Experimentalvortrag zum Thema by EfV8D7Bc

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									           Experimentalvortrag
                   zum Thema




                  Nitrate


von Jan Grosse Austing (WS 07/08)
                Gliederung

1. Einleitung

2. Darstellung früher – heute

3. Nachweis

4. Verwendung von Nitraten

5. Schulrelevanz
                                                   1. Einleitung
• Nitrat = Salz der Salpetersäure (HNO3)
• meist gut wasserlöslich

• Lösung ist farblos (sofern Kation farblos)

• Struktur:   nicht
                        O

                            N   O

                        O




              sondern
                        O             O               O

                            N   O         N    O          N   O

                        O             O               O
                                                 1. Einleitung

• Einsatz von Schwarzpulver: Bedarf an Kaliumnitrat steigt



• Verwendung zum Pökeln seit dem Mittelalter



• Problem: natürliche Vorkommen von Salpeter (von lat.:
  sal petrae = Felsensalz) in Europa gering
                                          2. Darstellung früher

                Darstellung früher

• Entdeckung: Ca(NO3)2 an Kalkwänden in Viehställen

• später: Anlegen von Salpetergärten oder -gruben




                       Salpetergarten
                 2. Darstellung früher




     Versuch 1:
 Nachweis von Nitrat
in Schweinestall-Putz
                                      2. Darstellung früher




Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen
                                                                        2. Darstellung früher

• Nitrifikation:




 NH 3 g   H   aq                
                                   NH 4  aq 
    3                      0                         3  2                                      2
                                     Nitrosomas                            
2 NH      4  aq     3 O2 g                     2 NO   2  aq    4 H        aq     2 H 2Ol 
     3  2             0                           5  2
                                  Nitrobacter           
2 NO      2  aq     O2 g                      2 NO  3  aq 
                                                         2. Darstellung früher

• Bildung Calciumnitrat


CaCO3 aq  2 NO3 aq  2 H  aq    Ca  NO3 2 aq  CO2 g   H 2O




                       Ca(NO3)2-Ausblühungen
                                                   2. Darstellung früher


• Umwandlung mit Pottasche (K2CO3 ):


   Ca  NO3 2 aq   K2CO3 aq 
                                     
                                         CaCO3 s   2 KNO3 aq 



• Eindampfen der Lösung liefert KNO3
                 2. Darstellung früher




Salpetersieder
                                        2. Darstellung heute

                Darstellung heute

• 1900: Ostwald-Verfahren („Ammoniak-Verbrennung“)




                      Wilhelm Ostwald
               2. Darstellung heute




   Versuch 2:
Ostwald-Verfahren
                                                         2. Darstellung heute

• mögliche Produkte: N2O, N2, NO2, NO



• erwünschte Reaktion ( H  908,9 kJ):


    3 1          0        Pt , 600700 C     2  2             2
4 NH 3  g   5 O2  g                      4 NO g   6 H 2O g / l 



 kurze Verweilzeit am Katalysator (~10-3 s)
                                                      2. Darstellung heute

• Umsetzung zu Salpetersäure:

      2  2        0             4  2
    2 NO g   O2 g        2 NO2  g 
       farblos                   braun 


       4  2                         5  2        3  2
    2 NO2  aq   H 2O           HNO3 aq   HNO2 aq 
            3               5                2
    3 HNO2 aq           HNO3 aq   2 NO aq   H 2O
      2            0             4  2
    2 NO g   O2 g        2 NO2  g 
                                                                          2. Darstellung heute

• Zerstörung Nitrit für Nitrat-Nachweis:


   3                  3                                                  0
                                           
H 2 N  SO2  OH aq  NO  2  aq    H        aq     H 2 SO4 aq   N2 g    H 2O
                                                  2. Darstellung heute


• Darstellung von Nitraten:

  Salpetersäure + Metall oder -oxid/-hydroxid/-carbonat


  Bsp.


