ACTe Anorganische Chemie und Technologie PDF

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Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Anorganische Chemie und Technologie Kolleg für Berufstätige (Abendschule) Wasserstoff WASSER H2O 1 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Vorkommen: Rund 75% der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt Auch Luft enthält (temperaturabhängig) bis zu 4vol% Wasser als Dampf Hauptbestandteil aller Pflanzen und Tieren (Zellen sind mit Wasser gefüllt) Wassergehalt beim Mensch: 60-70% der Lebendmasse Wasser Herstellung: Nur theoretisch von Bedeutung! Knallgasreaktion (Elementarsynthese) durch zusammenführen von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) 2 H2 + O2  2 H2O 2 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Eigenschaften Chemisch reines Wasser ist bei Raumtemperatur (20°C) eine farblose, durchsichtige, geschmacks- und geruchslose Flüssigkeit Drei verschiedene Aggregatzustände möglich: o Fest o Flüssig o Gasförmig Abhängig von Druck und Temperatur  Zustandsdiagramm Zustandsdiagramme Was sind Zustandsdiagramme? Bereich der physikalischen Chemie! Auch Phasendiagramme genannt  geben die Übergänge von einem Stoff in unterschiedliche Phasen an: Phasen können sein: o Aggregatzustände o Modifikationszustände o Mischungszustände o… 3 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Zustandsdiagramme Dabei werden auf zwei bzw. drei (dreidimensionales Diagramm) Parameter aufgetragen anhand deren die Diagramme auch unterteilt werden: Z.B.: p-T-Diagramm  Auftragung Druck und Temperatur p-v-Diagramm  Auftragung Druck und spez. Volumen T-x-Diagramm  Auftragung Temperatur und Molenbruch Zustandsdiagramme Was kann abgelesen werden? Bei Reinstoffen kann von einem p-T-Diagramm die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Aggregatzustände abgelesen werden. Weiters können bei Reinstoffen anhand des p-T- Diagramms auch der Übergang in andere Modifikationen abgelesen werden. Bei Mehrstoffsystemen können verschiedene Mischungsverhalten abgelesen werden bzw. werden meist andere Diagrammtypen verwendet. 4 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Zustandsdiagramme p-T-Diagramm He p-T-Diagramm Schwefel Zustandsdiagramme Allgemeines p-T-Diagramm Schmelzdruckkurve Siedepunktskurve Sublimationsdruckkurve 5 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Zustandsdiagramme Allgemeines p-T-Diagramm Tripelpunkt: Jener Zustand, beschrieben durch Druck und Temperatur, an dem die drei Phasen des Stoffes im Gleichgewicht sind. Der Tripelpunkt besitzt nach der Gibbsschen Phasenregel keinen Freiheitsgrad ( physikalische Chemie) D.h. Eis sublimiert zu Wasserdampf, Wasserdampf kondensiert zu Wasser, Wasser gefriert und Eis schmilzt gleichzeitig und im Gleichgewicht. Zustandsdiagramme Allgemeines p-T-Diagramm Kritischer Punkt An dem Punkt wird die Dichte von gasförmiger und flüssiger Phase gleich, d.h. die beiden Phasen können nicht mehr voneinander „unterschieden“ werden und hören somit auf zu existieren. Hier spricht man dann von einem überkritischen Zustand bzw. von einem überkritischen Fluid 6 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Zustandsdiagramme Allgemeines p-T-Diagramm Schmelzdruckkurve Siedepunktskurve Sublimationsdruckkurve Wasser p-T-Diagramm des Wassers Wasser weißt bei seinem p-T-Diagramm eine Anomalie auf: o Im Phasendiagramm des Wasserst weicht die Schmelzdruckkurve nach links ab, befindet sich also bei niedrigeren Temperaturwerten als im Tripelpunkt. Dies ist ungewöhnlich und führt z.B. dazu, dass Eis unter Druck wieder verflüssigt werden kann. Dieses kommt z.B.: beim Eislaufen zum Einsatz (Eis unter den Kufen wird flüssig und ermöglicht so ein gleiten) 7 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser p-T-Diagramm von Wasser Wasser p-T-Diagramm von Wasser 8 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Auch bei der Dichte von Wasser können wir eine Anomalie feststellen: o Eis (Aggregatzustand: fest) ist leichter als Wasser (Aggregatzustand: flüssig) o Grund der Anomalie ist das Ausbilden von Wasserstoffbrückenbindungen. Wichtig für das Leben auf der Erde o z.B.: für das Überleben von Wassertieren, da sie sonst vom sinkenden Eisplatten erdrück würden. Wasser 9 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Wasser ??? Warum ist es nun so? 10 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser gasförmig flüssig fest Wasser 11 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Eigenschaften von Wasser Natürlich vorkommendes Wasser ist nie chemisch rein: Regenwasser enthält mitgerissenen Staub und gelöste Gase (aus der Atmosphäre) (O2, CO2, …) Regenwasser versickert im Boden und löst dort Salze (z.B.: Na- und K-Salze) Durch das gelöste CO2 können auch wasserunlösliche sekundäre Erdalkalikarbonate in wasserlösliche primäre überführt werden. Wasser Überführungsreaktion: CaCO3 + H2O + CO2  Ca(HCO3)2 sek. Karbonat prim. Karbonat Daher enthält Quellwasser (Mineralwasser) gelöste Salze und dementsprechend Ionen: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, … Von technischer Bedeutung sind die Ca- und Mg- Salze, da diese beim Erhitzen als feste sek. Karbonate ausfallen (Kesselstein, Verkalken von Haushaltsgeräten, …) 12 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Die Summe aller Ca- und Mg-Salze wird als Härte des Wassers bezeichnet Die Härte des Wassers wird – normgerecht – in mmol Ca2+ bzw. mmol Mg2+/l angegeben. In der Praxis wird jedoch noch immer die alte Einheit der „deutschen Härtegrade“ verwendet: 1°dH = 10 mg CaO/l Wasser Enthärtung des Wassers Hartes Wasser bildet beim Erhitzen unlösliche sek. Karbonate Ca(HCO3)2  CaCO3 ↓ + CO2 + H2O Daher sind diese sek. Karbonatbildner aus dem Wasser zu entfernen 13 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Die Enthärtung kann auf verschiedene Wege erfolgen: Durch Kochen und anschließendem Filtrieren Durch Zugabe von Fällungsmittel oder Komplexierungsmittel. Die Härte wird durch eine chemische Reaktion ausgefällt oder durch die Komplexbildung wird ein Ausfallen bei einer höheren Temperatur verhindert Destillation (sehr teuer und kompliziert!) Wasser Durch Ionenaustausch (häufige Anwendung) Ionenaustauscher sind hochmolekulare Kunststoffe, die besonders reaktionsfähige Stellen (sogenannte funktionelle Gruppen) besitzen. An diesen Stellen können Kationen oder Anionen (abhängig vom Aufbau des Ionentauschers) angelagert und wieder abgegeben werden Je nach Art wird in Kationentauscher und Anionentauscher unterteilt. 14 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Beispiel für den Aufbau der funktionellen Gruppen: Wasser Der Austauschder Gegen-Ionen an den reaktiven Stellen des Austauschermaterials ist im Grund eine chemische Gleichgewichtsreaktion und gehorcht dem Prinzip des kleinsten Zwangs. Z.B.: Kationentauscher mit Gegen-Ion: Natrium 15 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Enthält die Lösung sehr viel Ca2+/Mg2+-Ionen, so werden vom Ionentauscher bevorzugt diese Ionen gebunden und Na+-Ionen in die Umgebungslösung abgegeben. Sind alle aktiven Stellen des Ionentauschers mit den Ca2+/Mg2+-Ionen besetzt, ist der Ionentauscher erschöpft, d.h. er hat seine Kapazität erreicht Kapazität wird in mol/l angegebene Wasser Wird umgekehrt eine konzentrierte NaCl-Lösung über den Ionentauscher geleitet, so kann er wiederum seine ursprüngliche Form annehmen (Na+-Ionen an den aktiven Stellen). Dieser Vorgang wird auch Regeneration des Ionentauschers genannt. 16 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Die gleichen Vorgänge können auch für Anionentauscher formuliert werden. Hierbei werden statt den Kationen Anionen ausgetauscht. Regeneration von Anionentauscher mit bspw. verdünnter Natronlauge oder wässriger Kochsalzlösung. Wasser Wird nun hartes Wasser (H2O mit gelösten Ca(HCO3)2) hintereinander durch einen Kationentauscher (H+-Form) und dann durch einen Anionentauscher (OH--Form) geschickt, so wird das Ca2+ gegen 2 H+ und die 2 HCO3- gegen 2 OH- getauscht. Dabei kann aus H+ und OH- H2O gebildet werden. In Summe wurde gegen 1 Mol Ca(HCO3)2 2 Mol H2O ausgetauscht. Hier spricht man von deionisiertem H2O (Deionat) 17 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasser Deionisiertes Wasser Beispiel: Entsalzung Wasser Verwendung von Wasser Lebensmittel o Wasser ist für das Leben essentiell, d.h. ein Mensch kann ohne Wasser knapp 3 Tage am Leben bleiben … Lösungsmittel o Wasser ist das am häufigste verwendete Lösungsmittel (siehe Praktikum) Rohstoff für die Herstellung von verschiedenen chemischen Produkten (unter anderem H2) 18