Versuch 1

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Verschriftlichung des Experimentalvortrages
von Jan Schäfer
Matr. Nr. 2089483
Fächerkombination: Biologie/Chemie
Semesterzahl: 7
Vortragsthema: Phosphor (AC)
Vortragsdatum: 18.12.08
1
Vorwort ...................................................................................................................................... 3
1. Entdeckung und Herstellung des Phosphors .......................................................................... 4
Versuch 1............................................................................................................................ 4
Herstellung von Phosphor aus Knochenasche nach C. W. Scheele ................................... 4
1.2 Die moderne Phosphorherstellung ................................................................................... 6
2. Phosphor als Heilmittel .......................................................................................................... 7
2.2 Phosphor als Gift .............................................................................................................. 7
Versuch 2............................................................................................................................ 8
Forensik: Probe auf weißen Phosphor nach Mitscherlich .................................................. 8
2.3 Phosphor in Giftgasen ...................................................................................................... 9
2.4 Sarin, Tabun, VX ........................................................................................................... 10
3.1 Die allotropen Phosphormodifikationen ............................................................................ 11
3.2 Weißer Phosphor (1669) ................................................................................................ 11
Versuch 3 .......................................................................................................................... 12
Löslichkeit von weißem Phosphor ................................................................................... 12
Demonstration 1 ............................................................................................................... 13
Chemolumineszenz von weißem Phsophor...................................................................... 13
3.3 Roter Phosphor (1848) ................................................................................................... 14
3.4 Violetter Phosphor (1865) .............................................................................................. 14
3.5 Faseriger Phosphor (2005) ............................................................................................. 15
3.6 Schwarzer Phosphor (1914) ........................................................................................... 15
3.7 Hochdruckmodifikationen .............................................................................................. 15
Versuch 4.......................................................................................................................... 16
Umwandlung der Phosphormodifikationen ..................................................................... 16
4.1 Der Feuerbringer (Phosphor und Streichhölzer) ................................................................ 17
Demonstration 2 ............................................................................................................... 19
Phosphor in Streichhölzern .............................................................................................. 19
4.2 Phosphor und Sauerstoff ................................................................................................ 22
5. Biologische Bedeutung des Phosphors ................................................................................ 22
5.2 Ökologische Bedeutung des Phosphors ......................................................................... 23
5.3 Phosphor ist pyrophor .................................................................................................... 23
Versuch 5.......................................................................................................................... 24
Bellende Hunde ................................................................................................................ 24
6.1 Schulrelevanz ..................................................................................................................... 25
Quellen ..................................................................................................................................... 26
2
Vorwort
Meine Wahl für den AC-Experimentalvortrag fiel auf das Element Phosphor, da es mir zum
damaligen Zeitpunkt als eines der interessantesten erschien. Des Weiteren wurden im
Studium keine Reaktionen mit weißem Phosphor durchgeführt und die Versuche sahen im
Internet und in Büchern so spannend und interessant aus, dass ich sie gerne durchführen
wollte. Durch das Buch Phosphor von John Emsley habe ich viel über die menschliche und
chemische Geschichte und die Bedeutung des Phosphors für die Menschheit gelesen.
Deswegen orientiert sich dieser Experimentalvortrag an der historischen Beziehung des
Menschen zu diesem Element. Anfangs habe ich mich bei der Auswahl der Versuche stark an
alten Experimentalvorträgen orientiert. So wollte ich auch schwarzen Phosphor herstellen.
Doch schon das Auftreiben eines Autoklaven, der genügend Druck erzeugen konnte,
gestaltete sich schwierig und als mir dann auch noch die Verwendung von Argon als
Schutzgas untersagt wurde, habe ich schließlich das Unternehmen schwarzer Phosphor in den
Wind geblasen. Doch auch einige neue Elemente wollte ich einbauen, so die Herstellung von
Streichhölzern. Diese Aufgabe war von vielen Misserfolgen und auch kleineren Unfällen
geprägt. Doch umso größer war die Freude als nach 4 erfolglosen Labortagen die einfachste
Vorschrift schließlich zum Erfolg führte.
Beim Ausarbeiten des Experimentalvortrages in Powerpoint fiel mir sofort auf, dass ich zu
viele Informationen in der kurzen Zeit (45 Min.) unterbringen wollte. Die erste Fassung des
Vortrages beherbergte noch 3 weitere Versuche (1. Umwandlung von weißen in roten
Phosphor mittels Hitze 2. Umwandlung von weißen in roten Phosphor mittels Iod 3. Feuer
unter Wasser (aus Glanzlichter chemischer Experimentierkunst)) und behandelte jede
allotrope Phosphormodifikation mit einer eigenen Folie und Strukturbild. Während des
Probevortrags wurde jedoch schnell klar, dass dies zu viel des Guten war. Der Probevortrag
dauerte fast 65 Minuten. Somit wurden diese Sachen weggelassen, damit der Mensch und das
Element Phosphor wieder im Mittelpunkt des Vortrages standen.
3
1. Entdeckung und Herstellung des Phosphors
Etymologie: Phosphor kommt aus dem gr. für phos (Licht) und phorus (Bringer).
Phosphor wurde 1669 vom Hamburger Alchemisten
Henning Brandt entdeckt. Wie fast alle Alchemisten zu
der Zeit war er auf der Suche nach dem Stein der
Weisen, um Gold herzustellen. Der Herr Doktor Brandt
hatte hunderte Liter des goldenen Strahles (Urin)
eingedampft und die festen Bestandteile unter
Luftabschluss bis zur Rotglut erhitzt. Der Rest in der
Retorte leuchtete im Dunkeln. Brandt war sich sicher,
dass dies der Stein der Weisen war und erzählte sechs
Jahre lang niemanden von seiner Entdeckung. Doch nach
vielen Experimenten war es Brandt leider nicht gelungen Abbildung 1: (Quelle:
Gold herzustellen. Es folgte eine heimlichtuerische http://www.chemie.uni-regensburg.de)
Geschichte von vielen Leuten, die Brand besuchten und ihn nach dem Element fragten.
Schließlich produzierte Brandt Phosphor in geringen Mengen für Show-Alchemisten wie
Kraft, der durch Vorführungen an europäischen Herrscherhöfen sein Geld verdiente. Brandt
wurde durch seine Entdeckung allerdings nicht reich, obwohl Phosphor damals mit Gold
aufgewogen wurde und somit hätte es Brandts Stein der Weisen sein können. Aber Brandt
war ein Mann, der einfach nicht mit Geld umgehen konnte. Schließlich verriet er auch die
Herstellungsmethode an Godfrey und dieser machte nach Brandts Tod ein Vermögen mit der
Herstellung von Phosphor.
1677 wurde Leibniz und Robert Boyle auf Phosphor aufmerksam. Boyle verfasste 1681 und
1682 erste öffentliche Studien über Phosphor. Diese waren nicht mehr in verschleiernder
Sprache verfasst und Boyle beobachtete zum ersten Mal objektiv, ohne mystische
Interpretationen in die Ergebnisse zu legen. Seine Studien wurden in einfacher Sprache
verfasst und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Somit bereitete Robert Boyle den Weg
für die moderne Chemie. Phosphor war das 13. entdeckte Element und das erste nicht
gediegen vorkommende Element.
