Chemielehrkräften, die die genannten Themen in den letzten Jahren, z. B. an sprachlichen Gymnasien, nicht unterrichtet haben, Hilfestellung für die Unterrichtsvorbereitung zu geben, zum anderen möchten wir den Lehrkräf-ten, die diese Themen bereits unterrichtet haben, die Neuausrichtung des Unterrichts im achtjährigen Gymnasium erleichtern. Dieses Skript folgt der Gliederung des Lehrplans. Zu jedem Lehrplankapitel der Jahrgangsstufe 12 finden Sie einen Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan. In der Rubrik „Überlegungen zur Umset-zung des Lehrplans“ haben wir Vorschläge und Hinweise zusammengestellt, die die Anknüpfung der Inhalte an den Chemieunterricht der vorausgegangenen Jahrgangsstufen zei-

gen, die Angaben im Lehrplan zu den Fachinhalten präzisieren, das im Unterricht und in Prüfungen angestrebte Niveau aufzeigen und auf geeignete Themen zum Aufgreifen der Basiskonzepte und der Kompetenzbereiche1 Kommuni-

kation, Erkenntnisgewinnung (bzw. Fachmethoden) und Bewertung (bzw. Reflexion) hinweisen. Es sind nicht zu jedem Lehrplanunterpunkt jeweils alle Aspekte aufgeführt, sondern nur die, die uns bei der Vorbereitung als besonders relevant erschienen. In der Rubrik „Vorschläge für Experimente“ finden Sie eine Liste von Experimenten mit Kurzbeschrei-bungen. Für viele der Experimente gibt es ausführliche Anleitungen in den gängigen Lehrwerken. Zudem wird im Herbst 2011 ein Akademiebericht erscheinen (Ansprechpartnerin: Tanja Berthold, [email protected]), in dem auch die in diesem Skript vorgestellten Experimente ausführlich dargestellt sind. Ein wesentlicher Aspekt gegenüber dem neunjährigen Gymnasium ist die Änderung in der Reihenfol-ge der Lehrplaninhalte: Organische Chemie wird im achtjährigen Gymnasium jetzt vor dem Themen-komplex „Chemisches Gleichgewicht“ behandelt. Entsprechend können und sollen auch vermehrt Stoffe aus der organischen Chemie bei den Themen der Jahrgangsstufe 12 herangezogen werden. So ist auch eine Verknüpfung mit den Inhalten der Jahrgangsstufe 11 und dabei eine Wiederholung dieser Themen sehr gut möglich. Dies ist besonders im Hinblick auf die Vorbereitung der Schülerin-nen und Schüler für die Abiturprüfung wichtig. Moderner naturwissenschaftlicher Unterricht verfolgt nach dem neuen Lehrplan zusätzlich zur Vermitt-lung von Fachinhalten verstärkt auch eine Handlungsdimension. Die Schülerinnen und Schüler sollen mit Arbeitsmethoden und Denkweisen vertraut werden, wie etwa dem Auswerten von Materialien und Experimenten, dem selbständigen Planen und Durchführen von Experimenten und der Reflexion all-tagsrelevanter Themen aus dem Blickwinkel der Chemie. Diese Gesichtspunkte werden zunehmend auch in den Aufgaben der Abiturprüfung aufgegriffen werden. Wir hoffen, dass wir mit dieser Veranstaltung Ihre Neugierde an Themen rund um das Chemische Gleichgewicht wecken können, und wünschen Ihnen zahlreiche interessante Unterrichtsstunden mit Ihren Schülerinnen und Schülern. Birger Pistohl, Comenius-Gymnasium Deggendorf Petra Reinold, ISB München Wolfgang Schwarz, Gymnasium Neutraubling Markus Zimmermann, Gabriel-von-Seidl-Gymnasium Bad Tölz

Die Veranstaltung wird vom Verband der Chemielehrer Bayerischer Gymnasien (VCBG) unterstützt (http://www.vcbg.de/).

1 In Klammern sind die in den EPA verwendeten Begriffe angegeben, falls sie von den in den KMK-Bildungsstandards verwendeten abweichen.

C 12.1 Chemisches Gleichgewicht 2

C 12.1 Chemisches Gleichgewicht

Stoffverteilungsplan1

Lehrplan Stundenthema

1 Aufgreifen von Grundwissen Estergleichgewicht

2 dynamisches Gleichgewicht: Hin- und Rückreaktion

dynamisches Gleichgewicht

3 Hin- und Rückreaktion

4

MWG und Gleichgewichtskonstante

Berechnen von Gleichgewichtskonzentrationen5

6

7 Aufstellung des MWG

8 Rechnungen mit dem MWG

9

10

Störung des Gleichgewichts Prinzip von Le Chatelier

Temperatur und Lage des Gleichgewichts

11 Stoffmenge und Lage des Gleichgewichts

12 Druck und Lage des Gleichgewichts

13 Anwendung des Prinzips an verschiedenen Beispielen

14

Haber-Bosch-Verfahren

historische Entwicklung

15 Ammoniak-Gleichgewicht und Prinzip von Le Chatelier

16 großtechnisches Verfahren

17 Entropie und Richtung chemischer Reaktio-nen

Reaktionsenergie und Entropie

18 Gibbs-Helmholtz-Gleichung

1 Der Stoffverteilungsplan besitzt Vorschlagscharakter.


Aufgreifen von Grundwissen: reversible Reaktionen

Überlegungen zur Umsetzung des Lehrplans

Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 8-11 CNTG 10.2 Sauerstoffhaltige organische Verbindungen: Eigenschaften und Reaktionen sauerstoff-

haltiger organischer Verbindungen: Veresterung als reversible Reaktion (Kondensation und Hyd-rolyse), chemisches Gleichgewicht (kein MWG)

C 10.4 Reaktionsverhalten organischer Verbindungen: Sauerstoffhaltige organische Verbindun-gen: Veresterung als reversible Reaktion, chemisches Gleichgewicht (kein MWG)

Vorschläge für Experimente

Estersynthese (S) (s. Anhang I) Handversuch zur Hydrolyse von Ameisensäuremethylester mit Natronlauge und Bromthymolblau

(s. Anhang I) Leitfähigkeitsmessung bei der Estersynthese: Ameisensäure, Methanol, Kationenaustauscher

(Merck I) (s. Anhang I) Salzbildung/Elektrolyse: Entfärbung von Bromwasser mithilfe von Zinkpulver und Elektrolyse ei-

ner Zinkbromid-Lösung

dynamisches Gleichgewicht: Hin- und Rückreaktion


Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 8-11 C 11.7 Reaktionsgeschwindigkeit und Enzymkatalyse

Das Thema Reaktionsordnungen ist im Lehrplan nicht vorgegeben. Die Schülerinnen und Schü-ler sollten aber über die Stoßtheorie erkennen können, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender Konzentration erhöht.

Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Arbeiten mit Modellen (z. B. „Apfelkrieg“) und Computersimulationen; z. B. Diskussion über

Grenzen von Modellen (Erkenntnisgewinnung) Auswertung von Diagrammen: z. B. c/t- und v/t-Diagramme (Erkenntnisgewinnung) klare Unterscheidung zwischen Betrachtungen auf der Stoff- und auf der Teilchenebene (Stoff-

Teilchen-Konzept) Hinweise auf Materialien und Literatur Apfelkrieg: http://www.pz-rlp.de/neu/01/e-material/01.pzi/download/01-0105.pdf (S. 40)


Saugheber: mit zwei „Röhrchen“ mit unterschiedlichen Durchmessern (z. B. stabile Trinkhalme mit unterschiedlichen Durchmessern, Glasröhren o. ä.) wird Wasser zwischen zwei Messzylin-dern hin und her transportiert; als arbeitsteilige Schülerexperimente geeignet (s. Anhang II)

Computersimulation: Saugheber: http://lpmfs.lpm.uni-sb.de/chemie/lplinks/das2.htm

Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante Kc


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Quantitative Betrachtungen, Durchführung einfacher Berechnungen (Im Abitur ist eine Formelsamm-lung zugelassen.): Übungen zur Ermittlung der Konzentrationen der Reaktionspartner im Gleichgewicht: Viele

Schülerinnen und Schüler haben Fehlvorstellungen zur Stöchiometrie, die korrigiert werden


müssen, bevor mit Berechnungen zum MWG begonnen werden kann. (Übungsaufgabe s. An-hang V)

Herleitung des Massenwirkungsgesetzes: nur für bimolekulare Reaktionen über v(hin) = v(rück) möglich; per Definition wurde festgelegt, dass das Massenwirkungsgesetz aus der Reaktionsglei-chung ableitbar ist.

ausgehend vom Massenwirkungsgesetz: z. B.

- Berechung von Kc bei gegebenen Konzentrationen, - Berechnung von Konzentrationen bei gegebenem Kc (Lösen von quadratischen Gleichungen

nötig; Formelsammlung kann Merkhilfe Mathematik enthalten), (Beispielaufgabe s. Anhang III) - heterogenes System: Feststoffe bleiben unberücksichtigt (c = 1 mol/l), - Eingehen auf Kp nicht nötig; bei Reaktionen mit gasförmigen Stoffen entweder Stoffmengen

oder auch Konzentrationen verwenden.

Störung des Gleichgewichts; Prinzip von Le Chatelier


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Betrachtung des Einflusses von Temperatur (Änderung von Kc); Stoffmenge, Druck und Katalysa-

tor (Kc bleibt konstant) „Prinzip des kleinsten Zwanges“ qualitative Betrachtung Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Stoff-Teilchen-Konzept: Betrachtungen auf der Stoff- und auf der Teilchenebene


Erhöhung der Konzentration: Zugabe von Eisen(III)-chlorid bzw. Kaliumthiocyanat zu einer ver-dünnten Eisenthiocyanat-Lösung (S); z. B. in dreigeteilter Petrischale auf dem OHP

Absenken der Konzentration: Zugabe von Natriumhydroxid bzw. Silbernitrat zu einer Eisenthio-cyanat-Lösung (S)

Keto-Enol-Tautomerie: sofortige und verzögerte Farbänderung (rot – gelb – rot) bei einer Lösung von 1 g FeCl3 6 H2O und 2 ml Acetessigsäureethylester in 500 ml Wasser nach Zugabe von 50 ml gesättigter Bromwasser-Lösung (s. Anhang IV)

Stickoxide bei verschiedenen Temperaturen: Glasampullen, in denen Stickoxide eingeschmolzen sind, werden in verschieden temperierte Wasserbäder (z. B. 0 °C, Raumtemperatur, 90 °C) ge-geben; Demonstration der Farbänderung z. B. am OHP

Stickoxide bei verschiedenen Drücken: Eine 10 ml- oder 20 ml-Spritze (gasdicht, mit Luer-Lock-System) wird mit Stickstoffdioxid gefüllt und verschlossen. (Die Spritze kann schon vor der Unter-richtsstunde vorbereitet werden.) Der Druck in der Spritze wird durch Eindrücken und Herauszie-hen des Stempels verändert. (S) (Darstellung von Stockstoffdioxid: z. B. durch Reaktion von Sal-petersäure mit Kupfer oder durch Thermolyse von Bleinitrat; jeweils im Abzug)

technische Anwendung: Haber-Bosch-Verfahren


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Anwenden des MWG und des Prinzips von Le Chatelier:

z. B. Betrachtung einer Anlage zur großtechnischen Ammoniakerzeugung unter folgenden Ge-sichtspunkten: Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur, Konzentration), Gleichgewichtslage, Katalysatorsystem, Reaktionsgeschwindigkeit, Ausbeute, Energiebilanz; keine Details zur Anlage selbst


Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Kompetenzbereich Reflexion (EPA): … erörtern und bewerten Verfahren zur Gewinnung und Verarbeitung wichtiger Rohstoffe vor

dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen, … erkennen und beschreiben die gesellschaftliche Relevanz und Bedeutung der angewandten

Chemie für die Ernährungssicherung, Energieversorgung (…). Diese Aspekte können durch einen historischen Rückblick, Diskussion der Rohstoffbereitstellung, der Ausbeute und Energiebilanz im Unterricht aufgegriffen werden. Hinweise auf Materialien und Literatur http://www.rheinneckarweb.de/basf-schule/lernen-mit-der-basf/ammoniaksynthese/


Ammoniaksynthese im Labor

Entropie und Richtung chemischer Reaktionen


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Voraussetzung, dass sich ein chemisches Gleichgewicht einstellen kann, ist ein geschlossenes

System; geschlossene Systeme sind gut beschreibbare „Spezialfälle“; Reaktionen in Lösungen können als geschlossene Systeme betrachtet werden.

