Erwartungshorizont

Aufgabe 1

Bei der Reaktion entstehen Wasserstoff und eine Lauge. Reiner Wasserstoff ist brennbar, mit Sauerstoff bildet er ein explosives Gemisch (Knallgas).

Aufgabe 2

Magnesium-Atome geben jeweils zwei Elektronen ab und bilden Mg²⁺-Ionen. Das Magnesium wird daher oxidiert.

Durch den Kontakt des Magnesiums mit dem Eisen fließen die bei der Oxidation von Magnesium frei werdenden Elektronen durch das edlere Metall Eisen in das Wasser.

Wasser-Moleküle nehmen jeweils zwei Elektronen auf, weshalb sich die Oxidationszahl des H-Atoms von +I (bei H₂O) auf 0 (bei H₂) ändert. Damit findet an der Eisen-Kathode die Reduktion statt, bei der Wasserstoff entsteht.

Reaktionsgleichungen:

Ox. an der Anode: Mg → Mg²⁺ + 2e^-

Red. an der Kathode: 2 H₂O + 2 e^- → H₂ + 2 OH^-

Aufgabe 3

Die Durchführung der Experimente und die Beobachtungen:

• Zu einer Spatelspitze der Pulver-Mischung aus dem Heizbeutel wird dest. Wasser gegeben. Die Suspension wird filtriert, zu dem Filtrat wird Silbernitrat-Lösung getropft. Ein weißer Niederschlag aus Silberchlorid zeigt, dass in dem Filtrat Chlorid-Ionen vorliegen.
• Das im Heizbeutel vorhandene Eisen lässt sich mit einem Magneten identifizieren. Um zu zeigen, dass bei der Reaktion im Heizbeutel das Eisen nicht korrodiert, Eisen in Salzwasser hingegen schon, macht man sich den Nachweis der bei der Korrosion von Eisen entstehenden Eisen(II)-Ionen zunutze. Hierzu wird eine Lösung aus Kaliumhexacyanidoferrat(III), der etwas Kochsalz zugegeben wurde, in beide Kammern einer zweigeteilten Petrischale gefüllt. In die eine Kammer wird eine Spatelspitze des Pulvers aus dem Heizbeutel gegeben, in die andere Kammer eine Spatelspitze Eisenpulver. Auch nach 15 Minuten zeigt die Kammer mit dem Pulver aus dem Heizbeutel keine Blaufärbung, wohingegen in der Kammer mit dem Eisenpulver die Blaufärbung deutlich zu erkennen ist. Somit sind nur in der Kammer mit dem Eisenpulver Eisen-Ionen entstanden. Die Magnesium-Eisen-Legierung stellt ein Lokalelement dar, bei dem das unedlere Magnesium das Eisen vor Korrosion schützt.
• Magnesium ist durch die Schicht aus Magnesiumhydroxid passiviert, so dass zunächst keine Gasentwicklung und auch keine Rosafärbung zu beobachten sind. Erst bei Berührung des Magnesiums mit dem Eisennagel ist eine leichte Gasentwicklung und eine rosa Farbe des Phenolphthaleins zu beobachten. Die Gasentwicklung und die rosa Farbe werden durch die Zugabe von Kochsalz verstärkt.

Die Rolle des Eisens im Heizbeutel: In der Eisen-Magnesium-Legierung des Heizbeutels bildet sich durch den effektiven Kontakt des Magnesiums mit dem Eisen ein Lokalelement. Das unedlere Magnesium stellt die Lokalanode dar, an der die Oxidation von Magnesium-Atomen zu Magnesium-Ionen stattfindet. Die dabei frei werdenden Elektronen fließen zum Eisen, der Lokalkathode, an der die Reduktion von Wasser zu Wasserstoff stattfindet. Die Mg²⁺ - und die OH^- -Ionen entstehen somit an verschiedenen Stellen, so dass die schützende Schicht aus Magnesiumhydroxid nicht direkt auf dem Magnesium ausgebildet wird. (Die Reaktion Mg²⁺ + 2 OH^- → Mg(OH)_{2 (weißer Feststoff) findet irgendwo in der Lösung statt.)}

Die Rolle des Salzes im Heizbeutel: Das Salz verstärkt die Korrosion des Magnesiums, da die im Wasser gelösten Na⁺ und Cl^-- Ionen die Leitfähigkeit des Wassers erhöhen und somit den Ladungstransport beschleunigen.

Verändert nach einer Idee vom Team LNCU: Heatermeals - Lokalelemente [CC BY SA DE4] via lncu.de