Post on 06-Apr-2016
Experimentalvortrag
zum Thema
Nitrate
von Jan Grosse Austing (WS 07/08)
Gliederung
1. Einleitung
2. Darstellung früher – heute
3. Nachweis
4. Verwendung von Nitraten
5. Schulrelevanz
• Nitrat = Salz der Salpetersäure (HNO3)
• meist gut wasserlöslich
• Lösung ist farblos (sofern Kation farblos)
• Struktur: nicht
sondern
N
O
O
O
1. Einleitung
N
O
O
O N
O
O
O
N O
O
O
1. Einleitung
• Einsatz von Schwarzpulver: Bedarf an Kaliumnitrat steigt
• Verwendung zum Pökeln seit dem Mittelalter
• Problem: natürliche Vorkommen von Salpeter (von lat.:
sal petrae = Felsensalz) in Europa gering
2. Darstellung früher
Darstellung früher
• Entdeckung: Ca(NO3)2 an Kalkwänden in Viehställen
• später: Anlegen von Salpetergärten oder -gruben
Salpetergarten
Versuch 1: Nachweis von Nitrat in Schweinestall-Putz
2. Darstellung früher
2. Darstellung früher
Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen
2. Darstellung früher
• Nitrifikation:
3 4
3 3 2 0 2
4 2 2 2
3 2 5 2 0
2 2 3
2 3 2 4 2
2 2
g aq aq
aq g aq aq l
aq g aq
Nitrosomas
Nitrobacter
NH H NH
NH O NO H H O
NO O NO
2. Darstellung früher
• Bildung Calciumnitrat
3 3 3 2 222 2 aq aq aq gaq
CaCO NO H Ca NO CO H O
Ca(NO3)2-Ausblühungen
• Umwandlung mit Pottasche (K2CO3 ):
• Eindampfen der Lösung liefert KNO3
2. Darstellung früher
3 2 3 3 322 aq s aqaq
Ca NO K CO CaCO KNO
2. Darstellung früher
Salpetersieder
Darstellung heute
• 1900: Ostwald-Verfahren („Ammoniak-Verbrennung“)
2. Darstellung heute
Wilhelm Ostwald
Versuch 2: Ostwald-Verfahren
2. Darstellung heute
• mögliche Produkte: N2O, N2, NO2, NO
• erwünschte Reaktion ( ):
kurze Verweilzeit am Katalysator (~10-3 s)
2. Darstellung heute
3 1 0 2 2 2
3 2 2 /
, 600 700 4 5 4 6 g g lgg
Pt CNH O NO H O
908,9 H kJ
2. Darstellung heute
2 2 0 4 2
2 2
4 2 5 2 3 2
2 2 3 2
3 5 2
2 3 2
2 0 4 2
2 2
2 2
2
3 2
2 2
g g gfarblos
aq aq aq
aq aq aq
g g g
braun
NO O NO
NO H O HNO HNO
HNO HNO NO H O
NO O NO
• Umsetzung zu Salpetersäure:
2. Darstellung heute
• Zerstörung Nitrit für Nitrat-Nachweis:
3 3 0
2 2 2 2 4 2 2aq aq aq aq gH N SO OH NO H H SO N H O
• Darstellung von Nitraten:
Salpetersäure + Metall oder -oxid/-hydroxid/-carbonat
Bsp.
