|
Giftige und ätzende Gase (Kap.5) LSW NRW Soest |
 |
2 Ziele und Inhalte
3 Experimente für den Unterricht4 Alltags- und Umweltbezüge; Materialien
5 Beispiele unterrichtlicher Sequenzen
5.1 Kohlenstoffmonooxid
5.2 Chlorwasserstoff (Hydrogenchlorid)
5.3 Ammoniak
5.4 Stickstoffoxide
5.5 di-Hydrogensulfid (Schwefelwasserstoff) und Schwefeldioxid
5 Beispiele unterrichtlicher Sequenzen
Die Behandlung der giftigen Gase erfolgt hier nach zwei Gesichtspunkten:
Zum einen kann die Umweltrelevanz im Vordergrund der Betrachtung giftiger Gase stehen. In diesem Falle können einzelne Entstehungsprozesse giftiger Gase betrachtet werden. Ein gut ausgearbeitetes Beispiel ist die "Rauchgasreinigung bei Großfeuerungsanlagen" von B. Schumacher.
Weitere Beispiele sind dem Themenheft der Zeitschrift "Naturwissenschaft im Unterricht, (NiU); Luft und Luftreinhaltung" zu entnehmen. Ebenso könnten Reaktionsprinzipien z.B. Säure/Basen-, Redox- oder Komplexbildungsgleichgewichte zusammengefaßt werden. Hierzu erfolgen keine weiteren Ausführungen.
Zum anderen können die Eigenschaften und das chemische Verhalten der Stoffe im Vordergrund stehen.
Unterrichteinheiten werden nach dem hier gebotenen Vorschlag so gebildet, daß an Hand miteinander verknüpfter Experimente die Stoffchemie richtliniengemäß, pädagogisch-didaktisch und rechtlich unbedenklich vermittelt wird. Ein solches Vorgehen hat den Vorteil, daß
1. der Gefahrengesichtspunkt im Zusammenhang mit der allgemeinen chemischen Umsetzung gesehen wird,
2. die Lehrkraft sich nur für vergleichsweise kurze Zeit vorrangig dem Gefahrengesichtspunkt zu widmen hat,
3. Schüler(innen) und Lehrkräfte ggf. nur für kurze Dauer einem Gefahrstoff ausgesetzt werden.
5.1 Kohlenstoffmonooxid
Die bekanntesten anorganischen Verbindungen des Kohlenstoffs sind Kohlenstoffdioxid, Kohlensäure und deren Salze sowie auch das Kohlenstoffmonooxid. Letzteres tritt eigentlich nicht zwangsläufig aus fachsystematischen Gründen in Erscheinung. Vielmehr wird es vor allem wegen seiner hohen Giftigkeit an dieser Stelle erwähnt. Oftmals bleibt eine experimentelle Betrachtung - allerdings wohl schulformabhängig - in diesem Zusammenhang gänzlich aus. Wird das Gas jedoch näher betrachtet, so läßt sich hier eigentlich nur die reduzierende Eigenschaft des aus Methansäure und Schwefelsäure dargestellten Stoffes zeigen. Dazu verwendet man Lösungen von Palladium(II)-chlorid oder Silbernitrat. Diese reduzierende Wirkung zeigt im Gegensatz zu Kohlenstoffmonooxid das Kohlenstoffdioxid selbstverständlich nicht. Im allgemeinen dürfte eine nähere Betrachtung technischer Prozesse, insbesondere des Hochofenprozesses in Betracht kommen. Folgende Experimente bieten sich an:
1. Darstellung des Gases aus Methansäure und Schwefelsäure
2. Demonstration der reduzierenden Eigenschaften mit Hilfe von Palladium(II)-chlorid oder Silbernitrat,
3. Demonstration der reduzierenden Eigenschaft des Gases aus dem inneren hellblauen Kegels eines Gasbrenners, hervorgerufen durch Kohlenstoffmonooxid,
4. Demonstration der von der Temperatur abhängigen Synproportionierung von Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonooxid nach dem Reaktionsschema
C + CO2 --> 2 CO.
Schließlich tritt Kohlenstoffmonooxid innerhalb der Betrachtung der organischen Chemie, hier eben im Zusammenhang mit der Methansäure auf. Die Reaktion, die bei der Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure auf Methansäure eintritt, sollte gründlich betrachtet werden. Bei einer unbedachten Versuchsgestaltung, z.B. bei einem Versuch zur Veresterung von Methansäure, könnte sich diese Reaktion ungewollt einstellen.
