Porentief rein – Laugen und ihre Wirkungen · Damit ist die Basis für die Entstehung der Calciumlauge im zweiten Teil der Sendung gelegt… Die Base wird als Protonenfänger vorgestellt

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Porentief rein – Laugen und ihre WirkungenEin Film von Anita Bach

Beitrag: Reinhard Werner

Inhalt

Alltag im Haushalt: Der Abfluss eines Waschbeckens ist verstopft. Ein basischer Rohrreiniger kommt zum Einsatz und wir sehen, dass ein Hydroxid, in unserem Fall Ätznatron, stark hygroskopisch wirkt. Als hygro-skopisch bezeichnet man Stoffe, die Wasser anzie-hen. Mit Wasser wird in einer exothermen Reaktion also eine Lauge gebildet, die ätzend wirkt, organische Stoffe angreift, Fette löst und mit unedlen Metallen unter Bildung von Wasserstoffgas reagiert. Problema-tisch ist dabei die Umweltbelastung über das Abwas-ser. Im Trick ist anschließend Reaktion der Lauge mit Fettsäuren zu deren Salzen (Seifen) zu sehen.

Auf der Spur der Laugenbreze

An anschaulichen Experimenten zeigen wir den Einsatz von konzentrierten Laugen als Abbeizmittel. Dann beobachten wir, wie Laugen in stark ver-dünnter Form in einer Bäckerei verwendet werden. Wie eine Lauge herge-stellt werden kann, machen Real- und Trickaufnahmen deutlich. Die Er-zeugung einer Lauge aus dem Oxid eines unedlen Metalls (Magnesium) wird vorgeführt.

Damit ist die Basis für die Entstehung der Calciumlauge im zweiten Teil der Sendung gelegt…

Die Base wird als Protonenfänger vorgestellt - eine gute Gelegenheit, die positiv geladenen Metall-Ionen sowie das negativ geladene Hy-droxid-Ion als charakteristisches Teilchen einer Lauge zu beschrei-ben. Natron-, Kali-, und Calciumlauge sowie Ammoniumlauge wer-den in ihrer praktischen Anwendbarkeit vorgeführt, die besondere Ei-genschaft der Seifenlauge wird extra betont.

Und die Seifenherstellung darf in einer Sendung über Laugen und ihre Anwendungen natürlich nicht fehlen.

© Bayerischer Rundfunk 1


Fakten

Basen

Stoffe, die von Wassermolekülen Protonen aufnehmen (Protonenakzeptoren), heißen Brönsted-Basen. Der Begriff entstammt dem Sprachgebrauch des 17. Jahrhunderts. Basen waren damals Grundlagen (Basis), also Verbindungen, die „flüchtige Säuren“ in Form von nicht flüchtigen Salzen binden konnten. Als Beispiel kann Ammoniak bzw. Ammoniakwassser (ehemals Salmiakgeist) gelten: Ein Ammoniakmolekül bindet an sein freies Elektronenpaar ein Proton des benachbarten Wassermoleküls. NH 3 + H 2 O -> NH 4

+ + OH -

Hydroxide

Metallhydroxide entstehen - bei der Reaktion von Metalloxiden mit Wasser, im Gegensatz zu Nichtmetalloxiden, die in wässriger Lösung Säuren bilden; - bei der Reaktion besonders unedler Metalle wie Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs), Calcium (Ca) mit Wasser.

Gut wasserlöslich sind Natriumhydroxid (NaOH) und Kaliumhydroxid (KOH). Die Lösungen heißen Laugen: Natronlauge, Kalilauge. Sie leiten elektrischen Strom, weil sie Ladungsträger (Ionen) enthalten.

Sogar die Schmelzen von Hydroxiden leiten den elektrischen Strom, sie bestehen also aus Ionen: Na + OH - oder K + OH - .

Eine Schmelze aus Citronensäure dagegen leitet elektrischen Strom nicht, erst die Lösung in Wasser bildet Ionen.

Laugen

Laugen sind die wässrigen Lösungen von Hydroxiden; ihre charakteristischen Eigenschaften werden von den Hydroxid-Ionen OH - bestimmt.

Die wässrige Lösung von Natriumhydroxid Na + OH - heißt Natronlauge. Die wässrige Lösung von Kaliumhydroxid K + OH - heißt Kalilauge. Die wässrige Lösung von Calciumhydroxid Ca 2+ (OH -)

2 heißt Calciumlauge oder Kalkwasser. Die wässrige Lösung von Bariumhydroxid Ba 2+ (OH - ) 2 heißt Bariumlauge oder Barytwasser.

Alkalische Lösungen wirken auf die Haut je nach Konzentration seifig bis ätzend. Der Begriff „seifig“ ist eigentlich eine Vorstufe von „ätzend“; obere Hautschichten werden von der Lauge zersetzt, so dass der schmierige Eindruck entsteht. Aussagekräftiger ist die Wirkung auf die Bindehaut. Hier wirkt Seifenschaum bereits nachhaltig ätzend.

Alkalische Lösungen

Hydroxide der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle und des Ammoniums

Alkalimetalle



Reaktionsfreudige Elemente, die deshalb in der Natur nur in Verbindungen vorkommen: Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) Lithium, Natrium und Kalium werden unter Sauerstoffabschluss unter Paraffinöl aufbewahrt, Rubidium und Caesium in Glasampullen eingeschmolzen. Mit Wasser reagieren sie heftig: Wasserstoff und eine alkalische Lösung (Lauge) entstehen.

Erdalkalimetalle Sie zeigen ähnliche Eigenschaften wie die Alkalimetalle, sind aber weniger reaktionsfreudig: Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba). Beryllium reagiert gar nicht mit Wasser, die anderen verschieden stark.

