Unwiderstehlich Säuren in der Industrie - BRattachment.pdf · Der Begriff stammt aus dem Lateinischen dissociare = trennen, spalten Säuren dissoziieren in wässriger Lösung, d.h

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UnwiderstehlichSäuren in der Industrie

Ein Film von Anita Bach

Beitrag: Reinhard Werner

Inhalt

Reinigung im Bad ist angesagt…

Kalkränder haben sich gebildet und müssen mit speziellen Putzmit-teln entfernt werden. Dass zum Schutz der Haut Gummihandschu-he zum Einsatz kommen, ist ein erster Hinweis auf die hautreizen-de und damit ungesunde Wirkung der Putzmittel. Gefahrensymbole wie die Zeichen für „Reizend“ und „Ätzend“ sind deutliche Signale. Natürlich wirkt Salzsäure nachhaltiger als Essigsäure, wenn es dar-um geht, wasserunlöslichen Kalkstein in ein wasserlösliches Salz umzuwandeln und damit die hässlichen Ablagerungen zu entfer-nen. Doch starke Säuren belasten die Kläranlage, da lohnt es sich, alternative Ameisensäure zu verwenden.

Der Schauplatz verlagert sich in die Küche…

Es stören Kalkablagerungen - im Kochtopf ebenso, wie in der Kaf-feemaschine. Doch hier erhält Säure eine völlig andere Aufgabe: Sie konserviert verderbliche Stoffe. Schon lange hat man er-kannt, dass neben Salz, Rauch, Trocknung oder Sauerstoffab-schluss eben auch verdünnte Säuren, z. B. Essig- oder Ameisen-säure, Zersetzungsprozesse verhindern. Zahlreiche Milchproduk-te wie z. B. Joghurt basieren auf der Wirkung der Milchsäure ebenso, wie Sauerkraut oder Silage im Stall. Parallelen zwischen Omas Sauerkrautfass und dem Futtersilo unter Sauerstoffab-schluss sind unübersehbar.

Nun zum Auto…

Ein ganz anderer Bereich für den Säureeinsatz wird mit dem Bleiak-kumulator im Auto vorgestellt. Hier tun Bleiplatten und wechselnd stark konzentrierte Schwefelsäure ihren wichtigen Dienst. Ohne die mit Säure befüllte Starterbatterie ist das Kfz wertlos, es sei denn, man bevorzugt die vorsintflutliche Handkurbel oder parkt nur an ab-schüssiger Straße.

© Bayerischer Rundfunk 1


Damit wird ein weites Feld der Chemie aufgetan: die Wirkung von Säuren auf unedle, halbedle sowie edle Metalle. Damit kommt die Io-nenbildung ins Spiel. Die Reaktionen von Zink mit Salzsäure sowie Ei-sen mit Essigsäure dienen als Beispiele, die Beteiligung von Wasser-stoff an der Reaktion und ein erster Hinweis auf die Chemie der Salze erfolgt, natürlich fehlt die Knallgasprobe nicht.

Die Wirkung verschiedener Säuren auf Edelmetalle, Halbedelmetalle und so genannte unedle Metalle wird an Beispielen erörtert. Der Zu-schauer erkennt die Abhängigkeit von Chloriden, Sulfaten, Nitraten und Phosphaten von den verwandten Metallen und Säuren.

Und der Saure Regen…

Ehe der Saure Regen mit seinen verheerenden Wirkungen auf Pflanzen und Gebilde aus Kalkstein angesprochen wird, demonstriert die Sendung in anschaulichen Experimenten die hygroskopische Wirkung der Schwefelsäure: Zucker verkohlt, Baum- und Schafwolle werden zersetzt. Der Film endet mit einem Beispiel für die Bedeutung der Schwefelsäure als Grundstoff in der Düngemittelproduktion: Ammoniak und Schwefelsäure reagieren zu Ammoniumsulfat.

Fakten

Blei-Akkumulator

Zwei Bleiplatten überziehen sich in verdünnter Schwefelsäure mit einer dünnen Schicht Bleisulfat (PbSO 4).

An eine Gleichstromquelle angeschlossen, oxidiert die Anode, an der Kathode wird aus Bleisulfat Blei (Elektrolyse -> Ersatz destillierten Wassers).

Zwei verschiedene Leiter (Bleidioxid und Blei) in einem Elektrolyten (H 2 SO 4 + H 2 O) stellen ein Galvanisches Element dar.

Bei der Entladung sinkt die Konzentration der Säure und damit ihr spezifisches Gewicht. Mittels Senkwaage lässt sich der Ladezustand kontrollieren.

2 PbSO 4 + H 2 O -> laden -> PbO 2 + H 2 SO 4 + Pb Anode und Kathode Anode Kathode

PbO 2 + H 2 SO 4 + Pb -> entladen -> 2 PbSO 4 + H 2 O Anode Kathode Anode und Kathode

In der Regel wird der Akku über den Generator des Fahrzeugs aufgeladen. Die Entladung erfolgt während des Betriebs elektrischer Geräte wie Anlasser, Beleuchtung, Radio etc. Im Handel erhält man vorgeladene Akkus (Anode PbO 2 , Kathode Pb). Die Platten sind zunächst trocken, die Säure muss ergänzt werden.

Akkus entladen sich auch ohne den Betrieb äußerer elektrischer Geräte, so dass sie vor Gebrauch nach längerer Ruhepause geladen werden müssen.



Reaktion von sauren Lösungen und Metallen

Unedles Metall + saure Lösung -> gelöstes Salz + Wasserstoff

Na + HCl -> NaCl + ½ H 2 ; 2 Na + 2 HCl -> 2 NaCl + H 2

Mg + 2 HCl -> MgCl 2 + H 2

Al + 3 HCl -> AlCl 3 + 1½ H 2 ; 2 Al + 6 HCl -> 2 AlCl 3 + 3H 2

Ca + H 2 SO 4 -> CaSO 4 + H 2

Das Halbedelmetall Kupfer reagiert z. B. mit Salpetersäure -> Kupfernitrat + giftige nitrose Gase.

