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Q1 Grundkurs · Chemie
Ionenbindung, Nachweisreaktionen und Bewertungsaufgaben in der Chemie (Q1) · Bewertungsaufgaben und Brennstoffzelle

Bewertung von Produkten, Korrosion und Energieträgern

Im Baumarkt steht auf dem Abflussreiniger „ätzend", der Essigreiniger wirbt mit „5 % Essigsäure", und an der Stahlbrücke über den Rhein wird schon wieder gestrichen. In der Chemie reicht es nicht, solche Dinge nur zu beschreiben: Du sollst sie bewerten, also Kriterien nennen, Daten auswerten und eine begründete Entscheidung treffen. Genau das trainierst du hier.

Gefahren von Alltagsprodukten einschätzen

Jedes Gefahrstoffprodukt trägt GHS-Piktogramme und H- und P-Sätze. H-Sätze nennen die Gefahr („Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden"), P-Sätze nennen Schutzmaßnahmen („Schutzhandschuhe und Augenschutz tragen").

Eine Gefährdungsbeurteilung folgt immer denselben Schritten: Stoff und Piktogramm erkennen, Gefahr benennen, Schutzmaßnahmen festlegen, Handlungsoptionen abwägen (Ersatzstoff, geringere Konzentration, Verzicht).

Produkt typischer Stoff Piktogramm Schutz
Rohrreiniger Natronlauge, $\mathrm{NaOH}$ ätzend Schutzbrille, Handschuhe, Lüften
WC-Reiniger / Entkalker Salzsäure, Amidosulfonsäure ätzend / reizend Schutzbrille, Handschuhe
Essigreiniger Essigsäure, 5 % meist keins Augenkontakt vermeiden

Warum dürfen Reiniger nicht gemischt werden? Ein saurer und ein alkalischer Reiniger neutralisieren sich unter starker Wärmeentwicklung ($\Delta_\mathrm{r}H<0$), die Lösung kann spritzen. Chlorhaltige Reiniger setzen zusammen mit Säuren giftiges Chlorgas frei.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Auf einem Rohrreiniger steht das Gefahrensymbol „ätzend". a) Nennen Sie zwei Schutzmaßnahmen. b) Erklären Sie, warum Rohrreiniger nicht mit Säurereinigern gemischt…

Auf einem Rohrreiniger steht das Gefahrensymbol „ätzend".

  1. a) Nennen Sie zwei Schutzmaßnahmen.
  2. b) Erklären Sie, warum Rohrreiniger nicht mit Säurereinigern gemischt werden dürfen.
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Produktangaben mit Titration überprüfen

Steht „5 % Essigsäure" auf der Flasche, kann man das nachprüfen: durch eine Säure-Base-Titration. Der Weg:

Eine Bewertung hat immer drei Teile: Ergebnis nennen, mit der Angabe vergleichen, Aussagekraft einschätzen (Fehlerquellen, Anzahl der Messungen).

Üben★★☆Nicht begonnen
Ein Essigreiniger gibt „5 % Essigsäure" an. Eine Titration von $10{,}0\,\text{mL}$ ($\rho = 1{,}01\,\text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$) verbraucht $8{,}1\,\text{mL}$…

Ein Essigreiniger gibt „5 % Essigsäure" an. Eine Titration von $10{,}0\,\text{mL}$ ($\rho = 1{,}01\,\text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$) verbraucht $8{,}1\,\text{mL}$ Natronlauge ($c = 1{,}00\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$). Es gilt $M(\mathrm{CH_3COOH}) = 60{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

  1. a) Berechnen Sie den Massenanteil.
  2. b) Bewerten Sie, ob die Angabe zutrifft.
Lösen
Üben★★★Nicht begonnen
Ein Kalkreiniger enthält angeblich $10\,\%$ Amidosulfonsäure ($\mathrm{HSO_3NH_2}$, $M = 97{,}1\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$). $2{,}50\,\text{g}$ Produkt verbrauchen…

Ein Kalkreiniger enthält angeblich $10\,\%$ Amidosulfonsäure ($\mathrm{HSO_3NH_2}$, $M = 97{,}1\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$). $2{,}50\,\text{g}$ Produkt verbrauchen $24{,}8\,\text{mL}$ Natronlauge ($0{,}100\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$).

  1. a) Berechnen Sie den Massenanteil (einprotonige Säure).
  2. b) Bewerten Sie die Qualität des Produkts.
  3. c) Diskutieren Sie Gefahren bei Anwendung auf Marmor.
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Korrosion erklären und verhindern

Eisen rostet an feuchter Luft, weil sich ein Lokalelement bildet: ein Wassertropfen als Elektrolyt, an verschiedenen Stellen des Metalls laufen Oxidation und Reduktion getrennt ab.

