Experimentalvortrag Reaktionen mit elementarem Natrium AnnaLena Eicke Mittwoch

Experimentalvortrag Reaktionen mit elementarem Natrium Anna-Lena Eicke Mittwoch, 08. 07. 09, 9 Uhr Marburg

Gliederung 1. Natriumvorkommen und Entdeckung Versuch 1 2. Industrielle Herstellung 3. Eigenschaften Demonstration 1, Versuche 2, 3, 4 und 5 4. Wichtige Natriumverbindungen Demonstration 2 5. Verwendung 6. Schulrelevanz 7. Literatur- und Abbildungsverzeichnis 2

1. Natriumvorkommen • Sechst-häufigstes Element in der Erdkruste • Lagerstätte • • Steinsalz: Na. Cl (auch im Meerwasser) Soda: Na 2 CO 3 Chilesalpeter: Na. NO 3 Glaubersalz: Na 2 SO 4 • Natriummineralien • Albit/Natronfeldspat: Na[Al. Si 3 O 8] 3

Entdeckung des elementaren Natriums • 1737 stellte du Monceau fest, dass Kochsalz, Glaubersalz und Soda eine gemeinsame Basis haben • 1806 elektrolysierte Humphrey Davy wasserfreie Schmelzen der Alkalisalze • Namensgebung: „sodium“ wurde mit „Natronium“ übersetzt, woraus schließlich „Natrium“ wurde Abb. 1: Sir Humphrey Davy 4

Versuch 1: Darstellung von Natrium -Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid-

Versuch 1: Synthese von elementarem Natrium -2 +1 Anode: +1 0 0 Kathode: Gesamt: +1 -2 +1 0 +1 -2 0 Das entstehende Natrium wird zum einen durch das entstehende Wasser oxidiert, zum anderen zündet es sich aufgrund der hohen Temperaturen selbst. 6

Castner-Verfahren Sammelglocke für das Natrium Anode (Nickelzylinder) Eisendrahtnetzzylinder Kathode (Kupfer) Abb. 2: Castner-Zelle 7

2. Industrielle Herstellung: Downs-Verfahren Anode: -1 Abb. 3: Downs-Zelle 0 Kathode: +1 0 Gesamtreaktion: +1 -1 0 0 8

3. Eigenschaften des Natriums • 1. Hauptgruppe: Alkalimetall relative Atommasse in g/mol Oxidationszahl Dichte in g/cm 3 bei 20 °C Ordnungszahl Elektronegativität Schmelzpunkt in °C 9

Physikalische Eigenschaften • weiches Metall mit geringer Dichte • großer Atomradius • niedrige Schmelz- und Siedepunkte (Smp. 97, 8 °C, Sdp. 881, 3 °C) • elektrisch und thermisch leitfähig 10

Demonstration 1 Natrium schneiden & Autoxidation

Demonstration 1: Natrium schneiden & Autooxidation • frisch geschnittenes Natrium ist blank und silbern • nach kurzer Zeit an (feuchter) Luft, läuft es weiß an: Bildung einer Oxid- bzw. Hydroxidschicht 0 0 0 +1 -2 +1 0 12

Versuch 2 Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol

Versuch 2: Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol Reaktion von Natrium in Wasser 1. 0 +1 -2 +1 0 14

Versuch 2: Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol Reaktion von Natriumhydroxid mit Luminol 2. 15

Versuch 2: Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol Reaktion von Natrium in Wasser 0 +1 -2 +1 0 Reaktion von Natrium in Ethanol -2 +1 0 Natrium wird in Petroleum oder Paraffinöl aufbewahrt, weil diese nur aus Kohlenwasserstoffen bestehen und relativ reaktionsträge sind 16

Versuch 3 Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak

Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak Abb. 4: Kondensieren von gasförmigen Ammoniak 18

Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak 0 +1 • Bildung von solvatisierten Metallkationen und Elektronen • die solvatisierten Elektronen sind – in geringer Konzentration für die blaue Farbe – in hoher Konzentration für die metallisch-bronzene Färbung verantwortlich 19

Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak • mit steigender Natriumkonzentration bilden sich außerdem: – Ionenpaare – Anionen – Dimere 20

Versuch 4 Verbrennung von Natrium

Versuch 4: Verbrennung von Natrium Hauptprodukt ist Natriumperoxid: 0 0 +1 -1 Nebenprodukt ist Natriumoxid 0 0 +1 -2 Abb. 5: Verbrennung von Natrium 22

Natrium-D-Linie • zwei Spektrallinien (589 und 589, 6 nm) • Übergang des äußeren Elektrons aus dem angeregten 3 p-Zustand in den 3 s-Grundzustand • zwei 3 p-Zustände, bedingt durch die Spin-Bahn. Kopplung des Elektronenspins mit dem Bahndrehimpuls: Gesamtdrehimpuls von 1/2 und 3/2 Abb. 6: Spektrallinien von Natrium 23

Versuch 5 Reaktion von Natrium mit Wasserstoffperoxid

Versuch 5: Reaktion von Natrium mit Wasserstoffperoxid 0 +1 -1 +1 0 -1 +1 -2 +1 +1 -2 0 • wegen der geringeren Dichte schwimmt das Natrium auf dem Wasserstoffperoxid Entzündung • Chemolumineszenz beruht wahrscheinlich auf der Bildung von Natrium-Suboxiden 25

4. Wichtige Natriumverbindungen • Natriumchlorid (Demonstration 2) • Natriumhydroxid • Natrium kommt in vielen Verbindungen als Kation vor und beeinflusst die physikalischen Eigenschaften dieser 26

Demonstration 2 Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen

Abb. 7: Versuchsaufbau für die Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen 28

Video: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen 29

Abb. 8: Versuchsergebnis im Überblick Abb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen 30

Demonstration 2: Synthese von Natriumchlorid aus dem Elementen +1 +7 -2 +1 -1 0 +2 0 -1 0 +1 -1 +1 +1 -1 Abb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid 31 -2

Physiologische Bedeutung • Körperbestand: 1, 4 g/kg Körpergewicht • Bedarf: < 0, 5 g/Tag • Überversorgung: Ödeme, Bluthochdruck • Hauptfunktion: Aufrechterhaltung des osmotischen Drucks im extrazellulären Raum • Vorkommen: Fleisch und Wurst 32

5. Verwendung Herstellung von Antiklopfmittel • mehr als die Hälfte des erzeugten Natriums wurde 1991 für die Herstellung von Tetraethyl- und Tetramethylblei verbraucht • Verschmelzung von Blei und Natrium zu einer Legierung, die mit Ethyl- bzw. Methylchlorid umgesetzt wird: 33

Herstellung von elektropositiven Metallen • Natrium wird als Reduktionsmittel zur Herstellung von elektropositiven Metalle wie z. B. Titan verwand • Schutzgasatmosphäre, damit Ti. Cl 4 nicht hydrolysiert und Natrium nicht mit dem Luftsauerstoff reagiert • Elektrolyse in einem. Temperaturbereich von 801 °C – 881 °C „Hunter“-Verfahren +4 -1 0 0 +1 -1 34

Natrium-Schwefel-Batterie 0 0 +1 -x Abb. 11: Na/S-Batterie • 50 – 100 dieser Zellen sind in luftdichten Edelstahlbehältern zu sekundären Natrium-Schwefel. Akkummulatoren zusammengefasst • spendet 3 mal mehr Energie pro Gewichtseinheit als ein Bleiakkumulator, muss allerdings erst auf 35 Betriebstemperatur (350 °C) gebracht werden

Natriumdampf-Entladungslampen • in den Lampenkolben wird Natrium eingeschmolzen, welches zu Beginn der Entladung verdampft Ionisation • die bei einem Zusammenstoß von zwei Elektronen auftretende Energie wird in Form von Licht wieder Abb. 12: Natriumdampf-Lampe abgegeben 36

