Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvortrag im Wintersemester 2011/2012 11.11.2011 Betreuung: Dr. Martina Andratschke Referenten: Michaela Schaffer, Andreas Schedlbauer Thema: Redoxsysteme I) Sachanalyse: Die Begriffe Oxidation und Reduktion gehen auf den Franzosen Antoine Laurent de Lavoisier zurück. Er bezeichnete die Sauerstoffaufnahme als Oxidation und die Sauerstoffabgabe als Reduktion. Heute versteht man unter Redoxreaktionen Reaktionen mit Elektronenübertragung. [1] II) Lehrplanbezug: Redoxreaktionen werden im naturwissenschaftlich-technischen Zweig I in der 8. Klasse im Abschnitt Ch 8.5 Oxidation und Reduktion als Sauerstoffübertragung behandelt. Sie werden erst als Verbrennung (Oxidation als Sauerstoffaufnahme) eingeführt und später um den Begriff der Reduktion (Sauerstoffabgabe) erweitert. In den Zweigen II und III werden Redoxsysteme im Abschnitt Ch 9.5 Oxidation und Reduktion als Sauerstoffübertragung behandelt. Während das Thema in den Zweigen II und III nicht weiter vertieft wird, erweitert man den Begriff Redoxsysteme im Zweig I der 9. Jahrgangsstufe im Bereich Ch 9.2 Redoxreaktionen um Elektronenübergänge in Reaktionen. [2, 3] III) Experimenteller Teil: 1) Redoxreaktion als Sauerstoffübertragung Versuch 1: Verbrennung von Aluminiumpulver zu Aluminiumoxid [4] a. Geräte: 1 gebogenes Glasrohr 1 Bunsenbrenner b. Chemikalien: Aluminiumpulver (Al) 1
c. Versuchsaufbau: Pusten Glasrohr mit Al-Pulver Bunsenbrenner Abb. 1 Versuchsaufbau Oxidation von Aluminium d. Durchführung: In ein Ende des gebogenen Glasrohres wird Aluminiumpulver gegeben und der Bunsenbrenner entzündet. Über das zweite Ende des Glasrohres wird nun das Aluminium in die Flamme gepustet. e. Beobachtung: Das Aluminiumpulver verbrennt unter Lichtblitzen, es bildet sich eine weiße gepulverte Substanz. f. Erklärung: Aluminium wurde unter Sauerstoffaufnahme zu Aluminiumoxid oxidiert. 4 Al 3 O 2 2 Al 2 O 3 2) Redoxreaktion als Elektronenübertragung Versuch 2: Oxidation von Aluminiumfolie zu Aluminiumbromid [5, 6] a. Geräte: 1 Erlenmeyerkolben 1 Schälchen mit Sand 1 Pipette 1 Uhrglas 1 Tiegelzange 1 Glimmspan b. Chemikalien: Kügelchen aus Aluminiumfolie (Al) Brom (Br 2 ) Thiosulfat-Lösung (a 2 S 2 O 3 zur Entsorgung von überschüssigem Brom) 2
c. Versuchsaufbau (Abzug!): Uhrglas Erlenmeyerkolben mit Brom befüllt Kristallisierschale mit Sand Abb. 2 Versuchsaufbau Aluminiumoxidation mit Brom d. Durchführung: Mit der Glimmspanprobe überprüft man, ob sich Sauerstoff im über dem Sandschälchen eingespannten Erlenmeyerkolben befindet. Der Erlenmeyerkolben wird anschließend vorsichtig mit Hilfe einer Glaspipette mit etwas Brom befüllt und zunächst mit einem Uhrglas abgedeckt. un überprüft man mit dem Glimmspan die Sauerstoffabwesenheit. Mit der Tiegelzange wird ein Kügelchen Aluminiumfolie in den Erlenmeyerkolben eingebracht und offen stehen gelassen. e. Beobachtung: Abb. 3 Versuchsaufbau Aluminiumoxidation mit Brom Das Aluminium reagiert heftig mit dem Brom und glüht dabei auf. Bromdämpfe wogen aus dem Reagenzglas. f. Erklärung: Aluminium gibt seine drei Valenzelektronen an je ein Brom ab. Dabei wird das Aluminium zum Aluminiumion oxidiert und das Brom zum Bromid reduziert. Die Ionen bilden das Salz Aluminiumbromid. 3
