ACTe Anorganische Chemie und Technologie - Past Paper PDF

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Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Anorganische Chemie und Technologie Kolleg für Berufstätige (Abendschule) Sauerstoff SAUERSTOFF O2 1 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Sauerstoff Sauerstoff - Gefahrenkennzeichnung 2 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Vorkommen: Etwa ⅕ der atmosphärischen Lu besteht aus elementarem Sauerstoff o Stickstoff N2 78,08% o Sauerstoff O2 20,95% o Edelgase 0,93% o CO2 0,03% o restliche Gase Sauerstoff Vorkommen: Sauerstoff ist auch ein wichtiger Bestandteil vieler chemischer Verbindungen Rund 50% der Masse der Erdrinde besteht aus Sauerstoff o z.B.: Wasser, Oxide, Silikate, Carbonate, … organische Verbindungen (Zucker, Stärke, Säuren, …) Dieser Sauerstoff wird auch als gebundener Sauerstoff bezeichnet. 3 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Herstellung im Labor: Erhitzen (thermische Zerlegung) von sauerstoffhaltigen Verbindungen o Aus Metalloxiden: 2 HgO  2 Hg + O2 o Salze von Sauerstoffsäuren: 2 KNO3  2 KNO2 + O2 o Wasserstoffperoxid (H2O2) und Peroxiden: 2 H2O2  2 H2O + O2 Sauerstoff Herstellung im Labor: Elektrolyse von Wasser Zerlegung mit Hoffmann‘schen Zersetzungsapparat (vgl. Wasserstoff) Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser 4 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Technische Gewinnung von Sauerstoff Fraktionierende Destillation von verflüssigter Luft (auch als Luftzerlegung bezeichnet) 2 Stufen Linde-Verfahren zur Verflüssigung der Luft Fraktionierende Destillation Sauerstoff Lindeverfahren zur Luftverflüssigung Ein reales Gas kann prinzipiell auf zwei Wegen verflüssigt werden: o Abkühlung des Gases unterhalb des Siedepunktes (=Kondensation des Gases) o Verdichtung (Komprimieren) des Gases auf einen bestimmten Druck  Betrachtung des Phasendiagramms (p-T-Diagramm) 5 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Für den zweiten Weg (Komprimieren) ist jedoch zu beachten, dass oberhalb einer bestimmten, für das jeweilige Gas(gemisch) charakteristischen Temperatur, eine Verflüssigung durch Komprimieren nicht möglich ist. Man nennt diese Temperatur T auch die kritische Temperatur Tkrit des jeweiligen Gases Für die Luft beträgt diese kritische Temperatur minus 118°C, d.h. erst wenn die Luft unter minus 118°C abgekühlt wird, kann man durch sie durch Kompression verflüssigen Sauerstoff Wiederholung: Phasendiagramm (p-T) allgemein 6 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Zur Erzeugung derart tiefer Temperaturen wird eine Eigenschaft von Gasen ausgenutzt, die auch als „Joule Thomson Effekt“ bezeichnet wird: Ein hoch komprimiertes Gas kühlt sich beim Entspannen durch ein Drosselventil erheblich ab. oder anders (vice versa) Ein Gas erwärmt sich stark, wenn es verdichtet wird. Sauerstoff Beim Lindeverfahren wird nun dieser Joule- Thomson-Effekt ausgenutzt: Ein Kompressor verdichtet Luft auf etwa 200 bar. Eine anschließende Kühlung mit bereits sehr kalter Luft sorgt für die nötige Abkühlung der entstandenen Kompressionswärme. Hinter dem Drosselventil entspannt sich das Gas und es kühlt sich weiter ab. Diese kühle Luft wird nun im Gegenstrom an der komprimierten Luft vorbeigeführt und gelangt wieder in den Kompressor. Der Vorgang wiederholt sich! 7 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Nach ca. 20-30 Durchläufen ist die Luft so weit abgekühlt, dass die Verflüssigung eintritt (Temperatur von rund minus 195°C) Links eine vereinfachte schematische Darstellung des Linde-Verfahrens Sauerstoff Die so erhaltene flüssige Luft wird nun einer fraktionellen Destillation unterworfen. Unter Destillation im allgemeinen Sinn versteht man das Verdampfen von Flüssigkeitsgemengen, der Kondensation des Dampfes und der Abtrennung des Kondensates (=Destillat) Besitzen beide zu trennende Flüssigkeiten einen stark unterschiedlichen Siedepunkt, so kommt es bei der Destillation zu einer teilweisen bis vollständigen Trennung der beiden Komponenten. 