HT 1 – Ameisensäure

Stelle am Beispiel der Reaktion von Ameisensäure mit Wasser die Säure-Base-Theorie nach Brönsted dar. Begründe anhand der Molekülstruktur, dass Ameisensäure-Moleküle als Brönstedsäure fungieren.
(12 Punkte)
Stelle die beiden Reaktionsgleichungen für die Ameisensäure-Herstellung aus Methanol und Kohlenstoffmonoxid auf. Gib den Reaktionstyp für die säurekatalysierte Reaktion von Ameisensäuremethylester und Wasser zu Ameisensäure an. Erläutere unter Verwendung geeigneter Strukturformeln einen möglichen Ablauf dieser Reaktion in Einzelschritten (M 1).
(20 Punkte)
Stelle für den Nachweis der Ameisensäure mit Silber-Ionen eine Reaktionsgleichung auf. Begründe mithilfe der Oxidationszahlen und unter Angabe von Reaktionsgleichungen für die Teilreaktionen, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt. Beurteile anhand zweier Aspekte die Eignung von Silber-Ionen für diesen Nachweis (M 2).
(16 Punkte)
Erstelle eine beschriftete Skizze einer Apparatur zur Titration einer Ameisensäurelösung mit Natronlauge (M 4). Ermittle grafisch den pH-Wert am Äquivalenzpunkt (Abbildung 1) und begründe die Lage des Äquivalenzpunkts. Beurteile anhand einer kommentierten Berechnung des Ameisensäuregehaltes, ob die im Experiment untersuchte Behandlungslösung für den Einsatz im Bienenstock geeignet ist (M 3).
(18 Punkte)

Fachspezifische Vorgaben:

Ameisensäure $($ Methansäure, $HCOOH)$ ist eine farblose, bei $100,7^{\,\circ}C$ siedende und in Wasser lösliche Flüssigkeit von stechendem Geruch. Ameisensäure kommt in der Natur sowohl im Tier- als auch im Pflanzenreich vor, z. B. in Ameisen oder Brennnesselhaaren, und bietet den jeweiligen Organismen Schutz vor Feinden. Die Ameisensäure wurde im Jahre 1671 erstmals aus roten Ameisen isoliert und erhielt daher ihren Namen.

M 1: Herstellung von Ameisensäure

Es gibt verschiedene Verfahren, Ameisensäure synthetisch herzustellen. Eines dieser Verfahren geht von den Edukten Methanol $(CH_3OH)$ und Kohlenstoffmonoxid $(CO)$ aus und erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt reagieren Methanol und Kohlenstoffmonoxid zu Ameisensäuremethylester $(HCOOCH_3).$

Strukturformel von Ameisensäuremethylester

Im zweiten Schritt reagiert Ameisensäuremethylester in einer säurekatalysierten Reaktion mit Wasser zu Ameisensäure und Methanol, welches erneut für den ersten Schritt der Synthese eingesetzt werden kann.

M 2: Nachweis von Ameisensäure

Zur Unterscheidung von Ameisensäure von den meisten anderen Säuren kann die Reaktion von Ameisensäure-Molekülen mit Silber-Ionen im alkalischen Milieu (ammoniakalische Silbernitratlösung) verwendet werden. Als positives Ergebnis erhält man dabei neben einem gasförmigen Reaktionsprodukt einen sogenannten „Silberspiegel“ an der inneren Reagenzglaswand.

M 3: Anwendung der Ameisensäure zur Milbenbekämpfung

Bienen leiden häufig unter einem Befall durch die Varroamilbe, die aus Asien eingeschleppt wurde. Imker setzen natürlich vorkommende organische Säuren wie die Ameisensäure zur Bekämpfung der Varroamilbe ein. Zur Behandlung eines Bienenvolkes mit Ameisensäure lassen die Imker die Ameisensäure im Bienenstock verdunsten. Für die Gewährleistung einer effektiven Behandlung muss die Säure in einer ausreichend hohen Konzentration im Bienenstock vorliegen, damit alle Milben sicher abgetötet werden. Gleichzeitig muss vermieden werden, dass die Bienen aufgrund zu hoher Säurekonzentration geschädigt werden. Eine einfache Methode stellt die Schwammtuchmethode dar. Dabei wird ein möglichst saugfähiges Schwammtuch mit einer angegebenen Menge $60\%$ iger Ameisensäure $(w(HCOOH) = 0,6)$ getränkt und in den unteren Teil des Bienenstocks zum Verdunsten gelegt.

M 4: Quantitative Bestimmung des Ameisensäuregehalts einer Lösung zur Milbenbekämpfung

Zur Überprüfung des Ameisensäuregehalts einer Behandlungslösung, die in einem Bienenstock gegen die Varroamilbe eingesetzt werden soll, wurde folgendes Experiment durchgeführt:

Experiment:

$5,0\,\text{g}$ der zu untersuchenden Behandlungslösung wurden in ein Titriergefäß gegeben und mit destilliertem Wasser auf $100\,\text{mL}$ aufgefüllt. Nach Zugabe eines geeigneten Indikators wurde mit Natronlauge der Konzentration $c(NaOH) = 1,0\,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}$ titriert. Der Farbumschlag erfolgte nach Zugabe von $65,0\,\text{mL}$ Natronlauge.

