Reaktion von elementarem Natrium in Wasser und Nachweis der Reaktionsprodukte

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1 Reaktionsgleichungen + 2 Na (s) + 2 H 2 (l) 2 Na (aq ) + 2 H (aq ) + H 2 (g) 2 H 2 (g) + 2 (g) 2 H 2 (g) + HInd (aq ) + NaH (aq ) H 2 (aq ) + Ind (aq ) + Na (aq ) Zeitbedarf Vorbereitung: 30 min. Durchführung: 5 min. Nachbereitung: 10 min. Chemikalienliste Edukte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbole Schuleinsatz Natrium Na (s) 14/ F, C S1 Wasser (entsalzt) H 2 o (l) S1 Phenolphthalein-Lösung (0,4 % in Ethanol) C 20 H 14 C 2 H 5 H (solv) F S1 Produkte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbole Schuleinsatz Natronlauge NaH (aq) S1 Wasserstoff H 2 (g) F + S1 Gefahrensymbole Materialien und Geräte Großes Becherglas (3 L), Glasrohr (ø = 4 cm) mit durchbohrtem Gummistopfen, 2-Wege-Hahn, Stecknadel, Stativmaterial (Platte, Gewindestange, Doppelmuffe, Stativklemme), Tropfpipette mit Pipettenhütchen, Pinzette, Filterpapier, Messer, Glasrührstab, Feuerzeug

2 Versuchsaufbau Abb. 1: Versuchsaufbau Durchführung Augenschutz benutzen Schutzhandschuhe benutzen Schutzkleidung benutzen Ein etwa erbsengroßes Stück Natrium wird abgeschnitten und mit einer Stecknadel, welche in einem durchbohrten Gummistopfen steckt, aufgespießt. In den durchbohrten Stopfen wird nun der 2- Wege-Hahn eingeführt und mit dem Stopfen das Glasrohr verschlossen. Dann wird dieser Teil in die Stativklemme eingespannt. Nun wird das Becherglas mit Wasser gefüllt, dieses mit zwei Pipetten voll Phenolphthalein-Lösung versetzt und unter dem Glasrohr platziert. Anschließend wird das Glasrohr soweit in das Wasser abgesengt, dass sich das darin fixierte Natrium knapp unter dem Wasserspiegel befindet. Nun wird der 2-Wege-Hahn geöffnet. Kurz nachdem das Wasser mit dem Natrium in Kontakt gekommen ist, wird ein brennendes Feuerzeug an die obere Öffnung des 2-Wege-Hahns geführt. Beobachtungen Beim Öffnen des 2-Wege-Hahns dringt Wasser von unten in das Tauchrohr ein und kommt mit dem Natrium in Kontakt. Dabei kommt es zu einer Gasentwicklung und der Wasserspiegel wird ein wenig nach unten verdrängt, steigt wieder an, sinkt wieder ab, usw. Dabei färbt sich das Wasser pink. Führt man das Feuerzeug an das obere Ende des 2-Wege-Hahns, so entzündet sich dort eine Flamme. Diese brennt etwa solange mit gelber Flamme, bis sich das Natrium aufgelöst hat.

3 Abb. 2: Nachweis der Reaktionsprodukte Entsorgung Das Natrium ist restlos abreagiert. Die entstehende Natronlauge ist so gering konzentriert, dass die Lösung unter fließendem Wasser im Ausguss entsorgt werden kann. Fachliche Analyse Die Theorie zu diesem Versuch ist zunächst die gleiche wie bei dem Versuch A03 Reaktion der Alkalimetalle mit Wasser. Da diese meines Erachtens in Verbindung durchgeführt den besten Effekt erzielen, soll hier nur kurz auf die Reaktion mit Wasser und verstärkt auf den Nachweis der Reaktionsprodukte eingegangen werden. Kommt Natrium mit Wasser in Kontakt, so reagieren die Partner zu Natronlauge, welche dann in Form von Na + - und H - -Ionen im Wasser vorliegt. Des Weiteren wird Wasserstoffgas gebildet: + 2 Na s + 2 H 2 l 2 Na aq + 2 H aq + H 2 g In diesem Versuch wurden nun die Produkte auf sehr einfache Art nachgewiesen. Das Stück Natrium befand sich in einem Tauchrohr, wo es mit dem Wasser in Kontakt gebracht wurde. Die einzige Öffnung bildete der oben in dem Stopfen angebrachte Zwei-Wege-Hahn. Nun entsteht Wasserstoffgas, welches durch Öffnen des Hahns nach oben aus der Apparatur ausströmen kann. Der Wasserstoff lässt sich dann einfach mit einem Feuerzeug entzünden und brennt mit gelber Flamme ab. Dabei wird Wasser gebildet, welches als Wasserdampf in die Luft entweicht. 2 H 2 (g) + 2 (g) 2 H 2 (g) Dabei bleibt die Flamme solange bestehen, bis das Natrium im Reaktionsrohr aufgebraucht ist und somit kein Wasserstoff mehr produziert wird. Eigentlich verbrennt Wasserstoff mit einer fahl blauen Flamme. Die intensive Gelbfärbung im Versuch ist vermutlich auf einen Anteil an Natrium zurückzuführen, welcher vom Gas mit nach oben transportiert wurde. Bereits winzige Spuren von Natrium führen zu einer solch intensiven Flammenfärbung.