2. Darstellung heute
2 3 3 3 2 22 2 s aq aq g lK CO HNO KNO CO H O
• Schema: Nitrat-Darstellung heute
2. Darstellung heute
2 2 2 2 20 3 2 4 5
,2 3 2 3
H O O O H OHaber Bosch OstwaldN NH NO NO HNO
2. Darstellung heute
industrielle Anlage zur HNO3-ProduktionNH3-Verbrennung
Nachweis von Nitrat• Ringprobe
• mit Lunges Reagenz (nach Reduktion zu Nitrit)
3. Nachweis
Versuch 3a: Nachweis von Nitratmit der Ringprobe
3. Nachweis
Versuch 3b: Nachweis von Nitratmit Lunges Reagenz
3. Nachweis
• Ringprobe
3. Nachweis
2 5 3 2 2 3
3 2
2 22 2 3 1
2 2 26 5
3 4 3 2
( )
braun
aqa aq aq aq laq
aq laq aq
Fe NO H Fe NO H O
Fe H O NO Fe H O NO H O
• Lunges Reagenz
1) Reduktion Nitrat zu Nitrit
2) Bildung des Nitrosyl-Kations
3. Nachweis
5 3 2 02
3 2 2 2 aq aq aq aqNO Zn H NO Zn H O
N
O
O H+
N
O
OH H+
N
O
O
H
H
OH2
N
O
N
O
Nitrosyl-Kation
3) Diazotierung
3. Nachweis
HO3S
N
H
H
+
N
O HO3S
N
H
H
NO
H+
HO3S
N
H
NO
H+
H+
HO3S
NN
OH
H+
HO3S
NN
OHH
OH2
HO3S
NN
Diazonium-Ion
4) Azokupplung3. Nachweis
HO3S
NN
+
N
H
H
N
N
HO3SN
H
H
H
H+
N
N
HO3S
N
H
H
(violett)Azofarbstoff
4. Verwendung von Nitraten
3NOPökelsalz
Dünger
Sprengstoff
Kältemischungen
Feuerwerk
Verwendung von Nitraten als Dünger• Düngung = Zufuhr von Pflanzennährstoffen zur Ertrags-
und Qualitätssteigerung von Nutzpflanzen
• Nitrat: Stickstoffliefernde Komponente
• z.B. als Kalkammonsalpeter (NH4NO3 mit ca. 22 % Kalk)
4. Verwendung von Nitraten
Kalkammonsalpeter
Demo 1: Düngung mit und ohne Nitrat
4. Verwendung von Nitraten
• Überdüngung problematisch:
Eutrophierung, N2O-Emissionen, Trinkwasserbelastung
• Grenzwert Nitrat im Trinkwasser in Deutschland:
50 mg/L
4. Verwendung von Nitraten
4. Verwendung von Nitraten
Topographische Karte Deutschland
Dümmer See im Südoldenburger Land
(„Schweine-Gürtel“)
Demo 2: Nachweis von Nitrat im
Trinkwasser
4. Verwendung von Nitraten
4. Verwendung von Nitraten
Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen
• Nitrat: Metabolisierung im Körper durch Bakterien
(Mundhöhle, Magen-Darm u.a.) zu Nitrit
4. Verwendung von Nitraten
5 3
3 2.
aq aqz B Coryne BakterienNO NO
Demo 3: Nachweis von Nitrit im
Speichel
4. Verwendung von Nitraten
• Nitrit gesundheitlich bedenklich, weil:
1) Bildung von Nitrosaminen (viele sind cancerogen)
4. Verwendung von Nitraten
N
H
R2
R1
+ N
ONR
1
R2
H
NO
H+
NR
1
R2
NO
sek. Amin Nitrosamin
2) Oxidation des Hämoglobins (Hb) zu Methämoglobin
(MetHb) ( )
MetHb nicht mehr zum O2-Transport fähig
(Säuglinge: Enzymkonzentration für Reaktion MetHb
zu Hb gering)
4. Verwendung von Nitraten
2 3.OxFe Fe
Hinweis auf Mineralwasser-Flaschen
Verwendung von Nitraten als Pökelsalz
• Kaliumnitrat (E 252) zum Pökeln seit dem Mittelalter
• Konservierung durch wasserentziehende Wirkung,
Hemmung des Bakteriums „Clostridium botulinum“
(Botulinustoxin)
4. Verwendung von Nitraten
Salpeter zum Pökeln
• heute: nicht Nitrat entscheidend beim Pökeln, sondern
Nitrit
• daher heute Pökelsalz nicht nitrathaltig, sondern direkte
Verwendung von Nitrit
• neben Konservierung: ansprechende rosa Farbe
4. Verwendung von Nitraten
Versuch 4: Umrötung von Fleisch
4. Verwendung von Nitraten
• Ascorbinsäure reduziert Nitrit:
• Ascorbinsäure Hilfsstoff: Hemmung Nitrosaminbildung
4. Verwendung von Nitraten
+3 2
2 2. 2 2 2 . 2 aq aq aq aqAsc Säure NO H NO Dehydroasc Säure H O
• Bildung von Stickoxidmyoglobin, Erhitzen
4. Verwendung von Nitraten
O2
NO
NO
Protein Protein
denaturiertes denaturiertesProtein Protein
(grau-braun) (rosa)
Ox.
