HinweisBei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmendes Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besserenDurchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter daseingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, dieTexterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichenDateien mit Fehlern behaftet.
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seitehttp://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.htmleingesehen und heruntergeladen werden.Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel undStaatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
Kohlenstoff
Anorganische Aspekteeines organischen Tausendsassas
Protokoll zum Experimentalvortrag am 13. Februar 2003
Christian BärmannBarfüßerstr. 5535037 Marburg
06421/[email protected]
Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlen stoff
Inhaltsübersicht
1. Kapitel: Einführung
Inh altsübersicht Christian Bärmann
Warum "anorganischer" Kohlenstoff? - Aufbau des Vortrags
2. Kapitel: Das Element
"Technische Daten" - Verteilung des irdischen Kohlenstoffs - Der erste
Kontakt - Vl: Boyle-Versuch - V2: Verbrennungsenthalpie
3. Kapitel: Der Elementare Zustand
Modifikation - Zustandsdiagramm - Umwandlungsbedingungen - Der
Diamant: Eigenschaften, Vorkommen, Verwendung - Der Graphit: Eigen
schaften, Vorkommen, Verwendung - V3: Leitfähigkeit Graphit - Die Ful
lerene: Bauprinzip, Eigenschaften, Darstellung, Verwendung - Spezial
Kohlenstoffe - Aktivkohle - Adsorption - V4: Entfärbung von Rotwein
4. Kapitel: Die chemischen Eigenschaften
Charakterisierung des Elements - V5: Hochofenprozess - Sauerstoffverbin
dungen - Boudouard-Gleichgewicht - V6: Kohlenmonoxid: Darstellung
und Eigenschaften
5. Kapitel: Schlussakkord
Zusammenfassung - Das Thema im Unterricht - Einsatzmöglichkeiten
6. Kapitel: Anhang
Arbeitsvorschriften - Literaturverzeichnis - Sicherheitshinweis
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Kohlenstoff
1. Kapitel: Einführung
1. Kapitel: Einführung Christian Bärmann
Kohlenstoff erscheint als Thema eines Experimentalvortrages auf dem Gebiet der anorga
nischen Chemie nicht sehr lohnenswert. Bei näherer Betrachtung jedoch ergeben sich neue
Möglichkeiten, wichtige Phänomene anhand des Kohlenstoffs zu demonstrieren. Aus die
ser Überlegung heraus resultieren auch die drei Leitfragen mit denen der "anorganische"
Kohlenstoff bearbeitet werden soll:
1. Wie kann die experimentelle und theoretische Vorbereitung des Vortrags später in der
Schule genutzt werden?
Im Zentrum dieser Frage sollen Ansatzpunkte ermittelt werden, die für den späteren
Unterricht als Grundlage dienen können. Eine didaktische Analyse muss aber ausblei
ben, da ein Protokoll im Wesentlichen die praktische Umsetzung von Versuchen er
möglichen soll. Dennoch soll es Wege aufzeigen, die eine weitere Beschäftigung verein
fachen können.
2. Welche Möglichkeiten zur Demonstration wichtiger Eigenschaften des Kohlenstoffs
und allgemeiner chemischer Phänomene beinhaltet dieses Thema?
Die Begrenzung auf den Kohlenstoff soll nicht zur Einengung auf eine Elementehernie
führen. Während der Vorbereitung wurden auch die experimentelle Demonstration
chemischer Prozesse immer mehr bedeutsam. Als Beispiel sei hier nur die Adsorption
an Aktivkohle genannt, die gleichermaßen eine Stoffeigenschaften des Kohlenstoffs
und ein physikalischer wichtiger Prozess ist.
3. Gibt es neben den oft verwendeten Versuchen zu Kohlendioxid weitere, die als typisch
für den Kohlenstoff gelten können?
Mit dem ersten Herangehen an den möglichen Themenhorizont wurde schnell deut
lich, dass eine ganze Reihe von Versuchen zum Kohlendioxid ausgearbeitet und teil
weise schon präsentiert vorlagen. Die Überlegung, neue, zumindest aber andere Ver
suche in einem Vortrag zu demonstrieren, spielt eine entscheidende Rolle bei der
Auswahl der Versuche.
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Kohlenstoff 1. Kapitel: Einführung Christian Bärmann
Die Festlegung auf die "anorganische Seite" des Kohlenstoffs kann nur partiell als feste
Grenze bestehen bleiben, da die einzelnen Aspekte nur mehr oder weniger gut in organi
sche oder anorganische Chemie eingeordnet werden können. Während sich die ersten As
pekte Diamant und Graphit noch gut der Anorganik zuordnen lassen, zeigen bereits die
Fullerene "organische" Eigenschaften, die sich auch im Bereich der Spezial-Kohlenstoffe
finden lassen. Sie sind fast durchgängig aus organischen Materialien darstellbar, so dass
eine prinzipielle Festlegung im Vortrag unzweckmäßig erscheint. Der Hinweis, dass es
sich bei der Trennung in anorganische und organische Aspekte hauptsächlich um eine
Abgrenzung von Arbeitsfelder handelt, wird auch im letzten Teil des Vortrags deutlich.
Dort werden auf anorganischem Weg Stoffe wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid dar
gestellt (bzw. sie fallen als Nebenprodukt an), die auch in der Biosphäre produziert wer
den.
- 4-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 2. Kapitel: Das Element Christian Bärmann
2. Das Element
Kohlenstoff besitzt die Elektronenkonfiguration 1s2 2s2 2p2, hat also sechs Elektronen, von
denen vier als Valenzelektronen zur Bindung zur Verfügung stehen. Seine molare Masse
beträgt 12,011 g. Es existieren drei Isotope des Kohlenstoffs: 12C macht mit 98,89% den
Hauptanteil aller Kohlenstoffatome aus. Mit 1,10% hat 13e zwar den geringeren Anteil, ist
aber trotzdem für die chemische Analyse bedeutend. Er wird als NMR-aktive Atomsorte
insbesondere zur Strukturaufklärung in der organischen Chemie eingesetzt. Das dritte
Isotop J4C ist radioaktiv und ein W-Strahler. Es hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren
und kann dadurch für Altersbestimmungen
eingesetzt werden. In lebenden Organismen
1,11%98,89%
steht der J4C - Gehalt im Gleichgewicht mit der
Umgebung. Stirbt der Organismus sinkt der
Gehalt, da ein Austausch mit der Umgebung
nicht mehr erfolgt. Anhand des Abbaugrades
kann man den Todeszeitpunkt und damit das Alter bestimmen. In der Natur entsteht das
radioaktive Isotop, wenn kosmische Strahlung auf die Stickstoffatome der Atmosphäre
trifft und ein Kernproton abgespalten wird. In der Medizin kann es zur Markierung von
Kohlenstoffatomen eingesetzt werden.
