Demonstrationspraktikum Anorganische Chemie fur...

Demonstrationspraktikum

Anorganische Chemie

fur Lehramtsstudierende

WS 2012/2013

Thorsten Beiser

Peter Schlenker

Susanne Blaser

2

Anmerkungen, Organisatorisches zum Praktikum

• Bearbeitung der Versuche

– Es werden sechs Gruppen mit je zwei Personen gebildet.

– 1. Tag

∗ Gruppe 1 fuhrt Versuchsgruppe 1 durch.


∗ ...


– 2. Tag



∗ ...


– 3. bis 10. Tag

∗ analog

• Laborprotokolle

Mit den handschriftlichen Aufzeichnungen aus dem Labor wird ein Protokoll erstellt. DasProtokoll soll spater fur Sie im Unterricht eine Hilfe und Gedachtnisstutze sein. Sie soll-ten deshalb besonders die speziellen Dinge, Tricks und Auffalligkeiten in das Protokollaufnehmen. Das Protokoll wird bei mir abgegeben.

• Kolloquium

Das Skript ist im Theorieteil auf einen Umfang beschrankt, der zum schnellen Durchfuhrender Experimente unabdingbar ist. Die mundliche Uberprufung am Schluss erfordert, dassSie noch etwas mehr Theorie zu den Versuchen anhang der einschlagigen Literatur erar-beiten, mindestens auf Oberstufenniveau des allgemeinbildenden Gymnasiums.

S. Blaser

Inhaltsverzeichnis

1 Elektrochemie 1 7

1.1 Bestimmung der Ionenbeweglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Hofmann-Apparatur: Faradaysche Gesetze und Elementarladung . . . . . . . . 9

1.3 Zersetzungs- und Uberspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4 Bleiakku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.5 Zink-Luft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.6 Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Elektrochemie 2 17

2.1 Fallungsreihe der Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 Spannungsreihe der Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3 Normalpotential, Halogene in der Spannungsreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4 Ionenprodukt des Wassers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.5 Nernst-Gleichung: Fe2+/Fe3+ // Mn2+/Mn7+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6 Loslichkeitsprodukt von AgCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.7 λ-Sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.8 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 Komplexchemie 29

3.1 Koordinationszahl eines Nickelkomplexes (Jobsche Methode) . . . . . . . . . . 29

3.2 Komplex-Gleichgewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3 Chelatliganden und Chelateffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.4 Farbenvielfalt des Vanadiums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5 Reduktion von KMnO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3

4 INHALTSVERZEICHNIS

4 Stickstoffchemie 37

4.1 Analyse von Ammoniak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 Verbrennung von Ammoniak im Sauerstoffstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.3 Bildung von Stickoxiden bei hohen Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.4 Herstellung von Stickstoffmonoxid und Umsetzung mit Sauerstoff . . . . . . . . 42

4.5 Dimerisationsgleichgewicht von NO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.6 Kohlenstoffmonoxid und dessen Brennbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.7 Springbrunnenversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5 Titrationen und computergestutzte Messwerterfassung 47

5.1 Einfuhrung in die Messwerterfassung und Bedienung der Programme . . . . . . 47

5.2 Titration von Kohlensaure in Sprudel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.3 Konduktometrische Titration von Ba(OH)2 mit H2SO4 und HCl . . . . . . . . 50

5.4 Redoxtitration: Schweflige Saure in Weißwein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.5 Komplexometrische Titration von Ca2+ und Mg2+ . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6 Großtechnische Verfahren 55

6.1 Schwefelsaureherstellung nach dem Kontaktverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.2 Haber-Bosch-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.3 Ostwald-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

7 Thermochemie 61

7.1 Eine Entropie-gesteuerte endotherme Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.2 Schnelle Warme aus Kristallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

7.3 Schnelle Warme mit Hilfe einer Redox-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

7.4 Entropieanderung eines Redox-Prozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

7.5 Bestimmung der Verbrennungswarme von Zwieback . . . . . . . . . . . . . . . 67

7.6 Thermit-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

8 Alkalimetalle und Halogene 71

8.1 Schmelzflusselektrolyse von Natriumchlorid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

8.2 Darstellung von Chlor und Reaktion mit Natrium . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

INHALTSVERZEICHNIS 5

8.3 Reaktion von Lithium mit Luftstickstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

8.4 Reaktion von Natrium mit Kohlenstoffdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

8.5 Verhalten der Alkalimetalle in Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

8.6 Modellversuch zur Verwitterung von Kalkstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

9 Sauerstoff und Schwefel 79

9.1 Singulett-Sauerstoff: Mallet-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

9.2 Ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

9.3 Polymorphie von Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

9.4 Ausfallen von kolloidalem Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

9.5 Modellversuch zur Abgasentschwefelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

10 Der Wasserstoff 87

10.1 Knallgasprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

10.2 Brennbarkeit von Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

10.3 Wasserstoff als Fullgas von Luftballons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

10.4 Darstellen von Wasserstoff durch Reaktion von Wasser mit Magnesium . . . . . 90

10.5 Hitzespaltung des Wassers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

10.6 Die Donnerbuchse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6 INHALTSVERZEICHNIS

Kapitel 1

Elektrochemie 1

1.1 Bestimmung derIonenbeweglichkeit

Gerate

• Gleichspannungsquelle (0...15 V)

• Glasplatte (ca. 10 cm x 5 cm)

• 2 dunne Kupferbleche (ca. 3 cm x 3 cm)

• 2 Krokodilklemmen

• 2 Tropfpipetten

• Verbindungskabel

Chemikalien

• Universalindikatorpapier

• Kaliumnitrat-Losung, c(KNO3) = 0,1 mol

l

• Salzsaure, c(HCl) = 0,1 mol

l

• Natronlauge, c(NaOH) = 0,1 mol

l

10V

GlasplatteKupferblech Krokodilklemme

Indikatorpapier

Gleichspannungsquelle

+ _0V 20V

Abb. 1.1: Ionenbeweglichkeit

Durchfuhrung

Der Indikatorpapierstreifen wird in der Langeder Glasplatte abgerissen, mit Kaliumnitrat-

Losung getrankt und mittels der Kupferble-che sowie der Krokodilklemmen auf der Glas-platte befestigt. Die als Elektroden dienendenKupferbleche werden mit Hilfe der Krokodil-klemmen an die Gleichspannungsquelle ange-schlossen (vgl. Abb. 1.1). Falls sich auf demIndikatorpapierstreifen Flussigkeitstropfen be-finden, sind diese mit einem saugfahigen Pa-pier vorsichtig zu entfernen. Abschließend wirdim Abstand von 2 cm zur negativen Elektrodeein kleiner Tropfen Natronlauge und im selbenAbstand zur positiven Elektrode ein kleinerTropfen Salzsaure aufgebracht (der Durchmes-ser der Flecken sollte 3...5 mm betragen). Hier-bei ist es sinnvoll die Tropfpipetten nur jeweilsgeringfugig an den Spitzen mit den Losungenzu benetzen. Die Gleichspannungsquelle wirdauf etwa 15 V eingeregelt. Gegebenenfalls istes notwendig, verdampftes Wasser durch vor-sichtiges Auftropfen destillierten Wassers odervon Kaliumnitrat-Losung zu ersetzen.

Auswertung

1. Notieren Sie die zuruckgelegten Weg-strecken der beiden Punkte.

2. Um welche Ionen handelt es sich? Wie istdas Verhaltnis der Wegstrecken? WelchesVerhaltnis hatten Sie laut Literatur er-wartet?

3. Nach einiger Zeit farbt sich das Indikator-papier im Bereich des Kupferblechs, dasmit dem Minuspol verbunden ist, blau.Wie ist diese Beobachtung zu erklaren?

7

8 KAPITEL 1. ELEKTROCHEMIE 1

Theorie

Die Wanderung von Ionen im elektrischenFeld wird hier anhand eines sehr einfachenVersuchsaufbaus gezeigt. Die Hydroxonium-Ionen wandern zum Minuspol, die Hydroxid-Ionen zum Pluspol. Dabei ist das Verhalt-nis der Ionenleitfahigkeiten erkennbar, die derHydroxonium-Ionen betragt λ = 349, 8 cm2

Ωmol ,

die der Hydroxid-Ionen λ = 198 cm2

Ωmol . DieHydroxonium-Ionen wandern somit in der glei-chen Zeit erheblich weiter.

Als Nebenerscheinung tritt an den ElektrodenWasserelektrolyse auf. Im Bereich des Kupfer-blechs, das mit dem Minuspol verbunden ist,erhalt man daher eine Blaufarbung des Uni-versalindikatorpapiers.

Minuspol: 2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

Pluspol: 6 H2O → O2 + 4 H3O+ + 4 e−

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 6, S.143, s. [2]

.

1.2. HOFMANN-APPARATUR: FARADAYSCHE GESETZE UND ELEMENTARLADUNG9

1.2 Hofmann-Apparatur:Faradaysche Gesetze und

Elementarladung

Gerate


• Stoppuhr

• Amperemeter (0...0,3 A)

• Hofmannscher Zersetzungsapparat mit Platin-elektroden


• Holzspan

• Reagenzglas

• Bunsenbrenner

Chemikalien

• Schwefelsaure, c(H2SO4) = 0,5 mol

l

Platinelektroden

+ −

+ −

+ −125 mA

8 V

0V

10V

20V

Schwefelsäure

Abb. 1.2: Hofmannscher Zersetzungsapparat

Durchfuhrung

Der Hofmannsche Zersetzungsapparat wird somit Schwefelsaure gefullt, dass der Flussig-

keitsspiegel die Hahne nicht ganz erreicht, unddie Elektroden werden uber das Amperemetermit der Gleichspannungsquelle verbunden. Eswird zunachst bei etwa 125 mA 5 min lang beigeoffneten Hahnen elektrolysiert, da Sauerstoffmerklich in Wasser loslich ist und die Losungim Anodenraum vor der Messung mit Sauer-stoff gesattigt sein muss. Nach Beendigung derVorelektrolyse werden die Hahne geschlossen.Bei der folgenden eigentlichen Elektrolyse wirddie genaue Stromstarke notiert und mit Be-ginn der Elektrolyse die Zeit gestoppt. Nacheiner min liest man die im Kathodenraum ent-standene Gasmenge ab, nach einer weiterenmin die im Anodenraum entstandene Gasmen-ge usw.; jede min wird abwechselnd uber 10-15 min lang abgelesen. Man notiert die Wertein Form einer Wertetabelle. Nach Beendigungder Elektrolyse werden in beiden Raumen dieEndvolumina abgelesen.Durch die Probe mit dem glimmenden Holz-span wird das im Anodenraum entstandeneGas als Sauerstoff, durch die Knallgasprobedas im Kathodenraum entstandene Gas alsWasserstoff identifiziert.

Auswertung

1. In welchem Verhaltnis sind die beiden Ga-se entstanden?

2. Tragen Sie in einem Diagramm die Vo-lumina der beiden Gase gegen die durch-flossene Ladungsmenge auf und bestati-gen Sie damit das erste Faradaysche Ge-setz.

3. Bestatigen Sie aus dem Versuchsergebnisebenfalls die Faradaysche Konstante. (F= 96490 C

mol)

4. Bestimmen Sie bei bekannter Loschmidt-Konstante, auch Avogadro-Konstante ge-nannt, die Elementarladung nach e = F

NL.

(NL = 6, 022 · 1023 1mol)


Theorie

Die Hofmann-Apparatur eignet sich zurKlarung mehrerer Sachverhalte. Zum einenlasst sich mit ihrer Hilfe die Zusammenset-zung des Wassers bestimmen, zum anderenlassen sich die Faradayschen Gesetze bestati-gen. Die Elektrolyse der Schwefelsaure fuhrtzu den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff,die sich herkommlich nachweisen lassen. ZurBestatigung der Faradayschen Gesetze werdendie wahrend des Versuchs notierten Messwerteherangezogen.Das erste Faradaysche Gesetz sagt aus, dassdie elektrochemisch abgeschiedene Masse m ei-nes Stoffes proportional ist zu der durch denElektrolyten geflossenen Ladungsmenge Q.

m ∼ Q

Statt der Masse kann auch das Volumen desGases verwendet werden, da dies uber dieDichte ebenso proportional mit der Masse zu-sammenhangt (m ∼ V) und damit die obigeProportionalitat gewahrt bleibt.

V ∼ Q(Die Ladung lasst sich sich nach Q = I · t be-rechnen.)

Aufgrund der genannten Proportionalitatmuss eine Auftragung der Masse gegen die La-dungsmenge folglich eine Gerade ergeben.

Das zweite Faradaysche Gesetz sagt aus, dassdurch die Ladungsmenge von einem Mol Elek-tronen genau ein Mol eines einwertigen Ions(z.B. Ag+) abgeschieden wird. Bei Abschei-dung eines hoher geladenen Ions erniedrigtsich die abgeschiedene Stoffmenge entspre-chend (z.B. 1 mol e− scheiden 0,5 mol Cu2+

ab).

n = QF·z

Die Ladungsmenge, die einem Mol Elektronenentspricht, bezeichnet man als FaradayscheKonstante F = 96490 C

mol . Diese lasst sichmit Hilfe des eben erwahnten Gesetzes expe-rimentell bestimmen. Die benotigte Stoffmen-ge n lasst sich mit der allgemeinen Gasglei-

chung aus dem Gasvolumen berechnen. Da zurBildung eines Wasserstoffmolekuls aus Wasserzwei Elektronen notwendig sind, ergibt sich furdie Variable z der Wert 2. Die Ladung berech-net sich nach Q = I · t.

Literatur


1.3. ZERSETZUNGS- UND UBERSPANNUNG 11

1.3 Zersetzungs- undUberspannung

Gerate

• Regelbare Gleichspannungsquelle

• (0...3 V)

• Amperemeter (0...1 A)

• Platinelektroden

• Bleistiftminen (∅ 0,9 mm)


• 250-ml-Becherglas

• Krokodilklemmen

• Stativmaterial

Chemikalien


l

• Salzsaure, c(HCl) = 1 mol

l

10V

+ −

+ −

+ −

Krokodilklemme

Bleistiftmine

Platinelektrode

125 mA

8 V

0V 20V

Abb. 1.3: Bestimmung der Uberspannung anPlatin- bzw. Graphitelektroden

Durchfuhrung

Man befestigt die Elektroden so, dass sie indas Becherglas mit Salz- bzw. Schwefelsaureeintauchen. Die Elektroden werden mit derregelbaren Spannungsquelle verbunden. In denStromkreis schaltet man ein Amperemeter.Die an den Elektroden anliegende Spannungwird mit einem Voltmeter gemessen.Es werden 4 Elektrolysen durchgefuhrt:

1. Salzsaure:

(a) Pluspol: Platinelektrode - Minuspol:Platinelektrode

(b) Pluspol: Graphitmine - Minuspol:Platinelektrode

2. Schwefelsaure:

(a) Pluspol: Platinelektrode - Minuspol:Platinelektrode

(b) Pluspol: Graphitmine - Minuspol:Platinelektrode

Im folgenden werden die Strom/Spannungs-Wertepaare in eine Wertetabelle eingetragen.Zunachst bleibt der Drehknopf der Span-nungsquelle in Nullstellung. Man notiertdie moglicherweise schon vorhandenenStrom/Spannungswerte. Nun erhoht man dieSpannung in Schritten von 0,1 V und notiertdie Wertepaare bis die Stromstarke ca. 50 mAerreicht hat.

Auswertung

1. Tragen Sie fur jede Elektrolyse in einemDiagramm die Strom- gegen die Span-nungswerte auf. Ermitteln Sie hieraus diejeweiligen experimentellen Zersetzungs-spannungen.

2. Formulieren Sie fur jede Elektrolysedie Gleichungen fur die Teilprozesse anAnode und Kathode.

3. Berechnen Sie die jeweiligen theoretischenZersetzungsspannungen aus den Redox-potentialen der Redoxpaare und bestim-men Sie mit Hilfe der Versuchsergebnissedie Uberspannung von Sauerstoff.

Theorie

Die Elektrolysereaktionen sind die Umkehrungder entsprechenden spannungsliefernden Reak-tionen eines galvanischen Elements. Um eine


Elektrolyse in Gang zu setzen, muss minde-stens die Spannung aufgebracht werden, diedas zugehorige galvanische Element liefernwurde. Dieser Wert kann theoretisch berechnetwerden. In der Praxis findet eine Elektrolysemeist aber erst bei hoherer Spannung statt.Dieser tatsachlich notwendige Wert wird alsZersetzungsspannung bezeichnet, und die Dif-ferenz zum theoretisch berechneten Wert er-gibt die Uberspannung. Letztlich lauft immerder Gesamtvorgang ab, der die geringste Zer-setzungsspannung erfordert. Das Phanomender Uberspannung bereitet in großtechnischenVerfahren auf der einen Seite oft Schwierig-keiten, auf der anderen Seite wird es aberauch bewusst ausgenutzt, um bestimmte Elek-trodenreaktionen zu bevorzugen. Die Chlor-Alkali-Elektrolyse ware ohne die Uberspan-nung des Sauerstoffs an der Titananode bei-spielsweise nicht denkbar. Die Abhangigkeitder Zersetzungsspannung von den Elektroden-materialien lasst sich mit Platin- und Gra-phitelektroden sehr schon zeigen. Bei der Ver-wendung von Salz- und Schwefelsaure musstebei der Elektrolyse theoretisch Wasser zersetztwerden. Salzsaure setzt jedoch Chlor und Was-serstoff frei, da Sauerstoff eine zu hohe Uber-spannung besitzt, sowohl an Platin- wie auchan Graphitelektroden.

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 6, S.258, s. [2]Chemie heute, SII, S.177, s. [3]

.

1.4. BLEIAKKU 13

1.4 Bleiakku

Gerate


• Voltmeter (0...3 V)

• 2 Bleibleche



• Krokodilklemmen

• Gluhlampe

Chemikalien

• Schwefelsaure, w(H2SO4) = ca. 20%,(atzend, C)

Durchfuhrung

Man fullt zunachst das Becherglas mit derSchwefelsaure und stellt die beiden Bleiplat-ten so hinein, dass sie sich nicht beruhren.Man verbindet die Bleiplatten mittels Kro-kodilklemmen mit den Polen der Gleichspan-nungsquelle. Nun elektrolysiert man bei 4,5...6V etwa 2...3 min lang und beobachtet dieVeranderungen an den Elektroden. Anschlie-ßend entfernt man das Netzgerat und schaltetdas Voltmeter zwischen die Elektroden. An-stelle des Voltmeters setzt man dann noch dieGluhlampe in den Stromkreis.

Auswertung

1. Beobachten Sie bei der Elektrolyse (ersterLadevorgang) genau die Vorgange an denElektroden, auch eventuelle Farbanderun-gen.

2. Welche Reaktionen laufen beim ersten La-den und Entladen ab, wenn von blan-ken Bleiblechen ausgegangen wird, welchebei weiteren Entladungs- und Ladungs-vorgangen?

Theorie

Der Bleiakku findet sich heute noch in jedemAuto. Es handelt sich um ein Sekundarele-ment, d.h. es ist wiederaufladbar. Die Redox-Vorgange basieren auf unterschiedlichen Oxi-dationsstufen des Bleis. Beim Entladevorgangspielen sich folgende Reaktionen ab.

