Kapitel 10: CO2

Integriertes Grundpraktikum Chemie XB WS 03/04 Kap. 10: CO2-Kreislauf 1

Kapitel 10: CO₂ – Kreislauf

Ziel

In diesem Kapitel beschäftigen Sie sich mit den chemischen Reaktionen, die wichtig sind, um die Verwitterung und Sedimentierung von Karstlandschaften (Carbonatgesteine) verstehen zu können. Die Korrosion dieser Gesteine wird erst durch die Anwesenheit von Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) ermöglicht. Sie sollen in diesem Versuch unter anderem verstehen warum das so ist!

Lerninhalte

- Kontrollierter und sicherer Umgang mit starken Säuren und Laugen - Umgang mit komprimierten Gasen und mit Druckgasflaschen - Stöchiometrie, Fällungsreaktionen, Löslichkeitsprodukt

- Chemisches Gleichgewicht

Vorsicht:

- In diesem Versuch arbeiten Sie mit starken Säuren (HNO3: Salpetersäure) und starken Laugen (CaCO3: „Kalk“, Ca(OH)2 und NaOH: „Natronlauge“). Spritzer der Lösungen ins Auge sind sehr ernst. Tragen sie konsequent die Schutzbrille (wie sonst auch immer). Sollte trotzdem etwas „ins Auge gehen“, spülen sie sofort mit viel Wasser nach! Der Assistent muss umgehend durch Kollegen informiert werden. Spritzer reizen bzw. verätzen die Haut. Auch hier gilt: sofort waschen.

Konzentrierte Salpetersäure oxidiert Latex schnell. Latexhandschuhe sind deshalb kein Schutz – eher sogar eine Gefährdung, weil die oxidierten Rückstände des Latex auf der Haut kleben und nicht so leicht abwaschbar sind wie die reine Säure. Fassen Sie auch nicht mit ungewaschenen Händen ins Gesicht! Spritzer von Laugen und Säuren fördern auch eine „vorzeitige Alterung“

ihrer Kleider! Tragen Sie ihren Labormantel geschlossen und verzichten Sie darauf, mit neuen bzw. teuren Kleidern zur Arbeit zu erscheinen. Waschen Sie die Hände gründlich, bevor Sie das Labor verlassen.

- In diesem Versuch arbeiten Sie mit komprimierten Gasen (Stickstoff und CO2) bzw. mit Gasen, die durch eine Reaktion freigesetzt werden. Komprimierte Gase sind immer eine Gefahrenquelle. Überdruck in geschlossenen Apparaturen kann zu einer Explosion führen. Wegfliegende Glassplitter zusammen mit den

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freigesetzten Chemikalien können schwere Verletzungen zur Folge haben. Eine korrekte Handhabung der Gasquellen (aus der Leitung / aus der Flasche / chemische Freisetzung) sowie eine vorsichtige Handhabung der Apparaturen, insbesondere eine kontinuierliche Überwachung des Innendrucks sind unerlässlich für ein sicheres Arbeiten. Arbeiten Sie in der Kapelle! Der Assistent ist für eine korrekte Instruktion zur Bedienung der Gasmedien verantwortlich!

a) „Verkarstung“ von Kalk (CaCO3)

In der Natur werden Kalkfelsen oft durch Luftkohlendioxid, das mit Wasser zu Kohlensäure reagiert, gelöst. Es entsteht eine Lösung von Calciumbicarbonat,

„hartes Wasser“.

Für diesen Versuch benötigen wir:

- 1 g Kalk (CaCO3)

- 1 l CO2-gesättigtes, deionisiertes Wasser

CO2 gesättigtes Wasser kann auf zwei verschiedene Methoden hergestellt werden:

(1) Blubbern Sie ca. 1 Stunde lang CO2 durch das Wasser

(2) Nehmen Sie einen 2l Zweihalskolben und schütten Sie 1l Wasser hinein.

An einem Hals wird ein Manometer zur Druckkontrolle befestigt.

Evakuieren Sie unter Rühren ca. 5 Minuten lang. Lassen Sie nun vorsichtig CO2 hineinströmen, bis der Innendruck wieder dem Aussendruck entspricht.