Edelmetalle reagieren nicht mit sauren Lösungen unter Wasserstoffentwicklung.

Ausnahmen, die in der Sendung aber nicht genannt werden: Heiße Salpetersäure (Scheidewasser) reagiert mit Silber. Trennung der beiden Edelmetalle; Königswasser (Salzsäure : konz. Salpetersäure = 3 : 1) löst Gold.

Reaktion von sauren Lösungen und Kalk

Carbonate und Hydrogencarbonate werden in sauren Lösungen zersetzt. Als äußeres Zeichen ist die Entstehung von Kohlendioxid erkennbar. Natriumhydogencarbonat (Natron) NaHCO 3 wurde gern gegen Sodbennen verwandt, weil bei der Reaktion die Säure gebunden wird. Jugendliche kennen es auch als Bestandteil des Brausepulvers: In wässriger Lösung schäumt es wegen der CO 2 - Entwicklung heftig auf.

CaCO 3 + 2HCl -> CaCl 2 + CO 2 + H 2 O

Saurer Regen

Bei der Verbrennung fossiler Stoffe, die in der Regel mehr oder weniger Schwefel enthalten, entsteht u.a. Schwefeldioxid, das mit der Luftfeuchtigkeit Schweflige Säure bildet. Ebenso verhalten sich Kohlenstoff (-> Kohlendioxid -> Kohlensäure) sowie Stickstoff in den heißen Verbrennungsräumen der Kfz (giftige nitrose Gase und ihre Säuren). Bei Temperaturen über ca. 625° C-> NO, darunter -> NO 2 ;

Der saure Niederschlag schädigt • den Boden (z.B. durch Entkalken) • die Pflanzen und • Kalkstein an Bauwerken.

Hygroskopische Wirkung

Konzentrierte Schwefelsäure ist hygroskopisch.

Die Masse offen stehender Schwefelsäure nimmt zu: sie zieht Wassermoleküle aus der Luft an.

Ätznatron (Natriumhydroxid) ist hygroskopisch.



Die Plätzchen überziehen sich an der (feuchten) Luft schnell mit einem feuchten Film (-> Natronlauge).

Salze, die Hydrate bilden können, sind hygroskopisch. Calciumchlorid wird deshalb als Trockenmittel eingesetzt.

Hygroskopisch bedeutet „wasseranziehend“.

Essigsäure (Ethansäure) CH 3 COOH (Lebensmittelzusatzstoff E260)

Essigsäure kann durch Oxidation von Ethanol gewonnen werden. Die Carboxylgruppe –COOH bestimmt die Eigenschaften und das Reaktionsverhalten dieser Säure. Damit gehört sie zur Gruppe der Alkansäuren wie auch Methansäure: HCOOH (Ameisensäure), Ethansäure(Essigsäure), Propansäure C 2 H 5 COOH (Propionsäure), Butansäure C 3 H 7 COOH (Buttersäure) usw.

Konzentrierte Essigsäure wirkt stark ätzend, bei ca. 17 °C erstarrt sie zu Kristallen (Eisessig).

Essiggewinnung aus Alkoholen wie Wein, Branntwein ist deshalb möglich, weil Essigsäurebakterien bzw. ihre Enzyme das Ethanol oxidieren. Essig kann selbst hergestellt werden aus Wein und der so genannten „Essigmutter“, den Bakterien. Der so gewonnene Essig hat eine Säurekonzentration von ca. 15%, Haushaltsessig ca. 6%, Essigessenz 25%.

Haushaltsessig dient zum Würzen von Speisen ebenso, wie zum Konservieren von Lebensmitteln, weil bestimmte krankheitserregende Bakterien abgetötet werden (saure Gurken, Pilze). Essigsäure dient wie die Ameisensäure auch zum Entkalken. Bekannte Salze der Essigsäure sind das giftige Kupferacetat (Grünspan) und das entzündungshemmende Aluminiumacetat (essigsaure Tonerde).

Bei der Reaktion von verdünnter Essigsäure mit unedlen Metallen entstehen Acetate und Wasserstoff.

Bei Versuchen mit Essigsäure ist unbedingt auf die Konzentration zu achten. Hohe Verdünnungen beeinträchtigen den Erfolg der Versuche, hohe Konzentrationen verlangen Schutzbrille und Handschuhe, eine Tatsache die dank des „harmlosen“ Namens gern übersehen wird!

Milchsäure – 2-Hydroxypropansäure (CH 3 -CHOH-COOH) (Lebensmittelzusatzstoff E270)

Sie kommt in der Natur recht häufig vor, auch dort, wo man sie nicht vermutet: in saurer Milch, in sauren Milchprodukten, in Früchten, im Wein, im Sauerkraut, in der Silage, im Blut und in den Muskeln. Sie entsteht bei der Säuregärung von Milchzucker.

Aus der Herstellung von Sauerkraut und Silage wissen wir, dass der Gärungsvorgang unter Sauerstoffabschluss verlaufen muss. Fügt man eine „Starterkultur“ hinzu, dann erhält man vorwiegend die gesündere Form als „rechtsdrehende L(+)-Milchsäure“.

Starterkulturen sind z.B. auch bei der Herstellung von Joghurt u.ä. Milchprodukten bekannt, wobei die Temperatur während der Gärung auch eine besondere Rolle spielt.

Die Salze der Milchsäure heißen Lactate.



