Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie Übungen im Experimentalvortrag Kochsalz Chemie, Eigenschaften und Bedeut

1. Philipps-Universität MarburgFachbereich ChemieÜbungen im ExperimentalvortragKochsalzChemie, Eigenschaften und Bedeutung gehalten von:Andrea Bontjer

2. Einleitung "Salz ist unter allen Edelsteinen, die uns die Erde schenkt, der Kostbarste." Justus von Liebig „Auf Gold kann man verzichten, nicht aber auf Salz.“ Cassiodor (röm. Staatsmann, 6. Jh.)

3. Einleitung Kochsalz – das „weiße Gold“ bis ins 19. Jh.: Salz war wertvolles und knappes Gut Städte mit Salzvorkommen: Wohlstand und Macht „Salz“ oder „hall“ (von keltisch hal: Salz) in vielen Ortsnamen: Halle, Bad Reichenhall, Schwäbisch Hall, Salzburg, Hallstatt Salär (Lohn, Gehalt): von salarium (lat.: Salzgeld)

4. Einleitung Kochsalz – das „weiße Gold“ • Salzhandel: • Salzstraßen in Deutschland: • Halle  Göttingen  Köln • Bad Reichenhall  München  Landsberg  Augsburg • Internationaler Salzhandel: Mittelmeer  Asien, Persien, Arabien • Salzkriege: • 13. Jh.: Befestigungsanlagen an Salzabbaustätten im Salzkammergut • 16. Jh.: Passauer Salzstreit (Salzzoll), Salzkrieg in Perugia (Salzsteuer) • 17. Jh.: Salzkrieg Salzburgs gegen Bayern

5. Einleitung Gliederung des Vortrags • Was ist Kochsalz? • Chemie und Struktur • Bedeutung und Verwendung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte • Kochsalzgewinnung • Funktionen des Kochsalzes im menschlichen Körper • Schulrelevanz des Themas

6. 1. Was ist Kochsalz? Was ist Kochsalz? Sprachgebrauch: Kochsalz oder Salz Chemischer Name: Natriumchlorid Summenformel: NaCl

7. 1. Was ist Kochsalz? Versuch 1: Darstellung von Natriumchlorid aus den Elementen Ergebnis: Natrium und Chlor reagieren unter Energieabgabe zu Natriumchlorid 2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)G < 0

8. Gitterenergie + Cl-(g) Na+(g) -787 kJ/mol 496 kJ/mol Elektronen-affinität -349 kJ/mol Ionisierungs-energie Na(g) + Cl(g) 108 kJ/mol Halbe Dissoziations-enthalpie Sublimations-enthalpie 121 kJ/mol Standardbildungsenthalpie NaCl(s) Na(s) + ½ Cl2(g) - 411 kJ/mol 1. Was ist Kochsalz? Born-Haber-Kreisprozess

9. 1. Was ist Kochsalz? Bildung eines Ionengitters • Freiwerdende Gitterenergie ist für Wärme- und Lichtentwicklung bei der NaCl-Synthese verantwortlich • Gitterenergie stabilisiert Ionenkristall • Triebkraft der Reaktion ist Bildung stabiler Ionenkristalle und nicht die Tendenz zur Erreichung der Edelgaskonfiguration

10. 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids • NaCl bildet Ionengitter mit hoher Anzahl von Ionen • Plätze des Gitters: • - negativ geladene Chlorid-Ionen • - positiv geladene Natrium-Ionen • starker Zusammenhalt durch elektrostatische Kräfte (Coulombkraft) Elementarzelle (kubisch-flächenzentriert) • Auflösen der Kristallstruktur: hohe Energiebeträge nötig • Schmelzpunkt NaCl(s): 800°C

11. 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids jedes Natrium-Ion: von sechs Chlorid-Ionen umgeben jedes Chlorid-Ion: von sechs Natrium-Ionen umgeben  Koordinationszahl 6 Kristallgitter unter Berücksichtigung der Ionenradien Cl- Na+

