Experimentalvortrag zum Thema Nitrate von Jan Grosse Austing (WS 07/08)

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

• Nitrat = Salz der Salpetersäure (HNO3)

• meist gut wasserlöslich

• Lösung ist farblos (sofern Kation farblos)

• Struktur: nicht

sondern

N

O

O

O

1. Einleitung

N

O

O

O N

O

O

O

N 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

Versuch 1: Nachweis von Nitrat in Schweinestall-Putz



Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen


• Nitrifikation:

3 4

3 3 2 0 2

4 2 2 2

3 2 5 2 0

2 2 3

2 3 2 4 2

2 2

g aq aq

aq g aq aq l

aq g aq

Nitrosomas

Nitrobacter

NH H NH

NH O NO H H O

NO O NO


• Bildung Calciumnitrat

3 3 3 2 222 2 aq aq aq gaq

CaCO NO H Ca NO CO H O

Ca(NO3)2-Ausblühungen

• Umwandlung mit Pottasche (K2CO3 ):

• Eindampfen der Lösung liefert KNO3


3 2 3 3 322 aq s aqaq

Ca NO K CO CaCO KNO


Salpetersieder

Darstellung heute

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

2. Darstellung heute

Wilhelm Ostwald

Versuch 2: Ostwald-Verfahren


• mögliche Produkte: N2O, N2, NO2, NO

• erwünschte Reaktion ( ):

kurze Verweilzeit am Katalysator (~10-3 s)


3 1 0 2 2 2

3 2 2 /

, 600 700 4 5 4 6 g g lgg

Pt CNH O NO H O

908,9 H kJ


2 2 0 4 2

2 2

4 2 5 2 3 2

2 2 3 2

3 5 2

2 3 2

2 0 4 2

2 2

2 2

2

3 2

2 2

g g gfarblos

aq aq aq

aq aq aq

g g g

braun

NO O NO

NO H O HNO HNO

HNO HNO NO H O

NO O NO

• Umsetzung zu Salpetersäure:


• Zerstörung Nitrit für Nitrat-Nachweis:

3 3 0

2 2 2 2 4 2 2aq aq aq aq gH N SO OH NO H H SO N H O

• Darstellung von Nitraten:

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

Bsp.


2 3 3 3 2 22 2 s aq aq g lK CO HNO KNO CO H O

• Schema: Nitrat-Darstellung heute


2 2 2 2 20 3 2 4 5

,2 3 2 3

H O O O H OHaber Bosch OstwaldN NH NO NO HNO


industrielle Anlage zur HNO3-ProduktionNH3-Verbrennung

Nachweis von Nitrat• Ringprobe

• mit Lunges Reagenz (nach Reduktion zu Nitrit)

3. Nachweis

Versuch 3a: Nachweis von Nitratmit der Ringprobe

3. Nachweis

Versuch 3b: Nachweis von Nitratmit Lunges Reagenz

3. Nachweis

• Ringprobe

3. Nachweis

2 5 3 2 2 3

3 2

2 22 2 3 1

2 2 26 5

3 4 3 2

( )

braun

aqa aq aq aq laq

aq laq aq

Fe NO H Fe NO H O

Fe H O NO Fe H O NO H O

• Lunges Reagenz

1) Reduktion Nitrat zu Nitrit

2) Bildung des Nitrosyl-Kations

3. Nachweis

5 3 2 02

3 2 2 2 aq aq aq aqNO Zn H NO Zn H O

N

O

O H+

N

O

OH H+

N

O

O

H

H

OH2

N

O

N

O

Nitrosyl-Kation

3) Diazotierung

3. Nachweis

HO3S

N

H

H

+

N

O HO3S

N

H

H

NO

H+

HO3S

N

H

NO

H+

H+

HO3S

NN

OH

H+

HO3S

NN

OHH

OH2

HO3S

NN

Diazonium-Ion

4) Azokupplung3. Nachweis

HO3S

NN

+

N

H

H

N

N

HO3SN

H

H

H

H+

N

N

HO3S

N

H

H

(violett)Azofarbstoff


3NOPökelsalz

Dünger

Sprengstoff

Kältemischungen

Feuerwerk

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

Demo 1: Düngung mit und ohne Nitrat


• Überdüngung problematisch:

Eutrophierung, N2O-Emissionen, Trinkwasserbelastung

• Grenzwert Nitrat im Trinkwasser in Deutschland:

50 mg/L



Topographische Karte Deutschland

Dümmer See im Südoldenburger Land

(„Schweine-Gürtel“)

Demo 2: Nachweis von Nitrat im

Trinkwasser



Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen

• Nitrat: Metabolisierung im Körper durch Bakterien

(Mundhöhle, Magen-Darm u.a.) zu Nitrit


5 3

3 2.

