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Reaktionen mit elementarem Natrium Anna-Lena Eicke Mittwoch, 08.07.09, 9 Uhr Marburg Experimentalvo rtrag

Reaktionen mit elementarem Natrium

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Experimentalvortrag. Reaktionen mit elementarem Natrium. Anna-Lena Eicke Mittwoch, 08.07.09, 9 Uhr Marburg. Gliederung. Natriumvorkommen und Entdeckung Versuch 1 Industrielle Herstellung Eigenschaften Demonstration 1, Versuche 2, 3, 4 und 5 Wichtige Natriumverbindungen Demonstration 2 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Reaktionen mit elementarem Natrium

Reaktionen mit elementarem Natrium

Anna-Lena Eicke

Mittwoch, 08.07.09, 9 Uhr

Marburg

Experimentalvortrag

Page 2: Reaktionen mit elementarem Natrium

2

Gliederung

1. Natriumvorkommen und EntdeckungVersuch 1

2. Industrielle Herstellung 3. Eigenschaften

Demonstration 1, Versuche 2, 3, 4 und 5

4. Wichtige NatriumverbindungenDemonstration 2

5. Verwendung

6. Schulrelevanz

7. Literatur- und Abbildungsverzeichnis

Page 3: Reaktionen mit elementarem Natrium

3

1. Natriumvorkommen

• Sechst-häufigstes Element in der Erdkruste

• Lagerstätte• Steinsalz: NaCl (auch im Meerwasser)

• Soda: Na2CO3

• Chilesalpeter: NaNO3

• Glaubersalz: Na2SO4

• Natriummineralien• Albit/Natronfeldspat: Na[AlSi3O8]

Page 4: Reaktionen mit elementarem Natrium

4

Entdeckung des elementaren Natriums

• 1737 stellte du Monceau fest, dass Kochsalz, Glaubersalz und Soda eine gemeinsame Basis haben

• 1806 elektrolysierte Humphrey Davy wasserfreie Schmelzen der Alkalisalze

• Namensgebung: „sodium“ wurde mit „Natronium“ übersetzt, woraus schließlich „Natrium“ wurde

Abb. 1: Sir Humphrey Davy

Page 5: Reaktionen mit elementarem Natrium

Versuch 1:

Darstellung von Natrium -Elektrolyse von geschmolzenem

Natriumhydroxid-

Page 6: Reaktionen mit elementarem Natrium

6

Versuch 1: Synthese von elementarem Natrium

Anode:

Kathode:

Gesamt:

Das entstehende Natrium wird zum einen durch dasentstehende Wasser oxidiert, zum anderen zündet es sich aufgrund der hohen Temperaturen selbst.

( ) ( )s lNaOH NaOH

4 4 4Na e Na

2 24 2 4OH H O O e

( ) ( ) 2 ( ) 2( )4 4 2l s l gNaOH Na H O O

+1 0

-2 +1 0

+1 -2 +1 0 +1 -2 0

Page 7: Reaktionen mit elementarem Natrium

7

Castner-Verfahren

Abb. 2: Castner-Zelle

Kathode (Kupfer)

Anode (Nickelzylinder)

Eisendrahtnetzzylinder

Sammelglocke fürdas Natrium

Page 8: Reaktionen mit elementarem Natrium

8

2. Industrielle Herstellung:Downs-Verfahren

Abb. 3: Downs-Zelle

2 2 2Na e Na

22 2Cl Cl e

( ) ( ) 2( )2 2l s gNaCl Na Cl

Anode:

Kathode:

Gesamtreaktion:

+1 -1 0 0

+1 0

-1 0

Page 9: Reaktionen mit elementarem Natrium

9

3. Eigenschaften des Natriums

• 1. Hauptgruppe: Alkalimetall

relative Atommasse in g/mol

Oxidationszahl

Ordnungszahl Elektronegativität

Schmelzpunkt in °C

Dichte in g/cm3 bei 20 °C

Page 10: Reaktionen mit elementarem Natrium

10

Physikalische Eigenschaften

• weiches Metall mit geringer Dichte

• großer Atomradius

• niedrige Schmelz- und Siedepunkte (Smp. 97,8 °C, Sdp. 881,3 °C)