Flammenfärbung durch Alkali- und Erdalkalimetalle Die genannten Metalle können in ihren Verbindungen durch Flammenfärbung erkannt werden, eine Eigenschaft, die sie bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern interessant machen. Beispiele: Li: karminrot, Na: gelb, Rb: dunkelrot, Cs: blau, Ba: hellgrün usw.

Verschiedene Laugen

Natronlauge Natrium + Wasser -> Natriumhydroxid + Wasserstoff 2Na + 2H 2 O -> 2 NaOH + H 2

Natriumhydroxid + Wasser -> Natronlauge Ionen-Formel: Na + OH -

Kalilauge Kalium + Wasser -> Kaliumhydroxid + Wasserstoff 2K + 2H 2 O -> 2KOH + H 2

Kaliumhydroxid + Wasser -> Kalilauge Ionen-Formel: K + OH -



Calciumlauge (Kalkwasser) Calcium + Wasser -> Calciumhydroxid + Wasserstoff Ca + 2H 2 O -> Ca(OH) 2 + H 2

Ionen-Formel: Ca 2+ (OH - ) 2

Ammoniak

ist eine Base, die Lösung (Salmiakgeist) eine Lauge.

Ammoniak + Wasser -> Ammoniumhydroxid NH 3 + H 2 O -> NH 4 OH Ionen-Formel: NH 4

+ OH -

Die wässrige Lösung von Ammoniakgas wird Ammoniakwasser oder Salmiakgeist genannt. Sein unangenehm stechender Geruch (nur wenige Ammoniakmoleküle reagieren mit Wasser, der größere Rest verbleibt als Lösung und verlässt diese bereits bei Zimmertemperatur) diente einst in „Riechfläschchen“ Damen der „feinen Gesellschaft“ als Mittel zur Belebung, wenn ihnen dank Schnürtechnik o.ä. „die Luft weggeblieben“ war. Bei der unvollständig ablaufenden Reaktion von Ammoniak mit Wasser entsteht ein Reaktionsgemisch aus den Reaktionsprodukten, also NH4 +

(Ammonium-Ion) und OH - (Hydroxid-Ion), sowie den Ausgangsstoffen, nämlich Wasser und Ammoniak.

Heute wird Salmiakgeist als Bestandteil von flüssigen Putzmitteln verwandt, die nicht – wie z.B. Ata – scheuern, Fett lösen, sogar Lacke weich werden lassen.

Bei Zimmertemperatur lösen sich ca. 700 l Ammoniak in 1 l Wasser.

Alkalischer Rohrreiniger

Sie enthalten Natriumhydroxid , das sich in einer exothermen Reaktion in Wasser löst, also den Schmutzpfropf erhitzt. Metallsplitter (Aluminium) sorgen für Gasbildung (H 2 ) und verwirbeln die Schmutzteilchen. Organische Stoffe wie z.B. Haare, Fette und Speisereste werden durch die heiße Lauge zersetzt. Nitrate binden den Wasserstoff, der bei der Reaktion von Aluminium mit der Lauge entsteht, damit die Bildung des gefährlichen Knallgases verhindert wird.

Umweltbelastungen durch alkalische

Die Laugen stören die Vorgänge in Klärwerken durch antibakterielle Wirkung.

Seifenherstellung

Die Seifenherstellung lässt sich auf eine einfache Weise kurz darstellen. Fett + Lauge (+ gesättigte Kochsalzlösung) -> Glycerin + Seife Bei Verwendung von Natronlauge ist das Endprodukt Kernseife, bei der Verwendung von Kalilauge erhält man Schmierseife.

Exotherme und endotherme Reaktionen

Jeder chemische Stoff besitzt unter bestimmten Bedingungen einen konstanten Energieinhalt, die Enthalpie. Jede chemische Reaktion ist folglich nicht nur mit einem Umsatz von Materie sondern auch mit einem Energieumsatz verbunden.



Exotherme Reaktionen sind solche, die unter Energieabgabe verlaufen. Nach dem Satz von der Erhaltung der Energie geht Energie nie verloren, sondern wird immer nur in eine andere Energieform übergeführt.

Wenn bei einer chemischen Reaktion der Energieinhalt (Enthalpie) der Ausgangsstoffe größer als der der Endprodukte ist, so ist Energie abgegeben worden, die Energiedifferenz wird frei. Es handelt sich um eine exotherme Reaktion. Die Energiedifferenz wird in Joule (J) ausgedrückt.

In der Reaktionsgleichung wird die Energie mit negativem Vorzeichen versehen. Am Beispiel der Reaktion von 1 mol Wasserstoff mit ½ mol Sauerstoff gilt bei 298 K (25°C) und 1 bar:

H 2 + ½ O 2 -> H 2 O (dH = - 287,139 kJ)

Am Beispiel der Verbrennung (Oxidation) von Kohlenstoff wird deutlich, dass zur Einleitung der exothermen Reaktion, bei der sehr viel Wärmeenergie frei gesetzt wird, eine Aktivierungsenergie in Form von Energiezufuhr erforderlich ist. Das Feuer muss entzündet, der Kraftstoff im Verbrennungsraum muss gezündet werden (Zündkerze, Kompression).

Bei exothermen Reaktionen handelt es sich im Falle der sauren und basischen Lösungen um die Umwandlung von chemischer Energie in Wärmeenergie.

Endotherme Reaktionen sind solche, die unter ständiger Energiezufuhr verlaufen.

Wenn bei einer chemischen Reaktion der Energieinhalt der Ausgangsstoffe geringer als der der Endprodukte ist, so ist Energie zugeführt worden. Es handelt sich um eine endotherme Reaktion. In der Reaktionsgleichung wird die Energie mit positivem Vorzeichen versehen. Analog zur obigen Gleichung gilt:

H 2 O -> H 2 + ½ O 2 (dH = + 287,139 kJ)

Protolyse

Protolysen sind Reaktionen, bei denen H + -Ionen (Protonen) von einem Teilchen auf ein anderes, bei Säuren auf ein Wasser-Molekül, bei Laugen auf eine Base, übertragen werden. Deshalb nennt man Säuren auch Protonenspender oder Protonen donatoren, Basen Protonen akzeptoren.

