Chemie 1. Semester

Abiturwiederholung
Chemie
Thematischer Schwerpunkt 1: Umweltbereich Wasser
Themenbereiche (RRL):
1b) Chemisches Gleichgewicht
2b) Donator-Akzeptor-Reaktionen
3a) Stoffe und Verfahren in der Technik
3c) Umweltbereiche
3d) Umweltschutz – persönliche und technische Maßnahmen
Unterrichtsaspekte und Unterrichtsinhalte:
Gleichgewichtsreaktionen und deren Verlagerung nach Le Chatelier (Protolyse- und
Löslichkeitsgleichgewichte,
saure und basische Salze, Einfluss des pH-Wertes auf die Gleichgewichtslage)
Wasserhärte, Sauerstoffgehalt, Eutrophierung
Redox- und Fällungsreaktionen bei Trinkwasseraufbereitung und Abwasserreinigung (Bedeutung
des chemischen und biologischen Sauerstoffbedarfs, Eliminierung von Stickstoffverbindungen
durch Nitrifikation und Denitrifikation, Eliminierung von Phosphat)
Gewässeranalytik (Einfache Methoden wie z.B. Titration, Leitfähigkeit)
Chemisches Gleichgewicht
Unvollständig
Makroskopische Gleichheit,
mikroskopischer Stoffumsatz
Dynamischer Zustand
Produkte und Edukte sind
gleichzeitig vorhanden

Le Chatelier
a. Es herrscht das Prinzip des kleinsten Zwanges, d.h., dass wenn ein Zwang auf ein System
herrscht, dass Gleichgewicht sich so verschiebt, dass die Folgen des Zwanges verringert werden.
b. Konkret heißt das:
Zwang
Temperaturerhöhung
Temperatursenkung
Druckerhöhung (bei Gasreaktionen)
Drucksenkung (bei Gasreaktionen)
Konzentrationserhöhung eines Stoffes
Konzentrationssenkung eines Stoffes
Wirkung
verstärkter Ablauf der endothermen Reaktion
verstärkter Ablauf der exothermen Reaktion
Stoffe mit dem geringeren Volumen werden
gebildet
Stoffe mit dem größeren Volumen werden
gebildet
Konzentrationssenkung des zugegebenen Stoffes
durch Verbrauch
Konzentrationsbildung des entzogenen Stoffes
durch Bildung
Löslichkeitsgleichgewicht
a. Die Löslichkeit eines Stoffes hängt von den zwischenmolekularen Kräften ab (v.d. Waals, Dipol
oder H-Brücken) auch von der räumlichen Anordnung. => Stoffspezifisch, aber beeinflussbar(Le
Chatelier)
Mark Kremer
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Chemie
Verläuft der Lösungsvorgang exotherm, so nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur
ab.
Ist der Lösungsvorgang endotherm, so nimmt die Löslichkeit bei Temperaturerhöhung zu.
Gitterenthalpie und Hydratationsenthalpie
a. Salze ordnen sich im Ionengitter an, bei der Bildung oder der Zerstörung dieses Gitters wird
Energie frei oder gegenteiliges. Dieser Wert ist ein Stoffspezifischer und kann aus Tabellen
abgelesen werden.
Um das Gitter aufzubrechen braucht man eine Gitterenthalpie ΔHG, diese ist standardmäßig
negativ definiert, da bei der Bildung eines Gitters Energie frei wird.
Salze in Lösung besitzen immer eine Hydrathülle, die sich aus Wassermolekülen bildet. Da bei
der Hydratation immer Energie frei wird sind diese Werte negativ definiert. Man nennt diese
Energie Hydratationsenthalpie ΔHH.
b. Drei verschiede Fälle:
Energiemangel (Endotherm)
Energieüberschuss (Exotherm)
konstante Temperatur
Reaktionsgeschwindigkeit
a. Eine Reaktion geschieht über einen gewissen Zeitraum und mit einer bestimmten
Geschwindigkeit, wichtig ist hierbei der Stoffumsatz. Die Reaktion kommt allerdings nicht zum
Stillstand, sondern es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein.
Die Geschwindigkeit berechnet sich standardmäßig mit
.
Säuren und Basen
a. Nach Brönstedt:
Eine Base fungiert als Protonenakzeptor.
