Das hier dokumentierte Experiment wurde während des Illumina-Treffens 2018 durchgeführt. An der Planung und Durchführung beteiligt waren (in alphabetischer Reihenfolge): bj68, Cumarinderivat, lemmi, Reosir und Vanadium. Die außerordentlich hohe Reduktionskraft des Natriumelektrids wurde durch Umsetzung mit Teflon, einem sonst eher als inert bekannten Material, demonstriert.
Material/Geräte:
Rundkolben 250ml mit gut regulierbarer Heizmöglichkeit (hier Luftbad), Waschflasche, Glaswolle, Kühlfalle mit Kunststoffgefäß als Kühlbad, Stativmaterial, Schlauchverbindungen
Chemikalien:
Natriumhydroxid
Ammoniumchlorid
Natrium
abs. Ethanol, vergällt
flüssiger Stickstoff
Sicherheitshinweise:
Wegen des freiwerdenden Ammoniaks muss unter dem Abzug oder - wie hier - im Freien gearbeitet werden. Vorsicht beim Umgang mit flüssigem Stickstoff! Für gute Lüftung sorgen und Kontakt mit der Haut vermeiden (Gefahr von Erfrierungen).
Versuchsdurchführung:
Der Versuchsaufbau bestand aus einem 250 ml-Rundkolben, einer nachgeschalteten Waschflasche und schließlich der Kühlfalle (siehe Bilder). In den Rundkolben wurden je ca. 2 Esslöffel Ammoniumchlorid und Natriumhydroxid (in feinen Perlen) gegeben. Die Waschflasche diente zum Trocknen des entwickelten Ammoniaks und wurde mit mehreren Lagen Glaswolle, zwischen die Natriumhydroxid eingebracht wurde, beschickt. Die Kühlfalle ragte in einen großen Plastikbecher, der zur Hälfte mit Brennspiritus gefüllt wurde.
Die Gasentwicklung wurde durch mildes Erwärmen des Rundkolbens beschleunigt. Dazu wurde ein elektrisches Heizbad ohne Badflüssigkeit, quasi als Luftbad, verwendet (ein kleiner Brenner hätte sicher auch funktioniert). Der als Kühlbad dienende Ethanol wurde durch vorsichtiges, portionsweises Eingießen von flüssigem Stickstoff unter Rühren mit einem Glasstab auf eine Temperatur zwischen -40 °C und -80 °C abgekühlt (Kontrolle mit einem Tieftemperaturthermometer). Dabei war zu beobachten, dass der Ethanol eine zähe, sirupartige Konsistenz annahm.
Bereits nach wenigen Minuten war ein erstes, wasserklares Kondensat in der Kühlfalle zu beobachten. Nachdem sich einige Milliliter angesammelt hatten, wurde ein etwa 1 x 1 x 5 mm großer Span Natrium zugegeben, der sich sofort mit dunkelblauer Farbe auflöste. Zeitweise wurde anfangs auch eine gelbrote, metallische Farbe beobachtet. Da die Temperatur des Kühlbads unter -80 °C lag, erstarrte der Inhalt der Kühlfalle zeitweise und musste durch kurzes Herausnehmen aus der Kühlflüssigkeit wieder verflüssigt werden.
Dann wurde ein ca. 2 cm langes Stück eines Teflonbandes zugegeben. Nach ein bis zwei Minuten in der flüssigen Mischung hellte sich diese immer mehr auf und wurde schließlich farblos und fast klar. Das Teflonband hatte sich pechschwarz verfärbt.
Zur Beendigung des Versuchs wurden Heizung und Kühlbad entfernt und das austretende Ammoniak in einer mit wenig Wasser (so wenig, dass das Einleitungsrohr nicht in das Wasser eintauchte) beschickten Waschflasche teilweise absorbiert. Bemerkenswert war, dass die Temperatur der Kältemischung nach der letzten Zugabe von flüssigem Stickstoff noch für längere Zeit weit unter 0 °C blieb (es dauerte sicher eine halbe Stunde bis über -30 °C erreicht wurden).