   K2CO3 s  2 HNO3 aq   2 KNO3aq  CO2 g   H2Ol 
                                                       2. Darstellung heute


    • Schema: Nitrat-Darstellung heute


0                      3             2          4                     5
           H2                O2           O2             O2 , H 2O
                                
N 2  NH 3  NO  NO2  HNO3
       Haber  Bosch        Ostwald
                                 2. Darstellung heute




NH3-Verbrennung
                  industrielle Anlage zur HNO3-Produktion
                                                  3. Nachweis


                Nachweis von Nitrat
• Ringprobe



• mit Lunges Reagenz (nach Reduktion zu Nitrit)
                      3. Nachweis




    Versuch 3a:
Nachweis von Nitrat
 mit der Ringprobe
                      3. Nachweis




    Versuch 3b:
Nachweis von Nitrat
mit Lunges Reagenz
                                                                                                         3. Nachweis

• Ringprobe

      2                 5                                          3                 2
        2                                                           3
   3 Fe       aqa     NO    3  aq     4H        aq      3 Fe         aq     NO aq   2 H 2O l 

                          2                                                                   2
    2
                                          2
                                                               3
                                                                                       1

    Fe  H 2O 6                       NO aq              Fe  H 2O 5 ( NO )                          H 2O l 
                              aq                                                               aq 
                                                                               braun 
                                                                                 3. Nachweis

•           Lunges Reagenz

1) Reduktion Nitrat zu Nitrit

            5           0                         3             2
        NO3 aq  Zn  2 H  aq                 
                                                  NO2  aq   Zn2 aq   H 2O


2) Bildung des Nitrosyl-Kations

                     +                        +               H   H2O
        N    O   H               N   OH   H                             O
                                                                                        O
                                                      N   O
    O                        O
                                                  O           H         N               N


                                                                            Nitrosyl-Kation
                                                                                         3. Nachweis

  3) Diazotierung

                  H                              H                                                  H
                                                         N
                                                     N           O           +
                  N             N                                        H                          N       O
                        H                                H                                              N


HO 3S
                            +   O
                                         HO 3S
                                                                         HO 3S




                                                                                                +
                                                                                            H
                                                                                                +
                                                                                            H


                   N                                                                                    N
                                                 N                   +
                        N                                        H                                          N
                                H2O                  N
                                                                                                            OH
                                                     O                           HO 3S
 HO 3S                                HO 3S      H           H
        Diazonium-Ion
                                                        3. Nachweis
    4) Azokupplung

          N
              N
                  +                             H
HO 3S                     H                 N
                      N        HO 3S    N                       H
                          H                                 N
                                                            H


                                                    +
                                                H




                                                                H
                                           N                N
                              HO 3S    N                        H


                                       Azofarbstoff
                                           (violett)
                                 4. Verwendung von Nitraten




            Feuerwerk


Pökelsalz


                                           Kältemischungen


              NO           3
   Dünger


                        Sprengstoff
                                          4. Verwendung von Nitraten


     Verwendung von Nitraten als Dünger
• Düngung = Zufuhr von Pflanzennährstoffen zur Ertrags-
  und Qualitätssteigerung von Nutzpflanzen

• Nitrat: Stickstoffliefernde Komponente

• z.B. als Kalkammonsalpeter (NH4NO3 mit ca. 22 % Kalk)




                      Kalkammonsalpeter
                 4. Verwendung von Nitraten




        Demo 1:
Düngung mit und ohne Nitrat
                                     4. Verwendung von Nitraten


• Überdüngung problematisch:

   Eutrophierung, N2O-Emissionen, Trinkwasserbelastung



• Grenzwert Nitrat im Trinkwasser in Deutschland:

  50 mg/L
                                               4. Verwendung von Nitraten




Dümmer See im
Südoldenburger
Land
(„Schweine-Gürtel“)




                      Topographische Karte Deutschland
               4. Verwendung von Nitraten




      Demo 2:
Nachweis von Nitrat im
     Trinkwasser
                                      4. Verwendung von Nitraten




Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen
                                                4. Verwendung von Nitraten




• Nitrat: Metabolisierung im Körper durch Bakterien
  (Mundhöhle, Magen-Darm u.a.) zu Nitrit


       5                                  3
                  z.B Coryne Bakterien
      NO3 aq                             
                                          NO2  aq
               4. Verwendung von Nitraten




     Demo 3:
Nachweis von Nitrit im
      Speichel
                                                          4. Verwendung von Nitraten