8 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Dabei gilt, beim Verdampfen reichert sich die leichter flüchtige Komponente des Gemenges in der Dampfphase an, in der Flüssigkeit nimmt die Konzentration der Komponente mit dem höheren Siedepunkt zu. D.h. die siedende Flüssigkeit und der daraus entstandene Dampf haben eine unterschiedliche Zusammensetzung. Dieser Vorgang lässt sich anhand eines Siedediagramms übersichtlich darstellen (x-T- Diagramm) Sauerstoff Allgemeines Siedediagramm (x-T-Diagramm) 9 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Allgemeines Siedediagramm (x-T-Diagramm) Zusammensetzung der flüssigen Phase (vor dem Verdampfen) Sauerstoff Allgemeines Siedediagramm (x-T-Diagramm) Erhöhung der Temperatur bis zum Siedepunkt (flüssig-gasförmig) Zusammensetzung der flüssigen Phase (vor dem Verdampfen) 10 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Allgemeines Siedediagramm (x-T-Diagramm) Die dabei entstehende Gasphase wird wieder kondensiert (gasförmig  flüssig) Erhöhung der Temperatur bis zum Siedepunkt (flüssig  gasförmig) Zusammensetzung der flüssigen Phase (vor dem Verdampfen) Sauerstoff Allgemeines Siedediagramm (x-T-Diagramm) Die dabei entstehende Gasphase wird wieder kondensiert (gasförmig  flüssig)  Zusammensetzung der neuen flüssigen Phase Die dabei entstehende Gasphase wird wieder kondensiert (gasförmig  flüssig) Erhöhung der Temperatur bis zum Siedepunkt (flüssig  gasförmig) Zusammensetzung der flüssigen Phase (vor dem Verdampfen) 11 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff x-T-Diagramm von Luft (Sauerstoff/Stickstoff) Sauerstoff In der flüssigen Luft sind großteils nun Sauerstoff und Stickstoff vorhanden o Reiner Sauerstoff siedet bei -183°C o Reiner Stickstoff siedet bei -196°C o Stickstoff ist also die leichter flüchtige Komponente, d.h. siedet bei einer tieferen Temperatur 12 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Je nach Zusammensetzung des zu verdampfenden Gemenges ergibt sich ein anderer Siedepunkt. Werden für alle möglichen Zusammensetzungen die Siedepunkte aufgetragen, so erhält man die sogenannte Siedekurve. Würde man nun für jede Siedetemperatur den entstehenden Dampf kondensieren und die Zusammensetzung des Kondensats bestimmen, so erhält man eine 2. Kurve (die sogenannte Taukurve) Sauerstoff  z.B.: Ein Gemenge aus 80% O2 und 20% N2 siedet bei -188°C (Punkt A3). Die Analyse des dabei entstehenden Dampfes nach der Kondensation ergibt jedoch 40% O2 und 60% N2 (Punkt B3). d.h. die Konzentration der leichter flüchtigen Komponente hat im Kondensat stark zu Lasten der schwerer flüchtigen Komponente zugenommen! 13 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Bei der Destillation von Luft startet man mit einem Gemisch aus 80% N2 und 20% O2 mit einem Siedepunkt von -195°C Die Zusammensetzung des Dampfes nach der Kondensation liegt bei 4% O2 und 96% N2. Daher erreicht man nach „einmaliger“ Destillation bereits Stickstoff mit einer Reinheit von 96% bzw. wird dieser aus der flüssigen Luft entfernt. Nach einer zweiten Destillation würde der Dampf lt. Siedediagramm eine Reinheit von 99% aufweisen. Sauerstoff Wird dieser Vorgang nun oft genug durchgeführt, so wird praktisch reiner Stickstoff und reiner Sauerstoff hergestellt. Technisch erfolgt dieses wiederholte Verdampfen und Kondensieren nicht in verschiedenen Apparaturen, sondern mit Hilfe einer sogenannten Rektifikations-Kolonne (Gegenstrom-Destillation). Durch Hilfe dieser Kolonnen können Gemische in Einzelkomponente verschiedener Siedepunkte getrennt werden. 