Bleitiegelprobe (Wassertropfenprobe)

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1 Reaktionsgleichungen Na 2 SiO CaF H 2 SO 4 SiF H 2 O + 2 CaSO 4 + Na 2 SO 4 SiF H 2 O H 2 SiO HF Zeitbedarf Vorbereitung: 20 min. Durchführung: 20 min. Nachbereitung: 10 min. Chemikalienliste Edukte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Schuleinsatz Calciumfluorid CaF 2 (s) 22-24/ S1 Natriumsilicat Na 2 SiO 3 (s) 36/37/ Xi S1 Schwefelsäure, konz. (w = 96 %) H 2 SO 4 (aq) C S1 Wasser (entsalzt) H 2 O (l) S1 Produkte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Schuleinsatz Siliciumtetrafluorid SiF 4 (g) T, C n. V. (LV) Siliciumdioxid SiO 2 (s) S1 Fluorwasserstoffgas HF (g) 26/27/ / /37-45 T +, C LV Kieselsäure H 2 SiO 3 (s) Xn n. V. Materialien und Geräte Magnetrührer, Kristallisierschale, Sand, Becherglas (100 ml), 2 Tropfpipetten, schwarze Pappe (3 x 5 cm), Bleitiegel mit Deckel (mit Loch), Spatel

2 Versuchsaufbau Abb. 1: Versuchsaufbau Durchführung Augenschutz Schutzhandschuhe Schutzkleidung Der Versuch muss in einem gut funktionierenden Abzug durchgeführt werden! Zuerst wird das Sandbad auf dem Magnetrührer platziert und dieser auf 250 C eingeschaltet. Anschließend wird in den Bleitiegel eine Spatelspitze der Probensubstanz (CaF 2 ) gegeben. Dann wird etwa die doppelte Menge an Natriumsilicat hinzu gegeben und das Gemisch mit so viel konzentrierter Schwefelsäure versetzt, dass es vollständig von ihr bedeckt ist. Der Tiegel wird nun mit einem Deckel, der in der Mitte ein kleines Loch besitzt, verschlossen und in das heiße Sandbad gestellt. Das Loch wird mit einem Stück schwarzer Pappe abgedeckt, welche zuvor in entsalztem Wasser getränkt wurde. Die Pappe muss während der Reaktion immer wieder mit Wasser befeuchtet werden. Nach 15 Minuten wird das Papier vom Bleitiegel genommen und umgekehrt auf den Tisch gelegt. Beobachtungen Auf der schwarzen Pappe hat sich an der Stelle der Deckelöffnung des Bleitiegels ein weißer Fleck bzw. ein weißer Pfropfen gebildet. Abb. 2: Weißer Fleck auf der Pappe

3 Entsorgung Die Pappe wird getrocknet und anschließend in die Feststofftonne entsorgt. Die Reste im Bleitiegel werden mit Wasser aufgeschlämmt und filtriert. Das Filtrat wird in den Ausguss und der Rückstand in die Feststofftonne entsorgt. Fachliche Analyse Die oben angegebenen Reaktionsgleichungen lassen sich in mehrere Reaktionen aufteilen, welche in dem Gemisch im Bleitiegel ablaufen. Zunächst wird das Natriumsilicat von der Schwefelsäure protoniert. Dabei entstehen Kieselsäure und Natriumsulfat. Die Kieselsäuremoleküle zersetzen sich dann zu Wasser und Siliciumdioxid: Na 2 SiO 3 + H 2 SO 4 H 2 SiO 3 + Na 2 SO 4 (1) H 2 SiO 3 H 2 O + SiO 2 (2) Gleichzeitig reagiert auch die Schwefelsäure mit Calciumfluorid und es bilden sich Calciumsulfat und Fluorwasserstoffgas (Flusssäure): CaF 2 + H 2 SO 4 CaSO HF (3) Letzteres tritt mit dem gebildeten Siliciumdioxid in Reaktion. Dabei bildet sich flüchtiges Siliciumtetrafluorid: 4 HF + SiO 2 SiF H 2 O (4) Das Siliciumtetrafluorid steigt in dem Bleitiegel auf und tritt durch die Öffnung im Deckel. Dort trifft es auf die schwarze Pappe, an welcher durch die andauernde Befeuchtung ein Wassertropfen hängt. In diesem Wassertropfen löst sich das Siliciumtetrafluorid, welches zu Siliciumdioxid und Fluorwasserstoffgas abreagiert. Dies entspricht der Rückreaktion von Gleichung (4): SiF H 2 O 4 HF + SiO 2 (5) Da nun der entstehende Fluorwasserstoff als Gas abzieht, liegt das Gleichgewicht stärker auf der rechten Seite, weswegen sich das Siliciumdioxid an der Pappe ansammelt. Es reagiert daraufhin mit dem Wasser weiter zu Kieselsäure (Rückreaktion der Gleichung (2)): H 2 O + SiO 2 H 2 SiO 3 (6) Da nach Gleichung (5) nun beständig Siliciumdioxid nachgeliefert wird, liegt auch hier das Gleichgewicht stärker auf der rechten Seite und die sich ansammelnde Kieselsäure bildet einen weißen Pfropfen. Fluor ist ein giftiges, farbloses Gas und das reaktivste aller Elemente. Es reagiert sogar noch als Feststoff bei -200 C explosionsartig mit Wasserstoff zum hochgiftigen und stark ätzenden Fluorwasserstoff. Ebenso entsteht Fluorwasserstoff bei allen Reaktionen mit wasserstoffhaltigen

