Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie  Übungen im Experimentalvortrag   Kochsalz Chemie, Eigenschaften und Bedeutung gehalten von:  Andrea Bontjer

„Auf Gold kann man verzichten, nicht aber auf Salz.“ Einleitung "Salz ist unter allen Edelsteinen, die uns die Erde schenkt, der Kostbarste." Justus von Liebig „Auf Gold kann man verzichten, nicht aber auf Salz.“ Cassiodor (röm. Staatsmann, 6. Jh.)

Kochsalz – das „weiße Gold“ Einleitung Kochsalz – das „weiße Gold“ bis ins 19. Jh.: Salz war wertvolles und knappes Gut Städte mit Salzvorkommen: Wohlstand und Macht „Salz“ oder „hall“ (von keltisch hal: Salz) in vielen Ortsnamen: Halle, Bad Reichenhall, Schwäbisch Hall, Salzburg, Hallstatt Salär (Lohn, Gehalt): von salarium (lat.: Salzgeld) Halogene: Salzbildner

Kochsalz – das „weiße Gold“ Einleitung Kochsalz – das „weiße Gold“ Salzhandel: Salzstraßen in Deutschland: Halle  Göttingen  Köln Bad Reichenhall  München  Landsberg  Augsburg Internationaler Salzhandel: Mittelmeer  Asien, Persien, Arabien Salzkriege: 13. Jh.: Befestigungsanlagen an Salzabbaustätten im Salzkammergut 16. Jh.: Passauer Salzstreit (Salzzoll), Salzkrieg in Perugia (Salzsteuer) 17. Jh.: Salzkrieg Salzburgs gegen Bayern lange Zeit wichtiger Motor der Wirtschaft

Gliederung des Vortrags Einleitung Gliederung des Vortrags Was ist Kochsalz? Chemie und Struktur Bedeutung und Verwendung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Kochsalzgewinnung Funktionen des Kochsalzes im menschlichen Körper Schulrelevanz des Themas

Was ist Kochsalz? Sprachgebrauch: Kochsalz oder Salz Chemischer Name: Natriumchlorid Summenformel: NaCl

Darstellung von Natriumchlorid aus den Elementen 1. Was ist Kochsalz? Versuch 1: Darstellung von Natriumchlorid aus den Elementen Ergebnis: Natrium und Chlor reagieren unter Energieabgabe zu Natriumchlorid 2 Na(s) + Cl2(g)  2 NaCl(s) G < 0

Born-Haber-Kreisprozess 1. Was ist Kochsalz? Born-Haber-Kreisprozess - 411 kJ/mol Standardbildungsenthalpie Gitterenergie -787 kJ/mol 108 kJ/mol Sublimations-enthalpie Ionisierungs-energie 496 kJ/mol Elektronen-affinität -349 kJ/mol 121 kJ/mol Halbe Dissoziations-enthalpie Na+(g) + Cl-(g) Na(g) + Cl(g) Na(s) + ½ Cl2(g) NaCl(s)

Bildung eines Ionengitters 1. Was ist Kochsalz? Bildung eines Ionengitters Freiwerdende Gitterenergie ist für Wärme- und Lichtentwicklung bei der NaCl-Synthese verantwortlich Gitterenergie stabilisiert Ionenkristall Triebkraft der Reaktion ist Bildung stabiler Ionenkristalle und nicht die Tendenz zur Erreichung der Edelgaskonfiguration

Struktur des Natriumchlorids 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids NaCl bildet Ionengitter mit hoher Anzahl von Ionen Plätze des Gitters: - negativ geladene Chlorid-Ionen - positiv geladene Natrium-Ionen starker Zusammenhalt durch elektrostatische Kräfte (Coulombkraft) Elementarzelle (kubisch-flächenzentriert) Elementarzelle NaCl-Gitter:kubisch-flächenzentriert Auflösen der Kristallstruktur: hohe Energiebeträge nötig Schmelzpunkt NaCl(s): 800°C

Struktur des Natriumchlorids 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids jedes Natrium-Ion: von sechs Chlorid-Ionen umgeben jedes Chlorid-Ion: von sechs Natrium-Ionen umgeben  Koordinationszahl 6 Kristallgitter unter Berücksichtigung der Ionenradien Cl- Na+

Struktur des Natriumchlorids 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids

Na+Cl-(s) Na+(aq) + Cl –(aq) 2. Chemie und Struktur Lösen von Kochsalz Feste NaCl-Kristalle im Wasser  Dissoziation zu Ionen  Lösung Na+Cl-(s) Na+(aq) + Cl –(aq) H2O Ionen werden hydratisiert: Anlagerung von Wassermolekülen um die Ionen Hydratationsenthalpie wird frei liefert Energie zum Aufbrechen der Ionenbindung Natrium: von 6 Wassermolekülen oktaedrisch umgeben, kovalente Bindung mit ionischem Anteil Chlorid: Wassermoleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen angelagert Gitterenergie NaCl: -787 kJ/mol Hydratationsenthalpie Na+-, Cl--Ionen : -787 kJ/mol

