Bestimmung des Sauerstoffgehalts der Luft
Im Chemieraum der Realschule in Münster hält Lea einen Luftballon hoch: „Da ist Luft drin. Aber wie viel davon ist eigentlich Sauerstoff?“ Man kann Sauerstoff nicht sehen und nicht riechen. Trotzdem lässt sich sein Anteil messen. Du lernst hier, wie das geht.
Die Luft als Gasgemisch
Luft ist kein Reinstoff, sondern ein Gasgemisch. Die Anteile gibt man in Volumenprozent (Vol.-%) an.
| Bestandteil | Anteil am Volumen |
|---|---|
| Stickstoff $\mathrm{N_2}$ | etwa $78\,\%$ |
| Sauerstoff $\mathrm{O_2}$ | etwa $21\,\%$ |
| Edelgase (vor allem Argon) | etwa $1\,\%$ |
| Kohlenstoffdioxid $\mathrm{CO_2}$ | etwa $0{,}04\,\%$ |
| Wasserdampf | schwankt je nach Wetter |
Der Hauptbestandteil der Luft ist also Stickstoff, nicht Sauerstoff.
Lies das Diagramm: Von der ganzen Luft ist etwa ein Fünftel Sauerstoff ($21\,\%$), fast vier Fünftel sind Stickstoff ($78\,\%$), der Rest ist winzig.
Zur Wiederholung, wie man Gase nachweist: Sauerstoff erkennst du mit der Glimmspanprobe (ein glimmender Holzspan flammt auf). Kohlenstoffdioxid erkennst du mit Kalkwasser (es wird trüb). Kohlenstoffdioxid ist in der Luft so selten ($0{,}04\,\%$), weil Pflanzen es bei der Fotosynthese verbrauchen und viel davon im Meerwasser gelöst ist.
Nenne, wie viel Prozent der Luft etwa Sauerstoff sind, und nenne den Hauptbestandteil der Luft.
Nenne, wie viel Prozent der Luft etwa Sauerstoff sind, und nenne den Hauptbestandteil der Luft.
Der Versuch mit dem Kolbenprober
Idee: Wir entfernen den Sauerstoff aus einer abgemessenen Luftportion, indem er chemisch gebunden wird. Dann messen wir, wie viel Volumen fehlt.
Aufbau: Zwei Kolbenprober (Gasspritzen) sind durch ein Rohr verbunden. Im Rohr liegt Kupfer (z. B. Kupferwolle oder Kupferspäne). In den Kolbenprobern sind zu Beginn genau $100\ \text{mL}$ Luft. Das Kupfer wird mit dem Brenner stark erhitzt. Die Luft wird langsam hin und her geschoben.
Beobachtung: Das rötlich glänzende Kupfer wird schwarz. Das Gasvolumen nimmt ab.
Erklärung: Das Kupfer reagiert mit dem Sauerstoff der Luft zu schwarzem Kupferoxid. Das ist eine Oxidation.
Wortgleichung: Kupfer + Sauerstoff → Kupferoxid
Reaktionsgleichung: $2\,\mathrm{Cu} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{CuO}$
Kupferoxid ist ein Feststoff. Der Sauerstoff ist jetzt im Feststoff gebunden und fehlt im Gas. Deshalb wird das Gasvolumen kleiner. Der Stickstoff reagiert mit heißem Kupfer nicht, er bleibt als Hauptbestandteil übrig.
In einem Kolbenprober sind $100\ \text{mL}$ Luft eingeschlossen, die über erhitztem Kupfer hin und her geleitet werden. a) Nenne den Stoff, der mit dem Sauerstoff…
In einem Kolbenprober sind $100\ \text{mL}$ Luft eingeschlossen, die über erhitztem Kupfer hin und her geleitet werden.
- a) Nenne den Stoff, der mit dem Sauerstoff reagiert.
- b) Nenne das Produkt.
Im Kolbenprober wird Luft mehrmals über erhitztes Kupfer geleitet. Ergänze: „Nach der Reaktion ist das Gasvolumen $\dots$, weil der Sauerstoff als $\dots$ gebunden…
Im Kolbenprober wird Luft mehrmals über erhitztes Kupfer geleitet. Ergänze: „Nach der Reaktion ist das Gasvolumen $\dots$, weil der Sauerstoff als $\dots$ gebunden wurde.“
Auswertung der Messwerte
Aus dem Volumen vorher und nachher berechnest du den Sauerstoffanteil.
Bei mehreren Messungen bildest du den Mittelwert: alle Anteile addieren und durch die Anzahl der Messungen teilen. Das macht das Ergebnis zuverlässiger. Trage die Messwerte am besten in eine Tabelle ein:
| Probe | Start | Rest | Sauerstoff | Anteil |
|---|---|---|---|---|
| 1 | $50\ \text{mL}$ | $39{,}5\ \text{mL}$ | $10{,}5\ \text{mL}$ | $21\,\%$ |
| 2 | $50\ \text{mL}$ | $39{,}0\ \text{mL}$ | $11{,}0\ \text{mL}$ | $22\,\%$ |
Im Kolbenprober sind zu Beginn $100\ \text{mL}$ Luft. Nach dem Versuch und Abkühlen messen wir $79\ \text{mL}$. a) Berechne das Volumen des verbrauchten Sauerstoffs. b)…
Im Kolbenprober sind zu Beginn $100\ \text{mL}$ Luft. Nach dem Versuch und Abkühlen messen wir $79\ \text{mL}$.
- a) Berechne das Volumen des verbrauchten Sauerstoffs.
- b) Berechne den Volumenanteil des Sauerstoffs in Prozent.