Pb + SO2−4 → PbSO4 + 2 e−

PbO2+4 H++SO2−4 +2 e− → PbSO4+2 H2O

Als Gesamtreaktion fur Lade- (von rechts nachlinks) und Entladevorgang (von links nachrechts) erhalt man:

Pb + PbO2 + 4 H3O+ + 2 SO2−

4

2 PbSO4 + 6 H2O

Diese Gesamtreaktion wirft noch die Frageauf, welche Reaktionen bei der ersten Elek-trolyse ablaufen, ausgehend von den blan-ken Bleiblechen. Auch stellt sich die Frage,weshalb sich die Bleibleche bei einem Stan-dardpotential von Eo = -0,13 V nicht in der20%igen Schwefelsaure unter Wasserstoffent-wicklumg auflosen. Dass dies nicht der Fall ist,liegt einmal mehr an der Uberspannung vonWasserstoff, hier an Bleielektroden. Die Re-aktionen des ersten Ladevorgangs erschließensich aus den Beobachtungen. So ist am Mi-nuspol Wasserstoffentwicklung zu beobachten.Bereits oxidiertes Blei in Form von Blei(II undIV)oxid oder Bleisulfat, das die Oberflache be-deckt, wird zu elementarem Blei reduziert. AmPluspol ist nur geringe Sauerstoffentwicklungzu beobachten. Hier wird das Blei uberwiegendzu braunem Bleidioxid oxidiert.

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 6, S.178, s. [2]Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 5, S.382, s. [4]


1.5 Zink-Luft-Batterie

Gerate

• 2 100-ml-Becherglaser

• Zinkelektrode (Zinkblech)

• porose Kohleelektrode



• Krokodilklemmen

• Gluhlampe

• Filterpapierstreifen

Chemikalien

• Natron- oder Kalilauge, c(MOH) = 3 mol

l

(atzend, C)

• ges. Kaliumnitrat-Losung

3 mol/l

1,05 V+ −

3(mit KNOgetränktesFilterpapier)

Salzbrücke

KohleelektrodeZinkblech

Natron− oder Kalilauge

Abb. 1.4: Modell einer Zink-Luft-Batterie

Durchfuhrung

Man fullt in beide Becherglaser Natron- oderKalilauge und verbindet sie mit einem inKaliumnitrat-Losung getrankten Filterpapier-streifen. In das eine Reagenzglas taucht mandie Zinkelektrode, in das andere die Kohleelek-trode. Man misst die Spannung.

Auswertung

Welche Elektrodenreaktionen laufen ab?

Theorie

Betrachtet man den Versuchsaufbau, so istes im ersten Augenblick nicht offensichtlich,welche Teilreaktion an der Kohleelektrodeablauft. Nach kurzer Uberlegung bleibt jedochnur der Sauerstoff als Reaktionspartner. Es er-geben sich damit folgende Teilgleichungen.

Zn + 4 OH− → [Zn(OH)4]2− + 2 e−

O2 + 2 H2O + 4 e− → 4 OH−

Die Zink-Luft-Batterie wird als Großbatteriefur Langzeitanwendungen eingesetzt, wie z.B.fur Weidezaungerate und Baustellenbeleuch-tungen. Als Knopfzelle findet sie in HorgeratenVerwendung.

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 6, S.168, s. [2]Chemie heute, SII, S.160, s. [3]

1.6. BRENNSTOFFZELLE 15

1.6 Brennstoffzelle

Gerate



• Amperemeter (0...0,5 A)

• U-Rohr mit Fritte, seitlichen Ansatzen und Be-festigungsplatte

• 2 palladinierte Nickeldrahtnetze


• Kleinmotor

Chemikalien

• Kalilauge, c(NaOH) = 5 mol

l, (atzend, C)

5 mol/l

+ −

+ −

0V

10V

20V

Nickeldrahtnetz−Elektrode

Kleinmotor

1,05 V+ −

Natronlauge

Abb. 1.5: Alkalische Brennstoffzelle mit palla-dinierten Nickeldrahtnetzen

Durchfuhrung

Die beiden Schenkel des U-Rohrs werden mitKalilauge bis unter die seitlichen Ansatzegefullt. Die palladinierte Nickeldrahtnetz-Elektroden werden eingesetzt und es wird etwa2 min mit ca. 5 V Gleichspannung elektroly-siert. Anschließend entfernt man das Netzgeratund schaltet das Voltmeter und Amperemeterzwischen die Elektroden und misst Spannungund Stromstarke. Zuletzt setzt man dann denKleinmotor in den Stromkreis.

Auswertung

Welche Elektrodenreaktionen laufen ab?

Theorie

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen sindwohl die sauberste Art Energie zu gewinnen.Wenn man den Wasserstoff und den Sauerstoffmit Hilfe der Sonnenenergie in Photovoltaik-anlagen gewinnt, kann in Zukunft nichts mehran diesem Weg der Energiebereitstellung vor-beigehen. Heute ist die Rentabilitat noch nichtgewahrleistet, da es noch einige technischeProbleme gibt, gerade in Sachen Vorratstanksoder Infrastruktur.

Literatur


Kapitel 2

Elektrochemie 2

2.1 Fallungsreihe der Metalle

Gerate

• 19 Reagenzglaser

• Reagenzglasstander

• Pipetten

• Pinzette

Chemikalien

• Zinksalz-Losung, c(ZnX) = 0,1 mol

l

• Kupfersalzlosung, c(CuX) = 0,1 mol

l

• Bleisalz-Losung, c(PbX) = 0,1 mol

l

• Silbernitrat-Losung, c(AgNO3) = 0,1 mol

l

• Kupferblech

• Zinkblech

• Bleiblech

• Silberblech


l

• Zinkspane

• Eisenspane

• Kupferspane

Zink− Blei− Kupfer− Silberblech

Metallsalz−Lösungen

(insgesamt 16 Reagenzgläser)

Abb. 2.1: Fallungsreihe der Metalle

Durchfuhrung

Geben Sie jeweils ein Metallblech in die Losun-gen des Kupfer-, Zink-, Blei- und Silbersalzes.Tropfen Sie in Reagenzglaser zu kleinen Por-tionen von Kupfer-, Zink- und Eisenspanenverdunnte Salzsaure.

Auswertung

1. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen undtragen Sie Ihre Ergebnisse in eine geeig-nete Tabelle ein.

2. Formulieren Sie die Reaktionsgleichun-gen.

3. Vergleichen Sie die Ergebnisse der beidenVersuche.

4. Finden Sie ausgehend von den Ergebnis-sen ein Ordnungsschema fur die Metalle.Stellen Sie eine Metallreihe auf.

Theorie

Als erste Einfuhrung in den Bereich der Elek-trochemie soll hier qualitativ aufgezeigt wer-den, dass verschiedene Metalle unterschiedli-che Oxidations- bzw. Reduktionskraft besitzenund sich anhand derer in eine Reihenfolge brin-gen lassen. Aus einer Zink-Losung scheidet sichauf keinem der vorgelegten Metallstucke einNiederschlag ab, in einer Silber-Losung hin-gegen ist auf allen anderen Metallstucken einNiederschlag zu beobachten.

17


Literatur

Berufsorientierte Chemielehrerausbildung;http://www.uni-giessen.de/ ge1016/, s. [5]

.

2.2. SPANNUNGSREIHE DER METALLE 19

2.2 Spannungsreihe derMetalle

Gerate


• Krokodilklemmen

• Filterpapier

• Uhrglas

• Pinzette

• Kabel

• Spannungsmessgerat(Innenwiderstand >1 MΩ)

Chemikalien

• Zinksalz-Losung, c(ZnX) = 0,1 mol

l


l

• Bleisalz-Losung, c(PbX) = 0,1 mol

l


l

• Kupferelektrode

• Zinkelektrode

• Bleielektrode

• Silberelektrode

1,05 V

Filterpapier)3(mit KNO getränktes

Elektroden

Salzbrücke −+

Metallsalz−Lösungen

Metallblech−

Abb. 2.2: Aufbau eines galvanischen Elementszur Spannungsmessung

Durchfuhrung

Vier Becherglaser werden zur Halfte mitMetallsalz-Losungen gefullt und die entspre-chenden Metallelektroden eingetaucht. Die zurMessung verwendeten Becherglaser werdenmit einem in Kaliumnitrat-Losung getrank-ten Filterpapierstreifen verbunden. Mit demSpannungsmessgerat wird die Zellspannungder sechs moglichen Varianten gemessen.

Auswertung

1. Tragen Sie die Potentialdifferenzen allerHalbzellen-Kombinationen in eine Tabelleein und stellen Sie die Spannungsreihe auf.

2. Vergleichen Sie die Versuchsergebnissemit der Stellung der Redoxpaare in derSpannungsreihe.

Theorie

Die Beobachtungen der Fallungsreihe des vor-angegangenen Versuchs werden nun quantita-tiv erfasst, indem man die Spannung zwischenden einzelnen Halbzellen misst. Die Standard-Potentiale fur die Halbzellen liegen bei

Eo(Zn/Zn2+) = −0, 76V

Eo(Pb/Pb2+) = −0, 13V

Eo(Cu/Cu2+) = +0, 34V

Eo(Ag/Ag+) = +0, 80V.

Sie gelten fur einmolare Metallsalz-Losungen.

Literatur

Berufsorientierte Chemielehrerausbildung;http://www.uni-giessen.de/ ge1016/, s. [5] ,funktioniert seit Mai 2007 nicht mehr


2.3 Normalpotential, Haloge-ne in der Spannungsreihe

Gerate

• 4 50-ml-Becherglser

• 3 (moglichst porose) Kohleelektroden

• platinierte Platinelektrode

• Krokodilklemmen

• Filterpapier

• Uhrglas

• Pinzette

• Kabel


Chemikalien


l

• Kaliumchlorid-Losung, c(KCl) = 1 mol

l

• Kaliumbromid-Losung, c(KBr) = 1 mol

l

• Kaliumiodid-Losung, c(KI) = 1 mol

l

+ −1,05 V

+ −


Salzbrücke

0V 20V

10V

Kohleelektroden

Halogenid−Lösung

Wasserstoff−Elektrode

Abb. 2.3: Normalwasserstoffelektrode undElektrodenpotentiale der Halogene

Durchfuhrung

Ein Becherglas wird zur Halfte mit Salzsauregefullt und die Platinelektrode einge-taucht. Diese wird von Wasserstoff ausder Gasflasche umspult. In den folgen-den drei Messungen dient diese Halb-zelle als Normal-Wasserstoffelektrode. In

die anderen Becherglaser gibt man dieKaliumhalogenid-Losungen. Diese werdenvor der Spannungsmessung gegenuber derNormal-Wasserstoffelektrode mit zwei Koh-leelektroden elektrolysiert. Die Elektrode,an der sich das elementare Halogen abge-schieden hat, wird dann fur 1-2 s mit derNormal-Wasserstoffelektrode kurzgeschlossenund dann ein Voltmeter zwischengeschal-tet. Die beiden Becherglaser mussen zuvornoch mit einem in Kaliumnitrat-Losunggetrankten Filterpapierstreifen verbundenwerden. Mit dem Spannungsmessgerat wirddie Zellspannung gemessen.

Auswertung

1. Vergleichen Sie die von Ihnen gemesse-nen Potentialdifferenzen mit den Litera-turwerten.

2. Bestatigen Ihre Ergebnisse die obenerwahnte Gesetzmaßigkeit uber das Oxi-dationsvermogen der Halogene?

Theorie

Die bisher aufgestellte Spannungsreihe bein-haltet lediglich Metalle. Naturlich lasst sichElektrochemie auch mit Nichtmetallen betrei-ben. Als ein Beispiel eignet sich die Potential-abstufung der Halogene. Da es keine Absolut-werte fur die aufgestellte Spannungsreihe gibt,muss einem Halbzellenpotential willkurlich einWert zugewiesen werden, um alle anderen re-lativ dazu aufzulisten. Der Wasserstoffhalbzel-le wurde das Potential mit dem Wert Nullzugewiesen. Erfolgt die Messung in einmo-laren Losungen, ergeben sich direkt die inden Tabellen aufgelisteten Standardpotentia-le. Der Wert Null der Wasserstoffelektrodegilt folglich nur bei einmolarer Hydroxonium-Ionen-Konzentration. Die Standardpotentialeder Halogen-Halbzellen lauten

Eo(Cl2/Cl−) = +1, 36V

Eo(Br2/Br−) = +1, 07V

2.3. NORMALPOTENTIAL, HALOGENE IN DER SPANNUNGSREIHE 21

Eo(I2/I−) = +0, 54V.

Literatur


.


2.4 Ionenprodukt desWassers

Gerate


• Filterpapier

• 2 platinierte Platin-Elektroden mit Gaszulei-tungsrohr

• Kabel


Chemikalien


l

• Kaliumhydroxid-Losung,c(KOH) = 0,001/0,01/0,1/1 mol

l

• ges. Kaliumnitrat-Losung

+ −1,05 V

H3O+


Salzbrücke

Wasserstoff

Wasserstoff−Elektrode

1 mol/lKonzentrationan Natronlauge

wechselnde

Abb. 2.4: Ionenprodukt des Wassers

Durchfuhrung

Ein Becherglas wird zur Halfte mitSalzsaure gefullt und eine platiniertePlatin-Elektrode mit Gaszuleitungsrohreingetaucht. Diese Halbzelle dient als Normal-Wasserstoffelektrode. In das andere Be-cherglas taucht ebenfalls eine platiniertePlatin-Elektrode mit Gaszuleitungsrohr. DenWasserstoff bezieht man aus einer Gasflasche,an die ein Verteilerstuck (Dreiwegehahn)angeschlossen ist, um beide Elektrodengleichzeitig mit Wasserstoff zu versorgen.

Es werden vier Spannungswerte gemessen.Dazu fullt man das Becherglas fur die einzel-nen Spannungsmessungen mit Natronlaugeverschiedener Konzentration. Die zur Mes-sung verwendeten Becherglaser werden miteinem in Kaliumnitrat-Losung getranktenFilterpapierstreifen verbunden.

Auswertung

Berechnen Sie aus den erhaltenen Spannungs-werten das Ionenprodukt des Wassers.

Theorie

In den Versuchen 2.2 und 2.3 werden dieSpannungen stets zwischen zwei Halbzellenunterschiedlicher Elemente gemessen. Jedochliefern auch Halbzellen des gleichen Ele-ments Spannungen, sofern sich die Losun-gen in den Halbzellen in ihren Konzentrati-on unterscheiden, z.B. eine Kupfer-Halbzellemit 0,5 molarer Kupfersulfat-Losung, die an-dere mit 0,1 molarer Kupfersulfat-Losung.Diese Form der Halbzellenanordnung be-zeichnet man als Konzentrationselement. Mitsolch einem Konzentrationselement lasst sichdas Ionenprodukt des Wassers bestimmen.Dabei verwendet man zwei Wasserstoff-Halbzellen. Die eine Halbzelle enthalt stetseine einmolare Hydroxonium-Ionen-Losung.In die andere Halbzelle gibt man eineHydroxid-Ionen-Losung bekannter Konzentra-tion. Die darin vorliegende Hydroxonium-Ionen-Konzentration bestimmt man durchSpannungsmessung zwischen den beiden Halb-zellen. Das Ionenprodukt errechnet sich dannaus bekannter Hydroxid-Ionen-Konzentrationund aus der Spannungsmessung errechne-ter Hydroxonium-Ionen-Konzentration. Be-rechnet wird diese mit Hilfe einer abgeleitetenForm der Nernst-Gleichung.

∆E = 0, 059V logcH3O+

cH3O+

= 0, 059V logcH3O+

1

cH3O+ = 10∆E

0,059V

2.4. IONENPRODUKT DES WASSERS 23

Literatur

Chemie heute, SII, s.146, s. [3]

.


2.5 Nernst-Gleichung:Fe2+/Fe3+ // Mn2+/Mn7+

Gerate


• Filtrierpapier

• 2 blanke Platin-Elektroden

• Kabel

• heizbarer Magnetruhrer

• Stativ-Material


Chemikalien

• Kaliumpermanganat-Losung,c(KMnO4) = 0,1 mol

l

• frisch angesetzte Ammoniumeisen(II)sulfat-Losung, c((NH4)2Fe(SO4)2) = 0,1 mol

l

• konz. Ammoniumeisen(III)sulfat-Losung

• konz. Schwefelsaure

• Natriumfluorid, NaF(s)

+ −1,05 V

Eisen(II)−Lösung

Permanganat−Lösung

Platinelektrode

Salzbrücke(mit KNO

Filterpapier)getränktes

3

Abb. 2.5: Beeinflussung des Elektrodenpoten-tials nach Nernst

Durchfuhrung

Das eine Becherglas wird zur Halfte mitKaliumpermanganat-Losung, das andere mitAmmoniumeisen(II)sulfat-Losung gefullt. Bei-de werden mit einem in Kaliumnitrat-Losunggetrankten Filterpapierstreifen verbunden. Die

Zellspannung wird gemessen, wie auch nachfol-gend bei jeder Veranderung einer Halbzelle.Nun werden wenige ml konzentrierte Schwe-felsaure zur Kaliumpermanganat-Halbzelle ge-geben, anschließend wenige ml konzentrierteAmmoniumeisen(III)sulfat-Losung zur Eisen-Halbzelle. Zur Eisen-Halbzelle wird noch einegute Spatelspitze festes Natriumfluorid gege-ben.Der Versuch wird mit den Ausgangslosun-gen an Kaliumpermanganat und Ammoniu-meisen(II)sulfat wiederholt, wobei dieses Maleine der beiden Losungen kurz mit dem Bren-ner erhitzt wird. Die erneute Zugabe der vor-herigen Losungen und Stoffe ist nicht mehrnotwendig.

Theorie

Zur Berechnung der von den Standardpo-tentialen verschiedenen Elektrodenpotentialesteht eine wichtige Gleichung zur Verfugung,die Nernst-Gleichung:

E = Eo + RTzF ln cOx

cRed

Diese Gleichung ist abhangig von den Konzen-trationen des Redox-Paares und der Tempera-tur. Um diese Abhangigkeit zu zeigen wurdehier als Beispiel eine Permanganat- und eineEisen-Halbzelle gewahlt, die zusatzlich nochBeispiele fur Ionenumladungsreaktionen seinsollen, nachdem bisher nur Halbzellen vorge-stellt wurden, die aus dem Element und demzugehorigem Ion bestanden. Das Redox-Paarder Permanganat-Halbzelle lautet

MnO−

4 + 8 H3O+ + 5 e− → Mn2+ + 12 H2O.

Gegenuber der Eisen-Halbzelle entsprichtdiese Teilgleichung dem Reduktionsvorgang.Zur Berechnung des Elektrodenpotentials derPermanganat-Halbzelle mit Hilfe obiger For-mel taucht die linke Seite, oxidierte Form, derTeilgleichung entsprechend der Form des Mas-senwirkungsgesetzes im Nenner auf, die rechteSeite im Zahler.

E = Eo + RT5F ln

cMnO

−

4· c8

H3O+

cMn2+

2.5. NERNST-GLEICHUNG: FE2+/FE3+ // MN2+/MN7+ 25

Eine Veranderung des Elektrodenpotentialsauf Seiten der Permanganat-Halbzelle istsomit durch Konzentrationsanderungen derPermanganat-, der Mangan(II)- und derHydroxonium-Ionen, d.h des pH-Werts, zu er-zielen. Die Teilgleichung des Oxidationsvor-gangs wird durch die Eisen-Ionen beschrieben

Fe2+ → Fe3+ + 1 e−.

Das Elektrodenpotential der Eisen-Halbzelleberechnet sich nach

E = Eo + RT1F ln

cFe3+

cFe2+

.

Eine Beeinflussung des Elektrodenpotenti-als in diesem Fall wird durch Andernder Eisen(II)- bzw. der Eisen(III)-Ionen-Konzentration erreicht. Dies geschieht z.B.durch Versetzen mit konzentrierter Eisen(III)-Losung oder durch Maskierung der Eisen-Ionen mit Fluorid.

Literatur

Skript zum Demo-Praktikum AC, alte Version,s. [6]

.