12. 2. Chemie und Struktur Struktur des Natriumchlorids

13. 2. Chemie und Struktur Lösen von Kochsalz Feste NaCl-Kristalle im Wasser  Dissoziation zu Ionen  Lösung Na+Cl-(s) Na+(aq)+ Cl –(aq) H2O • Ionen werden hydratisiert: • Anlagerung von Wassermolekülen um die Ionen • Hydratationsenthalpie wird frei • liefert Energie zum Aufbrechen der Ionenbindung Gitterenergie NaCl: -787 kJ/mol Hydratationsenthalpie Na+-, Cl--Ionen : -787 kJ/mol

14. 2. Chemie und Struktur Demonstration 1: Kristallbildung aus einer gesättigten Kochsalzlösung

15. 2. Chemie und Struktur Versuch 2: Elektrische Leitfähigkeit einer Kochsalzlösung Ergebnis: Entionisiertes Wasser: leitet nicht/ kaum den elektrischen Strom Kochsalzlösung: leitet den elektrischen Strom

16. 2. Chemie und Struktur Leitfähigkeit einer Kochsalzlösung Kochsalzlösung: Ionen liegen hydratisiert in der Lösung vor  bewegliche Ladungsträger Ionen (griech.: ion = der Wanderer) wandern zu den Elektroden: Kationen zur Kathode  nehmen dort Elektron auf Anionen zur Anode  geben dort Elektron ab  Elektrische Leitfähigkeit Auch NaCl-Schmelze leitet den elektrischen Strom:  Kristallgitter zerstört, Ionen frei beweglich

17. 3. Bedeutung des Kochsalzes Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Vorindustrielle Zeit: Würzen von Speisen Konservieren von Lebensmitteln "Bey dem Einsalzen bestreut man den einzusalzenden Körper mit Salz, welches sich dann in den wässrigen Theilen desselben auflöst und ihn durchdringt, oder man legt ihn in Salzlösung, von der er auf ähnliche Art durchdrungen wird, und dann weit weniger freywilliger Zersetzung unterworfen ist.“ J.C. Leuchs: Lehre der Aufbewahrung und Erhaltung aller Körper, 1820

18. Ergebnis: Das Wasser strömt zu der Lösung höherer Konzentration  Konzentrationsausgleich  die „Zelle“ verliert Wasser Osmose: einseitig gerichtete Diffusion eines Lösungsmittels durch eine selektiv permeable Membran; abhängig von Konzentration des gelösten Stoffes 3. Bedeutung des Kochsalzes Demonstration 2: Osmotische Aktivität von Kochsalz-Lösungen

19. 3. Bedeutung des Kochsalzes Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte • Beginn der Industrialisierung: • Gewinnung von Natriumsulfat zur Sodaherstellung • Herstellung von Seife und Glas „Die Fabrikation der Soda aus gewöhnlichem Kochsalz kann als Grundlage des außerordentlichen Aufschwunges betrachtet werden, welche die moderne Industrie nach allen Richtungen genommen hat.“ Justus von Liebig Historische Synthese: Natriumchlorid  Natriumsulfat  Natriumcarbonat (Soda) NaCl  Na2SO4 Na2CO3

20. Ergebnis: 2 NaCl(s) + H2SO4(konz.) Na2SO4(solv) + 2 HCl(g) Verfahren wurde von Johann Rudolf Glauber (1604-1670) entwickelt. 3. Bedeutung des Kochsalzes Versuch 3: Darstellung von Natriumsulfat aus Kochsalz

21. 3. Bedeutung des Kochsalzes Synthese von Soda aus Natriumsulfat Leblanc-Verfahren: 1790 von Nicolas Leblanc entwickelt Natriumsulfat, Kalk und Kohle: Na2SO4(s) + CaCO3(s)  +  2 C(s)  Na2CO3(s)  +  CaS(s)  +  2  CO2(g)  Problem: hoher Energieverbrauch und Calciumsulfid als Abfallprodukt  Verfahren wird heute nicht mehr angewandt

