Reaktionsgleichungen F + (aq ) + H (aq ) HF (g) 4 HF (g) + SiO 2 (s) SiF 4 g + 2 H 2 O (l) Zeitbedarf Vorbereitung: 5min. Durchführung: 5 min. Nachbereitung: 5 min. Chemikalienliste Edukte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Schuleinsatz Calciumfluorid CaF 2 (s) 22-24/25 - - S1 Schwefelsäure, (konz., w = 96 %) H 2 SO 4 (aq) 35 26-30-45 C S1 Produkte Chemikalien Summenformel R-Sätze S-Sätze Schuleinsatz Siliciumtetrafluorid SiF 4 (g) 23-35 9-26-36-45 T, C n. V. (LV) Fluorwasserstoffgas HF (g) 26/27/28-35 7/9-26-36/37-45 T +, C LV Materialien und Geräte Reagenzglas, Reagenzglasständer, Reagenzglasklammer, Spatel, Glas- und Pulvertrichter, Bunsenbrenner, Feuerzeug
Versuchsaufbau Abb. 1: Versuchsaufbau Durchführung Augenschutz Schutzhandschuhe Schutzkleidung Der Versuch muss in einem gut funktionierenden Abzug durchgeführt werden! Zuerst wird ein Reagenzglas etwa 4 cm hoch mit konzentrierter Schwefelsäure gefüllt. Anschließend wird es aus dem Reagenzglasständer genommen und gut geschüttelt. Dabei wird immer wieder kurz innegehalten und das Fließverhalten der Schwefelsäure an der Reagenzglaswand beobachtet. Nun gibt man ein wenig (etwa eine Spatelspitze) der Fluoridprobe (CaF 2 ) zu der Schwefelsäure und löst sie darin. Folgend wird das Reagenzglas vorsichtig und unter gelegentlichem Schwenken über dem Bunsenbrenner erhitzt (eine kleine rauschende Flamme ist hier ausreichend) bis die Lösung kurz aufkocht und aufklart. Im Anschluss wird das Reagenzglas aus der Flamme genommen und erneut geschüttelt, wobei nun wieder das Fließverhalten der Lösung beobachtet wird. Beobachtungen Bei der ersten Beobachtung des Fließverhaltens war keine besondere Eigenschaft zu erkennen, die Schwefelsäure benetzte die Reagenzglaswand ganz normal. Beim Erhitzen der Schwefelsäure/Calciumfluorid-Lösung kochte diese immer kurz auf und klarte auch zum Schluss auf. Beim wiederholten Prüfen des Fließverhaltens fällt auf, dass die Lösung nun nicht mehr die Reagenzglaswand benetzt, sondern von dieser wie Öl abperlt.
Abb. 2: Versuchsergebnis (rechts ist das Abperlen nach der Durchführung zu erkennen) Entsorgung Das überflüssig entstehende Fluorwasserstoffgas zieht im Abzug ab. Der Rest der Lösung wird neutralisiert und in den Ausguss entsorgt. Das Reagenzglas wird trocken in die Feststofftonne gegeben. Fachliche Analyse Werden Fluorid-Ionen mit wasserstoffhaltigen Verbindungen zur Reaktion gebracht, so bildet sich immer Fluorwasserstoff. Besonders günstig verläuft diese Reaktion, wenn der Reaktionspartner eine Säure, also ein Protonendonator ist. Im Versuch wurde Schwefelsäure mit Calciumfluorid versetzt, woraufhin sich Fluorwasserstoff und Calciumsulfat bilden: H 2 SO 4 (aq ) + CaF 2 (aq ) CaSO 4 (aq ) + HF (g) Fluorwasserstoff ist ein Gas und entweicht daher aus der Lösung. Dabei reagiert es mit dem im Reagenzglas enthaltenen Siliciumdioxid zu gasförmigem Siliciumtetrafluorid und Wasser: 4 HF (g) + SiO 2 (s) SiF 4 g + 2 H 2 O (l) Das entstandene Fluorwasserstoffgas ätzt also die Reagenzglaswand an. Daraufhin kann die Schwefelsäure beim Schütteln nicht mehr an der Glaswand haften und perlt wie Wasser von einer fettigen Oberfläche ab. Aufgrund dieser glasätzenden Eigenschaft kann die Lösung von Fluorwasserstoff in Wasser ( Flusssäure ) nicht in Glasflaschen, sondern nur in Gefäßen aus z.b. Blei, Platin oder Polyethylen aufbewahrt werden. Die Ätzwirkung kann man sich aber auch zunutze machen, z.b. in Ätzmitteln für Gläser, Metalle und Halbleiteroberflächen. Auch zur Vernichtung von Asbest wird es eingesetzt, da es die Silikat-Fasern des Asbests auflöst.
Methodisch didaktische Analyse Einordnung Nach dem hessischen Lehrplan G8 ist der Versuch in die Stufe 8G.2 im Thema Ordnung in der Vielfalt, Atombau und Periodensystem in das Unterthema 2.5 Halogene einzuordnen. Er kann hier als alternativer Fluoridnachweis eingesetzt werden, auch da dies z.b. durch die Halogenidfällung mit Silbernitrat nur schwer möglich ist. Alltagsbezüge können über die Eigenschaften von Fluoriden bzw. die Einsatzgebiete von Fluoridverbindungen geknüpft werden. Aufwand Der Aufwand ist in allen Bereichen gering und somit sollte der Versuch an jeder Schule durchführbar sein. Lediglich das Reagenzglas müsste nachher entsorgt werden, kostet im Einkauf aber nur ein paar Cent. Durchführung Der Versuch funktioniert gut und der Effekt ist sogar in dem Video gut zu erkennen. Allerdings darf er aufgrund der hohen Toxizität und Ätzwirkung der entstehenden Gase (Fluorwasserstoff und Siliciumtetrafluorid) nur von der Lehrperson durchgeführt werden. Bei der Durchführung ist daher auch auf einen gut funktionierenden Abzug zu achten. Fazit Ein schneller Versuch zum Nachweis von Fluorid-Ionen, ohne großen Aufwand, aber mit einer hohen Erfolgswahrscheinlichkeit. Literaturangaben Versuchsquellen [a] FIZ CHEMIE (Fachinformationszentrum Chemie GmbH): Encyclopedia - ChemgaPedia. Zu finden unter URL: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/6/ac/versuche/anionen/_vlu/fluorid.vlu/page/ vsc/de/ch/6/ac/versuche/anionen/fluorid/nachweis.vscml.html. Letzter Zugriff am 09.04.2010. [b] Jander, G.; Blasius, E.: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. Seite 147f. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. 1976.
Sekundärliteratur [1] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan Chemie Gymnasialer Bildungsgang Jahrgangsstufen 7G bis 12G. 2008. Zu finden unter URL: http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/hkm_internet?uid=3b43019a-8cc6-1811-f3efef91921321b2. Letzter Zugriff am 09.04.2010. [2] Hollemann, A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Seite 449f. 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter. 2008. [3] Unfallkasse Hessen; Hessisches Kultusministerium: Hessisches Gefahrstoffinformationssystem Schule - HessGISS. Version 13. 2008/2009.