15. Überarbeitete Auﬂage - UKR

15. Überarbeitete Auflage

c© 2017

Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

JungChemikerForum Regensburg

Universität Regensburg

Universitätsstraße 31

93040 Regensburg

http://www.chemie.uni-regensburg.de/jcf

Einzelne Textpassagen stammen von www.wikipedia.de.

Vorwort

Liebe Schülerinnen und Schüler!

Die Faszination der Chemie wird durch viele Aspekte bestimmt. Einer davon ist gewiss das

praktische Arbeiten mit zum Teil fremd anmutenden Chemikalien und Glasgeräten. Leider

kommt dieser Teilaspekt im Chemieunterricht an vielen Schulen zu kurz. Dies liegt zum

Einen an den großen Klassen und der damit zusammenhängenden kleinen Betreuungsdich-

te, aber auch an der zum Teil schlechten Ausstattung des chemischen Fachbereichs.

Das Ziel dieses Praktikums ist es, euch die praktische Chemie außerhalb der Schule näher-

zubringen, um mit den gesammelten neuen Erfahrungen einen tieferen Einblick in diese

faszinierende Naturwissenschaft zu erhalten.

Die ausgewählten Experimente aus den klassischen Bereichen der Chemie, der Anorgani-

schen, Organischen, Physikalischen und Analytischen Chemie können in Gruppen durchge-

führt werden, wobei die Gruppengröße so klein wie möglich gehalten werden soll.

Wir möchten uns an dieser Stelle bei all jenen bedanken, die dieses Praktikum ermöglichen:

• den freiwilligen Helfern für die Organisation, die Betreuung und ihre Zeit, die sie dafür

opfern.

• dem Fonds der Chemischen Industrie und dem Institut für Anorganische Chemie für

die finanzielle Unterstützung.

• der Fakultät für Chemie und Pharmazie, insbesondere Freya von Krziwanek und Tho-

mas Schottenhammer für das großzügige Bereitstellen von Arbeitsmaterialien, Glasge-

räten und Räumlichkeiten.

Wir wünschen euch ein schönes, erfolgreiches und vor allem unfallfreies Praktikum.

Euer JCF Regensburg

Inhaltsverzeichnis

1 Block A - Hauptversuche 1

1.1 Darstellung von Acetylsalicylsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.4 Fragen zum Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.5 Sicherheitsdatenblatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Isolierung von Piperin aus schwarzem Pfeffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7


1.2.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9



1.3 Synthese von Borsäuretrimethylester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13


1.3.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15


1.3.5 Sicherheitsdatenblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4 Darstellung von Silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19


1.4.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21



2 Block B - Kurzpräpaprate und Analyseverfahren 25

2.1 Darstellung eines Zeoliths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25


2.1.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27



2.2 Darstellung von Acetatgläsern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31




2.3 Säulenchromatographische Trennung der Blattfarbstoffe . . . . . . . . . . . . . 35

2.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35




2.4 Darstellung von Indigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41


2.4.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43



2.5 Sublimation von Campher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47


2.5.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49



2.6 Darstellung von Kaliummanganat K2MnO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53


2.6.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54



2.7 Ferrofluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.7.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57




2.8 Darstellung von Antimon(III)-iodid SbI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.8.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63


2.8.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65



2.9 Komplexchemie des Cobalts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.9.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.9.2 Trans-Tetraammin-dinitro-cobalt(III)-chlorid: Versuchsdurchführung . 69

2.9.3 Trans-Tetraammin-dinitro-cobalt(III)-chlorid: Auswertung . . . . . . . . 70

2.9.4 Tetraammin-carbonato-cobalt(III)-Hemihydrat: Versuchsdurchführung 71

2.9.5 Tetraammin-carbonato-cobalt(III)-Hemihydrat: Auswertung . . . . . . . 71



2.10 Darstellung von Aluminiumacetylacetonat Al(acac)3 . . . . . . . . . . . . . . . . 75

2.10.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75


2.10.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76



2.11 Verseifung von Fetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.11.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79




2.12 Elektrochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.12.1 Leclanché-Element Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83



2.12.4 Wasserelektrolyse Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86



2.12.7 Abscheidung von Kupfer durch Elektrolyse Allgemeines . . . . . . . . . 87



2.12.10Sicherheitsdatenblatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3 Block C - Kurzversuche 91

3.1 Bestimmung des Säuregehaltes von Wein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91


3.1.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92



3.2 Titration von Phosphorsäure in Cola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95


3.2.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99



3.3 Bestimmung der Gesamthärte von Leitungswasser . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103


3.3.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106



3.4 Ester als natürliche Duftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109




3.5 Die Belousov-Zhabotinsky-Oszillationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115



3.6 Der Traum der Alchemisten - Vergolden von Münzen . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121




4 Block D - Nachweise von Ionen 125

4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.2 Nachweise der Anionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.3 Nachweise der Kationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.4 Sicherheitsdatenblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5 Laboratoriumsordnung 133

1 Block A - Hauptversuche

1.1 Darstellung von Acetylsalicylsäure

1.1.1 Allgemeines

Acetylsalicylsäure (vor allem unter dem Markennamen Aspirinr der Firma Bayer bekannt)

ist ein Cyclooxygenase1 -Inhibitor, der die körpereigene Synthese der Prostaglandine und

Thromboxane hemmt. Prostaglandine sind Botenstoffe, die vor allem Schmerzreize weiter-

leiten und verstärken, Fieber entstehen lassen und Entzündungen vermitteln. Thromboxan

bewirkt das Aneinanderheften von Thrombozyten (Blutplättchen) und damit die Blutgerin-

nung.

Die Bildungshemmung dieser Botenstoffe durch die Acetylsalicylsäure bestimmt ihren the-

rapeutischen Einsatz. Sie wird als schmerzstillendes, fiebersenkendes Medikament und in

geringer Dosierung als Mittel zur „Blutverdünnung“ bei der Herzinfarktvorbeugung einge-

setzt. Aufgrund ihrer einfachen und preiswerten Synthese findet sie eine breite Anwendung.

Die Wirkung der Acetylsalicylsäure setzt bereits nach ca. 30 Minuten ein. Im Körper wird sie

in der Leber zu 90 % in Salicylsäure umgewandelt, die selbst schmerzstillend und fiebersen-

kend wirkt und letztlich über die Niere ausgeschieden wird.

Eine Nebenwirkung der Acetylsalicylsäure ist, neben allergischen Reaktionen und dem An-

schwellen der Augen durch Wassereinlagerungen, eine durch die Salicylsäure bedingte Rei-

zung und Entzündung des Magens und Darms, die aufgrund der herabgesetzten Blutgerin-

nung schlecht heilt. Bei längerer oder hochdosierter Verabreichung kann es zu gefährlichen

Magenblutungen kommen.

Abbildung 1: Veresterung von Salicylsäure mit Essigsäureanhydrid.

Bei der Reaktion handelt es sich um eine Veresterung der Hydroxygruppe der Salicylsäure

mit Essigsäureanhydrid in saurem Milieu. Das freie Elektronenpaar der OH-Gruppe greift

den Carbonylkohlenstoff nucleophil an und substituiert im zweiten Schritt die Acetatgruppe.1Das Enzym Cyclooxygenase bewirkt den ersten Schritt der Bildung von Prostaglandinen, ausgehend von gewöhn-

lichen Fettsäuren, wie z.B. die mehrfach ungesättigte C20-Fettsäure Arachidonsäure.

1


Klassische Veresterungen finden üblicherweise bei der Reaktion einer Carbonsäure mit ei-

nem Alkohol statt. Essigsäure ist in diesem Fall jedoch zu unreaktiv, da die Hydroxygruppe

der Salicylsäure sterisch abgeschirmt wird. Aus diesem Grund verwendet man das reaktive-

re Essigsäureanhydrid, das zudem im Überschuss zugesetzt wird. Der Überschuss ist nötig

um in der Reaktionsmischung vorliegendes Wasser abzufangen.

Die Reinigung des Rohprodukts erfolgt durch Umkristallisation. Bei dieser Methode nutzt

man die erhöhte Löslichkeit von Substanzen in heißen Lösungsmitteln. Das Rohprodukt wird

dabei mit so viel heißem Lösungsmittel versetzt, dass es sich gerade noch löst. Beim Abküh-

len nimmt die Löslichkeit des Produkts ab und es beginnt auszukristallisieren. Vorhandene

Verunreinigungen machen nur einen sehr geringen Anteil des Rohprodukts aus und sind

auch im kalten Lösungsmittel noch vollständig gelöst. Das auskristallisierte Produkt wird

abfiltriert, gewaschen und getrocknet.

1.1.2 Versuchsdurchführung

Eine Übersicht über die im Versuch verwendeten Apparaturen bietet Abbildung 2.

Abbildung 2: Schematischer Versuchsablauf.

In einem 250 ml NS29 Rundkolben werden 0.19 mol (18.9 g, 17.5 ml) Essigsäureanhydrid,

0.26 mol (15.8 g, 15.0 ml) Eisessig und 1-2 ml Schwefelsäure vorgelegt. Unter Rühren werden

bei Raumtemperatur 0.15 mol (20.8 g) Salicylsäure portionsweise über einen Pulvertrichter

zugegeben. Man setzt einen Rückflusskühler auf und refluxiert 2 Stunden. Nachdem das Re-

aktionsgemisch auf Raumtemperatur abgekühlt ist ersetzt man den Rückflusskühler durch

einen Tropftrichter und tropft innerhalb von 10 Minuten 75 ml destilliertes Wasser zu.

Nach weiterem Rühren für 30 Minuten unter Eiskühlung saugt man das ausgefallene Roh-

produkt über einen Büchnertrichter ab. Man wäscht zweimal mit je 50 ml Wasser nach und

trocknet das Produkt durch weiteres Durchsaugen von Luft. Das Filtrat wird verworfen, der

2


Filterrückstand in einen tarierten 250 ml NS 29 Rundkolben überführt und die Rohausbeute

bestimmt.

Zur Reinigung bestückt man den Rundkolben mit einem Rückflusskühler. Man stellt 100 ml

einer Wasser/Ethanol 2:1 Mischung her und gibt davon 30 ml über den Rückflusskühler

zum Rohprodukt. Die Lösung wird bis zum Rückfluss erhitzt und so lange portionsweise

mit Lösungsmittel versetzt, bis sich das Rohprodukt vollständig gelöst hat. Anschließend

lässt man die Lösung auf Raumtemperatur abkühlen und vervollständigt die Kristallisation

durch Kühlung im Eisbad.

Das Kristallisat wird über einen Büchnertrichter abgesaugt und zweimal mit dem hergestell-

ten Lösungsmittelgemisch gewaschen (Es empfiehlt sich das Lösungsmittel vor dem Waschen

in einem Eisbad zu kühlen!). Das Reinprodukt wird in eine tarierte Porzellanschale überführt

und über Nacht im Trockenschrank bei 90 - 95 ◦C getrocknet. Die Ausbeute an Reinprodukt

wird durch Rückwägen ermittelt.

1.1.3 Auswertung

Rohausbeute: mist= g; msoll= g

nist = mol; nsoll = mol

Ausbeute: %

Reinausbeute: mist= g; msoll= g


Ausbeute: %

Literaturausbeute: m = 19.7 g;

n = 0.11 mol;

Ausbeute = 73 %

SmpLit = 136 ◦C

1.1.4 Fragen zum Versuch

1. Welches noch reaktivere Säureanalogon könnte man anstatt des Säureanhydrids ein-

setzen?

2. Warum sind diese Substanzen reaktiver als die zugehörige Carbonsäure?

3. Wieso werden zum Ansatz einige Tropfen konz. Schwefelsäure zugeben?

3


4. Die im Praktikum dargestellte ASS fällt in hoher Reinheit an und könnte deshalb zur

Schmerztherapie verwendet werden. Warum sollte man sie trotzdem nicht einnehmen?

4


1.1.5 Sicherheitsdatenblatt

Versuchsbezogene Betriebsanweisungen nach EG Nr. 12 72/2008

für chemische Laboratorien der Universität Regensbu rg

Schülerpraktikum des JCF Regensburg

Name(n)

Platz Assistent/in

Herzustellendes Präparat:

Darstellung von Acetylsalicylsäure, C 9H8O4

eingesetzte Stoffe undProdukt(e)

EssigsäureanhydridC4H6O3

Essigsäure 100%, EisessigC2H4O2

SchwefelsäureH2SO4

SalicylsäureC7H6O3

EthanolC2H6O

Acetylsalicylsäure, AspirinC9H8O4

MG[g/mol]

102.09

60.05

98.08

138.12

46.07

180.16

Sdp.Smp.

-73 °C138 °C

16,2 °C118 °C

10,38 °C279,6 °C

158,3 °C211 °C

-114 °C78 °C

-137.15 °C-

GHS-Symbol(e) Nummern der H/P-Sätze

H 226-302-314-332

P 280-305+351+338-310

H 226-314

P 280-305+351+338-310

H 314

P 280-301+330+331-310-305+351+338

H 302-318-335-315

P 261-302-352-305+351+338-321-405-501

H 225P 210

H 301-335-315-319

P 301+310-261-302+352-280-305+351+338

MAK, LD50WGK

5.0 mg/m³WGK 1

10.0 ppmWGK 1

0.1 mg/m³WGK 1

WGK 1

500.0 ppmWGK 1

5.0 mg/m³WGK 1

für Ansatzbenötigt

17,5 mL185,1 mmol

15,0 mL262,3 mmol

2,0 mL37,4 mmol

20,8 g150,6 mmol

33,3 mL0,6 mol

Wortlaut der wesentlichen oben genannten H- und P-Sätze:

H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H301 Giftig bei Verschlucken.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H315 Verursacht Hautreizungen.H332 Gesundheitsschädlich bei Einatmen.

P210 Von Hitze / Funken / offener Flamme / heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen.

P261 Einatmen von Staub / Rauch / Gas / Nebel / Dampf / Aerosol vermeiden.

P301+330+331 Bei Verschlucken: Mund ausspülen. Kein Erbrechen herbeiführen.

P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

P352 Mit viel Wasser und Seife waschen.P405 Unter Verschluss aufbewahren.

5


Gefahren für Mensch und Umwelt, die von den Ausgangsmaterialien bzw. dem(n) Produkt ausgehen, soweit sie nicht durch die obengenannten Angaben abgedeckt sind (z.B. krebserregend, fruchtschädigend, hautresorptiv):

Schutzmaßnahmen und Verhaltensregeln:

Verhalten im Gefahrenfall, Erste-Hilfe-Maßnahmen (gegebenenfalls Kopie der entsprechenden Literaturstelle beiheften):

Entsorgung:

Hiermit verpflichte ich mich, den Versuch gemäß den in dieser Betriebsanweisung aufgeführten Sicherheitsvorschriften durchzuführen.

Präparat zur Synthese mit den auf der Vorderseite berechneten Chemikalienmengen freigegeben.

Unterschrift des (der) Student(in) Unterschrift des (der) Assistent(in)

• WGK 1: schwach wassergefährdende Stoffe

• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. • Reaktion von Essigsäureanhydrid mit Wasser vermeiden, da heftige Reaktion. • Maßnahmen zur Brandbekämpfung: Löschpulver, CO2

• Bei Berührung mit Haut oder Augen: Gründlich mit Wasser ab- bzw ausspülen und evtl. Arzt konsultieren. • Nach Einatmen: Sofort frische Luft zuführen. • Nach Verschlucken: Aktivkohle schlucken. Viel Wasser trinken, Mund ausspülen und Arzt konsultieren.

• Im Waschwasser: verdünnte Essigsäure und Schwefelsäure. Nach Verdünnen in Wasser: Abfluss • Mutterlauge: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

6

1.2 Isolierung von Piperin aus schwarzem Pfeffer


1.2.1 Allgemeines

Der echte Pfeffer, Pfefferstrauch, schwarze Pfeffer oder kurz Pfeffer (Piper nigrum) ist eine

Pflanze aus der Familie der Pfeffergewächse (Piperaceae). Die Pfefferpflanze ist eine ausdau-

ernde holzige Kletterpflanze, die an Bäumen emporwächst und rund zehn Meter hoch werden

kann. In Kultur hält man die Pflanze üblicherweise auf einer Höhe von 3 bis 4 m. Die kleinen,

unauffälligen Blüten stehen in ca. 10 cm langen Ähren mit 50 bis 150 Einzelblüten, die bei

kultiviertem Pfeffer, anders als bei Wildsorten, zum größten Teil (bis zu 90 %) zwittrig sind.

Nach Befruchtung entwickeln sich in typischerweise 8 bis 9 Monaten reife Früchte (Stein-

frucht). Von einer Pfefferpflanze kann zweimal jährlich Pfeffer geerntet werden; die Pflanzen

bleiben bis zu 30 Jahre ertragreich.

Ausschlaggebend für die Schärfe des schwarzen Pfeffers sind die Alkaloide Piperin (5-8 %),

Piperettin (0,4-0,8 %), Piperylin (0,2-0,3 %) und andere. In weißem Pfeffer ist etwa 2,5 %

ätherisches Öl, in grünem und schwarzem Pfeffer bis zu 4,8 % enthalten, welches dem Pfeffer

sein Aroma gibt. Im ätherischen Öl sind die Hauptbestandteile β-Caryophyllen, 3-Caren und

Limonen. Weitere wichtige Bestandteile im schwarzen Pfeffer sind etwa 50 % Stärke, 5 bis 6

% Öl, sowie die Flavonoide und Glykoside von Kaempferol, Rhamnetin und Quercetin.

Piperin (1-Piperoylpiperidin, Abb. 1) ist ein farbloser bis gelblicher Feststoff, der zur Familie

der Alkaloide2 gehört und eine monokline Kristallstruktur aufweist. Piperin wurde 1819 zum

ersten Mal von Hans Christian Ørsted isoliert. Synthetisch lässt es sich durch Piperin und

Piperinsäure darstellen.

Abbildung 1: Strukturformel von Piperin.

Durch alkoholische Kalilauge lässt sich Piperin unter Wasseraufnahme in Piperidin und Pi-

perinsäure spalten. Da es durch saure Katalyse (u. a. im Magen) auch zu Formaldehyd ge-

spalten wird, kann es in größeren Mengen schädlich wirken.

2Alkalisch reagierende Wirksubstanzen vieler Pflanzen, die seit Urzeiten als Rausch-, Genuss-, und Arzneimittel

verwendet werden.

7


Piperin regt, wie alle scharfen Stoffe, den Stoffwechsel, sowie die Sekretion (Speichel, Ver-

dauungssäfte) an und wirkt antimikrobiell. Gelegentlich wird es deshalb zur Unterstützung

einer Fastenkur eingenommen.

Für Extraktionen gilt Allgemein, dass es günstiger ist, mehrmals mit kleinen Mengen Lö-

sungsmittel zu extrahieren, als einmalig eine große Menge zu verwenden. Beim Versuch be-

dient man sich der sog. Soxhletextraktion, einem Verfahren zur kontinuierlichen Extraktion.

Dabei wird das Lösungsmittel verdampft und kondensiert am Rückflusskühler der Soxhlet-

apparatur. Das Kondensat sammelt sich in der mit Pfeffer gefüllten Hülse und extrahiert das

Piperin. Erreicht der Füllstand einen gewissen Grad, so wird die Piperinlösung in den Vorla-

gekolben gesaugt und die Extraktion beginnt erneut. Beim Verdampfen des Lösungsmittels

geht das nichtflüchtige Piperin nicht in die Gasphase über, was dazu führt, dass immer rei-

nes Lösungsmittel für die Extraktion zur Verfügung steht. Das extrahierte Piperin sammelt

sich hingegen im Vorlagekolben an.


Der Aufbau der Soxhlethapparaur kann aus Abb. 2 entnommen werden.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau der Apparaturen

In einem 500 ml NS29 Rundkolben werden 300 ml Ethanol vorgelegt. Auf diesen wird ein

Soxhletaufsatz gesetzt und die Soxhlethülse mit 20 g gemahlenem, schwarzem Pfeffer be-

schickt. Man setzt darauf einen Rückflusskühler und extrahiert 2 Stunden. Das Extrakt wird

mit Hilfe einer Destillationsbrücke fast bis zur Trockne eingeengt und der verbleibende Rück-

stand mit 15 ml einer ca. 50 ◦C warmen, 10%igen ethanolischen Kalilauge aufgenommen

und anschließend vom unlöslichen Rückstand abfiltriert. Aus der Lösung kristallisieren bei

8


Raumtemperatur über Nacht gelbe Nadeln aus, die abgesaugt und im Exsikkator getrocknet

werden.

1.2.3 Auswertung

Ausbeute: mist= g; nist= mol


1. Zeichnen Sie die Strukturformel von Piperidin!

2. Zeichnen Sie die Strukturformel von Piperinsäure!

3. Um welche Substanzklasse handelt es sich bei Piperin?

4. Schlagen Sie einen Mechanismus für die Spaltung von Piperin vor!

5. Warum verwendet man Ethanol als Extraktionsmittel und nicht etwa wesentlich billi-

geres Wasser?

9



Versuchsbezogene Betriebsanweisungen nach EG Nr. 1272/2008

für chemische Laboratorien der Universität Regensburg

Schülerpraktikum des JCF RegensburgName(n)

Platz Assistent/in


Isolierung von Piperin aus schwarzem Pfeffer, C17H19NO3


EthanolC2H6O

gemahlener schwarzer Pfeffer

KaliumhydroxidKOH

PiperinC17H19NO3

MG[g/mol]

46.07

-

56.11

285.34

Sdp.Smp.

-114 °C78 °C

--

86.85 °C1053.85 °C

130 °C-


H 225P 210

H 290-302-314

P 280-305+351+338-301+330+331-310

H 302-411P 273

MAK, LD50WGK

500.0 ppmWGK 1

-

WGK 1

WGK 2


300,0 mL5,1 mol

20,0 g


H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H411 Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.

P210 Von Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /

Gesichtsschutz tragen.P301+330+331 Bei Verschlucken: Mund ausspülen. Kein

Erbrechen herbeiführen.P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten

lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

10





Entsorgung:




• Piperin: WGK 2: Wassergefährdung • Ethanol: WGK 1: schwach wassergefährdende Stoffe

• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. • Maßnahmen zur Brandbekämpfung: Löschpulver, CO2

• Bei Berührung mit Haut oder Augen: Gründlich mit Wasser ab- bzw ausspülen und evtl. Arzt konsultieren. • Nach Einatmen: Sofort frische Luft zuführen. • Nach Verschlucken: Viel Wasser trinken, Mund ausspülen und evtl Arzt konsultieren.

• Lösungsmittelreste: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

11

1.3 Synthese von Borsäuretrimethylester


1.3.1 Allgemeines

Die säurekatalysierte Reaktion eines Alkohols mit einer Säure unter Wasserabspaltung wird

als Veresterung bezeichnet. Eine klassische Veresterung in der organischen Chemie wird mit

einer Carbonsäure (oder deren Derivaten: Anhydride, Säurechloride etc.) und einem Alkohol

durchgeführt.

Im Falle des Borsäuretrimethylesters werden Methanol und das Anhydrid der Borsäure ver-

wendet (Gl. 1). Das Anhydrid ist stark hygroskopisch (wasserziehend) und reagiert mit Was-

ser zur Borsäure H3BO3 (Gl. 2).

B2O3 + 6CH3OH 2B(OCH)3 + 3H2O (1)

B2O3 + 3H2O −→ 2H3BO3 (2)

Die Verwendung des Anhydrids bietet zwei entscheidende Vorteile in der Synthese. Zum

Einen besitzt es, im Vergleich zur Säure, eine höhere Reaktivität, zum Anderen reagiert

es nach Gl. 2 mit Wasser, das nach Gl. 1 gebildet wird. Dadurch wird das Gleichgewicht der

Reaktion 1 auf die Produktseite verschoben.

Abbildung 1: Lewissaurer Charakter der Borsäure.

Im Vergleich zu Säuren wie HCl, HNO3 oder H2SO4 ist Borsäure keine Protonensäure, son-

dern eine Lewissäure (Elektronenpaarakzeptor). Abb. 1 zeigt die Reaktion von Borsäure mit

Wasser. Das Boratom weist in der Borsäure nur ein Elekronensextett, also einen Elektronen-

mangel auf. Um diesen Mangel aufzuheben, reagiert es bereitwillig mit Lewisbasen (Elektro-

nenpaardonoren), in diesem Fall dem Hydroxidanion. Das resultierende Tetrahydroxyborat

weist nun ein Elektonenoktett am Boratom auf.

Aufgrund der Strukturformel der Borsäure könnte man einwenden, dass es sich beim Pro-

dukt der Reaktion nicht um einen Ester, sondern vielmehr um einen Ether handelt. Auch

diese Argumentation ist richtig. Ether entstehen durch Verknüpfung zweier Alkohole unter

Kondensation. Sie werden meist mit einem hohen Überschuss an Alkohol unter Säurekata-

lyse synthetisiert. Der entstandene Ether wird durch Destillation entfernt.

Aufgrund der oben angeführten Definition sind jedoch aus Gründen der Nomenklatur nicht

die Endprodukte, sondern die Edukte ausschlaggebend. Da die Reaktion zwischen einer Säu-

13


re und einem Alkohol statt findet, handelt es sich beim Produkt um einen Ester.

Eine Besonderheit des Borsäuretrimethylesters liegt in seiner Eigenschaft, mit intensiv grü-

ner Flamme3 zu verbrennen. Neben dem analytischen Nutzen dieser charakteristischen Flam-

menfärbung nutzt man sie häufig als Showeffekt in Experimentalvorlesungen.


Eine Übersicht über die im Versuch verwendeten Apparaturen bietet Abbildung 2.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau der Versuchsapparaturen.

Die Reaktion verläuft nach folgender Reaktionsgleichung:

In einem 250 ml NS29 Einhalskolben mit Rückflusskühler und Trockenrohr (gefüllt mit

CaCl2) werden 2.46 mol (79 g, 100 ml) Methanol vorgelegt. Dazu gibt man portionsweise

0.28 mol (20 g) B2O3 über einen Pulvertrichter, wobei sich der Reaktionsansatz erwärmt. Man

erhitzt bis zum Sieden und refluxiert 1 h lang. Im Anschluss ersetzt man den Rückflusskühler

durch eine NS29 Claisenbrücke und destilliert unter Feuchtigkeitsausschluss (Trockenrohr

umsetzen!!) ein Gemisch aus Ester und Methanol in einen tarierten Vorlagekolben ab.

3Alle Flammen, die durch Verbrennung kohlenstoffhaltiger Verbindungen entstehen, sind je nach Flammentempe-

ratur und Sauerstoffgehalt weiß, bläulich oder orange.

