Porentief rein – Laugen und ihre Wirkungen

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Porentief rein – Laugen und ihre Wirkungen
Ein Film von Anita Bach
Beitrag: Reinhard Werner
Inhalt
Alltag im Haushalt: Der Abfluss eines Waschbeckens
ist verstopft. Ein basischer Rohrreiniger kommt zum
Einsatz und wir sehen, dass ein Hydroxid, in unserem
Fall Ätznatron, stark hygroskopisch wirkt. Als hygroskopisch bezeichnet man Stoffe, die Wasser anziehen. Mit Wasser wird in einer exothermen Reaktion
also eine Lauge gebildet, die ätzend wirkt, organische
Stoffe angreift, Fette löst und mit unedlen Metallen
unter Bildung von Wasserstoffgas reagiert. Problematisch ist dabei die Umweltbelastung über das Abwasser. Im Trick ist anschließend Reaktion der Lauge mit
Fettsäuren zu deren Salzen (Seifen) zu sehen.
Auf der Spur der Laugenbreze
An anschaulichen Experimenten zeigen wir den Einsatz von konzentrierten
Laugen als Abbeizmittel. Dann beobachten wir, wie Laugen in stark verdünnter Form in einer Bäckerei verwendet werden. Wie eine Lauge hergestellt werden kann, machen Real- und Trickaufnahmen deutlich. Die Erzeugung einer Lauge aus dem Oxid eines unedlen Metalls (Magnesium)
wird vorgeführt.
Damit ist die Basis für die Entstehung der Calciumlauge im zweiten Teil der Sendung gelegt…
Die Base wird als Protonenfänger vorgestellt - eine gute Gelegenheit,
die positiv geladenen Metall-Ionen sowie das negativ geladene Hydroxid-Ion als charakteristisches Teilchen einer Lauge zu beschreiben. Natron-, Kali-, und Calciumlauge sowie Ammoniumlauge werden in ihrer praktischen Anwendbarkeit vorgeführt, die besondere Eigenschaft der Seifenlauge wird extra betont.
Und die Seifenherstellung darf in einer Sendung über Laugen und
ihre Anwendungen natürlich nicht fehlen.
© Bayerischer Rundfunk
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Fakten
Basen
Stoffe, die von Wassermolekülen Protonen aufnehmen (Protonenakzeptoren), heißen BrönstedBasen.
Der Begriff entstammt dem Sprachgebrauch des 17. Jahrhunderts. Basen waren damals Grundlagen
(Basis), also Verbindungen, die „flüchtige Säuren“ in Form von nicht flüchtigen Salzen binden
konnten.
Als Beispiel kann Ammoniak bzw. Ammoniakwassser (ehemals Salmiakgeist) gelten:
Ein Ammoniakmolekül bindet an sein freies Elektronenpaar ein Proton des benachbarten
Wassermoleküls.
NH 3 + H 2 O -> NH 4 + + OH Hydroxide
Metallhydroxide entstehen
- bei der Reaktion von Metalloxiden mit Wasser, im Gegensatz zu Nichtmetalloxiden, die in wässriger
Lösung Säuren bilden;
- bei der Reaktion besonders unedler Metalle wie Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium
(Rb), Caesium (Cs), Calcium (Ca) mit Wasser.
Gut wasserlöslich sind Natriumhydroxid (NaOH) und Kaliumhydroxid (KOH). Die Lösungen heißen
Laugen: Natronlauge, Kalilauge. Sie leiten elektrischen Strom, weil sie Ladungsträger (Ionen)
enthalten.
Sogar die Schmelzen von Hydroxiden leiten den elektrischen Strom, sie bestehen also aus Ionen:
Na + OH - oder K + OH - .
Eine Schmelze aus Citronensäure dagegen leitet elektrischen Strom nicht, erst die Lösung in Wasser
bildet Ionen.
Laugen
Laugen sind die wässrigen Lösungen von Hydroxiden; ihre charakteristischen Eigenschaften werden
von den Hydroxid-Ionen OH - bestimmt.
Die wässrige Lösung von
Die wässrige Lösung von
Die wässrige Lösung von
Die wässrige Lösung von
Natriumhydroxid Na + OH - heißt Natronlauge.
Kaliumhydroxid K + OH - heißt Kalilauge.
Calciumhydroxid Ca 2+ (OH -) 2 heißt Calciumlauge oder Kalkwasser.
Bariumhydroxid Ba 2+ (OH - ) 2 heißt Bariumlauge oder Barytwasser.
Alkalische Lösungen wirken auf die Haut je nach Konzentration seifig bis ätzend.
Der Begriff „seifig“ ist eigentlich eine Vorstufe von „ätzend“; obere Hautschichten werden von der
Lauge zersetzt, so dass der schmierige Eindruck entsteht.
Aussagekräftiger ist die Wirkung auf die Bindehaut. Hier wirkt Seifenschaum bereits nachhaltig
ätzend.
Alkalische Lösungen
Hydroxide der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle und des Ammoniums
Alkalimetalle
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Reaktionsfreudige Elemente, die deshalb in der Natur nur in Verbindungen vorkommen: Lithium (Li),
Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs)
Lithium, Natrium und Kalium werden unter Sauerstoffabschluss unter Paraffinöl aufbewahrt,
Rubidium und Caesium in Glasampullen eingeschmolzen.
Mit Wasser reagieren sie heftig: Wasserstoff und eine alkalische Lösung (Lauge) entstehen.
Erdalkalimetalle
Sie zeigen ähnliche Eigenschaften wie die Alkalimetalle, sind aber weniger reaktionsfreudig:
Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba). Beryllium reagiert gar
nicht mit Wasser, die anderen verschieden stark.
Flammenfärbung durch Alkali- und Erdalkalimetalle
Die genannten Metalle können in ihren Verbindungen durch Flammenfärbung erkannt werden, eine
Eigenschaft, die sie bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern interessant machen. Beispiele:
Li: karminrot, Na: gelb, Rb: dunkelrot, Cs: blau, Ba: hellgrün usw.
