doc - ChidS

Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht herunter geladen werden,
unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://online-media.uni-marburg.de/chemie/chids/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Seminar: Übungen im Experimentalvortrag
Leitung: Prof. Dr. B. Neumüller, Dr. P. Reiß, Prof. Dr. U. Koert, Prof. Dr. U. Müller
Sommersemester 2004
Reinigungsprodukte
Chemie in Küche und Bad
Experimentalvortrag vom 19. Juli 2004
Silvia Eichler
Ernst-Moritz-Arndt-Str. 2
35039 Marburg
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung.......................................................................................................Seite 3
2. Die verschiedenen Reinigungsmitteltypen und ihre Anwendung.................. Seite 3
3. Reinigungsmitteltypen mit anorganischen Wirkkomponenten..................... Seite 4
3.1 Scheuermittel............................................................................................Seite 4
Versuch 1: Carbonatnachweis in Scheuermilch................................. Seite 5
Versuch 2: Quantitative Bestimmung des Kalksteingehalts in
Scheuermilch.....................................................................Seite 6
2.1.1 Zeolithe............................................................................................Seite 9
Versuch 3: Nachweis von Zeolithen in Scheuerpulver.......................Seite 10
3.2 Reiniger auf Hypochloritbasis..................................................................Seite 12
Versuch 4: Nachweis der antibakteriellen Wirkung von NaOCl....... Seite 12
Versuch 5: Titrimetrische Bestimmung des Natriumhypochloritgehalts............................................................................... Seite 14
Versuch 6: Erzeugung von Chlorgas.................................................. Seite 16
3.3 Rohrreiniger..............................................................................................Seite 18
Versuch 7: Identifizierung der einzelnen Komponenten....................Seite 18
Versuch 8: Verdeutlichung des Reinigungsprinzips...........................Seite 20
Versuch 9: Rohr frei mit Rohrfrei.......................................................Seite 22
4. Anwendungsfelder in der Schule....................................................................Seite 24
4.1 Anwendungsfelder im Unterricht.............................................................Seite 24
4.2 Anwendungsfelder im Schüleralltag.........................................................Seite 25
5. Literatur..........................................................................................................Seite 26
6. Herstellernachweise zu den verwendeten Reinigungsprodukten................... Seite 26
7. Sicherheitshinweise zu den verwendeten Chemikalien..................................Seite 27
2
1. Einleitung
Mit Beginn der Domestikation entstand auch der Wunsch in den Menschen, ihr Heim sauber
zu halten. So nutzte man früher zur Reinigung neben Wasser noch Seifen und feine
Mineralien wie gemahlenen Sand oder Marmormehl. Weiterhin waren Soda und Essig für ihre
reinigende Wirkung bekannt. Bald reichten diese natürlichen Reinigungsprodukte jedoch
nicht mehr aus, da der Drang nach Sauberkeit immer stärker und die Oberflächen immer
empfindlicher wurden. Allmählich wurden Reinigungsprodukte industriell hergestellt und bis
heute gelangen ständig neue oder verbesserte Produkte auf den Markt, die immer wieder dem
neuesten Stand der Technik und Forschung entsprechen.
2. Die verschiedenen Reinigungsmitteltypen und ihre Anwendung
Mittlerweile ist eine derart große Bandbreite an Reinigungsprodukten auf dem Markt, dass
man zunächst einmal eine Einteilung in Produkttyp und Anwendungsbereich vornehmen
muss.
Produkttyp
Anwendungsbereich
Allzweckreiniger:
alle abwaschbaren Oberflächen
Scheuermittel:
stark verschmutzte, mechanisch widerstandsfähige Oberflächen
Fensterreiniger:
alle Flächen aus Glas
Sanitärreiniger
-sauer:
WC-Becken, säurebeständige Flächen in Nassräumen
-alkalisch, chlorhaltig:WC-Becken, säureempfindliche Flächen in Nassräumen
Metallreiniger:
alle metallischen Oberflächen
Grillreiniger:
Backöfen- und Grillinnenräume
Rohrreiniger:
Abflüsse und Kanalsysteme
Neben diesen mehr oder weniger häufig verwendeten Reinigern gibt es noch eine Reihe von
Spezialreinigern. So ist gegen nahezu jede Art von Fleck, sei es Rotwein oder Altöl, Blut oder
Rost, ein spezielles Produkt käuflich zu erwerben.
3
3. Reinigungsmitteltypen mit anorganischen Wirkkomponenten
3.1 Scheuermittel
Die Reinigungswirkung von Scheuermitteln basiert im Wesentlichen auf Abrasivstoffen,
deren Durchmesser zwischen 0,02 und 0,05 mm liegen sollte. Der Schmutz wird mechanisch
durch diese feinen Körnchen gelöst. Sie gelangen dann zum Einsatz, wenn es darum geht,
Eingebranntes sowie Fett- und Kalkbeläge zu lösen. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie bei einer
hohen Reinigungsleistung mit einem sehr geringen Chemikalienaufwand auskommen.
Weiterhin belastet diese Klasse der Reiniger die Abwässer nicht.
Innerhalb der Scheuermittel differenziert man zwischen Scheuerpulver und Scheuermilch. Sie
unterscheiden sich vornehmlich in ihren Reinigungsmineralien. So ist der Scheuermilch nur
fein gemahlener Kalkstein (CaCO3) als Abrasivstoff zugesetzt, während das Scheuerpulver
neben Kalkstein noch feinen Quarzsand (SiO2), Bimsstein und weitere, von den Herstellern
geheim gehaltene Mineralien beinhaltet.