Betrachtet man die Verteilung des Kohlenstoffs auf der Erde, stellt man fest, wie unter
schiedlich die Mengen verteilt sind. Kohlenstoff ist in jedem der vier differenzierten Erd
bereiche zu finden: In der Lithosphäre kommt er insbesondere in der Form der Carbonate,
aber auch elementar als Graphit und Diamant vor. In ihr ist die größte Menge mit 2,9 x
1016 Tonnen an Kohlenstoff vorhanden. In der Hydrosphäre (2,7 x 1013 t) und Atmosphäre
(6,7 x 1011 t) kommt Kohlenstoff vorwiegend als Kohlendioxid vor. Sie machen zusammen
nur etwa ein Tausendstel der in der Lithosphäre vorhandenen Menge an Kohlenstoff aus.
Die Menge, die in der belebten Welt, der Biosphäre gebunden ist, ist gegenüber der Li-
- 5 -Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 2. Kapitel: Das Element Christian Bärmann
thosphäre noch geringer (2,7 x 10t). Das Verhältnis von "anorganisch" zu "organisch" ge
bundenen Kohlenstoff ist 100.000 zu 1. Nur ein Hunderttausendstel allen irdischen Koh-
lenstoffs ist in lebenden Organismen gebunden.
Wie man auf der Karte sieht, ist die Kohlenstoff-Konzentration von den Vegetationsberei
chen auf der Erde abhängig. Je dunkler die Grüntöne sind, desto größer ist der Anteil ge-
Kreisläufe transformieren den
bundenen Kohlenstoffs. Auch
einzelnen Sphäre der Erde na
türliche Übergänge gibt. Die
hier muss darauf hingewiesen
werden, dass es zwischen den
und wieder zurück.
anorganische gebundenen Koh
lenstoff in organisch nutzbaren
\.
J
J
.' ;
t•Die Bedeutung des Kohlenstoffs vor der Chemie reicht bis in die Vorgeschichte des Men
schen zurück. In dem Moment, in dem das Feuer in das Leben der Menschen getreten war,
gehörte auch der Kohlenstoff in seinen vielfältigen Erscheinungsformen zur menschlichen
Existenz. Natürlich war es hier zunächst der organisch gebundene Kohlenstoff, der das
Leben hell und warm machte. Die Menschen damals wussten nicht, dass das Leuchten
einer Flamme bei der Verbrennung von Holz auf unverbrannten Kohlenstoff zurückzu
führen ist, der in der Verbrennungshitze zu glühen beginnt. Dieses Phänomen soll im ers
ten Versuch demonstriert werden. Genauso wichtig wie das Licht ist aber die Wärme. Die
Erfahrung der Menschen, dass die Reste eines Feuers nach dem Erlöschen der Flamme
noch weiter glühen und dabei Wärme abgeben, steht im Mittelpunkt des zweiten Ver
suchs.
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Kohlenstoff 2. Kapitel : Das Element Christian Bärmann
CO2 (g)+c (s)
Der BOYLE-Versuch ist eine sehr anschauliche Art, Kohlenstoff
zu verbrennen. Dazu wird ein mit Sauerstoff gespülter Rund
kolben benutzt, in dem sich am Boden reiner Kohlenstoff be
findet. Am besten eignet sich hier gekörnte Aktivkohle, die mit
Hilfe eines Bunsenbrenners bzw. einer Heißluftpistole erhitzt
wird. Sobald die ersten Körner zu glühen beginnen, schüttelt
man den Rundkolben ohne weiter zu erhitzen. Die restlichen
Kohlenstoffpartikel glühen heftig auf und verbrennen in der
Sauerstoffatmosphäre. Da bei den ablaufenden Reaktionen Gase entstehen, wird zum
Druckausgleich ein Absaugstück mit Luftballon aufgesetzt.
Bei dem Versuch laufen folgende Reaktionen ab: Der Kohlenstoff wird mit dem elementa
ren Sauerstoff umgesetzt. Die Reaktion ist aufgrund der niedrigen Temperatur begünstigt.
~
Daneben laufen partiell noch die beiden folgenden Reaktionen ab: Kohlenstoff wird nicht
vollständig verbrannt und reagiert mit dem Sauerstoff nur zu Kohlenmonoxid. Dieses
wird mit weiterem Sauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert.
2 C (5) +
2 CO (5)+
2 CO (g)
2 CO2 (g)
Im zweiten Versuch wird der Wärmeaspekt des Kohlenstoffs quantitativ betrachtet. Dafür
wird in einern vereinfachten Kalorimeter ein Stück vorher ausgeglühte Holzkohle in ei
nern kontinuierlichen Sauerstoffstrom verbrannt. Das Kalorimeter besteht aus drei Teilen,
die ineinander angeordnet sind. Die Brennkammer im Zentrum ermöglicht eine elektri
sche Zündung der Holzkohle. Die Verbrennung im Schälchen aus Quarzglas wird hier
durch den durchstreifenden Sauerstoffstrom unterhalten. Das Kupferrohr, die spiralför
mig um die Brennkammer geführt wird, dient zum Wärmeaustausch. Die heißen Verbren
nungsgase werden durch die Kupferspirale abgeführt und geben so ihre Wärme an das
Kalorimeterwasser ab, das sich im isolierten Becherglas befindet.
-7-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 2. Kapitel: Das Element Christian Bärmann
Nach dem Start der
Verbrennung wird alle
30 Sekunden die Was-
sertemperatu r aufge
zeichnet. Die Auswer-
tung, die im Vortrag
einige Minuten später
Berechnung der molaren Verbrennungsenthalpie
1. Messwerte - Ermittlung der maximalen Temperaturdifferenz
b.T = Tmax - TStart
2. Berechnung der Wärmekapazität des Kalorimeters
3. Berechnung der molaren Verbrennungsenthalpie
LlHmOI = - LlT . CKalorimeter . Mmol(Kohlenstoff) . mverbrannterStOff-l
Das Ergebnis des Versuchs mit -378,2 kj/mol liegt mit einer Abweichung von nur - 3,9%
über den Erwartungen, da sich in der Vorbereitung Abweichung von 5-10% eingestellt
hatten. Die gesamte Rechnung ist im Anhang zu finden.
- 8-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann
3. Der elementare Zustand
Kohlenstoff kommt in fünf Modifikationen vor, von denen vier in der Natur nachgewiesen
sind. Der Elementcharakter ist
anhand des Graphits 1779 erst
mals durch Lavoisier festgestellt
worden. Nur siebzehn Jahre spä
ter, 1796, konnte Tennant den
Diamanten als weitere reine Form des Kohlenstoffs identifizieren.
1985 wurde eine weitere Modifikation von Kroto, Smalley und Curl entdeckt. Die Fullere-
ne, die die reinste Form des Kohlenstoffs darstellen, sind genau
genommen nur der Überbegriff für eine Vielzahl weiterer Modifi-
~c-c~/ c c ""-
c c!II ~c C
fj
C cffi fc 2
\ /'c c~ &-
c----.c=c- ...... c
kationen. Die Entdeckung war eher zufäl
lig. Während der Suche nach einem Syn
theseweg für die vierte Kohlenstoffmodi
fikation wurden die Fullerene entdeckt.
