Bildung und Eigenschaften von Nichtmetalloxiden

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1 Problem: Bildung und Eigenschaften von Nichtmetalloxiden a) Umsetzung von Phosphor mit Sauerstoff: Phosphor (rot) [F], Sauerstoff [O] 250ml-Schraubdeckelglas, Verbrennungslöffel, Bierdeckel, Spatel, Gasbrenner, Streichhölzer Versuchsdurchführung: (ggf. Abzug!!!!) Zwei streichholzkopfgroße Mengen roter Phosphor werden in einem (z.b. durch vorheriges Erhitzen) gereinigten Verbrennungslöffel, der in einem Bierdeckel steckt, in der Brennerflamme entzündet und dann sofort in das Schraubdeckelglas mit Sauerstoff überführt, das mit dem Bierdeckel fest abgedeckt wird. Der Verbrennungslöffel wird auf und ab bewegt, bis die Reaktion beendet ist, dann heraus genommen und das Schraubdeckelglas sofort dicht verschlossen. Der rote Phosphor wird ziemlich schnell entzündet und beginnt mit weißlicher Flamme unter Bildung eines weißen "Qualms" zu brennen. In reinem Sauerstoff ist die Flamme des brennenden Phosphors sehr hell und die Bildung des weißen "Qualms" wesentlich stärker. Auswertung (= Mögliche Erklärung der Beobachtungen): Nach Zufuhr von Aktivierungsenergie setzt eine exotherme chemische Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft ein, bei der ein neuer Stoff entsteht, nämlich ein weißer Feststoff (fein verteilt in der Luft: "Rauch"): Phosphoroxid In reinem Sauerstoff wird in der vergleichbaren Zeit mehr an weißem Feststoff gebildet und damit mehr Energie frei. Phosphor + Sauerstoff Phosphoroxid (genauer: Tetraphosphordecaoxid) roter Feststoff farbloses Gas weißer Feststoff SmT ca. 590 C geruchlos SmT ca. 600 C EntzündT ca. 250 C

2 b) Umsetzung von Schwefel mit Sauerstoff: Schwefel, Sauerstoff [O] 250ml-Schraubdeckelglas, Verbrennungslöffel, Bierdeckel, Spatel, Gasbrenner, Streichhölzer Versuchsdurchführung: Abzug!!!! Zwei streichholzkopfgroße Mengen Schwefel werden in einem (z.b. durch vorheriges Erhitzen) gereinigten Verbrennungslöffel, der in einem Bierdeckel steckt, in der Brennerflamme entzündet und dann sofort in das Schraubdeckelglas mit Sauerstoff überführt, das mit dem Bierdeckel fest abgedeckt wird. Der Verbrennungslöffel wird auf und ab bewegt, bis die Reaktion beendet ist, dann heraus genommen und das Schraubdeckelglas sofort dicht verschlossen. Der Schwefel schmilzt und wird dann entzündet, wobei eine bläuliche Flamme nur sehr schwach zu sehen ist und manchmal ein etwas stechender Geruch wahrgenommen wird. In reinem Sauerstoff ist die Flamme des brennenden Schwefels intensiv blau. Gleichzeitig entsteht in geringen Mengen ein weißlicher "Qualm". Auswertung (=Mögliche Erklärung der Beobachtungen): Beim Erwärmen wird zunächst die Schmelztemperatur von Schwefel überschritten. Dann setzt nach ausreichender Zufuhr von Aktivierungsenergie eine exotherme chemische Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft ein, bei der ein neuer Stoff entsteht, nämlich ein farbloses, stechend riechendes Gas: Schwefeldioxid [T] In reinem Sauerstoff wird in der vergleichbaren Zeit mehr Energie frei und außerdem in geringen, aber noch sichtbaren Mengen ein weißer Feststoff gebildet (fein verteilt in der Luft: "Rauch"): Schwefeltrioxid [T] Schwefel + Sauerstoff Schwefeldioxid + (wenig) Schwefeltrioxid gelber Feststoff farbloses Gas farbloses Gas weißer Feststoff SmT ca. 120 C geruchlos stechender Geruch beißender Geruch giftig [T] giftig [T] SmT ca. 33 C

