Analytische Chemie

Analytische Chemie
LD
Handblätter
Chemie
Angewandte Analytik
Luftanalytik
C3.6.2.2
Analyse von Zigarettenrauch
Versuchsziele
 Eine Abgasanalyse durchführen.
 Mit Prüfröhrchen zur Luftanalyse arbeiten.
 Verschiedene Nachweisreaktionen für Luftschadstoffe kennenlernen.
Grundlagen
In diesem Versuch sollen drei verschieden Stoffe bzw. Stoffgruppen mit Hilfe von Prüfröhrchen nachgewiesen werden:
Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Schwefeldioxid (SO2). CO bindet im Blut an Hämoglobin und blockiert so
die Aufnahme von Sauerstoff aus dem Blut. Die Stickoxide
zählen in die Gruppe der reizenden Stoffe. Sie schädigen die
Atemorgane und ins besondere die Bronchien. Auch SO2
schädigt die Atemorgane, da es ein starkes Atemgift darstellt.
In den dabei verwendeten Prüfröhrchen findet beim Vorliegen
des jeweiligen Analyten eine Farbreaktion statt, welche direkt
am Röhrchen selber abgelesen werden kann.
Der Rauch von Tabak aus Zigaretten enthält eine Vielzahl
von Schadstoffen. Mehr als 70 dieser chemischen Stoffe,
welche bei der Verbrennung einer Zigarette freigesetzt werden, wurden als giftig oder krebserzeugend identifiziert bzw.
stehen im Verdacht krebserzeugend zu sein.
Zu diesen chemischen Stoffen zählen unter anderem reizende (z.B. Ammoniak oder Stickoxide), bluttoxische (z.B. Kohlenstoffmonoxid), kanzerogene (z.B. toxische Schwermetalle)
und neurotoxische (z.B. Nikotin) Substanzen. Alle diese Substanzen haben unterschiedliche Auswirkungen auf den
menschlichen Organismus. Die reizenden Stoffe schädigen
die Bronchien, Kohlenstoffmonoxid blockt die Sauerstoffaufnahme, Nikotin wirkt direkt im Gehirn und kanzerogene Stoffe
können Krebs auslösen.
Die Reaktionen, welche dabei ablaufen, lauten im Einzelnen:
CO-Prüfröhrchen
Farbreaktion: weiß → braun
Wenn eine Zigarette brennt laufen drei einzelne Reaktionen
ab: Zum einen verbrennt die Zigarette bei Temperaturen von
500 – 900 °C, der Tabak verschwelt bei Temperaturen von
200 – 600 °C und flüchtige Anteile, die im Tabak enthalten
sind, verdampfen. Bei diesen Vorgängen werden sowohl
organische als auch anorganische Substanzen zersetzt.
Weiterhin bildet sich ein Stoffgemisch, welches neben Gasen
kleinste Feststoffpartikel und flüssige Stoffe enthält. Tabakrauch enthält somit eine Vielzahl an chemischen Stoffen in
allen drei Aggregatzuständen und stellt damit ein Aerosol dar.
Die festen Stoffe werden auch als Teer bezeichnet.
NOx-Prüfröhrchen
-
-
-
Farbreaktion: weiß → dunkelblau
SO2-Prüfröhrchen
-
-
Farbreaktion: violett → weiß
MS-2014-12
Die drei Stoffe bzw. Stoffgruppen sollen in einer beliebigen
Zigarettensorte nachgewiesen werden. Vergleiche können
dabei durch die Verwendung verschiedener Sorten oder
Abb. 1: Versuchsaufbau.
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C3.6.2.2
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durch die Entfernung des Filtermaterials der Zigaretten angestellt werden.
DER HAUT: Mit viel Wasser und
Seife waschen
SO2-Prüfröhrchen
Gefährdungsbeurteilung
Gefahrenhinweise
Die im Versuch untersuchten Substanzen Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und Schwefeldioxide entstehen in nur so geringen Mengen, dass sie keine Gefahr darstellen. Trotzdem
sollte der Versuch, aufgrund des Tabakrauches, unter einem
Abzug durchgeführt werden.
R20/21/22 Gesundheitsschädlich
beim Einatmen, Verschlucken und
Berührung mit der Haut.
R35 Verursacht schwere Verätzungen.
CO-Prüfröhrchen
Sicherheitshinweise
Gefahrenhinweise
P102 Darf nicht in die Hände von
Kindern gelangen
R20/21/22 Gesundheitsschädlich
beim Einatmen, Verschlucken und
Berührung mit der Haut.
P260
Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol nicht einatmen
R35 Verursacht schwere Verätzungen.
P262 Nicht in die Augen, auf die Haut
oder auf die Kleidung gelangen lassen
R37 Reizt die Atmungsorgane.