Verschiedene Laugen
Natronlauge
Natrium + Wasser -> Natriumhydroxid + Wasserstoff
2Na + 2H 2 O -> 2 NaOH + H 2
Natriumhydroxid + Wasser -> Natronlauge
Ionen-Formel: Na + OH Kalilauge
Kalium + Wasser -> Kaliumhydroxid + Wasserstoff
2K + 2H 2 O -> 2KOH + H 2
Kaliumhydroxid + Wasser -> Kalilauge
Ionen-Formel: K + OH -
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Calciumlauge (Kalkwasser)
Calcium + Wasser -> Calciumhydroxid + Wasserstoff
Ca + 2H 2 O -> Ca(OH) 2 + H 2
Ionen-Formel: Ca 2+ (OH - ) 2
Ammoniak
ist eine Base, die Lösung (Salmiakgeist) eine Lauge.
Ammoniak + Wasser -> Ammoniumhydroxid
NH 3 + H 2 O -> NH 4 OH
Ionen-Formel: NH 4 + OH Die wässrige Lösung von Ammoniakgas wird Ammoniakwasser oder Salmiakgeist genannt. Sein
unangenehm stechender Geruch (nur wenige Ammoniakmoleküle reagieren mit Wasser, der größere
Rest verbleibt als Lösung und verlässt diese bereits bei Zimmertemperatur) diente einst in
„Riechfläschchen“ Damen der „feinen Gesellschaft“ als Mittel zur Belebung, wenn ihnen dank
Schnürtechnik o.ä. „die Luft weggeblieben“ war. Bei der unvollständig ablaufenden Reaktion von
Ammoniak mit Wasser entsteht ein Reaktionsgemisch aus den Reaktionsprodukten, also NH4 +
(Ammonium-Ion) und OH - (Hydroxid-Ion), sowie den Ausgangsstoffen, nämlich Wasser und
Ammoniak.
Heute wird Salmiakgeist als Bestandteil von flüssigen Putzmitteln verwandt, die nicht – wie z.B. Ata –
scheuern, Fett lösen, sogar Lacke weich werden lassen.
Bei Zimmertemperatur lösen sich ca. 700 l Ammoniak in 1 l Wasser.
Alkalischer Rohrreiniger
Sie enthalten Natriumhydroxid , das sich in einer exothermen Reaktion in Wasser löst, also den
Schmutzpfropf erhitzt. Metallsplitter (Aluminium) sorgen für Gasbildung (H 2 ) und verwirbeln die
Schmutzteilchen. Organische Stoffe wie z.B. Haare, Fette und Speisereste werden durch die heiße
Lauge zersetzt. Nitrate binden den Wasserstoff, der bei der Reaktion von Aluminium mit der Lauge
entsteht, damit die Bildung des gefährlichen Knallgases verhindert wird.
Umweltbelastungen durch alkalische
Die Laugen stören die Vorgänge in Klärwerken durch antibakterielle Wirkung.
Seifenherstellung
Die Seifenherstellung lässt sich auf eine einfache Weise kurz darstellen.
Fett + Lauge (+ gesättigte Kochsalzlösung) -> Glycerin + Seife
Bei Verwendung von Natronlauge ist das Endprodukt Kernseife, bei der Verwendung von Kalilauge
erhält man Schmierseife.
Exotherme und endotherme Reaktionen
Jeder chemische Stoff besitzt unter bestimmten Bedingungen einen konstanten Energieinhalt, die
Enthalpie. Jede chemische Reaktion ist folglich nicht nur mit einem Umsatz von Materie sondern
auch mit einem Energieumsatz verbunden.
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Exotherme Reaktionen sind solche, die unter Energieabgabe verlaufen. Nach dem Satz von der
Erhaltung der Energie geht Energie nie verloren, sondern wird immer nur in eine andere Energieform
übergeführt.
Wenn bei einer chemischen Reaktion der Energieinhalt (Enthalpie) der Ausgangsstoffe größer als der
der Endprodukte ist, so ist Energie abgegeben worden, die Energiedifferenz wird frei. Es handelt sich
um eine exotherme Reaktion. Die Energiedifferenz wird in Joule (J) ausgedrückt.
In der Reaktionsgleichung wird die Energie mit negativem Vorzeichen versehen. Am Beispiel der
Reaktion von 1 mol Wasserstoff mit ½ mol Sauerstoff gilt bei 298 K (25°C) und 1 bar:
H 2 + ½ O 2 -> H 2 O (dH = - 287,139 kJ)
Am Beispiel der Verbrennung (Oxidation) von Kohlenstoff wird deutlich, dass zur Einleitung der
exothermen Reaktion, bei der sehr viel Wärmeenergie frei gesetzt wird, eine Aktivierungsenergie in
Form von Energiezufuhr erforderlich ist. Das Feuer muss entzündet, der Kraftstoff im
Verbrennungsraum muss gezündet werden (Zündkerze, Kompression).
Bei exothermen Reaktionen handelt es sich im Falle der sauren und basischen Lösungen um die
Umwandlung von chemischer Energie in Wärmeenergie.
Endotherme Reaktionen sind solche, die unter ständiger Energiezufuhr verlaufen.
Wenn bei einer chemischen Reaktion der Energieinhalt der Ausgangsstoffe geringer als der der
Endprodukte ist, so ist Energie zugeführt worden. Es handelt sich um eine endotherme Reaktion. In
der Reaktionsgleichung wird die Energie mit positivem Vorzeichen versehen. Analog zur obigen
Gleichung gilt:
H 2 O -> H 2 + ½ O 2 (dH = + 287,139 kJ)
Protolyse
Protolysen sind Reaktionen, bei denen H + -Ionen (Protonen) von einem Teilchen auf ein anderes, bei
Säuren auf ein Wasser-Molekül, bei Laugen auf eine Base, übertragen werden. Deshalb nennt man
Säuren auch Protonenspender oder Protonen donatoren, Basen Protonen akzeptoren.
