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Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

Kohlenstoff

Anorganische Aspekte

eines organischen Tausendsassas

Protokoll zum Experimentalvortrag am 13. Februar 2003

Christian Bärmann Barfüßerstr. 55 35037 Marburg 06421/617362 christian.baermann@t-online.de

Kohlen stoff

Inhaltsübersicht

1. Kapitel: Einführung

Inhalt sübersicht ChristianBärmann

Warum "anorganischer" Kohlenstoff? - Aufbau des Vortrags

2. Kapitel: Das Element

"Technische Daten" - Verteilung des irdischen Kohlenstoffs - Der erste Kontakt - Vl: Boyle-Versuch - V2: Verbrennungsenthalpie

3. Kapitel: Der Elementare Zustand

Modifikation - Zustandsdiagramm - Umwandlungsbedingungen - Der

schaften, Vorkommen, Verwendung

lerene: Bauprinzip, Eigenschaften, Darstellung, Verwendung - Spezial- Kohlenstoffe - Aktivkohle - Adsorption - V4: Entfärbung von Rotwein

4. Kapitel: Die chemischen Eigenschaften

Charakterisierung des Elements - V5: Hochofenprozess - Sauerstoffverbin- dungen - Boudouard-Gleichgewicht - V6: Kohlenmonoxid: Darstellung und Eigenschaften

5. Kapitel: Schlussakkord

Zusammenfassung - Das Thema im Unterricht

Einsatzmöglichkeiten

6. Kapitel: Anhang

Arbeitsvorschriften - Literaturverzeichnis - Sicherheitshinweis

Chemie in der Schule: www.chids.de - 2-

Kohlenstoff

1. Kapitel: Einführung

1.Kapitel: Einführung Christian Bärmann

Kohlenstoff erscheint als Thema eines Experimentalvortrages auf dem Gebiet der anorga- nischen Chemie nicht sehr lohnenswert. Bei näherer Betrachtung jedoch ergeben sich neue Möglichkeiten, wichtige Phänomene anhand des Kohlenstoffs zu demonstrieren. Aus die- ser Überlegung heraus resultieren auch die drei Leitfragen mit denen der "anorganische"

Kohlenstoff bearbeitet werden soll:

1.

Wie kann die experimentelle und theoretische Vorbereitung des Vortrags später in der Schule genutzt werden?

Im Zentrum dieser Frage sollen Ansatzpunkte ermittelt werden, die für den späteren Unterricht als Grundlage dienen können. Eine didaktische Analyse muss aber ausblei- ben, da ein Protokoll im Wesentlichen die praktische Umsetzung von Versuchen er- möglichen soll. Dennoch soll es Wege aufzeigen, die eine weitere Beschäftigung verein- fachen können.

2. Welche Möglichkeiten zur Demonstration wichtiger Eigenschaften des Kohlenstoffs und allgemeiner chemischer Phänomene beinhaltet dieses Thema?

Die Begrenzung auf den Kohlenstoff soll nicht zur Einengung auf eine Elementehernie führen. Während der Vorbereitung wurden auch die experimentelle Demonstration chemischer Prozesse immer mehr bedeu tsam. Als Beispiel sei hier nur die Adsorption an Aktivkohle genannt, die gleichermaßen eine Stoffeigenschaften des Kohlenstoffs und ein physikalischer wichtiger Prozess ist.

3. Gibt es neben den oft verwendeten Versuchen zu Kohlendioxid weitere, die als typisch für den Kohlenstoff gelten können?

Mit dem ersten Herangehen an den möglichen Themenhorizont wurde schnell deut-

lich, dass eine ganze Reihe von Versuchen zum Kohlendioxid ausgearbeitet und teil-

weise schon präsentiert vorlagen. Die Überlegung, neue, zumindest aber andere Ver-

suche in einem Vortrag zu demonstrieren, spielt eine entscheidende Rolle bei der

Auswahl der Versuche.

Kohlenstoff 1.Kapitel: Einführung ChristianBärmann

Die Festlegung auf die "anorganische Seite" des Kohlenstoffs kann nur partiell als feste Grenze bestehen bleiben, da die einzelnen Aspekte nur mehr oder weniger gut in organi- sche oder anorganische Chemie eingeordnet werden können. Während sich die ersten As- pekte Diamant und Graphit noch gut der Anorganik zuordnen lassen, zeigen bereits die Fullerene "organische" Eigenschaften, die sich auch im Bereich der Spezial-Kohlenstoffe finden lassen. Sie sind fast durchgängig aus organischen Materialien darstellbar, so dass eine prinzipielle Festlegung im Vortrag unzweckmäßig erscheint. Der Hinweis, dass es sich bei der Trennung in anorganische und organische Aspekte hauptsächlich um eine Abgrenzung von Arbeitsfelder handelt, wird auch im letzten Teil des Vortrags deutlich.

Dort werden auf anorganischem Weg Stoffe wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid dar- gestellt (bzw. sie fallen als Nebenprodukt an), die auch in der Biosphäre produziert wer- den.

Chemie in der Schule: www.chids.de - 4-

Kohlenstoff 2.Kapitel: Das Element Christian Bärmann

2. Das Element

Kohlenstoff besitzt die Elektronenkonfiguration 1s

2s

2p

hat also sechs Elektronen, von denen vier als Valenzelektronen zur Bindung zur Verfügung stehen. Seine molare Masse beträgt 12,011 g. Es existieren drei Isotope des Kohlenstoffs: 12C macht mit 98,89% den Hauptanteil aller Kohlenstoffatome aus. Mit 1,10% hat 13e zwar den geringeren Anteil, ist aber trotzdem für die chemische Analyse bedeutend. Er wird als NMR-aktive Atomsorte insbesondere zur Strukturaufklärung in der organischen Chemie eingesetzt. Das dritte Isotop J4C ist radioaktiv und ein W-Strahler. Es hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren und kann dadurch für Altersbestimmungen eingesetzt werden. In lebenden Organismen

1,11%

98,89%

steht der J4C - Gehalt im Gleichgewicht mit der Umgebung. Stirbt der Organismus sinkt der Gehalt, da ein Austausch mit der Umgebung nicht mehr erfolgt. Anhand des Abbaugrades kann man den Todeszeitpunkt und damit das Alter bestimmen. In der Natur entsteht das radioaktive Isotop, wenn kosmische Strahlung auf die Stickstoffatome der Atmosphäre trifft und ein Kernproton abgespalten wird. In der Medizin kann es zur Markierung von Kohlenstoffatomen eingesetzt werden.