Eine Säure fungiert als Protonendonator.
Wasser kann beides sein!
Bei einer Protolyse spricht man immer von einem Protolysegleichgewicht. Es ist ein chemisches
Gleichgewicht und alle Kennzeichen sind auch auf Protolyse-Reaktionen anwendbar. (siehe oben)
b. 440 Liter HCL könne in einem Liter Wasser gelöst werden
700 Liter NH3 können in einem Liter Wasser gelöst werden
Eine konz. Salzsäure bildet Nebel, denn es gilt:
Die Reaktion ist von Druck und Temperatur abhängig.
HCl(l )  H 2O(l )  H 3O(aq)  Cl(aq)
HCl ist der Protonendonator, es gibt Säure-Base-Paare.
Dies liegt daran, dass sich immer ein Gleichgewischt einstellt. Sofern sich z.B. gelöste Salzsäure in
einer Flasche befindet, ist der Druck konstant und es kann kein Gas entweichen, wenn die Flasche
geöffnet wird, entweicht HCl Gas und das Gleichgewicht stellt sich neu ein.
Massenwirkungsgesetz
a. Basiert auf der Reaktionsgeschwindigkeit, ergibt sich das Massenwirkungsgesetz (MWG)
Wenn:
Mark Kremer
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Dann:
Anwendung:
Ist die GG-Konstante bekannt, lassen sich die GG-Konzentrationen berechnen, soweit das
ursprüngliche Mischungsverhältnis bekannt ist.
Bildung von Iodwasserstoff:
Anfangskonzentration jeweils:
Gleichung:
Die Konzentration der Ausgangsstoffe verringert sich um den Faktor, um welchen sich die
Konzentration des Produktes vergrößert. Durch einsetzen und auflösen, kann man diesen Faktor
bestimmen und die prozentuale Umsetzung bestimmen.
x2 ist nicht relevant
Somit werden 80% der Edukte umgesetzt.
Druck
a. Wenn man Druck auf ein Gleichgewichtssystem ausübt (bei Gasen), dann kann sich das
Gleichgewicht verschieben (ansonsten ist es druckunabhängig). Siehe dazu auch die Tabelle
oben.
b. Das Massenwirkungsgesetz lautet dann wie folgt:
Es werden also die verschiedenen Partialdrucke betrachtet.
Kp ändert sich also nicht, Kc allerdings ist von ebendieser abhängig und ändert sich schon.
Temperatur
Bei einer Temperaturverschiebung ändert sich das Gleichgewicht, somit ändert sich auch K c.
Löslichkeitsgleichgewicht
a. Das Löslichkeitsprodukt gibt Auskunft darüber, wie hoch die Konzentration der Ionen in einer
gesättigten Lösung ist. Auch bei Lösungen stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, dieses
kann man wie folgt beschreiben:
b. Die Löslichkeit eines Salzes wird immer kleiner, sofern eine Ionen-Art im Überschuss vorliegt, da
das Gleichgewicht verschoben wird.
c. Man kann die Löslichkeit durch das Löslichkeitsprodukt beschreiben, welches sich aus dem
MWG ergibt.
Meistens wird der KL-Wert allerdings als negativer dekadischer Logarithmus angegeben, z. B.
Mark Kremer
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Andersherum heißt das:
d. Anwendung:
Die Konzentration der Ionen muss im Verhältnis gleich groß sein, deshalb kann man mithilfe der
Löslichkeitskonstanten die Konzentration der Ionen und dadurch die Massenkonzentration
bestimmen.
Bsp.: Bestimmung der Masse der gelösten Silberchlorid-Ionen
Gegeben: 100ml Silberchlorid Lösung
Massenkonzentration β ergibt sich aus dem Produkt von Konzentration und molarer Masse.
außerdem ist die Masse der gelösten Ionen das Produkt aus dem Volumen und der
Massenkonzentration.
somit ist die Masse der Silberionen:
und die Masse der Chloridionen:
e. Beachte aber, dass es bei anderen Verhältnissen auch einen entsprechenden Exponenten wie
beim MWG gibt.
