Aufgaben zu Mischungen und Legierungen im Chemieabitur (EGE)

Aufgaben zu Mischungen und Legierungen im Chemie-EGE

Autor des Artikels — professionelle Nachhilfelehrerin O. V. Owtschinnikowa.
Aufgaben zu Mischungen und Legierungen sind sehr häufige Aufgaben im Chemie-EGE. Sie erfordern eine klare Vorstellung davon, welche Substanzen an der in der Aufgabe beschriebenen Reaktion teilnehmen und welche nicht.

Über Mischungen sprechen wir, wenn mehrere Substanzen (Komponenten) in einem Behälter „gemischt“ vorliegen. Diese Substanzen sollten nicht miteinander reagieren.
Typische Missverständnisse und Fehler bei der Lösung von Aufgaben zu Mischungen:

• Der Versuch, beide Substanzen in einer Reaktion zu schreiben. Hier ist ein häufiger Fehler: „Die Mischung von Calcium- und Bariumoxiden wurde in Salzsäure gelöst…“. Viele Abiturienten schreiben die Reaktionsgleichung so:

Das ist ein Fehler. In dieser Mischung können beliebige Mengen jedes Oxids vorhanden sein! In der dargestellten Reaktionsgleichung wird jedoch angenommen, dass sie in gleichen Mengen vorliegen.

• Die Annahme, dass das molare Verhältnis der Substanzen den Koeffizienten in der Reaktionsgleichung entspricht. Zum Beispiel:
  „Die Menge an Zink wird als genommen und die Menge an Aluminium als (entsprechend dem Koeffizienten in der Reaktionsgleichung)“. Das ist ebenfalls falsch. Diese Mengen können beliebig sein und sind miteinander nicht verbunden.

• Der Versuch, „die Menge der Substanz in der Mischung“ zu berechnen, indem man die Masse der Mischung durch die Summe der molaren Massen der Komponenten teilt. Dies macht überhaupt keinen Sinn. Jede molare Masse kann nur auf eine einzelne Substanz angewendet werden.

Oft wird in solchen Aufgaben die Reaktion von Metallen mit Säuren verwendet. Um solche Aufgaben zu lösen, muss man genau wissen, welche Metalle mit welchen Säuren reagieren und welche nicht.

Notwendige theoretische Kenntnisse.
Methoden zur Angabe der Zusammensetzung von Mischungen.
Die Massenanteil eines Bestandteils in der Mischung ist das Verhältnis der Masse des Bestandteils zur Gesamtmasse der Mischung. Normalerweise wird der Massenanteil in % ausgedrückt, aber das ist nicht zwingend erforderlich.

Die molare Fraktion eines Bestandteils in der Mischung ist das Verhältnis der Anzahl der Mole (der Stoffmenge) des Bestandteils zur Gesamtzahl der Mole aller Substanzen in der Mischung. Zum Beispiel, wenn die Mischung die Substanzen $A$, $B$ und $C$ enthält, gilt:

wobei $\chi_A$ die molare Fraktion des Bestandteils in der Mischung ist, und $n_A$ die Anzahl der Mole des Bestandteils $A$.

Das molare Verhältnis der Bestandteile. Manchmal wird in Aufgaben das molare Verhältnis der Bestandteile einer Mischung angegeben. Zum Beispiel:

Das Volumenverhältnis des Bestandteils in der Mischung (nur für Gase) ist das Verhältnis des Volumens der Substanz $A$ zum Gesamtvolumen der gesamten Gasgemisch.

wobei $\varphi$ die Volumenfraktion des Bestandteils in der Mischung ist, $V_A$ das Volumen der Substanz $A$ und $V_{\text{gesamt}}$ das Gesamtvolumen des Gasgemisches.

Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle.
Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au

Reaktionen von Metallen mit Säuren.
Mit Mineralischen Säuren, zu denen alle löslichen Säuren gehören (außer Salpetersäure und konzentrierte Schwefelsäure, deren Reaktionen mit Metallen speziell sind), reagieren nur Metalle, die in der elektrochemischen Spannungsreihe vor (links von) Wasserstoff stehen.
Dabei zeigen Metalle, die mehrere Oxidationsstufen haben (Eisen, Chrom, Mangan, Kobalt), die niedrigste mögliche Oxidationsstufe — üblicherweise $+2$.

Reduktionsprodukte der Salpetersäure.
Je aktiver das Metall und je geringer die Konzentration der Säure, desto weiter wird der Stickstoff reduziert.

Inaktive Metalle (rechts von Eisen) + konzentrierte Säure
Nichtmetalle + konzentrierte Säure
Inaktive Metalle (rechts von Eisen) + verdünnte Säure
Aktive Metalle (Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Zink) + konzentrierte Säure
Aktive Metalle (Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Zink) + Säure mittlerer Verdünnung
Aktive Metalle (Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Zink) + sehr verdünnte Säure
Passivierung: Mit kalter konzentrierter Salpetersäure reagieren nicht:

Reagieren nicht mit Salpetersäure bei irgendeiner Konzentration:

Reduktionsprodukte der Schwefelsäure.

Nichtmetalle + konzentrierte Säure
Alkalimetalle + konzentrierte Säure
Erdalkalimetalle + konzentrierte Säure
Aktive Metalle (Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Zink) + konzentrierte Säure.
Verdünnte Schwefelsäure verhält sich wie eine normale Mineralsäure (z. B. Salzsäure)

Passivierung: Mit kalter konzentrierter Schwefelsäure reagieren nicht:

Reagieren nicht mit Schwefelsäure bei irgendeiner Konzentration:

Reaktionen von Metallen mit Wasser und Laugen.
In Wasser bei Raumtemperatur lösen sich nur Metalle, die lösliche Basen (Laugen) bilden. Dazu gehören Alkalimetalle (z. B. Natrium) und Metalle der Gruppe IIA (z. B. Calcium). Dabei entstehen Laugen und Wasserstoff. Beim Erhitzen in Wasser kann auch Magnesium gelöst werden.
In Laugen können sich nur amphotere Metalle lösen: Aluminium, Zink und Zinn. Dabei entstehen Hydroxokomplexe und Wasserstoff wird freigesetzt.

Achtung! Viele Fehler bei der Lösung von Aufgaben im Chemie-EGE entstehen dadurch, dass Schüler schlecht in Mathematik sind.
Speziell für Sie — Materialien darüber, wie man Aufgaben zu Prozenten, Legierungen und Mischungen löst.

Beispiele zur Lösung von Aufgaben.

Beispiel 1. Eine Mischung aus Kupfer und Eisen (20 g) wurde mit überschüssiger Salzsäure behandelt, und es entstanden 5,6 l Gas (STP). Bestimmen Sie die Massenanteile der Metalle in der Mischung.

(Die Antwort geht weiter, falls nötig.)