Das schwarz verfärbte Teflonband war nach dem Versuch noch immer zusammenhängend, bei der Prüfung mit einem Multimeter jedoch elektrisch leitend. Der Versuch, in der Lösung des Rückstandes aus der Kühlfalle Fluoridionen nachzuweisen, gelang leider nicht eindeutig (es wurde versucht, mit Calciumchloridlösung Calciumfluorid auszufällen und verdünnte Eisen(III)-thiocyanatlösung zu entfärben) - vermutlich wegen der sehr geringen Menge.
Entsorgung:
Die Rückstände in der Kühlfalle sowie im Rundkolben werden vorsichtig in Wasser gelöst, neutralisiert und über das Abwassernetz entsorgt.
Erklärungen:
Das hier aus Ammoniumchlorid und Natriumhydroxid gasförmig entwickelte Ammoniak:
NH4Cl + NaOH ---> NH3 + NaCl + H2O
besitzt einen Schmelzpunkt von -78 °C und einen Siedepunkt von -33 °C. Es lässt sich daher bei entsprechender Kühlung (flüssiger Stickstoff hat eine Temperatur von -196 °C, Ethanol erstarrt erst bei -114,5 °C) verflüssigen, ja sogar verfestigen. In flüssigem Ammoniak löst sich metallisches Natrium unter Dissoziation in Natriumionen und freie Elektronen:
Na ---> Na+ + e-
Die Bezeichnung Elektrid deutet an, dass die freien Elektronen hier ähnlich wie bei einem Salz als Anion fungieren. Es handelt sich beim Natriumelektrid somit quasi um das “Elektronensalz“ des Natriums. Unter den Bedingungen des Versuchs findet keine Reaktion des Natriums mit dem flüssigen Ammoniak statt. Lässt man eine Natriumelektridlösung sich über den Siedepunkt des Ammoniaks erwärmen, so verdampft dieses und metallisches Natrium bleibt zurück. Nach Literaturangaben soll sich aber Natriumamid bilden, wenn Eisen(III)-Ionen zugegen sind, die als Katalysator fungieren:
2 Na + 2 NH3 --- (Fe3+) ---> 2 NaNH2 + H2
Die freien Elektronen sind für die dunkelblaue Farbe der Lösung verantwortlich - in hoher Konzentration ist die Farbe bronzerot wie im Versuch passager beobachte - die elektrisch leitend ist und stark reduzierend wirkt. Wahrscheinlich durch die Reaktion mit Spuren von Wasser:
2 H2O + 2 e- ---> H2 + 2 OH-
sinkt die anfangs hohe Konzentration von Elektridionen (Bronzefarbe), so daß eine anhaltend schwarzblaue Farbe resultiert. Teflon (Polytetrafluoethylen) wird von der Natriumelektridlösung unter Bildung von Natriumfluorid reduziert. Während man zunächst annehmen könnte, dass einfach Kohlenstoff entsteht, wird nach einem 1988 veröffentlichten Artikel (Charkarbarty N, Jacobus J; Macromolecules 21 (1988): 3011-3014) ein polymeres Reaktionsprodukt der empirischen Formel C3H2F3 gebildet, das schwarz gefärbt ist und sich nach unserer Messung offenbar elektrisch leitend verhält.
Bilder:
Der Versuchsaufbau
Die Kühlfalle in der Kältemischung, man erkennt die Gelartige Konsistenz des stark gekühlten Ethanols
Natriumelektridlösung in flüssigem Ammoniak
Entfärbung der Lösung nach Zugabe des Teflonstreifens
(Bilder 1-4 von Vanadium, Bild 5 von Cumarinderivat)
Danksagung:
bj68 hat den flüssigen Stickstoff für diesen Versuch zur Verfügung gestellt. Die Geräte und Chemikalien stammten von Cumarinderivat. Besonderer Dank gebührt Cumarinderivats Eltern, die uns die Durchführung des doch "anrüchigen" Experiments in ihrer Garage gestatteten. Reosir hat die Literaturstelle, in der die Reaktion von Teflon mit dem Elektrid beschrieben ist, ausfindig gemacht.
warum eigentlich nicht das Ca aus dem Glas? 
Zwischen Teflon und Erdalkalioxiden liegen Welten. Das sieht man beispielsweise bei der Mischung MTV, die vom Militär eingesetzt wird um Flugzeuge und Helikopter vor zielsuchenden Waffen zu schützen. 
