Arbeitsblatt: Redox

Seite 1 Redox- Reaktionen Versuch 1 – „Silber herstellen Datum: Geräte: Becherglas, Uhrglas, Tiegelzange, Bunsenbrenner, Dreifuss, Gitternetz Chemikalien: Kupfermünze, 5 ml Natronlauge, 0.1g Zinkstaub, Wasser Versuchsdurchführung:: Eine blanke Kupfermünzen wird in ein Becherglas gelegt und mit konzentrierter Natronlauge übergossen. Man fügt dann eine winzige Menge Zinkstaub hinzu und schließt das Becherglas mit einem Uhrglas. Dann erhitzt man alles mit kleiner Bunsenbrennerflamme unsenbrennerflamme etwa 5 Minuten lang und bringt das Gemisch zum Sieden. (Vorsicht: Lauge spritzt und ätzt unbedingt eine Schutzbrille aufsetzen) Das Becherglas wegnehmen und die Münzen mit der Tiegelzange herausnehmen. Die Münzen werden nun abgespült und nd anschließend mit einem Tuch poliert und genau beobachtet. Skizze: Beobachtung: Erklärung: Versuch 2 – „Gold herstellen Datum: Geräte:: Tiegelzange und Bunsenbrenner Durchführung: Die Münzen aus V1 werden sehr kurz in die rauschende Brennerflamme gehalten und gewendet, bis sich ihre Farbe ändert. Skizze: Beobachtung: Erklärung: Redox- Reaktionen Seite 2 Exotherm und Endotherm Stoffliche Umsetzungen erzeugen oder verbrauchen Energie, wobei die Wärme die häufigste und wichtigste Energieform beim chemischen Geschehen ist. Wird bei einer chemischen Reaktion Wärme frei, so spricht man von einer Reaktion. Eine Reaktion verbraucht Energie. Im Allgemeinen laufen exotherme Reaktionen freiwillig ab, sehr oft aber erst nach einer gewissen Aktivierung. Die Energie, die man einem Reaktionsgemisch für den Reaktionsstart zuführen muss, heisst. Bei exothermen Reaktionen die reagierenden Stoffe Energie, bei endothermen Reaktionen die reagierenden Stoffe Energie. Katalysatorwirkung Katalysatoren verkleinern den Energieberg, der für den Start der Reaktion nötig ist. Die Katalysatoren nehmen scheinbar nicht an der de Reaktion teil, da sie nachher weiterhin unverändert vorhanden sind. In Wirklichkeit aber gehen Katalysatoren eine instabile Verbindung mit den Ausgangsstoffen ein, die dann aber wieder aufgelöst und durch eine neue Verbindung der Ausgangsstoffe ersetzt wird. ird. Die Wirkung dieser Stoffe beruht darauf, dass durch sie ein Reaktionsweg möglich wird, der weniger Aktivierungsenergie benötigt. Seite 3 Redox- Reaktionen Versuch 3 – Fotopapier-Reaktion Material: Kochsalzlösung [c(NaCl) 0,1 mol l-1] Silbernitrat [c(AgNO3) 0,05 mol l-1] Becherglas Durchführung: Beobachtung: Reaktionsgleichungen: Erklärung: Energieschema: Filtrier-Vorrichtung Vorrichtung Pinsel Filterpapier Seite 4 Redox- Reaktionen Versuch 4 – Oxidation von Eisen mit Schwefel Welches Material brauchen wir? Datum: • 7 Eisenpulver • Porzellanschale • 4 Schwefelpulver • Laborbrenner • Becherglas • Feuerfeste Kachel • Waage • Spatel • 2 Uhrgläser • Schutzbrille Skizze: Durchführung: Fe 7 Eisenpulver auf einem Uhrglas abwiegen. 4 Schwefelpulver auf einem Uhrglas abwiegen. Beides im Becherglas gut durchmischen. Schutzbrille! 