Geräte:
Messzylinder oder Ähnliches, Bechergläser, Pipette
Chemikalien:
Natriumchlorat
Natriumsulfit
Schwefelsäure 15%
Passende Indikatoren die im schwach sauren umschlagen wie zB:
Bromphenolblau
Kongorot
Durchführung:
In einem Becherglas wurden 12,6 g (0,1 mol) Natriumsulfit und 3,56 g (33,4 mmol) Natriumchlorat in 50 ml Wasser aufgelöst.
(Alternativ kann auch die entsprechende molare Menge Kaliumchlorat benutzt werden, aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit löst es sich jedoch erst nach Zusammengeben der Lösungen auf)
In einem zweiten Becherglas wurden 9,9 ml (16,7 mmol) einer 15% Schwefelsäure auf 50 ml verdünnt.
Dann wurde die verdünnte Säure unter kräftigem Rühren zur Sulfit-Chlorat-Lösung zugegeben (nicht umgekehrt!) und auf 2 Messzylinder aufgeteilt. Im einen wurde Bromphenolblau, im anderen Kongorot als Indikator zugesetzt. (Kongorot löst sich interessanterweise in dem Ansatz relativ schlecht und neigt ein wenig zum Ausflocken).
Nun wurde auf beide Lösungen mit einer Pipette eine kleine Menge (ca 1 -2 ml) der 15% Schwefelsäure auf die Flüssigkeitsoberfläche aufgebracht sodass sich die Flüssigkeiten nur wenig miteinander vermischten.
Nach kurzer Zeit konnte man bereits beobachten, wie der Farbumschlag von Neutral auf Sauer (bei Bromphenolblau von Blauviolett nach Gelb, bei Kongorot von Rot-Orange nach Blau-Grau) langsam und gleichmäßig weiter nach unten im Zylinder wandert. Die Lösung erhitzt sich dabei merklich (ca. 50-60 °C!). Nach ca. 50 Minuten war die Reaktion beendet, die pH-Front am Boden der Zylinder angekommen.
Entsorgung:
Nach Verdünnung können die Abfälle durch die Kanalisation entsorgt werden.
Erklärung:
Die Reaktion:
ClO3- + HSO3- + 2 SO32- → Cl- + 3 SO42- + H+
sollte auf Basis der Standardpotenziale der Teilreaktionen:
ClO3- + 6 H+ + 6 e- ↔ Cl- + 3 H2O; E0 = 1,451 V
bzw.
SO42- + 4 H+ + 2 e- ↔ H2SO3 + H2O; E0 = 0,172 V
eigentlich ablaufen. Durch den höheren pH wird zwar das Potenzial des Chlorats gesenkt, allerdings bleibt es immer noch positiver als das System Sulfit/Sulfat. Der Grund liegt hier in einer kinetischen Hemmung der Reaktion, untersucht wurde das 1932 von Nixon und Krauskopf[2] die folgenden Zusammenhang fanden:
k ∼ [H+] [HSO3-] [ClO3-]
Bei pH = 7 läuft die Reaktion zu langsam ab, erst nach Zugabe einer "Startdosis" an zusätzlicher Säure läuft die Reaktion anfangs an der Oberfläche der Flüssigkeitssäule an. Dabei werden jedoch aus der Reaktion weitere H+ gebildet - diese sorgen dafür dass die Reaktion unter ihrem eigenen Einfluss immer weiter läuft, man sagt sie ist autokatalytisch.
Der zugesetzte Indikator macht dieses autokatalytische Fortschreiten unter Absinken des pH-Werts schön sichtbar.
Bilder:
Linker Zylinder = mit Bromphenolblau, rechts Kongorot.
Kongorot ist normalerweise in der alkalischen Form etwas röter, im sauren ein klares Blau. Offensichtlich kommt es hier zu einer teilweisen Oxidation und es ist nur eine grau-blaue Farbe erkennbar.
Literatur:
[1] J. Chem. Educ. (1983) 60, 11, p. 994 https://doi.org/10.1021/ed060p994.2
[2] J. Am. Chem. Soc. (1932) 54, 12, p. 4606–4608 https://doi.org/10.1021/ja01351a016
[3] https://archive.org/details/w.-m.-hayne ... 3/mode/2up
) aufgebracht wurde.