Natriumchlorid (NaCl) oder einfach Kochsalz Experimentalvortrag

Natriumchlorid (NaCl) oder einfach Kochsalz

Fabian Gelies

Sommersemester 2002

Experimentalvortrag

Versuch 1

Darstellung aus den Elementen

Vorbereitung: Entwicklung von Chlorgas

MnO

+ 4 HCl

Mn

+ 2 Cl

+ 2 H

O

+ Cl

Reaktionsgleichung:

2 Na

+ Cl

2 NaCl

+ 822,56 kJ

+ IV - I + II 0

0 0 + I - I

Bezug auf die Elemente

Flammenfärbung:

Na

Na

Na

Δ E = h · ν = h · c / λ Natrium: 589 nm (gelb)

Aufbau der Elektronenhüllen:

Natrium: 1s

2s

2p

3s

Chlor: 1s

2s

2p

3s

3p

Natürliche Oxidationsstufen: Natrium (+ I ) als Na

-Ion

- Δ E Δ

Bezug auf die Elemente

Vorkommen von NaCl:

3,6 · 10

Tonnen gelöst in den Weltmeeren

10

Tonnen in unterirdischen Salzlagern Steinsalz weiterhin in salzhaltiger Kohle und Organismen

Physiologie:

150 bis 300 g in Blut und Gewebesäften

10 bis 15 g tägliche Aufnahme Kochsalz 5 g/kg akut toxische Dosis

0,9 % : “physiologische Kochsalzlösung”

Bezug auf die Elemente

Verwendung von NaCl:

Herstellung fast aller Natrium- und Chlorverbindungen

Gewinnung von NaCl:

Herausbrechen oder Lösen aus Salzlagern Eindampfen von Salzsolen

Verdunsten oder Ausfrieren von Meerwasser

Reinigung von NaCl:

Ausfällung von Verunreinigungen

Fällung von NaCl mittels HCl-Gas

Versuch 2

„Leblanc-Verfahren“

Darstellung von HCl-Gas aus Kochsalz

NaCl

+ H

SO

NaHSO

+ HCl

( NaCl

+ NaHSO

Na

SO

+ HCl

)

20°C

Vollständiger Umsatz erfolgt in zwei Stufen Reaktionsgleichung:

800°C

• Gebräuchliche Labordarstellung (oft mit NH

Cl statt NaCl)

• Moderne HCl - Darstellung in der Technik:

Elementares Chlor wird mit Kohlenwasserstoffen umgesetzt

Versuch 2

„Leblanc-Verfahren“

Nachweis des entstandenen HCl-Gases

Chloridnachweis:

Fällen als Silberchlorid:

Ag

+ NO

+ Cl

NO

+ AgCl

(weiß) Lösen in Ammoniak:

AgCl

+ 2 NH

Cl

+ [Ag(NH

)

]

(farblos)

Säurenachweis:

Farbumschlag der Phenolphthaleinlösung

(violett farblos)

Kristallisation von Kochsalz

Löslichkeit in Wasser:

35,6 g / 100 mL bei 20°C

39 g / 100 mL bei 100°C Foto Uni Siegen

Foto: Dr. E. Becker Uni Siegen

Versuch 3

Kristallisation im Eiltempo

NaOH _(aq) + HCl _(g) H ₂ O _(l) + NaCl _(s)

Reaktionsgleichung:

Reaktionsart: typische Neutralisationsreaktion Relevanz: Entsorgung bei technischen

Prozessen (z.B. PVC - Verbrennung)

Kochsalzkristalle

Würfel (farblos und durchsichtig) Dichte: 2,164 g/cm

Schmelzpunkt: 801 °C Siedepunkt: 1413 °C

Natriumchloridstruktur:

