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Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie Übungen im Experimentalvortrag Kochsalz Chemie, Eigenschaften und Bedeutung gehalten von: Andrea Bontjer Einleitung "Salz ist unter allen Edelsteinen, die uns die Erde schenkt, der Kostbarste." Justus von Liebig „Auf Gold kann man verzichten, nicht aber auf Salz.“ Cassiodor (röm. Staatsmann, 6. Jh.) Einleitung Kochsalz – das „weiße Gold“ bis ins 19. Jh.: Salz war wertvolles und knappes Gut Städte mit Salzvorkommen: Wohlstand und Macht „Salz“ oder „hall“ (von keltisch hal: Salz) in vielen Ortsnamen: Halle, Bad Reichenhall, Schwäbisch Hall, Salzburg, Hallstatt Salär (Lohn, Gehalt): von salarium (lat.: Salzgeld) Einleitung Kochsalz – das „weiße Gold“ Salzhandel: Salzstraßen in Deutschland: Halle Göttingen Köln Bad Reichenhall München Landsberg Augsburg Internationaler Salzhandel: Mittelmeer Asien, Persien, Arabien Salzkriege: 13. Jh.: Befestigungsanlagen an Salzabbaustätten im Salzkammergut 16. Jh.: Passauer Salzstreit (Salzzoll), Salzkrieg in Perugia (Salzsteuer) 17. Jh.: Salzkrieg Salzburgs gegen Bayern Einleitung Gliederung des Vortrags 1. Was ist Kochsalz? 2. Chemie und Struktur 3. Bedeutung und Verwendung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte 4. Kochsalzgewinnung 5. Funktionen des Kochsalzes im menschlichen Körper 6. Schulrelevanz des Themas 1. Was ist Kochsalz? Was ist Kochsalz? Sprachgebrauch: Kochsalz oder Salz Chemischer Name: Natriumchlorid Summenformel: NaCl 1. Was ist Kochsalz? Versuch 1: Darstellung von Natriumchlorid aus den Elementen Ergebnis: Natrium und Chlor reagieren unter Energieabgabe zu Natriumchlorid 2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s) G < 0 1. Was ist Kochsalz? Born-Haber-Kreisprozess Na+ (g) + Cl-(g) Gitterenergie -787 kJ/mol 496 kJ/mol Ionisierungsenergie Na(g) Sublimationsenthalpie Elektronenaffinität + 108 kJ/mol -349 kJ/mol Cl(g) Halbe Dissoziationsenthalpie 121 kJ/mol Standardbildungsenthalpie Na(s) + ½ Cl2(g) - 411 kJ/mol NaCl(s) 1. Was ist Kochsalz? Bildung eines Ionengitters Freiwerdende Gitterenergie ist für Wärme- und Lichtentwicklung bei der NaCl-Synthese verantwortlich Gitterenergie stabilisiert Ionenkristall Triebkraft der Reaktion ist Bildung stabiler Ionenkristalle und nicht die Tendenz zur Erreichung der Edelgaskonfiguration 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids NaCl bildet Ionengitter mit hoher Anzahl von Ionen Plätze des Gitters: - negativ geladene Chlorid-Ionen - positiv geladene Natrium-Ionen starker Zusammenhalt durch elektrostatische Kräfte (Coulombkraft) Elementarzelle (kubisch-flächenzentriert) Auflösen der Kristallstruktur: hohe Energiebeträge nötig Schmelzpunkt NaCl(s): 800°C 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids jedes Natrium-Ion: von sechs Chlorid-Ionen umgeben jedes Chlorid-Ion: von sechs Natrium-Ionen umgeben Koordinationszahl 6 Kristallgitter unter Berücksichtigung der Ionenradien ClNa+ 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids 2. Chemie und Struktur Lösen von Kochsalz Feste NaCl-Kristalle im Wasser Dissoziation zu Ionen Lösung Na+Cl-(s) H2O Na+(aq) + Cl –(aq) Ionen werden hydratisiert: Anlagerung von Wassermolekülen um die Ionen Hydratationsenthalpie wird frei liefert Energie zum Aufbrechen der Ionenbindung Gitterenergie NaCl: -787 kJ/mol Hydratationsenthalpie Na+-, Cl--Ionen : -787 kJ/mol 2. Chemie und Struktur Demonstration 1: Kristallbildung aus einer gesättigten Kochsalzlösung 2. Chemie und Struktur Versuch 2: Elektrische Leitfähigkeit einer Kochsalzlösung Ergebnis: Entionisiertes Wasser: leitet nicht/ kaum den elektrischen Strom Kochsalzlösung: leitet den elektrischen Strom 2. Chemie und Struktur Leitfähigkeit einer Kochsalzlösung Kochsalzlösung: Ionen liegen hydratisiert in der Lösung vor bewegliche Ladungsträger Ionen (griech.: ion = der Wanderer) wandern zu den Elektroden: Kationen zur Kathode nehmen dort Elektron