Im Alltag und in Lebewesen hat man es i.d.R mit offenen Systemen zu tun; der Gleichgewichts-zustand wird nicht erreicht.

zwei Triebkräfte chemischer Reaktionen: Energieminimierung, Entropiemaximierung; Gibbs-Helmholtz-Gleichung; Aussagen zur „Freiwilligkeit“ von Reaktionen; nur einfachste Berechnung: Einsetzen in die Gleichung.

Reaktionen in Lebewesen: Fließgleichgewichte; aufbauende, endergonische Stoffwechselreakti-onen über energetische Kopplung (ATP aus B 10.1 bekannt).


„Freiwilligkeit“ einer endothermen Reaktion: Beim Auflösen von 8 Brausetabletten in max. 50 ml Wasser:sinkt die Temperatur deutlich ab. (Veranschaulichung eines offenen Systems; geordne-tes System (Tablette) wird ungeordnetes System: Entropiezunahme, aber endotherm). (S)

„Freiwilligkeit“ einer endothermen Reaktion: In einem Becherglas Bariumhydroxid-Oktahydrat und Ammoniumthiocyanat im Volumenverhältnis 1:1 mischen; Becherglas auf angefeuchtetes Pa-pierhandtuch stellen: Papierhandtuch friert fest, da Abkühlung auf Temperaturen unter dem Ge-frierpunkt.

C 12.2 Protolysegleichgewichte 6

C 12.2 Protolysegleichgewichte



1

Aufgreifen von Grundwissen

Vorstellung gängiger Säuren und Basen, Defi-nition nach Brönsted, Unterschied: Säure – saure Lösung, Base – basische Lösung

2 Donator-Akzeptor-Konzept, korrespondierende Säure-Base-Paare, Kationen- und Anionen-Säuren bzw. -Basen 3

4 Ionenprodukt des Wassers und pH-Wert

Autoprotolyse und Ionenprodukt des Wassers, Konstante KW Definition pH- und pOH-Wert, pH-Skala 5

6 Säure- und Basenstärke

Ableitung der Konstanten KS und KB, pKS- und pKB-Wert, Einteilung von Stoffen nach Säure- bzw. Basenstärke 7

8 pH-Wert wässriger Lösungen starker und schwacher Säuren und Basen

Berechnungen von pH-Werten von Lösungen anorganischer und organischer Säuren und Basen 9

10

Ermittlung und Interpretation von Titrati-onskurven

Wiederholung: Neutralisation und Ab-lauf/Prinzip einer Titration

11 Erstellung und Interpretation einer Titrations-kurve mit Berechnung wesentlicher Punkte: Salzsäure mit Natronlauge 12

13 Interpretation einer Titrationskurve mit Berech-nung wesentlicher Punkte: Essigsäure mit Nat-ronlauge

14 Indikatoren

15 pKS-Wert Bestimmung durch Halbtitration

16

Puffersysteme

Pufferwirkung (z. B. beim Acetatpuffer), Puffer-säure, Pufferbase; Pufferkapazität; Henderson-Hasselbalch-Gleichung, einfache Berechnun-gen 17

18 Anwendungsbeispiele

1 Der Stoffverteilungsplan besitzt Vorschlagscharakter.


Aufgreifen von Grundwissen: Säure-Base-Definition nach Brönsted; korrespondierende Säu-re-Base-Paare


Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 8-12 CNTG 9.4 bzw. C 10.2 Protonenübergänge:

bekannte Begriffe: Säure, Base, Ampholyt, Protonenübergang (Protolyse), korrespondierende Säure-Base-Paare, Indikator

CNTG 10.2 Sauerstoffhaltige organische Verbindungen, C 10.4 Reaktionsverhalten organischer Verbindungen, C 11.1 Aromatische Kohlenwasserstoffe: Carbonsäuren, Acidität von Alkoholen und Aminen (Das Aufgreifen von Inhalten der organischen Chemie ist, anders als im neunjähri-gen Gymnasium, jetzt möglich.)

C 11.6 Aminosäuren und Proteine Über Beispielreaktionen anknüpfen an C 12.1: Säure-Base-Reaktionen sind reversibel und füh-

ren zu chemischen Gleichgewichten: Säure 1 + Base 2 Säure 2 + Base 1 Vorschläge zu Inhalten und Niveau Brönstedt - das Maß aller Dinge; Lewis - spielt keine Rolle Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Donator-Akzeptor-Konzept, Struktur-Eigenschafts-Konzept


Präsentation einer festen Säure (Zitronensäure) und einer flüssigen Säure (Eisessig) Herstellung einer gasförmigen Säure (z. B. mit Microscale: Kochsalz in ein Reagenzglas füllen

(2 Spatel voll); mit Stopfen verschließen, in dem zwei Kanülen stecken (eine dient zum Befüllen mit konz. Schwefelsäure aus einer Spritze, die andere zum Ableiten des entstehenden Gases in ein zweites Reagenzglas); konz. Schwefelsäure aus einer 2 ml-Spritze zugeben und entstehen-des Gas über einen Schlauch an der zweiten Kanüle in ein zweites Reagenzglas mit einer stark verdünnten Bromthymolblau-Lösung überleiten; zum besseren Überleiten wird nach Zugabe der Schwefelsäure noch ein wenig Luft mit der Spritze durchgepumpt. Alternative: HCl(g) kann auch statt der direkten Überleitung mit einer 20 ml-Spritze (gasdicht) gesammelt werden (Vorbereitung vor dem Unterricht möglich) und aus dieser zur Lösung gegeben werden.

Leitfähigkeit von Zitronensäure-Lösung, Essig, Lösung von Wasserstoffchlorid-Gas in Wasser („Salzsäure“) (S)

Farbreaktionen von Indikatoren (Bromthymolblau, Lackmus) bei Zugabe von z. B. NH4Cl, K2CO3, NaHCO3, Na3PO4, Na2HPO4, NaH2PO4 (S)

Ionenprodukt des Wassers und pH-Wert


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Autoprotolyse von Wasser; MWG auf Wasser anwenden; Ionenprodukt des Wassers einführen

(KW = 10-14 mol2/l2 bei 25 °C, durch Logarithmieren: pKW = - lg {KW} = 14) Definition von pH- und pOH-Wert: pH = - lg{c(H3O

+)}, pOH = - lg{c(OH-)} Ableitung aus MWG: pH + pOH = pKW = 14 Formelsammlung darf im Abitur verwendet werden; Einsatz im Unterricht üben


Leitfähigkeit von dest. Wasser, Leitungswasser, Mineralwasser, Wasser aus dem Schulteich etc. (S)

pH-Wert dieser Lösungen/Flüssigkeiten (S)


Säure- und Basenstärke: pKS- und pKB-Wert


Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 8-12 CNTG C 10.1 bzw. C 10.4: Acidität der Carboxygruppe

C 11.1 Aromatische Kohlenwasserstoffe: Acidität von Phenol und Anilin Vorschläge zu Inhalten und Niveau qualitative Aussagen anhand induktiver und mesomerer Effekte quantitative Aussagen über pKS- und pKB-Wert Ableitung aus MWG für Protolysegleichgewicht:

HA + H2O H3O+ + A- bzw. B + H2O HB+ + OH-

Zusammenhang pKS- und pKB-Wert Unterscheidung starker Säuren (pKS < 0) und schwacher Säuren (pKS > 4);

Mittelstarke Säuren sind quantitativ schwierig zu erfassen. In der Schule können sie vernachläs-sigt werden.

Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Struktur-Eigenschafts-Konzept


Konz. Methansäure, konz. Ethansäure und konz. Propansäure werden jeweils in eine Kammer einer dreigeteilten Glas-Petrischale gegeben; auf dem OHP wird in jede Kammer ein Stück Mag-nesium-Band gegeben.

Ethansäure, Chloressigsäure und Dichloressigsäure (Konzentration jeweils c = 1 mol/l) werden jeweils in eine Kammer einer dreigeteilten Petrischale gegeben; auf dem OHP wird in jede Kam-mer ein Stück Magnesium-Band gegeben.

pH-Wert wässriger Lösungen starker und schwacher Säuren und Basen


Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 8-12 CNTG 9.2 bzw. C 9.4 Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen CNTG 9.4 bzw. C 10.2 Protonenübergänge: Stoffmengenkonzentration C 11.6 Aminosäuren und Proteine: isoelektrischer Punkt Vorschläge zu Inhalten und Niveau Herleiten der Näherungsformeln:

Gedankenschritte: 1. Schritt: Eine bestimmte Menge einer Säure wird in Wasser gegeben molare Anfangskon-zentration c0(HA) der Säure; kein Molekül liegt in dissoziierter Form vor. 2. Schritt: Säure protolysiert (teilweise), weil sich ein Gleichgewicht einstellt. Die Konzentrationen c0(HA) sinkt um x mol/l: cGG(HA) = c0(HA) - x mol/l. Diskussion der „Größe“ von x bei starken und schwachen Säuren bzw. Basen: Bei starken und schwachen Säuren bzw. Basen ist eine Vereinfachung mithilfe einer Näherung möglich. Wässrige Lösungen starker Säuren:

cGG(HX) + cGG(H2O) cGG(H3O+) + cGG(X-)

Aufgrund der fast vollständigen Protolyse gilt: c0 (HX) ~ cGG(H3O

+) pH = -lg cGG(H3O

+) = -lg c0(HX)


Wässrige Lösungen schwacher Säuren:

cGG(HX) + cGG(H2O) cGG(H3O+) + cGG(X-)

KS = cGG(H3O

+) • cGG(X-) / cGG(HX) KS = cGG(H3O

+)2 / (c0(HX) - cGG(H3O+))

Näherung: Aufgrund der sehr geringen Protolsye gilt: c0(HX) - cGG(H3O+) ~ c0(HX) Zudem kann die Autoprotolyse des Wassers unberücksichtigt bleiben. KS = cGG(H3O

+)2 / c0(HX) cGG(H3O+) = √(KS • c0(HX)) pH = 1/2(pKS - lgc0(HX))

Überprüfung: z. B.: Essigsäure mit c = 1 mol/l: c(H3O

+)Näherung = 4,24 • 10-3 mol/l; c(H3O+)exakt = 4,23 • 10-3 mol/l

Die Näherungsformel ist zulässig.

Berechnungen ausgehend von verschiedenen Ausgangswerten: z. B. Berechnung - Berechnung des pH-Wertes, wenn die Konzentration einer starken Säure/Base gegeben ist, - Berechnung der Konzentration einer Säure/Base aus dem pH-Wert, - Berechnung des pKS/pKB-Wertes aus dem pH-Wert.

Berechnungen bei mittelstarken Säuren und Basen sind gemäß Lehrplan nicht erforderlich.

Ermittlung und Interpretation von Titrationskurven: pKS-Bestimmung durch Halbtitration, Auswahl geeigneter Indikatoren


Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 8-12 C 11.2 Struktur und Eigenschaften von Farbstoffen: Funktionsprinzip eines Indikators Vorschläge zu Inhalten und Niveau Säure-Base-Titration: Prinzip der Durchführung, Versuchsaufbau, Auswertung von Messergeb-

nissen, Berechnungen; Auswahl geeigneter Indikatoren (Beispielaufgabe s. Anhang VI) Interpretation von Titrationskurven auch mehrprotoniger Säuren (z. B. Aminosäuren) Bestimmung des pKS-Wertes einer unbekannten Säure durch Halbtitration: chemische Herleitung

des Verfahrens aus MWG (wenn cGG(HA) = cGG(A-), dann gilt pKS = pH); Berechnungen, Auswer-tung von Titrationskurven (Beispielaufgabe s. Anhang VI)

Berechnungen: Im Hinblick auf die Abiturprüfung ist es ausreichend, wenn bei einer Titration der pH-Wert am Start-, Halbäquivalenz- und Äquivalenzpunkt berechnet werden kann. Die Berech-nung weiterer Punkte der Titrationskurve ist nicht nötig.

Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Kompetenzbereich Fachmethoden (EPA): … können selbstständig chemische Experimente planen, durchführen, beobachten, beschreiben

und auswerten. Das Durchführen von Schülerübungen wird dringend empfohlen. Hinweise auf Materialien und Literatur Beispieltitrationen: http://www.multimedia-chemieunterricht.uni-erlangen.de/versuche/liste.shtml

http://www2.iq.usp.br/docente/gutz/Curtipot_.html



Farben verschiedener Indikatoren bei unterschiedlichen pH-Werten (S) Titration der wässrigen Lösung einer starken Säure mit der wässrigen Lösung einer starken Base

und umgekehrt (S) Titration der wässrigen Lösung einer schwachen Säure (z. B. auch einer Aminosäure) mit der

wässrigen Lösung einer starken Base und umgekehrt (S) Erstellung von Titrationskurven durch pH-metrische Messung (optional: mit computergestützter

Messeinrichtung) (S) Halbtitration der wässrigen Lösung einer schwachen Säure (z. B. Ethansäure) mit der wässrigen

Lösung einer starken Base (Natronlauge) (S)

Puffersysteme: Wirkungsweise und Bedeutung


Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 8-12 Abhängigkeit der Enzymaktivität von Substratkonzentration, Temperatur, pH-Wert, Schwermetall-

ionen Vorschläge zu Inhalten und Niveau Zusammensetzung einer Pufferlösung Auswirkung von Säure- bzw. Basenzugabe Henderson-Hasselbalch-Gleichung Pufferkapazität Anwendungsbeispiele für Puffersysteme:

- in der Natur: Silikat-Puffer in Böden; - im Körper des Menschen: im Blut: Kohlensäure/Hydrogencarbonat-Puffer verhindert Alkalose

und Azidose, in lebenden Zellen: Dihydrogenphosphat-/Hydrogenphosphat-Puffer; - in der Technik: biotechnologische Verfahren in der Industrie - im Labor: Gelelektrophorese; - Pufferwirkung von Proteinen; - Enzymwirkung: Beeinflussung der Raumstruktur von Enzymen durch den pH-Wert.


Herstellung von Pufferlösungen nach Literaturangaben (z. B. Acetatpuffer, Phosphatpuffer, Car-bonatpuffer)

pH-Messungen mit einem pH-Meter nach Zugabe einer sauren Lösung bzw. einer basischen Lösung zu einer Probe der Pufferlösungen bzw. zu Wasser (S)

C 12.3 Redoxgleichgewichte 11

C 12.3 Redoxgleichgewichte



1

Aufgreifen von Grundwissen

Donator-Akzeptor-Konzept, Oxidation und Re-duktion

2 Redoxreaktionen sind umkehrbar

3

4 galvanische Zelle

Redoxpotential und Redoxreihe

5 galvanische Zellen

6

Spannungsreihe

Spannungsreihe als Redoxreihe mit normierten Werten erlaubt Vorhersagen über Ablauf von Redoxreaktionen 7

8 Standard-Wasserstoff-Halbzelle

9

Konzentrationsabhängigkeit des Redoxpo-tentials

Konzentrationszelle

10 Aufstellen und Anwenden der Nernstschen Gleichung 11

12

13

Elektrolyse

Zersetzungsspannung, Überspannung

14 Chloralkalielektrolyse

15

16 Wasserelektrolyse (z. B. Fotolyse)

17

elektrochemische Energiequellen in Alltag und Technik

Leclanché-Element, Silberzelle, Lithiumzelle 18

19 Akkumulatoren: Bleiakku, Lithium-Ionenakku

20

21 Brennstoffzelle (Wasserstoff, Methanol)

22

23

Korrosion und Korrosionsschutz bei Metal-len; Kontaktelement

Korrosion bei Metallen, Kontaktelement, Ros-ten 24

25 passiver Korrosionsschutz

26

27 aktiver Korrosionsschutz 1 Der Stoffverteilungsplan besitzt Vorschlagscharakter.


Aufgreifen von Grundwissen: Donator-Akzeptor-Prinzip; korrespondierende Redoxpaare


Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 8-12 CNTG 9.5 bzw. C 10.3 Elektronenübergänge:

bekannte Begriffe: Oxidation, Reduktion, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel, Elektronenübergang, korrespondierende Redox-Paare

CNTG 10.2 Sauerstoffhaltige organische Verbindungen, C 10.4 Reaktionsverhalten organischer Verbindungen: Oxidierbarkeit von Alkoholen und Carbonylverbindungen, Fehling- und Silberspie-gelprobe (C 11.5)

über Beispielreaktionen anknüpfen an C 12.1: Redox-Reaktionen sind reversibel und führen zu chemischen Gleichgewichten

Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Donator-Akzeptor-Konzept


Kupferblech wird in die Bunsenbrennerflamme gehalten, damit sich ein schwarzer Überzug aus Kupfer(II)-oxid bildet; noch warmes Blech wird in Ethanol getaucht (S)

Fehling-/Silberspiegelprobe (S) Oxidation von Propan-2-ol mit saurer Kaliumpermanganat-Lösung (S) Synthese von Zinkiodid aus den Elementen, Elektrolyse einer Zinkiodid-Lösung (z. B. Microscale)

(S)

galvanische Zelle: Leerlaufspannung als Potentialdifferenz

a) Redoxpotential und Redoxreihe


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Redoxreihe der Metalle: Herleitung der Reihenfolge über Auswertung von Experimenten (Eintau-

chen verschiedener Metalle in Metallsalzlösungen; unedle und edle Metalle) Redoxpotential: Tendenz zur Elektronenabgabe evtl. Ergänzen der Reihe um Nichtmetalle und Ionen (z. B. Fe2+/Fe3+, Mn2+/MnO4

-) Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Kompetenzbereich Fachmethoden (EPA): … interpretieren chemische Reaktionen auf der Teilchenebene, … können Hypothesen bilden, Voraussagen formulieren und diese experimentell überprüfen. Diese Aspekte können im Unterricht durch Entdecken des „Ordnungsprinzips“ der Metalle (Tendenz, Elektronen abzugeben), Aufstellen der Redoxreihe auf Basis der experimentellen Befunde und das Planen von weiteren Experimenten, um weitere Elemente in die Redoxreihe einzuordnen, aufgegrif-fen werden.


(Besonders anschaulich sind Kombinationen, bei denen nicht nur die Abscheidung eines Metalls zu sehen ist, sondern durch die Änderung der Lösungsfarbe auch die Entstehung des Ions des unedle-ren Metalls.) Eisennagel in Kupfersulfatlösung tauchen; parallel ansetzen: Eisenwolle oder -pulver in Kup-

fersulfatlösung; Umfärbung der Lösung in Richtung blassgrün lässt sich beobachten (S) Zinkgranalien/-pulver und Kupfersulfat-Lösung; Entfärbung der Lösung


Zinkgranalien/-pulver und gelbe Eisen(III)-chlorid- oder grüne Eisen(II)-chlorid-Lösung; Entfär-bung der Lösung (S)

Kupferwolle(-blech) und Silbernitratlösung; bei Verwendung von Kupferwolle zunehmend Umfär-bung der Lösung nach blau, amorphes Silber auf dem Kupfer (S)

exemplarisch demonstrieren, dass die Umkehrung, nicht „freiwillig“ abläuft: z. B. Silberdraht in Kupfersulfatlösung, Kupferblech in Eisen(III)-chlorid-Lösung (S)