Betrachtet man die Verteilung des Kohlenstoffs auf der Erde, stellt man fest, wie unter- schiedlich die Mengen verteilt sind. Kohlenstoff ist in jedem der vier differenzierten Erd- bereiche zu finden: In der Lithosphäre kommt er insbesondere in der Form der Carbonate, aber auch elementar als Graphit und Diamant vor. In ihr ist die größte Menge mit 2,9 x 10

Tonnen an Kohlenstoff vorhanden. In der Hydrosphäre (2,7 x 10

und Atmosphäre (6,7 x 10

kommt Kohlenstoff vorwiegend als Kohlendioxid vor

Sie machen zusammen nur etwa ein Tausendstel der in der Lithosphäre vorhandenen Menge an Kohlenstoff aus.

Die Menge, die in der belebten Welt, der Biosphäre gebunden ist, ist gegenüber der

Kohlenstoff 2.Kapitel: Das Element Christian Bärmann

thosphäre noch geringer (2,7 x 10t). Das Verhältnis von "anorganisch" zu "organisch" ge- bundenen Kohlenstoff ist 100.000 zu

Nur ein Hunderttausendstel allen irdischen Koh- lenstoffs ist in lebenden Organismen gebunden.

Wie man auf der Karte sieht, ist die Kohlenstoff-Konzentration von den Vegetationsberei- chen auf der Erde abhängig. Je dunkler die Grüntöne sind, desto größer ist der Anteil ge-

Kreisläufe transformieren den bundenen Kohlenstoffs. Auch

einzelnen Sphäre der Erde na- türliche Übergänge gibt. Die hier muss darauf hingewiesen werden, dass es zwischen den

und wieder zurück.

anorganische gebundenen Koh- lenstoff in organisch nutzbaren

\.

J

J

.' ;

t

Die

schen zurück. In dem Moment, in dem das Feuer in das Leben der Menschen getreten war, gehörte auch der Kohlenstoff in seinen vielfältigen Erscheinungsformen zur menschlichen Existenz. Natürlich war es hier zunächst der organisch gebundene Kohlenstoff, der das Leben hell und warm machte. Die Menschen damals wussten nicht, dass das Leuchten einer Flamme bei der Verbrennung von Holz auf unverbrannten Kohlenstoff zurückzu- führen ist, der in der Verbrennungshitze zu glühen beginnt. Dieses Phänomen soll im ers- ten Versuch demonstriert werden. Genauso wichtig wie das Licht ist aber die Wärme. Die Erfahrung der Menschen, dass die Reste eines Feuers nach dem Erlöschen der Flamme noch weiter glühen und dabei Wärme abgeben, steht im Mittelpunkt des zweiten Ver- suchs.

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Kohlen stoff 2.Kapitel:DasElement ChristianBärmann

CO

c

+

Der

eine sehr anschauliche Art, Kohlenstoff zu verbrennen. Dazu wird ein mit Sauerstoff gespülter Rund- kolben benutzt, in dem sich am Boden reiner Kohlenstoff be- findet. Am besten eignet sich hier gekörnte Aktivkohle, die mit Hilfe eines Bunsenbrenners bzw. einer Heißluftpistole erhitzt wird. Sobald die ersten Körner zu glühen beginnen, schüttelt man den Rundkolben ohne weiter zu erhitzen. Die restlichen Kohlenstoffpartikel glühen heftig auf und verbrennen in der

Sauerstoffatmosphäre. Da bei den ablaufenden Reaktionen Gase entstehen, wird zum Druckausgleich ein Absaugstück mit Luftballon aufgesetzt.

Bei dem Versuch laufen folgende Reaktionen ab: Der Kohlenstoff wird mit dem elementa- ren Sauerstoff umgesetzt. Die Reaktion ist aufgrund der niedrigen Temperatur begünstigt.

~

Daneben laufen partiell noch die beiden folgenden Reaktionen ab: Kohlenstoff wird nicht vollständig verbrannt und reagiert mit dem Sauerstoff nur zu Kohlenmonoxid. Dieses wird mit weiterem Sauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert.

2 C

+ 2 CO

2 CO

2 CO

Im zweiten Versuch wird der Wärmeaspekt des Kohlenstoffs quantitativ betrachtet. Dafür

wird in einern vereinfachten Kalorimeter ein Stück vorher ausgeglühte Holzkohle in ei-

nern kontinuierlichen Sauerstoffstrom verbrannt. Das Kalorimeter besteht aus drei Teilen,

die ineinander angeordnet sind. Die Brennkammer im Zentrum ermöglicht eine elektri-

sche Zündung der Holzkohle. Die Verbrennung im Schälchen aus Quarzglas wird hier

durch den durchstreifenden Sauerstoffstrom unterhalten. Das Kupferrohr, die spiralför-

mig um die Brennkammer geführt wird, dient zum Wärmeaustausch. Die heißen Verbren-

nungsgase werden durch die Kupferspirale abgeführt und geben so ihre Wärme an das

Kalorimeterwasser ab, das sich im isolierten Becherglas befindet.

Kohlenstoff 2.Kapitel:Das Element ChristianBärmann

Nach dem Start der Verbrennung wird alle 30 Sekunden die Was- sertem peratu r aufge- zeichnet. Die Auswer- tung, die im Vortrag einige Minuten später

Berechnung der molaren Verbrennungsenthalpie

1. Messwerte - Ermittlung der maximalen Temperaturdifferenz b.T

=

2. Berechnung der Wärmekapazität des Kalorimeters

3. Berechnung der molaren Verbrennungsenthalpie

LlH mOI

= -

Das Ergebnis des Versuchs mit -378,2 kj/mol liegt mit einer Abweichung von nur - 3,9%

über den Erwartungen, da sich in der Vorbereitung Abweichung von 5-10% eingestellt hatten. Die gesamte Rechnung ist im Anhang zu finden.

Chemie in der Schule: www.chids.de - 8-

Kohlenstoff 3.Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann

3. Der elementare Zustand

Kohlenstoff kommt in fünf Modifikationen vor, von denen vier in der Natur nachgewiesen sind. Der Elementcharakter ist

anhand des Graphits 1779 erst- mals durch Lavoisier festgestellt worden. Nur siebzehn Jahre spä- ter, 1796, konnte Tennant den

Diamanten als weitere reine Form des Kohlenstoffs identifizieren.

1985 wurde eine weitere Modifikation von Kroto, Smalley und Curl entdeckt. Die Fullere- ne, die die reinste Form des Kohlenstoffs darstellen, sind genau genommen nur der Überbegriff für eine Vielzahl weiterer Modifi-

~c- c~

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C c

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c----.c=c-...c

kationen. Die Entdeckung war eher zufäl-

lig. Während der Suche nach einem Syn- theseweg für die vierte Kohlenstoffmodi- fikation wurden die Fullerene entdeckt.

Erst 1991 konnte die gewünschte vierte Modifikation synthetisiert

werden. Es handelt sich dabei um Verbindungen, die sich durch konjugierte Dreifachbin- dungen auszeichnen und ringförmig vorliegen. Die fünfte Modifikation des Kohlenstoffs wurde 1968 in Baden-WürUemberg bei einer Bohrung im Nördlinger Ries entdeckt. Dort fand man ein weißes Mineral, das aus reinem Kohlenstoff besteht. Der Chaoit, über seine Struktur ist bisher nichts bekannt, soll bei einem Meteroiteneinschlag entstanden sein, der auf graphithaltiges Gestein einwirkte.