14 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Glockenboden bei der Rektifikations-Kolonne  Glockenhals  Überlauf (Begrenzung des Flüssigkeitspegels im jeweiligen Boden)  Glockendeckel mit Verschraubungen Sauerstoff Rektifikations-Kolonnen-Ausschnitt Einzelne Böden mit einer konstanten Temperatur Temperatur nimmt nach unten hin zu 15 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Bei der Destillation der Luft wird diese mit etwa 20K in das System eingespeist und danach in die einzelnen Bestandteile (Stickstoff und Sauerstoff + Edelgase, CO2) zerlegt. Sauerstoff Der so gewonnene Sauerstoff wird (meistens) in Stahlflaschen unter einem Druck von 200bar abgefüllt und kommt so in den Handel. 16 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Gewinnung von Sauerstoff in der Natur Photosynthese Herstellung von Sauerstoff aus CO2 und Wasser bei der biochemischen Synthese von Zucker unter Sonnenlicht 6 CO2 + 6 H2O + Sonnenlicht  C6H12O6 + O2 (vereinfachte Gleichung!!) Sauerstoff Weltweit wird durch Photosynthese pro Jahr in etwa 300 Milliarden Tonnen Sauerstoff freigesetzt bzw. durch Pflanzen produziert Ein Baum mittlerer Größe allein erzeugt über die Biosynthese ca. 15g Sauerstoff täglich Bei der Photosynthese wird auch das Kohlendioxid aus der Luft „entfernt“  Ohne Photosynthese kein Leben auf der Erde 17 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff EIGENSCHAFTEN Sauerstoff Eigenschaften Sauerstoff ist ein farbloses und geruchloses Gas Siedepunkt: -183°C Schmelzpunkt: -219°C Atommasse: 15,999 u Elektronenkonfiguration: 1s2 2s2 2p4 (oder [He] 2s2 2p4) Elektronegativität: 3,44 (Pauling Skala) Oxidationsstufen: -2 (häufigste in Verbindungen), -1, 0, +1, +2 18 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Eigenschaften Dichte: 1,429 kg/m3 (bei 0°C) Wärmeleitfähigkeit: 0,02658 W/(m*K) 3 stabile Isotope: 16O, 17O, 18O Liegt als zweiatomiges O2-Molekül vor (Ausnahme Ozon: O3) Sauerstoff Paramagnetismus von Sauerstoff Paramagnetische Verbindungen/Moleküle sind solange magnetisch, solange sie sich in der Nähe/in einem Magnetfeld befinden. Paramagnetische Materialien haben die Tendenz, in ein Magnetfeld gezogen zu werden. Im Vergleich dazu ist der Ferromagnetismus ständig vorhanden, bspw.: Eisen. 19 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Eine Erklärung für den – bei Nichtmetallen untypischen Paramagnetismus – ist die spezielle Besetzung der Energieniveaus der Molekülorbitale des Sauerstoffs Quantenmechanische Beschreibung über den Spin: o Der Spin des Elektrons besitzt ein magnetisches Moment und erzeugt so ein Feld, das makroskopisch nicht in Erscheinung tritt. Erst durch ein äußeres Feld wird auf atomarer Ebene ein magnetischer Dipol induziert  Magnetismus Sauerstoff Die Sauerstoff-Zustände der Spins Triplett-Sauerstoff ist die stabile Form und die Auffüllung der MO erfolgt nach der Hundschen Regel Singulett-Sauerstoff (= 1O2) kann in zwei unterschiedlichen angeregten Zuständen vorkommen. Hierbei werden die MO entgegen der Hundschen Regel aufgefüllt. Daher wird mehr Energie benötigt und die Zustände sind zeitlich begrenzt stabil 20 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Sauerstoff Bildung der angeregten Singulett-Zustände kann photochemisch aus dem Triplett-Zustand erfolgen. Ebenfalls ist eine Gewinnung bei der Reaktion von bspw. Wasserstoffperoxid und Natriumhypochlorit möglich Das Vorhandensein von Singulett-Sauerstoff gibt dem Sauerstoff im flüssigen Zustand eine „blaue Farbe“ (Absorption im roten Spektralbereich) Durch photochemische Reaktionen reagiert der Singulett-Sauerstoff zu Triplett-Sauerstoff 21 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Lumineszenz des O2-Singulett-Zustands Experiment: In einem der beiden BG werden 20 g NaOH in 140 mL Wasser gelöst; in das andere füllt man 30 mL 30prozentige H2O2-Lösung. Beide BG werden im Eisbad gekühlt. Eine Gaswaschflasche wird am Stativ befestigt und die beiden gut gekühlten