7g 4g Forme auf der feuerfesten Kachel mit dem Gemisch einen Damm Erhitze ihn an einem Ende mit dem Brenner Beschreibe den Ablauf der Reaktion und vergleiche die Ausgangstoffe mit dem Produkt Schreibe die Reaktionsgleichung für dieses Experiment und für folgende Reaktionen von Kupfer mit Schwefel und von Eisen mit Chlor auf. Beobachtungen, Notizen, Ergebnisse: bnisse: Redox- Reaktionen Seite 5 Was bedeutet Redox- Reaktion Redox-Prozesse führen zu Veränderungen in der Atomhüllen der beteiligten Teilchen. Die Atomkerne der an der Reaktion beteiligten Stoffe werden nicht verändert. Es werden jedoch Elektronen in der Atomhülle „getauscht: Stoff gibt Elektronen ab und Stoff nimmt diese Elektronen Elektronen auf. Die beiden Stoffe verbinden sich bei dieser Reaktion und werden zu Ionen (elektrisch geladenen Teilchen). Stoff ist insgesamt positiv geladen (2) und Stoff negativ (2-). (2 ). Stoff wird bei dieser Reaktion (_ ) oxidiert, rt, Stoff (_) reduziert. Bei Redox-Prozessen Redox Prozessen findet immer eine Oxidation und eine Reduktion gleichzeitig statt. Oxidation bedeutet . Reduktion bedeutet . Stoffe, ffe, die einem anderen den Sauerstoff abnehmen, sind Reduktionsmittel In der obigen Reaktion ist Eisen das Reduktionsmittel. Stoffe, die den Sauerstoff aufnehmen und die Reduktion ermöglichen, sind Oxidationsmittel. Oxidationsmittel In der obigen Reaktion ist Kupferoxid das Oxidationsmittel. Schalenmodelle derr beteiligten Atome Atom aus Versuch 4: Seite 6 Redox- Reaktionen Versuch 5 – Verbrennen von Eisenwolle Versuchsaufbau: Auf eine Seite einer Waage liegt Eisenwolle. Die Waage ist im Gleichgewicht. Die Eisenwolle sieht hellgrau und leicht metallisch glänzend aus. Durchführung: Eisenwolle wird angezündet und verbrennt Ergebnis: Wortgleichung: Chem. Gleichung: Exotherme Reaktion: Bindungsbestreben: Bei den meisten Oxidationen wird Energie in Form von Wärme und Licht frei. Solche Reaktionen nennt man exotherme Reaktionen. Redox- Reaktionen Seite 7 Rosten von Eisen Vereinfacht lautet das Gesamt-Reaktionsschema Reaktionsschema somit: Versuch 6:: Herstellung von Schwarzpulver Material: Mörser mit Pistill, Eternitplatte, Löffel mit Spatel Schwefelpulver, Kaliumnitrat ), Kohle Versuchsanleitung: Zerkleinere 1 Löffel Kohle im Mörser. Gib nun 2,5 Löffel Kaliumnitrat und 2/3 Löffel Schwefel hinzu und vermische alles. (ideales Mischverhältnis: 75% Kaliumnitrat, 15% Kohle, 10% Schwefel) Anzünden: . Beobachtungen: . . . Explosion: Wenn der Verbrennungsvorgang zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff explosionsartig expl sein soll, muss die Sauerstoffaufnahme viel schneller stattfinden. Der Stoff Kaliumnitrat (KNO3), auch Kalisalpeter genannt, gibt bei der Verbrennung den Sauerstoff ab, was natürlich günstig für den Kohlenstoff ist, weil dieser den Sauerstoff aufnimmt. aufnimmt. Dieses Oxidatationsmittel (_) ) findet man in Südamerika als weisses Salz. Dank der Zugabe von chemisch reinem wird die Entzündung erleichtert. Als Kohlenstoff verwendet man die durch Erhitzen auf 300 – 400C gewonnene Holzkohle von Faulbaum, Erle, Linde, Buche oder Pappel. Die Bestandteile werden im Mörser zerkleinert und gemischt. Der variiert je nach Verwendungszweck. Redox- Reaktionen Seite 8 Chemische Reaktion: Diese Reaktionsgleichung (sehr vereinfacht) ist angenähert