Zeitaufwand: Vorbereitung: Durchführung: Entsorgung/Abbau: 5 Minuten 10 Minuten 5 Minuten Chemikalien: Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Schuleinsatz Kaliumhydroxid KOH 1,8 g 2-35 26-36/37/39-45 SI +SII Silbernitrat AgNO 3 3,4 g 34-50/53 26-45-60-61 SI + SII Ammoniak NH 3 (w=0,25) ca. 8 ml 10-23-34-50 9-16-26-36- 36/37/36-45- 61 SI+SII 1 Ammoniumsulfat (NH 4 ) 2 SO 4 36/37/38 26-36 SI+ SII Glucose C 6 H 12 O 6 Spatelspitze Spatelspitze - - - SI + SII 1 Schwangere und stillende Personen dürfen nicht mit Ammoniak arbeiten.
Herstellung der Lösungen: Silbernitrat-Lösung (w = 0,1): 6,8 g Silbernitrat auf 40 ml auffüllen Kaliumhydroxid-Lösung (c = 0,3 mol/l) 1,8 g Kaliumhydroxid auf 100 ml auffüllen Materialien: - Becherglas - Messpipette - Magnetrührer mit Rührfisch - Spatel - sauberes(!) Glasgefäß mit Stopfen Versuchsaufbau: 1. Zugabe Ammoniak 2. Die drei Lösungen in ein sauberes Glasgefäß Substanz NH 3 KOH 3. Schütteln Silbernitratlösung Glucose- Lösung Abb.1 Versuchsaufbau 2
Durchführung: I. Herstellung der Silbernitrat-Lösung 1. Benötigt werden 20 ml einer 0,1 molaren Silbernitrat-Lösung. 2. Zu dieser Lösung tropft man so lange Ammoniak-Lösung (w = 0,25), bis sich der sich bildende Niederschlag gerade wieder löst. 3. Dieser ammoniakalischen Silbernitrat-Lösung wird eine Spatelspitze Ammoniumsulfat zugegeben und anschließend mit entionisiertem Wasser auf 100 ml aufgefüllt. II. Durchführung der Tollens-Probe 1. In ein sauberes(!) Glasgefäß werden zu gleichen Anteilen Kaliumhydroxid-Lösung, Glucose-Lösung und von der hergestellten ammoniakalischen Silbernitrat-Lösung gegeben. 2. Das Glasgefäß wird verschlossen und kräftig geschüttelt. (Das Schütteln dient nur der kompletten Verspiegelung des Glasgefäßes.) Beobachtung: Abb.2+3 Versuchsbeobachtung Nach der Zugabe von Ammoniak zur Silbernitrat-Lösung bildet sich ein brauner Niederschlag, der sich nach weiterer Zugabe von Ammoniak wieder auflöst. Durch das Schütteln des Glasgefäßes scheidet sich an der Reagenzglaswand ein silbrig glänzender, spiegelähnlicher Niederschlag ab. 3
Entsorgung: Die Lösung aus dem Glasgefäß wird neutral in den anorganischen Abfall entsorgt. Das verspiegelte Glas kann nach dem Trocknen von den Schülern mit nach Hause genommen werden oder es wird in die Feststofftonne entsorgt. Auswertung: 1. Herstellen der Silbernitratlösung: Durch die Zugabe von Ammoniak wird die Lösung basisch. Beim Versetzen einer Silbersalzlösung mit Laugen fällt zunächst ein dunkelbrauner Niederschlag von Silber(I)-oxid über die Zwischenstufe Silberhydroxid aus: 2 2 Ag + (aq) + 2 OH - (aq) 2 AgOH (s) Ag 2 O (s) + H 2 O braun Das entstandene Silberoxid löst sich nur wenig in Wasser und ist für die braune Farbe der Lösung verantwortlich. Wird zu dieser Lösung weiter Ammoniak zugegeben, so löst sich das Silber(I)-oxid unter Bildung eines Diammin-Silber(I)-Komplex auf: Ag 2 O (s) + 4 NH 3 (aq) + H 2 O 2 [Ag(NH 3 ) 2 ] + (aq) +2 OH - (aq) Dieser Komplex ist wasserlöslich, wodurch der braune Niederschlag verschwindet. Der Lösung wurde also Ammoniak als Komplexbildner zugesetzt, damit eine Bildung störender Niederschläge (beispielsweise Ag 2 O) verhindert wird, welche die zu erwartende Reaktion verhindern würde. 3 2 Holleman, A.F. & Wiberg, E. (1995) S.1345 3 Elborn, W. & Jäckel, M. & Risch, K. T. (1998) S.197 4
