Chemie im Alltag Online-Projekt-Labor (Wintersemester 2015/2016)

Transkript

1 Chemie im Alltag Online-Projekt-Labor (Wintersemester 2015/2016) Versuchsprotokoll zum Versuch 1

2 Inhaltsverzeichnis 1. Aufgabenstellung Theoretische Grundlagen Beschreibung der Apparatur (Skizze) und der Versuchsdurchführung Protokoll der Messwerte Auswertung der Messergebnisse Fehlerbetrachtung und Fehlerrechnung Zusammenfassung der Ergebnisse

3 1. Aufgabenstellung Es wird versucht Phosphat im menschlichen Urin nachzuweisen. Desweiteren wird die Brand`sche Phosphorbestimmung an menschlichem Urin erprobt. 2. Theoretische Grundlagen Von Hennig Brand im Jahr 1669 als Inhaltsstoff des Urins nachgewiesen und als phosphorus ( Lichtträger ) bezeichnet, ist Phosphor das erste, auf einen Entdecker zurückführbare Element. Phosphor wird in vier wesentliche, unterschiedliche Allotrope unterschieden: Das kinetisch stabilste Allotrop bildet P4-Tetraeder, entzündet sich bei 320K an der Luft selbst, und ist unter dem Namen weißer/gelber Phosphor bekannt. Weißer Phosphor ist als einzige Phosphormodifikation giftig. Aus jenem weißen Phosphor lässt sich unter Luftabschluss bei 530K roter Phosphor gewinnen, welcher einer amorphen Modifikation entspricht. Roter Phosphor reagiert schon bei geringer Energiezufuhr schlagartig mit Luft. Beim Erhitzen des roten Phosphors zu 820K um weitere 10 Tage bildet sich violetter (Hittorf`scher) Phosphor. Jener Phosphor besitzt ein P2-P8-P2-P9-P2 System, welches über ein Atom im P9 System zu einem anderen Atom im P9 System mit anderen Molekülen des violetten Phosphors verbunden ist. Wird weißer Phophor einem Druck von 12 bar ausgesetzt, bildet sich die thermodynamisch stabilste Modifikation des Phosphors. Hierbei handelt es sich um den schwarzen Phosphor, welcher aus aus einer gewellten P6-Waben Struktur besteht. Schwarzer Phospor besitzt als einzige Phosphormodifikation Halbleitereigenschaften. Phosphor kommt hauptsächlich in Form von Phosphaten in der Natur vor. Aus Phosphatminen werden Phosphate hauptsächlich in Form von Mineralien wie Phosphorite oder Apatite abgebaut und gewonnen. Phosphaterze bestehen zu 22% aus Phosphaten. Im Gegensatz zu anderen, überlebenswichtingen Elementen wie Stickstoff oder Sauerstoff ist Phosphor nicht aus athmosphärischer Luft zu gewinnen. Hauptproduzenten für Phosphate stellen die USA, China und Marokko dar. Phosphate finden primär in der Lebens- und Waschmittelindustrie, sowie in der Ernährung oder als Anteil von Düngern ihren Platz. Im menschlichen Organismus, genauer in Zähnen und Knochen als Apatit (Ca5(PO4)3F,OH) und als Energiespeicher in Form von ADP und ATP (Adenosindiphoshat und triphosphat), sind sie anzutreffen, daraus ergibt sich eine notwendige Relevanz für den Organismus. Da sich die Phosphorressourcen auf die Düngerproduktion und folglich auf die Nahrungsproduktion auswirken, hängt die Weltpopulation von einer optimalen Phosphornutzung ab. Schätzungsweise ist weltweit die Förderung von 71 Millarden Tonnen von Phosphaterzen in Form von Phosphoritreserven wirtschaftlich tragbar, wovon (Stand: 2012) jährlich 0,19 Millarden Tonnen für 7,052 Mrd. Menschen abgebaut werden. Aus diesem 3