Didaktische Hinweise

Die Sendung ist für den Einsatz im Physik-, Chemie- und Biologieunterricht der 8. Jahrgangsstufe der Hauptschule sowie der entsprechenden Jahrgangsstufe der Realschulen bestimmt.

Anregungen zur Unterrichtsgestaltung

Die beiden Sendungen „Porentief rein – Laugen und ihre Wirkungen“ sowie „Alles neutral – Laugen in der Umwelttechnik“ bilden eine Einheit. Verknüpfungen sind möglich, zum Teil empfehlenswert (s. Seifen).

1. Porentief rein – Laugen und ihre Wirkungen 1.1 Analyse eines alkalischen Rohrreinigers: Ätznatron, Aluminiumkörner, Nitrat, 1.2 Fett + Lauge -> Seifen (s. 2.1 und 2.4) 1.3 Natronlauge in Industrie und Handwerk: Ablaugen von Möbeln, Brezellauge 1.4 Entstehung von Laugen aus dem Hydroxid, aus dem Alkalimetall, aus Metalloxiden 1.5 Amoniumlauge und ihre Verwendung; das Hydroxidmolekül 1.6 Waschlaugen -> siehe auch 2.1 und 2.4



2. Alles neutral – Laugen in der Umwelttechnik 2.1 Seifenherstellung (s. 1.2) 2.2 Laugen auf der Baustelle 2.3 Kochsalzelektrolyse zur Herstellung von Chlorgas, Wasserstoffgas und Natronlauge 2.4 Neutralisation: Rauchgasentschwefelung

Die Sendungen eignen sich sehr gut zum Einsatz in Arbeitsgruppen, die neben der Erarbeitung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse auch zum selbstständigen Arbeiten mit Medien erzogen werden sollen. Als Arbeitsmittel stehen jeweils die Sendung (optimal in Ausschnitten), der Heftbeitrag sowie der entsprechende vorliegende Internetbeitrag zur Verfügung. Hier finden die Jugendlichen neben zahlreichen Zusatzinformationen vor allem Abbildungen und kurze Sequenzen aus der Sendung. Die Durchführung der erforderlichen Experimente erbitten sie von der Lehrkraft, weil Schülerversuche mit Laugen auf keinen Fall durchgeführt werden dürfen. Selbstverständlich ist wegen der zur Verfügung stehenden Unterrichtszeit nur eine Auswahl der folgenden Themen möglich. Ist selbständige Arbeit nicht möglich, so kann die Lehrkraft aus den angebotenen Themen einzelne heraussuchen. Die Analyse des alkalischen Rohrreinigers mit den entsprechenden Versuchen deckt im Notfall einen relativ großen Bereich des Lehrplans ab. Wichtiger Hinweis zur Durchführung aller Versuche, an denen unten genannte Metalloxide, Hydroxide und Laugen beteiligt sind:

Bei der Durchführung aller Versuche mit Oxiden von Alkali- und Erdalkalimetallen, Hydroxiden und Laugen ist wegen der ätzenden Wirkung und der damit verbundenen meist irreparablen Hautschäden (Hornhaut !) der Gebrauch einer Schutzbrille und meist der Schutzscheibe (besonders bei Versuchen mit Natrium und Kalium) sowie von Handschuhen zwingend erforderlich! Die Gefahrenstoffverordnung sowie die KMK zur Sicherheit im naturwissenschaftlichen Unterricht sind zu beachten, die sachgerechte Entsorgung der Chemikalien als Unterrichtsprinzip zu üben!

Einsatz der Sendung in Verbindung mit dem Internetbeitrag in Gruppenarbeit

Folgende Schritte sind denkbar: 1. Vorführung der Sendung (15 Minuten) 2. Arbeitsplanung für Arbeitsgruppen: Jede Gruppe erhält als Arbeitsunterlagen eine Kopie des entsprechenden Abschnitts der Sendung, des Heftbeitrags sowie des Internetbeitrags, dazu Schulbuch und ggf. Lehrerhandbuch. Nach der ersten Vorführung der Sendung werden die Sachbereiche festgelegt und den Gruppen übertragen. 3. Die klar strukturierte Sendung bietet folgende Teilthemen an:

1.1 Arbeitsgemeinschaft 1:

Analyse eines alkalischen Rohrreinigers; Zeitrahmen: 00:25:00 – 02:42:16 (04:00:00) Ein alkalischer Rohrreiniger enthält in der Regel • Natriumhydroxid, das sich in einer exothermen Reaktion in Wasser löst und als Lauge Fette und

organische Stoffe zersetzt (siehe auch unter „Seifen“), • Aluminiumkörner, die unter Wasserstoffbildung mit der Natronlauge reagieren und so einen

mechanischen Effekt erzielen, • (Nur für Realschüler:) Nitrate, die den Wasserstoff binden, um die Entstehung von Knallgas zu

verhindern.

Versuch 1: Die Analyse Erkenntnisse : Ein alkalischer Rohrreiniger besteht aus weißen Plätzchen (Kügelchen) (Natriumhydroxid), Metallkörnern (Aluminium) und einem weißen Pulver (Nitrat).



Versuch 2: Die exotherme Reaktion In wässriger Lösung wird die Lösung heiß, lösen sich die Metallkörner auf, entsteht ein Gas, färbt sich der Universalindikator blau, entsteht Salmiakgeruch. Erkenntnis: Natriumhydroxid löst sich in Wasser unter Wärmeabgabe. Die Reaktion ist exotherm.