Das Zustandsdiagramm des Kohlenstoffs, ein Druck-Temperatur-Diagramm, zeigt, dass

Graphit die bei Normaldruck stabile Modifikation ist. Bei einer Temperatur von 3750

und einem Druck von 127 bar geht er in die flüssige Form über. Der Dampfdruck ist hier

bereits erheblich, so dass nur am unteren Rand der Druckskala gasförmiger Kohlenstoff

bei Temperaturerhöhung existent ist. Diamant ist die Hochdruckmodifikation des Kohlen-

stoffs. Der Mindestdruck für eine Umwandlung von Graphit in Diamant liegt bei 40 kbar.

Kohlenstoff 3.Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann

Der Tripelpunkt, an dem Diamant, Graphit und Schmelze nebeneinander vorliegen, be- findet sich bei 130 kbar und 3800 "C. Die Umwandlungstemperatur von Diamant zu flüs- sigem Kohlenstoff sinkt bei steigendem Druck. Graphit und Diamant bleiben jenseits der Gleichgewichtslinie metastabil erhalten, so dass Diamanten auch unter Normalbedingun- gen praktisch unbegrenzt erhalten bleiben. Die Umwandlungsbedingungen für Labor und Technik resultieren daraus.

flüssiger Kohlenstoff

500

'i:'co

~ ³⁰⁰ x:Ü

:::l'-

o

100

Graphit

6000

gasförmiger Kohlenstoff

Für die Transformation von Diamant und Fullerenen in Graphit erfolgt bei gleichen Be- dingungen von etwa 1500

höhere Temperaturen von etwa 1700

Technisch realisiert man die Diamantbildung in sogenannten Hochdruck- Hochtemperatur-Pressen, in denen Kohlenstoff in flüssigen Metall gelöst wird und in ei- ner Matrize aus Wolframcarbid unter Druck gesetzt wird.

Ganz im Gegenteil dazu werden die Fullerene in einer Unterdruck-Atmosphäre erzeugt, die aber deutlich heißer wird als bei der Diamantsynthese. Die direkte Umwandlung der Fullerene in Diamanten scheint in Zukunft ein weiterer Weg zur Diamantsynthese zu werden. Anstatt der hohen Temperaturen bei der Graphit-Diamant-Umwandlung kann diese Umwandlung schon bei Raumtemperatur unter höherem Druck erfolgen. Die Dar- stellung der Fullerene aus Diamanten wurde bisher nicht beobachtet.

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1800°C (53 -100 kbar) I ^{Graphit I}

Kohlenstoff

I ^{Diamant I}

3. Kapitel: DerElementare Zustand

1500°C (1 bar) ..

ChristianBärmann

?

20°C

(150 kbar)

2700°C (150 rnban

1500°C (1 bar)

I ^Fulleren

Im Diamant, die Hochdruck-Modifikation des Kohlenstoffs, sind alle C- Atome sp3-hybridisiert. Das bedeutet, dass jedes Atom von vier weiteren tetraedrisch umgeben ist. Die Bindungslänge

beträgt 154 pm, das entspricht einer C-C- Einfachbindung. Die Schichtfolge ist

mit einem Schichtab- stand von 205 pm. In diesem Koordinationsgitter sind die ge- wellten Schichten, die eine Sesselform besitzen, kovalent ver-

knüpft. Es handelt sich um ein dreidimensionales Raumnetz ohne feste Schichtfestlegung.

Die Eigenschaften des Diamanten sind bemerkenswert. In seiner kristallinen Form ist er

mit einer MOHs-Härte von 10 das härteste Mineral, das auf der Erde vorkommt. Dennoch

ist er leicht spaltbar, was man sich auch bei der Produktion von Schmuckdiamanten nutz-

bar macht. In reiner Form, d.h. wenn das Kohlenstoff-Gitter keine Fehlstellen hat, ist der

Diamant klar und farblos. Werden Kohlenstoff-Atome durch Stickstoff-Atome ersetzt, er-

scheint der Diamant gelblich. Bei Bor oder Aluminium erscheint er blau. Die starke Licht-

brechung resultiert genau wie die hohe Wärmeleitfähigkeit aus der sehr gleichmäßigen

Kohlenstoff 3. Kapitel:Der Elementare Zustand ChristianBärmann

Struktur, wodurch der Diamant in der technischen Anwendung besonders interessant wird. Die thermische Leitfähigkeit beträgt ein Vielfaches der des Kupfers. Anders als im metallischen Zustand, wo frei bewegliche Elektronen für den Wärmetransport sorgen, sind beim Diamant mechanische Schwingungen des Gitters dafür verantwortlich.

Bereits im Altertum kannte man Diamant-Lagerstätten in Indien, aus denen bis zum Be- ginn des 18. Jahrhunderts der Weltbedarf gedeckt werden konnte

Die Entdeckung neuer Vorkommen in Brasilien sicherte die Diamantenversorgung bis zur zweiten Hälfte des 19.

Jahrhunderts. In beiden Fällen handelte es sich um Sekundärlagerstätten, die sich durch Bereiche auszeichnen, in denen sich sogenannte Diamantseifen gebildet haben. Sie ent- standen aus diamanthaitigen Gesteinen, die durch Erosion abgetragen wurden und sich an anderen Orten abgelagert hatten.

Als die indischen und brasilianischen Minen erschöpft waren, suchte man bereits neue Vorkommen. In Südafrika gelang es 1869, Diamanten an ihrem Entste- hungsort, den Primärlagerstätten, zu finden. Nach dem Entdeckungsort Kimberley in Südafrika wurde das ultrabasische Gestein Kimberlit ge- nannt, das in sogenannten Durchschusskaminen erloschener Vulkane vorkommt. In ihnen erstarrten gashaltige Magmen, aus denen zuerst der Diamant und dann der Kimberlit auskristallisierte.

Die Erkenntnis, das Diamant mit Kimberlit vergesellschaftet vorkommt, ermöglichte die systematische Erschließung weiterer Primärlagerstätten.

So entdeckte man neue Vorkommen in Namibia, Russ- land und Australien. Dort in einem dem Kimbert ähnli- chen Gestein, dem Lamproit, der sich durch einen höhe- ren Magnesiumanteil auszeichnet. Die Diamant-

Konzentration ist in beiden Gesteinen äußerst gering: Für 25 Karat Diamanten muss eine Tonne Gestein abgebaut werden, wovon nur durchschnittlich zwanzig Prozent Schmuck- qualität haben.