4 Grund ist es wichtig Phosphate zu recyclen und ggf. weißen Phosphor herzustellen. Bei dem qualitativen Versuch zur Darstellung von weißem Phosphor wurde die Methode nach Hennig Brand (siehe Kapitel 5.1) durchgeführt. Der Nachweis des Phosphats wurde mittels Ammoniummolybdat (siehe Kapitel 5.2) durchgeführt. Weitere Details zur Durchführung sind auch auf unserem Blog, in unserer Präsentation und unserem Video zu finden. Zusätzlich haben wir abgeschätzt, zu welchem Prozentsatz sich der Weltbedarf an Phosphaten durch die Rückgewinnung aus dem Urin von Menschen und der Tierzucht von Schweinen und Rindern decken ließe. Des Weiteren wurde die hypothetische Bevölkerungsentwicklung bis zum Jahr 2100 abgeschätzt und mit dessen jährlichen, hypothetischen Phosphaterzabbau gleich gesetzt. Daraus ergibt sich zum hypothetischen Verbrauch von Phosphaten bis zum Jahr 2100 eine Datenreihe die einen relativen Einblick in den Verlauf der Phosphaterzressourcen erlaubt. 3. Beschreibung der Apparatur (Skizze) und der Versuchsdurchführung 3.1 Nachweis: Phosphat 500 ml Urin in einem Becherglas wurden mit einer Fe(III)Cl3-Lösung titriert, bis kein weiterer weißer Niederschlag entsteht. Das entstehende Gemisch wird filtriert und mit entmineralisiertem Wasser gewaschen um den Niederschlag von der Lösung zu isolieren. Der Niederschlag wird mit Hilfe von Aceton unter einem Abzug in einer Porzellanschale verbrannt und anschließend in entmineralisiertem Wasser gelöst. Die entstandene Lösung wurde mit Ammoniummolybdat versetzt Versuch zur Phosphorgewinnung Folgender Aufbau ist unter einem Aufzug errichtet: Ein Erlenmeyerkolben ist mit entmineralisierem Wasser gefüllt und befindet sich in einem Styroporbehältnis, welches mit Eiswasser und Trockeneis gekühlt ist. In den Erlenmeyerkolben ragt ein Schlauch, welcher über eine Verbindungseinheit mit einem Rundkolben verbunden ist. Der Rundkolben enthält ein Urin-Graphit-Sand-Gemisch und befindet sich auf einem Heizpilz, welcher auf maximaler Hitzeeinstellung seine Anwendung findet. Als Inertgas findet CO2 seine Anwendung Versuch zur Phosphorgewinnung Folgender Aufbau ist unter einem Aufzug errichtet: 4

5 Ein Erlenmeyerkolben ist mit entmineralisierem Wasser gefüllt und befindet sich in einem Styroporbehältnis, welches mit Eiswasser gekühlt ist. In den Erlenmeyerkolben ragt ein Schlauch, welcher über eine Verbindungseinheit mit einem Rundkolben verbunden ist. Der Rundkolben enthält ein Gemisch aus Natriumphosphat, Quarz und Graphit, welches unter offener Flamme von einem Gasbrenner erhitzt wurde. Als Inertgas findet N2 seine Anwendung. 4. Protokoll der Werte Rind Schwein Mensch Anzahl der Spezies (2016) Ausscheidung an Urin pro 13,2 l/d 4,151 l/d 2 l/d Tag Ausscheidung an Urin pro 4818 l/a 1515, l/d Jahr l/a Gehalt an Phosphat im Urin 1,4 g/l 1,4 g/l 1,4 g/l 5. Auswertung der Messergebnisse 5.1 Nachweis Phosphor Phosphor konnte weder im ersten, noch im zweiten Anlauf eindeuting quantitativ nachgewiesen werden. Wäre bei einem der Versuche die Temperatur von 1800K erreicht worden, wäre es zur Initiierung von folgenden Reaktionen gekommen: 2Na3PO4 + C + SiO2 CO + 3Na2SiO3 + 2P 4P + 3O2 P4O6 P4O6 + 2O2 P4O10 + h*υ In diesem Fall wäre es zur Bildung eines weißlichen Niederschlags in dem Erlenmeyerkolben gekommen, welcher auf Grund von Phosphoreszenz im Dunkeln geleuchtet hätte. Dieser Fall ist nicht eindeutig eingetreten. Einerseits ergab sich eine Trübung des entmineralisierten Wassers im Erlenmeyerkolben, andererseits war in dem Graphitrückstand im Rundkolben ein weißlicher Schimmer zu erkennen. 5

6 5.2 Nachweis Phosphate Der Niederschlag wurde verbrannt um die ausgefallenen organischen Komponenten, wie Proteine etc., zu entfernen. Phosphate wurden mit Hilfe von Ammoniummolybdat nachgewiesen. Ein Ammoniummolybdophosphat-Komplex entsteht. Dabei färbte sich die Lösung gelbgrün. HPO4 2- (aq) +23H + (aq)+ 3NH4 + (aq)+12moo4 2- (aq) (NH4)3[P(Mo3O10)4](aq) + 12 H2O Ein Ammoniummolybdophosphat-Komplex entsteht. 5.3 Rechnung: Phosphorrecycling Rind Schwein Mensch Anzahl der Spezies (2016) Ausscheidung an Urin pro 13,2 l/d 4,151 l/d 2 l/d Tag Ausscheidung an Urin pro 4818 l/a 1515, l/d Jahr l/a Gehalt an Phosphat im Urin 1,4 g/l 1,4 g/l 1,4 g/l Tonnen Phosphat pro Jahr 6, t 2, t 7, t Massenanteil der 15,57% 4,95% 18,05% Phosphatproduktion (Stand 2016) Der Anteil an Phosphaten in Phosphaterzen enspricht 22%. Bei 190 Mio. Tonnen von abgebauten Phosphaterzen entspräche die Masse von Phosphaten 41,8 Mio. Tonnen. Um einen Teil des Phosphats zurückzugewinnen ist Recycling notwendig. Berechnet man für die oben genannten Wert die mögliche jährliche Phosphatrückgewinnung für die Säuger: Rind, Schwein und Mensch ergibt sich, dass alle Menschen jährlich 7,54 Mio. Tonnen, alle Rinder jährlich 6,51 Mio. Tonnen und alle Scheine jährlich 2,07 Mio. Tonnen Phosphate ausscheiden. Dies entspräche einer Gesamtphosphatmasse von 16,13 Mio. Tonnen jährlich (38,59%). Bsp. : Rind ,2 l/d 1,4 g/l 365 d = 6, g = 6, t 6