Bei Scheuerpulver sind die Abrasivstoffe etwas größer als bei Scheuermilch. Daher sollte man
das Pulver nur bei kratzfesten Flächen einsetzen. Scheuermilch hingegen kann auch auf
empfindlicheren Materialien benutzt werden.
Den Scheuermitteln sind als weitere Inhaltsstoffe noch anionische und nichtionische Tenside
zugesetzt, des weiteren Duftstoffe und Farbstoffe, die für ein markentypisches Aussehen
sorgen sollen. Scheuerpulver bestimmter Marken beinhalten weiterhin Zeolithe.
Bemerkenswert ist auch, dass Scheuermilch mehr als 50 % Wasser zugesetzt ist, sowie
Stabilisatoren, die ein Absetzen der Reinigungsmineralien verhindern.
4
Versuch 1: Carbonatnachweis in Scheuermilch
Chemikalien
Scheuermilch
Salzsäure (HCl (aq)); c = 2 mol/L
Calciumhydroxid (Ca(OH)2)
Geräte
Reagenzglas mit passendem durchbohrtem Stopfen
Passendes Gärröhrchen
Durchführung
Zunächst löst man Calciumhydroxid in Wasser. Die gesättigte Lösung überführt man in ein
Gärröhrchen. Man füllt etwas Scheuermilch in ein Reagenzglas und gibt allmählich einige mL
der Salzsäure hinzu. Hierbei ist darauf zu achten, dass es nicht zu einer allzu heftigen
Schaumbildung kommt. Schnell setzt man den Gummistopfen darauf, in welchem sich das
befüllte Gärröhrchen befindet.
Auswertung
Sobald die Säure mit der Scheuermilch in Kontakt kommt, tritt Gas- und Schaumbildung auf.
Das Gas wird in das Gärröhrchen geleitet, in der darin befindlichen Lösung kommt es zur
Bildung eines weißen Niederschlags.
Durch Zusatz der Säure reagieren die Kalkstein-Komponenten der Scheuermilch zu Ca2+Ionen und Wasser, weiterhin zu CO2, welches gasförmig entweicht.
CaCO3 (s) + 2 H3O+(aq) → CO2 (g) ↑ + Ca2+(aq) + 3 H2O
CO2
(g)
wird in die Calciumhydroxidlösung eingeleitet und reagiert mit den Ca2+-Kationen
unter Bildung von Calciumcarbonat, welches als weißer Niederschlag in der Lösung ausfällt.
Weiterhin wird Wasser gebildet.
Ca2+(aq) + 2 OH-(aq) + CO2 (g) → CaCO3 (s) ↓ + H2O
weiß
5
Versuch 2: Quantitative Bestimmung des Kalksteingehalts in Scheuermilch
Chemikalien
Scheuermilch
Salzsäure (HCl(aq)) c = 2 mol/L
Kochsalz (NaCl)
Ostereierfarbe
Geräte
Waage
Erlenmeyerkolben mit Schliff
Magnetrührer mit Rührfisch
Y-Stück
Tropftrichter mit Druckausgleich
Schliffstopfen
Manometerglasrohr als Einleitungsrohr
Pneumatische Wanne mit Einsatz
Messzylinder (250 mL)
Verbindungsschlauchstücke und Schlauchschellen
Hebebühne
Keck-Klemmen oder Federn
Aufbau
6
Durchführung
Zunächst ist die Apparatur wie oben aufgeführt bis auf den Messzylinder aufzubauen. Die
pneumatische Wanne befüllt man mit einigen Esslöffeln Salz, daraufhin so weit wie möglich
mit Wasser, welches mit Ostereierfarbe einzufärben ist. Den Zylinder befüllt man nun
ebenfalls mit Wasser und stülpt ihn kopfüber in die Wanne, so dass das als Einleitungsrohr
dienende Manometerrohr in den Zylinder hineinragt. Hierbei ist auf möglichst wenig
Wasserverlust zu achten. Man notiert, wie viele mL Wasser sich im Messzylinder befinden.
Der Tropftrichter wird mit der Salzsäure befüllt und mit dem Stopfen verschlossen. Auf der
Waage wiegt man nun im Erlenmeyerkolben eine bestimmte Menge Scheuermilch ab. Man
setzt den Kolben an die Apparatur und achtet darauf, dass alle Übergänge dicht sind, sichert
ggf. mit Federn oder Keck-Klemmen.
Nun lässt man die Salzsäure aus dem Tropftrichter langsam auf die Scheuermilch tropfen.
Auswertung
Wie auch schon in Versuch 1 reagieren Calciumcarbonat und Salzsäure unter Bildung von
Kohlendioxid miteinander.
CaCO3 (s) + 2 H3O+(aq) → CO2 (g) ↑ + Ca2+(aq) + 3 H2O
Das entstehende Gas verdrängt die Luft aus der Apparatur, welche dann das Wasser aus dem
Messzylinder verdrängt, was teilweise auch noch durch das CO2 geschieht.
Kochsalz wird dem Wasser zugesetzt, um die Löslichkeit des CO2 in Wasser auf ein
Minimum herabzusetzen. Der Farbstoff dient zum besseren Erkennen des Wasserpegels im
Messzylinder.
Mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung lässt sich nun berechnen, wie hoch der
Kalksteingehalt in Scheuermilch ist.
