Chemie für Zahnmediziner Arbeitsheft Woche 5.

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1 Chemie für Zahnmediziner Arbeitsheft Woche 5. Experimente mit den Halogenen und den Elementen der VI. Hauptgruppe (Praktikumskript S ) Verfasser: Attila Agócs, Zoltán Berente, Gergely Gulyás, Péter Jakus, Tamás Lóránd, Veronika Nagy, Erika Radó-Turcsi, Anikó Takátsy Redakteurin: Veronika Nagy Name: Gruppe: Datum: Die folgenden Piktogramme bezeichnen die schädlichen oder gefährlichen Substanzen: irritierend ätzend leicht entzündlich explosiv giftig oxidierend umweltschädlich

2 Fragen, Übungsaufgaben 1. Schreiben Sie die Elementsymbole der Halogene auf! Schreiben Sie die Elektronenkonfiguration der Valenzschale der Halogenatome auf! Wieviel Valenzelektronen haben die Halogene? 2. Zählen Sie die Halogene mit Namen auf! Beschreiben Sie die Struktur und die chemische Reaktivität der Halogene in Elementarzustand! 3. Schreiben Sie die Gleichung für die Entstehung der Lugolschen Lösung auf! Wofür wird sie in der medizinischen Praxis benutzt? 4. Benennen Sie die folgenden Verbindungen: CaF2, NaBr, PbI2, HOBr, HIO3, KClO4. 5. Schreiben Sie die Formeln der folgenden Verbindungen auf: Kaliumchlorat, Silber(I)jodid, Perchlorsäure, Natriumhypochlorit, Natriumfluorid, Salzsäure. 6. Schreiben Sie die allgemeine Formel der Wasserstoffhalogenide auf! Vergleichen Sie ihre Säurestärke, und geben Sie die Oxidationszahl des Halogenatoms in der Verbindung! 7. Schreiben Sie die Gleichung der Entstehung der Hypochlorigen Säure auf! Bestimmen Sie die Oxidationszahlen des Chlors in den Reaktionen! Was für eine praktische Anwendung findet die Hypochlorige Säure? 8. Schreiben Sie die Gleichung für die Reaktion des Chlors mit Natriumhydroxid auf und benennen Sie die Produkte! Was für eine praktische Anwendung findet das Reaktionsprodukt? 9. Warum sollte man nicht ein chlorhaltiges Desinfektionsmittel mit Salzsäure vermischen? Schreiben Sie zwei Gleichungen! 10. Schreiben Sie die Elektronenkonfiguration der Valenzschale des Sauerstoffatoms auf! Charakterisieren Sie die Elektronegativität des Sauerstoffs! Welche sind die üblichen Oxidationszahlen des Sauerstoffs in seiner Verbindungen? 11. Benennen Sie die allotropischen Modifikationen des Sauerstoffs (2 Namen, 2 Formel)! Wo kommen diese Verbindungen in der Natur vor? 12. Schreiben Sie die Gleichung für die Entstehung des Ozons auf! Wie wird diese Reaktion in der Atmosphäre ausgelöst? 13. Welche Anwendungen haben Wasserstoffperoxid und Sauerstoff in der Medizin? 14. Schreiben Sie die Gleichung der spontanen Zersetzung des Wasserstoffperoxids auf! 15. Charakterisieren Sie die Redox-Eigengenschaften des Wasserstoffperoxids! Welche Oxidationstufe hat der Sauerstoff in dieser Verbindung? 16. Was ist die Zusammensetzung der Hyperol Tablette und was ist ihre medizinische Anwendung? 17. Zeichnen Sie die Strukturformel des Wassermoleküls auf! Welche ist die stärkste schwache (sekundäre) Wechselwirkung, die zwischen den Wassermolekülen wirkt? Wie kann diese Wechselwirkung in den physikalischen Eigenschaften des Wassers wahrgenommen werden? 18. Schreiben Sie die Formel der folgenden Verbindungen auf und bestimmen Sie die Oxidationsstufe des Schwefels: Magnesiumsulfat, Natriumsulfit, Eisen(II)sulfid. 19. Schreiben Sie die Gleichung für die Herstellung des Schwefelwasserstoffs im Laboratorium auf! 2

3 20. Schreiben Sie die Entstehung der Schwefeligen Säure und der Schwefelsäure aus ihren Anhydriden auf! 21. Geben Sie die Gleichungen für die mehrstufige Dissoziation der Schwefelsäure an (2 Gleichungen)! 22. Schreiben Sie eine Neutralisationsreaktion mit Schwefelsäure auf! 23. Schreiben Sie die Formeln der folgenden Verbindungen auf und vergleichen Sie ihre Säurestärke: Schwefelwasserstoff, Schwefelsäure, Schwefelige Säure! 24. Wie soll konzentrierte Schwefelsäure verdünnt werden (welches Material wird zu welchem gegeben)? Warum? Für die Antworten siehe Praktikumskript Seiten