aq aqz B Coryne BakterienNO NO

Demo 3: Nachweis von Nitrit im

Speichel


• Nitrit gesundheitlich bedenklich, weil:

1) Bildung von Nitrosaminen (viele sind cancerogen)


N

H

R2

R1

+ N

ONR

1

R2

H

NO

H+

NR

1

R2

NO

sek. Amin Nitrosamin

2) Oxidation des Hämoglobins (Hb) zu Methämoglobin

(MetHb) ( )

MetHb nicht mehr zum O2-Transport fähig

(Säuglinge: Enzymkonzentration für Reaktion MetHb

zu Hb gering)


2 3.OxFe Fe

Hinweis auf Mineralwasser-Flaschen

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

• heute: nicht Nitrat entscheidend beim Pökeln, sondern

Nitrit

• daher heute Pökelsalz nicht nitrathaltig, sondern direkte

Verwendung von Nitrit

• neben Konservierung: ansprechende rosa Farbe


Versuch 4: Umrötung von Fleisch


• Ascorbinsäure reduziert Nitrit:

• Ascorbinsäure Hilfsstoff: Hemmung Nitrosaminbildung


+3 2

2 2. 2 2 2 . 2 aq aq aq aqAsc Säure NO H NO Dehydroasc Säure H O

• Bildung von Stickoxidmyoglobin, Erhitzen


O2

NO

NO

Protein Protein

denaturiertes denaturiertesProtein Protein

(grau-braun) (rosa)

Ox.

+ NO

OH2

Fe2+ Fe

2+

Fe2+

Fe3+

Verwendung von Nitraten als Kältemittel

• einige Nitrate lösen sich endotherm in Wasser

Eignung als Kältemittel

(z.B. Einmal-Kältepack für Sportverletzungen)


Einmal-Kältepack

Versuch 5: Selbstbau eines

Kälte-Packs



H

HGitterHGitter

HSolvatationHSolvatation

HLösung<0

HLösung>0

exothermer

Lösungsvorgang

endothermer

Lösungsvorgang

Energieschema Lösungsvorgang

• endothermer Lösungsvorgang

Lösung kühlt sich ab

Hydratation:

hier:


4 3 4 3

4 3 4 3

1) " " " "

2) " " " "s

aq aq

NH NO NH NO

NH NO NH NO

0Lösung Solvatation GitterH H H

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

• Triebkraft der Reaktion: Zunahme der Entropie


0 0

0

G H T S

S

Verwendung von Nitraten als Oxidationsmittel/Pyrotechnik

• Nitrat in Salzform bzw. in Schmelzen gutes

Oxidationsmittel

• Anwendungen: Schwarzpulver, Pyrotechnik


Schwarzpulver

Versuch 6: Oxidation von Holzkohle

durch eine KNO3-Schmelze


• Reaktionsgleichung


5 0 4 4 0

3 2 2 3 2/ .4 5 3 2 2 l s g s solv gKNO C CO K CO N

Holzkohle in KNO3(l)

Versuch 7: „Knallpulver“


• Reaktionsgleichungen (schematisch)


2 0 2/ 2 2 0

2 3 2 2 2 3 2 2

" " / .

5 2/ 3 2

3 2/ . / . / .

124 2 , 4

x

xl l g g

Schwefelleber l solv

x

xl solv l solv l solv

K CO x S K S K S O CO O

NO S NO

+2 2 2

2 3 / .

3 +2 2 6 0 2 2 2

2 2 3 4 2/ . / . / .

...l solv

l solv l solv l solv g gExplosion

S O

NO S O SO N NO

...

• 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)


Verwendung von Ammoniumnitrat als Sprengstoff

• Ammoniumnitrat als Sprengstoff

• Verwendung z.B. im Bergbau

• kräftige Initialdetonation kann zur Detonation von

NH4NO3 ausreichen



Oppauer Werk der BASF nach der Explosion (1921)

• 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 +6 3 5 4 0

4 3 4 4 2 2 2/22 8 3 s g l g g

Initial-ImpulsNH NO NH SO H O SO N

Versuch 8: „Explosionsartige“

Zersetzung von NH4NO3


• Reaktionsgleichung hier:

• Explosion

• langsames Erhitzen

3 5 0 4 2

4 3 2 2 2 / .8 5 2 4 16 s g g g g l

hohe TempNH NO N NO NO H O


3 5 0 0

4 3 2 2 2 /2 2 4 s g g g lInitial ZündungNH NO N O H O

3 5 1

4 3 2 2 / 2 s g g l

lansames ErhitzenNH NO N O H O

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)

5. Schulrelevanz

Das war‘s…

6.Ende

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