Chlor in der Schule (Teil 1)

Klassische Experimente im neuen Gewand
Viktor Obendrauf

Gebraucht und doch gemieden
Praxisbezug oder "Chemie der Chemikalien"
Ein kurzer Steckbrief

Versuch 1: Chlorgas in dosierten Mengen
Versuch 2: Synthese von Natriumchlorid
Versuch 3: Reaktion von Chlor mit Eisen
Versuch 4: Chlorknallgas-Reaktion

Gebraucht und doch gemieden

Das Element Chlor nimmt gemäß der Bedeutung in Wirtschaft und Technik (zumindest als Rohstoff für unzählige Zwischenprodukte) auch im Chemie-Unterricht einen wichtigen Platz ein. Dem Thema Chlor und einigen Chlor-Verbindungen wird selbstverständlich in den klassischen Experimentierbüchern (1, 2, 3, 4) traditionell große Bedeutung beigemessen. Außerdem stehen den engagierten KollegInnen eine ganze Reihe von mehr oder weniger kostenlosen, von der Wirtschaft zur Verfügung gestellten Unterrichtshilfen wie Folien (5) Versuchsbeschreibungen (6) usw. zur Verfügung, die bei der Aufbereitung des Themas behilflich sein sollen. In der Praxis zeigt es sich aber, daß der Respekt vor dem giftigen Element gerade bei manchen KollegInnen vor allem in der Unterstufe derartig groß ist, daß gar nicht selten Experimente zum Thema Chlor ganz entfallen.
Dies mag zum einen deshalb so sein, weil bei Versuchen mit Chlor in der Literatur immer ein Abzug als bauliche Voraussetzung angeführt ist. Von einem wirklich funktionierendem Digestorium können die meisten KollegInnen zB. an den österreichischen Hauptschulen aber höchstens träumen. Dazu kommt noch, daß Versuche im Abzug von allen Schülern gleichzeitig meist ganz schlecht beobachtbar sind. Zum anderen haben sich die Versuchsbeschreibungen auch zur Chlorchemie in der Schule seit beinahe 100 Jahren kaum geändert (7). Klassische Versuchsdarstellungen mit großvolumigen Reaktionsgefäßen bedingen einen entsprechenden Chemikalieneinsatz und kommen dem heutigen Trend zur Minimierung des entsorgungsbedürftigen Abfalls nicht entgegen.
In Anbetracht der derzeitigen finanziellen Abgeltung für Chemie-Kustoden werden außerdem aufwendige Versuche, die wegen wartungsintensiver Gerätschaften eine langwierige Vor- und Nachbereitung benötigen, immer mehr gemieden. Zweifellos zählen manche Versuche zur Chlorchemie wegen der notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu solchen zeitintensiven Experimenten.

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Praxisbezug oder "Chemie der Chemikalien"

Einigen Experimenten in der klassischen Literatur zum Thema Chlor fehlt heute eigentlich bereits der unmittelbare Praxisbezug. Und bei einer derart geringen Anzahl von Chemiestunden, die man den österreichischen Schülern heutzutage gerade noch zumutet, kann man sich im Unterricht eine praxisfremde "Chemie der Chemikalien" sicher nicht mehr leisten. Aus den genannten Gründen wurde im vorliegenden Beitrag auf eine möglichst umfassende Auflistung der üblichen Schulversuche mit Chlor bzw. Chlorverbindungen verzichtet. Ein repräsentativer Querschnitt klassischer Chlorversuche (6) dürfte den KollegInnen ohnehin zur Verfügung stehen.
Es wurde vielmehr der Versuch unternommen, einige fundamentale Versuche zur Chlorchemie mit unmittelbarem Praxis- oder Lehrplanbezug herauszugreifen und Vorschläge auszuarbeiten, wie diese Experimente durch Minimierung des Chemikalieneinsatzes, durch Miniaturisierung und Vereinfachung von Gerätschaften notfalls auch ohne Abzug als "Low-cost-Versuch" durchführbar sind. Bei genauer (!) Einhaltung der mittlerweile oftmals erprobten Versuchsvorschriften und ausschließlicher Verwendung der vorgeschlagenen Gerätschaften ist das Sicherheitsrisiko für den Experimentator kalkulierbar und für Schüler praktisch vernachlässigbar. Der Verfasser dieses Beitrags geht davon aus, daß die Leser über die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen beim Experimentieren mit Chlor informiert sind. Für etwaige Unfälle bei unsachgemäßem Vorgehen kann der Autor jedenfalls keine Verantwortung übernehmen. Immerhin liegt der MAK-Wert für Chlor bei 0,5 ppm!

