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

 

Reaktionsgeschwindigkeit der Marmor-Salzsäure-Reaktion

 
Versuchsdurchführung: In der unten stehenden Versuchsanordnung gibt man V = 40 mL Salzsäure der Konzentration c(HCl) = 2 mol/L zu 20 g Marmor CaCO3 in kleinen Stücken und startet sogleich die Stoppuhr, wenn die Salzsäure eingelaufen ist. Für die Masse des entweichenden Kohlenstoffdioxids ermitteln wir nach Tara-Stellung der Waage folgende Werte:
t [min]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

m (CO2) [g]                    
Reaktionsgleichung: CaCO3 (s) + 2 H3O+ (aq) —> Ca2+ (aq) + 3 H2O (l) + CO2 (g)

Arbeitsaufträge:

1. Zeichne in ein Koordinatensystem das Masse-Zeit-Diagramm für das entweichende Kohlenstoffdioxid-Gas.
2.
Berechne die Stoffmenge nt (CO2) zu den gegebenen Zeiten. Für die Molare Masse M gilt: M(CO2) = 44 g/mol.
Zur Erinnerung: n (CO2) = m (CO2) / M (CO2)
3. Ermittle die jeweilige Stoffmengenkonzentration ct (Ca2+) und ct (H3O+) in der Lösung. (Hinweis: Beachte die Reaktionsgleichung! Das Volumen des festen Marmors spielt keine Rolle!)
4.
Zeichne in ein Koordinatensystem das c-t-Diagramm für die Calcium- und die Oxonium-Ionen.
5.
Berechne die mittleren Reaktionsgeschwindigkeiten v (Ca2+) = Δ c(Ca2+) / Δ t für die einzelnen Zeitintervalle und interpretiere die berechneten Werte!

 Hinweis:
1. Die Diagramme sind auf Millimeter-Papier zu zeichnen.
2. Die Tabellenwerte müssen jeweils mindestens für den 1. Wert den Rechenweg transparent machen. Alle anderen Werte aus dem jeweiligen Aufgabenteil sind tabellarisch darzustellen.
3. Alle weiteren Angaben gehen aus der Versuchsbeschreibung hervor.
4. Computer-Diagramme und -Rechnungen sind erlaubt, solange sie transparent und richtig sind.
5. Stoffmengenkonzentration ist die Stoffmenge in mol, bezogen auf ein bestimmtes Volumen, in L oder mL.
6. Statt mit hohen Exponentialzahlen oder vielen Nullen vor dem Komma zu arbeiten, benutzt man besser mmol: 1mol = 1000 mmol; 1 mmol = 1/1000 mol

Literatur

Der Versuch, die Anordnung und die Auswertung sind dem Buch "Materialien-Handbuch Kursunterricht Chemie" Band 3 [Kinetik - Gleichgewichte - Massenwirkungsgesetz], Hrsg. Heinz Wambach, Aulis-Verlag Deubner&Co 1993 entnommen. (Kap. 1.3)

Der gleiche Versuch wird beschrieben in "Praktikum elemente Chemie - Praktikum für die Oberstufe",  von Bernd Schilling, vom Ernst Klett-Verlag, Stuttgart 1999, Kap. 5.1. Hier werden Salzsäure und Essigsäure in ihren Auswirkungen beschrieben.

Lösungen:
 

Arbeitsaufträge:

1. Zeichne in ein Koordinatensystem das Masse-Zeit-Diagramm für das entweichende Kohlenstoffdioxid-Gas.
 
t [min]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

m (CO2) [g]        (2) 0 0,98 1,38 1,54 1,58 1,60 1,62 1,63 1,63 1,64
n (CO2) [mol]     (3) 0 0,0223 0,0314 0,0350 0,0359 0,0364 0,0368 0,0370 0,0370 0,0373
ct(Ca2+) [mol/L] (4) 0 0,5568 0,7841 0,8750 0,8977 0,9091 0,9205 0,9261 0,9261 0,9318
2 nt(H+)umgesetzt (5) 0 0,0223 0,0314 0,0350 0,0359 0,0364 0,0368 0,0370 0,0370 0,0373
nt(H+)Rest              (6) 0,08 0,0577 0,0486 0,045 0,0441 0,0436 0,0432 0,043 0,043 0,0427
ct (H3O+)           (7)

2,0000

1,4432

1,2159

1,1250

1,1023

1,0909

1,0795

1,0739

1,0739

1,0682

dc(Ca2+)/dt        (8)