7 Jährliche Phosphatgewinnung 61,41 38,59 4,95 15,57 18,04 Aus Erzen gewonnene Phosphate Rinder Schweine Menschen 6. Fehlerbetrachtung 6.1 Fehler: Phosphor Eine Temperatur von 1800K konnte mit Hilfe eines Heizpilzes nicht erreicht werden. Der Gasbrenner hingegen konnte die genannte Temperatur erreichen. Aufgrund der Abschirmung des Rundkolbens wird allerdings nur eine Temperatur von 800K innerhalb des Kolbens erreicht. Aus diesem Grund war das gewünschte Resultat nur schwer zu erziehlen. Erschwerend hinzu kommt, dass sich CO2 auf Grund des Boudouard-Gleichgewichtes nicht als Inertgas eignet, da bei höheren Temperaturen CO als Nebenprodukt entsteht (Le Chatelier). (Boudouard-Gleichgewicht: CO2 + C 2CO R H = 172,5 6.2 Fehler: Phosphate kj mol ) Durch die Rückstände des verbrannten Niederschlags finden Rußpartikel den Weg in die nachzuweisende Lösung. Die resultierende Trübung der Lösung kann die Interpretation, des Ergebnisses verfälschen. 7. Zusammenfassung der Ergebnisse Es war möglich Phosphate im Urin quantitativ nachzuweisen, elementaren Phosphor aus Urin herzustellen ist jedoch nicht geglückt. Bei maximalem Recycling des Urins von Mensch, Rind 7

8 und Schwein zu Phosphaten wäre im Jahr 2016 eine Reproduktion von 38,59% des abgebauten Phosphats möglich gewesen. Es wäre ein wichtiger Schritt für die Menschheit, da nach Prognosen (siehe Anhang) der Mensch bis zum Jahr 2100 bis zu 40% seiner Phosphaterze einbüßen könnte. Rind Schwein Mensch Anzahl der Spezies (2016) Ausscheidung an Urin pro 13,2 l/d 4,151 l/d 2 l/d Tag Ausscheidung an Urin pro 4818 l/a 1515, l/d Jahr l/a Gehalt an Phosphat im Urin 1,4 g/l 1,4 g/l 1,4 g/l Tonnen Phosphat pro Jahr 6, t 2, t 7, t Massenanteil der 15,57% 4,95% 18,05% Phosphatproduktion (Stand 2016) 8.Quelle [1]Peter W. Atkins, Physikalische Chemie, deutsche 1. Auflage, 1990, VCH Verlagsgesellschaft mbh, Seite 860 [2]Gemeindeverband Sempachersee: Das Element Phosphor: lebensnotwendig, giftig, vielseitig, , S [3] Peak Phospor, [4] Phosphate,

9 9. Anhang Aufbau und Prognose Aufbau Nachweis: Phosphat 9

10 Aufbau 1. Nachweis: Phosphor Aufbau 2. Nachweis: Phosphor 10

11 Prognose: Phosphaterzabbau bis zum Jahr 2100 Geht man davon aus, dass die jährliche Gesamtbevölkerung direkt proportional zum Phosphatabbau ist folgendes zu beobachten: Berechnet man den jährlichen Bevölkerungszuwachs ergibt sich ein kontinuierliches Wachstum von 1,0862% für jedes Jahr. Bsp.: ( ) 100 = 0, Wendet man diese Annahme auch für den jährlichen Phosphorverbrauch an ergibt, dass die wirtschaftlich ertragbaren Phosphaterzressourcen von 71 Mrd. Tonnen sich bis zum Jahr 2100 auf 60,55% reduziert haben werden (Tabelle: siehe Zusammenfassung der Ergebnisse). Betrachtet man, dass bei höherer Bevölkerungszahl mehr Dünger auf weniger Land gesäht wird, ist es möglich, dass eine höhere Abnahme der Phosphatressourcen von statten geht. Fehler Die Rechnung ist vage, da viele Annahmen gemacht werden, die sich in der Vergangenheit bewahrheitet haben, jedoch nicht in der Zukunft wahr sein müssen. Ungenauigkeiten können z.b. in der Proportionalität von Bevölkerungszahl und Phosphatabbau, oder im Bevölkerungswachstum liegen. 11

12 Bevölkerung ( nach UN) Jahr Phosphatabbau in Tonnen Phosphorressourcen in Tonnen

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