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Der chemische Geysir
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Der chemische Geysir

Dieser Schauversuch, bei dem eine Flüssigkeit mit einer Verzögerung spontan ins Sieden gerät, beruht auf einer autokalytischen Reaktion.


Material/Geräte:

Kelchglas ca. 100 ml, kleines Becherglas 50 ml, Teller


Chemikalien:

Kaliumchlorat (N, O, Xn)


Natriumdisulfit (Xn)




Sicherheitshinweise: Es werden giftige Gase (Schwefeldioxid) freigesetzt! Der Versuch muss unter dem Abzug oder im Freien ausgeführt werden! Schutzbrille tragen!


Versuchsdurchführung:

Man stellt eine Lösung von ca. 8 g Natriumdisulfit (ein gehäufter Esslöffel) in 20 ml Wasser her. Das Kelchglas wird mit 3-4 g festem Kaliumchlorat (ein leicht gehäufter Teelöffel) beschickt und auf einen genügend großen Teller gestellt. Dann gießt man die Natriumdisulfitlösung in einem Schwung in das Kelchglas und beobachtet. Nach etwa 20-25 Sekunden – die Zeit hängt vom Zerkleinerungsgrad des Kaliumchlorates und der Temperatur der Disulfitlösung ab - steigen erste Blasen auf. Diese werden in den nächsten 5 Sekunden größer und die Mischung nimmt einen gelblichgrünen Farbton an.

Dann geht alles sehr schnell. Binnen weniger Sekunden nimmt die Blasenbildung plötzlich zu, die Mischung erhitzt sich stark, gerät ins Sieden und schäumt über. Dabei wird Schwefeldioxid frei, das stark zum Husten reizt. Die zurückbleibende, farblose Lösung erzeugt mit Silbernitrat und Bariumchlorid Niederschläge (Nachweis von Chlorid und Sulfat), was bei den Ausgangsstoffen nicht der Fall ist.

Man kann den Versuch mit ganz kleinen Mengen (0,3 g Kaliumchlorat und 3 ml Natriumdisulfitlösung) auch in einem hohen Reagenzglas ausführen. Mehr darf aber nicht verwendet werden, weil die Reaktionsmischung sonst mit Wucht aus der Öffnung geschleudert wird! Schutzbrille und säurefeste Unterlage nicht vergessen!


Entsorgung:

Die Reste der Flüssigkeit werden über das Abwasser entsorgt.


Erklärungen:

Das Natriumdisulfit reagiert in wässriger Lösung durch Hydrolyse schwach sauer, indem Hydrogensulfit gebildet wird:

Na2S2O5 + H2O <---> 2 NaHSO3

Durch das saure Milieu wird aus dem Kaliumchlorat Chlorsäure freigesetzt, die in Clordioxid und Perchlorsäure zerfällt. Das Chlordioxid bewirkt die vorübergehend zu beobachtende Gelbfärbung des Ansatzes:

NaHSO3 + KClO3 ---> HClO3 + NaKSO3

3 HClO3 ---> 2 ClO2 + H2O + HClO4

Die Chlorsäure und das Chlordioxid sind starke Oxidationsmittel, die das Hydrogensulfit zu Hydrogensulfat oxidieren und dabei zu Chlorid resp. Salzsäure reduziert werden:

HClO3 + 3 NaHSO3 ---> 3 NaHSO4 + HCl

2 ClO2 + H2O + 5 NaHSO3 ---> 5 NaHSO4 + 2 HCl

Die Reaktion setzt also in ihrem Verlauf Salzsäure und Hydrogensulfat frei. Diese Säuren, viel stärker als das Hydrogensulfit, verstärken die Bildung von Chlorsäure aus dem Kaliumchlorat, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit in einer positiven Rückkopplung autokatalytisch immer mehr zunimmt und so viel Wärme frei wird, daß die Flüssigkeit schließlich aufsiedet. Das Schwefeldioxid ist ein Nebenprodukt, das durch Einwirkung der Säuren auf überschüssiges Natriumhydrogensulfit entsteht:

NaHSO3 + HCl ---> NaCl + H2O + SO2

Man kann die Reaktion zur Vernichtung von Chlorat-Abfällen in Lösung verwenden, wenn man vor Zugabe des Hydrogensulfits so viel Alkali (z.B. Natriumcarbonat) zusetzt, daß die entstehenden Säuren neutralisiert werden. Sie braucht dann mehr Zeit, verläuft ganz ruhig (etwa 1 Stunde stehen lassen) und es wird kein Schwefeldioxid frei.

