Reaktionen mit elementarem Natrium

1. Experimentalvortrag Reaktionen mit elementarem Natrium Anna-Lena Eicke Mittwoch, 08.07.09, 9 Uhr Marburg

2. Gliederung • Natriumvorkommen und EntdeckungVersuch 1 • Industrielle Herstellung • Eigenschaften Demonstration 1, Versuche 2, 3, 4 und 5 • Wichtige NatriumverbindungenDemonstration 2 • Verwendung • Schulrelevanz • Literatur- und Abbildungsverzeichnis

3. 1. Natriumvorkommen • Sechst-häufigstes Element in der Erdkruste • Lagerstätte • Steinsalz: NaCl (auch im Meerwasser) • Soda: Na2CO3 • Chilesalpeter: NaNO3 • Glaubersalz: Na2SO4 • Natriummineralien • Albit/Natronfeldspat: Na[AlSi3O8]

4. 1737 stellte du Monceau fest, dass Kochsalz, Glaubersalz und Soda eine gemeinsame Basis haben 1806 elektrolysierte Humphrey Davy wasserfreie Schmelzen der Alkalisalze Namensgebung: „sodium“ wurde mit „Natronium“ übersetzt, woraus schließlich „Natrium“ wurde Entdeckung des elementaren Natriums Abb. 1: Sir Humphrey Davy

5. Versuch 1: Darstellung von Natrium -Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid-

6. Versuch 1: Synthese von elementarem Natrium Anode: Kathode: Gesamt: Das entstehende Natrium wird zum einen durch das entstehende Wasser oxidiert, zum anderen zündet es sich aufgrund der hohen Temperaturen selbst. -2 +1 0 +1 0 +1 -2 +1 0 +1 -2 0

7. Castner-Verfahren Sammelglocke für das Natrium Anode (Nickelzylinder) Eisendrahtnetzzylinder Kathode (Kupfer) Abb. 2: Castner-Zelle

8. 2. Industrielle Herstellung:Downs-Verfahren Anode: -1 0 Kathode: +1 0 Gesamtreaktion: +1 -1 0 0 Abb. 3: Downs-Zelle

9. 3. Eigenschaften des Natriums • 1. Hauptgruppe: Alkalimetall relative Atommasse in g/mol Oxidationszahl Dichte in g/cm3 bei 20 °C Elektronegativität Ordnungszahl Schmelzpunkt in °C

10. Physikalische Eigenschaften • weiches Metall mit geringer Dichte • großer Atomradius • niedrige Schmelz- und Siedepunkte (Smp. 97,8 °C, Sdp. 881,3 °C) • elektrisch und thermisch leitfähig

11. Demonstration 1 Natrium schneiden & Autoxidation

12. Demonstration 1: Natrium schneiden & Autooxidation • frisch geschnittenes Natrium ist blank und silbern • nach kurzer Zeit an (feuchter) Luft, läuft es weiß an: Bildung einer Oxid- bzw. Hydroxidschicht 0 0 +1 -2 0 +1 -2 +1 -2 +1 0

13. Versuch 2 Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol

14. Versuch 2: Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol Reaktion von Natrium in Wasser 0 +1 -2 +1 -2 +1 0 1.

15. Versuch 2: Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol Reaktion von Natriumhydroxid mit Luminol 2.

16. Versuch 2: Reaktion von Natrium in Wasser und Ethanol Reaktion von Natrium in Wasser 0 +1 -2 +1 -2 +1 0 Reaktion von Natrium in Ethanol -2 +1 0 -2 +1 0 • Natrium wird in Petroleum oder Paraffinöl aufbewahrt, weil diese nur aus Kohlenwasserstoffen bestehen und relativ reaktionsträge sind

17. Versuch 3 Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak

18. Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak Abb. 4: Kondensieren von gasförmigen Ammoniak

19. Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak • Bildung von solvatisierten Metallkationen und Elektronen • die solvatisierten Elektronen sind • in geringer Konzentration für die blaue Farbe • in hoher Konzentration für die metallisch-bronzene Färbung verantwortlich 0 +1

20. Versuch 3: Löslichkeit von Natrium in flüssigem Ammoniak • mit steigender Natriumkonzentration bilden sich außerdem: • Ionenpaare • Anionen • Dimere

21. Versuch 4 Verbrennung von Natrium

22. Versuch 4: Verbrennung von Natrium Hauptprodukt ist Natriumperoxid: 0 0 +1 -1 Nebenprodukt ist Natriumoxid 0 0 +1 -2 Abb. 5: Verbrennung von Natrium

23. Natrium-D-Linie • zwei Spektrallinien (589 und 589,6 nm) • Übergang des äußeren Elektrons aus dem angeregten 3p-Zustand in den 3s-Grundzustand • zwei 3p-Zustände, bedingt durch die Spin-Bahn-Kopplung des Elektronenspins mit dem Bahndrehimpuls: Gesamtdrehimpuls von 1/2 und 3/2 Abb. 6: Spektrallinien von Natrium

24. Versuch 5 Reaktion von Natrium mit Wasserstoffperoxid

25. Versuch 5: Reaktion von Natrium mit Wasserstoffperoxid • wegen der geringeren Dichte schwimmt das Natrium auf dem Wasserstoffperoxid  Entzündung • Chemolumineszenz beruht wahrscheinlich auf der Bildung von Natrium-Suboxiden 0 +1 -1 0 +1 -2 +1 +1 -1 +1 -2 0

26. 4. Wichtige Natriumverbindungen • Natriumchlorid (Demonstration 2) • Natriumhydroxid • Natrium kommt in vielen Verbindungen als Kation vor und beeinflusst die physikalischen Eigenschaften dieser

27. Demonstration 2 Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen

28. Abb. 7: Versuchsaufbau für die Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen

29. Video: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen

30. Abb. 8: Versuchsergebnis im Überblick Abb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen

31. Demonstration 2: Synthese von Natriumchlorid aus dem Elementen +1 +7 -2 +1 -1 +2 -1 0 +1 -1 +1 -2 0 0 +1 -1 Abb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid 31

32. Physiologische Bedeutung • Körperbestand: 1,4 g/kg Körpergewicht • Bedarf: < 0,5 g/Tag • Überversorgung: Ödeme, Bluthochdruck • Hauptfunktion: Aufrechterhaltung des osmotischen Drucks im extrazellulären Raum • Vorkommen: Fleisch und Wurst

33. 5. VerwendungHerstellung von Antiklopfmittel • mehr als die Hälfte des erzeugten Natriums wurde 1991 für die Herstellung von Tetraethyl- und Tetramethylblei verbraucht • Verschmelzung von Blei und Natrium zu einer Legierung, die mit Ethyl- bzw. Methylchlorid umgesetzt wird:

34. Herstellung von elektropositiven Metallen • Natrium wird als Reduktionsmittel zur Herstellung von elektropositiven Metalle wie z.B. Titan verwand • Schutzgasatmosphäre, damit TiCl4 nicht hydrolysiert und Natrium nicht mit dem Luftsauerstoff reagiert • Elektrolyse in einemTemperaturbereich von 801 °C – 881 °C  „Hunter“-Verfahren +4 -1 0 0 +1 -1

35. Natrium-Schwefel-Batterie • 50 – 100 dieser Zellen sind in luftdichten Edelstahlbehältern zu sekundären Natrium-Schwefel-Akkummulatoren zusammengefasst • spendet 3 mal mehr Energie pro Gewichtseinheit als ein Bleiakkumulator, muss allerdings erst auf Betriebstemperatur (350 °C) gebracht werden 0 0 +1 -x Abb. 11: Na/S-Batterie

