Säuren und Basen

Versuche

Wanderung der Oxonium- und Hydroxid-Ionen

Zielsetzung

Mit diesem Experiment untersuchst du, welche Ladung Oxonium- und Hydroxid-Ionen tragen.
Außerdem kannst du beobachten, für welchen pH-Wert die Oxonium- und Hydroxid-Ionen verantwortlich sind.

Hinweise zum Experiment

Damit in Chemie bzw. beim Experimentieren keine Unfälle passieren, musst du auf die Sicherheit achten. Die Sicherheit ist immer wichtig, wenn du in einem Fachraum oder Labor bist. Bitte beachte bei allen Experimenten die Hinweise zur Sicherheit im Labor.

Material

Objektträger
2 Krokodilklemmen
2 Kabel
2 kleine Kupferbleche
Spannungsgerät
3 Pipetten
Universal-Indikatorpapier

Chemikalien

Kaliumnitrat-Lösung (1 M)
Hydrogenchlorid-Lösung (Salzsäure) (verdünnt)
Natriumhydroxid-Lösung (Natronlauge) (verdünnt)

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Edukte

Stoffname	Summenformel	Gefahrenhinweise
Kaliumnitrat	$\ce {KNO3} $	H272: Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel. P210: Vor Hitze schützen. P221: Mischen mit brennbaren Stoffen unbedingt verhindern. Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Salzsäure (c=1$\ce{\frac{mol}{l}}$)	$\ce{HCl}$	H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Natronlauge (c=1$\ce{\frac{mol}{l}}$)	$\ce{NaOH}$	H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. Link zur GESTIS-Stoffdatenbank

Kaliumnitrat

$\ce {KNO3} $

H272: Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.

P210: Vor Hitze schützen. P221: Mischen mit brennbaren Stoffen unbedingt verhindern.

Salzsäure (c=1$\ce{\frac{mol}{l}}$)

$\ce{HCl}$

H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.

Natronlauge (c=1$\ce{\frac{mol}{l}}$)

$\ce{NaOH}$

H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

Produkte

Stoffname	Summenformel	Gefahrenhinweise
Sauerstoff (als Reaktionsprodukt)	$\ce{O_2}$	H270: Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel. P220: Von Kleidung und anderen brennbaren Materialien fernhalten. Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Wasserstoff (als Reaktionsprodukt)	$\ce{H_2}$	H220: Extrem entzündbares Gas. P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P403: An einem gut belüfteten Ort aufbewahren. Link zur GESTIS-Stoffdatenbank

Sauerstoff (als Reaktionsprodukt)

$\ce{O_2}$

H270: Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel.

P220: Von Kleidung und anderen brennbaren Materialien fernhalten.

Wasserstoff (als Reaktionsprodukt)

$\ce{H_2}$

H220: Extrem entzündbares Gas.

P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P403: An einem gut belüfteten Ort aufbewahren.

Versuchsaufbau/Durchführung

Befestige mit Hilfe der Kupferbleche und den Krokodilklemmen zwei Streifen Universal-Indikatorpapier mit Abstand zueinander auf dem Objektträger und Verbinde mit den Kabeln die Krokodilklemmen mit dem Spannungsgerät (Abb. 1.1).
Befeuchte mithilfe einer Pipette das Indikatorpapier mit der Kaliumnitrat-Lösung (Abb. 1.2) und tupfe überschüssige Kaliumnitrat-Lösung vorsichtig mit einem Papiertuch ab.
Gib mit einer Pipette eine sehr kleine Menge der Hydrogenchlorid-Lösung (Salzsäure) auf die Mitte des oberen Indikator-Papiers, in dem du mit der Pipette nur einmal vorsichtig auf das Indikatorpapier tippst (Abb. 1.3).
Gib mit einer weiteren Pipette eine sehr kleine Menge der Natriumhydroxid-Lösung (Natronlauge) auf das untere Indikatorpapier, in dem du mit der Pipette nur einmal vorsichtig auf das Indikatorpapier tippst (Abb. 1.4).
Lege eine Gleichspannung von $\ce{20 – 24\,V}$ an (Abb. 1.5) und beobachte mindestens 10 Minuten, was passiert

Hinweise zur Entsorgung

Das Indikatorpapier kannst du in den Restmüll entsorgen.

Abb. Wanderung von Oxonium- und Hydroxid-Ionen

Aufgabe

Führe das Experiment durch und notiere deine Beobachtungen.