Didaktische Hinweise
Die Sendung ist für den Einsatz im Physik-, Chemie- und Biologieunterricht der 8. Jahrgangsstufe der
Hauptschule sowie der entsprechenden Jahrgangsstufe der Realschulen bestimmt.
Anregungen zur Unterrichtsgestaltung
Die beiden Sendungen „Porentief rein – Laugen und ihre Wirkungen“ sowie „Alles neutral – Laugen in
der Umwelttechnik“ bilden eine Einheit. Verknüpfungen sind möglich, zum Teil empfehlenswert (s.
Seifen).
1. Porentief rein – Laugen und ihre Wirkungen
1.1 Analyse eines alkalischen Rohrreinigers: Ätznatron, Aluminiumkörner, Nitrat,
1.2 Fett + Lauge -> Seifen (s. 2.1 und 2.4)
1.3 Natronlauge in Industrie und Handwerk: Ablaugen von Möbeln, Brezellauge
1.4 Entstehung von Laugen aus dem Hydroxid, aus dem Alkalimetall, aus Metalloxiden
1.5 Amoniumlauge und ihre Verwendung; das Hydroxidmolekül
1.6 Waschlaugen -> siehe auch 2.1 und 2.4
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2. Alles neutral – Laugen in der Umwelttechnik
2.1 Seifenherstellung (s. 1.2)
2.2 Laugen auf der Baustelle
2.3 Kochsalzelektrolyse zur Herstellung von Chlorgas, Wasserstoffgas und Natronlauge
2.4 Neutralisation: Rauchgasentschwefelung
Die Sendungen eignen sich sehr gut zum Einsatz in Arbeitsgruppen, die neben der Erarbeitung
naturwissenschaftlicher Erkenntnisse auch zum selbstständigen Arbeiten mit Medien erzogen werden
sollen.
Als Arbeitsmittel stehen jeweils die Sendung (optimal in Ausschnitten), der Heftbeitrag sowie der
entsprechende vorliegende Internetbeitrag zur Verfügung. Hier finden die Jugendlichen neben
zahlreichen Zusatzinformationen vor allem Abbildungen und kurze Sequenzen aus der Sendung. Die
Durchführung der erforderlichen Experimente erbitten sie von der Lehrkraft, weil Schülerversuche mit
Laugen auf keinen Fall durchgeführt werden dürfen. Selbstverständlich ist wegen der zur Verfügung
stehenden Unterrichtszeit nur eine Auswahl der folgenden Themen möglich.
Ist selbständige Arbeit nicht möglich, so kann die Lehrkraft aus den angebotenen Themen einzelne
heraussuchen.
Die Analyse des alkalischen Rohrreinigers mit den entsprechenden Versuchen deckt im Notfall einen
relativ großen Bereich des Lehrplans ab.
Wichtiger Hinweis zur Durchführung aller Versuche, an denen unten genannte Metalloxide, Hydroxide
und Laugen beteiligt sind:
Bei der Durchführung aller Versuche mit Oxiden von Alkali- und Erdalkalimetallen,
Hydroxiden und Laugen ist wegen der ätzenden Wirkung und der damit verbundenen meist
irreparablen Hautschäden (Hornhaut !) der Gebrauch einer Schutzbrille und meist der
Schutzscheibe (besonders bei Versuchen mit Natrium und Kalium) sowie von Handschuhen
zwingend erforderlich! Die Gefahrenstoffverordnung sowie die KMK zur Sicherheit im
naturwissenschaftlichen Unterricht sind zu beachten, die sachgerechte Entsorgung der
Chemikalien als Unterrichtsprinzip zu üben!
Einsatz der Sendung in Verbindung mit dem Internetbeitrag in Gruppenarbeit
Folgende Schritte sind denkbar:
1. Vorführung der Sendung (15 Minuten)
2. Arbeitsplanung für Arbeitsgruppen: Jede Gruppe erhält als Arbeitsunterlagen eine Kopie des
entsprechenden Abschnitts der Sendung, des Heftbeitrags sowie des Internetbeitrags, dazu
Schulbuch und ggf. Lehrerhandbuch. Nach der ersten Vorführung der Sendung werden die
Sachbereiche festgelegt und den Gruppen übertragen.
3. Die klar strukturierte Sendung bietet folgende Teilthemen an:
1.1 Arbeitsgemeinschaft 1:
Analyse eines alkalischen Rohrreinigers;
Zeitrahmen: 00:25:00 – 02:42:16 (04:00:00)
Ein alkalischer Rohrreiniger enthält in der Regel
• Natriumhydroxid, das sich in einer exothermen Reaktion in Wasser löst und als Lauge Fette und
organische Stoffe zersetzt (siehe auch unter „Seifen“),
• Aluminiumkörner, die unter Wasserstoffbildung mit der Natronlauge reagieren und so einen
mechanischen Effekt erzielen,
• (Nur für Realschüler:) Nitrate, die den Wasserstoff binden, um die Entstehung von Knallgas zu
verhindern.
Versuch 1: Die Analyse
Erkenntnisse : Ein alkalischer Rohrreiniger besteht aus weißen Plätzchen (Kügelchen)
(Natriumhydroxid), Metallkörnern (Aluminium) und einem weißen Pulver (Nitrat).
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Versuch 2: Die exotherme Reaktion
In wässriger Lösung wird die Lösung heiß, lösen sich die Metallkörner auf, entsteht ein Gas, färbt sich
der Universalindikator blau, entsteht Salmiakgeruch.
Erkenntnis: Natriumhydroxid löst sich in Wasser unter Wärmeabgabe. Die Reaktion ist exotherm.
Versuch 3: Welche Aufgaben erfüllt das Natriumhydroxid?
Erkenntnis: Tierisches Gewebe, vor allem Fett, wird aufgelöst. Hydroxide bzw. ihre wässrigen
Lösungen, die Laugen, sind mit Vorsicht zu behandeln.