5.2 Chlorwasserstoff (Hydrogenchlorid)
Ein möglicher Unterrichtsgang könnte z.B. seinen Ausgangspunkt nehmen, wenn von der bekannten Salzsäure festgestellt wird, daß es sich bei dieser Säure um die Lösung eines Gases in Wasser handelt. Schon allein die Feststellung, daß feuchtes Indikatorpapier oberhalb einer geöffneten Salzsäureflasche und ohne Kontakt mit der Flüssigkeit Säure signalisiert, legt diese Vermutung nahe. Folgerichtig schließt sich nun die Synthese aus den Elementen Wasserstoff und Chlor an. Eine Wasserstoffflamme läßt sich auch unter Sauerstoffabschluß allein in Chlor unterhalten. Die gute Löslichkeit des Gases in Wasser kann man mit Hilfe des "Salzsäure-Springbrunnens" zeigen.
Das Gas Chlorwasserstoff erlaubt die experimentelle Untersuchung elektrochemisch bedeutsamer Erkenntnisse. Löst man Chlorwasserstoff in einem unpolaren Lösemittel, so bleibt elektrische Leitfähigkeit aus. In dem polaren Lösemittel Wasser ergibt sich dagegen gutes Leitvermögen.
Weitere wichtige Eigenschaften der Salzsäure, die ätzende Wirkung, die Bildung von Chloriden u.a.m. wird im Zusammenhang der Säuren dargelegt. Didaktisch kann die Betrachtung des Chlorwasserstoffs an dieser Stelle eingegliedert werden.
Aus historischen wie auch aus fachsystematischen Gründen wird die Darstellung von Chlorwasserstoff durch Einwirken von Schwefelsäure auf Natriumchlorid behandelt.
Aus der Sicht der organischen Chemie tritt Chlorwasserstoff vor allem als ein Grundstoff zur Herstellung von Vinylchlorid auf, das wegen seiner praktischen Bedeutung Beachtung finden sollte. Technische und wirtschaftliche Betrachtungen von Bedeutung lassen sich anschließen. Insbesondere lassen sich die Probleme um die Zwangsanfallstoffe, hier Natronlauge bei der elektrochemischen Herstellung von Chlor, bzw. Soda als Folgeprodukt, erörtern.
5.3 Ammoniak
Ammoniak tritt im Chemieunterricht der Sekundarstufe I etwa in der Jahrgangsstufe 9 als Thema auf. Im allgemeinen dürfte hierbei vom bekannten "Salmiakgeist" ausgegangen werden, der unter dieser herkömmlichen Bezeichnung oder als Ammoniaklösung allgemein bekannt sein dürfte. Durch Versuche, die auch als Schülerversuche zugelassen sind, werden
demonstriert.
Im Zusammenhang mit dem HABER-BOSCH-Verfahren wird vorteilhaft die technische Umsetzung des "Prinzips vom kleinsten Zwang" betrachtet.
Über den fachwissenschaftlichen Rahmen der Chemie hinaus sollten hier auch wirtschaftliche und politische Aspekte erörtert werden, insbesondere die Bedeutung des Ammoniaks für die Düngemittel- und die Sprengstoffindustrie. Mit der Ammoniakverbrennung läßt sich schließlich der Übergang zu den Themenbereichen der Stickstoffoxide, der Salpetersäure und der Nitrate herstellen.
5.4 Stickstoffoxide
Im Chemieunterricht der Sekundarstufe I sind die Unterrichtseinheiten zum Thema "Oxide des Stickstoffs" als solche nicht vorgesehen. Die Oxide des Stickstoffs treten erst als begleitende Stoffe zum übergeordneten Thema "Salpetersäure und Nitrate" auf.
Dabei wird Stickstoffdioxid im Unterricht entweder durch sog. "Luftverbrennung" oder aber durch Einwirkung von Salpetersäure auf Kupfer oder Zink dargestellt. Auch die katalytische Verbrennung von Ammoniak mit Luftsauerstoff ist im Demonstrationsversuch möglich.
In der Regel schließt sich die Betrachtung der Reaktion von Stickstoffdioxid mit Wasser unter Bildung von Salpetersäure an. Auch das druckabhängige Gleichgewicht zwischen Stickstoffdioxid und di-Stickstofftetraoxid kann wegen des mit dem Übergang verbundenen Farbumschlages leicht demonstriert werden.
Neben den dargestellten Möglichkeiten zur Erzeugung von Stickstoffdioxid wird oftmals das Einwirken von konzentrierter Schwefelsäure auf Natriumnitrat gezeigt. Dabei tritt Stickstoffdioxid NO2 als Nebenprodukt auf
Der Zusammenhang mit den Themenbereichen Salpetersäure/Nitrate ist nicht mehr zwangsläufig, wenn man zum Beispiel im Rahmen eines Projektes sich der Abgasproblematik, insbesondere auf Autoabgase bezogen, annimmt. In diesem Fall wäre eine andere Einbettung gegeben: Stickstoffoxide wären dann neben anderen schädlichen Abgasen (Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonooxid) als umweltschädigende Stoffe zu betrachten. Der Zusammenhang mit der Salpetersäure wäre insofern wichtig, als die schädigende Wirkung des Gases vor allem darin seine Ursache hat, daß Salpetersäure als Folgeprodukt entsteht. Die Wirkung eines Autoabgaskatalysators wäre am Beispiel des Stickstoffdioxids wegen des Zerfalls in die Elemente Sauerstoff und Stickstoff zu besprechen.
