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Methoden für Reaktionen, bei denen Gase entstehen

Wenn bei der Reaktion ein Gas entsteht, so kann man dieses auffangen. Aus der Reaktionsgleichung kann man dann aus dem Gasvolumen die Konzentrationen der Edukte berechnen. Bekannte Beispiele hierfür:

Magnesium + Salzsäure / Essigsäure ==> Wasserstoff

Zink + Salzsäure ==> Wasserstoff

Calciumcarbonat + Salzsäure / Essigsäure ==> Kohlendioxid

Das entstehende Gas kann man auf zwei verschiedene Weisen messen:

Volumetrisch: Das Gas wird mit einem Kolbenprober aufgefangen.

Gravimetrisch: Der offene Reaktionskolben wird auf eine Waage gestellt.

Bei der volumetrischen Methode kann man aus dem aufgefangenen Gasvolumen leicht die Stoffmenge berechnen; im Idealfall hat 1 mol eines Gases ein Volumen von 22,4 Litern. Es sollte dann nicht schwer sein, die Stoffmenge n von beispielsweise 30 ml Wasserstoff zu berechnen.

Beispielberechnung
Es wurden 30 ml bzw. 0,03 l Wasserstoffgas aufgefangen. 22,4 Liter sind 1 mol Wasserstoffgas, dann sind 0,03 l = 0,03/22,4 = 0,0013 mol bzw. 13 mmol Wasserstoffgas.

Bei der gravimetrischen Methode kann man aus der entwichenen Gasmasse ebenfalls leicht die Stofmenge berechnen, allerdings muss man dazu die molare Masse des Gases wissen: Wasserstoff = 2 g / mol und Kohlendioxid = 40 g / mol.

Beispielrechnung
Bei der Reaktion von Calciumcarbonat mit Salzsäure wurde ein Masseverlust von 27 g gemessen, der auf das entweichende Kohlendioxid zurückzuführen ist.
40 g Kohlendioxid entsprechen 1 mol, dann entsprechen 27 g Kohlendioxid = 27/40 = 0,675 mol.

Methoden für Reaktionen, bei denen Farbstoffe entstehen

Entsteht bei der chemischen Reaktion ein Farbstoff als Produkt, so kann man die Konzentration dieses Farbstoffs mit einem Photometer messen. Dabei handelt es sich im Prinzip um ein Gerät, das feststelle, wie viel Licht durch eine Probe des Farbstoffs "durchgeht". Ein solches Photometer besteht aus einer Lichtquelle, einem Probenbehälter und einem Photosensor. Ist die Farbstoffkonzentration im Probenbehälter hoch, wird nur ein geringer Bruchteil des Lichtes durchgelassen. Ist die Farbstoffkonzentration dagegen klein, wird viel Licht durchgelassen. Schließt man ein solches Photometer an einen automatischen Schreiber oder einen Computer an, so kann man die Veränderung der Farbstoffkonzentration während der Reaktion kontinuierlich aufzeichnen.

Methoden für Reaktionen, bei denen Farbstoffe entfärbt werden

Ist ein Edukt der chemischen Reaktion ein Farbstoff und wird dieser Farbstoff während der Reaktion entfärbt, so kann man mit einem Photometer die abnehmende Konzentration des Edukts verfolgen.

Es geht hier aber auch einfacher. Man kann beispielsweise die Zeit stoppen, die bis zur völligen Entfärbung des Farbstoffs vergeht. Allerdings erhält man dann mit Sicherheit keine Momentangeschwindigkeit, sondern nur einen sehr groben Wert für die Durchschnittsgeschwindigkeit in dem Zeitintervall. Will man die Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit auf diese Weise ermitteln, so muss man mehrere Parallelversuche mit unterschiedlichen Ausgangskonzentrationen durchführen.

Eine interessante Variante dieses Verfahrens wird in einigen Schulbüchern wie beispielsweise "Chemie heute" vom Schroedel-Verlag genannt. Man gibt eine Thiosulfat-Lösung bekannter Konzentration mit 1-molarer Salzsäure zusammen, stellt den Erlenmeyerkolben auf ein Blatt weißes Papier, auf das man zuvor ein schwarzes Kreuz gezeichnet hat. Dann misst man die Zeit, die vergeht, bis man das Kreuz nicht mehr sehen kann, wenn man von oben in den Erlenmeyerkolben schaut. Je konzentrierter die Salzsäure bzw. die Thiosulfatlösung, desto schneller läuft die Reaktion ab.

Methoden für Reaktionen, bei denen eine Säure / Lauge entsteht bzw. verbraucht wird

Entsteht bei der Reaktion eine Säure, so steigt die Protonenkonzentration während der Reaktion an. Im einfachsten Fall setzt man dem Reaktionsgemisch einen Universalindikator zu und verfolgt die Farbänderungen mit dem bloßen Auge, der Videokamera oder einem Photometer.

Sollte dies aus irgendeinem Grund nicht möglich sein, so kann man auch in bestimmten Zeitabständen kleine Proben des Reaktionsgemisches entnehmen und dann deren jeweiligen pH-Wert bestimmen, um Aufschluss über die gerade herrschende Protonenkonzentration zu bekommen. Bei diesem Verfahren gibt es allerdings ein Problem: In den Proben läuft die Reaktion weiter, wenn man nichts dagegen unternimmt (schnelles Abkühlen, Zugabe eines Inhibitors o. Ä.).

Wird bei der Reaktion eine Säure verbraucht, kann man auf die gleiche Weise verfahren. Das selbe gilt dann, wenn bei der Reaktion eine Lauge entsteht oder verbraucht wird.

Ein bekannter Schulversuch, bei dem dieses Verfahren angewandt wird, ist die Veresterung von Essigsäure mit Ethanol zu Essigsäure-ethylester. Die Reaktion verläuft sehr langsam, bis sich das chemische Gleichgewicht eingestellt hat, vergehen teilweise Stunden. Alle 10 oder 15 Minuten wird eine kleine Probe aus dem Reaktionskolben entnommen und dann mit 1 molarer NaOH titriert, um die Säurekonzentration in dem Reaktionskolben zur Zeit t zu bestimmen.

Methoden für Reaktionen, bei denen Ionen entstehten bzw. verbraucht werden

Entstehen bei der Reaktion Ionen oder werden Ionen verbraucht, so kann man eventuell über die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit die Konzentrationen der Edukte oder Produkte verfolgen. Dazu müssen allerdings die genauen Beiträge der einzelnen Ionensorten zur Gesamtleitfähigkeit der Lösung bekannt sein. Protonen haben beispielsweise eine sehr viel höhere Leitfähigkeit als Sulfat-Ionen, weil sie kleiner und beweglicher sind.