7
Berechnung
1 Mol Gas entspricht einem Volumen von 22,4 L.
Die molare Masse von Kalkstein (CaCO3) beträgt 100,09 g/mol.
Bei einer Einwaage von 1,5 g Scheuermilch lässt sich beispielsweise ein Gasvolumen von
70 mL erzeugen.
Daraus folgt, dass eine Kalkstein-Masse von 0,313 g umgesetzt wurde.
m
MV

Videal
g
 0,07L
mol
 0,313g
L
22,4
mol
100,09
Der Massenanteil von Kalkstein in Scheuermilch lässt sich folgendermaßen ermitteln:
w
0,313g
 0,21
1,5g
Scheuermilch beinhaltet also zu 21 % Kalkstein.
Allgemein wird angegeben, dass Scheuermilch zu 20-30 % aus gemahlenem Kalkstein
besteht.
8
3.1.1 Zeolithe
Zeolithe sind natürlich vorkommende oder künstlich hergestellte Alkalialumosilikate der
allgemeinen Formel Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y] . z H2O. Sie wurden 1756 vom Hobbymineralogen
Baron Axel F. Cronstedt entdeckt. Dieser gab ihnen auch ihren Namen. Er stellte fest, das
diese Gesteinsart zu brodeln beginnt, wenn man sie erwärmt. So leitet sich ihr Name aus dem
Griechischen ab aus zeo = ich siede und lithos = Stein. Bei diesen Mineralien sind SiliciumAtome des Silikatgerüstes gegen Aluminium-Atome ausgetauscht. Daraus resultiert eine
negative Ladung am Gitter. Weiterhin lässt der Aufbau dieser Gerüstsilikate kanalähnliche
Hohlräume frei. In diese können sich Wasser oder Alkalimetall-Kationen einlagern und so die
negative Ladung ausgleichen.
O
O
O Si O Al O
O
O
O Al O Si O
O
O
Ende der 1970er Jahre entwickelte die Firma Henkel einen künstlich hergestellten Zeolithen,
der die Strukturformel Na12[(AlO2)12(SiO2)12] . 27 H2O aufweist. In der Wissenschaft wird er
als Zeolith 4 A bezeichnet, Henkel brachte ihn unter dem Namen Sasil® in den Handel. Der
Handelsname leitet sich ab aus Sodium-aluminium-silicate
Zeolith 4 A ersetzt die Phosphate, die Waschmitteln und anderen Reinigungsprodukten früher
zur Wasserenthärtung zugesetzt wurden. So kommt es in hartem Wasser, welches reich an
Ca2+-Ionen ist, zu deren Austausch gegen die Na+-Kationen des Zeoliths. Ca2+ lagert sich fest
in die Kanäle des Gerüsts ein, während Na+, das keinen Einfluss auf die Wasserhärte hat, mit
dem Waschwasser abtransportiert wird.
9
Versuch 3: Nachweis von Zeolithen in Scheuerpulver
Chemikalien
Scheuerpulver
Methylrot
Methylenblau
Geräte
Saugflasche
Büchnertrichter mit passendem Filterpapier
Saugpumpe mit Kühlfalle
Becherglas (100 mL)
Pipette
Durchführung
Zunächst legt man das Filterpapier in den Büchnertrichter und feuchtet es an. Dann gibt man
etwa drei bis vier Spatelspitzen Scheuerpulver auf das Papier und wäscht es mit Wasser. Zur
Beschleunigung des Wasch- und Filtervorgangs wird die Saugpumpe betätigt, die an der
Saugflasche angeschlossen ist. Nun stellt man eine Mischung aus den beiden Farbstoffen her,
gibt einige Tropfen auf das Scheuerpulver im Büchnertrichter und setzt die Saugpumpe erneut
in Betrieb. Es wird noch einige Male mit Wasser gewaschen.
Auswertung
Das Scheuerpulver ist nicht vollständig in Wasser löslich. Das Waschwasser, welches sich in
der Saugflasche ansammelt, erscheint leuchtend gelb. Die Färbung geht auf die dem Produkt
zugesetzten Farbstoffe zurück.
Die beiden Farbstoffe bilden eine braune Lösung. Das Scheuerpulver färbt sich stellenweise
blau, während eine orangegelbe Lösung in die Saugflasche tropft.
Zeolithe sind wasserunlöslich. Sie verbleiben also im Büchnertrichter, gelangen nicht mit dem
Waschwasser in die Saugflasche. Weiterhin ist ihr Alumo-Silikatgerüst negativ geladen. Da
der Farbstoff Methylrot in dem vorherrschenden alkalischen Medium ebenfalls negativ
10
geladen ist, wird er von den Zeolithen abgestoßen und mit dem Wasser ausgewaschen.
Methylrot kann als Indikator dienen. Sein Umschlagbereich liegt bei pH = 4,4 – 6,2. Im
sauren Bereich erscheint der Farbstoff rot, im alkalischen wird ihm das Proton der
Carboxylgruppe entzogen, das konjugierte π-Elektronensystem erweitert, der Farbstoff ist
gelb.
-OOC
N
H3C
HOOC
+
N
H
N
+
H
N
CH3
H3C
N
CH3
gelb
N
rot
Methylenblau hingegen ist ein kationischer Farbstoff. Er kann sich an das anionische
Zeolithgerüst anlagern und die Zeolithe im Scheuerpulver können als blau gefärbte Körnchen
identifiziert werden.