Im Laufe der Zeit wurden die Phosphor-Herstellungsverfahren immer weiter verbessert und
bald erkannte man den hohen Phosphoranteil im Knochen. C.W. Scheele entdeckte ein sehr
einfaches Herstellungsverfahren, das auch im Labormaßstab durchgeführt werden kann.
Versuch 1
Herstellung von Phosphor aus Knochenasche nach C. W. Scheele
Reaktionsgleichung:
+5
0
+2
0
2 Ca3(PO4)2(s) + 10 Mg(s) → 6 CaO(s) + 10 MgO(s) + P4(g)↑
Zeitbedarf:
Herstellung der Knochenasche aus Rinderknochen: ca. 5 Stunden
4
Herstellung des Gemisches: 5 Minuten
Herstellung des Phosphors aus dem Gemisch: ca. 2 Minuten
Eingesetzte Substanzen:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in
der Schule
Magnesium (Pulver) Mg(s)
Knochenpulver
F
-
2-7/8-43
-
Sek. 1
-
15-17
-
Materialien:
Drahtnetz, Dreifuss, Bunsenbrenner, Waage, schwerschmelzbares Reagenzglas, Stativplatte,
Stativklemme, Doppelmuffe, Trockenschrank, Mörser mit Pistill
Durchführung:
Man besorge sich beim Metzger ein ca. 1 kg schweres Stück Rinderknochen. Dieses Stück
zertrümmere man so weit wie möglich mit einem Hammer und einem Handtuch. Die
Knochensplitter legt man auf ein Drahtnetz. Dieses Drahtnetz wird auf einen Dreifuss gestellt
und die Knochensplitter mit einem Bunsenbrenner erhitzt. Wegen der starken Rauch- und
Gestanksentwicklung, sollte der Versuch nur unter einem gut arbeitenden Abzug durchgeführt
werden. Wichtig bei diesem Vorgang ist die Dauer und die Intensität des Glühvorgangs. Der
Knochen wird mehrere Stunden (mindestens 2-3 Stunden) durchgeglüht, bis er wieder
möglichst weiß erscheint. Zwischendurch wird die Knochenasche im Mörser mit dem Pistill
weiter zerkleinert. Die erhaltene Knochenasche wird im Verhältnis 5:1 mit Magnesiumpulver
gemischt (z.B. 2,5 g Knochenasche mit 0,5 g Magnesium).
Diese Mischung gibt man etwa 2 cm hoch in ein schwerschmelzbares Reagenzglas. Dieses
erhitzt man im Abzug mit dem Bunsenbrenner, bis nach ca. 30 Sekunden das Magnesium zu
reagieren beginnt. Zur besseren Demonstration wird der Raum vor der Reaktion abgedunkelt.
Beobachtung:
Der Knochen entwickelt beim Erhitzen dichten, übel
riechenden Rauch. Der Knochen verfärbt sich zuerst
schwarz und nach längerem Durchglühen wird er
langsam wieder weiß. Nach kurzem Durchglühen lässt
sich der Kochen leicht im Mörser zertrümmern.
Das Magnesium-Kochenasche-Gemisch zündet im
Reagenzglas nach ca. 30 Sekunden.
Im Gemisch glüht das Magnesium orange-rot auf und
in den entstehenden Verbrennungsdämpfen lässt sich
eine grüne Chemolumineszenz beobachten. Nach der
Reaktion verbreitet sich ein charakteristischer
knoblauchartiger Geruch.
Entsorgung:
Die Reste des Knochenasche-Gemisches können in die
Abbildung 2: Chemolumineszenz
des entstehenden weißen Phosphors
aus Knochenasche
5
Feststoffabfall-Tonne gegeben werden. Die Reste des weißen Phosphors an der
Reagenzglaswand werden mit Kupfersulfat-Lösung versetzt und die Lösung mit
Natriumhydrogencarbonat neutralisiert. Die neutrale Lösung wird in die flüssigen
Schwermetallabfälle entsorgt.
Fachliche Analyse:
Die Knochenasche besteht zum größten Teil aus Apatit (Calciumphosphat; Ca3(PO4)2). Das
darin enthaltene Phosphat wird im Laufe der Reaktion von dem Magnesium zu elementarem
Phosphor reduziert.
+5
0
+2
0
2 Ca3(PO4)2(s) + 10 Mg(s) → 6 CaO(s) + 10 MgO(s) + P4(g)↑
Dieser steigt bei diesen hohen Temperaturen als Phosphordampf auf und reagiert sofort mit
dem Luftsauerstoff zu Phosphorpentoxid. Bei dieser Oxidation wird Energie in Form von
grünem Licht frei. Die beobachtete Chemolumineszenz dient direkt als Phosphornachweis.
Der knoblauchartige Geruch wird von Phosphinen oder auch Phosphanen verursacht. Diese
äußerst giftigen Phosphorwasserstoffe (PH3; P2H4;…) entstehen durch eine Säure-BaseReaktion des entstandenen Magnesiumphosphids mit Wasser.
-3
-3
Mg3P2(s) + 6 H2O(l) → 3 Mg(OH)2(s) + 2 PH3(g)↑
1.2 Die moderne Phosphorherstellung
Phosphor wird heut zu Tage im elektrischen
Lichtbogenofen bei 1500°C hergestellt. Dieser
Ofen ist 8 m breit und 6 - 10 m hoch und die
Redoxreaktion findet zwischen zwei 1 m breiten
Kohleelektroden statt. Der Zwischenraum wird
mit Apatiten als Phosphatspender und Silicaten
als Schlackebildner befüllt. Der Kohlenstoff der
Kohleelektroden dient als Reduktionsmittel. Bei Abbildung 3: (Quelle: http://ruby.chemie.unider
Reaktion
im
Lichtbogen
entsteht freiburg.de)
Calciumsilicatschlacke und die Ofengase Kohlenmonoxid und stickstoffanaloges P2-Gas.
Dieses Ofengas wird in ein Fällungsbad aus Wasser geleitet und der weiße Phosphor fällt aus.
Dieser wird zu Stangen gepresst und kommt unter Wasser aufbewahrt in den Handel.
+5
0
+2
0
1542 kJ + Ca3(PO4)2(s) + 3 SiO2(s) + 5 C(s) → 3 CaSiO3(s) + 5 CO(g) ↑ + P2(g) ↑
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es sehr energieintensiv ist. So wird der
Lichtbogenofen mit 60.000 A bei 200 – 600 V betrieben. Ein weiterer Nachteil, sind die
vielen Nebenprodukte die bei der Herstellung anfallen. So fällt pro Tonne weißen Phosphors:
- 7,7 t CaSiO3-Schlacke
- 150 kg Fe2P-Schlacke
- 2500 m3 Ofengas (CO, P4)
6
2. Phosphor als Heilmittel
Nachdem man Phosphor aus dem menschlichen
Urin hergestellt hatte, bemerkte man, dass man
Phosphor auch aus Pflanzenteilen, Fleisch und
auch aus menschlichem Gewebe herstellen
kann. So wies Johann Hensings 1719 hohe
Phosphorkonzentrationen im Gehirn nach.
Daraus schlussfolgerte man in der Zeit, dass das
Gehirn aus viel Phosphor bestehen und somit
müsste Phosphor auch gut für das Gehirn sein. Abbildung 4: (Quelle: John Emsley; Phosphor
Deswegen bedeute Phosphormangel geringere – ein Element auf Leben und Tod, Wiley-VCH,
Intelligenz. Deswegen war es zu der Zeit unter Weinheim 2001)
den Gelehrten üblich, das Wasser zu trinken, in
dem der weiße Phosphor gelagert wurde oder man trank andere verdünnte Phosphorlösungen.