Die Masseneinheit Karat ist historisch überliefert. Es handelt sich um eine antike Handels- einheit zur Gewichtsbestimmung von Gold und Edelsteinen. Sie leitet sich vom arabischen

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Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann

"qirat" ab, das den Samen des Johannisbrotbaums bezeichnet. Er zeichnet sich durch sein konstantes Samengewicht aus. Im Jahr 1907 wurde international vereinbart, das zukünftig ein Karat der Masse von

g entsprechen soll.

Der größte bisher gefundene Diamant war ein indischer Diamant mit einem Rohgewicht von

Karat (oder

g), der nach seinem Entdecker als CULLINAN benannt wurde. Er

wurde zu den größten Schmuckdiamanten der Welt

verarbeitet. Der größte dieser Diamanten ziert heute das

Zepter der englischen Königin mit 590 Karat. Wie in

diesem Fall verdankt der Diamant seine Verwendung

als Schmuckstein aus der hervorstechenden Ei-

genschaft, Licht zu brechen und zu dispergieren. Das

Feuer eines Diamant, so der Ausdruck für die Brillanz, wird durch einen entsprechenden Schliff unterstützt, der auch in die Bewertung der Diamanten einfließt. Sie werden nach den vier "C" beurteilt: "Cut" (Schliff), "Clarity" (Reinheit), "Colour" (Farbe) und "Carat"

(Gewicht).

Der weitaus größte Teil der geförderten Diamanten wird aber als Industriediamanten verwendet und genau wie die synthetisch erzeugten Diamanten insbesondere für Anwen- dungen eingesetzt, in denen die große Härte ausgenutzt wird. Für Schleif- und Bohrgerä- te, Trennscheiben für harte Materialien und auch als Achslager für Präzisionsgeräte. Bei Bohrköpfen mit Diamantbesatz macht man sich neben der Härte auch die hervorragende Wärmeleitfähigkeit zunutze, da der Diamant die Reibungshitze schnell ableiten kann.

Im Graphit sind im Gegensatz zum Diamant die Kohlenstoffatome Sp2-

hybridisiert, was eine trigonal-planare Umgebung zur Folge hat. Der

Abstand zu den drei nächsten Nachbarn von

pm liegt zwischen einer

Einfach- und einer Doppelbindung. Die einzelnen ebenen Schichten fol-

gen im AB-Muster aufeinander mit einem Entfernung von

pm. Sie sind durch schwa-

che VAN-DER-WAALs-Kräfte in einem Schichtengitter verknüpft. Die Schichten lassen sich

leicht gegeneinander verschieben.

Kohlenstoff 3. Kapitel:Der Elementare Zustand

B - - - '

Christian Bärmann

Im Vergleich zum Diamant mit 3,54

ist der Graphit mit 2,26

weniger dicht und sehr weich (Mons-Härte 1). Er glänzt in reiner Form metallartig und berührt man ihn, wirkt er fettig. Neben der guten Wärmeleitfähigkeit, die für seine Verwendung wichtig ist, spielt seine elektrische Leitfähigkeit eine große Rolle. Die Besonderheit beim Graphit ist die Anisotropie der Leitfähigkeit. Er ist ein zweidimensionaler Leiter aufgrund der vier- ten, delokalisierten Valenzelektronen der C-Atome.

Die Demonstration der Leitfähigkeit erfolgt mit einern einfachen Verbraucherstromkreis, in dessen Mitte ein Stück Kabel durch einen handelsüblichen Bleistift ersetzt ist. Entlang der Schichten besitzt Graphit eine Leitfähigkeit von 30.000 s/cm. Das ist ungefähr 1/20 ^der

Leitfähigkeit von Silber und etwa

h der von Eisen. Senkrecht zu den Graphit-Schichten ist er mit 5 s/ ^cm praktisch ein Isolator.

Graphit kommt besonders in Gebieten starker Gesteinsmetamorphosen vor, in denen Er- starrungsgesteine auf Schichtgesteine treffen. Wahrscheinlich wurden Kohleflöze in den Schichtgesteine sehr stark unter Luftabschluss erhitzt und dabei in Graphit überführt. Bei der Umwandlung der Kohle, die in einern Bereich von 65-90% reinen Kohlenstoff enthält, werden aus diesen kohlenstoffreichen Verbindungen des Kohlenstoffs mit Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel die Fremdelernente in Form von Gasen ausgetrieben.

Elementarer Kohlenstoff bleibt zurück.

Die größten Graphitlager befinden sich in Russland, Kanada, Sri Lanka und Madagaskar.

In Deutschland kommt er in der Nähe von Passau in der Grube Kropfmühl vor, die seit

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Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann

mehr als hundert Jahren Graphit fördert. Inzwischen kann in einem Besucherbergwerk die Graphitaufbereitung beobachtet werden. Die graphithaltigen Gesteine werden gemahlen und mit verschiedenen Ölen versetzt, die den Graphit binden. Nach

Abtrennung der Gesteinsreste und der Flotationsöle wird der Gra- phit mit einer Sodaschmelze versetzt, um alle restlichen Fremdstoffe aus dem Graphit zu entfernen. Es entsteht ein schwarzes, metallisch glänzendes Pulver.

Graphit findet aufgrund seiner guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit Verwen- dung als Elektrodenmaterial, das bei Elektrolysen aller Art eingesetzt wird

Daneben be- nutzt man ihn in Lichtbogenöfen. Hitzebeständige Bauteile, wie die Auskleidung der Schmelzöfen zur Silicium-Einkristall-Herstellung, gehören ebenso zur Verwendung wie korrosionsbeständige Werkstü- cke. Die leichte Verschiebbarkeit der Graphit-Schichten wird beim Einsatz als Schmiermittel und im Bleistift genutzt.

Die dritte Modifikation des Kohlenstoffs, die Fullerene, ähneln in ihrer Erscheinungsweise eher dem Graphit als dem Diamant. Auch in den Fullerenen ist der Kohlenstoff Sp

hybridisiert, aber die Umgebung der Kohlenstoffatome ist nicht

planar, sondern trigonal verzerrt. Die Bindungslänge liegt bei etwa 145 pm.

Der Prototyp aller höheren Fullerene, das C60, lagert sich im ele- mentaren Zustand zu hexagonalen Schichten des AB-Musters

zusammen. Zwischen den

wirken in ihrem Kristallgitter nur schwache VAN-DER-WAALs-Kräfte, wobei die einzelnen Moleküle nicht starr fixiert sind, sondern chaotisch über

Millionen Mall pro Sekunde rotieren.

Benannt nach dem Architekten Buckminster Fuller, der durch seine geosphärischen Dome

bekannt wurde, zeichnet die Fullerene insbesondere ihre Kugelform. Das Bauprinzip lässt

sich auf den Austausch von Sechsecken durch Fünfecke anschaulich machen. Ersetzt man

der Graphit-Sechsecke, so wölbt sich die Schicht zur Kugel. Die C-Atome ändern dabei

Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann

nicht ihre Hybridisierung, sondern werden nach innen verzerrt. Beim Aufbau höherer Ful- lerene wächst das Molekül mit der Anzahl der Sechsecke, die Anzahl der Fünfecke bleibt gleich.