Begriffe

dissoziieren Der Begriff stammt aus dem Lateinischen dissociare = trennen, spalten Säuren dissoziieren in wässriger Lösung, d.h. sie spalten H + -Ionen ab, negativ geladene Säure-rest-Ionen verbleiben. (siehe auch: Protolyse)

Protolyse siehe unter „Ätzend“ Arbeitsblatt 2 Protolysen sind Reaktionen, bei denen H + -Ionen (Protonen) von einem Teilchen auf ein anderes, hier auf ein Wasser-Molekül, übertragen werden. Ursache hierfür ist der Dipolcharakter des Wasser-moleküls als auch die Ladung der Ionen der Hydrogenchlorid-Verbindung HCl. So geben Säuren in wässriger Lösung Protonen an Wassermoleküle ab. Deshalb nennt man Säuren auch Protonenspen-der oder Protonen donatoren. Aus H 2 O wird ein Oxonium-Ion H 3 O

+ (s.dort). Zurück bleibt ein negativ geladenes Säurerest-Ion. Beispiel für verdünnte Salzsäure: HCl + H 2 O -> Cl

- + H 3 O +

Anhydrid Der Begriff ist aus der griechischen Sprache abgeleitet: an“ = nicht; „hydor“ = Wasser Anhydride bilden mit Wasser Säuren. Phosphoroxid ist das Anhydrid der Phosphorsäure. Schwefeltrioxid ist das Anhydrid der Schwefelsäure. Schwefeldioxid ist das Anhydrid der Schwefligen Säure.

Oxonium-Ion / Hydronium-Ion siehe unter „Ätzend" Arbeitsblatt 2 Oxonium-Ionen kommen in wässriger Lösung nur hydratisiert, d.h. von drei Wassermolekülen umge-ben, vor: (H 9 O 4 )

+ (Hydronium-Ion). Die Ummantelung kommt zustande, weil sowohl die Wasserdi-pole als auch die Ionen einander anziehen. Die hydratisierten (von Wassermolekülen umgebenen) Oxonium-Ionen werden als Hydronium-Ionen bezeichnet. Sie bewirken den sauren Geschmack, den Farbumschlag der Indikatoren, und ihre Konzentration ist das Maß für die Stärke der jeweiligen Säu-re. Die Definition des Säurecharakters ist in den Schulbüchern uneinheitlich. Manche sprechen nur von H + -Ionen (Protonen), andere von Oxonium-Ionen H 3 O

+ , wieder andere von hydratisierten Ionen H 3 O

+ (aq) oder Hydronium-Ionen.

Oxysäuren Sie enthalten neben dem Wasserstoff auch Sauerstoff: Schwefelsäure oder Kohlensäure

Wasserstoffsäuren Sie enthalten keinen Sauerstoff: Salzsäure (HCl), Flusssäure (HF) oder Blausäure (HCN)

Carbonsäuren Ameisensäure (Methansäure) HCOOH Essigsäure (Ethansäure) CH 3 -COOH Benzoesäure C 6 H 5 COOH Oxalsäure (Etandisäure) HOOC-COOH Weinsäure HOOC-CHOH-CHOH-COOH Citronensäure

Metalle K – Na – Mg – Al – Mn – Zn – Fe – Ni – Sn – Pb – H2 – Cu – Ag – Hg – Au Die aufgeführte Reihe wird Spannungsreihe genannt. Jedes Glied dieser Reihe vermag die rechts von ihm stehenden aus deren Salzlösung auszufällen, wobei es selbst in Lösung geht. Das unedlere Metall verdrängt das edlere. Man kann auch sagen: Je weiter links ein Metall steht, desto leichter verbindet es sich mit Sauerstoff, je weiter rechts, desto schwerer. Edelmetalle oxidieren nicht, sie behalten ihren ursprünglichen Glanz.


http://www.br.de/fernsehen/br-alpha/sendungen/schulfernsehen/saeure-aetzend-sauer100.htmlhttp://www.br.de/fernsehen/br-alpha/sendungen/schulfernsehen/saeure-aetzend-sauer100.html


Kalium und Natrium z.B. können nur unter Sauerstoffabschluss aufbewahrt werden, sonst oxidieren sie in kürzester Zeit. Links vom Wasserstoff stehende Metalle lösen sich deshalb in sauren Lösungen (H 3 O-Ionen) unter Wasserstoffentwicklung (Verdrängung), rechts davon stehende dagegen nicht (halbedle und edle Me-talle), allerdings reagiert Kupfer mit konzentrierter Salpetersäure, Königswasser (Gemisch aus kon-zentrierter Salzsäure und konzentrierter Salpetersäure (3:1) reagiert mit Gold und Platin, Scheide-wasser (konzentrierte Salpetersäure) löst Silber, nicht jedoch Gold und Platin.

exotherm (ex = aus, heraus; therm = Wärme) Exotherme Reaktionen sind solche, in deren Verlauf Wärmeenergie frei wird. Als Beispiele können Oxidationen (Verbrennungen) oder die Verdünnung von Säuren genannt werden.

endotherm Bei endothermen Vorgängen wird Energie zugeführt. Beispiel: Elektrolyse Im Hofmann’schen Wasserzersetzungsapparat ist elektrische Energie erforderlich, um das Wasser-molekül in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Die Energie wird wieder frei gesetzt, sobald Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren.

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.

Die Schülerinnen und Schüler sollen die Verwendung von sauren Lösungen im Haushalt, in der Werk-statt sowie in der Industrie kennen lernen. Sie erfahren, wie Saurer Regen entsteht und wie er redu-ziert werden kann. Die verheerenden Wirkungen werden angedeutet.

In anschaulichen Beispielen erfahren sie, wie saure Lösungen auf Metalle wirken. Die entsprechen-den Salze werden genannt, ohne die Unterrichtseinheit „Salze“ vorweg zu nehmen. Die hygroskopi-sche Wirkung einer Säure sowie ihre Wirkung auf organische Stoffe wird angesprochen. Entspre-chende chemische Zeichen werden vermittelt, die Wortgleichungen zu den Versuchen erarbeitet und in Formeln umgesetzt.