2.6 Loslichkeitsprodukt vonAgCl

Gerate


• Filterpapier

• Silberbleche

• Krokodilklemmen

• Kabel


Chemikalien


l

• Kaliumchlorid-Losung, c(KCl) = 0,1 mol

l

• Kaliumnitrat-Losung, c(KNO3) = 1 mol

l

Silber−

−+

1,05 V

Lösung


Salzbrücke

Elektroden

Silbernitrat−Lösung0,1 mol/l

Kaliumchlorid−Lösung

Silbernitrat−

Abb. 2.6: Bestimmung des Loslichkeitspro-dukts von AgCl

Durchfuhrung

Ein Becherglas wird mit 80 ml Silbernitrat-Losung, das andere mit 80 ml Kaliumchlorid-Losung gefullt. Geben Sie in dieKaliumchlorid-Losung einige TropfenSilbernitrat-Losung und ruhren Sie gutum. Tauchen Sie in die Losungen zweigleichartige Silberbleche als Elektroden ein.Die beiden Halbzellen werden mit einemin Kaliumnitrat-Losung getrankten Filter-papierstreifen verbunden. Messen Sie dieZellspannung.

Auswertung

Berechnen Sie aus dem erhaltenen Spannungs-wert das Loslichkeitsprodukt von AgCl.

Theorie

Der Versuchsaufbau zur Bestimmung desSilberchlorid-Loslichkeitsprodukts ist ein wei-teres Beispiel fur ein Konzentrationsele-ment bestehend aus zwei Silber-Silberchlorid-Halbzellen. Hierbei kann wiederum anhandder gemessenen Spannung auf die unbekannteSilber-Ionen-Konzentration der einen Halbzel-le geschlossen werden.

∆E = 0, 059V logcAg+

(1)

cAg+

(2)

Literatur

Chemie heute, SII, S.146, s. [3]

2.7. λ-SONDE 27

2.7 λ-Sonde

Gerate

• λ-Sonde

• Gasbrenner

• Voltmeter (0...1 V, Innenwiderstand mind.40 kΩ)


• Stativmaterial

Voltmeter

0,925 V + −

Metallrohr

λ −Sonde

spezielles, sehr hochohmiges

Abb. 2.7: Lambda-Sonde

Durchfuhrung

Ein Gasbrenner wird mit nichtleuchtenderFlamme eingestellt (mittelgroße Flamme undetwas Sekundarluft). Etwa 0,5 cm uber demBrennerkopf wird die Flamme in das Rohr ein-geleitet. Bereits nach ca. 20 s, sobald die Be-triebstemperatur von 350oC bis 850oC erreichtist, zeigt das hochohmige Voltmeter eine Span-nung von ca. 0,9 V an. Nun kann man dasKraftstoff-Luftverhaltnis andern und die ange-zeigte Spannung fur die jeweilige Einstellungnotieren.

Auswertung

Notieren Sie, bei welcher Stellung des Gas-brenners sich die Spannungswerte deut-lich unterscheiden und suchen Sie eine Er-klarungsmoglichkeit.

Theorie

Als letztes Beispiel eines Konzentrationsele-ments wird noch die λ-Sonde behandelt. Al-lerdings unterscheidet sich diese etwas im Auf-bau von den bisher angesprochenen. Wie beiden Wasserstoff-Halbzellen zur Bestimmungdes Ionenprodukts von Wasser ist der Reak-tionspartner ein Gas, namlich Sauerstoff. Je-doch sind die beiden Halbzellen nicht ubereinen flussigen Elektrolyten leitend verbunden,sondern uber Zirkoniumdioxid, einem Feststof-felektrolyten. Im Gegensatz zum Flussigelek-trolyten wird dieser aber erst ab Temperatu-ren oberhalb von 400oC funktionsfahig. Bei derBetrachtung der Halbgleichung

O2 + 4 e− → 2 O2−

wird klar, dass dieses spezielle ZrO2 (kubischeForm) ein O2−-Ionenleiter sein muss.

Literatur



2.8 Korrosion

Gerate

• Petrischale

• 3 Eisennagel


• beheizbarer Magnetruhrer

• Waage

Chemikalien

• Zinkblech, Zn(s), (2 x 2 cm)

• Kupferblech, Cu(s), (2 x 2 cm)

• Agar-Agar

• Kaliumhexacyanoferrat(III), (rotes Blutlau-gensalz), K3[Fe(CN)6](s)

• Phenolphthalein-Losung

• Kaliumnitrat, KNO3(s), (brandfordernd, O)

Durchfuhrung

Zunachst reinigt man die Nagel. Sie konnenhierzu gegebenenfalls in eine Ascorbinsaure-Losung gestellt werden. Ein Nagel wird ge-bogen. Der zweite wird durch das Zinkblechgesteckt, so dass er auf beiden Seiten desBlechs ubersteht. Ebenso steckt man den drit-ten durch das Kupferblech.In dem Becherglas lost man 1 g Kaliumni-trat, 2 ml Phenolphthalein-Losung und eineSpatelspitze rotes Blutlaugensalz in etwa 100ml Wasser. Anschließend fugt man 2 g Agar-Agar hinzu und erhitzt solange unter standi-gem Ruhren, bis eine klare Losung entstan-den ist. Die noch warme Losung wird vor-sichtig in die Petrischale gegossen, so dass dieNagel vollstandig bedeckt sind. Nachdem einegeleeahnliche Masse entstanden ist, kann dieSchale umgedreht und der Versuch ausgewer-tet werden.

Auswertung

Erklaren Sie Ihre Beobachtungen an den ein-zelnen Eisennageln durch Aufstellen der pas-senden Reaktionsgleichungen.

Theorie

Lokalelemente und dadurch hervorgerufeneKorrosion sind taglich und uberall anzutref-fen. Dieser Versuch soll die zugrundeliegendenReaktionsvorgange sowie das Prinzip der Op-feranode aufzeigen. Opferanoden werden zumSchutz vor Korrosion eingesetzt. Bei der Kor-rosion lassen sich zwei Formen unterscheiden,zum einen die weniger haufige Saurekorrosionund zum anderen die meist auftretende Sauer-stoffkorrosion. Beide fuhren zu einer Auflosungder Metalle.

Me → Men+ + n e−

Fe → Fe2+ + 2 e− (Eisenkorrosion)

Der entsprechende Reduktionsvorgang lauftbei der Saurekorrosion nach

2 H+ + 2 e− → H2

ab, bei der Sauerstoffkorrosion nach

O2 + 2 H2O + 4 e− → 4 OH−.

Eisenkorrosion fuhrt letztendlich zu einemEisen(II)hydroxid-Niederschlag, der jedoch so-fort unter Einfluss von weiterem Luftsauerstoffin wasserhaltiges Eisen(III)oxid ubergeht. Teil-weise konnen in manchen Bereiche des sich bil-denden Rosts auch noch Eisen(II)-Ionen erhal-ten bleiben. Rost wird meist als eine Kom-bination aus den folgenden Summenformelnbeschrieben: Fe(OH)2,FeO,FeOOH, Fe2O3 ·

H2O,Fe3O4. Letztlich handelt es sich jedocheinheitlich um Festkorper mit dichtesten O2−-bzw. OH−-Ionenpackungen, in die zum La-dungsausgleich FeII- und/oder FeIII-Ionen ein-gelagert sind.

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 6, S.282, s. [2]HoWi, 101.Auflage, S. 1513ff, S. 1521ff, s. [7]

Kapitel 3

Komplexchemie

3.1 Koordinationszahl einesNickelkomplexes

(Jobsche Methode)

Gerate

• 5 große Reagenzglaser

• Pipetten

Chemikalien

• Nickelsalz-Losung, c(NiX) = 0,1 mol

l, (giftig, T)

• Ethylendiamin(en)-Losung,c(en) = 1 mol

l, (reizend, Xi)

• destilliertes Wasser

Durchfuhrung

Man gibt in funf Reagenzglaser jeweils 10ml der Nickelsalz-Losung. Dann versetzt manReagenzglas 2 mit 1 ml, Reagenzglas 3 mit 2ml, Reagenzglas 4 mit 3 ml und Reagenzglas5 mit 4 ml Ethylendiamin-Losung, Reagenz-glas 1 bleibt ohne Ethylendiamin-Losung. Ab-schließend fullt man alle Reagenzglaser auf et-wa 20 ml auf.

Auswertung

Ordnen Sie jeder Farbe die Struktur- oderSummenformel des entsprechenden Komplexeszu.

Theorie

Die Farbe der Ni-Komplexe hangt da-von ab, wieviele Ethylendiamin-Ligandenan das Nickel-Zentralion koordiniert sind.Die Anzahl der koordinierten Ethylendiamin-Molekule lasst sich uber verschiedene Kon-zentrationen des Liganden in der Losung er-reichen. In der verdunntesten Losung ist nurein Ethylendiamin-Molekul an das Nickel ko-ordiniert, bei der nachst hoheren Verdunnungsind es zwei und in der konzentriertestenLosung sind drei Ethylendiamin-Molekule andas Nickel-Ion koordiniert. Die nicht durch denzweizahnigen Ethylendiamin-Liganden besetz-ten Koordinationsstellen werden dabei jeweilsvon H2O-Molekulen als Ligand eingenommen.

Literatur

Webseiten des AK Blume, Universitat Biele-feld, s. [8]

29

30 KAPITEL 3. KOMPLEXCHEMIE

3.2 Komplex-Gleichgewichte

3.2.1 Konzentrationsabhangigkeit

Gerate

• 3 Reagenzglaser

• Pipette

Chemikalien

• Kupfer(II)chlorid-Losung, w(CuCl2) = 10%

• konz. Salzsaure


Vorbereitende Arbeiten

Man stellt zwei Referenzproben her. Indas eine Reagenzglas fullt man reineKupfer(II)chlorid-Losung als Referenz, indas andere Kupfer(II)chlorid-Losung mitkonzentrierter Salzsaure.

Durchfuhrung

Man gibt zu einer Kupfer(II)chlorid-Losungetwas konzentrierte Salzsaure. Anschließendwird die erhaltene Losung nur mit so viel de-stilliertem Wasser verdunnt bis die Farbe wie-der zu blau wechselt. Losung in Versuch 3.2.2wiederverwenden.

3.2.2 Temperaturabhangigkeit

Gerate und Chemikalien:

• s. 3.2.1

Durchfuhrung

Die Losung aus Versuch 3.2.1 wird erhitzt undim Wasserstrahl wieder abgekuhlt.

3.2.3 pH-Abhangigkeit

Gerate

• Reagenzglas

• Pipette

Chemikalien

• Kupfer(II)sulfat-Losung, c(CuSO4) = 0,1 mol

l,

(gesundheitsschadlich, Xn)

• Ammoniak-Losung, c(NH3) = 2 mol

l

• konzentrierte Schwefelsaure

Durchfuhrung

Man gibt zu der Kupfer(II)sulfat-Losung ineinem Reagenzglas tropfenweise Ammoniak-Losung, bis ein hellblauer Niederschlagausfallt. Dann fuge man weitere Ammoniak-Losung hinzu, bis sich wieder eine klareLosung bildet.Nun tropft man konzentrierte Schwefelsaurehinzu.Zuletzt gibt man erneut Ammoniak-Losunghinzu.

Auswertung

Formulieren Sie fur jeden der Teilschritte in3.2.1, 3.2.2 und 3.2.3 die entsprechenden Re-aktionsgleichungen und geben Sie eine kurzeBegrundung fur die Richtung des Reaktions-verlaufes.

Theorie

Diese drei Varianten von Versuchen zumGleichgewicht einer Komplexbildungsreakti-on lassen sich sehr einfach durchfuhren undkonnen den Effekt, den die drei GroßenKonzentration, Temperatur und pH-Wert aufdas Gleichgewicht ausuben, durch Farbwechselsehr gut aufzeigen. Stets werden unterschied-liche Liganden nach dem Prinzip des kleinstenZwangs gegeneinander ausgetauscht.

3.2. KOMPLEX-GLEICHGEWICHTE 31

Zur Auswertung konnen die folgenden Glei-chungen verwendet werden.

zu 3.2.1 und 3.2.2

[Cu(H2O)6]2+ + 2 Cl−

→ [CuCl2(H2O)4] + 2 H2O; ∆H > 0

zu 3.2.3

[Cu(H2O)6]2+ + 2 OH− → Cu(OH)2 + 6 H2O

Cu(OH)2 + 4 NH3 → [Cu(NH3)4]2+ + 2 OH−

[Cu(NH3)4]2+ + 4 H3O

+ + 2 H2O

→ [Cu(H2O)6]2+ + 4 NH+

4

Literatur


.


3.3 Chelatliganden undChelateffekt

3.3.1 Zitronensaure als Komplex-bildner

Gerate

• 6 Reagenzglaser

• Pipetten

Chemikalien

• Zitronensaure-Losung, c(Zitronens.) = 1 mol

l

• Kupfer(II)sulfat-Losung, c(CuSO4) = 0,1 mol

l

• Eisen(III)chlorid-Losung, c(FeCl3) = 0,05 mol

l

• konzentrierte Natronlauge


Durchfuhrung

Man gibt in drei Reagenzglaser jeweils 5 mlder Kupfer(II)sulfat-Losung. Dann versetztman Reagenzglas 1 noch mit 2 ml Zitro-nensaure-Losung, Reagenzglas 2 und 3 mit 2ml destilliertem Wasser. Die Losungen werdenkurz durchgeschuttelt und zu Reagenzglas1 und 2 wird abwechselnd und tropfenweisesoviel konzentrierte Natronlauge gegeben bisin Reagenzglas 2 ein Niederschlag zu sehen ist,Reagenzglas 1 jedoch klar bleibt. Reagenzglas3 bleibt ohne Natronlauge-Zusatz; es dientnur zum Farbvergleich.Wiederholen Sie den Versuch mitEisen(III)chlorid-Losung.

Auswertung

1. Wieso bleibt Reagenzglas 1 beide Maleklar im Gegensatz zu Reagenzglas 2?

2. Formulieren Sie die entsprechenden Reak-tionsgleichungen.

Theorie

Citrat, das Salz der Zitronensaure, ist einChelat-Komplexbildner, der sehr oft auch inder Natur anzutreffen ist. So werden z.B. imWurzelbereich von Pflanzen Metall-Ionen mitHilfe von Citrat komplexiert, um sie fur eineAufnahme in den Pflanzenkorper verfugbar zumachen. Das Komplexierungsvermogen lasstsich dadurch zeigen, dass in den mit Zitro-nensaure versetzten Kupfer- und Eisensalz-Losungen bei Zugabe von Natronlauge keineHydroxidfallung zu erkennen ist. Die Citrat-Komplexe besitzen eine hohere Bildungskon-stante als die Hydroxide.

Literatur


3.3.2 Chelateffekt im Vergleich

Gerate

• 2 Reagenzglaser

• Pipetten

Chemikalien

• Nickelsalz-Losung, c(NiX) = 0,1 mol

l

• Ammoniak-Losung, c(NH3) = 2 mol

l

• Ethylendiamin(en)-Losung, c(en) = 1 mol

l

Durchfuhrung

Man versetzt in einem Reagenzglas 20 ml derNickelsalz-Losung mit Ammoniak-Losung biszur charakteristischen Farbung des Ammin-Nickelkomplexes. Entsprechend stellt manim anderen Reagenzglas den Ethylendiamin-Nickelkomplex her. Anschließend wird das je-weils andere Reagenz hinzugegeben.

3.3. CHELATLIGANDEN UND CHELATEFFEKT 33

Auswertung

1. Was konnen Sie laut Versuchsergebnisuber die Komplexstabilitat sagen.

2. Worauf beruht diese und welche Be-grundung(en) gibt es dafur?

Theorie

Die Koordinationsstelle der Liganden Ethy-lendiamin und Ammoniak ist bei beiden dasStickstoffatom. Chemisch gesehen sind sie da-mit sehr ahnliche Liganden und ihre Kom-plexe sollten nur geringe Stabilitatsunterschie-de zeigen. In Wirklichkeit sind die Komple-xe mit Ethylendiamin jedoch sehr viel stabi-ler. Dies beruht auf dem sogenannten Chelatef-fekt. Hervorgerufen wird er durch Chelatligan-den, deren Name sich vom griechischen Wortfur Krebsschere ableitet. Es sind also Ligan-den mit zwei oder mehreren Koordinationsstel-len pro Molekul, die das Zentralatom wie eineKrebsschere in die Zange nehmen. Um eine Er-klarung fur den Chelateffekt zu finden, kannman sich hier nicht auf Enthalpieunterschie-de berufen, da diese im Fall Ethylendiamin-Ammoniak aufgrund der Ahnlichkeit der Li-ganden nur sehr gering ausfallen. Betrachtetman den Ablauf der Komplexierung genau-er, stellt man fest, dass durch ein Ammoniak-Molekul ein Aqua-Ligand durch Ethylendia-min allerdings zwei Aqua-Liganden verdrangtwerden. Bei der Komplexierung mit Ethylen-diamin erhoht sich also die Gesamtzahl derTeilchen, was den Schluss nahelegt, dass derChelteffekt durch Entropieanderungen starkbegunstigt wird.

Literatur


3.3.3 Chelateffekt und Ringgroße

Gerate

• 2 Reagenzglaser

• Pipetten

Chemikalien

• Eisen(III)nitrat-Losung,c(Fe(NO3)3) = 0,1 mol

l

• Ammoniumoxalat-Losung,c((NH4)2O2CCO2) = 0,25 mol

l

• Ammoniummalonat-Losung,c((NH4)2O2CCH2CO2) = 0,25 mol

l

oder Dinatriummalonat gleicher Konzentra-tion

Durchfuhrung

Man versetzt in einem Reagenzglas 20ml der Eisen(III)nitrat-Losung mit 20 mlder Ammoniumoxalat-Losung. Entsprechendstellt man im anderen Reagenzglas denMalonat-Eisenkomplex her. Anschließend wirddas jeweils andere Reagenz hinzugegeben.

Auswertung

1. Was konnen Sie laut Versuchsergebnisuber die Komplexstabilitat sagen.

2. Worauf beruht diese und welche Be-grundung(en) gibt es dafur?

Theorie

Eine Abstufung der Komplexstabilitat lasstsich nicht nur beim Vergleich eines einfach ko-ordinierenden Molekuls mit einem mehrfach-koordinierenden Molekul (Chelatligand) zei-gen. Auch innerhalb der Chelatliganden zeigtsich eine Abstufung, die nun von der An-zahl der Ringglieder im ausgebildeten Kom-plex abhangt. Die Ausbildung eines Funfringsist die stabilste Anordnung von Zentralatom


und Chelatligand. Sie tritt z.B. bei der Ko-ordination mit Oxalat auf und ist stabiler alsdie Koordination mit Malonat, die einen sechs-gliedrigen Ring ergeben wurde.

Literatur


.

3.4. FARBENVIELFALT DES VANADIUMS 35

3.4 Farbenvielfalt desVanadiums

Gerate

• 4 Reagenzglaser

• Pipetten

• Gasbrenner

Chemikalien

• Natriumvanadat(V)-Losung, c(VO3−

4) =

0,1 mol

l

Natriumvanadat-Losung ist nicht kauflich.Herstellung: V2O5 in stark alkalischer NaOH-Lsg. losen. Evtl. weißer Niederschlag (NaOH)lost sich bei Verdunnung wieder.

• Salzsaure, w(HCl) = 20%

• Oxalsaure-Losung, c(C2O4H2) = 1 mol

l

• Zinnpulver, Sn

• Zinkpulver, Zn

Durchfuhrung

Man fullt alle vier Reagenzglaser mit 5 mlNatriumvanadat(V)-Losung und versetzt diesemit 5 ml Salzsaure. Danach gibt man zu Rea-genzglas 2 mindestens 6 ml Oxalsaure-Losung,zu Reagenzglas 3 einen Spatel Zinnpulver undzu Reagenzglas 4 einen Spatel Zinkpulver. Zu-letzt wird mit dem Brenner ordentlich erhitzt.Zugabe der jeweiligen Reagenzien bis mogl.Gasentwicklung aufhort.

