Ammoniak. 1.3 Herstellung [1] - Fast ausschließlich über das Haber-Bosch-Verfahren N H 2 2 NH 3 H R = -92 kj/mol Stickstoff Wasserstoff Ammoniak

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Wintersemester 2010/ Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Theresa Gröller, Andrea Laschinger Ammoniak 1. Allgemeines zum Ammoniak 1.1 Eigenschaften des Ammoniaks [1] - Summenformel NH 3 - farbloses, stechend riechendes, giftiges Gas tränenreizend und wirkt erstickend - trigonal-pyramidale Struktur mit freiem Elektronenpaar am Stickstoff, s. Sturkturformel: - unterhalb von -33,43 C flüssig - unterhalb von -77,76 C: farblose Kristalle - wirkt ätzend auf feuchter Haut, Schleimhäute, Lungen und Augen - sehr gut wasserlöslich alkalisch reagierende Lösung 1.2 Verwendung [1] - Ammoniak ist eine der meistproduzierten Chemikalien - Grundstoff für die Produktion weiterer Stickstoffverbindungen - Verarbeitung des größten Teils zu Düngemitteln, Harnstoff und Ammoniumsalzen - Salmiakhaltige Pastillen, Lakritze (s. Abbildung 1) und Putzmittel - als Kühlmittel in Eisstadien und Kühlhäusern Abbildung 1: Lakritze 1.3 Herstellung [1] - Fast ausschließlich über das Haber-Bosch-Verfahren N H 2 2 NH 3 H R = -92 kj/mol Stickstoff Wasserstoff Ammoniak Bedingungen: - circa 500 C - hoher Druck (circa 200 bar) - Vorliegen eines Katalysators - richtiges Mengenverhältnis der Ausgangsprodukte 1.4 Lehrplanbezug Realschule [2] Die Thematik Ammoniak lässt sich in der Realschule in allen Zweigen in der 9. Klasse verwenden. So kann es im Lehrplankapitel Ch 9.3 (Wahlpflichtgruppe I: Schwerpunkt mathematisch-naturwissenschaftlich-technischer Bereich) Säuren und Basen in den Unterpunkten Basen als Protonenempfänger, Eigenschaften von Laugen, Neutralisation; Bedeutung in Natur und Technik bzw. Ch 9.8 1

2 (Wahlpflichtgruppe II: Schwerpunkt wirtschaftlicher Bereich und Wahlpflichtgruppe III: Schwerpunkt Französisch; musisch-gestaltend oder hauswirtschaftlich oder sozialer Bereich) Säuren und Laugen in den Punkten Eigenschaften von Laugen, Neutralisation; Bedeutung in Natur und Technik eingeordnet werden. 2. Experimente 2.1 Herstellung von Salmiakgeist (NH 4 Cl) [3] - 2 kleine Bechergläser - große Kristallisierschale - schwarzes Tonpapier - konzentrierte Salzsäure (HCl-Lösung) - konzentrierte Ammoniaklösung (NH 3 -Lösung) In ein Becherglas wird circa 1 ml Salzsäure, in das andere wird circa 1 ml Ammoniaklösung (NH 3 -Lösung) gegeben. Anschließend werden die beiden Bechergläser auf ein schwarzes Tonpapier gestellt und mit der großen Kristallisierschale abgedeckt. Beobachtung: Man kann beobachten, wie sich Rauch entwickelt und sich am Boden des Tonpapiers ein weißer Feststoff absetzt. Erklärung: [1, 3] Die Dämpfe von Salzsäure und der Ammoniaklösung reagieren miteinander und es bildet sich Salmiakrauch: NH 3 + HCl NH 4 Cl Diese Reaktion stellt eine Neutralisationsreaktion dar. Durch die höhere Elektronegativität des Chloratoms ist die Salzsäure- (HCl-) Bindung polarisiert. Diese wird heterolytisch gespalten, was zur Folge hat, dass das Chloratom die gesamten Bindungselektronen enthält und sich so ein Chloridion (Cl - ) und ein Proton (H + ) bilden. Da Ammoniak über ein Stickstoffatom mit einem freien Elektronenpaar verfügt, bindet dieses das Proton (Protolysereaktion). Somit entstehen Ammonium- Kationen (NH 4 + ), welche zusammen mit den Chloridionen (Cl - ) das weiße Ammoniumchlorid (Umgangssprachlich: Salmiak) bilden. Sicherheit / Entsorgung: - Laborkittel, Schutzbrille, evtl. Handschuhe - Entsorgung: konzentrierte Salzsäure und konzentrierte Ammoniaklösung neutralisieren, Abfluss 2