Versuch 3: Welche Aufgaben erfüllt das Natriumhydroxid? Erkenntnis: Tierisches Gewebe, vor allem Fett, wird aufgelöst. Hydroxide bzw. ihre wässrigen Lösungen, die Laugen, sind mit Vorsicht zu behandeln.

Versuch 4: Welche Aufgabe haben die Aluminiumkörner? Erkenntnis: Aluminium reagiert mit Laugen unter Bildung von Wasserstoffgas. Die Gasentwicklung lockert die Verschmutzung im Rohr mechanisch. Realschüler und Hauptschüler im M-Zug erkennen zudem: Wasserstoffgas bildet mit Luft ein explosives Gemisch. Ein Nitrat bindet das Gas und macht die Anwendung sicher.


Fett + Lauge -> Seife Zeitrahmen: 02:42:16 – 04:30:00 Empfehlenswert ist die Verknüpfung dieser Sequenz mit der entsprechenden im Teil 2 der Sendung: Großtechnische Herstellung von Seifen. (s. 2.1) Die Besprechung erfolgt dort.


Natronlauge in Industrie und Handwerk Zeitrahmen: 04:31:15 – 08:35:00

Versuch 11 Erkenntnis : Laugen weichen bestimmte Lacke auf und machen sie wasserlöslich. Erkundung beim Schulbäcker : Warum werden Brezeln vor dem Backen mit Lauge bestrichen? Wie sieht eine Brezel aus, wie schmeckt eine Brezel, die nicht mit Lauge bestrichen wurde?


Wie entstehen Laugen? Zeitrahmen: 08:35:00 – 10:40:00

Versuch 7Natriumhydroxid wird ohne Zutun an der Luft feucht und zerfließt . Erkenntnis : Ätznatron ist hygroskopisch; es bildet mit dem Wassergehalt der Luft Natronlauge.

Versuch 8 Wie kann man Natronlauge herstellen? Erkenntnisse: 1. Natronlauge entsteht bei der Reaktion von Natrium mit Wasser. 2. Bei der Reaktion von Natrium mit Wasser entsteht auch Wasserstoffgas. 3. Natronlauge ist die wässrige Lösung von Natriumhydroxid. 4. (Natronlauge entsteht bei der Lösung von Natriumperoxid in Wasser.)

Versuch 9 Wie kann man Magnesiumlauge herstellen? Erkenntnis: Magnesium verbindet sich mit dem Luftsauerstoff in einer heftigen exothermen Reaktion (Wärme- und Strahlungsenergie) zu Magnesiumoxid.



Magnesiumoxid verbindet sich mit Wasser zu Magnesiumhydroxid, die wässrige Lösung von Magnesiumhydroxid heißt Magnesiumlauge. Alternativvorschlag: Statt Magnesium kann Calcium gewählt werden.Vorteil: Vorgriff auf Teil 2: Laugen auf der Baustelle, Erklärung der Begriffe „exotherm“ und „endotherm“; Nachteil: schwächere exotherme Reaktion

1.5 Arbeitsgemeinschaft 5 oder selbständige Unterrichtseinheit für Schülerinnen und Schüler der Realschulen und M-Klassen der Hauptschule

Ammoniumlauge und ihre Verwendung Zeitrahmen: 10:54:00 – 12:20:00

Versuch 12Wie kann man Ammoniumlauge herstellen? Der Versuch und seine Auswertung erlaubt eine anschauliche Darstellung der Entstehung des Hydroxid-Ions. Die Begriffe „Protonenakzeptor“ und „Protonendonator“ können erarbeitet werden Die Weiterverarbeitung zu Ammoniumsulfat sollte lediglich angedeutet werden. Die Entstehung der Salze ist einer eigenen Unterrichtseinheit zuzuordnen, die von der vorliegenden Sendung nicht berührt wird.

Versuch 10Warum leiten Laugen elektrischen Strom? Zeitrahmen: 09:23:04 – 09:58:06 Erkenntnis Bei der Lösung eines Hydroxids in Wasser entstehen positiv und negativ geladene Ionen. Ionen sind Ladungsträger. Besonders leistungsfähige Gruppen können erfahren, dass auch die Schmelze eines Hydroxids elektrischen Strom leitet.

1.6 Unterrichtseinheit 6

Waschlaugen und schonende Körperpflege Zeitrahmen: 12:20:00 – Schluss Die Einheit kann, um Zeit zu sparen, in die Einheiten „Seifen“ und „Neutralisation“ (s. Sendung „Alles neutral – Laugen in der Umwelttechnik“ 2.1 und 2.4) integriert werden)

1.7 Unterrichtseinheit 7 Welche Aussagen machen Indikatoren? Zeitrahmen: Eine besondere Unterrichtseinheit sollte nach dem Motto „Übung macht den Meister“ den Indikatoren gewidmet werden. Im Anschluss an die entsprechende Vorarbeit anlässlich des Einsatzes der beiden Sendungen zu Säuren „Echt ätzend – Säuren und ihre Wirkungen“ und „Unwiderstehlich – Säuren in der Industrie“ ist eine Reihe von Übungen möglich, die weitgehend als Schülerversuche durchgeführt werden können.

Versuch 5Erkenntnis Säuren und Laugen färben Indikatoren verschieden. Der Universalindikator erlaubt die Definition unterschiedlicher Stärken ebenso wie der pH-Meter.

Versuch 6Erstellen von Untersuchungsprotokollen



Arbeitsaufträge

Zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid (zum Beispiel in der Luft, die wir ausatmen) verwendet man Kalkwasser. Kalkwasser ist nichts anderes als Calciumlauge.

Stelle mit Unterstützung durch die Lehrkraft Kalkwasser her und versuche, die Reaktionen durch Formeln auszudrücken.