Genauso wurden viele Geisteskrankheiten auf einen Phosphormangel zurückgeführt und
somit war Phosphor lange Zeit als Heilmittel für Epilepsie und Melancholie anerkannt.
Jedoch sind alle diese Ansätze aus heutiger Sicht belustigend, denn Phosphor ist medizinisch
vollkommen nutzlos. Es ist sogar eines der giftigsten Elemente im Periodensystem.
2.2 Phosphor als Gift
Phosphor ist sehr giftig, schon 50 mg (orale Aufnahme) können tödlich sein. Phosphor greift
die Magenwände an, verursacht dadurch starke Magenschmerzen und Bluterbrechen. Sobald
der Phosphor dann ins Blut gelangt zerstört er zuerst die Leber. Der Tod tritt innerhalb von 7
Stunden bis 7 Tagen ein. Als Gegenmaßnahme kann man 0,1 molare Kupfersulfatlösung
trinken. Diese führt durch ihren Geschmack meist zu einem erwünschten Erbrechen. Danach
findet im Magen meist folgende Disproportionierungsreaktion des Phosphors statt, bei der der
Phosphor zu Kupferphosphid und Phosphorsäure reagiert und somit physiologisch
unbedenklicher wird.
0
+2
2 -3
+5
0
P4(s) + 5 CuSO4(s) + 8 H2O → Cu3P2(s) + 2 H3PO4(l) + 2 Cu(s) + 5 H2SO4(l)
Mit phosphorhaltigen Streichhölzern und Rattengift auf Phosphorbasis wurden viele Morde
begangen. Es war jedoch nicht ganz einfach das Gift dem Opfer unterzujubeln, da es sich in
Verbindung mit Wasser durch seinen knoblauchartigen Geruch verriet. Auch
Vergiftungsopfer konnten über diesen Geruch als solche identifiziert werden. Die Forensik
machte sich die Leuchtkraft des Phosphors zu Nutze. So nahm man den Mageninhalt eines
potentiellen Phosphormordopfers und gab diesen in eine Destillationsapparatur mit einem
langen Steigrohr. Im Dunkeln war bei einer Phosphorvergiftung ein leuchtender Ring zu
erkennen.
7
Versuch 2
Forensik: Probe auf weißen Phosphor nach Mitscherlich
Reaktionsgleichung:
0
0
+5 -2
P4(s) + 5 O2(g) → P4O10(s) + h∙ν
Zeitbedarf:
Ca. 3 Minuten
Eingesetzte Substanzen:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in
der Schule
Weißer Phosphor
Wasser
T+, C, F, N
-
1/2-5-26-28-45-61
-
Lehrerversuch
Sek. 1
17-26/28-35-50
-
Materialien:
Stativplatte mit kurzer Gewindestange, 3 Doppelmuffen, 3 Stativklemmen, Keck-Klemme
klein, Heizpilz für 100 mL Rundkolben, 100 mL Rundkolben, Stativring für Heizpilz,
Steigrohr mit Normschliff NS 14,5 (Maßanfertigung des Glasbläsers: Höhe ca. 60cm
Rohrdurchmesser ca. 6 mm), Pinzette
Durchführung:
Für den Experimentalvortrag empfiehlt es sich, den Heizpilz schon 5
Minuten vor Beginn des Experiments anzuschalten, um wertvolle Zeit
bis zum Kochen des Wassers einzusparen. Mit der Spritzflasche füllt
man etwa 30 mL Wasser in den vorgeheizten Rundkolben und gibt mit
einer Pinzette ein etwa linsengroßes Stück weißen Phosphors hinein.
Nun setzt man auf den Rundkolben das Steigrohr und wartet, bis die
Chemolumineszenz zu beobachten ist. Zur besseren Demonstration wird
auch in diesem Fall der Raum abgedunkelt.
Beobachtung:
Das kleine Stückchen des weißen Phosphors beginnt schon nach kurzer
Zeit zu schmelzen und diese Tropfen geschmolzenen Phosphors
leuchten an der Wasseroberfläche schwach grünlich auf.
Sobald das Wasser nach wenigen Minuten zu kochen beginnt, steigt
dieses im Glasrohr auf. In diesem aufsteigenden Wasserdampf kann man
je nach Menge des eingesetzten Phosphors eine grüne
Chemolumineszenz erkennen, die im Steigrohr langsam nach oben
klettert.
Abbildung 5:
Chemolumineszenz des
weißen Phosphors im
Steigrohr
8
Entsorgung:
Der Rundkolben und das Steigrohr werden mit Kupfersulfatlösung versetzt und einige Zeit (12 Tage) stehen gelassen, damit der Phosphor durch die Kupferionen disproportioniert wird.
0
+2
+2 -3
+5
0
P4(s) + 5 CuSO4(s) + 8 H2O → Cu3P2(s) + 2 H3PO4(l) + 2 Cu(s) + 5 H2SO4(l)
Fachliche Analyse:
Bei der Mitscherlich-Probe schmilzt der Phosphor zuerst im warmen Wasser:
50°C
P4(s) → P4(l)
Geschmolzener Phosphor wird vom Wasserdampf mittransportiert:
in H2O
P4(l) → P4(solv) ↑
An der Stelle im Steigrohr, an der das Wasser kondensiert, reagiert der Phosphor mit dem
Luftsauerstoff:
0
0
+5 -2
P4(s) + 5 O2(g) → P4O10(s) + h∙ν
Die in Form von Licht frei werdende Energie dient als
Nachweis von weißem Phosphor.
2.3 Phosphor in Giftgasen
Um 1930 waren viele Forschergruppen damit beschäftigt
Pestizide oder Insektizide herzustellen, um den Feldertrag
zu
erhöhen.
Dabei
setzten
viele
auf
Organophosphonsäureester, da diese ein hohes Potential an
möglichen Giftstoffen aufwiesen. Als Wirkmechanismus
ist
dabei
allen
gemeinsam,
dass
sie
die
Acetylcholinesterase hemmen. Dieses Enzym sorgt in
unseren Synapsen dafür, dass der Botenstoff Acetylcholin
abgebaut wird, damit keine Dauerreizung stattfindet. Wenn
sie gehemmt wird, werden die Acetylcholinrezeptoren
andauernd gereizt und in Folge verkrampfen allmählich
alle Muskeln im Körper. In der nebenstehenden Graphik
ist das Acetylcholin blau, die Acetylcholinesterase gelb und Abbildung 6: (Quelle:
der Kampfstoff rot dargestellt. Die ersten Symptome einer http://de.wikipedia.org/wiki/Sarin)
Vergiftung äußern sich in verengten Pupillen. Daraus
9
resultiert häufig ein Gefühl der Erblindung. Eine weitere Vergiftung führt zum Erbrechen, zu
unkontrollierten Zuckungen und Lähmung sämtlicher Muskeln. Der Tod tritt meist durch
Atemstillstand ein.