Schwarze Löcher auf der CD: Auf eine entlackte CD-ROM wird eine Zinn(II)-chlorid-Lösung ge-tropft: Reaktion der Aluminium-Atome auf der CD mit Zinn(II)-Ionen, Bildung von Zinn (S)

Reaktionen von verdünnter wässriger Säurelösung mit edlem bzw. unedlem Metall; Einordnung von Wasserstoff in die Redoxreihe (S)

Zugabe von Chlor (z. B. V(Chlor) = 5 ml microscalemäßig hergestellt) oder Chlorwasser zu KI(aq) und KBr(aq)

Computersimulation: Die Reaktion von Eisen in CuSO4-Lösung (http://www.chemie-interaktiv.net/ff.htm)

b) galvanische Zelle


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Halbzelle, galvanische Zelle als Kombination zweier Halbzellen quantitativer Aspekt des Energieumsatzes der Redoxreaktionen; messbar bei räumlicher Tren-

nung von Oxidation und Reduktion Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Kompetenzbereich Fachmethoden (EPA): … können selbstständig chemische Experimente planen, durchführen, beobachten, beschreiben

und auswerten, … können Hypothesen bilden, Voraussagen formulieren und diese experimentell überprüfen. Diese Aspekte können im Unterricht folgender Maßen aufgegriffen werden: Die bei der Reaktion von Zink mit Kupfer(II)-Ionen als Wärme frei werdende Energie soll als elektrische Energie genutzt wer-den; Entwicklung des prinzipiellen Aufbaus einer galvanischen Zelle („Erfinden“ des Daniell-Elementes); auf Basis der Redoxreihe Entwickeln von weiteren Halbzell-Kombination; Messung der Leerlaufspannung


Reaktionsenergie bei der Reaktion von Zinkpulver mit Kupfersulfat-Lösung: Temperaturmessung (S)

galvanische Zellen (z. B. Daniell-Element) als Macro- oder Microscale-Experiment (S) Computersimulation: Galvanische Zellen: http://www.chemie-interaktiv.net/ff.htm

Spannungsreihe: Standard-Wasserstoff-Halbzelle, Standardpotentiale


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Standardbedingungen Standard-Wasserstoffhalbzelle als Bezugspunkt Spannungsreihe als Redoxreihe mit normierten Werten, Standardpotenzial E0


Messung von Potentialdifferenzen zwischen verschiedenen Standard-Halbzellen: mit Zellkultur-platte (wellplate) und Handmultimeter, wenn möglich als Schülerexperiment; alternativ in Projek-tion mit Petrischalen (S)

Iod-Brom-Element: z. B microscale auf wellplate mit Bromwasser und Kaliumiodid-Lösung (S) Messung mit der Standard-Wasserstoff-Halbzelle: macroscale oder microscale


Konzentrationsabhängigkeit des Redoxpotentials: Konzentrationszelle und Nernstsche Glei-chung


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Redoxpotential ist konzentrationsabhängig; Konzentrationszelle Einfluss des pH-Wertes keine Herleitung der Nernstschen Gleichung Berechnungen mithilfe der Nernstschen Gleichung:

- Berechnung von Spannungen, wenn keine Standardbedingungen vorliegen; - Berechnung des Redoxpotentials bei bekannten Konzentrationen (Redoxpotential einer Per-

manganat-Halbzelle in saurer und neutraler Lösung; s. Anhang VII); - Berechnung der Konzentration eines Stoffes nach Messen der Spannung (Anwendungsbei-

spiel: elektrochemische Bestimmung des Atemalkoholgehalts); - (evtl. Deutung der Fehlingprobe: Herabsetzung des Potentials des Cu2+-Ions)


Konzentrationszelle mit Cu/Cu2+ oder Ag/Ag+ Oxidationsstufen des Mangans: Zugabe von Natriumsulfit-Lösung zu KMnO4-Lösungen mit ver-

schiedenen pH-Werten (stark sauer, neutral, stark basisch) (S) (s. Anhang VIII)

Elektrolyse: Zersetzungsspannung und Phänomen der Überspannung


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie Zersetzungsspannung: Durch Elektrolyse entsteht eine galvanische Zelle, deren Potential erst

überwunden werden muss. Überspannung: Differenz zwischen berechneter und tatsächlicher Zersetzungsspannung, Erklä-

rung des Phänomens auf Teilchenebene. keine quantitativen Stoffabscheidungen: Faradaysche Gesetze sind nicht im Lehrplan Hinweise auf Materialien und Literatur http://www.rheinneckarweb.de/basf-schule/lernen-mit-der-basf/chloralkalielektrolyse/


Lowcost-Hofmannscher-Zersetzungsapparat aus Plastikspritzen (S) Elektrolyse einer CuCl2-Lösung auf einem Objektträger mit Bleistiftminen als Elektroden (S) Elektrolyse von Na2SO4-Lösung im U-Rohr zur Messung der Zersetzungsspannung Computersimulation: Stromleitung in Lösungen - Elektrolyse (http://www.chemie-

interaktiv.net/ff.htm)

elektrochemische Energiequellen in Alltag und Technik: Batterie, Akkumulator, Brennstoff-zelle


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Zu den Themen Batterie und Akkumulator sind im Lehrplan keine verbindlichen Beispiele vorgege-ben. Mögliche Beispiele für die Batterie sind: Alkali-Mangan-Zelle, Silberoxid/Zink-Batterie, Zink/Luft-Batterie, Lithiumbatterie, (Zink-Braunsteinzelle (Leclanché-Element) ist relativ kompliziert und veraltet); für den Akkumulator: Bleiakku, Lithium-Ionen-Akku.


Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Kompetenzbereich Reflexion (EPA): … erkennen und beschreiben die gesellschaftliche Relevanz und Bedeutung der angewandten

Chemie für die Ernährungssicherung, Energieversorgung (…), … beurteilen Technikfolgen, wirtschaftliche Aspekte und Stoffkreisläufe im Sinne der Nachhaltig-

keit. Das Thema elektrische Stromquellen bietet Anknüpfungspunkte für die in den EPA geforderten As-pekte.


