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4. Gase
Darstellung und experimentelle Untersuchung der Eigenschaften von Gasen
nehmen im Chemieunterricht (und demzufolge auch in einem Praktikum für
Lehramtskandidaten) einen breiten Raum ein. Die Handhabung der Gase um-
fasst folgende Arbeitsgebiete, die entweder zusammen oder getrennt auftreten
können:
- Darstellung von Gasen
- Auffangen von Gasen
-- Auffangen
-- Aufbewahren
-- Abmessen
- Reinigen von Gasen
-- Reinigen
-- Trocknen
− Vernichten von Gasen
4.1 Darstellen von Gasen
Die Wahl der geeigneten Darstellungsart und der entsprechenden Apparatur
richtet sich hauptsächlich nach dem Aggregatzustand der Ausgangsstoffe, aus
denen das Gas entwickelt wird. Aus diesem Grund ist die Ausführung über die
Darstellung der Gase auch nach der Zustandsform der Ausgangsstoffe ge-
gliedert. Danach ergeben sich im Wesentlichen folgende sechs Möglichkeiten:
- Darstellung von Gasen aus Feststoffen
- Darstellung von Gasen aus Feststoff und Flüssigkeit
- Darstellung von Gasen aus Flüssigkeiten
- Darstellung von Gasen aus Feststoff und Gas
- Darstellung von Gasen aus Flüssigkeit und Gas
- Darstellung von Gasen aus zwei Gasen
Ausschlaggebend für die Wahl der geeigneten Gasapparatur ist außerdem, ob
ein Gas aufgefangen werden soll oder nicht.
4.1.1. Darstellung von Gasen aus Feststoffen (Thermische Zersetzung)
4.1.1.1. Das Prinzip
Die Darstellung von Gasen aus Feststoffen kann durch thermische Behandlung
der Feststoffe erfolgen. Durch Erhitzen werden die Feststoffe in ihre Bestand-
teile zerlegt, wobei die entsprechenden Gase abgegeben werden. Diese
Darstellungsart bezeichnet man auch als thermische Zersetzung bzw.
Thermolyse.
Durchführung am Beispiel der thermischen Zersetzung von Kaliumnitrat
2 KNO3(s) � 2 KNO2(s) + O2(g)
Die Substanz wird in ein schwer schmelzbares Reagenzglas gegeben, das zum
Auffangen des Gases mit einem passenden Stopfen mit doppelt gewinkeltem
Gasableitungsrohr verschlossen wird. Um beim Erhitzen ein Herausschleudern
der festen Substanz zu vermeiden, wird vor den Stopfen etwas Glaswolle
gebracht (Abb. 4.1.). Das Reagenzglas wird eingespannt und das Kaliumnitrat
zunächst vorsichtig (leuchtende, fackelnde Flamme), dann zur vollständigen
Zersetzung stärker (Übergang zur
entleuchteten Flamme) erhitzt. Vor
Entfernen des Brenners am Ende der
Reaktion muss das Gasableitungsrohr,
wenn es in eine Flüssigkeit taucht, aus
dieser herausgenommen werden, um ein
Zurücksteigen der Flüssigkeit (Unterdruck
in das heiße Reagenzglas zu vermeiden.
Abb. 4.1.
4.1.1.2. Beispiele für die thermische Zersetzung
- O2 aus HgO, KClO3, Na2O2, MnO2, PbO2, KNO3, BaO2
- N2 aus NH4NO2
- N2O aus NH4NO3
- NO2 aus Pb(NO3)2 (Es entsteht ein Gemisch von NO2 und O2)
4.1.2. Darstellung von Gasen aus Feststoff und Flüssigkeit
4.1.2.1. Das Prinzip
Bei der Darstellung eines Gases aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit lässt
man die Flüssigkeit langsam zum Feststoff tropfen, da auf diese Weise die Gas-
enentwicklung sehr gut regulierbar ist.
Geräte:
Soll das Gas auch aufgefangen werden, wählt man als Darstellungsapparatur
einen Tropftrichter mit Hahn und einen Zweihalsrundkolben (Abb. 4.2.) Der
Feststoff wird in dem Kolben vorgelegt und die Flüssigkeit in den Tropftrichter
gefüllt, der auf den Kolben aufgesetzt wird.
Durchführung und Regulierung:
Zu Beginn der Gasentwicklung lässt man zu-
nächst wenig Flüssigkeit auf den Feststoff trop-
fen, damit die Reaktion nicht zu heftig abläuft.
Erst nachdem die Reaktion eingesetzt hat, wird
weitere Flüssigkeit portionsweise hinzu gegeben.
Durch Regulieren der Tropfgeschwindigkeit ist zu
erreichen, dass die Reaktion nie zu heftig Abb. 4.2.
oder zu schwach abläuft. Abb. 4.2
4.1.1.2. Alternativen zur Durchführung und zur Apparatur
- Erwärmen und Kühlen (zur Regulierung der Geschwindigkeit)
Bei vielen Reaktionen muss die Geschwindigkeit der Gasentwicklung durch
Erwärmen oder Abkühlen reguliert werden. Zum Erwärmen stellt man unter
den Kolben einen Dreifuß mit Asbestdrahtnetz (Rundkolben dürfen nie direkt
erhitzt werden!) und erwärmt mit dem Brenner. (Vor Entfernen des Brenners
Gasableitungsrohr aus der Flüssigkeit nehmen oder, falls der Tropftrichter
leer ist, Stopfen des Tropftrichters entfernen und Hahn öffnen.)
Zum Kühlen wird ein Behälter mit kaltem Wasser unter den Kolben gestellt
und dieser nach Bedarf eingetaucht.
- Verwendung eines Tropftrichters mit Druckausgleich
Soll das Gas quantitativ aufgefangen
werden, so ist unbedingt ein Tropftrichter
mit Druckausgleich zu verwenden (Abb.
4.3.). auch für sonstige Gasdarstellungen
sind häufig Tropftrichter mit Druckaus-
gleich erforderlich, wenn bedingt durch
nachfolgende Waschflaschen (Abb. 4.3.)
ein Überdruck in dem Reaktionskolben
entstehen kann, der ein Nachtropfen der
Reagenzlösung verhindert. Abb. 4.3
- Alternativ zum Zweihalskolben kann auch
-- ein Einhalsrundkolben mit einem doppelt
durchbohrten Stopfen verwendet werden (Abb.
4.4.). Durch das gerade Rohr kann entweder
die Flüssigkeit zugegeben oder aber die Fest-
substanz in die bereits im Kolben befindliche
Flüssigkeit eingeworfen werden (Einwurfme-
thode). Anschließend ist das gerade Rohr so-
fort zu verschließen, falls dessen Ende nicht in
die Flüssigkeit eintaucht. Abb. 4.4.
-- für kleinere Gasmengen ein Reagenzglas mit seitlichem
Ansatzrohr benutzt werden (Abb. 4.5.). Dieses hat den
Vorteil, dass man nicht ein zu großes Luftvolumen ver-
drängen muss. Der Tropftrichter ist bei sehr kleinen Flüs-
sigkeitsmengen durch eine Tropfpipette ersetzbar.
Abb. 4.5.
- Gefäße für die Darstellung ohne Auffangen
Soll das Gas nicht aufgefangen werden, so werden weniger komplizierte
Gasapparaturen benötigt. Die Wahl der Gefäße richtet sich in diesem Fall
nur nach der Gasmenge, d. h. es können
-- Reagenzgläser (für kleinere Mengen)
-- Bechergläser
-- Erlenmeyerkolben
-- Rundkolben
benutzt werden. Dabei wird entweder die Flüssigkeit zur vorgelegten Fest-
substanz hinzu gegossen oder aber die Festsubstanz portionsweise zur
Flüssigkeit zugegeben.
