Skript zum Praktikum - IAPC - Uni Bremen€¦ · Durchführung der Experimente 1 Durchf¨uhrung der...

Skript zum Praktikum

Allgemeine Chemiefür Physiker

Name

Inhaltsverzeichnis i

Inhaltsverzeichnis

Durchführung der Experimente 1

Protokollführung 4

Literaturempfehlungen 5

Tag 1: Chemische Energetik 7Station 1: Gerätekunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Umgang mit Gas�aschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Umgang mit Bunsenbrennern . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Station 2: Lösungswärme von Salzen . . . . . . . . . . . . . . . . 10Station 3: Reaktionsenthalpie (∆H) einer Redox-Reaktion . . . . 12Station 4: Verbrennungsenthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Station 5: Wärmekissen und Kältepackungen . . . . . . . . . . . 14Station 6: Spontane endotherme Reaktion . . . . . . . . . . . . . 15

Tag 2: Säuren und Basen 17Station 1: Natürliche Indikatoren, Farborgel . . . . . . . . . . . . 17Station 2: Bildung von Säuren und Laugen . . . . . . . . . . . . . 18Station 3: Pu�er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Station 4: Titration von Coca Cola . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Station 5: Indikatoren, Umschlagbereiche, Mischindikatoren . . . 22Station 6: Säure/Base-Verdrängungsreaktionen . . . . . . . . . . 24

Tag 3: Redoxreaktionen und Elektrochemie 25Station 1a: Die Fällungs-/Redoxreihe der Metalle . . . . . . . . . 25Station 1b: Zementation von Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . 26Station 2: Das Daniell-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Station 3: Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials . 29Station 4: Die Brennsto�zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Station 5: Die Alkali-Mangan-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . 32Station 6: Die Zink-Luft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Tag 4: Chemische Kinetik 37Station 1: Die Ioduhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Station 2: Reaktion von Natriumthiosulfat mit Salzsäure . . . . . 39Station 3: Grobes und fein verteiltes Zink in Salzsäure . . . . . . 41Station 4: Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 42Station 5: Die Hydrolyse von tert-Butylchlorid . . . . . . . . . . 43

Tag 5: Freies Experimentieren 45

Anhang A: Chemikalienliste 47

Anhang B: R- und S-Sätze 51

Anhang C: Spannungsreihe 55

ii Inhaltsverzeichnis


Durchfuhrung der Experimente

Dieses Skript wurde zum Praktikum �Allgemeine Chemie für Physiker� ge-schrieben. In diesem Praktikum sollen Sie experimentell einige grundlegen-dene Konzepte der Chemie kennenlernen.

Die einzelnen Experimente stehen in gröÿeren experimentellen und/odertheoretischen Problemkreisen. Jeder Versuchstag ist dabei einem bestimm-ten Sachgebiet zugeordnet. Bereiten Sie sich daher auf das Praktikum vor,indem Sie das Skript im Vorfeld sorgfältig durcharbeiten, sich die Durch-führung und Zielsetzung aller Versuche klarmachen und evtl. Reaktions-gleichungen formulieren. Die Praktikumsassistenten werden sich imVorfeld davon überzeugen, dass Sie ausreichend vorbereitet sind.Nur dann dürfen Sie die Versuche durchführen!

Sie werden in diesem Praktikum die Experimente an den ersten vier Ta-gen an Stationen durchführen. Ihre Aufgabe besteht darin, den zeitlichenAblauf Ihres Praktikumstages zu organisieren. Sie müssen die Stationen soauswählen, dass Sie alle Experimente durchführen, aber möglichst auch kei-nen Leerlauf haben. Sprechen Sie sich untereinander ab.Am 5. und letzten Tag werden Sie einen einzelnen Versuch in einer Zweier-gruppe durchführen. Die zugehörige Versuchsvorschrift werden Sie erst andiesem Tag erhalten. Ziel dieses Praktikumstages ist die eigenständige undselbst durchdachte Planung und Umsetzung eines einfachen experimentellenProblemes. Dabei stehen Ihnen die Prakikumsassistenten als Diskussions-partner zur Verfügung.

Gefahren beim Umgang mit Chemikalien

Beachten Sie die allgemeinen Sicherheitshinweise. Im Labor istdas Tragen von Laborkitteln (100% Baumwolle) und SchutzbrillenP�icht! Lange Haare müssen zusammengebunden werden. Eben-falls ist Essen und Trinken im Labor strikt verboten! InformierenSie Sich über Fluchttüren und die Standorte von Feuerlöschernund Verbandskästen.

Informieren Sie sich bereits im Vorfeld über mögliche Gefahren im Um-gang mit den von Ihnen verwendeten Chemikalien. In der Chemikalienlistefür die Versuche sind dazu die Gefahrensymbole angegeben. Besonders ge-fährliche Chemikalien sind in diesem Skript mit einem ! gekennzeichnet.Informieren Sie sich ganz besonders bei diesen Chemikalien über die R- undS-Sätze. Hierzu �nden Sie am Ende des Skripts eine Zusammenstellung al-ler verwendeten Chemikalien inklusive der zugehörigen R- und S-Sätze. DiePraktikumsassistenten werden Sie während des Praktikums hierzu befra-gen. Dieses dient vor allem Ihrer Sicherheit und der Ihrer Kommilitonen.

Um auf den ersten Blick über Eigenschaften von Chemikalien informiert zusein, welche die Gesundheit beeinträchtigen können, stehen auf den Vorrats-gefäÿen und in der Versuchsbeschreibung entsprechende Gefahrensymbole.Diese Symbole müssen Ihnen neben den R- und S-Sätzen vertraut sein.

2 Durchführung der Experimente

T+sehr giftig

Tgiftig

Cätzend

Fleichtentzündlich

F+hochentzündlich

Obrandfördernd

Eexplosionsgefährlich

Xngesundheitsschädlich

Xireizend

Numweltgefährlich

R- und S-Sätze beinhalten Gefahrenhinweise (R-Sätze) und Sicherheits-ratschläge (S-Sätze), die Ihnen bei dem Umgang oder bei der Kontaminationmit dem betre�enden Sto� als Hilfe zur Gefahrenabwehr dienen sollen. Inkeinem Fall entbindet Sie das Wissen um Gefahrensymbole und R- und S-Sätze davon, sich ausführlich mit den chemischen Eigenschaften und derbiologischen Wirksamkeit benutzter Chemikalien vertraut zu machen, dadiese Informationen in den R- und S-Sätzen aus verständlichen Gründenallgemein gehalten werden.

Dies sei Ihnen kurz am Beispiel der Salpetersäure verdeutlicht: Salpetersäu-re trägt als starke Elementsauersto�säure die Gefahrensymbole O (brand-fördernd) und C (ätzend). Die Angaben in den R- und S-Sätzen liefern:R 8-35 S: 1/2-23-26-36-45. Hier steht aber z.B. nirgendwo, dass der Haut-kontakt mit deren Gelbfärbung und Zersetzung einhergeht. Informieren SieSich über die Reaktion! Bedenken Sie auch, dass viele Reaktionen mit biolo-gischem Material erst zeitlich stark versetzt (Stunden bis Tage!) sicht- undspürbar werden können! Auÿerdem können diese Informationen abhängigvon Konzentration, Zubereitung oder Zerteilungsgrad der Chemikalie starkdi�erieren.

Während des ersten Praktikumstags werden die Assistenten Ihnen auÿer-dem Hinweise zum sicheren praktischen Arbeiten geben.

Arbeiten Sie auÿerdem umweltbewuÿt. Erkundigen Sie Sich bei Unklarhei-ten über die Entsorgung von Chemikalien bei den Assistenten. SchüttenSie niemals schwermetallhaltige Lösungen oder organische Lösungsmittel inden Ausguss. Gehen Sie sparsam mit den bereitgestellten Chemikalien um,nicht immer gilt: �Viel hilft viel�. Nutzen Sie einige Lösungen in Absprachemit den Assistenten ggf. mehrfach.


Halten Sie den Arbeitsplatz sauber. Nachdem Sie eine Station er-folgreich durchgeführt haben reinigen Sie bitte die verwendetenGeräte, soweit dies möglich ist. Achten Sie besonders bei Pipet-ten auf eine ausreichende Reinigung, damit andere Lösungen nichtkontaminiert werden.

Neben einigen Versuchen �nden Sie Symbole, die auf Besonderheiten derStation hinweisen sollen.

Besondere Entsorgung beachten.

Experiment mit erhöhtem Gefahrenpotential.

Bei der Durchführung wird Ihnen vom Assistenten geholfen.

4 Protokollführung

Protokollfuhrung

Die im Praktikum durchgeführten Experimente sollen während des Prak-tikums protokolliert werden. Dieses ist für Ihren Lernerfolg sehr wichtig.Achten Sie in Ihrem eigenen Interesse auf eine sorgfältige Protokollierungder Experimente. Benutzen Sie hierfür ein Laborjournal oder einvergleichbares Heft, am besten mit kariertem Papier. Eine �Lose Zettel-sammlung� wird nicht akzeptiert. Die Protokolle werden bereits am Prak-tikumstag vom jeweiligen Versuchsbetreuer abgezeichnet.

Ein Protokoll soll enthalten:

• Thema des Versuchs

• Beschreibung und ggf. Skizze

• Abweichungen von der Versuchsdurchführung im Skript

• Beobachtungen, Messwerte und kurze Deutung

Bringen Sie zu jedem Versuchstag entweder Millimeterpaper oder einenLaptop mit geeigneter Software (Excel o.Ä.) mit. Sie sollen mit diesenHilfsmitteln die Versuche, in denen z.B. Meÿdaten als Funktion der Zeitanfallen, während des Experimentes quantitativ auswerten.Achten Sie auf eine angemessene äuÿere Form der Protokolle!

Literaturempfehlungen 5

Literaturempfehlungen

1. Binnewies, M.; Allgemeine und Anorganische Chemie; Spektrum Aka-demischer VerlagDer Binnewies ist der ideale Begleiter für die Vorlesung und das Prak-tikum.

2. Riedel, Erwin; Anorganische Chemie; deGruyter Verlag BerlinDer Riedel ist ein Klassiker, der jedoch nicht alle Inhalte der Vorlesungabdeckt.

3. Atkins, Peter W.; Physikalische Chemie; Wiley-VCHDer Atkins ist ein Standard-Lehrbuch im Bereich der physikalischenChemie, in dem viele Inhalte der Vorlesung weiter vertieft werdenkönnen. Im ersten Semester kein Muss, in höheren Semestern kommtman nicht mehr am Atkins vorbei.

4. Mortimer C. E.; Chemie. Das Basiswissen der Chemie; Thieme Ver-lag, Stuttgart.Zum Aufarbeiten von Wissenslücken aus der Schulzeit durchaus geeig-netes Lehrbuch. Für ein tiefer gehendes Verständnis sind o.g. Bücherzu empfehlen.

6 Literaturempfehlungen

Tag 1: Chemische Energetik 7

Tag 1: Chemische Energetik

Chemische Reaktionen sind nicht nur sto�iche Umwandlungen. Auch derenergetische Aspekt spielt bei solchen Prozessen eine wichtige Rolle, dennbei chemischen Reaktionen werden bestehende Bindungen gebrochen undneue geknüpft. Dies ist immer mit einem Energieumsatz verbunden.Neben Versuchen zur Thermochemie werden Sie am heutigen Versuchstagan Station 1 mit wichtigen Laborgeräten und Labortätigkeiten wie Pipet-tieren und Wiegen vertraut gemacht.

Übersicht Erl.

Sattion 1: Gerätekunde

Station 2: Lösungswärme von Salzen

Station 3: Reaktionswärme einer Redox-Reaktion

Station 4: Verbrennungsenthalpie

Station 5: Wärmekissen und Kältepackungen

Station 6: Spontane endotherme Reaktion

Station 1: Geratekunde

In chemischen Laboratorien wird eine Vielzahl von Geräten benutzt. Zieldieser Station ist es, Sie mit einigen typischen Geräten vertraut zu machen.Die Assistenten werden Ihnen dazu im Labor einige Glasgeräte und ihreFunktion zeigen.