Eine auch noch heute bei der Bundeswehr praktizierte Gegenmaßnahme gegen eine solche
Giftgasvergiftung ist die Injektion von Atropin. Dieses Alkaloid aus der Tollkirsche (Atropa
bella-donna) sorgt dafür, dass die Acetylcholinrezeptoren blockiert werden und somit keine
Reizung der Muskeln erfolgt. Es hat also genau die entgegengesetzte Wirkung der Giftgase
und somit weiten sich auch die Pupillen bei Atropineinnahme. (bella-donna = schöne Frau,
weil Frauen sich früher Tollkirschensaft in die Augen träufelten um größere Pupillen zu
bekommen)
Nach langjährigen Forschungen wurden viele neue Giftstoffe gefunden, von denen allerdings
viele nicht in der Landwirtschaft eingesetzt werden konnten, da sie zu giftig waren. Allerdings
als chemische Kampfstoffe erlangten einige traurige Berühmtheit. Deswegen sollen hier 3
Stoffe exemplarisch dargestellt (nicht hergestellt!) werden.
2.4 Sarin, Tabun, VX
Sarin wurde 1939 von dem Chemiekonzern IG-Farben patentiert.
Es handelt sich um eine farblose Flüssigkeit die einen Siedepunkt
von 147 °C besitzt. Trotz des geringen Dampfdruckes genügt
dieser, um Sarin zu einem tödlichen Giftgas zu machen. Vorteile
dieses Stoffes sind seine einfache Handhabung und seine hohe
Toxizität. So würde 1 Esslöffel aus der Luft als feiner Nebel
verteilt ganz Marburg entvölkern.
Abbildung 7:
Strukturformel von Sarin
Tabun wurde 1940 ebenfalls von der IG-Farben patentiert. Es war
leichter herzustellen und giftiger als Sarin. Somit war es eines
der Giftgase das im 2. Weltkrieg am meisten produziert wurde.
Bis 1945 hatte das 3. Reich 12.000 t dieses Giftgases hergestellt.
Diese Menge hätte gereicht um jeden Menschen auf dem Planeten
2000 Mal umzubringen oder anders gesprochen um 12 Billionen
Menschen umzubringen. Das dritte Reich entschloss sich zum Abbildung 8:
Glück jedoch gegen den Einsatz von Tabun, da es die Vergeltung Strukturformel von Tabun
der Alliierten fürchtete.
VX wurde 1962 von amerikanischen Wissenschaftlern hergestellt. Trotz der Versprechen aller
Staaten der vereinten Nationen auf die Herstellung und Anwendung von Giftgasen in
Kriegshandlungen zu verzichten, wurde trotzdem weiter
an ihnen geforscht. VX ist der chemische Kampfstoff mit
der höchsten Toxizität. Er ist so giftig, dass er nicht als
Reinstoff gelagert wird, sondern als 2 Komponenten
Giftgas erst kurz vor der Anwendung zum Giftstoff
reagiert. Er erlangte Bekanntheit in dem Spielfilm „The Abbildung 9: Strukturformel von VX
Rock“ mit Nicolas Cage.
10
Rechts ist eine Tabelle dargestellt,
die die tödlichen Dosen der
beschriebenen Nervengase noch
einmal nach der Art der Aufnahme
zeigt.
Abbildung 10: (Quelle: John Emsley; Phosphor – ein Element
auf Leben und Tod, Wiley-VCH, Weinheim 2001)
3.1 Die allotropen Phosphormodifikationen
Insgesamt sind schon 12 unterschiedliche P-Modifikationen hergestellt worden, von
kristallklar über orange, rot, purpur, braun, grau und schwarz. Im Weiteren soll jedoch nur auf
5 ausgewählte Modifikationen eingegangen werden. Diese sind weißer Phosphor (1669), roter
Phosphor (1848), violetter Phosphor (1865), faseriger Phosphor (2005) und schwarzer
Phosphor (1914) (thermodynamisch stabilste Modifikation).
3.2 Weißer Phosphor (1669)
Weißer Phosphor ist eine wachsweiche, milchig
durchscheinende Substanz. Ihre Dichte beträgt 1.82 g/cm3
und ihr Schmelzpunkt beträgt 44.25 °C. Ihr Siedepunkt
beträgt 280°C.
Seine Struktur besteht aus P4-Tetraeder, in denen der P-P- Abbildung 11: Nahaufnahme eines
Abstand 221 pm beträgt. Der PPP-Winkel beträgt 60°C und Stückes weißen Phosphors
weicht somit stark vom Tetraederwinkel (109,5°) ab. Somit
ist die
Spannungsenergie mit 25 kJ/mol relativ hoch.
Dadurch lässt sich auch die hohe Reaktivität des weißen
Phosphors erklären
Weißer Phosphor ist thermodynamisch instabil aber unter
Normalbedingungen metastabil.
Abbildung 12: Struktur des P4Tetraeders
11
Versuch 3
Löslichkeit von weißem Phosphor
Reaktionsgleichung:
Zeitbedarf:
2 Minuten
Eingesetzte Substanzen:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in
der Schule
Weißer Phosphor
Kohlenstoffdisulfid
T+, C, F, N
T, F
1/2-5-26-28-45-61
1/2-16-33-36/37-45
Lehrerversuch
Lehrerversuch
17-26/28-35-50
11-36/38-48/23-6263
Materialien:
Demonstrationsreagenzgläser, Demoreagenzglasständer, Pinzette
Durchführung:
Man füllt in ein Demonstrationsreagenzglas etwa 3 cm hoch Kohlenstoffdisulfid. Danach holt
man aus dem Vorratsgefäß etwa 3 linsengroße Stückchen weißen Phosphors und gibt sie in
das Demonstrationsreagenzglas.
Beobachtung:
Der weiße Phosphor beginnt an Luft schon nach kurzer Zeit zu rauchen. In
Kohlenstoffdisulfid löst sich der weiße Phosphor innerhalb weniger Sekunden vollständig auf.
Die anfangs klare Lösung ist nach dem Lösungsvorgang trüb und leicht gelb.
Entsorgung:
Die Kohlenstoffdisulfid-Phosphor-Lösung kann entweder in einer feuerfesten Porzellanschale
verbrannt werden, oder man lässt das Kohlenstoffdisulfid in einer Porzellanschale abdamfen
und versetzt die Rückstände mit Kupfersulfatlösung, die man neutral in die flüssigen
Schwermetallabfälle entsorgt.
Fachliche Analyse:
Weißer Phosphor besteht aus vielen kleinen P4-Tetraedern. Phosphor ist sehr unpolar und
somit auch nur in unpolaren Löungsmitteln löslich. In Wasser ist Phosphor fast unlöslich. In
unpolareren Lösungsmitteln wie Toluol oder Diethylether lösen sich schon geringe Mengen
Phsophors aber in Kohlenstoffdisulfid ist er sehr gut löslich. 100 g Kohlenstoffdisulfid sollen
bis zu 1 kg weißen Phosphor lösen1.