auf Anionen zur Anode geben dort Elektron ab Elektrische Leitfähigkeit Auch NaCl-Schmelze leitet den elektrischen Strom: Kristallgitter zerstört, Ionen frei beweglich 3. Bedeutung des Kochsalzes Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Vorindustrielle Zeit: Würzen von Speisen Konservieren von Lebensmitteln "Bey dem Einsalzen bestreut man den einzusalzenden Körper mit Salz, welches sich dann in den wässrigen Theilen desselben auflöst und ihn durchdringt, oder man legt ihn in Salzlösung, von der er auf ähnliche Art durchdrungen wird, und dann weit weniger freywilliger Zersetzung unterworfen ist.“ J.C. Leuchs: Lehre der Aufbewahrung und Erhaltung aller Körper, 1820 3. Bedeutung des Kochsalzes Demonstration 2: Osmotische Aktivität von Kochsalz-Lösungen Ergebnis: Das Wasser strömt zu der Lösung höherer Konzentration Konzentrationsausgleich die „Zelle“ verliert Wasser Osmose: einseitig gerichtete Diffusion eines Lösungsmittels durch eine selektiv permeable Membran; abhängig von Konzentration des gelösten Stoffes 3. Bedeutung des Kochsalzes Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Beginn der Industrialisierung: Gewinnung von Natriumsulfat zur Sodaherstellung Herstellung von Seife und Glas „Die Fabrikation der Soda aus gewöhnlichem Kochsalz kann als Grundlage des außerordentlichen Aufschwunges betrachtet werden, welche die moderne Industrie nach allen Richtungen genommen hat.“ Justus von Liebig Historische Synthese: Natriumchlorid Natriumsulfat Natriumcarbonat (Soda) NaCl Na2SO4 Na2CO3 3. Bedeutung des Kochsalzes Versuch 3: Darstellung von Natriumsulfat aus Kochsalz Ergebnis: 2 NaCl(s) + H2SO4(konz.) Na2SO4(solv) + 2 HCl(g) Verfahren wurde von Johann Rudolf Glauber (1604-1670) entwickelt. 3. Bedeutung des Kochsalzes Synthese von Soda aus Natriumsulfat Leblanc-Verfahren: 1790 von Nicolas Leblanc entwickelt Natriumsulfat, Kalk und Kohle: Na2SO4(s) + CaCO3(s) + 2 C(s) Na2CO3(s) + CaS(s) + 2 CO2(g) Problem: hoher Energieverbrauch und Calciumsulfid als Abfallprodukt Verfahren wird heute nicht mehr angewandt 3. Bedeutung des Kochsalzes Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Aktuell: Speisesalz Medizin (physiologische Kochsalzlösung, 0,9%ig) Wasserenthärtung (Ionenaustauscher) Streusalz Darstellung von Soda und Natriumhydrogencarbonat Darstellung von Chlor und Natronlauge 3. Bedeutung des Kochsalzes Bedeutung des Kochsalzes als Rohstoff Farbstoffe Glas Desinfektionsmittel Wasseraufbereitung Soda Chlor Wasch- und Reinigungsmittel Kunststoffe Lösungsmittel Feuerlöschpulver Backpulver Reinigungsmittel Seife Natriumbikarbonat Tierfutter Natronlauge Papier 3. Bedeutung des Kochsalzes Soda-Darstellung nach dem Solvay-Verfahren Einleiten von Ammoniak und Kohlendioxid in Sole: NaCl(aq) + H2O + NH3(g) + CO2(g) NaHCO3(aq) + NH4Cl(aq ) Erhitzen auf 200°C: 2 NaHCO3(s) Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g) 3. Bedeutung des Kochsalzes Darstellung von Chlor und Natronlauge Elektrolyse von wässriger NaCl-Lösung Gesamtgleichung: 2 NaCl(aq) + 2 H2O 2 NaOH(aq) + H2(g) + Cl2(g) H = + 224 kJ/mol NaOH Verfahren: • Amalgamverfahren • Diaphragmaverfahren • Membranverfahren 3. Bedeutung des Kochsalzes Versuch 4: Darstellung von Chlor und Natronlauge durch Elektrolyse Ergebnisse: 2 H2O H3O+(aq) + OH-(aq) Kathode (Eisenelektrode): 2 H3O+(aq) + 2 e- H2(g) +2 H2O Anode (Kohleelektrode): 2 Cl-(aq) Cl2(g) + 2 eNatrium-Abscheidung? Nein: Abscheidungsspannung zu hoch. 3. Bedeutung des Kochsalzes Amalgamverfahren Quecksilberelektrode Abscheidung von Natrium, das sich im Quecksilber löst (Amalgam) Natrium reagiert mit hochreinem Wasser Natronlauge 2 Na(s) + 2 H2O 2 NaOH(aq) + H2(g) Vorteil: reine, 50%ige Natronlauge Nachteil: Quecksilber-Einsatz 3. Bedeutung des Kochsalzes Diaphragmaverfahren Ionendurchlässige Membran aus Keramik oder Asbest Kathode: Wasserstoffentwicklung Anode: Chlorgasentwicklung Vorteil: kein Quecksilber Nachteile: - nur 5%ige Natronlauge, mit