an Schwarzpulver mit 15 Holzkohle-,, 10 SchwefelSchwefel und 75 Kalisalpeter (). Die Mischung verbrennt rasend schnell und es entsteht eine Temperatur von ungefährC. Die Abbrandgeschwindigkeit Abbra beträgt bis m/s. Dabei spielen die Restfeuchtigkeit, die Gründlichkeit der und Vermischung der , die Größe und der Ladung sowie die Körnung eine große Rolle. Geschichte des Schwarzpulvers Die Byzantiner kannten bereits im Jahre 671 eine Mischung aus Kolophonium, Schwefel und Salpeter, Griechisches Feuer genannt, erfunden von Kallinikos aus Heliopolis. Dieser selbst auf Wasser brennbare Stoff spielte eine entscheidende Rolle bei der Verteidigung Verteidigung von Konstantinopel. In den folgenden Jahrhunderten wurde das „griechische Feuer vor allem in Seegefechten gegen die Flotten der vordringenden Muslime eingesetzt. Im Kaiserreich China war Schwarzpulver schon um das Jahr 1000 bekannt. Trotz der recht frühen Kenntnis des Schiesspulvers entstanden Feuerwaffen aber erst viel später. Wie es seinen Weg nach Europa fand, ist nicht genau geklärt. Es könnte durch arabische Händler nach Europa gelangt sein, möglicherweise wurde es hier aber auch ein zweites Mal erfunden. Im Mittelalter nannte man das Schwarzpulver auch „Donnerkraut. Der heutige Name Schwarzpulver geht keineswegs auf den Franziskanermönch Berthold Schwarz aus Freiburg zurück, der im 14. Jahrhundert einer Legende zufolge ein besseres Mischverhältnis Mischverhältnis von Schwefel, Holzkohle und Salpeter gefunden hat (diese Mischung unterscheidet sich von der chinesischen hinsichtlich des Salpetergehalts) sondern auf dessen Aussehen, weshalb es ursprünglich auch „schwarzes Pulver genannt wurde. Schon im Jahre 1267 beschrieb eschrieb Roger Bacon die Herstellung von Schwarzpulver in einem Brief an den Bischof von Paris, wobei er noch nicht das optimale Mischungsverhältnis fand. Marcus Graecus und Albertus Magnus verbesserten wenige Jahre später das Mischungsverhältnis auf die oben genannten Werte. Das Schwarzpulver blieb bis zur Erfindung der modernen Sprengstoffe der einzige militärische und zivile Explosivstoff und einziges Treibmittel für ArtillerieArtillerie und Handfeuerwaffen. Im 19. Jahrhundert wurde seine Handhabung als Treibmittel el durch die Entwicklung der Patrone vereinfacht. Seit dem 19. Jahrhundert verdrängten brisante Sprengstoffe wie das Nitroglyzerin, das darauf basierende Dynamit, die Nitrozellulose (Schiessbaumwolle) und Nitroaromaten und Nitramine etc. das Schwarzpulver weitgehend als Explosivstoff und Treibmittel. Heute wird Schwarzpulver vor allem für Feuerwerke verwendet. Es dient dabei als Antriebsmittel für einfache Raketen, als Ladung von Böllern und als AusstossAusstoss und Zerlegerladung für grössere Effektträger. Im Schiesssport iesssport wird Schwarzpulver nur noch als Reminiszenz an die Geschichte des Schützenwesens verwendet, wo es in verschiedenen Disziplinen des VorderladerVorderlader und Westernschiessens oder zum Salutschiessen zum Einsatz kommt. Seite 9 Redox- Reaktionen Versuch 7:: Verbrennen von Metallen Protokolliere rotokolliere das Verbrennen verschiedener Metalle mit Zeichnung und Text. Aluminiumpulver: