Versuch 50: Der HCl-Springbrunnen - Einleitung

Ein Springbrunnen aus Chlorwasserstoff, klingt sehr extravagant oder? Genau genommen sprudelt im folgenden Experiment, die Salzsäure. Salzsäure ist die wässrige Lösung des Chlorwasserstoffs.

In diesem Zusammenhang etwas fortgeschrittene Säure/Base-Theorie gefällig?

Der Säure/Base-Begriff ist im Laufe der Geschichte stetig neu verfasst und erweitert worden. Ursprünglich stammt der Begriff Säure vom sauren Geschmack saurer Speisen und Getränke. A.L. de Lavoisier postulierte im 18. Jahrhundert (neben anderen, teils fundamentalen Gesetzmäßigkeiten), dass alle Säuren einen Stoff gemein hätten, den Sauerstoff. So kam zwar der Sauerstoff zu seinem Namen, die Theorie wurde aber schnell widerlegt.

Justus Liebig definierte Säuren 1838 als Stoffe, die Wasserstoff enthalten, da er in Reaktionen von Säuren mit Metallen Wasserstoff als Reaktionsprodukt entdeckt hatte. Diese Definition können wir schon auf unseren Chlorwasserstoff anwenden; er enthält Wasserstoff. Passenderweise wird er, in Wasser gelöst, ja auch als Salzsäure bezeichnet.

Eine genauere Definition entwickelte Svante Arrhenius, ein schwedischer Chemiker und Physiker. Säuren sind nach ihm Wasserstoffverbindungen, die in wässriger Lösung Wasserstoffionen (H+) liefern. Basen sind Verbindungen, die in wässriger Lösung Hydroxidionen (OH-) liefern. Das Entstehen dieser Ionen verstand man als Zerfall von Molekülen.

Johannes Nicolaus Brønsted, ein dänischer Chemiker und Künstler, erweiterte die Definition der Säuren und Basen von Arrhenius, da einige Stoffe sich nicht nach diesen Vorgaben einordnen ließen. Nach Brønsted sind Säuren Stoffe, die Protonen abgeben können (Protonendonatoren = Protonenspender), Basen sind Stoffe, die Protonen aufnehmen können (Protonenakzeptoren = Protonenempfänger).

Daraus folgt aber im Umkehrschluß auch, dass aus einer Säure (nehmen wir wieder unser HCl), die ihr Proton abgibt eine Base wird (Cl-), die nun selber wieder Protonen aufnehmen kann. Jede Base (etwa der Ammoniak: NH3) kann Protonen aufnehmen und wird zur Säure (NH4+). Säuren und Basen bilden also Paare. Gerade das Beispiel des Ammoniaks hatte bei Arrhenius zur Diskussion geführt. Es enthält keine Hydroxidionen, reagiert aber in Wasser nachweisbar als Base. Brønsteds Definition klärt auf:

Das Hydroxid, das Arrhenius postuliert hatte, entsteht als "Abfallprodukt" der Protonenaufnahme des Ammoniaks. Es wird dem umgebenden Wasser geradezu geklaut, ein Hydroxidion bleibt zurück.

Das war nun aber schon ein sehr umfangreicher Einstieg in die Säuren und Basen. Es ist Zeit sich dem sinnlichen Erlebnis der Säure/Base-Reaktion des Wassers mit Chlorwasserstoff zu zuwenden.

Sicherheitssymbole

Demonstrationsversuch Schutzbrille tragen! Im Abzug arbeiten! Reizend Neutralisieren!