Ein anderes Beispiel für eine autokatalytische Reaktion ist die Oxidation von Oxalsäure durch Kaliumpermanganat. Auch hier verläuft die Reaktion zunächst langsam und wird durch die gebildeten Mn2+-Ionen immer mehr beschleunigt.


Bilder:




Kelchglas mit Kaliumchlorat, links die Disulfitlösung
































Die Geysir-Reaktion

Literatur:

Hofmann U, Rüdorff W: Anorganische Chemie; 16. Auflage 1956, Friedrich Vieweg & Sohn, Braunschweig

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NI2
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Perfekt dokumentiert... Erinnert mich an Chemie-Schulbücher Smile
Diese zeitverzögerte Katalyse zeigt sich auch bei H2O2 und einer einer FeCl3-Lösung - wie ich leidlich erfahren dürfte xD

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Pok
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Die Fotos sehen wirklich (schul)buchreif aus. Uhr, Kelchglas usw. alles wie es lehrbuchmäßig sein soll. Wink
Ein Video wäre dazu eigentlich schön. Geht das mit deiner Kamera und kannst du sowas auf ner Videoplattform hochladen?

An die Forenhäuptlinge: Einbetten von Videos geht mit diesem Foren-Format (php3 pipapo) wohl generell nicht, oder? Gehen also wirklich bei Videos immer nur unauffällige, kleine links? Das motiviert nämlich meistens nicht so sehr, draufzuklicken (im Ggs. zu eingebetteten Videos), finde ich.
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NI2
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Das Thema hatte ich mit Jan auch schon,... Momentan ist noch keine Einbettung möglich, das würde noch ein Skript erfordern, aber Jan wollte es weiterleiten - ist also - *räusper* mehr oder weniger *räusper* - in Arbeit ^^

EDIT: @Lars: PALI-POST! Very Happy

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Wow, das sieht wirklich super aus! Muss ich morgen unbedingt mal ausprobieren Smile
EDIT:Hmm... Mist habe kein Natriumdisulfit, hab mich verlesen :/ Ob man das woh leicht irgendwie herstellen kann?
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Bei den Fotos hatte ich professionelle Hilfe. Nachdem ich schon genervt aufgeben wollte, weil ich es bei 5 (in Worten: fünf!) Versuchsansätzen nicht geschafft hatte, den Moment des Aufschäumens abzulichten (wegen der dämlichen Auslöseverzögerung meiner Kamera), habe ich meine Tochter um Hilfe gebeten. Die hat eine tolle Kamera mit der man Papparazzi-mäßige Serienbilder machen kann. Stativ aufbauen, einmal einstellen und alles im Kasten!

Ich finde übrigens so eine Bilderserie viel besser als ein Video, weil man die einzelnen Stadien der Reaktion besser analysieren kann. Es ist wie eine Zeitlupe, nur daß man jedes einzelne Bild in Ruhe betrachten und vor- und zurückscrollen kann. Die Uhr erlaubt eine Analyse des Reaktionsablaufes. (@Pok: ich könnte ja mal die Stärke des Blubberns graphisch darstellen!Mr. Green). Man kann zum Bespiel genau nachsehen, wie lange es vom ersten Blubbern bis zum "Geysirausbruch" dauert, wann die Verfärbung der Lösung eintritt u.s.w. Ausserdem sind die Fotos doch einfach schön, oder!?

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Wie immer super gemacht!

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Pok
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lemmi hat Folgendes geschrieben:
@Pok: ich könnte ja mal die Stärke des Blubberns graphisch darstellen!Mr. Green

Das ist eine absolut geniale Idee! Auf sowas muss man erstmal kommen! Mr. Green

Na klar sind die Bilder super. Aber ein Video wäre zusätzlich trotzdem schön. Mir ist nämlich erst bei genauer Betrachtung aufgefallen, dass die extreme Sprudelphase so kurz ist. Ok, da steht ne fette Uhr daneben, aber trotzdem. Wink Solche Fotos sind auf jeden Fall ästhetischer als ein Video, aber ein Video hat auch seine Vorzüge.

@NI2: na dann macht mal hinne mit dem Skript! Very Happy Das würde das Forum noch wesentlich attraktiver machen.

Edit: meinen Pali-Post hab ich gerade verpasst. Verfluchte Sch***. Pali(m), pali(m)!
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Eine sehr schöne Show - mit einfachsten Mitteln und dennoch effektvoll!

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Der chemische Geysir
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