Erst 1991 konnte die gewünschte vierte Modifikation synthetisiert
werden. Es handelt sich dabei um Verbindungen, die sich durch konjugierte Dreifachbin-
dungen auszeichnen und ringförmig vorliegen. Die fünfte Modifikation des Kohlenstoffs
wurde 1968 in Baden-WürUemberg bei einer Bohrung im Nördlinger Ries entdeckt. Dort
fand man ein weißes Mineral, das aus reinem Kohlenstoff besteht. Der Chaoit, über seine
Struktur ist bisher nichts bekannt, soll bei einem Meteroiteneinschlag entstanden sein, der
auf graphithaltiges Gestein einwirkte.
Das Zustandsdiagramm des Kohlenstoffs, ein Druck-Temperatur-Diagramm, zeigt, dass
Graphit die bei Normaldruck stabile Modifikation ist. Bei einer Temperatur von 3750 °C
und einem Druck von 127 bar geht er in die flüssige Form über. Der Dampfdruck ist hier
bereits erheblich, so dass nur am unteren Rand der Druckskala gasförmiger Kohlenstoff
bei Temperaturerhöhung existent ist. Diamant ist die Hochdruckmodifikation des Kohlen
stoffs. Der Mindestdruck für eine Umwandlung von Graphit in Diamant liegt bei 40 kbar.
- 9-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann
Der Tripelpunkt, an dem Diamant, Graphit und Schmelze nebeneinander vorliegen, be
findet sich bei 130 kbar und 3800 "C. Die Umwandlungstemperatur von Diamant zu flüs
sigem Kohlenstoff sinkt bei steigendem Druck. Graphit und Diamant bleiben jenseits der
Gleichgewichtslinie metastabil erhalten, so dass Diamanten auch unter Normalbedingun
gen praktisch unbegrenzt erhalten bleiben. Die Umwandlungsbedingungen für Labor und
Technik resultieren daraus.
flüssiger Kohlenstoff
500
'i:'co~ 300x:Ü:::l'-o
100
Graphit Temperatur [0 C]
6000gasförmigerKohlenstoff
Für die Transformation von Diamant und Fullerenen in Graphit erfolgt bei gleichen Be
dingungen von etwa 1500 "C unter Normaldruck. Der Rückweg zum Diamanten erfordert
höhere Temperaturen von etwa 1700 "C und ein Vielfaches an Druck von 53-100 kbar.
Technisch realisiert man die Diamantbildung in sogenannten Hochdruck
Hochtemperatur-Pressen, in denen Kohlenstoff in flüssigen Metall gelöst wird und in ei
ner Matrize aus Wolframcarbid unter Druck gesetzt wird.
Ganz im Gegenteil dazu werden die Fullerene in einer Unterdruck-Atmosphäre erzeugt,
die aber deutlich heißer wird als bei der Diamantsynthese. Die direkte Umwandlung der
Fullerene in Diamanten scheint in Zukunft ein weiterer Weg zur Diamantsynthese zu
werden. Anstatt der hohen Temperaturen bei der Graphit-Diamant-Umwandlung kann
diese Umwandlung schon bei Raumtemperatur unter höherem Druck erfolgen. Die Dar
stellung der Fullerene aus Diamanten wurde bisher nicht beobachtet.
- 10-Chemie in der Schule: www.chids.de
1800°C (53 -100 kbar) I Graphit I
Kohlenstoff
IDiamant I
3. Kapitel: Der Elementare Zustand
1500°C (1 bar) ..
Christian Bärmann
?
20°C(150 kbar)
2700°C(150 rnban
1500°C(1 bar)
I Fulleren 1
Im Diamant, die Hochdruck-Modifikation des Kohlenstoffs, sind alle C-
Atome sp3-hybridisiert. Das bedeutet, dass jedes Atom von vier weiteren
tetraedrisch umgeben ist. Die Bindungslänge
beträgt 154 pm, das entspricht einer C-C
Einfachbindung. Die Schichtfolge ist ABC mit einem Schichtab
stand von 205 pm. In diesem Koordinationsgitter sind die ge
wellten Schichten, die eine Sesselform besitzen, kovalent ver-
knüpft. Es handelt sich um ein dreidimensionales Raumnetz ohne feste Schichtfestlegung.
Die Eigenschaften des Diamanten sind bemerkenswert. In seiner kristallinen Form ist er
mit einer MOHs-Härte von 10 das härteste Mineral, das auf der Erde vorkommt. Dennoch
ist er leicht spaltbar, was man sich auch bei der Produktion von Schmuckdiamanten nutz
bar macht. In reiner Form, d.h. wenn das Kohlenstoff-Gitter keine Fehlstellen hat, ist der
Diamant klar und farblos. Werden Kohlenstoff-Atome durch Stickstoff-Atome ersetzt, er-
scheint der Diamant gelblich. Bei Bor oder Aluminium erscheint er blau. Die starke Licht
brechung resultiert genau wie die hohe Wärmeleitfähigkeit aus der sehr gleichmäßigen
- 11 -Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel : Der Elementare Zustand Christian Bärmann
Struktur, wodurch der Diamant in der technischen Anwendung besonders interessant
wird. Die thermische Leitfähigkeit beträgt ein Vielfaches der des Kupfers. Anders als im
metallischen Zustand, wo frei bewegliche Elektronen für den Wärmetransport sorgen,
sind beim Diamant mechanische Schwingungen des Gitters dafür verantwortlich.
Bereits im Altertum kannte man Diamant-Lagerstätten in Indien, aus denen bis zum Be
ginn des 18. Jahrhunderts der Weltbedarf gedeckt werden konnte. Die Entdeckung neuer
Vorkommen in Brasilien sicherte die Diamantenversorgung bis zur zweiten Hälfte des 19.
Jahrhunderts. In beiden Fällen handelte es sich um Sekundärlagerstätten, die sich durch
Bereiche auszeichnen, in denen sich sogenannte Diamantseifen gebildet haben. Sie ent
standen aus diamanthaitigen Gesteinen, die durch Erosion abgetragen wurden und sich
an anderen Orten abgelagert hatten.
Als die indischen und brasilianischen Minen erschöpft waren, suchte man bereits neue
Vorkommen. In Südafrika gelang es 1869, Diamanten an ihrem Entste
hungsort, den Primärlagerstätten, zu finden. Nach dem Entdeckungsort
Kimberley in Südafrika wurde das ultrabasische Gestein Kimberlit ge
nannt, das in sogenannten Durchschusskaminen erloschener Vulkane
vorkommt. In ihnen erstarrten gashaltige Magmen, aus denen zuerst der Diamant und
dann der Kimberlit auskristallisierte.
Die Erkenntnis, das Diamant mit Kimberlit vergesellschaftet vorkommt, ermöglichte die
systematische Erschließung weiterer Primärlagerstätten.
So entdeckte man neue Vorkommen in Namibia, Russ
land und Australien. Dort in einem dem Kimbert ähnli
chen Gestein, dem Lamproit, der sich durch einen höhe
ren Magnesiumanteil auszeichnet. Die Diamant
Konzentration ist in beiden Gesteinen äußerst gering: Für 25 Karat Diamanten muss eine
Tonne Gestein abgebaut werden, wovon nur durchschnittlich zwanzig Prozent Schmuck
qualität haben.