Sicherheitshinweise
P102 Darf nicht in die Hände von
Kindern gelangen
Geräte und Chemikalien
P260
Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol nicht einatmen
1 Kolbenprober 100 ml, mit Dreiwegehahn ...... 665 9148
1 Glasverbinder, 2 x GL 18 .............................. 667 312
1 Prüfröhrchen NOx 0,5 … 50 ppm, Satz 10 .... 666 313
1 Prüfröhrchen CO 0,5 … 7,0 %, Satz 10 ........ 666 319
1 Prüfröhrchen SO2 1 … 25 ppm, Satz 10 ....... 666 314
1 Glasfeile ........................................................ 667 015
1 Handstoppuhr ................................................ 31 307
Zusätzlich erforderlich:
Zigaretten
Feuerzeug
P262 Nicht in die Augen, auf die Haut
oder auf die Kleidung gelangen lassen
P305+P351+ P338 BEI KONTAKT
MIT DEN AUGEN: Einige Minutenlang behutsam mit Wasser spülen.
Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiterspülen.
Versuchsaufbau und –vorbereitung
P313 Ärztlichen Rat einholen/ärztliche
Hilfe hinzuziehen
Aufbau der Apparatur
P302+P352 BEI BERÜHRUNG MIT
DER HAUT: Mit viel Wasser und
Seife waschen.
1. Der Kolbenprober und der Glasverbinder werden wie in
Abb.1 dargestellt miteinander verbunden.
Durchführung
NOx-Prüfröhrchen
1. Die Zigarette wird mit einem Feuerzeug entzündet, in die
freie GL-Verschraubung des Glasverbinders installiert und
dann langsam der Kolbenprober aufgezogen, bis ca. 30 ml
Tabakrauch im Kolbenprober vorhanden sind.
2. Den Dreiwegehahn nun so verschließen, dass es nur eine
Verbindung zwischen Glasverbinder und dem ungenutzten
Ausgang des Kolbenprobers gibt. Auf diese Weise kann der
Zigarettenrauch nicht aus dem Kolbenprober entweichen.
3. Die Zigarette wird vorsichtig gelöscht und mit der Schraubkappe zusammen abgedreht.
4. Das erste Prüfröhrchen für CO wird nun in die Schraubkappe gesteckt. Das Prüfröhrchen dabei so einsetzen, dass
der Tabakrauch an der Seite eingeleitet wird an dem die
Messskala beginnt.
5. Nun mit Hilfe der Glasfeile beiden Spitzen abbrechen und
die scharfen Bruchkanten abfeilen.
6. Die Schraubkappe in den Glasverbinder schrauben.
7. Für die Analyse mit dem Dreiwegehahn wieder eine Verbindung zwischen Kolbenprober und Glasverbinder herstellen.
8. Langsam den Kolbenprober entleeren, so dass der Tabakrauch in das Prüfröhrchen gelangt.
Gefahrenhinweise
R21/22 Gesundheitsschädlich bei
Berührung mit der Haut. und Verschlucken.
R34 Verursacht Verätzungen.
R43 Sensibilisierung durch Hautkontakt möglich.
Sicherheitshinweise
P102 Darf nicht in die Hände von
Kindern gelangen
P262 Nicht in die Augen, auf die Haut
oder auf die Kleidung gelangen lassen
P305+P351+ P338 BEI KONTAKT
MIT DEN AUGEN: Einige Minutenlang behutsam mit Wasser spülen.
Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiterspülen.
P313 Ärztlichen Rat einholen/ärztliche
Hilfe hinzuziehen
P302+P352 BEI BERÜHRUNG MIT
2
C3.6.2.2
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9. Stoppuhr starten und nach 2 Minuten das Ergebnis vom
Prüfröhrchen ablesen.
10. Diesen Versuch mit den Prüfröhrchen für Stickoxide
und SO2 wiederholen. Dafür wieder zuerst die Zigarette am
Glasverbinder anbringen, entzünden und den entstehenden
Rauch aufziehen.
Hinweis: Prüfröhrchen, bei denen eine Analyse negativ ausfällt, können am selben Tag erneut verwendet werden.
Tab. 2: Herstellerangabe Schadstoffe pro Zigarette.
11. Zigarette und Prüfröhrchen werden erneut gegeneinander ausgetauscht und die Analyse kann erfolgen.
Hinweis: Für Analysen filterloser Zigaretten, entweder Marken
ohne diesen verwenden oder aber den vorhandenen Filter
durch abschneiden entfernen.
Die angegebenen Werte für CO sind bei der schwächeren
Sorte (Zigarette 1) niedriger als bei der Stärkeren (Zigarette
2). Das lässt sich auch bei den im Versuch ermittelten Werten
wiederfinden. Mit Filter ist der CO-Gehalt im Tabakrauch mit
0,15 % zu 0,3 % um die Hälfte geringe. Ohne Filter ist es mit
0,3 % zu 05 % ca. ein Drittel weniger. Die Herstellerangaben
lassen sich also zum einen bestätigten. Zum anderen ist
deutlich die Filterwirkung zu erkennen, da sich für beide Sorten die Werte für CO ohne Filter etwa verdoppeln.