1
http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphor aufgerufen am 2.1.09
12
Demonstration 1
Chemolumineszenz von weißem Phsophor
Reaktionsgleichung:
0
0
+3 -2
P4(s) + 3 O2(g) → P4O6(s)
+3
0
+5 -2
P4O6(s) + 2 O2(g) → P4O10(s) + h∙ν
Zeitbedarf:
2 Minuten
Eingesetzte Substanzen:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in der Schule
Weißer Phosphor
Kohlenstoffdisulfid
T+, C, F, N
T, F
1/2-5-26-28-45-61
1/2-16-33-36/37-45
Lehrerversuch
Lehrerversuch
17-26/28-35-50
11-36/38-48/23-6263
Materialien:
Schwarze Pappe, Tesafilm-Klebestreifen, 1 Stück Kreide, Demoreagenzglas, Handschuhe,
Pinzette
Durchführung:
Der Versuch wird als Folgeversuch zu Versuch 3 (Löslichkeit von weißem Phosphor)
durchgeführt. Vor dem Versuch wird ein DIN A4
großes Stück Pappe an einer Tafel mit Hilfe von
Tesafilm-Klebestreifen fixiert. In die in Versuch
3 hergestellte Phosphorlösung taucht man mit
Hilfe der Pinzette die Spitze eines Kreidestückes.
Man fasst das Kreidestück an der nicht
getränkten Seite mit Handschuhen an und
schreibt mit der getränkten Seite etwas Beliebiges
auf
die
schwarze
Pappe.
Da
die
Chemolumineszenz nur von kurzer Dauer ist, Abbildung 13: Chemolumineszenz der
empfiehlt es sich auch hier vorher den Raum phosphorhaltigen Kreideschrift
abzudunkeln, um das Ergebnis besser sehen zu können. Das Kreidestück sollte anschließend
direkt in Kupfersulfatlösung gelagert werden, da es sich nach gewisser Zeit stark erwärmt und
zu rauchen beginnen kann.
13
Beobachtung:
Die Kreide hinterlässt auf der schwarzen Pappe ihren gewohnten Kreidestrich. Dieser beginnt
je nach Konzentration des Phosphors nach 2 Sekunden grün zu leuchten. Das Leuchten
verschwindet allerdings schon nach 10 Sekunden.
Entsorgung:
Das getränkte Kreidestück wird auf einer feuerfesten Unterlage so lange mit dem
Bunsenbrenner durchgeglüht, bis keine grüne Flammenfärbung mehr zu erkennen ist. Danach
können die Kreidereste in die Feststofftonne entsorgt werden.
Fachliche Analyse:
Gesamtreaktion:
0
0
+3 -2
P4(s) + 3 O2(g) → P4O6(s)
+3
0
+5 -2
P4O6(s) + 2 O2(g) → P4O10(s) + h∙ν
Zur Erklärung des grünen Leuchtens gibt es eine von Van Zee und Kahn, Michigan
vorgeschlagene Reaktion:
¼ P4 + ½ O2 + PO → PO* + PO
PO* + PO → (PO)2 → 2 PO + h∙ν
Folgereaktion:
P4O10(s) + 6 H2O(g) → 4 H3PO4(s)
3.3 Roter Phosphor (1848)
Roter Phosphor entsteht aus flüssigem weißem Phosphor oberhalb
von 200 °C. Die Umwandlung wird durch Halogene (z.B. Jod) stark
beschleunigt. Seine Dichte beträgt 2.2 g/cm3 und sein
Sublimationspunkt siegt bei 590 °C.
Abbildung 14: Schale
mit rotem Phosphor
Die Struktur des roten Phosphors ist amorph, sodass die P-Atome ein unregelmäßiges
Netzwerk bilden.
3.4 Violetter Phosphor (1865)
Der violette Phosphor, auch Hittorf‘scher Phosphor
genannt, entsteht durch zweiwöchiges Erhitzen von
weißem Phosphor auf über 550 °C. Er ist rot
durchscheinend und an den Rändern violettstichiger.
Seine Dichte beträgt 2,36 g/cm3 und seine
Sublimationstemperatur beträgt 620 °C. Sie
beschreibt
jedoch
eher
eine
Abbildung 15: Struktur des violetten
Phosphors
14
Depolymerisationstemperatur.
Seine Struktur ist ein Schichtengitter aus fünfeckigen Röhren, in denen der P-P-Abstand 220
pm beträgt. Der PPP-Winkel ist mit 101° dem Tetraederwinkel schon sehr nahe.
3.5 Faseriger Phosphor (2005)
Er entsteht durch langsames Abscheiden von weißem Phosphor aus der Gasphase zwischen
500-600 °C. Er spaltet sich bei mechanischer Belastung in dünne Fasern auf und seine Farbe
gleicht dem violetten Phosphor.
Seine Struktur ist auch ein
Röhrenaufbau in dem die
Bindungsabstände und Winkel
gleich dem violetten Phosphor
sind.
Abbildung 16: Struktur des faserigen Phosphors
3.6 Schwarzer Phosphor (1914)
Er entsteht aus weißem Phosphor bei 200 °C
und 12000 bar oder durch katalytische
Mengen Quecksilbers bei 380 °C für mehrere
Tage im Autoklaven. Es ist thermodynamisch
stabilste Form dessen Dichte 2,69 g/cm3
beträgt. Schwarzer Phosphor leitet den
elektrischen Strom (Halbleiter).
Seine Struktur besteht aus parallel
angeordneten gewellten Doppelschichten. Es Abbildung 17: Struktur des schwarzen Phosphors
handelt sich dabei um kondensierte P6-Ringe
in Sesselkonformation.
3.7 Hochdruckmodifikationen
Bei 110 000 bar entsteht
arsenanaloger Phosphor.
Und bei noch höheren
Drücke entsteht metallischer
Phosphor der die höchste
Dichte hat (3,83 g/cm3). Er
besitzt eine Po-Struktur in
der
jedes
P-Atom
oktaedrisch umgeben ist.
Abbildung 18: Übersichttabelle der Bindungsverhältnisse in
Phosphormodifikationen
15
Versuch 4
Umwandlung der Phosphormodifikationen
Reaktionsgleichung:
Zeitbedarf:
3 Minuten
Eingesetzte Substanzen:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in
der Schule
Roter Phosphor
F, N
2-7-43-61
Sek. 1
11-16-50
Materialien:
Stativplatte, Stativgewindestange, Stativklemme, Reagenzglas, Bunsenbrenner
Durchführung:
Man gibt eine Spatelspitze roten Phosphor in ein Reagenzglas und erhitzt dieses mit dem
Bunsenbrenner. Zur besseren Demonstration empfiehlt es sich, den Raum vorher
abzudunkeln.
Beobachtung:
Schon nach 10 Sekunden lässt sich über dem roten Phosphor ein grünes Leuchten erkennen.
Entsorgung:
Der übrige roter Phosphor wird auf einer feuerfesten Unterlage verbrannt. Die Rückstände auf
der Unterlage werden mit Kupfersulfatlösung versetzt und diese Lösung neutral in die
flüssigen Schwermetallabfälle gegeben.
Fachliche Analyse:
Weißer Phosphor ist die Hochtemperaturmodifikation des Phosphors. Deswegen kann roter
Phosphor durch Erhitzen in weißen überführt werden.
Die Nachfolgende Grafik gibt noch mal einen Überblick über die Umwandlung der
Phosphormodifikationen.
16
Abbildung 19: Übersicht über die Umwandlungsmöglichkeiten der Phosphormodifikationen
4.1 Der Feuerbringer (Phosphor und Streichhölzer)
Zu jeder Zeit Feuer zu machen ist eine der kulturellen Schlüsselfähigkeiten des Menschen.