Die Fullerene sind im elementaren Zustand gelbbraune bis schwarzbraune Kristalle, die weich wie der Graphit, aber noch weniger dicht sind (1,65

Sie sub- limieren bereits ab ca. 625

und sind nur in organischen Lösungsmittel löslich. Die Farbigkeit der Lösungen beruht auf Il -7n*-Übergängen und zeigt eine breite Spanne von purpurrot bis goldgelb. Chemisch zeigen sie den Olefinen ähnliche Eigenschaften, so sind Additionen an den Doppel- bindungen der Fullerene möglich.

Die Darstellung erfolgt durch Sublimation von Graphit in einer Helium- oder Neon- Atmosphäre bei 2700 °C und Unterdruck. An den Wänden des Reaktionsraumes setzt sich ein fullerenhaltiger Ruß ab, aus dem die Fullerene mit Hilfe von organischen Lösungsmit- teln extrahiert werden können.

Über die Verwendung der Fullerene sind bisher nur wenige Aussagen zu machen. Als Stichworte seien hier nur wenige Forschungsfelder genannt:

HIV-Bekämpfung - Deak- tivierung des Virus durch in der Größe ähnliche

im aktiven

Teil des HI-Virus; 2. Schmiermittel- Die Entwicklung eines Teflonballs, in dem alle Kohlenstoffatome fluoriert sind (C6oF6o); 3. Diamantenzucht - Erleichterung der Darstellungsbedingungen durch die sogenannte Fulle-

renzwiebel; 4. Supraleiter - Durch Dotierung des Buckminster-Fullerens mit Alkaliemetal- len (A3C60, A=

Rb, Cs) können Supraleiter entstehen, die in alle Raumrichtungen lei- tend sind; 5. Fasern aus Nanotubes - Es werden gleiche Eigenschaften wie die normalen

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Kohlenstoff 3.Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärmann

Carbonfasern vermutet, wobei aber von einer höheren Zugfestigkeit und Elastizität, sowie einer geringeren Bruchgefahr ausgegangen wird. Bauteile aus Nanotubes verteilen die mechanisch wirkenden Kräfte auf wesentlich mehr Fasern als die Kohlefasern, da im glei- chen Volumen wesentlich mehr winzige Nanotube-Fasem vorkommen. Nach weiteren Anwendung wird gesucht.

Im nächsten Abschnitt über die

organischer und organischer weiter. Nach der kurzen Vorstellung der verschiedenen Einsatzgebiete und Darstellungsweisen wird in der experimentellen Umsetzung der As- pekte der großen Oberfläche und ihrer Adsorptionswirkung betrachtet. Das Gebiet der Spezial-Kohlenstoffe ist weit gefächert, so dass hier nur die wesentlichen Produktgruppen besprochen werden.

Beim

Steinkohle auf mehr als 1500

stoffverbindungen gewonnen wird. Die Produkte der Pyrolyse werden anschließend bei 2600-3000

rographit ist der Petrolkoks, der durch Verkokung der Rückstände bei der Erdöldestillati- on gewonnen wird. Hauptsächliche Verwendung sind Elektroden und Hitzeschutzver- kleidungen (z.B. in Hochöfen).

Pyrokohlenstoff ist eine Art des Kohlenstoffs, die durch Zersetzung von Kohlenwasser-

stoffen erhalten wird, indem das Ausgangsmaterial bei niedrigem Druck (70 mbar) und oberhalb 700

behandelt wird. Die Produkte der Spaltung werden an glatten Oberflä- chen niedergeschlagen und graphitiert, wodurch eine besondere Parallelität der Schichten ermöglicht wird. Die dadurch im Vergleich zu Naturgraphit höhere Wärmeleitfähigkeit wird in der Raumfahrt in Hitzeschilden eingesetzt, aber aufgrund seiner guten Biokompa- tibiIität findet er auch in der Medizin (für Herzklappen und Prothesen) Verwendung.

Die Herstellung von

erfolgt durch Verbrennung von Erdöl bei ungenügender Luftzu-

fuhr. Dabei entstehen lockere Aggregat mit kugelähnlicher Gestalt mit Durchmessern von

Kohlenstoff 3.Kapitel:Der ElementareZustand ChristianBärmann

Absorption Adsorption

0,5 bis 10 nm. Verwendung findet der Ruß mit etwa 95% in der Gummiindustrie als Füll- stoff für stark beanspruchte Produkte: Reifen, Förderbänder etc. Weiterhin wird er noch immer als Farbpigment eingesetzt.

Kohlenstoff-Fasern entstehen durch kontrollierte Pyrolyse von organischen Fasern und

Polymeren (z.B. Polyacrylnitril). Sie zeichnen sich durch hohe Zugfestigkeit und hohe E- lastizität aus. Verwendung finden sie im Flugzeug- und Fahrzeugbau, sowie in der Pro- duktion von Sportgeräten.

Der letzte der hier behandelten Spezial-Kohlenstoffe, die Aktivkohle, wird in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Die Anwendung in Filtern jeder Art beruht im Wesentlichen auf der großen Oberfläche an den Fremdstoffe gut adsorbiert werden können. Grundsätzlich stellt Adsorption die Konzentrationsänderung ei-

nes Stoffes an der Oberfläche eines zweiten dar. Dabei reagieren beide Stoffe nicht mit- einander. Um Verwechslung mit der Absorp- tion vorzubeugen, sollen folgende Abbildun- gen den grundlegenden Unterschied ver- deutlichen.

Zur experimentellen Demonstration der Adsorptionswirkung soll Rotwein entfärbt wer- den. Dazu werden sechs Erlenmeyerkolben mit unterschiedlichen Mengen Aktivkohle gefüllt (0 mg, 100 mg, 200 mg, 300 mg , 500 mg, 1000 mg) und anschließend mit einer definierten Menge Rotwein versetzt (20 ml). Nach 10 - 15 Minuten werden die schwarzen Gemische durch Faltenfilter in Schnelllauftrichtern filtriert. Dabei bleibt die Aktivkohle mit den daran adsorbierten Bestand teilen des Rotweins (insbesonde- re der Farbstoff) zurück. Das Ergebnis hängt von der verwendeten Menge Aktivkohle ab und geht von farblos bis unverändert.

Bei der Betrachtung der Vorgänge an der Oberfläche der Aktivkohle wird schnell deutlich, warum die Aktivkohle nur eine definierte Kapazität zur Aufnahme von Stoffen hat. An

- 18-

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Kohlenstoff 3. Kapitel: Der Elementare Zustand Christian Bärm ann

der Oberfläche werden die färbenden Anteile des Rotweins adsorbiert. Es bildet sich eine

/

rate ist eine visuelle Umsetzung einer

dünne Schicht von Farbstoffmolekülen, die durch VAN-DER-WAALs-Kräfte gehalten wird.