Die Masseneinheit Karat ist historisch überliefert. Es handelt sich um eine antike Handels
einheit zur Gewichtsbestimmung von Gold und Edelsteinen. Sie leitet sich vom arabischen
-12 -Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann
"qirat" ab, das den Samen des Johannisbrotbaums bezeichnet. Er zeichnet sich durch sein
konstantes Samengewicht aus. Im Jahr 1907 wurde international vereinbart, das zukünftig
ein Karat der Masse von 0,2 g entsprechen soll.
Der größte bisher gefundene Diamant war ein indischer Diamant mit einem Rohgewicht
von 3106 Karat (oder 621,2 g), der nach seinem Entdecker als CULLINAN benannt wurde. Er
wurde zu den größten Schmuckdiamanten der Welt
verarbeitet. Der größte dieser Diamanten ziert heute das
Zepter der englischen Königin mit 590 Karat. Wie in
diesem Fall verdankt der Diamant seine Verwendung
als Schmuckstein aus der hervorstechenden Ei-
genschaft, Licht zu brechen und zu dispergieren. Das
Feuer eines Diamant, so der Ausdruck für die Brillanz, wird durch einen entsprechenden
Schliff unterstützt, der auch in die Bewertung der Diamanten einfließt. Sie werden nach
den vier "C" beurteilt: "Cut" (Schliff), "Clarity" (Reinheit), "Colour" (Farbe) und "Carat"
(Gewicht).
Der weitaus größte Teil der geförderten Diamanten wird aber als Industriediamanten
verwendet und genau wie die synthetisch erzeugten Diamanten insbesondere für Anwen
dungen eingesetzt, in denen die große Härte ausgenutzt wird. Für Schleif- und Bohrgerä
te, Trennscheiben für harte Materialien und auch als Achslager für Präzisionsgeräte. Bei
Bohrköpfen mit Diamantbesatz macht man sich neben der Härte auch die hervorragende
Wärmeleitfähigkeit zunutze, da der Diamant die Reibungshitze schnell ableiten kann.
Im Graphit sind im Gegensatz zum Diamant die Kohlenstoffatome Sp2
hybridisiert, was eine trigonal-planare Umgebung zur Folge hat. Der
Abstand zu den drei nächsten Nachbarn von 142 pm liegt zwischen einer
Einfach- und einer Doppelbindung. Die einzelnen ebenen Schichten fol
gen im AB-Muster aufeinander mit einem Entfernung von 335 pm. Sie sind durch schwa
che VAN-DER-WAALs-Kräfte in einem Schichtengitter verknüpft. Die Schichten lassen sich
leicht gegeneinander verschieben.
- 13-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel : Der Elementare Zustand
B---'
Christian Bärmann
Im Vergleich zum Diamant mit 3,54 g/cm3 ist der Graphit mit 2,26 g/ cm3 weniger dicht und
sehr weich (Mons-Härte 1). Er glänzt in reiner Form metallartig und berührt man ihn,
wirkt er fettig. Neben der guten Wärmeleitfähigkeit, die für seine Verwendung wichtig ist,
spielt seine elektrische Leitfähigkeit eine große Rolle. Die Besonderheit beim Graphit ist
die Anisotropie der Leitfähigkeit. Er ist ein zweidimensionaler Leiter aufgrund der vier
ten, delokalisierten Valenzelektronen der C-Atome.
Die Demonstration der Leitfähigkeit erfolgt mit einern einfachen
Verbraucherstromkreis, in dessen Mitte ein Stück Kabel durch einen
handelsüblichen Bleistift ersetzt ist. Entlang der Schichten besitzt
Graphit eine Leitfähigkeit von 30.000 s/cm. Das ist ungefähr 1/20 der
Leitfähigkeit von Silber und etwa 1h der von Eisen. Senkrecht zu
den Graphit-Schichten ist er mit 5 s/cm praktisch ein Isolator.
Graphit kommt besonders in Gebieten starker Gesteinsmetamorphosen vor, in denen Er
starrungsgesteine auf Schichtgesteine treffen. Wahrscheinlich wurden Kohleflöze in den
Schichtgesteine sehr stark unter Luftabschluss erhitzt und dabei in Graphit überführt. Bei
der Umwandlung der Kohle, die in einern Bereich von 65-90% reinen Kohlenstoff enthält,
werden aus diesen kohlenstoffreichen Verbindungen des Kohlenstoffs mit Sauerstoff,
Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel die Fremdelernente in Form von Gasen ausgetrieben.
Elementarer Kohlenstoff bleibt zurück.
Die größten Graphitlager befinden sich in Russland, Kanada, Sri Lanka und Madagaskar.
In Deutschland kommt er in der Nähe von Passau in der Grube Kropfmühl vor, die seit
-14 -Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann
mehr als hundert Jahren Graphit fördert. Inzwischen kann in einem Besucherbergwerk die
Graphitaufbereitung beobachtet werden. Die graphithaltigen Gesteine werden gemahlen
und mit verschiedenen Ölen versetzt, die den Graphit binden. Nach
Abtrennung der Gesteinsreste und der Flotationsöle wird der Gra
phit mit einer Sodaschmelze versetzt, um alle restlichen Fremdstoffe
aus dem Graphit zu entfernen. Es entsteht ein schwarzes, metallisch
glänzendes Pulver.
Graphit findet aufgrund seiner guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit Verwen
dung als Elektrodenmaterial, das bei Elektrolysen aller Art eingesetzt wird. Daneben be
nutzt man ihn in Lichtbogenöfen. Hitzebeständige Bauteile, wie die
Auskleidung der Schmelzöfen zur Silicium-Einkristall-Herstellung,
gehören ebenso zur Verwendung wie korrosionsbeständige Werkstü
cke. Die leichte Verschiebbarkeit der Graphit-Schichten wird beim
Einsatz als Schmiermittel und im Bleistift genutzt.
Die dritte Modifikation des Kohlenstoffs, die Fullerene, ähneln in ihrer Erscheinungsweise
eher dem Graphit als dem Diamant. Auch in den Fullerenen ist der Kohlenstoff Sp2
hybridisiert, aber die Umgebung der Kohlenstoffatome ist nicht
planar, sondern trigonal verzerrt. Die Bindungslänge liegt bei
etwa 145 pm.
Der Prototyp aller höheren Fullerene, das C60, lagert sich im ele
mentaren Zustand zu hexagonalen Schichten des AB-Musters
zusammen. Zwischen den Cso-Molekülen wirken in ihrem Kristallgitter nur schwache
VAN-DER-WAALs-Kräfte, wobei die einzelnen Moleküle nicht starr fixiert sind, sondern
chaotisch über 100 Millionen Mall pro Sekunde rotieren.
Benannt nach dem Architekten Buckminster Fuller, der durch seine geosphärischen Dome
bekannt wurde, zeichnet die Fullerene insbesondere ihre Kugelform. Das Bauprinzip lässt
sich auf den Austausch von Sechsecken durch Fünfecke anschaulich machen. Ersetzt man
12 der Graphit-Sechsecke, so wölbt sich die Schicht zur Kugel. Die C-Atome ändern dabei
-15 -Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann
nicht ihre Hybridisierung, sondern werden nach innen verzerrt. Beim Aufbau höherer Ful
lerene wächst das Molekül mit der Anzahl der Sechsecke, die Anzahl der Fünfecke bleibt
gleich.
