#Anorganik | #2.Lernjahr | #9.Klasse
Bahnschienen und Wunderkerzen
Manche Dinge haben doch mehr Gemeinsamkeiten, als zunächst gedacht. Chemische Reaktionen können vielfältig sein und spektakulär aussehen, dabei liegt ihnen dasselbe einfache Prinzip zu Grunde - RedOx! Bei den meisten chemischen Reaktionen finden gleichzeitig zwei Teilreaktionen statt, bei denen ein Reaktionspartner Elektronen abgibt und der Andere sie aufnimmt. Diese Teilreaktionen werden Reduktion und Oxidation genannt.
Reduktion und Oxidation laufen stets parallel ab, da immer mindestens zwei Reaktionspartner vorhanden sein müssen. Diese Gleichzeitigkeit wird mit dem Begriff »RedOx-Reaktion« ausgedrückt. Als RedOx-Reaktionen können sowohl Reaktionen zwischen Elementen und Elementen, Elementen und Verbindungen und Verbindungen und Verbindungen beschrieben werden. Einige Reaktionen haben, meist aus historischen Gründen, hohe Bekanntheit in der Chemie erlangt und teilweise eigene Namen erhalten. Die »Namensreaktionen der anorganischen Chemie« eignen sich gut als Beispiele für den Ablauf von RedOx-Reaktionen.
Darstellung von Natriumchlorid aus Elementen
Natrium (Na(s)) ist ein Metall aus der Gruppe der Alkalimetalle. Es zeichnet sich durch seine extrem hohe Reaktionsbereitschaft aus. Natrium darf nicht mit Wasser (H2O(l)) in Berührung kommen, da es sogar mit dem Sauerstoff aus dem Wasser sofort reagieren würde. Ferner entstünde bei dieser Reaktion Wasserstoffgas (H2(g)), welches als Gemisch mit Luftsauerstoff (O2(g)), als »Knallgas«, eine zusätzliche Gefahrenquelle ist. Natriumchlorid (NaCl(s)), ein Salz des Natriums welches auch »Kochsalz« genannt wird, ist dagegen ungefährlich und sogar lebensnotwendig für Menschen. Eine eher ungewöhnliche (aber unter Chemikern beliebte) Methode zur Herstellung von Kochsalz ist die direkte Reaktion von metallischem Natrium (Na(s)) mit Chlorgas (Cl2(g)).
Aufgaben zur Darstellung von Natriumchlorid aus Elementen:
- A1 Nenne das Reaktionsschema für die Darstellung von Natriumchlorid aus Elementen als Wortschema. *
- A2 Skizziere das Reaktionsschema für die Reaktion und die Teilschritte für die Reduktion und Oxidation. **
- A3 Beurteile, inwieweit andere (Erd-)Alkalimetalle ähnlich reagieren können. ***
Musterlösungen zur Darstellung von Natriumchlorid aus Elementen
A1
Natrium reagiert in der chemischen Reaktion mit Chlorgas zu Natriumchlorid:
Wortschema: Natrium(fest) + Chlor(gasförmig) → Natriumchlorid(fest)
A2
Die Darstellung von Natriumchlorid aus Elementen ist eine exotherme Reaktion.
2 Na(s) + Cl2(g) → 2 NaCl(s)
Im Vergleich zwischen Edukten und Produkten ändert sich die Oxidationsstufe von Natrium und Chlor:
Reduktion: Cl±0 + 1 e⁻ → Cl⁻
Oxidation: Na±0 → Na⁺ + 1 e⁻
A3
Andere Alkalimetalle reagieren genau so, wie auch das Natrium. Erdalkalimetalle haben dagegen zwei Valenzelektronen und reagierem mit Halogenen daher im Verhältnis 2:1.
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Chlor-Knallgas
Chlorgas (Cl2(g)) ist für den Menschen giftig und kann zu schweren Schäden an den Atemwegen und der Lunge führen. Im ersten Weltkrieg wurde Chlorgas daher immer wieder als chemischer Kampfstoff eingesetzt. Auch bei Unfällen kam es immer wieder zur Freisetzung von Chlorgas. Neben seiner gesundheitsschädlichen Wirkung kann Chlorgas ferner heftig mit Wasserstoff (H2(g)) reagieren. Dieses »Chlor-Knallgas« ist eine zusätzliche Gefahr im Falle eines Chemieunfalls und sollte nicht unterschätzt werden.
Aufgaben zum Chlor-Knallgas:
- A1 Nenne das Reaktionsschema für die Chlor-Knallgas-Reaktion als Wortschema. *
- A2 Skizziere das Reaktionsschema für die Reaktion und die Teilschritte für die Reduktion und Oxidation. **
- A3 Beurteile, inwieweit andere Halogene ähnlich reagieren können. ***
Musterlösungen zur Chlor-Knallgas-Reaktion
A1
Chlor reagiert in der Chlor-Knallgas-Reaktion mit Wasserstoff zu Chlorwasserstoff.