Eisenpulver: Magnesiumpulver und Magnesiumband: Gefaltetes Kupferstück: Innen bleibt das Kupferstück rötlich, weil: weil Versuch 8: Verbrennen von Nichtmetallen Schwefelpulver: Strontiumnitrat: Seite 10 Redox- Reaktionen Versuch 9: Verbrennen eines Benzin--Luft-Gemisches Skizze: Versuchsanleitung: Beobachtung: Erklärung des explosionsartigen Verbrennungsvorgang: Selbstentzündung Als Selbstentzündung bezeichnet man ein Ereignis, bei dem ein Material ohne offensichtliche äußere Einflüsse entzündet wird, sobald die Selbstentzündungstemperatur erreicht worden ist. Zu einer Selbstentzündung kann es kommen, wenn ausreichend große Mengen von leicht brennbarem organischem Material (z. B. Heu, Kohle, Mehl, ölgetränkte Lappen oder Holzspäne) in einem schlecht belüfteten Raum lagern. In diesen Materialien kann ein biologischer Prozess (z. B. Gärung) in Gang kommen, bei dem Wärme entsteht. Kann Kann diese nicht in ausreichendem Maß nach außen entweichen (Wärmestau), führt dies zu einer starken Erhitzung und schließlich zur Selbstentzündung. Bekannt ist auch die Selbstentzündung von feuchtem Heu, weshalb die Lagertemperatur von frischem Heu überwacht werden muss. Hierzu dienen lange, lanzenförmige Heusonden (Thermometer). Auch bei Komposthaufen kann es unter bestimmten Umständen zu Selbstentzündungen kommen. Manche Substanzen reagieren schon bei Zimmertemperatur unter Flammenerscheinung mit dem Sauerstoff toff der Luft. So entzünden sich Caesium, Rubidium oder weißer Phosphor bei Zimmertemperatur bei Kontakt mit dem Luftsauerstoff spontan. In einigen Fällen kann die Wärmeentwicklung den Ablauf der auslösenden Reaktion weiter beschleunigen, was die Gefahr nach ch einer Selbstentzündung noch verstärkt. Spontane menschliche Selbstentzündung Spontane menschliche Selbstentzündung (engl. Spontaneous human combustion, SHC) ist die Bezeichnung für eine moderne Sage, nach der menschliche Körper ohne erkennbaren Grund verbrennen verbrennen können, wobei meist die Gliedmaßen und oft die inneren Organe erhalten bleiben und Gegenstände in unmittelbarer Nähe nahezu unversehrt bleiben. Verbrannte Leichen in unverbrannter Umgebung sind tatsächlich belegt, auch aus neuerer Zeit, für ein spontanes ontanes Verbrennen gibt es weder gesicherte Augenzeugenberichte noch andere Beweise für die Existenz des Phänomens. Erklärungsversuche Alkohol: Insbesondere in den Berichten aus dem 17. und 18. Jahrhundert wird oft exzessiver Konsum von Alkohol als Ursache für die spontane menschliche Selbstentzündung vermutet. Man glaubte offenbar, durch übermäßiges Trinken brennbarer Spirituosen werde der menschliche Körper selbst brennbar. Allerdings würde ein Mensch an einer Alkoholvergiftung sterben, ehe er die nötige Konzentration von Seite 11 Redox- Reaktionen Alkohol erreicht. Der Chemiker Justus von Liebig zeigte bereits 1850, dass ein mit verdünntem Alkohol getränktes Gewebe selbst bei einer externen Flamme nicht zu Asche verbrennt. Elektrizität und Mikrowellen: Eine alternative Theorie, die auf Erkenntnissen des New Yorker Elektroingenieurs Robin Beach basiert, erklärt die spontane menschliche Selbstentzündung mit