Kapitel 2: CO 2 -Kreislauf

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1 Ziel In diesem Kapitel beschäftigen Sie sich mit den chemischen Reaktionen, die wichtig sind, um die Verwitterung und Sedimentierung von Karstlandschaften (Carbonatgesteine) verstehen zu können. Die Erosion dieser Gesteine wird erst durch die Anwesenheit von Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) ermöglicht. Sie sollen in diesem Versuch unter anderem verstehen, warum das so ist. Lerninhalte Kontrollierter und sicherer Umgang mit starken Säuren und Laugen Stöchiometrie, Fällungsreaktionen, Löslichkeitsprodukt Chemisches Gleichgewicht Hinweise zur Durchführung Die Versuchsreihe dauert relativ lang, arbeiten Sie deswegen in der Gruppe parallel an verschiedenen Sachen! 1. Vorbereitung von Versuchen a und c: Einwiegen des Kalks für Versuch a, Herstellen der CO 2 - Lösung für Versuch c (bereitstellen von 500 ml deionisiertem Wasser) 2. Durchführung von Versuch a, parallel Einwiegen für Versuche b und c (nur Feststoffe von b und c) 3. Zweiter Schritt von Versuch c (Zugabe von Kalk) 4. Durchführung von Versuch b 5. Dritter und vierter Schritt von Versuch c, parallel Lösen der Übung zum Löslichkeitsprodukt (Versuch d) Experimente a) CO 2 -Bildung aus Kalk mit einer starken Säure In der Industrie werden stickoxid- und schwefelhaltige Emissionen (NO X und SO 2 ) in die Atmosphäre abgegeben. Dadurch können mit Feuchtigkeit in der Luft saure Verbindungen wie Salpetersäure HNO 3 und Schwefelsäure H 2 SO 4 entstehen, die als Saurer Regen auf kontinentale Gesteine niedergehen und selbige zersetzen kann. Dabei wird CO 2 frei. Für diesen Versuch benötigen wir: 0,4 g Kalk (CaCO 3 ) 2,1 Moläquivalente HNO 3 (Wie viele ml 65 wt.-% HNO 3 sind das?) Eisbad für einen Zweihalskolben 1/6

2 Versuch: Abbildung 1: Zeichnung der benötigten Glasapparatur für Versuch a. B: Eingang vom Reaktionskolben zur Bürette. C: Vorratsvolumen, hier Öffnung zur Umgebung. D: Oberer Hahn. E: Bürette. F: Unterer Hahn. G: Scheidetrichter mit Sperrflüssigkeit. Diese Apparatur wird durch den Assistenten aufgestellt, siehe Anhang. 1. Der Ausgang (F) wird geöffnet. Durch Anheben des Scheidetrichters wird der Flüssigkeitspegel in der Bürette auf gebracht und der Scheidetrichter entsprechend fixiert. Wie funktioniert dies? 2. Im Eisbad wird in einem Zweihalskolben 0,4 g Kalk vorgelegt. Der eine Hals wird über den Kegel mit dem Schlauch der an Ausgang B der Bürette befestigt (Schlifffett nicht vergessen!) und mit einer Schliffklammer gesichert. Der andere Ausgang wird mit einem Septum verschlossen. 3. Alle Hähne richtig einstellen: Der obere Hahn (D) wird so eingestellt, dass Gas aus dem Kolben mit dem Kalk (B E) in die Gasbürette strömen kann. 4. Salpetersäure zum Kalk geben (Sicherheit siehe Anhang!): Die Salpetersäure soll im Molverhältnis 2.1:1 zugegeben werden (Warum?). Berechnen Sie die benötigte Menge in ml. Stellen Sie zuerst sicher, dass Ihr Spitzkolben gut durch das Eisbad gekühlt wird. Das berechnete Volumen Salpetersäure wird mit einer Plastikspritze aufgesogen. Man steckt eine Nadel auf und sticht durch das Septum. Nun kann langsam zugetropft werden. 5. Sie werden sehen, dass im Verlauf der Reaktion der Flüssigkeitspegel in der Gasbürette sinkt. Warten Sie noch eine Minute nachdem die Zugabe von Salpetersäure beendet ist. Stellen Sie nun den Scheidetrichter so ein, dass die Flüssigkeitspegel in Scheidetrichter und Gasbürette auf der gleichen Höhe sind. (Warum tun Sie das?). Lesen Sie nun ab, wie viel Gas produziert wurde! 6. Bearbeiten sie folgende Aufgaben: Berechnen Sie die erhaltene Stoffmenge aus dem Volumen. Berechnen Sie die theoretisch zu erwartende Stoffmenge. Ist die zu erwartende Menge erhalten worden? Was sind die Gründe für Abweichungen? Notieren Sie mindestens 3 Punkte. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen im Laborjournal. 2/6