+ NO
OH2
Fe2+ Fe
2+
Fe2+
Fe3+
Verwendung von Nitraten als Kältemittel
• einige Nitrate lösen sich endotherm in Wasser
Eignung als Kältemittel
(z.B. Einmal-Kältepack für Sportverletzungen)
4. Verwendung von Nitraten
Einmal-Kältepack
Versuch 5: Selbstbau eines
Kälte-Packs
4. Verwendung von Nitraten
4. Verwendung von Nitraten
H
HGitterHGitter
HSolvatationHSolvatation
HLösung<0
HLösung>0
exothermer
Lösungsvorgang
endothermer
Lösungsvorgang
Energieschema Lösungsvorgang
• endothermer Lösungsvorgang
Lösung kühlt sich ab
Hydratation:
hier:
4. Verwendung von Nitraten
4 3 4 3
4 3 4 3
1) " " " "
2) " " " "s
aq aq
NH NO NH NO
NH NO NH NO
0Lösung Solvatation GitterH H H
• Reaktion ist exergonisch (d.h. ΔG<0):
• Triebkraft der Reaktion: Zunahme der Entropie
4. Verwendung von Nitraten
0 0
0
G H T S
S
Verwendung von Nitraten als Oxidationsmittel/Pyrotechnik
• Nitrat in Salzform bzw. in Schmelzen gutes
Oxidationsmittel
• Anwendungen: Schwarzpulver, Pyrotechnik
4. Verwendung von Nitraten
Schwarzpulver
Versuch 6: Oxidation von Holzkohle
durch eine KNO3-Schmelze
4. Verwendung von Nitraten
• Reaktionsgleichung
4. Verwendung von Nitraten
5 0 4 4 0
3 2 2 3 2/ .4 5 3 2 2 l s g s solv gKNO C CO K CO N
Holzkohle in KNO3(l)
Versuch 7: „Knallpulver“
4. Verwendung von Nitraten
• Reaktionsgleichungen (schematisch)
4. Verwendung von Nitraten
2 0 2/ 2 2 0
2 3 2 2 2 3 2 2
" " / .
5 2/ 3 2
3 2/ . / . / .
124 2 , 4
x
xl l g g
Schwefelleber l solv
x
xl solv l solv l solv
K CO x S K S K S O CO O
NO S NO
+2 2 2
2 3 / .
3 +2 2 6 0 2 2 2
2 2 3 4 2/ . / . / .
...l solv
l solv l solv l solv g gExplosion
S O
NO S O SO N NO
...
• Wirkung des Pulvers nur bei langsamen Erhitzen
(Bildung von „Schwefelleber“)
• Entzündung: nur unvollständiger Abbrand
• Abbrandgeschwindigkeit Schwarzpulver: ca. 400 m/s,
Abbrandgeschwindigkeit „Knallpulver“: 1200-3200 m/s
Detonation (Geschwindigkeit >1000 m/s)
4. Verwendung von Nitraten
Verwendung von Ammoniumnitrat als Sprengstoff
• Ammoniumnitrat als Sprengstoff
• Verwendung z.B. im Bergbau
• kräftige Initialdetonation kann zur Detonation von
NH4NO3 ausreichen
4. Verwendung von Nitraten
4. Verwendung von Nitraten
Oppauer Werk der BASF nach der Explosion (1921)
• Krater: 125 m Länge, 90 m Breite, 19 m Tiefe
• 500 Tote, 7000 Obdachlose
• Explosionsknall bis Frankfurt a.M. hörbar (80 km entfernt)
• Versuch, ca. 4500 t Ammonsulfatsalpeter
(2 NH4NO3∙(NH4)2SO4) mit Dynamit „loszusprengen“
4. Verwendung von Nitraten
3 +6 3 5 4 0
4 3 4 4 2 2 2/22 8 3 s g l g g
Initial-ImpulsNH NO NH SO H O SO N
Versuch 8: „Explosionsartige“
Zersetzung von NH4NO3
4. Verwendung von Nitraten
• Reaktionsgleichung hier:
• Explosion
• langsames Erhitzen
3 5 0 4 2
4 3 2 2 2 / .8 5 2 4 16 s g g g g l
hohe TempNH NO N NO NO H O
4. Verwendung von Nitraten
3 5 0 0
4 3 2 2 2 /2 2 4 s g g g lInitial ZündungNH NO N O H O
3 5 1
4 3 2 2 / 2 s g g l
lansames ErhitzenNH NO N O H O
Schulrelevanz
• Behandlung alltagsrelevanter Aspekte (Düngung und
damit verbundene Probleme, Pyrotechnik,
Lebensmittelkonservierung)
• geschichtliche Zusammenhänge thematisierbar
(militärische Verwendung von Schwarzpulver, Chemie-
Katastrophen etc.)
5. Schulrelevanz
Lehrplanrelevanz nach dem hessischen
Lehrplan für Gymnasien (G8)
• 7G: endotherme und exotherme Reaktionen im Alltag
• 9G: Hydratation von Salzen in Wasser, Säuren und
Laugen, Aufbau und Funktion von Böden, Düngung
5. Schulrelevanz
• GK/LK12G: Bodenuntersuchungen, Untersuchungen von
Düngemitteln, Enthalpie, Entropie, freie Energie,
Nahrungsmittel (Zusatzstoffe, Konservierung)
5. Schulrelevanz
Das war‘s…
6.Ende