Herstellung von Schiessbaumwolle
Sprengstoffe
CH3 NO2 O2N
NO2
O H2C
CH H2C
O O NO2
NO2 NO2
CH2 CH2 H2C
H2C O
O O
O
NO2
O2N NO2
O2N
N N
N NO2 O2N
NO2
Tri-Nitro-Toluol
TNT Glycerin-Tri-Nitrat
"Nitroglycerin" Pentaerythritol tetranitrat
PETN
Cyclotrimethylen trinitramin
RDX
Wie diese Beispiele zeigen, enthalten viele Sprengstoffe Nitro- (NO2) oder Nitrat- (ONO2) Gruppen. Das ist kein Zufall. Die N-O-Bindung ist schwach und das Molekül zerfällt bereits, wenn wenig Energie - z.B. in Form von Wärme - zugeführt wird. Dazu kommt, dass sich die Sauerstoffatome viel lieber mit Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen binden als mit
Stickstoffatomen: der Sprengstoff verbrennt im eigenen Sauerstoff. Da der Sauerstoff bereits im Sprengstoff steckt, verläuft die Verbrennungsreaktion sehr rasch. Es entstehen gasförmige Produkte, die viel Raum beanspruchen und so den Behälter zur Explosion bringen. In der folgenden Reaktionsgleichung sehen Sie, dass flüssiges Nitroglycerin zu Gasen wird, in denen die Sauerstoffatome nicht mehr an Stickstoffatome gebunden sind:
2 C3H5N3O9 (l) ---> 3 N2 (g) + 5 H2O (g) + 6 CO2 (g) + 1/2 O2 (g)
Schiessbaumwolle
Watte ist nichts anderes als Cellulose, ein Polymeres von Traubenzucker:
O H
HO
H HO
H
H
H OH OH
OH
Traubenzucker = Glucose C6H12O6
O H
O XO
H
OX H
H O
OX H
O H
H
H OX
O OX
O H
H XO
H
H
H OX O
OX XO
H
X = H bei Cellulose, z.B. in Watte
X = NO2 bei Cellulosenitrat = Schiessbaumwolle
Im Experiment wird Schiessbaumwolle (=Cellulosetrinitrat) aus Watte hergestellt. Man sagt:
die Watte werde nitriert. Die Abbildung zeigt, wie das Cellulosemolekül dabei verändert wird.
Die Reaktion läuft ab, wenn Sie Cellulose in konzentrierter Salpetersäure und
Schwefelsäure baden. Dabei wird ausgenutzt, dass konzentrierte Schwefelsäure begierig Wasser aufnimmt.
Schiessbaumwolle ist nicht bloss eine getränkte, imprägnierte Watte, sondern ein neuer Stoff mit nur äusserlich ähnlichem Aussehen. Sie fühlt sich rauher an als Watte und ist auch brüchiger als diese. Schiessbaumwolle wird für Tischbomben verwendet.
Das Experiment
In der Kapelle arbeiten und unbedingt eine Schutzbrille tragen!
1) Eisbad: 100 g Eis im grössten Becherglas, mit Leitungswasser auf ca. 250 ml auffüllen.
2) 60 ml (111 g) konzentrierte Schwefelsäure (H2SO4 95-98%, Vorsicht) in ein 400 ml Becherglas geben und im Eisbad auf unter 15° C kühlen. Weil es spritzen würde, darf kein Wasser in die Säure geraten, ganz nach dem Spruch: Zuerst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure!
3) 30 ml (42 g) konzentrierte Salpetersäure (HNO3 65-70%, Vorsicht) portionenweise in die Schwefelsäure einrühren so, dass die Temperatur nicht über 50°C steigt. Warten bis das Eisbad die entstandene Nitriersäure auf 20 °C gekühlt hat. Becherglas mit der Nitriersäure aus dem Kühlbad nehmen und dieses für Punkt 7 zur Seite stellen.
4) 1,7 - 2,0 g Watte (Cellulose, genaue Masse notieren) mit dem Glasstab sanft in der Nitriersäure versenken. Zu starkes Pressen erzeugt filzartige harte Stellen.
5) 10 min nitrieren, dabei die Watte gelegentlich aus der Säure heben, ablaufen lassen und wieder eintauchen.
6) Möglichst viel Säure ins kleinste Becherglas abgiessen: Watte mit Glasstab
zurückhalten und darauf achten, dass keine Säure via Glasstab auf die Hand fliessen kann. Diese Säure wird im Punkt 11 entsorgt.
