Allgemeine Hinweise zum Experimentieren und Disclaimer beachten!
EINLEITUNG
Sauerstoff ist das häufigste Element auf der gesamten Erde mit 32,4% Massenanteil. Das liegt daran, dass die meisten Metalle als oxidische Erze vorkommen. In unserem Sonnensystem ist es nach Wasserstoff und Helium das dritthäufigste Element - allerdings mit nur 0,8 %.
Sauerstoff kommt dabei als paramagnetischer Triplett-Sauerstoff vor. Es gibt aber noch eine andere, energiereichere Form des Sauerstoffs, den Singulett-Sauerstoff. Dieser ist äußerst kurzlebig (ca. 10-4 Sekunden) und wandelt sich in Triplett Sauerstoff um, wobei rotes Licht emittiert wird.
SCHWIERIGKEITSGRAD
Demonstrationsexperiment - schwer
GERÄTE
500 mL Zweihalskolben, Tropftrichter mit Druckausgleich, Übergangsstück mit Schlaucholive, 250 mL Gaswaschflasche, PVC-Schlauch, Laborstativset, 250 mL Erlenmeyerkolben, 50 mL Erlenmeyerkolben, 50 mL Messzylinder, Waage, Spatel
CHEMIKALIEN
Kaliumpermanganat
30% Wasserstoffperoxid
Natriumhydroxid
konz. 32% Salzsäure
HINWEISE
Für den Versuch muss ein sehr starker Chlorgasstrom erzeugt werden. Arbeiten im Abzug!
DURCHFÜHRUNG
20g Natriumhydroxid werden in einem 250 mL Erlenmeyerkolben mit 140 mL Wasser versetzt und im Kühlschrank (oder alternativ in einem Eisbad) gekühlt. In einen 50 mL Erlenmyerkolben werden 30 mL 30% Wasserstoffperoxid gegeben und ebenfalls gekühlt.
In der Zwischenzeit wird eine Gasentwicklerapparatur wie folgt aufgebaut: In einen 500 mL Zweihalskolben werden 20g Kaliumpermanganat eingewogen und auf den mittleren Hals ein Tropftrichter, der mit 100 mL konz 31% Salzsäure gefüllt ist, aufgesetzt. Auf den Seitenhals kommt ein Übergangsstück mit Schlaucholive. Alle Schliffe werden mit Klemmen gesichert.
Eine 250 mL Gaswaschflasche wird mit einem zweiten Laborstativ gesichert, mit den gut gekühlten Lösungen beschickt und an den Gasentwickler angeschlossen (Unbedingt die korrekte Ausrichtung beachten). Das kurze Rohr der Waschflasche wird mit einem Schlauch versehen, der in den Abzugsschacht mündet, um überschüssiges Chlorgas sicher zu entfernen.
Wird der Hahn des Tropftrichters geöffnet, tropft Salzsäure auf das Kaliumpermanganat und es entsteht Chlorgas. In der Gaswaschflasche kann sofort ein rotes Aufleuchten beobachtet werden (Raum abdunkeln).
ENTSORGUNG
Sämtliche Schliffverbindungen werden geöffnet und die Apparatur über Nacht im Abzug zum Ablüften gelassen. Die Gasentwicklerlösung kommt in den Behälter für anorganische Schwermetallabfälle, der Inhalt der Gaswaschflasche wird mit Salzsäure neutralisiert und verdünnt dem Abwasser zugeführt.
ERKLÄRUNG
Chlor reagiert mit der Natronlauge unter Disproportionierung zu Hypochlorit und Chlorid. Das Hypochlorit wird dann vom Wasserstoffperoxid zum Chlorit oxidiert, welches rasch unter Entwicklung von Singulett-Sauerstoff zerfällt:
Cl2 + 2 OH- -> OCl- + Cl- + H2O
H2O2 + OCl- -> ClOO- + H2O
ClOO- -> 1O2 + Cl-
Doch was ist nun Singulett-Sauerstoff überhaupt? Dazu müssen wir uns das Molekülorbitaldiagramm von Sauerstoff ansehen. Im Grundzustand – dem Triplett-Sauerstoff – sind die Spins der Elektronen in den π* Orbitalen gemäß der Hund’schen Regel parallel ausgerichtet, beim Singulett-Sauerstoff antiparallel.
Der Singulett-Sauerstoff ist daher energiereicher und instabil. Bei der Umwandlung zum Grundzustand wird Energie in Form von rotem Licht abgegeben.
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LITERATUR
Mortimer, C. E.: Chemie – Das Basiswissen der Chemie. 13., korrigierte Auflage. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag. 2019.