Reaktionen mit elementarem Natrium

Reaktionen mit

elementarem Natrium

Anna-Lena Eicke

Mittwoch, 08.07.09, 9 Uhr Marburg

Experimentalvortrag

Gliederung

1. Natriumvorkommen und Entdeckung

Versuch 1

2. Industrielle Herstellung 3. Eigenschaften

Demonstration 1, Versuche 2, 3, 4 und 5

4. Wichtige Natriumverbindungen

Demonstration 2

5. Verwendung 6. Schulrelevanz

7. Literatur- und Abbildungsverzeichnis

3

1. Natriumvorkommen

• Sechst-häufigstes Element in der Erdkruste

• Lagerstätte

• Steinsalz: NaCl (auch im Meerwasser)

• Soda: Na ₂ CO ₃

• Chilesalpeter: NaNO ₃

• Glaubersalz: Na 2 SO 4

• Natriummineralien

• Albit/Natronfeldspat: Na[AlSi ₃ O ₈ ]

Entdeckung des elementaren Natriums

• 1737 stellte du Monceau fest, dass Kochsalz,

Glaubersalz und Soda eine gemeinsame Basis haben

• 1806 elektrolysierte

Humphrey Davy wasserfreie Schmelzen der Alkalisalze

• Namensgebung: „sodium“

wurde mit „Natronium“

übersetzt, woraus schließlich

„Natrium“ wurde Abb. 1: Sir Humphrey Davy

Versuch 1:

Darstellung von Natrium

-Elektrolyse von geschmolzenem

Natriumhydroxid-

Versuch 1: Synthese von elementarem Natrium

Anode:

Kathode:

Gesamt:

Das entstehende Natrium wird zum einen durch das entstehende Wasser oxidiert, zum anderen zündet

( ) s ( ) l

NaOH  ^  NaOH

4 Na ^  4 e ^   4 Na

2 2

4 OH ^   2 H O  O  4 e ^

( ) ( ) 2 ( ) 2( )

4 NaOH _l   4 Na _s  2 H O _l  O _g

+1 0

-2 +1 0

+1 -2 +1 0 +1 -2 0

7

Castner-Verfahren

Abb. 2: Castner-Zelle

Kathode (Kupfer)

Anode (Nickelzylinder) Eisendrahtnetzzylinder

Sammelglocke für

das Natrium

2. Industrielle Herstellung:

Downs-Verfahren

Abb. 3: Downs-Zelle

2 Na ^  2 e ^   2 Na

2 Cl ^   Cl 2  2 e ^

2 NaCl   2 Na  Cl

Anode:

Kathode:

Gesamtreaktion:

+1 -1 0 0 +1

0

-1 0

9

3. Eigenschaften des Natriums

• 1. Hauptgruppe: Alkalimetall

relative Atommasse in g/mol Oxidationszahl

Ordnungszahl Elektronegativität

Schmelzpunkt in °C

Dichte in g/cm

bei 20 °C

Physikalische Eigenschaften

• weiches Metall mit geringer Dichte

• großer Atomradius

• niedrige Schmelz- und Siedepunkte (Smp. 97,8 °C, Sdp. 881,3 °C)

• elektrisch und thermisch leitfähig

Demonstration 1

Natrium schneiden &

Autoxidation

Demonstration 1: Natrium schneiden

& Autooxidation

• frisch geschnittenes Natrium ist blank und silbern

• nach kurzer Zeit an (feuchter) Luft, läuft es weiß an: Bildung einer Oxid- bzw.

Hydroxidschicht

( ) 2( ) 2 ( )

4 Na _s  O _g   2 Na O _s

( ) 2 ( ) ( ) 2( )

2 Na _s  2 H O _g   2 NaOH _l  H _g

0 0 +1 -2

0 +1 -2 +1 -2 +1 0

Versuch 2

Reaktion von Natrium in Wasser und

Ethanol

Versuch 2: Reaktion von Natrium

in Wasser und Ethanol

( ) 2 ( ) ( ) 2( )

2 Na _s  H O   2 Na ^ _aq  2 OH ^ _aq  H _g

Reaktion von Natrium in Wasser

0 +1 -2 +1 -2 +1 0 1.

15

Versuch 2: Reaktion von Natrium

in Wasser und Ethanol

Reaktion von Natriumhydroxid mit Luminol

2.