Die Fullerene sind im elementaren Zustand gelbbraune bis schwarzbraune Kristalle, die
weich wie der Graphit, aber noch weniger dicht sind (1,65 g/cm3) . Sie sub
limieren bereits ab ca. 625 °C und sind nur in organischen Lösungsmittel
löslich. Die Farbigkeit der Lösungen beruht auf Il -7n*-Übergängen und
zeigt eine breite Spanne von purpurrot bis goldgelb. Chemisch zeigen sie
den Olefinen ähnliche Eigenschaften, so sind Additionen an den Doppel
bindungen der Fullerene möglich.
Die Darstellung erfolgt durch Sublimation von Graphit in einer Helium- oder Neon
Atmosphäre bei 2700 °C und Unterdruck. An den Wänden des Reaktionsraumes setzt sich
ein fullerenhaltiger Ruß ab, aus dem die Fullerene mit Hilfe von organischen Lösungsmit
teln extrahiert werden können.
Über die Verwendung der Fullerene sind bisher nur wenige Aussagen zu machen. Als
Stichworte seien hier nur wenige Forschungsfelder genannt: 1. HIV-Bekämpfung - Deak
tivierung des Virus durch in der Größe ähnliche Cso-Derivate im aktiven
Teil des HI-Virus; 2. Schmiermittel- Die Entwicklung eines Teflonballs,
in dem alle Kohlenstoffatome fluoriert sind (C6oF6o); 3. Diamantenzucht
Erleichterung der Darstellungsbedingungen durch die sogenannte Fulle
renzwiebel; 4. Supraleiter - Durch Dotierung des Buckminster-Fullerens mit Alkaliemetal
len (A3C60, A= K, Rb, Cs) können Supraleiter entstehen, die in alle Raumrichtungen lei
tend sind; 5. Fasern aus Nanotubes - Es werden gleiche Eigenschaften wie die normalen
-16 -Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann
Carbonfasern vermutet, wobei aber von einer höheren Zugfestigkeit und Elastizität, sowie
einer geringeren Bruchgefahr ausgegangen wird. Bauteile aus Nanotubes verteilen die
mechanisch wirkenden Kräfte auf wesentlich mehr Fasern als die Kohlefasern, da im glei
chen Volumen wesentlich mehr winzige Nanotube-Fasem vorkommen. Nach weiteren
Anwendung wird gesucht.
Im nächsten Abschnitt über die Spezial-Kohlenstoffe verwischt die Grenze zwischen an
organischer und organischer weiter. Nach der kurzen Vorstellung der verschiedenen
Einsatzgebiete und Darstellungsweisen wird in der experimentellen Umsetzung der As
pekte der großen Oberfläche und ihrer Adsorptionswirkung betrachtet. Das Gebiet der
Spezial-Kohlenstoffe ist weit gefächert, so dass hier nur die wesentlichen Produktgruppen
besprochen werden.
Beim Koks handelt es sich um 98%-igen Kohlenstoff, der durch starkes Erhitzen von
Steinkohle auf mehr als 1500 °C entsteht. Er zumeist für Feuerungszwecke eingesetzt. Der
Elektrographit besteht ebenfalls aus reinem Kohlenstoff, der aus Pyrolysen von Kohlen
stoffverbindungen gewonnen wird. Die Produkte der Pyrolyse werden anschließend bei
2600-3000 °C im elektrischen Ofen graphitiert. Hauptmaterial zur Herstellung von Elekt
rographit ist der Petrolkoks, der durch Verkokung der Rückstände bei der Erdöldestillati
on gewonnen wird. Hauptsächliche Verwendung sind Elektroden und Hitzeschutzver
kleidungen (z.B. in Hochöfen).
Pyrokohlenstoff ist eine Art des Kohlenstoffs, die durch Zersetzung von Kohlenwasser
stoffen erhalten wird, indem das Ausgangsmaterial bei niedrigem Druck (70 mbar) und
oberhalb 700 °C behandelt wird. Die Produkte der Spaltung werden an glatten Oberflä
chen niedergeschlagen und graphitiert, wodurch eine besondere Parallelität der Schichten
ermöglicht wird. Die dadurch im Vergleich zu Naturgraphit höhere Wärmeleitfähigkeit
wird in der Raumfahrt in Hitzeschilden eingesetzt, aber aufgrund seiner guten Biokompa
tibiIität findet er auch in der Medizin (für Herzklappen und Prothesen) Verwendung.
Die Herstellung von Ruß erfolgt durch Verbrennung von Erdöl bei ungenügender Luftzu
fuhr. Dabei entstehen lockere Aggregat mit kugelähnlicher Gestalt mit Durchmessern von
-17 -Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 3. Kapitel : Der Elementare Zustand Christian Bärmann
AbsorptionAdsorption
0,5 bis 10 nm. Verwendung findet der Ruß mit etwa 95% in der Gummiindustrie als Füll
stoff für stark beanspruchte Produkte: Reifen, Förderbänder etc. Weiterhin wird er noch
immer als Farbpigment eingesetzt.
Kohlenstoff-Fasern entstehen durch kontrollierte Pyrolyse von organischen Fasern und
Polymeren (z.B. Polyacrylnitril). Sie zeichnen sich durch hohe Zugfestigkeit und hohe E
lastizität aus. Verwendung finden sie im Flugzeug- und Fahrzeugbau, sowie in der Pro
duktion von Sportgeräten.
Der letzte der hier behandelten Spezial-Kohlenstoffe, die Aktivkohle, wird in zahlreichen
Bereichen eingesetzt. Die Anwendung in Filtern jeder Art beruht im Wesentlichen auf der
großen Oberfläche an den Fremdstoffe gut adsorbiert werden können. Grundsätzlich stellt
Adsorption die Konzentrationsänderung ei
nes Stoffes an der Oberfläche eines zweiten
dar. Dabei reagieren beide Stoffe nicht mit
einander. Um Verwechslung mit der Absorp
tion vorzubeugen, sollen folgende Abbildun
gen den grundlegenden Unterschied ver
deutlichen.
Zur experimentellen Demonstration der Adsorptionswirkung soll Rotwein entfärbt wer
den. Dazu werden sechs Erlenmeyerkolben mit unterschiedlichen Mengen Aktivkohle
gefüllt (0 mg, 100 mg, 200 mg, 300 mg , 500 mg,
1000 mg) und anschließend mit einer definierten
Menge Rotwein versetzt (20 ml). Nach 10 - 15
Minuten werden die schwarzen Gemische durch
Faltenfilter in Schnelllauftrichtern filtriert. Dabei
bleibt die Aktivkohle mit den daran adsorbierten Bestand teilen des Rotweins (insbesonde
re der Farbstoff) zurück. Das Ergebnis hängt von der verwendeten Menge Aktivkohle ab
und geht von farblos bis unverändert.