Saugflasche Waschflasche Exsikkator

Nutsche(Büchner-Trichter)

Becherglas Erlenmeyerkolben

Scheidetrichter

Kristallisierschale

100

200

300

400

500

100

150

200

250

8 Tag 1: Chemische Energetik

Umgang mit Gasflaschen

Druckgas�aschen (�Bomben�) stellen eine nicht unerhebliche Gefahrenquel-le dar. Das in ihnen enthaltene Gas steht im Allgemeinen unter sehr hohemDruck. Sie sind deshalb immer gegen Umfallen zu sichern!

Zur Entnahme von Gas aus einer Druckgas�asche ist ein Druckminderernötig. Hierbei gibt es für jede Gassorte ein eigenes Ventil mit einem eigenenGewindeanschluss. Den sicheren Umgang mit einem Druckminderer sollenSie im Folgenden kennen lernen. Jeder Praktikumsteilnehmer soll die fol-genden Arbeitsschritte mindestens einmal durchgeführt haben.

Arbeitsgange bei der Gasentnahme

• Auslassventil und Druckminderventil geschlossen? Prüfen!

• Flaschenventil langsam ö�nen (Anzeige Flaschenmanometer; an die-sem Druck können Sie ebenfalls den Füllstand der Gas�asche ablesen)

• Langsam Einstellschraube eindrehen und dabei Anzeige Arbeitsma-nometer beobachten (0.3-0.7 bar sind normal)

• Vorsichtiges Ö�nen des Absperrventils

Arbeitsgange beim Schließen

• Flaschenventil schlieÿen

• Absperrventil ö�nen und Druck ablassen (Anzeige Arbeitsmanometer)

• Einstellschraube herausdrehen

Arbeits-manometer

VentilInhalts-manometer

Flaschen-ventil

Zwischen-kammer

Membran

Einstell-feder

Einstell-schraube

Absperr-ventil


Umgang mit Bunsenbrennern

Beim Bunsenbrenner strömt das Heizgas durch eine am Fuÿ des Brennersangebrachte Düse ein und saugt hierbei durch eine regulierbare Ö�nungLuft an. So entsteht im Inneren des über der Düse be�ndlichen Brennrohres(Mischkamin) ein Gas-Luft-Gemisch, das beim Entzünden in einer auf demoberen Rande des Brennrohres aufsitzenden Flamme verbrennt.

Regulierschraubefür Luftzuführung

Luftzuführung

Düse

Mischrohr

Regulierschraubefür Gaszuführung

Teclubrenner Bunsenbrenner

Innenkegel

Außenkegel

Außenkegel

Verbrennungmit Sekundärluft

Bunsenflamme

Bei dieser Flamme kann man einen blauen Innenkegel und einen beinahefarblosen Auÿenkegel unterscheiden. Der Innenkegel besteht aus frischemLuft-Gas-Gemisch und ist daher verhältnismäÿig kalt (ungefähr 300◦C). DieVerbrennung dieses Gemisches erfolgt erst am Rande des Innenkegels, wosich die Ausströmungsgeschwindigkeit des Gases (welche die Flamme vonunten nach oben zu treiben sucht) und die Fortp�anzungsgeschwindigkeitder Verbrennung (welche die Flamme dem frischen Gas entgegen in das In-nenrohr hineinzudrücken versucht) gerade die Waage halten. Die vom Heiz-gas am Brennerfuÿ angesaugte Luft (Primärluft) reicht nun nicht aus, umdas ganze Heizgas zu verbrennen. Der Überschuss des Gases verbrennt amRande des Auÿenkegels der Flamme mit der von auÿen kommenden Luft(Sekundärluft).

Die Temperatur der Bunsen�amme ist naturgemäÿ an den Kegelrändern,den eigentlichen Verbrennungszonen, am höchsten und beträgt ca. 1000◦C.Wegen des Gehalts an Kohlenmonoxid (CO), unverbrannten Kohlenwasser-sto�en und aufgrund von Sauersto�mangel wirkt der innere Teil des Au-ÿenkegels nahe dem heiÿen Auÿenrand des Innenkegels reduzierend (Re-duktionszone), während der äuÿere Rand des Auÿenkegels wegen des hiervorhandenen überschüssigen Luftsauersto�s starke Oxidationswirkung zeigt(Oxidationszone).Ändert man die Strömungsgeschwindigkeit des Gas-Luft-Gemisches imBunsenbrenner, so verändert sich auch die Lage der Flamme. Verringertman die Gasgeschwindigkeit bei hoher Luftzufuhr, so wandert die Verbren-nungszone von oben nach unten, d.h. der Flammenkegel wandert in denMischkamin hinein bis zur Austrittsstelle des Gasgemisches (Düse). DerBrenner �schlägt durch�. Vergröÿert man die Gasgeschwindigkeit zu stark,so wird die Flamme vom oberen Rand des Brennerrohres abgehoben, d.h.die Flamme wird �ausgeblasen�.

In beiden Fällen ist der Gashahn sofort zu schlieÿen!


Station 2: Losungswarme von Salzen

Ihre Aufgabe ist es hier, anhand von drei Salzen die Lösungsenthalpie ∆Hzu bestimmen und eine Aussage über die energetischen Faktoren der Reak-tionen zu machen.

Theoretischer Hintergrund:Bei dem Au�ösen eines Salzes in einem Lösungsmittel sind zwei Prozessezu beachten. Zum einen müssen zunächst die Bindungen im Kristall gebro-chen werden, dieses ist ein Prozess, bei dem Energie (Wärme) aufgewendetwerden muss. Zum zweiten kommt es zur Solvatation der gebildeten Ionen,hierbei wird Energie (Wärme) abgegeben. Handelt es sich beim Lösungs-mittel (Solvat) um Wasser, spricht man von der Hydratation der Ionen.

Ist die Energie, die zum Aufbrechen der Bindungen im Kristall nötig ist,gröÿer als die Energie, die bei der Solvatation gewonnen wird, handelt essich um einen endothermen Vorgang (das System kühlt sich ab). Überwiegtdie bei der Solvatation gewonnene Energie, handelt es sich um eine exother-men Vorgang (das System erwärmt sich).

Bei konstantem Druck entspricht diese Wärmeenergie der Enthalpieände-rung ∆H. Deshalb wird oftmals nicht von Lösungswärme sondern von Lö-sungsenthalpie gesprochen.

Beispiel: Au�ösen von Kaliumchlorid

1. Schritt: Aufbrechen der Kristallstruktur, Bildung von quasi gasförmigenIonen

KCl(s) −→ K+(g) + Cl−(g) ∆H = +701, 2 kJ/mol

2. Schritt: Hydratation der gebildeten Ionen

K+(g) + Cl−(g)

Wasser−→ K+(aq) + Cl−(aq) ∆H = −684, 1 kJ/mol

Der Gesamtprozess ist somit:

KCl(s) −→ K+(aq) + Cl−(aq) ∆H = +17, 1 kJ/mol

Es handelt sich hierbei um einen endothermen Vorgang (∆H > 0, Energiemuss aufgewand werden)

Geräte:Styroporkalorimeter, Magnetrührer, Messzylinder, Waage, Thermometer (miteiner 1/10 Gradeinteilung)

Chemikalien:Calciumchlorid CaCl2 Xi

Calciumchlorid-Hexahydrat CaCl2·6H2O Xi

Kaliumchlorid KCl

Wasser


Versuchsanleitung:Wiegen Sie jeweils 0.1 Mol der Salze KCl, CaCl2 und CaCl2·6H2O ab. DieMessung wird in einem Styroporkalorimeter (einem mit Styropor isoliertemBecherglas mit Magnetrührer) durchgeführt. Wiegen Sie das Becherglas undnotieren Sie sich dessen Masse. Füllen Sie ca. 40 ml entionisiertes Wasserin das Becherglas und bestimmen Sie die Masse des Wassers.

Messen Sie zunächst für ca. 10 min die Temperatur des Wassers ohne Salz.Die Messung der Temperatur sollte mit einem Thermometer erfolgen, des-sen Skala eine 1/10 Gradeinteilung besitzt.

Geben Sie nun das Salz hinzu und notieren Sie sich die Temperaturen imMinutenabstand und brechen Sie die Messung erst ab, wenn Sie eine Ge-rade durch die Meÿwerte nach dem Temperatursprung legen können (sieheAbb.). Tragen Sie die Ergebnisse auf Millimeterpapier auf.

Hinweise zur Auswertung:Für die Berechnung der Lösungsenthalpie (∆H) benötigen Sie die Wärme-kapazität des Wassers und des Glases:

CP (Wasser) = 4.187 Jg−1K−1 CP (Glas) = 0.8 Jg−1K−1

Das tiefgestellte p bezieht sich darauf, dass dieser Wert für konstanten Druckgilt. Berechnen Sie die Lösungsenthalpie nach folgender Gleichung und in-terpretieren Sie die Ergebnisse:

∆RH = −Cp(Kalorimeter) ·∆T (Kalorimeter)= − (m(H2O) · Cp(H2O) + m(Glas) · Cp(Glas)) ·∆T (Kalor.)

Die Temperaturänderung ∆T wird, wie in nebenstehender Abbildung ge-zeigt, bestimmt.

�T

T

t


Station 3: Reaktionsenthalpie (∆H) einer Redox-Reaktion

Sie werden im Folgenden die Redox-Reaktion von Cu2+ und Zink beobach-ten und die Reaktionsenthalpie ermitteln.

Geräte:Styroporkalorimeter, Becherglas, Messkolben, Thermometer (mit einer 1/10Gradeinteilung), Magnetrührer, Stoppuhr

Chemikalien:Kupfersulfat-Pentahydrat CuSO4·5H2O Xn

Zink Zn F

Versuchsanleitung:Es wird ein Styropor-Kalorimeter verwendet. Setzen Sie zunächst 100 mleiner 0.1 M Kupfer(II)-Salzlösung aus Kupfersulfat an. Achten Sie jedochbeim Ansetzen der Lösung auf evtl. vorhandenes Kristallwasser. Die An-gabe von 0.1 M bezieht sich auf die Konzentration an Cu-Ionen, beziehenSie das Kristallwasser in die Berechnung der Molmasse ein. Wiegen Sie an-schlieÿend 0.1 mol Zinkpulver ab.

Messen Sie zunächst für kurze Zeit die Temperatur der Lösung, achten Siedarauf, dass das Thermometer eine Skala mit 1/10-Gradeinteilung besitzt.Achten Sie ferner darauf, dass die Lösung und das Zinkpulver ähnliche Tem-peraturen haben. Wenn Sie sich sicher sind, dass die Temperatur konstantist, geben Sie das Zinkpulver hinzu und messen Sie den Temperaturverlauf(ca. 10 Minuten jede Minute einen Messwert notieren).

Beenden Sie die Messung, wenn sich die Temperatur längere Zeit nicht mehrerhöht bzw. die Steigung des T(t)-Verlaufes konstant ist.

Tragen Sie den Temperaturverlauf auf Millimeterpapier auf. Zur Berech-nung von der Reaktionsenthalpie ∆H verfahren Sie wie bei Station 1 be-schrieben. Vergleichen Sie die experimentell erhaltene Reaktionsenthalpiemit Theoriewerten, die Sie über die Beziehung

∆RH =∑

i

νi∆BH0i (Produkte)−

∑i

νi∆BH0i (Edukte)

mit den folgenden Literaturwerten (aus P. W. Atkins, Physikalische Chemie,3. Au�., Tabellenanhang, S.1036�) berechnen:

∆BH0(Cu2+

(aq)

)= +64.77 kJ/mol

∆BH0(Zn2+

(aq)

)= −153.89 kJ/mol

νi sind hierbei die stöchiometrischen Faktoren in der Reaktionsgleichung.Versuchen Sie eine evtuelle Abweichung zwischen theoretischen und experi-mentellen Werten zu erklären.