Schon seit Uhrzeiten verwendet der Mensch dafür den Feuerstein, der auf eine harte
Unterlage (z.B. Eisen) geschlagen wird. Die entstehenden glühenden Splitter wurden zum
Entzünden von Zunder oder anderen leicht brennbaren Materialien verwendet. Doch allzu
häufig haute man sich die Finger blutig, bevor man an einem kalten Morgen Feuer gemacht
hatte. Deswegen kannte man schon im antiken Rom das Schwefelholz. Dessen Kopf musste
morgens nur an eine warme Stelle der Glut gehalten werden und der Schwefel entzündete sich
und ein neues Feuer konnte entzündet werden. Um jedoch auch bei Kälte sicher Feuer zu
machen, wurden unterschiedliche Konzepte von Feuerzeugen und Streichhölzern im Laufe
der Geschichte entwickelt. An dieser Stelle sollen einige ausgewählte Varianten vorgestellt
werden und im Experimentalvortrag werden 3 verschiedene Typen vorgestellt.
Um 1780 wurde das Tunkfeuerzeug auf den Markt gebracht. Dies bestand aus einem Holz in
dessen Kopf sich eine Mischung aus Zucker und Kaliumchlorat befand. Dieses Köpfchen
wurde in ein Gefäß mit konzentrierter Schwefelsäure getunkt. Danach entzündete sich das
Köpfchen an Luft von alleine. Vorteil dieses Feuerzeugs war seine einfache und zuverlässige
Anwendung. Nachteilig war der relativ hohe Preis und die für den Privathaushalt gefährliche
Lagerung der Schwefelsäure.
1786 kam das Taschenfeuerzeug auf den Markt, welches sich zum ersten Mal des Phosphors
bediente. Es bestand aus einer luftdicht verschließbaren Flasche, deren Innenseite mit weißem
Phosphor beschichtet war. Der Feuermacher musste nur ein Schwefelholz mit der Innenseite
der Flasche in Berührung bringen und das Schwefelholz entzündete sich dank des Phosphors
an Luft von selbst. Ähnlich funktionierten auch die von Samuel Jones hergestellten Fuzees.
Diese mit Kaliumnitrat getränkten Pappstreifen wurden auch mit fein verteiltem weißem
Phosphor gezündet. Vorteile dieses Verfahrens waren die Zuverlässigkeit. Starke Nachteile
waren jedoch die Gefährlichkeit der Phosphorflasche und die hohen Kosten, da die Flasche
auch nur einige Male benutzbar war, da der Phosphor nach häufigem Öffnen der Flasche
abreagiert hatte.
17
1825 erfand John Walker das erste richtige Streichholz. Dessen Kopf bestand aus
Kaliumchlorat als Oxidationsmittel und Antimonsulfid als Reduktionsmittel. Dieses wurde an
einer rauen Oberfläche entzündet.
1830 erfand der Franzose Sauria das Congreve-Streichholz. Dieses Streichholz enthielt
neben den oben schon genannten Oxidations und Reduktionsmitteln als Zündmittel weißen
Phosphor. Deswegen war es ein beliebtes Mordmittel. Dieses auch als „Strike-anywhere“
bekannt gewordenes Streichholz kennt man aus vielen Cowboyfilmen. Im Laufe der Zeit
wurde die Menge an weißem Phosphor stark reduziert, da man entdeckt hatte, dass Phosphor
in diesem Streichholz nicht die Rolle des Reduktionsmittels hatte, sondern nur die des
Zündmittels.
1848 wurde zum ersten Mal roter Phosphor hergestellt. Zuerst konnte man mit dieser neuen
Modifikation nicht viel anfangen und so dauerte es sieben Jahre bis der Stockholmer
Professor G. E. Pasch erkannte, dass man den roten Phospor gut als Zündmittel verwenden
konnte. Der Erfolg des neuen Holzes war riesig, da auf den gefährlichen weißen Phosphor
endlich verzichtet werden konnte. Pasch erkannte schließlich auch, dass sich der rote
Phosphor nicht im Zündkopf befinden muss, sondern eine mit geringen Mengen roten
Phosphors behandelte Reibefläche völlig ausreicht, um ein Streichholz zu zünden.
Das moderne Sicherheitsstreichholz war geboren und bis zum heutigen Tag hat sich nichts
Grundlegendes an diesem Prinzip des Feuermachens verändert.
Nach vielen Morden mit Streichhölzern, die noch weißen Phosphor enthielten, wurde 1870
schließlich der weiße Phosphor in allen Zündhölzern verboten.
18
Demonstration 2
Phosphor in Streichhölzern
Reaktionsgleichung:
Zeitbedarf:
Herstellung der Streichhölzer: ca. 4 Stunden
Eingesetzte Substanzen:
a) Herstellung von Fuzees nach Samuel Jones:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in
der Schule
16-41
1/2-5-26-28-45-61
1/2-16-33-36/37-45
Sek. 1
Lehrerversuch
Lehrerversuch
b) Herstellung von Streichhölzern:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in
der Schule
Kaliumchlorat
Roter Phosphor
2-13-16-27
2-7-43-61
Lehrerversuch
Sek. 1
c) Demonstration von Phosphor in Streichhölzern:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in
der Schule
Roter Phosphor
2-7-43-61
Sek. 1
Kaliumnitrat
Weißer Phosphor
Kohlenstoffdisulfid
O
T+, C, F, N
T, F
O, Xn
F, N
F, N
8
17-26/28-35-50
11-36/38-48/23-6263
9-20/22
11-16-50
11-16-50
Materialien:
a) Herstellung von Fuzees nach Samuel Jones:
Pappstreifen (ca. 150 mm x 10 mm x 3 mm), Becherglas, Trockenschrank bei 60 °C
b) Herstellung von Streichhölzern:
Zahnstocher oder andere Holzstäbchen, brennbarer Klebstoff auf Lösungsmittelbasis (z.B
UHU), 2 Uhrgläser, Mörser, Schmirgelpapier mit Holzunterlage, Trockenschrank bei 60 °C
c) Demonstration von Phosphor in Streichhölzern:
Spatel, Schmirgelpapier mit Holzunterlage
Durchführung:
a) Herstellung von Fuzees nach Samuel Jones:
19
Die Pappstreifen werden mit einer Spitze für wenige Sekunden in eine gesättigte
Kaliumnitratlösung getaucht und zum Trocknen in den Trockenschrank bei 60 °C gelegt.
Wenn die Pappstreifen trocken sind, können sie erneut in die Kaliumnitratlöung getaucht
werden, um die Abbrenneigenschaften zu verbessern. Die so hergestellten Fuzees werden
während des Vortrages an der getränkten Spitze mit 2-3 Tropfen einer konzentrierten Lösung
von weißem Phosphor in Kohlenstoffdisulfid (ca. 1-2 g Phosphor in ca. 10 ml
Kohlenstoffdisulfid) beträufelt.
b) Herstellung von Streichhölzern:
In einem sauberen Mörser wird zuerst ca. 1 g
Kaliumchlorat fein zermörsert. Das feine Kaliumchlorat
wird nun auf ein Uhrglas gegeben. Danach wird der
Mörser gut mit heißem Wasser ausgespült und getrocknet.
Danach wird ca. 1 g roter Phosphor im Mörser zermahlen
und dieser ebenfalls auf ein anderes Uhrglas gegeben. Nun
gibt man aus der Klebstofftube einen ca. 1 g schweren
Kleberfleck auf beide Uhrgläser und vermengt den
Klebstoff mit dem jeweiligen Stoff mit Hilfe eines Spatels.
