Ammoniak (NH 3 ) Protokoll Übungen im Vortragen mit Demonstrationen für Studierende des Lehramtes Gymnasium im Sommersemester 2012

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. Arno Pfitzner Protokoll Übungen im Vortragen mit Demonstrationen für Studierende des Lehramtes Gymnasium im Sommersemester 2012 Ammoniak (NH 3 ) Referenten: Martin Doppel, Andreas Fackelmann Dozentin: Dr. Martina Andratschke Datum: 20. Juni 2012

2 1 Ammoniak 1.1 Physikalische Eigenschaften [1] Ammoniak (NH 3 ) ist ein bei Raumtemperatur beständiges, farbloses, stechend riechendes Gas. Dessen Siedepunkt liegt bei -33,43 C, der Schmelzpunkt ist bei -77,76 C. Das Ammoniakmolekül ist aufgrund des freien Elektronenpaares am Stickstoff pyramidal gebaut, der HNH-Bindungswinkel beträgt 107,3. Außerdem ist das Gas sehr gut in Wasser löslich. 1 L Wasser (H 2 O) löst bei 20 C 702 L Ammoniak (NH 3 ). 1.2 Chemische Eigenschaften [1] Wässrige NH 3 -Lösung reagiert schwach basisch (pk B = 4,75). Das Protolysegleichgewicht liegt damit auf der linken Seite: NH 3 + H 2 O NH OH - Mit stärkeren Protonendonatoren als Wasser reagiert es dagegen praktisch vollständig zu den entsprechenden Ammoniumsalzen. 1.3 Vorkommen, Darstellung und Verwendung Ammoniak liegt hauptsächlich in Form seiner Ammoniumsalze vor, insbesondere in Form von Salmiak (NH 4 Cl), aber auch als Phospammit ((NH 4 ) 2 HPO 4 ), Mascagnin ((NH 4 ) 2 SO 4 ) oder in Feldspat-Mineralien. Historisch gewann man es durch Erhitzen der Ammoniumsalze. [2] Die moderne großtechnische Darstellung des Ammoniaks erfolgt fast ausschließlich mit dem Haber-Bosch-Verfahren aus den Elementen: [1, 2] 3 H 2 + N 2 2 NH ,28 kj Die Reaktion ist exotherm und volumenmindernd, so dass die höchste Ausbeute bei niedriger Temperatur und hohem Druck zu erwarten ist. Jedoch ist bei niedrigen Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit unmessbar klein und entsprechende Katalysatoren sind erst ab 400 C genügend aktiv. Es wird bei 500 C gearbeitet. Der Druck beträgt 200 bar. Damit kann eine theoretische Ausbeute von 17,6 Vol.-% erreicht werden. Die reale Ausbeute beträgt aufgrund der kurzen Kontaktzeit (30 s) von Gas und Katalysator 11 Vol.-%. Als Katalysator dient α-eisen, das in-situ durch Reduktion von Eisen(II,III)-oxid (Fe 3 O 4 ) oder Eisen(III)-oxid (Fe 2 O 3 ) gewonnen wird. Die Eisenoxide werden zuvor mit so genannten Promotoren, wie Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ), verschmolzen, die die Effektivität des α-eisens erhöhen. 90 % des produzierten Ammoniaks wird für die Düngemittelherstellung verwendet. Daneben ist es Ausgangsprodukt für die Synthese anderer stickstoffhaltiger Verbindungen. Daneben spielt es für die Produktion von Sprengstoffen und einiger Kunststoffe eine wichtige Rolle. 2