- c) Nenne das Gas, das hauptsächlich übrig bleibt.
Zwei Kolbenprober mit je $50\ \text{mL}$ Luft werden mit Kupfer erhitzt. Die Messwerte: Probe 1: Rest $39{,}5\ \text{mL}$, Probe 2: Rest $39{,}0\ \text{mL}$. a) Berechne…
Zwei Kolbenprober mit je $50\ \text{mL}$ Luft werden mit Kupfer erhitzt. Die Messwerte: Probe 1: Rest $39{,}5\ \text{mL}$, Probe 2: Rest $39{,}0\ \text{mL}$.
- a) Berechne den Sauerstoffanteil für beide Proben.
- b) Berechne den Mittelwert.
- c) Beschreibe die Beobachtung am Kupfer (Schwarzfärbung).
Kupfer reagiert mit Sauerstoff: $2\,\text{Cu} + \text{O}2 \rightarrow 2\,\text{CuO}$ a) Gib an, welcher Stoff oxidiert wird. b) Erkläre, warum man das Kupfer im…
Kupfer reagiert mit Sauerstoff:
$2\,\text{Cu} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CuO}$
- a) Gib an, welcher Stoff oxidiert wird.
- b) Erkläre, warum man das Kupfer im Überschuss einsetzt.
- c) Erkläre, warum das Gas nach der Reaktion auf Raumtemperatur abgekühlt werden muss, bevor man das Volumen abliest.
Fehlerquellen und andere Verfahren
Dein Ergebnis weicht oft vom Literaturwert $21\,\%$ ab. Das ist normal. Die Abweichung gibst du in Prozentpunkten an: gemessener Wert minus Literaturwert.
Typische Fehlerquellen:
-
Das Kupfer reagiert nicht vollständig (zu wenig Kupfer oder zu kurz erhitzt): Messwert zu klein.
-
Das Gas ist nicht ganz abgekühlt: Messwert zu klein.
-
Totvolumen: In Rohr und Anschlüssen steckt Luft, die nicht am Kupfer vorbeiströmt. Ihr Sauerstoff reagiert nicht mit. Die Volumenabnahme ist dann zu klein, und bezieht man sie auf das gesamte Volumen, ist der gemessene Anteil scheinbar zu klein.
-
Die Kolben sind undicht oder haben Reibung: ungenaue Ablesung.
Verbesserungen: Kupfer im Überschuss einsetzen, länger und mehrfach hin und her schieben, vollständig abkühlen lassen, Totvolumen möglichst klein halten oder bei der Auswertung berücksichtigen, mehrere Messungen mitteln.
Anderes Verfahren: Eisenwolle
Feuchte Eisenwolle in einem Messzylinder, der mit der Öffnung nach unten in Wasser steht, rostet langsam. Das Eisen bindet den Sauerstoff, das Gasvolumen sinkt, und Wasser steigt im Zylinder nach. Das dauert mehrere Tage, weil die Reaktion bei Raumtemperatur langsam abläuft. Das Verfahren ist einfach, aber langsam; die Genauigkeit ist ähnlich. Auch hier nimmt das Gasvolumen um etwa ein Fünftel ab, denn Sauerstoff macht etwa ein Fünftel der Luft aus.
Zurück zum Anfang: Etwa ein Fünftel der Luft, also rund $21\,\%$, ist Sauerstoff. Lea kann das selbst messen.
Bei einem Versuch mit $100\ \text{mL}$ Luft misst Jonas einen Rest von $84\ \text{mL}$. Der Literaturwert beträgt $21\ \%$. a) Berechne den gemessenen Sauerstoffanteil…
Bei einem Versuch mit $100\ \text{mL}$ Luft misst Jonas einen Rest von $84\ \text{mL}$. Der Literaturwert beträgt $21\ \%$.
- a) Berechne den gemessenen Sauerstoffanteil und die Abweichung in Prozentpunkten.
- b) Nenne drei mögliche Fehlerquellen (z. B. unvollständige Reaktion, nicht abgekühlt, Leitungsvolumen).
- c) Schlage Verbesserungen vor.
Ein Verfahren nutzt statt Kupfer ein Stück Eisenwolle in feuchter Luft in einem Messzylinder über Wasser. Nach einigen Tagen ist der Wasserstand im Zylinder gestiegen.…
Ein Verfahren nutzt statt Kupfer ein Stück Eisenwolle in feuchter Luft in einem Messzylinder über Wasser. Nach einigen Tagen ist der Wasserstand im Zylinder gestiegen.
- a) Erkläre den Anstieg des Wasserstands.
- b) Erkläre, warum die Methode langsamer ist als der Kolbenprober.
- c) Vergleiche beide Verfahren hinsichtlich Genauigkeit und Aufwand.
In einem Kolbenprober sind $120\ \text{mL}$ Luft. Davon befinden sich $10\ \text{mL}$ als Totvolumen in einem Rohr (Luft, die nicht mit dem Kupfer in Kontakt kommt und…
In einem Kolbenprober sind $120\ \text{mL}$ Luft. Davon befinden sich $10\ \text{mL}$ als Totvolumen in einem Rohr (Luft, die nicht mit dem Kupfer in Kontakt kommt und deshalb nicht reagiert). Nach der Reaktion liest man insgesamt $96\ \text{mL}$ ab.
- a) Berechne den scheinbaren Sauerstoffanteil, wenn man das Totvolumen nicht berücksichtigt.
- b) Erkläre, wie sich ein nicht reagierendes Totvolumen auf das Ergebnis auswirkt.
- c) Beschreibe, wie man den Versuch auswertet, wenn das Totvolumen bekannt ist.