2. Tollens-Probe Die leichte Oxidierbarkeit von Aldosen wird für analytische Methoden genutzt, die in der Zucker-Chemie weit verbreitet sind 4. Ein Beispiel für eine solche analytische Methode zum Nachweis einer Aldehyd-Gruppe ist die Tollens-Reaktion, bei der Silber-Ionen zu metallischem Silber reduziert werden, das sich auf der Innenwand des Reaktionsgefäßes abscheidet. Primär ist die Tollens-Probe ein Nachweis für Aldehyde. Bei diesem Nachweis werden Silber-Ionen zu elementarem Silber reduziert, währen das Aldehyd zur Säure oxidiert wird. Das eigentlich reagierende Agens ist dabei der in Punkt 1. beschrieben Diamminosilber(I)- Komplex: Oxidation: R O O +I +III + 2 e- H R OH Reduktion: +I Ag + + e - 0 Ag Gesamt: R O +I H(aq) +I + 2 [Ag(NH 3 ) 2 ]+ + (aq) O 2 OH - (aq) +III 0 (s) (aq) R H + 2 Ag + 4 NH 3 + H 2 O Abb.4 Ablaufende Redoxreaktionen der Tollens-Probe Das bei der Reaktion entstandene elementare Silber scheidet sich an der Wand des Reaktionsgefäßes ab und sorgt dort für den Spiegeleffekt an der Glaswand. Bei großtechnischen Synthesen findet der Tollens-Nachweis normalerweise keine Anwendung. In der Industrie wird die Tollens-Reaktion verwendet, um glänzende Spiegel auf Glasoberflächen zu erzeugen. Ein Beispiel für eine Verspiegelung einer Glasoberfläche ist die Innenseite einer Thermosflasche. 5 4 Streitwieser, A. & Heathcock, C.H. & Kosower, E.M. (1994) S.935 5 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S.894 5
3. Warum funktioniert der Nachweis auch mit Glucose? s. Versuchsprotokoll: Fehling-Glucose 4. Hintergrundinformation: Geschichte der Spiegelherstellung 6 7 : Die ersten, den Menschen bekannte, Spiegel sind wohl glatte Wasseroberflächen. Ein weiterer Fortschritt war das Verwenden von spiegelnden Steinen. Im Jahre 3000 vor Christus stellten die Ägypter Handspiegel aus polierter Bronze her. Die Griechen stellten um 400 vor Christus Spiegel aus poliertem Metall her. Ab dem Jahre 300 nach Christus wurden von den Römern Spiegel aus Glas angefertigt, die mit Metall hinterlegt wurden. Dieses Wissen der Römer ging jedoch verloren und das Verwenden von Glas etablierte sich erst wieder im 14. Jahrhundert in Europa. Dabei wurde rund geblasenes Glas mit einer Metallfolie hinterlegt oder auf der Rückseite mit Metall beschichtet. Besonders beliebt waren zu dieser Zeit kleine Tisch-, Taschen- und Gürtelspiegel mit Elfenbeingriffen. Zu Zeiten der Renaissance gab es dann revolutionäre Neuigkeiten. So wurde zu dieser Zeit bereits Kristallglas verwendet, welches zu Zylindern ausgeblasen wurde, die dann der Länge aufgeschnitten und flach ausgebreitet wurden. Die ausgebreitete Scheibe wurde poliert und verzinnt. Spiegel waren zu diesem Zeitpunkt nicht mehr ausschließlich gewölbt und auch nicht zwangsläufig rund. Im Jahre 1688 wurde von den Franzosen Abraham Tewart und Lucas de Nehou das Schmelzgussverfahren entwickelt. In diesem Verfahren wird die geschmolzene Glasmasse auf einem metallenen Gusstisch verteilt und anschließend mit einer Zinnfolie samt Quecksilberschicht belegt. Zinn und Quecksilber reagieren bei dieser Art der Spiegelherstellung zu Zinnamalgam, was für den Spiegeleffekt verantwortlich ist. Im Barock erlebten diese Spiegel ihre Blütezeit und wurden zur Verschönerung von Schlössern verwendet. So entstand auch durch König Ludwig XIV. der berühmte Spiegelsaal in Versailles, der mit 300 Spiegeln ausgekleidet wurde (Abb.5). 6 http://www.baufachinformation.de/denkmalpflege.jsp?md=2000127125248 7 http://www.monumente-online.de/09/02/sonderthema/spiegel_barock_schloss.php?seite=2 6