Kristallbildung aus einer gesättigten Kochsalzlösung 2. Chemie und Struktur Demonstration 1: Kristallbildung aus einer gesättigten Kochsalzlösung

Elektrische Leitfähigkeit einer Kochsalzlösung 2. Chemie und Struktur Versuch 2: Elektrische Leitfähigkeit einer Kochsalzlösung Ergebnis: Entionisiertes Wasser: leitet nicht/ kaum den elektrischen Strom Kochsalzlösung: leitet den elektrischen Strom

Leitfähigkeit einer Kochsalzlösung 2. Chemie und Struktur Leitfähigkeit einer Kochsalzlösung Kochsalzlösung: Ionen liegen hydratisiert in der Lösung vor  bewegliche Ladungsträger Ionen (griech.: ion = der Wanderer) wandern zu den Elektroden: Kationen zur Kathode  nehmen dort Elektron auf Anionen zur Anode  geben dort Elektron ab  Elektrische Leitfähigkeit Auch NaCl-Schmelze leitet den elektrischen Strom:  Kristallgitter zerstört, Ionen frei beweglich

Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Vorindustrielle Zeit: Würzen von Speisen Konservieren von Lebensmitteln "Bey dem Einsalzen bestreut man den einzusalzenden Körper mit Salz, welches sich dann in den wässrigen Theilen desselben auflöst und ihn durchdringt, oder man legt ihn in Salzlösung, von der er auf ähnliche Art durchdrungen wird, und dann weit weniger freywilliger Zersetzung unterworfen ist.“ J.C. Leuchs: Lehre der Aufbewahrung und Erhaltung aller Körper, 1820

3. Bedeutung des Kochsalzes Demonstration 2: Osmotische Aktivität von Kochsalz-Lösungen Ergebnis: Das Wasser strömt zu der Lösung höherer Konzentration  Konzentrationsausgleich  die „Zelle“ verliert Wasser Osmose: einseitig gerichtete Diffusion eines Lösungsmittels durch eine selektiv permeable Membran; abhängig von Konzentration des gelösten Stoffes

Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Beginn der Industrialisierung: Gewinnung von Natriumsulfat zur Sodaherstellung Herstellung von Seife und Glas „Die Fabrikation der Soda aus gewöhnlichem Kochsalz kann als Grundlage des außerordentlichen Aufschwunges betrachtet werden, welche die moderne Industrie nach allen Richtungen genommen hat.“ Justus von Liebig Historische Synthese: Natriumchlorid  Natriumsulfat  Natriumcarbonat (Soda) NaCl  Na2SO4  Na2CO3

3. Bedeutung des Kochsalzes Versuch 3: Darstellung von Natriumsulfat aus Kochsalz Ergebnis: 2 NaCl(s) + H2SO4(konz.)  Na2SO4(solv) + 2 HCl(g) Verfahren wurde von Johann Rudolf Glauber (1604-1670) entwickelt.

Synthese von Soda aus Natriumsulfat 3. Bedeutung des Kochsalzes Synthese von Soda aus Natriumsulfat Leblanc-Verfahren: 1790 von Nicolas Leblanc entwickelt Natriumsulfat, Kalk und Kohle: Na2SO4(s) + CaCO3(s)  +  2 C(s)     Na2CO3(s)  +  CaS(s)  +  2  CO2(g)  Problem: hoher Energieverbrauch und Calciumsulfid als Abfallprodukt  Verfahren wird heute nicht mehr angewandt Calciumsulfid

Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Aktuell: Speisesalz Medizin (physiologische Kochsalzlösung, 0,9%ig) Wasserenthärtung (Ionenaustauscher) Streusalz Darstellung von Soda und Natriumhydrogencarbonat Darstellung von Chlor und Natronlauge

Bedeutung des Kochsalzes als Rohstoff Glas Farbstoffe Desinfektionsmittel Wasseraufbereitung Soda Chlor Wasch- und Reinigungsmittel Kunststoffe Lösungsmittel Feuerlöschpulver Backpulver Reinigungsmittel Natriumbikarbonat Seife Tierfutter Natronlauge Papier