Man nimmt einen trockenen Zahnstocher und tunkt oder Abbildung 20: Herstellung von
dreht dessen Spitze zuerst durch die Kaliumchlorat- Chlorathölzern
Klebstoff-Mischung, sodass ein kleiner runder Tropfen am
Holz
kleben
bleibt.
Danach
kommen
diese
Chlorathölzchen bei 60 °C in den Trockenschrank um den
Kleber zu trocknen. Danach überzieht man die
Chloratspitze mit einem dünnen Film der Roter-PhosphorKlebstoff-Mischung, so dass man einen schön runden
Zündkopf erhält.
Während dem Experimentalvortrag, werden die Hölzer auf
der Reibefläche eines Schmirgelpapiers entzündet. Damit
das Papier nicht beschädigt wird, empfiehlt es sich einen Abbildung 21: Nahaufnahme eines
fertigen Zündkopfes
Holzblock unter das Papier zu legen.
c) Demonstration von Phosphor in Streichhölzern:
Während des Experimentalvortrages wird zuerst versucht ein handelsübliches Streichholz auf
der Reibefläche des Schmirgelpapiers zu zünden, was nicht funktionieren wird. Nun wird mit
Hilfe eines Spatels eine geringe Menge (0,1 g Phosphor reicht völlig aus) roter Phosphor auf
eine Stelle des Schmirgelpapiers aufgetragen und mit dem Spatel leicht angedrückt. Nun wird
erneut versucht, ein normales Streichholz auf der präparierten Stelle zu entzünden.
Beobachtung:
a) Fuzees nach Samuel Jones:
Nach dem Beträufeln des Fuzees mit der Phosphorlösung ist zunächst keine Reaktion zu
beobachten. Das Kohlenstoffdisulfid beginnt langsam zu verdampfen. Nach ca. 30 Sekunden
ist an den beträufelten Stellen eine leichte Rauchentwicklung zu beobachten und schon
Sekunden später entzündet sich der Pappstreifen mit einer hellen orange-lila gefärbten
20
Flamme. Diese Flamme frisst sich relativ schnell durch den Pappstreifen und versiegt nach ca.
10 Sekunden. Die Pappe glimmt noch viele Sekunden nach.
b) Chlorat-Streichhölzer:
Die Chlorat-Streichhölzer entzünden sich meist schon nach dem ersten oder zweiten
Reibeversuch auf dem Schmirgelpapier mit einer starken, nicht ausblasbaren Flamme. Nach 5
Sekunden starken Brennens, beruhigt sich die Verbrennungsreaktion auf das Maß eines
normalen Streichholzes. Das Streichholz brennt ca. 10 Sekunden. Während des
Brennvorgangs sind starke Rauchentwicklung und ein leicht grünes Leuchten auf der
Oberfläche des roten Phosphors zu erkennen.
c) Demonstration von Phosphor in Streichhölzern:
Das handelsübliche Streichholz lässt sich nicht auf der Reibefläche des Schmirgelpapiers
entzünden. Nach dem Behandeln mit rotem Phosphor entzündet sich das Streichholz mit einer
starken Stichflamme und einer starken Rauchentwicklung.
Entsorgung:
Alle Streichholzvarianten werden auf einer feuerfesten Unterlage in einem gut lüftenden
Abzug verbrannt, und die Brandrückstände in die Feststofftonne entsorgt.
Fachliche Analyse:
a)
„Fuzees“ nach Samuel Jones: Der fein verteilte Phosphor entzündet einen in Kaliumnitrat
getränkten Pappstreifen:
P4(s) + 5 O2(g) → P4O10(s) - 2986 kJ/mol
Die frei werdende Energie entzündet die mit Salpeter getränkte Cellulose (nicht
stöchiometrisch):
+5
0
+4
0
+4
KNO3(s) + (CH2O)n → CO2(g) + H2O(g) + N2 + K2CO3(s)
b)
Beim Chloratstreichholz reagiert Chlorat mit dem roten Phosphor:
0
+7
-1
+5
Pn(s) + 5 KClO4(s) → 5 KCl + 4 P2O5
c)
Beim normalen Streichholz wirkt der rote Phosphor nur noch als Zündmittel und nicht mehr
als Reduktionsmittel.
21
4.2 Phosphor und Sauerstoff
Phosphor hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff. Dies resultiert aus der sehr starken P-OBindung, die eine der stärksten chemischen Bindungen überhaupt ist.
So schwierig beide Atome zu trennen sind (Phosphor-Herstellung), so schnell und heftig
vereinen sie sich wieder. Aus diesem Grund kommt Phosphor in der Natur nur als Phosphat
PO43- vor. Es kommt zu 0,1 Gew.-% in der Litho- und Biosphäre vor. Damit ist es das 13.
häufigste Element auf der Erde.
5. Biologische Bedeutung des Phosphors
Phosphor ist für alle Lebewesen essentiell, da schon
unsere DNA ein Poly-Phosphorsäureester ist. Dabei
wirkt jedes Phosphat-Molekül verbindend zwischen den
beiden Ribosen, die die Purin-, und Pyrimidinbasen
tragen. In der rechten Darstellung der DNA sind die
Phosphoratome zur besseren Kenntlichmachung
vergrößert und violett dargestellt.
Doch auch im Energiehaushalt der Zelle spielt Phosphor
eine entscheidende Rolle. Die bei der Hydrolyse von
Polyphosphat frei werdende Energie kann kontrolliert
vom Organismus eingesetzt werden, um Reaktionen die
Energie benötigen zu unterhalten. Deshalb hat der Körper Abbildung 22: Ausschnitt aus der
ATP
(Adenosintriphosphat)
als
universellen DNA
Energiespender entwickelt. Unser Körper
synthetisiert jeden Tag etwa 40 kg dieses
Moleküls. Unsere DNA ist bei näherer
Betrachtung auch nur ein Polymer aus
Adenosinmonophosphat
(AMP)
mit
unterschiedlichen Purin und Pyrimidinbasen.
Abbildung 23: Stabmodell des
Adenosintriphosphats
22
5.2 Ökologische Bedeutung des Phosphors
Phosphor hat als Phosphat eine sehr hohe ökologische
Bedeutung, da landwirtschaftliche Gebiete schnell an Phosphor
verarmen können. Ständig fließen geringe Mengen Phosphat in
die Meere. Da Phosphor keine gasförmige Spezies besitzt, die
von den Meeren wieder auf das Festland gelangt, ist die
Phosphatbilanz insgesamt unausgeglichen. Eine Möglichkeit
besteht in Form von Vogelkot. Deswegen kennt man auch den
Vogelkotdünger Guano als guten Phosphatlieferanten. Somit ist
Phosphor neben Stickstoff häufig der limitierende Faktor in
Ökosystemen. 1855 erkannte dies auch Justus von Liebig.
Deswegen stellte er sein Gesetz des Minimums auf, welches
Abbildung 24: (Quelle:
besagt, dass der Feldertrag von vielen Stoffen abhängt und http://www.landor.ch/img/hol
wenn nur von einem Stoff ein Mangel herrscht, bestimmt zbottich)
dieser den maximalen Ertrag. Aus diesem Grund begann man
in der Mitte des 19. Jahrhunderts Knochenmehl auf den Feldern auszustreuen, um den
Feldertrag zu erhöhen.