4 Experimente Der oxidierende, und Entfärbungseffekt des Chlors Materialien: Farbstofflösung (Tintenwasser), chloriges Wasser chloriges Wasser Gieße man in ein Reagenzglas 3-4 ml Farbstofflösung. Gebe man ein bisschen chloriges Wasser unter dem Abzug hinzu und schüttele das Gemisch. Schreiben Sie Reaktionsgleichung für die Entstehung des chlorigen Wassers! Tipp: s. Frage 7. Erklären Sie die Beobachtungen! Bemerkungen: Die Quantität des benötigten Chlors bei der Desinfektion des Wassers wird mit dem sog. Chlorbedarf angegeben: je mehr oxidierbare (meist organische) Substanzen oder Microorganismen im Wasser enthalten sind desto größer ist der Chlorbedarf. Experimente mit Hypochloriger Säure Materialien: Kaliumjodid-Stärkepapier, HOCl-Lösung, Salzsäure-Lösung, KI-Lösung HOCl-Lösung a. Ein Streifen Kaliumjodid-Stärkepapier wird angefeuchtet. Gieße man in ein Reagenzglas 3-4 ml Hypochlorige Säure-Lösung und gebe man ein wenig Salzsäure-Lösung dazu. Halte man sofort das angefeuchtete Indikatorpapier über das Reagenzglas und beobachte man das Papier und das Reagenzglas vor einem weißen Hintergrund. Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen! Was ist die alltägliche Bedeutung dieser Reaktion? Tipp: s. Frage 9. 4

5 b.) Säuere man 3-4 ml KI-Lösung mit Salzsäure in einem Reagenzglas an (etwa 1-2 ml Salzsäure), und tropfe man wenig (ca. 2 Tropfen) HOCl-Lösung dazu. Ergänzen Sie die Gleichung: HOCl + 2 HI = + H 2O + Gebe man noch 2 ml HOCl-Lösung zum Reaktionsgemisch zu. Das ausgeschiedene Jod wird weiter oxidiert. Das ausgeschiedene Jod wird weiter oxidiert und entsteht Jodsäure (HIO 3). Schreiben Sie die Reaktionsgleichung! Bemerkungen: Die Hypochlorige Säure ist ein gutes Oxidationsmittel, deswegen lässt sie sich als Desinfektionsmittel oder Bleichmittel verwenden. Farbstoffe (z.b. farbige Textilien) oder farbige Verunreinigungen sind im Allgemeinen organische Moleküle, deren reduzierter Form farbig, die oxidierte Form farblos ist. Die Hypochlorige Säure oxidiert die farbige zur farblosen Form. Chlorhaltige Bleichmittel entfernen also die Beschmutzungen meistens nicht, sie werden nur farblos. Die Hypochlorige Säure wirkt im Organismus auch oxidierend: einige Leukozyte können HOCl herstellen um Pathogene zu vernichten. 5

6 Herstellung der Lugolschen Lösung Materialien: Jod, KI-Lösung Jod Schüttele man einige (1-2 Stückchen) Jodkristalle mit 3-4 ml Wasser in einem Reagenzglas 1-2 Minuten lang. In einem anderen Reagenzglas wiederhole man das Experiment mit KI-Lösung statt Wasser. Wie kann der Unterschied in der Löslichkeit erklärt werden? Schreiben Sie die Gleichung! Tipp: s. Frage 3! Welche Lösung ist am besten geeignet für die Desinfektion der Umgebung einer offenen Wunde? wässrige Jod-Lösung, alkoholische Jod-Lösung, Jod-Lösung mit KI (Lugolsche Lösung) Warum? Schütten Sie die übriggebliebenen Lösungen nicht aus, denn sie werden im folgenden Experiment gebraucht! Bemerkung: Das Jod bewahrt seine Oxidationskraft auch in dem Kaliumtrijodid- Komplex, deshalb kann als Desinfektionsmittel verwendet werden. 6