• elektrisch und thermisch leitfähig

Page 11: Reaktionen mit elementarem Natrium

Demonstration 1

Natrium schneiden & Autoxidation

Page 12: Reaktionen mit elementarem Natrium

12

Demonstration 1: Natrium schneiden

& Autooxidation• frisch geschnittenes Natrium ist blank und

silbern

• nach kurzer Zeit an (feuchter) Luft, läuft es weiß an: Bildung einer Oxid- bzw. Hydroxidschicht

( ) 2( ) 2 ( )4 2s g sNa O Na O

( ) 2 ( ) ( ) 2( )2 2 2s g l gNa H O NaOH H

0 0 +1 -2

0 +1 -2 +1 -2 +1 0

Page 13: Reaktionen mit elementarem Natrium

Versuch 2

Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol

Page 14: Reaktionen mit elementarem Natrium

14

Versuch 2: Reaktion von Natrium

in Wasser und Ethanol

( ) 2 ( ) ( ) 2( )2 2 2s aq aq gNa H O Na OH H

Reaktion von Natrium in Wasser

1.0 +1 -2 +1 -2 +1 0

Page 15: Reaktionen mit elementarem Natrium

15

Versuch 2: Reaktion von Natrium

in Wasser und EthanolReaktion von Natriumhydroxid mit Luminol

2.

Page 16: Reaktionen mit elementarem Natrium

16

Versuch 2: Reaktion von Natrium

in Wasser und Ethanol

( ) 2 ( ) ( ) 2( )2 2 2s aq aq gNa H O Na OH H

Reaktion von Natrium in Wasser

Reaktion von Natrium in Ethanol

5 2 ( ) ( ) 2 5 ( ) 2( )2 2 2l s l gH C OH Na C H ONa H

0 +1 -2 +1 -2 +1 0

-2 +1 0 -2 +1 0

Natrium wird in Petroleum oder Paraffinöl aufbewahrt, weil diese nur aus Kohlenwasserstoffen bestehen und relativ reaktionsträge sind

Page 17: Reaktionen mit elementarem Natrium

Versuch 3

Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak

Page 18: Reaktionen mit elementarem Natrium

18

Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem

Ammoniak

Abb. 4: Kondensieren von gasförmigen Ammoniak

Page 19: Reaktionen mit elementarem Natrium

19

Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem

Ammoniak

• Bildung von solvatisierten Metallkationen und Elektronen

• die solvatisierten Elektronen sind – in geringer Konzentration für die blaue Farbe – in hoher Konzentration für die

metallisch-bronzene Färbung verantwortlich

3( )( )

( ) 3 3( ) ( )( ) ( )ln m NH

s n msolv solvNa Na NH e NH

0 +1

Page 20: Reaktionen mit elementarem Natrium

20

Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem

Ammoniak• mit steigender Natriumkonzentration

bilden sich außerdem:

– Ionenpaare

– Anionen

– Dimere

3 3( ) ( )n mNa NH e NH

23 2 3( ) ( )n mNa NH e NH

23 2 3 3( ) ( ) ( )n m nNa NH e NH Na NH

Page 21: Reaktionen mit elementarem Natrium

Versuch 4

Verbrennung von Natrium

Page 22: Reaktionen mit elementarem Natrium

22

Versuch 4: Verbrennung von Natrium

( ) 2( ) 2 2( )2 s g sNa O Na O

Hauptprodukt ist Natriumperoxid:

0 0 +1 -1

Abb. 5: Verbrennung von Natrium

Nebenprodukt ist Natriumoxid

( ) 2( ) 2 ( )4 2s g sNa O Na O 0 0 +1 -2

Page 23: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Natrium-D-Linie

• zwei Spektrallinien (589 und 589,6 nm)• Übergang des äußeren Elektrons aus dem angeregten

3p-Zustand in den 3s-Grundzustand

• zwei 3p-Zustände, bedingt durch die Spin-Bahn-Kopplung des Elektronenspins mit dem

