Fortschreitende pH-Front

Hier werden zunächst alle Artikel gesammelt, bis sie nach Qualitätskontrollen in die entsprechenden Foren verschoben werden.

Moderatoren: Moderatoren, Assistenten

Benutzeravatar
mgritsch
Illumina-Admin
Beiträge: 3488
Registriert: Montag 8. Mai 2017, 10:26
Wohnort: in den Misanthropen

Fortschreitende pH-Front

Beitrag von mgritsch »

Fortschreitende pH-Front


Geräte:

Messzylinder oder Ähnliches, Bechergläser, Pipette


Chemikalien:

Natriumchlorat Warnhinweis: oWarnhinweis: attnWarnhinweis: n
Natriumsulfit
Schwefelsäure 15% Warnhinweis: c
Passende Indikatoren die im schwach sauren umschlagen wie zB:
Bromphenolblau
Kongorot Warnhinweis: xn


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:

Compilation.jpg
Verlauf der Reaktion, Gesamtdauer ca. 50 Minuten.
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

Benutzeravatar
Seaborg
Illumina-Mitglied
Beiträge: 205
Registriert: Sonntag 9. Mai 2021, 10:17
Wohnort: Bereich Jülich
Kontaktdaten:

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von Seaborg »

Sehr ästhetisch dargestellter, wahrscheinlich sehr "Leistungskurs"- tauglicher Oberstufen-Versuch.
Und der Titel, den du vorangestellt hast, ist darüberhinaus auch von pol.-mil. Zeitbezug. :cry:

Seaborg

Benutzeravatar
lemmi
IllumiNobel-Gewinner 2012
Beiträge: 4836
Registriert: Freitag 6. Januar 2012, 09:25

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von lemmi »

Sehr interessant! Das ist dieselbe Reaktion wie beim chemischen Geysir . Ich finde es spannend, wie man den Ablauf umgestalten kann, wenn man die Ausgangsbedingungen ändert!

Was mich noch interessieren würde ist, was passiert, wenn man keine Schwefelsäure oben in den Zylinder gibt. Würde dann sich irgendwann spontan eine Reaktionsfront ausbilden?
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher." (A. Einstein 1871 - 1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung der Leute, die die Welt nie gesehen haben." (Alexander v. Humboldt, 1769 - 1859)

aliquis
Illumina-Mitglied
Beiträge: 1411
Registriert: Dienstag 28. September 2021, 00:58

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von aliquis »

Sehr hübsch. :)
Wegen des Chlorats leider nichts zum zu Hause Nachmachen... :(
Aber schön, dass man sowas auf diese Weise wenigstens mal vom Profi zu sehen bekommt. Daher doppeltes Dankeschön für den Artikel. :thumbsup:

Benutzeravatar
immi07
Illumina-Mitglied
Beiträge: 1100
Registriert: Samstag 12. Dezember 2020, 21:23
Wohnort: Oderbruch - das schönste Nichts

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von immi07 »

Hallo aliquis,

hier gibts eine wandernde pH-Front in kindertauglich.

Grüße von Johanna und Thomas
Wenn Du ein Schiff bauen willst, dann rufe nicht die Menschen zusammen, um Pläne zu machen, Arbeit zu verteilen, Werkzeug zu holen und Holz zu schlagen, sondern lehre sie die Sehnsucht nach dem weiten, endlosen Meer. Dann bauen sie das Schiff von alleine. Antoine de Saint-Exupéry

Du hast eine Handvoll Brombeeren und wirfst sie zur Erde. Sie verbinden sich mit der Erde zu Erdbeeren. Und Brom wird frei.

aliquis
Illumina-Mitglied
Beiträge: 1411
Registriert: Dienstag 28. September 2021, 00:58

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von aliquis »

Jein, es ist keine vergleichbare Reaktion, da sie nicht über Autokatalyse mit kinetischer Hemmung läuft, sondern einfach nur Diffusion mit Neutralisation ist.
Ein schöner Versuch für Eltern mit ihren Kindern ist das Rotkohlexperiment aber natürlich trotzdem. :thumbsup:

Bin gerade am Überlegen, ob ein bekannter Algenbelagsentferner mit 30 % legalem Chloratgehalt unter Anpassung der benötigten Menge stattdessen auch verwendbar wäre oder ob die restlichen 70 % NaCl dabei stören würden... :idea2:

Die genannten Indikatoren habe ich ebenfalls leider nicht zur Hand, Methylorange/-rot sollte aber auch funktionieren, oder?

Benutzeravatar
lemmi
IllumiNobel-Gewinner 2012
Beiträge: 4836
Registriert: Freitag 6. Januar 2012, 09:25

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von lemmi »

Dass die stören, glaube ich kaum. Probieren geht über Studieren. Du solltest aber den Gehalt des Algenvernichters prüfen! (Anleitung) Ich hab' da schon Überraschungen erlebt - siehe den verlinkten Thread...

