Chemie in Küche und Bad Reinigungsprodukte

Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie

Seminar: Übungen im Experimentalvortrag

Leitung: Prof. Dr. B. Neumüller, Dr. P. Reiß, Prof. Dr. U. Koert, Prof. Dr. U. Müller Sommersemester 2004

Reinigungsprodukte

Chemie in Küche und Bad

Experimentalvortrag vom 19. Juli 2004

Hinweis:

Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).

Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht herunter geladen werden, unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:

http://online-media.uni-marburg.de/chemie/chids/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung...Seite 3 2. Die verschiedenen Reinigungsmitteltypen und ihre Anwendung...Seite 3 3. Reinigungsmitteltypen mit anorganischen Wirkkomponenten...Seite 4 3.1 Scheuermittel...Seite 4 Versuch 1: Carbonatnachweis in Scheuermilch...Seite 5 Versuch 2: Quantitative Bestimmung des Kalksteingehalts in

Scheuermilch...Seite 6 2.1.1 Zeolithe...Seite 9 Versuch 3: Nachweis von Zeolithen in Scheuerpulver...Seite 10 3.2 Reiniger auf Hypochloritbasis...Seite 12 Versuch 4: Nachweis der antibakteriellen Wirkung von NaOCl...Seite 12 Versuch 5: Titrimetrische Bestimmung des Natriumhypochlorit-

gehalts...Seite 14 Versuch 6: Erzeugung von Chlorgas...Seite 16 3.3 Rohrreiniger...Seite 18 Versuch 7: Identifizierung der einzelnen Komponenten...Seite 18 Versuch 8: Verdeutlichung des Reinigungsprinzips...Seite 20 Versuch 9: Rohr frei mit Rohrfrei...Seite 22 4. Anwendungsfelder in der Schule...Seite 24 4.1 Anwendungsfelder im Unterricht...Seite 24 4.2 Anwendungsfelder im Schüleralltag...Seite 25 5. Literatur... Seite

26

6. Herstellernachweise zu den verwendeten Reinigungsprodukten...Seite 26

1. Einleitung

Mit Beginn der Domestikation entstand auch der Wunsch in den Menschen, ihr Heim sauber zu halten. So nutzte man früher zur Reinigung neben Wasser noch Seifen und feine Mineralien wie gemahlenen Sand oder Marmormehl. Weiterhin waren Soda und Essig für ihre reinigende Wirkung bekannt. Bald reichten diese natürlichen Reinigungsprodukte jedoch nicht mehr aus, da der Drang nach Sauberkeit immer stärker und die Oberflächen immer empfindlicher wurden. Allmählich wurden Reinigungsprodukte industriell hergestellt und bis heute gelangen ständig neue oder verbesserte Produkte auf den Markt, die immer wieder dem neuesten Stand der Technik und Forschung entsprechen.

2. Die verschiedenen Reinigungsmitteltypen und ihre Anwendung

Mittlerweile ist eine derart große Bandbreite an Reinigungsprodukten auf dem Markt, dass man zunächst einmal eine Einteilung in Produkttyp und Anwendungsbereich vornehmen muss.

Produkttyp Anwendungsbereich

Allzweckreiniger: alle abwaschbaren Oberflächen

Scheuermittel: stark verschmutzte, mechanisch widerstandsfähige Oberflächen Fensterreiniger: alle Flächen aus Glas

Sanitärreiniger

-sauer: WC-Becken, säurebeständige Flächen in Nassräumen -alkalisch, chlorhaltig:WC-Becken, säureempfindliche Flächen in Nassräumen Metallreiniger: alle metallischen Oberflächen

Grillreiniger: Backöfen- und Grillinnenräume Rohrreiniger: Abflüsse und Kanalsysteme

3. Reinigungsmitteltypen mit anorganischen Wirkkomponenten 3.1 Scheuermittel

Die Reinigungswirkung von Scheuermitteln basiert im Wesentlichen auf Abrasivstoffen, deren Durchmesser zwischen 0,02 und 0,05 mm liegen sollte. Der Schmutz wird mechanisch durch diese feinen Körnchen gelöst. Sie gelangen dann zum Einsatz, wenn es darum geht, Eingebranntes sowie Fett- und Kalkbeläge zu lösen. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie bei einer hohen Reinigungsleistung mit einem sehr geringen Chemikalienaufwand auskommen.

Weiterhin belastet diese Klasse der Reiniger die Abwässer nicht.

Innerhalb der Scheuermittel differenziert man zwischen Scheuerpulver und Scheuermilch. Sie unterscheiden sich vornehmlich in ihren Reinigungsmineralien. So ist der Scheuermilch nur fein gemahlener Kalkstein (CaCO3) als Abrasivstoff zugesetzt, während das Scheuerpulver neben Kalkstein noch feinen Quarzsand (SiO2), Bimsstein und weitere, von den Herstellern geheim gehaltene Mineralien beinhaltet.

Bei Scheuerpulver sind die Abrasivstoffe etwas größer als bei Scheuermilch. Daher sollte man das Pulver nur bei kratzfesten Flächen einsetzen. Scheuermilch hingegen kann auch auf empfindlicheren Materialien benutzt werden.