N
H3C
O
O
O Si O Al O
O
+
N
CH3
S
N
CH3
CH3
O
O Al O Si O
O
O
11
3.2 Reiniger auf Hypochloritbasis
Diese Art der Reiniger wird zum Entfernen von Schmutz und Bakterien benutzt, weiterhin ist
er in der Lage, Gerüche und Verfärbungen aufzulösen. Bemerkenswert ist hierbei, dass keine
Einarbeitung in das Material erforderlich ist, sondern eine kurze Einwirkzeit genügt.
Schon im 18. Jahrhundert entdeckt Berthollet die Bleichwirkung von NaOCl, im 19.
Jahrhundert weist Labarraque dessen antibakterielle Eigenschaft nach.
Reiniger auf Hypochloritbasis kommen vor allem zur Trinkwasserreinigung oder
Desinfektion von Schwimmbädern zum Einsatz, worauf der Geruch nach Chlor beim Betreten
eines Hallenbades hindeutet.
Versuch 4: Nachweis der antibakteriellen Wirkung von NaOCl
Chemikalien
DanKlorix
Allzweckreiniger
Geräte:
5 Agarplatten mit Nährmedium
kleine Fliesenstücke
Putztuch
Bechergläser (400 mL)
Bunsenbrenner
Durchführung
Man legt einige Fliesenstücke für ein paar Tage in einem stark belaufenen Raum aus oder
reibt sie an einem verschmutzten Gegenstand. Nun stellt man je eine Lösung aus den
Reinigern her mit der Konzentration, die man auch zum Putzen nehmen würde. Um unter
möglichst sterilen Bedingungen zu arbeiten, entzündet man zunächst einen Bunsenbrenner so
nah am Versuch wie möglich. Ein Fliesenstück drückt man direkt in eine Agarplatte, ein
12
weiteres wird zunächst mit Leitungswasser abgewischt, bevor davon ein Abklatsch
genommen wird, ein drittes wird zuvor mit dem Allzweckreiniger behandelt, ein viertes wird
mit DanKlorix-Lösung gereinigt, diese aber sofort wieder abgewischt. Das letzte Fliesenstück
wird ebenfalls mit DanKlorix-Lösung behandelt, ehe es nach etwa 5 Minuten Einwirkzeit
ebenfalls auf eine Agarplatte abgedrückt wird.
Die Platten sind zu verschließen und für 24 Stunden bei 37 °C zu inkubieren.
Auswertung:
Es resultieren die folgenden Ergebnisse.
unbehandelt
Wasser
Allzweckreiniger DanKlorix, sofort DanKlorix
abgewischt
mit Einwirkzeit
Wie zu erkennen ist, ist die als Kontrolle dienende Fliese mit Bakterienstämmen besiedelt.
Auf dem Nährmedium konnten sich die Kulturen gut ausbreiten und werden als gelbe Flecken
sichtbar. Wasser allein konnte die Bakterien nicht entfernen. So ist zwar das
Kulturenwachstum nicht so stark wie bei der unbehandelten Fliese, jedoch lassen sich
mehrere Stämme ausmachen. Auf der Agarplatte, die den Abdruck der mit Allzweckreiniger
behandelte Fliese beinhaltet, konnten sich keine Bakterienkulturen ausbreiten. Dies kann zum
Einen daran liegen, dass die Fliese zuvor nicht kontaminiert wurde. Da sich dieses Resultat
jedoch bei mehreren Versuchsdurchgängen zeigte, ist davon auszugehen, dass die ansässigen
Bakterien durch den Allzweckreiniger entfernt wurden. Auf den mit DanKlorix behandelten
Platten sind nur je minimal kleine Bakterienstämme zu erkennen. In weiteren Versuchen
wurden keine Bakterienkulturen angezogen. Die antibakterielle Wirkung ist damit
nachgewiesen.
Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass es auch Bakterien gibt, die sich positiv auf den
menschlichen Organismus auswirken bzw. lebensnotwendig sind. Auch diese werden durch
DanKlorix zerstört. Des weiteren können bakterielle Krankheitserreger durch ständigen
13
Gebrauch von antibakteriellen Reinigern eine Resistenz gegen diese ausbilden. Sie lassen sich
auch dann nicht mehr entfernen, wenn es die Gesundheit wirklich erfordert.
Daher ist dringend davon abzuraten, Reiniger mit antibakteriell wirkenden Komponenten zur
täglichen Haushaltshygiene einzusetzen. Dies sollte Krankenhäusern oder anderen
Einrichtungen vorbehalten bleiben, die auf eine sterile Umgebung angewiesen sind.
Versuch 5: Titrimetrische Bestimmung des Natriumhypochloritgehalts
Chemikalien
DanKlorix
Kaliumiodid-Lösung (KI(aq)); c = 0,1 mol/L
Salzsäure (HCl(aq)); w = 0,05
Natriumthiosulfat-Lösung (Na2S2O3 (aq))
Stärkelösung
Geräte
2 Vollpipetten (10 mL)
Messkolben (100 mL)
Erlenmeyerkolben (250 mL)
Bürette (50 mL)
Magnetrührer mit Rührfisch
Becherglas (100 mL)
Pipette
Dreifuß mit Drahtnetz
Bunsenbrenner
Durchführung
Man entnimmt 10 mL des DanKlorix mit Hilfe einer Vollpipette und überführt sie in einen
Messzylinder, um dann mit Wasser auf 100 mL aufzufüllen. Die Bürette ist mit der
Natriumhthiosulfat-Lösung zu beschicken.