14


Am Ende der Destillation beginnt die Temperatur langsam anzusteigen, bis eine Temperatur

von 60-70 ◦C erreicht ist. An dieser Stelle wird die Destillation abgebrochen, da sonst mehr

Methanol als nötig übergehen würde, wodurch eine Abtrennung des Esters im Scheidetrich-

ter nicht mehr möglich wäre.

Zum Destillat gibt man zur besseren Phasentrennung zunächst soviel LiCl, dass auf 100 g

des Gemisches 12 g LiCl kommen. Die Obere der beiden Phasen enthält den Borsäuretrime-

thylester, der im Schiedetrichter in hoher Reinheit abgetrennt werden kann. Da der Ester

feuchtigkeitsempfindlich ist, sollte er nicht zu lange an Luft gehandhabt werden. Zur Entsor-

gung des Esters wird dieser in einer Porzellanschale im Abzug entzündet.

1.3.3 Auswertung

Ausbeute: mist= g; msoll= g


Ausbeute: %


1. Welche lewissaure Borverbindung kennen Sie bereits? Bei welcher Art organischer Re-

aktionen spielt sie eine Rolle?

2. Die bekannteste Borverbindung ist das sog. Boran (Borwasserstoff) BH3. Sie kommt

jedoch nicht als Monomer, sondern in aller Regel als Dimer vor, also B2H6. Begründen

Sie diesen Sachverhalt.

3. Bor ist das leichteste Homologe in der dreizehnten Gruppe. Welche anderen Elemente

stehen in der Gruppe? Weisen ihre Verbindungen ähnliche Eigenschaften auf?

15


1.3.5 Sicherheitsdatenblätter




Name(n)

Platz Assistent/in


Synthese von Borsäuretrimethylester, B(OMe) 3


MethanolCH3OH

BorsäureanhydridB2O3

LithiumchloridLiCl

BorsäuretrimethylesterC3H9BO3

CalciumchloridCaCl2

MG[g/mol]

32.04

69.62

42.39

103.91

110.98

Sdp.Smp.

-97.80 °C65.00 °C

201.85 °C1976.85 °C

605 °C1360 °C

-34 °C68 °C

498.85 °C1396.85 °C


H 225-301-311-331-370

P 210-280-233-302+352-304+340-310

H 360FDP 201-308+313

H 302-315-319-335P 261-305+351+338

H 226-312P 280

H 319P 305+351+338

MAK, LD50WGK

200.0 ppmWGK 1

WGK 1

WGK 1

WGK 1

WGK 1


100,0 mL2,5 mol

20,0 g287,3 mmol


H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H301 Giftig bei Verschlucken.H311 Giftig bei Hautkontakt.H315 Verursacht Hautreizungen.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H331 Giftig bei Einatmen.H360FD Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Kann das

Kind im Mutterleib schädigen.


P233 Behälter dicht verschlossen halten.P261 Einatmen von Staub / Rauch / Gas / Nebel / Dampf /

Aerosol vermeiden.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /

Gesichtsschutz tragen.P302+352 Bei Kontakt mit der Haut: Mit viel Wasser und Seife

waschen.P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten


P308+313 Bei Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat Einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen.

16





Entsorgung:





• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. • Maßnahmen zur Brandbekämpfung: Löschpulver, CO2 oder Wasser


• CaCl2: Feststofftonne F • Lösungsmittelreste: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

17

1.4 Darstellung von Silicium


1.4.1 Allgemeines

Silicium ist ein klassisches Halbmetall und weist daher sowohl Eigenschaften von Metallen,

wie auch von Nichtmetallen auf. Reines, elementares Silicium besitzt eine grau-schwarze

Farbe und zeigt einen typischen metallischen, oftmals bronzenen bis bläulichen Glanz auf.

Der Name leitet sich von silex (lat.: Kieselstein, Feuerstein) ab. Wie nur wenige andere Stoffe

weist Silicium eine Dichteanomalie auf, d.h. seine Dichte ist in flüssiger Form höher als im

Feststoff.

Die gesamte Erde besteht zu etwa 15 Gewichtsprozent aus Silicium. Insbesondere der Erd-

mantel setzt sich zu einem beträchtlichen Anteil aus silikatischen Gesteinsschmelzen zu-

sammen. Die Erdkruste besteht zu etwa 26 Gewichtsprozent aus Silicium. Hier tritt es im

Wesentlichen in Form silikatischer Minerale wie Sand und Quarz auf. Viele Halbedelsteine

und Schmucksteine bestehen größtenteils aus Siliciumdioxid, wie etwa Bergkristall, Ame-

thyst, Rosen- und Rauchquarz, Achat, Jaspis, Opal und Obsidian.

1956 entwickelten, unabhängig voneinander, Robert Noyce bei Fairchild und Jack S. Kilby bei

Texas Instruments die integrierte Schaltung auf einem Siliciumchip. 1970 wurde bei Intel die

programmierbare integrierte Schaltung, die Vorstufe zum Mikroprozessor entwickelt.

Alle gängigen Computerchips, Speicher, Transistoren etc. verwenden hochreines Silicium als

Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tatsache, dass Silicium ein Halblei-

ter ist. Durch gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Indi-

um, Antimon, Arsen, Bor oder Phosphor, können die elektrischen Eigenschaften von Silicium

in einem weiten Bereich verändert werden. Dadurch lassen sich verschiedenste elektronische

Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltun-

gen spricht man auch vom Silicium-Zeitalter.

Dieses hochreine Silicium wird technisch durch Reduktion von Quarzsand (SiO2) mit einer

genau eingewogenen Menge an Graphit bei mehr als 2000 ◦C im elektrischen Ofen herge-

stellt (Gl. 1). Dieses Rohsilicium weist jedoch nicht die vorgegebene Reinheit von 99.999

% auf. Deshalb muss in einem weiteren Schritt das Silicium aufgereinigt werden. Hierbei

wird es mit Chlorwasserstoff zum flüchtigen Trichlorsilan HSiCl3 umgesetzt und abdestilliert

(Gl. 2). Das gereinigte Produkt wird nun mit Wasserstoff zu elementarem Silicium reduziert

(Gl. 3). Anschließend folgt das sog. Zonenschmelzverfahren. Das Zonenschmelzverfahren be-

ruht auf der Tatsache, dass Verunreinigungen in der Schmelze eine energetisch günstigere

chemische Umgebung (niedrigeres chemisches Potential) haben als im Festkörper und des-

halb vom Festkörper in die Schmelze wandern. Bei diesem Prozess wird eine schmale Zone

19


eines Siliciumstabs aufgeschmolzen, wobei die Schmelze in Kontakt zu den beiden festen

Enden des Stabs bleibt. Die geschmolzene Zone lässt man durch Bewegung der elektrischen

Heizvorrichtung langsam zum anderen Ende des Stabs wandern.

SiO2 + 2C −→ Si+ 2CO (1)

Si+ 3HCl −→ HSiCl3 +H2 (2)

HSiCl3 +H2 −→ Si+ 3HCl (3)

Im Labor gewinnt man elementares Silicium durch Reduktion von Siliciumdioxid mit uned-

len Metallen wie Aluminium. Dieses Verfahren wird Aluminothermie-Verfahren genannt.

3SiO2 + 4Al −→ 3Si+ 2Al2O3 (4)

Die Bildungswärme von Aluminiumoxid ist dabei sehr groß. Die Oxidation des Aluminium-

grieß liefert so viel Energie, dass sich das Reaktionsgemisch auf bis zu 2500 ◦C erhitzen

kann. Das entstehende flüssige Silicium ist dabei durch einen Al2O3-Schutzschicht gegen

Luftsauerstoff geschützt und lagert sich am Tiegelboden ab. Häufig wird dem Reaktionsge-

misch Schwefel zur Erhöhung der Wärmetönung zugesetzt.


Abbildung 1: Schematischer Ablauf des Versuchs

1.49 mol (90 g) Seesand (SiO2 > 99.8 %) werden zusammen mit 3.7 mol (100 g) Aluminium-

grieß und 3.75 mol (120 g) Schwefel in einem Mörser gut miteinander verrieben und in einen

Blumentopf gegeben. Auf das Reaktionsgut wird in dünner Schicht ein Zündgemisch aufge-

bracht. In der Mitte des Blumentopfs legt man eine kraterförmige Vertiefung an, füllt diese

mit dem Zündgemisch und steckt eine Zündschnur hinein.

20


Die Reaktion wird aufgrund ihrer beträchtlichen Gasentwicklung ausschließlich

im Freien durchgeführt!!

Nach Entzünden der Zündschnur (Schutzbrille, Assistent) zieht man sich sofort zurück

und hält sicheren Abstand ein. Nach Erkalten wird die Schmelze im Abzug aus dem Blu-

mentopf geschlagen, zerkleinert und mit Wasser versetzt (H2S-Entwicklung!!). Nach Ab-

schlämmen liest man mechanisch die Blumentopfscherben und Schlackereste heraus und

behandelt das Rohprodukt solange abwechselnd mit konz. HCl und Wasser, bis die Gasent-

wicklung nahezu ausbleibt und eine schwarze, glänzende Kristallmasse zurückbleibt. Wenn

nötig muss dabei die überstehende Lösung abdekantiert und neutralisiert werden. Zuletzt

wird der Rückstand über eine Fritte abgesaugt und bei 100 ◦C im Trockenschrank getrock-

net.

1.4.3 Auswertung



Ausbeute: %


1. Warum ist SiO2 im Vergleich zu CO2 fest und nicht gasförmig?

2. Die Dotierung von Silicium führt zu p(ositive)- und n(egative)-Halbleitern. Ordnen Sie

die oben angegebenen Dotierungselemente einem Halbleitertyp zu.

3. Wie lässt sich die leitende Eigenschaft von dotierten Halbleitern im Gegensatz zum

undotierten Silicium erklären?

4. Wie wird eine Mischung aus Eisen(III)-oxid und Aluminium genannt und welche An-

wendung findet Sie?

21






Platz Assistent/in


Darstellung von Silicium, Si


Seesand (SiO2 > 99,8%)

AluminiumgrießAl

SchwefelS

SchwefelwasserstoffH2S

Konz. SalzsäureHCl

SiliciumSi

MG[g/mol]

-

26.98

32.06

34.08

36.46

28.09

Sdp.Smp.

--

659.85 °C2466.85 °C

115,21 °C444,72 °C

-85,7 °C-60,20 °C

-30 °C>100 °C

1410 °C2355 °C


H 261-228P 370+378-402+404

H 315P 302+352

H 220-280-330-400

P 210-260-273-284-310-410+403

H 290-314-335

P 261-280-305+351+338-310

H 228-319P 210-305+351+338

MAK, LD50WGK

-

-

-

15.0 ppmWGK 2

2.0 ppmWGK 1

WGK 2


100,0 g

100,0 g3,7 mol

120,0 g3,7 mol


H220 Extrem entzündbares Gas.H261 In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase.H280 Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung

explodieren.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H330 Lebensgefahr bei Einatmen.H400 Sehr giftig für Wasserorganismen.

P210 Von Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.P260 Dämpfe und Partikel nicht einatmen.P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /

Gesichtsschutz tragen.P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten


P402+404 In einem geschlossenen Behälter an einem trockenen Ort aufbewahren.

P410+403 Vor Sonnenbestrahlung geschützt an einem gut belüfteten Ort aufbewahren.

22





Entsorgung:




• WGK 2: Wassergefährdung

• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. • Schwefelwasserstoff: charakteristischer Geruch nach faulen Eiern!!! Giftig !!! Im Abzug arbeiten! • Schwefel: Geeignete Löschmittel: Trockenlöschmittel, CO2 • Aluminium: Ungeeignete Löschmittel: Wasser, Schaum • Aluminium: Geeignete Löschmittel: Spezialpulver gegen Metallbrand, Sand, Zement


• Abfälle können nach Neutralisation ins Abwasser geben werden. • Getrocknete Feststoffe: Feststofftonne F

23

2 Block B - Kurzpräpaprate und Analyseverfahren

2.1 Darstellung eines Zeoliths

2.1.1 Allgemeines

Zeolithe, meist farblose Verbindungen, gehören zu den Gerüstsilicaten. In ihnen liegen Po-

lyeder, Schichten oder Ketten aus eckenverknüpften [(Al,Si)O4]-Tetraedern vor, die zu ei-

nem porenreichen, von langen Kanälen durchzogenen, anionischen Raumnetzwerk verbun-

den sind.

In den Poren befinden sich Kationen zum Ladungsausgleich, die zusätzlich hydratisiert sind.

Dadurch ergibt sich die allgemeine Formel für die Zusammensetzung der Zeolithe: [Mn+] xn

· [m H2O][AlO2]x[SiO2]1-x. In der Natur kennt man etwa 40 verschiedene Zeolith-Typen,

darunter der Faujasit (Na2Ca[Al2Si4O12]2 · 16 H2O) und der Natrolith (Na2(Al2Si3O10) · 2

H2O). Außerdem sind noch ca. 100 künstliche Formen bekannt, die sich in ihrem Silicium-

Aluminium-Verhältnis unterscheiden. Dieses reicht dabei von 1 in Zeolith A Na12[(AlO2)12(SiO2)]

· 27 H2O bis hin zu 5 in künstlichen Mordeniten Na8.7[(AlO2)8.7(SiO2)39.3] · 24 H2O, 10-100 in

den Zeolithen der Reihe Zeolith Secones Mobile (ZMS) z.B. ZMS-5 (Na0.3H3.8)[(AlO2)4.1(SiO2)136]

· 250 H2O und schließlich ∞ in Silicalit SiO2. Mit dem Si/Al-Verhältnis steigt sowohl die

Thermo- als auch die Säurestabilität. Die Grundeinheit der Zeolithe sind sog. β-Käfige in

Form abgestumpfter Oktaeder. Sie setzen sich aus den Si/Al-Tetraedern zusammen. Die Art

der Verknüpfung dieser β-Käfige ist unterschiedlich. Während im Faujasit, Zeolith X bzw. Y

die Käfige durch hexagonale Prismen miteinander verbunden sind, werden sie im Zeolith A

über Würfel verknüpft (Abb. 1).

Abbildung 1: Schematische Formen von Zeolith A (links) und Zeolith X bzw. Y (rechts).

Die Verwendung der Zeolithe ist sehr vielseitig. Da sie begierig Wasser aufnehmen, kann

man sie als Trockenmittel für Erdgase und Lösungsmittel verwenden. Ihre Austauschfähig-

25


keit der in ihnen gebundenen Alkali- und Erdalkalimetallen ermöglichen den Einsatz als

Ionentauscher. So besitzen Alkalimetallzeolithe wasserenthärtende Wirkung, während ent-

wässerte Zeolithe für Trennprozesse genutzt werden. Da die Hohlräume eine definierte Größe

und Gestalt aufweisen, können Moleküle z.T. gar nicht erst eindringen, andere zwar eindrin-

gen, werden aber durch elektrostatische Wechselwirkungen festgehalten, und kleine Mole-

küle werden einfach hindurch transportiert. Daher benutzt man Zeolithe als Molekularsiebe

bei der Trennung geradliniger Aliphate von Verzweigten. Eine der wichtigsten Anwendun-

gen ist die Katalysefähigkeit. Saure Zeolithe wirken dabei als starke anorganische Säuren.

Ihre gestaltselektive Katalyse hat drei verschiedene Ursachen:

• Reaktandselektive Katalyse: Nur Moleküle, die klein genug sind, gelangen in den Zeolith-

Hohlraum und können reagieren.

• Produktselektive Katalyse: Das Reaktionsprodukt muss klein genug sein, um den Zeo-

lith wieder zu verlassen.

• Katalyse mit selektivem Übergangszustand: Reaktionen mit einem Übergangszustand,

der im Hohlraum keinen Platz hat, laufen im Zeolith nicht ab.

Ähnliche Silicatgerüste wie den Zeolithen liegen einer Reihe von Alumosilicaten zugrun-

de. Deren Hohlräume sind jedoch, im Gegensatz zu den Zeolithen, zusätzlich mit Anionen

besetzt. Als farbige Beispiele seien die Ultramarine genannt: Na4-x[Al3-xSi3+xO12]Sn. Dabei

hängt die Farbe des Ultramarins vom S-Anion ab: gelbgrünes S2- , blaues S3- (Lapis lazuli)

oder rotes S4-. Die Verbindungen werden als physiologisch unbedenkliche Buntpigmente in

der Kunststoff-, Lack-, Farben-, Leder-, Papier-, Textil-, und Kosmetikindustrie verwendet.


0.08 mol (7.72 g) Tetraethoxysilan werden zu einer Lösung aus 0.15 mol (5.93 g) NaOH in

150 ml Wasser gegeben. Es entstehen zwei nicht miteinander mischbare Phasen. Man rührt

nun bei 60 ◦C ca. 1 h, bis eine homogene klare Lösung entstanden ist. Parallel bereitet man

eine weitere Natronlaugelösung aus 0.15 mol (5.93 g) NaOH und 150 ml Wasser vor. In diese

werden unter starkem Rühren 0.074 mol (2.00 g) Aluminium Pulver in kleinen Portionen

gegeben. Die Lösung schäumt dabei stark auf und wird trüb. Die Al-Zugabe sollte immer

erst erfolgen, wenn sich der Ansatz beruhigt hat. Nach vollständiger Zugabe ist eine braune

trübe Lösung mit Schaumkrone entstanden, die durch Filtrieren gereinigt wird. Nach der

Filtration ist die Lösung klar und farblos. In einem Erlenmeyerkolben (gebraucht aus dem

26


Vorbereitungslabor!!) werden nun die beiden, auf Raumtemperatur abgekühlten Lösungen,

unter starkem Rühren zusammen gegeben und noch weitere 15-20 min gerührt. Dabei fällt

ein weißer Feststoff aus, der sich am Boden absetzt. Der Erlenmeyerkolben wird anschlie-

ßend 1 Tag im Trockenschrank bei 90 ◦C getrocknet. Das feinkristalline Produkt wird dann

über einen Büchnertrichter abgesaugt, mit Wasser und Ethanol gewaschen und anschließend

in einer Abdampfschale im Trockenschrank getrocknet.

2.1.3 Auswertung



Ausbeute: %

Zur Überprüfung der Funktionsweise des Zeolithen wird die Gesamthärte des Leitungswas-

sers vor und nach der Behandlung mit dem hergestellten Zeolithpulver bestimmt. Man be-

dient sich der Versuchsvorschrift aus Versuch 3.3.


1,2-, 1,3- und 1,4-Dimethylbenzol lassen sich bei hohen Temperaturen ineinander umwan-

deln, stehen also miteinander im Gleichgewicht. Industriell lässt sich Dimethylbenzol aus

Toluol und Methanol gewinnen. Bei Verwendung von Zeolithen als Katalysatoren beobachtet

man nur die Bildung des para-substituierten Produkts.

1. Formulieren Sie einen Mechanismus für die Reaktion von Toluol mit Methanol.

2. Um welchen allgemeinen Reaktionstyp handelt es sich?

3. Erklären Sie die vorwiegende Bildung des para-substituierten Produkts.

27






Platz Assistent/in


Darstellung von Zeolith


TetraethoxysilanC8H20O4Si

NatriumhydroxidNaOH

Aluminium PulverAl

MG[g/mol]

208.32

40.00

26.98

Sdp.Smp.

-85,5 °C168 °C

322 °C1388 °C

387.22 °C2186.85 °C


H 226-332-319-335P 261-305+351+338

H 290-314

P 280-305+351+338-301+330+331

H 250-261P 422

MAK, LD50WGK

20.0 mg/m³WGK 1

WGK 1

-


7,7 g37,1 mmol

11,9 g296,5 mmol

2,0 g74,1 mmol


H226 Flüssigkeit und Dampf entzündbar.H261 In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H335 Kann die Atemwege reizen.

P261 Einatmen von Dämpfen und Partikeln vermeiden.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /




28





Entsorgung:




• Aluminiumpulver: Nicht in Kanalisation gelangen lassen: Explosionsgefahr! Heftige Reaktion mit Wasser möglich!

• Tetraethoxysilan: Dämpfe schwerer als Luft: kann explosionsfähige Gemische mit der Luft bilden; im Brandfall Entstehung gefährlicher Gase möglich.


• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. • Tetraethoxysilan: Löschen: CO2, Löschpulver, ungeeigent: Wasser. • Aluminiumpulver: Löschen: Metallbrandpulver, trockener Sand, KEIN Wasser oder Pulver!

• Bei Berührung mit Haut oder Augen: Gründlich mit Wasser ab- bzw ausspülen und evtl. Arzt konsultieren. • Nach Einatmen: Sofort frische Luft zuführen. • Nach Verschlucken: Viel Wasser trinken, Mund ausspülen und evtl Arzt konsultieren. • Nach Hautkontakt: Sofort mit Wasser und Seife abwaschen.

• Aluminiumpulver: Feststoffabfall F • NaOH: nach Neutralisieren ins Abwasser • Tetraethoxysilan: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

29

2.2 Darstellung von Acetatgläsern


2.2.1 Allgemeines

Unter einem Glas versteht man allgemein eine amorphe, d.h. ohne Kristallisation erstarrte

(metastabile), beim Erwärmen nur allmählich erweichende unterkühlte Schmelze („eingefro-

rene Flüssigkeit“), deren Atome zwar eine Nahordnung, aber keine gerichtete Fernordnung

besitzen.

Bedingungen für die Entstehung von Gläsern ist entweder eine geringe Geschwindigkeit

der Kristallkeimbildung und/oder der Kristallwachstumsgeschwindigkeit bei Temperaturen

unterhalb ihres Schmelzpunktes, verglichen mit ihrer Abkühlgeschwindigkeit. Limitierend

wirkt dabei meist das Kristallwachstum, das beim Schmelzpunkt sehr klein ist, beim weite-

ren Abkühlen ein Maximum durchläuft und schließlich auf einen unmessbar kleinen Wert

absinkt. Zur Herstellung eines Glases muss also der Temperaturbereich der Kristallisa-

tion rasch durchschritten werden. Da der Glaszustand ein metastabiler Zustand ist, ent-

glasen Gläser beim Tempern auf Temperaturen unterhalb ihres Erweichungspunktes, z.T.

auch schon bei Raumtemperatur, unter Trübung. Die Eigenschaft aus einer Schmelze glasig-

amorph zu erstarren zeigen Verbindungen, die den Regeln von Zachariasen folgen:

1. Jedes Anion ist mit nicht mehr als zwei Kationen verbunden.

2. Die Koordinationspolyeder sind nur eckenverknüpft.

3. Die Koordinationszahl der netzwerkbildenden Kationen ist klein.

4. Mindestens drei Ecken jedes Polyeders müssen für die Verknüpfung zum dreidimensio-

nalen Netzwerk zur Verfügung stehen.

Darüber hinaus zeigen auch Mischungen aus sauren Oxiden (SiO2, B2O3) und basischen Oxi-

den (Na2O, MgO) diese Eigenschaft. Diese Schmelzmischprodukte nennt man Glas im enge-

ren Sinne. Hier bildet der Hauptbestandteil, häufig SiO2, ein ungeordnetes dreidimensiona-

les Netzwerk eckenverknüpfter [SiO4]-Tetraeder. Teilweise werden die Disiloxan-Bindungen

Si-O-Si durch Anlagerung der aus den basischen Oxiden stammenden O2--Ionen gespalten

(„getrennt“):

Si−O − Si+O2− → Si−O− +− O − Si (1)

Man nennt diese basischen Metalloxide deshalb auch Trennstellenbildner. Je mehr Trenn-

stellen vorhanden sind, desto tiefer liegen Erweichungs- und Schmelzpunkt des Glases. Eine

weitere Modifikationsmöglichkeit liegt im teilweisen Ersatz der vierwertigen Silicium-Atome

durch höher- oder tieferwertige Kationen wie B3+, Al3+ oder P5+. Man bezeichent diese Ionen

auch als Netzwerkwandler, weil sie die negative Ladung des Netzwerks erhöhen oder ernied-

rigen. Solche abgewandelten Silicatgläser zeigen häufig sehr breite Erweichungsbereiche.

31



In einer kleinen, tarierten Kristallisationsschale werden 0.59 mol (4.85 g) NaOAc, 0.59 mol

(5.81 g) KOAc und auf einem Uhrglas 0.59 mol (9.36 g) Ca(OAc)2 eingewogen. Die ersten bei-

den Substanzen werden so lange mit einem Bunsenbrenner (leuchtende Flamme) erhitzt,

bis die Blasenbildung aufhört und man eine klare Schmelze erhalten hat. Nun gibt man das

Ca(OAc)2 zu und erwärmt weiterhin vorsichtig bis wieder eine klare Schmelze entstanden

ist. Man gießt einige kleine Glasscheiben auf einen Metallblock.

Abbildung 1: Skizze des Versuchs

Durch Zugabe von Co(NO3)2 · 6 H2O können die Acetatgläser eingefärbt werden. Dazu kann

eine Spatelspitze Co(NO3)2 · 6 H2O der Schmelze hinzugefügt werden.

Aus der entstandenen violetten Schmelze werden ebenfalls Glasscheiben gegossen. Die Ace-

tatgläser sind allesamt feuchtigkeitsempfindlich und werden deshalb in einem Präparateglas

aufbewahrt. Die Reinigung der Glaswaren wird durch den Einsatz von warmem Wasser deut-

lich erleichtert.


1. Was ist der Unterschied zwischen einem amorph erstarrten und einem kristallinen

Festkörper?

2. Welche Anwendung hat Quarzglas (Glas aus reinem SiO2)?

32






Name(n)

Platz Assistent/in


Darstellung von Acetatgläsern


NatriumacetatNaC2H3O2

KaliumacetatKC2H3O2

CalciumacetatCa(OAc)2

Cobalt(II)nitrat HexahydratCo(NO3)2 x 6H2O

MG[g/mol]

82.03

98.14

158.00

291.04

Sdp.Smp.

324.00 °CZers. bei

292.00 °C-

160.00 °C-

55 °C-


H 272-302-317-334-341-350i-360-410

P 201-220-261-273-280-308+313

MAK, LD50WGK

25.0 mg/m³WGK 1

WGK 1

WGK 1

WGK 3


4,8 g59,1 mmol

5,8 g59,2 mmol

9,4 g59,2 mmol


H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.H334 Kann bei Einatmen Allergie, asthmaartige Symptome

oder Atembeschwerden verursachen.H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger

Wirkung.


P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /

Gesichtsschutz tragen.P308+313 Bei Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat

Einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen.

33





Entsorgung:




• WGK 1: schwach wassergefährdende Stoffe • WGK 3: stark wassergefährdende Stoffe

• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. • NaOAc, KOAc, Ca(OAc)2, Cobalt(II)nitrat Hexahydrat: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen

Schaum, Trockenlöschmittel oder CO2 verwenden.