Wortschema: Chlor(gasförmig) + Wasserstoff(gasförmig) → Chlorwasserstoff(gasförmig)
A2
Die Thermitreaktion ist eine stark exotherme Reaktion. Aus den Chlor-Atomen werden durch Reduktion Chlorid-Ionen dargestellt:
Cl2(g) + H2(g) → 2 HCl(g)
Im Vergleich zwischen Edukten und Produkten ändert sich die Oxidationsstufe von Chlor und Wasserstoff:
Reduktion: Cl±0 + 1 e⁻ → Cl⁻
Oxidation: H±0 → H⁺ + 1 e⁻
A3
Auch die anderen Halogene können ähnliche Reaktionen mit Wasserstoff eingehen. Ein anderer möglicher Reaktionspartner für das Wasserstoff wäre Brom. Alle Halogenwasserstoffverbindungen haben außerdem die Besonderheit, dass sie mit Wasser saure Lösungen bilden.
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Thermit-Reaktion
Die Erfindung der Eisenbahn machte die Mobilität über große Entfernungen für eine breite Masse an Menschen bezahlbar. Schienen wurden schon immer in mehr oder weniger langen Stücken produziert und müssen noch heute bei der Errichtung einer neuen Bahntrasse miteinander verschweißt werden. In jüngerer Zeit werden Schienen fast ausschließlich elektrisch von entsprechenden Baumaschinen verschweißt. Solche Maschinen gab es in den Pioniertagen der Bahn noch nicht. Früher wurde stattdessen eine chemische Reaktion zur Herstellung flüssigen Eisens genutzt: die »Thermitreaktion«. In einem feuerfesten Behälter, zum Beispiel einem Keramiktopf, mit einem Loch im Boden, wird eine Reaktionsmischung eingefüllt. Damit das Reaktionsgemisch nicht zu früh aus dem Topf rieselt, wird das Loch zuvor mit einem Stück Papier oder einer ähnlichen Abdeckung verschlossen. Die Edukte, feines Eisenerzpulver (Fe2O3(s)) und Aluminiumpulver (Al(s)), werden gut vermischt. Über dem geplanten Einsatzort, also zum Beispiel der Verbindungsstelle zwischen zwei Schienensträngen, wird das Gemisch dann gezündet. Das Papier verbrennt bei den hohen Temperaturen fast vollständig zu Kohlendioxid CO2(g) und gibt das Loch für das heiße, flüssige Eisen (Fe(l)) frei.
Aufgaben zur Thermitreaktion:
- A1 Nenne das Reaktionsschema für die Thermitreaktion als Wortschema. *
- A2 Skizziere das Reaktionsschema für die Reaktion und die Teilschritte für die Reduktion und Oxidation. **
- A3 Beurteile, inwieweit sich die Edukte Eisenoxid und Aluminium durch andere Stoffe ersetzen lassen. ***
Musterlösungen zur Thermitreaktion
A1
Eisenoxid reagiert in der Thermitreaktion mit Aluminium zu flüssigem Eisen und Aluminiumoxid.
Wortschema: Eisenoxid(fest) + Aluminium(fest) → Eisen(flüssig) und Aluminiumoxid(fest)
A2
Die Thermitreaktion ist eine stark exotherme Reaktion. Aus dem Eisenoxid wird durch Reduktion flüssiges Eisen dargestellt:
Fe2O3(s) + 2 Al(s) → 2 Fe(f) + Al2O3(s)
Im Vergleich zwischen Edukten und Produkten ändert sich die Oxidationsstufe von Eisen und Aluminium:
Reduktion: Fe³⁺ + 3 e⁻ → Fe±0
Oxidation: Al±0 → Al³⁺ + 3 e⁻
Die Oxidationsstufe von Sauerstoff ändert sich in der Summe nicht, da der Sauerstoff sowohl im Eisenoxid (Fe2O3(s)), als auch im Aluminiumoxid (Al2O3(s)) zweifach negativ geladen ist (O²⁻).
A3
Das Eisenoxid lässt sich nicht ersetzen, da flüssiges Eisen zum Verschweißen der Schienen benötigt wird. Das Aluminium kann durch andere Stoffe ersetzt werden, welche mit dem Eisenoxid ähnlich reagieren. Ein anderer möglicher Reaktionspartner für das Eisenoxid wäre Magnesium. Aufgrund seiner Elektronenkonfiguration würde Magnesium allerdings nur zwei Elektronen abgeben.
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Wunderkerzen
Jeder kennt Wunderkerzen als besondere Dekoration oder als »kleines« Feuerwerk zu Silvester. Doch wie funktionieren die funkelnden Stangen? Welche chemischen Stoffe sind für die Reaktion verantwortlich? Hier soll nun kein vorgefertigtes Reaktionsschema stehen. Vielmehr eignet sich das Thema »Wunderkerzen« wunderbar, um im Netz, in Fachbüchern oder anderen Quellen selbst nach der Funktionsweise zu forschen.
Aufgaben zu den Wunderkerzen:
- A1 Recherchiere zur Funktionsweise von Wunderkerzen und notiere dazu deine Quellen. *
- A2 Beschreibe den Ablauf der chemischen Reaktion mit Wortgleichungen und einer Skizze. **
- A3 Beurteile, inwieweit sich Wunderkerzen selbst herstellen lassen und ob dies ein mögliches Experiment für den Unterricht in der Schule wäre. ***
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Bücher und Links zum Thema:
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