Ammoniak (NH 3 ) [1 3]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Wintersemester 2011/ Dozentin: Dr. M. Andratschke Referentinnen: Katja Hofbeck, Sabine Hähnlein Ammoniak (NH 3 ) 1. Allgemeines zum Ammoniak 1.1. Eigenschaften des Ammoniaks farbloses, stechend riechendes Gas (Smp. 78 C, Sdp. 33 C), das zu Tränen reizt, erstickend wirkt sehr leicht verflüssigbar pyramidenförmig gebaut, die Bindungswinkel H N H 107 [1 3] leichter als Luft bei Raumtemperatur stabil zersetzt sich bei Hitze in Gegenwart von Katalysatoren und bei Belichtung mit UV Strahlung gut wasserlöslich; in 1 L H 2 O lösen sich bei 15 C 772 L NH 3. besitzt ein freies Elektronenpaar, deshalb ist es eine Base. Wässrige NH 3 Lösungen reagieren schwach basisch. Bei der Protolysereaktion erkennt man, dass Hydroxidionen entstehen, die für den basischen Ausschlag des Indikators verantwortlich sind. NH 3 + H 2 O NH OH pk B = 4,75 (Basenkonstante K B ) Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt weit auf der linken Seite. Mit Protonendonatoren, wie mit stärkeren Säuren als Wasser, reagiert Ammoniak praktisch quantitativ zu Ammoniumsalzen. Ammoniakgas reagiert heftig mit Chlorwasserstoffgas (HCl) unter Bildung von Rauchwolken zu Ammoniumchlorid, Salmiak. Dies ist eine Neutralisationsreaktion. HCl H + + Cl NH 3 + H + NH 4 + NH 3 + HCl NH 4 Cl 1

2 [2, 4] 1.2. Verwendung des Ammoniaks Hauptsächlich Umwandlung in stickstoffhaltige Düngemittel Verwendung für die Produktion synthetischer Fasern Dient zur Herstellung von Sprengstoffen und Kunstharzen Ausgangsprodukt für die Synthese stickstoffhaltiger Verbindungen Flüssiges NH 3 ist ein gutes Lösungsmittel für viele Stoffe, z. B. Salze Früher als Kühlmittel für Kühlschränke und Kühlanlagen verwendet [2, 4] 1.3. Herstellung des Ammoniaks Großtechnische Herstellung von NH 3 nach dem Haber Bosch Verfahren. N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) + 92,28 kj Synthesegas (Stickstoff N 2 ; Wasserstoff H 2 ) Bei 500 C, 200 bar, α Fe Katalysator (erhältlich durch Zusammenschmelzen von Eisen (II,III) oxid Fe 3 O 4 oder Eisen (III) oxid Fe 2 O 3 mit geringen Mengen Aluminiumoxid Al 2 O 3, Kaliumoxid K 2 O, Magnesiumoxid MgO und Calciumoxid CaO; anschließende Reduktion mit Wasserstoff) Ausbeute: 11 % 1.4. Lehrplanbezug Realschule [5] Ammoniak wird in der Realschule in Bayern in dem mathematisch naturwissenschaftlich technischen Zweig in der 9. Klasse unter dem Themenblock Ch 9.3 Säuren und Basen behandelt. Die Schülerinnen und Schüler sollen dabei an ihre Alltagserfahrungen anknüpfen und die Eigenschaften von Säuren und Laugen kennenlernen. Sie sollen Sicherheitsvorkehrungen mit diesen Stoffen begründen und die Tragweite möglicher Umweltbelastungen erkennen können. Dabei sollen sie Basen als Protonenempfänger und die Eigenschaften von Laugen kennenlernen. Auch die Schülerinnen und Schüler der nicht naturwissenschaftlichen Wahlpflichtfächergruppen behandeln diese Themeneinheit Ch 9.8 Säuren und Laugen in der 9. Jahrgangsstufe. Da diesen Schülerinnen und Schülern in dieser Jahrgangsstufe zum ersten Mal Chemieunterricht erteilt wird, ist im Lehrplan nur die Behandlung der Eigenschaften von Laugen vorgesehen. Dennoch kann hierfür Ammoniak beispielhaft verwendet werden. 2

3 2. Experimente 2.1. Geisterschrift [6] Pinsel, großes Filterpapier Petrischale Phenolphthaleinlösung konzentrierte Ammoniak (NH 3 ) Lösung Wasser (H 2 O) Durchführung: Das Filterpapier mit Hilfe des Pinsels mit Phenolphthaleinlösung beschriften, leicht antrocknen lassen. Das Filterpapier in die Petrischale legen und dann mit Wasser anfeuchten. Die Petrischale mit dem Filterpapier über die Flasche mit konzentriertem Ammoniak halten. Die mit Phenolphthalein beschriebenen Stellen des Filterpapiers färben sich rot. Nach einiger Zeit verblasst die Schrift jedoch wieder. Ammoniak bildet in Wasser gelöst Hydroxidionen (basische Reaktion), die die Rotfärbung des Indikators bewirken: NH 3 + H 2 O NH OH Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt auf der linken Seite. Nach einiger Zeit verflüchtigt sich das Ammoniak, aber auch das Wasser, welches als Lösungsmittel für das Phenolphthalein dient. Deshalb wird das Gleichgewicht noch weiter nach links verlagert, wobei die basische Wirkung verloren geht und die Rotfärbung verschwindet Herstellung von Salmiak (NH 4 Cl) 2 kleine Bechergläser (5 oder 10 ml) Große Kristallisierschale Schwarzes Tonpapier [2, 7, 8] konzentrierte Salzsäure (HCl Lösung) konzentrierte Ammoniaklösung (NH 3 Lösung) 3

