Weihnachtsvorlesung 2020

Was sehe ich?

Sie sehen Spiritusbrenner, deren Flamme farbig brennt.

Warum sehe ich das?

In den Spiritusbrennern befindet sich Methanol, in welchem Natriumchlorid (gelbe Flamme), Lithiumnitrat (rote Flamme), Borsäure (grüne Flamme) oder Indiumchlorid (indigoblaue Flamme) gelöst würde. Durch die hohe Temperatur während der Reaktion des Methanols mit dem Sauerstoff der Luft (also der eigentlichen Verbrennung) werden die Außenelektronen der Metallkationen thermisch angeregt und geben beim Übergang in den Ausgangszustand die zuvor aufgenommene Energie in Form eines für das jeweilige Element charakteristisch gefärbten Lichts wieder ab. Borsäuretrimethylester bildet sich aus der Borsäure und dem Methanol verbrennt mit grüner Flamme.

\begin{align} 2 CH_3OH + 3 O_2 &\rightarrow 2 CO_2 + 4 H_2O + \Delta T (mit~ \Delta T = Wärme)\\ NaCl + \Delta T &\rightarrow Na\cdot + Cl\cdot\\ InCl_3 + \Delta T &\rightarrow In\cdot + 3 Cl\cdot\\ 2 LiNO_3 + \Delta T &\rightarrow 2 Li\cdot + 2 NO_2 + O_2\\ M\cdot + \Delta T &\rightarrow M\cdot ^* \rightarrow M\cdot + h\cdot \nu \\ (mit~M = Metall, & ^* = angeregter~Zustand~und~h\cdot \nu = Licht)\\ B(OH)_3­ + CH_3OH &\rightarrow B(OCH_3)_3 + 3 H_2O\\ 2 B(OCH_3)_3 + 9 O_2 &\rightarrow B_2O_3 + 6 CO_2 + 9 H_2O \end{align}

Verweise auf Literatur bzw. Interessantes

Durch die photometrische Analyse des emittierten Lichts einer Sphalerit-Probe (Zinksulfid) aus dem Freiberger Revier konnten Ferdinand Reich und Hieronymus Theodor Richter 1863 an Bergakademie Freiberg das Indium aufgrund seiner intensiven Indigoblauen Spektrallinie als neues Element identifizieren.

Die Reaktion von Borsäure mit Alkoholen wurde früher als Nachweis für Methanol genutzt, da der sich ergebende Borsäuretrimethylester eine komplett grüne Flamme bei der Verbrennung zeigt. Die Borsäureester von Alkoholen mit einem größeren Kohlenstoffanteil (zum Beispiel der Trinkalkohol Ethanol) zeigen bei der Verbrennung eine gelbliche Flamme mit grünem Saum, da der Kohlenstoff nicht vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird und die Rußpartikel in der Flamme gelb glühen. So kann Methanol in gepanschtem Trinkalkohol nachgewiesen werden.

Was sehe ich?

Sie sehen die Verbrennung eines zunächst weißen Salzes. Dabei wächst aus dem Salz ein gelb-graues schlangenartiges Gebilde heraus.

Warum sehe ich das?

Bei dem Salz handelt es sich um Quecksilber(II)-thiocyanat (Hg(SCN)₂). Wird dieses erhitzt, so zersetzt es sich zu Kohlenstoffnitrid (C₃N₄), Quecksilber(II)-sulfid (HgS) und Kohlenstoffdisulfid (CS₂). Letztere werden dann durch den Luftsauerstoff oxidiert (verbrannt), wobei die gasförmigen Stoffe Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Schwefeldioxid (SO₂) entstehen. Diese blähen das feste Kohlenstoffnitrid zu einem Schaum auf, welcher dann in Form einer gelben Schlange zu wachsen beginnt. Die zum Teil graue Färbung ist auf nicht umgesetztes Quecksilber(II)-sulfid bzw. elementares Quecksilber (Hg) zurückzuführen. \begin{align} 2 Hg(SCN)_2 &\rightarrow 2 HgS + CS_2 + C_3N_4\\ HgS + O_2 &\rightarrow Hg + SO_2\\ CS_2 + 3 O_2 &\rightarrow CO_2 + 2 SO_2 \end{align}

Verweise auf Literatur bzw. Interessantes

Dieser Versuch wurde früher unter dem Namen „Pharaoschlangen“ als Scherzartikel angeboten. Aufgrund der Toxizität des Quecksilber(II)-thiocyanates und der entstehenden Quecksilberdämpfe, ist dies heutzutage jedoch nicht mehr vertretbar. (Der hier gezeigte Versuch wurde natürlich unter Einhaltung aller nötigen Sicherheitsvorkehrungen durchgeführt.)

Als ungiftige Alternative können auch Emser Pastillen oder Zucker mit Hilfe von Brennspiritus verbrannt werden. Die dabei entstehenden Schlangen ähneln dann der im Versuch „Zucker mit Schwefelsäure“ entstandenen Schlange.

Was höre ich?

Sie hören einen lauten Knall.

Warum höre ich das?

Ein Gemisch aus Kaliumperchlorat (KClO₄) und Aluminium (Al) wird entzündet. Dabei kommt es zu einer Redoxreaktion, bei welcher das Kaliumperchlorat zu Kaliumchlorid reduziert, und das Aluminium zu Aluminiumoxid (Al₂O₃) oxidiert wird. Bei dieser Reaktion wird eine große Menge Energie in Form von Wärme augenblicklich frei, wodurch sich die Luft um die Reaktion schlagartig ausdehnt. Die so entstehende Druckwelle ist in Form eines Knalls zu hören. \[ 3 KClO_4 + 8 Al \rightarrow 3 KCl + 4 Al_2O_3 \]

Verweise auf Literatur bzw. Interessantes

Dieses Gemisch wird in der Pyrotechnik auch als „Blitzknallsatz“ (BKS) bezeichnet, da neben der optischen Lichterscheinung (Blitz) auch ein lautes akustisches Geräusch (Knall) wahrnehmbar ist.

Neben Kaliumperchlorat können auch andere Oxidationsmittel wie Chlorate oder Nitrate eingesetzt werden. Als Aluminiumalternative kann Magnesium verwendet werden.

Was sehe ich?

Sie sehen die Verfärbung einer violetten Lösung hinzu blau bzw. grün.

Warum sehe ich das?

Es handelt sich um eine klassische Säure-Base-Reaktion. Durch die Änderung des pH-Wertes ändert sich die chemische Struktur eines so genannten Indikators (hier: Cyanidinchlorid), wodurch sich die Absorptionsbanden in Bezug auf das sichtbare Licht verschieben, was wir in Form der Komplementärfarbe wahrnehmen. Während die Farbe im sauren Milieu rot wird, ist im starken alkalischen Milieu die Farbe erst blau, dann grün und letztendlich (bei starken Laugen) durch Zerstörung der Struktur gelb.

Verweise auf Literatur bzw. Interessantes

Viele Pflanzen enthalten derartige Farbstoffe, um sich zum Beispiel vor Fressfeinden zu schützen. Biologen und Biochemiker können anhand einer Farbänderung die Reaktion der Pflanzen auf sich verändernde Umwelteinflüsse erkennen.

In Naturwissenschaft und Technik werden Indikatoren zur Bestimmung von Konzentrationen genutzt. Zum Beispiel kann so in einem Klärwerk die Reinheit von aufbereitetem Wasser bestimmt werden. Auch für die Züchtung von Fisch ist eine genaue Überwachung des pH-Wertes wichtig.