natriumchlorid (nacl) oder einfach kochsalz

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Natriumchlorid (NaCl) oder einfach Kochsalz

Fabian Gelies

Sommersemester 2002

Experimentalvortrag

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Versuch 1Darstellung aus den Elementen

Vorbereitung: Entwicklung von Chlorgas

MnO2(s) + 4 HCl(aq) Mn2+(aq) + 2 Cl-

(aq) + 2 H2O(l) + Cl2(g)

Reaktionsgleichung:

2 Na(l) + Cl2(g) 2 NaCl(g/s) + 822,56 kJ

+ IV - I + II 0

0 0 + I - I

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Bezug auf die ElementeFlammenfärbung:

Na(g) Na(g)

* Na(g)

Δ E = h · ν = h · c / λ

Natrium: 589 nm (gelb)

Aufbau der Elektronenhüllen:

Natrium: 1s2 2s2 2p6 3s1

Chlor: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Natürliche Oxidationsstufen: Natrium (+ I ) als Na+ -Ion

Chlor ( - I ) als Cl- -Ion

- Δ E Δ

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Bezug auf die ElementeVorkommen von NaCl:3,6 · 1016 Tonnen gelöst in den Weltmeeren

1015 Tonnen in unterirdischen Salzlagern Steinsalz

weiterhin in salzhaltiger Kohle und Organismen

Physiologie:150 bis 300 g in Blut und Gewebesäften

10 bis 15 g tägliche Aufnahme Kochsalz

5 g/kg akut toxische Dosis

0,9 % : “physiologische Kochsalzlösung”

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Bezug auf die ElementeVerwendung von NaCl:

Herstellung fast aller Natrium- und Chlorverbindungen

Gewinnung von NaCl:Herausbrechen oder Lösen aus Salzlagern

Eindampfen von Salzsolen

Verdunsten oder Ausfrieren von Meerwasser

Reinigung von NaCl:Ausfällung von Verunreinigungen

Fällung von NaCl mittels HCl-Gas

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Versuch 2 „Leblanc-Verfahren“

Darstellung von HCl-Gas aus Kochsalz

NaCl(s)+ H2SO4(aq) NaHSO4(s) + HCl(g)

( NaCl(s)+ NaHSO4(s) Na2SO4(s) + HCl(g) )

20°C

Vollständiger Umsatz erfolgt in zwei Stufen

Reaktionsgleichung:

800°C

• Gebräuchliche Labordarstellung (oft mit NH4Cl statt NaCl)

• Moderne HCl - Darstellung in der Technik:

Elementares Chlor wird mit Kohlenwasserstoffen umgesetzt

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Versuch 2 „Leblanc-Verfahren“

Nachweis des entstandenen HCl-GasesChloridnachweis:

Fällen als Silberchlorid: Ag+

(aq) + NO3-(aq) + Cl-

(aq) NO3-(aq) + AgCl(s) (weiß)

Lösen in Ammoniak:AgCl(s) + 2 NH3(aq) Cl-

(aq) + [Ag(NH3)2]+(aq) (farblos)

Säurenachweis:

Farbumschlag der Phenolphthaleinlösung

(violett farblos)

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Kristallisation von Kochsalz

Löslichkeit in Wasser:35,6 g / 100 mL bei 20°C

39 g / 100 mL bei 100°C Foto Uni Siegen

Foto: Dr. E. Becker Uni Siegen

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Versuch 3Kristallisation im Eiltempo

NaOH(aq) + HCl(g) H2O(l) + NaCl(s)

Reaktionsgleichung:

Reaktionsart: typische Neutralisationsreaktion

Relevanz: Entsorgung bei technischen Prozessen (z.B. PVC - Verbrennung)

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Kochsalzkristalle

Würfel (farblos und durchsichtig)

Dichte: 2,164 g/cm3

Schmelzpunkt: 801 °C

Siedepunkt: 1413 °C

Natriumchloridstruktur:

KOZ = 6 (Na+ und Cl-)

kubisch flächenzentrierte Anordnung

Fotos: Dr. E. Becker Uni Siegen

Foto Uni Siegen

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Kochsalzkristalle

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NaCl-Struktur

als SWF-Animation

aus dem elektronischen Unterrichtsmaterial der Universität Zheng Zhou (VRC)