Lithium-Batterie Teelicht-Batterie: Eine Kochsalz-Lösung wird in den Alubecher eines Teelichts gegeben; als Gra-

phitelektrode taucht man eine Bleistiftmine (an die Graphitelektrode absorbierter Sauerstoff fun-giert als Elektronenakzeptor) in die Lösung, ohne den Boden zu berühren (z. B. Filterpapier auf den Dosenboden geben); die zweite Elektrode ist der Alubecher selbst. (S)

Dosenbatterie: Eine Aludose wird innen aufgeraut und mit Kochsalzlösung befüllt, eine Graphit-elektrode (s. o.) taucht in die Lösung, berührt das Aluminium aber nicht (z. B. Filterpapier auf den Dosenboden geben). Das Aluminium/Sauerstoff-Potential und die Stromdichte (größere Fläche als beim Teelicht) reichen aus, um einen Motor zu betreiben. (S)

CD-ROM Batterie: Eine entlackte CD-ROM und ein Graphitstab werden als Elektroden in eine Kochsalzlösung getaucht. Bei Stromfluss entstehen Löcher in der Aluminiumschicht der CD. (S)

Magnesium-Iod-Batterie (S) Aufbau eines Bleiakkus; Formieren, Laden und Entladen des Akkus alkalische Brennstoffzelle (Problem: Gasflaschen, und 5-molare Kalilauge nötig) PEM-Brennstoffzelle

Korrosion und Korrosionsschutz bei Metallen; Kontaktelement


Vorschläge zu Inhalten und Niveau Korrosionsprozess Säure- und Sauerstoffkorrosion; Kontaktelement (kurzgeschlossene galvanische Zelle) passiver Korrosionsschutz (z. B. Schutzanstriche, Überzüge aus edlerem Metall (Zinnschicht auf

Stahlblech Weißblech), geschlossene Oxidschicht auf dem Metall (Galvanisieren, Eloxalver-fahren), Inhibitoren im umgebenden Medium (bilden Schutzfilm))

aktiver Korrosionsschutz (kathodischer Korrosionsschutz, d. h. Werkstück wird als Kathode ge-schaltet; entweder mit passiven Opferanoden oder mit Stromquelle und Schrottanoden)

Hinweise auf Materialien und Literatur Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie: Korrosion/Korrosionsschutz; Nr. 8


Kontaktelement: Ein Zinkstab wird in verd. Salzsäure mit einem Kupferstab berührt; Wasser-stoffentwicklung am Kupfer. (S)

Sauerstoffkorrosion bzw. Kontaktelement im Petrischalen-Experiment mit Gelatine: einen neuen, nicht angerosteten Eisennagel im Mittelteil mit Kupferdraht umwickeln und in eine Lösung mit Ka-liumhexacyanoferrat(III), Kochsalz, Phenolphthalein-Lösung und Gelatine legen.

Reinigen von Silber durch Kontaktkorrosion Experimente zur Stillen Oxidation als Hausaufgabe: etwas Eisenwolle in 5 ml-Einweg-Spritze

geben, Stempel auf 5 ml ausziehen, mit ca.1 ml Wasser füllen und mit Spitze in Wasser stellen; mehrere Ansätze: mit eingeölter Eisenwolle, Salzwasser etc. (S)

aktiver Korrosionsschutz: - Eisenelektrode in eine Sauerstoff-gesättigte 3%-ige Kochsalzlösung mit wenig Kaliumhexa-

cyanoferrat(III) tauchen;


- Eisen- und Zinkelektrode in einer Sauerstoff-gesättigten 3%-igen Kochsalzlösung mit wenig Kaliumhexacyanoferrat(III) über Kurzschlussdraht verbinden;

- Eisenelektrode und Graphitelektrode in eine Sauerstoff-gesättigte 3%-ige Kochsalzlösung mit wenig Kaliumhexacyanoferrat(III) tauchen, Eisenelektrode mit dem Minuspol und Graphitelekt-rode mit dem Pluspol einer Gleichspannungsquelle bei 3 V Spannung verbinden.

Computersimulation: Galvanisieren (http://www.chemie-interaktiv.net/ff.htm)

Anhang 17

Anhang

I

II

Anhang 18

III

Anhang 19

IV

Anhang 20

V: Ermittlung der Stoffmengenkonzentrationen der Reaktionspartner im Gleichgewicht

Für Berechnungen mit dem Massenwirkungsgesetz benötigt man die Gleichgewichtskonzentrationen der an einer chemischen Reaktion beteilig-ten Edukte und Produkte. Mithilfe der folgenden Aufgaben können Sie an den Beispielen Ester-Synthese und Wasserstoffiodid-Synthese nachvoll-ziehen, wie die Stoffmengenkonzentrationen der Reaktionspartner im Gleichgewicht ermittelt werden. Wenden Sie anschließend Ihre Kenntnisse auf die Beispiele Distickstoffpentaoxid- und Ammoniak-Synthese an. Estersynthese Zu Beginn einer Estersynthese lagen in einem Gefäß mit einem Volumen von V = 1 l folgende Ausgangskonzentrationen vor: c(Methansäure) = 2 mol/l und c(Methanol) = 5 mol/l. Im Gleichgewicht beträgt die Konzent-ration des Esters cGG(Ester) = 1,7 mol/l.

Berechnen Sie die Gleichgewichts-Konzentrationen der anderen Stoffe. Lösungsweg Ausgangspunkt für die Überlegungen ist stets das Stoffmengenver-

hältnis der Edukte oder Produkte, das sich aus der Reaktionsgleichung ergibt. Falls die Reaktionsgleichung nicht angegeben ist, muss diese zuerst aufgestellt werden.

Aus der Reaktionsgleichung ergibt sich, dass der Ester und das Was-ser im Stoffmengenverhältnis 1:1 vorliegen: n(Ester) = n(H2O), d. h. gemeinsam mit jedem Molekül Ester ist ein Molekül Wasser entstan-den. Es wurden also 1,7 mol Ester und damit 1,7 mol Wasser gebildet.

Die Gleichgewichtskonzentration (cGG = nGG/V) von Wasser entspricht daher der des Esters: cGG(Wasser) = cGG(Ester) = 1,7 mol/l.

Da zur Bildung jedes Moleküls Ester ein Molekül Methansäure reagiert, muss sich die Stoffmenge n(Methansäure) um den Betrag von n(Ester) reduziert haben: 2 mol – 1,7 mol = 0,3 mol: cGG(Methansäure) = 0,3 mol/l.

Da zur Bildung jedes Moleküls Ester ein Molekül Methanol reagiert, muss sich die Stoffmenge n(Methanol) um den Betrag von n(Ester) reduziert ha-ben: 5 mol – 1,7 mol = 3,3 mol: cGG(Methanol) = 3,3 mol/l.