Die unterschiedliche Färbung der Filt-

sogenannten Adsorptionsisotherme.

Mit steigender Menge an Aktivkohle reduziert sich im Verhältnis zum im- mer gleichen Volumen des Rotweins dessen Konzentration. Bei der kleins-

Konzentration c Partialdruck p

ten Menge Aktivkohle übersteigt das eingesetzte Volumen die Kapazität der

Aktivkohle. Je mehr von ihr eingesetzt wird, desto mehr kann sie Rotwein adsorbieren, so dass am Ende der Reihe der gesamte Farbstoff gebunden werden kann.

Bei näherer Betrachtung des Adsorbens Aktivkohle fällt sofort die mikrokristalline Form

auf. Sie besitzt eine große innere Oberfläche, die je nach Porengröße 500 - 1000 m

/g be

trägt, und durch den Beitrag jeder Pore zur Gesamtadsorption bedingt ist. Hergestellt

wird sie meist durch gelindes Erhitzen organischer Stoffe wie Holz, Torf, Kokosschalen

bei 200-250

durch Oxidation mit Wasserdampf, Luft oder Kohlendioxid, die zur Porenbildung führt,

ist die Aktivkohle einsatzbereit.

Kohlenstoff 4.Kapitel: Die chemischen Eigenschaften Christian Bärmann

4. Die chemischen Eigenschaften

Kohlenstoff ist ein reaktionsträges Element, das große Aktivierungsenergien für Reaktio- nen benötigt. Er ist inert gegenüber nicht oxidierenden Säuren und Basen. Die Reaktivität der Modifikationen sinkt strukturbedingt in der Reihe Graphit, Fulleren, Diamant. Er nimmt eine Mittelstellung in der 2. Periode ein. Seine Affinität zu den elektropositiveren Elementen ist ähnlich der zu elektronegativeren. Das Spektrum der Oxidationszahlen reicht daher von +4 im Kohlendioxid bis zu - 4 im Aluminiummethanid.

Eine wichtige Eigenschaft des Kohlenstoffs macht man sich seit Jahrtausenden zunutze.

Die Reduktion von Erzen zur Eisengewinnung. Im Modellversuch zum Hochofenprozess wird diese nachgestellt. Aufgrund der hohen Temperaturen muss die Versuchsanordnung aus Quarzglas hergestellt werden. Sie besteht aus einer Quarzpfeife

und einem Reaktionsturm, der an einem Ende konisch ist und in die Quarzpfeife ragt. Am unteren Ende des Turm wird ein Sperrschicht Quarzglaswolle eingeführt, die das sofortige Nachrutschen der dar- über liegenden Schichten nach Reaktionsstart verhindern soll. Über dieser Quarzglaswolle sind abwechselnd Schichten aus Eisen(III)- oxid und gekörnter Aktivkohle gelagert. Durch die Quarzpfeife

L

wird elementarer Sauerstoff geleitet, der hier mit Hilfe von zwei bis drei Bunsenbrenner aufgeheizt wird. Die Reaktion wird gestartet, indem die unterste Schicht Aktivkohle, die direkt über der Glaswolle liegt, zum Glühen gebracht wird.

Betrachtet man die Reaktion, so findet ein mehrstufiger Prozess statt. Zunächst wird nach dem Start der Reaktion der glühende Kohlenstoff mit heißem Sauerstoff zu Kohlenmono- xid umgesetzt.

2 C

+ O

2 CO

Dieses reduziert das Eisen(III)-oxid zu einem Eisen(II,III)-oxid.

+2

CO

- 20-

+2 +3

2 FeO· Fe

+

+4

CO

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Kohlenstoff 4.Kapitel: Die chemischen Eigenschaften Christian Bärmann

Das gebildete Mischoxid wird dann mit weiterem Kohlenmonoxid zu reinem Eisen(II)- oxid reduziert.

+2 +3 +2

FeO . Fe

0

+ CO

+2 +4

3 FeO

+ CO ₂

Erst in der letzten Stufen entsteht in einer weiteren Reduktion das elementare Eisen. In allen drei Reaktionsstufen wird das eingesetzte Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert.

+2 +2

FeO

+ CO

o +4

Fe

+ CO

Um die Vorgänge im Hochofen einschätzen zu können, müssen sie in Beziehung zum Boudouard-Gleichgewicht gebracht werden, das Aussagen über die Gleichgewichtskon- stante der Reaktion C

+ C02

=:=:::::::!:" 2 CO

macht.

100

400

I

Vol-% co

⁰

I

100

2

I

I

I

I

FeO· Fe₂₀₃

I 01 ^{Vol-% CO I}

1000

)

I Temperatur [0 C] I

Kurve 1 zeigt die Gleichgewichtsreaktion zwischen elementarem Kohlenstoff und Koh-

lendioxid links zu Kohlenmonoxid rechts. Je größer die Temperatur wird, desto höher

wird die Konzentration an Kohlenmonoxid. Kurve

und Kurve 3 spiegeln die Reduktion

im Hochofen wieder. Die Schnittpunkte dieser Kurven mit dem Boudouard-Gleichgewicht

Kohlenstoff 4. Kapitel: Die chemischen Eigenschaften Christian Bärmann

geben die Mindesttemperatur wieder, bei denen die Reduktionen in Anwesenheit von Kohlendioxid ablaufen. Die abgegrenzten Bereiche stellen die vorkommenden Formen des Eisens dar- Unterhalb der Kurve 3 liegt der Magnetit (Fe304), zwischen Kurve 2 und 3 der Wüstit (FeO) und oberhalb davon metallisches Eisen vor.

Die beiden wichtigsten Oxide des Kohlenstoffs, das Kohlendioxid und das Kohlenmono- xid, bilden den Abschluss des Vortrags. Betrachtet man die Eigenschaften der beiden ge- genüberstellend, so ergeben sich grundsätzlich Unterschiede.

Kohlendioxid hat einen Sublimationspunkt bei - 78,S

tiefe Schmelz- und Siedepunkte, die mit - 205,1

entsprechenden Werte des elementaren Stickstoffs liegen, zu dem es isoelektronisch ist.

Beide Kohlenoxide sind linear gebaut. Die Verwendung beider Gase steht im starken Ge- gensatz zueinander. Während das weitgehend inerte Kohlendioxid als Schutzgas und Löschmittel eingesetzt wird, benutzt man das giftige Kohlenmonoxid als Brenngas, zur Wasserstoffgewinnung, zur Erzreduktion und für organische Synthesen.