Versuch 4: Welche Aufgabe haben die Aluminiumkörner?
Erkenntnis: Aluminium reagiert mit Laugen unter Bildung von Wasserstoffgas. Die Gasentwicklung
lockert die Verschmutzung im Rohr mechanisch.
Realschüler und Hauptschüler im M-Zug erkennen zudem:
Wasserstoffgas bildet mit Luft ein explosives Gemisch. Ein Nitrat bindet das Gas und macht die
Anwendung sicher.
1.2 Arbeitsgemeinschaft 2:
Fett + Lauge -> Seife
Zeitrahmen: 02:42:16 – 04:30:00
Empfehlenswert ist die Verknüpfung dieser Sequenz mit der entsprechenden im Teil 2 der Sendung:
Großtechnische Herstellung von Seifen. (s. 2.1)
Die Besprechung erfolgt dort.
1.3 Arbeitsgemeinschaft 3:
Natronlauge in Industrie und Handwerk
Zeitrahmen: 04:31:15 – 08:35:00
Versuch 11
Erkenntnis : Laugen weichen bestimmte Lacke auf und machen sie wasserlöslich.
Erkundung beim Schulbäcker :
Warum werden Brezeln vor dem Backen mit Lauge bestrichen?
Wie sieht eine Brezel aus, wie schmeckt eine Brezel, die nicht mit Lauge bestrichen wurde?
1.4 Arbeitsgemeinschaft 4:
Wie entstehen Laugen?
Zeitrahmen: 08:35:00 – 10:40:00
Versuch 7
Natriumhydroxid wird ohne Zutun an der Luft feucht und zerfließt .
Erkenntnis : Ätznatron ist hygroskopisch; es bildet mit dem Wassergehalt der Luft Natronlauge.
Versuch 8
Wie kann man Natronlauge herstellen?
Erkenntnisse:
1. Natronlauge entsteht bei der Reaktion von Natrium mit Wasser.
2. Bei der Reaktion von Natrium mit Wasser entsteht auch Wasserstoffgas.
3. Natronlauge ist die wässrige Lösung von Natriumhydroxid.
4. (Natronlauge entsteht bei der Lösung von Natriumperoxid in Wasser.)
Versuch 9
Wie kann man Magnesiumlauge herstellen?
Erkenntnis:
Magnesium verbindet sich mit dem Luftsauerstoff in einer heftigen exothermen Reaktion (Wärmeund Strahlungsenergie) zu Magnesiumoxid.
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Magnesiumoxid verbindet sich mit Wasser zu Magnesiumhydroxid,
die wässrige Lösung von Magnesiumhydroxid heißt Magnesiumlauge.
Alternativvorschlag: Statt Magnesium kann Calcium gewählt werden.Vorteil: Vorgriff auf Teil 2:
Laugen auf der Baustelle, Erklärung der Begriffe „exotherm“ und „endotherm“; Nachteil: schwächere
exotherme Reaktion
1.5 Arbeitsgemeinschaft 5 oder selbständige Unterrichtseinheit für Schülerinnen und Schüler
der Realschulen und M-Klassen der Hauptschule
Ammoniumlauge und ihre Verwendung
Zeitrahmen: 10:54:00 – 12:20:00
Versuch 12
Wie kann man Ammoniumlauge herstellen?
Der Versuch und seine Auswertung erlaubt eine anschauliche Darstellung der Entstehung des
Hydroxid-Ions. Die Begriffe „Protonenakzeptor“ und „Protonendonator“ können erarbeitet werden
Die Weiterverarbeitung zu Ammoniumsulfat sollte lediglich angedeutet werden. Die Entstehung der
Salze ist einer eigenen Unterrichtseinheit zuzuordnen, die von der vorliegenden Sendung nicht
berührt wird.
Versuch 10
Warum leiten Laugen elektrischen Strom?
Zeitrahmen: 09:23:04 – 09:58:06
Erkenntnis
Bei der Lösung eines Hydroxids in Wasser entstehen positiv und negativ geladene Ionen. Ionen sind
Ladungsträger.
Besonders leistungsfähige Gruppen können erfahren, dass auch die Schmelze eines Hydroxids
elektrischen Strom leitet.
1.6 Unterrichtseinheit 6
Waschlaugen und schonende Körperpflege
Zeitrahmen: 12:20:00 – Schluss
Die Einheit kann, um Zeit zu sparen, in die Einheiten „Seifen“ und „Neutralisation“ (s. Sendung „Alles
neutral – Laugen in der Umwelttechnik“ 2.1 und 2.4) integriert werden)
1.7 Unterrichtseinheit 7
Welche Aussagen machen Indikatoren?
Zeitrahmen:
Eine besondere Unterrichtseinheit sollte nach dem Motto „Übung macht den Meister“ den Indikatoren
gewidmet werden. Im Anschluss an die entsprechende Vorarbeit anlässlich des Einsatzes der beiden
Sendungen zu Säuren „Echt ätzend – Säuren und ihre Wirkungen“ und „Unwiderstehlich – Säuren in
der Industrie“ ist eine Reihe von Übungen möglich, die weitgehend als Schülerversuche durchgeführt
werden können.
Versuch 5
Erkenntnis
Säuren und Laugen färben Indikatoren verschieden. Der Universalindikator erlaubt die Definition
unterschiedlicher Stärken ebenso wie der pH-Meter.
Versuch 6
Erstellen von Untersuchungsprotokollen
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Arbeitsaufträge
Zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid (zum Beispiel in der Luft, die wir ausatmen) verwendet man
Kalkwasser. Kalkwasser ist nichts anderes als Calciumlauge.
Stelle mit Unterstützung durch die Lehrkraft Kalkwasser her und versuche, die Reaktionen durch
Formeln auszudrücken.
1. Calcium reagiert mit Wasser zu Calciumhydroxid und Wasserstoffgas. Weise den Wasserstoff
durch die Knallgasprobe nach.