Den Scheuermitteln sind als weitere Inhaltsstoffe noch anionische und nichtionische Tenside zugesetzt, des weiteren Duftstoffe und Farbstoffe, die für ein markentypisches Aussehen sorgen sollen. Scheuerpulver bestimmter Marken beinhalten weiterhin Zeolithe.

Bemerkenswert ist auch, dass Scheuermilch mehr als 50 % Wasser zugesetzt ist, sowie Stabilisatoren, die ein Absetzen der Reinigungsmineralien verhindern.

Versuch 1: Carbonatnachweis in Scheuermilch

Chemikalien Scheuermilch

Salzsäure (HCl (aq)); c = 2 mol/L Calciumhydroxid (Ca(OH)2)

Geräte

Reagenzglas mit passendem durchbohrtem Stopfen Passendes Gärröhrchen

Durchführung

Zunächst löst man Calciumhydroxid in Wasser. Die gesättigte Lösung überführt man in ein Gärröhrchen. Man füllt etwas Scheuermilch in ein Reagenzglas und gibt allmählich einige mL der Salzsäure hinzu. Hierbei ist darauf zu achten, dass es nicht zu einer allzu heftigen Schaumbildung kommt. Schnell setzt man den Gummistopfen darauf, in welchem sich das befüllte Gärröhrchen befindet.

Auswertung

Sobald die Säure mit der Scheuermilch in Kontakt kommt, tritt Gas- und Schaumbildung auf.

Das Gas wird in das Gärröhrchen geleitet, in der darin befindlichen Lösung kommt es zur Bildung eines weißen Niederschlags.

Durch Zusatz der Säure reagieren die Kalkstein-Komponenten der Scheuermilch zu Ca²⁺- Ionen und Wasser, weiterhin zu CO2, welches gasförmig entweicht.

CaCO3 (s) + 2 H3O⁺(aq) → CO2 (g) ↑ + Ca²⁺(aq) + 3 H2O

Ca²⁺(aq) + 2 OH^-(aq) + CO2 (g) → CaCO3 (s) ↓ + H2O

Versuch 2: Quantitative Bestimmung des Kalksteingehalts in Scheuermilch

Chemikalien Scheuermilch

Salzsäure (HCl(aq)) c = 2 mol/L Kochsalz (NaCl)

Ostereierfarbe

Geräte Waage

Erlenmeyerkolben mit Schliff Magnetrührer mit Rührfisch Y-Stück

Tropftrichter mit Druckausgleich Schliffstopfen

Manometerglasrohr als Einleitungsrohr Pneumatische Wanne mit Einsatz Messzylinder (250 mL)

Verbindungsschlauchstücke und Schlauchschellen Hebebühne

Keck-Klemmen oder Federn

Aufbau

weiß

Durchführung

Zunächst ist die Apparatur wie oben aufgeführt bis auf den Messzylinder aufzubauen. Die pneumatische Wanne befüllt man mit einigen Esslöffeln Salz, daraufhin so weit wie möglich mit Wasser, welches mit Ostereierfarbe einzufärben ist. Den Zylinder befüllt man nun ebenfalls mit Wasser und stülpt ihn kopfüber in die Wanne, so dass das als Einleitungsrohr dienende Manometerrohr in den Zylinder hineinragt. Hierbei ist auf möglichst wenig Wasserverlust zu achten. Man notiert, wie viele mL Wasser sich im Messzylinder befinden.

Der Tropftrichter wird mit der Salzsäure befüllt und mit dem Stopfen verschlossen. Auf der Waage wiegt man nun im Erlenmeyerkolben eine bestimmte Menge Scheuermilch ab. Man setzt den Kolben an die Apparatur und achtet darauf, dass alle Übergänge dicht sind, sichert ggf. mit Federn oder Keck-Klemmen.

Nun lässt man die Salzsäure aus dem Tropftrichter langsam auf die Scheuermilch tropfen.

Auswertung

Wie auch schon in Versuch 1 reagieren Calciumcarbonat und Salzsäure unter Bildung von Kohlendioxid miteinander.

CaCO3 (s) + 2 H3O⁺(aq) → CO2 (g) ↑ + Ca²⁺(aq) + 3 H2O

Das entstehende Gas verdrängt die Luft aus der Apparatur, welche dann das Wasser aus dem Messzylinder verdrängt, was teilweise auch noch durch das CO2 geschieht.

Kochsalz wird dem Wasser zugesetzt, um die Löslichkeit des CO2 in Wasser auf ein Minimum herabzusetzen. Der Farbstoff dient zum besseren Erkennen des Wasserpegels im Messzylinder.

Mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung lässt sich nun berechnen, wie hoch der Kalksteingehalt in Scheuermilch ist.

Berechnung

1 Mol Gas entspricht einem Volumen von 22,4 L.

Die molare Masse von Kalkstein (CaCO3) beträgt 100,09 g/mol.

Bei einer Einwaage von 1,5 g Scheuermilch lässt sich beispielsweise ein Gasvolumen von 70 mL erzeugen.

