Teil C – Wasserqualität und organische Stoffe

Hinweis: Von den nachfolgenden Aufgabenteilen C1 und C2 soll in der Prüfung nur einer bearbeitet werden.

Aufgabe C1

In Braunkohlerevieren Deutschlands werden Tagebaurestlöcher häufig geflutet, um sie als Naherholungsgebiete nutzbar zu machen. Die Wasserqualität der entstandenen Tagebauseen wird u. a. durch die Verwitterung schwefel- und eisenhaltiger Mineralien bestimmt.

Untersuche die bereitgestellte Wasserprobe qualitativ und quantitativ.

Experiment A
Untersuche die Wasserprobe auf das Vorhandensein von Sulfat-Ionen. Fordere die dafür notwendigen Chemikalien an.

Experiment B
Bestimme die Stoffmengenkonzentration der Eisen $\text{(II)}$ -Ionen in der Wasserprobe.

Pipettiere $20\,\text{mL}$ der Wasserprobe in den Erlenmeyerkolben und versetze die Probe mit ca. $10\,\text{mL}$ Schwefelsäure und ca. $1\,\text{mL}$ Phosphorsäure. Fülle mit destilliertem Wasser auf ca. $100\,\text{mL}$ auf. Titriere mit Kaliumpermanganatlösung der Stoffmengenkonzentration $c(KMnO_4)= 0,02\,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}$ bis zur bleibenden schwachen Rosafärbung. Führe mindestens zwei Titrationen durch.

1.1

Führe die Experimente durch. Gib deine Beobachtungen und Messwerte an.

(06 BE)

1.2

Ziehe aus deinen Beobachtungen bei Experiment A eine Schlussfolgerung.

(01 BE)

1.3

Entwickle ausgehend von den Teilgleichungen die Reaktionsgleichung in Ionenschreibweise für die Reaktion der Titration bei Experiment B.

(03 BE)

1.4

Berechne auf der Grundlage deiner Messwerte bei Experiment B die Stoffmengenkonzentration der Eisen $\text{(II)}$ -Ionen in der untersuchten Probe.

(02 BE)

Neben Eisen $\text{(II)}$ -Ionen enthalten Wasserproben aus Tagebauseen auch Eisen $\text{(III)}$ -Ionen. Zur quantitativen Bestimmung dieser Ionen wird zunächst eine Wasserprobe wie bei Experiment B analysiert. Anschließend wird eine zweite Probe titriert, die vorher mit Zinn $\text{(II)}$ -chlorid im Überschuss behandelt wurde.

$2\,Fe^{3+} + Sn^{2+}$ $\rightleftarrows$ $2\,Fe^{2+} + Sn^{4+}$

Erkläre die quantitative Bestimmung der Stoffmengenkonzentration der Eisen $\text{(III)}$ -Ionen.

(03 BE)

(15 BE)

Aufgabe C2

Organische Stoffe spielen in Stoffwechselprozessen eine wichtige Rolle.

Experiment A
Du erhältst in nummerierten Gefäßen die Feststoffe Benzoesäure, Harnstoff, Fructose und Saccharose.
Bestimme experimentell, in welchem Gefäß sich der jeweilige Feststoff befindet. Für die Durchführung stehen dir als Geräte u. a. ein heißes Wasserbad und der Brenner sowie folgende Chemikalien zur Verfügung: Universalindikator (Lösung und Papier), FEHLINGsche Lösung I und II, Natriumhydroxidlösung, Wasser.

1.1

Plane dein experimentelles Vorgehen. Gib alle zu erwartenden Beobachtungen an.

(04 BE)

1.2

Führe die experimentellen Untersuchungen durch. Ordne die Feststoffe den vier Gefäßen zu.

(02 BE)

1.3

Entwickle die Reaktionsgleichungen in Ionenschreibweise für zwei Beobachtungen, die zur Identifizierung der Feststoffe führen.

(02 BE)

1.4

Erkläre das Reaktionsverhalten der Saccharose gegenüber FEHLINGscher Lösung.

(02 BE)

FEHLING I (Kupfer $\text{(II)}$ -sulfatlösung) und FEHLING II (basische Kaliumnatriumtartratlösung) wurden im 19. Jahrhundert von H. FEHLING in die analytische Chemie eingeführt. Seitdem wird die Reaktion der Kupfer $\text{(II)}$ -Ionen mit organischen Reduktionsmitteln für Nachweisreaktionen genutzt.