Versuch 2: Reaktion von Natrium

in Wasser und Ethanol

( ) 2 ( ) ( ) 2( )

2 Na _s  H O   2 Na ^ _aq  2 OH ^ _aq  H _g

Reaktion von Natrium in Wasser

Reaktion von Natrium in Ethanol

5 2 ( ) ( ) 2 5 ( ) 2( )

2 H C  OH _l  2 Na _s   2 C H  ONa _l  H _g

0 +1 -2 +1 -2 +1 0

-2 +1 0 -2 +1 0

 Natrium wird in Petroleum oder Paraffinöl aufbewahrt, weil diese

nur aus Kohlenwasserstoffen bestehen und relativ reaktionsträge sind

Versuch 3

Löslichkeit von Natrium in

flüssigem Ammoniak

Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem

Ammoniak

Abb. 4: Kondensieren von gasförmigen Ammoniak

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Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem

Ammoniak

• Bildung von solvatisierten Metallkationen und Elektronen

• die solvatisierten Elektronen sind

– in geringer Konzentration für die blaue Farbe – in hoher Konzentration für die

metallisch-bronzene Färbung verantwortlich

   

( ) 3( )

( ) _s ^{n m NH l} ( 3 ) _n ( _solv ) ( 3 ) _m ( _solv )

Na  ^  Na NH ^  e NH ^

0 +1

Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem

Ammoniak

• mit steigender Natriumkonzentration bilden sich außerdem:

– Ionenpaare – Anionen

– Dimere

3 3

( ) ( _n ) _m

Na NH ^ e NH ^

 

 

2

3 2 3

( ) _n ( ) _m

Na NH ^ e NH ^{ }

 

 

2

3 2 3 3

( ) _n ( ) _m ( ) _n

Na NH ^ e NH ^ Na NH ^

 

 

Versuch 4

Verbrennung von Natrium

Versuch 4: Verbrennung von Natrium

( ) 2( ) 2 2( )

2 Na _s  O _g   Na O _s

Hauptprodukt ist Natriumperoxid:

0 0 +1 -1

Nebenprodukt ist Natriumoxid

( ) 2( ) 2 ( )

4 0 0 +1 -2 Na _s  O _g   2 Na O _s

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Natrium-D-Linie

• zwei Spektrallinien (589 und 589,6 nm)

• Übergang des äußeren Elektrons aus dem angeregten 3p-Zustand in den 3s-Grundzustand

• zwei 3p-Zustände, bedingt durch die Spin-Bahn- Kopplung des Elektronenspins mit dem

Bahndrehimpuls: Gesamtdrehimpuls von 1/2 und 3/2

Abb. 6: Spektrallinien von Natrium

Versuch 5

Reaktion von Natrium mit

Wasserstoffperoxid

25

Versuch 5: Reaktion von Natrium mit

Wasserstoffperoxid

• wegen der geringeren Dichte schwimmt das Natrium auf dem Wasserstoffperoxid  Entzündung

• Chemolumineszenz beruht wahrscheinlich auf der Bildung von Natrium-Suboxiden

( ) 2 2( ) 2( ) ( )

2 Na _s  2 H O _aq   H _g  2 NaOH _aq

2 2( ) 2 ( ) 2( )

2 H O _aq   2 H O _aq  O _g

+1 -1 +1 -2 0

0 +1 -1 0 +1 -2 +1

4. Wichtige

Natriumverbindungen

• Natriumchlorid (Demonstration 2)

• Natriumhydroxid

• Natrium kommt in vielen Verbindungen als Kation vor und beeinflusst die

physikalischen Eigenschaften dieser

Demonstration 2

Synthese von Natriumchlorid aus den

Elementen

29

Video: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen

Abb. 8: Versuchsergebnis im Überblick

Abb. 9: Versuchsergebnis

im Glühröhrchen

31 31

Demonstration 2: Synthese von Natriumchlorid aus dem

Elementen

( ) 2( ) ( )

2 Na _s  Cl _g  ^  2 NaCl _s

Abb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid

4( ) ( ) 2( ) 2( ) ( ) 2

2 KMnO _s  16 HCl _l   2 MnCl _l  5 Cl _g  2 KCl _l  8 H O

+1 +7 -2 +1 -1 +2 -1 0 +1 -1 +1 -2

0 0 +1 -1

Physiologische Bedeutung

• Körperbestand: 1,4 g/kg Körpergewicht

• Bedarf: < 0,5 g/Tag

• Überversorgung: Ödeme, Bluthochdruck

• Hauptfunktion: Aufrechterhaltung des

osmotischen Drucks im extrazellulären Raum

• Vorkommen: Fleisch und Wurst

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5. Verwendung

Herstellung von Antiklopfmittel

• mehr als die Hälfte des erzeugten

Natriums wurde 1991 für die Herstellung von Tetraethyl- und Tetramethylblei

verbraucht

• Verschmelzung von Blei und Natrium zu einer Legierung, die mit Ethyl- bzw.