Synthese von Wasserstoffiodid Zu Beginn der Synthese lagen in einem Gefäß mit einem Volumen von V = 1 l folgende Ausgangskonzentrationen vor: c(H2) = 1 mol/l und c(I2) = 1 mol/l. Im Gleichgewicht beträgt die Konzentration des Wasserstoffs cGG(H2) = 0,22 mol/l.

H2 + I2 2 HI

Start 1 mol/l 1 mol/l -

GG 0,22 mol/l 0,22 mol/l 1,56 mol/l

Berechnen Sie die Gleichgewichts-Konzentrationen der anderen Stoffe. Lösungsweg: Aus der Reaktionsgleichung ergibt sich, dass Wasserstoff und Iod im Stoff-

mengenverhältnis 1:1 vorliegen (n(H2) = n(I2)). Zur Bildung von Wasserstoff-iodid wurden gleich große Mengen an Wasserstoff und Iod verbraucht. Die Gleichgewichtskonzentration von Iod entspricht daher der des Wasserstoffs: cGG(H2) = cGG(I2) = 0,22 mol/l.

Aus der Reaktionsgleichung ergibt sich, dass Wasserstoffiodid und Wasser-stoff bzw. Iod im Stoffmengenverhältnis 2:1 vorliegen, d. h. aus x mol Was-serstoff werden 2 x mol Wasserstoffiodid: Zu Beginn wurden 1 mol Wasser-stoff eingesetzt, im Gleichwicht liegen noch 0,22 mol vor. Bis zum Erreichen des Gleichgewichts haben 0,78 mol Wasserstoff reagiert (1 mol – 0,22 mol = 0,78 mol). Aus 0,78 mol Wasserstoff entstehen 1,56 mol Wasserstoffiodid. Daraus ergibt sich cGG(HI) = 1,56 mol/l.

Start

GG 0,3 mol/l 3,3 mol/l 1,7 mo

++ + H2O

1,7 mol/l

C

OH

O

H CH3 OH C

O

O

H

CH3

2 mol/l 5 mol/l -- --

Anhang 21

Distickstoffpentaoxid-Synthese Zu Beginn der Synthese lagen in einem Gefäß mit einem Volumen von V = 1 l folgende Ausgangskonzentrati-onen vor: c(NO2) = 5 mol/l und c(O2) = 3 mol/l. Im Gleichgewicht beträgt die Konzentration des Distickstoffpen-taoxids c(N2O5) = 2 mol/l.

4 NO2 + O2 2 N2O5

Start 5 mol/l 3 mol/l -

GG 2 mol/l

Berechnen Sie die Gleichgewichts-Konzentrationen der anderen Stoffe. Lösung: Zur Bildung von 2 mol N2O5 werden 4 mol NO2 und 1 mol O2 verbraucht.

cGG(NO2) = 1 mol/l, cGG(O2)= 2 mol. Ammoniaksynthese Zu Beginn der Synthese lagen in einem Gefäß mit einem Volumen von V = 1 l folgende Ausgangskonzentrati-onen vor: c(H2) = 6 mol/l und c(N2) = 2 mol/l. Im Gleichgewicht beträgt die Konzentration des Ammoniaks c(NH3) = 1 mol/l. Berechnen Sie die Gleichgewichts-Konzentrationen der anderen Stoffe. Lösung: cGG(N2) = 1,5 mol/l, cGG(H2)= 4,5 mol/l

Anhang 22

VI: Ermittlung und Interpretation von Titrationskurven: pKS-Bestimmung durch Halbtitration, Auswahl geeigneter Indikatoren

Vorschläge zu Inhalten und Niveau: Berechnungen Ausgehend von einer konkreten Beispieltitration sind unterschiedliche Aufgabenstellungen zur Be-rechnung von pH-Werten, Konzentrationen etc. denkbar. Die Aufgabenstellung kann variiert werden, indem nur ein Text, ein Text und die Titrationskurve oder ein Text und eine Wertetabelle, auf deren Basis von den Schülerinnen und Schülern die Titrationskurve erstellt wird, vorgegeben werden. Das folgende Beispiel befasst sich in erster Linie mit Aufgabenstellungen zum Thema „Berechnun-gen“. Der Lehrplaninhalt „Titrationskurven“ bietet aber auch eine Vielzahl von Möglichkeiten für an-dere Aufgabenstellungen (s. Skript S. 9, s. Musterabitur C1). Im Unterricht sollte der Schwerpunkt auf dem Verständnis der chemischen Phänomene und Zusammenhänge sowie der experimentellen Vorgehensweise liegen. In diesem Zusammenhang ist es, z. B. im Hinblick auf die Abiturprüfung ausreichend, wenn bei einer Titration der pH-Wert am Start-, Halbäquivalenz- und Äquivalenzpunkt berechnet werden kann. Die Berechnung weiterer Punkte der Titrationskurve ist nicht nötig. In der Abiturprüfung ist eine Formelsammlung zugelassen, der die benötigten Formeln entnommen werden können. Beispieltitration Bei einer Titration werden 20 ml einer Ethansäure-Lösung unbekannter Konzentration mit Natron-lauge der Konzentration c = 1 mol/l titriert. Bis zum Erreichen des Äquivalenzpunktes werden 8,8 ml der Maßlösung verbraucht. (pKS(Ethansäure) = 4,65)

Abb.: Titrationskurve (erstellt mit Titrierer, Kronberg-Gymnasium Aschaffenburg)

Indikatoren Umschlagsbereich (pH) Bromthymolblau 6,0-7,7 Phenolphthalein 8,2-10 Epsilonblau 12-13

Berechnen Sie die Masse an Natriumhydroxid, die zur Herstellung von 100 ml der Maßlösung

benötigt wird. Berechnen Sie die Konzentration der Essigsäure und den anfänglichen pH-Wert in der vorgeleg-

ten Lösung. Ermitteln Sie rechnerisch, welcher der in der Tabelle angegebenen Indikatoren für die Titration

am besten geeignet ist. Leiten Sie aus der Titrationskurve ab, welcher der in der Tabelle angegebenen Indikatoren für die

Titration am besten geeignet ist. Beschreiben Sie die Verhältnisse am Halbäquivalenzpunkt auf der Teilchenebene und leiten Sie über

das Massenwirkungsgesetz den pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt her.

Anhang 23

VII

VIII

„Chemische Gleichgewichte im Chemielehrplan der … · Wiederholung: Neutralisation und...

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