Abb.5 Der Spiegelsaal von Versailles Im Jahre 1855 wurde dann durch Justus von Liebig die Technik der Herstellung von Silbernitrat-Spiegeln entdeckt, welche wie in diesem Versuch angewendet funktioniert. Dieses Verfahren konnte sich jedoch erst nach dem Verbot des Quecksilber-Amalgam-Spiegels im Jahre 1886 durchsetzen. Das Arbeiten mit Quecksilber wurde verboten, da das Quecksilber bei Temperaturen von ca. 60 C sublimiert und beim Einatmen zu Vergiftungen führt. Heute werden Spiegel durch Pressen von Aluminiumfolie auf Glasplatten unter Vakuum hergestellt. Didaktische Auswertung: Einordnung in den Lehrplan: Im Lehrplan ist dieser Versuch in der Qualifikationsphase im Bereich Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen einzuordnen. In diesem Bereich ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf Nachweisreaktionen der Kohlenhydrate eingegangen werden. Die Tollens-Probe könnte schon im Bereich Kohlenstoffchemie I: Kohlenstoffverbindungen und funktionelle Gruppen beim Thema Carbonylverbindungen/Alkanale behandelt werden. Zum Verständnis dieser Nachweisreaktion ist das Verstehen von Redoxreaktionen, die in der Einführungsphase E1 als fakultativer Unterrichtsinhalt behandelt werden, Voraussetzung. Einordnung des Versuchs: Der Effekt der Verspiegelung von Glasgeräten ist interessant und weckt die Aufmerksamkeit der Schüler. Der apparative Aufwand dieses Versuchs ist relativ gering, die Durchführung ist einfach und auch die verwendeten Chemikalien müssten an der Schule vorhanden sein. Laut HessGiss -Datenbank dürfen alle verwendeten Chemikalien uneingeschränkt von den Schü- 7
lern verwendet werden, so dass dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden kann. Die Lösungen sollten jedoch vom Lehrer angesetzt werden, damit der Umgang mit konzentriertem Ammoniak vermieden wird. Mit diesem Versuch der Fehling-Probe an dem Monosaccharid Glucose kann für die Schüler eine Brücke mit einem Nachweis einer bekannten funktionellen Gruppe, den Aldehyden und dem neuen Stoff Glucose geschlagen werden. So kann anhand dieses Versuchs die Struktur von Zuckermolekülen erarbeitet werden. Literaturangaben: Elborn, W. & Jäckel, M. & Risch, K.T. (1998). Chemie Heute: Sekundarbereich II (1. Auflage). Hannover: Schroedel Verlag GmbH. Holleman A.F. & Wiberg E. (1995). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (101. Auflage). Berlin: Walter de Gruyter & Co. Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005). Organische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley- VCH GmbH & Co KGaA. Elektronische Quellen: Hessisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule HessGISS - 2008/2009, Version 13.0 http://www.baufachinformation.de/denkmalpflege.jsp?md=2000127125248 (letzter Zugriff 02.04.2010) http://www.monumente-online.de/09/02/sonderthema/spiegel_barock_schloss.php?seite=2 (letzter Zugriff 02.04.2010) Abbildungsverzeichnis: Abb.5: http://www.willylogan.com/photos/summer-2006/roll-09/7365-spiegelsaal.jpg (letzter Zugriff 02.04.2010) Alle anderen Abbildungen wurden selbst angefertigt 8