- Automatische Gasentwicklungsapparaturen
(KIPP)
Bei der Darstellung von Gasen aus Flüssigkeit
und Feststoffen gibt es noch eine zweite Art von
Gasentwicklungsapparaturen, die so genannten
automatischen Gasentwicklungsgeräte. Ihr Vor-
teil liegt in der dosierbaren Gaserzeugung, d. h.
das Gas wird nach Bedarf entwickelt. Da die
Dosierung aber einfacher und bequemer durch
Gasbomben möglich ist, wurden sie durch diese
verdrängt. Die bekannteste automatische Gas-
entwicklungsapparatur, der so genannten
Kippsche Apparatur (Abb. 4.6.) hat heute nur
noch historische Bedeutung. Abb. 4.6.
Näheres zur Funktionsweise des Kipp finden Sie im Anorganikum, a.a.O.,
Kap. 48.4.1., a.a.O.
4.1.2.3. Beispiele für die Darstellung von Gasen aus Feststoff und Flüssig-
keit
Gas Feststoff Flüssigkeit
H2
Cl2
HCl
Zn
KMnO4 (MnO2)
NaCl
HCl
konz. HCl (bei MnO2 erwärmen)
konz. H2SO4 (schwach erwärmen)
HBr
H2S
NH3
CO2
NO
NO2
SO2
NH3
CH4
C2H2
KBr
FeS
NH4Cl
CaCO3 (o.a. Carbonate)
Cu
Cu
Na2SO3 (NaHSO3)
Mg3N2
Al4C3
CaC2
konz. H3PO4 (schwach erwärmen)
HCl (10%)
konz. NaOH (schwach erwärmen
HCl (10%)
halbkonz. HNO3 (32%)
konz. HNO3 (65%)
konz. H2SO4
H2O
H2O
H2O
Tab. 4.1.
4.1.3. Darstellung von Gasen aus Flüssigkeiten
4.1.3.1. Darstellung von Gasen aus zwei Flüssigkeiten
Bei dieser Darstellung werden die gleichen Apparaturen wie bei der Darstellung
von Gasen aus Feststoff und Flüssigkeit verwendet. Die Anweisungen zur
Durchführung und Kontrolle der Gasentwicklung sind ebenfalls übertragbar. Es
kann allerdings sein, dass aufgrund der besseren Durchmischbarkeit die Reak-
tion heftiger verläuft.
Beispiele für die Darstellung von Gasen aus zwei Flüssigkeiten
Gas vorgelegte Flüssigkeit zugesetzte Flüssigkeit
NH3
SO2
CO
CO2
konz. Ammoniaklösung
gesättigte Natriumhydrogen-
sulfitlösung
warme 15% Methansäure
konz. Natriumcarbonatlösung
konz. NaOH – Lösung
50%ige H2SO4
konz. H2SO4
HCl
Tab. 4.2.
4.1.3.2. Darstellen von Gasen durch Austreiben aus Flüssigkeiten
Einige Gase können durch vorsichtiges Erwärmen aus Flüssigkeiten oder ihren
Lösungen ausgetrieben werden. So kann z. B. Chlorwasserstoffgas aus rau-
chender Salzsäure entwickelt werden, indem man sie erwärmt. Der Nachteil
dabei ist, dass die Gase einen hohen Wasseranteil aufweisen, also ziemlich
feucht sind.
Geräte
- Wenn das Gas nicht aufgefangen werden soll, so
wird die Flüssigkeit einfach in ein offenes Gefäß
(Reagenzglas, Becherglas oder ähnliches) gefüllt
und vorsichtig erhitzt.
- Soll das Gas aufgefangen werden, so gibt man die
Flüssigkeit in einen Rundkolben mit Ableitungsrohr
und einem Steigrohr zum Schutz gegen Überdruck
(Abb. 4.7.). Der Kolben darf nie direkt erhitzt werden.
Es muss immer ein Dreifuß mit Asbestdrahtnetz
verwendet werden. (Zur Vermeidung von Siedever-
zug einige Siedesteine zugeben.) Abb. 4.7.
Beispiele für das Austreiben von Gasen aus Flüssigkeiten
- HCl aus konz. HCl
- NH3 aus konz. NH3
- SO2 aus „H2SO3“
- NO aus zuvor damit beladener FeSO4-Lösung
4.1.4. Darstellung von Gasen aus Feststoff und Gas
4.1.4.1. Das Prinzip
Wesentlich bei dieser Darstellungsart ist, ausreichenden Kontakt der beiden
Edukte herzustellen, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Dies ge-
schieht, indem man
- die Reaktion in der Atmosphäre des Ausgangsgases durchführt.
- den Feststoff möglichst fein verteilt vorgibt.
- durch Erwärmen wird die meist hohe Aktivierungsenergie zugeführt.
Durchführung am Beispiel der Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid
durch Aktivkohle (CO2(g)+ C(s) � 2 CO(g))
Soll das Gas aufgefangen werden, gibt man die Aktivkohle in einem Glühschiff-
chen in ein schwer schmelzbares Verbrennungsrohr, dessen Enden mit durch-
bohrten Stopfen mit Glasrohren verschlossen sind, leitet den Gasstrom (CO2)
durch das Rohr und erhitzt den Feststoff mit dem Brenner (Abb. 4.8.)
Abb. 4.8.
Um ein seitliches Verrutschen zu verhindern, wird rechts und links des Schiff-
chens etwas Glaswolle eingelegt (nicht zu fest stopfen, da sonst das Gas am
Durchströmen gehindert wird). Das einzuleitende Gas wird, falls möglich, aus
einer Druckgasflasche bezogen, weil dadurch die Strömungsgeschwindigkeit va-
riiert werden kann und somit eine Möglichkeit zur Regulierung der Gasent-
wicklung besteht.
4.1.4.2. Darstellung, falls das Gas nicht aufgefangen werden soll
Zur Darstellung eines Gases aus Festkörper und Gas ohne Auffangen wird ein
Standzylinder (für kleinere Mengen auch Reagenzgläser) mit dem Ausgangsgas
gefüllt und mit einer Glasplatte abgedeckt. Die fest, meist stark erhitzte Substanz
(Aktivierungsenergie) wird dann mit einem Verbrennungslöffel in den Stand-
zylinder eingebracht (z. B. Verbrennung von Schwefel in einer Sauerstoffatmo-
sphäre).
4.1.5. Darstellung von Gasen aus Flüssigkeit und Gas
Den größtmöglichen Kontakt der reagierenden Stoffe erhält man bei dieser Dar-
stellungsmethode, wenn man das Gas in die Flüssigkeit einleitet. Von daher
ergeben sich die gleichen Bedingungen wie bei der Nassreinigung und alle unter
diesem Punkt in Abschnitt 4.2.1.1. angesprochenen Probleme sind übertragbar.
(Beispiel: Darstellung von Stickstoff aus Ammoniak und Bromwasser.)
4.1.6. Darstellung von Gasen aus zwei Gasen
4.1.6.1. Das Prinzip
Um zwei Gas zur Reaktion zu bringen, muss zunächst dafür gesorgt werden,
dass sie gut durchgemischt und im richtigen Verhältnis zueinander in Berührung
kommen. Außerdem muss in den meisten Fällen die Reaktion durch Energiezu-
fuhr in Gang gesetzt werden. Es gibt im Prinzip drei Arten, die beiden Gase
zusammenzuführen:
- Man lässt beide Gase in ein Gefäß strömen und bringt sie zur Entzündung
(Beispiel: Knallgasgemisch im Luftballon).
- Man verbrennt das eine Gas in der Atmosphäre des anderen Gases (siehe
4.1.6.2.).
- Beide Gase werden durch ein Rohr geleitet, dass entweder erhitzt oder an
dessen Ende das austretende Gasgemisch entzündet wird. (Nach diesem
Prinzip funktioniert auch der Gasbrenner.)