• Feststoffe: Feststoffabfall F

34

2.3 Säulenchromatographische Trennung der Blattfarbstoffe


2.3.1 Allgemeines

Die Blattpigmente der höheren Pflanzen und Grünalgen sind vor allem Chlorophyll a, Chloro-

phyll b und die Carotinoide. Der Name Chlorophyll leitet sich aus dem Griechischen ab (chlo-

ros: hellgrün, frisch und phyllon: Blatt). Chlorophyll a ist blaugrün und Chlorophyll b gelb-

grün. Beide befinden sich in den Chloroplasten der Pflanzen. Chlorophyll ist, ähnlich dem

Hämoglobin und den Cytochromen (Enzyme der Atmungskette), durch ein Porphyrinring-

system charakterisiert, in dem vier Pyrrolkerne durch Methingruppen verbunden sind. Im

Zentrum ist, anstelle des Eisenatoms im Hämoglobin, ein Magnesiumatom komplex gebun-

den. Chlorophyll findet Verwendung als Farbstoff in Lebensmitteln, der Kosmetik- und in der

Kerzen-Industrie.

Abbildung 1: Strukturformeln von Chlorophyll a und b, eines Pyrrolrings und der

Methineinheit.

Unter dem Begriff „Carotinoide“ fasst man gelbe, orange und rote lipidlösliche Pigmente (Li-

pochrome) zusammen, deren Struktur das Carotingerüst zugrunde liegt. Man unterscheidet

zwei Gruppen: die Carotine und die Xanthophylle. Die Carotine enthalten keinen Sauer-

35


stoff im Molekül, wie z. B. das β-Carotin (siehe Abbildung 2). Die oxidative Spaltung des

β-Carotins in der Mitte des Moleküls führt zu zwei Vitamin A-Einheiten. Das β-Carotin ist

das Provitamin A für Säugetiere und ist von großer Bedeutung für den Sehprozess. Die Xan-

thophylle enthalten Sauerstoff in Form von Hydroxyl-, Carbonyl-, Carboxyl- u.a. Gruppen.

Ein Beispiel ist das in den Chloroplasten enthaltene Lutein (siehe Abbildung 2). Die Farbe

der Carotinoide tritt im bunten Herbstlaub hervor, wenn das Chlorophyll abgebaut wird.

Im pflanzlichen Organismus dienen die Carotinoide als Lichtfilter und sind an der Energie-

übertragung bei der Photosynthese beteiligt. In Blütenblättern und Früchten haben sie als

Lockfarben für Tiere Bedeutung. Wegen ihrer physiologischen Unbedenklichkeit sind zahlrei-

che Carotinoide als Nahrungsmittelfarbstoffe (z.B. in Margarine, Butter, Käse, Fruchtsäften),

in Kosmetika und als Futtermittelzusatz im Gebrauch.

Abbildung 2: Strukturformel von β-Carotin und Lutein.

Die Trennung der Farbstoffe erfolgt meist über Säulenchromatographie. Die Grundlagen der

Chromatographie werden im Folgenden näher erklärt.

Grundlagen der Chromatographie Der Begriff „Chromatographie“ wurde 1906 bei der Be-

obachtung geprägt, dass sich ein Gemisch der Blattfarbstoffe auf einer mit Calciumphosphat

gefüllten Säule in verschieden gefärbte Einzelfarbstoffe auftrennen lässt (griechisch: chro-

mos: Farbe, graphein: schreiben). Die heutige Bedeutung des Begriffs „Chromatographie“ ist

allgemeiner. Die Chromatographie ist eines von vielen physikalischen Trennverfahren. Sie

gehört zu der Gruppe von Trennverfahren, die ohne Stoffumwandlungen, aber - ebenso wie

die Extraktion - unter Verwendung einer Hilfsphase ablaufen. Zu einer chromatographischen

Trennung von Substanzen kommt es, wenn die zu trennenden Substanzen unterschiedliche

Verteilungen zwischen zwei miteinander nicht mischbaren Phasen zeigen, wenn diese - die

stationäre und die mobile Phase - gegeneinander bewegt werden und ein kontinuierlicher

Stoffaustausch zwischen ihnen gewährleistet ist. Bei den meisten Chromatographiearten ist

36


die stationäre Phase fest. Die mobile Phase ist meist flüssig (Abkürzung LC für Liquid Chro-

matography) oder gasförmig (Abkürzung GC für Gas Chromatography). Die Dünnschicht-

chromatographie und die Säulenchromatographie sind Beispiele für die Flüssigkeitschroma-

tographie. Die unterschiedliche Verteilung der Substanzen zwischen stationärer und mobiler

Phase kann durch den Verteilungskoeffizienten beschrieben werden:

K =cs(X)

cm(X)(1)

cm(x)= Stoffmengenkonzentration des Stoffes x in der mobilen Phase

cs(x) = Stoffmengenkonzentration des Stoffes x in der stationären Phase

Ursachen für die unterschiedliche Verteilung sind:

• unterschiedliche Löslichkeit

• unterschiedliches Adsorptionsverhalten

• unterschiedliche elektrostatische (und andere) Wechselwirkungen

• unterschiedliche biochemische oder biologische Affinitäten von Molekülen

• unterschiedliche Größen und Formen von Molekülen


Wegen der Verwendung von organischen, leicht flüchtigen Lösungsmitteln wird der Versuch

im Abzug durchgeführt.

Einige frische Blätter werden in einem Erlenmeyerkolben in ein Gemisch aus 45 mL Cyclo-

hexan, 5 mL Toluol und 15 mL Methanol gelegt.

Man beginnt anschließend mit der Vorbereitung der Chromatographiesäule. Dazu verwendet

man ein Glasrohr von ca. 18 cm Länge und 1 cm Durchmesser. Zunächst füllt man in kleinen

Mengen Aluminiumoxid bis zu 2 cm Höhe in das Rohr. Sollte keine Fritte im Rohr sein, muss

zuvor ein Wattebausch eingebracht werden. Durch Stoßen und leichtes Nachdrücken mit

einem Glasstab erhält man eine genügend feste Säule. Darüber wird ebenso eine 4 cm hohe

Schicht von bei 150 ◦C getrocknetem Calciumcarbonat, anschließend eine 6 cm hohe Säule

von gesiebtem Puderzucker eingefüllt (siehe Abbildung 3). Der Auslauf der Säule wird mit

Gukoringen in eine Saugflasche eingepasst.

Bei schwachem, möglichst gleichmäßigem Vakuum werden nun ca. 100 mL Cyclohexan lang-

sam durch die Säule gesaugt. Dabei darf die Säule nicht trockenlaufen.

Nach etwa einer Stunde sind die Blätter fast vollständig entfärbt und das Lösungsmittelge-

misch intensiv grün gefärbt. Der fast weiße Rückstand wird abfiltriert und mit dem gleichen

37


Abbildung 3: Schematische Darstellung der Schichtabfolge auf der Chromatographiesäule.

Lösungsmittelgemisch nachgewaschen. Die Lösung wird im Scheidetrichter mit 50 mL Was-

ser versetzt und vorsichtig geschüttelt (Abzug! Überdruck mehrmals ablassen!). Dabei bilden

Methanol und Wasser eine Phase, die im Scheidetrichter abgetrennt wird (untere Phase!).

Die tiefgrüne organische Phase wird mit einigen Spatelspitzen wasserfreien Natriumsulfat

getrocknet. Nach dem Abfiltrieren des Trockenmittels wird die Lösung langsam durch die

Säule gesaugt. Dabei entstehen vier Zonen. Die obere gelb-grüne Schicht enthält Chlorophyll

b, die darunter liegende, blau-grüne Schicht Chlorophyll a. Anschließend kommt eine gelbe

Schicht (Xanthophyll) und eine gelb-orange, schmale Zone (Carotin). Sind die Zonen nicht

deutlich getrennt, muss das Chromatogramm „entwickelt“ werden: Man lässt etwas Cyclohe-

xan über die Säule laufen, bis die Zonen getrennt sind.


1. Welche Arten von Chromatographie gibt es?

2. Welche Arten von Flüssigkeitschromatographie kennen Sie?

3. Kenen Sie eine moderne Art der Flüssigkeitschromatographie? Mit welchem Trick ar-

beitet man dabei um Analysenzeit und Trennung zu verbessern?

38






Name(n)

Platz Assistent/in


Säulenchromatographische Trennung der Blattfarbstof fe


MethanolCH3OH

CyclohexanC6H12

ToluolC7H8

AluminiumoxidAl2O3

CalciumcarbonatCaCO3

Natriumsulfat wasserfreiNa2SO4

MG[g/mol]

32.04

84.16

92.14

101.96

100.09

142.04

Sdp.Smp.

-97.80 °C65.00 °C

4 °C80,7 °C

-93 °C110 °C

2050 °C2980 ± 60 °C

800 °C-

884 °C-


H 225-301-311-331

P 210-233-302+352-304+340

H 225-336-410

P 261-273-301+310-331-501

H 225-336-361d-373

P 261-281-301+310-331

MAK, LD50WGK

200.0 ppmWGK 1

200.0 ppmWGK 2

50.0 ppmWGK 2

10.0 mg/m³-

-

WGK 1


15,0 mL468,2 mmol

145,0 mL1,7 mol

5,0 mL54,3 mmol


H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H301 Giftig bei Verschlucken.H311 Giftig bei Hautkontakt.H331 Giftig bei Einatmen.H336 Kann Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.H361d Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen.H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger

Wirkung.



Aerosol vermeiden.P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P301+310 Bei Verschlucken: Sofort Giftinformationszentrum

oder Arzt anrufen.P331 Kein Erbrechen herbeiführen.

39





Entsorgung:




• WGK 2: wassergefährdende Stoffe • WGK 1: schwach wassergefährdende Stoffe

• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. • Methanol, Cyclohexan, Toluol: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel

oder Kohlendioxid verwenden.


• Feststoffe: getrocknet in Feststofftonne F • Lösungsmittel (Toluol, Methanol und Cyclohexan): Sammelbehälter B2 (halogenfreie

Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

40

2.4 Darstellung von Indigo


2.4.1 Allgemeines

Indigo, dessen Name sich aus dem Spanischen, Lateinischen und Griechischem ableitet und

soviel bedeutet wie „das Indische“, benannt nach dessen Heimat in Ostindien, ist ein tief-

blauer Farbstoff, der einen leichten Violettschimmer besitzt. Indigo kann pflanzlich aus der

indischen Indigopflanze oder dem einheimischen Färberwaid gewonnen werden. Als Ersatz

für Indigo wurde von amerikanischen Siedlern der Bastardindigo (Amorpha fruticosa) für

das Blaufärben benutzt. Heute wird er noch in Brasilien und El Salvador kultiviert. Dazu

nutzt man die farbstoffreichen Arten Indigofera arrecta und I. sumatrana.

Abbildung 1: Strukturformel von Indigo.

Genaugenommen enthalten diese Pflanzen jedoch kein Indigo, sondern Indican, das zunächst

durch Gärung in Indoxyl umgewandelt werden muss. Durch anschließende Oxidation an der

Luft entsteht aus dem gelben Indoxyl das blaue Indigo (Küpenfärberei).

Die Gewinnung des Pflanzenfarbstoff lässt sich sogar bis ins Altertum nachweisen. 1878 ge-

lang erstmals die vollsynthetische Herstellung von Indigo aus Isatin durch den deutschen

Chemiker Adolf von Baeyer. Die Baeyer-Synthese erwies sich als wirtschaftlich unrentabel,

weshalb der Chemiker Karl Heumann die bedeutende Heumann-Synthese entdeckte. Der

Chemiekonzern BASF und die Hoechst AG patentierten und entwickelten die Darstellung

weiter zur Heumann-Pfleger-Synthese, wobei Indigo-Ausbeuten von bis zu 90 % erzielt wer-

den konnten. Seit 1897 wird synthetischer Indigo kommerziell vertrieben und hat die Indigo-

produktion aus pflanzlichen Rohstoffen fast völlig verdrängt. Die Vorteile der synthetischen

Indigogewinnung sprechen für sich: farbkräftigere Ergebnisse, eine leichtere Dosierung, kei-

ne Ernteabhängigkeit und keine wechselnden Farbqualitäten. Bekanntestes Produkt des In-

digos ist wohl die von Levi Strauß im Jahre 1850 erfundenen Jeanshose. Ein anderes, wohl

eher unbekannteres Einsatzgebiet für den technischen Indigo ist die Solarzellentechnik, wo-

bei er in Form dünner organischer Filme für den Bau von Solarzellen aufgebracht wird.

Indigo selbst ist fast wasserunlöslich und muss vor dem Färben durch Reduktion in das

wasserlösliche Indigoweiß (Leuko-Indigo) umgewandelt werden. Nach dem Färben entsteht

durch Oxidation wieder Indigo. Diesen Vorgang, der so auch bei anderen Textilfarbstoffen

41


angewandt wird, bezeichnet man als Küpenfärberei. Aus diesem Prozess heraus soll auch

angeblich der Ausdruck „Blau machen“ entstanden sein (Kleiner Exkurs in die Sprachwis-

senschaften: In einer von der Sprachwissenschaft umstrittenen Erklärungsweise wird ange-

nommen, die Redewendung wäre aus der Praxis des Färberwesens entstanden, speziell der

Indigo- oder Waidfärber, die die gefärbten Stoffe in einer letzten Phase des Färbevorgangs an

der Luft trocknen lassen, wobei das Indoxyl durch den bei der Photosynthese entstehenden

Sauerstoff oxidiert wird und damit die blaue Färbung entsteht. Weil die Blaufärber in dieser

Phase mit der Arbeit pausiert hätten, wäre aus dem technischen Vorgang des Blaumachens

ein allgemeinsprachlicher Ausdruck für „Nichtstun“entstanden. Auch der Ausdruck „Blauer

Montag“soll hieraus abzuleiten sein, weil der Montag der übliche Tag für diese Phase des

Blaufärbens gewesen sei.)

Chemisch eng mit dem Indigo verwandt ist das 6,6’-Dibromindigo: Der Farbstoff Purpur (aus

dem Lateinischen purpura). Dieser wurde erstmals in der Antike von den Phöniziern in der

Stadt Tyros aus Schalentieren gewonnen, nämlich aus der im Mittelmeer lebenden Purpur-

schnecke (Murex trunculus). Der leuchtstarke Naturstoff liegt farblich zwischen altrosa, rot,

violett und blau.

Abbildung 2: Strukturformel von Purpur.


Bei der Darstellung von Indigo wird o-Nitrobenzaldehyd mit Aceton in basischem Milieu zu

Indoxyl umgesetzt und anschließend zu Indigo dimerisiert.

In einem 50ml Becherglas löst man 0.02 mol (3 g) o-Nitrobenzaldehyd unter Rühren mit

42


einem Glasstab in 0.12 mol (7.11 g, 9 ml) Aceton und 18 ml Wasser. Anschließend versetzt

man die klare Lösung solange tropfenweis mit 1 mol/l Natronlauge bis sich die Lösung unter

Selbsterwärmung (Vorsicht; es sollte nicht zu heiß werden, denn sonst droht Siedeverzug!!)

dunkelbraun färbt. Nach kurzer Zeit fällt der Farbstoff in kristallinen Flocken aus. Nach

etwa 15 min wird die abgekühlte Lösung über einem Büchnertrichter abgesaugt und mit

Ethanol und Ether gewaschen.

Zum Färben von Stoffen, mit dem hergestellten Indigo, verwendet man eine oder zwei Spa-

telspitzen (völlig ausreichend, da dieser Farbstoff äußerst farbintensiv ist), verreibt ihn mit

einigen Tropfen Wasser auf einem Uhrglas zu feinem Brei und spült diesen anschließend

mit Wasser in einen Erlenmeyerkolben. Die Lösung wird mit 2 mol/l Natronlauge deutlich

alkalisch gemacht (mit pH-Papier testen) und unter Erwärmen bei 30-40 ◦C mit Natrium-

dithionit reduziert. Es bildet sich eine grün-gelbe, dann braun-gelbe Lösung, die sog. Küpe.

Auf der Oberfläche der Lösung bildet sich durch Berührung mit Luftsauerstoff eine feine

blaue Indigohaut, die sogenannte „Blume“. Man verdünnt die Lösung mit Wasser auf etwa

25-30 ml, und gibt, einen vorher mit Wasser benetzten, Leinenstoff (wird ausgegeben) in die

Lösung und rührt einige Minuten, so dass der Stoff sich gut vollsaugt. Der Stoff kann nun

herausgenommen, ausgepresst und an Luft zum Trocknen aufgehängt werden. Schon nach

etwa 5 min sollte das Tuchstück tiefblau gefärbt sein.

2.4.3 Auswertung



Ausbeute: %


1. Formulieren Sie einen Mechanismus für die ersten beiden Reaktionsschritte der Indi-

gosynthese.

2. Warum wird nicht, analog zur Estersynthese eine OH--Gruppe abgespalten?

43






Name(n)

Platz Assistent/in


Darstellung von Indigo, C 16H10N2O2


o-NitrobenzaldehydC7H5NO3

AcetonC3H6O

NatriumhydroxidNaOH

EthanolC2H6O

DiethyletherC4H10O

NatriumdithionitNa2O4S2

IndigoC16H10N2O2

MG[g/mol]

151.12

58.08

40.00

46.07

74.12

174.11

-

Sdp.Smp.

41 °C153 °C

-95 °C56 °C

322 °C1388 °C

-114 °C78 °C

-116 °C35 °C

100 °CZers. bei

> 300 °C-


H 302-315-319-335P 261-305+351+338

H 225-319-336

P 210-261-305+351+338

H 290-314

P 305+351+338-301+330+331

H 225P 210

H 224-302-336P 210-261

H 251-302P 235-410

H 315-319-335P 261-305+351+338

MAK, LD50WGK

WGK 3

500.0 ppmWGK 1

WGK 1

500.0 ppmWGK 1

400.0 ppmWGK 1

WGK 1

WGK 1


3,0 g19,9 mmol

9,0 mL155,0 mmol


H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H251 Selbsterhitzungsfähig; kann in Brand geraten.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H335 Kann die Atemwege reizen.H336 Kann Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.


P235 Kühl halten.P261 Einatmen von Staub / Rauch / Gas / Nebel / Dampf /

Aerosol vermeiden.P301+330+331 Bei Verschlucken: Mund ausspülen. Kein



P410 Vor Sonnenbestrahlung schützen.

44





Entsorgung:




• Aceton: kann bei wiederholtem Kontakt zu spröder Haut führen • Diethylether: EUH019: Kann explosionsfähige Peroxide bilden. EUH066: Wiederholter Kontakt kann zu spröder

oder rissiger Haut führen. • Natriumdithionit: EUH031: Entwickelt bei Berührung mit Säure giftige Gase. • WGK 2: wassergefährdende Stoffe • WGK 3: stark wassergefährdende Stoffe

• Aceton: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden

• Ethanol: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.

• Natriumdithionit: Geeignete Löschmittel: Löschpulver • Indigo: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid

verwenden. • Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen.


• Filtrat und Waschwasser: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

45

2.5 Sublimation von Campher


2.5.1 Allgemeines

Der Name Campher leitet sich von einer alten arabischen Handelsbezeichnung (Kamfur) ab.

Seit langem wird dieser in der Natur vorkommende Stoff für therapeutische Zwecke genutzt.

Abbildung 1: Strukturen der beiden enantiomeren Formen des Camphers.

Campher, C10H16O, kann in zwei unterschiedlichen Formen, entweder als D(+)-Campher oder

als L(-)-Campfer vorliegen (siehe Abbildung 1). Diese unterscheiden sich voneinander wie

Bild und Spiegelbild, können jedoch nicht durch bloßes Drehen zur Deckung gebracht wer-

den. Zwei Moleküle, die sich derart verhalten, nennt man Enantiomere. In der Natur findet

man hauptsächlich die D-Form des Camphers. Enthalten sind Campher und Campherderiva-

te u.a. in Rosmarin, Lavendel, Salbei, Wacholder, Baldrian und Pfefferminze. Gewonnen wird

er vor allem aus dem Campherbaum (Cinnamomum camphora), ein Lorbeergewächs, dessen

Hauptanbaugebiete in Taiwan, Südjapan und Südchina liegen. Das zerkleinerte Holz ca. 50

Jahre alter Bäume wird zur Gewinnung des Rohcampheröls einer Wasserdampfdestillation

unterworfen. Die Reinigung erfolgt durch Sublimation. Eine äußere Anwendung z. B. in Form

von Salben oder Campherölen erfolgt bei Muskelrheumatismus. Campher ist aber auch Be-

standteil von Fertigarzneimitteln wie Hustensalben oder Schnupfensprays. Auch eine tech-

nische Herstellung von Campher ist möglich, dabei wird allerdings das Racemat, d.h. ein

1:1-Gemisch der D- und L-Form erhalten. Dieses findet u. a. auch Anwendung in der Herstel-

lung von Mottenbekämpfungsmitteln, Desinfektionsmitteln, in der Celluloid-Industrie und

bei der Herstellung von rauchlosem Schießpulver.

Grundlagen zur Sublimation Der Dampfdruck fester Stoffe erhöht sich mit steigender Tem-

peratur. Geht eine Substanz ohne vorher zu schmelzen von der festen Phase in die Gasphase

über, nennt man diesen Vorgang Sublimation. Die Temperatur, bei der der Dampfdruck des

festen Stoffs gleich dem äußeren Druck ist und somit der Phasenübergang erfolgt, wird Sub-

limationspunkt genannt. Diesen physikalischen Vorgang kann man nutzen, um Substanzen

von Verunreinigungen zu befreien, soweit einige Voraussetzungen erfüllt sind:

Der Dampfdruck der begleitenden Verunreinigung muss deutlich unter dem der zu reinigen-

den Substanz liegen. Ölige oder harzige Verunreinigungen erschweren eine Reinigung durch

47


Sublimation, da es zu einer Destillation dieser Bestandteile kommen kann.

Die Oberfläche ist entscheidend für die Sublimationsgeschwindigkeit, es sollte daher eine

Verkleinerung der Oberfläche durch Schmelzen des Stoffes vermieden werden. D. h. die Sub-

limation wird bei Temperaturen von ca. 10 ◦C unterhalb des Schmelzpunktes durchgeführt.

Um eine Sublimation bei Normaldruck durchführen zu können, muss die Substanz einen ho-

hen Dampfdruck besitzen. Besonders mehr oder weniger „kugelförmige“ Moleküle sublimie-

ren sehr leicht, da in diesen Fällen meist die bindenden Wechselwirkungen im Kristallgitter

gering sind.

Substanzen, die bei Atmosphärendruck schmelzen, können (wenn die Sublimationsdrücke

unterhalb des Schmelzpunktes noch einen ausreichenden Stofftransport pro Zeiteinheit zu-

lassen) bei reduziertem Druck sublimiert werden.

Vorteile der Sublimation als Reinigungsmethode:

• Bereits kleinste Substanzmengen können so aufgereinigt werden.

• Die Sublimation liefert meistens sehr saubere, lösungsmittelfreie Produkte.

Kühlfinger

SubstanzSublimat

Kühlwasserablauf

Kühlwasserzulauf

Sublimationsgefäß

Abbildung 2: Aufbau einer einfachen Sublimationsapparatur.

Für eine einfache Sublimation verwendet man ein Sublimationsgefäß, in das die Substanz

eingefüllt wird. Erwärmt wird die Apparatur durch Eintauchen dieses Gefäßes in ein Öl- oder

Wasserbad (bis ungefähr auf Höhe des Kühlfingers), das durch eine Heizplatte beheizt wird.

Durch den Kühlwasserstrom wird am Kühlfinger eine Temperatur deutlich unterhalb des

Sublimationspunktes erzeugt, so dass die Substanz sich dort aus der Gasphase als Feststoff

niederschlägt.


In das Sublimationsgefäß wird eine vorher gewogene Menge verunreinigten Camphers ein-

gefüllt. Die Substanzmenge sollte so bemessen sein, dass die Füllhöhe 1 cm nicht übersteigt.

48


Um eine Berührung der noch verunreinigten Substanz mit dem Sublimat zu vermeiden, wird

das Sublimationsgut mit einer dünnen Schicht Glaswolle abgedeckt. Dabei sollte darauf ge-

achtet werden, dass die Glaswolle nicht zu nahe an den Kühlfinger heranreicht, da sonst

bereits auf der Glaswolle das Abscheiden des Feststoffes erfolgen kann. Der Kühlfinger wird

mit 2-3 cm Abstand zu der Substanzoberfläche angeordnet und an die Wasserkühlung ange-

schlossen. Nach dem Test, ob der Aufbau wasserdicht ist, wird die so vorbereitete Apparatur

nun in ein Ölbad eingetaucht und erwärmt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Tempe-

ratur immer unter dem Schmelzpunkt von Campher bleiben muss, um das Schmelzen zu

verhindern! Hinweis: Verunreinigte Substanzen haben einen niedrigeren Schmelzpunkt als

die Reinsubstanzen.

Nach beendeter Sublimation wird das Ölbad entfernt, die Kühlung ausgeschaltet und die

Wasserschläuche entfernt. Nun muss der Kühlfinger vorsichtig aus dem Sublimationsgefäß

herausgezogen werden, ohne dass das Sublimat abfällt. Mit einem Spatel wird der aufgerei-

nigte Campher in eine tarierte Schale gekratzt und ausgewogen. Um den Reinigungseffekt

zu überprüfen kann z. B. der Schmelzpunkt bestimmt werden.

2.5.3 Auswertung



Ausbeute: %


1. Zu welcher großen Substanzklasse gehört Campher?

2. Was verstehen Sie unter einer bicyclischen Verbindung?

3. Was würde man erhalten wenn, man den Campher oxidieren bzw. reduzieren wollte?

Würde überhaupt eine Reaktion eintreten?

49






Name(n)

Platz Assistent/in


Sublimation von Campher


(±)-CampherC10H16O

MG[g/mol]

152.23

Sdp.Smp.

175 °C204 °C


H 228-302-315-319-335

P 210-261-305+351+338

MAK, LD50WGK

13.0 mg/m³WGK 1



H228 Entzündbarer Feststoff.H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.H315 Verursacht Hautreizungen.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H335 Kann die Atemwege reizen.




50





Entsorgung:





• (±)-Campher: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.

• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen.


• Feststoff: kann in das Vorratsgefäß für verunreinigtes Campher wiedergewonnen werden.

51

2.6 Darstellung von Kaliummanganat K2MnO4


2.6.1 Allgemeines

Kaliumpermanganat (KMnO4) ist das Kaliumsalz der im freien Zustand unbekannten Per-

mangansäure HMnO4. Es ist ein rot-violetter, metallisch glänzender, kristalliner Feststoff

und starkes Oxidationsmittel. Für die intensive Färbung des Salzes ist ausschließlich das

Permanganat-Anion verantwortlich. Sie ist auf die Ausbildung eines Charge-Transfer-Komplexes

zurückzuführen, wobei das Mangan in seiner höchsten Oxidationsstufe +VII vorliegt.