NaCl verunreinigt - Asbest 3. Bedeutung des Kochsalzes Membranverfahren Kationenaustauschermembran auf Teflonbasis Vorteile: - reine Natronlauge (ohne NaCl-Verunreinigung) - asbestfreie Membran, kein Quecksilber - geringerer Energieverbrauch Nachteil: - Membran muss öfters ausgetauscht werden 4. Kochsalzgewinnung Gewinnung von Kochsalz Das Salzwasser der Meere ist Ursprung aller Salzvorkommen. Meerwasser enthält 3,5% Kochsalz. Meersalz Steinsalz Siedesalz 4. Kochsalzgewinnung Demonstration 3: Verschiedene Kochsalzsorten 4. Kochsalzgewinnung Gewinnung von Kochsalz • jährliche Produktion weltweit: ca. 215 Mio. t • in Deutschland: ca. 15 Mio. t (90% Steinsalz, 10% Siedesalz) • geringster Teil wird als Speisesalz verwendet (440.000 t) • größter Teil als Industriesalz (Elektrolyse) • Vorräte in deutschen Salzlagerstätten praktisch unbegrenzt Industriesalz 80% Auftausalz 12% Speisesalz 3% Gewerbesalz 5% 4. Kochsalzgewinnung Meersalz Meerwasser enthält 3,5% Kochsalz, welches bei Verdunstung des Wassers auskristallisiert Meeressalinen, Salzgärten Wasser gelangt durch Tidenhub oder Pumpen in Becken Anteil an Meersalz an der Weltproduktion: 30% Saline in Italien Saline auf Mauritius 4. Kochsalzgewinnung Steinsalz entstand vor 100-200 Mio. Jahren durch Verdunstung der Meere Salzschichten wurden von verschiedenen Erd- und Gesteinsschichten überlagert Salz in 70–1000 m Tiefe 4. Kochsalzgewinnung Steinsalz Abbau des Steinsalzes: Untertage nach dem Kammerverfahren 4. Kochsalzgewinnung Siedesalz Auflösen von Steinsalz konzentrierte Sole Abtrennen von Begleitsalzen, Eindampfen, Trocknen Siedesalz Bohrlochsolung 4. Kochsalzgewinnung Aufbereitung des Salzes Reinigung Zusatz von Stoffen: Kaliumiodat jodiertes Speisesalz Kaliumfluorid, Folsäure Natriumnitrit Pökelsalz Natriumferrocyanid (E 535) Rieselhilfe, Antiklumpmittel 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz im menschlichen Körper • 200 g Kochsalz im Körper gespeichert • Geschmackspapillen für „salzig“ • Ausscheidung über Harn und Schweiß Tägliche Aufnahme: 3 g, tatsächliche Aufnahme: 6-10 g 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz im menschlichen Körper Funktionen: Natrium-Ionen: • Regulation des Wasserhaushaltes • Reizleitung in den Zellen (Nerven- und Muskelzellen) • Knochenaufbau Chlorid-Ionen: • Produktion der Magensäure (HCl(aq)) 5. Funktion im menschlichen Körper Versuch 5: Nachweis von Kochsalz in Lebensmitteln Ergebnis: Brot und Wurst enthalten Natrium und Chlorid Nachweis von Natrium-Ionen: gelbe Flammenfärbung einer Methanol-Lösung Nachweis von Chlorid-Ionen: weißer Niederschlag von Silberchlorid Ag+(aq) + Cl-(aq) AgCl(s) 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz in Lebensmitteln Lebensmittel (je 100 g) Salzgehalt Matjeshering 6,3 g Schinken 5,0 g Gouda 2,0 g Bockwurst 1,7 g Brötchen 1,25 g Huhn 0,2 g Reis 0,02 g Joghurt 0,06 g Kartoffeln 0,05 g Feldsalat 0,01 g Apfel 0,002 g 5. Funktion im menschlichen Körper Salz und Bluthochdruck – Der moderne Salzkrieg ? Studien: kein ursächlicher Zusammenhang zwischen Bluthochdruck und Salzkonsum Salzverzicht: geringer Blutdruckabfall bei einigen Hochdruckpatienten andere Risikofaktoren wichtiger 6. Schulrelevanz Schulrelevanz des Themas „Kochsalz“ Hessischer Lehrplan Gymnasium: Jgst. 9: Elementgruppen (Alkalimetalle, Halogene), Salzbegriff, Leitfähigkeit, Elektrolyse fakultativ: Salzlagerstätten, Nachweisreaktionen Jgst. 10: Ionenbildung, Ionenbindung, Ionengitter, Salzbildung, Versalzung von Böden außerschulischer Lernort: Besuch eines Salzbergwerkes oder eines Salzmuseums (Bad Nauheim) 6. Schulrelevanz Schulrelevanz des Themas „Kochsalz“ Fächerübergreifender Unterricht: Biologie: Physiologie, Geschmackssinn, Anpassung von Tieren und Pflanzen an salzreichen Lebensraum Geografie: Bodenversalzung durch Bewässerung, Salzwüsten, Salzstöcke Geschichte: Salzhandel, Salzstraßen, Salzkriege Physik: Salzstock als Lagerstätten für radioaktiven Abfall