Daraus folgt, dass eine Kalkstein-Masse von 0,313 g umgesetzt wurde.

g 313 , 0 mol

4 L , 22

L 07 , mol 0 09 g , 100 V

V m M

ideal





 



Der Massenanteil von Kalkstein in Scheuermilch lässt sich folgendermaßen ermitteln:

^{1,5g 0,21}

g 313 ,

w  0 

Scheuermilch beinhaltet also zu 21 % Kalkstein.

Allgemein wird angegeben, dass Scheuermilch zu 20-30 % aus gemahlenem Kalkstein besteht.

3.1.1 Zeolithe

Zeolithe sind natürlich vorkommende oder künstlich hergestellte Alkalialumosilikate der allgemeinen Formel Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y] ^. z H2O. Sie wurden 1756 vom Hobbymineralogen Baron Axel F. Cronstedt entdeckt. Dieser gab ihnen auch ihren Namen. Er stellte fest, das diese Gesteinsart zu brodeln beginnt, wenn man sie erwärmt. So leitet sich ihr Name aus dem Griechischen ab aus zeo = ich siede und lithos = Stein. Bei diesen Mineralien sind Silicium- Atome des Silikatgerüstes gegen Aluminium-Atome ausgetauscht. Daraus resultiert eine negative Ladung am Gitter. Weiterhin lässt der Aufbau dieser Gerüstsilikate kanalähnliche Hohlräume frei. In diese können sich Wasser oder Alkalimetall-Kationen einlagern und so die negative Ladung ausgleichen.

Ende der 1970er Jahre entwickelte die Firma Henkel einen künstlich hergestellten Zeolithen, der die Strukturformel Na12[(AlO2)12(SiO2)12] ^. 27 H2O aufweist. In der Wissenschaft wird er als Zeolith 4 A bezeichnet, Henkel brachte ihn unter dem Namen Sasil® in den Handel. Der Handelsname leitet sich ab aus Sodium-aluminium-silicate

Zeolith 4 A ersetzt die Phosphate, die Waschmitteln und anderen Reinigungsprodukten früher zur Wasserenthärtung zugesetzt wurden. So kommt es in hartem Wasser, welches reich an Ca²⁺-Ionen ist, zu deren Austausch gegen die Na⁺-Kationen des Zeoliths. Ca²⁺ lagert sich fest in die Kanäle des Gerüsts ein, während Na⁺, das keinen Einfluss auf die Wasserhärte hat, mit dem Waschwasser abtransportiert wird.

O Si O Al O

O O

O Al O

O O O

O O Si

Versuch 3: Nachweis von Zeolithen in Scheuerpulver

Chemikalien Scheuerpulver Methylrot Methylenblau

Geräte Saugflasche

Büchnertrichter mit passendem Filterpapier Saugpumpe mit Kühlfalle

Becherglas (100 mL) Pipette

Durchführung

Zunächst legt man das Filterpapier in den Büchnertrichter und feuchtet es an. Dann gibt man etwa drei bis vier Spatelspitzen Scheuerpulver auf das Papier und wäscht es mit Wasser. Zur Beschleunigung des Wasch- und Filtervorgangs wird die Saugpumpe betätigt, die an der Saugflasche angeschlossen ist. Nun stellt man eine Mischung aus den beiden Farbstoffen her, gibt einige Tropfen auf das Scheuerpulver im Büchnertrichter und setzt die Saugpumpe erneut in Betrieb. Es wird noch einige Male mit Wasser gewaschen.

Auswertung

Das Scheuerpulver ist nicht vollständig in Wasser löslich. Das Waschwasser, welches sich in der Saugflasche ansammelt, erscheint leuchtend gelb. Die Färbung geht auf die dem Produkt zugesetzten Farbstoffe zurück.

Die beiden Farbstoffe bilden eine braune Lösung. Das Scheuerpulver färbt sich stellenweise blau, während eine orangegelbe Lösung in die Saugflasche tropft.

Zeolithe sind wasserunlöslich. Sie verbleiben also im Büchnertrichter, gelangen nicht mit dem Waschwasser in die Saugflasche. Weiterhin ist ihr Alumo-Silikatgerüst negativ geladen. Da

der Farbstoff Methylrot in dem vorherrschenden alkalischen Medium ebenfalls negativ geladen ist, wird er von den Zeolithen abgestoßen und mit dem Wasser ausgewaschen.

Methylrot kann als Indikator dienen. Sein Umschlagbereich liegt bei pH = 4,4 – 6,2. Im sauren Bereich erscheint der Farbstoff rot, im alkalischen wird ihm das Proton der Carboxylgruppe entzogen, das konjugierte π-Elektronensystem erweitert, der Farbstoff ist gelb.

N CH₃ C H₃

N N -OOC

N CH₃ C H₃

N N HOOC H⁺

H⁺

Methylenblau hingegen ist ein kationischer Farbstoff. Er kann sich an das anionische Zeolithgerüst anlagern und die Zeolithe im Scheuerpulver können als blau gefärbte Körnchen identifiziert werden.