Die technische Darstellung von Kaliumpermanganat erfolgt über Kaliummanganat als Zwi-

schenprodukt. So wird in einem ersten Reaktionsschritt Braunstein in basischer Lösung mit

Luftsauerstoff zu K2MnO4 umgesetzt. Dieses wird im Anschluss durch anodische Oxidation

in Kaliumpermanganat umgewandelt.

Wegen der stark oxidierenden Wirkung wird Kaliumpermanganat unter anderem als Desin-

fektionsmittel, Deodorant und Algizid verwendet. In der quantitativen chemischen Analyse

(Oxidimetrie, Manganometrie) wird es zur Bestimmung einer Vielzahl von Substanzen (bei-

spielsweise Eisen, Nitrit, Oxalat und indirekt auch Calcium) eingesetzt, wobei der Endpunkt

der Bestimmung durch das erste Auftreten einer violetten Farbe angezeigt wird. Im Labor

wird alkalische Kaliumpermanganatlösung auch zur Reinigung von Glasgeräten verwendet.

In der Fotografie dient es zum Nachweis von Fixiersalz (Natriumthiosulfat) und als Abschwä-

cher von überbelichteten Bildern, wobei Silber oxidiert wird.

Beim Auftropfen von Glycerin auf einen Überschuss des Salzes entzündet sich das Gemisch

nach einigen Sekunden bis Minuten und verbrennt mit charakteristischer violetter Flamme.

Diese zeitlich verzögert auftretende Reaktion wurde wegen der starken Hitze zum Start von

Thermitreaktionen benutzt.

Die Fotografen früherer Zeit verwendeten Kaliumpermanganat als Bestandteil von Blitz-

lichtpulvern. Es wurde zum Gurgeln bei Halsschmerzen verwandt und in der Küche, um

altem Fleisch den Geruch zu nehmen und es wieder genießbar zu machen. Des Weiteren

färbt sich die Haut nach Kontakt mit Kaliumpermanganat-Lösung braun und wurde daher

auf diesem Wege auch gezielt als Bräunungsmittel eingesetzt.

Die Darstellung des im technischen Prozess anfallenden Zwischenprodukts kann grundsätz-

lich auf zwei verschiedenen Wegen erfolgen. Entweder durch Oxidation einer Verbindung mit

niedrigerer Oxidationszahl am Mangan oder durch Reduktion einer höher oxidierten Man-

ganspezies. Da Kaliummanganat als Zwischenprodukt bei der Permanganatsynthese auf-

tritt, wählt man hier logischerweise den ersten Weg der Oxidation. Die verwendeten Edukte

MnO2 und Luftsauerstoff sind billig und in großen Mengen verfügbar, was die Wirtschaftlich-

keit der Methode erhöht. Im Labor geht man ebenfalls von Braunstein aus, verwendet zur

Oxidation aber nicht Sauerstoff sondern Kaliumchlorat.

53



Im Versuch verwendet man zur Darstellung des Kaliummanganats den zweiten möglichen

Weg: Die Reduktion einer höher oxidierten Spezies. Da das Manganatom in der zweithöchs-

ten möglichen Oxidationsstufe für Mangan vorliegt, kommt als Edukt nur Kaliumpermanga-

nat in Frage, welches durch das im großen Überschuss verwendete Hydroxid reduziert wird.

Eine Lösung von 0.535 mol (30 g) KOH in 50 ml Wasser wird mit 0.063 mol (10 g) KMnO4 ver-

setzt und etwa 2 h bis zur Grünfärbung gekocht. Bei Bedarf wird noch etwas KOH zugesetzt.

Durch Ersatz des verdampften Wassers wird die Lösung wieder auf ihr Ausgangsvolumen

gebracht und in einem Eisbad abgekühlt.

Die ausfallenden violett schimmernden, schwarzgrünen Kristalle werden über eine Glasfritte

abgesaugt und über CaCl2 im Exsikkator getrocknet.

2.6.3 Auswertung



Ausbeute: %


1. Formulieren Sie die Redoxteilgleichungen für die Reduktion von Kaliumpermanganat

im Sauren und im Basischen.

2. Kaliumdichromat ist ebenfalls ein bekanntes, sehr starkes Oxidationsmittel. Wo konnte

man es vor einigen Jahren noch im Alltag finden?

3. Formulieren Sie für die obige Anwendung eine vollständige Redoxgleichung.

54






Name(n)

Platz Assistent/in


Darstellung von Kaliummanganat, K 2MnO4


KaliumhydroxidKOH

KaliumpermanganatKMnO4

CalciumchloridCaCl2

KaliummanganatK2MnO4

MG[g/mol]

56.11

158.03

110.98

197.13

Sdp.Smp.

361 °C1320 °C

240 °C-

498.85 °C1396.85 °C

190 °C-


H 290-302-314

P 305+351+338-301+331-310

H 272-302-410P 220-273-501

H 319P 305+351+338

H 272-315-319-335

P 220-261-305+351+338

MAK, LD50WGK

WGK 1

0.5 mg/m³WGK 3

WGK 1

0.5 mg/m³WGK 3


30,0 g0,5 mol

10,0 g63,3 mmol


H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H315 Verursacht Hautreizungen.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H335 Kann die Atemwege reizen.H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger

Wirkung.


P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten


P310 Sofort Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen.

55





Entsorgung:




• WGK 1: schwach wassergefährdende Stoffe • WGK 3: stark wassergefährdende Stoffe

• Kaliumpermanganat: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.

• Kaliummanganat: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.



• Kaliumpermanganat: Sammelbehälter D (Hg-, Tl-, As-, Se- und Be-freie wässrige Lösungen)

56

2.7 Ferrofluide

2.7 Ferrofluide

2.7.1 Allgemeines

Unter Ferrofluiden versteht man kolloidale Suspensionen von etwa 10 nm großen magneti-

schen Partikeln (Magnetit, Fe3O4) in geeigneten Trägerflüssigkeiten. In dieser Größenord-

nung der Teilchen sorgt die Austauschwechselwirkung für eine parallele Ausrichtung aller

Spins, so dass jedes Nanoteilchen zu einer einzelnen magnetischen Domäne wird. Als Folge

der großen magnetischen Momente ihrer Nanopartikel verhalten sich Ferrofluide wie Para-

magnetika mit einer schnellen Reaktion auf angelegte magnetische Felder (Superparama-

gnetismus).

Bei einem Partikeldurchmesser von 10 nm ist die thermische Energie der Teilchen bei Raum-

temperatur groß genug, um magnetische und gravitationsbedingte Anziehung zu überwin-

den. Über längere Zeiträume resultiert allerdings aus dem großen Oberflächen/Volumen-

Verhältnis Neigung zur Agglomeration. Um die Teilchen auch längerfristig in Lösung zu sta-

bilisieren, werden sie mit einem Detergens beschichtet, welches die Zusammenlagerung und

damit ihre Ausfällung aus der Lösung verhindern soll.

Magnetit (Fe3O4) ist ferrimagnetisch und kristallisiert in einer inversen Spinellstruktur. Die

Sauerstoffionen bilden eine kubisch dichteste Kugelpackung, Fe2+ Ionen besetzen 1/4 der Ok-

taederlücken und die Fe3+ Ionen zu gleichen Anteilen 1/8 der Tetraederlücken und 1/4 der

Oktaederlücken (Abb. 1). Die Spins der Fe2+ und Fe3+ Ionen in den Oktaederlücken richten

sich parallel zueinander aus, wohingegen die Spins der tetraedrisch koordinierten Fe3+ Io-

nen über Superaustausch antiferromagnetisch mit den oktaedrisch koordinierten Fe3+ Ionen

wechselwirken. Die magnetischen Momente der Fe3+ Ionen löschen sich somit vollständig aus

und das magnetische Moment des Magnetits stammt ausschließlich von den Fe2+ Ionen.

Zur Stabilisierung des nanoskaligen Magnetits in Lösung wird das oberflächenaktive Rea-

genz, Tetramethylammoniumhydroxid zugegeben, dessen Hydroxidionen in wässriger Lö-

sung über die Eisenionen an die Oberfläche der einzelnen Teilchen koordinieren. Die Na-

nopartikel erhalten auf diese Weise eine negativ geladene Hülle, um die sich durch elek-

trostatische Anziehung wiederum eine zweite Hülle aus positiv geladenen und sterisch an-

spruchsvollen Tetramethylammoniumionen legt. Einzelne Nanopartikel sind sowohl durch

sterische, als auch durch elektrostatische Abstoßung weit genug voneinander entfernt, wo-

durch eine Agglomeration vermieden wird.

Ferrofluide werden in Lautsprechern verwendet, um die Wärme zwischen der Schwingspu-

le und der Magnetanordnung abzuleiten und um die Bewegungen der Membran passiv zu

dämpfen. Sie sitzen da, wo sonst der Luftspalt um die Schwingspule wäre und werden dort

durch das Feld des Permanentmagneten gehalten.

Auf ähnliche Weise werden sie verwendet, um flüssige (und daher verschleißfreie, reibungs-

57


Abbildung 1: Fe3O4-Kristall mit Sauerstoffionen (groß) und Eisenionen (klein) auf Oktaeder-

und Tetraeder-Plätzen.

arme) Dichtungen um rotierende Wellen durch Wandungen zu bilden. Diese Dichtungen wer-

den bei Wellendurchführungen in Vakuumkammern und in Reinräumen, zum Beispiel in

einer Festplatte, eingesetzt.

Zur Dichtetrennung wird Ferrofluid auf Wasserbasis verwendet. Dabei wird mit einem Ma-

gnetfeldgradienten ein weiterer Druck erzeugt mit dem man auch Körper hoher Dichte schwim-

men lassen kann.


Zur Darstellung eines Ferrofluids werden folgende Stammlösungen benötigt:

• 2 mol/l FeCl2-Lsg. in 2 mol/l HCl (10 ml): 2.5 g FeCl2 in 2 ml konz. HCl und 8 ml H2O

lösen.

• 1 mol/l FeCl3-Lsg. in 2 mol/l HCl (25 ml): 4.1 g FeCl3 in 5 ml konz. HCl und 20 ml H2O

lösen.

58

2.7 Ferrofluide

• 0.7 mol/l Ammoniaklösung (konz. Ammoniak 25%ig, ρ=0.91 g/ml): ca. 2.5 ml konz. NH3

mit 47,5 ml H2O verdünnen.

Zu 1.0 ml FeCl2 Lösung und 4.0 ml FeCl3 Lösung werden unter kräftigem Rühren 50 ml

Ammoniaklösung über eine Pipette zugegeben. Entscheidend ist hierbei die langsame und

tropfenweise Zugabe. Magnetit scheidet sich dabei als schwarzer Niederschlag ab. Nach been-

deter Zugabe der Ammoniaklösung lässt man weitere 5 min Rühren und teilt die Reaktions-

mischung noch während des Rührens mittels Einwegpipetten gleichmäßig auf acht Zentri-

fugengläser auf. Die überstehenden Lösungen der zentrifugierten Proben werden verworfen

und die Rückstände etwa dreimal mit kleinen Mengen Wasser gewaschen. In jedes der Zen-

trifugengläser wird 1 ml der 25%igen Tetramethylammoniumhydroxidlösung gegeben und

mittels eines Glasstabs sorgt man für eine feine Verteilung des Magnetits in Lösung. An-

schließend werden die Reaktionsmischungen in einem 100 ml Becherglas vereinigt.

Mit einer Einwegpipette werden etwa 3 ml der Reaktionsmischung entnommen und vorsich-

tig in ein Wägeschiffchen überführt. Von der Unterseite des Wägeschiffchens nähert man sich

langsam mit einem starken Magneten, durch den das Ferrofluid festgehalten wird und da-

durch die überschüssige Lösung abgegossen werden kann. Dieser Magnet wird nun entfernt

und gegen einen schwächeren Hufeisenmagneten ersetzt. Welche Besonderheit zeigen die

Ferrofluide in Anwesenheit dieses moderaten magnetischen Feldes? Kann nichts beobachtet

werden, so sollten 1-3 Tropfen dest. Wasser zugegeben und die Lösung durch Bewegung des

Magneten unterhalb des Wägeschiffchens vermischt werden.


1. Welche Arten von Magnetismus kennen Sie?

2. Wie nennt man die magnetischen Domänen in Magneten?

3. Wo begegnet uns Superferromagnetismus jeden Tag? Wer hat diese technische Anwen-

dung erfunden?

59






Name(n)

Platz Assistent/in


Darstellung von Ferrofluide


Eisen(II)-chlorid TetrahydratCl2Fe · 4H2O

Eisen(III)-chlorid HexahydratCl3Fe · 6H2O

AmmoniakNH3

TetramethylammoniumhydroxidN(CH3)4OH · 5H2O

MG[g/mol]

198.81

270.30

17.03

181.23

Sdp.Smp.

105 °C-

37 °C280 °C

-77,7 °C-33 °C

67 °C-


H 302-314

P 280-305+351+338-310

H 290-302-315-318P 280-305+351+338

H 221-280-331-314-400

P 210-261-280-273-305+351

H 300-311-314

P 264-280-305+351+338-310

MAK, LD50WGK

WGK 3

WGK 1

35.0 mg/m³WGK 2

WGK 1



H221 Entzündbares Gas.H280 Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung

explodieren.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H300 Lebensgefahr bei Verschlucken.H311 Giftig bei Hautkontakt.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H315 Verursacht Hautreizungen.H318 Verursacht schwere Augenschäden.H331 Giftig bei Einatmen.H400 Sehr giftig für Wasserorganismen.







60

2.7 Ferrofluide




Entsorgung:




• Ammoniak: Diese Substanz ist sehr giftig für alle Wasserorganismen und kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben.

• Tetramethylammoniumhydroxid: Diese Substanz ist sehr giftig für alle Wasserorganismen und kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben.

• Eisen(II)-chlorid Tetrahydrat: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.

• Eisen(III)-chlorid Hexahydrat: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.



• Eisen(II)-chlorid Tetrahydrat: Sammelbehälter D (Hg-, Tl-, As-, Se- und Be-freie wässrige Lösungen) • Eisen(III)-chlorid Hexahydrat: Sammelbehälter D (Hg-, Tl-, As-, Se- und Be-freie wässrige Lösungen) • Ammoniak: Nach Neutralisieren in Abfluss geben. • Tetramethylammoniumhydroxid: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

61

2.8 Darstellung von Antimon(III)-iodid SbI3


2.8.1 Allgemeines

Antimon (das Symbol Sb stammt vom lateinischen Stibium: Grauspießglanz - ebenfalls der

Trivialname des am häufigsten in der Natur vorkommenden Minerals, in dem Antimon vor-

handen ist) geht mit allen Halogenen Verbindungen nach dem Schema SbX3 / SbX5 und

Mischhalogenidverbindungen SbXnYm (X,Y= Hal, n+m= 3, 5) ein, die zwei wichtigsten sei-

en hier kurz genannt: SbCl3, das zum Nachweis von Vitamin A und anderen Carotinoiden

genutzt wird und als Katalysator für Polymerisierungen mit Chlor dient, und SbF5, eine der

stärksten Lewis-Säuren und Ausgangspunkt zur Chemie der sog. Supersäuren.

Antimon ist ein silbrig-glänzendes Halbmetall der Fünften Hauptgruppe (Pentele). Als Sol-

ches besitzt es 5 Elektronen in der Valenzschale und kann so, um nach der Oktettregel 8

Valenzelektronen zu erreichen, 3 Atome an sich binden. Die Molekülstruktur, des hier zu

synthetisierenden Antimontriiodid, ist eine trigonale Pyramide, in denen die gebundenen

Iodatome die Grundfläche aufspannen und das noch freie Elektronenpaar des Antimon die

Spitze bildet. Diese Struktur wird auch als „Pseudotetraeder“ bezeichnet, da das freie Elek-

tronenpaar nicht als echter Ligand angesehen werden kann.

Im Festkörper ist das Antimon verzerrt oktaedrisch koordiniert (Abb. 1), d.h. es hat 6 Iod-

atome um sich versammelt: Drei davon aus dem Molekül und drei etwas weiter entfernte Iod-

atome, die aus anderen Molekülen stammen. Antimontriiodid bildet im Festkörper Schicht-

strukturen, in denen die Atome innerhalb der Schicht näher beieinander liegen, als zwischen

den Schichten, weswegen es in Plättchenform kristallisiert: die mikroskopische Struktur be-

stimmt hier den makroskopischen Habitus.

Zur Röntgenstrukturbestimmung Die Struktur einer kristallinen Verbindung lässt sich mit

Röntgenstrahlung bestimmen. Ein Kristall ist ein Körper, der eine dreidimensional periodi-

sche Anordnung seiner Bausteine besitzt. Die Aufklärung einer Kristallstruktur bedeutet,

die genaue räumliche Anordnung aller Atome einer kristallinen chemischen Verbindung zu

bestimmen. Aus dieser Kenntnis lassen sich dann für den Chemiker wesentliche Informa-

tionen ableiten, wie genaue Bindungslängen und Winkel zwischen den Atomen. Außerdem

erhält man implizit Kenntnis über die stöchiometrische Zusammensetzung und Dichte, die

Symmetrie von Baugruppen und deren dreidimensionale Packung im Festkörper.

Zur Beschreibung des Aufbaus eines Kristalls genügt dann die Kenntnis des kleinsten sich

wiederholenden „Motivs“, sowie die Länge und Richtung der drei Vektoren, die dessen An-

einanderreihung im Raum beschreiben. Die kleinste Einheit eines Kristallgitters nennt man

auch Elementarzelle, die durch die Gitterkonstanten a, b und c (also die Längen der Ele-

mentarzelle in allen drei Raumrichtungen) und die zwischen den Basisvektoren aufgespann-

ten Winkel α, β und γ charakterisiert wird (insgesamt kann man alle unterscheidbaren Sym-

63


Abbildung 1: Kristallstruktur von Antimon(III)-iodid.

metriemöglichkeiten in sieben Kristallsysteme einteilen. Es gibt drei rechtwinklige Systeme

und vier schiefwinklige). Man kann den Aufbau mit einer Steinmauer vergleichen, deren

Steine nicht versetzt zueinander angeordnet sind. Unter der Voraussetzung, dass alle Steine

gleich sind, benötigt man nur einen Stein, um das Aussehen der Mauer zu kennen.

Da ein Kristall viele Ebenen von Atomen hat, wird das Röntgenlicht am Atomgitter gebeugt.

Strahlt man Röntgenlicht von einer Seite auf einen Kristall, so beugt der Kristall das Licht

in alle Richtungen, allerdings nur entlang bestimmter Winkel. Misst man die Intensität und

den Winkel der gebeugten Strahlen, kann man auf die Anordnung der Atome schließen, die

diese Beugung hervorrufen. In der Praxis ist es allerdings nicht einfach, den Ort der Atome

zu bestimmen, da die mathematischen Zusammenhänge zwischen Strahlungsintensitäten

64


und Atompositionen nicht trivial sind. Man verwendet numerische Methoden zur Struktur-

lösung am Computer. Aus dem Beugungsmuster kann dann die Symmetrie und der Inhalt

der Elementarzelle durch spezielle Computerprogramme berechnet werden.


Abbildung 2: Versuchsschema

Eine Lösung von 0.014 mol (3.5 g) Iod in 75 ml Toluol wird mit 0.015 mol (1.8 g) fein ge-

pulvertem Antimon in einem 250 ml NS29 Rundkolben am Rückflusskühler mit Trocken-

rohr bis zum Verschwinden der Iodfarbe erwärmt. Die grünlich-gelbe Lösung wird noch heiß

in eine Kristallisierschale von restlichem, nicht umgesetztem Antimon abdekantiert. Das

Antimon(III)-iodid kristallisiert in Form roter Blättchen aus. Das Produkt wird über konz.

H2SO4 im Vakuumexsikkator bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.

2.8.3 Auswertung



Ausbeute: %

65


Eigenschaften: Rote, plättchenförmige, trigonale, rötliche Kristalle. Außer der trigonalen

roten Form existieren noch zwei grünliche Modifikationen, eine rhombische und eine mono-

kline. Schmelze granatrot, Dampf orange.


1. Wie lautet der Trivialname von SbCl3?

2. Was unterscheidet eine Lewis-Säure von einer Brønsted-Säure? Nennen sie je zwei Bei-

spiele für Lewis- und Brønsted-Säuren und Basen.

3. Welche Summenformel hat Grauspießglanz?

4. Welche physikalische Eigenschaft macht Iod zu einem besonderen Nichtmetall?

66






Name(n)

Platz Assistent/in


Darstellung von Antimon(III)-iodid, SbI 3


IodI2

ToluolC7H8

AntimonSb

SchwefelsäureH2SO4

Antimon(III)iodidSbI3

MG[g/mol]

253.81

92.14

121.76

98.08

502.47

Sdp.Smp.

113,70 °C184,3 °C

-93 °C110 °C

630 °C1950 °C

10,38 °C279,6 °C

170 °C401 °C


H 332-312-400P 273-280

H 225-304-315-336-361d-373

P 261-281-301+310-331

H 302-332-411P 273

H 314

P 301+330+331-305+351+338

H 302-332-411P 273

MAK, LD50WGK

WGK 2

50.0 ppmWGK 2

WGK 2

0.1 mg/m³WGK 1

WGK 2


3,5 g13,8 mmol

75,0 mL0,8 mol

1,8 g14,8 mmol


H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H304 Kann bei Verschlucken und Eindringen in die Atemwege

tödlich sein.H312 Gesundheitsschädlich bei Hautkontakt.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H315 Verursacht Hautreizungen.H332 Gesundheitsschädlich bei Einatmen.H336 Kann Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.H361d Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen.H411 Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.






67





Entsorgung:




• WGK2: Wassergefährdende Stoffe

• Antimon: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.


• Antimon(III)iodid: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.


• Iod: in Lösung: Sammelbehälter B1 (halogenhaltige Lösungsmittel-Wasser-Gemische) • Toluol: wegen Kontamination mit Iod: Sammelbehälter B1 (halogenhaltige Lösungsmittel-Wasser-Gemische) • Antimon: nicht umgesetztes Sb: getrocknet in die Feststofftonne F

68

2.9 Komplexchemie des Cobalts


2.9.1 Allgemeines

Cobaltverbindungen erfreuen sich seit langer Zeit einer großen Beliebtheit. Bereits früh wur-

den Gläser und Keramiken mit dem sogenannten „Cobaltblau“, einem Cobalt-Aluminiumspinell,

eingefärbt. Die Farbigkeit von Cobaltkomplexen war jedoch lange ein Rätsel.

Als Komplexe bezeichnet man Verbindungen mit einem ungesättigten Metallzentrum, an

das sich Atome oder kleine Moleküle mit freien Elektronenpaaren anlagern können. Diese

sogenannten Liganden können hierbei verschiedene Positionen um den Metallkern einneh-

men. Je nachdem wie viele Liganden sich anlagern, kann ein solcher Metallkomplex nach

der Koordinationszahl unterschieden werden. Besonders häufig sind hierbei die Koordinati-

onszahlen 2 (lineare Komplexe), 4 (tetraedrische oder quadratisch planare Komplexe) und 6

(oktaedrische oder trigonal prismatische Komplexe).

Da Metallkomplexe über delokalisierte Elektronen verfügen gibt es viele verschiedenfarbige

Komplexe. Hier fiel dem schweizer Chemiker Alfred Werner (1866-1919) auf, dass der Cobalt-

Komplex [CoCl2(NH3)4]Cl (hierbei werden die direkt an den Metallkern gebundenen Ligan-

den innerhalb der eckigen Klammern, das Gegenion zum einfach positiv geladenen Kom-

plex ausserhalb der eckigen Klammern geschrieben) in zwei verschiedenen Farben auftaucht.

Dies erklärte Werner so: Der Cobalt-Kern besitzt 6 Liganden und wird von diesen oktaedrisch

umgeben. Nun gibt es für die Anordnung der Liganden zueinander verschiedene Möglichkei-

ten: entweder stehen die beiden Chloro-Liganden sich gegenüber (trans-Geometrie, grüner

Komplex) oder sie sind benachbart (cis-Geometrie, violetter Komplex). Durch seine Theorien

zur Bindung in Komplexen und der Existenz von verschiedenen Stereoisomeren gewann er

1913 als erster Anorganiker den Nobelpreis. Er gilt als Begründer der Koordinationschemie.

2.9.2 Trans-Tetraammin-dinitro-cobalt(III)-chlorid: Versuchsdurchführung

69


In einer Waschflasche werden 190 mmol (10 g) Ammoniumchlorid und 190 mmol (13.5 g)

Natriumnitrit in 80 ml Wasser gelöst und mit 12 ml 25%igem Ammoniak versetzt. Zu die-

sem Gemisch wird eine Lösung von 37.8 mmol (9 g) Cobalt(II)-chlorid-hexahydrat in 25 ml

Wasser gegeben. Durch dieses Gemisch saugt man nun 4 h lang einen Luftstrom, um das

Metallzentrum zu oxidieren.

Abbildung 1: Versuchsschema

Nachdem der Niederschlag sich abgesetzt hat wird dieser über einen Büchnertrichter abge-

saugt und mit drei mal 20 ml Wasser nachgewaschen. Je 10 g Rohprodukt werden in 200 ml

heißer verdünnter Essigsäure gelöst, schnell filtriert und mit einer wässrigen Lösung von 2

g Ammoniumchlorid gefällt (Alle Mengenangaben entsprechend der Menge des Rohprodukts

skalieren!). Nach Abkühlen und Vervollständigung der Fällung im Eisbad saugt man die

Kristalle ab und wäscht mit 90%igem und dann absolutem Ethanol und trocknet die Kristal-

le über konz. Schwefelsäure.

2.9.3 Trans-Tetraammin-dinitro-cobalt(III)-chlorid: Auswertung



Ausbeute: %

Eigenschaften: Gelbe Kristalle

70


2.9.4 Tetraammin-carbonato-cobalt(III)-Hemihydrat: Versuchsdurchführung

In eine Lösung von 25.8 mmol (7.5 g) Cobaltnitrat-hexahydrat in 15 ml Wasser wird lang-

sam eine Lösung von 0.1 mol (10 g) Ammoniumcarbonat in 30 ml Wasser und 30 ml konz.

Ammoniak gegeben. Dazu fügt man tropfenweise 4 ml 30%igen Wasserstoffperoxid zu. Dabei

schlägt die Farbe von tiefviolett nach blutrot um. Die Lösung wird im Wasserbad auf ca. 40 ml

eingeengt, wobei während des Abdampfens insgesamt 2.5 g Ammoniumcarbonat in kleinen

Portionen zugegeben werden. Die heiße Lösung wird über einen Büchnertrichter abfiltriert

und das Produkt im Eisbad auskristallisiert. Die purpurroten Kristalle werden abgesaugt

und mit wenig Wasser und Ethanol gewaschen.