3 c) Umsetzung von Kohlenstoff mit Sauerstoff: Kohlenstoff (als Holzkohle), Sauerstoff [O] 250ml-Schraubdeckelglas, Verbrennungslöffel, Bierdeckel, Pinzette, Gasbrenner, Streichhölzer Versuchsdurchführung: Ein in den (z.b. durch vorheriges Erhitzen) gereinigten Verbrennungslöffel passendes Stück Holzkohle wird mit Hilfe der Pinzette in der Brennerflamme zum Glühen gebracht und dann schnell in den in einem Bierdeckel steckenden Verbrennungslöffel gelegt. Dieser wird sofort in das Schraubdeckelglas mit Sauerstoff überführt, das mit dem Bierdeckel fest abgedeckt wird. Der Verbrennungslöffel wird auf und ab bewegt, bis die Reaktion beendet ist, dann heraus genommen und das Schraubdeckelglas sofort dicht verschlossen. Die Holzkohle beginnt an den Ecken und Kanten zu glühen. In reinem Sauerstoff ist die Glut sehr hell, vereinzelt werden funkenstiebende Stückchen abgesprengt. Der Gasraum bleibt klar und durchsichtig. Die Glaswand kann beschlagen aussehen. Auswertung (=Mögliche Erklärung der Beobachtungen): Nach ausreichender Zufuhr von Aktivierungsenergie setzt eine exotherme chemische Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft ein, vorzugsweise an den Ecken und Kanten, also an den Stellen, bei denen mehr Kontaktmöglichkeiten mit Sauerstoff bestehen. In reinem Sauerstoff wird in der vergleichbaren Zeit mehr Energie frei. Dabei kann in den vielen Hohlräumen der porösen Holzkohle oberflächlich angelagertes ("adsorbiertes") Wasser verdampfen, dabei glühende Stückchen Holzkohle absprengen und schließlich an der Glaswand wieder zu Wassertröpfchen kondensieren. Ein neuer Stoff ist nicht zu beobachten, aber vielleicht entsteht ein farbloses und geruchloses Gas???? Kohlenstoff (als Holzkohle) + Sauerstoff Kohlenstoffdioxid schwarzer Feststoff farbloses Gas farbloses Gas geruchlos geruchlos

4 Bei der Verbrennung von Kohlenstoff oder von Kohlenstoff-Verbindungen (vereinfacht: "organischen Verbindungen") an Luft, also der chemischen Reaktion mit Sauerstoff, ist immer damit zu rechnen, dass außer Kohlenstoffdioxid auch das geruchlose und sehr giftige Kohlenstoffmonooxid entsteht, zunehmend vor allem dann, wenn immer weniger Sauerstoff vorhanden ist: Kohlenstoff + (weniger) Sauerstoff Kohlenstoffdioxid + Kohlenstoffmonooxid schwarzer Feststoff farbloses Gas farbloses Gas farbloses Gas geruchlos geruchlos geruchlos sehr giftig [T + ] Kohlenstoff-Verbindungen + (weniger) Sauerstoff Kohlenstoffdioxid + Kohlenstoffmonooxid z.b. Auto-Benzin z.b. in Auto-Abgasen ca. 5Vol-%, die nur im Betriebstemperaturbereich des "Kat" entfernt werden: daher gute Belüftung von (Tief-) Garagen und Tunneln wichtig Bei noch weniger Sauerstoff (z.b. geschlossene Luft-Zufuhr beim Gasbrenner) wird bei der Verbrennung von Kohlenstoff-Verbindungen außer Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonooxid auch noch Kohlenstoff (als schwarzer Ruß) gebildet: Kohlenstoff-Verbindungen + (noch weniger) Sauerstoff Kohlenstoffdioxid + Kohlenstoffmonooxid + Kohlenstoff z.b. Kerzen-Wachs, schwarzer Feststoff Lampen-Öl (Ruß) Feuerzeug-Gas Camping-Gas Somit tritt eine vermehrte Bildung von Kohlenstoffmonooxid ein, wenn brennende organische Stoffe nicht mit genügend Sauerstoff versorgt werden, z.b. wenn Holz-Öfen, Steinkohle- oder Braunkohle-Öfen, Öl-Öfen, Campinggas-Öfen "schlecht ziehen" (also nicht ausreichend mit "Frischluft" versorgt werden). Vgl. Zeitungsberichte von zumeist tödlichen Unfällen (z.b. Sammlung von P. HAUPT, Die Chemie im Spiegel einer Tageszeitung, Bd. 1-5, BIS-Verlag Oldenburg). Giftwirkung: Kohlenstoffmonooxid lagert sich wie Sauerstoff an den roten Blut-Farbstoff Hämoglobin an, allerdings etwa 200mal fester, und blockiert dadurch die Atmung Tod durch Ersticken Kein Grillen mit Holzkohle in geschlossenen Räumen??!!: Abnahme des Sauerstoff-Gehaltes der Luft in geschlossenen Räumen durch chemische Reaktion der Holzkohle mit dem (Luft-)Sauerstoff: Zunahme des Kohlenstoffmonooxid-Gehalts der Abgase (= "Rauchgase", da häufig feste Asche- Stückchen mitgerissen werden) extrem hohe Vergiftungsgefahr!!!! Neben vielen krebserzeugenden (= carcinogenen) Inhaltsstoffen findet sich im Tabak-"Rauch" (eigentlich ein "Nebel") auch Kohlenstoffmonooxid (vor allem, wenn keine Luft durch den glimmenden Tabak gesogen wird). [[[[Herstellung von (brennbarem) Kohlenstoffmonooxid: vgl. Experimentier-Literatur]]]] Nachweis von Kohlenstoffmonooxid: Verbrennungsgase (z.b. von Kerzen, Zigaretten-"Rauch", glühender Holzkohle, Moped-Motoren bzw. kalt startenden Auto-Motoren) in Schraubdeckelglas auffangen und verschlossen abkühlen lassen. Dann aus einem Reagenzglas 2fingerbreit ammoniakalische Silbernitrat-Lösung zugeben, sofort wieder verschließen und ca. 10 sec lang hin und her schütteln: Schwarzfärbung der Flüssigkeit zeigt Kohlenstoffmonooxid an. Herstellung einer ammoniakalischen Silbernitrat-Lösung (Nicht aufbewahren!!!! Beim Stehen lassen können explosionsgefährliche Stoffe entstehen!!!!): Zu ca. 5%iger Silbernitrat-Lösung tropfenweise konzentrierte (= 25%ige) Ammoniak-Lösung zugeben, bis die anfänglich braun werdende Flüssigkeit wieder farblos und klar (= durchsichtig) wird.