Station 4: Verbrennungsenthalpie

In diesem Versuch sollen Sie experimentell die Reaktionswärme der Ver-brennung von Kohlensto� ermitteln.

Geräte:Kalorimeter (aus einem Saugrohr, umwickelt mit Kupferrohr), Gummischlauch,Gummistopfen, Plastikbecher, Wasch�asche, Thermometer, Stoppuhr, Ma-gnetrührer

Chemikalien:Holzkohle

Sauersto� O2 O

Zunächst werden mehrere Holzkohlestücke in einem Reagenzglas etwa 5 minsorgfältig ausgeglüht, bis kein Wasser mehr entweicht. Wird die Enthalpie-bestimmung nicht sofort anschlieÿend durchgeführt, sollten die Holzkohle-stücke in einem luftdicht verschlieÿbaren Gefäÿ aufbewahrt werden.

Einige Stücke Holzkohle werden genau abgewogen, die Masse sollte insge-samt ungefähr 0.4 g betragen. Ein Stück wird zurückbehalten, die übrigenwerden in das Reagenzglas des Kalorimeters gegeben. Ein leichter Sauer-sto�strom wird durch die Apparatur geleitet und die Temperatur des Was-sers wird über 10 min hinweg gemessen. Das zurückbehaltene StückchenKohle wird an der Flamme eines Bunsenbrenners entzündet und zu den an-deren in das Reagenzglas gegeben. Nach der Zugabe wird der Stopfen sofortwieder aufgesetzt. Von Beginn der Zugabe an wird in Abständen von 30 Se-kunden die Temperatur abgelesen und notiert. Falls die Kohle zu schwachverbrennt, kann der Sauersto�strom kurzzeitig verstärkt werden.

Zur Auswertung werden die erhaltenen Wertepaare analog der Auswertungder Station 1 in ein Temperatur/Zeit-Diagramm eingetragen. Unter Berück-sichtigung der Wärmekapazität des Wassers, des Glases und des Kupfers(Cp(Kupfer) = 0.4 J · g−1 ·mol−1) wird die freigesetzte Wärmemenge Qberechnet. Hierbei wird zur Vereinfachung die Wärmekapazität der Gum-miteile gleich der von Glas gesetzt.

�T

Sauerstoff

Paraffinöl

Kupfer-spirale

Kunststoff-becher

Holzkohlestückchen

Wasser

Temperatur-fühler


Station 5: Warmekissen und Kaltepackungen

Im Winter sind Wärmekissen als Taschenwärmer sehr beliebt, Sportler be-nötigen oft aber auch eine Kältepackung. Hinter beiden Anwendungen steckeneinfache chemische Reaktionen, die das Phänomen der Lösungsenthalpieausnutzen. (s.a. Station 2)

Geräte:Reagenzgläser, Bechergläser, Glasstab, Thermometer, Wasserbad, Lö�el-spatel

Chemikalien:Natriumacetat-Trihydrat C2H3O2Na·3H2O

Ammoniumnitrat NH4NO3 O

Wasser H2O

Versuchsanleitung:

a) Wärmekissen3.5 g Natriumacetat-Trihydrat werden in 1 ml Wasser bei 80-100◦Cim Wasserbad gelöst, so dass eine klare Lösung entsteht. Es dürfenkeine Salzkristalle mehr in der Lösung oder am Glasrand vorhandensein.Man stellt nun das Reagenzglas in den Ständer und lässt auf Zim-mertemperatur abkühlen. Die klare Lösung bleibt als übersättigteNatriumacetat-Lösung erhalten. Nun wird das Thermometer in dieLösung getaucht und am Glasrand der Lösung gerieben.Es setzt die spontane Kristallisation ein und die Temperatur steigtauf etwa 50◦C. Dieser Vorgang ist umkehrbar.

b) KältepackungEin 50 ml Becherglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt und die Tem-peratur abgelesen. Drei Lö�elspatel Ammoniumnitrat werden in dasWasser gegeben und mit einem Glasstab umgerührt. Beobachten Siedie Temperatur und notieren Sie die niedrigste.


Station 6: Spontane endotherme Reaktion

In diesem Versuch lernen Sie einige spontan ablaufende endotherme Reak-tionen von Natriumcarbonat-decahydrat mit einer Reihe anorganischer undorganischer Verbindungen kennen, die durch eine Entropiezunahme voran-getrieben werden.

Geräte:Bechergläser, Glasstab, Thermometer, Styroporbehälter

Chemikalien:Natriumcarbonat-decahydrat NaCO3· 10 H2O Xi

Magnesiumchlorid-hexahydrat MgCl2· 6 H2O

Ammoniumchlorid NH4Cl Xn

Ammoniumnitrat NH4NO3 O

Eisen(III)nitrat-nonahydrat Fe(NO3)2· 9 H2O Xi; O

Kupfer(II)chlorid-dihydrat CuCl2· 2 H2O Xn; N

Kupfer(II)nitrat-hexahydrat Cu(NO3)2· 6 H2O Xn

Oxalsäure C2H2O4 Xn

Malonsäure C3H4O4 Xn

Citronensäure C6H8O7 Xi

Versuchsanleitung:In ein 100 ml Becherglas werden jeweils ca. 2 Lö�elspatel voll mit Natrium-carbonat-Decahydrat und 2 Lö�elspatel der ausstehenden Salze gegeben.Die beiden Salze werden umgerührt und die Temperatur genau beobachtet.Es wird so lange gerührt, bis die tiefste Temperatur erreicht ist.

Führen Sie diesen Versuch mit Natriumcarbonat-Decahydrat als Ausgangs-substanz sowie 2 verschiedenen Salzen und einer organischen Säure durch.

Tag 2: Säuren und Basen 17

Tag 2: Sauren und Basen

Säuren und Basen spielen nicht nur in der Chemie, sondern auch in der Na-tur und Technik eine groÿe Rolle. Die jährliche Weltproduktion an konzen-trierter Schwefelsäure beispielsweise genügt, um die Okertalsperre im Harzzu füllen. Sie werden sich an diesem Tag hauptsächlich mit dem Säure-Base-Konzept nach Brönsted-Lowry beschäftigen.

Übersicht Erl.

Station 1: Natürliche Indikatoren, Farborgel

Station 2: Bildung von Säuren und Laugen

Station 3: Pu�er

Station 4: Titration von Coca Cola

Station 5: Indikatoren, Umschlagbereiche, selbst hergestellter Mischindikator

Station 6: Säure/Base-Verdrängungsreaktionen

Station 1: Naturliche Indikatoren, Farborgel

Geräte:Becherglaus, Erlenmeyerkolben, Trichter, Filterpapier, Reagenzgläser, Kü-chenmesser, Tropfpipetten, weiÿes Papier, Magnetrührer

Chemikalien:Rotkohlblätter

Pu�erlösungen (pH 4, 7, 10)

Salzsäure (0.1 M) HCl

Natronlauge (0.1 M) NaOH

! Natronlauge (2 M) NaOH C

Versuchsanleitung:Zur Herstellung von Rotkohlsaft gibt man frische, zerkleinerte Rotkohlblät-ter in ein Becherglas mit dest. Wasser und kocht einige Minuten, bis sicheine rote Lösung gebildet hat. Nach dem Abkühlen �ltriert man ab.

In sieben Reagenzgläser werden jeweils 5 ml der Pu�erlösungen sowie Salz-säure, Natronlauge und Leitungswasser gegeben. Dazu tropft man jeweilsetwas Rotkohlsaft. Arbeiten Sie mit weiÿem Hintergrund und warten Sieein paar Minuten, bis sich die endgültigen Farben eingestellt haben.

18 Tag 2: Säuren und Basen

Station 2: Bildung von Sauren und Laugen

Die Oxide von Nichtmetallen bilden bei Kontakt mit Wasser Säuren, dieOxide von Metallen hingegen bilden Laugen.

Geräte:Bechergläser, Standzylinder, Verbrennungslö�el

Chemikalien:Calciumoxid CaO Xi

Magnesiumoxid MgO

Schwefel S

! roter Phosphor Pn F; N

Kohlensto� C

Universalindikator

Versuchsanleitung:Die beiden Bechergläser und die drei Standzylinder werden in einer Reiheaufgestellt und beschriftet. Die Gläser und Standzyinder werden nun etwa2cm hoch mit Wasser gefüllt und es wird Universalindikator zugefügt.

In die Bechergläser wird je eine Probe Calciumoxid und Magnesiumoxidgegeben und gut umgeschüttelt.

Je eine Probe Schwefel, Phosphor und Kohlensto� werden in den Verbren-nungslö�eln verbrannt und in die jeweiligen Standzylinder gegeben. EinenDeckel auf die Zylinder legen und umschütteln.

Notieren und interpretieren Sie Ihre Beobachtungen und achten Sie auf mög-liche Farbumschläge.

Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen!

CaO MgO

S P C

Wasser+Indikator

Mit O

füllen2


Station 3: Puffer

Pu�er spielen für viele Systeme eine sehr groÿe Rolle. Viele Reaktionensind abhängig vom pH-Wert und Pu�er sorgen dafür, dass Reaktionen beieinem relativ konstanten pH-Wert ablaufen können. Dieses spielt eine nichtzu unterschätzende Rolle vor allem in biologischen Systemen, hier kann mansogar sagen, dass ein Leben ohne Pu�ersysteme zumindest auf diese Weisenicht möglich wäre. Das Blut muss zum Beispiel, um seine verschiedenenFunktionen ausführen zu können, stets einen pH-Wert von ca. 7,4 aufwei-sen. Schwankungen des pH-Wertes werden vom Körper nur in sehr engenGrenzen toleriert.

Geräte:pH-Meter, Bechergläser, Pipetten, Messzylinger

Chemikalien:Essigsäure (1 M) CH3COOH

Natriumacetat CH3COONa

! Salzsäure (1 M) C

! Natronlauge (1 M) C

Versuchsanleitung:Sie sollen sich im Folgenden mit einigen gepu�erten und angepuferten Syste-men auseinander setzen. Sie werden jeweils geringe Mengen an Säure bzw.Base hinzugeben. Machen Sie sich vorher klar, was Sie von einem Pu�ersy-stem erwarten. Entscheiden Sie anhand der Versuche, welche der SystemePu�ersysteme darstellen und erklären Sie dieses.

Die Messungen der pH-Werte werden mit einem so genannten pH-Meterdurchgeführt. Achten Sie darauf, dieses vor Versuchsbeginn kalibriert zuhaben.

Sie werden folgende Systeme untersuchen:

destilliertes WasserEssigsäure (1 M, 50 ml)Acetatlösung (1 M, 50 ml)Essigsäure/Acetatlösung (jeweils 2 M, jeweils 25 ml)

Ihnen werden 1 M Lösungen von Salzsäure und Natronlauge bereitgestellt.

Sie werden den Versuch einmal durchführen, indem Sie Säure hinzugeben,und ein zweites Mal, indem Sie Lauge hinzugeben. Geben Sie in Schrit-ten von 5ml die Säure bzw. Base hinzu und messen Sie den pH-Wert. Esgenügt, wenn Sie insgesamt 20ml der Säure bzw. Base hinzu gegeben haben.

Achten Sie unbedingt darauf, die Glaselektrode des pH-Meters mit destil-liertem Wasser abzuspülen bevor Sie diese in eine andere Lösung tauchen.

Interpretieren Sie die Ergebnisse, vergleichen Sie diese vor allem mit theo-retischen Ergebnissen (Gleichung zur pH-Wert-Berechnung schwacher Säu-ren/Basen bzw. Henderson-Hasselbalch-Gleichung für Pu�er). Berechnen


Sie hierzu die pH-Werte für die Lösungen vor der Zugabe der Säure/Baseund der Zugabe von jeweils 10ml der Säure/Base. Wodurch könnten dieAbweichungen bedingt sein?


Station 4: Titration von Coca Cola

Ziel dieses Versuches ist es, eine Titrationskurve für Coca Cola zu erstellen,hieraus die pKS-Werte zu bestimmen und anschlieÿend auf die Säure zuschlieÿen, die in der Cola enthalten ist.