2.9.5 Tetraammin-carbonato-cobalt(III)-Hemihydrat: Auswertung



Ausbeute: %

Eigenschaften: Purpurrote Kristalle. Der Carbonat-Ligand wird in saurer Lösung leicht

von zwei Molekülen Wasser verdängt.


1. Was sind homoleptische, was heteroleptische Komplexe?

2. Was versteht man unter der Zähnigkeit von Liganden?

3. Was ist Hydratisomerie, was Bindungsisomerie?

71






Name(n)

Platz Assistent/in


Darstellung von Trans-Tetraammin-dinitro-cobalt(III )-chlorid, [Co(NH 3)4(NO2)2]Cl


AmmoniumchloridNH4Cl

NatriumnitritNaNO2

konz. AmmoniakNH3

Cobalt(II)-Chlorid HexahydratCoCl2 · 6H2O


EthanolC2H6O

Cobalt(II)-nitratCoN2O6

AmmoniumcarbonatCH8N2O3

Wasserstoffperoxid, LösungH2O2

MG[g/mol]

53.49

69.00

17.03

237.93

60.05

46.07

182.95

96.09

34.01

Sdp.Smp.

340 °C-

271 °C320 °C

-77,7 °C-33 °C

724 °C1049 °C

16,2 °C118 °C

-114 °C78 °C

--

--

-0,41 °C150,2 °C


H 302-319P 305+351+338

H 272-301-400P 220-273-301-310

H 221-280-331-314-400

P 210-261-273-305+351+338

H 317-334-341-360F-410

P 201-261-273-308+313-501

H 226-314

P 280-305+351+338-310

H 225P 210

H 341-360F-334-317-410

P 201-273-308+313-302+352

H 302

H 271-302-314-332-335

MAK, LD50WGK

WGK 1

WGK 2

35.0 mg/m³WGK 2

WGK 3

10.0 ppmWGK 1

500.0 ppmWGK 1

WGK 3

WGK 1

0.5 ppmWGK 1


12,0 g224,3 mmol

13,5 g195,7 mmol

9,0 g37,8 mmol


H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.H301 Giftig bei Verschlucken.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H317 Kann allergische Hautreaktionen verursachen.H331 Giftig bei Einatmen.H335 Kann die Atemwege reizen.H360F Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen.H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger

Wirkung.



P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P302+352 Bei Kontakt mit der Haut: Mit viel Wasser und Seife

waschen.P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten



72





Entsorgung:




• WGK 2: wassergefährdend • WGK 3: stark wassergefährdend


• Natriumnitrit: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.


• Fitrat und das Waschwasser: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

73

2.10 Darstellung von Aluminiumacetylacetonat Al(acac)3


2.10.1 Allgemeines

Aluminium gehört der 13. Gruppe bzw. der 3. Hauptgruppe an. Auf Grund ihrer hohen Reak-

tionsfähigkeit kommen die Elemente dieser Gruppe nicht elementar, sondern nur in Verbin-

dungen vor. Aluminium ist das dritthäufigste Element (nach Silicium und Sauerstoff) über-

haupt und kommt mit einem sehr hohen Massenanteil in der Erdkruste vor (7,57%), v.a. in

Glimmer, Feldspat und Tonmineralien. Es ist ein Leichtmetall (Dichte < 5g/cm3), welches

man zu dünnen Folien ausrollen oder zu feinen Drähten ziehen kann. Jährlich werden im

Moment ca. 200 Millionen Tonnen Aluminium in Form von Bauxit (ein Aluminiumerz, das

aus einer Mischung verschiedener Aluminiummineralien besteht) gefördert und für verschie-

denste Anwendungen über die Schmelzflusselektrolyse von Eisen abgetrennt und aufberei-

tet.

Obwohl Aluminium nach der Stellung in der Spannungsreihe leicht zu oxidieren sein soll-

te, kann diese Eigenschaft nicht im Experiment beobachtet werden. Dies liegt daran, dass

bereits an Luftsauerstoff eine fest anhaftende Oxidschicht gebildet wird, die eine weitere

Oxidation verhindert. Durch diese Oxidschicht erhält das Aluminium auch sein eher stump-

fes Aussehen: reines Aluminium ist von silberweißem Glanz. Durch Anlegen einer elektri-

schen Spannung und somit elektrochemischer Oxidation kann man die Oxidschicht auf der

Aluminiumoberfläche noch verstärken. Das technische Verfahren hierzu nennt man „Eloxal-

Verfahren“(elektrolytische Oxidation von Aluminium). Durch Einarbeitung von Farbstoffen

in die Oxidationsschicht können auch bunte Eloxal-Schichten erhalten werden. Diese Oxid-

schichten sind beständig gegen Meerwasser, Säuren und Laugen, wirken also als Schutz-

schicht vor Korrosion auf dem Metall.

Andere Anwendungen, bei denen Aluminium genutzt wird:

• Elektrotechnik: Hier findet das Aluminium durch seine gute Leitfähigkeit Verwendung.

• Werkstoff: Aluminium wird wegen seiner Leichtigkeit beim Schiffs-, Flugzeug-, Fahrzeug-

und Hausbau benutzt.

• Hausgeräte: Kochtöpfe, Geschirr und viele Elektrogeräte werden aus Aluminium her-

gestellt.

• Verpackung: Getränkekartons, Konservendosen und Alufolie sind nur wenige Beispiele.


In einem 250 ml Erlenmeyerkolben werden 13.3 mmol (5 g) Aluminiumnitrat-Nonahydrat in

75 ml Wasser gelöst und daraufhin mit 43.1 mmol (4.4 ml) Acetylaceton versetzt. Das Ge-

misch wird auf einem Magnetrührer so gut wie möglich homogenisiert und daraufhin lang-

75


sam mit einer Mischung aus 3.8 ml konz. NH3 und 6.5 ml destilliertem Wasser (im Mess-

zylinder mischen) versetzt. Aus der anfangs ölig-gelben Mischung fällt ein perlmuttfarbener

Niederschlag aus, der kurz in der Lösung aufgekocht wird. Nach Abkühlen der Lösung wird

die Fällung im Eisbad vervollständigt und der Feststoff über einen Büchnertrichter abge-

nutscht.

Das so erhaltene Rohprodukt wird in 15 ml siedendem Aceton gelöst und zur Abtrennung

von ungelöstem Feststoff erneut in eine saubere (!) Saugflasche abfiltriert und mit wenig sie-

dendem Aceton nachgewaschen. Das Filtrat wird erneut auf ca. 15 ml eingeengt und dann

bis zur bleibenden Trübung mit destilliertem Wasser versetzt. Der Kolben wird zur Ausfäl-

lung des Al(acac)3 ins Eisbad gestellt, der Niederschlag daraufhin eiskalt abgesaugt und mit

eiskaltem Aceton nachgewaschen. Das Produkt wird in einem Präparateglas im Exsikkator

über KOH getrocknet.

2.10.3 Auswertung



Ausbeute: %

Eigenschaften: Perlmuttartig glänzende Tafeln. Zersetzt sich beim Erwärmen an Luft. Un-

löslich in Wasser, leicht löslich in Ethanol, Ether, Benzol und Aceton.


1. Ist es sinnvoll das Produkt mit Aceton nachzuwaschen?

2. Was versteht man unter Tautomerie? Was ist das bekannteste Beispiel für diese Art von

Isomerie?

3. Welche Mesomerieformel besitzt der Ligand?

4. Können Sie das Produkt zeichnen?

76






Name(n)

Platz Assistent/in


Darstellung von Aluminiumacetylacetonat, Al(acac) 3


Aluminiumnitrat NonahydratAl(NO3)3 9 H2O

Pentan-2,4-dion, AcetylacetonC5H8O2

AmmoniakNH3

AcetonC3H6O

Aluminium-acetylacetonatC15H21AlO6

KaliumhydroxidKOH

MG[g/mol]

375.13

100.12

17.03

58.08

324.31

56.11

Sdp.Smp.

73 °C-

-23 °C140 °C

-77,7 °C-33 °C

-95 °C56 °C

192 °C315 °C

361 °C1320 °C


H 315-319P 305+351+338

H 226-302-311-331P 261-280-311

H 221-280-331-314-400

P 210-261-273-305+351+338

H 225-319-336

P 210-261-305+351+338

H 300-315-319-335

P 261-264-301+351+338

H 290-302-314

P 280-305+351+338-301+330

MAK, LD50WGK

WGK 1

126.0 mg/m³WGK 1

35.0 mg/m³WGK 2

500.0 ppmWGK 1

WGK 3

WGK 1


5,0 g13,3 mmol

4,4 mL42,8 mmol

3,8 mL142,6 mmol

15,0 mL204,0 mmol


H221 Entzündbares Gas.H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H280 Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung

explodieren.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H300 Lebensgefahr bei Verschlucken.H311 Giftig bei Hautkontakt.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H331 Giftig bei Einatmen.H336 Kann Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.H400 Sehr giftig für Wasserorganismen.






P311 Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen.

77





Entsorgung:




• Aceton: kann bei wiederholtem Kontakt zu spröder Haut führen

• Aceton: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden


• Pentan-2,4-dion, Acetylaceton: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.

• Aluminium-acetylacetonat: Löschen: Wassersprühnebel, alkoholbeständigen Schaum, Trockenlöschmittel oder Kohlendioxid verwenden.


• Filtrat und Waschwasser: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

78

2.11 Verseifung von Fetten


2.11.1 Allgemeines

Früher wurde häufig Seife aus Fettabfällen gekocht, besonders auf dem Land. Heute ist die

selbstgemachte Seife fast ein Luxusprodukt, dabei fühlt sich eine selbstgekochte Seife beim

Waschen ganz anders an als ein Industrieprodukt. Als Pflegemittel werden teure Pflanzenöle

dazugemischt. Zum Beduften der Seife können Extrakte und Duftöle oder auch künstliche

Aromen genommen werden. Manche Seifensieder nehmen nur pflanzliche Fette und solche

aus biologischem Anbau, andere verwenden gerne Schweineschmalz und Rindertalg, weil

tierische Fette sich gut verseifen lassen und eine feste und gut schäumende Seife ergeben.


In einem 2 L Becherglas werden 400 g Kokosfett und 400 g Rapsöl unter Rühren langsam

auf etwa 60 - 90 ◦C erwärmt. Nachdem alles geschmolzen ist, lässt man den Topf wieder bis

auf 60 ◦C abgekühlen. In einem separaten Becherglas werden 120 g Natriumhydroxid in 290

mL dest. Wasser gegeben (Achtung: Starke Erwärmung der Lösung). Man schüttet nun unter

Rühren vorsichtig die noch heiße Natriumhydroxid-Lösung in das Becherglas mit dem Fett

und dem Öl, das noch immer 60 ◦C haben soll. Die dabei entstehende milchige Masse wird

mit einem Stabmixer einige Minuten intensiv gerührt, bis sich die Masse puddingartig ver-

festigt. Anschließend wird noch etwa 10 Minuten mit dem Kochlöffel weitergerührt. Hierbei

können auch Duftstoffe eingerührt werden. Wenn die Masse so fest wird, dass man mit dem

Kochlöffel darauf Spuren hinterlassen kann, wird die Masse in die vorbereitete Seifenform

überführt (mit Frischhaltefolie auskleiden). Hinweis: Zu langes Rühren oder zu heißes Arbei-

ten führt dazu, dass die Seife grob und bröckelig wird und nur schwer aus dem Becherglas in

die Seifenform überführbar ist. Die inzwischen hart gewordene Seife wird nach einem Ruhe-

tag aus der Form entnommen und in kleine Stücke zerteilt. Bevor die Seife verwendet werden

kann, sollte sie noch einige Tage an einem kühlen, sonnengeschützten Platz trocknen.


1. Was versteht man unter der Iodzahl, was unter der Verseifungszahl von Fetten und

Ölen?

2. Warum ist Kokosfett fest, während das Rapsöl flüssig ist? Welchen Einfluss haben Dop-

pelbindungen in den Fettsäuren auf ihren Schmelzbereich?

3. Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Verseifung eines beliebigen Fettes?

79






Platz Assistent/in


Verseifung von Fetten


NatriumhydroxidNaOH

MG[g/mol]

40.00

Sdp.Smp.

323 °C1390 °C


H 290-314

P 280-301+330+331-305+351+338-308+310

MAK, LD50WGK

WGK 1



H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.

P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen.



80





Entsorgung:






• NaOH: Nach Neutralisation in Abfluss

81

2.12 Elektrochemie

2.12 Elektrochemie

2.12.1 Leclanché-Element Allgemeines

Damals wie heute stellen Batterien und Akkumulatoren eine der wichtigsten Quellen für die

Erzeugung von elektrischer Energie dar. Ohne ihre stetige Weiterentwicklung und Optimie-

rung wären portable Elektrogeräte, wie Smartphones und Laptops noch in weiter Ferne. Den

Grundstein legte vor über 230 Jahren der italienische Arzt Luigi Galvani. Galvani erkannte

bei Experimenten mit Froschschenkeln, dass die Muskeln bei Kontakt mit den Elementen

Kupfer und Eisen kontrahieren. Ohne seines Wissens hatte Galvani damit die erste elektro-

chemische Zelle beschrieben. Inspiriert von der Entdeckung Galvanis entwickelte im Jahr

1800 Alessandro Volta die erste funktionierende Batterie, die als Voltasche Säule in die Ge-

schichte einging. Volta schichtete Kupfer- und Zinkplättchen übereinander, die in regelmäßi-

gen Abständen mit einem elektrolytgetränktem Pappestück voneinander abgetrennt waren.

Die so in Reihe geschalteten galvanischen Zellen stellen einen Vorreiter der heutigen Batte-

rien dar. 1867 präsentierte George Leclanché bei der Pariser Weltausstellung eine auf Zink

und Braunstein basierende Batterie. Die ursprüngliche Variante der Batterie wurde noch mit

flüssigem Elektrolyt betrieben, wodurch sie zu den Nassbatterien zählt. Durch viele Weiter-

entwicklungen gelang es den Elektrolyt zu gelieren. Diese lange in Telegraphen und Klingeln

eingesetzte Batterie gilt als Vorläufer der heute gebräuchlichen Trockenbatterien. Das Prin-

zip der elektrochemischen Zelle beruht auf der Oxidation von Zink und der Reduktion von

Mangan(IV)-oxid (Braunstein), wodurch eine Spannung von 1,5 V erreicht werden kann. Die

Elektrolytpaste besteht im Wesentlichen aus Ammoniumchlorid und Graphitpulver, welches

die Leitfähigkeit erhöht. Zudem wird häufig Stärke eingesetzt um die Viskosität der Paste

zu erhöhen.

Abbildung 1: Aufbauprinzip des Le Clanché Elements.

83


Die Oxidation von Zink findet an der Anode, dem Minus-Pol statt.

Oxidation : Zn −→ Zn2+ + 2 e- (1)

Die Reduktion hingegen tritt an der Kathode (Plus-Pol), der Graphitelektrode ein.

Reduktion : MnO2 + e- +H2O −→ MnO(OH) +OH - (2)

Dabei wird das Mangan(IV)-oxid in Hydroxy(oxo)mangan(III) reduziert. Der Braunstein rea-

giert mit Wasser, welches durch die Reaktion der entstandenen Hydroxid-Ionen mit dem

Ammoniumsalz der Elektrolytpaste stets nachgebildet wird. Im Gesamtprozess wird dem-

zufolge Wasser verbraucht und chemisch neu gebildet. Die bei der Reduktion entstehenden

Hydroxid-Ionen führen zu einer Abnahme der Zellspannung während des Betriebs, da im

alkalischen Milieu das Redoxpotential des Redoxpaares MnO2/MnO(OH) abnimmt.

OH - +NH4+ −→ NH3 +H2O (3)

Der bei dieser Reaktion entstehende Ammoniak führt zu einer Isolation der Graphitelek-

trode, wodurch der elektrische Wiederstand ansteigt und die Stromstärke mit zunehmender

Betriebsdauer abnimmt. In Betriebspausen diffundiert der entstandene Ammoniak in die

Zelle und bildet mit den Zink-Ionen einen Aminokomplex, welcher mit den Chlorid-Ionen ein

schwerlösliches Salz bildet.

Zn2+ + 2NH3 −→ [Zn(NH3)2]2+ + 2Cl- −→ [Zn(NH3)2]Cl2 (4)

Eine weitere Sekundärreaktion des Leclanché Elements ist die Bildung von Zinkhydroxid.

Die an der Kathode durch Oxidation gebildeten Zink-Ionen reagieren mit den an der Anode

entstehenden Hydroxid-Ionen. Das dabei entstehende Zinkhydroxid spaltet nach einiger Zeit

Wasser ab und Zink-(II)-oxid bleibt als Feststoff zurück. Dieser Prozess wird auch als Altern

der galvanischen Zelle bezeichnet.

Zn2+ + 2OH - −→ Zn(OH)2 −→ ZnO +H2O (5)

Aus der Summe der einzelnen Teilprozesse kann für das Leclanché Element folgende Gesam-

treaktion formuliert werden.

Zn+ 2MnO2 + 2NH4Cl −→ [Zn(NH3)2]Cl2 + 2MnO(OH) (6)

In diesem Versuch wird anstelle eines Zinkbechers ein Aluminiumbecher eines Teelichts ver-

wendet. Prinzipiell ist die Funktionsweise analog zu der des beschriebenen Leclanché Ele-

ments, mit dem Unterschied, dass hier anstelle des Zinks Aluminium oxidiert wird.

84

2.12 Elektrochemie


In einem kleinen Becherglas mischt man ca. 2/3 Ammoniumchlorid (12 Spatelspitzen) mit 1/3

Mangan(IV)-oxid (6 Spatelspitzen). Die Menge sollte dem Volumeninhalt eines Teelichtbe-

hälters entsprechen. Zusätzlich wird noch ein Spatel Graphit-Pulver zugegeben, bevor alles

mit etwas Wasser zu einer dicken Paste vermischt wird. Das Teelicht wird unten mit etwas

Filterpapier ausgelegt, das als Diaphragma wirken soll. Die Paste wird in den Teelichtbehäl-

ter gegeben und die Graphitelektrode in die Elektrolytpaste gesteckt. Die Glühbirne bzw. das

Spannungsmessgerät wird einerseits mit dem Graphitstab, andererseits mit der Aluminium-

hülse verbunden. Experimentell kann hier eine Spannung von bis zu 1,3 V erzielt werden.


1. Erklären Sie, weshalb das Leclanché Element nicht regenerierbar ist und somit nicht

als Akkumulator verwendet werden kann. Welche potentielle Gefahr geht von dem Auf-

laden der Zelle aus?

2. Erklären Sie anhand der Nernst-Gleichung, dass während des Betriebs bzw. mit stei-

gendem pH-Wert der Leclanché Zelle das Potential des Redoxpaares MnO2/MnO(OH)

sinkt. Die Elektromotorische Kraft (EMK) gemäß der Stockholmer-Konvention definiert

als:

EEMK = Ered − Eox (7)

EEMK = E(MnO2/MnO(OH))− E(Zn/Zn2+) (8)

Tipp: Es reicht hier die Nernst-Gleichung für die MnO2/MnO(OH) Halbzelle aufzustel-

len.

85


2.12.4 Wasserelektrolyse Allgemeines

Die Elektrolyse von Wasser stellt eine gute Möglichkeit dar, Wasserstoff aus einem einfachen

Ausgangsmaterial zu erzeugen. In diesem Versuch wird eine Wasserelektroylse-Apparatur

nach Hoffmann benutzt.

Abbildung 2: Wasserzersetzer nach Hoffmann.

Die Apparatur besteht aus drei miteinander verbundenen Rohren. Über das mittlere Rohr

kann die Apparatur mit Wasser befühlt werden. In die beiden restlichen Rohre ist je eine

Elektrode (oftmals Platin- oder Graphit-Elektroden) integriert. Über diese kann eine Span-

nung eingestellt werden, die letztlich zur Elektrolyse des Wassers führt.

2H2O −→ 2H2 +O2 (9)


Die Elektrolyse-Apparatur wird über Krokodilklemmen mit der Gleichstrom-Spannungsquelle

verbunden. Die Apparatur wird mit destilliertem Wasser befühlt und mit etwas verdünnter

Schwefelsäure versetzt, sodass die Apparatur gleichmäßig befüllt ist. Die Elektroylse wird

durch Anlegen des Gleichstroms gestartet (0,2 A bei 10 V starten, langsam bis 15 V erhö-

hen).


1. Was kann bei diesem Versuch beobachtet werden? An welcher Elektrode entsteht Was-

serstoff und an welcher Sauerstoff?

2. Wie können die Produkte nachgewiesen werden?

3. Wieso wird vor der Elektrolyse Schwefelsäure zugegeben?

86

2.12 Elektrochemie

2.12.7 Abscheidung von Kupfer durch Elektrolyse Allgemeines

In diesem Versuch wird Kupfer durch eine Elektrolyse aus einer Lösung auf einem

Platinnetz abgeschieden.


In ein 250 mL Becherglas werden 200 mg CuSO4 in 150 mL destilliertem Wasser ge-

löst. 10 mL einer 20%igen Schwefelsäure werden zu der Lösung gegeben und die Lö-

sung wird unter Rühren mit einer Heizplatte auf etwa 70 ◦C erhitzt. Das Platinnetz

wird an der Kathode des Elektrolysestativs und die Platinspirale an der Anode befes-

tigt. Beide Elektroden dürfen sich nicht berühren. Das Elektrolysestativ wird nun so

befestigt, dass das Platinnetz zu 2/3 in die Lösung eintaucht. Die Elektrolyse wird bei

einer Spannung von 2,0 V gestartet und nach und nach in 0,1 V Stufen gesteigert, bis

eine maximale Spannung von 3,0 V erreicht ist. Nach der Elektrolyse werden die Elek-

troden im Abzug (!) mit konzentrierter Salpetersäure gereinigt. Anschließend werden

die Elektroden mit Wasser und Ethanol abgespült.


1. Wie hoch ist das Standardpotential für Kupfer? Unterscheidet sich dies für die verschie-

denen Oxidationsstufen des Kupfers?

2. Das Kupfer scheidet sich an der Kathode ab. Was aber passiert an der Anode? Geben Sie

an, welche Reaktion an der Anode stattfindet.

3. Welche Anwendungen hat diese Form der Elektrolyse?

87






Name(n)

Platz Assistent/in


Elektrochemie


Kupfer(II)-sulfatCuO4S

SchwefelsäureH2O4S

AmmoniumchloridH4ClN

Mangan(IV)-oxidMnO2

GraphitC

SalpetersäureHNO3

EthanolC2H6O

MG[g/mol]

159.61

98.08

53.49

86.94

12.01

63.01

46.07

Sdp.Smp.

--

3 °Cca. 335 °C

--

--

--

ca. -47 °C86 °C

-114 °C78 °C


H 302-315-319-410

P 273-302+352-305+351+338

H 290-314

P 280-301+330+331-305+351+338-309+310

H 302-319

P 305+351+338

H 272-302332302+332

P 221

H 272-290-314

P 280-304+340-305+351+338-310

H 225-319

P 210-240-305+351+338-403+233

MAK, LD50WGK

0.01 mg/m³WGK 3

0.10 mg/m³WGK 1

WGK 1

0.02 mg/m³WGK 1

1.50 mg/m³-

WGK 2

500.00 ppmWGK 1



H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H315 Verursacht Hautreizungen.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger

Wirkung.

P210 Von Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.P221 Mischen mit brennbaren Stoffen unbedingt verhindern.P240 Behälter und zu befüllende Anlage erden.P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /


Erbrechen herbeiführen.P302+352 Bei Kontakt mit der Haut: Mit viel Wasser und Seife

waschen.P304+340 Bei Einatmen: An die frische Luft bringen und in

einer Position ruhigstellen, die das Atmen erleichtert.P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten


P309+310 Bei Exposition oder Unwohlsein: Sofort Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen.


88

2.12 Elektrochemie




Entsorgung:






• Braunstein: Feststofftonne • Ammoniumchlorid: Feststofftonne • Abgescheidetes Kupfer auf Platin-Netz: Im Abzug mit Salpetersäure reinigen • Schwefelsäure, Salpetersäure: Neutralisieren • Ethanol: Organischer, halogenfreier Abfall

89

3 Block C - Kurzversuche

3.1 Bestimmung des Säuregehaltes von Wein

3.1.1 Allgemeines

Der Säuregehalt des Weines wird hauptsächlich durch die Weinsäure (2,3-Dihydroxybutan-

disäure, 2,3-Dihydroxybernsteinsäure, Threarsäure, Weinsteinsäure) bestimmt.

Abbildung 1: Verschiedene Stereoisomere der Weinsäure.

Die Weinsäure ist eine starke Säure (pKs1 = 2.93, pKs2 = 4.23, jeweils bei 25 ◦ C), die

in wässriger Lösung einen erfrischenden Geschmack besitzt. Sie tritt in drei isomeren

Formen auf: Die L-(+)-Form (sog. natürliche Weinsäure (2R,3R)-Form), die D-(-)-Form

((2S,3S)-Form) und die meso-Form. Die D,L-(±)-Form von Weinsäure (racemische Wein-

säure) kommt nicht natürlich vor, bildet sich jedoch in geringen Mengen bei der Wein-

herstellung und neben der meso-Weinsäure beim Erhitzen von L-Weinsäure in Natron-

lauge. Die Salze der Weinsäure nennt man Tartrate (lat. acidum tartaricum).

Weinsäure eignet sich zur Komplexierung von Schwermetallionen wie Kupfer (z. B. Feh-

lingsche Lösung), Eisen und Blei. Die L-Form kommt in vielen Pflanzen und Früchten,

in freier Form und als Kalium-, Calcium- oder Magnesium-Salz vor (z. B. im Trauben-

saft: teils als freie Weinsäure, teils als Kaliumhydrogentartrat, das sich als Weinstein

zusammen mit Calciumtartrat nach der Gärung des Weins abscheidet). D-Weinsäure,

die auch als unnatürliche Weinsäure bezeichnet wird, ist in der Natur sehr selten, fin-

det sich aber beispielsweise in den Blättern des westafrikanischen Baumes Bankinia

reticulata.

Weinsäure kann aus Weinstein gewonnen werden und ist damit ein Nebenprodukt der

Weinerzeugung. Im technischen Maßstab erhält man Weinsäure bei der Oxidation von

Fumarsäure oder Maleinsäureanhydrid mit Wasserstoffperoxid, Kaliumpermanganat

oder Persäuren (in Gegenwart von Wolframsäure).

In der Industrie besitzt Weinsäure ein breites Anwendungsspektrum; bei der Textil-

verarbeitung (Färben, Drucken, Griffigmachen von Seide und Kunstseide), in der Le-

bensmittelindustrie (Bereitung von Speiseeis und Kunsthonig, in Obstprodukten, Back-

91


pulver, zur Säuerung säurearmer südländischer Weine) und in der Galvanotechnik. Im

Laboratorium benutzt man die optisch aktive Weinsäure (und deren Derivate) zur Ra-

cemattrennung und zur Herstellung chiraler Bausteine für die organische Synthese.


