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Experimentalvortrag zum Thema Nitrate von Jan Grosse Austing (WS 07/08)

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1 Experimentalvortrag zum Thema Nitrate von Jan Grosse Austing (WS 07/08)

2 Gliederung 1.Einleitung 2.Darstellung früher – heute 3.Nachweis 4.Verwendung von Nitraten 5.Schulrelevanz

3 Nitrat = Salz der Salpetersäure (HNO 3 ) meist gut wasserlöslich Lösung ist farblos (sofern Kation farblos) Struktur: nicht sondern 1. Einleitung

4 Einsatz von Schwarzpulver: Bedarf an Kaliumnitrat steigt Verwendung zum Pökeln seit dem Mittelalter Problem: natürliche Vorkommen von Salpeter (von lat.: sal petrae = Felsensalz) in Europa gering

5 2. Darstellung früher Darstellung früher Entdeckung: Ca(NO 3 ) 2 an Kalkwänden in Viehställen später: Anlegen von Salpetergärten oder -gruben Salpetergarten

6 Versuch 1: Nachweis von Nitrat in Schweinestall-Putz 2. Darstellung früher

7 Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen

8 2. Darstellung früher Nitrifikation:

9 2. Darstellung früher Bildung Calciumnitrat Ca(NO 3 ) 2 -Ausblühungen

10 Umwandlung mit Pottasche (K 2 CO 3 ): Eindampfen der Lösung liefert KNO 3 2. Darstellung früher

11 Salpetersieder

12 Darstellung heute 1900: Ostwald-Verfahren („Ammoniak-Verbrennung“) 2. Darstellung heute Wilhelm Ostwald

13 Versuch 2: Ostwald-Verfahren 2. Darstellung heute

14 mögliche Produkte: N 2 O, N 2, NO 2, NO erwünschte Reaktion ( ):  kurze Verweilzeit am Katalysator (~10 -3 s) 2. Darstellung heute

15 Umsetzung zu Salpetersäure:

16 2. Darstellung heute Zerstörung Nitrit für Nitrat-Nachweis:

17 Darstellung von Nitraten: Salpetersäure + Metall oder -oxid/-hydroxid/-carbonat Bsp. 2. Darstellung heute

18 Schema: Nitrat-Darstellung heute 2. Darstellung heute

19 industrielle Anlage zur HNO 3 -Produktion NH 3 -Verbrennung

20 Nachweis von Nitrat Ringprobe mit Lunges Reagenz (nach Reduktion zu Nitrit) 3. Nachweis

21 Versuch 3a: Nachweis von Nitrat mit der Ringprobe 3. Nachweis

22 Versuch 3b: Nachweis von Nitrat mit Lunges Reagenz 3. Nachweis

23 Ringprobe 3. Nachweis

24 Lunges Reagenz 1)Reduktion Nitrat zu Nitrit 2)Bildung des Nitrosyl-Kations 3. Nachweis

25 3) Diazotierung 3. Nachweis

26 4) Azokupplung 3. Nachweis

27 4. Verwendung von Nitraten Pökelsalz Dünger Sprengstoff Kältemischungen Feuerwerk

28 Verwendung von Nitraten als Dünger Düngung = Zufuhr von Pflanzennährstoffen zur Ertrags- und Qualitätssteigerung von Nutzpflanzen Nitrat: Stickstoffliefernde Komponente z.B. als Kalkammonsalpeter (NH 4 NO 3 mit ca. 22 % Kalk) 4. Verwendung von Nitraten Kalkammonsalpeter

29 Demo 1: Düngung mit und ohne Nitrat 4. Verwendung von Nitraten

30 Überdüngung problematisch:  Eutrophierung, N 2 O-Emissionen, Trinkwasserbelastung Grenzwert Nitrat im Trinkwasser in Deutschland: 50 mg/L 4. Verwendung von Nitraten

31 Topographische Karte Deutschland Dümmer See im Südoldenburger Land („Schweine-Gürtel“)

32 Demo 2: Nachweis von Nitrat im Trinkwasser 4. Verwendung von Nitraten

33 Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen

34 Nitrat: Metabolisierung im Körper durch Bakterien (Mundhöhle, Magen-Darm u.a.) zu Nitrit 4. Verwendung von Nitraten

35 Demo 3: Nachweis von Nitrit im Speichel 4. Verwendung von Nitraten

36 Nitrit gesundheitlich bedenklich, weil: 1)Bildung von Nitrosaminen (viele sind cancerogen) 4. Verwendung von Nitraten

37 2)Oxidation des Hämoglobins (Hb) zu Methämoglobin (MetHb) ( )  MetHb nicht mehr zum O 2 -Transport fähig (Säuglinge: Enzymkonzentration für Reaktion MetHb zu Hb gering) 4. Verwendung von Nitraten Hinweis auf Mineralwasser-Flaschen