3 b) Fällung von Kalk aus einer Calciumhydroxidlösung mit CO 2 Kalk ist ein essentieller Baustein als Füllstoff in der pharmazeutischen Industrie, für Farben, für Textilien etc. Industriell wird Kalk durch Fällungsreaktionen mit CO 2 hergestellt. Für diesen Versuch benötigen wir: 4 g Kalk 2,1 Moläquivalente HNO 3, wiederum in ml 65 wt-% HNO 3 10 mmol Ca(NO 3 ) 2 *4H 2 O 45 mmol KOH 1 L CO 2 -freies (= deionisiertes) Wasser ph-indikator (wird durch Assistenten zugegeben) HNO 3 (Punkt 5) Versuch: C D E B A Abbildung 2:Versuchsaufbau für Versuch b. A: Eisbad. B: Zweihalsrundkolben. C: PVC-Schlauch. D: Gasaus- und Einleitungsrohr. E: Rundkolben mit Lösung aus Punkt Geben Sie 45 mmol Kaliumhydroxid in 1 L CO 2 -freies Wasser, verschliessen Sie den Kolben mit einem passenden Stopfen und schütteln Sie, bis sich das ganze KOH gelöst hat. Danach geben Sie 10 mmol Calciumnitrat hinzu und schütteln erneut. Nun wird ein wenig Indikator hinzugegeben und erneut geschüttelt. Lassen Sie den Kolben verschlossen bis Sie die Ca(NO 3 ) 2 - Lösung brauchen. Die Lösung sollte klar sein. Falls dies nicht der Fall ist, gehen sie zum Assistenten. 2. Geben Sie 4 g Kalk in den 50 ml Zweihalsrundkolben. Verschliessen Sie den kleinen Schliff mit einem Septum. Verbinden Sie nun ein Gasaus- und -einleitungsrohr mit einem PVC- Schlauch. 3. Bereiten Sie 2,1 Moläquivalente (Berechnung siehe a!) konzentrierte Salpetersäure in einer Spritze vor. 4. Stecken Sie das Gasausleitungsrohr auf den Kolben mit dem Kalk und das Gaseinleitungsrohr in die Ca(NO 3 ) 2 -Lösung. Stellen Sie den Zweihalskolben ins Eisbad aus Versuch b. Geben Sie vorsichtig die Salpetersäure über das Septum auf den Kalk und beobachten Sie die Ca(NO 3 ) 2 - Lösung. 5. Nun versetzen Sie die Lösung im grossen Kolben mit HNO 3 bis der ph-wert ins Saure umschlägt. Nach Versuch a sollten Sie in der Lage sein, den Vorgang zu erklären. 6. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben: 3/6

4 Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen c) Verkarstung und Komplexierung von Kalk (CaCO 3 ) In der Natur werden Kalkfelsen oft durch Luftkohlendioxid, das mit Wasser zu Kohlensäure reagiert, gelöst. Es entsteht eine Lösung von Calciumbicarbonat, sogenanntes hartes Wasser. Komplexbildner wie EDTA sind in der Lage Wasser effektiv zu enthärten, indem sie Ca 2+ - und Mg 2+ -Ionen als wasserlösliche Komplexe binden können. Für diesen Versuch benötigen wir: 0.5 g Kalk (CaCO 3 ) 2,5 g Ethylendiamintetraacetat-dinatriumsalz (Na 2 -EDTA) 500 ml CO 2 -gesättigtes, deionisiertes Wasser (wird im ersten Schritt hergestellt) Versuch: 1. CO 2 -gesättigtes Wasser wird wie folgt hergestellt: Geben Sie ca. 40 g Trockeneis (Was ist das?) in 0.5 l deionisiertes Wasser. Das Trockeneis wird im Verlauf von ca. 1 Stunde portionenweise zugegeben, das Wasser gerührt. Der Kolben sollte mit einem zu kleinen Stopfen verschlossen werden, so dass möglichst viel Gas im Kolben bleibt aber sich kein Druck aufbauen kann g Kalk wird im CO 2 -ges. Wasser (ca. 38 mm CO 2 ) aufgeschlämmt (Magnetrührer/Rührfisch). Schliessen Sie Ihren Kolben, damit das CO 2 in der Lösung bleibt! Lassen Sie die Lösung eine Stunde rühren. Die Lösung sollte dann klar sein. 3. Erhitzen Sie die Lösung auf ca. 90 C mittels der Heizplatte. Die Temperatur ist erreicht sobald ein sichtbarer Niederschlag beobachtet werden kann. 4. Geben Sie das EDTA zu. 5. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben: Beschreiben Sie sämtliche Beobachtungen Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für jeden der 4 Schritte: 1. Kohlendioxid in Wasser 2. Lösen von Kalk in CO 2 -gesättigtem Wasser 3. Erhitzen der erhaltenen Lösung 4. Zugabe von EDTA d) Übung - Löslichkeitsprodukt 1. Welche Stoffmenge Calciumhydroxid kann man in 1 L Wasser lösen (pk L (Ca(OH) 2 ) = 5.2)? Welcher Masse entspricht das? 2. Welche Stoffmenge Calciumcarbonat kann man in 1 L Wasser lösen (pk L (CaCO 3 ) = 8.2)? Welcher Masse entspricht das? Hinweise: Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der Auflösung der beiden Calciumsalze in Wasser. K L ist die Löslichkeitskonstante, also das Produkt der Konzentrationen der beteiligten Stoffe. 4/6

