Reaktionen mit elementarem Natrium
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Reaktionen mit elementarem Natrium
Anna-Lena Eicke
Mittwoch, 08.07.09, 9 Uhr
Marburg
Experimentalvortrag
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Gliederung
1. Natriumvorkommen und EntdeckungVersuch 1
2. Industrielle Herstellung 3. Eigenschaften
Demonstration 1, Versuche 2, 3, 4 und 5
4. Wichtige NatriumverbindungenDemonstration 2
5. Verwendung
6. Schulrelevanz
7. Literatur- und Abbildungsverzeichnis
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1. Natriumvorkommen
• Sechst-häufigstes Element in der Erdkruste
• Lagerstätte• Steinsalz: NaCl (auch im Meerwasser)
• Soda: Na2CO3
• Chilesalpeter: NaNO3
• Glaubersalz: Na2SO4
• Natriummineralien• Albit/Natronfeldspat: Na[AlSi3O8]
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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-
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Versuch 1: Synthese von elementarem Natrium
Anode:
Kathode:
Gesamt:
Das entstehende Natrium wird zum einen durch dasentstehende Wasser oxidiert, zum anderen zündet es sich aufgrund der hohen Temperaturen selbst.
( ) ( )s lNaOH NaOH
4 4 4Na e Na
2 24 2 4OH H O O e
( ) ( ) 2 ( ) 2( )4 4 2l s l gNaOH Na H O O
+1 0
-2 +1 0
+1 -2 +1 0 +1 -2 0
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Castner-Verfahren
Abb. 2: Castner-Zelle
Kathode (Kupfer)
Anode (Nickelzylinder)
Eisendrahtnetzzylinder
Sammelglocke fürdas Natrium
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2. Industrielle Herstellung:Downs-Verfahren
Abb. 3: Downs-Zelle
2 2 2Na e Na
22 2Cl Cl e
( ) ( ) 2( )2 2l s gNaCl Na Cl
Anode:
Kathode:
Gesamtreaktion:
+1 -1 0 0
+1 0
-1 0
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3. Eigenschaften des Natriums
• 1. Hauptgruppe: Alkalimetall
relative Atommasse in g/mol
Oxidationszahl
Ordnungszahl Elektronegativität
Schmelzpunkt in °C
Dichte in g/cm3 bei 20 °C
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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
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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 2s g sNa O Na O
( ) 2 ( ) ( ) 2( )2 2 2s g l gNa H O NaOH H
0 0 +1 -2
0 +1 -2 +1 -2 +1 0
Versuch 2
Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol
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Versuch 2: Reaktion von Natrium
in Wasser und Ethanol
( ) 2 ( ) ( ) 2( )2 2 2s aq aq gNa H O Na OH H
Reaktion von Natrium in Wasser
1.0 +1 -2 +1 -2 +1 0
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Versuch 2: Reaktion von Natrium
in Wasser und EthanolReaktion von Natriumhydroxid mit Luminol
2.
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Versuch 2: Reaktion von Natrium
in Wasser und Ethanol
( ) 2 ( ) ( ) 2( )2 2 2s aq aq gNa H O Na OH H
Reaktion von Natrium in Wasser
Reaktion von Natrium in Ethanol
5 2 ( ) ( ) 2 5 ( ) 2( )2 2 2l s l gH C OH Na C H ONa H
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
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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( )( )
( ) 3 3( ) ( )( ) ( )ln m NH
s n msolv solvNa Na NH e NH
0 +1
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Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem
Ammoniak• mit steigender Natriumkonzentration
bilden sich außerdem:
– Ionenpaare
– Anionen
– Dimere
3 3( ) ( )n mNa NH e NH
23 2 3( ) ( )n mNa NH e NH
23 2 3 3( ) ( ) ( )n m nNa NH e NH Na NH
Versuch 4
Verbrennung von Natrium
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Versuch 4: Verbrennung von Natrium
( ) 2( ) 2 2( )2 s g sNa O Na O
Hauptprodukt ist Natriumperoxid:
0 0 +1 -1
Abb. 5: Verbrennung von Natrium
Nebenprodukt ist Natriumoxid
( ) 2( ) 2 ( )4 2s g sNa O Na O 0 0 +1 -2
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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
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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 2 2s aq g aqNa H O H NaOH
2 2( ) 2 ( ) 2( )2 2aq aq gH O H O O +1 -1 +1 -2 0
0 +1 -1 0 +1 -2 +1
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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
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Abb. 7: Versuchsaufbau für die Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen
29
Video: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen
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Abb. 8: Versuchsergebnis im Überblick
Abb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen
3131
Demonstration 2: Synthese von Natriumchlorid aus dem
Elementen
( ) 2( ) ( )2 2s g sNa Cl NaCl
Abb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid
4( ) ( ) 2( ) 2( ) ( ) 22 16 2 5 2 8s l l g lKMnO HCl MnCl Cl KCl H O +1 +7 -2 +1 -1 +2 -1 0 +1 -1 +1 -2
0 0 +1 -1
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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. VerwendungHerstellung 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 ( ) ( ) ( )44 4 4 3s g l s sPbNa C H Cl C H Pb NaCl Pb
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Herstellung von elektropositiven Metallen
• Natrium wird als Reduktionsmittel zur Herstellung von elektropositiven Metalle wie z.B. Titan verwand
• Schutzgasatmosphäre, damit TiCl4 nicht hydrolysiert und Natrium nicht mit dem Luftsauerstoff reagiert
• Elektrolyse in einemTemperaturbereich von 801 °C – 881 °C
„Hunter“-Verfahren
4 4 4TiCl 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 ( )28l l n l
nNa S Na S
Abb. 11: Na/S-Batterie
0 0 +1 -x
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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
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Natrium in der organischen Chemie
• Birch-ReduktionReduktion von Cyclohexadienen über einen Ein-Elektronen-Übertragungsmechanismus
• Zerstörung halogenorganischer Verunreinigungenorganisch gebundenes Chlor verbindet sich mit Natrium zu Natriumchlorid, welches abgetrennt werden kann
• in Form des Natrium-Drahtes als Trockenmittel
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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
Abb. 13: Lehrer Hämpel
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7. LiteraturverzeichnisBKK Gesundheit, Nährstoffe – Mineralstoffe – Natrium,
http://www.bkkgesundheit.de/ratgeber/ernaehrung/naehrstoffe/inhalt.lasso?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
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AbbildungsverzeichnisAbb. 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 EickeAbb. 5: Verbrennung von Natrium, von Anna-Lena EickeAbb. 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 EickeVideo: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena EickeAbb. 8: Versuchsergebnis im Überblick, von Anna-Lena EickeAbb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen, von Anna-Lena EickeAbb. 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 2007Abb. 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-austria.at/02_cont/03content/03_biologie/Haltung/
index.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:46 Uhr)
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Aufmerksamkeit!