Auswertung

1. Formulieren Sie fur die einzelnen Reak-tionen die zugehorigen Reaktionsgleichun-gen.

2. Ordnen Sie jeder Farbe das entsprechendeIon zu.

Theorie

Anhand geeigneter Reduktionsmittel lassensich die einzelnen Oxidationsstufen des Vana-

diums ausgehend von einer angesauerten, gel-

ben Vanadat(V)-Losung erreichen. Das blaue

Vanadium(IV)-oxid (VO2+) wird durch Re-duktion mit Oxalsaure-Losung erhalten. Zinnreduziert bis zur Stufe des grunen Vanadi-um(III) (V3+) und Zink bis zum violetten

Vanadium(II).

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 5, S.61, [4]


3.5 Reduktion von KMnO4

Gerate

• 500-ml-Standzylinder

• lange Mess- oder Vollpipetten

Chemikalien

• Kaliumpermanganat-Losung,w(KMnO4) = 0,35%

• Natriumformiat-Losung, w(NaHCOO) = 1%

• Natriumsulfit-Losung, w(Na2SO3) = 1%

• konzentrierte Natronlauge, w(NaOH) = 50%

• halbkonzentrierte Schwefelsaure,w(H2SO4) = 50%


Durchfuhrung

In den Standzylinder gibt man 5 mlKaliumpermanganat-Losung, fullt mit destil-liertem Wasser auf 400 ml auf und ruhrtum. Im weiteren Verlauf des Versuchs wirddann nicht mehr geruhrt. Nun wird ein Ge-misch aus 10 ml Natronlauge und 10 mlFormiat-Losung zugefugt und nach Eintreteneiner Farbanderung, die von unten nach obenfortschreitet, die Flussigkeit mittels einer Pi-pette mit 10 ml halbkonzentrierter Schwe-felsaure unterschichtet. Nach dem Auftreteneiner weiteren Farbanderung im unteren Be-reich des Standzylinders wird nochmal mit 10ml Natriumsulfit-Losung unterschichtet.

Auswertung

1. Formulieren Sie fur die einzelnen Reak-tionen die zugehorigen Reaktionsgleichun-gen.

2. Ordnen Sie jeder Farbe das entsprechendeIon zu.

Theorie

Ahnlich dem Vanadium besitzt auch jede Oxi-dationsstufe des Mangans ihre eigene Farbe.Zusatzlich lassen sich die einzelnen Oxidati-onsstufen nebeneinander in nur einem Gefaßzeigen. Moglich wird dies durch Losungenunterschiedlicher Dichte, geeignete Redukti-onsmittel und der unterschiedlichen Redox-Aktivitat des Mangans im Sauren bzw. Ba-sischen. Das violette Permanganat (MnO−

4 )wird durch die nach unten sinkende alkalischeFormiat-Losung zunachst zum blauen Man-ganat(V) (MnO3−

4 ) reduziert, das mit weite-rem Permanganat zum grunen Manganat(VI)(MnO2−

4 ) komproportioniert. Das durch dieUnterschichtung mit Schwefelsaure entstehen-de saure Milieu fuhrt zur Disproportionie-rung des zuletzt gebildeten Manganat(VI).Es entsteht violettes Permanganat (MnO−

4 )und braunes Manganat(IV) (MnO4−

4 ), derenMischfarbe rotbraun ergibt. Schließlich wer-den Permanganat und Manganat(IV) durchSulfit in saurer Losung zum farblosen Man-ganat(II) reduziert.

Literatur


Kapitel 4

Stickstoffchemie

4.1 Analyse von Ammoniak

Gerate

• 2 100-ml-Kolbenprober

• 2 Kolbenprober-Halter

• dunnes Quarzrohr mit Nickel als Katalysator

• dunnes Quarzrohr mit CuO

• 2 Dreiwegehahne

• 250-ml-Mehrhalskolben

• Tropftrichter

• Schlauche

• Stativmaterial

Chemikalien

• konz. Ammoniak-Losung

• Natriumhydroxid-Platzchen, NaOH(s)

Durchfuhrung

Durch Zutropfen von konzentrierterAmmoniak-Losung aus dem Tropftrichterauf Natriumhydroxid-Platzchen im Mehr-halskolben wird Ammoniak-Gas entwickelt.Dieses wird uber einen Dreiwegehahn, dersich zwischen dem einen Kolbenprober unddem Reaktionsrohr befindet, in die Apparatureingeleitet (vgl. Abb. 4.1). Der andere Drei-wegehahn befindet sich zwischen dem zweitenKolbenprober und dem Reaktionsrohr. Mitihm kann die Apparatur geschlossen bzw. Gaseaus ihr verblasen werden. Dieser Hahn bleibtanfanglich geoffnet und beide Kolbenproberbleiben zunachst in Nullstellung, so dass dieApparatur mit Ammoniakgas gespult werden

kann. Ist dies geschehen, wird ein Kolbenpro-ber nun mit 40 ml Ammoniak-Gas gefullt.Anschließend erhitzt man das Quarzrohr mitder Nickelfullung bis zur Rotglut des Metalls.Das Ammoniak-Gas wird mehrmals von einemKolbenprober zum anderen gedruckt bis sichVolumenkonstanz einstellt. Das Volumen wirdnotiert. Man lasst das Quarzrohr abkuhlen.Im zweiten Teil des Versuchs wird dasQuarzrohr mit der Nickelfullung durch dasQuarzrohr mit Kupferoxidfullung ersetzt. (Esist darauf zu achten, dass schwarzes CuOvorliegt. Ansonsten muss zuerst im Luftstromzur Rotglut erhitzt werden). Es wird mitmaßiger Flamme erhitzt und das noch vor-handene Gasgemisch wieder mehrmals bis zurVolumenkonstanz durchgeleitet. Das Volumenwird wiederum notiert.

Auswertung

Wie lassen sich die unterschiedlichen Voluminaerklaren?

Theorie

Dieser Versuch ist die Umkehrung derAmmoniak-Synthese aus den Elementen. MitHilfe von Nickel als Katalysator wird Ammo-niak in der Hitze in Stickstoff und Wasser-stoff zerlegt. Dieser Reaktionsverlauf lasst sichdurch die entsprechende Volumenzunahme zei-gen. Aus zwei Teilen Ammoniak-Gas entstehenein Teil Stickstoff und drei Teile Wasserstoff.Insgesamt verdoppelt sich das Volumen.

37

38 KAPITEL 4. STICKSTOFFCHEMIE

Kolbenprober

Natriumhydroxid−Plätzchen

AmmoniakKonzentrierter Dreiwegehahn

bzw. Glasrohr mit KupferoxidGlasrohr mit Nickel (dünn)

Schlauchverbindung

Abb. 4.1: Bestimmung der Zusammensetzung des Ammoniaks

2 NH3(g) → N2(g) + 3 H2(g)

Der gebildete Wasserstoff kann anschließendmit dem Kupferoxid zu Wasser oxidiert wer-den. Das Volumen reduziert sich dabei auf einViertel.

N2(g) + 3 H2(g) + 3 CuO(s)

→ N2(g) + 3 H2O(l) + 3 Cu(s)

Literatur

Experimentelle Schulchemie, Bukatsch, Glock-ner, Band 2, S.122, s. [9]

.

4.2. VERBRENNUNG VON AMMONIAK IM SAUERSTOFFSTROM 39

4.2 Verbrennung von Ammo-niak im Sauerstoffstrom

Gerate

• 1-l-Weithalsstandkolben

• Eisenrohr (2-3 mm ∅)

• Siedesteine

• Brenner

• Dreifuß mit Platte

Chemikalien

• konzentrierte Ammoniak-Losung,w(NH3) = 35%, (atzend, C)

• Sauerstoff (Stahlflasche), O2(g)

Durchfuhrung

Man gibt ca. 300 ml konzentrierte Ammoniak-Losung zusammen mit einigen Siedesteinchenin den 1-l-Weithalsstandkolben und erhitztdiese auf einem Dreifuß im Abzug zum Sie-den. Etwa 3 cm uber dem Kolben lasst manaus dem an die Sauerstoff-Druckflasche an-geschlossenen Eisenrohr einen maßig starkenSauerstoffstrom austreten. Das sich dabei bil-dende Gemisch aus Sauerstoff und Ammoniakentzundet man sofort mit einem Brenner (An-sonsten entsteht ein explosives Gemisch!) (vgl.Abb: 4.2). Brennt das Gasgemisch, so tauchtman das Eisenrohr weiter in den Kolben ein, sodass sich dessen Mundung etwa 8-10 cm uberder Flussigkeitsoberflache jedoch nicht mehrim Kolbenhals befindet. Je nach Starke derSauerstoffzufuhr lasst sich das Rauschen va-riieren.

Auswertung

Konnen Sie bei den Verbrennungsgasen eineFarbe beobachten? Schließen Sie daraus auf dieReaktionsgleichung.

Theorie

Bei der Verbrennung eines Stoffes erwartetman normalerweise die Umsetzung der enthal-tenen Elemente in ihre Oxide. Nicht so beider Verbrennung von Ammoniak im Sauer-stoffstrom. Hier bildet sich kein Stickoxid, son-dern lediglich elementarer Stickstoff und Was-ser.

2 NH3 + 1, 5 O2 → N2 + 3 H2O

konz. Ammoniak−

Sauerstoff

Metallrohr mit Schlauchanschlußan die Sauerstoffflasche

Siedesteinchen

Lösung

Abb. 4.2: Verbrennung von Ammoniak

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 1, S.135, s.[10]


4.3 Bildung von Stickoxidenbei hohen Temperaturen

Gerate

• Scheidtsche Kugel vierfach tubuliert

• Hochspannungselektroden aus ca. 3 mm Kup-ferdraht

• durchbohrte Stopfen

• Glasrohr

• Regeltrafo und Hochspannungstrafo(Primarspule 500 Windungen, Sekundarspule23000 Windungen)

• Waschflasche

• Wasserstrahlpumpe

Chemikalien

• Universalindikator-Losung

Sicherheitsvorschriften

VORSICHT Hochspannung! Stets den Strom-kreis trennen, bevor Abanderungen an derApparatur vorgenommen werden. Aufgrundder entstehenden Stickoxide im Abzugdurchfuhren.

Durchfuhrung

Mit Hilfe eines Trafos und der Spulen wirdHochspannung erzeugt. Die Elektroden wer-den auf einen Abstand von etwa 1-2 mm ein-gestellt und Hochspannung wird angelegt. DieLuft wird mit einer Wasserstrahlpumpe in sehrlangsamem Strom am Lichtbogen vorbei durcheine mit Wasser und Indikator beschickte Gas-waschflasche hindurchgesogen (vgl. Abb. 4.3).Da die Sekundarspule sehr stark belastet wird,sollte der Versuch nicht langer als etwa 1 mindauern.

Auswertung

1. Welches Gas entsteht durch Verbrennungim Lichtbogen?

2. Welche Reaktion fuhrt zur Veranderungder Farbe des Universalindikators?

Theorie

Die Notwendigkeit eines Lichtbogens, umStickstoff zur Reaktion zu bringen, zeigt ein-mal mehr dessen hohe Stabilitat. Weiter-hin zeigt dieser Versuch das Prinzip derfruheren Salpetersaureherstellung nach demBirkeland-Eyde-Verfahren. Im Lichtbogen ver-brennt Stickstoff zu Stickstoffmonoxid, dasmit weiterem Luftsauerstoff zu Stickstoffdioxidumgesetzt wird.

N2 + O2 → 2 NO

Literatur

Experimentelle Schulchemie, Bukatsch, Glock-ner, Band 2, S.133, s.[9]

4.3. BILDUNG VON STICKOXIDEN BEI HOHEN TEMPERATUREN 41

Schlauch−

Universal−indikator

zur Wasser−strahlpumpe

elektrodenEisen−

SpulenSpannugs−regler

verbindung

Abb. 4.3: Erzeugung von NO2 im Lichtbogen

. .


4.4 Herstellung von Stick-stoffmonoxid und Umset-

zung mit Sauerstoff

Gerate


• 100-ml-Tropftrichter mit Stopfen

• Schlauchverbindung

• gebogenes Glasrohr

• pneumatische Wanne

• 2 Standzylinder mit Abdeckplatten

Chemikalien

• Kupferspane, Cu(s)

• halbkonzentrierte Salpetersaure,w(HNO3) = 30%, (atzend, C)

• Wasser (Spritzflasche)

• Universalindikator-Losung

• Sauerstoff, O2(g) (Gasflasche)

Durchfuhrung

Man lasst aus dem Tropftrichter halbkon-zentrierte Salpetersaure langsam auf ausrei-chend Kupferspane (an Kupfer nicht spa-ren) im 250-ml-Mehrhalskolben tropfen undfangt das entstehende Gas in einem der bei-den Standzylinder auf. Der zweite Standzy-linder wird mit Sauerstoff gefullt. Die beidengefullten verschlossenen Standzylinder wer-den mit den Abdeckplatten gegeneinandergestellt und diese seitlich herausgezogen, sodass sich die beiden Gasvolumina vermischenkonnen. Nach einigen min werden sie wiedergetrennt und verschlossen. In einen Standzy-linder gibt man etwas Wasser und einen Trop-fen Universalindikator-Losung. Der zweite Zy-linder wird fur Versuch 4.5 aufbewahrt.

Auswertung

Stellen Sie die zugehorigen Reaktionsgleichun-gen auf.

Theorie

Im Gegensatz zu konzentrierter Salpetersaure,die Stickstoffdioxid entwickelt, erhalt man mithalbkonzentrierter Salpetersaure und KupferStickstoffmonoxid.

3 Cu + 8 H3O+ + 2 NO−

3

→ 3 Cu2+ + 2 NO + 12 H2O

Dieses farblose Gas setzt sich mit Sauer-stoff eindrucksvoll zu tief braunen Wolken vonStickstoffdioxid um.

Kupferblech

Wanne

halbkonz.Salpetersäure

zerkleinertes

pneumatische

Abb. 4.4: Gasentwickler zur NO-Darstellung

Literatur


4.5. DIMERISATIONSGLEICHGEWICHT VON NO2 43

4.5 Dimerisationsgleich-gewicht von NO2

Gerate

• mit Abdeckplatte verschlossener Standzylindermit NO2 (aus Versuch 4.4)

• Eis-Kochsalz-Kaltemischung (w/w= 3:1) in ei-ner Plastikschale

• Schale mit heißem Wasser (50-60oC)

• evtl. flussiger Stickstoff, N2(l)

Durchfuhrung

Der mit NO2 gefullte Zylinder wird zu etwa1/3 in die Kalte-Mischung gestellt und ab-gekuhlt. Nach etwa 10 min wird der Zylinderentnommen und in das heiße Wasser gestellt.

Auswertung

1. Wie lautet die Reaktionsgleichung?

2. Was lasst sich uber die Reaktionsenthal-pie sagen?

Theorie

Stickstoffdioxid zeigt beim Erwarmen bzw.Abkuhlen eine deutliche Farbveranderung.Dies hangt damit zusammen, dass es bei tie-fen Temperaturen in sein Dimeres Distickstoff-tetraoxid ubergeht. Die Bildung des Dimerenmuss folglich exotherm verlaufen, wenn mandas Prinzip des kleinsten Zwangs zur Interpre-tation der Beobachtung heranzieht.

NO2 N2O4; ∆H > 0

Literatur


.


4.6 Kohlenstoffmonoxid unddessen Brennbarkeit

Gerate


• Schliffolive

• 100-ml-Tropftrichter


• 2 Standzylinder mit Deckplatten

Chemikalien

• Ameisensaure, w(HCOOH) = 85%

• konzentrierte Schwefelsaure, w(H2SO4) = 96%

Durchfuhrung

In den Mehrhalskolben werden etwa 20 mlSchwefelsaure und in den Tropftrichter etwa5 ml Ameisensaure gegeben. Mit fachelnderFlamme wird die Schwefelsaure auf ca. 40oCerwarmt. Nach Entfernen des Brenners wirdetwa 1 ml Ameisensaure zugeben. Nach Be-ginn der Reaktion wird die Ameisensaure nurnoch tropfenweise zugesetzt. Die Gasentwick-lung wird uber die Tropfgeschwindigkeit gere-gelt. Der Inhalt des ersten Standzylinders istzu verwerfen.Die Offnung eines mit Kohlenstoffmonoxidgefullten und mit einer Deckplatte verschlosse-nen Standzylinders wird horizontal etwa 3 cmvor eine Brennerflamme gehalten. Anschlie-ßend wird die Deckplatte weggezogen.

Auswertung

Stellen Sie die Reaktionsgleichungen auf.

Theorie

Im vorigen Versuch wurde das farblose Gasdurch Umsatz mit Sauerstoff bei Raumtempe-ratur sichtbar gemacht. Farbloses Kohlenstoff-monoxid ist bei Raumtemperatur gegenuber

Sauerstoff ausreichend stabil und reagiert mitdiesem erst nach Entzunden an einer Brenner-flamme. Die Verbrennungszone leuchtet dabeiblau, das Verbrennungsprodukt Kohlenstoffdi-oxid ist jedoch wiederum farblos.

HCOOH(H2SO4)−−−−−→ H2O + CO

2 CO + O2 → 2 CO2

Literatur

Chemische Schulexperimente, Keune Boeck,Band 1, S.78,81, s. [11]

4.7. SPRINGBRUNNENVERSUCH 45

4.7 Springbrunnenversuch

Gerate

• 500-ml-Rundkolben

• durchbohrtem Stopfen mit Glasrohr

• Wanne

• Stativmaterial

• Brenner

Chemikalien

• Ammoniak, NH3(g)

• Phenolphthalein-Losung, w = 0,1% in Ethanol

• Wasser

Ammoniakgas

PhenolphthaleinWasser mit

Abb. 4.5: Ammoniak-Springbrunnen

Durchfuhrung

Vor dem Versuch wird der trockene Rundkol-ben umgekehrt in den Stativring eingesetztund im Abzug mit Ammoniak gefullt (Ammo-niakflasche oder ublicher Ammoniakerzeuger),worauf der Gummistopfen mit Glasrohr festin den Kolben eingesetzt wird. Das Glasrohrnicht zu kurz wahlen. Danach wird ein mitWasser gefulltes 2-Liter-Becherglas (moglichsthohe Form) so unter dem Kolben angebracht,dass das Glasrohr tief in das mit Phenolphthal-ein versetzte Wasser eintaucht (vgl. Abb. 4.5).

Zusatzliche Abkuhlung des Kolbens ist nichtkorrekt.

Theorie

Dieser Versuch beweist die sehr gute Loslich-keit von Ammoniakgas in Wasser. Als Folgeentsteht im luftdicht abgeschlossenen Kolbenein Unterdruck, der dazu fuhrt, dass das Was-ser im Becherglas durch den außeren Luft-druck in den Kolben hineingedruckt wird. Dergleiche Versuch lasst sich auch mit HCl-Gasdurchfuhren, das eine ebenso gute Loslichkeitin Wasser besitzt.