22. 3. Bedeutung des Kochsalzes Bedeutung des Kochsalzes im Laufe der Geschichte Aktuell: Speisesalz Medizin (physiologische Kochsalzlösung, 0,9%ig) Wasserenthärtung (Ionenaustauscher) Streusalz Darstellung von Soda und Natriumhydrogencarbonat Darstellung von Chlor und Natronlauge

23. 3. Bedeutung des Kochsalzes Bedeutung des Kochsalzes als Rohstoff Glas Farbstoffe Wasseraufbereitung Desinfektionsmittel Soda Chlor Wasch- und Reinigungsmittel Kunststoffe Lösungsmittel Backpulver Feuerlöschpulver Reinigungsmittel Seife Natriumbikarbonat Tierfutter Natronlauge Papier

24. 3. Bedeutung des Kochsalzes Soda-Darstellung nach dem Solvay-Verfahren Einleiten von Ammoniak und Kohlendioxid in Sole: NaCl(aq)  +  H2O  +  NH3(g)  +  CO2(g)  NaHCO3(aq)  +  NH4Cl(aq) Erhitzen auf 200°C: 2 NaHCO3(s)  Na2CO3(s)  +  H2O(g)  +  CO2(g)

25. 3. Bedeutung des Kochsalzes Darstellung von Chlor und Natronlauge Elektrolyse von wässriger NaCl-Lösung Gesamtgleichung: 2 NaCl(aq) + 2 H2O  2 NaOH(aq) + H2(g) + Cl2(g) H = + 224 kJ/mol NaOH • Verfahren: • Amalgamverfahren • Diaphragmaverfahren • Membranverfahren

26. Ergebnisse: 2 H2O H3O+(aq)+ OH-(aq) Kathode (Eisenelektrode): 2 H3O+(aq)+ 2 e-  H2(g) +2 H2O Anode (Kohleelektrode): 2 Cl-(aq) Cl2(g) + 2 e- 3. Bedeutung des Kochsalzes Versuch 4: Darstellung von Chlor und Natronlauge durch Elektrolyse Natrium-Abscheidung? Nein: Abscheidungsspannung zu hoch.

27. 3. Bedeutung des Kochsalzes Amalgamverfahren Quecksilberelektrode  Abscheidung von Natrium, das sich im Quecksilber löst (Amalgam) Natrium reagiert mit hochreinem Wasser  Natronlauge 2 Na(s) + 2 H2O  2 NaOH(aq) + H2(g) Vorteil: reine, 50%ige Natronlauge Nachteil: Quecksilber-Einsatz

28. 3. Bedeutung des Kochsalzes Diaphragmaverfahren Ionendurchlässige Membran aus Keramik oder Asbest Kathode: Wasserstoffentwicklung Anode: Chlorgasentwicklung • Vorteil: kein Quecksilber • Nachteile: • nur 5%ige Natronlauge, mit NaCl verunreinigt • Asbest

29. 3. Bedeutung des Kochsalzes Membranverfahren Kationenaustauschermembran auf Teflonbasis • Vorteile: • reine Natronlauge (ohne NaCl-Verunreinigung) • asbestfreie Membran, kein Quecksilber • geringerer Energieverbrauch • Nachteil: • Membran muss öfters ausgetauscht werden

30. 4. Kochsalzgewinnung Gewinnung von Kochsalz Das Salzwasser der Meere ist Ursprung aller Salzvorkommen. Meerwasser enthält 3,5% Kochsalz. Meersalz Steinsalz Siedesalz

31. 4. Kochsalzgewinnung Demonstration 3: Verschiedene Kochsalzsorten

32. 4. Kochsalzgewinnung Gewinnung von Kochsalz • jährliche Produktion weltweit: ca. 215 Mio. t • in Deutschland: ca. 15 Mio. t (90% Steinsalz, 10% Siedesalz) • geringster Teil wird als Speisesalz verwendet (440.000 t) • größter Teil als Industriesalz (Elektrolyse) • Vorräte in deutschen Salzlagerstätten praktisch unbegrenzt