Ansonsten kann man das NaClO3 relativ einfach anreichern, indem man den großen Löslichkeitsunterschied in der Hitze im Vergleich zum NaCl ausnutzt. Beim Abkühlen kristallisiert das Chlorat aus, Natriumchlorid bleibt in Lösung.
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher." (A. Einstein 1871 - 1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung der Leute, die die Welt nie gesehen haben." (Alexander v. Humboldt, 1769 - 1859)

aliquis
Illumina-Mitglied
Beiträge: 1411
Registriert: Dienstag 28. September 2021, 00:58

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von aliquis »

Jepp, ich weiß. Habe mein Zeug* schon mit Deiner Methode getestet: 39 statt 30 % - es geht also in beide Richtungen, bin mir aber nicht ganz sicher, ob es im Gebinde aufgrund der unterschiedlichen Dichten nicht auch zu einer teilweisen Entmischung durch transportbedingtes Schütteln kommen kann...
Die Frage wäre ja, wer im Zweifelsfall strafrechtlich für Konzentrationsabweichungen nach oben haftet. Ich denke, da käme wohl Paragraph 153 StPO zum Tragen - gehört aber in einen anderen Threat.
Wahrscheinlich hat der Hersteller mit seinen aktuellen 30 % schon bewusst 10 % Luft nach oben gelassen, damit der Grenzwert auch im ungünstigsten Falle nicht überschritten wird. Bei Deinen 43 % müsste man streng genommen schon bis spätestens Ende 2015 noch ein bisschen Kochsalz dazugeschüttet haben, damit man unter besagten 40 % bleibt... sofern vorher nicht ohnehin längst alles auf die Gehwege (und ja nichts daneben - das arme Unkraut... :wink: ) aufgebracht wurde.
Anreichern oder Aus-/Umfällen kommt umgekehrt für mich nicht in Frage - da bleib' ich lieber sauber... :angel:

* Wer es auch mal auf seinen Gehwegen ausprobieren möchte (funktioniert gut!), dem nenne ich auf Anfrage gern den Namen des Produkts per PN. Achja, und sowas - auch wenn legal - besser nicht bei der Amazone kaufen, schon gar nicht im Bulk...

Benutzeravatar
mgritsch
Illumina-Admin
Beiträge: 3488
Registriert: Montag 8. Mai 2017, 10:26
Wohnort: in den Misanthropen

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von mgritsch »

lemmi hat geschrieben:
Donnerstag 23. Juni 2022, 12:27
Sehr interessant! Das ist dieselbe Reaktion wie beim chemischen Geysir . Ich finde es spannend, wie man den Ablauf umgestalten kann wenn man die ausgangsbedingungen ändert!
cool, der Zusammenhang war mir nicht aufgefallen :) Ja, wenn alles als Hydrogensulfit vorliegt dann startet die Mischung angesichts des niedrigeren pH-Werts wohl gleich unkontrolliert durch...
Was mich noch interessieren würde ist, was passiert, wenn man keine Schwefelsäure oben in den Zylinder gibt. Würde dann sich irgendwann spontan eine Reaktionsfront ausbilden?
Das kommt jetzt drauf an wie gering die Reaktionsrate ist. Die ~Stunde während die Front sich nach unten arbeitete, passierte unten mal nichts. Wenn man ggfs Tage oder Wochen wartet - vielleicht wird es irgendwann selbst "kritisch".

Ich rechne nicht mit dem Ausbilden einer Front da auf den langen Zeitskalen die Diffusion jeglichen vorübergehenden pH-Gradienten zunichte machen würde. Wenn dann eher ein stark verzögerter "Geysir-Ausbruch"...

Die Geduld habe ich jedenfalls nicht :)

Benutzeravatar
lemmi
IllumiNobel-Gewinner 2012
Beiträge: 4836
Registriert: Freitag 6. Januar 2012, 09:25

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von lemmi »

Zusatzfragen: :wink:

1. gehen auch andere Indikatoren? Hast du noch andere ausprobiert?
2. Gibt es eine Möglichkeit, das Voranschreiten der Front zu beschleunigen, z. B indem man die (Ausgangs)Temperatur erhöht?
Du schreibst von einer deutlichen Temperaturerhöhung. Nimmt die Wanderungsgeschwindigkeit der Front vielleicht im Zeitverlauf zu ?
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher." (A. Einstein 1871 - 1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung der Leute, die die Welt nie gesehen haben." (Alexander v. Humboldt, 1769 - 1859)

Benutzeravatar
mgritsch
Illumina-Admin
Beiträge: 3488
Registriert: Montag 8. Mai 2017, 10:26
Wohnort: in den Misanthropen

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von mgritsch »

Andere Indikatoren - jeder der zwischen zumindest 3 und 6 umschlägt und mit ein wenig Rest-Sulfit oder Chlorat umgehen kann ohne ausgebleicht zu werden. Kongorot war da wohl schon an der Grenze was das betrifft. Ich gestehe ich habe den pH der abreagierten Lösung nicht mehr gemessen, vermute aber <2.