Experiment B
Löse einen Spatel Glucose in ca. $5\,\text{mL}$ Wasser und verteile die Lösung auf zwei Reagenzgläser.
Versetze die Glucoselösungen mit den angegebenen Chemikalien.

	Reagenzglas A	Reagenzglas B
$1.$	$2\,\text{mL}$ FEHLING I	$2\,\text{mL}$ FEHLING I
$2.$	$2\,\text{mL}$ Wasser	$2\,\text{mL}$ verdünnte Natriumhydroxidlösung

Stelle die Reagenzgläser eine Minute in ein heißes Wasserbad.

2.1

Führe das Experiment durch. Gib deine Beobachtungen an.

(02 BE)

2.2

Erkläre deine Beobachtungen in den Reagenzgläsern A und B.

(03 BE)

(15 BE)

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Lösung C1

1.1

Untersuchung auf Sulfat-Ionen

Anforderung:
Um Sulfat-Ionen nachzuweisen, kann Bariumchlorid-Lösung $(BaCl_2)$ verwendet werden.

Durchführung:
Gib einige Tropfen Bariumchlorid-Lösung in die Wasserprobe.

Beobachtung:
Wenn Sulfat-Ionen in der Wasserprobe vorhanden sind, bildet sich ein weißer Niederschlag von Bariumsulfat.

Bestimmung der Stoffmengenkonzentration der Eisen $\text{(II)}$ -Ionen

Anforderung:

Schwefelsäure $(H_2SO_4)$
Phosphorsäure $(H_3PO_4)$
Kaliumpermanganatlösung $(KMnO_4)$
destilliertes Wasser

Messwerte der verbrauchten Kaliumpermanganatlösung in den Titrationen (hier beispielsweise) :

$V = 10,2\,\text{mL}$
$V = 10,4\,\text{mL}$

1.2

Schlussfolgerung aus den Beobachtungen bei Experiment A

Die Bildung eines weißen, feinen Niederschlags deutet auf das Vorhandensein von Sulfat-Ionen $(SO_4^{2-}).$

1.3

Teilgleichungen und Reaktionsgleichung in Ionenschreibweise

Reaktionsgleichungen anzeigen

1.4

Berechnung der Stoffmengenkonzentration der Eisen $\text{(II)}$ -Ionen

Zunächst wird der durchschnittliche Verbrauch an Kaliumpermanganatlösung aus den Beispielwerten bestimmt:

$\begin{array}[t]{rll} V_⌀(KMnO_4)&=& \dfrac{10,2\,\text{mL} + 10,4\,\text{mL}}{2} & \\[5pt] &=& 10,3 \,\text{mL} & \\[5pt] &=& 0,0103\,\text{L} \end{array}$

Nun kann die Stoffmenge von Kaliumpermanganat berechnet werden:

$\begin{array}[t]{rll} n(KMnO_4) &=& c \cdot V & \\[5pt] &=& 0,02\,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot 0,0103\,\text{L} & \\[5pt] &=& 0,000206 \,\text{mol} \end{array}$

Aus der Reaktionsgleichung und dem Stoffmengenverhältnis folgt:

$\begin{array}[t]{rll} n(Fe^{2+}) &=& 5 \cdot n(KMnO_4) & \\[5pt] &=& 5 \cdot 0,000206 \,\text{mol} & \\[5pt] &=& 0,00103 \,\text{mol} \end{array}$

Für die Stoffmengenkonzentration der Eisen $\text{(II)}$ -Ionen gilt:

$\begin{array}[t]{rll} c(Fe^{2+}) &=& \dfrac{n}{V}& \\[5pt] &=& \dfrac{0,00103 \,\text{mol} }{0,020\,\text{L}}& \\[5pt] &=& 0, 0515 \,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1} \end{array}$

Quantitative Bestimmung der Eisen $\text{(III)}$ -Ionen

Bei der quantitativen Bestimmung wird die zweite Probe mit einem Überschuss an Zinn $\text{(II)}$ -chlorid $(SnCl_2)$ behandelt, um die Eisen $\text{(III)}$ -Ionen zu Eisen $\text{(II)}$ -Ionen zu reduzieren.

