Chemie-Arbeitsblatt _ _ Klasse _ _ _ Name __________________________________________Datum _ _ ._ _._ _

Reaktionsgeschwindigkeit der Marmor-Salzs�ure-Reaktion

Versuchsdurchf�hrung: In der unten stehenden Versuchsanordnung gibt man V = 40 mL Salzs�ure der Konzentration c(HCl) = 2 mol/L zu 20 g Marmor CaCO₃ in kleinen St�cken und startet sogleich die Stoppuhr, wenn die Salzs�ure eingelaufen ist. F�r 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)

Arbeitsauftr�ge:

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

Hinweis:
1. Die Diagramme sind auf Millimeter-Papier zu zeichnen.
2. Die Tabellenwerte m�ssen jeweils mindestens f�r 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 f�r die Oberstufe", von Bernd Schilling, vom Ernst Klett-Verlag, Stuttgart 1999, Kap. 5.1. Hier werden Salzs�ure und Essigs�ure in ihren Auswirkungen beschrieben.

L�sungen:

Arbeitsauftr�ge:

1. Zeichne in ein Koordinatensystem das Masse-Zeit-Diagramm f�r das entweichende Kohlenstoffdioxid-Gas.

t [min]

m (CO₂) [g] (2)

0,98

1,38

1,54

1,58

1,60

1,62

1,63

1,64

n (CO₂) [mol] (3)

0,0223

0,0314

0,0350

0,0359

0,0364

0,0368

0,0370

0,0373

c_t(Ca²⁺) [mol/L] (4)

0,5568

0,7841

0,8750

0,8977

0,9091

0,9205

0,9261

0,9318

2 n_t(H⁺)_umgesetzt(5)

0,0223

0,0314

0,0350

0,0359

0,0364

0,0368

0,0370

0,0373

n_t(H⁺)_Rest(6)

0,08

0,0577

0,0486

0,045

0,0441

0,0436

0,0432

0,043

0,0427

c_t (H₃O⁺) (7)

2,0000

1,4432

1,2159

1,1250

1,1023

1,0909

1,0795

1,0739

1,0682

dc(Ca²⁺)/dt (8)

0,5568

0,2273

0,0909

0,0227

0,0114

0,0057

0,0000

0,0057

dc(2H⁺)/dt (9)

0,5568

0,2273

0,0909

0,0227

0,0114

0,0057

0,0000

0,0057

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

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

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

Diagramm zum Arbeitsauftrag 1:

Diagramm zu den Arbeitsauftr�gen 4 und 5:

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

Beziehungen zwischen den verschiedenen Gr��en:
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. F�r jedes Ca²⁺-Ion, das in L�sung geht, wird ein Molek�l CO₂ freigesetzt und werden 2 H⁺-Ionen verbraucht (Zeile 5).

5. Die Ausgangsmenge an H⁺-Ionen betr�gt 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-Molek�le freigesetzt, m�ssen also abgezogen werden (Zeile 6).

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

7. Die zeitlichen �nderungen 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. erw�hnt, gilt dann auch dc(2H⁺)/dt = dc(Ca²⁺)/dt .

Wambach beschreibt die Beziehungen unter den verschiedenen Gr��en folgenderma�en:

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

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

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

c_t(H₃O⁺) = 2 mol/L - 2 c_t(Ca²⁺) .

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

update am 02.02.2021 zur�ck zur Hauptseite