Bahndrehimpuls: Gesamtdrehimpuls von 1/2 und 3/2

Abb. 6: Spektrallinien von Natrium

Page 24: Reaktionen mit elementarem Natrium

Versuch 5

Reaktion von Natrium mit Wasserstoffperoxid

Page 25: Reaktionen mit elementarem Natrium

25

Versuch 5: Reaktion von Natrium mit

Wasserstoffperoxid

• wegen der geringeren Dichte schwimmt das Natrium auf dem Wasserstoffperoxid Entzündung

• Chemolumineszenz beruht wahrscheinlich auf der Bildung von Natrium-Suboxiden

( ) 2 2( ) 2( ) ( )2 2 2s aq g aqNa H O H NaOH

2 2( ) 2 ( ) 2( )2 2aq aq gH O H O O +1 -1 +1 -2 0

0 +1 -1 0 +1 -2 +1

Page 26: Reaktionen mit elementarem Natrium

26

4. Wichtige Natriumverbindungen

• Natriumchlorid (Demonstration 2)

• Natriumhydroxid

• Natrium kommt in vielen Verbindungen als Kation vor und beeinflusst die physikalischen Eigenschaften dieser

Page 27: Reaktionen mit elementarem Natrium

Demonstration 2

Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen

Page 28: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Abb. 7: Versuchsaufbau für die Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen

Page 29: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Video: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen

Page 30: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Abb. 8: Versuchsergebnis im Überblick

Abb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen

Page 31: Reaktionen mit elementarem Natrium

3131

Demonstration 2: Synthese von Natriumchlorid aus dem

Elementen

( ) 2( ) ( )2 2s g sNa Cl NaCl

Abb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid

4( ) ( ) 2( ) 2( ) ( ) 22 16 2 5 2 8s l l g lKMnO HCl MnCl Cl KCl H O +1 +7 -2 +1 -1 +2 -1 0 +1 -1 +1 -2

0 0 +1 -1

Page 32: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Physiologische Bedeutung

• Körperbestand: 1,4 g/kg Körpergewicht

• Bedarf: < 0,5 g/Tag

• Überversorgung: Ödeme, Bluthochdruck

• Hauptfunktion: Aufrechterhaltung des osmotischen Drucks im extrazellulären Raum

• Vorkommen: Fleisch und Wurst

Page 33: Reaktionen mit elementarem Natrium

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5. VerwendungHerstellung von Antiklopfmittel• mehr als die Hälfte des erzeugten

Natriums wurde 1991 für die Herstellung von Tetraethyl- und Tetramethylblei verbraucht

• Verschmelzung von Blei und Natrium zu einer Legierung, die mit Ethyl- bzw. Methylchlorid umgesetzt wird:

( ) 2 5 ( ) 2 5 ( ) ( ) ( )44 4 4 3s g l s sPbNa C H Cl C H Pb NaCl Pb

Page 34: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Herstellung von elektropositiven Metallen

• Natrium wird als Reduktionsmittel zur Herstellung von elektropositiven Metalle wie z.B. Titan verwand

• Schutzgasatmosphäre, damit TiCl4 nicht hydrolysiert und Natrium nicht mit dem Luftsauerstoff reagiert

• Elektrolyse in einemTemperaturbereich von 801 °C – 881 °C

„Hunter“-Verfahren

4 4 4TiCl Na Ti NaCl +4 -1 0 0 +1 -1

Page 35: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Natrium-Schwefel-Batterie

• 50 – 100 dieser Zellen sind in luftdichten Edelstahlbehältern zu sekundären Natrium-Schwefel-Akkummulatoren zusammengefasst

• spendet 3 mal mehr Energie pro Gewichtseinheit als ein Bleiakkumulator, muss allerdings erst auf Betriebstemperatur (350 °C) gebracht werden

( ) 8( ) 2 ( )28l l n l

nNa S Na S

Abb. 11: Na/S-Batterie

0 0 +1 -x

Page 36: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Natriumdampf-Entladungslampen

• in den Lampenkolben wird Natrium eingeschmolzen, welches zu Beginn der Entladung verdampft Ionisation