Durchführung der Darstellung von Ammoniak
Für die Darstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff wird (wie bei
der Darstellung eines Gases aus einem Feststoff und einem Gas; Abschnitt
4.1.4.) ein schwer schmelzbares Verbrennungsrohr verwendet, das mit zwei
durchbohrten Stopfen mit Glasrohren verschlossen ist (Abb. 4.9.). Zur Einleitung
der Gase dient ein T-Rohr. Zusätzlich wird in die Apparatur noch ein Dreiweg-
hahn eingeschaltet, mit dem zunächst die Verbindung zum Wasserstoff ver-
schlossen wird. Wenn nach dem Durchleiten von Stickstoff die Apparatur luftfrei
gespült ist (Knallgasprobe!) wird die Verbindung zum Wasserstoff geöffnet. Erst
dann beginnt man mit dem Erhitzen des Katalysators. Zur Kontrolle, ob die bei-
den Gase im richtigen Verhältnis zusammengebracht werden (N2 : H2 = 1 : 3),
werden sie vor dem Eintritt in das Verbrennungsrohr jeweils durch einen Blasen-
zähler (� 4.1.7.1.) geleitet (Abb. 4.9.). (Weiteres Beispiel: SO3 ausSO2 und O2.)
Abb. 4.9.
4.1.6.2. Andere Arten zur Darstellung von Gasen aus zwei Gasen
- Will man zwei Gase zur Reaktion bringen, von denen eines brennt, so kann
auch das brennbare Gas in der Atmosphäre des anderen Gases mit ihm zur
Reaktion gebracht werden. Hierzu füllt man einen Standzylinder mit dem ei-
nen Gas (Gas1 in Tab. 4.3.) und deckt ihn mit einer Glasplatte ab. Anschlie-
ßend wird das brennende Gas in den Standzylinder eingeleitet.
Beispiele:
darzustellendes Gas Gas1 Gas2 (brennbar)
HCl
HBr
Cl2
Br2
H2
H2
Tab. 4.3.
- Häufig können die Gase auch durch einen Zündfunken zur Reaktion ge-
bracht werden (z. B. glimmender Holzspan). In der Technik und teilweise
auch im Labor wird der Zündfunke oft durch einen Lichtbogen geliefert. (Bei-
spiel: Katalytische Verbrennung von NH3 im Lichtbogen nach dem Ostwald-
Verfahren (Salpetersäureherstellung)).
4.1.7. Kontrolle des Gasstromes und Sicherheitsschaltung
4.1.7.1. Blasenzähler
Immer dann, wenn ein Gas als Edukt an der Reaktion beteiligt ist (wie in 4.1.4.
und 4.1.6.), ist es oft günstig, es vor der Umsetzung durch eine Flüssigkeit per-
len zu lassen. Aus der Anzahl der Blasen kann auf die Stärke des Gasstromes
geschlossen werden. Wichtig dabei ist allerdings, dass die verwendete Flüssig-
keit hierfür geeignet ist, d. h.
- sie darf nicht mit dem Gas chemisch reagieren und es dadurch verändern,
- die Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit darf nur sehr gering sein (vgl.
Sperrflüssigkeit, Abschnitt 4.2.1.1.)
Sind diese Faktoren ausgeschaltet, so wird wenig von der Flüssigkeit in einen
Blasenzähler gegeben. (Abb. 4.10.) Blasenzähler sind so gebaut, dass sie gleich
über eine Sicherheitsschaltung ver-
fügen, wodurch eine Sicherheits-
waschflasche (� 4.1.7.2.) erspart
wird. In 4.1.5. „Darstellung von Ga-
sen aus Flüssigkeit und Gas“ erü-
brigt sich diese zusätzliche Anord-
nung. Hier dient die Reagenzlösung
gleichzeitig als Blasenzähler. Abb. 4.10.
4.1.7.2. Sicherheitswaschflaschen
Im Zusammenhang mit der Gasdarstellung in geschlossenen Apparaturen wer-
den häufig Flüssigkeiten verwendet, in die ein Ableitungs- bzw. Einleitungsrohr
taucht. Steht das eintauchende Rohr in direkter Verbindung mit einem geschlos-
senen Gefäß, in dem sich ein Unterdruck ausbilden kann, so besteht die Gefahr,
dass die Flüssigkeit im Rohr hochsteigt und in das Gefäß mit Unterdruck zurück
steigt. Unterdruck kann entstehen
- wenn ein Brenner (oder andere Heizquelle) nach dem Erhitzen weggenom-
men wird (Abb. 4.1.).
- wenn eine Kühlung angelegt wird (Kühlfalle � 4.3.1.2.) (Abb. 4.12.)
- wenn eine Wasserstrahlpumpe abgestellt wird (z. B. bei Vakuumfiltration,
Abb. 4.13.).
- wenn ein Gasstrom (Druckgasflasche) abgestellt wird (z. B. bei Vakuumfiltra-
tion, Abb. 4.13.).
Da die Gefahr des Unterdruckes und somit die des Zurücksteigens nicht besei-
tigt werden kann, muss verhindert werden, dass die Flüssigkeit dorthin gelangt,
wo sie unerwünscht ist und einen Schaden anrichten kann. Dies geschieht,
indem eine leere Waschflasche (Sicherheitswaschflasche) dazwischen ge-
schaltet wird, die im Fall des Zurücksteigens die übertretende Flüssigkeit auf-
fängt. Die leere Waschflasche muss also in der Lage sein, das gesamte Flüssig-
keitsvolumen aufnehmen zu können, d. h. sie darf nicht zu klein gewählt werden.
Außerdem muss sie mit dem Gefäß aus dem sie bei evtl. auftretendem Unter-
druck die Flüssigkeit aufnehmen soll, in direkter Verbindung stehen.
Abb. 4.11. Abb. 4.12.
Abb. 4.13. Abb. 4.14.
Überlegen Sie also beim Aufbau einer Apparatur immer, wohin bei evtl. entste-
hendem Unterdruck eine Flüssigkeit zurück steigen kann, und schalten Sie dort
eine Sicherheitswaschflasche dazwischen.
4.1.7.3. Durchsaugen von Luft
Ist bei einer Gasdarstellung ein Reaktionspartner Sauerstoff (z. B. bei der Dar-
stellung von SO2 aus S und O2, der durch die Luft geliefert werden kann, so wird
an das hintere Ende der Apparatur eine Wasserstrahlpumpe angeschlossen
(bzw. Vakuum angelegt) und damit die Luft (der Sauerstoff) durch die gesamte
Apparatur gesaugt (s. Abb. 4.9. ohne Gas 2, Gas 1 = Luft). Wichtig ist, dass
hinter die Apparatur vor die Wasserstrahlpumpe eine Sicherheitswaschflasche
geschaltet wird (Abb. 4.13.).
4.2 Reinigen von Gasen
Alle im Labor dargestellten Gase sind nicht frei von Begleitstoffen, sondern so-
wohl durch Spuren der Ausgangsstoffe als auch durch andere Substanzen ver-
unreinigt. Da es sich bei den Verunreinigungen häufig nur um Wasser handelt
(wenn Gase aus wässrigen Lösungen entwickelt werden), stellt das Trocknen
eine spezielle Form des Reinigens dar. Häufig ist es für die Bedürfnisse dieses
Praktikums nicht notwendig, jedes Gas zu reinigen, denn geringe Mengen von
Feuchtigkeit oder Verunreinigungen ändern die Eigenschaften der Gase und
ihre Reaktionsverhalten nicht nennenswert. Für einige Reaktionen (z. B. um zu
zeigen, dass HCl-Gas seine Säurefunktion erst bei Gegenwart einer Base aus-
übt) ist es jedoch erforderlich, von einem völlig trockenen und reinen Gas aus-
zugehen. Die verschiedenen Reinigungsarten erfolgen dabei im Wesentlichen
nach zwei Prinzipien:
- Man leitet das Gas durch eine bestimmte Substanz, die mit der Verunreini-
gung, nicht aber mit dem Gas, chemisch reagiert.