7) Kühlbad von Punkt 3 mit Leitungswasser auf 350 ml auffüllen. Watte samt Restsäure sorgsam hineingeben, nicht plumpsen lassen, um ein Verspritzen der säurehaltigen Lösung zu vermeiden. Mit dem Glasstab gut durchkneten. Mit Indikatorpapier den pH- Wert in der Lösung messen. Der pH-Wert gibt an, wie sauer die Lösung ist.
pH-Wert: ...
8) Schutzbrille weiterhin tragen, im Lavabo kaltes Wasser laufen lassen, die Lösung des Becherglases in den Ausguss leeren, mit dem Glassstab die Watte aber zurückhalten.
Becherglas mit Watte unter fliessendem Wasser gut spülen und dann den pH-Wert ein zweites Mal messen:
pH-Wert: ...
9) Spülwasser abgiessen und die Watte unter fliessendem Wasser von Hand immer wieder ausquetschen und vollsaugen lassen. Nach 3 Minuten die Watte zusammen mit 150 ml frischem Leitungswasser ins Becherglas geben, mit einem Löffel
Natriumhydrogencarbonat ergänzen und 3 Minuten rühren. Ist eine Reaktion zu beobachten? Zum letzten Mal den pH-Wert messen.
pH-Wert: ...
10) Unter fliessendem Wasser nochmals auswaschen, das Wasser ablaufen lassen, in Schichten auszupfen und zum Trocknen ein bis zwei Wochen auf eine Petrischale legen. Anschreiben. Hände waschen.
11) Schutzbrille immer noch tragen und Nitriersäure entsorgen:
Im grössten Becherglas 200 g Eis mit Leitungswasser auf 400 ml auffüllen. Mit einigen Tropfen Bromthymolblau färben. Unter Rühren langsam Nitriersäure zugeben. In Portionen so lange Natronlauge (30 g NaOH in 100 ml Lösung) zugeben bis sich die Farbe ändert. Jetzt kann die Mischung ins Lavabo geleert werden.
12) Trockene Schiessbaumwolle erneut wägen und Massendifferenz bestimmen. Wieviele OH-Gruppen wurden nitriert?
Masse der Schiessbaumwolle (in g): ...
Fragen
1. Erklären Sie den Reaktionsablauf bei der Herstellung von Schiessbaumwolle, in dem Sie herausfinden, welche Bindungen gebrochen und welche neu gebildet werden. Weil die Schwefelsäure lediglich die Entstehung von Wasser unterstützt, ist die Formel von Schwefelsäure belanglos. Das Salpetersäuremolekül HNO3 dagegen wird verändert:
H O N
O O
2. Warum nimmt der pH-Wert, den Sie in der Versuchsanleitung notiert haben zu?
3. Warum wird die Nitrogruppe beim Spülen unter fliessendem Wasser nicht aus der Watte entfernt?
4. Warum verändert sich die Masse bei der Nitrierung? Nimmt sie ab oder nimmt sie zu?
5. Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Entsorgung der Nitriersäure?
6. Warum ändert sich die Farbe, wenn Natronlauge zur Nitriersäure gegeben wird?
7. Warum darf die Nitriersäure nach der Zugabe von Natronlauge im Lavabo entsorgt werden?
8. Wozu dient NaHCO3?
9. Welche Gase entstehen bei der Explosion von Schiessbaumwolle?
Material: Schiessbaumwolle
Tag Datum Lektion Klasse Gruppenzahl
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...
...
...
Allgemein: Eis Watte
Natriumhydrogencarbonat wasserfeste Filzstifte Bromthymolblau 1,5 Liter 30 % Natronlauge
1 grosse graue Wanne
Pro Gruppe: 1 250 ml Becherglas
1 400 ml Becherglas hohe Form 1 800 ml Becherglas niedere Form 1 Thermometer bis 100 °C
1 Petrischale aus Glas In einer Kapelle:
2 100 ml Messzylinder
Schwefelsäure conc. (H2SO4)
Salpetersäure conc. (HNO3), Verwendung von techn. Qualität möglich
Sicherheit
Die Lehrperson, die das Experiment durchführt, trägt die Verantwortung.
Die Arbeit mit konzentrierten Säuren und Basen muss gut instruiert und überwacht werden.
Nur kleine Mengen Schiessbaumwolle abbrennen. Auch hier muss die Lehrperson die nötigen Vorsichtsmassnahmen treffen.
Die Schiessbaumwolle muss so gelagert werden, dass sie keinen Schaden anrichten kann, wenn sie verpuffen sollte.
Vorsicht!
Enthält feuergefährliches Material, das aufgrund von Herstellungsmängeln unvorhersehbar reagieren kann.
Nur im Freien benützen!
Explosionsgefährlich Leichtentzündlich
