Identifizierung der Produkte der Reaktion "Alkalimetalle + Wasser"

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1 Identifizierung der Produkte der Reaktion "Alkalimetalle + Wasser" a) Identifizierung des entstehenden Gases: Chemikalien: Geräte: Lithium [C] [F], Natrium [C] [F] (jeweils in Benzin mit Siedebereich C aufbewahrt) Leitungswasser 100ml-Standzylinder mit Abdeckplatten, Kristallisierschale (Durchmesser ca. 20cm), Küchenpapier, Messer, Pinzette, (umgebauter) Drahtsieb-Löffel (kein Korb!!!!), Gasbrenner, Holzspan Versuchsdurchführung: Alkalimetalle nicht mit den Fingern anfassen!!!! Je ein 100ml-Standzylinder wird vollständig mit Leitungswasser gefüllt und mit einer Abdeckplatte dicht verschlossen umgedreht in eine Kristallisierschale gestellt, die etwa zur Hälfte mit Leitungswasser gefüllt ist. Dann wird die Abdeckplatte entfernt, ohne dass Luft in den Standzylinder dringt. Nach jeweils gründlichem Abtrocknen der Alkalimetallstücke mit Küchenpapier wird ein längliches Stück abgeschnitten, dessen Volumen etwa dem von 2 Linsen entspricht. Das längliche Lithium-Stück wird mit der Pinzette schnell unter den Standzylinder gebracht. Wenn die Gasentwicklung beendet ist, wird der Standzylinder unter Wasser wieder mit der Abdeckplatte dicht verschlossen, herausgenommen und mit der Öffnung nach oben hingestellt. Man entzündet einen Holzspan und hält ihn brennend an die Öffnung des Standzylinders, von dem erst jetzt die Abdeckplatte entfernt wird.. Das längliche Natrium-Stück wird mit der Pinzette so in den Drahtsieb-Löffel gedrückt, dass es fest am Sieb hängen bleibt. Das Sieb wird dann mit der Wölbung nach oben schnell unter den Standzylinder gebracht und am Boden gehalten. Wenn die Gasentwicklung beendet ist, wird das Sieb entfernt. Der Standzylinder wird unter Wasser wieder mit der Abdeckplatte dicht verschlossen, herausgenommen und mit der Öffnung nach oben hingestellt. Man entzündet einen Holzspan und hält ihn brennend an die Öffnung des Standzylinders, von dem erst jetzt die Abdeckplatte entfernt wird.. Zeichnungen:

2 Beobachtungen: Es bilden sich viele Bläschen am Lithium- Stück. Der Wasserspiegel sinkt. Das Wasser im Standzylinder wird trübe. Das Gas verbrennt sehr schnell mit leichtem Knall und roter Flamme. Das längliche Stück wird in Wasser sofort zu einer Kugel. Das Gas entweicht nicht durch die Sieb-Maschen, sondern jeweils in einer großen Blase unten aus dem Sieb. Das Wasser im Standzylinder wird trübe. Das Gas verbrennt sehr schnell mit leichtem Knall und gelber Flamme. Auswertung (= Mögliche Erklärung der Beobachtungen): Das bei Kontakt von Lithium mit Wasser entstehende Gas sammelt sich oberhalb der Flüssigkeit und drückt diese daher nach unten. Bei Leitungswasser statt dest. Wasser entsteht ein schwerlöslicher Feststoff. Das Gas entweicht beim Öffnen des Gefäßes wegen seiner geringen Dichte sehr schnell und vermischt sich dabei mit etwas (Luft-)Sauerstoff, so dass ein schwach explosives Gemisch gezündet wird. Dabei werden geringe Mengen der in Wasser gelösten Lithium-Verbindung mitgerissen, die die ansonsten kaum sichtbare Flamme des brennenden Gases rot färben. Das bei der exothermen Reaktion von Natrium mit Wasser entstehende Gas sammelt sich oberhalb der Flüssigkeit und drückt diese im Sieb nach unten. Die Oberflächenspannung des Wassers an der Grenze zum Sieb verhindert dabei ein Entweichen des Gases durch die Maschen. Bei Leitungswasser statt dest. Wasser entsteht ein schwerlöslicher Feststoff. Das Gas entweicht beim Öffnen des Gefäßes wegen seiner geringen Dichte sehr schnell und vermischt sich dabei mit etwas (Luft-)Sauerstoff, so dass ein schwach explosives Gemisch gezündet wird. Dabei werden geringe Mengen der in Wasser gelösten Natrium-Verbindung mitgerissen, die die ansonsten kaum sichtbare Flamme des brennenden Gases gelb färben. Zusammenfassendes Ergebnis: Bei der chemischen Reaktion von Lithium bzw. Natrium mit Wasser entsteht Wasserstoff: Lithium + Wasser Wasserstoff +???? grauschwarzer Feststoff farblose Flüssigkeit farbloses Gas weißer Feststoff brennbar im Gemisch mit Lösung reagiert basisch Da hierbei das Wasser(stoffoxid) zu Wasserstoff reduziert wird, muss es sich um eine Redoxreaktion handeln, bei der gleichzeitig das sehr unedle Metall Lithium oxidiert wird: Wasserstoffoxid + Lithium Wasserstoff + (Lithiumoxid?) Reduktionsmittel: Stoff, der die Reduktion eines anderen Stoffes bewirkt (hier: Lithium) Oxidationsmittel: Stoff, der die Oxidation eines anderen Stoffes bewirkt (hier: Wasserstoffoxid)

