Experimentalvortrag zum Thema Nitrate von Jan Grosse Austing

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 (HNO 3) • meist gut wasserlöslich • Lösung ist farblos (sofern Kation farblos) • Struktur: nicht sondern

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 • Entdeckung: Ca(NO 3)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:

2. Darstellung früher • Bildung Calciumnitrat Ca(NO 3)2 -Ausblühungen

2. Darstellung früher • Umwandlung mit Pottasche (K 2 CO 3 ): • Eindampfen der Lösung liefert KNO 3

2. Darstellung früher Salpetersieder

2. Darstellung heute • 1900: Ostwald-Verfahren („Ammoniak-Verbrennung“) Wilhelm Ostwald

2. Darstellung heute Versuch 2: Ostwald-Verfahren

2. Darstellung heute • mögliche Produkte: N 2 O, N 2, NO • erwünschte Reaktion ( ): kurze Verweilzeit am Katalysator (~10 -3 s)

2. Darstellung heute • Umsetzung zu Salpetersäure:

2. Darstellung heute • Zerstörung Nitrit für Nitrat-Nachweis:

2. Darstellung heute • Darstellung von Nitraten: Salpetersäure + Metall oder -oxid/-hydroxid/-carbonat Bsp.

2. Darstellung heute • Schema: Nitrat-Darstellung heute

2. Darstellung heute NH 3 -Verbrennung industrielle Anlage zur HNO 3 -Produktion

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

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

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

3. Nachweis • Ringprobe

3. Nachweis • Lunges Reagenz 1) Reduktion Nitrat zu Nitrit 2) Bildung des Nitrosyl-Kations

3. Nachweis 3) Diazotierung

3. Nachweis 4) Azokupplung

4. Verwendung von Nitraten Feuerwerk Pökelsalz Kältemischungen Dünger Sprengstoff

4. Verwendung von Nitraten als Dünger • Düngung = Zufuhr von Pflanzennährstoffen zur Ertragsund Qualitätssteigerung von Nutzpflanzen • Nitrat: Stickstoffliefernde Komponente • z. B. als Kalkammonsalpeter (NH 4 NO 3 mit ca. 22 % Kalk) Kalkammonsalpeter

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

4. Verwendung von Nitraten • Überdüngung problematisch: Eutrophierung, N 2 O-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

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)

4. Verwendung von Nitraten 2) Oxidation des Hämoglobins (Hb) zu Methämoglobin (Met. Hb) ( ) Met. Hb nicht mehr zum O 2 -Transport fähig (Säuglinge: Enzymkonzentration für Reaktion Met. Hb zu Hb gering) Hinweis auf Mineralwasser-Flaschen

4. 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: • Ascorbinsäure Hilfsstoff: Hemmung Nitrosaminbildung

4. Verwendung von Nitraten • Bildung von Stickoxidmyoglobin, Erhitzen

4. 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

4. Verwendung von Nitraten • endothermer Lösungsvorgang Lösung kühlt sich ab Hydratation: hier:

4. Verwendung von Nitraten • Reaktion ist exergonisch (d. h. ΔG<0): • Triebkraft der Reaktion: Zunahme der Entropie

4. 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 KNO 3 -Schmelze

4. Verwendung von Nitraten • Reaktionsgleichung Holzkohle in KNO 3(l)

4. Verwendung von Nitraten Versuch 7: „Knallpulver“

4. Verwendung von Nitraten • Reaktionsgleichungen (schematisch)

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 NH 4 NO 3 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 NH 4 NO 3∙(NH 4)2 SO 4) mit Dynamit „loszusprengen“

4. Verwendung von Nitraten Versuch 8: „Explosionsartige“ Zersetzung von NH 4 NO 3

4. Verwendung von Nitraten • Reaktionsgleichung hier: • Explosion • langsames Erhitzen

5. 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 (G 8) • 7 G: endotherme und exotherme Reaktionen im Alltag • 9 G: Hydratation von Salzen in Wasser, Säuren und Laugen, Aufbau und Funktion von Böden, Düngung

5. Schulrelevanz • GK/LK 12 G: Bodenuntersuchungen, Untersuchungen von Düngemitteln, Enthalpie, Entropie, freie Energie, Nahrungsmittel (Zusatzstoffe, Konservierung)

6. Ende Das war‘s…