Lösungen eingefüllt. In die Reaktionslösung leiten wir nun durch die Schlauchverbindungen einen starken Chlorgasstrom. Sauerstoff Lumineszenz des O2-Singulett-Zustands 22 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Lumineszenz des O2-Singulett-Zustands Was passiert? Aus Chlorgas entsteht in einer alkalischen Wasserstoffperoxidlösung zunächst Hypochlorit (Reaktion 1). Das Hypochlorit-Ion reagiert nun höchstwahrscheinlich mit dem Wasserstoffperoxid zum Chlorperoxid-Ion (Reaktion 2), welches unter Abspaltung von Chlorid Sauerstoff freisetzt (Reaktion 3). Dieser Sauerstoff liegt im angeregten Singulettzustand und nicht im Triplettzustand vor. Der Grundzustand des Sauerstoffs ist der Triplettzustand. Sauerstoff Lumineszenz des O2-Singulett-Zustands 1. Cl2 + 2 OH-  OCl- + Cl- + H2O 2. H2O2 + OCl-  ClOO- + H2O 3. ClOO- + 1O2 + Cl- 23 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Lumineszenz des O2-Singulett-Zustands Im Falle des Triplettzustandes besitzen die beiden antibindenden π*-Elektronen den gleichen Spin; im Falle des Singulettzustandes weisen sie einen entgegengesetzten Spin auf. Der Singulettzustand tritt seinerseits in zwei energetisch unterschiedlichen Formen auf: Im energieärmeren Zustand besetzen die beiden entgegengesetzt gerichteten π*-Elektronen als Paar ein π*-Molekülorbital; im energiereicheren Zustand dagegen einzeln jedes der beiden π*- Molekülorbitale. Sauerstoff Lumineszenz des O2-Singulett-Zustands Der energiereichere Singulettzustand ist sehr kurzlebig, weshalb der Sauerstoff sofort unter Energieabgabe in den energiearmen Zustand übergeht. Singulettsauerstoff kehrt schnell wieder in den Triplett-Grundzustand zurück, wobei Energie in Form roten Lichts abgegeben wird. Die Umwandlung vom Grund- in den angeregten Singulettzustand kann beim Sauerstoff auch durch Sonnenlicht und geeignete Farbstoffmoleküle erfolgen. Singulettsauerstoff zerstört Farben, bleicht Kunststoffe und bringt Lacküberzüge zum Abblättern. 24 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Bei einer Temperatur von -183°C unter Normaldruck wird Sauerstoff flüssig. 3D p, T, V-Phasendiagramm 2D p, T-Phasendiagramm Sauerstoff Flüssiger Sauerstoff 25 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Sauerstoff-Verflüssigung Sauerstoff Wasserlöslichkeit von Sauerstoff Sauerstoff löst sich nur in geringen Mengen in Wasser (bei 0°C und 1 bar löst sich ca. 14 mg je Liter Wasser) Die Löslichkeit nimmt mit steigender Temperatur schnell ab: bei 20°C sind es nur mehr 9 mg/l Diese Löslichkeit ist aber notwendig und die Voraussetzung für das Leben im Wasser (Sauerstoffversorgung der Tiere im Wasser) 26 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Reaktionsverhalten von Sauerstoff Sauerstoff ist gegenüber anderen Elementen sehr reaktionsfähig und verbindet sich meist direkt mit ihnen zu sogenannten Oxiden: S + O2  SO2 C + O2  CO2 4 Fe + 3 O2  2 Fe2O3 Dabei wirkt Sauerstoff als Oxidationsmittel (d.h. wird selbst Reduziert: OxZ: 0  OxZ: -2 Sauerstoff Die dabei entstehenden Oxide können nach deren Reaktion mit Wasser unterschieden werden: Säurebildende Oxide (Elemente rechts im PSE (Nichtmetalle))  Reagieren mit Wasser zur entsprechenden Säure: SO3 + H2O  H2SO4 27 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Basenbildende Oxide (Elemente links im PSE (Metalle))  Reagieren mit Wasser zur entsprechenden Base: Na2O + H2O  2 NaOH Sauerstoff Amphotere Oxide (Elemente in der Mitte des PSE)  Reagieren mit Wasser meistens gar nicht! Mit Laugen können Sie Anionen bilden, mit Säuren bilden sie entsprechende Kationen: Bsp.: mit Lauge: Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O  2 Na[Al(OH)4] Bsp.: mit Säure: Al2O3 + 6 HCl  2 AlCl3 + 3 H2O 28 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Aufgrund seine starken Oxidationsvermögens kann Sauerstoff brandfördernd bzw. brandverstärkend