Für die Bestimmung des Säuregehaltes werden verschiedene Sorten von Weißwein mit

0.1 mol/L Natronlauge titriert. Dazu werden 10 mL Weißwein in einen 250 mL Erlen-

meyerkolben mit einer Vollpipette vorgelegt, mit 50 mL Wasser verdünnt und 5 Trop-

fen einer ethanolischen Phenolphthaleinlösung als Indikator zugegeben. Danach titriert

man bis zum Farbumschlag von farblos nach rosa. Um einen möglichst exakten Säure-

gehalt zu ermitteln, bildet man den Mittelwert aus mindestens zwei Titrationen.

3.1.3 Auswertung

Mit folgender Gleichung errechnet sich der Säuregehalt des Weines:

cS(Wein) =cNaOH · VNaOH

2 · VWein(1)

Titration 1: V1(NaOH) = ml



Mittelwert: V̄ (NaOH) = ml

cS(Wein) = mol/l


a) Welchen entscheidenden Fehler hatte das Medikament Contergan bzw. dessen Wirk-

stoff Thalidomid?

b) Wie kann Weinsäure helfen Enantiomere voneinander zu trennen?

92

3.1 Bestimmung des Säuregehaltes von Wein





Platz Assistent/in


Bestimmung des Säuregehalts von Wein


Natronlauge 0,1 mol/L

PhenolphthaleinC20H14O4

MG[g/mol]

-

318.32

Sdp.Smp.

-12 °C105 °C

261 °C-


H 314

P 280-305+351+338-310

H 350-341-361P 201-281-308+313

MAK, LD50WGK

2.0 mg/m³WGK 1

WGK 3



H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

H341 Kann vermutlich genetische Defekte verursachen.H350 Kann Krebs erzeugen.H361 Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen oder

das Kind im Mutterleib schädigen (konkrete Wirkung angeben, sofern bekannt) (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass die Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht).

P201 Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /

Gesichtsschutz tragen.P281 Vorgeschriebene persönliche Schutzausrüstung

verwenden.P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten




93





Entsorgung:




• Phenolphthalein: Bei dieser Substanz besteht Verdacht auf krebserzeugende Wirkung. Kann die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen. Kann zu irreversiblen Schäden führen.



• Natronlauge 0,1 mol/L: nach Neutralisation in den Abfluss geben.

94

3.2 Titration von Phosphorsäure in Cola


3.2.1 Allgemeines

Coca-Cola, oder kurz Coke, ist der als Warenzeichen eingetragene Name für ein koffein-

und kohlensäurehaltiges Erfrischungsgetränk und seine koffeinfreien Varianten. Sie ist

die weltweit erste und umsatzstärkste Cola-Marke. Inhaber ist „The Coca-Cola Compa-

ny“ aus Atlanta in den USA, der größte Softdrinkhersteller weltweit.

Erfunden wurde Coca-Cola von John Stith Pemberton. Der Kriegsveteran und Pharma-

zeut aus Atlanta braute mit Wein, Kolanüssen, Damiana und einem Extrakt aus den

Blättern der Kokapflanze einen Sirup als Mittel gegen Müdigkeit, Kopfschmerzen und

Depressionen, das er Pemberton’s French Wine Coca nannte. Vorbild hierfür war der be-

liebte Vin Mariani. Sein Ziel war es, durch das enthaltene Kokain einen Ersatz für das

damals beliebte, aber mit Nebenwirkungen behaftete Morphin zu finden. Nachdem am

25. November 1885 Atlanta und Fulton County beschlossen hatten, die Prohibition am

1. Juli 1886 versuchsweise für zwei Jahre einzuführen, war Pemberton gezwungen, den

Wein aus dem Getränk zu nehmen, und erfand so Coca-Cola.

Die Erfindung des Namens Coca-Cola, abgeleitet aus den Zutatenlieferanten Kokablatt

(engl. coca leaves) und Kolanuss (engl. cola nut) und des ersten Logos, wird Pembertons

Buchhalter Frank M. Robinson zugeschrieben, der der Ansicht gewesen sein soll, die

beiden geschwungenen Cs seien gut für die Werbung geeignet. Die rote Farbe soll von

roten Fässern kommen, die Pemberton damals zum Abfüllen benutzt haben soll. Die

erste Zeitungsanzeige erschien bereits am 29. Mai 1886 im Atlanta Journal.

Über den ursprünglichen Kokaingehalt einer Coca-Cola ist viel spekuliert worden. Laut

einem Rezept, das wohl von Frank M. Robinson verfasst wurde, enthielt ein Glas 8.45 mg

Kokain, wobei die heutzutage typischerweise geschnupfte Dosis bei 20-30 mg liegt und

oral eingenommenes Kokain schwächer wirkt. Ein Glas allein wird also keinen Rausch

ausgelöst haben. Trotzdem streitet die Coca-Cola Company heute offiziell immer noch

ab, dass ihr Getränk jemals Kokain enthalten habe.

Nachdem die suchterzeugende Wirkung von Kokain sich allmählich in den westlichen

Ländern herumgesprochen hatte, ging der Hersteller 1902 dazu über, nur noch nichtal-

kaloide Extrakte aus den Kokablättern als Aroma zuzugeben. Dies geschah nicht zu-

letzt, um den Anspruch auf das Warenzeichen nicht zu verlieren. Ob Koka heute noch

zur Cola-Herstellung verwendet wird, ist umstritten. Coca-Cola bestreitet es. Die Ste-

pan Company besitzt eine Sondergenehmigung zur Einfuhr und Verarbeitung von Koka-

Blättern aus Peru und Bolivien. Ob Coca-Cola davon profitiert, bleibt Spekulation.

Dieser „Hauch der Sünde“ hat Coca-Cola bei ihrem Erfolg und Image sehr geholfen. So

wurde ihr nachgesagt, zusammen mit Aspirin eine berauschende Wirkung zu entfalten.

95


In den USA wird Coca-Cola inzwischen nur noch unter dem ehemaligen Spitznamen

„Coke“ vermarktet, der eigentlich Koks im Sinne des Kohlenproduktes bedeutet, aber

auch umgangssprachlich für Kokain steht. In den Südstaaten wurde Coca-Cola lange

schlicht nur „Dope“ genannt.

Die berühmte Konturflasche, auch „Humpelrock“ genannt, wurde 1916 in den USA durch

die Manufaktur „Root Glass Company“, von Earl R. Dean erfunden. Als Vorbild für die

weiblichen Rundungen soll eine gläserne Tiffany-Vase Pate gestanden haben. Die Riffe-

lung des Glases kommt vermutlich daher, dass ein Mitarbeiter der Manufaktur bei der

Suche nach einer Abbildung des Kokablattes im Lexikon unter Kakaobohne nachsah.

Sie wurde eingeführt, um Coca-Cola von den damals unzähligen Cola-Kopien zu unter-

scheiden. Ein weiterer Vorteil war auch das dicke Glas, das den Inhalt größer erscheinen

ließ. Am Anfang war das Glas noch grünlich gefärbt; heute ist es Klarglas. Die Flasche

entwickelte sich - neben dem Namen und dem Schriftzug - schnell zu einem eigenstän-

digen Kennzeichen des Getränks, wurde aber markenrechtlich erst 1960 geschützt.

Da ab den 1950er-Jahren Pepsi nicht zuletzt wegen ihrer 12-Unzen-Flasche (1 Unze =

28.3495 g) immer mehr Marktanteil gewann, wurden im Februar 1955 die „King Size“-

10- und 12-Unzen-Flaschen und die 26 Unzen fassende Familien-Flasche eingeführt.

Erstere wurden zum gleichen Preis wie die originale 6-Unzen-Flasche verkauft, was

aber deren Beliebtheit keinen Abbruch tat. 1977 wurde in Deutschland das rot-weiße

Logo erstmals als farbiges Etikett auf die Flaschen geklebt.

Die von Pemberton gebraute Pemberton’s French Wine Coca aus Wein, Kolanüssen und

Kokablättern hat mit der heutigen Coca-Cola nicht viel gemeinsam. Sein Rezept war

hauptsächlich konzipiert den bitteren Geschmack des Kokablattes zu überdecken. Nach-

dem Pemberton das Rezept für die von ihm bereits abgewandelte, weinlose Coca-Cola

mehrfach verkauft hatte, hatten ein Dutzend Leute Zugang zu seinem Rezept. Aus die-

sen Gründen änderte Candler die Zusammensetzung und gab ihr den Code 7X, wodurch

er Coca-Cola geschmacklich vom Ursprungsrezept abgrenzen konnte. Er war so besessen

von Geheimhaltung, dass er das Rezept niemals zu Papier brachte, die Etiketten immer

von allen Konzentraten entfernte und seine Cola stets eigenhändig hinter verschlos-

senen Türen braute. Das Konzentrat aus Kolanuss und Kokablatt erhielt den Namen

Merchandise No.5.

Da der synthetische Zuckeraustauschstoff Saccharin konservierend wirkte und billiger

war, wurde schon bei den ersten Abfüllversuchen seitens des Abfüllers Thomas im Ge-

heimen damit experimentiert, den Sirup zum Abfüllen damit zu strecken. Um die Jahr-

hundertwende ging diese Zutat dann irgendwann in das Rezept ein, vermutlich nach

Rücksprache mit Thomas. 1906 wurde es jedoch wieder herausgenommen, um dem Pure

Food and Drug Act zu entsprechen, das Saccharin als „verfälschende“ Zutat deklarierte.

96


Weil die Coca-Cola Company aufgrund dieses Gesetzes wegen des Koffein-Gehaltes von

Coke verklagt wurde, einigte man sich 1917, den Koffein-Gehalt auf 130 mg/100 ml zu

reduzieren, dafür jedoch den Anteil von Merchandise No.5 zu verdoppeln.

Noch heute wird behauptet, dass die Rezeptur (Formel 7x100) eines der bestgehüteten

Geheimnisse sei. Die Formel liegt der Legende nach in einem Tresor in Atlanta; nie mehr

als zwei Menschen sollen Zugang zu diesem haben und die genaue Rezeptur kennen.

Die hauptsächlichen Geschmacksträger waren und sind echte Vanille, Orangen-, Zitronen-

und Zimtöle. Für den sauren Geschmack sorgt Phosphorsäure, für die Süße gewöhnli-

cher Haushaltszucker (Saccharose). Die Zutaten sind heute überall auf der Welt die

gleichen, und alle Zutaten wie Wasser oder Zucker müssen gleich aufbereitet werden.

Hierbei gelten strenge Auflagen. Einzig bei der verwendeten Zuckerart dürfen die Pro-

duzenten wählen. So wird in Europa hauptsächlich Rübenzucker, in Asien eher Rohrzu-

cker und in Amerika Zucker aus Mais-Sirup verwendet.

Zutaten für 1 Liter Coca-Cola:

• 0.88 l Wasser

• 107 g Zucker

• 9.0 g Kohlendioxid (E290)

• 1.8 g Zuckerkulör (E150d)

• 0.5 g Orthophosphorsäure (E338)

• 0.3 g Zitronensäure (E330)

• 0.2 g Saccharoseacetatisobutyrat (SAIB)

• 0.2 g Koffein und Theobromin

• 1.0 g Aromamix

Der Aromamix besteht aus diesen Stoffen:

• 34.5 % Extrakt aus den Samen der Kolanuss

• 8.5 % Kakao-Destillat

• 1.7 % Ingwer-Tinktur

• 15 % Limetten-Destillat

• 10 % Zitronenschalen-Destillat

• 7 % Kaffee-Destillat

• 5 % Mate-Destillat

• 4 % Mandarinenblätter-Tinktur

• 3 % Johannisbrot-Tinktur

• 3 % Bittere-Orangen-Tinktur

• 2 % Kokainfreie Cocablätter-Tinktur

97


• 1 % Zitwerwurzel-Destillat

• 1 % Holunderblüten-Tinktur

• 1 % Mazisblüten-Tinktur

• 1 % Kalmus-Tinktur

• 1 % Mimosenbaumrindenextrakt

• 0.5 % Ysopkraut-Tinktur

Auf dem Etikett von Coca-Cola sind folgende Zutaten angegeben:

Wasser, Zucker, Kohlensäure, Lebensmittelfarbstoff E 150d (Zuckerkulör), Säuerungsmit-

tel: E 338 (Phosphorsäure), Aroma, Aroma-Koffein

Die meisten Varianten wie etwa Coca-Cola light unterscheiden sich dem Etikett nach

hauptsächlich durch Verwendung von Zuckeraustauschstoffen.

100 ml Cola enthalten durchschnittlich 10 mg Koffein (zum Vergleich: 100 ml Filterkaf-

fee enthalten etwa 64-96 mg Koffein). Obwohl es sich bei Koffein um eine pharmakolo-

gisch aktive Substanz handelt, müssen Getränke, die weniger als 15 mg/100 ml Koffein

enthalten, in Deutschland keine Konzentrationsangaben ausweisen.

Phophorsäure ist eine dreiprotonige Säure, d.h. sie kann, wie in Abb. 1 dargestellt, drei

Protonen nacheinander abgeben. Man gelangt so durch die fortschreitende Deprotonie-

rung von der Phophorsäure über das Dihydrogen- und Hydrogenphosphat schließlich

zum Phosphat.

Abbildung 1: Protolyse von Phosphorsäure.

Trägt man die pH-Messwerte der Titration gegen das Volumen der zugesetzten Natron-

lauge auf, so erhält man eine zu Abb. 2 äquivalente Kurve.


Die in Cola vorhandene Kohlensäure stört die Titration. Um sie zu beseitigen, werden

250 mL Cola 15 Minuten lang unter Rühren erwärmt (600 mL Becherglas, heizbarer

Magnetrührer mit Magnetrührfisch).

50 mL entgastes Getränk werden dann in einen 250 mL Erlenmeyerkolben pipettiert

und mit 0.1 mol/L Natronlauge titriert. Da Indikatoren wegen der Eigenfarbe des Colas

nicht verwendet werden können, erfolgt die Bestimmung durch Messen der pH-Werte

98


0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

12,0

13,0

14,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

pH

Titrationsgrad F

Abbildung 2: Titrationskurve der Phosphorsäure.

mit einem pH-Meter. Dabei werden die zugegebene Menge an Natronlauge und der zuge-

hörige gemessene pH-Wert tabellarisch notiert. Die Natronlauge wird jeweils in 0.2 mL

Schritten zugegeben. Nach jeder Messung wird die pH-Elektrode wieder entnommen

und mit destilliertem Wasser gespült. Es wird die gesamte Kurve bis pH = 12 aufgenom-

men.

Die Konzentration der Phosphorsäure in einem Cola-Getränk berechnet sich aus dem

Verbrauch an Natronlauge bis zum ersten Äquivalenzpunkt. V(NaOH) wird dazu aus

der graphischen Auftragung des Titervolumens V gegen den entsprechenden pH-Wert

ermittelt.

3.2.3 Auswertung

Zur Berechnung der Phosphorsäurekonzentration kann folgende Arbeitsgleichung ver-

wendet werden:

c(H3PO4) =cNaOH · V NaOH

VCola=

0.1mol/l · V NaOH0.050l

(1)

c(H3PO4) = mol/l

99



a) Warum kann man die Konzentration von Phosphorsäure durch Titration neben der

ebenfalls vorliegenden Zitronensäure selektiv bestimmen?

b) Vor allem in Europa ist Diätcola weit verbreitet. Welche beiden berühmten Zucke-

rersatzstoffe kennen Sie?

c) Warum sind diese Ersatzstoffe einer Diät nicht zuträglich?

100






Name(n)

Platz Assistent/in


Titration von Phosphorsäure in Cola


Natronlauge 0,1 mol/L

MG[g/mol]

-

Sdp.Smp.

-12 °C105 °C


H 314P 280-305+351+338

MAK, LD50WGK

2.0 mg/m³WGK 1



H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.



101





Entsorgung:







• Natronlauge 0,1 mol/L: nach Neutralisation in den Abfluss geben.

102

3.3 Bestimmung der Gesamthärte von Leitungswasser


3.3.1 Allgemeines

Wasserhärte ist ein Begriff der angewandten Chemie, der sich aus den Bedürfnissen

des Gebrauchs natürlichen Wassers mit seinen gelösten Inhaltsstoffen entwickelt hat.

Konkret wird mit Wasserhärte die Äquivalentkonzentration der im Wasser gelösten Io-

nen der Erdalkalimetalle, in speziellen Zusammenhängen aber auch deren anionischen

Partnern bezeichnet. Zu den „Härtebildnern“ zählen im Wesentlichen Calcium und Ma-

gnesium sowie in Spuren Strontium und Barium. Die gelösten Härtebildner können un-

lösliche Verbindungen bilden, vor allem Kalk und sogenannte Kalkseifen. Diese Tendenz

zur Bildung von unlöslichen Verbindungen ist der Grund für die Aufmerksamkeit, die

zur Entstehung des Begriffs- und Theoriesystems um die Wasserhärte geführt hat.

Weiches Wasser ist günstiger für alle Anwendungen, bei denen das Wasser erhitzt wird,

z. B. zum Waschen oder zum Bügeln. Nachteilig sind jedoch die starke Schaumbildung

bei Waschmitteln und die schlechte Entfernbarkeit von Seife z. B. beim Händewaschen.

Weiches Wasser steht in Regionen mit Granit, Gneis, Basalt und Schiefergesteinen zur

Verfügung. Auch Regenwasser ist weiches Wasser. Hartes Wasser führt zur Verkalkung

von Haushaltsgeräten, erhöht den Verbrauch von Spül- und Waschmitteln, beeinträch-

tigt den Geschmack und das Aussehen empfindlicher Speisen und Getränke (z. B. Tee

und für Studenten essentiell: Kaffee). Hartes Wasser kommt aus Regionen, in denen

Sand- und Kalkgesteine vorherrschen z.B. wie hier in Regensburg.

Was man unter dem Begriff Wasserhärte zusammenfasst ist ein System verschiedener

miteinander gekoppelter chemischer Gleichgewichte. Dies sind zum einen die Löslich-

keitsgleichgewichte zwischen den verschiedenen Erdalkali-Ionen und den zugehörigen

Carbonat- und Sulfat-Fällungsprodukten (Calcit, Dolomit, Schwerspat, Gips etc.). Un-

trennbar damit gekoppelt ist zum anderen das Lösungs- und Dissoziationsgleichgewicht

des Kohlenstoffdioxid-Kohlensäure-Carbonat-Systems. Die im Folgenden dargestellte

gängige Einteilung der Härte in verschiedene Unterbegriffe greift einzelne Teilaspekte

dieses komplexen Gleichgewichtssystems heraus und benennt jeweils deren quantitati-

ven Anteil.

Die Gesamthärte gibt die Summe der Konzentrationen der Kationen von Erdalkalime-

tallen in Wasser an. Diese Kationen haben eine große, positive physiologische Bedeu-

tung, stören jedoch bei einigen Verwendungen des Wassers. So bilden ins Wasser einge-

brachte Seifen mit diesen Kationen unlösliche Kalkseifen, die über keine Reinigungswir-

kung mehr verfügen. Beim Waschen von Textilien in Wasser mit hoher Gesamtwasser-

härte führen die Kalkseifen zu einer Verunreinigung der Textilen. Seifen zählen zu den

anionischen Tensiden und sind besonders empfindlich gegenüber hartem Wasser. Die

103


Waschleistung von anderen, modernen Tensiden in Waschmitteln wird dagegen kaum

von der Wasserhärte beeinträchtigt. Trotzdem enthalten die Waschmittel zu etwa 30 %

Substanzen, die hartes Wasser enthärten.

In Bezug auf die Wasserhärte ist die Konzentration des Anions Hydrogencarbonat (HCO3-)

von spezieller Bedeutung. Man bezeichnet die den Erdalkalimetallionen äquivalente

Konzentration an Hydrogencarbonationen als Carbonathärte, temporäre Härte oder vor-

übergehende Härte. Ein Wasser befindet sich im sogenannten Kalkkohlensäure-Gleichgewicht,

wenn es gerade soviel Kohlenstoffdioxid, im Sprachgebrauch auch Kohlensäure genannt,

enthält, dass es gerade keinen Kalk abscheidet, aber auch keinen Kalk lösen kann. Wird

einem solchen Wasser Kohlenstoffdioxid entzogen, bilden sich schwer lösliche Verbin-

dungen wie Calcit und Dolomit als besonders schwer lösliches Mischcarbonat (Kessel-

stein, Seekreide). Aufgrund der Temperaturabhängigkeit dieses Gleichgewichtssystems

bilden sich auch Ablagerungen bei der Bereitung von Heißwasser (Warmwasseranlagen,

Kaffeemaschinen, Kochtöpfe).

Als Nichtcarbonathärte oder auch permanente Härte oder bleibende Härte bezeichnet

man den Teil der Gesamtwasserhärte, der nicht an Hydrogencarbonat bzw. Carbonat

gebunden ist und daher prinzipiell nicht als Calcium- oder Magnesiumcarbonat aus

dem Wasser entfernt werden kann. Dieser nicht entfernbare Anteil ist durch Anionen

wie z. B. Chloride, Nitrate und Sulfate ausgeglichen („gebunden“). In welchen unter-

schiedlichen Konzentrationen diese Anionen genau vorliegen, spielt in Bezug auf die

Wasserhärte keine Rolle, gibt aber Auskunft über die Herkunft dieser Anteile. Tatsäch-

lich beeinflusst aber diese permanente Härte ganz entscheidend das Fällungsverhalten

der Carbonathärte-Anteile, weil die somit erhöhten Konzentrationen an Calcium und

Magnesium in die Rechnung der Ionenprodukte mit dem Carbonat eingehen und somit

die Schwellenwerte z. B. der „zugehörigen Kohlensäure“ für das Eintreten der härtety-

pischen Fällungsreaktionen erhöhen.

Oft werden auch die Konzentrationen von Magnesium- und Calciumionen getrennt be-

stimmt und dann als „Magnesiumhärte“ bzw. „Calciumhärte“ bezeichnet. Ihre Summe

entspricht in guter Näherung der Gesamtwasserhärte.

Härtebereich Definition ◦d

1 weich <7

2 mittelhart 7-14

3 hart 14-21

4 sehr hart >21

Die Wasserhärte wurde früher in Grad deutscher Härte (◦dH) angegeben. Dabei war

1 ◦dH formal als 10 mg CaO je einem Liter Wasser definiert. Die anderen Härtebildner

104


wie Magnesium wurden als hierzu äquivalente Menge (7.19 mg MgO pro Liter) defi-

niert. Später wurde die Angabe der Wasserhärte in der praxisgerechten Stoffmengen-

Äquivalenzeinheit Millival pro Liter (mval/l) verwendet. Heute sind gesetzlich die oben

genannten molaren Angaben gefordert, ungeachtet der praktischen Erfordernisse.

Kalkanreicherung in Gewässern findet oft durch Auflösung von Kalk durch saure Kom-

ponenten des Niederschlags statt. Die in den Niederschlägen enthaltenen Säuren, die

durch den Begriff saurer Regen bekannt geworden sind, können ebenfalls zu einem

Härteanstieg führen. Beteiligt sind Schwefelsäure (H2SO4) aus der Verbrennung schwe-

felhaltiger fossiler Brennstoffe und Salpetersäure (HNO3), die über die Zwischenstufe

Stickoxide durch Blitzentladungen bei Gewittern, aber auch bei Verbrennungsprozessen

gebildet wird. Durch Maßnahmen zur Luftreinhaltung (z. B. Rauchgasentschwefelung)

sind diese Belastungen in den vergangenen Jahrzehnten drastisch reduziert worden.

Zur Enthärtung von Wasser bedient man sich Ionenaustauschern, die mit Kochsalz re-

generiert werden und in der Lage sind, Calcium- und Magnesiumionen gegen Natriu-

mionen auszutauschen. Dieses Prinzip wird z.B. in Spülmaschinen eingesetzt, um die

Heizelemente zu schonen und „Kalkflecken“ auf dem Geschirr zu vermeiden.

Die bekannteste praktikable Bestimmungsmethode für die Gesamthärte ist die komple-

xometrische Titration mit einer wässrigen Lösung des Dinatriumsalz der Ethylendia-

mintetraessigsäure (EDTA, Handelsname: Titriplex III) mit bekannter Konzentration.

EDTA bildet mit den Härtebildnern Ca2+ und Mg2+ lösliche, stabile Chelatkomplexe.

Abbildung 1: Grundgerüst, Struktur und Komplexgeometrie von EDTA.

Die zu untersuchende Wasserprobe wird mit Ammoniaklösung, einem Puffer für den

105


pH 11 (Ammoniak-Ammoniumacetat) und dem Indikator Eriochromschwarz-T versetzt.

Üblicherweise ist der Indikator mit dem Puffer zusammen als so genannte „Indikator-

Puffer-Tabletten“ erhältlich. Der Indikator bildet mit den Ca2+ und Mg2+ einen rot ge-

färbten Komplex. Sind diese Ionen am Ende der Titration vom EDTA gebunden, liegt

das Eriochromschwarz-T frei vor und ist grün gefärbt. Die Gesamthärte berechnet sich

aus dem Verbrauch EDTA-Lösung.


50 mL des zu prüfenden Leitungswassers werden in einen 250 mL Erlenmeyerkolben pi-

pettiert und mit einer Indikator-Puffertablette versetzt. Nach Zugabe von 1-2 mL konz.

Ammoniak wird mit Titriplex-B-Lösung (EDTA-Lösung) bis zum Farbumschlag nach

grün titriert. Die Titration wird insgesamt dreimal mit je 50 mL Leitungswasser durch-

geführt.

3.3.3 Auswertung

1 mL Titriplex-B-Lösung entspricht 2 ◦d (deutsche Härtegrade) bei Anwendung von 50

mL Wasser.

Titration 1: V1(Titriplex-Lsg) = ml



Mittelwert: V̄ (Titriplex-Lsg) = ml

Gesamthärte = ◦d


a) Worin liegt die Gefahr der Kesselsteinbildung?

b) Benötigt man bei Benutzung von kalkhaltigem Wasser mehr Waschmittel?

c) In Wasserleitungen stört Kalk. Warum wäre eine Welt ohne Kalk aber nicht einmal

ansatzweise vorstellbar?

106






Platz Assistent/in


Bestimmung der Gesamthärte von Leitungswasser


konz. AmmoniakNH3

Eriochromschwarz TC20H12N3NaO7S

Titriplex B Lösung, EDTAC10H16N2O8

MG[g/mol]

17.03

461.38

292.30

Sdp.Smp.