3 2.2 Geheimtinte mit Phenolphthalein und Ammoniak [4] - Schaschlikspieß oder Pipette - Filterpapier - Ammoniaklösung (Salmiakgeist) - Phenolphthaleinlösung (1%-ig) - Destilliertes Wasser Als erstes feuchtet man ein Filterpapier mit destilliertem Wasser an. Anschließend legt man es zwischen zwei weitere Filterpapiere und saugt somit das überschüssige Wasser auf. Nun schreibt man mit der Pipette, die eine Phenolphthaleinlösung enthält, eine Geheimbotschaft auf das feuchte Filterpapier. Zum Schluss hält man das Papier über eine geöffnete Flasche mit Ammoniak. Achtung: Die Flasche mit der Ammoniaklösung muss schnellstens wieder geschlossen werden, da das herausströmende Gas reizend ist. Beobachtung: Die vorher durchsichtige Botschaft färbt sich rot. Erklärung: [1, 4, 5] Gelangt Ammoniakwasser an den Indikator Phenolphthalein, so stellt man eine Rotfärbung fest, was zeigt, dass die Lösung alkalisch reagiert, denn der Indikator Phenolphthalein zeigt im alkalischen ph-bereich (ab ph 8,2) eine Rotfärbung. Durch die Rotfärbung zeigt sich, dass die alkalische Lösung Hydroxidionen enthalten muss. Diese können nur beim Lösen von Ammoniak in Wasser entstanden sein, da Ammoniak selbst keine Hydroxidionen enthält. Reaktion von Ammoniak mit Wasser: Das Ammoniakmolekül (NH 3 ) weist am Stickstoffatom ein freies Elektronenpaar und eine negative Teilladung auf. Trifft nun ein Wassermolekül auf ein Ammoniakmolekül, kann mit dem freien Elektronenpaar des Stickstoffatoms ein Wasserstoffion (Proton) gebunden werden. Dieses spaltet sich vom Wassermolekül ab, wobei das Sauerstoffatom das Bindungselektronenpaar anzieht. So entsteht das positiv geladene Ammonium-Ion (NH 4 + -Ion) und das negativ geladene Hydroxidion (OH - -Ion). NH 3 + H 2 O NH OH - 3

4 2.3 Ammoniakspringbrunnen [1, 3, 5] - große Glaswanne / großes Becherglas - Reagenzglas - Hebebühne - Durchbohrter Stopfen - Bunsenbrenner - Glasrohr mit Spitze / Pipette - Rundkolben - Stativ - konzentrierte Ammoniaklösung - Phenolphthalein, Indikatorpapier - Wasser 1. Erwärmen von konzentriertem Ammoniakwasser Konzentriertes Ammoniakwasser wird in ein Reagenzglas gegeben und dieses vorsichtig mit der nichtrauschenden Brennerflamme befächelt, so dass das Ammoniak ausgetrieben wird. Sobald eine Gasbildung ersichtlich ist, wird das Reagenzglas unter weiterem, leichten Schütteln an einer Reagenzglasklammer in den Hals des Rundkolbens gehalten, um in diesem das Gas aufzufangen. Es wird nun solange gewartet, bis das Gas langsam an der Glaswand zu kondensieren beginnt. 2. Springbrunnen: Anschließend wird der Rundkolben mit einem durchbohrten Stopfen verschlossen, der mit einer Glasspitze / Pipette versehen ist (s. Abb. 2, 1.). Nun wird der Rundkolben in eine große Kristallisierschale (großes Becherglas), die mit Wasser und Phenolphthalein gefüllt ist, getaucht. In das Glasrohr muss nun so viel Wasser eindringen, dass im Rundkolben ein Wassertropfen an der Spitze des Glasrohres austritt. Anschließend wird der Rundkolben senkrecht gehalten, wobei sich das Glasrohr weiterhin im Wasser befindet rot Abbildung 2: Versuchsaufbau H 2 O mit Phenolphthalein 4

5 Beobachtung: Das Wasser wird in den Rundkolben gesaugt (s. Abb. 2, 2.). Wie der Name bereits vermuten lässt, sprudelt es dabei wie bei einem Springbrunnen. Das Phenolphthalein färbt das Wasser dabei von farblos nach rot. Erklärung: Ammoniak löst sich sehr gut in Wasser (1 Raumteil Wasser löst bei Zimmertemperatur ca. 700 Raumteile Ammoniak), so bildet das Gas mit Wasser Ammoniakwasser. Dabei entsteht ein gasfreier Raum, der rasch einen starken Unterdruck im Gefäß bewirkt und so weiteres Wasser springbrunnenartig in das Gefäß gesaugt wird. Der Farbumschlag ist so zu erklären, dass ein kleiner Teil der Ammoniakmoleküle mit Wasser eine Reaktion eingeht. Die dabei entstehenden Hydroxidionen bewirken den Farbumschlag des Indikators. Eine Base ist entstanden (s. auch Erklärung von 2.2). NH 3 + H 2 O NH OH - H + Ammoniakgas + Wasser Ammoniumion + Hydroxid - Ion Sicherheit/Entsorgung: - Laborkittel, Schutzbrille - Konzentrierte Ammoniaklösung neutralisieren, Abfluss 3. Literaturverzeichnis [1] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, W. de Gruyter-Verlag, Berlin, New York, 2007, S [2] (Stand: ) [3] K. Häusler, W. Pavenzinger: Unterricht Chemie: Stundenbilder, Experimente, Medien, 2. verbesserte Auflage, Aulis Verlag Deubner & Co kg, Köln 2001, S. 86 [4] G. Wagner, M. Kratz: Chemie in faszinierenden Experimenten, 11. verbesserte Auflage, Aulis Verlag Deubner & Co kg, Köln 2009, S. 128 K. Rauscher, J. Voigt, I. Wilke, K. Th. Wilke, R. Friebe: Chemische Tabellen und Rechentafeln für die analytische Praxis, 9. Auflage, Frankfurt, 1993, S. 125 [5] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht, 2. Auflage, Oldenburg Schulbuchverlag, München, 1995, S

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