- Man nutzt unterschiedliche physikalische Eigenschaften von Gas und
Verunreinigungen aus (z. B. Differenz der Siedepunkte).
4.2.1. Reinigen aufgrund chemischer Reaktion zwischen Reinigungsmittel
und Verunreinigung
Bei dieser Art der Reinigung wird eine geeignete Substanz gewählt, die zwar mit
der Verunreinigung, nicht aber mit dem Gas chemisch reagiert. Ist z. B. bei der
Gasdarstellung schweflige Säure beteiligt, so kann es sein, dass Schwefeldioxid
als Verunreinigung auftritt. Den Schwefeldioxidanteil kann man beseitigen, in-
dem man das Gas durch Alkalilauge leitet:
SO2 + 2 OH � SO32- + H2O
Würde es sich bei dem Gas allerdings um HCl handeln, so ist diese Reini-
gungsmethode ungeeignet, da das HCl ebenfalls mit dem Reinigungsmittel
reagiert. Nach der Zustandsform des Reinigungsmittels unterscheidet man zwi-
schen Nassreinigung (Reinigungsmittel liegt als Flüssigkeit vor) und Trocken-
reinigung (Reinigungsmittel liegt als Festsubstanz vor).
4.2.1.1. Die Nassreinigung
Die größtmögliche Reinigungswirkung erhält man, wenn das Gas direkt in die
Reinigungsflüssigkeit eingeleitet wird und langsam perlt. Hierzu sind spezielle
Waschflaschen entwickelt worden (Abb. 4.15.). Diese
Waschflaschen werden immer so an die Apparatur
angeschlossen, dass das Gas durch das lange Rohr in
die Flüssigkeit eingeleitet wird und durch das kurze
entweicht. Um zu verhindern, dass durch heftige Gas-
entwicklung der Einsatz der Waschflasche herausge-
schleudert wird, ist dieser mit Gummi- oder Drahtbän-
dern zu sichern. Außerdem ist beim Einbau von Wasch- Abb. 4.15.
flaschen immer zu beachten, wo ein Unterdruck und damit die Gefahr des Zu-
rücksteigens der Waschflüssigkeit entstehen kann, um entsprechende Sicher-
heitswaschflaschen einzubauen (siehe hierzu Abschnitt 4.1.7.2.). Bei der Menge
der einzufüllenden Waschflüssigkeit ist zu beachten, dass sich zwar die Reini-
gungswirkung mit steigender Höhe der Flüssigkeitssäule erhöht, andererseits
aber eine hohe Flüssigkeitssäule dem Gasstrom einen hohen Widerstand
entgegensetzt. Aus diesem Grund sollte die Flüssigkeitssäule nicht mehr als 3
bis 5 cm betragen. Neben der Höhe der
Flüssigkeitssäule und der
Durchströmungsgeschwindigkeit des Gases ist die
Reinigungswirkung auch noch von der Größe der
Gasblasen bestimmt. Je kleiner die Gasblasen sind,
umso größer ist die Reinigungswirkung. Aus diesem
Grund gibt es Waschflaschen mit Fritten, durch die
das Gas perlt, so dass die Blasengröße vermindert
wird (Abb. 4.16.). Abb. 4.16.
Die nachfolgende Abbildung 4.17. zeigt den Versuchsaufbau für die Darstellung
von Kohlenmonoxid aus Oxalsäure und konz. Schwefelsäure, wobei gleichzeitig
Kohlendioxid entsteht:
H2C2O4 · 2 H2O →42SOH
CO + CO2 + 3 H2O
Das Kohlendioxid wird durch eine 50%-ige Kaliumhydroxidlösung absorbiert, das
Kohlendmonoxid auskondensiert.
Abb. 4.17.
Sonderformen der Nassreinigung
Soll ein Gas gereinigt und später pneumatisch aufgefangen werden, so kann
manchmal ein Arbeitsgang erspart werden, indem man eine Sperrflüssigkeit
wählt, die gleichzeitig als Waschflüssigkeit dient. Dabei sind folgende Bedin-
gungen zu stellen:
- Die Verunreinigung muss vollständig mit der Flüssigkeit reagieren.
- Das Gas darf sich nicht mit der Flüssigkeit umsetzen und sich auch nur ge-
ringfügig in ihr lösen.
- An das Gas darf nicht die Forderung gestellt sein, trocken aufgefangen zu
werden.
Zum Beispiel entsteht bei der thermischen Zersetzung von Blei(II)nitrat neben
Sauerstoff (der dargestellt werden soll) noch Stickstoffdioxid. Diese Verunreini-
gung wird beim pneumatischen Auffangen durch die Sperrflüssigkeit Wasser
absorbiert.
4.2.1.2. Die Trockenreinigung
Wird zur Reinigung des Gases ein Feststoff verwandt, so spricht man von der
Trockenreinigung. Da diese Art der Reinigung aber hauptsächlich zur Trocknung
von Gasen, also bei der Verunreinigung Wasser eingesetzt wird, werden dort
auch weitere Einzelheiten gegeben. Über auftretende Verunreinigungen, ihre
Nachweise und entsprechende Reinigungsmittel informieren Sie sich beispiels-
weise in Lux, H., a.a.O.
4.2.2. Reinigen von Gasen aufgrund unterschiedlicher physikalischer Ei-
genschaften
Die wichtigsten Trennverfahren dieser Art sind die fraktionierte Kondensation
und die Destillation, die bei Gasen angewendet werden, deren Siedepunkte
sich unterscheiden.
4.2.2.1. Die fraktionierte Kondensation
Falls die Abtrennung der Verunreinigung quantitativ erfolgen soll, kann diese
Reinigungsmethode nur angewendet werden, wenn sich die Siedepunkte von
darzustellendem Gas und Verunreinigung um ca. 20 – 30° C unterscheiden.
Nach der Lage der Siedepunkte gibt es zwei Möglichkeiten der fraktionierten
Kondensation:
- Liegt der Siedepunkt der Verunreinigung tiefer als der des darzustellenden
Gases, wird das Gas auskondensiert und das verbleibende Gas anschlie-
ßend aufgefangen.
- Liegt der Siedepunkt der Verunreinigung tiefer als der des darzustellenden
Gases, wird das Gas auskondensiert und die Verunreinigung anschließend
aufgefangen bzw. vernichtet.
Bei beiden Methoden ist die Kühlflüssigkeit so zu wählen, dass ihre Temperatur
zwar den Siedepunkt des auszukondensierenden Stoffes unterschreitet, jedoch
nicht den Siedepunkt des Stoffes erreicht, der in der Gasphase bleiben soll.
Als Geräte für diese Trennmethode werden Kühlfallen (Abschnitt 4.3.1.2.) be-
nutzt, und da bei Kühlfallen stets die Gefahr des Unterdruckes besteht, müssen
Sicherheitswaschflaschen (Abschnitt 4.1.7.2.) eingebaut werden.
Beispiel:
Wird Stickstoff aus einer Mischung von NH4Cl und NaNO2 dargestellt, so ist der
stark durch NO (und somit bei Anwesenheit von Sauerstoff auch durch NO2) und
NH3 verunreinigt:
NH4Cl + NaNO2 � NH4NO2 + NaCl
NH4NO2 �2 H2O + N2
Nebenreaktion:
3 NH4NO2 � NH4NO3 + 2 NO + 2 NH3 + H2O
Siedepunkte:
N2 = - 195,8° C
NO = - 151,8° C
NO2 = + 21,2° C
NH3 = - 33,4° C
Nach der Lage der Siedepunkte empfiehlt es sich, die Verunreinigungen durch
flüssige Luft (Sdpkt: - 180° C) auszukondensieren und den in der Gasphase
verbleibenden Stickstoff z. B. pneumatisch aufzufangen. Dabei ergibt sich fol-
gender Versuchsaufbau (Abb. 4.18). (In der ersten Waschflasche lässt sich das
in einer Nebenreaktion entstehende NH3 mit Säure neutralisieren).