Geräte:250ml Bechergläser, Bürette, pH-Meter

Chemikalien:Natronlauge (0.1 M) NaOH

Cola

Wasser H2O

Versuchsanleitung:Führen Sie die Titration mit einer 0.1 M Natronlauge durch.Verwenden Sie Coca-Cola, in der Kohlensäure enthalten ist. Beim zweitenMal verwenden Sie Coca-Cola, in der keine Kohlensäure mehr enthalten ist.Dieses können Sie durch kurzes Aufkochen und Rühren erreichen. LassenSie die Cola jedoch vor der Titration abkühlen.

Titrieren Sie jeweils ca. 20ml Cola (evtl. mit entm. Wasser au�üllen, da-mit die Elektrode genügend tief eintaucht). Geben Sie in Schritten von 1mlNatronlauge hinzu, rühren Sie kurz um und messen Sie dann mit dem pH-Meter den pH-Wert. Versuchen Sie den/die Äquivalenzpunkt/e möglichstgenau herauszubekommen. Verringern Sie hierzu ggf. die Zugabe an Lauge,wiederholen Sie ggf. die Titration.

Zeichen Sie eine Titrationskurve. Markieren Sie Äquivalenzpunkte und Puf-ferpunkte. Um welche Säure handelt es sich?


Station 5: Indikatoren, Umschlagbereiche, Mischindikatoren

In der Säure-Base-Chemie werden zur pH-Wert-Bestimmung oft Indikato-ren benutzt. Das Prinzip dieser Indikatoren basiert darauf, dass sie selbstschwache Säuren bzw. Basen sind, jedoch je nach Grad der Protonierung un-terschiedliche Farben besitzen. Man unterscheidet hierbei zweifarbige Indi-katoren, einfarbige Indikatoren (meist Phthalein-Derivate) und sogenannteMischindikatoren. Mischindikatoren aus mehr als drei Komponenten (Uni-versalindikatoren) werden meist zur qualitativen pH-Messung (pH-Papier)verwendet. Bei Indikatoren handelt es sich meist um gröÿere organische Mo-leküle.

Beispiel für einen zweifarbigen Indikator: Methylrot

HInd H+ + Ind−

rot orange gelb

saures pH=4.4-6.2 basisches Medium

Im folgenden Versuch sollen Sie Umschlagsbereiche und Farben verschiede-ner Indikatoren kennen lernen.

Geräte:Bechergläser, Reagenzgläser, Messzylinder, Messkolben, Waage

Chemikalien:Natronlauge (0.1 M) NaOH

Salzsäure (0.1 M) HCl

weitere Indikatoren

Ethanol CH3CH2OH

Pu�erlösungen


Versuchsanleitung:Sie sollen zunächst eine Säureverdünnungsreihe herstellen. Setzen Sie dieseLösungen arbeitsteilig an.

Gehen Sie jeweils von 0.1 M Salzsäure und 0.1 M Natronlauge aus. Hierauskönnen Sie durch Verdünnung Lösungen mit pH-Werten 1, 2, 3 und 11, 12,13 herstellen. Überlegen Sie sich, welchen pH-Wert eine 0.1 M Salzsäure be-sitzt. Gehen Sie hierbei von einer vollständigen Dissoziation aus. BeachtenSie, dass eine Änderung des pH-Wertes um eins, eine Verdünnung auf einZehntel bedeutet. Verfahren Sie bei der Natronlauge gleich. Zur Herstellungder Lösungen mit den pH-Werten von 4 bis 10 benutzen Sie geeignete Puf-ferlösungen.

Jede Gruppe sollte zwei Indikatoren untersuchen. Teilen Sie hierzu die her-gestellten Lösungen auf Reagenzgläser auf ( 10ml) und geben Sie ein Tropfendes Indikators hinzu. Notieren Sie pH-Werte und die Farben und verglei-chen Sie diese mit der Literatur.

Folgende Indikatoren sollen arbeitsteilig zum Einsatz kommen:

BromphenolblauMethylorangeMethylrotBromthymolblauPhenolphthaleinThymolblauThymolphthalein

Einen Mischindikator könnten Sie folgendermaÿen herstellen:20 mg Methylrot, 40 mg Bromthymolblau, 40 mg Thymolblau und 20 mgPhenolphthalein werden in 100 ml Ethanol gelöst.


Station 6: Saure/Base-Verdrangungsreaktionen

Im folgenden Experiment sollen Sie einige Brönsted Säure/Base-Reaktionenbeobachten und den Verlauf mit der Stellung der jeweiligen Säure/Base inder protochemischen Spannungsreihe begründen. Die protochemische Span-nungsreihe ist - analog der elektrochemischen Spannungsreihe - eine Anord-nung von Säure/Base-Paaren nach steigenden pKS-Werten.

Geräte:Reagenzgläser, Pipetten

Chemikalien:! Essigsäure (99%ig) CH3COOH C

! Ammoniak NH3 Xi

Natriumhydrogensulfat-monohydrat NaHSO4·H2O Xi

Natriumsul�d NaS·H2O C; N

Natriumhydrogencarbonat NaHCO3 C; N

Versuchsanleitung:Führen Sie die folgenden Versuche unbedingt unter einem Abzug durch.Vermeiden Sie es die entstehenden Gase direkt einzuatmen.Die Reaktionen lassen sich anhand der Gasentwicklung und der Geruchs-probe vor und nach der Reaktion (vorsichtig!!) verfolgen. (Vom Assistentenzeigen lassen!)

A: Essigsäure und AmmoniakSetzen Sie jeweils verdünnte Lösungen an und geben diese zusammen.

B: Natriumhydrogensulfat und Natriumsul�dSetzen Sie jeweils verdünnte Lösungen an und geben diese zusammen. Füh-ren Sie anschlieÿend eine Nachweisreaktion mit Blei(II)acetat-Papier durch.

C: Natriumhydrogensulfat und NatriumhydrogencarbonatSetzen Sie jeweils verdünnte Lösungen an und geben diese zusammen.

D: Natriumhydrogencarbonat und Natriumsul�dSetzen Sie jeweils verdünnte Lösungen an und geben diese zusammen.

Stellen Sie für obige Reaktionen die Reaktionsgleichungen auf. ErklärenSie Ihre Beobachtungen und deuten Sie diese anhand der protochemischenSpannungsreihe. Geben Sie hierbei an welche Substanz nach der De�nitionvon Brönsted-Lowry die Säure und welches die Base ist und weshalb.

Tag 3: Redoxreaktionen und Elektrochemie 25

Tag 3: Redoxreaktionen und Elektrochemie

Wenn eine chemische Reaktion mit einem elektrischen Strom verknüpft ist,so ist dies ein elektrochemischer Vorgang. Entweder wird die Redoxreaktiondurch eine von auÿen angelegte elektrische Spannung erzwungen (Elektroly-se), oder es wird durch die chemische Reaktion geeigneter Substanzen einemessbare Spannung hervorgerufen (galvanisches Element).Für einige Versuchsauswertungen benötigen Sie die elektrochemische Span-nungsreihe im Anhang C.

Übersicht Erl.

Station 1: Die Fällungs-/Redoxreihe der Metalle

Station 2: Das Daniell-Element

Station 3: Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials

Station 4: Die Brennsto�zelle

Station 5: Die Alkali-Mangan-Batterie

Station 6: Die Zink-Luft-Batterie

Station 1a: Die Fallungs-/Redoxreihe der Metalle

Geräte:Schnappdeckelgläser, Pinzette, Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Spatel

Chemikalien:Kupfernitrat KNO3 Xn

Zinksulfat ZnSO4 Xi; N

Eisen(II)-sulfat FeSO4 Xn

! Silbernitrat AgNO3 C; N

Salzsäure HCl C

Eisen-, Zink-, Kupfer-Pulver

Eisen-, Zink-, Kupfer-Blech

Versuchsanleitung:

a) Geben Sie jeweils ein Metallblech in die Lösungen von Kupfernitrat,Zinksulfat, Eisen(II)-sulfat und Silbernitrat.

b) Tropfen Sie in Reagenzgläsern jeweils zu kleinen Proben von Zink-,Eisen- und Kupferpulver verdünnte Salzsäure.

Auswertung:

1. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen und tragen Sie Ihre Ergebnissein eine geeignete Tabelle ein.

2. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen und vergleichen Sie die Er-gebnisse der beiden Versuche.

3. Finden Sie ausgehend von den Ergebnissen ein Ordnungsschema fürdie Metalle und stellen Sie eine �Redoxreihe� auf.

26 Tag 3: Redoxreaktionen und Elektrochemie

Station 1b: Zementation von Kupfer

Lösliche Kupferverbindungen sind für Menschen nur mäÿig giftig. So kannein erwachsener Mensch beispielsweise täglich 100 mg Kupfer in Form vonKupfer(II)-sulfat zu sich nehmen, ohne Schaden an seiner Gesundheit zu er-leiden. Eine Menge von etwa 10 g dieses Salzes, das früher als Brechmittelverwendet wurde, ist dagegen tödlich.Für niedere Organismen ist Kupfer ein starkes Gift. So sterben Bakterienund Fäulniserreger in Wasser, das sich in einem kupfernen Gefäÿ be�ndet,rasch ab. Daher halten sich auch Blumen in kupfernen Vasen besser als ingläsernen.Von Kupfersalzen belastete Gewässer können mit Hilfe von Eisenschrott auf-gearbeitet werden (Zementation). Dies veranschaulicht folgender Versuch.

Geräte:Becherglas (100 ml), Glasstab

Chemikalien:Kupfersulfat-pentahydrat CuSO4·5H2O Xn

! verd. Schwefelsäure H2SO4 C

Eisenspäne Fe

Versuchsanleitung:Ein Becherglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt und etwas Kupfersulfatdarin gelöst. Dann wird mit verd. Schwefelsäure leicht angesäuert und dieEisenspäne in die Kupfersulfat-Lösung gegeben und umgerührt. Die Lösungwird einige Zeit stehen gelassen und immer wieder beobachtet.Deuten Sie die Beobachtungen!


Station 2: Das Daniell-Element

Wie Sie bereits wissen, ist die Reaktion von Eisen mit Kupfersulfat-Lösungein exothermer Vorgang. Dasselbe gilt für die Reaktion von Zink mit Kup-fersulfat.

Zn + Cu2+ Cu + Zn2+

Diese Reaktion ist eine Redoxreaktion, bei der Elektronen von Zink-Atomenauf Kupfer-Ionen übertragen werden. Daher ist es möglich, die Teilreaktio-nen

Zn Zn2+ + 2e−

Cu2+ + 2e− Cu

räumlich voneinander zu trennen und die Elektronen über einen Draht voneiner Zink- zu einer Kupferelektrode zu leiten.

Minuspol PluspolGleichstrom-motor

Me

-

Diaphragma

Zn Cu

Zn (aq)2+

Zn (aq)2+

Cu (aq)2+

2e- 2e

-

SO (aq)4

2-

+ -

Die Zink/Kupfer-Zelle wird Daniell-Element genannt. Sie wurde 1835 vonJohn Frederick Daniell, einem englischen Chemiker, erfunden und biszur Er�ndung der Trockenbatterie als kleine elektrochemische Energiequelleverwendet.

Die Spannung zwischen der Zink- und der Kupfer-Elektrode im Daniell-Element hat bei gleicher Konzentration der Lösungen einen konstantenWert. Diese Spannung ist als charakteristische Gröÿe für die Kombinati-on der Redoxpaare

Zn(s) Zn2+ + 2e−

Cu(s) Cu2+ + 2e−

anzusehen.


