Erwartungshorizont

Lernaufgabe: Wie gefährlich ist Rohrreiniger?

Aufgabe 1

1. In einem Becherglas wird das genau abgemessene Volumen an 2 mL Probelösung (Rohrreiniger) vorgelegt und mit dest. Wasser auf ca. 20 mL Lösung verdünnt.
2. Um die gründliche Durchmischung von Probelösung und Maßlösung (Salzsäure) zu gewährleisten, wird ein Magnetrührer eingesetzt.
3. Der Leitfähigkeitssensor wird so platziert, dass er ausreichend in die Probelösung taucht und sich der Rührfisch frei drehen kann.
4. Die Messung wird gestartet und ein gleichmäßiges Zutropfen der Salzsäure eingestellt. Dabei darf die Tropffrequenz nicht verändert werden (alternativ kann man einen Tropfenzähler verwenden oder die Messwerte punktuell nach dem Zutropfen von jeweils 0,5 mL aufnehmen.)
5. Die Messwerte werden graphisch dargestellt. (x-Achse: Volumen an zugegebener Salzsäure, y-Achse: Leitfähigkeit).

Aufgabe 2

Erklärung des Verlaufs der Titrationskurve

Die hohe Leitfähigkeit zu Beginn der Titration wird durch die Natrium-Ionen und die Hydroxid-Ionen in der Probelösung hervorgerufen.

Durch die Zugabe der Salzsäure werden Oxonium-Ionen und Chlorid-Ionen zugegeben. Dabei ändert sich die Gesamtzahl der Ionen in dem Becherglas nicht: die Oxonium-Ionen aus der zugegebenen Maßlösung reagieren mit Hydroxid-Ionen aus der Probelösung zu Wasser-Molekülen. Die zugegebenen Chlorid-Ionen haben aber eine geringere Leitfähigkeit als die verbrauchten Hydroxid-Ionen, so dass die Leitfähigkeit der Lösung kontinuierlich abnimmt.

$${\mathrm{Na}}_{(\mathrm{aq})}^{+}+{\mathrm{OH}}_{(\mathrm{aq})}^{-}+{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}_{(\mathrm{aq})}^{+}+{\mathrm{Cl}}_{\mathrm{aq}}^{-}\to 2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{(\mathrm{l})}+{\mathrm{Na}}_{(\mathrm{aq})}^{+}+{\mathrm{Cl}}_{(\mathrm{aq})}^{-}$$

Am Äquivalenzpunkt haben alle Hydroxid-Ionen mit den zugegebenen Oxonium-Ionen reagiert. Die Leitfähigkeit ergibt sich hier nur noch aus den in der Lösung enthaltenen Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen. Die Anzahl der Ionen und somit die Leitfähigkeit erreicht am Äquivalenzpunkt ein Minimum. Gibt man über den Äquivalenzpunkt hinaus Salzsäure in das Becherglas, werden die zugegebenen Oxonium-Ionen nicht mehr neutralisiert. Sie sorgen zusammen mit den Chlorid-Ionen für einen kontinuierlichen Anstieg der Leitfähigkeit.

Berechnung der Stoffmengenkonzentration an Natriumhydroxid im Rohrreiniger

Bis zum Erreichen des Äquivalenzpunkts wurden 13 mL Salzsäure der Konzentration 1 mol·L^-1 zugegeben.

$$\begin{array}{c}\mathrm{n}(\mathrm{NaOH})=\mathrm{n}(\mathrm{HCl})\text{(am Äquivalenzpunkt)}\\ \mathrm{c}(\mathrm{NaOH})\cdot \mathrm{V}(\mathrm{NaOH})=\mathrm{c}(\mathrm{HCl})\cdot \mathrm{V}(\mathrm{HCl})\\ \mathrm{c}(\mathrm{NaOH})=\frac{\mathrm{c}(\mathrm{HCl})\cdot \mathrm{V}(\mathrm{HCl})}{\mathrm{V}(\mathrm{NaOH})}=\frac{1\mathrm{mol}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}\cdot 13\mathrm{mL}}{2\mathrm{ml}}=6\mathrm{,5}\mathrm{mol}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}\end{array}$$