Bei der Betrachtung der Vorgänge an der Oberfläche der Aktivkohle wird schnell deutlich,
warum die Aktivkohle nur eine definierte Kapazität zur Aufnahme von Stoffen hat. An
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Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann
der Oberfläche werden die färbenden Anteile des Rotweins adsorbiert. Es bildet sich eine
/rate ist eine visuelle Umsetzung einer
dünne Schicht von Farbstoffmolekülen, die durch VAN-DER-WAALs-Kräfte gehalten wird.
Die unterschiedliche Färbung der Filt-
sogenannten Adsorptionsisotherme.
Mit steigender Menge an Aktivkohle
reduziert sich im Verhältnis zum im-
mer gleichen Volumen des Rotweins
dessen Konzentration. Bei der kleins-
Konzentration cPartialdruck p
ten Menge Aktivkohle übersteigt das
eingesetzte Volumen die Kapazität der
Aktivkohle. Je mehr von ihr eingesetzt wird, desto mehr kann sie Rotwein adsorbieren, so
dass am Ende der Reihe der gesamte Farbstoff gebunden werden kann.
Bei näherer Betrachtung des Adsorbens Aktivkohle fällt sofort die mikrokristalline Form
auf. Sie besitzt eine große innere Oberfläche, die je nach Porengröße 500 - 1000 m 2/g be-
trägt, und durch den Beitrag jeder Pore zur Gesamtadsorption bedingt ist. Hergestellt
wird sie meist durch gelindes Erhitzen organischer Stoffe wie Holz, Torf, Kokosschalen
bei 200-250 "C unter Luftabschluss. Nach der anschließenden Aktivierung bei 700-900 "C
durch Oxidation mit Wasserdampf, Luft oder Kohlendioxid, die zur Porenbildung führt,
ist die Aktivkohle einsatzbereit.
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Kohlenstoff 4. Kapitel: Die chemischen Eigenschaften Christian Bärmann
4. Die chemischen Eigenschaften
Kohlenstoff ist ein reaktionsträges Element, das große Aktivierungsenergien für Reaktio
nen benötigt. Er ist inert gegenüber nicht oxidierenden Säuren und Basen. Die Reaktivität
der Modifikationen sinkt strukturbedingt in der Reihe Graphit, Fulleren, Diamant. Er
nimmt eine Mittelstellung in der 2. Periode ein. Seine Affinität zu den elektropositiveren
Elementen ist ähnlich der zu elektronegativeren. Das Spektrum der Oxidationszahlen
reicht daher von +4 im Kohlendioxid bis zu - 4 im Aluminiummethanid.
Eine wichtige Eigenschaft des Kohlenstoffs macht man sich seit Jahrtausenden zunutze.
Die Reduktion von Erzen zur Eisengewinnung. Im Modellversuch zum Hochofenprozess
wird diese nachgestellt. Aufgrund der hohen Temperaturen muss die Versuchsanordnung
aus Quarzglas hergestellt werden. Sie besteht aus einer Quarzpfeife
und einem Reaktionsturm, der an einem Ende konisch ist und in die
Quarzpfeife ragt. Am unteren Ende des Turm wird ein Sperrschicht
Quarzglaswolle eingeführt, die das sofortige Nachrutschen der dar
über liegenden Schichten nach Reaktionsstart verhindern soll. Über
dieser Quarzglaswolle sind abwechselnd Schichten aus Eisen(III)
oxid und gekörnter Aktivkohle gelagert. Durch die Quarzpfeife
L
wird elementarer Sauerstoff geleitet, der hier mit Hilfe von zwei bis drei Bunsenbrenner
aufgeheizt wird. Die Reaktion wird gestartet, indem die unterste Schicht Aktivkohle, die
direkt über der Glaswolle liegt, zum Glühen gebracht wird.
Betrachtet man die Reaktion, so findet ein mehrstufiger Prozess statt. Zunächst wird nach
dem Start der Reaktion der glühende Kohlenstoff mit heißem Sauerstoff zu Kohlenmono
xid umgesetzt.
2 C (5) + O2 (g) 2 CO (g)
Dieses reduziert das Eisen(III)-oxid zu einem Eisen(II,III)-oxid.
+2
CO (g)
- 20-
+2 +3
2 FeO· Fe203 (5) ++4
CO2 (g)
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Kohlenstoff 4. Kapitel: Die chemischen Eigenschaften Christian Bärmann
Das gebildete Mischoxid wird dann mit weiterem Kohlenmonoxid zu reinem Eisen(II)-
oxid reduziert.
+2 +3 +2
FeO . Fe20 3 (5) + CO (g)---
+2 +4
3 FeO (5) + CO2 (g)
Erst in der letzten Stufen entsteht in einer weiteren Reduktion das elementare Eisen. In
allen drei Reaktionsstufen wird das eingesetzte Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert.
+2 +2
FeO (5) + CO (g)
o +4
Fe (5) + CO2 (g)
Um die Vorgänge im Hochofen einschätzen zu können, müssen sie in Beziehung zum
Boudouard-Gleichgewicht gebracht werden, das Aussagen über die Gleichgewichtskon-
stante der Reaktion C (s) + C02 (g) ~,=:=:::::::!:" 2 CO (g) macht.
100 ~400
I Vol-% co2 1 0
I Fe
100
2
I
I FeO II
FeO· Fe203
I 01 Vol-% CO I1000
)
I Temperatur [0 C] I
Kurve 1 zeigt die Gleichgewichtsreaktion zwischen elementarem Kohlenstoff und Koh
lendioxid links zu Kohlenmonoxid rechts. Je größer die Temperatur wird, desto höher
wird die Konzentration an Kohlenmonoxid. Kurve 2 und Kurve 3 spiegeln die Reduktion
im Hochofen wieder. Die Schnittpunkte dieser Kurven mit dem Boudouard-Gleichgewicht
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Kohlenstoff 4. Kapitel: Die chemischen Eigenschaften Christian Bärmann
geben die Mindesttemperatur wieder, bei denen die Reduktionen in Anwesenheit von
Kohlendioxid ablaufen. Die abgegrenzten Bereiche stellen die vorkommenden Formen des
Eisens dar- Unterhalb der Kurve 3 liegt der Magnetit (Fe304), zwischen Kurve 2 und 3 der
Wüstit (FeO) und oberhalb davon metallisches Eisen vor.
Die beiden wichtigsten Oxide des Kohlenstoffs, das Kohlendioxid und das Kohlenmono
xid, bilden den Abschluss des Vortrags. Betrachtet man die Eigenschaften der beiden ge
genüberstellend, so ergeben sich grundsätzlich Unterschiede.
Kohlendioxid hat einen Sublimationspunkt bei - 78,S "C, wogegen Kohlenmonoxid sehr
tiefe Schmelz- und Siedepunkte, die mit - 205,1 "C und -191,5 "C nur knapp oberhalb der
entsprechenden Werte des elementaren Stickstoffs liegen, zu dem es isoelektronisch ist.
Beide Kohlenoxide sind linear gebaut. Die Verwendung beider Gase steht im starken Ge
gensatz zueinander. Während das weitgehend inerte Kohlendioxid als Schutzgas und
Löschmittel eingesetzt wird, benutzt man das giftige Kohlenmonoxid als Brenngas, zur
Wasserstoffgewinnung, zur Erzreduktion und für organische Synthesen.