Versuch:

1g Kalk wird im CO2-ges. Wasser (ca. 38 mM CO2) aufgeschlämmt (Magnetrührer / Rührfisch). Schliessen sie Ihren Kolben, damit das CO2 in der Lösung bleibt! Lassen Sie die Lösung eine Stunde rühren und filtrieren Sie mit dem Faltenfilter evtl. übriggebliebenen Kalk ab. Leeren Sie die Hälfte der Lösung in einen 1l Kolben und evakuieren Sie nun ca. 1 Stunde lang. Erhitzen Sie die andere Hälfte der Lösung auf ca. 90°C. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen.

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b) CO₂-Bildung aus Kalk mit einer starken Säure Diese Apparatur wird durch den Assistenten aufgestellt.

Für diesen Versuch benötigen wir:

- 0.4 g Kalk (CaCO3)

- Eisbad für 25 ml Zweihalsspitzkolben

- 200 ml Na2SO4 gesättigtes Wasser als Sperrflüssigkeit

- Salpetersäure (Was ist der Unterschied zwischen rauchender und konzentrierter Salpetersäure?)

Versuch:

1. Gasbürette vorbereiten:

Das untere Ende der Gasbürette (E) wird durch einen PVC- Schlauch flexibel mit einem Scheidetrichter (Ausgleichsgefäss) verbunden. Die Gasbürette wird an einem Stativ befestigt, der Scheidetrichter (G) auch.

Füllen mit Na2SO4: Der Scheidetrichter wird so weit heruntergelassen, dass die Oberkante tiefer liegt als der Einlass der Gasbürette. Nun wird ca. 200 ml Sperrflüssigkeit

eingefüllt. Der Ausgang (F) wird geöffnet. Durch Anheben des Scheidetrichters wird der Flüssigkeitspegel auf die Marke „0“ gebracht und der Scheidetrichter entsprechend fixiert.

2. Im Eisbad wird in einem 25 ml Zweihalsspitzkolben 0.4 g Kalk vorgelegt. Der eine Hals (oben) wird mit einem Septum verschlossen. Über einen Kegel wird ein möglichst dünner und kurzer PVC-Schlauch (Totvolumen!) zu der Gasbürette geführt (Eingang B).

3. Alle Hähne richtig einstellen: Der obere Hahn (D) wird so eingestellt, dass Gas aus dem Kolben mit dem Kalk (B → E) in die Gasbürette strömen kann.

4. Salpetersäure zum Kalk geben: Die Salpetersäure soll im Molverhältnis 2.1:1 zugegeben werden (Warum?). Berechnen Sie die benötigte Menge in ml.

Stellen Sie zuerst sicher, dass Ihr Spitzkolben gut durch das Eisbad gekühlt wird. Das berechnete Volumen Salpetersäure wird mit einer Plastikspritze aufgesogen. Man steckt eine Nadel auf und sticht durch das Septum. Nun kann langsam zugetropft werden.

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5. Sie werden sehen, dass im Verlauf der Reaktion der Flüssigkeitspegel in der Gasbürette sinkt. Warten Sie noch eine Minute nachdem die Zugabe von Salpetersäure beendet ist. Stellen Sie nun den Scheidetrichter so ein, dass die Flüssigkeitspegel in Scheidetrichter und Gasbürette auf der gleichen Höhe sind. (Warum tun Sie das?). Lesen Sie nun ab, wieviel Gas produziert wurde! Entspricht der Messwert Ihren Erwartungen?

c) Fällung von Kalk aus einer Calciumhydroxidlösung mit CO₂

Für diesen Versuch benötigen wir:

- 10 mmol Ca(OH)2

- 1l CO2 freies, deionisiertes Wasser:

Sättigen Sie dazu 1l Wasser in einem 1l Kolben mit Stickstoff (siehe oben)

Versuch:

Geben Sie 10 mmol Calciumhydroxid in 1l CO2 freies Wasser und rühren Sie mit dem Teflonrührer. Verschliessen Sie dazu den Kolben, und halten sie ihn verschlossen solange Sie die Lösung nicht brauchen.

Verbinden Sie nun den Auslass (C) der Gasbürette mit dem 1l Rundkolben. Der Rundkolben darf nur zur Gasbürette offen sein. Sonst ist er verschlossen. Stellen sie den Hahn der Gasbürette (D) so ein, dass das CO2 in den Rundkolben strömen kann. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen!

Übung:

- Welche Stoffmenge Calciumhydroxid kann man in 1 l Wasser lösen (pKL(Ca(OH)2) = 5.2)? Welcher Masse entspricht das?

- Welche Stoffmenge Calciumcarbonat kann man in 1 l Wasser lösen (pKL(CaCO3) = 8.2)? Welcher Masse entspricht das?