14
Aus dem Messzylinder entnimmt man 10 mL der Lösung und gibt sie in den
Erlenmeyerkolben. Diesen stellt man auf den Magnetrührer und legt den Rührfisch in die
Lösung. Unter Rühren fügt man in der angegebenen Reihenfolge etwa 60 mL Wasser, 30 mL
der Kaliumiodid-Lösung sowie 1,5 – 2 mL der Salzsäure.
Unter ständigem Rühren tropft man nun die Thiosulfat-Lösung zu. Ist die Lösung nur noch
schwach gelb, versetzt man sie mit einigen Tropfen frisch zubereiteter, aufgekochter
Stärkelösung. Man titriert nun bis zur völligen Entfärbung weiter.
Auswertung
Zunächst wird das Chlor im Hypochlorit, welches die Oxidationsstufe +1 aufweist, reduziert
zu Chlorid mit der Oxidationsstufe –1. Iodid mit der Oxidationsstufe – 1 wird zu elementarem
Iod oxidiert. Aufgrund der Bildung von Polyiodiden ist die Lösung nun gelb. Bei dieser
Reaktion entsteht weiterhin Wasser.
+1
-1
0
-1
ClO-(aq) + 2 I-(aq) + 2 H3O+(aq) → I2 (aq) + Cl-(aq) + 3 H2O
Bei diesem Versuch findet die indirekte Iodometrie Anwendung. Dementsprechend wird das
im ersten Versuchsteil entstandene Iod wieder zu Iodid reduziert. Oxidiert wird ein
Schwefelatom des Thiosulfats. Es entsteht Tetrathionat.
0
+4
-1
+5
I2 (aq) + 2 SSO32-(aq) → 2 I-(aq) + S2S2O62-(aq)
Auf die eigentliche Reaktion nimmt die Stärke keinen Einfluss. Sie bildet mit Iod eine blaue
Einschlussverbindung und dient daher zum besseren Erkennen des Umschlagpunktes. Bis zu
diesem werden 11 mL Na2S2O3 (aq) verbraucht.
Berechnung
g
mol
mol
 0,1
L
M NaOCl  74
c Na 2S2O3
15
Ein Äquivalent Na2S2O3 setzt ein halbes Äquivalent I2 um. Ein Äquivalent I2 reduziert ein
Äquivalent NaOCl. Daher folgt bei einem Verbrauch von 11 mL Natriumthiosulfat-Lösung
für die Berechnung der in DanKlorix enthaltenen Masse an Natriumhypochlorit:
1
 c Na 2S2O3  M NaOCl  V
2
1
mol
g
  0,1
 74
 0,011L
2
L
mol
 0,04g
m
Die Dichte δ von DanKlorix wurde im Labor auf 1,04 g/mL bestimmt.
Da insgesamt 1 mL DanKlorix titriert wurde, lässt sich die Massenanteil wie folgt berechnen:
w
m

V
0,04g
g
1mL  1,04
mL
 0,038
Es befinden sich also zum Versuchszeitpunkt 3,8 % Natriumhypochlorit in der DanKlorixFlasche. Der Hersteller gibt einen Gehalt von unter 5 % an.
Versuch 6: Erzeugung von Chlorgas
Chemikalien
DanKlorix
Essigessenz
Rote-Bete-Saft
Geräte
Erlenmeyerkolben (50 mL)
Filterpapier
Pipette
16
Durchführung
Man färbt das Filterpapier mit Rote-Bete-Saft ein. Nun füllt man etwa 20 mL DanKlorix in
den Erlenmeyerkolben und gießt etwas Essigessenz darauf. Sofort ist der Kolben mit dem
gefärbten Filterpapier zu bedecken.
Auswertung
Sofort nach Zugabe der Essigessenz beginnt die Mischung zu sprudeln. Nach ein paar
Minuten kann man erkennen, das der Teil des Filterpapiers, welcher die Öffnung des
Erlenmeyerkolbens bedeckt hat, entfärbt wurde.
In DanKlorix liegt Hypochlorit vor, weiterhin Chlorid als Verunreinigung. Durch die
Protonen der Essigessenz kommt es zu einer Symproportionierung, bei der elementares Chlor
entsteht, welches gasförmig entweicht. Des weiteren entsteht Wasser.
+1
-1
0
ClO-(aq) + Cl-(aq) + 2 H3O+(aq) → Cl2 (g) ↑ + 3 H2O
Die farbgebende Substanz in Rote-Bete ist Betanin.
Die Farbe geht auf ein konjugiertes π-Elektronensystem zurück. Es kommt zu einer Addition
an die Doppelbindung durch Cl2. Dadurch wird das System zerstört, die Stellen des
Filterpapiers, die mit Chlorgas in Berührung kommen, werden entfärbt.
17
3.3 Rohrreiniger
Dieser Reinigertyp gelangt in fester oder flüssiger Form in den Handel. Er wird dazu
eingesetzt, Verstopfungen zu lösen, die durch Haare, Speisereste usw. in Abflüssen und
Kanälen entstehen.
Die Hauptkomponenten der Rohrreiniger sind Ätznatron (NaOH), Aluminium und je nach
Hersteller auch Natronsalpeter (NaNO3).