Der Unterschied zwischen den beiden verbrauchten Volumina der Kaliumpermanganatlösung $(\Delta V=V_2-V_1)$ gibt die Menge an Eisen $\text{(II)}$ -Ionen an, die aus den Eisen $\text{(III)}$ -Ionen durch Reduktion entstanden sind.
Die Konzentration der Eisen $\text{(III)}$ -Ionen in der ursprünglichen Probe kann dann berechnet werden, indem das Differenzvolumen $(\Delta V)$ verwendet wird, um die Menge an Eisen $\text{(III)}$ -Ionen zu bestimmen.

Lösung C2

1.1

Planen des experimentellen Vorgehens

Untersuchung mit Universalindikator (Lösung und Papier)
Löslichkeit in Wasser
Untersuchung mit FEHLINGscher Lösung (Nachweis für reduzierende Zucker)
Erhitzen

Zu erwartenden Beobachtungen

Tabelle anzeigen

	Benzoesäure	Harnstoff	Fructose	Saccharose
$\color{#ffffff}{1}$	leicht sauer, Universalindikator zeigt eine gelblich-orange Färbung	neutral, Universalindikator zeigt keine Farbveränderung (grün)
$\color{#ffffff}{2}$	schlecht löslich, trübe Lösung oder Feststoff am Boden	gut löslich, klare Lösung
$\color{#ffffff}{3}$	keine Reaktion, Lösung bleibt blau	positive Reaktion, rote Fällung von Kupfer $\text{(I)}$ -oxid $(Cu_2O)$	keine Reaktion, Lösung bleibt blau
$\color{#ffffff}{4}$	sublimiert bei starker Erwärmung, kann weißen Rauch bilden	zersetzt sich bei Erwärmung und bildet Ammoniak $(NH_3),$ erkennbar am stechenden Geruch	karamellisieren bei starker Erwärmung, braune Färbung und Geruch nach Karamell

1.2

Zuordnung der Feststoffe

Benzoesäure: Gefäß zeigt saure Reaktion und ist schlecht löslich.
Harnstoff: Gefäß, das bei Erhitzen Ammoniakgeruch abgibt.
Fructose: Gefäß mit positiver Fehling-Reaktion.
Saccharose: Gefäß ohne Reaktion mit Fehling-Lösung und Karamellisieren bei Erhitzen.

1.3

Reaktionsgleichungen in Ionenschreibweise

Reaktion von Fructose mit Fehling-Lösung:
$2\, Cu^{2+} + R–CHO + 4\, OH^-$ $\longrightarrow$ $2\, CuOH + R–COOH + 2\, H_2O$

Zersetzung von Harnstoff bei Erhitzen:
$(NH_2)_2CO$ $\longrightarrow$ $NH_3 ↑ + HNCO$

1.4

Reaktionsverhalten der Saccharose gegenüber FEHLINGscher Lösung

Saccharose $(C_{12}H_{22}O_{11})$ ist ein Disaccharid, das aus Glucose und Fructose besteht, die über eine glycosidische Bindung miteinander verknüpft sind. Diese Bindung verhindert die freie Aldehyd- oder Ketogruppe, die für die Reduktion der FEHLING-Lösung benötigt wird. Daher zeigt Saccharose keine Reaktion mit FEHLINGscher Lösung und bleibt blau.

2.1

Beobachtungen

Reagenzglas A	Reagenzglas B
Nach Zugabe von Fehling I und Wasser und Erwärmen bleibt die Lösung blau.	Nach Zugabe von Fehling I und verdünnter Natriumhydroxidlösung und Erwärmen entsteht ein roter Niederschlag $(Cu_2O).$

2.2

Erklärung der Beobachtungen

Reagenzglas A	Reagenzglas B
Die Zugabe von Wasser zur Glucoselösung und anschließend Fehling I allein reicht nicht aus, um eine Redoxreaktion zu initiieren. Die Lösung bleibt daher blau.	Die Zugabe von verdünnter Natriumhydroxidlösung schafft eine alkalische Umgebung, wodurch Glucose als Reduktionsmittel wirkt. Die $Cu^{2+}$ -Ionen werden zu Kupfer $\text{(I)}$ -oxid $(Cu_2O)$ reduziert, welches als roter Niederschlag ausfällt.

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