Sublimation & Resublimation

Transkript

1 Reaktionsgleichung I 2 (s) I2 (g) I 2 (s) Zeitbedarf Vorbereitung: 15 min. Durchführung: 7 Std. Nachbereitung: 20 min. Chemikalienliste Edukte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbole Schuleinsatz Iod I 2 (s) 20/ Xn, N S1 Natriumthiosulfat- Lösung (ges.) Na 2 S 2 O 3 (aq) S1 Eiswasser H 2 O (l) S1 Gefahrensymbole Materialien und Geräte Magnetrührer mit Rührfisch, Gewindestange, Doppelmuffe, Stativklemme, Becherglas (500 ml), Demoreagenzglas mit durchbohrtem Stopfen, Reagenzglas, Spatel Versuchsaufbau Abb. 1: Versuchsaufbau

2 Durchführung Augenschutz Schutzhandschuhe Schutzkleidung Vor Beginn des Versuches wird das Becherglas mit Wasser gefüllt und auf dem Magnetrührer unter Rühren auf etwa 50 C erwärmt. Das Demoreagenzglas wird in die Stativklemme eingespannt und mit etwa 3 Spatelspitzen Iod gefüllt. Anschließend wird es mit dem Stopfen verschlossen, in dessen Loch ein normales Reagenzglas steckt. Dieses wird mit Eiswasser gefüllt. Nun wird das Demoreagenzglas so weit in das warme Wasserbad abgesenkt, dass sich der Reagenzglasboden und somit das Iod unterhalb des Wasserspiegels befinden. Beobachtungen Auf dem normalen Reagenzglas sind nach 30 Minuten erste kleine, schwarze Punkte zu erkennen, welche mit der Zeit immer größer werden und an der Spitze des Reagenzglases Kristalle bilden. Diese entstehen später auch an der Innenwand des Demoreagenzglases. Nach 7 Stunden sind sie sehr gut zu sehen. Die Gasphase im Demoreagenzglas färbt sich während der Durchführung blass violett. Das Iod im Demoreagenzglas scheint sich nicht zu verändern. Abb. 2: Erste Punkte am Reagenzglas Abb. 3: Fortgeschrittene Reaktion mit Färbung der Gasphase Abb. 4: Reaktionsprodukte Entsorgung Die Reagenzgläser werden in eine gesättigte Natriumthiosulfat-Lösung eingelegt, bis sich das Iod vollständig gelöst hat. Anschließend wird die Lösung im Ausguss entsorgt. Die Reagenzgläser werden gespült und können wieder verwendet werden.

3 Fachliche Analyse Im Versuch färbt sich der Gasraum im großen Reagenzglas violett. Dabei handelt es sich um Iod- Dampf, der sich im Reagenzglas ausbreitet. Allerdings fällt auf, dass das Iod nicht schmilzt und dann verdampft, sondern direkt aus dem festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Diese Änderung des Aggregatzustandes, von fest zu gasförmig mit Überspringen des flüssigen Zustandes, wird Sublimation genannt. An der Außenseite des kleinen Reagenzglases bilden sich dann kleine, dunkle Iod-Kristalle, ohne dass Iod-Tropfen zu sehen wären. Die Kristalle entstehen direkt aus der Gasphase, d.h. der Zustandswechsel von gasförmig zu fest überspringt auch hier die flüssige Phase. Es handelt sich dann um eine Resublimation. Nun ist es aber nicht so, dass Iod keinen Schmelzpunkt besäße. Dieser liegt bei 113,6 C, sein Siedepunkt erst bei 185,24 C. Bei der Erwärmung im Wasserbad wird noch nicht einmal die Schmelztemperatur von Iod erreicht, aber trotzdem bildet es violette Dämpfe, auch bereits bei Zimmertemperatur. Bei Erhöhung der Temperatur nimmt die Verflüchtigung weiter zu. Um dies besser zu verstehen, kann man ein Phasendiagramm zu Hilfe nehmen. Abb. 5: Allgemeine Darstellung eines [1, Seite 174] Phasendiagramms Ein Phasendiagramm ist eine Darstellung für die Druck- und Temperaturbereiche, in welchen die Phasen eines Stoffes thermodynamisch stabil sind. Diese Bereiche werden durch die Phasengrenzlinien getrennt. Die Linien stellen Wertepaare von Druck und Temperatur dar, bei denen die beiden Phasen im Gleichgewicht vorliegen. Bei bestimmten Werten können alle drei Phasen eines Stoffes gleichzeitig existieren; dies ist der Tripelpunkt. In Abb. 5 ist zu erkennen, dass die flüssige Phase erst ab dem Tripelpunkt in Richtung steigender Temperatur bzw. steigendem Druck existent ist. Somit lässt sich für die Sublimation und die Resublimation eine neue Definition fassen: Wenn eine Substanz unterhalb ihres Tripelpunktes verdampft, so geht sie von der festen direkt in die gasförmige Phase über, sie sublimiert. Unter den gleichen Bedingungen kann der Dampf wieder in die feste Phase übergehen, wobei er resublimiert. Für Iod liegt die Temperatur des Tripelpunktes (T 3 ) bei 113,6 C und entspricht damit der Schmelztemperatur. Somit kann Iod nur sublimieren, wenn es nicht bis auf seine Schmelztemperatur erhitzt wird. Oberhalb dieser Temperatur verdampft es. Im Versuch wird es aber nur auf ca. 50 C erhitzt, somit liegt eindeutig eine Sublimation vor.