Geschwindigkeit: Temperatur hat noch jede Reaktion beschleunigt :) sonst noch:
k ∼ [H+] [HSO3-] [ClO3-]
Somit sollte auch das Erhöhen der Edukt-Konzentration beschleunigen. Mit NaClO3 sollte das ja möglich sein.
Man könnte sich auch herantasten ob eventuell ein etwas niedrigerer Start-pH des Puffers zu einer schnelleren Front verhilft…

Da die warme Reaktionszone oben ist, kommt es zu keiner Erwärmung des Ansatzes unten. Ich habe mir den Spaß gemacht und ml-Markierungen vs Minuten (aus Foto-Timestamp) aufgeplottet - perfekt linear! Da kannst du die Uhr danach stellen :) Und beide Gläser perfekt im Gleichschritt (um zur Front den passenden martialischen Ausdruck zu benutzen…)

aliquis
Illumina-Mitglied
Beiträge: 1411
Registriert: Dienstag 28. September 2021, 00:58

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von aliquis »

Gerade ausprobiert (mit 9,13 g 39 %igem Algenentferner): Methylrot und -orange bleichen aus, und andere Indikatoren, die in dem Bereich umschlagen, habe ich leider nicht da... :(

Benutzeravatar
mgritsch
Illumina-Admin
Beiträge: 3488
Registriert: Montag 8. Mai 2017, 10:26
Wohnort: in den Misanthropen

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von mgritsch »

aliquis hat geschrieben:
Donnerstag 23. Juni 2022, 20:45
Gerade ausprobiert (mit 9,13 g 39 %igem Algenentferner): Methylrot und -orange bleichen aus, und andere Indikatoren, die in dem Bereich umschlagen, habe ich leider nicht da... :(
Top, somit geprüft dass es mit Haushaltsmitteln machbar ist.
Mit gelb-farblos sieht es halt nicht so intensiv aus, aber war zu erwarten. Methylrot oder -orange benutzt man ja zB als (irreversiblen) Indikator bei der Bromatometrie.

Wenn ich meine Liste ansehe gäbe es in dem Bereich:
Dimethylgelb 2,9 4,0 Rot - gelb
2,4-Dinitrophenol 2,8 4,7 farblos - gelb
Bromchlorphenolblau 3,0 4,6 gelb - blauviolett
Methylorange 3,3 4,3 rot - gelborange
Bromphenolblau 3,4 4,2 gelb - blauviolett
Kongorot 3,0 5,2 blau - gelborange
Bromkresolgrün (Bromkresolblau) 3,8 5,4 gelb - blau
2,5-Dinitrophenol 4,0 5,8 farblos - gelb
Methylrot 4,7 5,4 rot - gelborange
Alizarinrot S 4,4 5,8 gelb - rosa
Chlorphenolrot 4,8 6,4 gelb - rotviolett

Alizarin als Anthrachinon sollte zB sehr stabil sein und ist recht verbreitet. Und die halogenierten sind recht stabil.

aliquis
Illumina-Mitglied
Beiträge: 1411
Registriert: Dienstag 28. September 2021, 00:58

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von aliquis »

Von den genannten und neben den bereits ausprobierten könnte ich nur noch Alizarin S anbieten, allerdings nicht als Anthrachinon. Von Dithionit wird Alizarin entfärbt, ob Hydrogensulfit das auch schafft, weiß ich nicht.
Vll. probiere ich es mal zum Vergleich aus, falls ich mir auch irgendwann noch das Bromphenolblau zulegen sollte. Auf meiner Wunschliste ganz oben steht momentan jedoch zuerst das teure Thymolblau - welches hier natürlich gar keine Rolle spielt.

Beim Algenentferner löst sich das viele NaCl übrigens auch erst in dem Mehr an Wasser auf, das über die stark verdünnte Schwefelsäure eingetragen wird - stört ja aber nicht weiter.

Benutzeravatar
mgritsch
Illumina-Admin
Beiträge: 3488
Registriert: Montag 8. Mai 2017, 10:26
Wohnort: in den Misanthropen

Re: Fortschreitende pH-Front

Beitrag von mgritsch »

„Alizarin als Anthrachinon“ bedeutet nicht eine spezielle Form.
Alizarin S ist ein Anthrachinon-Derivat (1,2-dihydroxy-9,10-anthrachinon-3-sulfonat). Solltest du als Chemiker wissen ;) Zumindest ggü Oxidationsmitteln sind Anthrachinone meist sehr beständig, daher auch als beständige Textilfarben beliebt.

Und Dithionit ist mit E0= -1,12V (bei pH 14) eines der stärksten Reduktionsmittel überhaupt in der wässrigen Kiste. Da sind Welten bis zu Sulfit.

Antworten