Geräte:Bechergläser (250 ml), Zinkstabelektrode, Kupferstabelektrode, Elektroden-halter, Voltmeter, Glühlampe, Kabel

Chemikalien:Kupfersulfat-pentahydrat CuSO4·5H2O

Kaliumnitrat KNO3 O

Zinksulfat-heptahydrat ZnSO4·7H2O

Versuchsanleitung:In ein Becherglas gibt man eine 1 M Zinksulfat-Lösung und stellt die Zink-elektrode hinein. In ein zweites Becherglas, das mit einer 1 M Kupfersulfat-Lösung gefüllt ist, wird die Kupferelektrode eingetaucht ist. Die beidenBechergläser werden jeweils über ein KNO3-feuchtes Filterpapier mitein-ander verbunden. Man verbindet die beiden Elektroden elektrisch leitendund schaltet entweder eine Glühbirne oder ein Voltmeter in den Stromkreis.

Bestimmen Sie die Spannung!Welche Rolle hat das mit KNO3 getränkte Filterpaper?

U / I

Ionenbrücke

Kupferblech

Kupfersulfat-Lösung(c = 1 mol/l)

Zinkblech

Zinkblech-Lösung(c = 1 mol/l)


Station 3: Konzentrationsabhangigkeit des Elektrodenpotentials

Bei der Messung der Normalpotentiale der Spannungsreihe ist darauf zuachten, dass die Metalle stets in Salzlösungen der Aktivität a = 1 eintau-chen. Man kann daher vermuten, dass sich bei Lösungen anderer Konzen-tration andere Werte für die Potentiale ergeben. Diese Vermutung lässt sichauch durch folgende Fragestellung ausdrücken. Besteht eine Spannung zwi-schen zwei Halbzellen, bei denen gleiche Metalle in verschieden konzentrierteIonen-Lösungen eintauchen?Dieser Frage sollen Sie in dem folgenden Versuch nachgehen.

Geräte:Bechergläser (100 ml), 2 Ag-Bleche, Krokodilklemmen, Voltmeter (Messbe-reich 200 mV), Filterpapier, Pinzette

Chemikalien:Silbernitrat AgNO3 C; N

Kaliumnitrat KNO3 O

Die Lösungen sollen mehrmals wieder verwendet werden (Silber-nitrat ist eine teure Chemikalie).

Versuchsanleitung:Ein kleines Becherglas wird mit etwa 10 ml 1 molarer Silbernitrat-Lösunggefüllt. In die anderen Bechergläser füllt man die gleiche Menge an 1; 0,1;0,01 und 0,001 molarer Silbernitrat-Lösung ein. Die beiden Bechergläserwerden jeweils über ein KNO3-feuchtes Filterpapier miteinander verbunden.Für jeden Versuch muss man einen neuen Filterpapierstreifen benutzen. DieSilberelektroden werden in die Lösungen getaucht und über ein Voltmeterverbunden. Dabei sollte die Silber-Halbzelle mit c = 1 mol/l mit dem Plus-pol des Voltmeters verbunden werden.

U / I

Ionenbrücke

Siberelektrode

AgNO -Lösung

(c = 1 mol/l)3

Silberelektrode

AgNO -Lösung

(c = 0.1 mol/l)3


Auswertung:

1. Übertragen Sie die untere Tabelle in ihr Protokoll.

2. Tragen Sie die gefundenen Werte in die Tabelle ein.

3. In welche Richtung �ieÿen jeweils die Elektronen?

4. Welche Vorgänge laufen an den Elektroden ab?

Konzentration Potential gegen Potentialdi�erenzen

eine 1 molare zu den jeweils

Silbernitrat-Lsg. vorangegangenen

Konzentrationsketten

1 M 0 V ��

0,1 M

0,01 M

0,001 M

Das Potential sollte sich pro Dekade um ln 10 · RTF ändern.

Überprüfen Sie, ob Ihre Meÿwerte dies bestätigen!


Station 4: Die Brennstoffzelle

In einer Brennsto�zelle reagieren Wassersto� und Sauersto� zu Wasser. Dabei dieser Reaktion keine giftigen Produkte entstehen, werden Brennsto�-zellen als Zukunftsantrieb für Autos diskutiert.

Geräte:Becherglas (400 ml), Pappstück zum Teilen des Becherglases, 2 Gasein-leitungsrohre mit Fritte, alte Scherblätter von Elektrorasierern, Schläuche,Kabel, Klemmen, Voltmeter, Klebeband

Chemikalien:Kaliumhydroxid KOH C

Sauersto� O2 O

Wassersto� H2 F+

Versuchsanleitung:Stellen Sie die Pappe in das Becherglas, so dass dieses in zwei Hälften ge-teilt wird. Je zwei Scherblätter werden auf je ein Gasverteilungsrohr gestelltund mit Hilfe von Klebeband befestigt. Die Gaseinleitungsrohre werden soeingespannt, dass sie in je eine Kammer des Becherglases hinein ragen. Indas Becherglas gibt man 0.1 M Kaliumhydroxid-Lösung.

Vorsicht: Füllen Sie das Becherglas nicht zu voll!

Die Scherblätter werden mit Hilfe von Klemmen und Kabeln über ein Volt-meter verbunden. Nun wird über die Gaseinleitungsrohre Sauersto� bzw.Wassersto� eingeleitet.Bestimmen Sie die auftretende Spannung und vergleichen Sie mit dem theo-retisch berechneten Wert!(Überlegen Sie sich die an den beiden Elektroden ablaufenden Teilreaktio-nen. Berechnen Sie die Elektrodenpotentiale mit Hilfe derNernstgleichung.Nehmen Sie näherungsweise an, dass die Aktivität der OH−-Ionen der Kon-zentration entspricht.)

Glasrohr mit Fritte

KOH-Lösung

Pappe

alte Scherblättervon Elektrorasierern

SauerstoffWasserstoff

Voltmeter


Station 5: Die Alkali-Mangan-Batterie

Eine früher häu�g benutzte Trockenbatterie ist das auf einer Entwicklungdes französischen Ingenieurs Lechlanché basierende LechlanchéElement,das er 1867 anläÿlich der Weltausstellung in Paris erstmals der Ö�entlich-keit vorstellte. Das Lechlanché-Element besteht aus einem Zinkzylinderund einem von Graphit-Braunstein-Gemisch umgebenen Kohlestab als Elek-troden. Als Elektrolyt dient eine 20%ige Ammoniumchloridlösung, in diedie Elektroden eintauchen. Bei der späteren Ausführung des Lechlanché-Elements in Form einer Taschenlampenbatterie wurde die Elektrolytlösungmit Quellmitteln wie Stärke oder Sägemehl eingedickt. Die Zinkelektrodewird in Becherform hergestellt, so dass sie gleichzeitig die Funktion des Bat-teriebehälters übernimmt. Durch diese Konstruktion ist die Zelle einfach zuproduzieren und zu handhaben. Trotz ihres Namens ist diese Trockenbatte-rie nicht trocken, sondern die Elektrolytlösung ist eben nur �gebunden�. DasWasser spielt als Lösungsmittel und auch für die Zellreaktion eine wichtigeRolle in den Trockenbatterien.Im Lechlanché-Element stellt die Zinkelektrode den Minuspol, die Kohle-elektrode den Pluspol dar. Die Zellreaktionen, besonders die Teilreaktionenan der Graphit-Braunstein-Elektrode, sind äuÿerst komplex und auch nichtvollständig aufgeklärt. Die im Lechlanché-Element ablaufenden Vorgängelassen sich aber insgesamt durch die folgenden Teilgleichungen beschreiben.

Am Minuspol wird das Zink oxidiert, Zink-Ionen gehen in den Elektro-lyten über:

Zn −→ Zn2+ + 2e− Elektrodenpotential: − 0.76V

Für die Reaktion amPluspol wird angenommen, dass zunächst Wassersto�-Ionen aus der schwach sauren Elektrolytlösung reduziert werden:

2H+ + 2e− −→ H2

Liefen nur diese Vorgänge ab, so würde der entstehende Wassersto� dieKohleelektrode mit Gasbläschen umgeben. Dadurch wäre eine weitere Ab-gabe von Elektronen erschwert, der Strom�uÿ käme nach kurzer Zeit zumStillstand. Der im Lechlanché-Element zugesetzte Braunstein verhindertdies, indem er den enstehenden Wassersto� oxidiert, wobei er selbst redu-ziert wird.

2MnO2(s) + H2(g) −→ 2MnOOH(s) −→ Mn2O3(s) + H2O(l)

Die angenommenen Teilreaktionen am Pluspol laufen gleichzeitig ab, mole-kularer Wassersto� lässt sich im Lechlanché-Element nicht nachweisen,so dass die Reaktionen besser in einer Reaktionsgleichung zusammengefasstwerden.

Pluspol : 2MnO2 + 2H+ + 2e− −→ 2MnOOHE0: 1.014V

Der Elektrolyt Ammoniumchlorid nimmt an den stromerzeugenden Reak-tionen nicht teil, sondern ist nur für anschlieÿend ablaufende Sekundär-reaktionen verantwortlich. Durch den Verbrauch von H+-Ionen wird die


Elektrolytlösung am Pluspol mit OH−-Ionen angereichert. Diese Erhöhungder Hydroxid-Ionenonzentration an der Kohle-Braunstein-Elektrode führtzu einer Verschiebung des Gleichgewichts

NH+4 (aq) + OH−(aq) NH3(aq) + H2O(l)

nach rechts.Das so entstehende Ammoniak wird von den am Minuspol gebildeten Zink-Ionen komplex gebunden.

Zn2+(aq) + 2NH3(aq) −→ [Zn(NH3)2]2+(aq)

Dieses Komplexion bildet mit den im Elektrolyten be�ndlichen Chlorid-Ionen einen schwer löslichen Niederschlag.

[Zn(NH3)2]2+(aq) + 2Cl−(aq) −→ [Zn(NH3)2]Cl2(s)

Eine weitere Sekundärreaktion ist die Bildung von Zinkhydroxid aus den amMinuspol entstehenden Zink-Ionen und den am Pluspol gebildeten Hydroxid-Ionen.

Zn2+(aq) + 2OH−(aq) −→ Zn(OH)2(s)

Dieses Zinkhydroxid �altert� und reagiert dabei zu Wasser und Zinkoxid,das sich z.T. auf den Elektroden absetzt und dadurch den elektrischen Wi-derstand der Zelle erhöht.Die im Lechlanché-Element ablaufenden chemischen Reaktionen beein-�ussen in starkem Maÿe seine charakteristischen elektrischen Eigenschaften.

Durch Anwendung der Nernstschen Gleichung auf die Elektrodenreak-tionen lassen sich Aussagen über die Elektrodenpotantiale und somit überdie Batteriespannung gewinnen.

Minuspol : E0h = −0.763V +

0.0592

V · lg c(Zn2+)

Pluspol : E0h = 1.014V + 0.059V · lg c(H+)

= 1.014V − 0.059V · pH

Das Elektrodenpotential am Minuspol ist von der Zink-Ionenkonzentration,das am Pluspol von der Hydroniumkonzentration, also vom pH-Wert ab-hängig.


Geräte:Becherglas (100 ml), Filterpapier, Zinkblech, Kohleelektrode, Kabel, Klem-men, elektrischer Verbraucher, Spatel

Chemikalien:Ammoniumchlorid NH4Cl Xn

Mangandioxid MnO2 Xn

Wasser H2O

Stärke

Versuchsanleitung:Rühren Sie 3.5 g Mangandioxid, 3.5 g Ammoniumchlorid und 4 Spatel Stär-ke zusammen. Geben Sie unter Rühren langsam Wasser dazu, bis ein zäh-�üssiger Brei entsteht. Wickeln Sie das Zinkblech in ein Filterpapier.

Stecken Sie die Kohleelektrode und die Zinkelektrode im Filterpapier in die-se Masse und verbinden beide Elektroden mit Klemmen und Kabeln übereinen Kleinelektromotor. (Polung beachten: Kohleelektrode an den �+�-Pol;Zinkelektrode an den �-�-Pol)Berechnen Sie die erwartete Batteriespannung und vergleichen Sie mit demMeÿwert. (Hinweis zur Berechnung: Gehen Sie von einem pH-Wert von 4.5aus (daraus können Sie die Aktivität der H+-Ionen berechnen). Die Kon-zentration der Zinkionen ist nicht bekannt. Gehen Sie näherungsweise vona(Zn2+) = 1 aus!

