Große Mengen des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre werden von den Weltmeeren aufgenommen. Hierbei laufen drei Teilprozesse ab, die durch die Reaktionsgleichungen A, B und C ausgedrückt werden.

Der größte Teil des vom Wasser aufgenommenen Kohlenstoffdioxids liegt in der hydratisierten Form vor. Davon reagiert nur ein kleiner Teil zu Oxonium-Ionen weiter und wirkt sich so auf den pH-Wert des Meerwassers aus.

• Begründe mithilfe einer geeigneten Strukturformeldarstellung, dass bei der Hydratation von Kohlenstoffdioxid-Molekülen Wasserstoffbrücken ausgebildet werden können.
• Zeichne die Strukturformel des Kohlensäure-Moleküls in Lewis-Schreibweise (mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren).
• Erkläre ausgehend von Reaktionsgleichung C das Säure-Base-Konzept nach BRØNSTED.
• Erläutere die Auswirkung einer zunehmenden Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre auf den pH-Wert des Meerwassers nach dem Prinzip von LE CHATELIER.

In einem Schulexperiment soll ausgehend von der abgebildeten Apparatur (Abbildung 1) bestimmt werden, welcher Anteil des Kohlenstoffdioxids zu Oxonium-Ionen weiterreagiert. Kolbenprober 1 ist mit Kohlenstoffdioxid befüllt. In der Waschflasche befinden sich schwach saures demineralisiertes Wasser Das Kohlenstoffdioxid aus Kolbenprober 1 wird langsam durch die Waschflasche geleitet. Der -Wert des Wassers verringert sich dabei von auf In Kolbenprober 2 wird am Ende des Versuchs ein Volumen von Kohlenstoffdioxid gemessen.

• Berechnen die Stoffmenge an Kohlenstoffdioxid, die bei diesem Experiment vom Wasser aufgenommen wurde.
  Hinweis: Verwende als molares Volumen
• Zeige durch Berechnung, dass sich bei dem Experiment die Konzentration der Oxonium-Ionen um erhöht.
• Bestimme den Anteil des vom Wasser aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, der zu der oben angegebenen -Wert-Änderung führt.

Zur Verminderung der Kohlenstoffdioxid-Emission wird Wasserstoff als Energieträger verwendet. Um Wasserstoff zu speichern, werden seit einigen Jahren organische Flüssigkeiten eingesetzt, z. B. Dibenzyltoluol (DBT). Hierbei wird DBT zu Perhydro-DBT hydriert. Durch Dehydrierung von Perhydro-DBT kann der gespeicherte Wasserstoff wieder freigesetzt werden (Abbildung 2).

• Stelle die Reaktionsgleichung für die Dehydrierung von Perhydro-DBT als Gleichgewichtsreaktion auf.
• Erkläre, wie die Ausbeute von Wasserstoff durch Änderung der Temperatur und durch Änderung des Drucks erhöht werden kann.
• Berechne die Masse an Wasserstoff, die bei der Dehydrierung von Perhydro-DBT maximal freigesetzt werden kann.
  Hinweis: Verwende als Dichte von Perhydro-DBT

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Begründung der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen Dass bei der Hydratation von Kohlenstoffdioxid-Molekülen Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet werden können, liegt an der Polarität. Das Sauerstoffatom hat eine hohe Elektronegativität und zieht die Elektronen stärker an sich, wodurch am Sauerstoff eine negative Teilladung und am Kohlenstoff eine positive Teilladung entsteht: Dadurch kann das Sauerstoffatom des -Moleküls Wasserstoffbrückenbindungen mit den Wasserstoffatomen des Wassers eingehen. Strukturformel des Kohlensäure-Moleküls Erklärung des Säure-Base-Konzepts nach BRØNSTED Nach dem Säure-Base-Konzept von BRØNSTED ist eine Säure ein Protonendonator und eine Base ein Protonenakzeptor.
In Reaktionsgleichung C fungiert Kohlensäure als Säure, da sie ein Proton an das Wasser abgibt. Diese fungiert hier wiederum als Base. Durch diesen Protonenübergang entstehen Hydrogencarbonat-Ionen und Oxonium-Ionen Erläuterung der Auswirkungen einer zunehmenden Konzentration Nach dem Prinzip von LE CHATELIER wird ein System, das sich im Gleichgewicht befindet, einem äußeren Zwang (wie einer Konzentrationsänderung) so entgegenwirken, dass das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Eine erhöhte Konzentration von in der Atmosphäre führt zu einer erhöhten Aufnahme von in das Meerwasser (Reaktion A). Das fördert wiederum die Bildung von Kohlensäure (Reaktion B) und deren Dissoziation zu ⁻ und (Reaktion C). Die erhöhte Konzentration von -Ionen führt zu einer Absenkung des pH-Wertes des Meerwassers, was das Wasser saurer macht.

Berechnung der aufgenommenen -Stoffmenge Für die Berechnung wird zunächst das aufgenommene -Volumen bestimmt: Weiterhin gilt: Das Wasser nimmt bei diesem Experiment etwa die Stoffmenge an Kohlenstoffdioxid, die bei diesem Experiment vom Wasser aufgenommen wurde. Berechnung der Konzentrationsänderung der Oxonium-Ionen Für die Berechnung der Konzentration gilt: Es folgt: Die Berechnung der Konzentrationsveränderung zeigt, dass sich bei dem Experiment die Konzentration der Oxonium-Ionen um erhöht. Bestimmung des Anteils des aufgenommenen Das Volumen des Wassers in der Waschflasche beträgt Um zu berechnen, wie viel zur Änderung des -Werts führt, wird zuerst die Gesamtzunahme an -lonen berechnet: Da für die Bildung jedes Oxonium-Ions ein Kohlenstoffdioxid-Molekül weiter reagieren muss, gilt: Für den Anteil an aufgenommenem Kohlenstoffdioxid, das weiter reagiert, folgt: Der Anteil entspricht etwa des aufgenommenen

Reaktionsgleichung für die Dehydrierung von Perhydro-DBT Erhöhung der Wasserstoff-Ausbeute durch Temperatur- und Druckänderung Nach dem Prinzip von LE CHATELIER wird ein System, das sich im Gleichgewicht befindet, einem äußeren Zwang so entgegenwirken, dass das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Nach dem Prinzip wird bei einer Temperaturerhöhung die endotherme bevorzugt. Da die Dehydrierung von Perhydro-DBT endotherm ist, verschiebt sich das Gleichgewicht bei einer Temperaturerhöhung auf die Produktseite und steigert somit die Ausbeute an Wasserstoff. Eine Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite mit dem kleineren Volumen. Da dies hier die Produktseite ist, bewirkt eine Druckerhöhung ebenfalls die Verschiebung des Gleichgewichts auf die Produktseite, was die Ausbeute an Wasserstoff erhöht. Berechnung der maximal freisetzbaren Masse an Wasserstoff Mit der gegebenen Dichte und dem Volumen lässt sich zunächst die Masse von Perhydro-DBT berechnen: Nun kann mithilfe der molaren Masse die Stoffmenge berechnet werden: Weiterhin gilt: Für die Masse ergibt sich: