Nitrate Experimentalvortrag

Experimentalvortrag

zum Thema

Nitrate

Gliederung

1. Einleitung

2. Darstellung früher – heute 3. Nachweis

4. Verwendung von Nitraten

5. Schulrelevanz

• Nitrat = Salz der Salpetersäure (HNO₃)

• meist gut wasserlöslich

• Lösung ist farblos (sofern Kation farblos)

• Struktur: nicht

sondern

N O

O

O

O O O

1. Einleitung

• Einsatz von Schwarzpulver: Bedarf an Kaliumnitrat steigt

• Verwendung zum Pökeln seit dem Mittelalter

• Problem: natürliche Vorkommen von Salpeter (von lat.:

sal petrae = Felsensalz) in Europa gering

Darstellung früher

• Entdeckung: Ca(NO₃)₂ an Kalkwänden in Viehställen

• später: Anlegen von Salpetergärten oder -gruben

Versuch 1:

Nachweis von Nitrat in Schweinestall-Putz

2. Darstellung früher

Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen

2. Darstellung früher

• Nitrifikation:

     

         

     

3 4

3 0 3 2 2

4 2 2 2

3 2 0 5 2

2 2 3

2 3 2 4 2

2 2

g aq aq

aq g aq aq l

aq g aq

Nitrosomas Nitrobacter

NH H NH

NH O NO H H O

NO O NO

 

   

  

   

 



  





      

      

      

       

• Bildung Calciumnitrat

     

 

3 _aq 2 3 _aq 2 _aq 3 2 _aq 2 _g 2

CaCO  NO^  H^  Ca NO CO  H O

Ca(NO ) -Ausblühungen

• Umwandlung mit Pottasche (K₂CO₃ ):

• Eindampfen der Lösung liefert KNO3

2. Darstellung früher





Ca NO  K CO     ^ CaCO   KNO

Darstellung heute

• 1900: Ostwald-Verfahren („Ammoniak-Verbrennung“)

2. Darstellung heute

Wilhelm Ostwald

Versuch 2:

Ostwald-Verfahren

• mögliche Produkte: N₂O, N₂, NO_2, NO

• erwünschte Reaktion ( ):

 kurze Verweilzeit am Katalysator (~10^-3 s)

2. Darstellung heute

       

3 1 0 2 2 2

3 2 2 /

, 600 700

4

5

4

6

Pt C

NH

 O                  

NO  H O

908,9

H kJ

  

      

 

     

     

     

2 2 0 4 2

2 2

4 2 5 2 3 2

2 2 3 2

3 5 2

2 3 2

2 0 4 2

2 2

2 2

2

3 2

2 2

g g g

farblos

aq aq aq

aq aq aq

g g g

braun

NO O NO

NO H O HNO HNO

HNO HNO NO H O

NO O NO

   

     

  

  



 

 











• Umsetzung zu Salpetersäure:

2. Darstellung heute

• Zerstörung Nitrit für Nitrat-Nachweis:

         

3

3 0

2 2 aq 2 aq aq 2 4 aq 2 g 2

H N SO^  OH  NO^{ }  H ^  H SO  N  H O

• Darstellung von Nitraten:

Salpetersäure + Metall oder -oxid/-hydroxid/-carbonat Bsp.

         

2 3 _s 2 3 _aq 2 3 _aq 2 _g 2 _l

K CO  HNO  KNO CO  H O

• Schema: Nitrat-Darstellung heute

2. Darstellung heute

2 2 2 2 2

0 3 2 4 5

,

2 3 2 3

H O O O H O

Haber Bosch Ostwald

N ^_  NH^ ^ NO^ ^  NO^ ^  HNO^

industrielle Anlage zur HNO₃-Produktion NH₃-Verbrennung

Nachweis von Nitrat

• Ringprobe

• mit Lunges Reagenz (nach Reduktion zu Nitrit)

3. Nachweis

Versuch 3a:

Nachweis von Nitrat

mit der Ringprobe

Versuch 3b:

Nachweis von Nitrat mit Lunges Reagenz

3. Nachweis

• Ringprobe

           

 

   

 

   

 

2 5 3 2

2 3

3 2

2 2

2 2 3 1

2 6 2 5 2

3 4 3 2

( )

braun

aqa aq aq aq aq l

aq l

aq aq

Fe NO H Fe NO H O

Fe H O NO Fe H O NO H O

   

   

 

   

   

     

   

   





• Lunges Reagenz

1) Reduktion Nitrat zu Nitrit

2) Bildung des Nitrosyl-Kations

3. Nachweis

       

