Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Sommersemester 2011 06.07.1011 Dozentin: Dr. M. Andratschke Referentinnen: Carina Kumpf, Kerstin Schießl 1. Einleitung Luft Der Mensch lebt 5 Wochen ohne Nahrung, 5 Tage ohne Wasser, aber keine 5 Minuten ohne Luft. [1] Luft ist also der wichtigste Bestandteil jeglichen Lebens auf der Erde. Ohne Luft, kein Leben. Nicht nur für uns Menschen, sondern auch für alle Tiere und Pflanzen ist Luft überlebensnotwendig. Aus diesem Grund ist das Thema Luft auch für Schüler relevant. Dabei können verschiedene Aspekte, wie die Zusammensetzung der Luft, Luftverschmutzung und Luft als Rohstoffquelle, besprochen werden. Im naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasium wird auf das Thema Luft in der achten Jahrgangsstufe unter 8.1. Stoffe und Reaktionen [2] eingegangen. Im Folgenden werden Nachweisreaktionen über verschiedene Bestandteile der Luft durchgeführt. 2. Physikalische Eigenschaften Tab. 1 Physikalische Konstanten der Luft [3] Molare Masse Litermasse (Dichte) bei 0 C / 101,3 kpa 28,96 g/mol 1,2928 g/l 3. Experimentelles 3.1. Versuch 1: Schwimmende Kerze [4-6] Abb. 1 Versuchsaufbau Versuch 1 Schwimmkerze, Glasglocke, Glimmspan, Feuerzeug, große Kristallisierschale, Stopfen, Wasser, Stativ Methylenblau C 16 H 18 ClN 3 S 1
Die Kristallisierschale wird mit Wasser gefüllt und dieses mit Methylenblau angefärbt. Man setzt eine Schwimmkerze ins Wasser und zündet sie an. Danach wird die Gasmessglocke über die Kerze gestülpt und diese so an das Stativ geklemmt, dass der Rand unter Wasser ist. Dabei ist die Glocke mit einem Stopfen verschlossen (s. Abb. 1). Abschließend wird eine Glimmspanprobe durchgeführt. [6] Die Kerze erlischt und Wasser wird in die Glocke gesaugt. Die Glimmspanprobe verläuft negativ. Der Sauerstoff aus der Luft unterhält die Verbrennungsreaktion solange, bis soviel Sauerstoff aus der Luft verbraucht ist, dass die Kerze erlischt. Es entsteht ein Unterdruck in der Glocke. Deshalb wird das Wasser aus der Kristallisierschale in die Glocke gezogen. Da sich nicht ausreichend Sauerstoff in der Glocke befindet, verläuft die Glimmspanprobe negativ. In der Luft ist folglich Sauerstoff enthalten, welcher die Verbrennung unterhält. Es sind aber noch weitere Gase in der Luft enthalten, welche erstickend wirken (negative Glimmspanprobe). [6] 3.2. Versuch 2 : Anteil des Kohlenstoffdioxids in der Luft [6] Großes Reagenzglas, Glasrohr, durchbohrter Stopfen Bariumhydroxid Ba(OH) 2 Abb. 2 Versuchsaufbau Versuch 2 Das Bariumhydroxid wird in das Reagenzglas gefüllt und mit dem durchbohrten Stopfen verschlossen. Danach wird Luft über das Glasrohr in die Lösung eingeleitet (s. Abb. 2). Beim Einleiten der Luft in die Bariumhydroxidlösung bildet sich ein weißer Niederschlag. Ba(OH) 2 + CO 2 BaCO 3 + H 2 O weißer Niederschlag Mit dem zweiten Versuch wird nachgewiesen, dass Kohlenstoffdioxid in der Luft enthalten ist. Der genaue Volumenanteil des Kohlenstoffdioxids in der Luft kann der Tab. 2 (s. S. 4) entnommen werden. 2
3.3 Versuch 3 : Anteil des Kohlenstoffdioxids in Atemgasen [6] Großes Reagenzglas, Glasrohr, durchbohrter Stopfen Bariumhydroxid Ba(OH) 2 Abb. 3 Versuchsaufbau Versuch 3 Das Bariumhydroxid wird in das Reagenzglas gefüllt und mit dem durchbohrten Stopfen verschlossen. Danach wird ausgeatmete Luft über das Glasrohr in die Lösung eingeleitet. Beim Einleiten der Luft in die Bariumhydroxidlösung bildet sich ein weißer Niederschlag. Ba(OH) 2 + CO 2 BaCO 3 + H 2 O weißer Niederschlag Der Volumenanteil des Kohlenstoffdioxids in Atemgasen ist größer als der in Luft. Folglich ist die Reaktion bei Versuch 3 deutlich besser erkennbar. 