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

Gliederung Einleitung Darstellung früher – heute Nachweis Verwendung von Nitraten Schulrelevanz

Nitrat = Salz der Salpetersäure (HNO3) meist gut wasserlöslich 1. Einleitung Nitrat = Salz der Salpetersäure (HNO3) meist gut wasserlöslich Lösung ist farblos (sofern Kation farblos) Struktur: nicht sondern

Einsatz von Schwarzpulver: Bedarf an Kaliumnitrat steigt 1. Einleitung 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

Darstellung früher Entdeckung: Ca(NO3)2 an Kalkwänden in Viehställen später: Anlegen von Salpetergärten oder -gruben Salpetergarten

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

2. Darstellung früher Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen

2. Darstellung früher Nitrifikation:

Bildung Calciumnitrat 2. Darstellung früher Bildung Calciumnitrat Ca(NO3)2-Ausblühungen

Umwandlung mit Pottasche (K2CO3 ): 2. Darstellung früher Umwandlung mit Pottasche (K2CO3 ): Eindampfen der Lösung liefert KNO3

2. Darstellung früher Salpetersieder

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

Versuch 2: Ostwald-Verfahren 2. Darstellung heute Versuch 2: Ostwald-Verfahren

mögliche Produkte: N2O, N2, NO2, NO 2. Darstellung heute mögliche Produkte: N2O, N2, NO2, NO erwünschte Reaktion ( ):  kurze Verweilzeit am Katalysator (~10-3 s)

Umsetzung zu Salpetersäure: 2. Darstellung heute Umsetzung zu Salpetersäure:

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

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

Schema: Nitrat-Darstellung heute

2. Darstellung heute NH3-Verbrennung industrielle Anlage zur HNO3-Produktion

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

Versuch 3a: Nachweis von Nitrat mit der Ringprobe

Versuch 3b: Nachweis von Nitrat mit Lunges Reagenz

3. Nachweis Ringprobe

Reduktion Nitrat zu Nitrit 3. Nachweis Lunges Reagenz Reduktion Nitrat zu Nitrit Bildung des Nitrosyl-Kations

3. Nachweis 3) Diazotierung

3. Nachweis 4) Azokupplung

4. Verwendung von Nitraten Feuerwerk Pökelsalz Kältemischungen Dünger Sprengstoff

Verwendung von Nitraten als Dünger Düngung = Zufuhr von Pflanzennährstoffen zur Ertrags- und Qualitätssteigerung von Nutzpflanzen Nitrat: Stickstoffliefernde Komponente z.B. als Kalkammonsalpeter (NH4NO3 mit ca. 22 % Kalk) Kalkammonsalpeter

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

Überdüngung problematisch: 4. Verwendung von Nitraten Überdüngung problematisch:  Eutrophierung, N2O-Emissionen, Trinkwasserbelastung Grenzwert Nitrat im Trinkwasser in Deutschland: 50 mg/L

4. Verwendung von Nitraten Dümmer See im Südoldenburger Land („Schweine-Gürtel“) Topographische Karte Deutschland

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

4. Verwendung von Nitraten Vergleichsskala Nitrat-Teststäbchen

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

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

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

Oxidation des Hämoglobins (Hb) zu Methämoglobin (MetHb) ( ) 4. Verwendung von Nitraten Oxidation des Hämoglobins (Hb) zu Methämoglobin (MetHb) ( )  MetHb nicht mehr zum O2-Transport fähig (Säuglinge: Enzymkonzentration für Reaktion MetHb zu Hb gering) Hinweis auf Mineralwasser-Flaschen

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

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

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

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

Bildung von Stickoxidmyoglobin, Erhitzen 4. Verwendung von Nitraten Bildung von Stickoxidmyoglobin, Erhitzen

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

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

4. Verwendung von Nitraten

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

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

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

Oxidation von Holzkohle durch eine KNO3-Schmelze 4. Verwendung von Nitraten Versuch 6: Oxidation von Holzkohle durch eine KNO3-Schmelze

4. Verwendung von Nitraten Reaktionsgleichung Holzkohle in KNO3(l)

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

Reaktionsgleichungen (schematisch) 4. Verwendung von Nitraten Reaktionsgleichungen (schematisch)

Entzündung: nur unvollständiger Abbrand 4. Verwendung von Nitraten Wirkung des Pulvers nur bei langsamen Erhitzen (Bildung von „Schwefelleber“) Entzündung: nur unvollständiger Abbrand Abbrandgeschwindigkeit Schwarzpulver: ca. 400 m/s, Abbrandgeschwindigkeit „Knallpulver“: 1200-3200 m/s  Detonation (Geschwindigkeit >1000 m/s)

Verwendung von Ammoniumnitrat als Sprengstoff 4. Verwendung von Nitraten Verwendung von Ammoniumnitrat als Sprengstoff Ammoniumnitrat als Sprengstoff Verwendung z.B. im Bergbau kräftige Initialdetonation kann zur Detonation von NH4NO3 ausreichen

4. Verwendung von Nitraten Oppauer Werk der BASF nach der Explosion (1921)

Krater: 125 m Länge, 90 m Breite, 19 m Tiefe 500 Tote, 7000 Obdachlose 4. Verwendung von Nitraten 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. 4500 t Ammonsulfatsalpeter (2 NH4NO3∙(NH4)2SO4) mit Dynamit „loszusprengen“

„Explosionsartige“ Zersetzung von NH4NO3 4. Verwendung von Nitraten Versuch 8: „Explosionsartige“ Zersetzung von NH4NO3

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

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

Lehrplanrelevanz nach dem hessischen Lehrplan für Gymnasien (G8) 5. Schulrelevanz 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 GK/LK12G: Bodenuntersuchungen, Untersuchungen von Düngemitteln, Enthalpie, Entropie, freie Energie, Nahrungsmittel (Zusatzstoffe, Konservierung)

6.Ende Das war‘s…