2. Calcium ist ein Erdalkalimetall-Hydroxid, das im Gegensatz zum bekannten Natriumhydroxid
(Formel: ) oder Kaliumhydroxid (Formel: ) gering wasserlöslich ist. Es entsteht eine Suspension,
die zum Nachweis von CO 2 nicht geeignet ist.
3. Erkläre den Begriff „Suspension“!
4. Ein Filter befreit die Suspension von den störenden Schwebstoffen, wir erhalten klares
Kalkwasser. Erkläre den Begriff „Filtrieren“!
5. Beim Einleiten von Kohlenstoffdioxid trübt sich diese Flüssigkeit. Erarbeite die chemische
Reaktionsgleichung.
Die Versuche
Versuch 1
Problemstellung
Woraus setzt sich ein alkalischer Rohrreiniger zusammen?
Zielgruppe
RS 8 und HS 8
Art des Versuchs
Lehrerversuch oder Schülerversuch
Material
Versuchsmaterial:
Flache Schale, Becherglas, Glasstab, Thermometer, alkalischer Rohrreiniger, destilliertes Wasser,
Universalindikator
Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel
Durchführung
Wie in der Sendung beschrieben, wird der Rohrreiniger in eine flache Abdampfschale o.ä. geschüttet
und mit einem trockenen Glasstab verteilt, so dass die Bestandteile erkennbar werden. Der Inhalt darf
nicht berührt werden und auf keinen Fall ins Auge gelangen, evtl. aufsteigende Staubteilchen dürfen
nicht eingeatmet werden. Unzuverlässige Schüler dürfen mit dem Material nicht arbeiten. Haut- und
Augenkontakt führt zu Verätzungen!
Beobachtung
Der alkalische Rohrreiniger enthält Plätzchen oder kleine Kügelchen, die an der Luft ohne weiteres
Zutun feucht werden. Des weiteren sind Metallsplitter sowie ein weißes Pulver erkennbar.
Der Reiniger wird vorsichtig in Wasser geschüttet.
Vorsicht: Staubförmige Bestandteile ätzen die Atemwege!
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Das Mittel schäumt in Wasser auf. Die weißen Kügelchen lösen sich auf. Bei genauer Betrachtung
„tanzen“ die Metallkörner in der Flüssigkeit auf und ab, weil sie von Gasblasen umgeben sind. Das
Becherglas wird heiß. Der Indikator färbt sich im Gegensatz zur Rotfärbung in sauren Lösungen blau.
Es riecht nach Salmiakgeist (fächeln!)
Erkenntnis
Wenn ein alkalischer Rohrreiniger in Wasser geschüttet wird,
- wird das Gemisch/die Lösung heiß,
- lösen sich die Metallsplitter auf,
- entsteht ein zunächst unbekanntes Gas, die Knallgasprobe bestätigt Wasserstoff,
- färbt sich der Universalindikator nicht rot sondern blau und bestätigt die Anwesenheit einer Lauge,
- entsteht Salmiakgeruch.
Hefteintrag
Siehe Erkenntnis
Versuch 2
Problemstellung
Welcher Bestandteil des Rohrreinigers entwickelt bei der Lösung in Wasser Wärmeenergie?
oder
Was versteht man unter einer exothermen Reaktion?
Zielgruppe
RS 8 und HS 8
Art des Versuchs
Lehrerversuch
Material
Arbeitsmaterial
Becherglas, Thermometer, Protokollmaterial, Indikator
Testmaterial
destilliertes Wasser, Natriumhydroxid , ggf. auch die anderen Bestandteile des Rohrreinigers
Sicherheitshinweis
Handschuhe, Schutzbrille, Labormantel
Durchführung
Der Becher wird wenige Zentimeter hoch mit Wasser gefüllt. Die Temperatur wird gemessen und
protokolliert. Das Hydroxid wird vorsichtig hinzu geschüttet. Die Temperatur wird gemessen und
protokolliert. Die anderen Bestandteile werden einzeln gleichfalls getestet.
Erkenntnis
Beim Lösen von Natriumhydroxid in Wasser wird Wärmeenergie frei. Solche Reaktionen nennt man
exotherme Reaktionen im Gegensatz zu endothermen Reaktionen, die ablaufen, wenn Energie
zugeführt wird. Im Rohrreiniger sind die weißen Plätzchen oder Kügelchen unter anderem für die
Erwärmung verantwortlich. (Bei Überdosierung im Ausguss kann es deshalb sogar zu Verformungen
der ableitenden Kunststoffrohre kommen.)
Der Indikator färbt sich blau. Die Lösung ist eine Lauge.
Hefteintrag
Siehe Erkenntnis
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Versuch 3
Problemstellung
Welche Aufgabe haben die Plätzchen im Rohrreiniger?
oder
Warum ist der unvorsichtige Umgang mit Hydroxiden und ihren Lösungen (Laugen) gefährlich?
Zielgruppe
RS 8 und HS 8
Art des Versuchs
Lehrerversuch
Material
Arbeitsmaterial
5 Reagenzgläser oder Erlenmeyerkolben, Reagenzglashalter oder Stativ und Gasbrenner sowie
Siedesteinchen ,
Testmaterial
Haare, Späne vom Fingernagel oder Tierhufen, Schafwollfasern, Baumwollfasern, Olivenöl, konzentr.
Natronlauge,
Sicherheitshinweise
Labormantel, Handschuhe, Schutzbrille, ggf. Spritzschutz
Durchführung
Das Versuchsmaterial wird von der konzentrierten Lauge im Reagenzglas bedeckt und im
Langzeitversuch beobachtet oder im Erlenmeyerkolben erhitzt. Vorsicht: Natronlauge neigt zum
stoßweisen Sieden -> Siedesteinchen, Schütteln
Erkenntnisse:
Tierisches Gewebe wird durch die Lauge zerstört, Pflanzenfasern bleiben weitgehend verschont, Öl
bildet mit der Lauge einen Stoff, der beim Schütteln schäumt.