Beobachtung
Nachdem die Zigarette entzündet und Kolbenprober aufgezogen wird, kann beobachtet werden wie sich der Tabakrauch im Kolbenprober sammelt. Durch das Verschließen
bleibt der Tabakrauch im Kolbenprober und die Zigarette
kann gegen ein Prüfröhrchen ausgetauscht werden. Durch
das Durchleiten des Tabakrauches durch die Prüfröhrchen
kommt es dort, bei vorhanden sein des jeweiligen Analyten,
zu einer Reaktion zwischen diesem und dem Prüfröhrchenmaterial. Es finden für die Auswertung der Analysen Farbumschläge in den Prüfröhrchen statt. Bei CO findet bei positivem
Ergebnis ein Farbumschlag von weiß/gelblich zu braun statt.
Bei den Stickoxiden NOx ist dieser von weiß bzw. blassblau
zu dunkelblau. Bei SO2 soll ein Farbumschlag von violett zu
weiß stattfinden.
Das Ergebnis der jeweiligen Analyse kann direkt am Prüfröhrchen abgelesen werden. In unseren Versuchen fielen die
Tests auf CO und NOx positiv, die auf SO2 hingegen negativ
aus.
Zigarette 1
Teer
Nikotin
CO
Zigarette 2
6 mg
10 mg
0,5 mg
0,8 mg
7 mg
10 mg
Mit dem Prüfröhrchen für NOx wird der Gesamtgehalt an
Stickoxiden im Tabakrauch ermittelt. Dazu zählen sowohl
Stickstoffmonoxid, als auch Stickstoffdioxid. Auch bei diesem
Test ist ein klarer Unterschied zwischen der schwächeren
und stärkeren Zigarettensorte zu erkennen. Wie beim Test
auf CO zeigt die stärkere Sorte höhere Werte für NO x mit
(0,75 ppm) und ohne Filter (1,0 ppm). Bei der schwächeren
sind es 0,5 ppm und 0,8 ppm. Hinzu kommt wieder die Filterwirkung. Beim Verlust dieser durch die Entfernung des Filters
führt dies wieder zu einem Anstieg der Werte.
Der Test auf SO2 im Tabakrauch fällt für beide Sorten negativ
aus. SO2 ist beispielsweise im Tabakrauch einer Wasserpfeife zu finden. Da dort die Verbrennung des Tabaks mittels
eines Kohlebriketts erfolgt und SO2 bei der Verbrennung
fossiler Brennstoffe, wie Kohle oder Erdöl entsteht.
Auswertung
Es konnten in diesem Versuch somit das bluttoxische CO
sowie die reizenden Stickoxide NOx nachgewiesen werden.
In diesem Versuch wurden sowohl der Tabakrauch einer
stärkeren, als auch einer schwächeren Zigarettenmarke jeweils mit und ohne Filter getestet. Untersucht wurde dabei
der Gehalt an CO, NOx und SO2 im Tabakrauch.
Der Versuch kann in seiner Durchführung variiert werden,
indem mehrere Zigarettensorten, eine Sorte mit und ohne
Filter oder auch mehrere Sorten mit und ohne Filter gegeneinander getestet werden.
Die Auswertung der Analysen erfolgt mittels der geeichten
Skala auf den Prüfröhrchen. Die Werte müssen abgelesen
und notiert werden, um anschließend unterschiedliche Zigarettenmarken bzw. den Effekt von Filtern zu vergleichen.
Reinigung und Entsorgung
Ergebnis
In Tab.1 sind die Ergebnisse der Analysen von CO, NO x und
SO2 im Tabakrauch von zwei unterschiedlichen Zigarettensorten aufgeführt. Zusätzlich wurden beide Sorten mit und
ohne Filter getestet.
Tab. 1: Ergebnisse der einzelnen Analysen.
Zigarette 1
Zigarette 2
CO
0,15 %
0,3 %
NOx
0,5 ppm
0,75 ppm
SO2
-
-
CO
0,3 %
0,5 %
NOx
0,8 ppm
1,0 ppm
SO2
-
-
mit Filter
Die Prüfröhrchen dürfen auf keinen Fall in den normalen Müll
gelangen, da sie geringe Mengen an Chemikalien enthalten.
Zu beachten ist dabei das Gesetz über die Beseitigung von
Abfällen (AbfG) sowie das Gesetz zum Schutz vor gefährlichen Stoffen (ChemG).
In den Prüfröhrchen für CO und SO2 sind anorganische Stoffe
enthalten. Sie müssen also in den Abfall für anorganische
Feststoffe. Im Prüfröhrchen für NOx ist ein organisches Amin
vorhanden sowie Chrom(VI)-oxid, welches stark giftig ist.
Deswegen müssen die Prüfröhrchen in einem gesonderten
und gekennzeichneten Gefäß gesammelt und entsorgt werden.
Die Zigarettenreste können nach dem Löschen und Abkühlen
im normalen Hausmüll entsorgt werden.
ohne Filter
In Tab.2 sind die angegebenen Schadstoffwerte des Herstellers für beide getesteten Zigarettensorten aufgeführt.
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