Während die Jugendlichen einerseits die Bedeutung von Säuren im Alltag und der Technik erkennen, sollen sie andererseits zu umweltbewusstem Handeln erzogen werden. Mäßigung im Einsatz und sachgerechte Entsorgung sollen als selbstverständlich empfunden werden.

Schülerinnen und Schüler der Realschulen und ggf. der Hauptschüler in M-Klassen sollen Säuren als Protonenspender kennen lernen. Das säuretypische Oxonium-Ion (Hydronium-Ion) sowie das Säure-rest-Ion werden vorgestellt. Die Jugendlichen sollen begreifen, auf welchem Wege wässrige Säurelö-sungen elektrische Energie übertragen können.

Lernziele

Die Schülerinnen und Schüler sollen

• die Gefahren im Umgang mit Säuren erkennen und die nötigen Vorsichtsmaßregeln beachten; • verstehen, dass mit Säuren wasserunlösliche Salze in wasserlösliche umgewandelt werden

können; • Einblick in den Einsatz von Säuren in der Lebensmitteltechnologie erhalten;• Einblick in den Einsatz von Säuren in galvanischen Elementen (Akkumulatoren) erhalten; • einen Überblick über die Wirkung von Säuren auf Metalle und Mineralien erhalten;



• die dabei wirksame Substitution von Metallionen durch Protonen einsehen; • die Wirkung von konzentrierter Schwefelsäure auf organische Stoffe beobachten und deuten; • Einblick in die Verwendung von Schwefelsäure in der Düngemittelindustrie erhalten.

Anregungen zur Unterrichtsgestaltung

Die Sendungen "Echt ätzend – Säuren und ihre Wirkungen" und "Unwiderstehlich – Säuren in der Industrie" bilden eine Einheit. Die Lehrkraft entscheidet, ob Inhalte der Sendungen untereinander ausgetauscht werden sollen.

Vorbemerkung

Umweltschutz als Unterrichtsprinzip sollte für den Chemieunterricht vorrangig gelten. Wenn die sachgerechte Entsorgung der im Unterricht verwandten Chemikalien als Selbstverständlichkeit praktiziert wird, erübrigen sich langatmige und damit meist nutzlose Belehrungen! Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit starken Säuren müssen einleitend vorgestellt werden. Die Jugendlichen erfahren, dass zur Arbeit mit Säuren zwingend vorgeschrieben sind: - Schutzbrille, - Handschuhe und - Labormantel sowie - die Augenwaschflasche. Die Gefahrenstoffverordnung sowie die KMK zur Sicherheit im naturwissenschaftlichen Unterricht sind zu beachten (s. auch „Unwiderstehlich – Säuren in der Industrie“ Szene 1), Versuche mit starken Säuren und Laugen sind der Lehrkraft vorbehalten, die sachgerechte Entsorgung der Chemikalien zu üben.

Möglicher Einsatz der Sendung im Unterricht

Die Sendung ist klar strukturiert und kann deshalb wie die Sendung „Echt ätzend – Säuren und ihre Wirkungen“ auch schrittweise oder in Arbeitsgruppen ausschnittweise eingesetzt werden. Sie eignet sich sehr gut zum Einsatz in selbständig arbeitenden Klassen/Gruppen, die parallel zum naturwissenschaftlichen Unterricht Medienerziehung erfahren sollen. Der vorliegende Beitrag berücksichtigt den Gedanken.

Teil 1: 00:38 – 01:50 Kalkstein in Waschbecken, Töpfen oder Heizrohren muss gelöst werden. Teil 2: 01:50 – 04:24 Säuren in der Küche und im Stall Teil 3: 04:24 – 07:09 Bleiakkumulatoren benötigen Schwefelsäure Teil 4: 07:09 – 08:18 Saure Lösungen und Metalle Teil 4a: 08:30 - 09:22 nur RS und HSM: Ionen und Salze Teil 5: 10:18 – 11:43 Schwefelsäure wirkt hygroskopisch Teil 6: 11:43 – 12:59 Saurer Regen: Saure Lösungen zerstören Kalksandsteingebilde Teil 7: 12:59 – Schluss Ammoniumsulfat

Nach einer Gesamtschau der Sendung als Einführung in das Thema können die folgenden Vorschläge schrittweise oder ausschnittweise realisiert werden.

Teil 1: „Kalkstein muss gelöst werden“ Sendung 0:38 – 1:50 Eignung: RS und HS Schwierigkeitsgrad: einfach; selbständige Schülerarbeit anhand Sequenz und Internetbeitrag Die Schülerinnen und Schüler diskutieren den Teil der Sendung und bringen eigene Erfahrungen ein: unschöne Kalkränder, Kalkstein in Töpfen, Wärmeverluste, Kalkstein in Waschmaschinen, Spül- und


http://www.br.de/fernsehen/br-alpha/sendungen/schulfernsehen/saeure-aetzend-sauer100.html


Kaffeemaschinen etc. Sie kennen Maßnahmen aus Werbesendungen und aus eigener Erfahrung. Sie diskutieren die Umweltbelastung durch saure Abwässer. Sie erkunden in der Kläranlage die Probleme und Schutzmaßnahmen. Neutralisation wird erstmals angesprochen. Versuche: II-1, II-2

Teil 2: „Säuren in der Küche und im Stall“ Sendung: 1:50 – 4:24 Eignung: RS und HS Schwierigkeitsgrad: einfach; selbständige Schülerarbeit In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Hauswirtschaft werden die Themen „Konservieren“, „Haltbarkeit unbehandelter Milch“ und/oder „Joghurtherstellung“ praktisch behandelt. Jugendliche, deren Eltern in der Landwirtschaft tätig sind, konzentrieren sich auf das Thema „Silage“. In Verbindung mit dem Deutschunterricht kann ein Referat vorbereitet werden. Versuche: V II-4, V II-5

