Versuch 114: Synthese von Natriumchlorid - Einleitung

Die Synthese von Natriumchlorid ist ein für den Anfangsunterricht zum Thema Redox-Reaktionen sehr geeigneter Versuch. Zum Einen ist das Produkt der Synthese aus Natrium und Chlor als Kochsalz bestimmt jedem bekannt, zum Anderen ist der Elektronenübergang zwischen Natrium und Chlor eines der Standardbeispiele in der Redoxtheorie.

Auch der Energiegewinn bei der Ionengitterbindung zeigt sich anschaulich im Experiment - es wird also heiß! Leider ist der Versuch durch die frei werdende Energie auch nicht unbedingt ungefährlich. Viele klassische Anleitungen zu diesem Versuch geben dazu auch noch einen Gasbrenner an, den man zum Erhitzen des Natriums verwenden soll - ein weiteres Risiko.

Diese Anleitung sollte nun die Risiken bei diesem Experiment auf ein Minimum senken. Das Erhitzen des Natriums kann nach folgender Anleitung außer Acht gelassen werden und durch einen Aufbau mit Schläuchen im Abzug kann kaum noch etwas passieren.

Zwar ist uns bei der Durchführung trotzdem das Reagenzglas gesprungen, aber im geschlossenen Abzug geht davon keine Gefahr aus. Viel Spaß mit einem Experimente-Klassiker.

Sicherheitssymbole

Demonstrationsversuch Schutzbrille tragen! Im Abzug arbeiten! Giftig Ätzend Wasser-/Umweltgefährdend In den Abfall geben.

Chemikalien

  • Natrium
  • Chlor

Materialien

  • Stative
  • Stativmaterial
  • Reagenzglas mit Zuleitung
  • Schläuche Kolbenprober
  • Pinzette
  • Messer
  • Spritzflasche

Durchführung

Als erstes muss man einen Kolbenprober mit Chlorgas befüllen. Eine Anleitung zur Herstellung von Chlorgas gehört zum Fundus dieser Experimentesammlung. Der Versuchsaufbau sollte sicherheitshalber in einem Abzug aufgebaut werden und sollte möglichst stabil befestigt werden. Den Kolbenprober spannt man fest in zwei Stative ein. In ein drittes Stativ spannt man auf gleicher Höhe ein Reagenzglas mit Zuleitung ein und verbindet den Kolbenprober mit dem Reagenzglas.

Ein langer, dünner Schlauch wird mit einer mit Wasser gefüllten Spritzflasche verbunden. Der Schlauch wird in die Reagenzglasöffnung geführt und am Stativ befestigt. Ein etwa erbsengroßes Stück Natrium wird nun entrindet und mit der Pinzette in das Reagenzglas gegeben.

Der Abzug wird geschlossen. Seitlich öffnet man den Abzug ein wenig und drückt das Chlorgas aus dem Kolbenprober über die Zuleitung in das Reagenzglas.

Bei diesem Vorgang kann es schon zur Reaktion zwischen Natrium und Chlor kommen! Sollte dies nicht passieren startet man die Reaktion, indem man schnell nach der Chlorzugabe einige Tropfen Wasser in das Reagenzglas gibt. Dazu dient die Spritzflaschenkonstruktion.

Entsorgung

Rückstände mit Wasser ausspülen. Material, mit dem das Natrium geschnitten wurde in der Brennerflamme abflammen.

Ergebnisse

Chlor und Natrium reagieren miteinander unter starker Energieabgabe. Natrium gibt dabei ein Elektron an ein Chloratom ab. Die einfach geladenen Ionen lagern sich zu einem Ionengitter, dem Kochsalzkristall zusammen.

Oxidation: Na → Na+ + e-

Reduktion: Cl2 + 2e- → 2Cl-

Gesamt: 2Na + Cl2 → 2Na+ + 2Cl- → 2NaCl

Einen genaueren Aufschluss über die Vorgänge bei dieser Reaktion gibt der Born/Haber Kreislauf:

Beim Zusammenführen zweier sich im Gaszustand befindlichen positiven bzw. negativen Ionen zu einem Kristallgitter wird die Gitterenergie frei. Bei der Bildung von Natriumchlorid beträgt diese freiwerdende Energie zum Beispiel 788kJ/mol.

1) Ein Mol festes Natrium wird verdampft. Dafür wird Energie vom Natrium aufgenommen: Sublimationsenthalpie (Energiezugabe: 108kJ/mol).

2) Einen halbes Mol Chlorgasmoleküle wird zu einem Mol Chlor-Atome umgesetzt. Dafür wird Energie vom Chlor aufgenommen: Dissoziationsenergie (Energiezugabe: 122kJ/mol).

Die Dissoziationsenergie ("Zerlegungsenergie") entspricht dem Wert der Bindungsenergie, die bei der Bindung der Chloratome zu Molekülen frei wurde.

3) Die Natrium-Atome geben Elektronen ab und werden zu Natrium-Ionen ionisiert. Dafür wird Energie vom Natrium aufgenommen: Ionisierungsenergie (Energiezugabe: 496kJ/mol).

4) Die Cl-Atome nehmen Elektronen unter Bildung von Cl—Ionen auf, wobei Energie frei wird: Elektronenaffinität (Energieabgabe: -349kJ/mol).

5) Die Ionen werden aus dem Gaszustand in ein festes Ionengitter zusammengefügt, wobei der größte Anteil der Energie frei wird: Gitterenergie (Energieabgabe: -788kJ/mol).

Rechnet man nun die Summe der freiwerdenden Energie minus der Summe der eingesetzten Energie, so erhält man eine Bildungsenthalpie von -411kJ/mol. Die Bildung von Natriumchlorid liefert also Energie.

Die meiste Energie entsteht in dieser Reaktion durch das Zusammenlagern zu einem Ionengitter. Der neue Kristallgitterzustand ist für die Ausgangsmaterialien Chlor und Natrium energetisch günstiger. Um sie aus diesem Zustand in ihren Ursprungszustand zurück zu bewegen, müsste die gleiche Menge Energie, die bei der Bildung frei wurde wieder hinzugefügt werden. Aus dieser Energiebetrachtung lässt sich nun erkennen, warum das Natrium im Versuch zuerst erhitzt werden muss: Zur Reaktion von Natrium und Chlor müssen sich die Natriumatome im Gaszustand befinden.

Erhitzt man Natrium in einer Chloratmosphäre reagieren einige Chloratome mit gasförmigem Natrium und geben Energie frei. Diese Energie fördert das weitere verdampfen des Natriums und erzeugen so eine Kettenreaktion. Diese kann aber auch durch die Zugabe von ein wenig Wasser auf das Natrium ausgelöst werden. Durch die Reaktion wird Energie frei, die das Natrium zum schmelzen bringt. Nun wiederholt sich eben beschriebener Prozess und die Reaktion gerät in Gang. Das Reaktionsprodukt (oder besser: Die Chloridionen) kann aus wässriger Lösung mit Silbernitrat nachgewiesen werden.

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Hinweise

Der Versuch verläuft stark exotherm. Er sollte daher sicherheitshalber in einem Abzug und nur mit geringen Mengen durchgeführt werden.

Versuchsvideo

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Versuchsbild

Bild zu Versuch: Synthese von Natriumchlorid

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NEU

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