1. Calcium reagiert mit Wasser zu Calciumhydroxid und Wasserstoffgas. Weise den Wasserstoff durch die Knallgasprobe nach.

2. Calcium ist ein Erdalkalimetall-Hydroxid, das im Gegensatz zum bekannten Natriumhydroxid (Formel: ) oder Kaliumhydroxid (Formel: ) gering wasserlöslich ist. Es entsteht eine Suspension, die zum Nachweis von CO 2 nicht geeignet ist.

3. Erkläre den Begriff „Suspension“!

4. Ein Filter befreit die Suspension von den störenden Schwebstoffen, wir erhalten klares Kalkwasser. Erkläre den Begriff „Filtrieren“!

5. Beim Einleiten von Kohlenstoffdioxid trübt sich diese Flüssigkeit. Erarbeite die chemische Reaktionsgleichung.

Die Versuche

Versuch 1

Problemstellung Woraus setzt sich ein alkalischer Rohrreiniger zusammen?

Zielgruppe RS 8 und HS 8

Art des Versuchs Lehrerversuch oder Schülerversuch

Material Versuchsmaterial: Flache Schale, Becherglas, Glasstab, Thermometer, alkalischer Rohrreiniger, destilliertes Wasser, Universalindikator

Sicherheitshinweise Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel

Durchführung Wie in der Sendung beschrieben, wird der Rohrreiniger in eine flache Abdampfschale o.ä. geschüttet und mit einem trockenen Glasstab verteilt, so dass die Bestandteile erkennbar werden. Der Inhalt darf nicht berührt werden und auf keinen Fall ins Auge gelangen, evtl. aufsteigende Staubteilchen dürfen nicht eingeatmet werden. Unzuverlässige Schüler dürfen mit dem Material nicht arbeiten. Haut- und Augenkontakt führt zu Verätzungen!

Beobachtung Der alkalische Rohrreiniger enthält Plätzchen oder kleine Kügelchen, die an der Luft ohne weiteres Zutun feucht werden. Des weiteren sind Metallsplitter sowie ein weißes Pulver erkennbar. Der Reiniger wird vorsichtig in Wasser geschüttet. Vorsicht: Staubförmige Bestandteile ätzen die Atemwege!



Das Mittel schäumt in Wasser auf. Die weißen Kügelchen lösen sich auf. Bei genauer Betrachtung „tanzen“ die Metallkörner in der Flüssigkeit auf und ab, weil sie von Gasblasen umgeben sind. Das Becherglas wird heiß. Der Indikator färbt sich im Gegensatz zur Rotfärbung in sauren Lösungen blau. Es riecht nach Salmiakgeist (fächeln!)

Erkenntnis Wenn ein alkalischer Rohrreiniger in Wasser geschüttet wird, - wird das Gemisch/die Lösung heiß, - lösen sich die Metallsplitter auf, - entsteht ein zunächst unbekanntes Gas, die Knallgasprobe bestätigt Wasserstoff, - färbt sich der Universalindikator nicht rot sondern blau und bestätigt die Anwesenheit einer Lauge, - entsteht Salmiakgeruch.

Hefteintrag Siehe Erkenntnis

Versuch 2

Problemstellung Welcher Bestandteil des Rohrreinigers entwickelt bei der Lösung in Wasser Wärmeenergie? oder Was versteht man unter einer exothermen Reaktion?


Art des Versuchs Lehrerversuch

Material Arbeitsmaterial Becherglas, Thermometer, Protokollmaterial, Indikator Testmaterial destilliertes Wasser, Natriumhydroxid , ggf. auch die anderen Bestandteile des Rohrreinigers

Sicherheitshinweis Handschuhe, Schutzbrille, Labormantel

Durchführung Der Becher wird wenige Zentimeter hoch mit Wasser gefüllt. Die Temperatur wird gemessen und protokolliert. Das Hydroxid wird vorsichtig hinzu geschüttet. Die Temperatur wird gemessen und protokolliert. Die anderen Bestandteile werden einzeln gleichfalls getestet.

Erkenntnis Beim Lösen von Natriumhydroxid in Wasser wird Wärmeenergie frei. Solche Reaktionen nennt man exotherme Reaktionen im Gegensatz zu endothermen Reaktionen, die ablaufen, wenn Energie zugeführt wird. Im Rohrreiniger sind die weißen Plätzchen oder Kügelchen unter anderem für die Erwärmung verantwortlich. (Bei Überdosierung im Ausguss kann es deshalb sogar zu Verformungen der ableitenden Kunststoffrohre kommen.) Der Indikator färbt sich blau. Die Lösung ist eine Lauge.

Hefteintrag Siehe Erkenntnis



Versuch 3

Problemstellung Welche Aufgabe haben die Plätzchen im Rohrreiniger? oder Warum ist der unvorsichtige Umgang mit Hydroxiden und ihren Lösungen (Laugen) gefährlich?



Material Arbeitsmaterial 5 Reagenzgläser oder Erlenmeyerkolben, Reagenzglashalter oder Stativ und Gasbrenner sowie Siedesteinchen , Testmaterial Haare, Späne vom Fingernagel oder Tierhufen, Schafwollfasern, Baumwollfasern, Olivenöl, konzentr. Natronlauge,

Sicherheitshinweise Labormantel, Handschuhe, Schutzbrille, ggf. Spritzschutz

Durchführung Das Versuchsmaterial wird von der konzentrierten Lauge im Reagenzglas bedeckt und im Langzeitversuch beobachtet oder im Erlenmeyerkolben erhitzt. Vorsicht: Natronlauge neigt zum stoßweisen Sieden -> Siedesteinchen, Schütteln

Erkenntnisse: Tierisches Gewebe wird durch die Lauge zerstört, Pflanzenfasern bleiben weitgehend verschont, Öl bildet mit der Lauge einen Stoff, der beim Schütteln schäumt.