Teil 3: „Bleiakkumulatoren benötigen Schwefelsäure“ Sendung: 4:24 – 7:09 Eignung: RS und HS (bedingt) Schwierigkeitsgrad: mittel, entsprechend Vertiefung; Lehrerversuche Die Jugendlichen diskutieren das Thema mit Beiträgen aus eigener Erfahrung. „Die Batterie ist leer“, „Der Akku muss geladen werden“, „Die Lichtmaschine ist kaputt“, „Wartungsarme oder wartungsfreie Akkumulatoren“ sind Denkanstöße, an die angeknüpft werden kann. Das Thema ist durch das Problem belastet, dass den Jugendlichen die Funktion des Galvanische Elements nicht bekannt sein dürfte. In diesem Falle bleibt die Arbeit auf die Besprechung von den Phänomenen beschränkt, die in der Sendung vorgestellt werden. Versuche:V II-11 Vertiefung und Wiederholung: Arbeitsblätter 1-3

Teil 4: „Saure Lösungen und Metalle“ Sendung: 7:09 – 10:18 Eignung: RS und HS Schwierigkeitsgrad: mittel; Schüler und Lehrerversuchsreihen Das Thema betrifft weniger den Erfahrungsbereich der Schülerinnen und Schüler dieser Jahrgangsstufe. Weil Salze, das Produkt einer Reaktion von sauren Lösungen und Metallen, als Düngemittel (HS-LP 8.4.2) (siehe auch Teil 7 der Sendung) sowie umweltbelastende Stoffe eine bedeutende Rolle spielen, sollte dieser Teil der Sendung nicht vernachlässigt werden. Für die Schülerinnen und Schüler der RS sowie der HSM-Klassen erlangt dieser Teil sogar besondere Bedeutung: Ionenbildung und Ionenbindungen werden anschaulich erklärt. Versuche: V II-7

Teil 5: „Schwefelsäure wirkt hygroskopisch“ Sendung: 10:18 – 11:43 Eignung: HS und RS Schwierigkeitsgrad: mittel: Lehrerversuche Sinnvoll ist der Einsatz dieser Sequenz vor der Behandlung der Schwefelsäure im ersten Teil „Echt ätzend – Säuren und ihre Wirkungen“. Die Warnung vor unbedachtem Umgang mit Säuren, vor allem dieser Säure, kann anschaulich begründet werden. Die Jugendlichen lernen: Hygroskopisch bedeutet „wasseranziehend“. Versuch II-8 Schwefelsäure zerstört oder verkohlt organische Gewebe, deren Moleküle Wasserbestandteile enthalten. Versuch II-9 und Versuch II -10



Teil 6: Saurer Regen zerstört Kalksandstein Sendung: 11:43 – 12:59 Eignung: RS und HS Schwierigkeitsgrad: leicht; Lehrerversuch; Wiederholung: „Echt ätzend – Säuren und ihre Wirkungen“ Teil 5 „Nichtmetalloxide lösen sich in Wasser “ Ausgehend von Bildern, die zerfressene Fassaden von alten Kirchen zeigen, klären die Jugendlichen den Sachverhalt. Hilfreich ist ein weiterer Versuch, der im Lehrerband 8 „Urknall“ – Bayern (ISBN 3-12-113049-8) auf Seite 208 beschrieben wird. Versuche: II-2, II-3, II-6

Teil 7: Ammoniumsulfat Sendung: 12:59 – Schluss Eignung: RS und HS Schwierigkeitsgrad: mittel; keine Versuche Das Thema weist hin auf den großen Bereich der Mineraldünger, ihre Vor- und Nachteile. 2 NH 3 + H 2 SO 4 -> (NH 4 ) 2 SO 4 Weil der Stoffumfang der beiden Sendungen die zur Verfügung stehende Zeit im Rahmen des Lehrplans übertreffen dürfte, sollten die Teile 4 und 7 unter HS-LP 8.4.2 „Salze“ berücksichtigt werden.

Versuch II-1

Problemstellung Was geschieht, wenn in Gefäßen oder in Leitungsrohren Kalk abgelagert wird?

Zielgruppe RS 8 und HS 8

Art des Versuchs Schülerversuch

Material Arbeitsmaterial Becherglas, Dreifuß, Keramik-Drahtnetz , Bunsenbrenner Testmaterial Leitungswasser, destilliertes Wasser

Sicherheitshinweise Glasbruch verhindern

Durchführung Im Becherglas wird Wasser eingedampft, bis ein Kalkschleier sichtbar wird. Vergleich mit destilliertem Wasser durchführen!

Erkenntnis Die Jugendlichen erkennen und erfahren: Leitungswasser ist „hart“, es enthält wasserlösliche Calcium- und Magnesiumsalze: Calcium- und Magnesium hydrogen carbonat. Wird das Wasser erhitzt, so zerfallen die Hydrogencarbonate, es entstehen schwer lösliche Carbonate.

Ca( H CO 3 ) 2 -> CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Mg( H CO 3 ) 2 -> MgCO 3 + H 2 O + CO 2

Diese schwer löslichen Carbonate heißen Kesselstein und schaffen die bekannten Probleme. Hefteintrag: Siehe Erkenntnis



Versuch II-2

Problemstellung Wie kann man Kalkstein (Kesselstein) wieder entfernen?



Material Arbeits- und Testmaterial Becherglas mit Kalkschleier aus dem Versuch II-1 , Essig, ggf Essigessenz, verdünnte Ameisensäure, Zitronensäure, Lappen

Durchführung Das Glas wird mittels Lappen und der schwachen Säure gereinigt.