•     Nitrit gesundheitlich bedenklich, weil:



1)    Bildung von Nitrosaminen (viele sind cancerogen)


              H                                                           1
                                          H                      +    R
                              N                              H
          2   N       1
                          +       R
                                      1
                                          N       N                       N N
                              O                                           2
      R           R                           2
                                                      O               R         O
                                          R
     sek. Amin
                                                                     Nitrosamin
                                          4. Verwendung von Nitraten


2)   Oxidation des Hämoglobins (Hb) zu Methämoglobin
                       Ox.
     (MetHb) ( Fe 2         Fe3 )


      MetHb nicht mehr zum O2-Transport fähig



     (Säuglinge: Enzymkonzentration für Reaktion MetHb
     zu Hb gering)




                              Hinweis auf Mineralwasser-Flaschen
                                         4. Verwendung von Nitraten
   Verwendung von Nitraten als Pökelsalz

• Kaliumnitrat (E 252) zum Pökeln seit dem Mittelalter



• Konservierung durch wasserentziehende Wirkung,
  Hemmung des Bakteriums „Clostridium botulinum“
  (Botulinustoxin)




                        Salpeter zum Pökeln
                                       4. Verwendung von Nitraten


• heute: nicht Nitrat entscheidend beim Pökeln, sondern
  Nitrit



• daher heute Pökelsalz nicht nitrathaltig, sondern direkte
  Verwendung von Nitrit



• neben Konservierung: ansprechende rosa Farbe
              4. Verwendung von Nitraten




    Versuch 4:
Umrötung von Fleisch
                                                             4. Verwendung von Nitraten

  • Ascorbinsäure reduziert Nitrit:

                    +3                           2
                                          
Asc.  Säure aq  2 NO 2  aq    2 H       2 NO aq   Dehydroasc.  Säure aq   2 H 2O




  • Ascorbinsäure Hilfsstoff: Hemmung Nitrosaminbildung
                                           4. Verwendung von Nitraten

• Bildung von Stickoxidmyoglobin, Erhitzen
      Protein                 Protein


             2+
                    + NO        Fe
                                     2+
        Fe


         O2                     NO




          Ox.                      




    denaturiertes          denaturiertes
      Protein                Protein

             3+                     2+
        Fe                     Fe


       H2O                      NO

    (grau-braun)              (rosa)
                                      4. Verwendung von Nitraten

  Verwendung von Nitraten als Kältemittel

• einige Nitrate lösen sich endotherm in Wasser

   Eignung als Kältemittel

  (z.B. Einmal-Kältepack für Sportverletzungen)




                                Einmal-Kältepack
           4. Verwendung von Nitraten




  Versuch 5:
Selbstbau eines
  Kälte-Packs
                                       4. Verwendung von Nitraten


             Energieschema Lösungsvorgang

H


      HGitter   HSolvatation    HGitter   HSolvatation




                                                  HLösung>0

                     HLösung<0

      exothermer                   endothermer
     Lösungsvorgang               Lösungsvorgang
                                                   4. Verwendung von Nitraten

• endothermer Lösungsvorgang

   Lösung kühlt sich ab



  Hydratation:

 1) NH 4 NO3 s             
                        " NH 4 " " NO3 "
         
 2) " NH 4 " " NO3 "             
                                NH 4  aq   NO3 aq 


  hier:
      H Lösung  H Solvatation  H Gitter  0
                                     4. Verwendung von Nitraten

• Reaktion ist exergonisch (d.h. ΔG<0):



          G  H  T  S
                 0   0

           S  0



• Triebkraft der Reaktion: Zunahme der Entropie
                                     4. Verwendung von Nitraten

          Verwendung von Nitraten als
           Oxidationsmittel/Pyrotechnik

• Nitrat in Salzform bzw. in Schmelzen gutes
  Oxidationsmittel



• Anwendungen: Schwarzpulver, Pyrotechnik




       Schwarzpulver
               4. Verwendung von Nitraten




       Versuch 6:
Oxidation von Holzkohle
durch eine KNO3-Schmelze
                                                4. Verwendung von Nitraten