Folgerung:
Die Natronlauge, gebildet aus den Natriumhydroxidplätzchen im Rohrreiniger und Wasser,
zersetzt die Haare, Fette und organischen Speisereste, die das Abflussrohr verstopft haben.
Aber: Laugen zersetzen auch lebendes Gewebe wie Haut, Hornhaut (Auge!) und sind deshalb mit
Vorsicht zu behandeln -> Schutzhandschuhe, Schutzbrille
Das entsprechende Symbol für „Ätzend“ auf Gefäßen (s. alkalischer Rohrreiniger) warnt vor dem
Inhalt. Solche Stoffe dürfen nie in Kinderhand geraten und müssen mit einem
Sicherheitsverschluss ausgerüstet sein.
Belehrung: Die Aufbewahrung von Laugen (und Säuren) in neutralen Gefäßen (Sprudelflaschen) ist
leichtsinnig und kann irreparable Gesundheitsschäden zur Folge haben!
Empfehlenswert ist jetzt die Einführung der Fachbegriffe
- Base,
- Hydroxid,
- Lauge,
- Alkalimetalle und Erdalkalimetalle,
- alkalische Lösung,
- hygroskopisch (s. auch unter Säuren)
Die Anfertigung eines persönlichen Merkzettels hat sich bewährt.
Hefteintrag
Siehe Folgerungen kursiv
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Versuch 4
Problemstellung
Welche Aufgabe haben die Aluminiumkörner im Rohrreiniger?
oder
Wie reagiert Aluminium mit Natronlauge?
Zielgruppe
RS 8 ggf HS M8
Art des Versuchs
Lehrerversuch
Material
Becherglas, Aluminium, Natronlauge
Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
Bemerkung
Der Vorgang ist für die Erfüllung des Lehrplans nicht erforderlich, die Erklärung für die Schülerinnen
und Schüler schwierig. Es genügt, auf die Absicht des Herstellers zu verweisen:
Verwirbelung der Komponenten -> „Umrühren“;
Durchführung
Im Becherglas wird die Lauge über das Metall geschüttet. Nach kurzer Zeit reagieren die Partner
unter Wärmeentwicklung sehr heftig: die Lauge schäumt auf, das Metall löst sich. Das Gas in den
Blasen verbrennt bei Zündung explosionsartig; es handelt sich um Wasserstoffgas. Weil es mit Luft
Knallgas bildet, ist die Reaktion im Haushalt gefährlich. Abhilfe schafft ein weiterer Bestandteil des
Rohrreinigers: ein Nitrat. Es reagiert mit dem Wasserstoff sofort zu Ammoniakgas. (Geruchsprobe!)
Erklärung für interessierte Schülerinnen und Schüler
Aluminium reagiert mit Wasser fast nicht, weil sich blitzschnell ein Hydroxidüberzug bildet.
Aluminium und Natronlauge reagieren heftig (exotherm).
Aluminat entsteht:
2 Al + 6 H 2 O -> 2 Al(OH) 3 + 3 H 2
Al (OH) 3 + NaOH -> Na + + (Al(OH) 4 ) oder:
2 Al + 2 OH - + 6 H 2 O -> 2 (Al(OH) 4 ) - + 3 H 2
Reaktion von Wasserstoff und Nitrat:
12 Al + 12 NaOH + 36 H 2 O -> 12 Na(Al(OH) 4 ) + 18 H 2
4Al + 6 NaNO 3 + 18 H 2 -> 4 Na(Al(OH) 4 ) + 6 NH 3 + 2 NaOH
Hefteintrag
Aluminium und Natronlauge reagieren unter Wasserstoffbildung sehr heftig miteinander. Der
mechanische Effekt der Blasenbildung wirbelt die Schmutzteile im Abflussrohr durcheinander. Weil
aber Wasserstoff mit Luft ein explosives Gasgemisch bildet, muss er gebunden werden. Er reagiert
mit einem Nitrat (Stickstoffverbindung) zu Ammoniakgas.
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Versuch 5
Problemstellung
Wie reagieren Indikatoren auf die Bestandteile des Rohrreinigers?
Zielgruppe
RS 8 und HS 8
Art des Versuchs
Lehrerversuch, Schülerversuch
Material
Arbeitsmaterial
Becherglas, Blaukrautsaft, Lackmus, Universalindikator, Phenolphthalein, pH-Meter
Testmaterial
destilliertes Wasser, Essig, Zitronensaft, Kalklöser, alkalischer Rohrreiniger oder Natriumhydoxid oder
verdünnte Natronlauge, Seifenlauge
Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel
Vorwissen
Umgang mit Indikatoren
Durchführung
Das destillierte Wasser, Essig, Rohrreinigerlösung, Seifenlauge (im Lehrerversuch Natronlauge)
werden getestet, die Ergebnisse protokolliert.
Erkenntnisse
Während die sauren Lösungen den Universalindikator rot färben, nimmt er beim Test des Reinigers,
der Seifenlauge, der Natronlauge eine blaue Farbe an. Der ph-Wert hängt – wie bei sauren Lösungen
– von der Stärke der Lauge ab.
Während sich der Universalindikator oder Lackmus blau färben, nimmt Phenolphthalein eine tiefrote
Farbe an.
Hefteintrag
Siehe Erkenntnisse
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Versuch 6
Problemstellung
Welche Informationen liefert ein Indikator?
Übungsreihen mit verschiedenen Lösungen und Indikatoren
Zielgruppe
RS 8 und HS 8
Arbeitsmaterial
Schülerversuche :
Destilliertes Wasser, Leitungswasser, Mineralwasser mit und ohne Kohlensäure, Seifen (auch mit
Angabe des pH-Wertes) und andere Reinigungsmittel, Regenwasser, Essig, Wein, Zitronensaft,
Schweiß, Unterlagen zum Betrieb eines Aquariums, Vorschriften für Schwimmbäder und Kläranlagen
Lehrerversuche :
Säuren, Laugen
SV und LV :
Universalindikator, Lackmus, Phenolphthalein, pH-Meter etc .