4 Die entstehende Natronlauge wurde mit dem ins Wasser gegebenen Phenolphthalein nachgewiesen. Phenolphthalein ist ein organisches Molekül, welches als Säure-Base-Indikator genutzt wird. Es färbt sich in einem ph-bereich zwischen 8,2 und 12 pink. Darüber bzw. darunter ist es farblos. Die bei der Reaktion entstandenen Hydroxid-Ionen (H - ) der Natronlauge wirken leicht basisch und somit färbt sich die Lösung im Becherglas pink. HInd (aq ) + NaH (aq ) H 2 (aq ) + Ind (aq ) + + Na (aq) Im Folgenden sind die Struktur des Phenolphthaleins und seine Reaktion mit den Hydroxid-Ionen dargestellt. Zwei Hydroxid-Ionen deprotonieren die lactoide (farblose) Struktur des Phenolphthaleins. Sie bilden Wasser und erzeugen die chinoide (pinke) Struktur. C - H 2 H H H 2 H Lactoide Struktur (farblos) - Chinoide Struktur (pink) Methodisch didaktische Analyse Einordnung Nach dem hessischen Lehrplan G8 ist der Versuch in die Stufe 8G.2 im Thema rdnung in der Vielfalt, Atombau und Periodensystem und in das Unterthema 2.4 Alkalimetalle einzuordnen. Hier werden auch chemische Reaktionen durchgeführt, bei denen die Reaktion mit Wasser einen Standardversuch darstellt. Dabei sollten die Produkte auch für die Schüler verständlich nachgewiesen werden. Im Anschluss an diesen Versuch bietet sich die Reaktion mit Sauerstoff bzw. der Luft beim Erhitzen der Alkalimetalle an, wobei dann die Reaktionsprodukte ebenfalls auf ihre Reaktivität mit Wasser getestet werden können. Aufwand Der zeitliche sowie der Geräteaufwand sind relativ hoch. Der Aufbau dauert beim ersten Mal etwa 30 Minuten, später geht es etwas schneller (ca. 20 Minuten). Der Chemikalienaufwand ist gering und die Chemikalien sollten auch in einer Chemiesammlung vorhanden sein. Bei den Materialien ist vorher zu prüfen, ob ein ausreichend großes Becherglas zur Verfügung steht, ansonsten muss auf ein ähnliches, durchsichtiges (!) Gefäß ausgewichen werden.

5 Durchführung Der Versuch hat bei 9 von 10 Durchführungen gut funktioniert. Die Pinkfärbung war immer zu sehen, die Flamme manchmal etwas klein, aber sichtbar. Der Versuch sollte aufgrund des Aufwands anhand des Videos gezeigt werden. Ein weiterer Grund dafür ist, dass der Versuch trotz allem nicht ganz ungefährlich ist. Bei einer Durchführung war das Natriumstück vermutlich etwas zu groß, woraufhin sich eine große Wasserstoffblase bildete, welche den Wasserspiegel deutlich sichtbar gesenkt hat. Noch bevor der Zwei-Wege-Hahn ausreichend geöffnet werden konnte, um das Gas abzulassen, führte die entstandene Reaktionswärme vermutlich zur Entzündung des Wasserstoffs und ließ das Becherglas detonieren (siehe Abb. 3). Abb. 3: Explodierter Aufbau aufgrund einer zu großen Menge Natrium Daher muss bei der Durchführung unbedingt auf die Größe des Natriumstücks geachtet werden. Soll der Versuch dennoch im Live-Experiment gezeigt werden, so ist er daher ausschließlich vom Lehrer durchzuführen. Fazit Sehr anschaulicher und interessanter Versuch zur Demonstration der Reaktion zwischen Natrium und Wasser mit gleichzeitigem Nachweis der entstehen Natronlauge und des Wasserstoffgases. Dabei ist unbedingt auf die eingesetzte Menge an Natrium zu achten.

6 Literaturangaben Versuchsquelle Keune, H., Filbry, W.: Chemische Schulexperimente Band 2. Seite 63f (V 53). Frankfurt/M.:Verlag Harri Deutsch Sekundärliteratur [1] Berger, C.; Fickenfrerichs, H.; Peper, R.; Jansen, W.: Die Entdeckung der Alkalimetalle Natrium und Kalium. In: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie. Band 6, Jahrgang 40. Seite 2-9. Hallbergmoos: Aulis Verlag [2] FIZ CHEMIE (Fachinformationszentrum Chemie GmbH): Encyclopedia - ChemgaPedia. Zu finden unter URL: Letzter Zugriff am [3] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan Chemie Gymnasialer Bildungsgang Jahrgangsstufen 7G bis 12G Zu finden unter URL: Letzter Zugriff am [4] Hollemann, A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Seiten 1260, , stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter [5] Unfallkasse Hessen; Hessisches Kultusministerium: Hessisches Gefahrstoffinformationssystem Schule - HessGISS. Version /2009.