38 Verwendung von Nitraten als Pökelsalz Kaliumnitrat (E 252) zum Pökeln seit dem Mittelalter Konservierung durch wasserentziehende Wirkung, Hemmung des Bakteriums „Clostridium botulinum“ (Botulinustoxin) 4. Verwendung von Nitraten Salpeter zum Pökeln

39 heute: nicht Nitrat entscheidend beim Pökeln, sondern Nitrit daher heute Pökelsalz nicht nitrathaltig, sondern direkte Verwendung von Nitrit neben Konservierung: ansprechende rosa Farbe 4. Verwendung von Nitraten

40 Versuch 4: Umrötung von Fleisch 4. Verwendung von Nitraten

41 Ascorbinsäure reduziert Nitrit: Ascorbinsäure Hilfsstoff: Hemmung Nitrosaminbildung 4. Verwendung von Nitraten

42 Bildung von Stickoxidmyoglobin, Erhitzen 4. Verwendung von Nitraten

43 Verwendung von Nitraten als Kältemittel einige Nitrate lösen sich endotherm in Wasser  Eignung als Kältemittel (z.B. Einmal-Kältepack für Sportverletzungen) 4. Verwendung von Nitraten Einmal-Kältepack

44 Versuch 5: Selbstbau eines Kälte-Packs 4. Verwendung von Nitraten

45

46 endothermer Lösungsvorgang  Lösung kühlt sich ab Hydratation: hier: 4. Verwendung von Nitraten

47 Reaktion ist exergonisch (d.h. ΔG<0): Triebkraft der Reaktion: Zunahme der Entropie 4. Verwendung von Nitraten

48 Verwendung von Nitraten als Oxidationsmittel/Pyrotechnik Nitrat in Salzform bzw. in Schmelzen gutes Oxidationsmittel Anwendungen: Schwarzpulver, Pyrotechnik 4. Verwendung von Nitraten Schwarzpulver

49 Versuch 6: Oxidation von Holzkohle durch eine KNO 3 -Schmelze 4. Verwendung von Nitraten

50 Reaktionsgleichung 4. Verwendung von Nitraten Holzkohle in KNO 3(l)

51 Versuch 7: „Knallpulver“ 4. Verwendung von Nitraten

52 Reaktionsgleichungen (schematisch) 4. Verwendung von Nitraten

53 Wirkung des Pulvers nur bei langsamen Erhitzen (Bildung von „Schwefelleber“) Entzündung: nur unvollständiger Abbrand Abbrandgeschwindigkeit Schwarzpulver: ca. 400 m/s, Abbrandgeschwindigkeit „Knallpulver“: m/s  Detonation (Geschwindigkeit >1000 m/s) 4. Verwendung von Nitraten

54 Verwendung von Ammoniumnitrat als Sprengstoff Ammoniumnitrat als Sprengstoff Verwendung z.B. im Bergbau kräftige Initialdetonation kann zur Detonation von NH 4 NO 3 ausreichen 4. Verwendung von Nitraten

55 Oppauer Werk der BASF nach der Explosion (1921)

56 Krater: 125 m Länge, 90 m Breite, 19 m Tiefe 500 Tote, 7000 Obdachlose Explosionsknall bis Frankfurt a.M. hörbar (80 km entfernt) Versuch, ca t Ammonsulfatsalpeter (2 NH 4 NO 3 ∙(NH 4 ) 2 SO 4 ) mit Dynamit „loszusprengen“ 4. Verwendung von Nitraten

57 Versuch 8: „Explosionsartige“ Zersetzung von NH 4 NO 3 4. Verwendung von Nitraten

58 Reaktionsgleichung hier: Explosion langsames Erhitzen 4. Verwendung von Nitraten

59 Schulrelevanz Behandlung alltagsrelevanter Aspekte (Düngung und damit verbundene Probleme, Pyrotechnik, Lebensmittelkonservierung) geschichtliche Zusammenhänge thematisierbar (militärische Verwendung von Schwarzpulver, Chemie- Katastrophen etc.) 5. Schulrelevanz

60 Lehrplanrelevanz nach dem hessischen Lehrplan für Gymnasien (G8) 7G: endotherme und exotherme Reaktionen im Alltag 9G: Hydratation von Salzen in Wasser, Säuren und Laugen, Aufbau und Funktion von Böden, Düngung 5. Schulrelevanz

61 GK/LK12G: Bodenuntersuchungen, Untersuchungen von Düngemitteln, Enthalpie, Entropie, freie Energie, Nahrungsmittel (Zusatzstoffe, Konservierung) 5. Schulrelevanz

62 Das war‘s… 6.Ende


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