Sicherheit
Je nach Stärke und Konzentration: Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel
Durchführung
In Reihenversuchen werden die Stoffe auf alkalische und saure Reaktion untersucht und protokolliert.
Die Ergebnisse werden den pH-Werten zwischen 0 und 7 sowie zwischen 7 und 14 zugeordnet, wobei
die Abnahme des pH-Wertes mit „zunehmend sauer“, die Zunahme mit „zunehmend alkalisch“
bezeichnet wird.
Hefteintrag
Versuchsprotokoll
Versuch 7
Problemstellung
Die Natriumhydroxidplätzchen werden ohne Zutun an der Luft feucht.
Woran liegt das?
Zielgruppe
RS 8 und HS 8
Art des Versuchs
Lehrerversuch/Schülerversuch
Sicherheit
NaOH nicht berühren, nach Versuchsende sachgerecht entsorgen.
Versuchsmaterial
Abdampfschale o.ä., Natriumhydroxid
Durchführung
Die Plätzchen werden auf die Schale gelegt und an einen sicheren Platz gestellt.
Beobachtung
Die Plätzchen werden ohne Zutun feucht und zerfließen langsam.
© Bayerischer Rundfunk
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Schulfernsehen
Schulfernsehen
Erkenntnis
Ätznatron ist hygroskopisch, d.h. es zieht den Wassergehalt (hygros) der Luft an, die Ionen werden
langsam frei beweglich. Ähnlich reagiert konzentrierte Schwefelsäure (s. Sendung des BR: „Echt
ätzend“)
Hefteintrag
Erkenntnis
Versuch 8
Problemstellung
Wie kann man Natronlauge herstellen?
Zielgruppe
RS 8 und HS 8
Art der Versuche
Lehrerversuche
Material
Arbeitsmaterial
Becherglas, Messer, Natrium, Natriumhydroxid, destill. Wasser, neutrales Spülmittel, Indikator,
Thermometer ,
Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Schutzscheibe, Labormantel, Handschuhe
Durchführung
Versuch 8.1
Ein kleines Stück Natrium, das unbedingt von Oxiden (Krusten) befreit werden muss , wird
entweder auf die Wasseroberfläche gelegt oder mittels eines trockenen Sieblöffels unter Wasser
gedrückt. Phenolphthalein signalisiert die Wirkung. Ein neutrales Spülmittel verhindert, dass das
Metall während der Reaktion am Glasrand hängen bleibt.
Beobachtung
Das Metall fährt als Kugel zischend über die Wasseroberfläche und zieht eine Farbspur nach. Die
Metallkugel wird immer kleiner und verschwindet schließlich ganz.
Warnung : Wenn eine Zündung des Wasserstoffs durch die exotherme Reaktion erfolgt, fliegen
Natriumteile umher, die zu Verätzungen führen! In der Regel passiert das, wenn das Metall am
Glasrand hängen bleibt -> Schutzscheibe, Brille!
Erkenntnis 8.1
Das Metall wird offensichtlich dank exothermer Reaktion sehr heiß und schmilzt schnell ->
Kugelbildung; das Metall reagiert mit dem Wasser unter Gasbildung -> Zischen; der Indikator
signalisiert Laugenbildung.
Versuch 8.2
Ein kleines Stück Natrium wird von den Oxiden befreit (glänzende Oberfläche) und mittels trockenem
Sieblöffel unter Wasser gedrückt. Das randvoll mit Wasser gefüllte Reagenzglas befindet sich
umgestülpt über dem Sieblöffel und fängt das aufsteigende Gas auf -> Knallgasprobe; ->
Laugennachweis mit Indikator
Erkenntnis 8.2
Das bei der Reaktion von Natrium mit Wasser entstehende Gas ist Wasserstoff.
Wortgleichung: Natrium + Wasser -> Natriumhydroxid + Wasserstoff
Formelgleichung : 2 Na + 2 H 2 O -> 2 NaOH + H 2
© Bayerischer Rundfunk
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Schulfernsehen
Schulfernsehen
Das Natriumhydroxid löst sich in Wasser, indem es dissoziiert:
Frei bewegliche (nicht in das Ionengitter eingebundene) positiv geladene Metall-Ionen (Na + ) und
negativ geladene Hydroxid-Ionen (OH - ).
Versuch 8.3
Ätznatron wird in Wasser gegeben. Der Indikator signalisiert Laugenbildung, die Beobachtung des
Thermometers zeigt eine exotherme Reaktion an.
Die ins Ionengitter eingebundenen Ionen werden in wässriger Lösung zu frei beweglichen Ionen.
NaOH + H 2 O -> Na + + OH - + H 2 O
Versuch 8.4
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung führt über das Natriumperoxid Na 2 O 2 , das bei Erhitzung
von Natrium bei gelber Flammenbildung entsteht. Natrium oxidiert in diesem Falle nicht – wie
erwartet – zu Na 2 O. Deshalb ist der Versuch für die HS nicht geeignet.
Hefteintrag
Natronlauge entsteht durch die Lösung von Natriumhydroxid in Wasser. Dabei entstehen frei
bewegliche positiv geladene Natrium (Metall)-Ionen und negativ geladene Hydroxid-Ionen. Bei der
Reaktion von Natrium mit Wasser entsteht das Hydroxid als Zwischenstufe.
Versuch 9
Aufgabenstellung
Hydroxide entstehen bei der Reaktion von Metalloxiden mit Wasser.
Stelle Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid und Magnesiumlauge her.
Zielgruppe
RS 8 und HS 8
Art des Versuchs
Kombinierter Lehrer- und Schülerversuch
Material
Becherglas, Magnesiumband, destill. Wasser, Indikator, Tiegelzange
Sicherheitshinweise
Nicht in die Flamme blicken, Brandschutz beachten
Durchführung
Das Magnesiumband wird entzündet und oxidiert in einer heftigen exothermen Reaktion (Wärme- und
Strahlungsenergie).