N⁺ CH₃ C H₃

S N

N CH₃

CH₃ O Si O Al O

O O

O Al O

O O O

O O Si

gelb rot

3.2 Reiniger auf Hypochloritbasis

Diese Art der Reiniger wird zum Entfernen von Schmutz und Bakterien benutzt, weiterhin ist er in der Lage, Gerüche und Verfärbungen aufzulösen. Bemerkenswert ist hierbei, dass keine Einarbeitung in das Material erforderlich ist, sondern eine kurze Einwirkzeit genügt.

Schon im 18. Jahrhundert entdeckt Berthollet die Bleichwirkung von NaOCl, im 19.

Jahrhundert weist Labarraque dessen antibakterielle Eigenschaft nach.

Reiniger auf Hypochloritbasis kommen vor allem zur Trinkwasserreinigung oder Desinfektion von Schwimmbädern zum Einsatz, worauf der Geruch nach Chlor beim Betreten eines Hallenbades hindeutet.

Versuch 4: Nachweis der antibakteriellen Wirkung von NaOCl

Chemikalien DanKlorix Allzweckreiniger

Geräte:

5 Agarplatten mit Nährmedium kleine Fliesenstücke

Putztuch

Bechergläser (400 mL) Bunsenbrenner

Durchführung

Man legt einige Fliesenstücke für ein paar Tage in einem stark belaufenen Raum aus oder reibt sie an einem verschmutzten Gegenstand. Nun stellt man je eine Lösung aus den Reinigern her mit der Konzentration, die man auch zum Putzen nehmen würde. Um unter möglichst sterilen Bedingungen zu arbeiten, entzündet man zunächst einen Bunsenbrenner so nah am Versuch wie möglich. Ein Fliesenstück drückt man direkt in eine Agarplatte, ein

weiteres wird zunächst mit Leitungswasser abgewischt, bevor davon ein Abklatsch genommen wird, ein drittes wird zuvor mit dem Allzweckreiniger behandelt, ein viertes wird mit DanKlorix-Lösung gereinigt, diese aber sofort wieder abgewischt. Das letzte Fliesenstück wird ebenfalls mit DanKlorix-Lösung behandelt, ehe es nach etwa 5 Minuten Einwirkzeit ebenfalls auf eine Agarplatte abgedrückt wird.

Die Platten sind zu verschließen und für 24 Stunden bei 37 °C zu inkubieren.

Auswertung:

Es resultieren die folgenden Ergebnisse.

unbehandelt Wasser Allzweckreiniger DanKlorix, sofort DanKlorix abgewischt mit Einwirk-

zeit

Wie zu erkennen ist, ist die als Kontrolle dienende Fliese mit Bakterienstämmen besiedelt.

Auf dem Nährmedium konnten sich die Kulturen gut ausbreiten und werden als gelbe Flecken sichtbar. Wasser allein konnte die Bakterien nicht entfernen. So ist zwar das Kulturenwachstum nicht so stark wie bei der unbehandelten Fliese, jedoch lassen sich mehrere Stämme ausmachen. Auf der Agarplatte, die den Abdruck der mit Allzweckreiniger behandelte Fliese beinhaltet, konnten sich keine Bakterienkulturen ausbreiten. Dies kann zum Einen daran liegen, dass die Fliese zuvor nicht kontaminiert wurde. Da sich dieses Resultat jedoch bei mehreren Versuchsdurchgängen zeigte, ist davon auszugehen, dass die ansässigen Bakterien durch den Allzweckreiniger entfernt wurden. Auf den mit DanKlorix behandelten Platten sind nur je minimal kleine Bakterienstämme zu erkennen. In weiteren Versuchen wurden keine Bakterienkulturen angezogen. Die antibakterielle Wirkung ist damit nachgewiesen.

Gebrauch von antibakteriellen Reinigern eine Resistenz gegen diese ausbilden. Sie lassen sich auch dann nicht mehr entfernen, wenn es die Gesundheit wirklich erfordert.

Daher ist dringend davon abzuraten, Reiniger mit antibakteriell wirkenden Komponenten zur täglichen Haushaltshygiene einzusetzen. Dies sollte Krankenhäusern oder anderen Einrichtungen vorbehalten bleiben, die auf eine sterile Umgebung angewiesen sind.

Versuch 5: Titrimetrische Bestimmung des Natriumhypochloritgehalts

Chemikalien DanKlorix

Kaliumiodid-Lösung (KI(aq)); c = 0,1 mol/L Salzsäure (HCl(aq)); w = 0,05

Natriumthiosulfat-Lösung (Na2S2O3 (aq)) Stärkelösung

Geräte

2 Vollpipetten (10 mL) Messkolben (100 mL) Erlenmeyerkolben (250 mL) Bürette (50 mL)

Magnetrührer mit Rührfisch Becherglas (100 mL) Pipette

Dreifuß mit Drahtnetz Bunsenbrenner

Durchführung

Man entnimmt 10 mL des DanKlorix mit Hilfe einer Vollpipette und überführt sie in einen Messzylinder, um dann mit Wasser auf 100 mL aufzufüllen. Die Bürette ist mit der Natriumhthiosulfat-Lösung zu beschicken.