Folgerung: Die Natronlauge, gebildet aus den Natriumhydroxidplätzchen im Rohrreiniger und Wasser, zersetzt die Haare, Fette und organischen Speisereste, die das Abflussrohr verstopft haben. Aber: Laugen zersetzen auch lebendes Gewebe wie Haut, Hornhaut (Auge!) und sind deshalb mit Vorsicht zu behandeln -> Schutzhandschuhe, Schutzbrille Das entsprechende Symbol für „Ätzend“ auf Gefäßen (s. alkalischer Rohrreiniger) warnt vor dem Inhalt. Solche Stoffe dürfen nie in Kinderhand geraten und müssen mit einem Sicherheitsverschluss ausgerüstet sein.

Belehrung: Die Aufbewahrung von Laugen (und Säuren) in neutralen Gefäßen (Sprudelflaschen) ist leichtsinnig und kann irreparable Gesundheitsschäden zur Folge haben! Empfehlenswert ist jetzt die Einführung der Fachbegriffe - Base, - Hydroxid, - Lauge, - Alkalimetalle und Erdalkalimetalle, - alkalische Lösung, - hygroskopisch (s. auch unter Säuren) Die Anfertigung eines persönlichen Merkzettels hat sich bewährt.

Hefteintrag Siehe Folgerungen kursiv



Versuch 4

Problemstellung Welche Aufgabe haben die Aluminiumkörner im Rohrreiniger? oder Wie reagiert Aluminium mit Natronlauge?

Zielgruppe RS 8 ggf HS M8


Material Becherglas, Aluminium, Natronlauge

Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe

Bemerkung Der Vorgang ist für die Erfüllung des Lehrplans nicht erforderlich, die Erklärung für die Schülerinnen und Schüler schwierig. Es genügt, auf die Absicht des Herstellers zu verweisen: Verwirbelung der Komponenten -> „Umrühren“;

Durchführung Im Becherglas wird die Lauge über das Metall geschüttet. Nach kurzer Zeit reagieren die Partner unter Wärmeentwicklung sehr heftig: die Lauge schäumt auf, das Metall löst sich. Das Gas in den Blasen verbrennt bei Zündung explosionsartig; es handelt sich um Wasserstoffgas. Weil es mit Luft Knallgas bildet, ist die Reaktion im Haushalt gefährlich. Abhilfe schafft ein weiterer Bestandteil des Rohrreinigers: ein Nitrat. Es reagiert mit dem Wasserstoff sofort zu Ammoniakgas. (Geruchsprobe!)

Erklärung für interessierte Schülerinnen und Schüler Aluminium reagiert mit Wasser fast nicht, weil sich blitzschnell ein Hydroxidüberzug bildet. Aluminium und Natronlauge reagieren heftig (exotherm). Aluminat entsteht: 2 Al + 6 H 2 O -> 2 Al(OH) 3 + 3 H 2

Al (OH) 3 + NaOH -> Na + + (Al(OH) 4 ) -

oder: 2 Al + 2 OH - + 6 H 2 O -> 2 (Al(OH) 4 )

- + 3 H 2

Reaktion von Wasserstoff und Nitrat: 12 Al + 12 NaOH + 36 H 2 O -> 12 Na(Al(OH) 4 ) + 18 H 2

4Al + 6 NaNO 3 + 18 H 2 -> 4 Na(Al(OH) 4 ) + 6 NH 3 + 2 NaOH

Hefteintrag Aluminium und Natronlauge reagieren unter Wasserstoffbildung sehr heftig miteinander. Der mechanische Effekt der Blasenbildung wirbelt die Schmutzteile im Abflussrohr durcheinander. Weil aber Wasserstoff mit Luft ein explosives Gasgemisch bildet, muss er gebunden werden. Er reagiert mit einem Nitrat (Stickstoffverbindung) zu Ammoniakgas.



Versuch 5

Problemstellung Wie reagieren Indikatoren auf die Bestandteile des Rohrreinigers?


Art des Versuchs Lehrerversuch, Schülerversuch

Material Arbeitsmaterial Becherglas, Blaukrautsaft, Lackmus, Universalindikator, Phenolphthalein, pH-Meter Testmaterial destilliertes Wasser, Essig, Zitronensaft, Kalklöser, alkalischer Rohrreiniger oder Natriumhydoxid oder verdünnte Natronlauge, Seifenlauge

Sicherheitshinweise Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel Vorwissen Umgang mit Indikatoren

Durchführung Das destillierte Wasser, Essig, Rohrreinigerlösung, Seifenlauge (im Lehrerversuch Natronlauge) werden getestet, die Ergebnisse protokolliert.

Erkenntnisse Während die sauren Lösungen den Universalindikator rot färben, nimmt er beim Test des Reinigers, der Seifenlauge, der Natronlauge eine blaue Farbe an. Der ph-Wert hängt – wie bei sauren Lösungen – von der Stärke der Lauge ab. Während sich der Universalindikator oder Lackmus blau färben, nimmt Phenolphthalein eine tiefrote Farbe an.

Hefteintrag Siehe Erkenntnisse



Versuch 6

Problemstellung Welche Informationen liefert ein Indikator?

Übungsreihen mit verschiedenen Lösungen und Indikatoren


Arbeitsmaterial Schülerversuche : Destilliertes Wasser, Leitungswasser, Mineralwasser mit und ohne Kohlensäure, Seifen (auch mit Angabe des pH-Wertes) und andere Reinigungsmittel, Regenwasser, Essig, Wein, Zitronensaft, Schweiß, Unterlagen zum Betrieb eines Aquariums, Vorschriften für Schwimmbäder und Kläranlagen Lehrerversuche : Säuren, Laugen SV und LV : Universalindikator, Lackmus, Phenolphthalein, pH-Meter etc .