Methylchlorid umgesetzt wird:

 

( ) 2 5 ( ) 2 5 4 ( ) ( ) ( )

4 PbNa _s  4 C H Cl _g   C H Pb _l  4 NaCl _s  3 Pb _s

Herstellung von

elektropositiven Metallen

• Natrium wird als Reduktionsmittel zur Herstellung von elektropositiven Metalle wie z.B. Titan verwand

• Schutzgasatmosphäre, damit TiCl

nicht hydrolysiert und Natrium nicht mit dem Luftsauerstoff reagiert

• Elektrolyse in einemTemperaturbereich von 801 °C – 881 °C

 „Hunter“-Verfahren

4 4 4

TiCl  Na    Ti NaCl

+4 -1 0 0 +1 -1

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Natrium-Schwefel-Batterie

• 50 – 100 dieser Zellen sind in luftdichten Edelstahlbehältern zu sekundären Natrium-Schwefel-Akkummulatoren

zusammengefasst

• spendet 3 mal mehr Energie pro Gewichtseinheit als ein

Bleiakkumulator, muss allerdings erst auf Betriebstemperatur (350 °C) gebracht werden

( ) 8( ) 2 ( )

2 ^l 8 ^{l n l}

Na  n S   Na S

Abb. 11: Na/S-Batterie

0 0 +1 -x

Natriumdampf-

Entladungslampen

• in den Lampenkolben wird Natrium eingeschmolzen, welches zu Beginn der

Entladung verdampft

 Ionisation

• die bei einem

Zusammenstoß von zwei Elektronen auftretende Energie wird in Form von

Licht wieder abgegeben Abb. 12: Natriumdampf-Lampe

37

Natrium in der organischen Chemie

• Birch-Reduktion

Reduktion von Cyclohexadienen über einen Ein- Elektronen-Übertragungsmechanismus

• Zerstörung halogenorganischer Verunreinigungen

organisch gebundenes Chlor verbindet sich mit Natrium zu Natriumchlorid, welches abgetrennt werden kann

• in Form des Natrium-Drahtes als

Trockenmittel

6. Schulrelevanz

Klasse 8: Alkalimetalle

• Kennenlernen der Eigenschaften und Verwendung der Metalle der Elementfamilie

• Sicherheitsaspekte begründen und beachten

• Chemische Reaktionen

durchführen, vergleichen und deuten

Klasse 10/12: Redoxreaktionen (Elektrolysen) bzw.

Großtechnische Verfahren

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7. Literaturverzeichnis

BKK Gesundheit, Nährstoffe – Mineralstoffe – Natrium, http://www.bkkgesundheit.de/ratgeber/ernaehrung/naehrstoffe/inhalt.lass o?a=naehrstoffe2 (letzter Zugriff: 22.6.09, 11:07 Uhr)

Brandl, H., Versuche zur Chemolumineszenz mit Alkalimetallen, in Mathematisch-Naturwissenschaftlicher Unterricht 46/3, S. 168 - 172

Gerstner, E., Skriptum zum Anorganisch-chemischen Praktikum für Lehramtskandidaten, 3., teilweise neu bearbeitete und erweiterte Auflage, 1993, 1. unveränderter Nachdruck 2003, Marburg 1993/2003

Holleman, A.F., Wiberg, E. und N.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007

Mortimer, C., Basiswissen der Chemie, 8. komplett überarbeitete und erweiterte Auflage, Thieme-Verlag, Stuttgart, 2003

Praxis der Naturwissenschaften – Chemie 6/40, Themenheft Alkalimetalle, Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln, 1991

Riedel, E., Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2004

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Sir Humphrey Davy, http://www.kjemi.uio.no/periodesystemet/vis.php?e=Cl&id=471 (letzter Zugriff:

21.6.09, 19:44 Uhr) Abb. 2: Castner-Zelle,

http://www.chemgapedia.de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/c/ca/castner_00045verfahren.glos.html (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:48 Uhr)

Abb. 3: Downs-Zelle, http://www.seilnacht.com/referate/elektro1.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:50 Uhr) Abb. 4: Kondensieren von gasförmigen Ammoniak, Anna-Lena Eicke

Abb. 5: Verbrennung von Natrium, von Anna-Lena Eicke Abb. 6: Spektrallinien Natrium, http://www.physikdidaktik.uni-

karlsruhe.de/software/hydrogenlab/Atomphysik/08_Stunde/Spektralanalyse/Spektrallinien.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:52 Uhr)

Abb. 7: Versuchsaufbau für die Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena Eicke Video: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena Eicke

Abb. 8: Versuchsergebnis im Überblick, von Anna-Lena Eicke Abb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen, von Anna-Lena Eicke Abb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid, http://www.schule-

studium.de/Chemie/Ionenbindung.html (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:54 Uhr)

Abb. 11: Natrium-Schwefel-Batterie, Holleman, A.F., Wiberg, E. und N.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007 Abb. 12, Natriumdampfentladungslampe, http://www.chemische-experimente.com/Alkalimetalle.htm,

(letzter Zugriff: 22.6.09, 11:14 Uhr)

Abb. 13: Lehrer Hämpel, http://www.e-teaching-

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Vielen Dank für die

Aufmerksamkeit!