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 1, S.134, s. [10]Feuer und Flamme, Schall und Rauch, S.254,s. [12]

Kapitel 5

Titrationen und computergestutzteMesswerterfassung

Zahlreiche Analysenmethoden machen un-ser Leben heute fortschrittlicher. Gerade dievielen Varianten der Spektroskopie sind inder Forschung nicht mehr wegzudenken. Siebenotigen aber meist einen großen appara-tiven Aufbau. Mit eher geringem Aufwandlassen sich volumetrische Analysen (Titratio-nen) in wassrigen Losungen durchfuhren, diesich damit auch als breit anwendbares De-monstrationsexperiment eignen. Anwendungfinden sie hauptsachlich in der Gewasser-,Wasser- und Abwasserbestimmung. Gemeintsind Verfahren wie Saure-Base-Titration,Redox-Titration, Leitfahigkeitstitration undkomplexometrische Titration. Alle vier Titra-tionsformen sind auch Bestandteil des Schul-unterrichts und dienen zur Festigung der Theo-rie verschiedener Lehrplaninhalte. Je eine Ti-tration aus den genannten Bereichen wirddurchgefuhrt. Als weitere einfache Analyse-methoden steht zusatzlich die potentiometri-sche Titration zur Verfugung, deren Prinzipim Teil Elektrochemie bei der Bestimmung

des Ionenprodukts von Wasser (s. Versuch2.4) verdeutlicht wird. Die einzelnen Versuchs-ansatze fur die verschiedenen Titrationsformensind sehr vielfaltig. Zum einen kann die zuanalysierende Losung selbst angesetzt werden,zum anderen kann ein Alltagsbezug hergestelltwerden, indem z.B. Abwasserproben auf or-ganische Bestandteile untersucht werden. AlsBeispiel fur eine pH-Titration konnte man hierSpeiseessig oder Haushaltsreiniger titrieren;als zweiprotonige Saure die Kohlensaure in Mi-neralwasser. Durch Rucktitration lasst sich der

Kalk-Gehalt in Eierschalen bestimmen. DieBestimmung des Sauerstoffgehalts von Was-ser nach Winkler oder die Bestimmung orga-nischer Bestandteile in verschmutztem Was-ser waren Beispiele fur Redox-Titrationen.Die Redox-Titrationen lassen sich nach zweihauptsachlich angewendeten Verfahren eintei-len, zum einen die Iodometrie und zum ande-ren die Permanganometrie, deren Funktions-prinzipien spater bei der Bestimmung erlautertwerden. Diese beiden Verfahren werden haufigherangezogen, da der Endpunkt der Titrationanhand eines Farbumschlags erkannt werdenkann (Endpunktsindikation). Zusatzlich dientdieser Praktikumstag dazu, sich mit der Mess-werterfassung durch den Computer vertraut zumachen. Grundlegendes und spezielle Bedie-nung der hier verwendeten Programme erhaltman in den folgenden Abschnitten.

5.1 Einfuhrung in die Mess-werterfassung und Bedie-

nung der Programme

Bei der Messwerterfassung mit dem PC sollenMesswerte mit dessen Hilfe erfasst, dargestellt,ausgewertet und gespeichert werden. Eine not-wendige Bedingung hierfur ist, dass der PCmit Messwerten versorgt wird. Dazu mussendiese in digitaler Form an ihn gesendet werden.Verfugt ein Messgerat, welches in der Daten-kette gewohnlich an erster Stelle nach der zumessenden Probe steht, uber einen Digitalaus-

47

48KAPITEL 5. TITRATIONEN UND COMPUTERGESTUTZTE MESSWERTERFASSUNG

gang, so kann es direkt mit dem PC verbundenwerden. Als PC-Eingangsschnittstelle diententweder der COM- oder USB-Port. Verfugtdas Messgerat nicht uber einen Digital- son-dern uber einen Analogausgang, so muss einAnalog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) demPC vorgeschaltet werden. Der A/D-Wandlersorgt dafur, dass die zu Beginn vorhandenenanalogen Signale in fur den Rechner lesba-re digitale umgewandelt werden. Zur weiterenVerarbeitung der im PC eingehenden digitalenMessdaten stehen eine Reihe von Programmenzur Verfugung.

Im nun folgenden Abschnitt wird ein Uber-blick uber die einzelnen Dialogfenster des Pro-gramms gegeben. Dabei wird gleichzeitig aufdie verschiedenen Voreinstellungen fur die pH-bzw. Leitfahigkeitstitration eingegangen.Bevor jedoch die Voreinstellungen durch-gefuhrt werden konnen, muss die Apparaturzur jeweiligen Titration korrekt aufgebaut undangeschlossen sein. Dabei steht an erster Stel-le das pH-Messgerat (Firma STEIBER ) mitAnalogausgang bzw. das Amperemeter (FirmaSTEIBER , Typ UMP2000 ) mit Analogausgang.An zweiter Stelle steht beide Male der A/D-Wandler (Firma STEIBER, Typ ADW16), der mitdem COM-Port des PCs verbunden ist. Der⊕ und ⊖ Pol des Analogausgangs der Mess-gerate wird uber einfache Experimentierkabelmit dem ⊕ und ⊖ Pol des A/D-Wandlers ver-bunden.

Die pH-Elektrode wird am Messgerat auf derRuckseite eingesteckt (vgl. Abb. 5.1).

Zur Leitfahigkeitsmessung muss ein Strom-kreis aufgebaut werden, in den ein Ampereme-ter und die Leitfahigkeitselektrode eingebun-den sind (vgl. Abb. 5.2)

Die folgenden Abbildungen 5.1 und 5.2 zeigenden Aufbau. Zur Messwerterfassung s. Kurszur Computermesserfassung.

auf der Rückseite

+

Power

STEIBER ADW−16

+

Power

STEIBER pH−MeßgerätCOM 1COM 2

pH−Elektrode

PCAnsicht

Rückseite

VorderseiteAnsicht

Anschluß derpH−Elektrode

Abb. 5.1: Aufbau zur pH-Titration

033,

+

Power

STEIBER ADW−16

+ −

0V

10V

20V

~

auf der RückseiteAmperemeters

COM 1COM 2

PCAnsicht

Rückseite

Wechselspannungsquelle

STEIBER UMP−2000

+

mA

Analogausgang des

Abb. 5.2: Aufbau zur Leitfahigkeitstitration

.

5.2. TITRATION VON KOHLENSAURE IN SPRUDEL 49

5.2 Titration von Kohlen-saure in Sprudel

Hinweise zur pH-Elektrode:An der Spitze der pH-Elektrode befindet sicheine außerst empfindliche Glasmembran. Es istdeshalb stets darauf zu achten, dass diese nir-gendwo aufliegt, nie angestoßen oder durchden Ruhrfisch angeschlagen wird. Am bestenwahrend des Versuchs immer in eine Stativ-klammer eingespannt lassen. Nach Versuchsen-de wird sie wieder in die mit 3 molarer KCl-Losung gefullte Schutzhulle gesteckt. Zwischenden Versuchen sollte man sie mit destilliertemWasser sauber spulen.

Gerate

• pH-Elektrode

• Magnetruhrer

• Ruhrfisch

• 50-ml-Burette


• Messzylinder

• Steiber pH-Messplatz

• Steiber ADW16 (A/D-Wandler)

• PC

Chemikalien

• Sprudelwasser

• Natronlauge, c(NaOH) = 1 mol

l


l

Durchfuhrung

Im Becherglas werden 30 ml Natronlauge vor-gelegt und 100 ml eiskalter Sprudel so zu-gegeben, dass moglichst wenig Kohlensaureentweicht. Die pH-Elektrode wird eingetauchtund dann mit der Salzsaure bekannter Kon-zentration titriert.

Auswertung

Ermitteln Sie anhand der Titrationskurve diebeiden pKs-Werte der Kohlensaure.

Theorie

Die Aufnahme einer pH-Titrationskurve solldazu dienen, deren markante Punkte zu disku-tieren. Es handelt sich stets um Wendepunk-te. Titriert man eine starke Saure mit einerstarken Base, so ergibt sich ein Wendepunkt.Diesen bezeichnet man als Aquivalenzpunkt,an dem der pH-Sprung eintritt, und somit diegesamte vorgelegte Saure neutralisiert wurde.

Bei der Titration einer schwachen Saure miteiner starken Base ergeben sich zwei Wende-punkte. Der eine ist der eben erwahnte Aqui-valenzpunkt, der andere liegt in der Mittedes flach ansteigenden Kurvenbereichs (Puf-ferbereich) der schwachen Sauren. Anhand derHenderson-Hasselbalch-Gleichung

pH = pks + log c(A−)c(HA)

lasst sich zeigen, dass der pH-Wert, bei demdieser Wendepunkt auftritt, dem pks-Wert derin diesem Bereich vorliegenden Saurespeziesentspricht.

Aus einer Titrationskurve lassen sich somit dieKonzentration der Probelosung und der pks-Wert der titrierten Saure bestimmen.

Das eben Geschilderte lasst sich analog auf dieTitration einer Base mit einer Saure ubertra-gen, sowie auf die Titration mehrprotonigerSauren bzw. ihrer Basen.

Literatur

Chemiedidaktik Uni Erlangen, s. [14]


5.3 KonduktometrischeTitration von Ba(OH)2mit H2SO4 und HCl

Gerate

• PC

• Amperemeter mit Analog-Ausgang (hier: Stei-ber Universalmessplatz, UMP2000)

• Kabel

• Magnetruhrer

• Ruhrfisch

• 50-ml-Burette,

• 20-ml-Vollpipette

• Leitfahigkeits-Elektrode


• Stativmaterial

Chemikalien

• ges. Bariumhydroxid-Losung

• Salzsaure, c(HCl) = 0,5 mol

l


l


Durchfuhrung

An die Leitfahigkeitselektrode wird 5-10 VWechselspannung angelegt und das Am-peremeter (UMP2000) in den Stromkreis ein-gebaut. Man verbindet ein Kabel mit einemPol der Wechselspannungsquelle und mit demPluspol des Amperemeters. Ein zweites Ka-bel fuhrt vom Minuspol des Amperemeterszur Leitfahigkeitselektrode und ein drittes vomnoch freien Anschluss der Leitfahigkeitselek-trode zum anderen Pol der Wechselspannungs-quelle. Das UMP2000 wird uber den Ana-logausgang an der Ruckseite mit dem A/D-Wandler verbunden (vgl. Abb. 5.2).Man gibt nun genau 20 ml gesattigteBariumhydroxid-Losung ohne Bodensatz indas Becherglas mit Ruhrfisch. Die Leitfahig-keitselektrode wird eingetaucht und zuerst mitSalzsaure und nach neuem Versuchsansatz mitSchwefelsaure titriert.

Auswertung

Bestimmen Sie aus dem Titrationsergebnis dasLoslichkeitsprodukt von Ba(OH)2?

Theorie

Die Leitfahigkeit einer Probe hangt zum einenvon der Anzahl elektrisch geladener Teil-chen (Ionen) ab, zum anderen von den Io-nenbeweglichkeiten (Ionenaquivalentleitfahig-keit). Als Erklarung des Kurvenverlaufs musssomit berucksichtigt werden, ob sich die Ge-samtzahl an Ionen in der Losung wahrend desTitrationsverlaufs andert oder ob diese kon-stant gehalten wird. Bleibt die Ionenkonzen-tration konstant, so hangt der Kurvenverlauflediglich von den Ionenbeweglichkeiten ab. EinBeispiel hierfur ist die Fallungstitration ei-ner Natriumchlorid-Losung mit Silbernitrat-Losung.

Na+(aq) + Cl−(aq) + AgNO3

→ Na+(aq) + NO−

3(aq) + AgCl(s) ↓

Ein Beispiel fur einen Kurvenverlauf, der so-wohl von den unterschiedlichen Ionenbeweg-lichkeiten aber hauptsachlich auch von der Ab-nahme der Ionenkonzentration abhangt, ist dieTitration einer Bariumhydroxid-Losung mitSchwefelsaure.

Ba2+(aq) + 2 OH−

(aq) + H2SO4

→ BaSO4(s) ↓ + 2H2O(aq)

Anhand der Steigung der einzelnen Kur-venaste lassen sich Aussagen uber die Ionenbe-weglichkeiten machen. Je steiler der Kurven-lauf, desto großer die Ionenbeweglichkeit desIons, das in diesem Abschnitt aus der Losungentfernt wird bzw. hinzukommt.

Literatur

AK Kappenberg, s. [13]

5.4. REDOXTITRATION: SCHWEFLIGE SAURE IN WEISSWEIN 51

5.4 Redoxtitration: Schwefli-ge Saure in Weißwein

Gerate

• 300-ml-Erlenmeyerkolben

• 50-ml-Messzylinder

• 100-ml oder 50-ml-Vollpipette

• 10-ml- Vollpipette

• 50-ml-Burette

Chemikalien

• Weißwein

• Natronlauge, c(NaOH) = 1 mol

l


l

• KI/KIO3-Losung, c(I2) = 0,05 mol

l

• Natriumthiosulfat-Losung,c(Na2S2O3) = 0,1 mol

l

• Starkelosung

Durchfuhrung

100 ml Wein werden in einen Erlenmeyer-kolben gegeben. Um die Disulfitverbindun-gen zu hydrolysieren, gibt man etwa 25 mlNatronlauge zu und wartet 15 min. Da-nach sauert man mit 50 ml Schwefelsaurean. Nun pipettiert man 10 ml KI/KIO3-Maßlosung zu. Es entsteht eine braune Losung.Im ersten Titrationsschritt wird das sicht-bare Iod mit Thiosulfat-Losung bis zur ein-setzenden Gelbfarbung titriert. Danach etwasStarkelosung zugeben bis zur Blaufarbung. Imzweiten Titrationsschritt wird mit Thiosulfat-Losung bis zur Farblosigkeit weiter titriert.

Auswertung

Welchen Gehalt an SO2 (in mg/l) besitzt deruntersuchte Weißwein? Die erlaubte Hochst-menge betragt 224 mg/l.

Theorie

Zur Aufrechterhaltung der Lebensmittelqua-litat wird eine große Anzahl an Analysever-fahren benotigt. Lebensmittel umgeben unstaglich und es bietet sich an, ein Beispiel ausdiesem Gebiet herauszugreifen, um das Prinzipder Iodometrie als Redoxtitration zu verdeut-lichen. Auch sollte das Beispiel aus dem tagli-chen Leben, hier die Titration der SchwefligenSaure in Weißwein, das Interesse fur diese Artvon Analyseverfahren wecken, wie es auch beider Titration des Mineralwassers beabsichtigtwar.

Grundlage des Versuchs ist die Reduktionvon Iod zu Iodid. Die Ausgangslosung an Iodwird durch Komproportionierung von Iodat-und Iodid-Ionen hergestellt. Dabei wiegt mandie Iodatmenge genau ein, die der spate-ren Molaritat der Losung entspricht. Das zurKomproportionierung benotigte Iodid kannhingegen im Uberschuss zugegeben werden.M(I2)=126,9 g

mol

5 I− + IO−

3 + 6 H3O+ → 3 I2 + 9 H2O

Der erste Teil des zugegebenen Iods wird durchdie Sulfit-Ionen des Weins reduziert.

I2 + SO2−3 + 3 H2O → 2 I− + SO2−

4 + 2 H3O+

Der ubrig bleibende Teil des Iods wird in Formeiner Rucktitration mit Thiosulfat-Losung re-duziert.

I2 + 2 S2O2−3 → 2 I− + S4O

2−6

Die in der Probe vorhandene Menge an Sulfit-Ionen berechnet sich somit aus der Differenzder anfanglich eingesetzten bekannten Mengean Iod und der Menge an letztendlich noch ti-triertem Iod. Bei der Berechnung ist naturlichstets auf die stochiometrischen Verhaltnisseder betroffenen Redox-Reaktionen zu achtensowie auf die von einem Liter abweichendenVolumina.


A B C D

A Anteil der Sulfit−Ionen in der Probe

B Anteil der Iod−Moleküle in der Lösung

C Anteil der Iod−Moleküle nach teilweiser Reduktion

D Titration der restlichen Iod−Moleküle

Abb. 5.3: Schema zum Ablauf der iodometri-schen Titration

Literatur


.

5.5. KOMPLEXOMETRISCHE TITRATION VON CA2+ UND MG2+ 53

5.5 KomplexometrischeTitration von Ca2+ und

Mg2+

Gerate

• 300-ml-Erlenmeyerkolben

• 100-ml oder 50-ml-Vollpipette

• Brenner

• Dreifuß

• Ceranplatte

• Magnetruhrer

• Ruhrfisch

• 50-ml-Burette

Chemikalien


l

• Indikator-Puffertablette

• konz. Ammoniak, w(NH3) = 25%

• EDTA-Losung, c(EDTA) = 0,01 mol

l

• Mineralwasser

Durchfuhrung

100 ml Mineralwasser werden in einen 300-ml-Erlenmeyerkolben pipettiert. Um zunachstCO2 bzw. HCO−

3 zu entfernen, wird dasWasser mit 2-3 Tropfen verd. Salzsaure ver-setzt und dann eine min gekocht. Nach demAbkuhlen (Eiswasser) wird die Losung zuerstmit einer Indikatortablette und anschließendmit 10 ml konz. Ammoniak versetzt. Danachwird mit EDTA-Losung bis zum scharfen Um-schlag von rotorange nach grun titriert.

Auswertung

Uberprufen Sie das Titrationsergebnis, indemSie es mit den Angaben auf der Mineralwas-serflasche vergleichen.

Theorie

Die Harte des Wassers ruhrt vonden gelosten Erdalkalimetallsalzen

Ca(HCO3)2,Mg(HCO3)2,CaSO4 und MgSO4

her.

Die Wasserharte spielt eine große Rolle bei derBildung von Kesselstein (CaCO3), der vielenHaushalts- und Industriegeraten schadet. DerAusfall von Calciumcarbonat kommt dadurchzustande, dass dieses nach folgender Glei-chung mit den im Wasser gelosten Calcium-und Hydrogencarbonat-Ionen im Gleichge-wicht steht.

Ca2+ + 2 HCO−

3 CaCO3 + H2O + CO2

Wird nun durch Erhitzen des Wassers Koh-lenstoffdioxid verdrangt, verschiebt sich dasGleichgewicht auf die Seite des ausgefall-ten Carbonats. Nach langerem Erhitzen sindfast die gesamten Hydrogencarbonat-Ionen inForm des Calciumcarbonats ausgefallt. DiesenAnteil bezeichnet man als Carbonatharte bzw.temporare Harte, da sie wie eben beschrie-ben durch Kochen beseitigt werden kann. Dieverbleibenden Calcium-Ionen, deren Gegen-Anionen meist Sulfat sind, verursachen diepermanente Harte. Die Wasserharte wird inmmol/l Erdalkali-Ionen angegeben. Der alte-re Begriff ein Grad deutscher Harte (1d) ent-spricht 10mg CaO/l.

Komplexometrisch lasst sich heute sehr ein-fach die Gesamtharte des Wassers (Summe derCalcium- und Magnesium-Ionen) bestimmen.Dazu benotigt man einen Metallindikator, derunterschiedliche Farbe zeigt, je nachdem, ob eran das Metall-Ion koordiniert ist oder nicht.Titriert wird mit einer Maßlosung, die ein che-latbildendes Reagenz enthalt, das den anfang-lich koordinierten Metall-Indikator verdrangtund dieser dann in der freien Form fur denFarbumschlag sorgt.

Literatur

Berufsorientierte Chemielehrerausbildung;http://www.uni-giessen.de/ ge1016/, s. [5]Binnewies, Allg. und Anorg. Chemie, S.280, s.[15]


EDTA verdrängt

2+(aq)

Mg2+(aq)

Mg2+(aq)

Ca2+(aq)

Komplexmit

EDTA(farblos)

Komplex

Indikator(rot)

mit dem Indikator durch

(grün)

Ca

Abb. 5.4: Schema zum Ablauf der komplexo-metrischen Titration

Kapitel 6

Großtechnische Verfahren

6.1 Schwefelsaureherstellungnach dem Kontaktverfah-

ren

Gerate

• Porzellanschale

• Glastrichter (ca. 12 cm ∅)

• Verbrennungsrohr

• 2 passende durchbohrte Stopfen mit Glasrohr

• 3 Waschflaschen


• Brenner

• 100-ml-Enghals-Erlenmeyerkolben

• Tropfpipette

• Glaswolle

• Schlauchmaterial,

• Stativmaterial

Chemikalien

• Schwefel, S8(s)

• Vanadiumpentoxid (Pellets), V2O5(s), (ge-sundheitsschadlich, Xn)

• Univeralindikator

• Bariumchlorid-Losung, w(BaCl2) = ca. 1%,(gesundheitsschadlich, Xn)

• konzentrierte Schwefelsaure,w(H2SO4) = ca. 98%, (atzend, C)

• dest. Wasser


Schwefeldioxid ist giftig. Abzug benutzen. Vor-sicht beim Umgang mit konzentrierter Schwe-felsaure. Schutzbrille und Schutzhandschuheverwenden.