wirken. Bildung von Oxiden bei der Verbrennung von Metallen Bildung von Kohlendioxid bei der Verbrennung von Kohlenstoff Sauerstoff Sauerstoff kann auch heiße (brennbare) Materialien entzünden 29 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Flüssiger Sauerstoff kann als „Brandverstärker“ wirken Sauerstoff Flüssiger Sauerstoff kann als „Brandverstärker“ wirken Durch den aufgenommenen Sauerstoff (fl., wird von der Zigarre aufgesaugt) erreicht man beim Verbrennen dieser Temperaturen, die ausreichen um die Aluminiumplatte (Al-Schmelzpunkt liegt bei ca. 660°C) aufzuschmelzen. 30 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Sauerstoff als Brandförderer ??? Was passiert? Schwefel Phosphor Kohlenstoff Sauerstoff Sauerstoff kann auch bewirken, dass sich kleine brennbare Partikel explosionsartig entzünden (=Staubexplosion) Am 6. Februar 1979 kam es in der Bremer Rolandmühle nach Schweißarbeiten zu einer kleinen Mehlstaubexplosion, welche eine verheerende Folge von immer größer werdenden Verpuffungen auslöste. 14 Menschen verloren ihr Leben, 17 wurden schwer verletzt und der Sachschaden betrug umgerechnet 50 Millionen Euro.1 Lycopodium sind die pulverisierten Sporen der Bärlapppflanze. 31 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff VERWENDUNG Sauerstoff Verwendung von Sauerstoff Herstellung von HNO3 (Ostwaldverfahren) Herstellung von H2SO4 (Kontaktverfahren) Oxidation von Ethen zu Ethyloxid Stahlerzeugung nach dem LD-Verfahren Autogenes Schweißen (siehe Wasserstoff) Schwefelgewinnung aus Abgasen oder bei der Erdölraffination (Claus-Verfahren) In der Medizin und in der Lebensmitteltechnik 32 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Herstellung von HNO3 (Ostwaldverfahren) Beim Ostwaldverfahren wird Salpetersäure in einem 3-stufigen Verfahren durch Oxidation von Ammoniak dargestellt. Das Verfahren wurde von Wilhelm Ostwald 1902 entwickelt und patentiert. Sauerstoff 1.Schritt o Verbrennung von Ammoniak (NH3) mit Sauerstoff (O2) in Gegenwart eines Platin-Rhodium-Katalysators bei etwa 800 bis 900°C 4 NH3 (g) + 5 O2 (g)  4 NO (g) + 6 H2O (g) DH=-906kJ/mol o Der Katalysator ist notwendig, da ansonst N2 und N2O gebildet wird! 4 NH3 (g) + 3 O2 (g)  2 N2 (g) + 6 H2O (g) 4 NH3 (g) + 4 O2 (g)  2 N2O (g) + 6 H2O (g) 33 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff 2.Schritt o Absenkung des Stickstoffmonoxids (NO) auf unter 50°C und Mischung mit Luft (Sauerstoff): 2 NO (g) + O2 (g)  2 NO2 (g) DH=-114,2 kJ/mol o Das erhaltene Stickstoffdioxid (NO2) dimerisiert zu Distickstofftetraoxid (N2O4) 2 NO2 (g)  N2O4 (g) DH=-57,2 kJ/mol Sauerstoff 3.Schritt o Im letzten Schritt wird das Stickoxid-Gasgemenge in Rieseltürmen mit Wasser zu Salpetersäure umgesetzt: 2 N2O4 (g) + O2 (g) + 2 H2O (l)  4 HNO3 (aq) o Das als Zwischenprodukt entstehende Stickstoffmonoxid und die Salpetrige Säure wird ebenfalls weiter umgesetzt: N2O4 (g) + 2 H2O (l)  HNO3 (aq) + HNO2 (aq) 3 HNO2 (aq)  HNO3 (aq) + 2 NO (g) + H2O (l) 2 NO (g) + O2 (g)  2 NO2 (g) (Umsetzung wie im 2. Schritt) 34 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Reaktionsmechanismus der einzelnen Schritte Sauerstoff Anlagenübersicht für das Ostwaldverfahren: 35 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Sauerstoff Biologische Bedeutung von Sauerstoff: o Für aerobe Mikroorganismen, Tiere und Menschen! o Energiegewinnung durch Oxidation von Zucker zu CO2 und Wasser (stark exergonischer Vorgang) o Die freiwerdende Energie wird chemisch als ATP gespeichert o Die Art der Energiegewinnung findet in den Mitochondrien der Zelle im Rahmen der sogenannten Atmungskette statt! o  siehe Biochemie Sauerstoff Sauerstoffverbindungen Sauerstoffverbindungen (Oxide, etc.) mit den jeweiligen Elementen (bspw. Metalle) werden wir im Zuge des Semesters kennen lernen! Wasser (H2O)  siehe Wasserstoff Ozon Wasserstoffperoxid 36