3 1.4 Lehrplanbezug [3] Im Lehrplan Chemie für das naturwissenschaftlich-technologische Gymnasium (NTG) in Bayern kommen die Schüler zum ersten Mal in der 8. Jahrgangsstufe in der Unterrichtseinheit Salze Ionenbindung mit Ammoniak in Berührung, wenn es um die Synthese verschiedener Salze aus Metallen und Nichtmetallen geht (C NTG 8.3 Salze, Metalle und molekular gebaute Stoffe). Hier sind die Versuche Rauchringe und NH 4 Cl-Zersetzung einsetzbar. Alle Versuche können dann in der 9. Jahrgangsstufe beim Thema Protonenübergänge (C NTG 9.4) gezeigt werden, um das Säure-Base-Konzept nach Brönsted zu erarbeiten. Schlussendlich dient Ammoniak in der 12. Jahrgangsstufe beim Thema Protolysegleichgewichte (C 12.2) als Beispiel für schwache Basen bei der Erarbeitung der Säure- und Basenkonstanten. Der Stoff Ammoniak wird zwar nicht explizit im bayerischen Lehrplan für das Gymnasium erwähnt, jedoch sollten seine Eigenschaften und der sichere Umgang mit Ammoniak im Rahmen obiger Themenbereiche besprochen werden. 2 Versuche 2.1 Geheimtinte [4] weißes DIN A4 Papier Phenolphthalein-Lösung Pipette konzentrierte Ammoniak-Lösung (NH 3 ) Auf dem Papier wird mit Phenolphthalein-Lösung groß NH 3 geschrieben (evtl. mit Hilfe einer Pipette) und gewartet, bis das Papier wieder trocken ist. Dann zieht man das Papier über die geöffnete Flasche des konzentrierten Ammoniaks. Beobachtung: Die Stellen mit Phenolphthalein färben sich pink, wodurch der Schriftzug erkennbar wird. Jedoch verblasst die Schrift schnell, wenn keine Ammoniakdämpfe mehr an das Papier gelangen. Ammoniak reagiert in Wasser wie folgt: NH 3 + H 2 O NH OH - (1) Gelangen Ammoniakdämpfe an das Papier, reagiert das Phenolphthalein mit den Hydroxidionen und färbt sich pink. Mit der Zeit verflüchtigen sich Ammoniak und Wasser, wodurch das Gleichgewicht ganz nach links verschoben wird. Sind keine Hydroxidionen mehr vorhanden, entfärbt sich auch das Phenolphthalein wieder. 3

4 2.2 Rauchringe [1, 5] 2 Gaswaschflaschen Phenolphthalein-Lösung Stativ, 3 Stativklammern, 3 Muffen konzentrierte Salzsäure (HCl) 2 Peleusbälle konzentrierte Ammoniak-Lösung (NH 3 ) T-förmiges Glasrohr 3 Schlauchverbindungen Trockenrohr Eine Gaswaschflasche wird ca. 2 cm hoch mit konzentrierter Ammoniak-Lösung und die andere Gaswaschflasche ca. 2 cm hoch mit konzentrierter Salzsäure gefüllt. Beide Gaswaschflaschen werden anschließend verschlossen und mit einer Muffe und Stativklemme am Stativ befestigt. An die gaszuführenden Öffnungen beider Waschflaschen wird nun jeweils ein Peleusball angebracht, die gasabführenden Öffnungen werden über Schlauchverbindungen mit einem T-förmigen Glasrohr verbunden. Der freie Schenkel des T-förmigen Glasrohres wird ebenfalls über eine Schlauchverbindung an ein Trockenrohr angeschlossen, das am Stativ befestigt wird Beide Peleusbälle sollten nun möglichst gleichzeitig zusammen gepresst werden. Beobachtung: An der Öffnung des Trockenrohres treten weiße Rauchringe aus. Aus Ammoniakdämpfen und Salzsäuredämpfen bildet sich Salmiakrauch: NH 3 + HCl NH 4 Cl Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Säure-Base-Reaktion. Ammoniak reagiert als Base mit der Salzsäure zum weißen Ammoniumchlorid ( Salmiak ). 2.3 NH 4 Cl-Zersetzung [6] großes Reagenzglas Ammoniumchlorid (NH 4 Cl) Bunsenbrenner Universalindikatorpapier Reagenzglashalter Glaswolle In das Reagenzglas wird etwas Ammoniumchlorid gegeben. Anschließend werden an der Reagenzglaswand, getrennt durch Glaswolle, zwei Stücke angefeuchtetes Universalindikatorpapier angebracht. Das Ammoniumchlorid muss nun über der Bunsenbrennerflamme erhitzt werden. 4