Durchfuhrung

Die Apparatur wird entsprechend Abb. 6.1im Abzug aufgebaut. Das Verbrennungsrohrwird mit den Katalysatorpellets gefullt undbeidseitig mit Glaswollepfropfen sowie den mitGlasrohrchen versehenen Gummistopfen ver-schlossen. Die erste Waschflasche bleibt leer,die zweite wird mit destilliertem Wasser +Universalindikator und die dritte mit Schwe-felsaure gefullt. In der Porzellanschale haltman etwa 5 g Schwefel durch dauerndes Erhit-zen mit der Brennerflamme am Brennen undsetzt die Wasserstrahlpumpe in Gang. Nunwird der Katalysator mit rauschender Bren-nerflamme bis zum Ende des Versuchs erhitzt(etwa 5 - 10 min).Die in der zweiten Waschflasche durch Re-aktion mit destilliertem Wasser entstandeneLosung wird dann mit Bariumchlorid-Losunggepruft. Zur Prufung der Schwefelsaure (bzw.des entstandenen Oleums) in der drittenWaschflasche kann unter großter Vorsicht ei-ne geringe Menge mit der Tropfpipette ent-nommen und in einen zur Halfte mit Was-ser gefullten Erlenmeyerkolben getropft wer-den (Schutzbrille und saurefeste Handschuheverwenden! Vorkehrungen gegen entweichendeSaurespritzer treffen!)

Auswertung

1. Formulieren Sie fur samtliche Reaktio-nen die Reaktionsgleichungen und verse-hen Sie diese mit Enthalpiewerten.

2. Wie stark ist die Gasblasenbildung in de-

55

56 KAPITEL 6. GROSSTECHNISCHE VERFAHREN

Vanadiumpentoxid

Schwefel

Glaswolle

zur Wasser−

strahlpumpe

Wasser mitUniversalindikator

konz.Schwefelsäure

Abb. 6.1: Versuch zum Schwefelsaure-Kontaktverfahren

stilliertem Wasser verglichen mit der inkonzentrierter Schwefelsaure? Was sagtdies aus uber die Loslichkeit des Schwe-feltrioxids?

Theorie

Eines der wichtigsten großtechnischen Verfah-ren der chemischen Industrie ist die Herstel-lung von Schwefelsaure. Sie wird heute aus-schließlich nach dem Doppelkontaktverfahrenhergestellt, bei dem es einen ersten Katalysa-tor und fur das nicht reagierte Schwefeltrioxidnoch einen zweiten Katalysator gibt. Der Ka-talysator, Vanadiumpentoxid, begunstigt fol-gende Reaktion:

2SO2 + O2 → 2SO3; ∆H > 0

Das Schwefeldioxid wird technischhauptsachlich aus der Verbrennung ele-mentaren Schwefels, sowie aus Rostprozessenverschiedener Erze erhalten. Um nun Schwe-felsaure zu erhalten, kann das Schwefeltrioxidals ihr Anhydrid in Wasser gelost werden. DieLoslichkeit in konzentrierter Schwefelsaureist jedoch bedeutend besser, wobei sich hierzunachst Dischwefelsaure bildet, die mitWasser zu Schwefelsaure umgesetzt wird.

Literatur


6.2. HABER-BOSCH-VERFAHREN 57

6.2 Haber-Bosch-Verfahren

Gerate

• Verbrennungsrohr (8-10mm∅)

• Reagenzglas

• Morser mit Pistill

• Hammer

• 4 Waschflaschen

• Y-Schlauchverbinder

• Glaswolle

• Brenner

• Lotrohr oder Glasrohr mit Ruckschlagsiche-rung

• Schlauchmaterial

• Stativmaterial

Chemikalien

• Wasserstoff, H2(g), (leicht entzundlich, F)

• Stickstoff, N2(g)


• Cereisen (Feuersteine)

• Paraffin (dunnflussig)


Aufgrund der Explosionsgefahr sollte eineSchutzscheibe verwendet werden. Da die Ap-paratur durch die Waschflaschen ein großesTotvolumen aufweist, sollte lange genug mitden Gasen gespult werden und die Knallgas-probe –auch wenn sie negativ verlauft– mehr-mals wiederholt werden.

Durchfuhrung

Die Feuersteine werden in das Verbrennungs-rohr gefullt und dieses beidseitig mit Glaswol-lepfropfen verschlossen. Nachdem die Appa-ratur entsprechend Abb. 6.2 aufgebaut wor-den ist, werden die beiden Waschflaschen,die als Blasenzahler dienen, zu einem Drittelmit Paraffin und die endstandige Waschflasche

mit destilliertem Wasser und Phenolphthalein-Losung gefullt. Die Gase Stickstoff und Was-serstoff werden so durch die sorgsam auf Gas-dichtigkeit geprufte Apparatur geleitet, dassan den Blasenzahlern das stochiometrischeVerhaltnis von etwa 1:3 erreicht wird. Nacheiniger Zeit wird das am Lotrohr entweichen-de Gasgemisch mit dem Reagenzglas aufge-fangen und eine Knallgasprobe durchgefuhrt.Verlauft diese negativ, wird das Gas amLotrohr entzundet und der Katalysator im Re-aktionsrohr erhitzt. Der Versuch wird beendet,wenn der Indikator in der Waschflasche einedeutliche Farbung aufweist.ACHTUNG: Die Gaszufuhr wird erst nachdem Erkalten der Apparatur unterbrochen.

Theorie

Das eigentliche Haber-Bosch-Verfahren ist alseinfacher Modellversuch nicht durchfuhrbar,da er Drucke von mehr als 200 bar erfordert.Es lasst sich jedoch zeigen, dass die ElementeStickstoff und Wasserstoff mit einem Cereisen-haltigen Katalysator zur Reaktion gebrachtwerden konnen und dabei Ammoniak entsteht.

Literatur



Glaswolle

Cereisen (Feuersteine)

Lösung

Paraffin

Phenolphthalein−

Stickstoff

Wasserstoff

Lötrohr mitRückschlagsicherung

Paraffin

Abb. 6.2: Versuch zur Ammoniak-Synthese

. .

6.3. OSTWALD-VERFAHREN 59

6.3 Ostwald-Verfahren

Gerate

• Verbrennungsrohr (Quarz, 8-10mm∅)

• 3 Waschflaschen


• weißer Hintergrund

• Geblasebrenner (Temperatur muss hoch genugsein)


• Stativmaterial

Chemikalien

• konz. Ammoniak-Losung, w(NH3) = 26%, (rei-zend, Xi)

• Univeralindikator-Losung

• Katalysator: Platin-Rhodium-Drahtnetz oderPlatinquarzwolle (z.B. PHYWE 31762.01)

• dest. Wasser

Durchfuhrung

Die Apparatur wird entsprechend Abb. 6.3im Abzug aufgebaut. Das Quarzrohr wird mitdem Katalysator versehen. Die erste Wasch-flasche fullt man zu einem Drittel mit derSosung, die endstandige Waschflasche mitUniversalindikator-Losung. Hinter die leereWaschflasche stellt man den weißen Hinter-grund. Die Wasserstrahlpumpe wird in Ganggesetzt. Der Katalysator wird mit dem Bren-ner erhitzt und die Pumpe wird so eingestellt,dass die Reaktion selbststandig weiterlauft,was durch die Rotglut des Katalysators beileicht abgedunkeltem Raum bzw. Abzug er-kennbar ist.

Auswertung

1. Formulieren Sie fur jeden Reaktions-schritt vom Ammoniak bis zur Salpe-tersaure die entsprechende Reaktionsglei-chung.

2. Welche außer der von Ihnen angegebenReaktion sind am Katalysator noch denk-bar?

Theorie

Das Birkeland-Eyde-Verfahren zur Herstellungvon Salpetersaure wird im Zusammenhang mitder Bildung von Stickoxiden im Lichtbogen (s.Versuch 4.3) erwahnt. Das heute hauptsachlichangewendete Ostwald-Verfahren arbeitet mitPlatin-Rhodium-Netzen als Katalysatoren, andenen Stickstoff zu Stickstoffmonoxid umge-setzt wird, welches weiter zu Stickstoffdioxidreagiert. Dieses lost sich in Wasser und bildetSalpetersaure sowie erneut Stickstoffmonoxid,das wieder in den Kreislauf eingeht.

Literatur



Glaswolle Platinkatalysator

Lösung LösungAmmoniak−

zur Wasserstrahl−pumpe

Universalindikator−

Abb. 6.3: Versuch zum Ostwald-Verfahren

Kapitel 7

Thermochemie

7.1 Eine Entropie-gesteuerteendotherme Reaktion

Gerate

• 50ml-Erlenmeyerkolben

• digitales Thermometer

• Schwamm

Chemikalien

• Bariumhydroxid, Ba(OH)2 · 8H2O(s), atzend,C, gesundheitsschadlich, Xn

• Ammoniumthiocyanat, NH4SCN(s), gesund-heitsschadlich, Xn

Durchfuhrung

Die abgewogenen Portionen von Bariumhy-droxid und Ammoniumthiocyanat (etwa je 3 g)werden gemeinsam in den Erlenmeyerkolbeneingebracht und der Kolbeninhalt durch krei-sende Drehbewegungen vermischt. Dann wirdder Kolben fur 1 min sanft auf einen feuchtenSchwamm gedruckt, so dass dieser schließlicham Kolben haften bleibt. Wahrend dieser Zeitwird die Temperatur des Kolbeninhalts gemes-sen, sowie eine Geruchsprobe an der Kolbenoff-nung durchgefuhrt.

Auswertung

1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung.

2. Wenden sie die Begriffe Freie Enthalpie,Reaktionsenthalpie und Entropie auf die-

se Reaktion an und erklaren Sie, weshalbdiese Reaktion spontan ablauft.

Theorie

Diese endotherme Reaktion ist etwas außer-gewohnlich. Nicht weil wie bei allen endother-men Reaktionen die Entropie die Triebfederder Reaktion ist, sondern weil bei Raumtem-peratur zwei Feststoffe langsam eine flussigeLosung bilden, die zusatzlich stark abkuhltund ein Gas freisetzt.

Ba(OH)2 · 8 H2O + 2 NH4SCN→ Ba(SCN)2 + NH3 + 10 H2O

In dieser Reaktionsgleichung ist zu beachten,dass nicht genau klar ist, wie das Kristallwas-ser des Bariumhydroxids in die Produkte ein-geht. Es steht jedoch fest, dass es wichtig furdie Gesamtreaktion ist.

Literatur

Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 2, S.199, s [9]

61

62 KAPITEL 7. THERMOCHEMIE

7.2 Schnelle Warme ausKristallen

Gerate

• 200-ml-Weithals-Erlenmeyerkolben mit passen-dem Stopfen (evtl. auch dicker Wattebausch)


• Brenner

• Glasstab

Chemikalien

• Natriumacetat-Trihydrat,CH3COONa · 3H2O(s)

Durchfuhrung

In den Erlenmeyerkolben werden 10 ml Was-ser und anschließend 100 g Natriumacetat ge-geben. (Im Praktikum ist der Kolben schonangesetzt und wird standig wiederverwendet.)Der Kolben wird mit einem Stopfen (evtl. auchdicker Wattebausch) nicht ganz luftdicht ver-schlossen. Zum Losen wird die Salz-Wasser-Mischung kurz erhitzt. Wenn alles Salz gelostist, wird auf etwa 20oC abgekuhlt.Nun wird die ubersattigte Losung durch Krat-zen an der Glaswand oder Hinzufugen einesNatriumacetat-Kristalls zur Kristallisation ge-bracht.

Auswertung

Wie ist der Temperaturanstieg zu erklaren?

Theorie

Die meisten kauflichen Warmekissen beruhengenau auf dieser Reaktion. Durch Erwarmenwird eine ubersattigte Losung des Hydrats her-gestellt. Dieser Zustand ist metastabil. Kristal-lisationskeime, z.B. kleinere Verunreinigungenoder Impfkristalle, bewirken das Auskristalli-sieren und fuhren zum gewunschten Tempera-turanstieg.

Literatur


7.3. SCHNELLE WARME MIT HILFE EINER REDOX-REAKTION 63

7.3 Schnelle Warme mit Hilfeeiner Redox-Reaktion

Gerate

• 50ml-Becherglas


Chemikalien

• Eisenpulver, Fe(s)

• Aktivkohle (fein), C(s)

• Natriumchlorid, NaCl(s)

• Wasser

Durchfuhrung

In dem Becherglas werden 16 g Eisenpulver,3 g Aktivkohle und 3 g Natriumchlorid gutvermischt. Anschließend werden nur so vieleTropfen Wasser zugegeben, dass das Gemischnicht feucht erscheint. Die so entstandene Mas-se sollte nicht platt gedruckt sein sondern auf-gelockert im Becherglas vorliegen.

Auswertung

1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung.

2. Welche Aufgabe kommt den einzelnenEdukten zu?

Theorie

Nicht nur Kristallisationswarme findet alltagli-che Anwendung. Die Warmefreisetzung einerRedox-Reaktion, hier das Rosten von Eisen,kann sogar fur die Zubereitung heißer Speisenbenutzt werden, da hier Temperaturen von et-wa 80oC entstehen.

Literatur


.


7.4 Entropieanderung einesRedox-Prozesses

7.4.1 Wasserwert-Bestimmung desKalorimeters

Gerate

• Dewar-Gefaß (ca. 200ml, hohe Form) und Ab-deckung mit Durchfuhrung fur Thermometerund Ruhrer

• Thermometer mit Ablesegenauigkeit von 1

10

oC

• 100ml-Pipette

• Netzgerat mit Moglichkeit zur Strom- undSpannungskonstanthaltung

• spiralformig gewundener Draht als elektrischerWiderstand zur Warmeproduktion

• Stoppuhr

• 2 Krokodilklemmen


Chemikalien

• dest. Wasser

der Heizspirale

Rührstab

Krokodilklemmen an den Drähten

+ −125 mA

+ −

0V

10V

20V

+ −8 V

21oC

Dewar−Gefäß

Thermofühler

Abb. 7.1: Kalorimeteraufbau

Durchfuhrung

Das Dewar-Gefaß wird mit 100 ml Wassergefullt und mit der Abdeckung verschlossen,in die das Thermometer, der Ruhrer und dergewundene Heizdraht eingelassen sind. An denEnden des Drahts werden die Krokodilklem-men befestigt und diese uber Kabel mit demNetzgerat verbunden, das eine Ende mit dem

Pluspol, das andere mit dem Minuspol. Nunstellt man am Netzgerat rasch eine konstanteStromstarke von ca. 2 A ein, notiert den zu-gehorigen Spannungswert und beginnt gleich-zeitig die Zeitnahme. Wahrend der Aufheiz-phase wird immer wieder geruhrt.Der Stromfluss wird solange aufrecht erhaltenbis sich das Wasser im Dewar-Gefaß um etwa1oC erwarmt hat. Beim Ausschalten des Netz-gerates wird die Zeit genommen. Da der Heiz-draht jedoch noch warm ist, wird die Tempe-ratur erst etwas spater abgelesen, so dass dieRestwarme noch abgegeben werden kann.

Auswertung

Berechnen Sie den Wasserwert des Kalorime-ters.

Theorie

Der Wasserwert eines Kalorimeters ermoglichtes anhand der Temperaturanderung im wasser-gefullten Kalorimeter auf die Reaktionsenthal-pie zu schließen. Um dies vorher abzugleichen,wird dem Kalorimeter eine definierte Energie-menge zugefuhrt und die dadurch hervorgeru-fene Temperaturanderung gemessen. Die Ener-giemenge wird hier in Form elektrischer Arbeitzugefuhrt. Beide Großen besitzen die EinheitJoule.

∆H = Wel = U · I · t

Der Wasserwert C des Kalorimeters ist dannder Quotient aus eben dieser elektrischen Ar-beit und dem Temperaturanstieg ∆T.

C = Wel∆T = ∆H

∆T

Literatur


7.4. ENTROPIEANDERUNG EINES REDOX-PROZESSES 65

7.4.2 Bestimmung von Enthalpien

Gerate

• Dewar-Gefaß (ca. 200 ml, hohe Form) und Ab-deckung mit Thermometer und Ruhrer


10

oC

• 100ml-Pipette

• 250ml-Becherglas

Chemikalien


l

• Kupferpulver, Cu(s)

• verdunnte Salzsaure, c(HCl) = 2 mol

l

• dest. Wasser

Durchfuhrung

In das Dewar-Gefaß werden 100 ml 0,1 molareSilbernitrat-Losung gegeben. Danach werdenca. 2 g Kupferpulver (knapp 10-facher Uber-schuss) hinzugefugt und das Dewargefaß mitder Abdeckung (Thermometer, Ruhrer) ver-schlossen. Der Temperaturanstieg wird unterstandigem Ruhren beobachtet. Andert sich dieTemperatur nicht mehr, wird der Endwert no-tiert.Zum Schluss kann die Reaktionslosung nochmittels verdunnter Salzsaure auf evtl. vorhan-dene Silber-Ionen gepruft werden.

Auswertung

Berechnen Sie anhand des zuvor bestimm-ten Wasserwertes die Reaktionsenthalpie die-ses Redox-Prozesses.

Theorie

Die hier verwendete Formel wurde schon imvorigen Abschnitt gegeben. Allerdings ist sienoch nach ∆H aufzulosen.

∆H = C · ∆T

Literatur


7.4.3 Bestimmung von Freien Ent-halpien

Gerate


• Krokodilklemmen

• Filterpapier

• Kabel

• Spannungsmessgerat(Innenwiderstand > 1 MΩ)

Chemikalien


l


l

• Kupferelektrode

• Silberelektrode

Durchfuhrung

Die Becherglaser werden zur Halfte mit denMetallsalz-Losungen gefullt und die entspre-chenden Metallelektroden eingetaucht. ZurMessung werden die Becherglaser mit einem inKaliumnitrat-Losung getrankten Filterpapier-streifen verbunden. Mit dem Spannungsmess-gerat wird die Zellspannung gemessen und no-tiert.

Auswertung

1. Berechnen Sie aus der gemessenen Zell-spannung die Freie Enthalpie des Redox-Prozesses.

2. Berechnen Sie schließlich aus dem erhal-tenen Wert der Freien Enthalpie und demWert der Reaktionsenthalpie die Entropiedieses Redox-Prozesses.


Theorie

Die elektromotorische Kraft eines galvanischenElements ist nach folgender Formel mit derFreien Enthalpie verknupft.

∆G = −z · F · ∆E

Die Entropie wird letztlich mit Hilfe derGibbs-Helmholtz-Gleichung ermittelt.

∆G = ∆H − T · ∆S

Literatur


.

7.5. BESTIMMUNG DER VERBRENNUNGSWARME VON ZWIEBACK 67

7.5 Bestimmung derVerbrennungswarme

von Zwieback

7.5.1 Wasserwerte-Bestimmung desKalorimeters

Gerate

• spezielles Kalorimeter mit Ruhrer, Thermo-meter, Verbrennungskammer und Moglichkeitzur Erzeugung eines Gasstroms


10

oC

• Stativmaterial



Chemikalien

• Ethanol, CH3CH2OH(l), (entzundlich, F)

• Sauerstoff, O2(g)

Thermofühler

Sicherungsring

Verbrennungstiegel

Kupferspirale

zur Wasserstrahlpumpe

Rührer mit Motor

Sauerstoffanschluß

Auflagering

Abb. 7.2: Kalorimeteraufbau zur Bestimmungvon Verbrennungsenthalpien

Durchfuhrung

Das Kalorimeter wird mit Wasser gefullt undan die Wasserstrahlpumpe sowie an die Sau-erstoffzufuhr angeschlossen. In den Verbren-nungstiegel wird Ethanol genau eingewogen,so dass dieser fast gefullt ist. Nach Entzundendes Ethanols wird es rasch in die Verbren-nungskammer hineingestellt und bei schwa-cher Einstellung des Sauerstoffstroms und derWasserstrahlpumpe wird die Verbrennung un-terhalten bis sich das Wasser um ca. 5oCerwarmt hat. Der restliche Inhalt an Ethanolwird zuruckgewogen.