Zinkblechim Filterpapier

Mangandioxid,AmmoniumchloridStärke und Wasser

Kohleelektrode

U / I


Station 6: Die Zink-Luft-Batterie

Die Verknappung des Braunsteins im ersten Weltkrieg führte zu der Idee,den unbegrenzt zur Verfügung stehenden Luftsauersto� als Halbzelle zunutzen. Dieser Gedanke ist in der so genannten Zink-Luft-Batterie verwirk-licht, in der ein Zinkblech den Minuspol und ein poröser Aktivkohlestab denPluspol bilden. Die Kohleelektrode taucht nur teilweise in die als Elektrolytverwendete Kaliumhydroxidlösung. Ein Teil der Elektrode steht mit Luft-sauersto� in Verbindung, der von der Kohlelektrode adsorbiert wird. Unterder katalytischen Wirkung des Elektrodenmaterials wird der Sauersto� re-duziert, gleichzeitig wird das Zink oxidiert.

Pluspol : O2 + 2H2O + 4e− −→ 4OH−

Minuspol : 2Zn −→ 2Zn2+ + 4e−

Zellreaktion :2Zn(s) + O2(g) + 2H2O(l) −→ 2Zn(OH)2(s)

Eine breite Verwendung fand die Zink-Luft-Batterie früher als �Eisenbahn-zelle� zur Stromversorgung von Signalen, und später wurde sie häu�g alsSpannungquelle für Weidezaungeräte benutzt.Geräte:Becherglas (250 ml), Pappstück zum Teilen des Becherglases, Zinkblech,Kohleelektrode, Kabel, Klemmen, Kleinelektromotor

Chemikalien:! Natronlauge (3 M) NaOH C

Zinkblech Zn

Versuchsanleitung:Stellen Sie die Pappe in das Becherglas, so dass diese das Becherglas in zweiHälften teilt. Stellen Sie in eine Hälfte des Becherglases das Zinkblech undin die andere Hälfte die Kohleelektrode. Verbinden Sie die Kohleelektrodeund das Zinkblech über den Kleinelektromotor. Die Apparatur sollte so wieauf der Abbildung aussehen. Beobachten Sie, was nach Einfüllen der 3 MNatronlauge passiert!

Zinkblech

Natronlauge

Kohleelektrode

U / I

Pappstück

Tag 4: Chemische Kinetik 37

Tag 4: Chemische Kinetik

Während sich die chemische Energetik (Tag 1) damit beschäftigt, wievielEnergie bei Reaktionen frei werden kann oder benötigt wird, geht es in derchemischen Kinetik um die Geschwindigkeit, mit der die chemischen Reak-tionen ablaufen.

Übersicht Erl.

Station 1: Die Ioduhr

Station 2: Reaktion von Natriumthiosulfat mit Salzsäure

Station 3: Grobes und fein verteiltes Zink in Salzsäure

Station 4: Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit

Station 5: Die Hydrolyse von tert-Butylchlorid

Station 1: Die Ioduhr

In diesem Versuch sollen Sie sehen, wie sich die Veränderung von Konzen-trationen einzelner Reaktionspartner auf die Geschwindigkeit auswirken.

Geräte:Bechergläser, Glasstäbe, Stoppuhr, Messzylinder, Pipetten, Stoppuhr

Chemikalien:! Kaliumiodat KIO3 Xn; O

! Schwefelsäure H2SO4 C

Ethanol CH3CH2OH F

Natriumsul�t Na2SO3 Xi

Stärke

Versuchsanleitung:Es werden folgende Lösungen für Sie bereit gestellt:

Lösung A: 8.6 g KIO3 in 2000 ml WasserLösung B: 8 g H2SO4, konz., 20 ml Ethanol und 2.32 g Na2SO3 in 2000 ml WasserLösung C: 1 g Stärke in 500 ml Wasser (in der Siedehitze zubereitet)

In die drei 100 ml Bechergläser werden nacheinander destilliertes Wasser,Stärkelösung C und Sul�tlösung B gegeben, nach der Zugabe von LösungB wird leicht gerührt. Die vorgeschriebene Menge an Iodatlösung A musszuletzt und in alle Bechergläser gleichzeitig zugegeben werden.

Ansatz 1: 10 ml Wasser + 1 ml C + 5 ml B + 5 ml A



Nach Zugabe der Lösung A wird die Uhr sofort gestartet, alle Bechergläserwerden noch kurz gerührt. Schreiben Sie die Zeiten auf, wann der Umschlagerfolgt. Bilden Sie ferner die Verhältnisse der Reaktionszeiten zu den Ge-samtvoluina der Lösungen.

38 Tag 4: Chemische Kinetik

Deutung des Versuchsergebnisses:

Das Experiment zeigt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit vonder Konzentration. Eine Verdoppelung der Konzentration eines Reaktions-partners steigert die Reaktionsgeschwindigkeit ungefähr um den Faktor 2.Die Reaktion kann durch folgenden Mechanismus beschrieben werden:

Teilreaktion 1: Zunächst wird Iodat von Sul�t zum Iodid reduziert,(Hydrogensul�t-Ionen HSO−3 werden beim Au�ösen von Sul�t SO−3 in Was-ser gebildet).

3 H2O + HSO−3 −→ HSO−4 + 2 e− +2 H3O+ |·3IO−3 + 6 H3O+ + 6 e− −→ I− + 6 H2O (1)

3 HSO−3 + IO−3 −→ 3 HSO−4 + I−

Obige Reaktion verläuft sehr langsam. Sie stellt den geschwindigkeitsbe-stimmenden Schritt dar.

Teilreaktion 2: Das anfallende Iodid wird in einer etwas schnelleren Reak-tion durch überschüssiges Iodat zu elementarem Iod oxidiert, das mit Stärkeeine blaue Einlagerungsverbindung bilden kann.

I− −→ I2 + 2 e− |· 52 IO−3 + 12 H3O+ + 10 e− −→ I2 + 6 H2O (2)

5 I− + IO−3 + 6 H2O −→ 3 I2 + 6 H2O

Teilreaktion 3: Das freiwerdende Iod wird jedoch, solange noch Hydro-gensul�t vorhanden ist, augenblicklich durch weiteres Bisul�t in Iodid zu-rückverwandelt.

I2 + 2 e− −→ 2 I−

HSO−3 + 3 H2O −→ HSO−4 + 2 e− + 3 H3O+ (3)

I2 + HSO−3 + 3 H2O −→ 2 I− + HSO−4 + 2 H3O+

Diese Reakton erfolgt �unmessbar schnell�. Der blaue Iod-Stärke-Komplexwird erst sichtbar, wenn die Sul�t-Ionen vollständig verbraucht sind, dadann die Reduktion des im Reaktionschritt (2)gebildeten Iods nicht mehrgemäÿ Gleichung (3) erfolgen kann.Eine quantitative Auswertung des Versuches ist schwierig und soll hier nichterfolgen.


Station 2: Reaktion von Natriumthiosulfat mit Salzsaure

Geräte:Bechergläser, Pipetten, Messzylinder, Wasserbad, Thermometer, Stoppuhr,weiÿes Papier mit schwarzem Kreuz, Glasstab, Kältebad

Chemikalien:Natriumthiosulfat-pentahydrat Na2S2O3·5H2O

! Salzsäure (2 M) HCl C

Versuchsanleitung:

a) KonzentrationsabhängigkeitIn das Becherglas gibt man jeweils die unten angegebenen Volumina0.1 M Natriumthiosulfatlösung und Wasser. Dann wird mit der Pi-pette die angegebene Menge 2 M Salzsäure hinzugefügt. Man startetgleichzeitig die Uhr, stellt das Gefäÿ auf das Papier und misst, bis dasKreuz von oben nicht mehr zu sehen ist.

Übertragen Sie die Tabelle in Ihr Kurzprotokoll und tragen Sie diegemessenen Zeiten ein.

Versuchs-Nr. Na2S2O3 Wasser Salzsäure Zeit: t∗

1 50 ml - 5 ml

2 40 ml 10 ml 5 ml

3 30 ml 20 ml 5 ml

4 20 ml 30 ml 5 ml

5 10 ml 40 ml 5 ml

b) TemperaturabhängigkeitDas Experiment mit dem für Versuchsnummer 4 angegebenen Volu-mina wird bei Temperaturen von 30◦C, 40◦C und 10◦C wiederholt.

Versuchsauswertung und Deutung

Thiosulfat reagiert zu elementarem Schwefel (S8) und Sul�t in einer Gleich-gewichtsreaktion:

8S2O2−3 S8 + 8SO2−

3

Das Gleichgewicht liegt in alkalischer Lösung praktisch vollständig auf derThiosulfatseite. In saurer Lösung lässt es sich jedoch auf die Seite des ele-mentaren Schwefels verschieben, weil das gleichzeitig entstehende Sul�t un-ter diesen Bedingungen instabil ist und gemäÿ

SO−3 + 2H+ −→ SO2 + 2H2O

laufend aus dem Gleichgewicht gezogen wird. Beim Ansäuern der wässrigen

S

S

O O

O

SO O

O

S S

S

S

SS

S

S

Thiosulfat

Sulfit

Schwefel S8

Thiosulfatlösung erfolgt ein so genannter Schwefelkettenaufbau, in dessenVerlauf S8 ensteht. Letzteres macht sich in Form der Eintrübung bemerkbar.


Überprüfen Sie, ob die Zersetzung nach einem Geschwindigkeitsgesetz ersterOrdnung verläuft. In diesem Fall muss gelten:

[S2O2−3 ] = [S2O

2−3 ]0 · e−kt

mit k als Geschwindigkeitskonstante und [S2O2−3 ]0

als eingesetzter Anfangskonzentration

Unter der Annahme, dass sich bis zu dem Zeitpunkt t∗, an dem das Kreuzdurch die Trübung nicht mehr zu sehen ist, in allen Versuchsreihen diesel-be Schwefelmenge gebildet hat und damit dieselbe Thiosulfatkonzentration[S2O

−23 ]∗ vorliegt, gilt:

[S2O2−3 ]∗ = [S2O

2−3 ]0 · e−kt∗

ln [S2O2−3 ]0 = ln [S2O

2−3 ]∗ + kt∗

Mithin sollte eine Auftragung des natürlichen Logarithmus der Anfangs-konzentration [S2O

2−3 ]0 gegen die Reaktionszeiten t∗ eine Gerade ergeben,

deren Steigung der Geschwindigkeitskonstante entspricht.

Für die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten gilt nachArrhenius:

k = k0 · e−EA/RT

mit EA : Aktivierungsenergie; k0 : Präexponentieller Faktor

Für eine festgelegte Anfangskonzentration [S2O2−3 ]0 (Versuchsteil b) gilt:

kt = k0 · e−EA/RT · t∗ = const.

ln k0 −EA

RT+ ln t∗ = const.

ln t∗ ∝ EA

RT

Demzufolge sollte im Falle einer Reaktion 1. Ordnung der natürliche Loga-rithmus der Reaktionszeit t∗ proportional zu 1/T sein.Übeprüfen Sie dies anhand der Daten!


Station 3: Grobes und fein verteiltes Zink in Salzsaure

Geräte:Reagenzgläser mit seitlichem Ansatz (�Saugrohr�), passende Stopfen, Kol-benprober, Schlauchmaterial, Pipette, Waage, Stoppuhr

Chemikalien:! Salzsäure HCl C

Zinkgranalien Zn

Zinkpulver Zn F

Versuchsanleitung:Das Saugrohr wird wie in der Abbildung gezeigt mit dem Kolbenproberverbunden. Anschlieÿend wiegt man gleiche Mengen an Zinkgranalien undZinkpulver (ca. 2g) ab und füllt die Granalien in das Saugrohr. Darauf gibtman 5 ml Salzsäure und verschlieÿt rasch die Apparatur. Man verfolgt dieGasentwicklung und zeichnet ein Diagramm Gasmenge als Funktion derZeit. Das Saugrohr wird gereinigt und der Versuch mit der abgewogenenMenge Zinkpulver wiederholt.