Sicherheitshinweise Abhängig von der Stärke der verwandten Säure: Schutzbrille, Handschuhe

Erkenntnis Saure Lösungen dienen der Entfernung von Kalkablagerungen. Die Schülerinnen und Schüler berichten über einschlägige Maßnahmen im Haushalt: Wasserenthärtung in Wasch- und Spülmaschinen, Wasserenthärtung vor der Haarwäsche bei besonders hartem Wasser, Entkalkung von Küchengeräten. Reaktion einer sauren Lösung mit Kalk am Beispiel der Salzsäure: CaCO 3 + 2 HCl -> CaCl 2 + CO 2 + H 2 O

Hefteintrag: Siehe „Erkenntnis kursiv“

Versuch II-3

Problemstellung Wie schadet „Saurer Regen“ Bauwerken aus Kalkstein?


Art des Versuchs Lehrerversuch

Material Arbeits- und Testmaterial 2 Bechergläser, Calciumcarbonat, verdünnte Salzsäure, verdünnte Schwefelsäure, Ameisensäure

Sicherheitshinweise Schutzbrille

Durchführung Der Versuch ist identisch mit dem Versuch II-2, lediglich die verwendeten Säuren sind stärker. In verdünnter Salzsäure sowie verdünnter Schwefelsäure wird Calciumcarbonat gelöst. (Vorsicht: Spritzer!) Der Versuch mit Schwefelsäure sollte wegen der Wirkung sauren Regens auf Kalksteinbauten durchgeführt werden. Die Bildung und der Nachweis von Calciumsulfat (Gips) sollte leistungsstarken



Gruppen oder der Durchführung eines entsprechenden Projekts vorbehalten bleiben (Entschwefelungsanlagen).

Erkenntnis Die Schüler vergleichen die Ergebnisse ihres Schülerversuchs (Versuch II-2) mit denen des Lehrerversuchs und erkennen, dass zur Entfernung von Kalkablagerungen auch relativ schwache (organische) Säuren dienen können. Der „Hammer“ schadet der Umwelt und ist meist nicht erforderlich. Sie erkennen aber auch, dass Saurer Regen auf Dauer Bauwerke aus Kalkstein zerstören.

Wortgleichung: Calciumcarbonat + Salzsäure -> Calciumchlorid + Kohlendioxid + Wasser Formelgleichung : CaCO 3 + 2 HCl -> CaCl 2 + CO 2 + H 2 O Wortgleichung: Calciumcarbonat + Schwefelsäure -> Calciumsulfat + Kohlendioxid + Wasser Formelgleichung: Ca CO 3 + H 2 SO 4 -> CaSO 4 + CO 2 + H 2 O Zwar bildet sich bei Saurem Regen auf der Oberfläche der kalkhaltigen Sandsteine eine Schutzschicht aus Calciumsulfat (Gips), doch ist jene mechanisch nicht belastbar und bröckelt ab.

Hefteintrag: Siehe Versuch II-2

Versuch II-4

Problemstellung Wie kann man Lebensmittel konservieren?


Art des Versuchs Schülerversuch Die Schülerinnen und Schüler berichten aus ihrem Erfahrungsbereich über Konservierungsstoffe in handelsüblichen Konserven. - Salz konserviert (Salzheringe, Salzgurken) - Rauch konserviert (Rauchfleisch, geräucherter Fisch) - Erhitzen und Sauerstoffabschluss konserviert (Einwecken) - Trocknen konserviert (Stockfisch, Trockenfleisch) - Essig konserviert (Sauerfisch, saures Gemüse) Weil im „modernen Haushalt“ kaum noch Sauerkonserven wie Gurken, Pilze etc. in Eigenregie gewonnen werden, wird sich das Gespräch auf industrielle Sauerkonserven wie Fisch-, Gurken-, Paprikakonserven konzentrieren. In Schülerversuchen kann „Omas Technik“ jedoch demonstriert werden.

Material Gurken, Paprika, Kürbis etc, Essig, Topf aus Edelstahl oder Jena-Glas, Kochplatte, saubere (keimfreie) Gläser, Cellophan o.ä. In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Hauswirtschaft werden Sauerkonserven hergestellt. Sie werden in Gläsern mit Cellophanabschluss gelagert und beobachtet. Parallel dazu wird ein Glas ohne Säurezusatz gelagert. Langzeitbeobachtung: Sauerkonserven halten lange, nicht gesäuerte setzen bald Schimmel an.

Erkenntnis Saure Lösungen konservieren langfristig, weil Bakterien und Pilze abgetötet werden.

Hefteintrag: Rezept für Sauerkonserven



Versuch II-5

Problemstellung Wie lange bleibt unbehandelte Mich frisch? Was geschieht, wenn sie nicht konserviert (erhitzt) wird?



Testmaterial Frischmilch (keine H-Milch (!) und/oder Joghurtbereiter, ggf. Milchsäure

Durchführung In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Hauswirtschaft wird beobachtet, wie Milch mit/ohne Zugabe einer Säure sauer wird, die festen Bestandteile (Eiweiß) zu Boden sinken und als Quark, bei besonderer Behandlung als Joghurt, verzehrt werden können. Der Langzeitversuch „Herstellung von Sauerkraut“ („Herstellung von Silage“)ist aus Zeitgründen nicht möglich.

Erkenntnis Die Schüler erfahren: Milch enthält Milchzucker, der zu Milchsäure (CH 3 -CHOH-COOH) vergärt. Milchsäure gehört zu den organischen Säuren. Milchsäure ist auch für die Entstehung von Sauerkraut verantwortlich, in der Landwirtschaft bei der Herstellung von Silage; sie spielt als L-Milchsäure im arbeitenden Muskel eine Rolle. Andere organische Säuren sind - Oxalsäure im Sauerklee, in Rhabarber), - Weinsäure (HOOC-CHOH-CHOH-COOH), - Citronensäure in allen Citrusfrüchten, - Benzoesäure in Heidelbeeren (Konservierungsstoff), - Salicylsäure in der Weidenrinde, Bestandteil von Aspirin.

