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Natriumchlorid (NaCl) oder einfach Kochsalz
Fabian GeliesSommersemester 2002
Experimentalvortrag
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Versuch 1Darstellung aus den ElementenVorbereitung: Entwicklung von Chlorgas
MnO2(s) + 4 HCl(aq) Mn2+(aq) + 2 Cl-
(aq) + 2 H2O(l) + Cl2(g)
Reaktionsgleichung:
2 Na(l) + Cl2(g) 2 NaCl(g/s) + 822,56 kJ
+ IV - I + II 0
0 0 + I - I
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Bezug auf die ElementeFlammenfärbung:Na(g)
Na(g)* Na(g)
Δ E = h · ν = h · c / λ
Natrium: 589 nm (gelb)
Aufbau der Elektronenhüllen:
Natrium: 1s2 2s2 2p6 3s1 Chlor: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Natürliche Oxidationsstufen: Natrium (+ I ) als Na+ -Ion
Chlor ( - I ) als Cl- -Ion
- Δ E Δ
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Bezug auf die ElementeVorkommen von NaCl:3,6 · 1016 Tonnen gelöst in den Weltmeeren 1015 Tonnen in unterirdischen Salzlagern Steinsalzweiterhin in salzhaltiger Kohle und Organismen
Physiologie:150 bis 300 g in Blut und Gewebesäften10 bis 15 g tägliche Aufnahme Kochsalz5 g/kg akut toxische Dosis0,9 % : “physiologische Kochsalzlösung”
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Bezug auf die ElementeVerwendung von NaCl:Herstellung fast aller Natrium- und Chlorverbindungen
Gewinnung von NaCl:Herausbrechen oder Lösen aus SalzlagernEindampfen von SalzsolenVerdunsten oder Ausfrieren von Meerwasser
Reinigung von NaCl:Ausfällung von VerunreinigungenFällung von NaCl mittels HCl-Gas
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Versuch 2 „Leblanc-Verfahren“
Darstellung von HCl-Gas aus Kochsalz
NaCl(s)+ H2SO4(aq) NaHSO4(s) + HCl(g)
( NaCl(s)+ NaHSO4(s) Na2SO4(s) + HCl(g) )
20°C
Vollständiger Umsatz erfolgt in zwei Stufen
Reaktionsgleichung:
800°C
• Gebräuchliche Labordarstellung (oft mit NH4Cl statt NaCl)
• Moderne HCl - Darstellung in der Technik:
Elementares Chlor wird mit Kohlenwasserstoffen umgesetzt
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Versuch 2 „Leblanc-Verfahren“
Nachweis des entstandenen HCl-GasesChloridnachweis:
Fällen als Silberchlorid: Ag+
(aq) + NO3-(aq) + Cl-
(aq) NO3-(aq) + AgCl(s) (weiß)
Lösen in Ammoniak:AgCl(s) + 2 NH3(aq) Cl-
(aq) + [Ag(NH3)2]+(aq) (farblos)
Säurenachweis:
Farbumschlag der Phenolphthaleinlösung(violett farblos)
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Kristallisation von Kochsalz
Löslichkeit in Wasser:35,6 g / 100 mL bei 20°C39 g / 100 mL bei 100°C Foto Uni Siegen
Foto: Dr. E. Becker Uni Siegen
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Versuch 3Kristallisation im Eiltempo
NaOH(aq) + HCl(g) H2O(l) + NaCl(s)
Reaktionsgleichung:
Reaktionsart: typische Neutralisationsreaktion
Relevanz: Entsorgung bei technischen Prozessen (z.B. PVC - Verbrennung)
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Kochsalzkristalle
Würfel (farblos und durchsichtig)
Dichte: 2,164 g/cm3
Schmelzpunkt: 801 °C
Siedepunkt: 1413 °C
Natriumchloridstruktur:KOZ = 6 (Na+ und Cl-)
kubisch flächenzentrierte Anordnung
Fotos: Dr. E. Becker Uni Siegen
Foto Uni Siegen
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Kochsalzkristalle
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NaCl-Struktur
als SWF-Animation
aus dem elektronischen Unterrichtsmaterial der Universität Zheng Zhou (VRC)
