WWU - Didaktik der Chemie Chemische Bindung II Komplexchemie

i Stoffminimierung am Beispiel der Komplexchemie 

1. Zusammenfassung
2. Der Salzsäure-Springbrunnen
3. Ammoniak-Nachweis in der Mikrogaskammer
4. Protolyse von Chlorwasserstoff
5. Komplexbildung farbiger Metallsalze und Ionophorese
6. Radikalische Substitution von Wasserstoff durch Brom am Heptan (OH-Projektion)

1 Zusammenfassung

Bei der  Vermittlung einfacher Bindungstypen, wie sie bei binären ionischen Verbindungen vorliegen, gilt eine einfache Regel: jedes Element ist bestrebt in Abstimmung mit dem Reaktionspartner eine Elektronenkonfiguration des nächstliegenden Edelgases zu erreichen.

Daneben gilt es auch kompliziertere Verbindungen zu verstehen, die Komplex-Verbindungen. Hier scheinen Verbindungen zu existieren, deren Bindungsregeln  den einfachen Reaktionsverläufen widersprechen. 

Am Beispiel der Reaktionen von (neutralen) Salzen mit starken Säuren bzw. Basen lassen sich die Säure-Basen-Gleichgewichte erweitern.

Verdrängungsreaktionen, die die Flüchtigkeit eines Stoffes zur Verschiebung einer Gleichgewichtslage nutzen, kann durch den Ammoniak-Nachweis aus organischen Aminen durch Natriumhydroxid deutlich gemacht werden - eine Anwendung des "Ammoniak-Springbrunnens.

Am Beispiel von farbigen Metallsalzen lässt sich die Komplexbildung nachweisen durch Umkehr der Wanderungsrichtung.

Am Beispiel der Substitution von Wasserstoff durch Brom kann eine Verdrängungsreaktion nichtionischen Typs gezeigt werden.

Diese Reaktionen werden in Form von Experimenten zugänglich, die mit minimalen Stoffportionen in geschlossenen Systemen durchgeführt werden.

2  Der Salzsäure-Springbrunnen

Schülerinnen und Schüler vermuten im ersten Anlauf, dass Kochsalz (Natriumchlorid) und Schwefelsäure nicht miteinander reagieren, da sie keine entgegengesetzten Eigenschaften besitzen. Kochsalz ist ein Salz, das bei der Neutralisation von Natronlauge mit Salzsäure entsteht, außerdem kommt es natürlicherweise vor, ohne chemische Reaktionen zu zeigen.

Anders ist es mit der Schwefelsäure, diese komm in der Natur nicht in reiner Form vor, sie reagiert in der Regel sofort. Das lässt vermuten, dass Natriumchlorid mit Schwefelsäure reagieren könnte. Die Frage ist, welche Eigenschaft die Reaktionsprodukte besitzen. Diese Frage kann im dem für die Sicherheit wichtigen Teilaspekt von Schülerinnen und Schülern beantwortet werden, obwohl sie innerlich noch gar nicht von einer chemischen Reaktion überzeugt sind.

Welche Eigenschaften können die Stoffe besitzen, so dass sie in einer Gefährdungsanalyse bedacht werden sollten?