Berechnung des Massenanteils an Natriumhydroxid im Rohrreiniger

$$\begin{array}{c}\mathrm{n}(\mathrm{NaOH})=\mathrm{c}(\mathrm{NaOH})\cdot \mathrm{V}(\mathrm{NaOH})=6\mathrm{,5}\mathrm{mol}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}\cdot 2\mathrm{mL}=\mathrm{0,013}\mathrm{mol}\\ \mathrm{M}(\mathrm{NaOH})=40\mathrm{g}\cdot {\mathrm{mol}}^{-1}\\ \mathrm{m}(\mathrm{NaOH})=\mathrm{n}(\mathrm{NaOH})\cdot \mathrm{M}(\mathrm{NaOH})=\mathrm{0,013}\mathrm{mol}\cdot 40\mathrm{g}\cdot {\mathrm{mol}}^{-1}=\mathrm{0,52}\mathrm{g}\\ \mathrm{w}(\mathrm{NaOH})=\frac{\mathrm{m}(\mathrm{NaOH})}{\mathrm{m}(\mathrm{Rohrreiniger})}=\frac{0\mathrm{,52}\mathrm{g}}{2\mathrm{g}}=0\mathrm{,26}=26\text{\%}\end{array}$$

Hypothese für die Abweichung

Der experimentell ermittelte Wert von 26 % ist gegenüber dem auf dem Etikett angegebenen Wert von 20 % um 30 % größer.

Eine Ursache für diese Abweichung ist die Dichte der Lösung. In der obigen Berechnung wird angenommen, dass die abgemessenen 2 mL Rohrreiniger 2 g wiegen, d.h. es wird von einer Dichte von 1 g·cm-3 ausgegangen. Allerdings beträgt die Dichte von 20 %iger Natriumhydroxid-Lösung 1,219 g·cm-3 (bei 20°C). Berechnet man mit dieser Dichte den Massenanteil an Natriumhydroxid, so liegt der experimentell ermittelte Wert bei

$$\mathrm{w}(\mathrm{NaOH})=\frac{\mathrm{m}(\mathrm{NaOH})}{\mathrm{m}(\mathrm{Rohrreiniger})}=\frac{0\mathrm{,52}\mathrm{g}}{\mathrm{1,219}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{cm}}^{-3}\cdot 2\mathrm{mL}}\approx 0\mathrm{,21}=21\text{\%}$$

Aufgabe 3

Fette sind Ester des Alkohols Glycerin mit Fettsäuren. Ester lassen sich mit Hilfe alkalischer Lösungen spalten. Dabei wird die Estergruppe im Fett-Molekül durch Hydroxid-Ionen nucleophil angegriffen. Bei der alkalischen Hydrolyse eines Fett-Moleküls entstehen ein Glycerin-Molekül und die Fettsäurerest-Ionen. (siehe auch LernBox Die Stoffklasse der Fette

Analog zur alkalischen Esterhydrolyse lassen sich auch Peptide mit Hilfe alkalischer Lösungen spalten. Dabei wird die Peptidgruppe im Peptid-Molekül durch Hydroxid-Ionen nucleophil angegriffen. Bei der alkalischen Hydrolyse eines Peptid-Moleküls entstehen deprotonierte Aminosäure-Moleküle (Aminosäurerest-Ionen).

Die Produkte dieser Hydrolyse sind gut wasserlöslich.

Aufgabe 4

Abschätzungen:

Verschlusskappe mit 20 mL Rohrreiniger der Stoffmengenkonzentration 6,5 mol·L^-1.
Glas mit 200 mL Limonade.
Der Rohrreiniger wird also etwa im Volumenverhältnis 1:10 verdünnt, somit beträgt die Stoffmengenkonzentration an Natriumhydroxid im Getränk ca. 0,65 mol·L^-1.

Für Natronlauge der Stoffmengenkonzentration c = 0,5 mol·L^-1 gelten noch immer folgende Gefahrenhinweise:

• H 290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.
• H 315: Verursacht Hautreizungen.
• H 319: Verursacht schwere Augenreizungen.

Quelle: Gefahrenhinweise von Natronlauge 0,5 mol·L^-1: merckmillipore.com