3 Natrium + Wasser Wasserstoff +???? grauweißer Feststoff farblose Flüssigkeit farbloses Gas weißer Feststoff brennbar im Gemisch mit Lösung reagiert basisch Da hierbei das Wasser(stoffoxid) zu Wasserstoff reduziert wird, muss es sich um eine Redoxreaktion handeln, bei der gleichzeitig das noch unedlere Metall Natrium oxidiert wird: Wasserstoffoxid + Natrium Wasserstoff + (Natriumoxid?) Reduktionsmittel: Stoff, der die Reduktion eines anderen Stoffes bewirkt (hier: Natrium) Oxidationsmittel: Stoff, der die Oxidation eines anderen Stoffes bewirkt (hier: Wasserstoffoxid) In Wirklichkeit verläuft die chemische Reaktion von Wasser(stoffoxid) mit Lithium unter Bildung der Lithium-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung Lithium-hydrogenium-oxygeniumid = Lithiumhydroxid, die ist und deren Lösung basisch reagiert bzw. mit Natrium unter Bildung der Natrium-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung Natrium-hydrogeniumoxygeniumid = Natriumhydroxid, die ist und deren Lösung basisch reagiert ("Natronlauge"). Die bei der Verwendung von Leitungswasser anstelle von dest. Wasser entstehende Trübung hängt damit zusammen, dass die im Leitungswasser gelösten Mineralstoffe Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonat durch die basische Reaktion der Lösung nach Zugabe von Lithium bzw. Natrium auf Wasser umgewandelt werden zu den schwer löslichen Stoffen Calciumcarbonat ("Kalk[-Stein]") und Magnesiumcarbonat. Auch das nochmals unedlere Metall Kalium reagiert mit Wasser in einer chemischen Reaktion, die so stark exotherm ist, dass das entstehende Gas Wasserstoff im Gegensatz zu Lithium und Natrium sofort entzündet wird. Durch mitgerissene kleine Mengen der gleichzeitig entstehenden Kalium-Verbindung wird die Flamme des brennenden Gases violett gefärbt. Da auch hier das Wasser(stoffoxid) zu Wasserstoff reduziert wird, muss es sich wieder um eine Redoxreaktion handeln, bei der gleichzeitig das nochmals unedlere Metall Kalium oxidiert wird: Wasserstoffoxid + Kalium Wasserstoff + Kaliumhydroxid Reduktionsmittel: Oxidationsmittel: Stoff, der die Reduktion eines anderen Stoffes bewirkt (hier: Kalium) Stoff, der die Oxidation eines anderen Stoffes bewirkt (hier: Wasserstoffoxid) In Wirklichkeit verläuft auch hier die Oxidation von Kalium nicht bis zum Kaliumoxid, sondern nur bis zu der Kalium-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung Kalium-hydrogenium-oxygeniumid = Kaliumhydroxid, die ist und deren Lösung basisch reagiert ("Kalilauge"). Insgesamt nimmt also die Reaktionsfähigkeit der unedlen Alkalimetalle von Lithium über Natrium zu Kalium gegenüber Wasser ähnlich wie gegenüber Sauerstoff zu. Je nach Konzentration der wässrigen Lösungen von Lithium-, Natrium- und Kaliumhydroxid gelten folgende Gefahrstoffsymbole: Konzentration (LiOH(aq) oder NaOH(aq) oder KOH(aq)) > 5%: [C] Konzentration (LiOH(aq) oder NaOH(aq) oder KOH(aq)) 1-5%: [X i ] Konzentration (LiOH(aq) oder NaOH(aq) oder KOH(aq)) < 1%: kein Gefahrstoffsymbol