7 Reaktion des Jods mit Stärke Jod Materialien: wässrige Jod-Lösung (aus dem vorherigen Experiment), Lugolsche Lösung (aus dem vorherigen Experiment), Stärke-Lösung, Kartoffel a.) Tropfe man 1-2 Tropfen Lugolsche Lösung (aus dem vorherigen Experiment) auf ein Stück frisch geschnittene Kartoffel. b.) Gebe man 1-2 ml Stärke-Lösung zu der wässrigen Jod-Lösung (aus dem vorherigen Experiment). Erwärme man die Lösung in einem heißen Wasserbad. Was passiert? Lege man das Reagenzglas in Eis und lasse man abkühlen. Beobachtung: Erklärung: Mit der obigen Reaktion können kleine Mengen Jod oder Stärke nachgewiesen werden. Die Jodmoleküle lagern sich im Inneren der spiralförmigen Amylose an (Amylose ist eine Komponente der Stärke), wo sie durch Dispersionswechselwirkungen verankert werden. Durch diese Wechselwirkungen wird die Elektronenwolke des Jodmoleküls deformiert (polarisiert), sie wird leichter erregbar und absorbiert Licht anderer Wellenlänge. Wird die Lösung erwärmt, diffundieren die Moleküle aus der Helix heraus. 7

8 Das Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel H 2O 2-Lösung Materialien: 30% H 2O 2-Lösung, KI-Lösung, Stärke-Lösung Gieße man in ein Reagenzglas 1-2 ml KI-Lösung und gebe man dieselbe Menge Stärke- Lösung, danach 1-2 ml H 2O 2 dazu. Wie können die Beobachtungen erklärt werden? Ergänzen Sie die folgende Gleichung mit der Hilfe der Oxidationszahlen, markieren Sie die Oxidations- und Reduktionsmittel: KI + H 2O 2 = KOH + I 2 Bemerkungen: Das sog. Entwiklungsmittel der Haarfarben enthält auch Wasserstoffperoxid. Wenn es mit dem Farbenvorläufer vermischt wird, wird der Vorläufer auf der Oberfläche des Haares oxidiert und ergibt das gewünschte Farbemolekül. Entfärbung mittels Wasserstoffperoxids H 2O 2-Lösung Materialien: 30% H 2O 2-Lösung, Ammoniak-Lösung NH 3-Lösung Gieße man in ein Uhrglas wenig 30% H 2O 2-Lösung, und gebe man halbe Menge an Ammoniak-Lösung hinzu. Lege man ins Reaktionsgemisch ein Stück dunkles Haar. Beobachten Sie die Oberfläche des Haares nach 30 Minuten. Erklärung: In der Anwesenheit von Ammoniak werden die Farbstoffe durch H 2O 2 entfärbt (oxidiert). Wasserstoffperoxid wird zum Blondieren, oder allgemein als chlorfreies Bleichmittel oder Fleckenentferner verwendet. 8

9 Oxidative und reduktive Eigenschaften des Wasserstoffperoxids Materialien: 30% H 2O 2-Lösung, NaOH-Lösung, Chrom(III)sulfat-Lösung, Schwefelsäure-Lösung a.) Gebe man zu 2 ml NaOH-Lösung 2-3 Tropfen H 2O 2. Gebe man zum Gemisch 2-3 Tropfen Chrom(III)sulfat-Lösung. H 2O 2-Lösung NaOH-Lösung Cr 2(SO 4) 3-Lösung 20% H 2SO 4-Lösung Markieren Sie, welcher Reaktand wird oxidiert und reduziert: 2 Cr OH + 3 H 2O 2 = 2 CrO H 2O b.) Säure man die obige Lösung mit Schwefelsäure (2-3 ml) an, beobachte man das Reaktionsgemisch (eventuell 1-2 Tropfen H 2O 2 wird noch gebraucht)! (Die Reaktion führt in mehreren Schritten wieder zum Chrom(III)-Ionen, in einem Schritt entsteht eine blaufarbige Chromverbindung (CrO 5), die für die vorübergehende blaue Farbe verantwortlich ist). Markieren Sie, welcher Reaktand wird oxidiert und reduziert: Cr 2O H H 2O 2 = 2 Cr H 2O + 3 O 2 Bestimmen Sie ob in den obigen Reaktionen Wasserstoffperoxid als Oxidations- oder Reduktionsmittel wirkte! Bemerkungen: Der Sauerstoff im Wasserstoffperoxid hat ein mittlerer Oxidationszustand (Oxidationsstufe -1), kann sowohl als Reduktionmittels (H 2O 2 O 2, Oxidationsstufe -0) als auch als Oxidationsmittel (H 2O 2 H 2O, Oxidationsstufe -2) wirken. Die Redox-Eigenschaften hängen auch von der Acidität/Basizität der Lösung ab, vorausgesetzt, dass in der Redoxreaktion H + -, oder OH -Ionen teilnehmen (s. Elektrochemie). H 2O 2 entsteht auch im menschlichen Organismus, ist eines von den sog. reaktiven Sauerstoff-Zwischenprodukten (ROS, s. Biochemie). Wegen der hohen Reaktivität des Wasserstoffperoxids können die Zellen beschädigt 9