Aus dem Messzylinder entnimmt man 10 mL der Lösung und gibt sie in den Erlenmeyerkolben. Diesen stellt man auf den Magnetrührer und legt den Rührfisch in die Lösung. Unter Rühren fügt man in der angegebenen Reihenfolge etwa 60 mL Wasser, 30 mL der Kaliumiodid-Lösung sowie 1,5 – 2 mL der Salzsäure.

Unter ständigem Rühren tropft man nun die Thiosulfat-Lösung zu. Ist die Lösung nur noch schwach gelb, versetzt man sie mit einigen Tropfen frisch zubereiteter, aufgekochter Stärkelösung. Man titriert nun bis zur völligen Entfärbung weiter.

Auswertung

Zunächst wird das Chlor im Hypochlorit, welches die Oxidationsstufe +1 aufweist, reduziert zu Chlorid mit der Oxidationsstufe –1. Iodid mit der Oxidationsstufe – 1 wird zu elementarem Iod oxidiert. Aufgrund der Bildung von Polyiodiden ist die Lösung nun gelb. Bei dieser Reaktion entsteht weiterhin Wasser.

ClO^-(aq) + 2 I^-(aq) + 2 H3O⁺(aq) → I2 (aq) + Cl^-(aq) + 3 H2O

Bei diesem Versuch findet die indirekte Iodometrie Anwendung. Dementsprechend wird das im ersten Versuchsteil entstandene Iod wieder zu Iodid reduziert. Oxidiert wird ein Schwefelatom des Thiosulfats. Es entsteht Tetrathionat.

I2 (aq) + 2 SSO32-

(aq) → 2 I^-(aq) + S2S2O62- (aq)

Auf die eigentliche Reaktion nimmt die Stärke keinen Einfluss. Sie bildet mit Iod eine blaue Einschlussverbindung und dient daher zum besseren Erkennen des Umschlagpunktes. Bis zu diesem werden 11 mL Na2S2O3 (aq) verbraucht.

Berechnung mol 74 g M_NaOCl 

0 + 4 - 1 + 5

+1 -1 0 -1

Ein Äquivalent Na2S2O3 setzt ein halbes Äquivalent I2 um. Ein Äquivalent I2 reduziert ein Äquivalent NaOCl. Daher folgt bei einem Verbrauch von 11 mL Natriumthiosulfat-Lösung für die Berechnung der in DanKlorix enthaltenen Masse an Natriumhypochlorit:

g 04 , 0

L 011 , mol 0 74 g L 1mol , 2 0 1

V M

2 c

m 1 _{NaSO NaOCl}

3 2 2



















Die Dichte δ von DanKlorix wurde im Labor auf 1,04 g/mL bestimmt.

Da insgesamt 1 mL DanKlorix titriert wurde, lässt sich die Massenanteil wie folgt berechnen:

038 , 0 mL 04 g , 1 mL 1

g 04 , 0 V

w m 



 

 

Es befinden sich also zum Versuchszeitpunkt 3,8 % Natriumhypochlorit in der DanKlorix- Flasche. Der Hersteller gibt einen Gehalt von unter 5 % an.

Versuch 6: Erzeugung von Chlorgas

Chemikalien DanKlorix Essigessenz Rote-Bete-Saft

Geräte

Erlenmeyerkolben (50 mL) Filterpapier

Pipette

Durchführung

Man färbt das Filterpapier mit Rote-Bete-Saft ein. Nun füllt man etwa 20 mL DanKlorix in den Erlenmeyerkolben und gießt etwas Essigessenz darauf. Sofort ist der Kolben mit dem gefärbten Filterpapier zu bedecken.

Auswertung

Sofort nach Zugabe der Essigessenz beginnt die Mischung zu sprudeln. Nach ein paar Minuten kann man erkennen, das der Teil des Filterpapiers, welcher die Öffnung des Erlenmeyerkolbens bedeckt hat, entfärbt wurde.

In DanKlorix liegt Hypochlorit vor, weiterhin Chlorid als Verunreinigung. Durch die Protonen der Essigessenz kommt es zu einer Symproportionierung, bei der elementares Chlor entsteht, welches gasförmig entweicht. Des weiteren entsteht Wasser.

ClO^-(aq) + Cl^-(aq) + 2 H3O⁺(aq) → Cl2 (g) ↑ + 3 H2O

Die farbgebende Substanz in Rote-Bete ist Betanin.

Die Farbe geht auf ein konjugiertes π-Elektronensystem zurück. Es kommt zu einer Addition an die Doppelbindung durch Cl2. Dadurch wird das System zerstört, die Stellen des Filterpapiers, die mit Chlorgas in Berührung kommen, werden entfärbt.

+ 1 - 1 0

3.3 Rohrreiniger

Dieser Reinigertyp gelangt in fester oder flüssiger Form in den Handel. Er wird dazu eingesetzt, Verstopfungen zu lösen, die durch Haare, Speisereste usw. in Abflüssen und Kanälen entstehen.

Die Hauptkomponenten der Rohrreiniger sind Ätznatron (NaOH), Aluminium und je nach Hersteller auch Natronsalpeter (NaNO3).