5.5 di-Hydrogensulfid (Schwefelwasserstoff) und Schwefeldioxid
Die für die Behandlung des Schwefels und seiner Verbindungen verfügbare Unterrichtszeit ist nach Schulform und Klassendifferenzierung unterschiedlich. In jedem Falle darf von einer Mindestzahl von 10 Stunden ausgegangen werden.
Themenkreis Schwefel
Bei der Vermittlung der Schmelzeigenschaften des Schwefels ist vorteilhaft, Magnesia-Stäbchen in die Schwefelschmelze zu tauchen und abzukühlen. Mit ihnen können sowohl die unterschiedlichen Zustände der Schmelze bei Verwendung kleiner Portionen Schwefel als auch die anschließende langsame Rekristallisation gezeigt werden. Die so mit einem kleinen Schwefelkopf versehenen Magnesiastäbchen können dann zur Weiterverwendung, nämlich zur Verbrennung zu Schwefeldioxid, genutzt werden, ohne den MAK-Wert zu überschreiten (Vergleichbarkeit mit Streichhölzern).
Daran anschließen sollten sich erst die Versuche zur Oxidation von Schwefel, die in der Regel zu Schwefeldioxid führen. Schwefeldioxid ist das häufigstes Produkt der Umsetzung von Schwefel und schwefelhaltiger Verbindungen, außerdem ist es leicht in ungefährlichere Produkte zu überführen.
Entscheidend für das richtige Verhalten des Menschen gegenüber den Gefahrstoffen kommt es darauf an, daß begriffen wird, welche Eigenschaft des Stoffes die Gefahr heraufbeschwört. Daraus kann dann das richtige Verhalten zur Verminderung des Gefahrenpotentials abgeleitet werden.
So läßt sich aus dem Vorkommen in der Natur und der Unlöslichkeit des Schwefels in Wasser vermuten, daß eine Giftwirkung durch Schwefel im Boden und im Wasser gering sein dürfte (WGK 0).
Beim Verbrennen entsteht Schwefeldioxid, von dem an einer Probe die Löslichkeit in Wasser gezeigt werden muß. Aus der sauren Eigenschaft der Lösung läßt sich mit den Schülern erarbeiten, daß das Waschen schwefeldioxidhaltiger Luft mit Laugen zur Luftreinhaltung beiträgt.
Bei der Verbrennung von Schwefel sollte daher von Beginn an die Absorption in einer geeigneten Lauge vorgesehen werden.
Die so gewonnenen sulfithaltigen Laugen sollten gesammelt werden und zur Erforschung des Redoxverhaltens z.B. gegenüber Farbstoffen und Naturstoffen benutzt werden.Dabei läßt sich die stark reduzierende Wirkung von Schwefeldioxid zeigen. Wegen eben dieser Eigenschaften müssen die sulfithaltigen Laugen erst oxidiert werden, bevor sie nach Neutralisation ins Abwasser gegeben werden können. Natürlich ist damit auch der Nachweis mit Kalkwasser (ähnlich der Rauchgasentschwefelung) angeregt. Verwendet man das in der analytischen Chemie übliche Bariumchlorid (Xn), so sollte man einen Unterschuß einsetzen, da nur das schwerlösliche Bariumsulfat ungiftig ist (WGK 0).
Bei den Versuchen mit Schwefelwasserstoff müssen der Abzug oder geschlossene Apparaturen verwendet werden. Nach den Erkenntnissen, die bei Schwefeldioxid gewonnen wurden, wären auch Apparaturen geeignet, die mit einer Gaswaschflasche mit Natronlauge oder Ammoniak als letzter Baueinheit ein Austreten des schwach sauren Schwefelwasserstoffs verhindern. Noch besser geeignet ist eine angesäuerte Lösung von Natriumsulfit. In dieser Lösung synproportioniert der Schwefelwasserstoff mit dem Sulfit unter Bildung von Wasser und elementarem Schwefel. Diese Reaktion ist eine wichtige technische Anwendung zur Entsorgung von Schwefelwasserstoff aus Erdöl und Erdgas (s. Kap. 3.5.6).
Copyright 2005-2015 HMTC Halbmikrotechnik Chemie GmbH; www.halbmikrotechnik.de
Klaus-G. Häusler haeusler[at]muenster[dot]de; giftgas-soest/gase5.htm