Der letzte Versuch widmet sich daher der Brennbarkeit als auch den reduzierenden Eigen- schaften von Kohlenmonoxid. In einem Gasentwickler wird daher Kohlenmonoxid durch Dehydratisierung von Ameisensäure durch Schwefelsäure dargestellt. Die Ameisensäure wird dazu in die auf

Aufschäumen das Gas bildet. Zunächst wurde das Gas in eine Silbernitrat-Lösung geleitet, um die reduzierenden Eigenschaften zu beobachten, und dann in ein pneumatische Wan- ne mit Seifenlösung, um dort die Brennbarkeit zu demonstrieren.

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Kohlenstoff 4. Kapitel:Diechem ischen Eigenscha ften Christi anBärm an n

Darstellung:

-

+

.. _{1 +} ..

1:-.,

.Q

- H

H/~U

IC-

ot ⁺

Reduktion: 2 Ag+

+ CO

+ 3H

Verbrennung: 2

+

Kohlenstoff

5. Schlussakkord

5.Kapitel: Schlussakkord Christian Bärmann

Das Thema Kohlenstoff eignet sich zur Demonstration einiger wichtiger Phänomene. An- hand des Hochofenprozess, der selbst einen der bedeutendsten großtechnische Prozesse darstellt, und der CO-Darstellung kann die Reduktionswirkung demonstriert werden.

Beide Versuche eignen sich für die Einführung der Redox-Reaktionen,

Mit Hilfe des Boyle-Versuch und der Verbrennungsenthalpie können qualitative und quantitative Aussagen zum Einsatz des Kohlenstoffs gemacht werden. Sie eignen sich auch als Anknüpfungspunkte für fächerübergreifenden Unterricht, an dem historische Aspekte der menschlichen Entwicklung gezeigt werden können.

Die Leitfähigkeit des Graphits kann mit Hilfe eines Bleistifts demonstriert werden. Hier kann man bei der Verwendung des Graphits Verbindungen zum technischen Einsatz se- hen und in den Unterricht einbringen. Die Adsorptionswirkung der Aktivkohle spielt in zahlreichen Bereiche eine Rolle. Aktuelle Bezüge sind naheliegend.

Allen Versuchen ist gemeinsam, dass sie mit einfachen Mitteln komplexe Vorgänge de- monstrieren und sich so für den Chemieunterricht eignen. Sie vermitteln darüber hinaus einen weitergehenden Blick auf den Kohlenstoff, der mehr Versuche zu bieten hat als die bekannten Experimente zum Kohlendioxid.

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Kohlenstoff

6. Anhang

Literaturverzeichnis:

6.Kapitel: Anhang Christian Bärmann

BIey, Lars; Friedrich, Jens et al.: Die Masse des "Nichts" - der Boyle-Versuch im neuen Lichte. In: CHEMKON 8, 2001, S. 156

Keune, Hans: Chemische Schulexperimente: eine Anleitung für Lehrer in 5 Bänden.

Thun u.a., 197X

Holleman, Arnold F.; Wiberg, Nils: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Berlin u

Jansen,W.; Melle.L: Einfaches Kalorimeter zur Bestimmung der Verbrennung- senthalpie von Kohlenstoff. In: PdN-Ch 2, 1993,20-22.

Riedel, Erwin: Anorganische Chemie. Berlin u

1999.

Römpp, Hermann; Falbe, Jürgen: Römpp-Lexikon Chemie. 10. Aufl., Version 2.0.

Stuttgart,1999.

Fluck, Ekkehard; Mahr, Carl: Anorganisches Grundpraktikum für Chemiker und

Studierende der 6.Aufl., Weinheim u.a., 1985.

Kohlenstoff 6.Kapitel:Anhang - Arbeitsvorschriften Christian Bärmann

Arbeitsvorschrift 1:

Versuch Quelle:

Geräte:

Bley, Lars; Friedrich, Jens et aI.: Die Masse des "Nichts" - der Boyle-Versuch im neuen Lichte. In: CHEMKON 8, 2001, S. 156 f.

Rundkolben (1 L) mit Schliff, Einleitungsrohr einer Gaswaschflasche (mit passendem Schliff), Absaugstück mit Hahn (mit passendem Schliff), Luftbal- lon, Korkring, Schlauchschellen, PVC- oder Gummischlauch, Sauerstofffla- sche mit Druckminderer, Heißluftpistole (Bunsenbrenner), Stativ-Klammer, Waage

Ch emikalien: Aktivkohle (gekörnt), Sauerstoff

Vorgehen: 100-200 mg gekörnte Aktivkohle werden in der Rundkolben gegeben. Mit Hilfe eines Einleitungs- rohr für Gaswaschflaschen, an dem die Sauer- stoffflasche angeschlossen ist, wird der Rundkol- ben etwa 10 Minuten mit elementarem Sauerstoff gespült. Danach wird relativ schnell das Absaug- stück mit Hahn im geschlossenen Zustand aufge- setzt, damit der Sauerstoff nicht entweicht. Am Absaugstück befindet sich ein Luftballon für den Druckausgleich bei der Verbrennung.

Nun wird der Rundkolben mit der Aktivkohle und dem Sauerstoff gleich- mäßig mit der Heißluftpistole erhitzt bis einzelne Aktivkohle-Teilchen zu Glühen beginnen, zuvor wurde eine Stativ-Klammer am Hals befestigt. Jetzt schwenkt man den Rundkolben stark um, so dass alle Partikel der Aktivkoh- le zu glühen beginnen und ein" Wunderkerzeneffekt" zu sehen ist.

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Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvorschriften Christian Bärmann

Arbeitsvorschrift 2: Verbrennungsenthalpie von Holzkohle

Quelle: Jansen,W.; Melle,I.: Einfaches Kalorimeter zur Bestimmung der Verbrennung- senthalpie von Kohlenstoff. In: PdN-Ch 2, 1993, 20-22.

Geräte: Verbrennungskalorimeter (selbst gebaut nach obiger Vorschrift, Materialien s.dort), Sauerstoffflasche mit Druckminderer, Pinzette, Gummischlauch, Magnetrührer, Di- gitalthermometer, Zünd draht, Gleichspannungsquelle, Kabel, Krokodilklemmen, Gaswaschflasche (nachgeschaltet als Blasenzähler mit Wasser), Waage

Chemikalien: Sauerstoff, Holzkohle, Wasser

Vorgehen: Zur Bestimmung der Verbrennungsenthalpie muss die eingesetzte Holzkohle vor dem Versuch getrocknet werden. Dies kann im Trockenschrank oder

I

im kleinen Maßstab im . .

I

I

D

Kalorimeter

Reagenzglas über dem Bunsenbrenner geschehen, ohne die Kohle zu verbrennen.

Eine Probe von 300-500 mg wird in das Quarzglasschälchen des Kalorimeters ge- bracht. Anschließend wird die Apparatur zusammengesetzt und mit Wasser gefüllt.