Zink/HCl

Geben Sie die Reaktionsgleichung an!Interpretieren Sie das unterschiedliche Verhalten der Gasvolumina gegen dieZeit!


Station 4: Temperaturabhangigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit

Geräte:Reagenzgläser, Dewargefäÿe, Thermometer, Stoppuhr

Chemikalien:Schwefelsäure (9%ig) H2SO4 C

Magnesiumband Mg F

Ethanol C2H5OH F

! �. Sticksto� N2

Kupfersulfat-pentahydrat CuSO4·5H2O Xn

Zink Zn

Versuchsanleitung:Zur Herstellung der benötigten Kältemischungen:

1) Eis/Kochsalz-Kältemischung:Durch Vermengen von zerstoÿenem Eis mit Kochsalz im Verhältnis3:1 ist eine Temperatur von -21◦C erreichbar.

2) Ethanol/�. Sticksto�-Kältemischung:Durch vorsichtiges Einrühren von geringen Mengen �. Sticksto� inEthanol ist eine Temperatur von -96◦C erreichbar.

Zum Versuch:

a) 3 Reagenzgläser werden zu einem Drittel mit 9%-iger Schwefelsäurebefüllt. Eines davon wird mit einer Ethanol/�. Sticksto�-Mischungauf ca. -40 ◦C, das andere mit Hilfe einer Eis/Kochsalz-Mischung aufca. -10◦C abgekühlt. Dann wird in alle drei Reagenzgläser ein StückMagnesiumband gegeben. Beobachten Sie die Reaktionszeiten!

b) Füllen Sie drei Reagenzgläser mit wenigen Millilitern verd. Schwefel-säure. Geben Sie nun in beide Reagenzgläser soviel einer Kupfersulfat-pentahydrat-Lösung bis eine schwache Blaufärbung zu sehen ist. Küh-len Sie mit einer Ethanol/�. Sticksto�-Mischung ein Reagenzglas aufca. -40 ◦C ab, das andere mit der Eis/Kochsalz-Mischung auf ca. -10◦C. Geben Sie nun in alle Reagenzgläser jeweils etwas Zink.Messen Sie die Zeit, bis sich die Lösung entfärbt hat!

Auswertung:Geben Sie in beiden Fällen die Reaktionsgleichungen an!Prüfen Sie für einen der Aufgabenteile, ob die Auftragung von ln t∗ gegen1/T eine Gerade ergibt! (s.a. Station 2)


Station 5: Die Hydrolyse von tert-Butylchlorid

Geräte:125 ml Erlenmeyerkolben, 2 ml Vollpipette, 100 ml Messzylinder, Unter-putzkabel oder Leitfähigkeitselektrode, Amperemeter, Voltmeter, Spannungs-quelle, Kabel, Klemmen, Stoppuhr, Thermometer, Magnetrührer

Chemikalien:tert-Butylchlorid (CH3)3CCl F

Aceton C3H6O F; Xi

Wasser H2O

Versuchsanleitung:Der Versuch wird gemäÿ der Abbildung aufgebaut. 5.25 g tert.-Butylchloridwerden in 100 ml Aceton gelöst und in einem verschlossenen Gefäÿ aufbe-wahrt. 100 ml eines Gemisches von 90% Wasser und 10% Aceton werden inden Erlenmeyerkolben vorgelegt, der Magnetrührer wird eingeschaltet unddie Temperatur und die Anfangsleitfähigkeit werden notiert. Hierzu wirdüber ein Amperemeter und das Unterputzkabel Strom durch die Lösunggeleitet. Mit Beginn der Zeitmessung werden 2ml der tert.-Butylchlorid-Lösung hinzu gegeben. Die Stromstärke wird nun 5 min. lang alle 15 sek.Protokolliert. Danach wird die Stromstärke alle 60 sek. notiert, bis sie sichnicht mehr ändert.

0250

500

7501000

15000

50

100

150200

300 AnAn

Aus Aus

U/min

+ -V~

mA

Unterputzkabel

Zur Auswertung:Um den Versuch auswerten zu können, muss zunächst überlegt werden, wiedie Messgröÿe (Stromstärke I) mit der Konzentration zusammenhängt.Es gilt: I ∝ 1/R (R=Widerstand) bei konst Spannung. Der reziproke Wi-derstand, d.h. die Leitfähigkeit ist näherungsweise proportional zur Kon-zentration der zum Stromtransport beitragenden Ionen.Gemäÿ der Reaktionsgleichung

(CH3)3Cl + H2O −→ (CH3)3COH + H+ + Cl−

entstehen im Reaktionsverlauf H+-und Cl−-Ionen.Da der Beitrag der H+-Ionen zum Transport ca. 5x gröÿer ist als der der Cl−-


Ionen, sollen im Folgenden nur die H+-Ionen in Betracht gezogen werden.Dann gilt:

1R∝ c(H+) (4)

Falls die Hydrolyse nach einem Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung verläuft,gilt:

[(CH3)3CCl] = [(CH3)3CCl]0 · e−kt

[(CH3)3CCl]0 − [H+] = [(CH3)CCl]0 · e−kt

Am Ende der Reaktion ist das gesamte t-Butyl-Chlorid hydrolysiert. Auf-grund der Stöchiometrie entspricht die Konzenration von H+ zu diesemZeitpunkt ([H]∞) der eingesetzten Butylchloridkonzentration:

[H]∞ = [(CH3)3CCl]0

[H]∞ ∝ 1R∞

R∞ : Widerstand am Ende der Reaktion (5)

Daraus folgt:

1R∞

− 1R

=1

R∞· e−kt

1− R∞R

= e−kt

ln(

1− R∞R

)= −kt

Fertigen Sie eine entsprechende Auftragung an. Überprüfen Sie damit, obein Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung vorliegt und bestimmen sie ggf. k.

Tag 5: Freies Experimentieren 45

Tag 5: Freies Experimentieren

An diesem Versuchstag werden Sie einen einzelnen Versuch in einer Zweier-gruppe durchführen. Die zugehörige Versuchsvorschrift werden Sie erst andiesem Tag erhalten. Ziel dieses Praktikumstages ist die eigenständige undselbst durchdachte Planung und Umsetzung eines einfachen experimentellenProblemes. Dabei stehen Ihnen die Prakikumsassistenten als Diskussions-partner zur Verfügung.

46 Tag 5: Freies Experimentieren


Anhang A: Chemikalienliste

In der nachstehenden Liste �nden Sie alle Chemikalien, die Sie in diesemPraktikum verwenden werden inklusive der dazugehörigen Gefahrensymbo-le und den R- und S-Sätzen. Die Volltexte der R- und S-Sätze �nden Sie inAnhang B.

A

Aceton F; Xi R:111-36-66-67 S:2-9-16-26Agar-AgarAktivkohleAluminium F R:10-15 S:2-7/8-43Ammoniaklösung Xi R:36/37/38 S:1/2-26-36/37/39- 45-61Ammoniumchlorid Xn R:22-36 S:2-22Ammoniumnitrat O R:8-9 S:1/2-15-16-41Ammoniumsul�t Xi R:31-36/37 S:3/7-26

B

Blei T; n R:60-20/22-33-50/53-62 S:53-45-60-61BorsäureBromphenolblauBromthymolblautert.-Butanol Xn; F R:11-20 S:2-9-16tert.-Butylchlorid F R:11 S:9-16-28

C

CalciumcarbonatCalciumchlorid Xi R:36 S:2-22-24Calciumhydroxid Xi R:36 S:2-22-24Calciumoxid Xi R:41 S:2-22-24-26-39Caprolactam Xn R:20/22-36/37/38 S:2Chlorwasser Xn R:23-36/37/38 S:1/2-9-45Citronensäure Xi R:36 S:24/25Cobalt(II)chlorid T; N R:49-22-42/43-50/53 S:53-22-45-60-61Cyclohexan F; Xn; N R:11-38-50/53-65-67 S:2-9-16-33-60-61-62

D

Desmodur Xn R:20-36/37/38-42/43 S:23-36/37-45Desmophen T; C; N; Xn R:24-34-22-10-20/21/22-51/531,6-Diaminohexan C R:21/22-34-37 S:1/2-22-26-36/37/39-45Dibenzoylperoxid Xi; E R:2-36-43 S:2-3/7-14-36/37/39Dimethylacetamid T R:61 S:53-45

48 Anhang A: Chemikalienliste

E

Eisen F R:11Eisen(III)chlorid Xn R:22-38-41 S:1/2-26-39Eisen(III)nitrat Xi,O R:8-36/38 S:2-26Eisen(II)sulfat Xn R:22Essigsäure C R:10-35 S:1/2-23-26-45Essigsäuremethylester F; Xi R:11-36-66-67 S:2-16-26-29-33Ethanol F R:11 S:2-7-16

G

Glycerin

H

Holzkohle

I

Isopropanol F;Xi R:11-36/37 S:2-7-16-24/25/26

K

Kaliumchlorat Xn;O R:9-20/22 S:2-13-16-27Kaliumchromat T; N R:49-46-36/37/38-43-50 S:53-45-60-61Kaliumdichromat T+; N R:49-46-21-25-26-37/38- S:53-45-60-61

41-43-50/53KaliumhexacyanoferratKaliumhydroxid C R:22-35 S:1/2-26-36/37/39KaliumiodatKaliumiodidKaliumnitrat O R:8 S:16-41Kaliumpermanganat Xn; O; N R:8-22-50/53 S:2-60-61Kaliumthiocyanat Xn R:20/21/22-32 S:2-13Kupfer(II)chlorid Xn; N R:22-36/38-50/53 S:2-22-26-61Kupfer(II)nitrat Xn R:22-36/38Kupfersulfat Xi, N R:22-36/38-50/53 S:2-22-60-61

M

Magnesium F R:11-15 S:2-7/8-43MagnesiumchloridMagnesiumoxid S:22Malonsäure Xn R:22-36 S:22-24Mangandioxid Xn R:20/22 S:2-25Mangansulfat Xn; N R:48/20/22-51/53 S:2-22-61Methanol T; F R:11-23/24/25-39 S:1/2-7-16-36/37-45MethylorangeMethylrot


N

Natrium C; F R:14/15-34-65 S:1/2-5-8-43-45NatriumacetatNatriumcarbonat Xi R:36 S:2-22-26Natriumchlorat Xn; O R:9-22 S:2-13-17-46NatriumchloridNatriumhydrogencarbonatNatriumhydrogenphosphatNatriumhydrogensulfat Xi R:41 S:2-24-26Natriumoxalat Xn R:21/22 S:2-24-25NatriumsulfatNatriumsul�d C; N R:31-34-50 S:1/2-26-45-61Natriumsul�t Xi R:31NatriumthiosulfatNatronlauge C R:35 S:26-36/37/39-45

O

Oxalsäure Xn R:21/22 S:2-24/25

P

Petrolether F, Xn R:11-52/53-65 S:9-16-23-24-33-62Petroleum F; Xi; N R:11-52/53-65 S:9-16-23-24-33-62Phenolphthalein R:10Phosphor, rot F; N R:11-16-50 S:2-7-43-61PolyacrylnitrilPu�erlösungen

S

Salicylsäure Xn R:22-36/38 S:22Salpetersäure C R:35 S:23-26-36/37/39Salzsäure C R:34-37Sauersto� O R:8 S:2-17Sebacinsäurechlorid C R:34-37 S:1/2-26-36/37/39SchwefelSchwefelsäure C R:35 S:26-30-45Silbernitrat C; N R:34-50/53 S:1/2-26-45-60-61StärkeStyrol Xn R:10-20-36/38 S:2-23

T

ThymolblauThymolphthaleinToluol F; Xn R:11-20 S:2-16-25-29-33

50 Anhang A: Chemikalienliste

W

Wassersto� F+ R:12 S:2-17Wassersto�peroxid C; O R:8-34 S:1/2-28-36/39-45

Z

Zeolithe A und BZink F R:15-17 S:2-7/8-43Zinksulfat Xi; N R:36/38-50/53 S:2-22-25-60-61