Der letzte Versuch widmet sich daher der Brennbarkeit als auch den reduzierenden Eigen
schaften von Kohlenmonoxid. In einem Gasentwickler wird daher Kohlenmonoxid durch
Dehydratisierung von Ameisensäure durch Schwefelsäure dargestellt. Die Ameisensäure
wird dazu in die auf 40 "C temperierte Schwefelsäure getropft, wo sich unter heftigem
Aufschäumen das Gas bildet. Zunächst wurde das Gas in eine Silbernitrat-Lösung geleitet,
um die reduzierenden Eigenschaften zu beobachten, und dann in ein pneumatische Wan
ne mit Seifenlösung, um dort die Brennbarkeit zu demonstrieren.
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Kohlenstoff 4. Kapitel: Die chemischen Eigenschaften Christian Bärm ann
Darstellung: - H -. :;;::::0/H., ......-:0/' C/" C+ H+ .. 1+ ..
1 :-., .Q - H20H/~U H H
IC- ot +
Reduktion: 2 Ag+ (aq) + CO (g) + 3H20
Verbrennung: 2 CO(g) + O 2 (g)
- 23-
2 CO2 (g)
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Kohlenstoff
5. Schlussakkord
5. Kapitel: Schlussakkord Christian Bärmann
Das Thema Kohlenstoff eignet sich zur Demonstration einiger wichtiger Phänomene. An
hand des Hochofenprozess, der selbst einen der bedeutendsten großtechnische Prozesse
darstellt, und der CO-Darstellung kann die Reduktionswirkung demonstriert werden.
Beide Versuche eignen sich für die Einführung der Redox-Reaktionen,
Mit Hilfe des Boyle-Versuch und der Verbrennungsenthalpie können qualitative und
quantitative Aussagen zum Einsatz des Kohlenstoffs gemacht werden. Sie eignen sich
auch als Anknüpfungspunkte für fächerübergreifenden Unterricht, an dem historische
Aspekte der menschlichen Entwicklung gezeigt werden können.
Die Leitfähigkeit des Graphits kann mit Hilfe eines Bleistifts demonstriert werden. Hier
kann man bei der Verwendung des Graphits Verbindungen zum technischen Einsatz se
hen und in den Unterricht einbringen. Die Adsorptionswirkung der Aktivkohle spielt in
zahlreichen Bereiche eine Rolle. Aktuelle Bezüge sind naheliegend.
Allen Versuchen ist gemeinsam, dass sie mit einfachen Mitteln komplexe Vorgänge de
monstrieren und sich so für den Chemieunterricht eignen. Sie vermitteln darüber hinaus
einen weitergehenden Blick auf den Kohlenstoff, der mehr Versuche zu bieten hat als die
bekannten Experimente zum Kohlendioxid.
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Kohlenstoff
6. Anhang
Literaturverzeichnis:
6. Kapitel: Anhang Chri stian Bärmann
BIey, Lars; Friedrich, Jens et al.: Die Masse des "Nichts" - der Boyle-Versuch im
neuen Lichte. In: CHEMKON 8, 2001, S. 156 f.
Keune, Hans: Chemische Schulexperimente: eine Anleitung für Lehrer in 5 Bänden.
Thun u.a., 197X
Holleman, Arnold F.; Wiberg, Nils: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Berlin
u .a.,1995.
Jansen,W.; Melle.L: Einfaches Kalorimeter zur Bestimmung der Verbrennung
senthalpie von Kohlenstoff. In: PdN-Ch 2, 1993,20-22.
Riedel, Erwin: Anorganische Chemie. Berlin u .a., 1999.
Römpp, Hermann; Falbe, Jürgen: Römpp-Lexikon Chemie. 10. Aufl., Version 2.0.
Stuttgart,1999.
Fluck, Ekkehard; Mahr, Carl: Anorganisches Grundpraktikum für Chemiker und
Studierende der 6.Aufl., Weinheim u.a., 1985.
- 25-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 6. Kapitel : Anhang - Arbeitsvorschriften Christian Bärmann
Arbeitsvorschrift 1: BOYLE-Versuch
Quelle:
Geräte:
Bley, Lars; Friedrich, Jens et aI.: Die Masse des "Nichts" - der Boyle-Versuch
im neuen Lichte. In: CHEMKON 8, 2001, S. 156 f.
Rundkolben (1 L) mit Schliff, Einleitungsrohr einer Gaswaschflasche (mit
passendem Schliff), Absaugstück mit Hahn (mit passendem Schliff), Luftbal
lon, Korkring, Schlauchschellen, PVC- oder Gummischlauch, Sauerstofffla
sche mit Druckminderer, Heißluftpistole (Bunsenbrenner), Stativ-Klammer,
Waage
Chemikalien: Aktivkohle (gekörnt), Sauerstoff
Vorgehen: 100-200 mg gekörnte Aktivkohle werden in der
Rundkolben gegeben. Mit Hilfe eines Einleitungs
rohr für Gaswaschflaschen, an dem die Sauer
stoffflasche angeschlossen ist, wird der Rundkol
ben etwa 10 Minuten mit elementarem Sauerstoff
gespült. Danach wird relativ schnell das Absaug
stück mit Hahn im geschlossenen Zustand aufge
setzt, damit der Sauerstoff nicht entweicht. Am
Absaugstück befindet sich ein Luftballon für den
Druckausgleich bei der Verbrennung.
Nun wird der Rundkolben mit der Aktivkohle und dem Sauerstoff gleich
mäßig mit der Heißluftpistole erhitzt bis einzelne Aktivkohle-Teilchen zu
Glühen beginnen, zuvor wurde eine Stativ-Klammer am Hals befestigt. Jetzt
schwenkt man den Rundkolben stark um, so dass alle Partikel der Aktivkoh
le zu glühen beginnen und ein"Wunderkerzeneffekt" zu sehen ist.
- 26-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlen stoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvorschriften Christian Bärmann
Arbeitsvorschrift 2: Verbrennungsenthalpie von Holzkohle
Quelle: Jansen,W.; Melle,I.: Einfaches Kalorimeter zur Bestimmung der Verbrennung
senthalpie von Kohlenstoff. In: PdN-Ch 2, 1993, 20-22.
Geräte: Verbrennungskalorimeter (selbst gebaut nach obiger Vorschrift, Materialien s. dort),
Sauerstoffflasche mit Druckminderer, Pinzette, Gummischlauch, Magnetrührer, Di
gitalthermometer, Zünddraht, Gleichspannungsquelle, Kabel, Krokodilklemmen,
Gaswaschflasche (nachgeschaltet als Blasenzähler mit Wasser), Waage
Chemikalien: Sauerstoff, Holzkohle,
Wasser
Vorgehen: Zur Bestimmung der
Verbrennungsenthalpie
muss die eingesetzte
Holzkohle vor dem
Versuch getrocknet
werden. Dies kann im
Trockenschrank oder
IBrennkammer!im kleinen Maßstab im . .
IKupferspirale I
D
Kalorimeter
Reagenzglas über dem Bunsenbrenner geschehen, ohne die Kohle zu verbrennen.