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Ein kurzer Steckbrief

Wichtige atomare Eigenschaften: Ordnungszahl 17; 2 stabile Isotope (Cl-35: 75,77% bzw. Cl-37: 24,23%); Mittlere Atommasse 35,453 u; Wichtige physikalische Eigenschaften: Chlor ist ein gelblich-grünes, leicht verflüssigbares Gas (Schmelzpunkt -101oC, Siedepunkt -34 oC), Dichte bei -70 oC 1,655g.cm-3; bei 20 oC unter einem Druck von 6,7 bar flüssig; durch die Molekülmasse der Cl2-Moleküle von 70,9 u ist das Gas ca. zweieinhalb mal schwerer als Luft; Chlor ist in Wasser relativ gut löslich (6,5g Chlor pro Liter Wasser bei 25 oC).
Wichtige chemische Eigenschaften: Chlor gehört zu den reaktionsfähigsten Elementen und verbindet sich fast mit allen anderen Elementen (Metallen und Nichtmetallen) unter starker Wärmeentwicklung. Als starkes Oxidationsmittel kommt es in der Natur nicht frei vor. Oxidationsstufen der Verbindungen: -1, +1, +3, +4, +5, +7; trockenes Chlor ist viel reaktionsträger als feuchtes Chlor (mit Wasser unter Einwirkung von Sonnenlicht Bildung von hypochloriger Säure); photochemische Reaktion bei Einwirkung von blauem und kürzerwelligen Licht (zB. Chlorknallgasreaktion mit Wasserstoff).
Physiologische Wirkung: stechend riechend, Geruchschwelle: 0,2 bis 3,5 ppm, bei aktuter Exposition extrem lungentoxisch (Bildung von HCl und freien Sauerstoffradikalen); geringe Schleimhautreizung bei 1-3 ppm; Atemnot, Brustschmerz, Erbrechen bei 30 ppm, Lungenödem bei 40 - 60 ppm, binnen Minuten tödlich bei über 500 ppm.

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Versuch 1: Chlorgas in dosierten Mengen

Am besten wird Chlor in Kleinmengen durch Oxidation von Cl--Ionen mit Kaliumpermanganat hergestellt:

2 KMnO4 + 16 HCl  ----->  5 Cl2 + 2 KCl  + 2 MnCl2  + 8 H2O

Material:

1 Kleinbildfilm-Dose (transparenter Kunststoff, zB. f. Fuji-RD-Diafilme) ohne Deckel mit gut passendem Gummistopfen (34D) als Reaktionsgefäß mit geringem Totraum
1 20ml Einwegspritze (Kolben mit Gummidichtung) mit Einmalkanüle (1,2 bis 1,4 mal 40 mm)
1 10ml Einwegspritze (Kolben ohne Gummidichtung) mit Einmalkanüle (1,2 bis 1,4 mal 40 mm)
1 2-Liter-Becherglas (hohe Form) als Auffanggefäß von ev. austretendem Chlorgas und zur Stabilisierung der Apparatur
1 "Adsorptionsröhrchen" gefüllt mit Aktivkohle (2,5 mm gekörnt), hergestellt aus einer 10 ml Einwegspritze ohne Kolben, verschlossen mit Gummistopfen (durchbohrt mit  Einmalkanüle 1,2 bis 1,4 mal 40 mm)
1 Stück Isolierschaumplatte mit senkrecht hineingesteckten Einwegkanülen zum Lagern von gefüllten Spritzen
1 Haushaltszerstäuber, gefüllt mit Sodalösung zur Erzeugung von alkalischen Sprühnebeln zum Niederschlagen von Chlorgas
50 ml Becherglas (für HCl)
Spatellöffel
Siliconfett
Haushaltspapier
Kaliumpermanganat
Salzsäure (konz.)
100 ml Reagenz-Fläschchen mit 10%iger Natronlauge zum Vernichten von überschüssigem Chlorgas