4 Methodisch didaktische Analyse Einordnung Nach dem hessischen Lehrplan G8 ist der Versuch in die Stufe 8G.2 im Thema Ordnung in der Vielfalt, Atombau und Periodensystem in das Unterthema 2.5 Halogene einzuordnen. Hier zeigt er die besondere Eigenschaft der Sublimation, die unter den Halogenen nur beim Iod beobachtet werden kann. Die Schüler sollten dazu mit den Übergängen zwischen den Aggregatzuständen vertraut sein. Sehr gut passt der Versuch auch bereits in die Stufe 7G.1 in das Thema 1.2 Aggregatzustände und ihre Übergänge. Hier lernen die Schüler die Begriffe Schmelzen, Erstarren, Kondensieren, Sublimieren und Resublimieren kennen und können diese Vorgänge dann im Versuch beobachten und zuordnen. Einen Bezug zum Alltag stellt der Versuch eher nicht dar, dafür aber die Theorie zur Sublimation und Resublimation (z.b. Eisblumen an Fenstern). In der Versuchsquelle sind darüber hinaus weitere alternative Experimente zur Sublimation und Resublimation von Iod zu finden. Aufwand Der Chemikalien- und Materialienaufwand ist relativ gering. Dafür ist aber der zeitliche Aufwand umso größer. Zwar sind schon nach knapp 30 Minuten erste schwarze Punkte am inneren Reagenzglas zu erkennen, bis man schöne große Kristalle erhält, vergehen aber ein paar Stunden. Durchführung Der Versuch funktioniert, nimmt aber bis zum Erreichen sinnvoller, gut sichtbarer Effekte viel Zeit in Anspruch. Als Schülerversuch ist er nicht zu empfehlen. Zum einen aufgrund des erwähnten zeitlichen Aufwands und zum anderen aufgrund der Tatsache, dass die Reagenzgläser unbedingt dicht verschlossen sein müssen, damit keine gesundheitsschädlichen Iod-Dämpfe austreten (dies müsste die Lehrperson dann bei jedem Aufbau genau überprüfen). Fazit Ein anschaulicher, aber zeitaufwendiger Versuch zur Demonstration der Sublimation und Resublimation. Aber wenn die Zeit vorhanden ist, bilden sich schöne Iod-Kristalle und die Phasenübergänge scheinen tatsächlich beobachtbar.

5 Literaturangaben Versuchsquelle Friese, B.: Sublimation von Iod - ne olle Kamelle?. In: Naturwissenschaften im Unterricht - Chemie. Nr. 36. Seite 9-13 (V3). Seelze: Friedrich Verlag Sekundärliteratur [1] Atkins, P. W.: Physikalische Chemie. Seite 174ff. Dritte, korrigierte Auflage. Weinheim: Wiley-VCH [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. 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter [5] Mortimer, C. E.: Chemie Das Basiswissen der Chemie. Seite 177ff. 7., korrigierte Auflage. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag [6] Unfallkasse Hessen; Hessisches Kultusministerium: Hessisches Gefahrstoffinformationssystem Schule - HessGISS. Version /2009.