5 0 3 2

2

3 _aq 2 _aq 2 _{aq aq} 2

NO^{ }  Zn  H^  NO^{ }  Zn^{ }  H O

N O

O H⁺ N

O

OH H⁺

N O

O H

H

O H₂

N O

N O

Nitrosyl-Kation

3) Diazotierung

HO₃S

N H

H

+

N

O HO₃S

N H

H N O

H⁺

HO₃S

N H

N O

H⁺ H⁺

HO₃S

N N OH H⁺

HO₃S

N N O H H

O H₂ HO₃S

N N

Diazonium-Ion

4) Azokupplung

3. Nachweis

HO₃S

N N

+

N H H

N N HO₃S

N H H H

H⁺

N N HO₃S

N H H

(violett) Azofarbstoff

NO 3 ^

Pökelsalz

Dünger

Sprengstoff

Kältemischungen Feuerwerk

Verwendung von Nitraten als Dünger

• Düngung = Zufuhr von Pflanzennährstoffen zur Ertrags- und Qualitätssteigerung von Nutzpflanzen

• Nitrat: Stickstoffliefernde Komponente

• z.B. als Kalkammonsalpeter (NH₄NO₃ mit ca. 22 % Kalk)

4. Verwendung von Nitraten

Kalkammonsalpeter

Demo 1:

Düngung mit und ohne Nitrat

• Überdüngung problematisch:

 Eutrophierung, N2O-Emissionen, Trinkwasserbelastung

• Grenzwert Nitrat im Trinkwasser in Deutschland:

50 mg/L

4. Verwendung von Nitraten

Dümmer See im Südoldenburger Land

(„Schweine-Gürtel“)

Demo 2:

Nachweis von Nitrat im Trinkwasser

4. Verwendung von Nitraten

Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen

• Nitrat: Metabolisierung im Körper durch Bakterien (Mundhöhle, Magen-Darm u.a.) zu Nitrit

4. Verwendung von Nitraten

   

5 3

3 2

.

aq aq

z B Coryne Bakterien

NO^{ }                     ^ NO^{ }

Demo 3:

Nachweis von Nitrit im

Speichel

• Nitrit gesundheitlich bedenklich, weil:

1) Bildung von Nitrosaminen (viele sind cancerogen)

4. Verwendung von Nitraten

N H

R² R¹

+ ^N

O R¹ N

R² H

N O

H⁺

N R¹

R² N

O

sek. Amin

Nitrosamin

2) Oxidation des Hämoglobins (Hb) zu Methämoglobin (MetHb) ( )

 MetHb nicht mehr zum O₂-Transport fähig

(Säuglinge: Enzymkonzentration für Reaktion MetHb zu Hb gering)

2 Ox. 3

Fe ^      Fe ^

Verwendung von Nitraten als Pökelsalz

• Kaliumnitrat (E 252) zum Pökeln seit dem Mittelalter

• Konservierung durch wasserentziehende Wirkung, Hemmung des Bakteriums „Clostridium botulinum“

(Botulinustoxin)

4. Verwendung von Nitraten

Salpeter zum Pökeln

• heute: nicht Nitrat entscheidend beim Pökeln, sondern Nitrit

• daher heute Pökelsalz nicht nitrathaltig, sondern direkte Verwendung von Nitrit

• neben Konservierung: ansprechende rosa Farbe

Versuch 4:

Umrötung von Fleisch

4. Verwendung von Nitraten

• Ascorbinsäure reduziert Nitrit:

• Ascorbinsäure Hilfsstoff: Hemmung Nitrosaminbildung

       

+3 2

2 2

. _aq 2 _aq 2 2 _aq . _aq 2

Asc Säure  NO^  H ^  NO^  Dehydroasc Säure  H O

• Bildung von Stickoxidmyoglobin, Erhitzen

4. Verwendung von Nitraten

O₂

NO NO

Protein Protein

denaturiertes denaturiertes

Protein Protein



(grau-braun) (rosa)

 Ox.

+ NO

O H₂

Fe²⁺ Fe²⁺

Fe²⁺

Fe³⁺

Verwendung von Nitraten als Kältemittel

• einige Nitrate lösen sich endotherm in Wasser

 Eignung als Kältemittel

(z.B. Einmal-Kältepack für Sportverletzungen)

Versuch 5:

Selbstbau eines Kälte-Packs

4. Verwendung von Nitraten

H

H_Gitter

H_Gitter HSolvatation HSolvatation

H_Lösung<0

H_Lösung>0

exothermer endothermer

Energieschema Lösungsvorgang

• endothermer Lösungsvorgang

 Lösung kühlt sich ab

Hydratation:

hier:

4. Verwendung von Nitraten

 

   