Durchführung:
In die Kleinbild-Filmdose gibt man maximal (!) zwei kleine Spatellöffel voll Kaliumpermanganat und verschließt die Dose mit dem Gummistopfen (34D). Zwei neue (!) und gefettete Einmalkanülen werden so bis zum Anschlag durch den Gummistopfen gesteckt, daß zwei neue (!) Einwegspritzen leicht aufgesetzt werden können und die Filmdose in das 2-Liter-Becherglas gestellt werden kann.
Herstellung des Adsorptionsröhrchens:
Eine 10 ml Einwegspritze (ohne Kolben) wird mit gekörnter Aktivkohle (2,5mm) gefüllt und mit einem passenden Gummistopfen verschlossen. Um die Gasdurchlässigkeit des Adsorptionsröhrchens zu gewährleisten, wird durch diesen Gummistopfen bis zum Anschlag eine Einmalkanüle gesteckt. In das 50 ml Becherglas gibt man einige ml konz. Salzsäure und saugt nicht mehr als 2 ml (!) davon in eine 10 ml Einwegspritze (ohne Nadel). Eventuell anhaftende Salzsäure wird mit Haushaltspapier sorgfältig abgetupft. Nun steckt man die mit HCl gefüllte Spritze und die 20 ml Spritze auf die Kanülen im Gummistopfen der Filmdose. Der Mini-Gasentwickler wird in das 2 Liter-Becherglas gestellt, wo ein Umfallen der Apparatur nicht mehr möglich ist. Durch vorsichtiges, tropfenweises (!) Einpressen von Salzsäure in die Filmdose wird mit dem Kaliumpermanganat in der Dose Chlorgas produziert, das sich in der 20 ml Spritze sammeln kann. Die leichte Gängigkeit des Kolbens (neue Spritze, ev. Fetten der Gummidichtung!) ist dabei besonders wichtig, um jeden größeren Überdruck in der Apparatur zu vermeiden Das langsame Einpressen von HCl verhindert auch eine zu starke Erwärmung des Reaktionsgemisches. Dies würde zu einer (für manche Reaktionen störenden!) Sauerstoffbildung führen.
Nachdem auf diese Weise rund 20 ml (mit wenig Restluft verunreinigtes) Chlorgas gesammelt wurde, nimmt man die gefüllte Spritze von der Kanüle. Um das Nachströmen von Gas aus der Apparatur zu vermeiden, wird die Kanüle rasch mit dem Aktivkohle-Adsorptionsröhrchen verschlosssen.
Die mit Chlorgas gefüllte Spritze wird auf eine Kanüle in der Isolierschaumplatte gesteckt. Das Chlor kann so wohldosiert auf Vorrat für diverse Experimente bereitgestellt werden. Für fotochemische Versuche (Chlorknallgasreaktion) muß die erste Fraktion an Chlorgas trotz des geringen Totvolumens der Filmdose fachgerecht entsorgt werden, weil bereits geringe Mengen an Sauerstoff ein Gelingen der Reaktion verhindern würden (starkes Verlangsamen der Reaktion).
Wichtige Hinweise:
Nach jeder Versuchsreihe neue Kanülen (Korrosion!) und - wenn notwendig - neue Spritzen mit leichtgängigen Kolben (ev. Fetten d. Gummidichtung mit Silicon) verwenden. Nie mehr als 2 ml Salzsäure oder größere Mengen an Kaliumpermanganat vorlegen! Nach dem Aufsaugen von HCl anhaftende Säure sorgfältig abtupfen!
Apparatur nie unbeaufsichtigt lassen! Überdruck in der Apparatur vermeiden, indem gefüllte Spritzen sofort gegen das Adsorptionsröhrchen ausgetauscht werden. Für den Notfall Zerstäuber mit Sodalösung zum Niederschlagen von Chlor bereithalten!
Die Kaliumpermanganatmenge reicht für mehrere Portionen Salzsäure; bei mehrmaliger Wiederholung des Experimentes muß die flüssige Phase in der Dose jedoch abdekantiert werden, damit die Nadeln nicht in das Reaktionsgemisch hineinragen. Das Entfernen des Gummistopfens sollte aber nur im Freien oder im Ausguß unter Verwendung des Zerstäubers (mit Sodalösung) geschehen.
Entsorgung:
Durch die Verwendung von geringen Mengen an Ausgangsstoffen entsteht nicht viel Abfall. Die gebrauchten Einmal-Kanülen (Neupreis ca. 1 Schilling pro Stück) können in der vorgesehenen Kunststoffhülle mit dem Hausmüll entsorgt werden. Nicht mehr verwendbare Kunststoffspritzen können zur Kunststoffsammelfraktion gegeben werden. Eine Zeitlang kann man die notwendige Leichtgängigkeit durch Einfetten des Kolbens mit Siliconfett erhalten.
Nicht benötigtes Chlorgas in der Spritze vernichtet man am besten so, indem man die Nadel direkt in den Ausguß eines Waschbeckens schiebt und das Gas bei aufgedrehtem Wasserhahn langsam (!) in den Ausguß entleert, wo es im Sog des abfließenden Wassers ohne Geruchsbelästigung weggespült werden kann.
Wenn kein Waschbecken zur Verfügung steht, kann man das Gas zur Vernichtung auch langsam in ein vorbereitetes Fläschchen mit 10%iger Natronlauge pressen. Die Nadel soll dabei tief in die Lauge eintauchen. Überschüssiges Chlor wird mit NaOH zu Hypochlorit (Kanalisation) umgesetzt, für die Mangan-Salze in der Filmdose gibt es den Schwermetall-Sammelbehälter.
Regenerieren des Adsorptionsröhrchens:
Die Aktivkohle im Adsorptionsröhrchen kann ca. 20 bis 30% ihres Gewichtes an Schadstoffen adsorbieren (8). Die Sättigung mit Schadstoffen kann somit an der 20%igen Gewichtszunahme der eingefüllten Aktivkohle (Wägung!) oder am Durchbrechen des Gases erkannt werden. Die Aktivkohle kann aus dem Adsorptionsröhrchen entfernt und im Freien (bzw. im Abzug) in einer Eisenschale durch Erhitzen mittels Brenner und gleichzeitigem Einleiten von Luft (zB. aus einer Fahrradpumpe) regeneriert werden.
Selbstverständlich leistet das Adsorptionsröhrchen im Reagenzglas-Schülerversuch auch bei anderen giftigen Gasen gute Dienste. Das Reagenzglas wird einfach mit einem Gummistopfen inkl. Einwegkanüle (Spitze wegen Verletzungsgefahr entfernen!) verschlossen u. das Adsorptionsröhrchen aufgesetzt.

