Gregor von Borstel, Manfred Eusterholz und Andreas Böhm

Reaktionen von Gasen genauer untersuchen

Spritztechnik, Säure-Base-Reaktion
Farbumschlag des Indikators, © Gregor von Borstel

Gregor von Borstel, Manfred Eusterholz und Andreas Böhm

Qualitative und quantitative Versuche mit der Spritztechnik

Sind die Schülerinnen und Schüler mit der grundlegenden Technik (s. S.12ff. in diesem Heft) vertraut, lassen sich zahlreiche enge wie offene Experimente mit Gasen durchführen, die fachliche Problem- und Fragestellungen mit Kontexten verknüpfen.
Der Einsatz von Spritzen ist besonders gewinnbringend, wenn dabei das Verschwinden von Gasen, wie z.B. bei der Reaktion von Metallen mit Sauerstoff, sichtbar werden soll [1] oder die Bildung gasförmiger Reaktionsprodukte, wie z.B. von Wasserstoff, für weitere Erkenntnisse bezüglich der ablaufenden Reaktion dienen kann [2]. Dies möchten wir an drei Beispielen exemplarisch genauer aufzeigen.
Kontext saurer Reiniger: Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit
Will man die Entwicklung und Bestimmung von Gasen nutzen, um Reaktionen genauer zu betrachten, vereinfacht die Spritzentechnik diese Versuche, da das entstehende Gas in der Spritze aufgefangen wird und leicht zu identifizieren ist.
Im Kontext der Verwendung saurer Badreiniger können schon Schülerinnen und Schüler der SekundarstufeI unter der Fragestellung „Welches Gas entsteht? die Reaktion diverser Säuren mit Kalk oder Magnesium unter Bildung von Kohlenstoffdioxid bzw. Wasserstoff aufklären [3].
Mit Magnesium und Salzsäure verschiedener Konzentration lassen sich darauf aufbauend in der Sekundarstufe II auch quantitative Versuche zur Messung der Reaktionsgeschwindigkeit durchführen (s. Material1 ).
Die Spritze, in der sich bei diesem Versuch Wasserstoff entwickelt, steht bewusst zur besseren Ablesbarkeit auf dem Kopf. Die Ablesegenauigkeit liegt bei ca.0,5mL. Die Größe der Spritze ist ein Kompromiss zwischen Auffangvolumen (3mL Salzsäure mit c=0,5mol/L bilden maximal 20mL Wasserstoff), Gängigkeit (je kleiner der Stempeldurchmesser, desto besser) und Ablesegenauigkeit. Trotz des mitunter nicht immer gleichmäßigen Herauswanderns des Stempels bei Verwendung einer 30-mL-Spritze lassen sich aus den ermittelten Werten aussagekräftige Kurven aufzeichnen, aus denen man wiederum die Anfangsgeschwindigkeit zeichnerisch durch Anlegen einer Tangente im Ursprung ableiten kann.
Quantitative Untersuchung von Antazida in Erweiterung von Titrationen
Bei der Untersuchung der Reaktion von Laugen mit Säuren auf Teilchen-ebene kann die Wirkung diverser Antazida einen tragbaren Kontext liefern [4], der über das Fachliche hinaus, z.B. durch den Vergleich der Wirkstoffe und ihres Einsatzes, auch bewertende Auseinandersetzungen ermöglicht.
Zur Einführung der Neutralisation geeignet sind hier vor allem Antazida mit Wirkstoffen auf Basis von Magnesiumhydroxid, da sie für Schülerinnen und Schüler nach der häufig in der Sekundarstufe I verwendeten Definition von Arrhenius erkennbar alkalische Lösungen bilden. Für die Überprüfung der Angabe zum Wirkstoffgehalt als Anwendung der Titration in der Sekundarstufe II nutzt man hingegen besser Tabletten mit Calcium- bzw. Magnesiumcarbonat.
Interessant ist, dass sich ihr Wirkstoffgehalt parallel zur Rücktitration [5] auch volumetrisch über die entstandene Gasmenge bestimmen lässt. Dazu wird eine Tablette in einer Spritze vollständig in Salzsäure (c=1mol/L) gelöst und das dabei entstehende Gasvolumen an Kohlenstoffdioxid bestimmt. Mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung p·V = n·R·T, die man an dieser Stelle in vielen Bundesländern einführen muss, wird aus dem Volumen von Kohlenstoffdioxid dessen Stoffmenge berechnet.
Bei den Versuchen geht es genau genommen immer um eine Bestätigung des Wirkstoffgehaltes lt. Packungsbeilage. Eine Gehaltsbestimmung wäre experimentell nicht trivial lösbar, da man nicht wüsste, wie sich der Carbonat-Anteil auf die beiden Salze verteilt.
Aus der Neutralisationsgleichung leitet man dann die Stoffmenge an umgesetztem Carbonat ab und vergleicht den daraus bestimmten Wert mit der angegebenen Wirkstoffmasse gemäß...

Friedrich+ Chemie

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 157 / 2017

Reaktionen mit Gasen

Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 7-10