Abb. 4.18.
(zu diesem Versuch siehe auch Bukatsch/Glöckner, a.a.O., Kap. VI, 1.)
4.2.2.2. Die Destillation
Da dieses Verfahren hauptsächlich in der Organik angewendet wird, soll hier
nicht näher darauf eingegangen werden. Siehe dazu auch Organikum,
a.a.O. oder Lux, a.a.O.
4.2.2.3. Die Gaschromatographie
Da auch dieses Verfahren in unserem Praktikum nicht angewendet wird, soll es
hier nicht näher erläutert werden. Siehe dazu Organikum, a.a.O.
4.2.3. Trocknen von Gasen
Wie schon erwähnt, handelt es sich bei dem Trocknen von Gasen um eine Son-
derform der Reinigung. Sobald die Verunreinigung als Wasser vorliegt, spricht
man vom Trocknen der Gase. Da die meisten Gase aus wässrigen Lösungen
entwickelt werden, sind sie feucht und müssen getrocknet werden (was jedoch
für die Bedürfnisse unseres Praktikums nicht immer nötig ist). Auch das Trock-
nen erfolgt entweder aufgrund unterschiedlicher chemischer oder physikali-
scher Eigenschaften zwischen Gas und Wasser.
4.2.3.1. Trocknen aufgrund unterschiedlicher chemischer Eigenschaften
Analog dem Reinigen wählt man sich ein Trockenmittel aus, das zwar mit dem
Wasser, nicht aber mit dem Gas reagiert. Auch hier unterscheidet man zwischen
festen und flüssigen Trockenmitteln.
Trocknen mit festen Trockenmitteln
Hierzu gibt man das feste Trockenmittel in ein U-Rohr. Beim Füllen des Rohres
ist zu beachten,
- dass nicht zu große Brocken verwendet werden.
- dass die Substanz nicht zu feinkörnig ist, da sie dann undurchlässig ist. (Beii
P4O10 sollten z. B. Lagen aus Glaswolle zwischen das Trockenmittel gelegt
werden.)
- dass am Ende des U-Rohres Stopfen aus Glaswolle ein Mitreißen des Tro-
ckenmittels durch den Gasstrom verhindern. (Glaswolle allerdings nicht zu
fest stopfen!)
Bei Durchleiten des Gasstromes ist zu beachten, dass
- eine geringe Strömungsgeschwindigkeit
- wachsende Länge des Trockenmittels
die Trockenwirkung erhöht.
Für den Trockenvorgang wird das U-Rohr vor die Auffangvorrichtung geschaltet.
Abb. 4.19.
Alternative Geräte für feste Trockenmittel
- Trockentürme (Abb. 4.20)
Abb. 4.20.
- Trockenrohre
Neben den Geräten für Trockenmittel, die man in
den Versuchsaufbau einschaltet und durch die man
den Gasstrom leitet, kann man auch Trockenrohre
an die Apparatur anschließen (Abb. 4.21). Diese
sollen verhindern, dass Luftfeuchtigkeit von außen in
die Apparatur gelangt, wenn
Abb. 4.21.
-- ein Druckausgleich bei einer Kühlfalle vorgenommen werden muss (Ab-
schnitt 4.3.1.2.)
-- vor dem Auffangen des Gases das Luftvolumen aus der Apparatur
entweichen soll (Abschnitt 4.3.1.2.)
In Abb. 4.22. übernimmt das Trockenrohr beide Funktionen
Abb. 4.22.
Trocknen mit flüssigen Trockenmitteln
Das Trocknen mit flüssigen Trockenmitteln entspricht sowohl in der Art der Ge-
räte, als auch in deren Handhabung der Nassreinigung. Alle dort angesproche-
nen Probleme und deren Lösungen sind übertragbar (Abschnitt 4.2.1.1.). Die
nachfolgende Abb. 4.23. zeigt eine Apparatur, bei der das dargestellte Gas
zunächst gereinigt wird (Nassreinigung) und anschließend durch ein flüssiges
Trockenmittel getrocknet wird. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass im-
mer Sicherheitswaschflaschen dazwischen geschaltet werden. Der zusätzlich
eingebaute Dreiweghahn mit vorgeschaltetem Trockenrohr hat dabei die Funk-
tion, dass das Luftvolumen vor dem Auffangen entweichen kann, außerdem
dient es zum Druckausgleich für die Kühlfalle. (Zur Funktion des Trockenrohres
s. Abschnitt 4.2.3.1.)
Abb. 4.23.
Kriterien für die Wahl des geeigneten Trockenmittels
Bei der Wahl des geeigneten Trockenmittels sind sowohl die Eigenschaften des
zu trocknenden Gases, als auch die des Trockenmittels zu beachten:
- Das Trockenmittel darf auf keinem Fall mit dem Gas reagieren.
- Aus den geeigneten Trockenmitteln ist das mit der größten Trockenwirkung
auszuwählen.
Beispiele
- Will man Chlorgas trocknen, so leitet man es am Besten durch konzentrierte
H2SO4, auf keinem Fall aber dürfte KOH als Trockenmittel verwendet wer-
den, da das Chlor nach folgender Gleichung reagiert:
Cl2 + 2 KOH � KOCl + KCl + H2O
- P4O10 verfügt zwar über einen sehr hohe Trockenkapazität, zum Trocknen
von HCl aber darf man es nicht einsetzen, da es reagiert nach:
P4O10 + 3 HCl � POCl3 + 3 HPO3
- Weitere häufig verwendete Trockenmittel sind Silicagel (für Exsikkatorfüllun-
gen und CaCl2.
Die nachfolgende Tabelle aus Anorganikum, a.a.O. zeigt die wichtigsten Gase
und die für sie geeigneten bzw. ungeeigneten Trockenmittel.
Trockenmittel besonders geeignet
für
ungeeignet für Wirksamkeit
[mg H2O/l Gas]
H2SO4
CaCl2
Silicagel
P4O10
Luft; N2; HCl; Cl2;
Br2;
CO; N2O; SO2; CH4
H2; N2; O2; O3; CO;
CO2; Cl2; H2S;
C2H2;
(CN)2; HCN; COS
Exsikkatorfüllung
O2; NO2; NO; N2O;
CO; C2H2; PH3;
AsH3;
CS2; CCl4; CHCl3;
KW-Stoffe
NH3; HF; HBr; HI;
H2S; PH3; AsH3;
C2H2; HCN;
(CN)2;
NO2; NO
NH3; HF;
Alkohole;
Amine;
Essigester;
HBr; HI, Br2
HF bzw. NH3; Cl2;
Br2
NH3; HF; HCl;
HBr;
H2S; Cl2; Br2;
Ether;
Aceton
3 . 10-3
1,4 bis 3,6.10-1
2 . 10-2
2 . 10-5
Tab. 4.4.
4.2.3.2. Trocknen aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften
Analog dem Reinigen kann man auch beim Trocknen die Methode der
fraktionierten Kondensation und Destillation verwenden. Alle dort aufgeführten
Bemerkungen sind auf das Problem des Trocknens übertragbar (Abschnitt
4.2.2.).
4.3 Auffangen, abmessen und aufbewahren von Gasen
Bei vielen Experimenten sind die Gase für spätere Untersuchungen aufzufan-
gen. Dieses geschieht im chemischen Labor hauptsächlich durch Auffangen
über Sperrflüssigkeiten oder durch Auskondensieren. Für welche Methode
man sich entscheidet, hängt in erster Linie von den Eigenschaften des darzu-
stellenden Gases und der Art, wie das Gas dargestellt werden soll, ab. Die Wahl
der Auffanggeräte wird davon bestimmt, ob das entstehende Gas neben dem
Auffangen auch noch abgemessen oder aufbewahrt werden soll.