33. 4. Kochsalzgewinnung Meersalz Meerwasser enthält 3,5% Kochsalz, welches bei Verdunstung des Wassers auskristallisiert  Meeressalinen, Salzgärten Wasser gelangt durch Tidenhub oder Pumpen in Becken Anteil an Meersalz an der Weltproduktion: 30% Saline in Italien Saline auf Mauritius

34. 4. Kochsalzgewinnung Steinsalz  entstand vor 100-200 Mio. Jahren durch Verdunstung der Meere Salzschichten wurden von verschiedenen Erd- und Gesteinsschichten überlagert  Salz in 70–1000 m Tiefe

35. 4. Kochsalzgewinnung Steinsalz Abbau des Steinsalzes: Untertage nach dem Kammerverfahren

36. 4. Kochsalzgewinnung Siedesalz • Auflösen von Steinsalz • konzentrierte Sole • Abtrennen von Begleitsalzen, Eindampfen, Trocknen  Siedesalz Bohrlochsolung

37. 4. Kochsalzgewinnung Aufbereitung des Salzes • Reinigung • Zusatz von Stoffen: • Kaliumiodat  jodiertes Speisesalz • Kaliumfluorid, Folsäure • Natriumnitrit  Pökelsalz • Natriumferrocyanid (E 535)  Rieselhilfe, Antiklumpmittel

38. 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz im menschlichen Körper • 200 g Kochsalz im Körper gespeichert • Geschmackspapillen für „salzig“ • Ausscheidung über Harn und Schweiß •  Tägliche Aufnahme: 3 g, tatsächliche Aufnahme: 6-10 g

39. 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz im menschlichen Körper • Funktionen: • Natrium-Ionen: • Regulation des Wasserhaushaltes • Reizleitung in den Zellen (Nerven- und Muskelzellen) • Knochenaufbau • Chlorid-Ionen: • Produktion der Magensäure (HCl(aq))

40. Ergebnis: Brot und Wurst enthalten Natrium und Chlorid Nachweis von Natrium-Ionen: gelbe Flammenfärbung einer Methanol-Lösung Nachweis von Chlorid-Ionen: weißer Niederschlag von Silberchlorid Ag+(aq) + Cl-(aq) AgCl(s) 5. Funktion im menschlichen Körper Versuch 5: Nachweis von Kochsalz in Lebensmitteln

41. 5. Funktion im menschlichen Körper Kochsalz in Lebensmitteln

42. 5. Funktion im menschlichen Körper Salz und Bluthochdruck – Der moderne Salzkrieg ? Studien: kein ursächlicher Zusammenhang zwischen Bluthochdruck und Salzkonsum Salzverzicht: geringer Blutdruckabfall bei einigen Hochdruckpatienten andere Risikofaktoren wichtiger

43. 6. Schulrelevanz Schulrelevanz des Themas „Kochsalz“ Hessischer Lehrplan Gymnasium: Jgst. 9: Elementgruppen (Alkalimetalle, Halogene), Salzbegriff, Leitfähigkeit, Elektrolyse fakultativ: Salzlagerstätten, Nachweisreaktionen Jgst. 10: Ionenbildung, Ionenbindung, Ionengitter, Salzbildung, Versalzung von Böden außerschulischer Lernort: Besuch eines Salzbergwerkes oder eines Salzmuseums (Bad Nauheim)

44. 6. Schulrelevanz Schulrelevanz des Themas „Kochsalz“ Fächerübergreifender Unterricht: Biologie: Physiologie, Geschmackssinn, Anpassung von Tieren und Pflanzen an salzreichen Lebensraum Geografie: Bodenversalzung durch Bewässerung, Salzwüsten, Salzstöcke Geschichte: Salzhandel, Salzstraßen, Salzkriege Physik: Salzstock als Lagerstätten für radioaktiven Abfall