Eine Probe von 300-500 mg wird in das Quarzglasschälchen des Kalorimeters ge
bracht. Anschließend wird die Apparatur zusammengesetzt und mit Wasser gefüllt.
Dabei ist darauf zu achten, dass der Zünddraht in möglichst langer Linie die Holz
kohle berührt. Zur Vorbereitung der Verbrennung wird der Gasraum des Kalorime
ters etwa 10 Minuten mit Sauerstoff gespült. Dabei sollte es sich um einen langsa
men, aber gleichmäßig Sauerstoffstrom handeln, der auch die Verbrennung gut un
terhalten kann. Je langsamer der Sauerstoff durchströmt, desto genauer sind die an
schließenden Messwerte.
Zur Zündung wird eine Gleichspannungsnetzteil benutzt, an dem man die Span
nung solange steigert, bis der Verbrennungsvorgang sichtbar begonnen hat, dann
schaltet man die Spannungsquelle wieder aus.
Für die Messwert-Aufnahme verwendet man eine Digitalthermometer, mit dem alle
30 Sekunden die Temperatur des Kalorimeter-Wasser gemessen wird. Die Auswer
tung erfolgt nach dem folgenden Schema.
- 27-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvorschrift en Chri stian Bärmann
Bestimmung der Verbrennungsenthalpie von Holzkohle
1. Einwaage Holzkohle: g
2. Messwerte:
t 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5[min]
T[0C]
5,0 5,5 6,0
t 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0[min]
T[0 C]
Maximale Temperaturdifferenz: ~T = _
3. Wärmekapazität des Kalorimeters:
CKalorimeter = mGlas . Cp(Glas) + mcu· cp(cu) + mWasser' Cp(H20 )
- J
4. Verbrennungsenthalpie
~Hmol = - ~T . CKalorimeter . Mmol(Kohlenstoff) . mVerbrannter Stoff-1
____ J . 12,011 g/ mo,· g-1
_____ J/mol = 10/mol
Literaturwert: -393,8 kJ/mol
Abweichung: %
- 28-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvorschr iften Christian Bärmann
Arbeitsvorschrift 3: Leitfähigkeit von Graphit
Geräte:
Vorgehen:
Gleichspannungsnetzgerät, Krokodilklemmen, Lämpchen, Demonstrations
motor, Kabel, Bleistift, Demonstrationsvielfachinstrumente für Stromstärke
und Spannung
Es wird ein einfacher Verbraucherstromkreis aufgebaut, in dem ein Stück
Kupferleitung durch einen Bleistift ausgetauscht wird. Der Bleistift ist auf
beiden Seiten angespitzt und wird mit den Krokodilklemmen im Stromkreis
integriert.
- 29-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvorschriften Christian Bärmann
Arbeitsvorschrift 4: Adsorption von Rotwein an Aktivkohle
Geräte: Schnelllauftrichter (6x), Bechergläser (6x SOml), Erlenmeyer (6x SOml), Sta
tivmaterial (Filtrierringe, Doppel- und Hakenmuffen, Stativstangen, Stativ
platten), Faltenfilter, Waage, Uhrgläser
Chemikalien: Aktivkohle, Rotwein
Vorgehen: In den sauberen und trockenen Bechergläser werden unterschiedliche Mas
sen (0, 100, 200, 300, 500, 1000 mg)von gepulverter Aktivkohle mit der glei
chen Menge Rotwein (20 ml) versetzt. Nachdem die Bechergläser mit Uhr
gläsern abgedeckt wurden, wartet man ca. 10-20 Minuten bis sich ein
Gleichgewicht zwischen Rotwein und Aktivkohle einstellt. Während der Zeit
schwenkt man ein paar Mal die Bechergläser um.
Nach der Wartezeit werden die Mischung jeweils durch einen eigenen Fal
tenfilter in separate Erlenmeyer-Kolben filtriert. Es entsteht eine Reihe, in der
es zu Farbabstufungen kommt.
- 30-Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvorschriften Christian Bärmann
Arbeitsvorschrift 5: Hochofenprozess
Quelle:
Geräte:
Schneider, Oliver: Protokoll zum Experimentalvortrag "Simulation einiger
großtechnischer Prozesse der anorganischen Chemie". Marburg 1993.
Hochofenapparatur aus Quarzglas (Quarzpfeife und Reaktionsturrn), Quarz
glaswolle, Gummischlauch, Sauerstoffflasche mit Druckminderer, Bunsen
brenner (3-4), Drahtnetz, Stativmaterial (Klammer, Muffen, Stangen,
Stativplatten)
Chemikalien: Eisen(III)-oxid, Aktivkohle (gekörnt), Wasser
LVorgehen: Vor dem Versuch wird das Eisenoxid mit Was-
ser vermischt. Die getrocknete Masse wird in
grobe Stücke zerteilt und anschließend abwech
selnd mit der Aktivkohle auf einen Glaswolle-
bausch im Reaktionsturm des Hochofens ge
schichtet.
Für die Reaktion wird eine kontinuierliche Zu
fuhr von Sauerstoff benötigt, der durch die
Bunsenbrenner unter der Quarzpfeife vorge
heizt wird. Der Start der Reaktion erfolgt, in
dem die erste Schicht Aktivkohle zur Glut gebracht wird. Die Reaktion wird
durch die Sauerstoffzufuhr kontrolliert.
- 31 -Chemie in der Schule: www.chids.de
Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvorschriften Christian Bärmann
Arbeitsvorschrift 6: Darstellung von Kohlenmonoxid
Geräte: Dreihalskolben, Tropftrichter mit Druckausgleich, Stopfen, Absaugstück mit
Hahn, Gaswaschflaschen, Dreiwegehahn, pneumatische Wanne, Glasrohre,
Schlauchschellen, Magnetrührer mit Rührfisch und Thermometer, Bunsen
brenner, Wasserbad, ABZUG
Chemikalien: Schwefelsäure (konz.), Methansäure, Wasser, Palladiumchlorid-Lösung,
Spülmittel
Vorgehen: In einer Gasentwicklerapparatur wird durch Zu tropfen von Ameisensäure
zu konzentrierter Schwefelsäure Kohlenmonoxid entwickelt. Dabei ist die
Schwefelsäure auf etwa 40°C temperiert und wird durch einen Rührfisch in
Bewegung gehalten.
Im ersten Teilversuch, bei dem die Brennbarkeit
nachgewiesen werden soll, wird das entstehende
Kohlenmonoxid in eine Seifenlösung eingeleitet.
Die sich bildenden Blasen bilden mit dem Luftsau-
erstoff leicht entzündlich Blasen, die mit blauer
Flamme abbrennen. Je länger die Blasen an der Luft
sind, desto heftiger wird die Verbrennung.
Im zweiten Teilversuch, der die Reduktionswir
kung demonstrieren soll und auch zur Entsorgung
~ des Kohlenmonoxids dienen kann, wird das Gas in
eine konzentrierte Palladiumchlorid-Lösung eingeleitet. Eine schnelle Trü
bung tritt ein durch ausfallendes elementares Palladium.
~lf-~~.x..<.>
- 32-Chemie in der Schule: www.chids.de
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