KOZ = 6 (Na

und Cl

)

kubisch flächenzentrierte Anordnung

Fotos: Dr. E. Becker Uni Siegen

Foto Uni Siegen

Kochsalzkristalle

NaCl-Struktur

als SWF-Animation

aus dem elektronischen Unterrichtsmaterial

der Universität Zheng Zhou (VRC)

Kristallstrukturtyp

Radienverhältnis von Kation zu Anion Anionen: Cl

S

N

Kationen:Cs

Na

Zn

B

Tabelle Grenzradienverhältnisse

r

/r

KZ des Kations Anionenanordnung Namengeber (r

/r

)

> 0,73 8 kubisch CsCl (1,13)

> 0,414 6 oktaedrisch NaCl (0,70)

> 0,225 4 tetraedrisch ZnS (0,44)

> 0,155 3 trigonal-planar BN (0,19)

Elektrolyse von NaCl

Wässrige Elektrolyse Vortrag Thomas Decher Schmelzflusselektrolyse:

Elektrodenvorgänge:

Reduktion: 2 Na

+ 2 e

2 Na

Oxidation: 2Cl

Cl

+ 2 e

Redoxreaktion: 2 Na

+ 2 Cl

2 Na

+ Cl

Schema einer NaCl-Elektrolyse- anlage

aus: Chemie für Gymnasien, Berlin (Cornelsen) 1994

Versuch 4

Chlorierendes Rösten von Kupferoxid

Lösung von CuCl

in Wasser: [Cu(H

O)

)]

(hellblau) Versetzen mit Ammoniak: [Cu(NH

)

)]

(tiefblau)

2 CuO

+ 2 NaCl/CaCl

2 CuCl

+ Na

O/CaO

Reaktionsgleichung: Δ

(Schmelze)

Nachweis gelöster Cu

- Ionen:

Übergang vom Kristall zur Lösung

bisherige Versuche: NaCl in kristalliner Form im Weiteren: NaCl in wässriger Lösung

Phänomene beim Lösevorgang

Versuch 5

Kochsalz-Kältemischung

Physikalisch-chemischer Hintergrund:

Lösen von Salz in Wasser Ionen werden aus dem Gitter durch die Wasserdipole „herausgebrochen“.

Ist die freiwerdende Hydratisierungsenergie kleiner als die Gitterenergie, so ist der Lösevorgang endotherm.

1.Kühlungseffekt: Lösungswärme wird aus Umgebung entnommen Abkühlung von Lösung und Gefäß.

Eis ist immer von einer Wasserschicht umgeben.

Eis (fest) + Energie Wasser (flüssig)

Lösevorgang verschiebt Gleichgewicht: Es wird immer mehr Wasser flüssig.

Versuch 5

Kältemischung

Tabelle: Kältemischungen

Salz Zusammensetzung Niedrigste erreichbare

Temperatur (°C)

Harnstoff 10g/100g Eis -10,8

NH₄NO₃ 14g/100g Eis -13,6

NaNO₃ 15g/100g Eis -13

NH4Cl 25g/100g Eis -15,4

NaCl 33g/100g Eis -21,3

Ethanol 105g/100g Eis -30

CaCl2 . 6 H2O 143g/100g Eis -55

KOH 31g/100g Eis -63

Verwendung: Technik (historisch) Labor

Straßenverkehr

Dichte von Kochsalzlösung

Konzentrierte Salzlösung hat höhere Dichte als reines Wasser Problematik: Recycling unterschiedlicher Kunststoffe

Anwendung: Trennung von Kunststoffmüll unter

Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte

Ablauf: 1. Müllgemenge mechanisch zerkleinert

2. Kunststoffteile in Lösung geringster Dichte 3. Kontinuierliches Umwälzen der Oberfläche 4. Absaugen der zum Boden gesunkenen Teile 5. Abgesaugte Kunststoffteile in Flüssigkeit mit nächst größerer Dichte

• Technische Bezeichnung: Schwimm-Sink-Verfahren

20

Demonstration 1

Dichte einer konzentrierten Salzlösung

Kunststoffmüll-Trennung:

Wasser NaCl-Lsg Na

S

O

-Lsg ρ = 1,0 g/cm

ρ = 1,18 g/cm

ρ = 1,4 g/cm

200 800

1000 mL 400 600

200 800

1000 mL 400 600

200 800

1000 mL 400 600

alle

Kunststoffe schwimmen PVC und PET

sinken ab PP schwimmt

PS sinkt ab

Versuch 6a

Korrosionsförderung des Elektrolyten Kochsalz

Unter welchen Bedingungen rostet Eisen?