4 b) Herstellung, Identifizierung und Chemikalien: Geräte: Natrium [C] [F] (in Benzin mit Siedebereich C aufbewahrt), dest. Wasser, Indikatorpapier Natriumhydroxid [C], Zink-Pulver oder Eisen-Pulver 2 passende Uhrgläser, Filterpapier, Küchenpapier, Messer, Pinzette, OHP-Projektor Reagenzglas, Reagenzglasklammer, Gasbrenner, Holzspan Uhrglas, Waage Versuchsdurchführung: Alkalimetalle nicht mit den Fingern anfassen!!!! Auf ein Uhrglas wird ein tropfnasses Filterpapier gelegt. Nach gründlichem Abtrocknen des Natrium- Stücks mit Küchenpapier wird ein längliches Stück abgeschnitten, dessen Volumen etwa dem von 2 Linsen entspricht. Man nimmt das zweite Uhrglas mit der Wölbung nach oben zur Hand und gibt das Natrium-Stückchen auf das Filterpapier. Sofort (!!!!) nachdem die entstandene Flamme erloschen ist, wird das erste Uhrglas mit dem zweiten abgedeckt. Dann wird das zweite Uhrglas mit der Wölbung nach unten auf den OHP-Projektor gestellt, etwa ½fingerbreit dest. Wasser zugegeben und nach 1-2min ein Stück Indikatorpapier eingetaucht. Identifizierung von Natriumhydroxid: Etwa ½fingerbreit festes Natriumhydroxid wird im Reagenzglas mit einer gehäuften Spatelspitze Zink- Pulver oder Eisen-Pulver versetzt und bis zur deutlichen Gasentwicklung erhitzt. Dann wird mehrfach an bzw. in die Öffnung des Reagenzglases ein brennender Holzspan gehalten. 4 Körnchen Natriumhydroxid werden auf ein trockenes Uhrglas gegeben und auf der Waage stehen gelassen, die sofort und nach 4-8min abgelesen wird. Nach ca min erfolgt die dritte Ablesung, dann wird das Uhrglas leicht schräg gehalten und das Verhalten der Körnchen beschrieben. Zeichnungen:

5 Beobachtungen: Das längliche Stück Natrium wird bei Kontakt mit dem tropfnassen Filterpapier sofort zu einer Kugel, die kurz darauf unter Rauchbildung mit gelber Flamme brennt. Direkt nach dem Erlöschen der Flamme wird die noch rotglühende Kugel glasartig und zerplatzt kurz darauf. Die Spritzer auf dem Uhrglas sind z.t. weiß und fest. Sie "verschwinden" nach Zugabe von Wasser unter "Schlieren-Bildung". Indikatorpapier wird dunkelblau. Identifizierung von Natriumhydroxid Nach längerem Erhitzen wird das Gemisch flüssig und das Brodeln stärker. Der brennende Holzspan entzündet das Gas, z.t. mit pfeifendem Geräusch. Innerhalb des Reagenzglases ist eine gelbe Flammenzone zu erkennen. Die zunächst auf dem Uhrglas freibeweglichen Körnchen werden zunehmend schwerer und feuchter, so dass sie schließlich aneinander und am Uhrglas "kleben". Indikatorpapier wird dunkelblau gefärbt. Auswertung (= Mögliche Erklärung der Beobachtungen): Wegen der exothermen chemischen Reaktion zwischen Natrium und Wasser schmilzt das Natrium sofort. Da sich die Kugel auf dem Papier nicht frei bewegen kann, kann sich die frei werdende Wärme-Energie nicht verteilen, so dass die Entzündungs-Temperatur von Wasserstoff überschritten wird, der als Gas mit einer Flamme brennt, die durch mitgerissene Stückchen Natriumhydroxid gelb gefärbt wird. Aufgrund der hohen Reaktionswärme bleibt der eigentlich weiße Feststoff Natriumhydroxid zunächst in Kugelform glasartig geschmolzen (SmT 318 C). Kommt die Kugel in Kontakt mit dem kalten Wasser, so zerspringt sie (wie ein geschmolzener Glastropfen in Wasser). Natriumhydroxid ist. Eine konzentrierte Lösung reagiert stark basisch. Identifizierung von Natriumhydroxid Wenn Natriumhydroxid geschmolzen ist, wird die chemische Reaktion zwischen Natriumhydroxid und Zink (bzw. Eisen) stärker, bei der Wasserstoff als brennbares, im Gemisch mit es Gas entsteht, dessen Flamme durch mitgerissene Natriumhydroxid-Stückchen gelb gefärbt wird. Natriumhydroxid ist "hygroskopisch", d.h. es zieht Luft-Feuchtigkeit an. Daher bildet sich an den Körnchen eine konzentrierte, hochviskose Lösung, wodurch die Körnchen aneinander bzw. am Glas haften können. Eine konzentrierte Lösung von Natriumhydroxid in Wasser reagiert stark basisch. Zusammenfassendes Ergebnis: Aus Natrium und Wasser entsteht in einer exothermen chemischen Reaktion Wasserstoff und Natriumhydroxid: Natrium + Wasser Wasserstoff + Natriumhydroxid grauweißer Feststoff farblose Flüssigkeit farbloses Gas weißer Feststoff brennbar SmT 318 C im Gemisch mit hygroskopisch Lösung reagiert basisch Bei der chemischen Reaktion von Natriumhydroxid mit Zink (bzw. Eisen) entsteht Wasserstoff und die Natrium-Zink-Sauerstoff-Verbindung "Natriumzinkat" Na 2 ZnO 2 (bzw. analog die Natrium- Eisen-Sauerstoff-Verbindung "Natriumferrat" Na 2 FeO 2 ). Mit der Bildung von Wasserstoff kann man zeigen, dass bei der Redoxreaktion zwischen Wasser und Natrium eine Natrium-Wasserstoff- Sauerstoff-Verbindung entstanden ist, und nicht wie anfänglich zu vermuten Natriumoxid.