Natrium in der organischen Chemie • Birch-Reduktion von Cyclohexadienen über einen Ein-Elektronen -Übertragungsmechanismus • Zerstörung halogenorganischer Verunreinigungen organisch gebundenes Chlor verbindet sich mit Natrium zu Natriumchlorid, welches abgetrennt werden kann • in Form des Natrium-Drahtes als Trockenmittel 37

6. Schulrelevanz Klasse 8: Alkalimetalle • Kennenlernen der Eigenschaften und Verwendung der Metalle der Elementfamilie • Sicherheitsaspekte begründen und beachten • Chemische Reaktionen durchführen, vergleichen und deuten Klasse 10/12: Redoxreaktionen (Elektrolysen) bzw. Großtechnische Verfahren Abb. 13: Lehrer Hämpel 38

7. Literaturverzeichnis BKK Gesundheit, Nährstoffe – Mineralstoffe – Natrium, http: //www. bkkgesundheit. de/ratgeber/ernaehrung/naehrstoffe/inhalt. lass o? a=naehrstoffe 2 (letzter Zugriff: 22. 6. 09, 11: 07 Uhr) Brandl, H. , Versuche zur Chemolumineszenz mit Alkalimetallen, in Mathematisch-Naturwissenschaftlicher Unterricht 46/3, S. 168 - 172 Gerstner, E. , Skriptum zum Anorganisch-chemischen Praktikum für Lehramtskandidaten, 3. , teilweise neu bearbeitete und erweiterte Auflage, 1993, 1. unveränderter Nachdruck 2003, Marburg 1993/2003 Holleman, A. F. , Wiberg, E. und N. : Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. , stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007 Mortimer, C. , Basiswissen der Chemie, 8. komplett überarbeitete und erweiterte Auflage, Thieme-Verlag, Stuttgart, 2003 Praxis der Naturwissenschaften – Chemie 6/40, Themenheft Alkalimetalle, Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln, 1991 Riedel, E. , Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2004 39

Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Sir Humphrey Davy, http: //www. kjemi. uio. no/periodesystemet/vis. php? e=Cl&id=471 (letzter Zugriff: 21. 6. 09, 19: 44 Uhr) Abb. 2: Castner-Zelle, http: //www. chemgapedia. de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/c/ca/castner_00045 verfahren. glos. ht ml (letzter Zugriff: 21. 6. 09, 19: 48 Uhr) Abb. 3: Downs-Zelle, http: //www. seilnacht. com/referate/elektro 1. htm (letzter Zugriff: 21. 6. 09, 19: 50 Uhr) Abb. 4: Kondensieren von gasförmigen Ammoniak, Anna-Lena Eicke Abb. 5: Verbrennung von Natrium, von Anna-Lena Eicke Abb. 6: Spektrallinien Natrium, http: //www. physikdidaktik. unikarlsruhe. de/software/hydrogenlab/Atomphysik/08_Stunde/Spektralanalyse/Spektrallinien. htm (letzter Zugriff: 21. 6. 09, 19: 52 Uhr) Abb. 7: Versuchsaufbau für die Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena Eicke Video: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena Eicke Abb. 8: Versuchsergebnis im Überblick, von Anna-Lena Eicke Abb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen, von Anna-Lena Eicke Abb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid, http: //www. schulestudium. de/Chemie/Ionenbindung. html (letzter Zugriff: 21. 6. 09, 19: 54 Uhr) Abb. 11: Natrium-Schwefel-Batterie, Holleman, A. F. , Wiberg, E. und N. : Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. , stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007 Abb. 12, Natriumdampfentladungslampe, http: //www. chemische-experimente. com/Alkalimetalle. htm, (letzter Zugriff: 22. 6. 09, 11: 14 Uhr) Abb. 13: Lehrer Hämpel, http: //www. e-teachingaustria. at/02_cont/03 content/03_biologie/Haltung/index. htm (letzter Zugriff: 21. 6. 09, 19: 46 Uhr) 40

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 41