Anhang B: R- und S-Satze

R-Sätze

R 1 In trockenem Zustand explosionsgefährlich.R 2 Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen explosionsgefährlich.R 3 Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen besonders explosionsgefährlich.R 4 Bildet hochemp�ndliche explosionsgefährliche Metallverbindungen.R 5 Beim Erwärmen explosionsfähig.R 6 Mit und ohne Luft explosionsfähig.R 7 Kann Brand verursachen.R 8 Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Sto�en.R 9 Explosionsgefahr bei Mischung mit brennbaren Sto�en.R 10 Entzündlich.R 11 Leichtentzündlich.R 12 Hochentzündlich.R 14 Reagiert heftig mit Wasser.R 15 Reagiert mit Wasser unter Bildung hochentzündlicher Gase.R 16 Explosionsgefährlich in Mischung mit brandfördernden Sto�en.R 17 Selbstentzündlich an der Luft.R 18 Bei Gebrauch Bildung explosiver/ leicht entzündlicher Dampf-Luftgemische möglich.R 19 Kann explosionsfähige Peroxide bilden.R 20 Gesundheitsschädlich beim Einatmen.R 21 Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut.R 22 Gesundheitsschädlich beim Verschlucken.R 23 Giftig beim Einatmen.R 24 Giftig bei Berührung mit der Haut.R 25 Giftig beim Verschlucken.R 26 Sehr giftig beim Einatmen.R 27 Sehr giftig bei Berührung mit der Haut.R 28 Sehr giftig beim Verschlucken.R 29 Entwickelt bei Berührung mit Wasser giftige Gase.R 30 Kann bei Gebrauch leicht entzündlich werden.R 31 Entwickelt bei Berührung mit Säure giftige Gase.R 32 Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase.R 33 Gefahr kumulativer Wirkungen.R 34 Verursacht Verätzungen.R 35 Verursacht schwere Verätzungen.R 36 Reizt die Augen.R 37 Reizt die Atmungsorgane.R 38 Reizt die Haut.R 39 Ernste Gefahr irreversiblen Schadens.R 40 Verdacht auf krebserzeugende Wirkung.R 41 Gefahr ernster Augenschäden.R 42 Sensibilisierung durch Einatmen möglich.R 43 Sensibilisierung durch Hautkontakt möglich.R 44 Explosionsgefahr bei Erhitzen unter Einschluss.R 45 Kann Krebs erzeugen.R 46 Kann vererbbare Schäden verursachen.R 48 Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition.R 49 Kann Krebs erzeugen beim Einatmen.

52 Anhang B: R- und S-Sätze

R 50 Sehr giftig für Wasserorganismen.R 51 Giftig für Wasserorganismen.R 52 Schädlich für Wasserorganismen.R 53 Kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben.R 54 Giftig für P�anzen.R 55 Giftig für Tiere.R 56 Giftig für Bodenorganismen.R 57 Giftig für Bienen.R 58 Kann längerfristig schädliche Wirkungen auf die Umwelt haben.R 59 Gefährlich für die Ozonschicht.R 60 Kann die Fortp�anzungsfähigkeit beeinträchtigen.R 61 Kann das Kind im Mutterleib schädigen.R 62 Kann möglicherweise die Fortp�anzungsfähigkeit beeinträchtigen.R 63 Kann das Kind im Mutterleib möglicherweise schädigen.R 64 Kann Säuglinge über die Muttermilch schädigen.R 65 Gesundheitsschädlich: Kann beim Verschlucken Lungenschäden verursachen.R 66 Wiederholter Kontakt kann zu spröder oder rissiger Haut führen.R 67 Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.R 68 Irreversibler Schaden möglich.

S-Sätze

S 1 Unter Verschluss aufbewahren.S 2 Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen.S 3 Kühl aufbewahren.S 4 Von Wohnplätzen fernhalten.S 5 Unter ... aufbewahren (geeignete Flüssigkeit vom Hersteller anzugeben).S 5.1 Unter Wasser aufbewahren.S 5.2 Unter Petroleum aufbewahren.S 5.3 Unter Para�nöl aufbewahren.S 6 Unter ... aufbewahren (inertes Gas vom Hersteller anzugeben).S 6.1 Unter Sticksto� aufbewahren.S 6.2 Unter Argon aufbewahren.S 7 Behälter dicht geschlossen halten.S 8 Behälter trocken halten.S 9 Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren.S 12 Behälter nicht gasdicht verschlieÿen.S 13 Von Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln fernhalten.S 14 Von ... fernhalten (inkompatible Substanzen sind vom Hersteller anzugeben).S 14.1 Von Reduktionsmitteln, Schwermetallverbindungen, Säuren und Alkalien fernhalten.S 14.2 Von oxidierenden und sauren Sto�en sowie Schwermetallverbindungen fernhalten.S 14.3 Von Eisen fernhalten.S 14.4 Von Wasser und Laugen fernhalten.


S 14.5 Von Säuren fernhalten.S 14.6 Von Laugen fernhalten.S 14.7 Von Metallen fernhalten.S 14.8 Von oxidierenden und sauren Sto�en fernhalten.S 14.9 Von brennbaren organischen Substanzen fernhalten.S 14.10 Von Säuren, Reduktionsmitteln und brennbaren Materialien fernhalten.S 14.11 Von brennbaren Sto�en fernhalten.S 15 Vor Hitze schützen.S 16 Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen.S 17 Von brennbaren Sto�en fernhalten.S 18 Behälter mit Vorsicht ö�nen und handhaben.S 20 Bei der Arbeit nicht essen und trinken.S 21 Bei der Arbeit nicht rauchen.S 22 Staub nicht einatmen.S 23 Gas/Rauch/Dampf/Aerosol nicht einatmen (Bezeichnung vom Hersteller anzugeben).S 23.1 Gas nicht einatmen.S 23.2 Dampf nicht einatmen.S 23.3 Aerosol nicht einatmen.S 23.4 Rauch nicht einatmen.S 23.5 Dampf/Aerosol nicht einatmen.S 24 Berührung mit der Haut vermeiden.S 25 Berührung mit den Augen vermeiden.S 26 Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und

Arzt konsultieren.S 27 Beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen.S 28 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel ... (vom Hersteller anzugeben)S 28.1 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser.S 28.2 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser und Seife.S 28.3 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser und Seife,

möglichst auch mit Polyethylenglycol 400 (807485).S 28.4 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Polyethylenglycol 300

und Ethanol (2:1) und anschlieÿend mit viel Wasser und Seife.S 28.5 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Polyethylenglycol 400.S 28.6 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Polyethylenglycol 400

und anschlieÿend Reinigung mit viel Wasser.S 28.7 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser und saurer Seife.S 29 Nicht in die Kanalisation gelangen lassen.S 30 Niemals Wasser hinzugieÿen.S 33 Maÿnahmen gegen elektrostatische Au�adungen tre�en.S 35 Abfälle und Behälter müssen in gesicherter Weise beseitigt werden.S 36 Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen.S 37 Geeignete Schutzhandschuhe tragen.S 38 Bei unzureichender Belüftung Atemschutzgerät anlegen.S 39 Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.S 40 Fuÿboden und verunreinigte Gegenstände mit ... reinigen (vom Hersteller anzugeben)S 40.1 Fuÿboden und verunreinigte Gegenstände mit viel Wasser reinigen.S 41 Explosions- und Brandgase nicht einatmen.S 43 Zum Löschen ... verwenden (vom Hersteller anzugeben).S 43.1 Zum Löschen Wasser verwenden.S 43.2 Zum Löschen Wasser oder Pulverlöschmittel verwenden.S 43.3 Zum Löschen Pulverlöschmittel, kein Wasser verwenden.

54 Anhang B: R- und S-Sätze

S 43.4 Zum Löschen Kohlendioxid, kein Wasser verwenden.S 43.6 Zum Löschen Sand, kein Wasser verwenden.S 43.7 Zum Löschen Metallbrandpulver, kein Wasser verwenden.S 43.8 Zum Löschen Sand, Kohlendioxid oder Pulverlöschmittel, kein Wasser verwenden.S 45 Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich, Etikett vorzeigen).S 46 Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett vorzeigen.S 47 Nicht bei Temperaturen über ...◦C aufbewahren (vom Hersteller anzugeben).S 47.1 Nicht bei Temperaturen über 25◦C aufbewahren.S 48 Feucht halten mit ... (vom Hersteller anzugeben).S 48.1 Feucht halten mit Wasser.S 49 Nur im Originalbehälter aufbewahren.S 50 Nicht mischen mit ... (vom Hersteller anzugeben).S 50.1 Nicht mischen mit Säuren.S 50.2 Nicht mischen mit Laugen.S 50.3 Nicht mischen mit starken Säuren, starken Basen, Buntmetallen und deren Salzen.S 51 Nur in gut gelüfteten Bereichen verwenden.S 52 Nicht groÿ�ächig für Wohn- und Aufenthaltsräume zu verwenden.S 53S 56 Diesen Sto� und seinen Behälter der Problemabfallentsorgung zuführen.S 57 Zur Vermeidung einer Kontamination der Umwelt geeigneten Behälter verwenden.S 59 Informationen zur Wiederverwendung/Wiederverwertung beim Hersteller erfragen.S 60 Dieser Sto� und/oder sein Behälter sind als gefährlicher Abfall zu entsorgen.S 61 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen /

Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen.S 62 Bei Verschlucken kein Erbrechen herbeiführen. Sofort ärztlichen Rat einholen und

Verpackung oder Etikett vorzeigen.S 63 Bei Unfall durch Einatmen: Verunfallten an die frische Luft bringen und ruhigstellen.S 64 Bei Verschlucken Mund mit Wasser ausspülen (nur wenn Verunfallter bei Bewusstsein ist).

Anhang C: Spannungsreihe 55

Anhang C: Spannungsreihe

Halb-Reaktion E◦/Vreduzierte Form oxidierte Form + z·eLi (s) � Li+ (aq) + e− - 3,04K (s) � K+ (aq) + e− - 2,92Ca (s) � Ca2+ (aq) + 2e− - 2,87Na (s) � Na+ (aq) + e− - 2,71Al (s) � Al3+ (aq) + 3e− - 1,68Mn (s) � Mn2+ (aq) + 2e− - 1,19Zn (s) � Zn2+ (aq) + 2e− - 0,76S2− (aq) � S (s) + 2e− - 0,48Fe (s) � Fe2+ (aq) + 2e− - 0,41Cd (s) � Cd2+ (aq) + 2e− - 0,40Sn (s) � Sn2+ (aq) + 2e− - 0,14Pb (s) � Pb2+ (aq) + 2e− - 0,13H2 + 2H2O � 2H3O+ (aq) + 2e− ± 0,00Sn2+ (aq) � Sn4+ (aq) + 2e− + 0,15Cu (s) � Cu2+ (aq) + 2e− + 0,344OH− � O2 + H2O + 4e− + 0,402I− (aq) � I2 (s) + 2e− + 0,54Fe2+ (aq) � Fe3+ (aq) + e− + 0,77Ag (s) � Ag+ (aq) + e− + 0,80NO + 6H2O � NO3− (aq) + 4H3O+ (aq) + 3e− + 0,962Br− (aq) � Br2 + 3e− + 1,076H2O � O2(g) + 4H3O+ (aq) + 4e− + 1,232Cr3+ (aq) + 21H2O � Cr2O

2−7 + 14H3O+ (aq) + 4e− + 1,33

2Cl− (aq) � Cl2 + 2e− + 1,36Pb2+ (aq) + 6H2O � PbO2(s) + 4H3O+ (aq) + 2e− + 1,46Au (s) � Au3+ (aq) + 3e− + 1,50Mn2+ (aq) + 12H2O � MnO−4 (aq) + 4H3O+ (aq) + 5e− + 1,512F− (aq) � F2 (g) + 2e− + 2,87

56 Anhang C: Spannungsreihe

Skript zum Praktikum - IAPC - Uni Bremen€¦ · Durchführung der Experimente 1 Durchf¨uhrung der...

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