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Versuch 2: Synthese von Natriumchlorid

Material:

Brenner
Wäscheklammer aus Holz
Labormesser
Filterpapier
Schutzbrille
Glühröhrchen oder entsprechend kleines Reagenzglas (Länge ca. 5-7 cm)
Natrium (ca. Reiskorngröße)
20 ml Chlor in Einwegspritze mit Kanüle aus Versuch 1
50 ml Becherglas
Reagenzglas
Magnesia-Stäbchen
Silbernitratlösung
Dest. Wasser
Holzstäbchen
Kochsalz
Flach-Batterie, Drähte, Glühlämpchen

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Versuch 3: Reaktion von Chlor mit Eisen

Material:<BR>

Reagenzglas
Reagenzglashalter
Eisenwolle (Größe 00 oder 01)
Pinzette
Brenner
20 ml Chlor in Einwegspritze aus Versuch 1

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Versuch 4: Chlorknallgas-Reaktion

Für diese Reaktion ist reines Chlor und reiner Wasserstoff im Molverhältnis 1:1 notwendig, weil eventuell vorhandener Sauerstoff die Reaktion so stark verlangsamt, sodaß kein explosionsartiger Verlauf der an sich photochemisch auslösbaren Radikalreaktion mehr zu erwarten ist.
H2 + Cl2 ------> 2 HCl
Material:

Wasserstoff aus der Stahlflasche
(m. Reduzierventil, Schlauch,  Schnur, Luftballon)
Alternativ:
Wasserstoff aus dem 1 Mini-Gasentwickler, baugleich dem Chlorgas-Gasentwickler
(mit Zink, granuliert, in stark verd. CuSO4-Lösung zur Wasserstoffentwicklung aktiviert,
bzw. Salzsäure, halbkonzentriert, 1 50 ml Becherglas für die Salzsäure
und 1 Aktivkohleadsorptionsröhrchen (s. o.) zur Wasserstoffreinigung)
1 10 ml-Kunststoffspritze, ohne Gummidichtung inkl. Kanüle (1,2 bis 1,4 mal 40 mm) für HCl-Dosierung
Siliconfett
Aluminiumfolie
Kamera mit Blitzwürfel oder Magnesiumband
Splitterschutzkorb aus Sechseckdrahtgeflecht (Breite 50 cm, Länge ca. 1 m, zu Zylinder gerollt)
10 ml Chlorgas (möglichst ohne Sauerstoff) in 20 ml-Spritze von Versuch 1
Natronlauge in 100ml Fläschchen zum Vernichten von überschüssigem Chlorgas