Zunächst wirken die einzelnen Komponenten durch Zugabe von Wasser unter
Hitzeentwicklung und Gasentstehung miteinander. Dadurch entstehen Verwirbelungen, die
die Verstopfung mechanisch lösen sollen. Des weiteren soll durch die hohe Temperatur, die
entsteht, ein Schmelzen einiger Komponenten der Verstopfung erreicht werden.
Doch darin liegt auch eine der Gefahren von Rohrreinigern. So können Kunststoffteile im
Abflussbereich ebenfalls zum Schmelzen gebracht werden. Außerdem kann es zu einer
beschleunigten Korrosion an empfindlichen Materialien kommen. Dadurch können Rohre
brechen oder derart zerstört werden, dass große Mengen Wasser in die Wände gelangen.
NaOH(s) ist ätzend. In den Rohrreinigern kommt es in hoher Konzentration vor. Daher sollte
der Anwender Handschuhe tragen. Weiterhin kann die enorme Gasentwicklung dazu führen,
das Spritzer mit Natronlauge den Anwender treffen.
Den Rohrreinigern einiger Reiniger sind Nitrate zugesetzt. Diese sind mitverantwortlich für
die Eutrophierung von Gewässern. Ihre Verwendung, insbesondere in Verbindung mit Abund Grundwasser sollte daher vermieden werden.
Versuch 7: Identifizierung der einzelnen Komponenten
Chemikalien
Rohrreiniger fest
Schwefelsäure (H2SO4 (aq)); w = 0,96
Phenolphtaleinlösung in Ethanol
Eisensulfatlösung (FeSO4 (aq))
18
Geräte
Pinzette
Porzellanschälchen
Reagenzgläser
Pipette
Durchführung
Zunächst sind eine Probe des Reinigers zu entnehmen und mit Hilfe einer Pinzette die
metallischen, glasigen und weißen Komponenten in Porzellanschalen zu trennen.
Die glasig erscheinenden Perlen fügt man in ein Reagenzglas und löst sie in Wasser,
woraufhin man etwas Phenolphthaleinlösung hinzutropft.
Nun ist eine gesättigte Eisensulfatlösung herzustellen. Man löst die weißen Perlen in Wasser,
gießt langsam etwa die gleiche Menge Eisensulfatlösung hinzu und unterschichtet vorsichtig
mit konzentrierter Schwefelsäure.
Auswertung
Die Verbraucherinformation gibt an, dass der Reiniger Aluminium, Natriumhydroxid sowie
Natriumnitrat enthält.
Die metallischen Körnchen werden optisch als Aluminium identifiziert.
Die Lösung der glasigen Perlen färbt sich nach Zugabe des Indikators Phenolphthalein violett.
Der Indikator hat seinen Umschlagspunkt bei pH = 9. Demnach handelt es sich bei den
glasigen Perlen um Natriumhydroxid.
Natriumnitrat wird mittels Ringprobe identifiziert.
Die Protonen der Schwefelsäure bilden zunächst mit Nitrat Salpetersäure und Wasser.
H3O+(aq) + NO3-(aq)
HNO3 (aq) + H2O
Des weiteren erfolgt eine Redoxreaktion, bei dem der Stickstoff der Salpetersäure von der
Oxidationsstufe + 5 zu + 2 in Stickstoffoxid reduziert wird. Oxidiert werden hierbei die Fe2+Ionen zu Fe3+
+5
+2
HNO3 (aq) + 3 Fe2+(aq) + 3 H3O+(aq)
+2
+3
NO(aq) + 3 Fe3+(aq) + 5 H2O
19
Stickstoffoxid bildet nun mit weiterem Fe2+(aq), was zunächst komplexiert als HexaaquaEisen(II)-Kation vorliegt, das Pentaaqua-Nitroxylato-Eisen(III)-Kation aus. Stickstoff ändert
hierbei seine Oxidationszahl von + 2 im Stickstoffoxid nach + 1 im Nitroxylat-Anion. Eisen
wird von + 2 nach + 3 oxidiert.
NO(aq) + [Fe(H2O)6]2+(aq)
[Fe(H2O)5NO]2+(aq) + H2O
Der Komplex bildet sich an der Phasengrenze aus und ist als brauner Ring zu erkennen.
Versuch 8: Verdeutlichung des Reinigungsprinzips
Chemikalien
Rohrreiniger
Geräte
Zentrifugenglas mit passendem durchbohrten Stopfen
Pinzette mit abgetrennter Spitze als Einleitungsrohr
Mikrozentrifugenglas mit passendem undurchbohrten Stopfen
Feuerzeug
Holzspan
pH-Papier
Tiegelzange
Stativmaterial
Durchführung
Man spannt das Zentrifugenglas in das Stativ ein und löst darin zwei Spatelspitzen
Natriumhydroxid, welches vorher aus dem Rohrreiniger ausgelesen wurde, mit etwas Wasser.
Das Zentrifugenglas darf nur zu etwa 1/3 gefüllt sein. Nun gibt man 15 Körnchen Aluminium
aus dem Reiniger hinzu, setzt den Stopfen darauf, in dem sich die Pipette mit der Spitze nach
oben befindet. So schnell wie möglich stülpt man das Mikrozentrifugenglas, welches mit der
Öffnung nach unten am Stativ angebracht ist, über die Pipettenspitze.
20
Nach 5 Minuten schiebt man das Mikrozentrifugenglas nach oben und verschließt es mit
einem Gummistopfen. Hierbei ist streng darauf zu achten, dass die Öffnung des Glases nach
unten zeigt, solange es noch nicht verschlossen wurde.