Titration von $100\,\text{mL}$ einer Ameisensäureprobe
mit Natronlauge $c=1,0\,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}$

Diagramm zeigt den pH-Wert in Abhängigkeit vom Volumen Natronlauge in mL.

Abbildung 1:
Ausschnitt aus einer Titrationskurve einer Ameisensäurelösung mit Natronlauge

Zusatzinformationen:

In ammoniakalischer Silbernitratlösung $(AgNO_3)$ liegen Silber-Ionen in Form eines Silberdiamminkomplexes vor $[Ag(NH_3)_2]^+$ vereinfachend kann von $Ag^+$ -Ionen ausgegangen werden.

$pK_S(HCOOH) = 3,75$

$M(HCOOH) = 46,03 \,\text{g} \cdot \text{mol}^{-1}$

Massenanteil $w:$ $w \,_\text{Komponente}= \dfrac{m \,_\text{Komponente}}{m \,_\text{Stoffgemisch}}$

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Säure-Base-Theorie nach Brönsted am Beispiel von Ameisensäure

Die Reaktionsgleichung lautet:

$HCOOH + H_2O$ $\longrightarrow$ $HCOO^- + H_3O^+$

Eine Brönsted-Säure wird auch Protonendonator genannt und gibt Protonen ab. Eine Brönsted-Base ist der Protonenakzeptor und nimmt Protonen auf. Jede Brönsted-Säure bzw. Base besitzt eine korrespondierende Base bzw. Säure, die die Protonen aufnimmt bzw. abgibt. Diese nennt man Säure-Base-Paare.

Bei der Reaktion von Ameisensäure mit Wasser hat man zwei Säure-Base-Paare:

$HCOOH / HCOO^-$
$H_2O/H_3O^+$

Dabei fungiert $HCOOH$ als Brönsted-Säure und $H_2O$ als Brönsted-Base. Folglich handelt es sich bei $HCOO^-$ um die korrespondierende Brönsted-Base und bei $H_3O^+$ um die korrespondierende Brönsted-Säure.

Begründung anhand der Molekülstruktur

In der Molekülstruktur der Ameisensäure ist die funktionelle Gruppe $–COOH$ (Carboxylgruppe) vorhanden. Diese Gruppe enthält ein leicht abspaltbares Proton $(H^+),$ das an das Sauerstoffatom der Hydroxygruppe $(–OH)$ gebunden ist. Durch die Elektronegativität des Sauerstoffatoms wird die Bindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff polarisiert, was das Proton besonders leicht abspaltbar macht. Das Sauerstoffatom zieht die Bindungselektronen stärker an sich, wodurch das Proton als $H^+$ leicht abgegeben werden kann. Dies macht Ameisensäure zu einer typischen Brönstedsäure.

Reaktionsgleichungen für die Ameisensäure-Herstellung

Schritt 1:Reaktion von Methanol mit Kohlenstoffmonoxid

$CH_3OH + CO \rightarrow HCOOCH_3$

Schritt 2: Hydrolyse von Ameisensäuremethylester zu Ameisensäure

$HCOOCH_3 + H_2O \rightarrow HCOOH + CH_3OH$

Reaktionstyp und Ablauf der säurekatalysierten Reaktion

Bei der Reaktion von Ameisensäuremethylester mit Wasser findet eine säurekatalysierte Hydrolyse statt, welche die Umkehrung einer Veresterung darstellt. Hier wird die Methoxy-Gruppe $(-OCH_3)$ des Methylesters durch eine Hydroxy-Gruppe $(-OH)$ ersetzt, wodurch Ameisensäure und Methanol entstehen.

Protonierung des Esters am Carbonylsauerstoff :

Chemische Reaktion mit Wasserstoffionen zwischen organischen Molekülen.

Nukleophiler Angriff des Wassers:

Chemische Reaktion mit tetraedrischem Zwischenprodukt und Wasser. Diagramm mit Molekülstrukturen und Pfeilen.

Umlagerung und Abspaltung von Methanol:

$(CH_3OH)$

Chemische Strukturformeln mit Protonenübertragung und Wechselwirkungen von Ionen.

Bildung der Ameisensäure:
Im letzten Schritt wird ein Proton abgespalten und Ameisensäure gebildet.