Lokalelement beim Rosten: Oxidation von Eisen unter dem Wassertropfen, Reduktion von Sauerstoff am Rand Eisen (Fe) Wassertropfen Fe²⁺ Kathode (Rand): O₂ wird reduziert Anode (unter dem Tropfen): Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻ e⁻ fließen zur Kathode

Teilgleichungen der Sauerstoffkorrosion:

  • Anode (Oxidation): $\mathrm{Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2\,e^-}$

  • Kathode (Reduktion): $\mathrm{O_2 + 2\,H_2O + 4\,e^- \rightarrow 4\,OH^-}$

  • Gesamt: $\mathrm{2\,Fe + O_2 + 2\,H_2O \rightarrow 2\,Fe(OH)_2}$, durch weitere Oxidation entsteht Rost ($\mathrm{Fe_2O_3\cdot x\,H_2O}$).

In saurer Umgebung (Säurekorrosion) wird statt Sauerstoff $\mathrm{H_3O^+}$ reduziert: $\mathrm{2\,H_3O^+ + 2\,e^- \rightarrow H_2 + 2\,H_2O}$.

Korrosionsschutz:

  • Überzüge: Lack, Kunststoff, Verchromen, Verzinken. Sie halten Wasser und Sauerstoff fern.

  • Opferanode: Ein unedleres Metall (Zink, Magnesium) wird statt des Eisens oxidiert, z. B. die Magnesium-Anode im Warmwasserspeicher.

Beim Verzinken ist Zink unedler als Eisen ($E^\circ(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -0{,}76\ \mathrm{V}$, $E^\circ(\mathrm{Fe^{2+}/Fe}) = -0{,}44\ \mathrm{V}$). Auch bei einem Kratzer wird bevorzugt Zink oxidiert, das Eisen bleibt geschützt (kathodischer Schutz). Bei einer Zinnschicht (edler als Eisen) wäre es umgekehrt: Nach einer Beschädigung rostet das Eisen schneller.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Eisen rostet an feuchter Luft. a) Nennen Sie zwei Rostschutzverfahren. b) Erklären Sie das Prinzip des Verzinkens.

Eisen rostet an feuchter Luft.

  1. a) Nennen Sie zwei Rostschutzverfahren.
  2. b) Erklären Sie das Prinzip des Verzinkens.
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Üben★★☆Nicht begonnen
Stahlbrücken in Hamburg müssen regelmäßig neu beschichtet werden. Jährliche Korrosionsschäden in Deutschland betragen mehrere Milliarden Euro. a) Erklären Sie die…

Stahlbrücken in Hamburg müssen regelmäßig neu beschichtet werden. Jährliche Korrosionsschäden in Deutschland betragen mehrere Milliarden Euro.

  1. a) Erklären Sie die Korrosion von Eisen mit Teilgleichungen.
  2. b) Nennen Sie je eine ökologische und eine ökonomische Folge.
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Üben★★★Nicht begonnen
Zentralabitur-Material: Ein Eisennagel wird in Agar-Gel mit Kaliumhexacyanoferrat(III) und Phenolphthalein gelegt. An der Spitze entsteht blaue, am Schaft rosa Färbung.…

Zentralabitur-Material: Ein Eisennagel wird in Agar-Gel mit Kaliumhexacyanoferrat(III) und Phenolphthalein gelegt. An der Spitze entsteht blaue, am Schaft rosa Färbung.

  1. a) Deuten Sie die Beobachtungen mit Teilgleichungen.
  2. b) Erklären Sie, warum Verzinken schützt, auch bei Beschädigung.
  3. c) Entwerfen Sie ein Experiment, das den Einfluss von Salzen (Streusalz) auf die Korrosion zeigt, und bewerten Sie die Folgen für Fahrzeuge im Winter.
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Folgen der Korrosion beurteilen

Bei Bewertungsaufgaben trennst du Folgen nach Bereichen:

Bereich Beispiele
ökonomisch Reparatur und Neuanstrich von Stahlbrücken, Ersatz von Rohrleitungen, Schäden von mehreren Milliarden Euro pro Jahr in Deutschland
ökologisch Ressourcen- und Energieverbrauch für Neuproduktion von Stahl, Lösemittel in Lacken, Zinkeintrag in die Umwelt, Streusalz im Boden und Gewässern
Sicherheit Brückensperrungen, Leitungsbrüche

Streusalz beschleunigt die Korrosion, weil die Ionen die Leitfähigkeit des Elektrolyten erhöhen. Ein Versuch dazu: Gleiche Eisennägel kommen in Wasser, in Salzwasser (z. B. 3 % NaCl) und in trockene Luft; alle anderen Bedingungen bleiben gleich (Variablenkontrolle). Nach einigen Tagen vergleichst du die Rostmenge. Folgen im Winter: schnelleres Rosten der Karosserie und Unterbodens, daher Unterbodenwäsche und Wachsversiegelung.