3.4 Versuch 4: Dichte von Sauerstoff [6] 2 Reagenzgläser, 2 Stopfen, Glimmspan, Stativ Sauerstoff O 2 Zwei Reagenzgläser werden mit Sauerstoff gefüllt und mit den Stopfen verschlossen. Eines der beiden wird mit der Öffnung nach unten, das andere mit der Öffnung nach oben eingespannt. Beide werden gleichzeitig geöffnet und die Glimmspanprobe durchgeführt. Glimmspan entflammt nur in dem Reagenzglas, dessen Öffnung nach oben war. Die Dichte des Sauerstoffs (Dichte (Sauerstoff) = 1,429 g/l) ist größer als die Dichte der Luft (Dichte (Luft) = 1,293 g/l). Sauerstoff entweicht nur langsam aus nach oben geöffneten Gefäßen. 3
4. Bestandteile der Luft Neben den Hauptbestandteilen der Luft, welche zum Teil in den vorhergehenden Versuchen nachgewiesen worden sind, enthält reine Luft noch weitere Bestandteile, die in der folgenden Tabelle aufgeführt werden. Tab. 2 Natürliche Zusammensetzung trockener Luft [7] Element / Verbindung Volumenanteil in % Massenanteil in % Stickstoff, N 2 78,10 75,51 Sauerstoff, O 2 20,93 23,01 Argon, Ar 0,9325 1,286 Kohlenstoffdioxid, CO 2 0,03 0,04 Neon, Ne 0,0018 0,0012 Helium, He 0,0005 0,00007 Krypton, Kr 0,0001 0,0003 Wasserstoff, H 2 0,00005 0,000004 Xenon, Xe 0,000009 0,00004 5. Luftverschmutzung [4] In der heutigen Zeit verändert sich die natürliche Zusammensetzung der Luft immer stärker. Die Luft wird z. B. verschmutzt durch die Industrie, die Energiegewinnung, den Verkehr und die Massentierhaltung. Im Folgenden werden wichtige Luftschadstoffe und deren Auswirkungen aufgelistet: Tab. 3 Übersicht über Luftschadstoffe [8] Schadstoff Bereich/ Entstehung Auswirkungen Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) Energieerzeugung Klimaerwärmung Schwefeldioxid (SO 2 ) Energieerzeugung neuartige Waldschäden Stickstoffoxide (NO x ) Straßenverkehr Eutrophierung Ozon-Bildung neuartige Waldschäden Ammoniak (NH 3 ) Tierhaltung Eutrophierung In einigen Großstädten, wie z. B. Tokio, findet man eine extrem hohe Luftverschmutzung. Dabei reichern sich die Luftschadstoffe stark an. Es bildet sich der so genannte Smog. Auch auf den Menschen wirkt sich die starke Luftverschmutzung negativ aus. Es kann z. B. zu Erkrankungen der Atemwege und des Kreislaufssystems führen. 4
6. Luft als Rohstoffquelle [4] Einige Bestandteile der Luft spielen in der Technik eine große Rolle. Sauerstoff wird in großen Mengen zum Schweißen und zur Stahlherstellung verwendet. Edelgase werden als Schutzgas beim Schweißen oder zur Füllung von Krypton- oder Xenonlampen benutzt. Diese Gase werden großtechnisch über das Lindeverfahren gewonnen (siehe Referat: Flüssiger Stickstoff). 7. Literaturverzeichnis: [1] W. Glöckner, W. Jansen, R. G. Weissenhorn: Handbuch der experimentellen Chemie, Sekundarbereich II, Band 1: Wasserstoff, Stickstoff- und Sauerstoffgruppe, Aulis Verlag Deubner, Köln, 2002, S. 1 [2] http://www.isb-gym8 lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26448 (Seite aktuell am 28.06.2011) [3] K. Rauscher, J. Voigt, I. Wilke, K. Th. Wilke, R. Friebe: Chemische Tabellen und Rechentafeln für die analytische Praxis, 9. Auflage, Verlag Harri Deutsch, Thun und Frankfurt/M., S. 186 [4] P. Pfeifer, R. Reichelt: H 2 O & Co., Anorganische Chemie, 1. Auflage, Oldenbourg-Verlag GmbH, München, Düsseldorf, Stuttgart, 2002, S. 64-66 [5] H. Boeck: Chemische Schulexperimente - Band 3, Anorganische Chemie 2. Teil; Harry Deutsch Verlag, Frankfurt am Main, 1978, S. 220-221 [6] H. Keune, H. Boeck: Chemische Schulexperimente, Band 1: Anorganische Chemie, 1. Auflage, Cornelsen, Berlin, 1998, S. 94, 95, 125, 182, 185 [7] J. Falbe, M. Regitz: Römpp Chemie-Lexikon. 9. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, Band 3, S. 2555 [8] http://de.wikipedia.org/wiki/luftverschmutzung (Seite aktuell am 28.06.2011) 5