Soda-Darstellung nach dem Solvay-Verfahren 3. Bedeutung des Kochsalzes Soda-Darstellung nach dem Solvay-Verfahren Einleiten von Ammoniak und Kohlendioxid in Sole: NaCl(aq)  +  H2O  +  NH3(g)  +  CO2(g)    NaHCO3(aq)  +  NH4Cl(aq)  Erhitzen auf 200°C: 2 NaHCO3(s)    Na2CO3(s)  +  H2O(g)  +  CO2(g) Schlechte Löslichkeit von Natriumhydrogencarbonat

Darstellung von Chlor und Natronlauge 3. Bedeutung des Kochsalzes Darstellung von Chlor und Natronlauge Elektrolyse von wässriger NaCl-Lösung Gesamtgleichung: 2 NaCl(aq) + 2 H2O  2 NaOH(aq) + H2(g) + Cl2(g) H = + 224 kJ/mol NaOH Verfahren: Amalgamverfahren Diaphragmaverfahren Membranverfahren

3. Bedeutung des Kochsalzes Versuch 4: Darstellung von Chlor und Natronlauge durch Elektrolyse Ergebnisse: 2 H2O H3O+(aq) + OH-(aq) Kathode (Eisenelektrode): 2 H3O+(aq) + 2 e-  H2(g) +2 H2O Anode (Kohleelektrode): 2 Cl-(aq)  Cl2(g) + 2 e- Warum scheiden sich nicht Natrium- oder Hydroxid-Ionen ab? Die Abscheidungsspannung für Natrium ist wesentlich höher als für Wasserstoff. Gleiches gilt für den Sauerstoff, der sich aus OH¯-Ionen bilden könnte. Man muß wissen, daß wie alle chemischen Reaktionen auch Elektrolyse-Vorgänge gehemmt werden können. Zur Überwindung der Reaktionshemmung bedarf es einer Aktivierungsenergie. Dies bedeutet Mehraufwand an elektrischer Spannung (Überspannung). Eisen (wie auch die anderen Elemente der 8. Nebengruppe, Nickel und die Platinmetalle) aktiviert Wasserstoff, d.h. diese Elemente katalysieren die Kathodenreaktion. Der Grund ist, daß diese Metalle den Wasserstoff geradezu lösen oder schwammartig aufsaugen. Natrium-Abscheidung? Nein: Abscheidungsspannung zu hoch.

3. Bedeutung des Kochsalzes Amalgamverfahren Quecksilberelektrode  Abscheidung von Natrium, das sich im Quecksilber löst (Amalgam) Natrium reagiert mit hochreinem Wasser  Natronlauge 2 Na(s) + 2 H2O  2 NaOH(aq) + H2(g) Vorteil: reine, 50%ige Natronlauge Nachteil: Quecksilber-Einsatz Hier erzwingt man mit Hilfe von Elektroden aus Quecksilber die Abscheidung von Natriummetall anstelle von Wasserstoff. Dies ist möglich, weil Wasserstoff an Quecksilber eine sehr hohe Überspannung zeigt. Dagegen scheidet sich Natrium besonders leicht ab, weil es sich anschließend sofort im Quecksilber unter Amalgambildung löst.

3. Bedeutung des Kochsalzes Diaphragmaverfahren Ionendurchlässige Membran aus Keramik oder Asbest Kathode: Wasserstoffentwicklung Anode: Chlorgasentwicklung Vorteil: kein Quecksilber Nachteile: nur 5%ige Natronlauge, mit NaCl verunreinigt Asbest

3. Bedeutung des Kochsalzes Membranverfahren Kationenaustauschermembran auf Teflonbasis Vorteile: reine Natronlauge (ohne NaCl-Verunreinigung) asbestfreie Membran, kein Quecksilber geringerer Energieverbrauch Nachteil: Membran muss öfters ausgetauscht werden

Gewinnung von Kochsalz 4. Kochsalzgewinnung Gewinnung von Kochsalz Das Salzwasser der Meere ist Ursprung aller Salzvorkommen. Meerwasser enthält 3,5% Kochsalz. Meersalz Steinsalz Siedesalz

Demonstration 3: Verschiedene Kochsalzsorten 4. Kochsalzgewinnung Demonstration 3: Verschiedene Kochsalzsorten

Gewinnung von Kochsalz 4. Kochsalzgewinnung Gewinnung von Kochsalz jährliche Produktion weltweit: ca. 215 Mio. t in Deutschland: ca. 15 Mio. t (90% Steinsalz, 10% Siedesalz) geringster Teil wird als Speisesalz verwendet (440.000 t) größter Teil als Industriesalz (Elektrolyse) Vorräte in deutschen Salzlagerstätten praktisch unbegrenzt