-77,7 °C-33 °C

--

--


H 221-280-331-314-400

P 210-261-273-305+351+338

H 319-411P 273-305+351+338

H 319P 305+351+338

MAK, LD50WGK

35.0 mg/m³WGK 2

WGK 2

WGK 2


2,0 mL75,0 mmol


H221 Entzündbares Gas.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H331 Giftig bei Einatmen.H411 Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.

P210 Von Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.P261 Einatmen von Dämpfen und Partikeln vermeiden.P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P305+351+338 Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten


107





Entsorgung:






• Lösungen: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

108

3.4 Ester als natürliche Duftstoffe


3.4.1 Allgemeines

Ein Duftstoff ist ein den Geruchssinn anregender chemischer Stoff, der bei Tieren der

Kommunikation, bei Pflanzen der Anlockung von Insekten und zur Verbreitung von Pol-

len, Samen oder Sporen, als auch zur Abschreckung dient. Riechstoffe umfassen alle

natürlichen und synthetischen Stoffe, die einen Geruch „besitzen“. Der Begriff Duftstof-

fe wird oft synonym gebraucht, ist aber nicht so umfassend wie Riechstoffe, da diese

auch aversive und stinkende Stoffe mit einschließen. Um als Geruch wahrgenommen zu

werden, muss ein Stoff leicht im Medium Luft verteilbar sein. Er darf eine bestimme Mo-

lekülmasse nicht überschreiten und muss aus einem polaren (zum Beispiel funktionelle

Gruppe) und einem unpolaren Teil (zum Beispiel Kohlenwasserstoffgerüst) bestehen.

Die wahrgenommenen Riech- oder Duftstoffe dienen Lebewesen zur Identifizierung von

Nahrung, Artgenossen („Stallgeruch“) und Feinden; spielen aber auch beim Sozialver-

halten eine große Rolle. Die Tiere benutzen ihren Duftstoff beispielsweise um ihr Revier

zu markieren (Duftmarken) oder Artgenossen Botschaften mitzuteilen. So markieren

z.B. Ameisen ihre Straßen mit Ameisensäure. Für die Anlockung der Sexualpartner

verspritzen manche empfängnisbereite weibliche Tiere Urin, um den männlichen Art-

genossen zu signalisieren, dass sie gedeckt werden können. Auch locken einige Schmet-

terlingsarten ihre Partner über viele Kilometer hinweg mit Duftstoffen an. Duftstoffe

können weiterhin zur Erregung des Geschlechtspartners dienen. Duftdrüsen sind bei

Säugermännchen besonders während der Brunft stark entwickelt. Zur Abschreckung

gegenüber Feinden nutzen beispielsweise Stinktiere Stinkdrüsensekret.

Ein Mensch kann Tausende von Gerüchen erkennen und im Gedächtnis behalten (bis zu

100000). Gerüche können wissbegierig machen und werden häufig mit Gefühlen in Ver-

bindung gebracht, es können aber auch Emotionen die Assoziation an spezielle Gerüche

hervorrufen. Die zwischenmenschliche Sympathie hat mit dem sprichwörtlichen „sich

riechen können“ zu tun. Der Geruchssinn warnt Mensch und Tier vor stofflichen Ge-

fahren. Die hochgiftige Substanz Schwefelwasserstoff (H2S) zum Beispiel hat eine sehr

niedrige Geruchsschwelle. Eine andere Warnsubstanz ist Methylisoborneol, die durch

den Geruch auf ihre Anwesenheit in fauligem, ungenießbarem Wasser hinweist und so

vor dem Genuss der Inhaltsstoffe solcher Wässer schützt.

Synthetische Duftstoffe werden oft in Parfüms, Duftkerzen, Raumdüften/sprays etc. ein-

gesetzt. In diesen Produkten findet man selten natürliche Duftstoffe, da die Nachfrage

höher ist, als dass Rohstoffe existieren. Es wäre ökologisch nicht vertretbar die natürli-

chen Duftstoffe zu verwenden. Zu den synthetischen Duftstoffen gehören unter anderen

Zimtaldehyd, Cumarin, Benzylidenheptanal, Limonen, Eugenol etc. Synthetische Duft-

109


stoffe können bei empfindlichen Personen Allergien auslösen; dieses Risiko besteht aber

genauso, entgegen der landläufigen Meinung, auch und vor allem bei natürlichen Duft-

stoffen.

Eine der am häufigsten verwendeten Klassifizierungssysteme für Gerüche unterscheidet

sieben Grundgerüche:

Grundgeruch Grundstoff Beispiel

Campherähnlich Campher Mottengift

Moschusartig Pentadekanlacton Engelwurz

Blumenartig Phenylethylmethylethylcarbinol Rosenduft

Mentholartig Menthol Minze

Etherisch Ethylendichlorid Reinigungsmittel

Beißend Ameisensäure Weinessig

Faul Butylmercaptan Faules Ei

Der Geruch (lat. Olfactus, daher olfaktorische Wahrnehmung) ist die Interpretation der

Sinneserregungen, die von den Chemorezeptoren der Nase oder anderer Geruchsorgane

an das Gehirn eines Lebewesens geliefert werden. Die Duftstoffe in der Luft gelangen

beim Atmen in die obere Nasenhöhle und an die Riechschleimhaut (diese hat beim Men-

schen auf jeder Seite etwa die Fläche einer Euro-Cent-Münze, beim Hund ist sie rund

40-mal größer). Hier werden die Geruchsmoleküle gelöst, wodurch sie für die Zellen che-

misch registrierbar werden. Dafür gibt es rund 350 verschiedene Rezeptortypen, die je-

weils nur auf eine bestimmte Duftmolekülgruppe ansprechen. Aus der Kombination der

angesprochenen Rezeptoren in den Zellen ergibt sich die Geruchsmischung. Wir können

zwar mehrere tausend Gerüche unterscheiden, sie aber meist nicht benennen. Kaffee-

duft zum Beispiel, besteht aus rund 200 chemischen Einzelkomponenten und der Duft

einer Rose setzt sich aus über 500 Einzelstoffen zusammen. Allerdings reichen meist we-

nige sogenannte Leitsubstanzen aus, um einen Geruch zu erkennen. Die Leitsubstanz

für Rosenduft zum Beispiel ist Geraniol. Wer Geraniol riecht, denkt sofort an Rosen -

nimmt aber auch wahr, das zum Geruch einer echten Rose noch irgendetwas fehlt.

Die Stärke des von verschiedenen Stoffen hervorgerufenen Geruchsempfindens ist sehr

verschieden. Je höher die Konzentration eines Riechstoff in der eingeatmeten Luft, de-

sto stärker ist das Empfinden. Schon eine außerordentlich geringe Menge bewirkt ein

Geruchsempfinden. (Folgendes gilt nur für den Menschen! Tiere haben meist deutlich

empfindlichere Geruchsorgane) So ist Brom noch in einer Konzentration von 33 mg in

1 m3 Luft riechbar. Moschus wird noch wahrgenommen, wenn der Nase weniger als

1/2.000.000 mg eines weinhaltigen Moschusextrakts dargeboten wird; von Schwefelwas-

serstoff wird weniger als ein Millionstel in der Luft deutlich wahrgenommen. Der Stoff

110


mit der niedrigsten bekannten Geruchsschwelle ist Thioterpineol.

Viele künstliche und natürliche Aromastoffe werden durch Veresterung einer Carbon-

säure mit einem Alkohol dargestellt. Ester aus niederen Carbonsäuren und mittleren

Alkoholen werden als sog. Fruchtester bezeichnet, da es sich oft um Bestandteile in

Früchten und ätherischen Ölen handelt und sich durch Wohlgeruch auszeichnen. Die

Estersynthese erfolgt durch Reaktion einer Carbonsäure mit einem Alkohol in Anwe-

senheit konzentrierter Säure (Saure Veresterung, Abb. 1).

Abbildung 1: Allgemeine Reaktionsgleichung für die sauer katalysierte Veresterung.


Essigsäurepentylester (Amylacetat) In einem Reagenzglas versetzt man 4 ml 1-Pentanol

mit 4 ml Essigsäure und setzt vorsichtig 1-2 ml konz. H2SO4 zu. Danach erwärmt man

die Lösung kurze Zeit mit Hilfe des Bunsenbrenners. Nach einiger Zeit kann man den

Geruch von Birnenaroma wahrnehmen.

Isovaleriansäure-2-pentylester (Isoamylvaleriat) Wegen des äußerst unangenehmen

Geruchs der Carbonsäure im Abzug arbeiten!!

In einem Reagenzglas versetzt man 3 ml 2-Pentanol mit 3 ml Isovaleriansäure und setzt

vorsichtig 1 ml konz. H2SO4 zu. Danach erwärmt man die Lösung kurze Zeit mit Hilfe

des Bunsenbrenners. Nach einiger Zeit weicht der penetrante Geruch der Ausgangsver-

bindung dem angenehmen Duft von Bananenaroma.

Benzoesäuremethylester (Methylbenzoat) In einem Reagenzglas versetzt man 1 g

Benzoesäure mit 4 ml Methanol und setzt vorsichtig 1.5 ml konz. H2SO4 zu. Danach

111


erwärmt man die Lösung kurze Zeit mit Hilfe des Bunsenbrenners. Nach einiger Zeit

kann man den Geruch von Niobeöl wahrnehmen (Nelkenaroma).

Salicylsäuremethylester (Methylsalicylat) In einem Reagenzglas versetzt man 0.014 mol

(2 g) Salicylsäure mit 4 ml Methanol und setzt vorsichtig 4 Tropfen konz. H2SO4 zu. Da-

nach erwärmt man die Lösung kurze Zeit (etwa 6-7 min) im heissen Wasserbad. Nach

einiger Zeit kann man den Geruch von Baultheria oder Wintergrün wahrnehmen.


a) Schlagen Sie einen Mechanismus für die saure als auch für die basische Veresterung

vor.

b) Welcher Ester ergibt sich aus Buttersäure und Ethanol? Wie riecht er?

112






Name(n)

Platz Assistent/in


Ester als natürliche Duftstoffe, Herstellung von Es sisgäurepentylester



1-PentanolC5H12O

2-PentanolC5H12O

IsovaleriansäureC5H10O2

BenzoesäureC7H6O2

MethanolCH4O

SalicylsäureC7H6O3

SchwefelsäureH2O4S

MG[g/mol]

60.05

88.15

88.15

102.13

122.12

32.04

138.12

98.08

Sdp.Smp.

16,2 °C118 °C

-78 °C138 °C

-50 °C119 °C

-26 °C175 ... 177 °C

122,1 °C250 °C

-98 °C65 °C

159 °C211 °C

3 °C338 °C


H 226-314

P 280-305+351+338-310

H 226-332-335-315P 261

H 226-332-335

P 210-241-261-303+361+353

H 290-314

P 301+330+331-305+351+338

H 302-319P 305+351+338

H 225-331-311-301-370

P 210-233-280-302+352

H 302-315-318-335

P 261-302+352-305+351+338

H 314-290

P 301+330+331-305+351+338

MAK, LD50WGK

10.0 ppmWGK 1

360.0 mg/m³WGK 1

20.0 ppmWGK 1

WGK 1

WGK 1

200.0 ppmWGK 1

WGK 1

0.1 mg/m³WGK 1


4,0 mL69,9 mmol

4,0 mL36,8 mmol


H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H301 Giftig bei Verschlucken.H311 Giftig bei Hautkontakt.H315 Verursacht Hautreizungen.H318 Verursacht schwere Augenschäden.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H331 Giftig bei Einatmen.



Aerosol vermeiden.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /


Erbrechen herbeiführen.P303+361+353 Bei Kontakt mit der Haut (oder dem Haar): Alle

beschmutzten, getränkten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen.


113





Entsorgung:





• 1-Pentanol: grossen Feuer Wassersprühstrahl verwenden. Betroffene Behälter mit Wasser kühlen. Für kleine oder sich entwickelnde Feuer,Schaum, Trockenlöschpulver oder Kohlendioxid verwenden. Bei Löschen: Geeignete Löschmittel


• Lösungen: Sammelbehälter B2 (halogenfreie Lösungsmittel-Wasser-Gemische)

114

3.5 Die Belousov-Zhabotinsky-Oszillationen


3.5.1 Allgemeines

In der uns umgebenden Welt spielen periodische Vorgänge sowohl bei Lebewesen als

auch bei unbelebter Materie eine herausragende Rolle. So verlaufen zahlreiche bioche-

mische Prozesse in der Zelle rhythmisch. Beispielhaft seien der Fettstoffwechsel, die

Glycolyse und die Dunkelreaktion der Photosynthese genannt. Die Physik beschäftigt

sich mit periodischen Systemen, wie dem physikalischen Pendel, geht aber v. a. in den

letzten Jahrzehnten der Frage nach, unter welchen Bedingungen z. B. ein Doppelpendel

chaotisches Verhalten zeigt.

In der Chemie schließlich sind oszillierende chemische Reaktionen von besonderem In-

teresse für die Wissenschaft, weil sie Einblick in Reaktionsabläufe in homogener Lösung,

in der Gasphase und in heterogenen Systemen (z. B. Elektrodenprozesse) geben. Obwohl

die chemischen Vorgänge oszillierender Reaktionen mitunter äußerst komplex und noch

heute Gegenstand intensiver Forschung sind, sollen hier zumindest vier notwendige,

wenn auch nicht hinreichende, Bedingungen für das Auftreten solcher Oszillationen ge-

nannt werden:

a) Das System muss fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht sein.

b) Es muss sich in einem permanenten Materie- und Energieaustausch mit der Umge-

bung befinden, d.h. offen sein.

c) Jedes oszillierende System benötigt wenigstens einen Reaktionsmechanismus, der

eine Rückkopplung (engl. feed back) bewirkt, also einen autokatalytischen oder in-

hibitorischen Prozess.

d) Das System muss Bistabilität zeigen, d.h. es müssen für das System zwei verschie-

dene, stabile stationäre Zustände existieren.

Die für unsere Versuche herangezogene oszillierende chemische Reaktion ist die nach ih-

ren Entdeckern, B.P. Belousov und A.M. Zhabotinsky, benannte Belousov-Zhabotinsky-

Reaktion (BZR). Dabei handelt es sich um einen Bromat-Bromit-Oszillator mit Malon-

säure als organischem Reduktionsmittel (siehe Gl. 1).

5CH2(CO2H)2+3BrO3−+3H3O

+ → 3BrCH(CO2H)2+2HCOOH+4CO2+8H2O (1)

Das ursprünglich durch Ce3+ / Ce4+-katalysierte System wird in den nachfolgenden Ver-

suchen aus Gründen der besseren Verfolgung der Reaktion durch den Redoxindikator

[Fe(phen)3]2+ (= Ferroin) / [Fe(phen)3]3+ (= Ferriin) bzw. [Ru(bipy)3]2+ / [Ru(bipy)3]3+ er-

gänzt (Abb. 1).

115


Abbildung 1: Redoxverhalten von Ferroin und [Ru(bipy)3]3+.


Für den Versuch werden folgende Lösungen benötigt:

Lösung A: 8.5 g NaBrO3 in 250 ml dest. Wasser

Lösung B: 8 g Malonsäure und 1.5 g NaBr in 250 ml dest. Wasser

Lösung C: 2.7 g Ce(NH4)2(NO3)6 in 250 ml 2.7 mol/l H2SO4

Die Lösungen stehen normalerweise bereits in den Laboren in ausreichender Menge aus.

Falls nicht, können sie, wie im oben beschrieben, hergestellt werden.

Zeitliche BZR mit Ferroin / Ferriin als Redoxindikator In das auf dem Magnetrührer

stehende 100 mL Becherglas werden unter Rühren je 25 mL Lösung A und B vereinigt.

Nach ca. einer Minute gibt man in dieses farblose Gemisch 25 mL der Lösung C und

0.4 mL (ca. 12 Tropfen) der 0.025 mol/L Ferroin-Lösung. Die Lösung wird trüb grün

(Achtung: geringe Mengen Brom werden freigesetzt!). Nach etwa einer Minute beginnt

die Oszillation von grün nach blau, violett und zuletzt rot, um dann wieder nach grün

umzuschlagen. Die Oszillation mit einer anfänglichen Periodendauer von ca. 70 Sekun-

den klingt nach etwa 20 Minuten ab.

Erklärung Durch Zusatz des Redoxindikators Ferroin erreicht das „klassische“ Oszilla-

tionssystem mit Ce3+ (farblos) / Ce4+ (gelb), wie es erstmals A.M. Zhabotinsky detailliert

beschrieben hat, die angegebenen verschiedenfarbigen stationären Zustände, die in re-

gelmäßigen Intervallen ineinander übergehen.

Zeitliche BZR mit [Ru(bipy)3]2+ / [Ru(bipy)3]3+ als Redoxindikator Versuchsdurchfüh-

rung wie oben. Anstelle der Ferroin-Lösung werden 0.15 mL (ca. 5 Tropfen) einer 0.025 mol/L

Lösung von Tris(2,2’-bipyridin)ruthenium(II)-chlorid zugegeben. Der Farbwechsel von

smaragdgrün nach orange mit einer Periodendauer von ca. 70 Sekunden ist bereits bei

116


Tageslicht zu erkennen. Wird die gerührte Lösung in einem abgedunkelten Raum mit ei-

ner UV-Lampe (366 nm) bestrahlt (Achtung: nicht direkt in die UV-Lampe sehen!), kann

ein Wechsel zwischen Dunkelheit und orangefarbener Lumineszenz beobachtet werden.

Die Oszillationen klingen nach etwa 20 Minuten ab.

Erklärung Die verschiedenen stationären Zustände der BZR werden mit Hilfe des Fluo-

reszenzindikators sichtbar gemacht, wobei [Ru(bipy)3]2+ bei Anregung mit UV-Licht (z.

B. 366 nm) prächtiges orangefarbenes Lumineszenzlicht aussendet, während [Ru(bipy)3]3+

nicht emittiert.

Räumliche BZR mit Ferroin/Ferriin als Redoxindikator In ein 100 mL Becherglas wer-

den 10 mL Lösung A, 10 mL Lösung B, und nach 1 Minute 10 mL Lösung C gegeben.

Wenn die braune Farbe des freigesetzten Broms (Achtung!) verschwunden ist, werden

0.3-0.4 mL (ca. 9-12 Tropfen) 0.025 mol/L Ferroin-Lösung zugegeben. Anschließend wer-

den ca. 20 mL der so zubereiteten Lösung werden in eine Petrischale gegossen, die mög-

lichst erschütterungsfrei auf weißem Papier steht. Der Boden der Petrischale sollte mit

einer 2-3 mm hohen Schicht gleichmäßig bedeckt sein. Die Lösung wechselt ihre Farbe

zunächst periodisch von grün nach blau, violett und rot. Lokale Inhomogenitäten las-

sen sich farblich von ihrer Umgebung unterscheiden. Mit etwas Glück kann man nach

kurzer Zeit punktförmige Schrittmacherzentren ausmachen, die sich in der Lösung aus-

breiten.

Wird die Lösung mit anderen Konzentrationen der Reaktanden ohne Cer durchgeführt,

lassen sich verschiedenste Formen von Schrittmacherwellen und Spiralwellen erzeugen.

Erklärung In der quasi-zweidimensionalen Schicht lässt sich die chemische Oszilla-

tion räumlich verfolgen. Die kreis- und spiralförmigen Wellenfronten, die durch das

Belousov-Zhabotinsky-Reagenz laufen, dienen als Modellsystem für zahlreiche chemi-

sche und biologische Prozesse.

117






Name(n)

Platz Assistent/in


Die Belousov-Zhabotinsky-Oszillation


NatriumbromatBrNaO3

MalonsäureC3H4O4

Ammonium cerium(IV) nitrateH8CeN8O18

NatriumbromidNaBr

Ferroin Lösung

Tris(bipyridyl)dichlororuthenium(II)C30H24Cl2N6Ru · 6H2O

MG[g/mol]

150.89

104.06

548.22

103.00

596.46

748.62

Sdp.Smp.

381 °CZers. bei

136 °CZers. bei

--

747 °C1396 °C

--

> 300 °C-


H 272-302-315-319-335

P 220-261-305+351+338

H 302-318P 280-305+351+338

H 272-302-315-319-335

P 220-261-305+351+338

MAK, LD50WGK

WGK 3

WGK 1

WGK 3

WGK 1

-

WGK 3



H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.H315 Verursacht Hautreizungen.H318 Verursacht schwere Augenschäden.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H335 Kann die Atemwege reizen.




118





Entsorgung:






• Lösung: Sammelbehälter C (halogenhaltige wässrige Hg-, Tl-, As-, Se- und Be-freie Lösungen)

119

3.6 Der Traum der Alchemisten - Vergolden von Münzen


3.6.1 Allgemeines

Während die 1- und 2-Euromünzen aus kupfer- und nickelhaltigen Legierungen beste-

hen, werden die 10 ct-, 20 ct- und 50 ct- Münzen aus Nordischen Gold hergestellt. Dies

ist eine Legierung aus 89 % Kupfer, 5 % Aluminium, 5 % Zink und 1 % Zinn. Die 1 ct-,

2 ct- und 5 ct- Münzen bestehen wiederum aus einem anderen Material, nämlich ei-

nem kupferummantelten Eisenkern. Die Materialien wurden so gewählt, dass der Ma-

terialwert der entsprechenden Münzen unter dem Nennwert der Münze liegt, um ein

Einschmelzen der Münzen zu vermeiden. In diesem Versuch wird die Kupferoberfläche

einer 1 ct-Münze mit einer dünnen Zinkschicht überzogen. Durch anschließendes Erhit-

zen der Münze wird eine Kupfer-Zink-Legierung erzeugt. Zum Überziehen der Münze

mit Zink wird diese in einer basischen Lösung gemeinsam mit etwas Zinkpulver erhitzt.

Unter Wasserstoffentwicklung bildet sich zunächst eine Zinkatlösung, die mit der fes-

ten Zinkphase im Gleichgewicht steht (Oxidation und Reduktion des Zinks). Durch das

Hinzugeben der Kupfermünze entsteht ein Lokalelement, wobei sich an der Münzeno-

berfläche bevorzugt die Reduktion des Zn2+ zu elementarem Zink abspielt, während die

Oxidation des Zinks an der Zinkphase abläuft. Die Reaktion läuft nur solange ab, bis

sich die Kupferoberfläche der Münze komplett mit Zink überzogen hat. Dann stellt sich

erneut ein Gleichgewicht zwischen Oxidation und Reduktion des Zinks ein, womit sich

kein Nettoumsatz ergibt.


Der Versuch ist im Abzug durchzuführen (alleine; während des Versuches keine weite-

ren Arbeiten parallel, alle Zündquellen entfernen!) In einem 50 mL Becherglas werden

0.5 g Zinkpulver und etwa 20 mL einer 1.0 mol/L Natronlauge unter Rühren erhitzt.

Anschließend wird eine mit Ethylacetat und Aceton gereinigte und getrocknete 1 ct-, 2

ct- oder 5 ct-Münze in das Becherglas gelegt und weiter gerührt. Nach kurzer Zeit über-

zieht sich die Münze mit einer dünnen Zinkschicht, erkennbar an der silbernen Farbe.

Die Münze wird anschließend mit einer Pinzette aus dem Becherglas entnommen und

mit dest. Wasser abgespült, sorgfältig abgewischt und getrocknet. Zum Vergolden der

Münze wird diese für kurze Zeit in eine Bunsenbrennerflamme gehalten und anschlie-

ßend wieder abgekühlt.


a) Durch das Erhitzen entsteht eine Legierung aus Kupfer und Zink. Wie heißt diese?

121


b) Geben Sie die Gleichungen für die Oxidation und Reduktion an. Geben Sie auch alle

Oxidationsstufen an.

122






Platz Assistent/in


Vergolden von Münzen


Zinkstaub, nicht stabilisiertZn

Natriumhydroxid (1,0 M)NaOH

AcetonC3H6O

MG[g/mol]

65.39

40.00

58.08

Sdp.Smp.

420 °C908 °C

323 °C1390 °C

-95 °C56 °C


H 250-260-410

P 222-223-273-370+378-422

H 290-314

P 280-301+330+331-305+351+338-308+310

H 225-319-336

P 210-233-305+351+338

MAK, LD50WGK

0.10 mg/m³WGK 2

WGK 1

500.00 ppmWGK 1


0,5 g7,6 mmol

20,0 mL20,0 mmol


H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.H250 Entzündet sich in Berührung mit Luft von selbst.H260 In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase,

die sich spontan entzünden können.H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere

Augenschäden.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H336 Kann Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger

Wirkung.

P210 Von Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.P223 Kontakt mit Wasser wegen heftiger Reaktion und

möglichem Aufflammen unbedingt verhindern.P233 Behälter dicht verschlossen halten.P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz /




123





Entsorgung:




• Zink, Pulver oder Staub, nicht stabilisiert: Es darf nur unter Stickstoff- oder Edelgasatmosphäre gearbeitet werden. Diese Substanz ist sehr giftig für alle Wasserorganismen und kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben.


• Bei Berührung mit Haut oder Augen: Gründlich mit Wasser ab- bzw ausspülen und evtl. Arzt konsultieren. • Nach Einatmen: Sofort frische Luft zuführen. • Nach Verschlucken: Viel Wasser trinken, Mund ausspülen und evtl Arzt konsultieren. • Nach Hautkontakt sofort mit Wasser und Seife gründlich abspülen

• NaOH: Nach Neutralisierrung ins Abwasser • Zinkpulver: Feststoffabfall F

124

4 Block D - Nachweise von Ionen

4.1 Allgemeines

Die im Folgenden beschriebenen Nachweisreaktionen dienen zur qualitativen Bestim-

mung von Salzgemischen. Es kann also bestimmt werden, welche Ionen enthalten sind,

nicht aber in welchen Mengen. Früher wurden die hier beschriebenen Nachweise auch

zur Bestimmung von Gesteinsproben u.Ä. verwendet.

Heutzutage haben die Bestimmungen zur Analyse natürlich ausgedient und sind moder-

nen Verfahren gewichen. An vielen Universitäten zählen diese Nachweise jedoch noch

zu den Grundpraktika, da mit ihnen Stoffkenntnis, sauberes Arbeiten und chemisches

Denken trainiert wird. Studenten bezeichnen dieses Praktikum jedoch meistens als „Io-

nenlotto“, da viele Nachweise sich gegenseitig stören und die Ionen nach bestimmten

Verfahren sauber voneinander getrennt werden müssen. Die Nachweise sind meist sehr

empfindlich, d. h. sie eignen sich um bereits kleine Mengen aufzufinden. Da die verwen-

deten Chemikalien überwiegend schwermetallhaltig sind, gilt es, Abfälle zu sparen! Für

die meisten Nachweise sind Volumina von 1 ml ausreichend (ca. 1 cm Füllhöhe

im Reagenzglas), ein halbes Reagenzglas ist zu viel! Da für die unterschiedlichen

Nachweise relativ viele Chemikalien benötigt werden und diese nur in geringen Mengen

Verwendung finden, kann nicht zu jedem Stoff eine Betriebsanweisung erstellt werden.