Zunächst wirken die einzelnen Komponenten durch Zugabe von Wasser unter Hitzeentwicklung und Gasentstehung miteinander. Dadurch entstehen Verwirbelungen, die die Verstopfung mechanisch lösen sollen. Des weiteren soll durch die hohe Temperatur, die entsteht, ein Schmelzen einiger Komponenten der Verstopfung erreicht werden.

Doch darin liegt auch eine der Gefahren von Rohrreinigern. So können Kunststoffteile im Abflussbereich ebenfalls zum Schmelzen gebracht werden. Außerdem kann es zu einer beschleunigten Korrosion an empfindlichen Materialien kommen. Dadurch können Rohre brechen oder derart zerstört werden, dass große Mengen Wasser in die Wände gelangen.

NaOH(s) ist ätzend. In den Rohrreinigern kommt es in hoher Konzentration vor. Daher sollte der Anwender Handschuhe tragen. Weiterhin kann die enorme Gasentwicklung dazu führen, das Spritzer mit Natronlauge den Anwender treffen.

Den Rohrreinigern einiger Reiniger sind Nitrate zugesetzt. Diese sind mitverantwortlich für die Eutrophierung von Gewässern. Ihre Verwendung, insbesondere in Verbindung mit Ab- und Grundwasser sollte daher vermieden werden.

Versuch 7: Identifizierung der einzelnen Komponenten

Chemikalien Rohrreiniger fest

Schwefelsäure (H2SO4 (aq)); w = 0,96 Phenolphtaleinlösung in Ethanol Eisensulfatlösung (FeSO4 (aq))

Geräte Pinzette

Porzellanschälchen Reagenzgläser Pipette

Durchführung

Zunächst sind eine Probe des Reinigers zu entnehmen und mit Hilfe einer Pinzette die metallischen, glasigen und weißen Komponenten in Porzellanschalen zu trennen.

Die glasig erscheinenden Perlen fügt man in ein Reagenzglas und löst sie in Wasser, woraufhin man etwas Phenolphthaleinlösung hinzutropft.

Nun ist eine gesättigte Eisensulfatlösung herzustellen. Man löst die weißen Perlen in Wasser, gießt langsam etwa die gleiche Menge Eisensulfatlösung hinzu und unterschichtet vorsichtig mit konzentrierter Schwefelsäure.

Auswertung

Die Verbraucherinformation gibt an, dass der Reiniger Aluminium, Natriumhydroxid sowie Natriumnitrat enthält.

Die metallischen Körnchen werden optisch als Aluminium identifiziert.

Die Lösung der glasigen Perlen färbt sich nach Zugabe des Indikators Phenolphthalein violett.

Der Indikator hat seinen Umschlagspunkt bei pH = 9. Demnach handelt es sich bei den glasigen Perlen um Natriumhydroxid.

Natriumnitrat wird mittels Ringprobe identifiziert.

Die Protonen der Schwefelsäure bilden zunächst mit Nitrat Salpetersäure und Wasser.

Des weiteren erfolgt eine Redoxreaktion, bei dem der Stickstoff der Salpetersäure von der Oxidationsstufe + 5 zu + 2 in Stickstoffoxid reduziert wird. Oxidiert werden hierbei die Fe²⁺-

H3O⁺(aq) + NO3-

(aq) HNO3 (aq) + H2O

hierbei seine Oxidationszahl von + 2 im Stickstoffoxid nach + 1 im Nitroxylat-Anion. Eisen wird von + 2 nach + 3 oxidiert.

NO(aq) + [Fe(H2O)6]²⁺(aq) [Fe(H2O)5NO]²⁺(aq) + H2O

Der Komplex bildet sich an der Phasengrenze aus und ist als brauner Ring zu erkennen.

Versuch 8: Verdeutlichung des Reinigungsprinzips

Chemikalien Rohrreiniger

Geräte

Zentrifugenglas mit passendem durchbohrten Stopfen Pinzette mit abgetrennter Spitze als Einleitungsrohr

Mikrozentrifugenglas mit passendem undurchbohrten Stopfen Feuerzeug

Holzspan pH-Papier Tiegelzange Stativmaterial

Durchführung

Man spannt das Zentrifugenglas in das Stativ ein und löst darin zwei Spatelspitzen Natriumhydroxid, welches vorher aus dem Rohrreiniger ausgelesen wurde, mit etwas Wasser.

Das Zentrifugenglas darf nur zu etwa 1/3 gefüllt sein. Nun gibt man 15 Körnchen Aluminium aus dem Reiniger hinzu, setzt den Stopfen darauf, in dem sich die Pipette mit der Spitze nach oben befindet. So schnell wie möglich stülpt man das Mikrozentrifugenglas, welches mit der Öffnung nach unten am Stativ angebracht ist, über die Pipettenspitze.

Nach 5 Minuten schiebt man das Mikrozentrifugenglas nach oben und verschließt es mit einem Gummistopfen. Hierbei ist streng darauf zu achten, dass die Öffnung des Glases nach unten zeigt, solange es noch nicht verschlossen wurde.