Nun dreht man das Glas um 180°, entzündet den Glimmspan, entfernt den Stopfen und hält
unmittelbar danach die Flamme an die Öffnung.
Schließlich fügt man dem Gemisch im Zentrifugenglas einige Perlen Natriumnitrat aus dem
Reiniger hinzu. Man feuchtet einen pH-Papierstreifen an und hält diesen mit Hilfe der
Tiegelzange über das Zentrifugenglas.
Auswertung
Zunächst reagieren Aluminium und Wasser im alkalischen Medium in Form einer
Redoxreaktion miteinander. Hierbei entstehen Wasserstoff und das Tetraaquaaluminat(III)Anion.
0
+1
+3
0
2 Al(s) + 2 OH-(aq) + 6 H2O → 2 [Al(OH)4]-(aq) + 3 H2 (g) ↑
Der Wasserstoff steigt, nachdem der gesamte Gasraum des Zentrifugenglases eingenommen
ist, durch das Ableitungsrohr auf und sammelt sich im Mikroreagenzglas, nachdem er die Luft
darin verdrängt hat. Nach etwa 5 Minuten hat sich genügend Wasserstoff im
Mikroreagenzglas gesammelt, dass er mit Hilfe der Knallgasprobe zu identifizieren ist.
Hierbei reagieren elementarer Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft unter einem
Pfeifgeräusch und einer kleinen Lichterscheinung zu Wasser.
0
0
+1 -2
2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g)
Im Zentrifugenglas verbleibender Wasserstoff wird mit dem im zweiten Schritt zugefügtem
Nitrat in Form einer Redoxreaktion zu Ammoniak umgesetzt. Auf diese Weise soll der mit
Sauerstoff explosive Wasserstoff unschädlich gemacht werden.
0
+5
4 H2 (g) +
NO3-(aq)
-3 +1
→ NH3 (g) ↑ +
+1
OH-(aq)
+1
+ 2 H 2O
Ammoniak steigt gasförmig auf und reagiert mit dem Wasser des befeuchteten pH-Papiers
unter Bildung von Hydroxidionen, die für die Blaufärbung des Papiers verantwortlich sind.
NH3 (g) + H2O → NH4+(aq) + OH-(aq)
21
Versuch 9: Rohr frei mit Rohrfrei
Chemikalien
Rohrreiniger
Margarine
Haare
Geräte
U-Rohr
Temperaturfühler
Kunststofftrichter
Schale oder kleine Plastikschüssel
Becherglas
Stativmaterial
Teelöffel
Glasstab
Durchführung
Man befestigt das U-Rohr am Stativ und stellt eine Schale darunter. Man stellt ein Gemenge
aus Haaren und Margarine her und fügt dieses in die Kurve des U-Rohres. Mit Hilfe eines
Trichters gibt man nun etwa einen Teelöffel auf das Gemenge und füllt so viel Wasser dazu,
dass die ganze Menge Rohrreiniger damit bedeckt ist.
Auswertung
Zunächst kann das Wasser die Verstopfung aus Haaren und Margarine nicht durchdringen, es
staut sich in dem einen Schenkel des U-Rohres. Allmählich löst sich der Rohrreiniger unter
Wasserstoff- und Ammoniakentwicklung (vgl. Versuch 7). Das Wasser trübt sich braun, die
Margarine schmilzt. Der Temperaturfühler zeigt Temperaturen bis zu 96 °C an. Nach etwa 10
Minuten ist die Verstopfung gelöst und das Wasser kann frei durch das U-Rohr fließen.
Die
Komponenten
des
Rohrfreis
reagieren
bei
Einwirkung
von
Wasser
unter
Energiefreisetzung in Form von Wärme miteinander. Dadurch werden die leicht schmelzbaren
Anteile einer Verstopfung gelöst.
22
Des weiteren sorgen die entstehenden Gase für eine Verwirbelung im Reaktionsraum, so dass
Verstopfungen auf mechanischem Weg entfernt werden.
Haare bestehen vor allem aus Polypeptiden. Die Peptidbindungen werden durch
Natriumhydroxid, welches in fester Form in Rohreiniger enthalten ist, aufgebrochen. Als
Reaktionsprodukte entstehen das Carboxylat-Anion sowie die Aminosäure.
H
H
R N C
R +
OH-(aq)
O
+
R N H
R C O
O
Weiterhin werden Fette durch Hydroxid in Form einer Verseifungsreaktion in Glycerin und
ihre Fettsäurereste zerlegt.
O
O
H2C O C
O C
CmHn
HC O C
CoHp
+ 3 OH-(aq)
HC OH
H2C OH
O
H2C O C
O
H2C OH
O
CqHr
CmHn
+
O C
CoHp
O
O C
CqHr
23
4. Anwendungsfelder in der Schule
4.1 Anwendungsfelder im Unterricht
Das Thema Reinigungsprodukte ist hervorragend für den Chemieunterricht geeignet. So
lassen sich beispielsweise die Eigenschaften von Säuren und Laugen mit Hilfe von Reinigern
besprechen. Neben den im Vortrag verwendeten Reinigern können ebenfalls noch Reiniger
zum Einsatz kommen, die organische Säuren beinhalten, wie beispielsweise Essig- oder
Zitrusreiniger.