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KristallstrukturtypRadienverhältnis von Kation zu Anion

Anionen: Cl- S2- N3-

Kationen:Cs+ Na+ Zn2+ B3+

Tabelle Grenzradienverhältnisse

r+/r- KZ des Kations Anionenanordnung Namengeber (r+/r- )> 0,73 8 kubisch CsCl (1,13)

> 0,414 6 oktaedrisch NaCl (0,70)> 0,225 4 tetraedrisch ZnS (0,44)> 0,155 3 trigonal-planar BN (0,19)

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Elektrolyse von NaClWässrige Elektrolyse Vortrag Thomas Decher

Schmelzflusselektrolyse:

Elektrodenvorgänge:

Reduktion: 2 Na+(l) + 2 e - 2 Na (s)

Oxidation: 2Cl-(l) Cl2(g) + 2 e -

Redoxreaktion: 2 Na+(l) + 2 Cl-

(l) 2 Na(s) + Cl2(g)

Schema einer NaCl-Elektrolyse-

anlage

aus: Chemie für Gymnasien,

Berlin (Cornelsen) 1994

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Versuch 4Chlorierendes Rösten von Kupferoxid

Lösung von CuCl2 in Wasser: [Cu(H2O)6)]2+ (hellblau)

Versetzen mit Ammoniak: [Cu(NH3)4)]2+ (tiefblau)

2 CuO(s) + 2 NaCl/CaCl2(s) 2 CuCl2(s) + Na2O/CaO(s)

Reaktionsgleichung: Δ

(Schmelze)

Nachweis gelöster Cu2+ - Ionen:

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Übergang vom Kristall zur Lösung

bisherige Versuche: NaCl in kristalliner Form

im Weiteren: NaCl in wässriger Lösung

Phänomene beim Lösevorgang

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Versuch 5Kochsalz-Kältemischung

Physikalisch-chemischer Hintergrund:

Lösen von Salz in Wasser Ionen werden aus dem Gitter durch die Wasserdipole „herausgebrochen“.

Ist die freiwerdende Hydratisierungsenergie kleiner als die Gitterenergie, so ist der Lösevorgang endotherm.

1.Kühlungseffekt: Lösungswärme wird aus Umgebung entnommen

Abkühlung von Lösung und Gefäß.

Eis ist immer von einer Wasserschicht umgeben.

Eis (fest) + Energie Wasser (flüssig)

Lösevorgang verschiebt Gleichgewicht: Es wird immer mehr Wasser flüssig.

2. Kühlungseffekt: Schmelzwärme des Eises wird der Umgebung entzogen weitere Abkühlung

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Versuch 5Kältemischung

Tabelle: KältemischungenSalz Zusammensetzung Niedrigste erreichbare

Temperatur (°C)Harnstoff 10g/100g Eis -10,8NH4NO3 14g/100g Eis -13,6NaNO3 15g/100g Eis -13NH4Cl 25g/100g Eis -15,4NaCl 33g/100g Eis -21,3Ethanol 105g/100g Eis -30CaCl2

. 6 H2O 143g/100g Eis -55KOH 31g/100g Eis -63

Verwendung: Technik (historisch)

Labor Straßenverkehr

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Dichte von KochsalzlösungKonzentrierte Salzlösung hat höhere Dichte als reines Wasser

Problematik: Recycling unterschiedlicher Kunststoffe

Anwendung: Trennung von Kunststoffmüll unter Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte

Ablauf: 1. Müllgemenge mechanisch zerkleinert2. Kunststoffteile in Lösung geringster Dichte3. Kontinuierliches Umwälzen der Oberfläche4. Absaugen der zum Boden gesunkenen Teile5. Abgesaugte Kunststoffteile in Flüssigkeit mit nächst größerer Dichte

• Technische Bezeichnung: Schwimm-Sink-Verfahren

• Alternativ: Hydrozyklon-Verfahren (Zentrifugalfeld)

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Demonstration 1Dichte einer konzentrierten Salzlösung

Kunststoffmüll-Trennung:

Wasser NaCl-Lsg Na2S2O3-Lsg

ρ = 1,0 g/cm3 ρ = 1,18 g/cm3 ρ = 1,4 g/cm3

200

800

1000 mL

400

600

200

800

1000 mL

400

600

200

800

1000 mL

400

600

alle Kunststoffe schwimmen

PVC und PET sinken ab

PP schwimmt PS sinkt ab

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Versuch 6aKorrosionsförderung des Elektrolyten KochsalzUnter welchen Bedingungen rostet Eisen?