4.3.1. Auffangen von Gasen
4.3.1.1. Auffangen über Sperrflüssigkeiten (pneumatisches auffangen)
Das Prinzip
Das Prinzip des pneumatischen Auffangens besteht darin, dass das Auffangge-
fäß durch Füllen mit einer Sperrflüssigkeit luftfrei gemacht wird. Durch Einleiten
des Gasstromes wird die Sperrflüssigkeit wieder in ein geeignetes Sammelgefäß
verdrängt.
Beispiel
Soll der durch thermische Zersetzung von KNO3 dargestellte Sauerstoff pneu-
matisch aufgefangen werden, so benutzt man die in Abb. 4.24. wiedergegebene
Anordnung. Als Sperrflüssigkeit dient in diesem Fall Wasser, das in die Glas-
wanne (Sammelgefäß) gefüllt wird. Als
Auffanggefäß wird ein Standzylinder
verwendet (für kleinere Mengen auch
ein Reagenzglas), der ebenfalls randvoll
mit Wasser gefüllt, mit einer Glasplatte
abgedeckt und umgekehrt in die Glas-
wanne gesetzt wird. Nachdem die Glas-
platte vorsichtig unter Wasser entfernt
worden ist, wird das Ende des Ablei- Abb. 4.24.
tungsrohres in den Standzylinder eingeführt und mit dem Auffangen des Gases
begonnen. Soll allerdings die in der Apparatur befindliche Luft nicht mit aufge-
fangen werden, so lässt man nach Beginn der Gasentwicklung die ersten Gas-
blasen entweichen. Wenn der Zylinder völlig mit Gas gefüllt ist, wird er unter
Wasser wieder mit der Glasplatte abgedeckt und aus der Sperrflüssigkeit ge-
nommen. Bevor die Gasentwicklung durch Entfernen des Brenners abgebrochen
wird, sollte das Ableitungsrohr aus der Sperrflüssigkeit genommen werden, da-
mit die Flüssigkeit aufgrund des nachlassenden Gasstromes und des abneh-
menden Gasvolumens (Abkühlung) nicht zurück steigt.
Alternative Geräte
Im obigen Beispiel wurde eine Anordnung benutzt, bei
der ein einseitig geschlossenes Rohr von unten durch
Wasserverdrängung gefüllt wird. Daneben gibt es aber
noch andere Typen, wie z. B.
- Gasglocke (Gasometer)
Bei Gasglocken wird das Gas von oben in die zuvor
randvoll mit Sperrflüssigkeit gefüllte Glocke
eingeleitet, die Sperrflüssigkeit wird nach unten ver-
drängt. Mit wachsender Gasmenge schwimmt Abb. 4.25
die Glocke in dem Sammelgefäß (Abb.
4.25.)
- Gassammelgefäße mit Niveaugefäß
Zunächst füllt man das Auffanggefäß bei
geöffnetem Hahn randvoll mit
Sperrflüssigkeit, indem man das offene
Sammelgefäß höher hält als das
Auffanggefäß (Abb. 4.26.). Wenn das
Auffanggefäß gefüllt ist, wird der Hahn
geschlossen.
Abb. 4.26.
Zum Auffangen des Gases öffnet man den Hahn des Auffanggefäßes und
senkt das Sammelgefäß so, dass dessen Niveau immer unter dem des
Auffanggefäßes liegt (Abb. 4.27). Zum Ablassen des Gases hebt man das
Niveau des Sammelgefäßes über das des Auffanggefäßes (Abb. 4.28.). (Die
Geschwindigkeit des Hebens bzw. des Senkens des Sammelgefäßes und
der Höhenunterschied zwischen Auffanggefäß und Sammelgefäß müssen
sich nach der Gaszuström- bzw. Gasablassgeschwindigkeit richten).
Abb. 4.27. Abb. 4.28.
– Alternative Sperrflüssigkeiten
Als Sperrflüssigkeit wird hauptsächlich Wasser verwendet, doch häufig ist es
zum Auffangen ungeeignet, da sich entweder
-- das aufzufangende Gas zu stark im Wasser löst (z. B. CO2)
-- oder aber das Gas mit dem Wasser reagiert, z. B.
NH3 + H2O � NH4+ + OH-
In diesem Fall werden andere Sperrflüssigkeiten benutzt (Tab. 4.5.).
Sperrflüssigkeit besonders geeignet für
Hg
normales Wasser
warmes Wasser
20 – 25%ige NaOH
konz. H2SO4
20%ige Na2SO4-Lsg. mit 5%iger H2SO4
Paraffin
fast alle Gase außer Halogene
O2, H2, Luft
N2O
NO
Halogene
CO2
fast alle Gase
Tab. 4.5.
Sollten bei einem Gas alle Sperrflüssigkeiten versagen, so muss auf eine andere
Auffangmethode zurückgegriffen werden (z. B. Auffangen durch
Auskondensieren).
4.3.1.2. Auffangen durch Auskondensieren
Prinzip
Das Auskondensieren eines Gases erfolgt, indem mit Hilfe eines geeigneten
Kühlmittels das Gas soweit heruntergekühlt wird, dass sein Siedepunkt und ggf.
Festpunkt erreicht und es somit verflüssigt bzw. fest wird. Das Auskondensieren
wird immer dann angewendet, wenn keine geeignete Sperrflüssigkeit zur
Verfügung steht und das Gas völlig trocken dargestellt werden soll.
Beispiel
Aus Natriumchlorid und konzentrierter Salzsäure dargestelltes Chlorwasserstoff-
gas (Sdpkt. – 84,9° C) wird durch flüssigen Stickstoff auskondensiert. (Näheres
zur Wahl des geeigneten Kühlmittels im Zusammenhang mit dem quantitativen
Auskondensieren siehe Abschnitt 2.2.)
Geräte
Als Vorrichtung zum Auffangen verwendet man so genannte Kühlfallen (Abb.
4.29.). Sie bestehen normalerweise aus
einem kurzen Einleitungsrohr (in Abb.
4.29. ersetzt der obere Teil der Kühlfalle
das Einleitungsrohr) und einem langen
Ableitungsrohr. Hierdurch kühlt sich das
Gas beim Einleiten langsam von oben
nach unten ab (bei einem langen
Einleitungsrohr würde es direkt in die Abb. 4.29.
kühlste Zone gelangen.) Ist das Ableitungsrohr kurz, so besteht die Gefahr, dass
das zu kühlende Gas gar nicht erst auf dem Boden der Kühlfalle ankommt,
sondern den kürzesten Weg über das Ableitungsrohr nimmt. Der Nachteil des
langen Ableitungsrohres ist, dass
– es, falls das Gas fest anfällt, häufig verstopft.
– weitere Gasaufnahme durch die Kühlfalle gestoppt wird, falls die sich
bildende Flüssigkeit das Niveau des Ableitungsrohres erreicht hat.
Durchführung
Damit das Gas quantitativ auskondensiert, soll gleich zu Beginn der Gasdarstel-
lung mit dem Kühlen begonnen werden. Dazu wird der linke Hahn der Kühlfalle
geöffnet und der rechte verschlossen. Dieses Vorgehen hat allerdings bei Küh-
lung mit flüssigem Stickstoff zu Folge, dass zunächst die in der Apparatur vor-
handene Luft mit auskondensiert. Um dieses zu verhindern, schaltet man vor die
Kühlfalle einen Dreiwegehahn, über den zunächst die Luft entweichen kann,
während der Weg zur Kühlfalle geschlossen bleibt (um bei einem zu geringen
Gasdruck zu vermeiden, dass auf umgekehrtem Wege über den Dreiwegehahn
Luftfeuchtigkeit in die Apparatur gelangt, wird vor den Dreiwegehahn ein
Trockenrohr geschaltet; siehe auch Abschnitt 4.2.3.1., Abb. 4.22.)