Des weiteren bietet sich an, die Reiniger als Haushaltschemikalien zu betrachten. So besteht
die Möglichkeit, statt Natriumhydroxid aus der Chemikaliensammlung einzusetzen, auf
Rohrreiniger zurückzugreifen. Entfernt man die übrigen Komponenten, wenn diese die
geplante Reaktion stören, so kann man den Reiniger wie eine Chemikalie einsetzen. Auf diese
Weise erkennen die Schüler eine Verbindung zu ihrem Alltag und folgen den Experimenten
wesentlich interessierter.
Versuche, bei denen Chlor benötigt wird, können mit Hilfe von Reinigern auf
Hypochloritbasis durchgeführt werden. Wird das Thema Halogene im Unterricht behandelt,
so kann diese Form des Reinigers benutzt werden.
Weiterhin kann bei der Besprechung des Themas Kalkstein auf Scheuermittel in bezug auf
seine Verwendung hingewiesen werden. Mit Scheuermilch lassen sich alle Versuche
durchführen, bei denen gemahlener Kalkstein erforderlich ist.
Das Thema Reinigungsprodukte lässt sich aber auch interdisziplinär behandeln. So bietet sich
an, in Kooperation mit dem Sozialkundelehrer die großtechnische Produktion von Reinigern
sowie den wirtschaftlichen Ablauf bei einem Hersteller zu besprechen und eine Fabrik zu
besuchen.
Der biologische Abbau lässt sich in Zusammenarbeit mit dem Biologieunterricht
durchnehmen. Es kann hier ein Vergleich zwischen nicht biologisch abbaubaren und solchen,
die biologisch abbaubar sind, gezogen werden, sowie allgemein auf die Umweltbelastung
durch Reiniger hingewiesen werden.
24
4.2 Anwendungsfelder im Schüleralltag
Der Schüler findet in diesem Thema weiterhin Bezug zu seiner Lebenswelt. Wird das Thema
Reinigungsprodukte als Projektarbeit durchgeführt, so kann auch darauf hingewiesen werden,
wie Unfälle im Haushalt durch falschen Gebrauch der Reiniger entstehen und wie sie
vermieden werden können. Es sind
vor
jedem
Gebrauch
eines
Reinigers die
Gefahrenhinweise zu lesen. Der Schüler wird durch das Projekt auf mögliche Gefahren
aufmerksam gemacht und beherzigt dies in seinem Alltag außerhalb der Schule.
Die Schüler bekommen ein Verständnis davon, dass schon kleine Mengen Reiniger ihre
Wirkung nicht verfehlen. Sie sollen zu einem gezielten Einsatz von Reinigern geführt werden
sowie natürliche Alternativen entdecken, die ohne für Mensch und Umwelt gefährliche
Komponenten auskommen.
25
5. Literatur
Zeitschriften
Chemie in unserer Zeit, Nr. 3, 35. Jahrgang, 2001
Chemie in unserer Zeit, 37. Jahrgang, 2003
Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie Heft 8, 27. Jahrgang, 1979
Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie Heft 12, Nr. 63, 2001
Naturwissenschaften im Unterricht – PC, Nr. 25, 35. Jahrgang, 1987
Praxis der Naturwissenschaften – Chemie, 7/80
Praxis der Naturwissenschaften – Chemie, 1/95
Bücher
Georg Schwedt: Experimente mit Supermarktprodukten – eine chemische Warenkunde
Viley – VCH Verlag GmbH, Weinheim 2001
Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, Walter de GruyterVerlag, Berlin/New York 1995
Internetquellen
www.henkel.de, 01.04.04
www.danklorix.de, 01.04.04
www.chemie.uni-ulm.de/experiment/edm0106.html, 12.04.04
6. Herstellernachweise zu den verwendeten Reinigungsprodukten
Scheuermittel
W 5 Scheuermilch
Lidl Stiftung & Co. KG
Neckarsulm
ATA-Scheuerpulver
Henkel Wasch- und Reinigungsmittel GmbH
40191 Düsseldorf
26
Reinigungsmittel auf Natriumhypochloritbasis
DanKlorix
Colgate-Palmolive GmbH
Lübecker Straße 128
22087 Hamburg
Rohrreiniger
Dr. Weipert
Scheidmühlenweg 3 –5
52080 Aachen
7. Sicherheitshinweise zu den verwendeten Chemikalien
Edukte
Al
Ca(OH)2: C; R 34; S 26 – 36/37/39 – 45
HCl(aq); c = 2 mol/L
HCl(aq); w = 0,05: Xi; R 36/37/38; S 26 – 45
H2SO4; w = 0,96: C; R 35; S 26/30 – 45
FeSO4 . 7 H2O; Xn; R 22 – 36/37/38; S 26 – 36
C16H18ClN3S (Methylenblau); Xi; R 22; S 22 – 24/25
C15H14N3NaO3 (Methylrot); S 22 – 24/25
NaCl
NaOCl(aq); w < 0,05; Xi; R 31 – 36/38; S 25
NaOH(s); C; R 35; S 26 – 37/39 – 45
NaNO3; O, Xn; R 8 – 22 – 36/37/38; S 15 – 16 – 26 – 36
Na2S2O3 . 5 H2O; Xi; R 36/37/38; S 26 – 36
Produkte
Cl2 (g); T, N; R 23 – 36/37/38 – 50; S 9 – 45 –61
H2 (g); F+; R 12; S 9 – 16 – 33
NH3 (g); C, N; R 10 – 23 – 34 – 50; S 9 – 16 – 26 – 36/37/39 – 45 – 61
Na2S4O6
27