Sicherheit Je nach Stärke und Konzentration: Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel

Durchführung In Reihenversuchen werden die Stoffe auf alkalische und saure Reaktion untersucht und protokolliert. Die Ergebnisse werden den pH-Werten zwischen 0 und 7 sowie zwischen 7 und 14 zugeordnet, wobei die Abnahme des pH-Wertes mit „zunehmend sauer“, die Zunahme mit „zunehmend alkalisch“ bezeichnet wird.

Hefteintrag Versuchsprotokoll

Versuch 7

Problemstellung Die Natriumhydroxidplätzchen werden ohne Zutun an der Luft feucht. Woran liegt das?


Art des Versuchs Lehrerversuch/Schülerversuch

Sicherheit NaOH nicht berühren, nach Versuchsende sachgerecht entsorgen.

Versuchsmaterial Abdampfschale o.ä., Natriumhydroxid

Durchführung Die Plätzchen werden auf die Schale gelegt und an einen sicheren Platz gestellt.

Beobachtung Die Plätzchen werden ohne Zutun feucht und zerfließen langsam.



Erkenntnis Ätznatron ist hygroskopisch, d.h. es zieht den Wassergehalt (hygros) der Luft an, die Ionen werden langsam frei beweglich. Ähnlich reagiert konzentrierte Schwefelsäure (s. Sendung des BR: „Echt ätzend“)

Hefteintrag Erkenntnis

Versuch 8

Problemstellung Wie kann man Natronlauge herstellen?


Art der Versuche Lehrerversuche

Material Arbeitsmaterial Becherglas, Messer, Natrium, Natriumhydroxid, destill. Wasser, neutrales Spülmittel, Indikator, Thermometer ,

Sicherheitshinweise Schutzbrille, Schutzscheibe, Labormantel, Handschuhe

Durchführung Versuch 8.1 Ein kleines Stück Natrium, das unbedingt von Oxiden (Krusten) befreit werden muss , wird entweder auf die Wasseroberfläche gelegt oder mittels eines trockenen Sieblöffels unter Wasser gedrückt. Phenolphthalein signalisiert die Wirkung. Ein neutrales Spülmittel verhindert, dass das Metall während der Reaktion am Glasrand hängen bleibt. Beobachtung Das Metall fährt als Kugel zischend über die Wasseroberfläche und zieht eine Farbspur nach. Die Metallkugel wird immer kleiner und verschwindet schließlich ganz. Warnung : Wenn eine Zündung des Wasserstoffs durch die exotherme Reaktion erfolgt, fliegen Natriumteile umher, die zu Verätzungen führen! In der Regel passiert das, wenn das Metall am Glasrand hängen bleibt -> Schutzscheibe, Brille!

Erkenntnis 8.1 Das Metall wird offensichtlich dank exothermer Reaktion sehr heiß und schmilzt schnell -> Kugelbildung; das Metall reagiert mit dem Wasser unter Gasbildung -> Zischen; der Indikator signalisiert Laugenbildung.

Versuch 8.2 Ein kleines Stück Natrium wird von den Oxiden befreit (glänzende Oberfläche) und mittels trockenem Sieblöffel unter Wasser gedrückt. Das randvoll mit Wasser gefüllte Reagenzglas befindet sich umgestülpt über dem Sieblöffel und fängt das aufsteigende Gas auf -> Knallgasprobe; -> Laugennachweis mit Indikator

Erkenntnis 8.2 Das bei der Reaktion von Natrium mit Wasser entstehende Gas ist Wasserstoff.

Wortgleichung: Natrium + Wasser -> Natriumhydroxid + Wasserstoff Formelgleichung : 2 Na + 2 H 2 O -> 2 NaOH + H 2



Das Natriumhydroxid löst sich in Wasser, indem es dissoziiert: Frei bewegliche (nicht in das Ionengitter eingebundene) positiv geladene Metall-Ionen (Na + ) und negativ geladene Hydroxid-Ionen (OH - ).

Versuch 8.3 Ätznatron wird in Wasser gegeben. Der Indikator signalisiert Laugenbildung, die Beobachtung des Thermometers zeigt eine exotherme Reaktion an. Die ins Ionengitter eingebundenen Ionen werden in wässriger Lösung zu frei beweglichen Ionen. NaOH + H 2 O -> Na + + OH - + H 2 O

Versuch 8.4 Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung führt über das Natriumperoxid Na 2 O 2 , das bei Erhitzung von Natrium bei gelber Flammenbildung entsteht. Natrium oxidiert in diesem Falle nicht – wie erwartet – zu Na 2 O. Deshalb ist der Versuch für die HS nicht geeignet.

Hefteintrag Natronlauge entsteht durch die Lösung von Natriumhydroxid in Wasser. Dabei entstehen frei bewegliche positiv geladene Natrium (Metall)-Ionen und negativ geladene Hydroxid-Ionen. Bei der Reaktion von Natrium mit Wasser entsteht das Hydroxid als Zwischenstufe.

Versuch 9

Aufgabenstellung Hydroxide entstehen bei der Reaktion von Metalloxiden mit Wasser. Stelle Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid und Magnesiumlauge her.


Art des Versuchs Kombinierter Lehrer- und Schülerversuch Material Becherglas, Magnesiumband, destill. Wasser, Indikator, Tiegelzange

Sicherheitshinweise Nicht in die Flamme blicken, Brandschutz beachten

Durchführung Das Magnesiumband wird entzündet und oxidiert in einer heftigen exothermen Reaktion (Wärme- und Strahlungsenergie). Das Magnesiumoxid, den Schülern als Magnesia aus dem Sportunterricht bekannt, wird in Wasser gelöst. Es ist allerdings schwerer in Wasser löslich als Calciumoxid, das für einen Alternativversuch gut geeignet ist.

Erkenntnisse Magnesiumoxid verbindet sich mit Wasser zu Magnesiumhydroxid.