 

0,5568

0,2273

0,0909

0,0227

0,0114

0,0114

0,0057

0,0000

0,0057

dc(2H+)/dt          (9)  

0,5568

0,2273

0,0909

0,0227

0,0114

0,0114

0,0057

0,0000

0,0057

2. Berechne die Stoffmenge nt (CO2) zu den gegebenen Zeiten. Für die Molare Masse M gilt: M(CO2) = 44 g/mol.
Zur Erinnerung: n (CO2) = m (CO2) / M (CO2)
3. Ermittle die jeweilige Stoffmengenkonzentration ct (Ca2+) und ct (H3O+) in der Lösung. (Hinweis: Beachte die Reaktionsgleichung! Das Volumen des festen Marmors spielt keine Rolle!)

4. Zeichne in ein Koordinatensystem das c-t-Diagramm für die Calcium- und die Oxonium-Ionen.

5. Berechne die mittleren Reaktionsgeschwindigkeiten v (Ca2+) = Δ c(Ca2+) / Δ t für die einzelnen Zeitintervalle und interpretiere die berechneten Werte!

Diagramm zum Arbeitsauftrag 1:

Diagramm zu den Arbeitsaufträgen 4 und 5:

Die Calcium-Ionen nehmen zu, entsprechend nehmen die Hydronium-Ionen in der Lösung ab.Die mittleren Reaktionsgeschwindigkeiten, auf die Bildung von Ca-Ionen bezogen, nehmen mit der Reaktionszeit sehr schnell ab, da die hierzu benötigten Wasserstoffionen sehr schnell verbraucht werden.

Beziehungen zwischen den verschiedenen Größen:
1. m(CO2) [g] wird mit der Waage gewogen. Die Werte stehen in Zeile 2.
2. Aus n(CO2) = m(CO2)/M(CO2) errechnen sich die Werte von n(CO2), die Daten stehen in Zeile 3.
3. Aus der Reaktionsgleichung geht hervor: n(CO2) = n(Ca2+); zur Erinnerung:
CaCO3 (s) + 2 H3O+ (aq) —> Ca2+ (aq) + 3 H2O (l) + CO2 (g);

oder in Ionenschreibweise: CO32¯  +  2 H+   ----->   CO2 (g)    +   H2O(l)  und damit: n(CO2) = n(Ca2+)  =  2 n(H+)

Die Konzentration von Ca2+-Ionen ist dann c(Ca2+) = n /V = n(Ca2+) / 0,04 L = 0,0223 mol/ 0,04 L = 0,5568 mol/L und weitere (Zeile 4)

4. Für jedes Ca2+-Ion, das in Lösung geht, wird ein Molekül CO2 freigesetzt und werden 2 H+-Ionen verbraucht (Zeile 5).

5. Die Ausgangsmenge an H+-Ionen beträgt bei c(HCl) = 2 mol/L und V(HCl) = 0,04 L = n(H+) = c * V = 2 mol/L * 0,04 L = 0,08 mol.

Von diesen 0,08 mol werden H+-Ionen als H2-Moleküle freigesetzt, müssen also abgezogen werden (Zeile 6).

6. Die in der Lösung verbleibende Konzentration an H+-Ionen ist in Zeile 7 dargestellt.

7. Die zeitlichen Änderungen dc(Ca2+)/dt  sind dann die Differenzen zwischen dem 2. und 1. Wert (1. Minute und Versuchsbeginn 0 min) und der Konzentration von Ca2+-Ionen von 0,5568 mol/L - 0 mol/L =  0,5568 mol/L usw.

8. Wie unter 3. erwähnt, gilt dann auch dc(2H+)/dt = dc(Ca2+)/dt .

Wambach beschreibt die Beziehungen unter den verschiedenen Größen folgendermaßen:

n0(H3O+)  - nt(H3O+)  =  2 nt(Ca2+)  bzw.

nt(H3O+)  = n0(H3O+)  -  2 nt(Ca2+) und daher

ct(H3O+)  = c0(H3O+)  -  2 ct(Ca2+), also hier:

ct(H3O+)  = 2 mol/L - 2 ct(Ca2+) .

Ausgangspunkt ist die Beziehung n(H+) : n(Ca2+)  =  2 : 1, daraus folgt:  2 n(Ca2+) =  1 n(H+)

 

 

update am 04.04.2017                                                                                                                                                                          zurück       zur Hauptseite