36. Natriumdampf-Entladungslampen • in den Lampenkolben wird Natrium eingeschmolzen, welches zu Beginn der Entladung verdampft  Ionisation • die bei einem Zusammenstoß von zwei Elektronen auftretende Energie wird in Form von Licht wieder abgegeben Abb. 12: Natriumdampf-Lampe

37. Natrium in der organischen Chemie • Birch-ReduktionReduktion von Cyclohexadienen über einen Ein-Elektronen-Übertragungsmechanismus • Zerstörung halogenorganischer Verunreinigungenorganisch gebundenes Chlor verbindet sich mit Natrium zu Natriumchlorid, welches abgetrennt werden kann • in Form des Natrium-Drahtes als Trockenmittel

38. 6. Schulrelevanz Klasse 8: Alkalimetalle • Kennenlernen der Eigenschaften und Verwendung der Metalle der Elementfamilie • Sicherheitsaspekte begründen und beachten • Chemische Reaktionen durchführen, vergleichen und deuten Klasse 10/12: Redoxreaktionen (Elektrolysen) bzw. Großtechnische Verfahren Abb. 13: Lehrer Hämpel

39. 7. Literaturverzeichnis BKK Gesundheit, Nährstoffe – Mineralstoffe – Natrium, http://www.bkkgesundheit.de/ratgeber/ernaehrung/naehrstoffe/inhalt.lasso?a=naehrstoffe2 (letzter Zugriff: 22.6.09, 11:07 Uhr) Brandl, H., Versuche zur Chemolumineszenz mit Alkalimetallen, in Mathematisch-Naturwissenschaftlicher Unterricht 46/3, S. 168 - 172 Gerstner, E., Skriptum zum Anorganisch-chemischen Praktikum für Lehramtskandidaten, 3., teilweise neu bearbeitete und erweiterte Auflage, 1993, 1. unveränderter Nachdruck 2003, Marburg 1993/2003 Holleman, A.F., Wiberg, E. und N.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007 Mortimer, C., Basiswissen der Chemie, 8. komplett überarbeitete und erweiterte Auflage, Thieme-Verlag, Stuttgart, 2003 Praxis der Naturwissenschaften – Chemie 6/40, Themenheft Alkalimetalle, Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln, 1991 Riedel, E., Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2004

40. Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Sir Humphrey Davy, http://www.kjemi.uio.no/periodesystemet/vis.php?e=Cl&id=471 (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:44 Uhr) Abb. 2: Castner-Zelle, http://www.chemgapedia.de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/c/ca/castner_00045verfahren.glos.html (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:48 Uhr) Abb. 3: Downs-Zelle, http://www.seilnacht.com/referate/elektro1.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:50 Uhr) Abb. 4: Kondensieren von gasförmigen Ammoniak, Anna-Lena Eicke Abb. 5: Verbrennung von Natrium, von Anna-Lena Eicke Abb. 6: Spektrallinien Natrium, http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/software/hydrogenlab/Atomphysik/08_Stunde/Spektralanalyse/Spektrallinien.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:52 Uhr) Abb. 7: Versuchsaufbau für die Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena Eicke Video: Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen, von Anna-Lena Eicke Abb. 8: Versuchsergebnis im Überblick, von Anna-Lena Eicke Abb. 9: Versuchsergebnis im Glühröhrchen, von Anna-Lena Eicke Abb. 10: schematische Bildung von Natriumchlorid, http://www.schule-studium.de/Chemie/Ionenbindung.html (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:54 Uhr) Abb. 11: Natrium-Schwefel-Batterie, Holleman, A.F., Wiberg, E. und N.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007 Abb. 12, Natriumdampfentladungslampe, http://www.chemische-experimente.com/Alkalimetalle.htm, (letzter Zugriff: 22.6.09, 11:14 Uhr) Abb. 13: Lehrer Hämpel, http://www.e-teaching-austria.at/02_cont/03content/03_biologie/Haltung/index.htm (letzter Zugriff: 21.6.09, 19:46 Uhr)

41. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!