5 Anhang Arbeit im Labor Laborjournal: Pro Gruppe muss mindestens ein Laborjournal geführt werden. Es soll sauber geführt sein und muss am Ende vorgewiesen werden. Bitte machen Sie eine Seite pro Versuch. Inhalt sollte sein: o Berechnungen o Einwaagen o Beobachtungen o Abweichungen von der Anleitung o Ergebnisse o Reaktionsgleichungen Das Ziel ist es, dass der Versuch mithilfe der Anleitung sowie dem Laborjournal wiederholt werden könnte. Zusätzlich sollten alle Ergebnisse klar ersichtlich sind. Ordnung: Alle Feststoffe sind bei der Waage gelagert und werden dort nach Benutzung auch wieder hingestellt. Die Säure wird immer in einer der Kapellen gelagert. Ausserdem: Alle Gefässe stets wieder verschliessen. Sauberkeit: Spritzer auf der Arbeitsoberfläche könnten Säure sein, oder auch nur Wasser. Verschmutzungen müssen umgehend mit Haushaltspapier entfernt werden! Auch wird kein Papier in die Kapelle gelegt, auch nicht zum Schreiben. Sicherheit Umwelt In diesem Versuch arbeiten Sie mit starken Säuren (HNO 3 : Salpetersäure) und starken Laugen (KOH: Kalilauge). Spritzer der Lösungen ins Auge sind sehr ernst. Tragen sie konsequent die Schutzbrille. Sollte trotzdem etwas ins Auge gehen, spülen sie sofort mit viel Wasser nach! Der Assistent muss umgehend informiert werden. Spritzer reizen bzw. verätzen die Haut. Auch hier gilt: sofort waschen. Ziehen Sie kontaminierte Handschuhe sofort aus und waschen Sie zusätzlich Ihre Hände mit Wasser. Fassen Sie auch nicht mit ungewaschenen Händen ins Gesicht! Tragen Sie ihren Labormantel geschlossen und verzichten Sie darauf, mit neuen bzw. teuren Kleidern zur Arbeit zu erscheinen. Waschen Sie die Hände gründlich, bevor Sie das Labor verlassen. Spritzen werden ausnahmslos mit aufgesetztem Plastikschutz auf der Arbeitsoberfläche gelagert oder herumgetragen. Die Nadel wird nur entblösst um die Säure in der Kapelle aufzuziehen und unmittelbar bevor der Versuch durchgeführt, also das Septum damit durchstochen wird. Gebrauchte Nadeln werden im gelben Entsorgungsbehälter für Nadeln deponiert, die Spritzen kommen in den normalen Abfall. Die Glasschutzscheiben der Kapellen sind stets zu schliessen. Dies aus energietechnischen (braucht weniger Energie) und sicherheitstechnischen Gründen. Beim groben Auswaschen der Glaswaren kann zuerst normales Leitungswasser verwendet werden. Dieses ist 10x günstiger als deionisiertes Wasser und braucht ebenso viel weniger Energie zur Herstellung. Zum Schluss einmal mit deionisiertem Wasser nachspülen. Entsorgung: die in diesem Versuch anfallenden Lösungen können allesamt in den Abfluss gegossen werden, da sie keine schädlichen Chemikalien enthalten. Kohlensäure und Kalk sind sowieso im Leitungswasser und die Säuren werden durch das Waschen verdünnt. 5/6

6 Aufbau von Versuch a Folgende Schritte müssen durchgeführt werden um Versuch a) für die Studenten vorzubereiten. Die Buchstaben verweisen dabei auf Abbildung 1. Gasbürette vorbereiten: Das untere Ende der Gasbürette (E) wird durch einen PVC-Schlauch flexibel mit einem Scheidetrichter (Ausgleichsgefäss) verbunden. Die Gasbürette wird an einem Stativ befestigt, der Scheidetrichter (G) auch. Füllen mit gesättigter Na 2 SO 4 -Lösung (Sperrflüssigkeit): Der Scheidetrichter wird soweit heruntergelassen, dass die Oberkante tiefer liegt als der Einlass der Gasbürette. Nun wird ca. 200 ml Sperrflüssigkeit eingefüllt. Hinweis: Wir haben nur 80 g/l Natriumsulfat verwendet da die gesättigte Lösung nach einigen Tagen auskristallisiert ist. Gesättigt ist rund 170 g/l Natriumsulfat. Ein möglichst dünner und kurzer PVC-Schlauch (Totvolumen!) wird an der Gasbürette befestigt (Eingang B). Am anderen Ende wird ein Kegel am Schlauch befestigt. Alle Schläuche werden mit Schlauchbriden befestigt. Zur Frage bei 1: Abbildung 3: Hydrostatisches Paradoxon: Kommunizierende Röhren. Quelle: Abgerufen am /6