Versuch II-6

Säuren in der Technik

Thema Im Kunstgewerbe ist das Ätzen von Eierschalen bekannt


Material Ausgeblasene Eier, Wachsstifte, Essig oder Essigessenz, Bechergläser

Durchführung In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Kunsterziehung können Eierschalen mittels Wachsstiften bemalt und anschließend in der Säure geätzt werden, weil Kalk und Säure miteinander reagieren (siehe auch Versuch II-2). Die von Wachs bedeckten Stellen bleiben frei von Ätzung. Das Wachs kann mit heißem Wasser wieder entfernt werden. Den Jugendlichen kann vermittelt werden, dass in ähnlicher Technik auch Metallplatten bearbeitet werden können.



Versuch II-7

Thema Säuren in der Technik Saure Lösungen greifen unedle Metalle an.


Art des Versuchs Lehrerversuch mit starken Säuren Schülerversuch mit schwachen Säuren

Material - für den Schülerversuch Zinkspäne, Eisennagel, Magnesiumband, stark verdünnte Essigsäure bzw. Essigessenz (Vorsicht: ätzend! ), Essig, Bechergläser

Sicherheitshinweis Säureabhängig: Schutzbrille Bei Versuchen mit Essigsäure ist unbedingt auf die Konzentration zu achten. Hohe Verdünnungen beeinträchtigen den Erfolg der Versuche, hohe Konzentrationen verlangen Schutzbrille und Handschuhe, sind ggf. nicht für Schülerversuche geeignet, eine Tatsache, die dank des „harmlosen“ Namens gern übersehen wird!

Durchführung Metallspäne werden mit der sauren Lösung übergossen. Die Versuchsreihe wird mit Essig und Essigessenz und verschiedenen Metallen durchgeführt. Wegen der schwachen Reaktion z.B. bei Eisen und Essenz, empfiehlt sich der Einsatz einer Lupe, die auch schwache Blasenbildung erkennen lässt.

Wortgleichung: Unedles Metall + saure Lösung -> Wasserstoff + Salz

- für den Lehrerversuch Reagenzgläser mit durchbohrten Stopfen und Gasableitungsrohren, kleines Reagenzglas, Reagenzglashalter, Dreifuß, Keramik-Drahtnetz, Gasbrenner, Porzellanschale, Zink-, Magnesium-, Kupferspäne, Eisennagel, Silberblech, verdünnte und konzentrierte Salzsäure, ggf. Silbernitratlösung, verdünnte und konzentrierte Schwefelsäure, konzentrierte Salpetersäure

Sicherheitshinweis Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel, Spritz-/Splitterschutz, Abzug

Durchführung Der Schülerversuch wird im Lehrerversuch vertieft. Die erkennbar heftigere Reaktion mit den verdünnten starken Säuren wird protokolliert. Das Wasserstoffgas wird im kleinen Reagenzglas aufgefangen. Die Knallgasprobe bestätigt das Gas. Nach dem Eindampfen kann mittels Silbernitratlösung das Salz nachgewiesen werden. Die unerwartete Reaktion z.B. mit konzentrierter Schwefelsäure dient als Denkanstoß für interessierte Jugendliche.

Erkenntnis Unedle Metalle reagieren mit der sauren Lösung, halbedle und edle nicht. Wortgleichung: RS und HS: Zink+ Salzsäure -> Zinkchlorid + Wasserstoff Formelgleichung : Zn + 2 HCl -> ZnCl 2 + H 2



RS und HSM: Wortgleichung: Magnesium + verd. Schwefelsäure -> Magnesiumsulfat + Wasserstoff Formelgleichung: Mg + H 2 SO 4 + 2 H 2 O -> Mg

2+ + 2H 3 O + + SO 4

2-

Mg 2+ + 2H 3 O + + SO 4

2- -> MgSO 4 + 2H 2 O + H 2

Für Schülerinnen und Schüler der Realschulen können erweiterte Versuche mit konzentrierter sowie verdünnter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure durchgeführt werden. Der Versuch mit konzentrierter Schwefelsäure und Eisen setzt die Kenntnis von der Ionenbildung bei wässrigen Lösungen voraus (Hydronium-/Säurerest-Ion). Möglicher Denkanstoß: Wie verhält sich konzentrierte Schwefelsäure in Stahlbehältern? Was bewirkt eine Verdünnung dieser Säure im gleichen Behälter? Auf die heftige Reaktion mit der Salpetersäure (auch Kupfer -> Kupfernitrat) sowie die Entwicklung giftiger nitroser Gase wird ausdrücklich hingewiesen (Abzug)!

Versuch II-8

Problemstellung Weshalb greift Schwefelsäure organische Stoffe an?



Material Versuchsmaterial Becherglas oder Petrischale, Waage Testmaterial Konzentrierte Schwefelsäure (96 – 98%)

Sicherheitshinweis Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel

Durchführung Die Säure wird in das Becherglas gefüllt, die Masse protokolliert. In bestimmten Abständen wird die Masse erneut protokolliert.

Erkenntnis Die Masse nimmt zu, weil die Säure aus der feuchten Luft Wasser aufnimmt. Folglich entzieht die Säure auch der Haut und anderen organischen Stoffen das Wasser. Die Jugendlichen kennen andere hygroskopisch wirkende Mittel als Beilagen beim Kauf elektronischer und optischer Geräte.

Hefteintrag Schwefelsäure wirkt hygroskopisch , das heißt, sie zieht Wasser an.



Versuch II-9

Problemstellung Weshalb ist beim Umgang mit Schwefelsäure Vorsicht geboten?



Material Becherglas, organisches Material wie Pflanzenfasern, Tierhaare, Schwefelsäure


Durchführung Die organischen Stoffe werden mit Säure benetzt.