4 3 4 3

4 3 4 3

1) " " " "

2) " " " "

s

aq aq

NH NO NH NO

NH NO NH NO

 

   



 





Lösung Solvatation Gitter 0

H H H

     

• Reaktion ist exergonisch (d.h. ΔG<0):

• Triebkraft der Reaktion: Zunahme der Entropie

 

0 0

0

G H T S S

 

     

  

Verwendung von Nitraten als Oxidationsmittel/Pyrotechnik

• Nitrat in Salzform bzw. in Schmelzen gutes Oxidationsmittel

• Anwendungen: Schwarzpulver, Pyrotechnik

4. Verwendung von Nitraten

Schwarzpulver

Versuch 6:

Oxidation von Holzkohle

durch eine KNO

-Schmelze

• Reaktionsgleichung

4. Verwendung von Nitraten

         

5 0 4 4 0

3 2 2 3 / . 2

4 KNO

 5 C

 3 CO

 2 K CO

 2 N

Holzkohle in KNO_3(l)

Versuch 7:

„Knallpulver“

• Reaktionsgleichungen (schematisch)

4. Verwendung von Nitraten

 

 

 

   

     

2 0 2/ 2 2 0

2 3 2 2 2 3 2 2

" " / .

5 2/ 3 2

3 / . / . 2 / .

12

4 _l 2 _{l x}^x, 4 _{g g}

Schwefelleber l solv x

l solv x l solv l solv

K CO x S K S K S O CO O

NO S NO

   

  

  

   



 

 _{ }

         

+2 2 2

2 3 / .

3 +2 2 6 0 2

2 2

2 / . 2 3 / . 4 / . 2

l solv ...

l solv l solv l solv g g

Explosion

S O

NO S O SO N NO

 

   

  

 

             

...

• Wirkung des Pulvers nur bei langsamen Erhitzen (Bildung von „Schwefelleber“)

• Entzündung: nur unvollständiger Abbrand

• Abbrandgeschwindigkeit Schwarzpulver: ca. 400 m/s, Abbrandgeschwindigkeit „Knallpulver“: 1200-3200 m/s

 Detonation (Geschwindigkeit >1000 m/s)

Verwendung von Ammoniumnitrat als Sprengstoff

• Ammoniumnitrat als Sprengstoff

• Verwendung z.B. im Bergbau

• kräftige Initialdetonation kann zur Detonation von NH₄NO₃ ausreichen

4. Verwendung von Nitraten

• Krater: 125 m Länge, 90 m Breite, 19 m Tiefe

• 500 Tote, 7000 Obdachlose

• Explosionsknall bis Frankfurt a.M. hörbar (80 km entfernt)

• Versuch, ca. 4500 t Ammonsulfatsalpeter (2 NH₄NO₃∙(NH₄)₂SO₄) mit Dynamit „loszusprengen“

4. Verwendung von Nitraten





3 5 4 0

4 3 4 2 4 2 / 2 2

2 _s Initial-Impuls 8 _{g l g} 3 _g

NH NO^{ }  NH^ SO                H O  SO^  N

Versuch 8:

„Explosionsartige“

Zersetzung von NH

NO

• Reaktionsgleichung hier:

• Explosion

• langsames Erhitzen

         

3 5 0 4 2

4 3 2 2 2 /

8 NH NO^{ } _s             ^{hohe Temp}. 5 N _g  2 NO^ _g  4 NO^ _g 16 H O _{g l}

4. Verwendung von Nitraten

       

3 5 0 0

4 3 2 2 2 /

2 _s Initial Zündung 2 _{g g} 4 _{g l}

NH NO^{ }                 ^ N  O  H O

     

3 5 1

4 3 _s lansames Erhitzen 2 _g 2 2 _{g l}/

NH NO^{ }                    N O^  H O

Schulrelevanz

• Behandlung alltagsrelevanter Aspekte (Düngung und damit verbundene Probleme, Pyrotechnik,

Lebensmittelkonservierung)

• geschichtliche Zusammenhänge thematisierbar

(militärische Verwendung von Schwarzpulver, Chemie- Katastrophen etc.)

Lehrplanrelevanz nach dem hessischen Lehrplan für Gymnasien (G8)

• 7G: endotherme und exotherme Reaktionen im Alltag

• 9G: Hydratation von Salzen in Wasser, Säuren und Laugen, Aufbau und Funktion von Böden, Düngung

5. Schulrelevanz

• GK/LK12G: Bodenuntersuchungen, Untersuchungen von Düngemitteln, Enthalpie, Entropie, freie Energie,

Nahrungsmittel (Zusatzstoffe, Konservierung)

Das war‘s…

6.Ende