Dabei ist darauf zu achten, dass der Zünddraht in möglichst langer Linie die Holz- kohle berührt. Zur Vorbereitung der Verbrennung wird der Gasraum des Kalorime- ters etwa 10 Minuten mit Sauerstoff gespült. Dabei sollte es sich um einen langsa- men, aber gleichmäßig Sauerstoffstrom handeln, der auch die Verbrennung gut un- terhalten kann. Je langsamer der Sauerstoff durchströmt, desto genauer sind die an- schließenden Messwerte.

Zur Zündung wird eine Gleichspannungsnetzteil benutzt, an dem man die Span- nung solange steigert, bis der Verbrennungsvorgang sichtbar begonnen hat, dann schaltet man die Spannungsquelle wieder aus.

Für die Messwert-Aufnahme verwendet man eine Digitalthermometer, mit dem alle 30 Sekunden die Temperatur des Kalorimeter-Wasser gemessen wird. Die Auswer- tung erfolgt nach dem folgenden Schema.

Kohl en stoff 6.Kapitel:Anhang - Arbeitsvor schrift en ChristianBärmann

Bestimmung der Verbrennungsenthalpie von Holzkohle

1. Einwaage Holzkohle: g

2. Messwerte:

t 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

[min]

T [0 C]

5,0 5,5 6,0

t 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0

[min]

T [0 C]

Maximale Temperaturdifferenz:

3. Wärmekapazität des Kalorimeters:

CKalorimeter = mGlas . Cp(Glas) + mcu· cp(cu) + mWasser' Cp

- J

4. Verbrennungsenthalpie

~Hmol ^{= -} ~T

. CKalorimeter . Mmol(Kohlenstoff) . mVerbrannter Stoff-

_ _ _ _ J . 12,011

_mo,· g-1 _____ J/ mol = 10/ mol

Literaturwert: -393,8

mol

Abweichung: %

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Kohlen st off 6. Kapitel:Anhan g- Arbeitsvorschr iften Ch ristian Bärmann

Arbeitsvorschrift 3: Leitfähigkeit von Graphit

G eräte:

Vorgehen:

Gleichspannungsnetzgerät, Krokodilklemmen, Lämpchen, Demonstrations- motor, Kabel, Bleistift, Demonstrationsvielfachinstrumente für Stromstärke und Spannung

Es wird ein einfacher Verbraucherstromkreis aufgebaut, in dem ein Stück

Kupferleitung durch ein

Bleistift ausgetauscht wird. Der Bleistift ist auf

beiden Seiten angespitzt und wird mit den Krokodilklemmen im Stromk

integriert.

Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvorschriften Christian Bärmann

Arbeitsvorschrift 4: Adsorption von Rotwein an Aktivkohle

Geräte: Schnelllauftrichter (6x), Bechergläser (6x SOml), Erlenmeyer (6x SOml), Sta- tivmaterial (Filtrierringe, Doppel- und Hakenmuffen, Stativstangen, Stativ- platten), Faltenfilter, Waage, Uhrgläser

Chemikalien : Aktivkohle, Rotwein

Vorgehen: In den sauberen und trockenen Bechergläser werden unterschiedliche Mas- sen (0, 100, 200, 300, 500, 1000 mg)von gepulverter Aktivkohle mit der glei- chen Menge Rotwein (20 ml) versetzt. Nachdem die Bechergläser mit Uhr- gläsern abgedeckt wurden, wartet man ca. 10-20 Minuten bis sich ein Gleichgewicht zwischen Rotwein und Aktivkohle einstellt. Während der Zeit schwenkt man ein paar Mal die Bechergläser um.

Nach der Wartezeit werden die Mischung jeweils durch einen eigenen Fal- tenfilter in separate Erlenmeyer-Kolben filtriert. Es entsteht eine Reihe, in der es zu Farbabstufungen kommt.

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Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang - Arbeitsvor schriften ChristianBärmann

Arbeitsvorschrift 5: Hochofenprozess

Quelle:

Geräte:

Schneider, Oliver: Protokoll zum Experimentalvortrag "Simulation einiger großtechnischer Prozesse der anorganischen Chemie". Marburg 1993.

Hochofenapparatur aus Quarzglas (Quarzpfeife und Reaktionsturrn), Quarz- glaswolle, Gummischlauch, Sauerstoffflasche mit Druckminderer, Bunsen- brenner (3-4), Drahtnetz, Stativmaterial (Klammer, Muffen, Stangen, Stativplatten)

Chemikalien: Eisen(III)-oxid, Aktivkohle (gekörnt), Wasser

L

Vorgehen: Vor dem Versuch wird das Eisenoxid mit Was- ser vermischt. Die getrocknete Masse wird in grobe Stücke zerteilt und anschließend abwech- selnd mit der Aktivkohle auf einen Glaswolle- bausch im Reaktionsturm des Hochofens ge- schichtet.

Für die Reaktion wird eine kontinuierliche Zu- fuhr von Sauerstoff benötigt, der durch die Bunsenbrenner unter der Quarzpfeife vorge- heizt wird. Der Start der Reaktion erfolgt, in-

dem die erste Schicht Aktivkohle zur Glut gebracht wird. Die Reaktion wird

durch die Sauerstoffzufuhr kontrolliert.

Kohlenstoff 6. Kapitel: Anhang- Arbeitsvorschriften Christian Bärmann

Arbeitsvorschrift 6: Darstellung von Kohlenmonoxid

Geräte: Dreihalskolben, Tropftrichter mit Druckausgleich, Stopfen, Absaugstück mit Hahn, Gaswaschflaschen, Dreiwegehahn, pneumatische Wanne, Glasrohre, Schlauchschellen, Magnetrührer mit Rührfisch und Thermometer, Bunsen- brenner, Wasserbad,

Chemikalien: Schwefelsäure (konz.), Methansäure, Wasser, Palladiumchlorid-Lösung, Spülmittel

Vorgehen: In einer Gasentwicklerapparatur wird durch Zu tropfen von Ameisensäure zu konzentrierter Schwefelsäure Kohlenmonoxid entwickelt. Dabei ist die Schwefelsäure auf etwa 40°C temperiert und wird durch einen Rührfisch in Bewegung gehalten.

Im ersten Teilversuch, bei dem die Brennbarkeit nachgewiesen werden soll, wird das entstehende Kohlenmonoxid in eine Seifenlösung eingeleitet.

Die sich bildenden Blasen bilden mit dem Luftsau- erstoff leicht entzündlich Blasen, die mit blauer Flamme abbrennen. Je länger die Blasen an der Luft sind, desto heftiger wird die Verbrennung.

Im zweiten Teilversuch, der die Reduktionswir- kung demonstrieren soll und auch zur Entsorgung

~

des Kohlenmonoxids dienen kann, wird das Gas in eine konzentrierte Palladiumchlorid-Lösung eingeleitet. Eine schnelle Trü- bung tritt ein durch ausfallendes elementares Palladium.

~lf- ~~ .x..

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