5.3 Phosphor ist pyrophor
Etymologie: Von gr. pyr = Feuer und phorein = tragen
Weißer Phosphor entzündet sich schon bei
Raumtemperatur an Luft selbst. Aufgrund dieser
Eigenschaft fand weißer Phosphor Verwendung in 15 kg
Brandbomben im 2 WK. So kam es in Hamburg zu dem
berühmten Feuersturm im Juli 1943 durch
Phosphorbrandbomben
während
der
Operation
Gomorrah. Dabei wurden von den alliierten Bombern
zuerst große Sprengbomben abgeworfen, die die Dächer
der Häuser abdecken sollten. Danach wurden viele kleine
Phosphorbrandbomben abgeworfen. Der flüssige
Phosphor lief in sämtliche Spalten des Gebäudes und
entzündete sich nach einiger Zeit von alleine. Phosphor
ist mit Wasser quasi nicht zu löschen. Denn sobald das
Wasser verdunstet ist, brennt er weiter. Brennender
Phosphor erzeugt dichte weiße Rauchwolken. Diese
Fähigkeit des Phosphors macht man sich noch heute in
Nebelgranaten und Leuchtspurgeschossen zu Nutzte.
Abbildung 25: (Quelle: John Emsley;
Phosphor – ein Element auf Leben
und Tod, Wiley-VCH, Weinheim
2001)
23
Versuch 5
Bellende Hunde
Reaktionsgleichung:
P4(s) + 5 O2(g) → P4O10(s) - 2986 kJ/mol
+4 -2
0
+4
+4
CS2(g) + 3 O2(g) → CO2(g) + 2 SO2(g)
Zeitbedarf:
2 Minuten
Eingesetzte Substanzen:
eingesetzte Stoffe
Gefahren- R-Sätze
symbole
S-Sätze
Einsatz in
der Schule
Weißer Phosphor
Kohlenstoffdisulfid
T+, C, F, N
T, F
1/2-5-26-28-45-61
1/2-16-33-36/37-45
Lehrerversuch
Lehrerversuch
17-26/28-35-50
11-36/38-48/23-6263
Materialien:
Messzylinder 2 L, Messzylinder 1 L, Standzylinder ca. 40 cm x 6 cm Durchmesser,
Filterpapier, Pipette mit Pipettenhütchen, Schmierfett
Durchführung:
Zuerst löst man in 10 mL Kohlenstoffdisulfid
etwa 2 g weißen Phosphor. Diese Lösung wird
später das Filterpapier entzünden. Während des
Experimentalvortrages
werden
die
drei
Standzylinder
im
Abzug
nebeneinander
aufgestellt und der obere Glasrand mit einer
Fettspritze eingefettet, damit die Filterpapiere
später gut am Glas anliegen. Nun wird mittels
einer Pipette in den ersten 1 L Messzylinder eine Abbildung 26: Langzeitbelichtung der
volle Pipette Kohlenstoffdisulfid (2,5 cm hoch mit Reaktion Bellende Hunde
CS2 gefüllt) gegeben. Dabei sollte man die Flüssigkeit kreisrund am oberen Glasrand
entlassen, damit sich auch in den oberen Gasschichten ein brennbares Gemisch bildet. Die
letzten Tropfen in jeder Pipette werden stets auf den Boden getropft. In den zweitgrößeren
Standzylinder träufelt man noch ca. 1,5 cm CS2. In den größten 2 L Messzylinder gibt man die
kleinste Menge nur 1 cm CS2 in der Pipette. Nachdem alle Zylinder befüllt wurden, legt man
auf jeden Zylinder ein großes Filterpapier und drückt es mit leichtem Druck fest. Nun tropft
man auf jedes Filterpapier eine Tropfenstraße mit der Lösung von weißem Phosphor in
Kohlenstoffdisulfid vom Filterrand zur Filtermitte. Danach wartet man ca. 30 Sekunden, bis
die Reaktion beginnt.
24
Beobachtung:
Das Kohlenstoffdisulfid verdampft unmittelbar nach dem Auftragen auf
die Glasoberfläche. Nach dem Auftragen der Zündlösung, war nach 20
Sekunden eine Rauchentwicklung am Filterpapierrand zu erkennen. Kurz
darauf war an der selben Stelle ein grünes Leuchten und eine kleine
Flamme zu beobachten, die sich weiter zur Filterpapiermitte hin
ausbreitete und somit das Gasgemisch entzündete. Im ersten kleinsten
Standzylinder war eine blaue Flamme zu erkennen, die sich relativ
langsam mit einem leisen, tiefen Ton in den Zylinder brannte. Die
Flamme im zweiten Standzylinder bewegte sich schneller und auch der
entstehende bellende Ton war höher und lauter. Im letzten großen
Standzylinder wurde die schnellste Verbrennungsreaktion und auch der
lauteste Ton beobachtet.
Entsorgung:
Die in den Standzylindern entstandenen Gase werden durch den Abzug
abgesaugt und die angebrannten Filterpapiere werden in die
Feststofftonne entsorgt.
Fachliche Analyse:
Abbildung 27:
Momentaufnahme
einer Flamme
CS2 verdampft und er fein verteilte Phosphor entzündet das Filterpapier:
P4(s) + 5 O2(g) → P4O10(s) - 2986 kJ/mol
Diese Reaktion entzündet das Luft-Kohlenstoffdisulfid-Gemisch:
+4 -2
0
+4
+4
CS2(g) + 3 O2(g) → CO2(g) + 2 SO2(g)
Der Grund für die unterschiedliche Reaktion in den Zylindern liegt in der Sättigung des LuftKohlenstoffdisulfid. Im ersten Standzylinder wurde bewusst ein zu fettes Gemsich (viel CS2)
genommen. Dadurch musste erste Sauerstoff eingesaugt werden und die Reaktion geht relativ
langsam von statten. Durch den langsamen Luftzug im Standzylinder entstand auch ein tiefer
Ton. In den größeren Standzylindern wurde bewusst ein besseres Mischungsverhältnis
gewählt. Dadurch ging die Verbrennungsreaktion schneller und auch der Luftstrom war
dadurch schneller. Dies rief den lauten und auch hohen, bellenden Ton hervor, der beim
letzten Zylinder gut zu hören war.
6.1 Schulrelevanz
Phosphor kommt im Hessischen Lehrplan (G8) von 2005 nicht vor.
Experimente wären zum Themenkomplex 8G.2 Atombau und Periodensystem durchführbar.
Oder in der 10G.1 zum Themenkomplex Redoxreaktionen. (Reaktion von Sauerstoff und
weißem Phosphor unter einer Glocke). Alle Versuche mit weißem Phosphor können nur als
Lehrerversuch durchgeführt werden. Roter Phosphor ist für die Sek. 1 zugelassen.
Die Herstellung von Streichhölzern ist leider nicht mit Schülern möglich, da Kaliumchlorat
nur im Lehrerversuch zugelassen ist.
25
Quellen
- John Emsley; Phosphor – ein Element auf Leben und Tod, Wiley-VCH, Weinheim 2001
- Herbert W. Roesky; Glanzlichter chemischer Experimentierkunst, Wiley VCH, Weinheim
2006
- A.F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, Walter de Gruyer,
Berlin 2007, 102. Auflage
- www.chemie.uni-regensburg.de
- http://www.cup.uni-muenchen.de/ac/kluefers/homepage/L/ac1
- http://www.seilnacht.com
- http://de.wikipedia.org
- http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/strukturchemie_2_2_4.html
26
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