Al Al 3 3 e - 2 Elektronen-Abgabe Br 2 2 e - 2 Br - 3 Elektronen-Aufnahme 2 Al 3 Br 2 2 AlBr 3 3) Interdisziplinäre Redoxreaktionen Versuch 3: Blue-Bottle-Experiment [5, 7] a. Geräte: 1 500 ml-rundkolben 1 Stopfen 1 Pipette 1 Spatel 1 Messzylinder b. Chemikalien: 200 ml Aqua dest. (H 2 O) 10 g Glucose (C 6 H 12 O 6 ) 5 g atriumhydroxid (aoh-plätzchen) 5 ml Methylenblau-Lösung (C 16 H 18 Cl 3 S) c. Versuchsaufbau: 500 ml Rundkolben mit Lösung aus Aqua dest., aoh, Glucose, Methylenblau Abb. 4 Versuchsaufbau Blue-Bottle-Experiment d. Durchführung: Der Rundkolben wird mit 200 ml destilliertem Wasser gefüllt. 5 g aoh-plätzchen, 10 g Glucose und 5 ml Methylenblau werden zugegeben. Der Kolben wird mit einem Stopfen verschlossen und einige Minuten ruhig stehen gelassen. ach Entfärbung wird der Rundkolben mit der Lösung kräftig geschüttelt. Für ein effektiveres Ergebnis sollte man vor erneutem Schütteln den Stopfen kurz öffnen. 4
e. Beobachtung: ach Methylenblau-Zugabe färbt sich die Lösung blau. ach einiger Zeit entfärbt sich die Lösung. Schüttelt man den Rundkolben, kann man einen Farbumschlag nach blau beobachten. Δt schütteln Abb. 5 Blue-Bottle-Experiment f. Erklärung: Das Methylenblau der Lösung wird durch die Glucose zum farblosen Leuco- Methylenblau reduziert: die Aldehydgruppe der Glucose wird dabei zur Carboxylgruppe oxidiert, es entstehen Leukomethylenblau und Gluconsäure. Durch das Schütteln wird Luftsauerstoff eingebracht, das Leukomethylenblau wird wieder zu Methylenblau oxidiert. [5, 7] H 3 C S 2 H H 3 C H S HCl Cl - Methylenblau Leukomethylenblau (farblos) R CHO H 2 O Mb Cl - R COOH MbH HCl O 2 2 H Cl 2 MbH 2 Mb Cl - 2 O H 2 Abb. 6 Redoxreaktionen bei der Blue-Bottle-Reaktion 5
IV) Quellen: [1] http://de.wikipedia.org/wiki/oxidation Stand 30.10.2011 [2] http://www.isb.bayern.de/isb/download.aspx?downloadfileid= 09bcb6c85ff0ae42140f75 a330808b43 Stand 04.11.2011 [3] http://www.isb.bayern.de/isb/download.aspx?downloadfileid= 84d94f2b6516a878bd73df0 d84d027dd Stand 04.11.2011 [4] Hans Keune, Wolfgang Filbry, Chemische Schulexperimente, Band 2, Anorganische Chemie, erster Teil, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt /Main, 1978, S. 167 [5] Karl Häusler, Heribert Rampf, Roland Reichelt, Experimente für den Chemieunterricht, 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München, Stuttgart, Düsseldorf, 1995, S. 107 108, S. 338 [6] Helmut Boeck, Hans Keune, Chemische Schulexperimente, Band 1, Anorganische Chemie, 1. Auflage, Volk und Wissen Verlag GmbH & Co., Berlin, 1998, S. 258 [7] Manfred Just, Alfred Hradetzky, Chemische Schulexperimente, Band 4, Organische Chemie, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt /Main, 1978, S. 332 333 Zeichenprogramme: Washington State University, Paint.ET, Version 3.5.10, Freeware, Release Date: 09.10.2011 http://www.chip.de/downloads/paint.et_13015268.html#sp=paint.net&=0&pos=1 Stand 18.11.2011 http://www.getpaint.net/ Stand 18.11.2011 ACD Labs, Chemsketch, Version 12.0 Rel. 2, Freeware, Release Date: 30.06.2010 http://www.chip.de/downloads/chemsketch_36574377.html#sp=chemsketch&=0&pos=1 Stand 18.11.2011 http://www.acdlabs.com/home/ Stand 18.11.2011 6