• Reaktionsgleichung


     5            0           4                4                0
4 KNO3 l   5 C s      3 CO2 g   2 K 2CO3 s / solv.  2 N 2 g 




                 Holzkohle in KNO3(l)
          4. Verwendung von Nitraten




 Versuch 7:
„Knallpulver“
                                                                                   4. Verwendung von Nitraten

• Reaktionsgleichungen (schematisch)


             2                              0               2/ x        2 2                                             0
4 K 2CO3l    x  2  Sl                             K 2 S x , K 2 S 2O3                       4 CO2 g   1 O2 g 
                                                                                                                  2
                                                             " Schwefelleber "       l / solv.
 5                      2/ x                       3                   +2     2
NO3l / solv.  S        2
                           x  l / solv .
                                                      
                                                    NO2 l / solv.  S2O         2
                                                                                 3  l / solv .      ...

 3                         +2    2                                       6                          0         2
                                  2                     Explosion              2
NO    2  l / solv .    S 2O    3  l / solv .                          SO    4  l / solv .    N 2  g   NO g   ...
                                    4. Verwendung von Nitraten

• Wirkung des Pulvers nur bei langsamen Erhitzen
  (Bildung von „Schwefelleber“)



• Entzündung: nur unvollständiger Abbrand



• Abbrandgeschwindigkeit Schwarzpulver: ca. 400 m/s,

  Abbrandgeschwindigkeit „Knallpulver“: 1200-3200 m/s

   Detonation (Geschwindigkeit >1000 m/s)
                                       4. Verwendung von Nitraten

    Verwendung von Ammoniumnitrat als
                Sprengstoff

• Ammoniumnitrat als Sprengstoff



• Verwendung z.B. im Bergbau



• kräftige Initialdetonation kann zur Detonation von
  NH4NO3 ausreichen
                                    4. Verwendung von Nitraten




Oppauer Werk der BASF nach der Explosion (1921)
                                                         4. Verwendung von Nitraten

• Krater: 125 m Länge, 90 m Breite, 19 m Tiefe

• 500 Tote, 7000 Obdachlose

• Explosionsknall bis Frankfurt a.M. hörbar (80 km entfernt)

• Versuch, ca. 4500 t Ammonsulfatsalpeter
   (2 NH4NO3∙(NH4)2SO4) mit Dynamit „loszusprengen“

   3   5       3     +6                                         4              0
2 NH 4 NO3   NH 4 2 SO4 s 
                                  Initial-Impuls
                                                   8 H 2O g /l   SO2  g   3 N2 g 
             4. Verwendung von Nitraten




     Versuch 8:
 „Explosionsartige“
Zersetzung von NH4NO3
                                                            4. Verwendung von Nitraten

  • Reaktionsgleichung hier:

         3    5                       0              4                 2
                     hohe Temp.
  8 NH 4 NO3 s                   5 N 2  g   2 NO2 g   4 NO g   16 H 2O g / l 


  • Explosion
    3        5
                    Initial  Zündung            0          0
2 NH 4 NO3 s                              2 N 2 g   O2 g   4 H 2O g / l 


  • langsames Erhitzen

    3        5                            1
                    lansames Erhitzen
   NH 4 NO3 s                             N 2O g   2 H 2O g / l 
                                            5. Schulrelevanz

               Schulrelevanz

• Behandlung alltagsrelevanter Aspekte (Düngung und
  damit verbundene Probleme, Pyrotechnik,
  Lebensmittelkonservierung)



• geschichtliche Zusammenhänge thematisierbar
  (militärische Verwendung von Schwarzpulver, Chemie-
  Katastrophen etc.)
                                           5. Schulrelevanz

   Lehrplanrelevanz nach dem hessischen
          Lehrplan für Gymnasien (G8)


• 7G: endotherme und exotherme Reaktionen im Alltag



• 9G: Hydratation von Salzen in Wasser, Säuren und
  Laugen, Aufbau und Funktion von Böden, Düngung
                                               5. Schulrelevanz

• GK/LK12G: Bodenuntersuchungen, Untersuchungen von
  Düngemitteln, Enthalpie, Entropie, freie Energie,
  Nahrungsmittel (Zusatzstoffe, Konservierung)
             6.Ende




Das war‘s…

								
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