• die Reaktionsprodukte könnten fest sein. Das bedeutet keine unmittelbare Gefährdung des Experimentierenden, da feste Stoffe das Reaktionsgefäß nicht verlassen und somit keine unmittelbare Gefahr für den Experimentierenden bedeuten. Erst bei der Entsorgung fester Stoffe gilt es, die Umweltgefährdung reaktiver Stoffe für die Nachwelt zu minimieren. Diese Stoffe gehören auf in den Sondermüll. Von dort gelangen sie auf die Sondermülldeponie, die so konstruiert ist, dass beim Beregnen die Gefahrstoffe nicht ausgewaschen werden und ins Oberflächenwasser (Bäche, Flüsse, Meer) oder Grundwasser gelangen
• die Reaktionsprodukte könnten teilweise flüssig sein. Flüssigkeiten stellen bereits durch ihre Beweglichkeit eine Gefährdung dar. So könne eine Flüssigkeit beim Kippen einer Apparatur schnell in einen anderen Bereich der Apparatur fließen. Ebenso könnte durch Auftreten von Unterdruck oder Überdruck eine Flüssigkeit zurücksteigen oder überlaufen. Diese erhöhte Gefährdung zwingt den Experimentator zu erhöhter Aufmerksamkeit. Letztlich gilt es jeden Hautkontakt mit dem Gefahrstoff zu vermeiden.
• die Reaktionsprodukte könnten teilweise gasförmig sein. Von diesen Stoffen geht die größter Gefahr für den Experimentierenden aus. Mit dem Freiwerden eines gefährlichen Gases ist die Gefahr der Vergiftung oder Schockreaktion besonders groß, schließlich muss atmet jeder Mensch unter normaler körperlicher Belastung etwa 15 Atemzüge pro Minute ein. Daher verlangt der Gesetzgeber den Einsatz geschlossener Apparaturen, soweit es nach dem Stand der Technik möglich ist.

Halbmikrochemische Springbrunnen nach K.-G. Häusler 

als Salzsäure Springbrunnen

als Ammoniak-Springbrunnen

Salzsäure und Ammoniak-Springbrunnen im Vergleich

 

Salzsäurespringbrunnen nach Th. Seilnacht

Th. Seilnacht zeigt, wie man mit einer Makroapparatur zunächst Chlorwasserstoff im Abzug erzeugt, anschließend wird im zweiten Teil des Experimentes 

Halbmikrochemische Springbrunnen nach microchem

P. Schwarz zeigt, wie man den Stoffeinsatz durch Halbmikrotechnik mit einfachen Mittel minimieren kann und zeigt so die Springbrunnenversuche in einer ungefährlicheren Variante. aber auch hier werden die Versuche als Lehrerversuche eingestuft, weil sie als offene Apparaturen geplant sind.

als Salzsäure Springbrunnen 

als Ammoniak-Springbrunnen

3  Ammoniak-Nachweis in der Mikrogaskammer

Bild 1: Ammoniak- Nachweis mit der Mikrogaskammer

4  Protolyse von Chlorwasserstoff

Leitfähigkeit von Chlorwasserstoff in verschiedenen Lösemitteln (halbmikrochemisch)

Weitere Versuchsliteratur (Uni-Bayreuth, Chemie-Didaktik, Säure-Basen-Reaktion, Unterrichtsentwurf )

5  Komplexbildung farbiger Metallsalze und Ionophorese

Objektträger mit Filterpapier umwickeln. Die Mitte wird mit Bleistift markiert. Das Filterpapier wird mit verdünnter Kaliumnitrat-Lösung angefeuchtet. Die beiden Enden werden mit Bleistift-Minen (Kohle-Elektroden) belegt und mit zwei Krokodilklemmen kontaktiert. 

Auf die Mitte des Filterpapiers gibt man einen kleinen Kristall eines farbigen Metallsalzes und elektrolysiert mit Gleichspannung.

Beim Anlegen von Spannung bilden sich farbige 

6  Radikalische Substitution von Wasserstoff durch Brom am Heptan (OH-Projektion)

Experimente in Mikrogaskammer

Bild 2: Radikalische Substitution von Wasserstoff durch Brom 

uni-saarland (Die Versuchsbeschreibungen sind nicht auf dem neuesten Sicherheitsstand!! Hier n-Heptan statt n-Hexan nehmen!)

Literatur

Hinweise auf  die gesetzlichen Bestimmungen

Chemikaliengesetz ChemG
Gefahrstoffverordnung GefStoffV ( html - Dokument )

 SiNTU 

© 2001 HMTC - Halbmikrotechnik Chemie;
Klaus-G. Häusler ; haeusler[at]muenster[dot]de  
www.muenster.de/uiw/fach/chemie/institut/wwu/haeusler2/s-std11.htm_18.11.2005 19:57