Kohlenstoff (Quiz)
Kategorie: Nichtmetalle
Stickstoff -Hauptbestandteil der Luft
Stickstoff hatte schon viele Namen wie zum Beispiel „schlechte Luft“. Es hieß früher auch „Azot“, „Azotum“, „Stickgas“ oder „Zoogenium“. Das Symbol „N“ bezieht sich auf den lateinischen Namen „Nitrogenium“. Dies ist von „Herkunft des Laugensalzes“ abgeleitet.
Sein elementares Vorkommen in der Luft wurde 1771 von Carl Wilhelm Scheele nachgewiesen. Dort bildet es bei Raumtemperatur ein Gas aus zweiatomigen Molekülen \( (N_2) \). Aus diesem Gas besteht die Luft zu 78%.
Stickstoff kommt in der Natur in den Strukturen von Eiweißen und dem Salz Salpeter vor. Salpeter war bis in das beginnende 20. Jahrhundert die Hauptquelle zur Herstellung von Stickstoffverbindungen. Die stickstoffhaltigen Salze werden von den Menschen schon seit Jahrtausenden genutzt und hergestellt. Diese Nitrate und Ammoniumsalze finden sich in der Erdkruste, sind aber auch aus tierischen Exkrementen herstellbar. Schon im antiken Ägypten stellte man sie aus Kameldung oder dem Boden von Ställen her. In Südamerika erfolgt die Herstellung bis heute aus über Jahrhunderte abgelagerten Vogelkot (Guano).
So stehen uns die Stickstoffverbindungen über diese Salze und Naturstoffe zur Verfügung. Ammoniak, Salpetersäure und Stickstoff-Düngemittel sind die wichtigsten Produkte aus Stickstoff. Das 1913 erfundene Verfahren zur Ammoniakherstellung erlangte als Haber-Bosch-Verfahren Weltruhm.
Experimente mit Stickstoff
Anwendung : flüssiger Stickstoff hilft bei der Reparatur von Rohrleitungen – Rohrfrosten
Sauerstoff – Oxygenium
Nach dem Sauerstoff wurde lange Zeit in der Chemie gesucht und geforscht. Phlogiston hieß der Stoff, dem man zutraute, für die Brände, die immer wieder ausbrachen verantwortlich zu sein, zweifellos eine Substanz der Götter. Viele berühmte Wissenschaftler der der noch jungen Chemie suchten bis ins Jahr 1777 nach einer Erklärung für dieses bis dahin himmlischen Phänomen.
Carl Wilhelm Scheele , ein Apotheker aus Stralsund, suchte 1771 bis 1773 in verschiedenen Experimenten nach dem Stoff. Er publizierte in seinem Buch „Abhandlungen von der Luft und dem Feuer“ seine Erkenntnisse über „Feuerluft“ und „schlechte Luft“.
Er konnte durch Erhitzen von Braunstein – Manganoxid, wie wir heut wissen – ein Gas erzeugen, welches die Verbrennung verstärkt. Auch der Kristall Kaliumpermanganat (bekannt seit 1659, Johann Rudolph Glauber )zeigte dieses Verhalten.
Viele chemische Verbindungen…
enthalten Sauerstoff, der so durch chemische Reaktionen verfügbar wird. Im Chemieunterricht stellen wir Sauerstoff durch die Zerlegung von Wasserstoffperoxid \(H_2 O_2\) oder die thermische Zersetzung von Kaliumpermanganat \(KMnO_4\)her.
Da wir technisch den Sauerstoff jedoch in großen Mengen brauchen, nutzen wir das Verfahren der Luftverflüssigung nach Linde .
Herstellung und Nachweis:
Hier wird das violette Salz Kaliumpermanganat \(KMnO_4\) erwärmt. Dabei wird der Kristall instabil und Sauerstoffatome verlassen das Salz. Es wird zersetzt. Das sieht man auch an der Farbänderung des Salzes nach dem Experiment. Der entstehende freie Sauerstoff wird pneumatisch aufgefangen.
Die Glimmspanprobe ist die Nachweismethode für das brandfördernde Gas Sauerstoff. Dabei wird ein glimmender Holzspan in ein Gefäß (hier ein Reagenzglas) getaucht. Ist Sauerstoff enthalten, so flammt der Span auf. Aus dem Glimmen wird eine Flamme.
Andere Gase zeigen diesen Effekt bezüglich eines Glimmspans nicht.