5 Beobachtung: Das untere Universalindikatorpapier färbt sich rot, das obere Universalindikatorpapier färbt sich blau. Ammoniumchlorid wird in der Hitze thermisch zersetzt. Dabei entstehen Ammoniak und Chlorwasserstoff: NH 4 Cl (s) NH 3 (g) + HCl (g) Das entstehende Ammoniak besitzt eine kleinere Dichte als Luft, ist daher leichter als Luft und steigt im Reagenzglas nach oben. Mit dem angefeuchteten Universalindikatorpapier reagiert das Ammoniak entsprechend Gleichung (1), s. S. 3. Aufgrund der Hydroxidionen färbt sich das obere Universalindikatorpapier blau. Chlorwasserstoff besitzt eine größere Dichte als Luft, ist daher schwerer als Luft und sammelt sich im Reagenzglas unter der Glaswolle. Mit dem angefeuchteten Universalindikatorpapier reagiert Chlorwasserstoff sauer. Daher verfärbt sich das untere Universalindikatorpapier rot. 2.4 Ammoniakspringbrunnen [5] 3 Rundkolben (50 ml, ml) konzentrierte Ammoniak-Lösung (NH 3 ) 2 Stative, 4 Stativklemmen, 4 Muffen Phenolphthalein-Lösung Glasrohr, gerade Glasrohr, gewinkelt 2 Gummistopfen, einfach durchbohrt Gummistopfen, zweifach durchbohrt Peleusball Bunsenbrenner a) Herstellung des Ammoniakgases: Im Abzug wird der 50 ml Rundkolben an einem Stativ befestigt, mit konzentrierter Ammoniaklösung gefüllt und mit einem einfach durchbohrten Gummistopfen verschlossen. Durch den Gummistopfen wird ein Glasrohr gestoßen. Ein 1000 ml Rundkolben wird mit der Öffnung nach unten über das Glasrohr gestülpt und am Stativ befestigt. Die konzentrierte Ammoniak-Lösung wird nun solange erhitzt, bis sich im oberen Rundkolben Flüssigkeitströpfchen bilden. b) Springbrunnenversuch: Ein 1000 ml Rundkolben wird mit Wasser gefüllt, das mit etwas Phenolphthalein versetzt wird, und an einem Stativ befestigt. Anschließend wird der Kolben mit einem doppelt durchbohrten Stopfen verschlossen, in welchem sich das gewinkelte Glasrohr befindet. Das freie Ende des gewinkelten Glasrohres wird mit einem Peleusball verbunden. Nun nimmt man den oberen Kolben samt Gummistopfen und 5

6 Glasrohr aus a), steckt das Glasrohr in die freie Öffnung des doppelt durchbohrten Stopfens und befestigt den Kolben mit der Öffnung nach unten am Stativ. Mit dem Peleusball wird im unteren Kolben solange ein Überdruck erzeugt, bis das Wasser gerade aus der oberen Öffnung des Rohres austritt. Beobachtung: Das Wasser wird springbrunnenartig in den oberen Kolben gezogen. Zudem kann man einen Farbumschlag von farblos nach pink beobachten. Ammoniak ist sehr gut in Wasser löslich: bei 20 C lösen sich in einem Liter Wasser 702 Liter Ammoniak. Wenn nun das Wasser durch das Glasrohr in den oberen Kolben gelangt, kommt es dort mit dem Ammoniakgas in Kontakt, welches sich sofort im Wasser löst. Dadurch entsteht im oberen Kolben ein Unterdruck, der das Wasser springbrunnenartig nach oben zieht. Die dabei entstehende Ammoniak-Lösung enthält Hydroxidionen, was zum Farbumschlag des Phenolphthaleins von farblos nach pink führt: NH 3 + H 2 O NH OH - 3 Quellen [1] A. F. Holleman, N. Wiberg, E. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, New York, 2007, S [2] (Stand: ) [3] Genehmigter Lehrplan Gymnasium Bayern (G8) für den Chemieunterricht siehe auch: (Stand: ) [4] G. Wagner, M. Kratz: Chemie in faszinierenden Experimenten. 11. verbesserte Auflage, Aulis Verlag Deubner & Co kg, Köln, 2009, S. 128 [5] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht. 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München, 1995, S , 122 [6] H. Boeck (Hrsg.), Chemische Schulexperimente, Band 1 Anorganische Chemie. 1. Auflage, Cornelsen Verlag, Berlin, 1998, S