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KristallstrukturtypRadienverhältnis von Kation zu Anion
Anionen: Cl- S2- N3-
Kationen:Cs+ Na+ Zn2+ B3+
Tabelle Grenzradienverhältnisse
r+/r- KZ des Kations Anionenanordnung Namengeber (r+/r- )> 0,73 8 kubisch CsCl (1,13)
> 0,414 6 oktaedrisch NaCl (0,70)> 0,225 4 tetraedrisch ZnS (0,44)> 0,155 3 trigonal-planar BN (0,19)
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Elektrolyse von NaClWässrige Elektrolyse Vortrag Thomas Decher
Schmelzflusselektrolyse:
Elektrodenvorgänge:Reduktion: 2 Na+
(l) + 2 e - 2 Na (s)
Oxidation: 2Cl-(l) Cl2(g) + 2 e -
Redoxreaktion: 2 Na+(l) + 2 Cl-
(l) 2 Na(s) + Cl2(g)
Schema einer NaCl-Elektrolyse-anlage
aus: Chemie für Gymnasien, Berlin (Cornelsen) 1994
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Versuch 4Chlorierendes Rösten von Kupferoxid
Lösung von CuCl2 in Wasser: [Cu(H2O)6)]2+ (hellblau)
Versetzen mit Ammoniak: [Cu(NH3)4)]2+ (tiefblau)
2 CuO(s) + 2 NaCl/CaCl2(s) 2 CuCl2(s) + Na2O/CaO(s)
Reaktionsgleichung: Δ
(Schmelze)
Nachweis gelöster Cu2+ - Ionen:
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Übergang vom Kristall zur Lösung
bisherige Versuche: NaCl in kristalliner Form
im Weiteren: NaCl in wässriger Lösung
Phänomene beim Lösevorgang
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Versuch 5Kochsalz-Kältemischung
Physikalisch-chemischer Hintergrund:Lösen von Salz in Wasser Ionen werden aus dem Gitter durch die Wasserdipole „herausgebrochen“.
Ist die freiwerdende Hydratisierungsenergie kleiner als die Gitterenergie, so ist der Lösevorgang endotherm.
1.Kühlungseffekt: Lösungswärme wird aus Umgebung entnommen
Abkühlung von Lösung und Gefäß.
Eis ist immer von einer Wasserschicht umgeben. Eis (fest) + Energie Wasser (flüssig)Lösevorgang verschiebt Gleichgewicht: Es wird immer mehr Wasser flüssig.
2. Kühlungseffekt: Schmelzwärme des Eises wird der Umgebung entzogen weitere Abkühlung
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Versuch 5Kältemischung
Tabelle: KältemischungenSalz Zusammensetzung Niedrigste erreichbare
Temperatur (°C)Harnstoff 10g/100g Eis -10,8NH4NO3 14g/100g Eis -13,6NaNO3 15g/100g Eis -13NH4Cl 25g/100g Eis -15,4NaCl 33g/100g Eis -21,3Ethanol 105g/100g Eis -30CaCl2 . 6 H2O 143g/100g Eis -55KOH 31g/100g Eis -63
Verwendung: Technik (historisch)Labor Straßenverkehr
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Dichte von KochsalzlösungKonzentrierte Salzlösung hat höhere Dichte als reines Wasser
Problematik: Recycling unterschiedlicher Kunststoffe
Anwendung: Trennung von Kunststoffmüll unter Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte
Ablauf: 1. Müllgemenge mechanisch zerkleinert2. Kunststoffteile in Lösung geringster Dichte3. Kontinuierliches Umwälzen der Oberfläche4. Absaugen der zum Boden gesunkenen Teile5. Abgesaugte Kunststoffteile in Flüssigkeit mit nächst größerer Dichte
• Technische Bezeichnung: Schwimm-Sink-Verfahren• Alternativ: Hydrozyklon-Verfahren (Zentrifugalfeld)
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Demonstration 1Dichte einer konzentrierten Salzlösung
Kunststoffmüll-Trennung:
Wasser NaCl-Lsg Na2S2O3-Lsg
ρ = 1,0 g/cm3 ρ = 1,18 g/cm3 ρ = 1,4 g/cm3
200
800
1000 mL
400
600
200
800
1000 mL
400
600
200
800
1000 mL
400
600
alle Kunststoffe schwimmen
PVC und PET sinken ab
PP schwimmt PS sinkt ab