10 werden. Der menschliche Organismus kann den schädlichen Effekt entgegenwirken: das H 2O 2 wird durch das Glutathionperoxidase-Enzym zu Wasser reduziert, oder durch das Katalase-Enzym zu Sauerstoff oxidiert. Herstellung des Schwefelwasserstoffs FeS Materialien: Eisen(II)sulfid, Salzsäure, CuSO 4-Lösung CuSO 4-Lösung Gebe man ein Tropfen Kupfersulfat-Lösung auf ein Stück Filterpapier. Gebe man in ein Reagenzglas 1-2 kleine Kristalle Eisen(II)sulfid, und gieße man unter dem Abzug 2 ml Salzsäure dazu. Halte man das Filterpapier mit dem Kupfersulfat. Riechen Sie vorsichtig das entwickelnde Gas. Schreiben Sie Reaktionsgleichung! Tipp: s. Frage 19! Bemerkungen: Den charakteristischen Geruch von Schwefelwasserstoff kann man bei der Zersetzung von organischen Stoffen beobachten (z.b faules Ei). 10

11 Vorführungsexperimente Herstellung von Sauerstoff aus Wasserstoffperoxid KMnO 4-Lösung Materialien: KMnO 4-Lösung, Schwefelsäure-Lösung, Wasserstoffperoxid-Lösung 20% H 2SO 4-Lösung H 2O 2-Lösung Gebe man in ein Reagenzglas zu 3-4 ml Kaliumpermangat-Lösung 1-2 ml Schwefelsäure-Lösung. Im Bunsenbrenner zünde man ein Holzstäbchen an, blase die Flamme nach einigen Sekunden weg, und lege man das glimmende Stäbchen auf ein Drahtnetz. Gebe man schnell 1-2 ml Wasserstoffperoxid- Lösung zu der Permanganat/Schwefelsäure-Lösung und halte das glimmende Stäbchen ins Reagenzglas (über die Lösung)! Bestimmen Sie mithilfe der Oxidationszahlen, welcher Reaktand wird oxidiert und welcher das Oxidationsmittel ist: KMnO 4 + H 2O 2 + H 2SO 4 = MnSO 4 + K 2SO 4 + H 2O + O 2 Bemerkungen: Sauerstoff befördert das Brennen, und wird auch zu den Oxidationsvorgängen in den Zellen gebraucht. Der reine (100%) Sauerstoff ist giftig, im Körper entstehen daraus sog. reaktive Sauerstoff-Zwischenprodukte (ROS, s. Biochemie), die schnell das zentrale Nervensystem angreifen, Muskelzuckung verursachen und schließlich zum Tod führen. Diese Erscheinung heißt Sauerstoffvergiftung, deshalb ist es wichtig, dass z.b. in Sauerstoffflaschen für Taucher oder bei Anästhesie der Partialdruck des Sauerstoffs nicht ~0,2 bar übertrifft. 11

12 Reaktion der Schwefelsäure mit organischen Verbindungen Materialien: cc. (konzentrierte) Schwefelsäure, Pulverzucker cc. H 2SO 4 a.) Spüle man ein Becherglas mit Wasser aus, und fülle man 2 cm hoch mit Pulverzucker. Lege man das Becherglas in eine größere Kristallisierschale. Gebe man einige Tropfen Wasser und 8-10 cm 3 cc. Schwefelsäure dazu. (Machen Sie eine Skizze!) b.) Tropfe 4-5 Tropfen cc. Schwefelsäure auf ein Stück Tuch in einem Uhrglas. c. Tauche man ein Holzstäbchen in die cc. Schwefelsäure. Erklärung: Die konzentrierte Schwefelsäure zersetzt die organische Verbindungen, da sie Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Wasser entzieht. Bei diesem Prozess wird Wärme erzeugt. C 12H 22O C + 11 H 2O Der Kohlenstoff und die Schwefelsäure reagieren in einer Redoxreaktion unter Wärmebildung und Gasentwicklung: C + 2 H 2SO 4 = CO SO H 2O In der Zucker-Schwefelsäure Reaktion entstehen außer Wasserdampf CO 2, SO 2 und CO. Wegen CO Entwicklung (bis zu 50%) wird das Experiment unter Abzug durchgeführt. Die Temperatur kann bis C steigen. Ohne Wasserzugabe geht die Reaktion langsamer, entsteht aber eine größere Menge Gas. Wird mehr Wasser genommen, wird weniger Dampf erzeugt. 12