Über- und Unterdruck bei Kühlfallen
Zur Gefahr des Unterdruckes siehe Abschnitt 4.1.7.2. Die Gefahr des Über-
druckes bei Kühlfallen besteht immer dann, wenn die Kühlung weggenommen
wird und sich demzufolge das Gas ausdehnt. Beim Entfernen der Kühlung muss
daher wenigstens ein Hahn der Kühlfalle geöffnet werden. Soll vermieden
werden, dass dadurch eventuell Luftfeuchtigkeit in die Kühlfalle gelangt, so ist
ein Trockenrohr (Abschnitt 4.2.3.1., Abb. 422) vor den geöffneten Hahn zu
schalten.
4.3.2. Abmessen von Gasvolumina
4.3.2.1. Das Abmessen von Gasen in Zusammenhang mit dem
pneumatischen Auffangen
Das Prinzip
Soll beim pneumatischen Auffangen das Gas abgemessen werden, so ver-
wendet man graduierte Auffanggefäße. Bei der Wahl der Sperrflüssigkeit ist
dabei zu beachten, dass sich nicht zuviel Gas in der Flüssigkeit löst; die Wahl
des geeigneten Auffanggefäßes richtet sich nach der Menge des abzumessen-
den Gases und der Genauigkeit der Messung (die Messgefäße sind umso ge-
nauer, je geringer der Durchmesser bei der Ablesemarke ist). Da das Volumen
eines Gases stark von Druck und Temperatur abhängig ist, ist beim Abmessen
folgendes zu beachten:
- Beim Ablesen muss das Gas Raumtemperatur haben.
- Die Sperrflüssigkeit muss Raumtemperatur haben.
- Der Innendruck Pi muss dem Außendruck Pa durch Niveauausgleich ange-
passt werden. Hierzu bringt man vor dem Ablesen den Flüssigkeitsspiegel
des Auffanggefäßes und den des Sammelgefäßes durch Herunterholen bzw.
Hochziehen des Auffanggefäßes auf gleiche Höhe (Abb. 4.30, a, b). Oft ist
allerdings nicht möglich, diesen Niveauausgleich vorzunehmen, da beispiels-
weise das Auffanggefäß gegenüber dem Sammelgefäß zu groß ist (Abb.
4.31). Daher ist dies bereits bei der Auswahl der Geräte zu berücksichtigen.
– Nach dem Ablesen muss das Gasvolumen auf Standardbedingungen
umgerechnet werden.
Abb. 4.30° Abb. 4.30b Abb. 4.31
Die Gasmessapparaturen
- Messzylinder, Gasmessrohre
Beim pneumatischen Auffangen werden zum Abmessen Messzylinder oder
für kleinere Gasmengen Gasmessrohre verwendet.
– Gasmessglocke
Die unter 4.3.1.1. beschriebene Gasglocke (Gasometer) gibt es auch mit
Skaleneinteilung, so dass sie zum Abmessen von Gasvolumina benutzt wer-
den kann. Da die Glocke im Sammelgefäß schwimmt, stellt sich der Niveau-
ausgleich selbst ein (am bekanntesten ist die Müllersche Gasmessglocke).
– Gasbürette
Die Gasbürette funktioniert nach dem Prinzip der Gassammelgefäße mit Ni-
veaugefäß (Abschnitt 4.3.1.1.). Um die Genauigkeit der Messung zu erhö-
hen, haben die Gefäße jedoch einen geringeren Durchmsser. Zum Niveau-
ausgleich bringt man den Flüssigkeitsspiegel des offenen Sammelgefäßes
auf gleiche Höhe mit dem des Auffanggefäßes (Abb. 4.32.).
Abb. 4.32
4.3.2.2. Gasmessapparaturen ohne Sperrflüssigkeit
Der Kolbenprober
Neben dem Abmessen von Gasen im Zusammenhang mit dem Auffangen über
Sperrflüssigkeiten gibt es auch Geräte, die ohne Sperrflüssigkeit arbeiten. Der
wichtigste Vertreter ist der Kolbenprober. Er besteht aus einer graduierten Glas-
hülse mit Ansatzrohr und einem eingeschliffenen Kolben. Um zu gewährleisten,
dass der Kolben gasdicht schließt, dürfen die Kolben nicht untereinander aus-
getauscht werden. Vor der Benutzung sind Kolbenprober außerdem auf ihre
Dichtheit zu prüfen, was folgendermaßen geschieht:
- Man zieht ein Gasvolumen ein, so dass der Kolben fast bis zum letzten Ska-
lenteil steht. Dann wird der Hahn geschlossen, der Kolbenprober senkrecht
eingespannte und die Volumenänderung beobachtet. Das Volumen darf sich
höchstens um 0,2 – 0,4 cm pro Minute verändern.
- Weiterhin zieht man ein beliebiges Gasvolumen ein, schließt den Hahn, zieht
den Kolben etwas heraus (bzw. drückt ihn etwas herein) und kontrolliert, ob
der Kolben beim Nachlassen des Druckes wieder in die Ausgangsstellung
zurückgeht (Vorsicht, dass der Kolben nicht herausschnellt).
Weiterhin ist beim Kolbenprober zu beachten:
- Der Kolbenprober darf nicht gefettet werden.
- Kolbenprober werden mit speziellen Klammern genau waagerecht einge-
spannt.
- Der Kolben muss beim Anschluss an eine Apparatur gegen plötzliche
Gasentwicklung gesichert sein, damit er nicht herausschnellt.
- Die Klammerung darf nicht zu fest angezogen werden, so dass der Kolben
noch frei rotieren kann.
- Kolbenprober dürfen beim Abmessen nicht mit der Hand erwärmt werden.
Hat man die Apparatur vorher erhitzt, so ist darauf zu achten, dass der Kol-
ben beim Ablesen wieder Raumtemperatur hat (eventuell Kolben mit Wasser
abkühlen).
Nähere Informationen über Funktionsweise und Behandlung des Kolbenprobers
z. B. in R. Böse, M. Schmidt, a.a.O.
4.3.3. Aufbewahren von Gasen
4.3.3.1. Das Prinzip
Soll das Gas für spätere Untersuchungen aufbewahrt werden, so sind solche
Auffangvorrichtungen zu wählen, die auch gleichzeitig zum Aufbewahren ver-
wendet werden können. Von daher unterscheidet man analog dem Auffangen
beim Aufbewahren von Gasen zwischen Aufbewahren über Sperrflüssigkei-
ten und Aufbewahren ohne Sperrflüssigkeiten. Zu beachten ist außerdem, ob
das Gas nachher portionsweise entnommen werden soll oder nicht, so dass
man sich zwischen Auffanggefäßen mit oder ohne Hahn entscheiden muss.
4.3.3.2. Gefäße zum Aufbewahren von Gasen über Sperrflüssigkeiten
– Standzylinder mit Glasplatte (keine Dosierungsmöglichkeit)
– Gas(mess)glocke
– Gasbürette
4.3.3.3. Gefäße zum Aufbewahren von Gasen ohne Sperrflüssigkeit
– Kolbenprober (mit Hahn)
– Kühlfalle
4.3.3.4. Aufbewahren von Gasen unter Druck
Neben den beiden oben beschriebenen Arten der Aufbewahrung gibt es noch
eine dritte Möglichkeit zur Vorratshaltung, wie sie bei den Druckgasflaschen
angewandt wird. Die Gase werden unter hohem Druck in Stahlflaschen zusam-
mengepresst, aus denen man sie über spezielle Ventile portionsweise entneh-
men kann (� Näheres siehe Druckgasflaschen Abschnitt 4.5.).
4.4 Vernichten von überschüssigen Gasen
Das Vernichten von Gasen spielt eine Rolle, wenn das Auskondensieren eines
Gases nicht quantitativ erfolgt und das Gas giftig ist. Die Verfahren lassen sich
in ihren Einzelheiten auf das Reinigen von Gasen zurückführen, in dem man das
zu vernichtende Gas als Verunreinigung ansieht. Alle in Abschnitt 4.2.1. ange-
sprochenen Probleme sind übertragbar. Zu beachten ist nur, dass die Vorrich-
tung für das Vernichten des Gases nicht vor sondern nach der Auffangvorrich-
tung eingebaut wird.