• die bei einem Zusammenstoß von zwei Elektronen auftretende Energie wird in Form von Licht wieder abgegeben

Abb. 12: Natriumdampf-Lampe

Page 37: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Natrium in der organischen Chemie

• Birch-ReduktionReduktion von Cyclohexadienen über einen Ein-Elektronen-Übertragungsmechanismus

• Zerstörung halogenorganischer Verunreinigungenorganisch gebundenes Chlor verbindet sich mit Natrium zu Natriumchlorid, welches abgetrennt werden kann

• in Form des Natrium-Drahtes als Trockenmittel

Page 38: Reaktionen mit elementarem Natrium

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6. Schulrelevanz

Klasse 8: Alkalimetalle• Kennenlernen der

Eigenschaften und Verwendung der Metalle der Elementfamilie

• Sicherheitsaspekte begründen und beachten

• Chemische Reaktionen durchführen, vergleichen und deuten

Klasse 10/12: Redoxreaktionen (Elektrolysen) bzw. Großtechnische Verfahren

Abb. 13: Lehrer Hämpel

Page 39: Reaktionen mit elementarem Natrium

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7. LiteraturverzeichnisBKK Gesundheit, Nährstoffe – Mineralstoffe – Natrium,

http://www.bkkgesundheit.de/ratgeber/ernaehrung/naehrstoffe/inhalt.lasso?a=naehrstoffe2 (letzter Zugriff: 22.6.09, 11:07 Uhr)

Brandl, H., Versuche zur Chemolumineszenz mit Alkalimetallen, in Mathematisch-Naturwissenschaftlicher Unterricht 46/3, S. 168 - 172

Gerstner, E., Skriptum zum Anorganisch-chemischen Praktikum für Lehramtskandidaten, 3., teilweise neu bearbeitete und erweiterte Auflage, 1993, 1. unveränderter Nachdruck 2003, Marburg 1993/2003

Holleman, A.F., Wiberg, E. und N.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007

Mortimer, C., Basiswissen der Chemie, 8. komplett überarbeitete und erweiterte Auflage, Thieme-Verlag, Stuttgart, 2003

Praxis der Naturwissenschaften – Chemie 6/40, Themenheft Alkalimetalle, Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln, 1991

Riedel, E., Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2004

Page 40: Reaktionen mit elementarem Natrium

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AbbildungsverzeichnisAbb. 1: Sir Humphrey Davy, http://www.kjemi.uio.no/periodesystemet/vis.php?e=Cl&id=471 (letzter

Zugriff: 21.6.09, 19:44 Uhr)Abb. 2: Castner-Zelle,

http://www.chemgapedia.de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/c/ca/castner_00045verfahren.glos.html (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:48 Uhr)

Abb. 3: Downs-Zelle, http://www.seilnacht.com/referate/elektro1.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:50 Uhr)Abb. 4: Kondensieren von gasförmigen Ammoniak, Anna-Lena EickeAbb. 5: Verbrennung von Natrium, von Anna-Lena EickeAbb. 6: Spektrallinien Natrium,

http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/software/hydrogenlab/Atomphysik/08_Stunde/Spektralanalyse/Spektrallinien.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:52 Uhr)

Abb. 7: Versuchsaufbau für die Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena EickeVideo: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena EickeAbb. 8: Versuchsergebnis im Überblick, von Anna-Lena EickeAbb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen, von Anna-Lena EickeAbb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid,

http://www.schule-studium.de/Chemie/Ionenbindung.html (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:54 Uhr)Abb. 11: Natrium-Schwefel-Batterie, Holleman, A.F., Wiberg, E. und N.: Lehrbuch der anorganischen

Chemie, 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007Abb. 12, Natriumdampfentladungslampe, http://www.chemische-experimente.com/Alkalimetalle.htm,

(letzter Zugriff: 22.6.09, 11:14 Uhr) Abb. 13: Lehrer Hämpel, http://www.e-teaching-austria.at/02_cont/03content/03_biologie/Haltung/

index.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:46 Uhr)

Page 41: Reaktionen mit elementarem Natrium

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Vielen Dank für die

Aufmerksamkeit!