Das Magnesiumoxid, den Schülern als Magnesia aus dem Sportunterricht bekannt, wird in Wasser
gelöst. Es ist allerdings schwerer in Wasser löslich als Calciumoxid, das für einen Alternativversuch
gut geeignet ist.
Erkenntnisse
Magnesiumoxid verbindet sich mit Wasser zu Magnesiumhydroxid.
Wortgleichung: Magnesium + Sauerstoff -> Magnesiumoxid
Formelgleichung: 2 Mg + O 2 -> 2 MgO
Wortgleichung: Magnesiumoxid + Wasser -> Magnesiumhydroxid
Formelgleichung: MgO + H 2 O -> Mg(OH) 2
Magnesiumhydroxid löst sich in Wasser.
Der Indikator bestätigt die Lauge.
© Bayerischer Rundfunk
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Schulfernsehen
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Ähnlich reagieren andere Metalloxide, besonders die der Alkali- und Erdalkalimetalle.
Beispiel Calcium:
2 Ca + O 2 -> 2 CaO
CaO + H 2 O -> Ca(OH) 2
Hefteintrag: s. Erkenntnisse
Übungen
Begründe die Verhältnisformeln:
MgO und Mg(OH) 2
CaO und Ca(OH) 2
BaO und Ba(OH) 2
aber:
LiOH und KOH und NaOH
Versuch 10
Problemstellung
Warum leiten Hydroxidschmelzen und Laugen elektrischen Strom?
Zielgruppe
RS8 und HS8
Art des Versuchs
Lehrerversuch
Sicherheit
Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel
Versuchsmaterial
Becherglas, destill. Wasser, Natriumhydroxid, zwei Elektroden, Gleichstromquelle ca. 2 V,
Amperemeter, Glühbirne(2V) in Fassung, Stativmaterial, Glasstab
Die Gleichstromquelle, das Amperemeter und die in destill. Wasser getauchten Elektroden werden in
Reihe geschaltet. Natriumhydroxid wird zugefügt und umgerührt.
Beobachtungen: Destilliertes Wasser leitet nicht. Nach Hinzufügen des Ätznatrons zeigt das
Amperemeter zunehmenden Zeigerausschlag.
Erkenntnis
Laugen transportieren elektrische Energie, folglich müssen geladene Teilchen vorhanden sein ->
Ionen
Erklärung
Natriumhydroxid spaltet sich in Wasser in frei bewegliche positive Metall (Natrium-) Ionen und
negativ geladene Hydroxid-Ionen auf.
Die negativ geladenen Ionen entladen sich an der Anode, die positiv geladenen an der Kathode.
Ob die Ionenwanderung zu Anode und Kathode erklärt werden soll, entscheidet die Lehrkraft.
Spätestens bei Behandlung der Elektrolyse der Kochsalzlösung (s. Teil 2 der Sendung „Alles neutral“)
ist sie unumgänglich.
Hefteintrag
Hydroxide zerfallen in wässriger Lösung. Positiv geladene Metall-Ionen und negativ geladene
Hydroxid-Ionen transportieren elektrische Energie, weil sie von den ungleichnamigen Elektroden
(Anode +, Kathode -) angezogen werden und dort Elektronen aufnehmen bzw. abgeben.
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Versuch 11
Laugen als Abbeizmittel
Art des Versuchs
Lehrerversuch
Sicherheit
Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel
Versuchsmaterial
Becherglas, Natronlauge ,ggf. alkalischer Abbeizer, lackierter Bleistift o.ä., Spachtel
Der Bleistift wird in die Lauge gestellt, sobald sich der Lack wellig zeigt, kann er abgekratzt werden.
Weil nicht alle Lacke geeignet sind, ist eine entsprechende Auswahl zu treffen.
Erkenntnis
Abbeizer (Ablauger) sind Laugen. Sie weichen bestimmte Lacke auf und wandeln sie in
wasserlösliche Stoffe um, die nun abgewaschen werden können.
Hefteintrag
Lacke werden von Laugen aufgeweicht und in wasserlösliche Stoffe umgewandelt, so dass sie
abgelöst werden können, ohne die Basis zu zerkratzen. Abbeizer enthalten aber oft weitere
Lösungsmittel, die schädliche Dämpfe entwickeln. Deshalb darf die Arbeit nie in geschlossenen
Räumen durchgeführt werden.
Problemstellung:
Wie kann man Ammoniumlauge herstellen?
Zielgruppe
RS 8 und HSM 8
Art des Versuchs
Lehrerversuch
Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel
Durchführung
Der Versuch wird sehr anschaulich in der Sendung vorgeführt, so dass sich eine genaue
Beschreibung erübrigt.
Zudem erfährt der Betrachter in einer Trickdarstellung die chemischen Vorgänge.
Erklärung des „Springbrunnens“:
In 1 l Wasser lösen sich ca. 700 l Ammoniak. Bei dieser unvollständig ablaufenden Reaktion entsteht
im Kolben Unterdruck, der normale Luftdruck (Außendruck) presst das Wasser hinein.
Erkenntnis
Siehe Arbeitsblatt 1
Hefteintrag
Siehe Arbeitsblatt 1
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Literatur
Umwelt Chemie Gesamtband - Klettverlag - ISBN 3-12-079600-X
Elemente Chemie NRW 9/10 – Klettverlag - ISBN 3-12-759440-2
Fischer Kolleg – Das Abiturwissen – Chemie - ISBN 3-596-24543-5
Akademieberichte Dillingen – Physik und Chemie in der Hauptschule
Urknall Bayern 8 Schülerband – Klettverlag - ISBN 3-12-113040-4
Urknall Bayern 8 Lehrerband – Klettverlag - ISBN 3-12-113049-8
Internettipps
Basen und Laugen
http://www.seilnacht.com/Lexikon/Laugen.htm
Ablacken, Ablaugen
http://www.tischler.de/produkte/restaurieren/hom-oberflaeche.htm
Rezept für Laugenbrezeln
http://www.marions-kochbuch.de/rezept/0537.htm
© Bayerischer Rundfunk
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