Durchführung:<BR> Eine 20ml-Einwegspritze wird mittels Mini-Gasentwickler (siehe Versuch 1) mit genau 10 ml möglichst O-freiem Chlorgas gefüllt (erste verunreinigte Fraktionen verwerfen). Die Reaktion im Gasentwickler muß dabei besonders langsam und ohne Erwärmung ablaufen können, damit die Bildung von Sauerstoff aus Permanganat vermieden werden kann. Die mit genau 10 ml möglichst reinem Chlor gefüllte Einwegspritze wird mit einer Kanüle versehen und mit einem schwarzen Tuch vor Licht geschützt. Nun läßt man Wasserstoff aus einer Stahlflasche mit Reduzierventil über ein kurzes Schlauchstück langsam in einen am Schlauch befestigten Luftballon strömen. Sobald die Luft im Schlauch durch Wasserstoff verdrängt ist, sticht man eine Kanüle durch das Schlauchstück und saugt 10 ml reinen Wasserstoff in die bereits mit 10 ml Chlor gefüllte Einwegspritze. Die Chlorknallgasmischung in der Spritze wird dabei immer mit dem schwarzen Tuch vor hellem Tageslicht geschützt.
Wenn keine Stahlflasche mit Wasserstoff zur Verfügung steht, kann man reinen Wasserstoff auch im unter Versuch 1 beschriebenen Mini-Gasentwickler mit Zink und HCl (halbkonzentriert) herstellen. Der in der Filmdose gebildete Wasserstoff muß jedoch sehr rein sein. Lufthältige Fraktionen sind zu verwerfen; der Wasserstoff muß aus dem Mini-Gasentwickler durch ein zwischengeschaltetes Aktivkohle-Adsorptionsröhrchen (siehe Versuch 1) in die 20 ml Spritze mit dem Chlorgas geleitet werden.
Die Spritze mit dem Chlorknallgas wird nun so in der Mitte eines Splitterschutz-Korbes aufgestellt (Nadel in Dämmplatte stecken), daß eine seitliche Belichtung möglich ist. Um eine möglichst hohe Lichtausbeute beim Reaktionsgemisch zu erzielen, wird im Korb gegenüber der Lichtquelle halbkreisförmig ein großes Stück Alufolie aufgestellt. Nach Entfernung des Tuches läßt sich das Chlorknallgasgemisch mit dem Licht eines Blitzwürfels (Billigkamera) bzw. mit einem brennenden Stück Mg-Band zünden. Elektronenblitz-Geräte liefern leider meist nicht das gewünschte Ergebnis. Außerdem ist das Chlorknallgas stets frisch herzustellen. Vorsicht! Die Kunststoffspritze zersplittert meist bei der Explosion. Niemals während der Zündung von oben in den Splitterschutz-Korb schauen!
Entsorgung:
Die Zinkchloridlösung im Wasserstoff-Gasentwickler wird abdekantiert, die Zinkgranalien werden gewaschen und wie die überschüssige Salzsäure weiterverwendet. Die Entleerung des Chlor-Gasentwicklers erfolgt wie unter Versuch 1 beschrieben.

Literatur
1) F. Bukatsch, W. Glöckner: Experimentelle Schulchemie (Studienausgabe in 9 Bänden), Aulis-Verlag Deubner, 1977
2) H. Stapf, E. Rossa: Chemische Schulversuche (4 Bände), Verlag Harri Deutsch, Frankfurt/M. 1976
3) H. Keune u. Autorenkollektiv: Chemische Schulexperimente (5 Bände), Verlag Harri Deutsch, Frankfurt/M. 1988
4) K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht, Oldenburg-Verlag 1991
5) Fonds d. Chem. Industrie: Die Chemie des Chlors und seiner Verbindungen, Folienserie, Frankfurt/M. 1992
6) Solvay Österreich AG: Molekül, Zeitschrift f. Chemie, Chlor i. d. anorg. u. org. Chemie, Schulversuche, Sondernr. 1993
7) F. Brandstätter: Chemische Schulversuche, Hrsg. L. Sternhagen, Verlag Franz Deuticke, Wien 1950
8) P. Menzel: Praxis d. Naturwissenschaften Chemie, Heft 7/42 Oktober 1993, Seite 48

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