4. Kochsalzgewinnung Meersalz Meerwasser enthält 3,5% Kochsalz, welches bei Verdunstung des Wassers auskristallisiert  Meeressalinen, Salzgärten Wasser gelangt durch Tidenhub oder Pumpen in Becken Anteil an Meersalz an der Weltproduktion: 30% Saline in Italien Saline auf Mauritius

4. Kochsalzgewinnung Steinsalz  entstand vor 100-200 Mio. Jahren durch Verdunstung der Meere Salzschichten wurden von verschiedenen Erd- und Gesteinsschichten überlagert  Salz in 70–1000 m Tiefe

Steinsalz Abbau des Steinsalzes: Untertage nach dem Kammerverfahren 4. Kochsalzgewinnung Steinsalz Abbau des Steinsalzes: Untertage nach dem Kammerverfahren

Siedesalz Auflösen von Steinsalz konzentrierte Sole 4. Kochsalzgewinnung Siedesalz Auflösen von Steinsalz konzentrierte Sole Abtrennen von Begleitsalzen, Eindampfen, Trocknen  Siedesalz Bohrlochsolung

Aufbereitung des Salzes 4. Kochsalzgewinnung Aufbereitung des Salzes Reinigung Zusatz von Stoffen: Kaliumiodat  jodiertes Speisesalz Kaliumfluorid, Folsäure Natriumnitrit  Pökelsalz Natriumferrocyanid (E 535)  Rieselhilfe, Antiklumpmittel

Kochsalz im menschlichen Körper 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz im menschlichen Körper 200 g Kochsalz im Körper gespeichert Geschmackspapillen für „salzig“ Ausscheidung über Harn und Schweiß  Tägliche Aufnahme: 3 g, tatsächliche Aufnahme: 6-10 g Regulation des Wasserhaushalts: Na-Ionen gelangen aus Zellen in Blut, ziehen Wasser und Chloridionen mit sich

Kochsalz im menschlichen Körper 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz im menschlichen Körper Funktionen: Natrium-Ionen: Regulation des Wasserhaushaltes Reizleitung in den Zellen (Nerven- und Muskelzellen) Knochenaufbau Chlorid-Ionen: Produktion der Magensäure (HCl(aq)) Regulation des Wasserhaushalts: Na-Ionen gelangen aus Zellen in Blut, ziehen Wasser und Chloridionen mit sich

Nachweis von Kochsalz in Lebensmitteln 5. Funktion im menschlichen Körper Versuch 5: Nachweis von Kochsalz in Lebensmitteln Ergebnis: Brot und Wurst enthalten Natrium und Chlorid Nachweis von Natrium-Ionen: gelbe Flammenfärbung einer Methanol-Lösung Nachweis von Chlorid-Ionen: weißer Niederschlag von Silberchlorid Ag+(aq) + Cl-(aq) AgCl(s)

Kochsalz in Lebensmitteln 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz in Lebensmitteln Lebensmittel (je 100 g) Salzgehalt Matjeshering 6,3 g Schinken 5,0 g Gouda 2,0 g Bockwurst 1,7 g Brötchen 1,25 g Huhn 0,2 g Reis 0,02 g Joghurt 0,06 g Kartoffeln 0,05 g Feldsalat 0,01 g Apfel 0,002 g

Salz und Bluthochdruck – Der moderne Salzkrieg 5. Funktion im menschlichen Körper Salz und Bluthochdruck – Der moderne Salzkrieg ? Studien: kein ursächlicher Zusammenhang zwischen Bluthochdruck und Salzkonsum Salzverzicht: geringer Blutdruckabfall bei einigen Hochdruckpatienten andere Risikofaktoren wichtiger Moderne Salzkriege werden nicht mehr zwischen Staaten ausgetragen, die um Salzlagerstätten kämpfen, sondern zwischen rivalisierenden Medizinern und Ernährungswissenschaftlern

Schulrelevanz des Themas „Kochsalz“ Hessischer Lehrplan Gymnasium: Jgst. 9: Elementgruppen (Alkalimetalle, Halogene), Salzbegriff, Leitfähigkeit, Elektrolyse fakultativ: Salzlagerstätten, Nachweisreaktionen Jgst. 10: Ionenbildung, Ionenbindung, Ionengitter, Salzbildung, Versalzung von Böden außerschulischer Lernort: Besuch eines Salzbergwerkes oder eines Salzmuseums (Bad Nauheim)

Schulrelevanz des Themas „Kochsalz“ Fächerübergreifender Unterricht: Biologie: Physiologie, Geschmackssinn, Anpassung von Tieren und Pflanzen an salzreichen Lebensraum Geografie: Bodenversalzung durch Bewässerung, Salzwüsten, Salzstöcke Geschichte: Salzhandel, Salzstraßen, Salzkriege Physik: Salzstock als Lagerstätten für radioaktiven Abfall