Auswertung

Berechnen Sie den Wasserwert des Kalorime-ters.

Theorie

Das Prinzip der Wasserwert-Bestimmung istidentisch dem des vorhergehenden Versuchs (s.Versuch 7.4.1). Lediglich die definierte Ener-giemenge wird auf andere Art und Weise zu-gefuhrt. Dazu wird eine bekannte Masse undsomit auch Stoffmenge an Ethanol verbranntund uber die molare Verbrennungsenthalpiedes Ethanols auf die zugefuhrte Enthalpiemen-ge geschlossen.

∆H = n · ∆Hm,Verbr.

Der Wasserwert C des Kalorimeters ist dannder Quotient aus eben dieser Verbrennungsent-halpie und dem Temperaturanstieg ∆T.

C =∆Hm,Verbr.

∆T

Literatur



7.5.2 Bestimmung der Verbren-nungswarme von Zwieback

Gerate

• spezielles Kalorimeter mit Ruhrer, Thermo-meter, Verbrennungskammer und Moglichkeitzur Erzeugung eines Gasstroms


10

oC

• Stativmaterial



Chemikalien

• Zwieback

• Sauerstoff, O2(g)

Durchfuhrung

Das Kalorimeter wird komplett mit Wassergefullt und an die Wasserstrahlpumpe so-wie an die Sauerstoffzufuhr angeschlossen. Inden Verbrennungstiegel wird ein kleines StuckZwieback (ca. 0,8 g) genau eingewogen. NachEntzunden des Zwiebacks wird dieser raschin die Verbrennungskammer hineingestellt undbei schwacher Einstellung des Sauerstoffstromsund der Wasserstrahlpumpe wird die Verbren-nung unterhalten bis der Zwieback restlos ver-brannt ist.

Auswertung

Berechnen Sie die Verbrennungsenthalpie vonZwieback bezogen auf 100 g. (Packungsauf-schrift: 1667 kJ

100g )

Theorie

Die Verbrennungsenthalpie von Zwieback istdas Produkt aus Wasserwert C und Tempe-ratzranstieg ∆T.

∆HVerbr. = C · ∆T

Literatur


7.6. THERMIT-VERFAHREN 69

7.6 Thermit-Verfahren

Gerate

• Reaktionstiegel mit Verschlussplatte undDeckel

• Auffangtiegel

• Tiegelstander

• Sand

• feuerfeste Unterlage

• Schale mit Sand

Chemikalien

• Eisen(III)oxid, Fe2O3(s)

• Aluminiumgrieß, Al(s)

• Zundstabchen

Sand gefüllt

Deckel

Reaktionstiegel

Tiegelständer

Auffangtiegel

Blechschale mit

Abb. 7.3: Thermit-Verfahren

Durchfuhrung

Der Reaktions- sowie Auffangtiegel und Deckelwerden mit dem Bunsenbrenner erwarmt biskeine Feuchtigkeit mehr vorhanden ist. DerTiegelstander mit dem getrockneten Reakti-onstiegel wird in das mit Sand gefullte Blechgestellt. Die Verschlussplatte wird mittig inden Reaktionstiegel gelegt und eine Thermit-Portion eingefullt (nur trockene verwenden).Zum Schluss wird noch der Deckel auf den Re-aktionstiegel gelegt und der Auffangtiegel mit-tig darunter gestellt. Er sollte auf moglichstviel Sand stehen.Um die Reaktion in Gang zu setzen, wirddas Zundstabchen am Brenner entzundet undrasch durch das Loch im Deckel in dieThermit-Portion gesteckt.

Auswertung

Wie ist die hohe Reaktionsenthalpie zu er-klaren?

Theorie

Jeder Zugfahrer vertraut auf diese Reakti-on, die beim Schweißen der Eisenbahnschie-nen ablauft. Dass die dafur notwendigen ho-hen Temperaturen uberhaupt erreicht werden,liegt an der außerst hohen Bildungsenthalpievon Aluminiumoxid.

Literatur

Skript zum Demo-Praktikum AC, alte Versi-on, s. [6]Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 5, S.350, s. [4]

Kapitel 8

Alkalimetalle und Halogene

8.1 Schmelzflusselektrolysevon Natriumchlorid

Gerate

• Magnesiarinne

• dunne Eisenstabchen als Elektroden

• Krokodilklemmen


• Gleichspannungsquelle

• Amperemeter

• 2 Bunsenbrenner

• Dreifuß

• Keramikdrahtnetz

• Stativmaterial

Chemikalien

• Natriumchlorid, NaCl

• Kaliumchlorid, KCl

Durchfuhrung

In die Magnesiarinne wird ein Gemisch ausNatrium- und Kaliumchlorid im Verhaltnis 1:1gegeben (Kaliumchlorid dient zur Schmelz-punkterniedrigung). Die Eisenelektroden tau-chen in das Gemisch ein und sind uber dieKrokodilklemmen und Verbindungskabel mitder Gleichspannungsquelle verbunden. Zusatz-lich ist noch ein Amperemeter zwischenzu-schalten. Das Gemisch wird von oben und un-ten mit Bunsenbrennern erhitzt bis Strom-fluss einsetzt. Danach reicht die entstehen-de Stromwarme zur Aufrechterhaltung derSchmelztemperatur aus.

Theorie

Die Elektrolyse setzt an der Kathode (Ort derReduktion) Natrium frei, das aufgrund der ho-hen Temperatur des Reaktionsgemisches unterAufgluhen verbrennt. An der Anode (Ort derOxidation) steigen grune Chlordampfe auf.

Literatur

Skript zum Demo-Praktikum AC, alte Versi-on, s. [6]Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 6, S.325ff, s. [2]

71

72 KAPITEL 8. ALKALIMETALLE UND HALOGENE

8.2 Darstellung von Chlorund Reaktion mit

Natrium

8.2.1 Darstellung von Chlor

Gerate


• 100-ml-Tropftrichter mit Stopfen

• Schliffolive

• Schlauch

• 500-ml-Standzylinder mit Abdeckplatte

Chemikalien

• Natriumhypochlorit-Losung, w(NaOCl)= 6-14%

• konzentrierte Salzsaure, w(HCl)= 36%

Durchfuhrung

Im Mehrhalskolben werden ca. 100 mlNatriumhypochlorit-Losung vorgelegt. Dazuwird vorsichtig konzentrierte Salzsaure ge-tropft. Das sich entwickelnden Chlor wird mitdem Standzylinder pneumatisch aufgefangen.

Auswertung

Formulieren Sie die zugehorige Reaktionsglei-chung.

Theorie

Im Gegensatz zu basischen Losungen kom-proportioniert ein Gemisch aus Chlorid- undHypohalogenit-Ionen im Sauren und ent-wickelt Chlor.

8.2.2 Reaktion mit Natrium

Gerate

• Reagenzglas mit seitlichem Loch (durch Aus-blasen des schmelzenden Glases selbst herstel-len)

• Gummistopfen mit eingesetztem Glasrohr zumAusblasen des Reagenzglases

• mit Chlor gefullter Standzylinder

• Reagenzglasklammer

• Messer

• Pasteurpipette

Chemikalien

• Natrium, Na(s)

• Wasser

Durchfuhrung

Ein linsengroßes, frisch abgeschnittenes StuckNatrium wird in das Reagenzglas mit seitli-chem Loch gebracht. Das Reagenzglas wirdganz oben mit der Klammer gehalten. MitHilfe einer Pasteurpipette wird etwas Wasserauf das Natrium getropft und das Reagenzglasmit Klammer rasch in den mit Chlor gefulltenStandzylinder gehangt.

Theorie

Die Heftigkeit der Reaktion zeigt, dass Natri-um und Chlor in stark exothermer Reaktionreagieren.

Literatur

Skript zum Demo-Praktikum AC, alte Versi-on, s. [6]Handbuch der Experimentellen Chemie Se-kundarbereich II, Band 2, S.270, s. [9]

8.3. REAKTION VON LITHIUM MIT LUFTSTICKSTOFF 73

8.3 Reaktion von Lithium mitLuftstickstoff

Gerate

• 2 Eisenschalen

• 2 Porzellanschalen


• Brenner

• Uhrglas

• Universalindikator-Papier

Chemikalien

• Lithiumstangen, Li(s), (atzend, C, leicht-entzundlich, F)

• Natrium, Na(s), (atzend, C; leichtentzund-lich, F)

• dest. Wasser

Durchfuhrung

In die Eisenschale wird ein erbsengroßes StuckLithium gegeben. Zuerst wird die Schale vonunten erhitzt, dann das Lithium von oben mitdem Bunsenbrenner entzundet. Wenn das Me-tall brennt, wird sofort ein Becherglas darubergestulpt. Nach Erloschen der Flamme wirddas Becherglas noch einmal kurz angehoben.Anschließend wird der identische Versuch miteinem erbsengroßen Stuck Natrium durch-gefuhrt.Die in den Schalen entstandenen Ruckstandewerden jeweils in einer Porzellanschale mitWasser versetzt. Ein Uhrglas mit angefeuch-tetem Indikatorpapier wird aufgelegt.

Auswertung

1. Formulieren Sie die entsprechenden Reak-tionsgleichungen.

2. Erklaren Sie, wieso Lithium unter demBecherglas weiterbrennt, Natrium hinge-gen nicht.

Theorie

Bei der Verbrennung an Luft und unter Stan-dardbedingungen zeigt Lithium eine Ausnah-me. Es bildet als einzigstes Alkalimetall ne-ben Sauerstoffverbindungen (Oxide) das Ni-trid Li3N. Dies lasst sich durch Umsetzen mitWasser am Ammoniakgeruch nachweisen.

Literatur



8.4 Reaktion von Natriummit Kohlenstoffdioxid

Gerate

• Reagenzglas

• Wattebausch oder Bunsenventil


• Brenner

Chemikalien

• Kohlenstoffdioxid, CO2(g), (aus Stahlflasche)


Durchfuhrung

Kohlenstoffdioxid wird in ein Reagenzglasgefullt und ein sorgfaltig entrindetes, pfeffer-korngroßes Stuck Natrium hineingegeben. Eswird sofort mit dem Wattebausch oder demBunsenventil verschlossen. Jetzt wird das Na-triumstuckchen kraftig erhitzt, wobei das Rea-genzglas waagrecht gehalten und geschutteltwird bis eine Reaktion eintritt. Der Bren-ner wird dann entfernt. Anschließend wirddas Reaktionsprodukt mit Wasser aufgenom-men (Zersetzen von Natriumresten) und dannnoch ein bis zwei Tropfen halbkonzentrierteSalzsaure hinzugefugt.

Auswertung

Formulieren Sie die zugehorigen Reaktionsglei-chungen.

Theorie

Dieser Versuch zeigt den sehr unedlen Charak-ter der Alkalimetalle, die sich nicht mit Koh-lenstoff reduzieren lassen, wie es zur Gewin-nung einiger anderer Metalle ublich ist. Statt-dessen reduzieren sie Kohlenstoffdioxid zu ele-mentarem Kohlenstoff. Als weiteres Reaktions-produkt fallt Natriumcarbonat an.

Literatur


8.5. VERHALTEN DER ALKALIMETALLE IN WASSER 75

8.5 Verhalten der Alkali-metalle in Wasser

8.5.1 Reaktion von Lithium, Natri-um und Kalium mit Wasser

Gerate

• große Glaswanne

• Pinzette

• Messer

Chemikalien

• Lithiumstangen, Li(s), (atzend, C; leicht-entzundlich, F)

• Natrium, Na(s), (atzend, C; leichtentzundlich,F)

• Kalium, K(s), (atzend, C; leichtentzundlich, F)

• Spulmittel


Durchfuhrung

Kleine, etwa pfefferkorngroße, gut entrindeteStuckchen von Lithium, Natrium bzw. Kali-um werden vorsichtig mit der Pinzette in diemit Wasser halbgefullte Glaswanne geworfen.Der Zusatz von Spulmittel kann das Festhaf-ten der Metallkugelchen am Glasrand verhin-dern. Phenolphthalein zeigt die Stellen alkali-scher Reaktion auf.

Auswertung

1. Wie ist die Heftigkeit der Reaktion abge-stuft?

2. Steht dies mit den Reaktionsenthalpienim Einklang?

Theorie

Die Alkalimetalle reagieren mit Wasser zu demjeweiligen Hydroxid und Wasserstoff. Eigent-lich musste Lithium die heftigste Reaktion mit

Wasser zeigen, da es als Element mit dem ne-gativsten Redoxpotential die großte Energiefreisetzen musste. Jedoch scheinen hier eher ki-netische Aspekte eine Rolle zu spielen, so dassdie Heftigkeit der Reaktion mit Wasser zumLithium hin abnimmt.

Literatur


8.5.2 Reaktion von Lithium und Na-trium auf einem Filterpapier

Gerate

• s. Versuch 8.5.1

• Rundfilter

Chemikalien

• Lithiumstangen, Li(s), (atzend, C; leicht-entzundlich, F)


Durchfuhrung

In der Glaswanne wird auf die Wasserober-flache ein Rundfilter plaziert und sofort mitder Pinzette das jeweilige pfefferkorngroße Al-kalimetallstuck daraufgelegt.

Auswertung

Wieso entzundet sich das Natrium in diesemFall?

Theorie

Das Filterpapier verhindert die schnelleAbfuhrung der Reaktionswarme, so dass nicht


nur das Metall schmilzt, sondern auch der ge-bildete Wasserstoff entzundet wird. Die Flam-me leuchtet in der charakteristischen Farbe desMetalls, da stets wenige Atome des Metalls indie Flamme mitgezogen werden.

Literatur


.

8.6. MODELLVERSUCH ZUR VERWITTERUNG VON KALKSTEIN 77

8.6 Modellversuch zur Ver-witterung von Kalkstein

Gerate

• Hammer

• Amboss

• Morser mit Pistill

• Waschflasche mit Gaseinleitungsfritte

• 2 Becherglaser

• 2 Trichter

• 2 Faltenfilter

• Dreifuß

• Keramikdrahtnetz

• Brenner

Chemikalien

• Marmorstuckchen, CaCO3(s)

• Kohlenstoffdioxid, CO2(g) (aus Stahlflasche)

• dest. Wasser

Durchfuhrung

Einige Marmorstucke werden mit einem Ham-mer auf dem Amboss moglichst stark zerklei-nert und dann im Morser pulverisiert. Das Pul-ver wird in einer Waschflasche mit dest. Was-ser aufgeschlammt. Dann wird 10 min langKohlenstoffdioxid durch die Aufschlammunggeleitet. Anschließend wird filtriert. Das klareFiltrat wird auf dem Dreifuß uber der Bren-nerflamme erhitzt.Zum Vergleich gibt man etwa die gleicheMenge Marmorpulver in ein Becherglas undschlammt mit dest. Wasser auf ohne Kohlen-stoffdioxid durchzuleiten. Nach 10 min wirdebenfalls filtriert und das klare Filtrat erhitzt.

Auswertung

Formulieren Sie die Gleichgewichtsreaktion,die diesem Versuch zu Grunde liegt.

Theorie

Dieser Versuch lasst sich auf die Bildung vonKesselstein bzw. die Bildung von Tropfstein-gebilden ubertragen. Er beruht auf folgenderGleichung.

CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2HCO−

3

In Kalksteingebieten bzw. in kalkreichenBoden ist ausreichend Calciumcarbonat vor-handen. Zusatzlich herrscht im Boden stetsein hoher Partialdruck an Kohlenstoffdioxidaufgrund zahlreicher biologischer Atmungs-vorgange. Dieser bewirkt, dass nach obigerGleichung Kalkstein zu Calciumhydrogencar-bonat aufgelost wird. Gelangt dieses angerei-cherte Wasser in eine Hohle mit niederem Koh-lenstoffdioxidpartialdruck, so lauft die Reakti-on ruckwarts ab und es bilden sich Tropfstein-gebilde aus Calciumcarbonat.Ebenso verschiebt sich das Gleichgewicht inder Hitze auf die Seite des Calciumcarbonats,da Kohlenstoffdioxid entweicht. Kalkablage-rungen an Heizgeraten oder in Topfen sind dieFolge davon.

Literatur


Kapitel 9

Sauerstoff und Schwefel

9.1 Singulett-Sauerstoff:Mallet-Reaktion

Gerate

• 250-ml-Gaswaschflasche mit Glasfritte

• Mehrhalskolben

• Tropftrichter

• PVC-Schlauch

• Stativmaterial

Chemikalien

• konzentrierte Wasserstoffperoxid-Losung(Perhydrol), w(H2O2) = 30%, atzend, C

• Natronlauge, w(NaOH) = 10%, atzend, C

• Kaliumpermanganat, KMnO4(s), gesund-heitsschadlich, Xn, brandfordernd, O

• konzentrierte Salzsaure, w(HCl) = 36%,atzend, C

Durchfuhrung

Die Apparatur wird gemaß Abb. 9.1 aufge-baut. Die Gaswaschflasche wird zuerst mit 100ml Natronlauge gefullt und dann 25 ml Perhy-drol zugesetzt. Durch Zutropfen von Salzsaureauf festes Kaliumpermanganat wird ein kon-tinuierlicher Strom von Chlorgas erzeugt, deruber die Fritte in die Reaktionslosung geleitetwird.

Wasserstoffperoxid

Kaliumpermanganat

Konz. Salzsäure

Natronlauge und

Abb. 9.1: Singulett-Sauerstoff

Auswertung

Formulieren Sie fur die einzelnen Schritte diezugehorigen Reaktionsgleichungen.

Theorie

Das Sauerstoffmolekul kann drei Spinzustandeannehmen. Der normale Triplett-Sauerstoff(3O2) besitzt jeweils ein Elektron mit glei-chem Spin in den beiden antibindenden Π∗-Molekulorbitalen. Der energetisch hoher lie-gende Singulett-Sauerstoff (1O2) hat beideElektronen mit entgegengesetztem Spin im sel-ben antibindenden Π∗-Molekulorbital, das an-dere bleibt leer. Die energiereichere seltenereForm des Singulett-Sauerstoffs (1O2) hat wie-derum jeweils nur ein Elektron in den bei-

79

80 KAPITEL 9. SAUERSTOFF UND SCHWEFEL

den antibindenden Π∗-Molekulorbitalen. Die-se besitzen aber nun entgegengesetzten Spin.Die Bezeichnung als Triplett- bzw. Singulett-Sauerstoff ruhrt von deren Spinmultiplizitather. Der normale Sauerstoff hat zwei ungepaar-te Elektronen mit gleichem Spin. Daraus er-gibt sich ein Gesamtspin von S = 2 · 1

2 = 1und eine Spinmultiplizitat von 2S + 1 = 2 ·

1 + 1 = 3. Das Ergebnis 3 erhalt den Na-men Triplett. Beim Singulett-Sauerstoff wirdjeder Spin durch einen entgegengesetzten Spinaufgehoben, so dass der Gesamtspin S=0 unddie Spinmultiplizitat = 1 ist. Daher der Na-me Singulett. Die Aufteilung der Elektronenin die einzelnen Molekulorbitale zeigt eben-falls, dass der Triplett-Sauerstoff paramagne-tisch, die beiden Singulett-Formen allerdingsdiamagnetisch sind.Der Ubergang von der Triplett- zur Singulett-Form und zuruck erfordert beide Male eineSpinumkehr. Dies ist jedoch quantenchemischverboten. Eine Spinumkehr kann trotzdem er-reicht werden, wenn bei photochemischer An-regung ein Sensibilisator verwendet wird oderwenn Singulett-Sauerstoff nicht durch Anre-gung des Grundzustands entsteht, sondern mitHilfe einer chemischen Reaktion erzeugt wird.Ein erneutes Zuruckfallen in den Grundzu-stand wird ermoglicht, indem zwei angereg-te Molekule ihre Spins austauschen oder siemit einem beliebigen Stoßpartner austauschenkonnen. Tauschen zwei Singulett-Sauerstoff-Molekule ihre Spins und fallen in den Triplett-Zustand, wird ein Lichtquant der Wellenlangeλ = 633 nm frei. Dies ist als orangerotes Leuch-ten zu sehen.In diesem Versuch wird Singulett-Sauerstoffmit Hilfe einer chemischen Reaktion erzeugt.Dabei wird mit Chlor in alkalischer LosungHypochlorit hergestellt, das nach folgender Re-aktion aus Wasserstoffperoxid den Singulett-Sauerstoff freisetzt.