Beispiel:
Die nachfolgende Abb. 4.33. zeigt, wie nicht auskondensiertes SO2 in einer
Vorlage unschädlich gemacht wird. (Das SO2 wurde vorher aus Kupferspänen
und konzentrierter Schwefelsäure entwickelt und zum Trocknen durch konzent-
rierte Schwefelsäure geleitet.)
Abb. 4.33.
Als Vernichtungsmittel für das SO2 dient eine alkalische Lösung. Damit durch die
Vorlage keine Feuchtigkeit einkondensiert, wurde ein Trocken-U-Rohr mit P4O10
dazwischengeschaltet. Das Trockenrohr vor der Kühlfalle dient zum Entweichen
des Luftvolumens.
Gasfreispülen der Apparatur
Nachdem die Gasentwicklung beendet ist, wird die Kühlfalle mit dem Trocken-
rohr aus der Apparatur genommen, und die restlichen Teile werden wieder zu-
sammengesetzt. Anschließend nimmt man den Stopfen aus dem Tropftrichter
und öffnet den Hahn des Tropftrichters. In die Stopfenhülse wird ein Schlauch
geschoben, der an die Pressluft angeschlossen wird. Durch vorsichtiges Öffnen
der Pressluft werden die Gasreste aus der Apparatur in die Vorlage gespült.
4.5 Druckgasflaschen
Zur Vorratshaltung im Chemielabor sind einige Gase in Stahlflaschen zu bezie-
hen. Die Gase stehen unter einem Druck bis zu 200 bar und liegen entweder in
verflüssigter oder in komprimierter Form vor (siehe Tabelle 4.6.). Um Verwech-
selungen zu vermeiden, sind die Stahlflaschen ihrem Inhalt entsprechend mit
charakteristischen Farben gekennzeichnet. Die Stahlflaschen kommen mit ei-
nem Flaschenventil in den Handel, das für den Transport mit einer Ventil-
schutzkappe versehen ist. Zur Gasentnahme wird seitlich an das Flaschenventil
zusätzlich das entsprechende Reduzierventil angeschraubt, mit dem man den
Flaschendruck von ca. 200 bar auf einen Betriebsdruck von ca. 0-15 bar herab-
mindern kann. Für jeden Gastyp ist ein eigenes Reduzierventil zu verwenden.
Um Unfälle zu vermeiden, ist auf den Ventilen der Gastyp eingestanzt. Außer-
dem sind die Ventile bei Flaschen, die brennbare Gase enthalten mit einem
Linksgewinde versehen (andere haben Rechtsgewinde). Die nachfolgende Ta-
belle gibt eine Übersicht über die gebräuchlichsten Gase in Stahlflaschen sowie
deren Kennzeichnung.
Gas Kennfarbe Gewinde Gaszustand
H2
O2
N2
CO2
NH3
SO2
Cl2
rot
blau
grün
grau
grau
grau
grau
links
rechts
rechts
rechts
rechts
rechts
rechts
gasförmig
gasförmig
gasförmig
flüssig
flüssig
flüssig
flüssig
Tab. 4.6.
4.5.1. Handhabung von Druckgasflaschen
4.5.1.1. Handhabung von Druckgasflaschen mit Druckminderventil (Redu-
zierventil mit 2 Manometern)
Abb. 4.34. zeigt den oberen Teil einer Druckgasflasche mit dem Flaschenventil
(1) und dem Druckminderventil. Das
Druckminderventil besteht aus dem ersten
Manometer (2), das den Flaschendruck
anzeigt, und der Stellschraube (5), mit der
man den Arbeitsdruck einstellt, der dann
auf dem zweiten Manometer (3) angezeigt
wird. Die Entnahme erfolgt
über das Absperrventil (4)
Abb. 4.34.
Gasentnahme
- Überprüfen, ob
-- das Absperrventil (4) geschlossen ist
-- die Stellschraube (5) herausgedreht ist (Gas kann dann noch nicht in die
Druckminderkammer)
- Flaschenventil (1) langsam öffnen. (Fülldruck wird am ersten Manometer (2)
angezeigt)
- Stellschraube (5) soweit nach rechts (Uhrzeigersinn) drehen, bis das zweite
Manometer (3) den gewünschten Verbrauchsdruck anzeigt (das Gas strömt
in die Druckminderkammer). Der Arbeitsdruck sollte bei ca. 1-2 bar liegen.
- Druckgasflasche mit der Apparatur verbinden. (Gasstrom vorher zur Kon-
trolle durch einen Blasenzähler teilten. Falls eine Waschflasche benutzt wird,
Sicherheitswaschflasche einbauen, Abschnitt 4.1.7.2.).
- Gasstrom mit dem Absperrventil (4)in der gewünschten Stärke einstellen.
- erforderlichen Arbeitsdruck mit der Stellschraube (5) nachregulieren.
Abstellen des Gasstromes
- Flaschenventil (1) schließen und warten bis beide Manometer auf Null
zurückgegangen sind.
- Stellschraube 85) herausdrehen.
- Absperrventil (4) schließen.
- Schlauchverbindung von der Apparatur lösen.
Soll allerdings sofort mit dem Abstellen der Druckgasflasche der Gasstrom in die
Apparatur unterbrochen werden, so ist folgende Reihenfolge einzuhalten:
- Absperrventil (4) schließen.
- Flaschenventil (1) schließen.
- Schlauchverbindung zu Apparatur lösen.
- Absperrventil (4) wieder öffnen.
- wenn beide Manometer auf Null sind, Stellschraube (5) herausdrehen.
- Absperrventil (4) schließen.
4.5.1.2. Handhabung von Druckgasflaschen mit Nadelreduzierventil
Abb. 4.35
Gasentnahme
- Überprüfen, ob Nadelreduzierventil (2) geschlossen ist.
- Flaschenventil (1) langsam öffnen.
- an Apparatur anschließen (unbedingt Blasenzähler verwenden).
- Nadelventil vorsichtig öffnen.
Abstellen des Gasstromes
- Nadelventil (2) schließen.
- Verbindung zur Apparatur lösen.
- Flaschenventil (1) schließen.
- Nadelventil kurz öffnen, damit der Restdruck entweicht.
Über Bau und Funktionsweise der Ventile lesen Sie zusätzlich in Krume, a.a.O.,
Bd. 2.
4.5.2. Sicherheitsmaßnahmen
Zur Vermeidung von Unfällen sind beim Arbeiten mit Druckgasflaschen folgende
Sicherheitsmaßnahmen unbedingt einzuhalten:
- Stahlflaschen dürfen nur stehend aufbewahrt werden.
- Stahlflaschen sind gegen Umfallen mit Ketten oder Schellen zu sichern.
- Um Erschütterungen zu vermeiden, sind Stahlflaschen nur mit einem Fla-
schenkarren zu transportieren.
- Druckgasflaschen dürfen nicht der Wärme (Heizung, Sonne) ausgesetzt
werden (Gefahr des Zerplatzens durch Überdruck).
- Um Verwechselungen zu vermeiden, ist auf die entsprechende Kennzeich-
nung zu achten.
- Für jede Flasche ist ein eigenes Ventil zu benutzen.
- Ventile sind vorsichtig und nicht mit Gewalt zu öffnen.
- Sauerstoffventile dürfen nicht mit Fett, Öl, Leder oder Gummi in Berührung
kommen.
- Die richtige Reihenfolge bei der Gasentnahme und beim Abstellen des
Gasstromes ist einzuhalten.
4.5.3. Herstellen von Kohlendioxidschnee aus einer Kohlendioxidbombe
Anleitungen dazu entnehmen Sie beispielsweise aus:
Stapf-Rossa, a.a.O.
oder
Flörke-Flohr, a.a.O.
andere Schulversuchsbücher