Chemikalien

  • Natriumchlorid
  • Natriumhydrogensulfat
  • Rotkohlsaft

Materialien

  • Stative
  • gr. Reagenzglas
  • 2 durchbohrter Stopfen
  • Becherglas
  • Pipette
  • Rundkolben ohne Schliff
  • Korkring
  • gebogenes Glasrohr Bunsenbrenner
  • Glasrohr mit Verschluss

Durchführung

Man spannt ein großes Reagenzglas oder einen kleinen Erlenmeyerkolben in ein Stativ ein. In das Reagenzglas gibt man einige (5-6) Spatel Natriumchlorid und die gleiche Menge Natriumhydrogensulfat. Danach setzt man einen durchbohrten Stopfen darauf. In den Stopfen steckt man ein gewinkeltes Glasrohr, das in den Rundkolben führt.

Nun erhitzt man das Reagenzglas mit dem Brenner. Der entstehende Nebel füllt den Rundkolben. Ist der Rundkolben gefüllt (ca. 2min) verschließt man ihn mit dem zweiten durchbohrten Stopfen, in den man zur innen gewandten Hälfte eine dünne Pipette und zur außen gewandten Hälfte ein Glasrohr mit Verschlussmöglichkeit gesteckt hat.

Das Rohr muss nun verschlossen sein. Der Film verdeutlicht den Aufbau genauer. In ein Becherglas gibt man Wasser und etwas Rotkohlsaft oder einen anderen Säure/Base-Indikator, der leicht alkalisch eingestellt wurde.

Hinter dem Becherglas baut man ein Stativ mit Klemme auf. Die Klemme wird, wie auf dem Bild als Halterung für den Rundkolben dienen. Ist der Rundkolben eingespannt und taucht das Glasrohr in die Indikatorlösung kann der Verschluss des Glasrohres geöffnet werden.

Entsorgung

Übrig gebliebene Feststoffe und Lösungen vermischen, neutralisieren und in den Ausguss geben.

Ergebnisse

Öffnet man den Verschluss des Glasrohres steigt Wasser aus dem Becherglas im Rohr empor. Im Rundkolben spritzt es, wie ein Springbrunnen aus der Pipette und verteilt sich im Rundkolben. Auf dem Weg von unten nach oben ändert es seine Farbe.

Im Reagenzglas, das anfänglich erhitzt wurde verbinden sich Chloridionen des Natriumchlorids mit Wasserstoff des Natriumhydrogensulfats zu gasförmigen Chlorwasserstoff:

NaCl(s) + NaHSO4(s) → Na2SO4(s) + HCl(g)

Doch warum steigt das Wasser im geöffneten Glasrohr? 442 Liter Chlorwasserstoff können sich bei 20°C in einem Liter Wasser lösen. Etwas Chlorwasserstoff löst sich im eindringenden Wasser des Glasrohres. Dadurch verringert sich der Druck im Kolben, weil durch das gelöste Gas mehr Raum frei geworden ist. Man spricht von einem Unterdruck.

Der stärkere äußere Luftdruck drückt weiteres Wasser in das Rohr, um den freien Raum zu füllen. Wieder trifft Wasser auf Gas, das sich löst und so noch mehr Platz für Wasser schafft. Ein Kreislauf, der zu dem Springbrunnen im Rundkolben führt. Je mehr Wasser dabei auf Gas trifft, desto schneller verläuft die Reaktion. Das ist der Grund, warum die Reaktion im Rundkolben schneller abläuft.

Das im Wasser gelöste Chlorwasserstoffgas färbt den Indikator rot. In Wasser gelösten Chlorwasserstoff kennen wir unter dem Namen Salzsäure.

In Wasser gibt Chlorwasserstoff ein Proton ab, das von umliegendem Wasser gebunden wird. Diese Ionen wirken auf den Indikatorfarbstoff ein, was zum Farbwechsel führt.

HCl + H2O → H3O+ + Cl-

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Hinweise

Chlorwasserstoffdämpfe sind stark ätzend! Den Rundkolben nur im Abzug füllen! Bei dem Versuch entsteht ein merklicher Unterdruck im Rundkolben. Nur vollkommen beschädigungsfreie Rundkolben verwenden!

Versuchsvideo

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Versuchsbild

Bild zu Versuch: Der HCl-Springbrunnen

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NEU

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