einer elektrostatischen Entladung. Demnach sollen Menschen mit besonders trockener Haut bis zu 30.000 Volt erzeugen können, während nd bei durchschnittlichen Menschen höchstens Werte bis 20.000 Volt erreicht werden. Diese Elektrizität soll unter bestimmten Umständen ein Feuer erzeugen, das zur nahezu vollständigen Verbrennung des Körpers ausreicht. Dochteffekt: Die unter zuständigen Wissenschaftlern Wissenschaftlern populäre Erklärung des Zustandes der Leichen ohne eine spontane Selbstentzündung ist der Dochteffekt. Demnach setzt eine offene Flamme, beispielsweise von einer Zigarette, Haare und Kleidung des Opfers in Brand. Durch die Hitze verflüssigt sich das direkt unterhalb der Haut befindliche Fettgewebe. Wie eine Kerzenflamme sich vom Wachs nährt, verbrennt das Fett, ohne die Umgebung zu beschädigen. Bei gebrechlichen, kranken oder alkoholisierten Menschen wird dieser Erklärung eine höhere Wahrscheinlichkeit Wahrscheinlichkeit zugeschrieben, weil diese Opfer sich durch eingeschränkte Beweglichkeit oder Bewusstlosigkeit nicht gegen das Feuer wehren können und Alkohol den Brand beschleunigen könnte. Wissenschaftliche ssenschaftliche Untersuchungen: Die Vorstellung einer Selbstentzündungg und extrem schnellen, vollständigen Verbrennung eines Menschen widerspricht physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten. Der deutsche Kriminalbiologe Mark Benecke widerlegt in seinen Artikeln die Theorie der spontanen menschlichen Selbstentzündung mit mit forensischen Fakten. Da der menschliche Körper zum größten Teil aus Wasser besteht und außer Fett und Methan keine brennbaren Bestandteile enthält, ist eine derartige Entzündung nahezu unmöglich. Versuch 10:: Selbstentzündung von Glycerin Material: Chemikalien: Eternitplatte, Polylöffel Kaliumpermanganat, Glycerin Skizze: Versuchsanleitung: Beobachtung: Erklärung: Seite 12 Redox- Reaktionen Versuch 11:: Selbstentzündung von Alkohol Material: Chemikalien: RG, RG-Gestell, Becherglas, Pipette Kaliumpermanganat, konz. Schwefelsäure, Brennsprit Skizze: Versuchsanleitung: Beobachtung: Erklärung: Versuch 12:: Selbstentzündung von Zink (Bengalisches Feuer) Material: Chemikalien: Eternitplatte, Spachtel Zinkpulver, Ammoniumnitrat, Ammoniumchlorid, Strontiumnitrat Skizze (mit Strontiumnitrat): Versuchsanleitung: Beobachtung: Erklärung: Seite 13 Redox- Reaktionen Zusammenfassung Was bedeutet. .Oxidation: .Reduktion: .Redox-Reaktion: .endotherm: .exotherm: .Aktivierungsenergie: .Katalysator: Was muss passieren, damit eine Verbrennung explosionsartig abläuft Wie kann es zu einer Selbstentzündung kommen? Versuch 13: Löschen einer Kerze Material: Kerze, Kupferdraht Skizze: Versuchsanleitung: Es wird ein aufgewickelter Kupferdraht über die Kerzenflamme gestülpt ohne den Docht zu berühren. Beobachtung: Erklärung: Damit eine Verbrennung nnung stattfindet, stattfindet, braucht es also genug und. Man kann eine Flamme also durch oder auslöschen. Beim Ausblasen einer Kerze wird die soweit herabgesetzt, bis die Verbrennung aufhört. Es wäre aber viel vorhanden. Wenn das Feuer zu gross ist, kann man die Temperatur durch Pusten nicht mehr genug , , das Feuer.