Wortgleichung: Magnesium + Sauerstoff -> Magnesiumoxid Formelgleichung: 2 Mg + O 2 -> 2 MgO

Wortgleichung: Magnesiumoxid + Wasser -> Magnesiumhydroxid Formelgleichung: MgO + H 2 O -> Mg(OH) 2

Magnesiumhydroxid löst sich in Wasser. Der Indikator bestätigt die Lauge.



Ähnlich reagieren andere Metalloxide, besonders die der Alkali- und Erdalkalimetalle. Beispiel Calcium: 2 Ca + O 2 -> 2 CaO CaO + H 2 O -> Ca(OH) 2

Hefteintrag: s. Erkenntnisse

Übungen Begründe die Verhältnisformeln: MgO und Mg(OH) 2

CaO und Ca(OH) 2

BaO und Ba(OH) 2

aber: LiOH und KOH und NaOH

Versuch 10

Problemstellung Warum leiten Hydroxidschmelzen und Laugen elektrischen Strom?

Zielgruppe RS8 und HS8


Sicherheit Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel

Versuchsmaterial Becherglas, destill. Wasser, Natriumhydroxid, zwei Elektroden, Gleichstromquelle ca. 2 V, Amperemeter, Glühbirne(2V) in Fassung, Stativmaterial, Glasstab Die Gleichstromquelle, das Amperemeter und die in destill. Wasser getauchten Elektroden werden in Reihe geschaltet. Natriumhydroxid wird zugefügt und umgerührt.

Beobachtungen: Destilliertes Wasser leitet nicht. Nach Hinzufügen des Ätznatrons zeigt das Amperemeter zunehmenden Zeigerausschlag.

Erkenntnis Laugen transportieren elektrische Energie, folglich müssen geladene Teilchen vorhanden sein -> Ionen

Erklärung Natriumhydroxid spaltet sich in Wasser in frei bewegliche positive Metall (Natrium-) Ionen und negativ geladene Hydroxid-Ionen auf. Die negativ geladenen Ionen entladen sich an der Anode, die positiv geladenen an der Kathode. Ob die Ionenwanderung zu Anode und Kathode erklärt werden soll, entscheidet die Lehrkraft. Spätestens bei Behandlung der Elektrolyse der Kochsalzlösung (s. Teil 2 der Sendung „Alles neutral“) ist sie unumgänglich.

Hefteintrag Hydroxide zerfallen in wässriger Lösung. Positiv geladene Metall-Ionen und negativ geladene Hydroxid-Ionen transportieren elektrische Energie, weil sie von den ungleichnamigen Elektroden (Anode +, Kathode -) angezogen werden und dort Elektronen aufnehmen bzw. abgeben.



Versuch 11

Laugen als Abbeizmittel


Sicherheit Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel

Versuchsmaterial Becherglas, Natronlauge ,ggf. alkalischer Abbeizer, lackierter Bleistift o.ä., Spachtel Der Bleistift wird in die Lauge gestellt, sobald sich der Lack wellig zeigt, kann er abgekratzt werden. Weil nicht alle Lacke geeignet sind, ist eine entsprechende Auswahl zu treffen.

Erkenntnis Abbeizer (Ablauger) sind Laugen. Sie weichen bestimmte Lacke auf und wandeln sie in wasserlösliche Stoffe um, die nun abgewaschen werden können.

Hefteintrag Lacke werden von Laugen aufgeweicht und in wasserlösliche Stoffe umgewandelt, so dass sie abgelöst werden können, ohne die Basis zu zerkratzen. Abbeizer enthalten aber oft weitere Lösungsmittel, die schädliche Dämpfe entwickeln. Deshalb darf die Arbeit nie in geschlossenen Räumen durchgeführt werden.

Problemstellung: Wie kann man Ammoniumlauge herstellen?

Zielgruppe RS 8 und HSM 8


Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel

Durchführung Der Versuch wird sehr anschaulich in der Sendung vorgeführt, so dass sich eine genaue Beschreibung erübrigt. Zudem erfährt der Betrachter in einer Trickdarstellung die chemischen Vorgänge. Erklärung des „Springbrunnens“: In 1 l Wasser lösen sich ca. 700 l Ammoniak. Bei dieser unvollständig ablaufenden Reaktion entsteht im Kolben Unterdruck, der normale Luftdruck (Außendruck) presst das Wasser hinein.

Erkenntnis Siehe Arbeitsblatt 1

Hefteintrag Siehe Arbeitsblatt 1



Literatur

Umwelt Chemie Gesamtband - Klettverlag - ISBN 3-12-079600-X

Elemente Chemie NRW 9/10 – Klettverlag - ISBN 3-12-759440-2

Fischer Kolleg – Das Abiturwissen – Chemie - ISBN 3-596-24543-5

Akademieberichte Dillingen – Physik und Chemie in der Hauptschule

Urknall Bayern 8 Schülerband – Klettverlag - ISBN 3-12-113040-4

Urknall Bayern 8 Lehrerband – Klettverlag - ISBN 3-12-113049-8

Internettipps

Basen und Laugen

http://www.seilnacht.com/Lexikon/Laugen.htm

Ablacken, Ablaugen

http://www.tischler.de/produkte/restaurieren/hom-oberflaeche.htm

Rezept für Laugenbrezeln

http://www.marions-kochbuch.de/rezept/0537.htm


http://www.marions-kochbuch.de/rezept/0537.htm

http://www.tischler.de/produkte/restaurieren/hom-oberflaeche.htm

http://www.seilnacht.com/Lexikon/Laugen.htm

Documents

Porentief rein – Laugen und ihre Wirkungen · Damit ist die Basis für die Entstehung der Calciumlauge im zweiten Teil der Sendung gelegt… Die Base wird als Protonenfänger vorgestellt