Erkläre, was auf der Teilchenebene bei diesem Experiment passiert.

Lösung

Beobachtung

Wenn du die Kaliumnitrat-Lösung auf das Indikatorpapier gibst, passiert erst einmal nichts. Die Stelle, auf die du den Tropfen Hydrogenchlorid-Lösung (Salzsäure) auf das Indikatorpapier gibst, färbt sich rot. Die Stelle, auf die du den Tropfen Natriumhydroxid-Lösung (Natronlauge) gibst, färbt sich blau.

Wenn du die Spannung anlegst, wandert der rote Bereich des Indikatorpapiers zur Kathode (bei diesem Versuch: Minuspol) und der blaue Bereich zur Anode (bei diesem Versuch: Pluspol). Der rote Bereich wandert schneller als der blaue Bereich.

An der Kathode entsteht zusätzlich eine blaue Färbung und an der Anode eine rote Färbdung.

Ergebnis

Die Kaliumnitrat-Lösung verändert die Farbe des Indikatorpapiers nicht, da die Lösung neutral ist. Bei der Hydrogenchlorid-Lösung (Salzsäure) zeigt das Indikatorpapier einen pH-Wert von 1-2 an (rote Färbung). Bei der Natriumhydroxid-Lösung (Natronlauge) zeigt das Indikatorpapier einen pH-Wert von 13-14 an (blaue Färbung).

Bei der Hydrogenchlorid-Lösung liegt folgendes Gleichgewicht vor, wobei das Gleichgewicht auf Seiten der Produkte liegt:

$\ce{HCl + H2O <=>> H3O^+ + Cl^-}$

Bei der Natriumhydroxid-Lösung liegt folgendes Gleichgewicht vor, wobei auch hier das Gleichgewicht auf Seiten der Produkte liegt:

$\ce{NaOH <=>> Na^+ + OH^-}$

Für die Veränderung des pH-Werts sind die Oxonium-Ionen ($\ce{H3O^+}$) und Hydroxid-Ionen ($\ce{OH^-}$) ausschlaggebend. Durch die Kaliumnitrat-Lösung werden die Ionen auf dem Indikatorpapier beweglich.

Wanderung zu Anode und Kathode

Wenn du die Spannung anlegst, wandern Elektronen von der Kathode (bei diesem Versuch: Minuspol) zur Anode (bei diesem Versuch: Pluspol). Dadurch erzeugt das Spannungsgerät ein elektrisches Feld, wodurch die Oxonium- und Hydroxid-Ionen ‚wandern‘ können. Aufgrund ihrer Ladungen ‚wandern‘ sie zu der entgegen gesetzte Ladung. Wandern also die Oxonium-Ionen zur Kathode (Minuspol), müssen sie positiv geladen sein. Somit müssen die Hydroxid-Ionen, die zur Anode (Pluspol) wandern, negativ geladen sein.

Insgesamt haben wir mit diesem Versuch sichtbar gemacht, dass die Oxonium-Ionen ($\ce{H3O^+}$), die für den sauren Charakter verantwortlich sind, positiv geladen sind. Die Hydroxid-Ionen ($\ce{OH^-}$), die für den basischen Charakter verantwortlich sind, sind negativ geladen.

Weitere Reaktionen an Anode und Kathode

Wir haben in dem Versuch Lösungen verwendet, bei denen Wasser-Moleküle anwesend sind und auch bei den oben genannten Reaktionen beteilitgt sind. Mit den Wasser-Molekülen finden weitere Redox-Reaktionen statt.

An der Kathode (bei diesem Versuch: Minuspol) entstehen Hydroxid-Ionen ($\ce{OH^-}$), die für die blaue Färbung des Indikatorpapiers verantwortlich sind.

Reduktion: $\ce{2 H2O + 2 e^- -> H2 + 2 OH^-}$

An der Anode (bei diesem Versuch: Pluspol) entstehen Oxonium-Ionen ($\ce{H3O^+}$), die für die rote Färbung des Indikatorpapiers verantwortlich sind.

Oxidation: $\ce{6 H2O -> O2 + 4 H3O^+ + 4 e^-}$

Insgesamt ergibt sich daraus die folgende Reaktion:

Redox-Reaktion: $\ce{10 H2O -> 2 H2 + O2 + 4 OH^- + 4 H3O^+}$

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