5 d) Abbrennen einer Wunderkerze im geschlossenen Raum: Wunderkerze ml-Schraubdeckelgläser, Bierdeckel, Gasbrenner, Streichhölzer Versuchsdurchführung: Abzug!!!! Eine Wunderkerze wird in ein Loch des Bierdeckels gesteckt und durch Umbiegen des Drahtes so befestigt, dass sie in das Schraubdeckelglas passt. Dann wird sie entzündet und sofort in das Schraubdeckelglas gehalten, das mit dem Bierdeckel fest abgedeckt wird. Nachdem die Wunderkerze erloschen ist, wird sie herausgenommen und das Schraubdeckelglas sofort dicht verschlossen. Zusatzversuch: Ein Schraubdeckelglas wird mit Kohlenstoffdioxid gefüllt und der Versuch analog durchgeführt.

6 Nach dem Entzünden brennt die Wunderkerze in dem mit Bierdeckel verschlossenem Glas vollständig ab. Dabei werden gelblich-weiße Funken zur Seite geschleudert. Nach dem Abkühlen sieht man schwarze Körnchen an Glasboden und Rand. Der Gasraum des Glases ist durchsichtig und gelbbraun gefärbt. Zusatzversuch: Die Wunderkerze brennt nach dem Entzünden vollständig ab. Dabei werden kaum Funken zur Seite geschleudert. Der Gasraum des Glases ist durchsichtig und intensiv gelbbraun gefärbt. Auswertung (= Mögliche Erklärung der Beobachtungen): Nach ausreichender Zufuhr von Aktivierungsenergie setzt eine exotherme chemische Reaktion ein, die auch im abgeschlossenen Raum weiter und vollständig abläuft, also keinen (Luft-)Sauerstoff benötigt. Dabei werden glühende Eisen-Körnchen weggeschleudert, die mit dem (Luft-)Sauerstoff im Glas unter Funkenbildung exotherm zu (blauschwarzem) Eisenoxid weiterreagieren. Außerdem bildet sich ein gelbbraun gefärbtes Gas: Stickstoffdioxid [T + ] Zusatzversuch: Nach ausreichender Zufuhr von Aktivierungsenergie setzt eine exotherme chemische Reaktion ein, die auch in der sauerstofffreien Kohlenstoffdioxid-Atmosphäre weiter und vollständig abläuft, also keinen (Luft-)Sauerstoff benötigt. Da im Glas kein (Luft-)Sauerstoff vorhanden ist, gibt es keine Weiteroxidation der glühenden Eisen-Körnchen. Ebenfalls bildet sich das gelbbraun gefärbte Gas Stickstoffdioxid [T + ]. Die Wunderkerze enthält als Mittel zur Oxidation von Eisen-Pulver (z.t. auch von Aluminium-Pulver) die Verbindung Bariumnitrat, die teilweise auch zerlegt wird zu Bariumoxid, Sauerstoff und Stickstoffdioxid: Bariumnitrat Bariumoxid + Sauerstoff + Stickstoffdioxid weißer Feststoff weißer Feststoff farbloses Gas gelbbraunes Gas [[[[typischer ("süßlich chlorartiger") Geruch]]]] sehr giftig [T + ]