Somit dient eine Betriebanweisung generell für alle verwendeten Chemikalien. Im Um-

gang mit den einzelnen Stoffen sollte daher von den Angaben in der Betriebsanweisung

für jeden der Stoffe ausgegangen werden.

Mit den folgenden Versuchen soll ein Überblick gegeben werden, wie einzelne Ionen

(ohne Störionen) erkannt werden können (Blindproben) und schlussendlich eine kleine,

einfache unbekannte Mischung bestimmt werden.

Zum Schluss sei noch einmal darauf hingewiesen, dass hier SAUBERES AR-

BEITEN äußerste Priorität hat, denn die zu verwendenden Chemikalien wer-

den von allen Praktikanden im Labor gleichermaßen genutzt. Besonderes Au-

genmerk liegt hier auf den Nachweisreagenzien, die in kleinen Tropffläsch-

chen ausstehen. Bitte die Spitze des Fläschchens nicht in Kontakt mit den Rea-

genzgläsern bringen, denn sonst werden diese kontaminiert und verschleppen

Chemikalien in die Proben des nächsten Praktikanden!

4.2 Nachweise der Anionen

Chlorid Cl- Eine chloridhaltige Lösung (z.B. einige Körnchen NaCl, KCl etc. in 1 ml

Wasser lösen) wird mit verdünnter Salpetersäure bis zur sauren Reaktion versetzt (mes-

125


sen mit pH-Papier). Anschließend gibt man einige Tropfen AgNO3 Lösung hinzu. Es fällt

weißes, flockiges AgCl aus.

Erklärung: Im Ammoniak löst sich AgCl auf. In Säuren ist es nicht löslich. Da aber im

Sauren z.B. Silbercarbonat löslich ist, muss man die Fällung im Sauren durchführen um

andere Silbersalze nicht mit AgCl zu verwechseln.

Nitrat NO3- In ein Reagenzglas gibt man ein wenig festes Nitratsalz (KNO3). Man säu-

ert mit einigen Tropfen verdünnter Essigsäure an. Nacheinander werden je 2 Tropfen

Sulfanilsäure und α-Naphthylamin gegeben. Gibt man nun noch ein wenig Zink Staub

hinzu, färbt sich die Lösung tiefrot.

Erklärung: Mit dem Zn wird NO3- (Nitrat) zu NO2

- (Nitrit) reduziert. Dieses verbin-

det dann die beiden organischen farblosen Verbindungen zu dem intensiv rot gefärbten

Azofarbstoff. Die Vorsilbe Azo- deutet daraufhin, dass im Molekül eine -N=N- Bindung

vorliegt. Diese wird durch die Reaktion geknüpft.

Sulfat SO42- Eine sulfathaltige Lösung (eine Spatelspitze Na2SO4 in 1 ml Wasser) ver-

setzt man mit etwas Salzsäure. Man gibt einige Tropfen BaCl2 Lösung hinzu. Weißes,

fein verteiltes BaSO4 fällt aus.

Erklärung: BaSO4 löst sich so gut wie nicht in Wasser oder Säuren. Da Bariumnitrate

und -carbonate (beide farblos) im Sauren löslich sind, ist der Nachweis erst nach Ansäu-

ern mit HCl wirklich spezifisch für SO42-.

Sulfid S2- Zu einer Spatelspitze Sulfid gibt man im Reagenzglas etwas konzentrierte

Säure. Es bildet sich H2S (Schwefelwasserstoffgas), das sofort an seinem Geruch erkannt

wird (H2S ist giftig I nicht übertreiben).

Erklärung: In der Säure löst sich die Verbindung. Die freien Sulfidionen reagieren mit

den Protonen der Säure zu H2S. Der Geruch von faulen Eiern kommt von H2S, dabei

stammt der Schwefel von Aminosäuren im Ei. H2S ist sehr giftig. Wir können jedoch

schon geringste Mengen dieses Gases mit unserem Geruchssinn wahrnehmen.

Iodid I- Zu etwas KI-Lösung gibt man tropfenweise konzentrierte Schwefelsäure: Es

werden violette Ioddämpfe entwickelt (Der Versuch ist im Abzug durchzuführen!).

Erklärung: Hier spielt weniger die saure Eigenschaft der Schwefelsäure, als vielmehr

ihre oxidierende Eigenschaft eine Rolle. I- wird zu I2 oxidiert. In wässriger Lösung ist I2

braun, die Dämpfe sind violett.

126

4.3 Nachweise der Kationen


Flammenfärbung Man nimmt ein Magnesiastäbchen und hält es über den inneren

Kegel der Bunsenbrennerflamme (heißeste Zone) bis es glüht. Anschließend wird das

Stäbchen in Salzsäure angefeuchtet und etwas Substanz aufgenommen. Die Substanz

wird wieder in die Flamme gehalten.

Erklärung: In der Flamme bilden sich aus den vorhandenen Metallkationen Metalla-

tome. Durch die vorhandene Wärmeenergie werden Valenzelektronen angeregt und kön-

nen ein höheres Energieniveau besetzen. Fallen sie wieder in den Grundzustand zurück

geben sie die zuvor aufgenommene Energie in Form von Licht ab. Die Energie die aufge-

nommen/abgegeben werden kann ist für eine Atomsorte spezifisch. Die Energie korreliert

umgekehrt proportional mit der Wellenlänge des Lichtes und damit seiner Farbe. Die Far-

be der Flamme ist also spezifisch für das entsprechende Element und so zum Nachweis

geeignet.

Folgende Elemente zeigen einen charakteristische Flammenfärbung:

Element Elementsymbol Flammenfärbung

Natrium Na Gelb

Kalium K schwach violett

Calcium Ca Karminrot

Strontium Sr Dunkelrot

Barium Ba Grün

Die Phosphorsalzperle Mit einem Magnesiastäbchen wird etwas NaNH4HPO4 aufge-

nommen und in die Flamme gehalten. Die Substanz setzt beim Erhitzen Wasser und

Ammoniak frei. Es bildet sich eine farblose Perle. Diese lässt man abkühlen. Nimmt

man ein wenig Salz auf, lässt sich die Perle beim Aufschmelzen färben:

Element Elemntsymbol Farbe der Phosphorsalzperle

Cobalt Co Blau

Eisen Fe gelb

Mangan Mn schwach rosa

Nickel Ni grünlich

Chrom Cr Grün

Erklärung: Die Phosphorsalzperle ist ein Glas. Werden Metallsalze mit Gläsern ver-

schmolzen entstehen farbige Gläser. Berühmt ist die blaue Farbe der Kobaltgläser oder

das rote Rubinglas.

127


Blei Pb2+ Zu etwas Bleinitratlösung gibt man einige Tropfen der KI Lösung. Es fällt

ein gelber Niederschlag aus. Kocht man den Niederschlag und lässt einige Zeit stehen,

so bilden sich goldgelbe Plättchen.

Erklärung: Blei bildet mit Iodid gelbes, schwerlösliches Bleiiodid

Eisen Fe2+, Fe3+ Zu ein paar Tropfen einer FeCl3 Lösung gibt man ein paar Tropfen

NH4SCN-Lösung. Die Lösung wird sofort blutrot.

Erklärung: Mit den Thiocyanatliganden (SCN-) bildet Eisen einen löslichen Komplex.

Die Elektronen zwischen dem Eisen und seinen Liganden sind für die rote Farbe des

Komplexes verantwortlich.

Nickel Ni2+ Zu einigen Tropfen einer Ni-Salzlösung gibt man etwas Wasser und einige

Tropfen Ammoniak. Bei Zugabe von Diacetyldioxim (auch Dimethylglyoxim genannt)

fällt ein roter Niederschlag aus.

Erklärung: Nickel bildet mit dem organischen Diacetyldioxim einen roten Komplex, der

flockig ausfällt.

Cobalt Co2+ Zu einer Co(NO3)2 Lösung gibt man ein wenig der NH4SCN Lösung. Dar-

über tropft man etwas Amylalkohol und die gleiche Menge Ether (überschichten). Das

Reagenzglas wird mit einem Gummistopfen verschlossen und kräftig geschüttelt. Eine

blau gefärbte organische Phase zeigt Co an.

Erklärung: Cobalt reagiert wie Eisen mit SCN-, jedoch zu einem blauen Komplex. Die-

ser ist besonders gut in organischen Lösungsmitteln zu beobachten. Da die intensiv rote

Farbe des Eisenkomplexes die des Kobalts überdeckt, muss Eisen „maskiert“ werden. Mit

F- bildet Fe einen stabilen, wasserlöslichen, farblosen Komplex. Nun kann der Cobalt

Nachweis auch in Anwesenheit von Eisen problemlos durchgeführt werden.

Kupfer Cu2+ Zu einer wässrigen Lösung von CuCl2 gibt man einige Tropfen verd. Am-

moniaklösung. Es bildet sich eine tiefblaue Farbe.

Erklärung: Im Ammonialkalischen bildet sich der tief blau gefärbte Tetraamminkom-

plex des Kupfers.

Mangan Mn2+ Mangan ist in der Oxidationsschmelze gut zu erkennen. Man schmilzt

etwas Na2CO3 (Soda) mit einem KOH Plätzchen auf einer Magnesiarinne. Zudem gibt

man etwas einer Manganverbindung im Unterschuss hinzu. Beim Aufschmelzen zeigt

eine Grünfärbung von MnO42- (Manganat, vgl. Versuch 2.6) Mangan an.

128


Erklärung: Im Alkalischen (eine KOH Schmelze ist sehr alkalisch) ist Mn6+, wie es im

Manganation vorliegt, stabil. Beim Ansäuern dieser Schmelze, z.B. mit Essigsäure, bildet

sich Mn7+ (Permanganat), das tiefviolett ist.

Zinn Sn2+, Sn4+ Man füllt etwas SnO2 in eine Porzellanschale und gibt Zn Pulver sowie

etwas konzentrierte Salzsäure zu. In diese Lösung taucht man ein mit kaltem Wasser

halb gefülltes Reagenzglas. Dieses benetzte Glas hält man dann in die Bunsenbrenner-

flamme. Nach kurzer Zeit sieht man eine blaue Fluoreszenz.

Erklärung: SnO2 ist sehr schwer löslich. Um es aufzuschließen, gibt man etwas Zn zu.

Ammonium NH4+ Zu einer Spatelspitze eines Ammoniumsalzes gibt man zwei NaOH

Plätzchen und wenig Wasser. Man zerdrückt die Plätzchen. Darüber hält man einen

angefeuchteten pH-Papierstreifen. Der Streifen färbt sich blau.

Erklärung: Mit der Lauge wird Ammoniak erzeugt. Da dieser gasförmig ist, steigt er

auf und reagiert mit dem feuchten pH-Papier alkalisch. Der freigesetzte Ammoniak ist

außerdem an seinem Geruch zu erkennen.

129


4.4 Sicherheitsdatenblätter




Name(n)

Platz Assistent/in


Einzelnachweise zur Bestimmung von Kationen und Ani onen


SilbernitratAgNO3

KaliumnitratKNO3

SulfanilsäureC6H7NO3S

1-NaphthylaminC10H9N

Zink PulverZn

BariumchloridBaCl2

KaliumiodidKI

SalzsäureHCl

AmmoniumnatriumphosphatH5NNaO4P·4H2O

MG[g/mol]

169.87

101.10

173.19

143.19

65.37

208.25

166.01

36.46

209.07

Sdp.Smp.

212 °C440 °C

334 °C-

288 °CZers. bei

48 - 50 °C301 °C

420 °C908 °C

963 °C1560 °C

686 °C1330 °C

-30 °C-

79 °C-


H 272-314-410

P 273-280-301+330+331-305+351+338-309+310

H 272P 210

H 319-315-317

P 280-302+352-305+351+338

H 302-350-411P 201-273-308+313

H 410P 273

H 332-301P 301+310

H 314-335

P 260-301+330+331-303+361+353-305+351+338-405-501

MAK, LD50WGK

0.0 mg/m³-

WGK 1

-

WGK 3

WGK 2

0.5 mg/m³WGK 1

WGK 1

2.0 ppmWGK 1

WGK 1



H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.H301 Giftig bei Verschlucken.H315 Verursacht Hautreizungen.H319 Verursacht schwere Augenreizung.H332 Gesundheitsschädlich bei Einatmen.H411 Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.


P260 Staub / Rauch / Gas / Nebel / Dampf / Aerosol nicht einatmen.


P303+361+353 Bei Kontakt mit der Haut (oder dem Haar): Alle beschmutzten, getränkten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen.


P309+310 Bei Exposition oder Unwohlsein: Sofort Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen.

130

4.4 Sicherheitsdatenblätter




Name(n)

Platz Assistent/in


Ionenlotto, Nachweis von Ionen


Blei(II)-nitratPb(NO3)2

EisentrichloridFeCl3

AmmoniumthiocyanatNH4SCN

DiacetyldioximC4H8N2O2

Cobalt(II)-nitrat-HexahydratCoN2O6·6H2O

DiethyletherC4H10O

Kupfer(II)-chloridCuCl2

Mangan(II)-chloridMnCl2

Zinn(IV)-oxidSnO2

MG[g/mol]

331.20

162.20

76.12

116.11

291.04

74.12

134.45

125.84

150.71

Sdp.Smp.

458 - 459 °C-

306 °C 45.85 °C

150 °C-

239 - 243 °C-

57 °C-

-116.3 °C34.6 °C

--

650 °C1190 °C

1630 °C-


H 272-360Df-332-302-318-373-410

P 201-273-305+351+338

H 302-315-318-317

P 280-302+352-305+351+338

H 302+312+332P 273-302+352

H 228

H 350i-341-360F-334-317-410

P 201-280-273-308+313-304+341-302+352

H 224-302-336

P 210-304+340-403+235

H 302-315-319-410

P 260-273-302+352-305+351+338

H 301-411P 273-309+310

MAK, LD50WGK

WGK 3

WGK 1

WGK 1

WGK 2

WGK 2

WGK 1

0.1 mg/m³WGK 3

0.0 mg/m³WGK 1

-



H224 Flüssigkeit und Dampf extrem entzündbar.H228 Entzündbarer Feststoff.H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.H301 Giftig bei Verschlucken.H317 Kann allergische Hautreaktionen verursachen.H318 Verursacht schwere Augenschäden.H332 Gesundheitsschädlich bei Einatmen.H336 Kann Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.H350i Kann bei Einatmen Krebs erzeugen.H360Df Kann das Kind im Mutterleib schädigen. Kann

vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen.H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger

Wirkung.


P260 Staub / Rauch / Gas / Nebel / Dampf / Aerosol nicht einatmen.

P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.P302+352 Bei Kontakt mit der Haut: Mit viel Wasser und Seife

waschen.P304+340 Bei Einatmen: An die frische Luft bringen und in

einer Position ruhigstellen, die das Atmen erleichtert.P308+313 Bei Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat

Einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen.P309+310 Bei Exposition oder Unwohlsein: Sofort

Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen.

131





Entsorgung:




• Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. • Reaktion von Essigsäureanhydrid mit Wasser vermeiden, da heftige Reaktion. • Maßnahmen zur Brandbekämpfung: Löschpulver, CO2


• Lösungen mit NaOH-Plätzen auf pH 8 bringen, dann Sammelbehälter C (halogenhaltige wässrige Schwermetall-Lösungen)

132

5 Laboratoriumsordnung

für die Naturwissenschaftliche Fakultät IV - Chemie und Pharmazie -

an der Universität Regensburg

Vom 2. Dezember 1992

1. Ziele

Die vorliegende Laboratoriumsordnung soll eine der Arbeitssicherheit, dem Umwelt-

schutz und der Wirtschaftlichkeit entsprechende Nutzung der Laboratorien sicherstel-

len. Grundsätzlich wird dies erreicht durch pfleglichen, sach- und fachkundigen sowie

zweckbestimmten Umgang mit Bau, Einrichtung, Anlagen und Geräten sowie sparsa-

men Verbrauch von Energie, Wasser und anderen Medien in der Weise, dass

• die Gesundheit und körperliche Unversehrtheit der Laboratorienbenutzer erhalten

bleibt

• Schäden bei Unfällen gering bleiben

• und Umweltbelastungen vermieden werden.

2. Geltungsbereich und Rechtsgrundlagen

Die vorliegende Laboratoriumsordnung gilt für alle Benutzter von Laboratorien der Na-

turwissenschaftlichen Fakultät IV. Sie basiert auf der Gefahrstoffverordnung, der TRGS

451 (Umgang mit Gefahrstoffen im Hochschulbereich), den Richtlinien für Laboratori-

en und der GUV 0.1 (Unfallverhütungsvorschrift; Allgemeine Vorschriften) und ist eine

Betriebsanweisung nach § 20 der Gefahrstoffverordnung.

3. Pflichten der Benutzer

3.1 Die Benutzer haben die vorliegende Laboratoriumsordnung zur Kenntnis zu neh-

men und sie zu befolgen. Die Kenntnisnahme ist mit Unterschrift zu bestätigen.

3.2 Bei schwerwiegendem Verstoß gegen die Pflichten aus dieser Ordnung kann dem

Benutzer der Arbeitsplatz entzogen werden.

4. Wichtige Regeln

4.1 Allgemeines

Die Richtlinien für Laboratorien, die in jedem Labor aushängen, beschreiben in den

Abschnitten 4 bis 10 ausführlich richtiges Verhalten und ergänzen diese Ordnung. Be-

sonders wichtige Regeln sind im Folgenden aufgeführt.

4.1.1 In einem Laboratorium ist so zu arbeiten, dass niemand geschädigt, gefährdet oder

mehr als nach den Umständen nötig belästigt wird. Bei der Durchführung gefährlicher

Arbeiten sind in der Nähe befindliche Personen über die Gefahren und die erforderlichen

Schutzmaßnahmen zu informieren.

133


4.1.2 Der Arbeitskreisleiter regelt für seinen Bereich die Öffnungszeiten und die Zutrittsbe-

rechtigung zu den Laboratorien. Alleinarbeiten außerhalb der Öffnungszeiten ist nicht

gestattet.

4.1.3 Essen, Trinken oder Rauchen ist in den Laboratorien verboten.

4.1.4 Sicherheitsbeeinträchtigende Mängel an Bau, Anlagen oder Ausrüstung sind dem

zuständigen Leiter oder der technischen Zentrale (3333) zu melden. Flucht- und Ret-

tungswege müssen frei von Hindernissen und Gefahrenquellen sein.

4.2 Sicherheitseinrichtungen und Schutzausrüstung

4.2.1 Die Benutzer haben sich über Art und Gebrauch der Sicherheitseinrichtungen so-

wie über deren Standorte zu informieren.

4.2.2 Alle in Laboratorien Anwesende müssen ständig eine Schutzbrille mit Seiten-

schutz, bei Arbeiten mit besonderen Risiken die erforderliche Schutzkleidung tragen.

4.3 Umgang mit Chemikalien

4.3.1 Die Benutzer haben sich beim Umgang mit Gefahrstoffen anhand von Betriebsan-

weisungen über die Risiken und die entsprechenden Schutzmaßnahmen zu informieren.

Selbstständig Arbeitende sind verpflichtet, Risiken selbst zu ermitteln, zu beurteilen

und geeignete Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen.

4.3.2 Im Laboratorium aufbewahrte Chemikalien müssen geordnet, übersichtlich aufge-

stellt und auf die notwendige Menge beschränkt sein. Behälter müssen mit einer eindeu-

tigen Stoffbezeichnung und, soweit es sich um Gefahrstoffe handelt, den erforderlichen

Gefahrensymbolen und -bezeichnungen versehen sein. Verboten ist das Aufbewahren

von Chemikalien in handelsüblichen Lebensmittelverpackungen oder in Getränkefla-

schen. Sehr giftige, krebserzeugende, erbgutverändernde oder fruchtschädigende Stoffe

dürfen Unbefugten nicht zugänglich sein.

4.3.3 Im Hause verfügbare Chemikalien, einschließlich der selbst hergestellten Produk-

te, sind ausschließlich für Forschung, Lehre sowie Ausbildung bestimmt und dürfen

nicht zu anderen Zwecken benutzt oder außer Haus gebracht werden.

4.3.4 Beim Transportieren und Umfüllen von Chemikalien sind geeignete Maßnahmen

gegen Verschütten zu treffen. Ausgelaufene flüssige Gefahrstoffe müssen unverzüglich

mit Absorptionsgranulat aufgenommen werden, dass anschließend zum Sonderabfall

gegeben wird. Hautkontakt mit Chemikalien ist zu vermeiden. Beim Umgang mit ät-

zenden, sehr giftigen, krebserzeugenden, fruchtschädigenden oder erbgutverändernden

Stoffen sind Schutzhandschuhe zu tragen. Das Pipettieren mit dem Mund ist verboten.

4.3.5 Selbstentzündliche Stoffe sind getrennt von brennbarem Material aufzubewahren.

Chemikalien, die gefährliche Gase oder Dämpfe freisetzten können, müssen unter Dau-

134

erabsaugung aufbewahrt werden.

4.3.6 Druckgasflaschen dürfen nur mit aufgeschraubter Schutzkappe und unter Ver-

wendung der speziellen Transportkarren befördert werden. Im Betrieb müssen sie ge-

gen Umfallen gesichert und gegen Erwärmung geschützt sein. Druckminderer dürfen

nur von Sachkundigen angebracht und ausgewechselt werden. Druckgasflaschen, deren

Entnahmeventile sich nicht von Hand öffnen lassen, sind zu kennzeichnen und außer

Betrieb zu nehmen. Druckgasflaschen mit giftigen oder sonst wie gesundheitsschädli-

chen Gasen sollen, sofern sie im Laboratorium aufgestellt werden, dauerabgesaugt sein,

z. B. im Abzug. Für diese Gase sind möglichst kleine Gebinde zu verwenden.

4.4 Durchführung von Experimenten

4.4.1 Sicherheitshinweise in den Arbeitsvorschriften sind zu beachten.

4.4.2 Feuergefährliche Flüssigkeiten dürfen nur in sehr geringer Menge (Reagenzglas)

mit offener Flamme erhitzt werden. Größere Mengen feuergefährlicher Flüssigkeiten

dürfen nur elektrisch, unter Rückflusskühlung und unter ständiger Überwachung er-

hitzt werden. Über Nacht laufende Versuche dürfen nur in Abzügen, elektronisch ge-

steuert und in solchen Räumen durchgeführt werden, die über einen Brandmelder ver-

fügen.

4.4.3 Arbeiten, bei denen Gefahrstoffe als Gas, Dampf, Aerosol oder Staub freigesetzt

werden können, müssen im Abzug durchgeführt werden. Bei solchen Arbeiten ist auch

sicherzustellen, dass freiwerdende Gefahrstoffe nicht in gefährlichen Mengen in die Ab-

luft gelangen.

4.4.4 Sofern der Abzug nicht über ein Alarmsignal verfügt, das den Ausfall der Absau-

gung anzeigt, hat der Benutzer selbst eine einfache Kontrollvorrichtung (Papierstreifen,

Faden o.ä.) in seinem Blickfeld anzubringen, Türen und Fenster müssen geschlossen ge-

halten werden, weil sonst die Wirksamkeit der Abzüge beeinträchtigt wird.

4.4.5 Schadhafte Apparaturen und defekte elektrische Geräte dürfen nicht verwendet

werden.

4.5 Behandeln von Abfällen

4.5.1 Bei Abfällen ist zwischen gewöhnlichen und gefährlichen Abfällen zu unterschei-

den. Zum gewöhnlichen Abfall, der dem Haushaltsabfall bzw. dem Abwasser zuzuführen

ist, gehören auch Chemikalien, die nicht als Gefahrstoffe eingestuft sind. Die Entsor-

gung gefährlicher Abfälle wird im Einzelfall in Betriebsanweisungen beschrieben.

4.5.2 Gefahrstoffabfälle sind nach Anweisung in gekennzeichneten Sonderabfallbehäl-

135


tern zu sammeln.

4.5.3 Hochreaktive oder sehr giftige Stoffe müssen vor dem Zuschlag zum Sonderabfall

chemisch inaktiviert werden.

4.5.4 Das Abstellen von Abfällen oder Chemikalien auf den Gängen, Fluchtbalkonen

oder Dachterassen ist verboten.

4.6 Am Arbeitsende sind die Hände gründlich zu waschen. Das Aufbewahren oder La-

gern von Chemikalien im Umkleidebereich ist verboten. In Laboratorien benutzte Kittel

dürfen nicht in Bibliotheken, Hörsälen, Seminarräumen oder Cafeterien getragen wer-

den.

4.7 Verhalten bei Gefahr; Erste Hilfe

4.7.1 Das Retten von Verletzten oder Eingeschlossenen aus Gefahrenbereichen hat Vor-

rang vor anderen Maßnahmen. Trotz aller Dringlichkeit muss dabei aber mit Umsicht

und unter Verwendung der gebotenen Schutzausrüstung vorgegangen werden. Sind Per-

sonen verletzt, ist der Notarzt zu alarmieren (Tel 19222) und die Leitwarte der Techni-

schen Zentrale zu verständigen (Tel. 3333).

4.7.2 Verletzten ist umgehend Erste Hilfe zu leisten. In allen Laboratorien befindet sich

eine Liste der Notrufnummern und Ersthelfer.

4.7.3 Werden giftige oder brennbare Gase oder Dämpfe in einem Laboratorium frei-

gesetzt oder größere Mengen giftiger oder leicht brennbarer Flüssigkeiten verschüttet,

sind sofort alle Anwesenden zum Verlassen des Gefahrenbereiches aufzufordern. Dieser

darf erst nach Abschalten der Medienleitung und erforderlichenfalls mit Schutzausrüs-

tung wieder betreten werden.

4.7.4 Bei Ausbruch eines Brandes sind gefährdete Personen in Sicherheit zu bringen,

ist die Feuerwehr mittels der Druckknopfmelder zu alarmieren und der Brandherd mit

Feuerlöschern zu bekämpfen. Nichthelfer haben den Gefahrenbereich zu verlassen. Nä-

heres regelt die Brandschutzordnung.

5. Besondere Risiken

Neben den Gefahrstoffrisiken bestehen besondere Gefahren bei der Anwendung be-

stimmter physikalisch-technischer oder biologischer Methoden. Die speziellen Betriebs-

anweisungen zum Schutz vor diesen Gefahren sind zu beachten.

136

6. Inkrafttreten

Kraft Fachbereichsratsbeschluss vom 2. Dezember 1992 ist diese Laboratoriumsordnung

Bestandteil der Hausordnung der Fakultät.

137

Documents

15. Überarbeitete Auﬂage - UKR