Bei Gegebenheit der drei notwendigen Korrosionskomponenten:

2. Sauerstoff (Raumluft)

3. Elektrolyt (NaCl-Lösung)

3. Wasser(NaCl-Lösung)

Reaktionsgleichung:

2 Fe2(s) + O2(g) + H2O(l) 2 FeO(OH)(s) = Fe2O3 · H2O(s)

Salzlösung ersetzbar durch SO2 - oder CO2 -haltiges Wasser

Säurewirkung

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Versuch 6bKorrosionsförderung des Elektrolyten Kochsalz

Ein Bleistiftspitzer als Lokalelement (Modell der Opferanode)

Große Potentialdifferenz zwischen Stahlklinge (Eisen) und Leichtmetallblock (Legierung: 97% Magnesium, 3% Aluminium)

Block (Anode): Mg(s) Mg2+(aq) + 2 e¯

Klinge (Kathode): 2 H2O(l) + 2 e¯ H2(g) + 2 OH ¯(aq)

Rand des Blocks: Mg2+(aq) + OH ¯

(aq) Mg(OH)2(s)

Verwendung:

Korrosionsschutz ( z.B. bei Schiffen oder Heizungsanlagen)

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Versuch 6cSalzbatterie

Standardpotentiale ε0

Mg Mg2+ : -2,38VFe Fe2+ : -0,44V

Vermeidung der elektrochemischen Korrosion:

- Kontakt der verschiedenen Metalle unterbinden

- Potentiale genau abstimmen

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Osmotischer Druck

Begrifflichkeit

Diffusion einer Flüssigkeit durch semipermeable Membran, welche zwei Flüssigkeiten trennt

Wassermoleküle werden durchgelassen, solvatisierte Ionen nicht

Grundlage: Das Bestreben Konzentrationsunterschiede auszugleichen

osmotischer Druck

Biologische Bedeutung

Halbdurchlässige Wände:

- Grenzschichten des Plasmas der Tiere und Pflanzen

- Innendruck und Außendruck von Zellen

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Demonstration 2Osmotischer Druck

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Aquarium gefüllt mit entionisiertem Wasser Schweineblase gefüllt mit

konzentrierter Salzlösung

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Demonstration 2Osmotischer Druck

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Wasser drängt von außen nach innen

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Demonstration 2Osmotischer Druck

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Die Blase ist ausgedehnt und steht unter Druck

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Demonstration 2Osmotischer Druck

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Sticht man nun ein kleines Loch hinein ...

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Demonstration 2Osmotischer Druck

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Abschlussbetrachtung

Die Verbindung NaCl: Alltäglich aber vielseitigvielseitigAbhandlung im Vortrag: Keinesfalls abgeschlossen

Sicher nicht vollständigBeabsichtigt: Gewichtung des experimentellen Charakters

Daher: - Vielseitige Versuche und Demonstrationen (Feststoff, Lösung, Gasentwicklung)- Salzschmelze bis Kältemischung- Historie und Zukunftsanwendung- Fächerübergreifende Einblicke: (Biologie, Physik, Technologie)- Vielfältiger Medieneinsatz

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Literatur

Internetveröffentlichungen (zur Didaktik der Chemie) Universitäten Bielefeld und Siegen sowie Kantonsschule Heerbrugg(CH)

Taschenbuch der Chemie (Fachbuchverlag Leipzig)Schröter, Lautenschläger, Bibrack

Lehrbuch der Anorganischen Chemie (de Gruyter)Hollemann und Wiberg