Nachweis der Ameisensäure mit Silber-Ionen

$HCOOH + 2\,Ag^+$ $\longrightarrow$ $CO_2 + 2\,Ag + 2\,H^+$

Teilreaktionen (Redoxprozess)

Teilgleichungen anzeigen

In dieser Reaktion wird die Ameisensäure $(HCOOH)$ zu Kohlendioxid $(CO_2)$ oxidiert. Dabei steigt die Oxidationszahl des Kohlenstoffs von $+2$ auf $+4,$ und es werden zwei Elektronen abgegeben. Gleichzeitig werden die Silber-Ionen $(Ag^+)$ zu elementarem Silber $(Ag)$ reduziert, wobei die Oxidationszahl des Silbers von $+1$ auf $0$ sinkt und zwei Elektronen aufgenommen werden. Somit handelt es sich um eine Redoxreaktion, bei der Ameisensäure als Reduktionsmittel und die Silber-Ionen als Oxidationsmittel wirken. Das entstehende elementare Silber bildet einen feinen, glänzenden Silberspiegel an der Gefäßwand.

Beurteilung der Eignung von Silber-Ionen für den Nachweis der Ameisensäure

Die Reaktion mit Silber-Ionen eignet sich gut zum Nachweis von Ameisensäure, da die Reaktion einen visuellen und eindeutigen Hinweis liefert: Den charakteristischen Silberspiegel. Silber-Ionen sind zudem leicht zu reduzieren, was zu einem klaren Ergebnis führt, da nur wenige organische Säuren eine vergleichbare Redoxreaktion mit Silber zeigen.

Skizze zur Titration einer Ameisensäurelösung mit Natronlauge

Laboraufbau mit Bürette, Erlenmeyerkolben und Magnetrührer für eine chemische Analyse.

Grafische Ermittlung des pH-Wertes am Äquivalenzpunkt

Der Äquivalenzpunkt in einer Titration ist der Punkt, an dem die Menge der zugegebenen Base genau der Menge der in der Lösung vorhandenen Säure entspricht, sodass alle Säuremoleküle neutralisiert sind. In der Titrationskurve ist dieser Punkt als ein deutlicher Sprung im pH-Wert zu erkennen. In diesem Experiment wird der Äquivalenzpunkt bei einem Volumen von ca. $65,0\,\text{mL}$ zugegebener Natronlauge erreicht. Der pH-Wert am Äquivalenzpunkt beträgt demnach etwa $8.$

Dieser leicht basische Wert entsteht, weil es sich bei Ameisensäure um eine schwache Säure handelt, die mit einer starken Base (Natronlauge) titriert wird. Am Äquivalenzpunkt bleibt das konjugierte Basen-Anion der Ameisensäure, das Formiat-Ion $(HCOO^-),$ in der Lösung zurück. Dieses Ion reagiert basisch und erhöht daher den pH-Wert leicht über $7.$ Die Lage des Äquivalenzpunktes bei $pH=8$ ist typisch für die Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base.

Berechnung des Ameisensäuregehaltes

Mit dem Volumen der zugefügten Natronlauge und deren Stoffmengenkonzentration kann zunächst die Stoffmenge der zugefügten Natronlauge berechnet werden:

$\begin{array}[t]{rll} n (NaOH) &=& c(NaOH) \cdot V(NaOH) & \\[5pt] &=& 1,0 \, \text{mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot 65,0 \, \text{mL} & \\[5pt] &=& 1,0 \, \text{mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot 0,065 \, \text{L} & \\[5pt] &=& 0,065 \, \text{mol} \end{array}$

Da sich am Äquivalenzpunkt die Stoffmengen der Säure und der Base entsprechen, ergibt sich:

$n(HCOOH) = n(NaOH) = 0,065 \, \text{mol}$

Darauffolgend kann nun die Masse der Ameisensäure berechnet werden:

Rechnung anzeigen

$m(HCOOH)= 2,992 \, \text{g}$

Nun wird der Massenanteil der Ameisensäure in der Behandlungslösung berechnet:

$\begin{array}[t]{rll} w &=& \dfrac{m(HCOOH)}{m\,_\text{Lösung}} \cdot 100\% & \\[5pt] &=& \dfrac{2,992 \,\text{g}}{5,0 \,\text{g}} \cdot 100\% & \\[5pt] &=& 59,84\% \approx 60\% \end{array}$

Beurteilung der Eignung für den Einsatz im Bienenstock

Ein Massenanteil von ca. $60\%$ Ameisensäure entspricht der üblichen Konzentration, die zur Bekämpfung der Varroamilbe in der Imkerei eingesetzt wird. Diese Konzentration ist ausreichend hoch, um die Milben abzutöten, aber auch kontrolliert genug, um bei sachgemäßer Anwendung keine Schäden bei den Bienen zu verursachen. Die Ameisensäure verdunstet langsam und erreicht so eine effektive Konzentration im Bienenstock, die über einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten werden kann. Somit ist die im Experiment untersuchte Behandlungslösung für den Einsatz im Bienenstock geeignet und stellt eine wirksame Maßnahme zur Bekämpfung der Varroamilbe dar, ohne das Wohl der Bienen zu gefährden.

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