Bsp.: Calciumfluorid in reinem Wasser
Da die Konzentration der Fluorid-Ionen doppelt so groß ist wie die der Calcium-Ionen, gilt:
, also
Einfluss des pH-Wertes auf das Gleichgewicht
a. Betrachtet man das chemische Gleichgewicht beispielsweise von Kohlensäure, dann kann man
das Gleichgewicht wie nach Le Chatelier verschieben, indem man die Konzentration einer Seite
verändert, dabei bleibt Kc natürlich konstant.
b. Beispiel Kohlensäure:
c. Wenn man den pH-Wert verändert, dann wird die Konzentration der H+ Ionen auch veraendert,
das Gleichgewicht also verschoben, deshalb treten die verschiedenen Produkte auch bei
verschiedenen pH-Werten auf.
d. Es gilt ungefähr:
Mark Kremer
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pH-Wert
überwiegender Stoff
Wasserhärte
a. Die Härte von Wasser bestimmt sich über den Anteil der gelösten Calcium und Magnesium
Salze. Es gibt hartes Wasser, welches viele dieser Salze hat und weiches Wasser, welches wenige
dieser Salze hat.
b. Auswirkung:
Die Auswirkung ist besonders bei Calcium sehr häufig im Haushalt zu beobachten, denn es lagert
sich Kalk ab. Dies basiert auf der Reaktion des Carbonat-Gleichgewichtes:
Diese Reaktion ist endotherm, wenn man also Wärme hinzufügt, dann verschiebt sich das
Gleichgewicht zur rechten Seite, es bildet sich schwer löslicher Kalk.
c. Die Härte wird in °dH (Grad deutscher Härte) oder mmol/l angegeben. (1°dH entspricht 1 mg
CaO in 100cm3 Wasser)
d. Bestimmung der Wasserhärte:
Man titriert die Lösung mit einer Titriplex-A-Lösung (Oder Titriplex-III-Lösung), vorher versetzt
man die zu untersuchende Wasserprobe (100mL) mit 2mL 20% Ammoniaklösung (oder 25% bei
Titriplex-III-Lösung), außerdem benutzt man einen pH-Puffer (siehe dazu „Einfluss des pHWertes auf das Gleichgewicht“).
Bei 100mL Probelösung entspricht der Verbrauch von 1mL Titriplex, 1mmol/l
Erdalkalimetallionen oder 5,6°dH.
Sauerstoffgehalt
a. Jedes Gewässer braucht Sauerstoff, es befindet sich in einem biologischen Gleichgewicht. Es
setzt sich zusammen aus folgenden Gruppen:
Gruppe
Beschreibung
Produzenten
- Algen und andere Wasserpflanzen
- produzieren mit Sonnenlicht aus
Nährstoffen unter Verbrauch von CO2
o Sauerstoff
o organische Substanzen
Konsumenten
- Wassertiere
- Fleisch- und Pflanzenfresser
- brauchen Sauerstoff
- abgestorbenes Material bleibt zurück
Destruenten
- Bakterien
- verbrauchen Sauerstoff
- zerlegen organische Stoffe in einfache
Bausteine (Mineralisierung)
- Nitrat-, Phosphat-, Sulfat-Ionen und CO2
Mark Kremer
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b. Veränderung des Gleichgewichtes
Wenn man das Gleichgewicht verändert, dann kann dies z.T. nicht ausgeglichen werden und das
Gleichgewicht bricht zusammen.
I.
Es werden zusätzliche Organische Materialien eingeleitet
Folge: Die Destruenten brauchen mehr Sauerstoff, der Sauerstoffgehalt des
gesamten Gewässers verringert sich, somit Auswirkung auf Konsumenten.
II.
Einleiten von Pflanzennährstoffen, wie Phosphat- und Nitrat-Ionen.
Folge: Das Pflanzenwachstum wird beschleunigt, die Anzahl der Algen etc. steigt
rapide, dadurch fallen viele organische Substanzen an. Der Sauerstoff reicht
trotzdem nicht aus die absterbenden Pflanzen vollständig zu Mineralisieren. Es
entstehen Ammonium-Ionen, diese werden teilweise oxidiert, aber durch
anaeroben (kein elementarer Sauerstoff benötigt) Abbau bildet sich
Schwefelwasserstoff und Methan.
Dies nennt man Eutrophierung.
c. Der Sauerstoffgehalt ist wichtig um die Güte eines Gewässers zu bestimmen, es gibt dabei 2
wichtige Kenngrößen, die man bestimmen kann, den BSB (biologischer Sauerstoff-Bedarf) und
den CSB (chemischer Sauerstoff-Bedarf).
BSB ergibt sich als Bedarf des Sauerstoffes von allen atmenden (heterotrophen) Organismen.
Der CSB gibt quasi die Menge aller oxidierbaren Verbindungen an.
Durch den Vergleich dieser beiden kann man die chemische Verschmutzung ermitteln, wenn
CSB>>BSB, dann ist das Gewässer verschmutzt.
Bei häuslichem Abwasser ist der CSB doppelt so hoch wie der BSB5.
d. Bestimmung des BSB5 nach Winkler
Man hat 2 Proben zu jeweils 100ml und reichert diese mit Sauerstoff an. Eine Probe wird für 5
Tage ins Dunkel gestellt und danach der Sauerstoffgehalt ermittelt, bei der anderen Untersucht
man direkt den Sauerstoffgehalt. Die Differenz aus beiden ergibt den Biologischen
Sauerstoffbedarf (BSB).
Die Ermittlung des Sauerstoffbedarfs erfolgt nach Winkler.
Zunächst wird Mangan(II)-chlorid-Lösung und alkalische Kaliumiodid-Lösung zugesetzt.
Es bildet sich ein Niederschlag durch das gebildete Mangan(III)-hydroxid-oxid.
Dadurch wird der Sauerstoff fixiert in der Lösung.
alkalisches Milieu:_______________________________________________________________
______________________________________________________________________________
Danach erzeugt man ein saures Milieu, damit das Iod-Ion reduziert wird. Meistens
Phosphorsäure.
Danach titriert man mit Natriumthiosulfat, dabei verschwindet die Braunfärbung durch das Iod.
Durch die benötigte Menge Natriumthiosulfat, kann man den Sauerstoffgehalt bestimmen,
aufgrund der jeweiligen Stoffmengen die man braucht.
Mark Kremer
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n(O2)entspricht 0,25n(
da
und
), denn 1mol O2 erzeugt 2mol I2, welche selbst 4mol
brauchen.
ist der
e. Bestimmung des CSB
Man nimmt 50ml Probelösung und bestückt diese mit Schwefelsäure, Silberionen (als
Katalysator) und Kaliumdichromat.
Man erhitzt das Gemisch auf 148°C und wartet 120min.
Dabei hat das Kaliumdichromat einige Stoffe oxidiert, die auch durch Sauerstoff oxidiert würden.
Sollte die Probe zu viele Chlorid-Ionen enthalten, kann man diese durch Quecksilbersulfat
binden, da diese sonst das Ergebnis verfälschen würden.
Danach wird die Lösung mit Eisen(II)-Lösung zurücktitriert.
Anhand der Ausgangskonzentration der Kaliumdichromat-Ionen, kann man die Menge des
verbrauchten Sauerstoffes bestimmen.
Stickstoffgehalt
a. In vielen Düngern etc. gibt es Stickstoffverbindungen, diese regen das wachstum von
Pflanzen und dergleichen an. Folglich gibt es mehr biologische Masse die abgebaut
werden muss, was mit Hilfe von aeroben Bakterien geschieht. Somit sinkt der
Sauerstoffgehalt des Gewässers.
b. Nitrifikation
Die Nitrifikation erfolgt in 2 Schritten, wo zuerst Nitrit und danach Nitrat entsteht.
Ammonium wird mit Hilfe von Bakterien Oxidiert, die Bakterien brauchen als
Elektronenakzeptor Sauerstoff (O2), die Bedingungen sind damit oxisch.
c. Oxidation zu Nitrit
setzt Energie frei
setzt Energie Frei
d. Durch diese Bakterien kann zwar eine Verschmutzung durch Ammoniak bzw.
Ammonium abgebaut werden, aber der Sauerstoffgehalt sinkt. Außerdem kann eine zu
hohe Nitrat-Konzentration schädlich sein. Problematisch ist im Vorfeld auch, dass sich
diese Bakterien nur langsam vermehren, also Verunreinigungen nur langsam abgebaut
werden.
e. Denitrifikation
Die Nitrat-Konzentration wird durch weitere Bakterien gesenkt. Diese reduzieren bei
Sauerstoffmangel Nitrat-Ionen um organische Moleküle oxidativ abzubauen.