Erkenntnis Schwefelsäure zerstört organische Stoffe. -> Hautkontakt muss unbedingt vermieden werden, Kleidung ist zu schützen.

Wird bei einem Unfall das Auge betroffen, muss parallel zur Verständigung des Arztes die Augendusche zur Anwendung kommen. Dabei ist zu beachten, dass ablaufendes Wasser nicht ins zweite Auge gelangt. Die Demonstration der Dusche zu Beginn eines Schuljahres ist erforderlich!

Versuch II-10

Problemstellung Wie ist das merkwürdige Verhalten des Zuckers zu erklären, wenn Schwefelsäure darüber geschüttet wird?



Material Becherglas, Zucker, (Wasser), konzentrierte Schwefelsäure


Vorwissen Hygroskopische Wirkung der Schwefelsäure

Durchführung Der Zucker wird mit Wasser zu einem dicken Brei verrührt. Die Säure wird vorsichtig hinzugefügt.

Beobachtung und Erkenntnis Der beeindruckende Versuch zeigt: Schwefelsäure verkohlt Zucker. Das Zuckermolekül enthält außer Kohlenstoff Wasser- und Sauerstoff, die Elemente des Wassers.



Hefteintrag Schwefelsäure verkohlt Zucker Das Zuckermolekül (Einfachzucker) enthält die Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff: C 6 H 12 O 6 Die Säure entzieht dem Molekül die Bestandteile des Wassers: H 2 und O 2 . Übrig bleibt Kohlenstoff C . Zucker verkohlt ebenso wie andere organische Stoffe, z. B. Holz und Papier.

Versuch II-11

Problemstellung Wie funktioniert ein Blei-Akkumulator?

Zielgruppe RS 8 un HS 8


Material Becherglas, 2 saubere glänzende Bleiplatten, Schwefelsäure, Gleichstromquelle 2 V, Voltmeter, Amperemeter, Glühbirne mit Fassung 2 V, Stativmaterial


Durchführung Die Bleiplatten werden in das Glas gesenkt, so dass sie einander nicht berühren können. Die Schwefelsäure wird vorsichtig eingefüllt. Test: Zwischen den Platten liegt keine Spannung an. Die Platten überziehen sich mit einer grauen Schicht (Bleisulfat). Laden: Die Gleichstromquelle wird angeschlossen, Wasserstoffgas steigt an der Kathode, Sauerstoffgas an der Anode auf (s. Elektrolyse). Die Anode verfärbt sich als Zeichen der Oxidation braun, die Kathode verliert ihre graue Schicht. Entladen: Bei einer Spannung von 2 V (2,2 V) leuchtet die angeschlossene Glühbirne auf. Nach bestimmter Zeit verlischt sie spontan.

Erkenntnis Zum Betrieb eines Bleiakkumulators ist Schwefelsäure erforderlich. Realschüler und Hauptschüler M messen mit einer handelsüblichen Senkwaage die Dichte bzw. die Konzentration der Säure. Sie erkennen: beim Entladen sinkt die Konzentration, beim Laden steigt sie wieder.

Hefteintrag Skizzen „Akkumulator“ (siehe dort)

3 Arbeitsblätter können verwendet werden.



Literatur

Die aufgeführten Quellen betreffen beide Sendungen: „Echt ätzend – Säuren und ihre Wirkungen“ und „Unwiderstehlich – Säuren in der Industrie“

1. „Die historische Entwicklung der Säure-Base-Konzepte“ – Karl Häusler – Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie Heft 27/87

2. „Konzepte in der Chemie – Beitrag zur Entwicklung der Säure-Base-Konzepte nach Lewis und Pearson – Rudolf G. Weißenhorn – wie oben

3. Didaktische Probleme des Säure-Base-Begriffes – Karl Häusler – wie oben

4. „Was wissen Schüler der Primarstufe von Säuren ?“ – Doris Sebald/Karl Häusler wie oben

5. „Rotkohl-Blaukraut, ein idealer Universalindikator“ –Häusler/Worofka – wie oben

6. „Schwefelsäureherstellung nach dem Doppelkontaktverfahren“ –Vollrath Hopp – wie oben

7. Lehrerhandbuch „Urknall 8 Bayern“ - ISBN 3-12-113049-8 – Klettverlag

8. Fischer Kolleg „Das Abiturwissen – Chemie“ ISBN-3-596-24543-5

9. Vorlagen für Arbeitsblätter: 9.1 "Eigenschaften von Säuren" - Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie Heft 27/87 – Fachzeitschriften bei F. Velber / Klett 9.2 „Springbrunnenversuch mit Chlorwasserstoff“ – wie oben 9.3 „Veranschaulichung des pH-Wertes pH=0 bis pH = 7“ - wie oben 9.4 „Schwefelsäureherstellung nach dem Doppelkontaktverfahren“ – wie oben 9.5 So entsteht Saurer Regen. - Naturwissenschaften im Unterricht 134/12.Jahrg/Mai 88 S. 29 und 30 9.6 Wie umweltbelastend ist ein Mofa? – wie Nr. 5, Seite 41

10. Karl Häusler, Werner Pavenzinger: Unterricht Chemie, 17 Bde., Bd.1, Säuren und Basen. Gebundene Ausgabe - 118 Seiten Aulis, Köln; ISBN: 3761413629

Internettipps

http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Chemie/ch_hcl.htm Salzsäure konzentriert

http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Chemie/ch_h2so4.htmSchwefelsäure

http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Chemie/ch_h2so4.htmhttp://www.seilnacht.tuttlingen.com/Chemie/ch_hcl.htm

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Unwiderstehlich Säuren in der Industrie - BRattachment.pdf · Der Begriff stammt aus dem Lateinischen dissociare = trennen, spalten Säuren dissoziieren in wässriger Lösung, d.h