HO − OH + OCl− HO − O− + H − OCl→ HO − OCl + HO−

− O − OCl + H2O

→1 O2 + Cl−

Literatur


9.2. OZON 81

9.2 Ozon

9.2.1 Bildung und UV-Absorptionvon Ozon

Gerate

• Ozonerzeugende Lampe

• Vorschaltgerat fur die ozonerzeugende Lampe

• Reaktionsgefaß aus Duranglas mit 3 An-schlussstutzen (Sauerstoffzufuhr uber ein U-Rohr, Silikonseptum, Auslaß uber ein Glas-rohr)

• UV-Handlampe

• fluoreszierender Schirm

• U-Rohr zur Blasenerzeugung bei der Sauer-stoffzufuhr

Chemikalien

• Sauerstoff, O2(g) (aus Stahlflasche)

Durchfuhrung

Die Apparatur ist nach Abb. 9.2 aufgebaut.Die Sauerstoffflasche wird uber einen Schlauchan das U-Rohr angeschlossen. Die Starke desSauerstoff-Stroms wird auf eine Blase pro seingestellt. Die ozonerzeugende Lampe im Re-aktionsrohr kann nun in Betrieb genommenwerden. Es ist unbedingt darauf zu achten,dass das Vorschaltgerat fur die ozonerzeugendeLampe angeschlossen ist! Sie sollte nicht langerals 5 min angeschaltet bleiben. Die UV-Lampewird so ausgerichtet, dass sie den Fluoreszenz-schirm anstrahlt. Das ausleitende Glasrohr istauf den Fluoreszenzschirm gerichtet.

Auswertung

Welche Reaktion lauft im Reaktionsrohr mitder Lampe ab?

Theorie

Molekularer Sauerstoff wird durch UV-Strahlung (λ < 240 nm) in Atome gespalten.

Diese reagieren mit weiteren Sauerstoff-Molekulen zu Ozon.

O2hν−→ 2O

O + O2 → O3

Das Ozonmolekul besitzt eine hohes Absorp-tionsvermogen fur UV-Strahlung (lebensnot-wendige Ozonschicht). Der Zerfall erfolgt ana-log seiner Bildung entweder durch Sauerstoff-atome oder durch UV-Strahlung (λ < 310nm).

O3hν−→ O2 + O

O3 + O → 2O2

Zerfall und Bildung des Ozonmolekuls stehenalso im Gleichgewicht.

9.2.2 Eigenschaften von Ozon

Gerate

• s.9.2.1

• Kaliumiodid-Starke-Papier

• Luftballon

Chemikalien

• s.9.2.1

Durchfuhrung

Die Apparatur wird wie in Versuch 9.2.1 inBetrieb genommen. Das ausleitende Glasrohrwird nun auf ein angefeuchtetes Kaliumiodid-Starke-Papier und auf einen aufgeblasenenLuftballon gerichtet.

Theorie

Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel mit ei-nem Standardpotential von Eo = 2,07 V.Die oxidierende Wirkung zeigt sich durchBlaufarben von Kaliumiodid-Starke-Papier.Selbst Gummi wird von Ozon angegriffen und


Injektion von

ozonerzeugendeLampe

Vorschaltgerät

U−Rohr zurBlasenerzeugung

Sauerstoff

mit Alufolie umwickeltReaktionsgefäß

UV−Lampe

FluoreszenzschirmTreibhausgasen

POWER

Wellenlänge

POWER

Abb. 9.2: Apparatur zur Herstellung von Ozon

macht diesen poros, was zum Schrumpfen ei-nes aufgeblasenen Luftballons fuhrt. In man-chen Fallen platzt dieser sogar.

9.2.3 Ozonabbauende Wirkung vonSpurengasen

Gerate

• s.9.2.1

• 10-ml-Spritze

Chemikalien

• s.9.2.1

• Halogenkohlenwasserstoffe

Durchfuhrung

Die Apparatur wird wie in Versuch 9.2.1 inBetrieb genommen. Die Spritze wird mit 5 mldes Halogenkohlenwasserstoffs gefullt. Nach-dem die ersten Ozonwolken auf dem Fluores-zenzschirm zu erkennen sind, wird der Halo-genkohlenwasserstoff langsam durch das Sep-tum in die Reaktionsrohre gespritzt.

Theorie

Das Ozon wird durch Fluorchlorkohlenwasser-stoffe (FCKWs) zerstort. Der erste Schritt istdie Spaltung der FCKWs durch UV-Strahlung(λ < 220 nm)

CF3Cl → CF3 + Cl

Jedes Chloratom kann im Mittel 10000 Ozon-Molekule katalytisch spalten, ohne dass UV-Strahlung notwendig ist.

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2

Literatur


9.3. POLYMORPHIE VON SCHWEFEL 83

9.3 Polymorphie von Schwefel

Gerate

• Reagenzglas


• Becherglas mit Wasser

Chemikalien

• Schwefelpulver, S(s)

Durchfuhrung

Ein Reagenzglas wird zu etwa einem Drit-tel mit Schwefel gefullt. Unter standigemSchutteln wird der Schwefel langsam erhitzt.Die Farb- und Viskositatsveranderungen wer-den beobachtet. Ist der Schwefel rotbraun unddunnflussig, wird er in ein mit kaltem Wassergefulltes Becherglas gegossen.

Theorie

Kristalliner Schwefel besitzt zwei Zustands-formen. Der rhombische Schwefel (α-S, gelb,S8-Ringe) geht bei 95,6oC in den mono-klinen Schwefel (β-S, gelb, S8-Ringe) uber.Dieser Ubergang ist wahrend des Erhitzensnicht zu erkennen, allerdings sublimiert Schwe-fel ab 100oC. Bei 119,6oC schmilzt monokli-ner Schwefel. Die leichtflussige Schmelze be-steht ebenfalls noch aus S8-Ringen (λ-S, gelb).Mit steigender Temperatur wird die Schmelzeallmahlich dunkelbraun und zahflussig. Dabeitreten zunachst niedermolekulare Schwefelrin-ge (π-S, n=6-26) auf. Am zahflussigsten Punktliegen hauptsachlich Schwefelketten (µ-S, dun-kelbraun, Sx-Ketten mit x=103−106) vor. Beiweiterem Erhitzen wird die Schmelze wiederdunnflussig und rotbraun, da die Schwefelket-ten brechen. Bei 444,6oC ist der Siedepunkterreicht und der Schwefeldampf schlagt sicham kuhlen Reagenzglasrand nieder. Durch Ab-schrecken des braunen dunnflussigen Schwe-fels wird die plastische Form erhalten, die sich

bei Raumtemperatur wieder in die kristallineForm umwandelt.

Literatur



9.4 Ausfallen von kolloidalemSchwefel

Gerate


• Pappscheibe mit einem runden Loch vomDurchmesser des Becherglases, zum Abdeckendes Projektors

• Overheadprojektor

Chemikalien

• Natriumthiosulfat, Na2S2O3(s)

• verdunnte Salzsaure, c(HCl) = 2 mol

l

Durchfuhrung

Die Pappscheibe wird auf den Overhead-Projektor gelegt. Im Becherglas werden ca 1g Natriumthiosulfat in 100 ml Wasser gelostund in die ausgeschnittene Flache gestellt. Nunwerden wenige ml verdunnter Salzsaure hinzu-gegeben.

Auswertung


Theorie

Die Reaktion, die diesem Versuch zugrundeliegt, ist eine Disproportionierungsreaktion.

S2O2−3 + 2H3O

+ → SO2 + S + H2O

Der kolloidale Schwefel erscheint im Auflichtschmutzigweiß, im Durchlicht gelbrot, weil derkurzwellige Anteil des Lichtes starker gestreutwird.

Literatur


.

9.5. MODELLVERSUCH ZUR ABGASENTSCHWEFELUNG 85

9.5 Modellversuch zurAbgasentschwefelung

Gerate

• Mehrhalskolben

• Tropftrichter

• Schliffolive

• 2 Waschflaschen mit Einsatzen

• Rundkolben mit Waschflascheneinsatz

• Schlauchverbindungen

• Absorptionsrohr mit Aktivkohle

Chemikalien

• Natriumsulfit Na2SO3(s), (gesundheits-schadlich, Xn; umweltgefahrdend, N)Vor der Entsorgung die Sulfit-Losungneutralisieren (SO2-Bildung).

• halbkonzentrierte Schwefelsaure, w(H2SO4) =48%

• Calciumcarbonat, CaCO3(s)

• Fuchsin-Losung, w = 0,01%

halbkonz.Schwefelsäure

Natriumsulfit

Fuchsin−Lösung

Fuchsin−Lösung(zur Kontrolle)

CaCO −Lösung

3

Abb. 9.3: Modell zur Abgasentschwefelung

Durchfuhrung

Die Apparatur wird nach Abb. 9.3 auf-gegebaut. Im Rundkolben wird aus festemNatriumsulfit durch Zutropfen von Schwe-felsaure Schwefeldioxid entwickelt und durchdie Fuchsin-Losung (erste Waschflasche) in ei-ne Suspension von Calciumcarbonat (zweiteWaschflasche) geleitet. Die Suspension wird

derart hergestellt, dass der Kolben zu einemDrittel mit dest. Wasser gefullt ist und ca. 0,6 gCaCO3 zugegeben werden. Die dritte Wasch-flasche enthalt ebenfalls Fuchsin-Losung.

Auswertung

1. Welche Reaktion fuhrt zur Entfarbung derFuchsin-Losung?

2. Was geschieht mit der trubenCalciumcarbonat-Losung nach Durchlei-ten von Schwefeldioxid?

3. Wann wird auch die andere Fuchsin-Losung entfarbt?

Theorie

Abgasentschwefelung ist zwingend notwendig,um Umweltschaden, die durch sauren Regenhervorgerufen werden, einzudammen. DieserVersuch zeigt das Prinzip des Kalksteinver-fahrens, bei dem CaCO3 zunachst zu CaSO3

und dann durch Oxidation zu CaSO4 umge-setzt wird.Die Fuchsin-Losung wird durch SO2 entfarbtund bildet dadurch Fuchsinschweflige Saure(Schiffsches Reagenz) zum Nachweis von Al-dehyden.

Literatur


Kapitel 10

Der Wasserstoff

10.1 Knallgasprobe

Gerate

• Reagenzglaser, mit Klebeband umwickelt


• Brenner

Chemikalien

• Wasserstoff, H2 (Gasflasche)

Luft

Wasserstoff

Abb. 10.1: Knallgasprobe mit unterschiedli-chen Volumenverhaltnissen

Durchfuhrung

Es werden funf unterschiedliche Knallgasmi-schungen hergestellt, indem immer großer wer-dende Mengen Wasserstoff pneumatisch vor-gelegt werden. Der Rest des Reagenzglaseswird dann mit Druckluft gefullt. Das mit demDaumen verschlossene Reagenzglas wird ausder pneumatischen Wanne entnommen unddie Gase durch Drehen des Reagenzglases ver-mischt. Dann wird der Daumen weggenommenund die Reagenzglasoffnung nahe an die Bren-nerflamme gehalten.

Auswertung

Notieren Sie, bei welchem Mischungsverhaltnisdie Reaktion am heftigsten verlief?

Theorie

Die folgende Reaktionsgleichung beschreibt dieKnallgasreaktion.

2 H2 + O2 → 2 H2O

Bei einem exakt eingestellten Sauerstoff-Wasserstoff-Verhaltnis von 1:2 kann es zu einerheftigen Explosion kommen.

Literatur


87

88 KAPITEL 10. DER WASSERSTOFF

10.2 Brennbarkeit vonWasserstoff

Gerate

• Standzylinder

• Kerze, an einem Stab befestigt

Chemikalien


Wasserstoff

Abb. 10.2: Wasserstoff brennt, unterhalt dieVerbrennung aber nicht

Durchfuhrung

Ein Standzylinder wird pneumatisch ganz mitWasserstoff gefullt. Der mit einer Glasplat-te verschlossene Standzylinder wird aus derpneumatischen Wanne genommen und umge-kehrt so eingespannt, dass mit dem Stab undder Kerze von unten hineingefahren werdenkann. Die an einem Stab befestigte brennendeKerze wird langsam von unten in den Standzy-linder eingefuhrt und langsam wieder heraus-genommen.

Auswertung

Erklaren Sie Ihre Beobachtung?

Theorie

Beim ersten Einfuhren der Kerze gibt es an derOffnung des Standzylinders eine kleine Ver-puffung aufgrund des vorhandenen Knallgas-gemisches und der Wasserstoff entzundet sich.Die Kerze erlischt im Standzylinder, da Was-serstoff die Verbrennung nicht unterhalt. BeimHerausnehmen der Kerze entzundet sich diesewieder am brennenden Wasserstoff.

Literatur


10.3. WASSERSTOFF ALS FULLGAS VON LUFTBALLONS 89

10.3 Wasserstoff als Fullgasvon Luftballons

Gerate

• Luftballon

• Kerze, an einem Stab befestigt

Chemikalien


Wasserstoff

Gewicht

Abb. 10.3: Der Feuerball mit Wasserstoff

Durchfuhrung

Ein Luftballon wird auf die Große eines Fuß-balls mit Wasserstoff gefullt und mit einemKnoten verschlossen. Der Luftballon wird aneinem Bindfaden befestigt und mit einer Be-schwerung oder einem Stativ so fixiert, dass eretwa 50 cm uber der Tischplatte des Abzugsschwebt. Die Abzugsscheibe wird herunterge-lassen und der Luftballon mit einer an einemStab befestigten Kerze angezundet. Die einzel-nen Schritte sollten zugig durchgefuhrt wer-den, da sich nach einiger Zeit an der außerenGummihaut aufgrund der Wasserstoffdiffusionein Knallgasgemisch bildet.

Theorie

Der beim Anzunden auftretende dumpfe Knallist auf das oben erwahnte Knallgasgemischzuruckzufuhren, das durch Diffusion des Was-serstoffs an der außeren Gummihaut entsteht.Der restliche Wasserstoff verbrennt mit großerFlamme.

Literatur

Skript zum AzuDuvEx-Kurs 2002: Wasser-stoffversuche, s. [16]


10.4 Darstellen von Wasser-stoff durch Reaktion von

Wasser mit Magnesium

Gerate

• Standzylinder


• gewinkeltes Glasrohr

• Stopfen mit Loch

• schwerschmelzbares Reagenzglas

• Magnesiarinne oder -schiffchen

• Tropfpipette

• Brenner

Chemikalien

• Sand

• Magnesiumspane, Mg

Sand

Magnesiumpulver

feuchter

Abb. 10.4: Reduktion von Wasser mit Magne-siumspanen

Durchfuhrung

Das Reagenzglas wird ca. 3 cm hoch mit Sandgefullt. Mit einer Pipette wird so viel Was-ser auf den Sand gegeben, dass dieser ihn auf-saugt, ohne wegzufließen. Die Seitenwande desReagenzglases sollten dabei trocken bleiben. Indie Mitte des Sandes wird mit einem langenHolzspan ein tiefes Loch gestochen, damit sichspater keine Dampfblasen bilden konnen, dieden Sand wegdrucken. Das Reagenzglas wirdschwach geneigt eingespannt und die mit zweivollen Spatelloffeln gefullte Magnesiarinne indas Reagenzglas geschoben.Die Magnesiaspane werden zunachst an der

dem Sand abgewandten Seite zum Gluhen er-hitzt. Dann wird der Sand mit fachelndenBewegungen erhitzt, so dass der entstehendeWasserdampf uber das gluhende Magnesiumstromt und reagiert. Die Heftigkeit der Re-aktion kann uber die Wasserdampferzeugunggesteuert werden. Das entstehende Gas wirdpneumatisch in einem Reagenzglas aufgefan-gen. Bevor das Heizen beendet wird, muss derStopfen abgenommen werden (Vorsicht! sehrheiß).

Auswertung


Theorie

In einer Redoxreaktion reagieren Magnesiumund Wasser zu Wasserstoff und Magnesium-oxid.

Mg + H2O → H2 + MgO

Literatur

Skript zum AzuDuvEx-Kurs 2002: Wasser-stoffversuche, s. [16]

10.5. HITZESPALTUNG DES WASSERS 91

10.5 Hitzespaltung desWassers

Gerate

• 500-ml-Erlenmeyerkolben mit dreifach durch-bohrtem Stopfen

• 2 Hornerelektroden, die in die Stopfenoffnungpassen

• Gasableitungsrohr


• Reagenzglas

• Hochspannungstrafo mit vorgeschaltetem Re-geltrafo

• Siedesteinchen

• Brenner

Chemikalien

• Wasser

Durchfuhrung

Die Apparatur wird, wie in Abb. 10.5 gezeigt,aufgebaut. Das Wasser im Erlenmeyerkolben-wird zum Sieden erhitzt (Siedesteinchen) undsobald alle Luft verdrangt ist, wird die Funken-strecke zwischen den Elektroden erzeugt. In ei-ner min entstehen so etwa funf ml Knallgas,das durch Entzunden an einer Flamme nach-gewiesen wird.

Theorie

Diese Reaktion zeigt die Umkehrbarkeit che-mischer Reaktionen. Dafur mussen die ent-sprechenden außeren Bedingungen gegebensein. In diesem Beispiel ist ein Lichtbogen er-forderlich, um die Knallgasreaktion umzukeh-ren.

Literatur


.


Spannugs−regler

Spulen

Elektroden

Abb. 10.5: Wasserspaltung mit Hochspannung

. .

10.6. DIE DONNERBUCHSE 93

10.6 Die Donnerbuchse

Gerate

• Blechbuchse (500-1000 ml) ohne Deckel undmit einem 1-2 mm großen Loch im Boden

Chemikalien

• Wasserstoff, H2 (aus der Gasflasche)

durch die an dieser Seite

Wasserstoff

Loch in der Büchsezum Entzünden des

Wasserstoffs

Nachströmen von Luft

offene Büchse

Abb. 10.6: Die Donnerbuchse

Durchfuhrung

Die Dose wird mit dem Boden nach oben aufden Tisch gestellt und von unten mit maßi-gem Wasserstoffstrom gefullt. Das obere Lochwird wahrend des Fullens verschlossen. Beizu starkem Wasserstoffstrom kann es zu Ver-wirbelungen kommen, wobei auch Sauerstoffmit in die Dose gelangt und ein Knallgasge-misch schon zu Beginn vorhanden sein kann.Ist die Dose ganz mit Wasserstoff gefullt, wirduberpruft, ob sie von unten Luft nachziehenkann. Andernfalls wird z.B. ein Streichholz un-ter den Dosenrand gelegt. Das Loch im Bodenwird nun geoffnet und der ausstromende Was-serstoff sofort entzundet. Der Experimentatortritt sofort zur Seite!

Theorie

Der Wasserstoff brennt zunachst ruhig ab undLuft stromt von unten nach. An der Gren-ze zum Wasserstoff bildet sich ein Knallgasge-misch. Diese Zone wandert in der Dose lang-sam nach oben. Nach einiger Zeit schlagt die

Flamme in die Dose und entzundet das Knall-gasgemisch. Die Dose wird mit einem lautenKnall nach oben geschleudert.

Literatur

Chemische Schulexperimente, Keune Boeck,Band 1, S.17, s. [11]

Demonstrationspraktikum Anorganische Chemie fur...

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