Nun dreht man das Glas um 180°, entzündet den Glimmspan, entfernt den Stopfen und hält unmittelbar danach die Flamme an die Öffnung.

Schließlich fügt man dem Gemisch im Zentrifugenglas einige Perlen Natriumnitrat aus dem Reiniger hinzu. Man feuchtet einen pH-Papierstreifen an und hält diesen mit Hilfe der Tiegelzange über das Zentrifugenglas.

Auswertung

Zunächst reagieren Aluminium und Wasser im alkalischen Medium in Form einer Redoxreaktion miteinander. Hierbei entstehen Wasserstoff und das Tetraaquaaluminat(III)- Anion.

2 Al(s) + 2 OH^-(aq) + 6 H2O → 2 [Al(OH)4]^-(aq) + 3 H2 (g) ↑

Der Wasserstoff steigt, nachdem der gesamte Gasraum des Zentrifugenglases eingenommen ist, durch das Ableitungsrohr auf und sammelt sich im Mikroreagenzglas, nachdem er die Luft darin verdrängt hat. Nach etwa 5 Minuten hat sich genügend Wasserstoff im Mikroreagenzglas gesammelt, dass er mit Hilfe der Knallgasprobe zu identifizieren ist.

Hierbei reagieren elementarer Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft unter einem Pfeifgeräusch und einer kleinen Lichterscheinung zu Wasser.

2 H2 (g) + O2(g) → 2 H2O (g)

Im Zentrifugenglas verbleibender Wasserstoff wird mit dem im zweiten Schritt zugefügtem Nitrat in Form einer Redoxreaktion zu Ammoniak umgesetzt. Auf diese Weise soll der mit Sauerstoff explosive Wasserstoff unschädlich gemacht werden.

4 H2 (g) + NO3-

(aq) → NH3 (g) ↑ + OH^-(aq) + 2 H2O

Ammoniak steigt gasförmig auf und reagiert mit dem Wasser des befeuchteten pH-Papiers

0 +1 +3 0

0 0 +1 -2

0 + 5 - 3 + 1 + 1 +1

Versuch 9: Rohr frei mit Rohrfrei

Chemikalien Rohrreiniger Margarine Haare

Geräte U-Rohr

Temperaturfühler Kunststofftrichter

Schale oder kleine Plastikschüssel Becherglas

Stativmaterial Teelöffel Glasstab

Durchführung

Man befestigt das U-Rohr am Stativ und stellt eine Schale darunter. Man stellt ein Gemenge aus Haaren und Margarine her und fügt dieses in die Kurve des U-Rohres. Mit Hilfe eines Trichters gibt man nun etwa einen Teelöffel auf das Gemenge und füllt so viel Wasser dazu, dass die ganze Menge Rohrreiniger damit bedeckt ist.

Auswertung

Zunächst kann das Wasser die Verstopfung aus Haaren und Margarine nicht durchdringen, es staut sich in dem einen Schenkel des U-Rohres. Allmählich löst sich der Rohrreiniger unter Wasserstoff- und Ammoniakentwicklung (vgl. Versuch 7). Das Wasser trübt sich braun, die Margarine schmilzt. Der Temperaturfühler zeigt Temperaturen bis zu 96 °C an. Nach etwa 10 Minuten ist die Verstopfung gelöst und das Wasser kann frei durch das U-Rohr fließen.

Die Komponenten des Rohrfreis reagieren bei Einwirkung von Wasser unter Energiefreisetzung in Form von Wärme miteinander. Dadurch werden die leicht schmelzbaren Anteile einer Verstopfung gelöst.

Des weiteren sorgen die entstehenden Gase für eine Verwirbelung im Reaktionsraum, so dass Verstopfungen auf mechanischem Weg entfernt werden.

Haare bestehen vor allem aus Polypeptiden. Die Peptidbindungen werden durch Natriumhydroxid, welches in fester Form in Rohreiniger enthalten ist, aufgebrochen. Als Reaktionsprodukte entstehen das Carboxylat-Anion sowie die Aminosäure.

H N H R N R

H C O

R R C

O OH^-_(aq) O

+ +

Weiterhin werden Fette durch Hydroxid in Form einer Verseifungsreaktion in Glycerin und ihre Fettsäurereste zerlegt.

C

H₂ O C O

C

H O C O

C

H₂ O C O

C H₂ OH

C H

C H₂

OH OH C_mH_n

C_oH_p C_qH_r

+ 3 OH^-_(aq) +

O C O

O C O

O C O

C_mH_n C_oH_p C_qH_r

4. Anwendungsfelder in der Schule 4.1 Anwendungsfelder im Unterricht

Das Thema Reinigungsprodukte ist hervorragend für den Chemieunterricht geeignet. So lassen sich beispielsweise die Eigenschaften von Säuren und Laugen mit Hilfe von Reinigern besprechen. Neben den im Vortrag verwendeten Reinigern können ebenfalls noch Reiniger zum Einsatz kommen, die organische Säuren beinhalten, wie beispielsweise Essig- oder Zitrusreiniger.