Energieträger bewerten

Auch bei Energieträgern bewertest du mit Kriterien: Energiedichte, $\mathrm{CO_2}$-Emission, Rohstoffe, Infrastruktur, Sicherheit, Kosten, Wirkungsgrad.

Energieträger Vorteile Nachteile
Benzin / Heizöl hohe Energiedichte, Infrastruktur vorhanden $\mathrm{CO_2}$, endliche Vorräte
Lithium-Ionen-Akku lokal emissionsfrei, hoher Wirkungsgrad Rohstoffe (Lithium, Cobalt), Ladezeit, Reichweite
Wasserstoff (Brennstoffzelle) nur Wasser als Abgas, schnelles Tanken Herstellung energieaufwändig, wenige Tankstellen, Speicherung unter Druck

Eine gute Bewertung endet mit einer begründeten Entscheidung: Kriterien gewichten, Argumente gegeneinander abwägen, Entscheidung formulieren. Für den Stadtverkehr in Köln sprechen etwa kurze Strecken und viele Lademöglichkeiten für das Batterieauto; für Busse und Lkw mit langen Strecken kann Wasserstoff sinnvoll sein. Wichtig ist, dass dein Urteil aus den Kriterien folgt.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Nennen Sie jeweils einen Vorteil und einen Nachteil von a) Benzin als Energieträger und b) einem Lithium-Ionen-Akku.

Nennen Sie jeweils einen Vorteil und einen Nachteil von

  1. a) Benzin als Energieträger und
  2. b) einem Lithium-Ionen-Akku.
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Üben★★☆Nicht begonnen
Ein Haushalt vergleicht Heizöl (Heizwert ca. $42\,\text{MJ}\cdot\text{kg}^{-1}$, $\approx 3{,}2\,\text{kg CO}2$ je kg) mit Erdgas. a) Berechnen Sie die…

Ein Haushalt vergleicht Heizöl (Heizwert ca. $42\,\text{MJ}\cdot\text{kg}^{-1}$, $\approx 3{,}2\,\text{kg CO}_2$ je kg) mit Erdgas.

  1. a) Berechnen Sie die $\mathrm{CO_2}$-Menge je $100\,\text{MJ}$ Heizöl.
  2. b) Bewerten Sie fossile Energieträger im Vergleich mit Wärmepumpe oder Wasserstoff.
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Üben★★★Nicht begonnen
Vergleichen Sie Brennstoffzellenauto, Batterieauto und Benzinauto. a) Nennen Sie für jeden der Bereiche Energie, Emissionen, Rohstoffe und Infrastruktur je zwei konkrete…

Vergleichen Sie Brennstoffzellenauto, Batterieauto und Benzinauto.

  1. a) Nennen Sie für jeden der Bereiche Energie, Emissionen, Rohstoffe und Infrastruktur je zwei konkrete Vergleichsaspekte.
  2. b) Treffen Sie eine begründete Entscheidung für den Stadtverkehr in Köln.
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Vorhin hatten wir gefragt, wie man Produktangaben, Korrosionsschäden und Energieträger beurteilt: durch Daten, Teilgleichungen und Kriterien mit begründeter Entscheidung.

Auf einen Blick

  • Gefahren: GHS-Piktogramme, H-/P-Sätze, Gefährdungsbeurteilung; saure und alkalische Reiniger nie mischen; Säure in Wasser gießen.

  • Produktqualität: Titration liefert $n$, daraus $m = n\cdot M$ und $w = m(\text{Stoff})/m(\text{Probe})$; dann mit der Angabe vergleichen und Fehlerquellen nennen.

  • Korrosion: Anode $\mathrm{Fe\rightarrow Fe^{2+}+2\,e^-}$, Kathode $\mathrm{O_2+2\,H_2O+4\,e^-\rightarrow 4\,OH^-}$; Schutz durch Überzüge und Opferanode (Zink, Magnesium).

  • Folgen: ökonomisch (Reparatur, Ersatz) und ökologisch (Ressourcen, Streusalz) getrennt benennen.

  • Energieträger: Kriterien wählen, abwägen, Entscheidung begründen; die gesamte Kette betrachten.

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