4 Verbindungen. Fluorverbindungen besitzen heute ein weitreichendes Einsatzgebiet, z.b. in CF 4 und SF 6 als Dielektrikum, als Flussmittel bei der Stahl- und Aluminiumgewinnung, als Cytostatika bei der Behandlung von Krebstumoren, als Ätzmittel (z.b. für Metalle und Glas) und in chlorfreien, aber fluorierten Treibmitteln. Außerdem findet sich Fluorid im menschlichen Körper vor allem im Zahnschmelz, weswegen anorganische Fluoridverbindungen (Natriumfluorid) zur Kariesprophylaxe den Zahnpasten oder auch Trinkwasser zugesetzt werden. In Deutschland ist eine solche Fluoridierung von Trinkwasser allerdings verboten. Eine zu hohe Fluoridkonzentration kann negative Folgen haben, z.b. eine sogenannte Fluorose erzeugen. Dabei handelt es sich um eine Mineralisationsstörung der Zähne, welche in Form von kleinen weißen bis großen braunen Flecken auf den Zähnen auftritt. An diesen Stellen sind die Zähne dann nicht mehr so widerstandsfähig wie zuvor und anfälliger für Karies. 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 wird er zum Nachweis von Fluorid-Ionen eingesetzt, da dies z.b. mit der Halogenid-Ionenfällung nicht möglich ist. Alltagsbezüge lassen sich über die vielfältigen Einsatzgebiete der Fluoridverbindungen herstellen, welche oben erwähnt wurden. Alternativ kann Versuch H11 Kriechprobe zum Nachweis durchgeführt/vorgeführt werden. Aufwand Der zeitliche Aufwand für den Versuch ist etwas größer. Aber da bei der Durchführung 15 Minuten Wartezeit enthalten sind, kann währenddessen auf die Theorie und mögliche Reaktionsverläufe eingegangen werden. Der Chemikalien- und Materialienaufwand ist dagegen relativ gering. Es sollte aber vorher geprüft werden, ob ein Bleitiegel zur Verfügung steht. Ansonsten kann er für knapp 8 z.b. bei Neubert-Glas eingekauft werden [5]. Durchführung Der Versuch funktioniert sehr gut und der Kieselsäurepfropfen ist sehr gut zu sehen. Durchführbar ist der Versuch nur als Lehrerversuch, da die entstehenden Chemikalien Siliciumtetrafluorid und Fluorwasserstoffgas hochgiftig und ätzend und daher nach HessGISS nicht für Schülerversuche zugelassen sind. Deswegen muss auch unbedingt auf die Funktionstüchtigkeit des Abzugs geachtet werden. Bei dem Versuch kann auch direkt Siliciumdioxid anstelle von Natriumsilicat eingesetzt werden. Dabei reduzieren sich die Reaktionsgleichungen und die Theorie wird weniger kompliziert. Der Umweg über Natriumsilicat wurde hier nur genommen, da Siliciumdioxid nicht verfügbar war.

5 Fazit Ein guter Versuch zum qualitativen Nachweis von Fluoriden, mit einer relativ hohen Erfolgsgarantie. Der Effekt ist sehr gut zu sehen, aber die Produkte sind nicht für Schülerversuche freigegeben. Literaturangaben Versuchsquelle FIZ CHEMIE (Fachinformationszentrum Chemie GmbH): Encyclopedia - ChemgaPedia. Zu finden unter URL: vsc/de/ch/6/ac/versuche/anionen/fluorid/nachweis.vscml.html. Letzter Zugriff am Sekundärliteratur [1] Jander, G.; Blasius, E.: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. Seiten 148, 477f. Stuttgart: S. Hirzel Verlag [2] FBZ-online GbR. Zu finden unter URL: Letzter Zugriff am [3] Fluck, E.; Mahr, C.: Anorganisches Grundpraktikum. Seite 158f (V131 & V132). 6. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH [4] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan Chemie Gymnasialer Bildungsgang Jahrgangsstufen 7G bis 12G Zu finden unter URL: Letzter Zugriff am [5] Neubert-Glas e.k. Zu finden unter URL: melztiegel-bleitiegel.html. Letzter Zugriff am [6] Unfallkasse Hessen; Hessisches Kultusministerium: Hessisches Gefahrstoffinformationssystem Schule - HessGISS. Version /2009.