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Versuch 6aKorrosionsförderung des Elektrolyten KochsalzUnter welchen Bedingungen rostet Eisen?Bei Gegebenheit der drei notwendigen Korrosionskomponenten:
2. Sauerstoff (Raumluft)
3. Elektrolyt (NaCl-Lösung)
3. Wasser(NaCl-Lösung)
Reaktionsgleichung:
2 Fe2(s) + O2(g) + H2O(l) 2 FeO(OH)(s) = Fe2O3 · H2O(s)
Salzlösung ersetzbar durch SO2 - oder CO2 -haltiges Wasser
Säurewirkung
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Versuch 6bKorrosionsförderung des Elektrolyten Kochsalz
Ein Bleistiftspitzer als Lokalelement (Modell der Opferanode)
Große Potentialdifferenz zwischen Stahlklinge (Eisen) und Leichtmetallblock (Legierung: 97% Magnesium, 3% Aluminium)
Block (Anode): Mg(s) Mg2+(aq) + 2 e¯
Klinge (Kathode): 2 H2O(l) + 2 e¯ H2(g) + 2 OH ¯(aq)
Rand des Blocks: Mg2+(aq) + OH ¯
(aq) Mg(OH)2(s)
Verwendung: Korrosionsschutz ( z.B. bei Schiffen oder Heizungsanlagen)
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Versuch 6cSalzbatterie
Standardpotentiale ε0
Mg Mg2+ : -2,38VFe Fe2+ : -0,44V
Vermeidung der elektrochemischen Korrosion:
- Kontakt der verschiedenen Metalle unterbinden
- Potentiale genau abstimmen
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Osmotischer DruckBegrifflichkeit Diffusion einer Flüssigkeit durch semipermeable Membran, welche zwei Flüssigkeiten trennt
Wassermoleküle werden durchgelassen, solvatisierte Ionen nicht
Grundlage: Das Bestreben Konzentrationsunterschiede auszugleichen
osmotischer Druck
Biologische Bedeutung
Halbdurchlässige Wände:
- Grenzschichten des Plasmas der Tiere und Pflanzen
- Innendruck und Außendruck von Zellen
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Demonstration 2Osmotischer Druck
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Aquarium gefüllt mit entionisiertem Wasser Schweineblase gefüllt mit
konzentrierter Salzlösung
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Demonstration 2Osmotischer Druck
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Wasser drängt von außen nach innen
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Demonstration 2Osmotischer Druck
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Die Blase ist ausgedehnt und steht unter Druck
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Demonstration 2Osmotischer Druck
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Sticht man nun ein kleines Loch hinein ...
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Demonstration 2Osmotischer Druck
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AbschlussbetrachtungDie Verbindung NaCl: Alltäglich aber vielseitigvielseitigAbhandlung im Vortrag: Keinesfalls abgeschlossen
Sicher nicht vollständigBeabsichtigt: Gewichtung des experimentellen Charakters
Daher: - Vielseitige Versuche und Demonstrationen (Feststoff, Lösung, Gasentwicklung)- Salzschmelze bis Kältemischung- Historie und Zukunftsanwendung- Fächerübergreifende Einblicke: (Biologie, Physik, Technologie)- Vielfältiger Medieneinsatz
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Literatur
Internetveröffentlichungen (zur Didaktik der Chemie) Universitäten Bielefeld und Siegen sowie Kantonsschule Heerbrugg(CH)
Taschenbuch der Chemie (Fachbuchverlag Leipzig)Schröter, Lautenschläger, Bibrack
Lehrbuch der Anorganischen Chemie (de Gruyter)Hollemann und Wiberg