4 Durchführung: In ein Becherglas wird die Salzsäure und in ein anderes die Ammoniaklösung gegeben (jeweils etwa 1 ml). Beide Bechergläser werden auf ein schwarzes Tonpapier (oberes Drittel) gestellt und mit einer Kristallisierschale abgedeckt. Es ist eine Rauchentwicklung zu beobachten. Am Boden des Tonpapiers setzt sich ein weißer Feststoff ab. Aus der Reaktion von Salzsäuredämpfen und Ammoniakdämpfen entsteht Salmiakrauch. NH 3 + HCl NH 4 Cl Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Neutralisationsreaktion. Aufgrund der höheren Elektronegativität des Chloratoms (3,16), als die des Wasserstoffatoms (2,20), ist die HCl Bindung polarisiert. Diese wird heterolytisch gespalten, sodass das Chloratom die Bindungselektronen erhält. Es bilden sich ein Chloridion und ein Proton. Da Ammoniak ein N Atom mit einem freien Elektronenpaar enthält, bindet dieses das Proton. Dies stellt eine Protolysereaktion dar. Es bildet sich ein Ammonium Kation (NH 4 + ), welches zusammen mit dem Chloridion das weiße Ammoniumchlorid bildet. Umgangssprachlich ist es unter Salmiak bekannt (zusammengezogen aus Sal ammoniacum, Salze des Ammon, woraus dann die Worte Salmiak und Ammoniak abgeleitet wurden) Ammoniakspringbrunnen [7, 9] große Glaswanne Tropftrichter und Reagenzglas (Gasentwickler) Gummischlauch, gewinkeltes Glasrohr Großer Rundkolben (1 L), weiterer Rundkolben (500 ml) Stativ durchbohrter Stopfen, Glasrohr mit Spitze konzentrierte Ammoniaklösung (NH 3 ) Natriumhydroxid Plätzchen (NaOH) Phenolphthalein, ph Papier Wasser (H 2 O) Durchführung: In den kleinen Rundkolben werden die Natriumhydroxid Plätzchen gegeben; dieser wird über ein gewinkeltes Glasrohr mit dem großen Rundkolben, der nach unten geöffnet ist, verbunden. Mit Hilfe eines Tropftrichters wird langsam konzentrierte Ammoniaklösung in den kleinen Rundkolben hinzu getropft. Es bildet sich ein Gas, bei dem es sich um Ammoniak handelt. Unter den großen Rundkolben wird ein feuchtes ph Papier gehalten. Färbt sich dieses blau, ist der Rundkolben mit Ammoniakgas gefüllt und der Hahn des Tropftrichters wird geschlossen. 4

5 Nun verschließt man den großen Rundkolben mit einem durchbohrten Stopfen, der mit einer Glasspitze versehen ist. Vorher hat man eine große Wanne mit Wasser gefüllt und dieses mit einigen Tropfen Phenolphthaleinlösung versetzt. Im Anschluss taucht man den großen Rundkolben ein. Dabei ist aber darauf zu achten, dass in das Glasrohr so viel Wasser eindringt, dass im Rundkolben ein Wassertropfen an der Spitze des Glasrohres austritt. Nun richtet man den Rundkolben senkrecht nach oben aus, wobei sich das Glasrohr aber noch weiterhin im Wasser befinden muss. Das Wasser wird in den Rundkolben gesaugt. Dabei sprudelt es wie bei einem Springbrunnen, woher auch der der Name des Versuches stammt. Zudem kann man einen Farbumschlag von farblos nach rot beobachten. Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich (s. 1.1.). Das Gas bildet mit Wasser erneut Ammoniakwasser. Dabei entsteht ein gasfreier Raum, der einen Unterdruck bewirkt. Dieser saugt das Wasser in einem starken Strahl in den Kolben. 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. NH 3 + H 2 O NH OH 3. Literaturverzeichnis [1] Riedel, Erwin, Anorganische Chemie, W. de Gruyter Verlag, 6. Auflage, 2004, Berlin, S [2] Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils, Lehrbuch der anorganischen Chemie, W. de Gruyter Verlag, 101. Auflage, 1995, Berlin, New York, S (Stand: ) [3] Programm ChemSketch: (Stand: ) [4] Housecroft, Catherine E.; Sharp, Alan G., Anorganische Chemie, Pearson Studium, 2. aktualisierte Auflage, 2006, München, S [5] Lehrplan Realschule Bayern 84d027dd (Stand: ) [6] Wagner, Georg; Kratz, Michael, Unterrichtshilfen Naturwissenschaft Chemie in faszinierenden Experimenten, Aulis Verlag Deubner, 11. verbesserte Auflage, 2009, Köln, S. 128 [7] Häusler, Karl; Rampf, Heribert; Reichelt, Roland, Experimente für den Chemieunterricht, Oldenbourg Verlag, 2. Auflage, 1995, München, S. 118, S. 122 [8] Kohler, Helmut; Fischer, Hermann, Klappbares Periodensystem der Elemente, Bayerischer Schulbuch Verlag, 13. korrigierte Auflage, 2009, München [9] Keune, Hans; Boeck, Helmut, Chemische Schulexperimente Band 1 Anorganische Chemie, Cornelsen, Volk und Wissen, 1. Auflage, 2009, Berlin, S. 127, S. 128, S. 133, S