Phosphor – Phosphoros – Element 15
Der Lichtträger wurde es altgriechisch genannt. Entdeckt wurde Phosphor 1669 von Hennig Brand , einem deutschen Apotheker. Auf der Suche nach dem Stein der Weisen, auf der er Urin eindampfte, konnte er nach Trocknung Phosphate reduzieren und so weißen Phosphor gewinnen. Aber Hennig Brand wurde nicht reich davon.
Er verkaufte seine Herstellungsart und den bereits hergestellten Phosphor – „icy noctiluca“ genannt – an den Alchemisten Johann Daniel Kraft , der damit ein Vermögen machte. Dieser zeigte diese Entdeckung an Königshöfen und vor großen Wissenschaftlern seiner Zeit als spektakulären Versuch. So erfuhr auch der große Robert Boyle endlich von der Methode und konnte Phosphor in großen Mengen herstellen. Phosphor wurde damals mit Gold aufgewogen.
Phosphor kommt auf der Erde nur in Verbindungen vor. Den Reinstoff Phosphor findet man nicht. Mineralische Vorkommen findet man weltweit und besonders in Afrika, China und den USA. Die Apatite sind eine solche phosphorhaltige Gesteinsgruppe. 90% der daraus geförderten Rohphosphate werden zur Düngemittelherstellung eingesetzt oder zur Herstellung von Phosphorsäure genutzt. Roter Phosphor wird in der Reibefläche von Streichholzschachteln verarbeitet. Einige Phosphate -die Salze der Phosphorsäure- dienen als Flammschutzmittel in Kunststoffen.
Die vier Modifikationen des Phosphors sind „weiß“, „rot“, „violett“ und „schwarz“. Die Phosphoratome neigen je nach äußeren Bedingungen(Druck, Temperatur) zu veränderten Atomanordnungen. Das geht von „kubisch und instabil“ im selbstentzündlichen, weißen Phosphor bis zu „pyramidalen Doppelschichten“ im reaktionsträgen, schwarzen Phosphor.
Weißer Phosphor leitet keinen Strom, ist übelriechend, fest, in Wasser unlöslich und wachsartig weich. Bei ca. 50°C entzündet sich weißer Phosphor von selbst an der Luft. Roter Phosphor ist fest, geruchlos und bei 300°C entzündbar. Schwarzer Phosphor besitzt Halbleitereigenschaften und somit temperaturabhängig einige typische Metalleigenschaften. Er leitet bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom und glänzt. Schwarzer Phosphor ist spröde also nicht wie die Metalle kalt verformbar. Diese Halbleitereigenschaften machen ihn mit Graphit gemischt für die Batterieherstellung interessant. Seine Speicherdichte sei dreimal so hoch, wie die von herkömmlichen Lithiumakkus, und die Wiederherstellung von 80% seiner Kapazität sei nach 10min erreicht, hört man…
Schwefel – Sulfur (S) – Element 16
Material: Arbeitsblatt Schwefel
Element Nummer 16 wird „Sulfur“ – abgeleitet von „langsam brennen“ – genannt und ist dem Menschen schon seit dem Altertum bekannt. Schwefel wird schon 5000 v. Chr. erwähnt, da es als Arzneimittel (Augen), zum Bleichen von Textilien und zur Desinfektion genutzt wurde. Man findet Schwefel noch heute an der Erdoberfläche an den Austrittsöffnungen von Vulkanen und in ehemaligen vulkanischen Gebieten. Über besonders große Vorkommen verfügen Russland, Polen, Sizilien, USA, Kanada, u.a.
Zur Gewinnung aus dem Erdinneren wurde bis in das Jahr 2000 das Frasch Verfahren genutzt, bei dem mit einem doppelwandigen Rohr 155°C heißes Wasser in die Erde gepumpt wurde und der dadurch gelöste Schwefel (Schmelztemperatur 119,6°C) im Inneren des Rohres nach oben gesaugt werden konnte. Heute wird Schwefel als Nebenprodukt aus Erdgas/Erdöl im Claus Prozess gewonnen und fällt dort so reichlich an, dass eine unterirdische Produktion unrentabel ist.
Was macht den Schwefel zum typischen Nichtmetall?
Schwefel ist spröde und leitet keinen Strom. Außerdem fehlt dem Element der typisch metallische Glanz.
Was weiß der Chemiker über Schwefel und wozu wird Schwefel eigentlich benötigt?
Verbrennt man den Schwefel , so entsteht ein Gas mit dem typisch stechenden Geruch, Schwefeldioxid.
Dieses Gas löst sich gut in Wasser. Dabei kommt es zu einer chemischen Reaktion.
\( SO_2 + H_2O \longrightarrow H_2SO_3 \)
Brennender Schwefel an einem Vulkan in Indonesien