Mark Kremer
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f.
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Reaktion am Beispiel von Glucose die abgebaut wird:
g. Probleme ergeben sich jeweils bei der Nitrifikation sowie bei der Denitrifikation, dass
der pH-Wert geändert wird, was sich teilweise ausgleicht, teilweise aber auch durch
eine Pufferlösung abgefangen werden kann.
Vorgeschaltete Denitrifikation
Die Denitrifikationsstufe wird vor der
Nitrifikation durchgeführt, sodass eine
gewisse Anzahl organischer Verbindungen
vor dem Nitrifikationsbecken zersetzt wird,
weshalb der BSB im Nitrifikationsbecken
sinkt, weshalb man sich eine Belüftung
spart.
Allerdings kann das Nitrat nicht vollständig
aus dem Abwasser entfernt werden.
Durch Pumpen sehr teuer.
Simultane Denitrifikation
Alles geschieht in einem Becken nur an
verschiedenen Stellen, sodass man Platz
spart. Technisch umgesetzt wird dies durch
punktuelle Sauerstoffanreicherung. Je nach
Rücklauf Menge, kann man die NitratKonzentration verändern.
Nachgeschaltete Denitrifikation
Die Denitrifikation geschieht erst nach der
Nitrifikation, allerdings müssen dann noch
Nährstoffe hinzugefügt werden, da diese
vorher abgebaut wurden. Durch die
Nährstoffmenge, kann die NitratKonzentration bestimmt werden. Da die
Denitrifikation in diesem Fall durch einen
Bioreaktor geschieht ist es platzsparend.
Phosphatverbindungen
a. Phosphor ist in hohem Maße für die Eutrophierung von Gewässern verantwortlich, da ca. 16-mal
so viel Phosphor, wie Stickstoff gebraucht wird, damit eine Pflanze wächst.
Um Phosphor aus dem Wasser zu bekommen, werden verschiedenen Ionen hinzugegeben,
sodass sich schwer lösliche Verbindungen bilden, herausgefiltert werden können. Zahlreiche
mehrwertige Metallionen vermögen dies zu tun, aber aus wirtschaftlichen Gründen, werden
i.d.R. folgende Stoffe benutzt: Fe3+, Al3+, Fe2+ und Ca2+
Die Fe2+-Ionen, müssen allerding zunächst oxidiert werden, was im Belüftungsbecken passiert.
b. Reaktion:
c. Je nach Anlage und Stoff, werden die Metallionen zu verschiedenen Zeitpunkten hinzugefügt.
Mark Kremer
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Gewässeranalytik
a. Man kann mit zwei Methoden gewisse Eigenschaften einer Wasserprobe bestimmen. Mit
Titration und Leitfähigkeitsmessungen.
b. Leitfähigkeitsmessungen
Mithilfe von zwei Elektroden bestimmt man den Widerstand zwischen ebendiesen Platten.
Bedenke, dass man Wechselstrom benutzen muss und deshalb von einem
Wechselstromwiderstand ausgehen muss. Man kann den Leitwert bestimmen, indem man den
Kehrwert zum Wiederstand bildet.
somit ist
, ein Siemens
c. Mit Hilfe der Leitfähigkeitsmessung, kann man zum Beispiel eine Konduktometrische Titration
durchführen. Man titriert beispielsweise Salzsäure gegen Barium-Hydroxid. (beides in wässriger
Lösung) Es ergibt sich, wenn man ein Diagramm Säure – G, erstellt, eine V Kurve (sieht aus wie die
Funktion
), welche logischerweise den Äquivalenzpunkt beim absoluten
Minimum der Kurve hat.
d. Bei der Berechnung ist folgendes zu Beachten, allerdings muss man dabei beachten, dass dies im
Grunde nur für starke S und B gilt, denn ansonsten ist z.B. n(OH-)≠n(XOH)
c(Säure)  V (Säure)  c( Lauge)  V ( Lauge)
e. Bei der Leitfähigkeit, kann man noch auf die Härte schließen, denn es gilt ca. 90 µS/cm (bei 25°C)
entspricht einer Carbonathärte von 1 mval/l (2,8°dH).
Mark Kremer
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