Bei Gegebenheit der drei notwendigen Korrosionskomponenten:

2. Sauerstoff (Raumluft)

3. Elektrolyt (NaCl-Lösung) 3. Wasser (NaCl-Lösung)

Reaktionsgleichung :

2 Fe

+ O

+ H

O

2 FeO(OH)

= Fe

O

· H

O

Salzlösung ersetzbar durch SO - oder CO -haltiges Wasser

Versuch 6b

Korrosionsförderung des Elektrolyten Kochsalz

Ein Bleistiftspitzer als Lokalelement (Modell der Opferanode)

Große Potentialdifferenz zwischen Stahlklinge (Eisen) und

Leichtmetallblock (Legierung: 97% Magnesium, 3% Aluminium)

Block (Anode): Mg

Mg

+ 2 e

Klinge (Kathode): 2 H

O

+ 2 e

H

+ 2 OH

Rand des Blocks: Mg

+ OH

Mg(OH)

Verwendung:

Korrosionsschutz ( z.B. bei Schiffen oder Heizungsanlagen)

Versuch 6c Salzbatterie

Standardpotentiale ε

Mg Mg

: -2,38V Fe Fe

: -0,44V

Vermeidung der elektrochemischen Korrosion:

- Kontakt der verschiedenen Metalle unterbinden

Osmotischer Druck

Begrifflichkeit

Diffusion einer Flüssigkeit durch semipermeable Membran, welche zwei Flüssigkeiten trennt

Wassermoleküle werden durchgelassen, solvatisierte Ionen nicht

Grundlage: Das Bestreben Konzentrationsunterschiede auszugleichen

osmotischer Druck Biologische Bedeutung

Halbdurchlässige Wände:

- Grenzschichten des Plasmas der Tiere und Pflanzen - Innendruck und Außendruck von Zellen

Demonstration 2 Osmotischer Druck

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Aquarium gefüllt mit

entionisiertem Wasser Schweineblase gefüllt mit

konzentrierter Salzlösung

Demonstration 2 Osmotischer Druck

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Wasser drängt von außen nach innen

Demonstration 2 Osmotischer Druck

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Die Blase ist ausgedehnt und steht unter Druck

Demonstration 2 Osmotischer Druck

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Sticht man nun ein kleines Loch hinein ...

Demonstration 2 Osmotischer Druck

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Abschlussbetrachtung

Die Verbindung NaCl: Alltäglich aber vielseitig vielseitig

Abhandlung im Vortrag: Keinesfalls abgeschlossen Sicher nicht vollständig

Beabsichtigt: Gewichtung des experimentellen Charakters

Daher: - Vielseitige Versuche und Demonstrationen (Feststoff, Lösung, Gasentwicklung)

- Salzschmelze bis Kältemischung - Historie und Zukunftsanwendung

- Fächerübergreifende Einblicke:

(Biologie, Physik, Technologie)

- Vielfältiger Medieneinsatz

Literatur

Internetveröffentlichungen (zur Didaktik der Chemie)

Universitäten Bielefeld und Siegen sowie Kantonsschule Heerbrugg(CH)

Taschenbuch der Chemie (Fachbuchverlag Leipzig)

Schröter, Lautenschläger, Bibrack

Lehrbuch der Anorganischen Chemie (de Gruyter)

Hollemann und Wiberg