Des weiteren bietet sich an, die Reiniger als Haushaltschemikalien zu betrachten. So besteht die Möglichkeit, statt Natriumhydroxid aus der Chemikaliensammlung einzusetzen, auf Rohrreiniger zurückzugreifen. Entfernt man die übrigen Komponenten, wenn diese die geplante Reaktion stören, so kann man den Reiniger wie eine Chemikalie einsetzen. Auf diese Weise erkennen die Schüler eine Verbindung zu ihrem Alltag und folgen den Experimenten wesentlich interessierter.

Versuche, bei denen Chlor benötigt wird, können mit Hilfe von Reinigern auf Hypochloritbasis durchgeführt werden. Wird das Thema Halogene im Unterricht behandelt, so kann diese Form des Reinigers benutzt werden.

Weiterhin kann bei der Besprechung des Themas Kalkstein auf Scheuermittel in bezug auf seine Verwendung hingewiesen werden. Mit Scheuermilch lassen sich alle Versuche durchführen, bei denen gemahlener Kalkstein erforderlich ist.

Das Thema Reinigungsprodukte lässt sich aber auch interdisziplinär behandeln. So bietet sich an, in Kooperation mit dem Sozialkundelehrer die großtechnische Produktion von Reinigern sowie den wirtschaftlichen Ablauf bei einem Hersteller zu besprechen und eine Fabrik zu besuchen.

Der biologische Abbau lässt sich in Zusammenarbeit mit dem Biologieunterricht durchnehmen. Es kann hier ein Vergleich zwischen nicht biologisch abbaubaren und solchen, die biologisch abbaubar sind, gezogen werden, sowie allgemein auf die Umweltbelastung durch Reiniger hingewiesen werden.

4.2 Anwendungsfelder im Schüleralltag

Der Schüler findet in diesem Thema weiterhin Bezug zu seiner Lebenswelt. Wird das Thema Reinigungsprodukte als Projektarbeit durchgeführt, so kann auch darauf hingewiesen werden, wie Unfälle im Haushalt durch falschen Gebrauch der Reiniger entstehen und wie sie vermieden werden können. Es sind vor jedem Gebrauch eines Reinigers die Gefahrenhinweise zu lesen. Der Schüler wird durch das Projekt auf mögliche Gefahren aufmerksam gemacht und beherzigt dies in seinem Alltag außerhalb der Schule.

Die Schüler bekommen ein Verständnis davon, dass schon kleine Mengen Reiniger ihre Wirkung nicht verfehlen. Sie sollen zu einem gezielten Einsatz von Reinigern geführt werden sowie natürliche Alternativen entdecken, die ohne für Mensch und Umwelt gefährliche Komponenten auskommen.

5. Literatur

Zeitschriften

Chemie in unserer Zeit, Nr. 3, 35. Jahrgang, 2001 Chemie in unserer Zeit, 37. Jahrgang, 2003

Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie Heft 8, 27. Jahrgang, 1979 Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie Heft 12, Nr. 63, 2001 Naturwissenschaften im Unterricht – PC, Nr. 25, 35. Jahrgang, 1987 Praxis der Naturwissenschaften – Chemie, 7/80

Praxis der Naturwissenschaften – Chemie, 1/95 Bücher

Georg Schwedt: Experimente mit Supermarktprodukten – eine chemische Warenkunde Viley – VCH Verlag GmbH, Weinheim 2001

Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, Walter de Gruyter- Verlag, Berlin/New York 1995

Internetquellen

www.henkel.de, 01.04.04 www.danklorix.de, 01.04.04

www.chemie.uni-ulm.de/experiment/edm0106.html, 12.04.04

6. Herstellernachweise zu den verwendeten Reinigungsprodukten

Scheuermittel W 5 Scheuermilch Lidl Stiftung & Co. KG Neckarsulm

ATA-Scheuerpulver

Henkel Wasch- und Reinigungsmittel GmbH 40191 Düsseldorf

Reinigungsmittel auf Natriumhypochloritbasis DanKlorix

Colgate-Palmolive GmbH Lübecker Straße 128 22087 Hamburg Rohrreiniger Dr. Weipert

Scheidmühlenweg 3 –5 52080 Aachen

7. Sicherheitshinweise zu den verwendeten Chemikalien

Edukte Al

Ca(OH)2: C; R 34; S 26 – 36/37/39 – 45 HCl(aq); c = 2 mol/L

HCl(aq); w = 0,05: Xi; R 36/37/38; S 26 – 45 H2SO4; w = 0,96: C; R 35; S 26/30 – 45 FeSO4 . 7 H2O; Xn; R 22 – 36/37/38; S 26 – 36 C16H18ClN3S (Methylenblau); Xi; R 22; S 22 – 24/25 C15H14N3NaO3 (Methylrot); S 22 – 24/25

NaCl

NaOCl(aq); w < 0,05; Xi; R 31 – 36/38; S 25 NaOH(s); C; R 35; S 26 – 37/39 – 45

NaNO3; O, Xn; R 8 – 22 – 36/37/38; S 15 – 16 – 26 – 36 Na2S2O3 . 5 H2O; Xi; R 36/37/38; S 26 – 36

Produkte

Cl2 (g); T, N; R 23 – 36/37/38 – 50; S 9 – 45 –61