Versuchsbeschreibung

Eine gesättigte Natriumchloridlösung wird in Dunkelheit mit Salzsäure vermischt.

 

Verwendete Chemikalien

Chemikalie Symbole H- / EUH- / P-Sätze

100 g Natriumchlorid, NaCl

Kochsalz
M: 58.44 g/mol

CAS-Nr.: 7647-14-5
EG-Nr.: 231-598-3

WGK: 1

 

-

129.23 g Salzsäure 37 %, HCl

Salzsäure rauchend
M: 36.46 g/mol

CAS-Nr.: 7647-01-0
EG-Nr.: 231-595-7
UN-Nr.: 1789

WGK: 1

GHS05 – Ätzwirkung

GHS07 – Ausrufezeichen

Gefahr

H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.

H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

H335: Kann die Atemwege reizen.

P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen.

P301+P330+P331: BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen.

P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen.

P308+P310: BEI Exposition oder falls betroffen: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen.

1.19 g Silbernitrat, AgNO3

Höllenstein
M: 169.87 g/mol

CAS-Nr.: 7761-88-8
EG-Nr.: 231-853-9
UN-Nr.: 1493

WGK: 3

GHS03 – Flamme über einem Kreis

GHS05 – Ätzwirkung

GHS09 – Umwelt

Gefahr

H272: Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.

H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

H410: Sehr giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.

P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.

P221: Mischen mit brennbaren Stoffen, Schwermetallverbindungen, Säuren und Laugen unbedingt verhindern.

P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden.

P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen.

P301+P330+P331: BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen.

P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen.

P308+P310: BEI Exposition oder falls betroffen: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen.

1.25 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat,
CuSO4 · 5 H2O

Kupfermonosulfat-Pentahydrat, Kupfervitriol-Pentahydrat
M: 249.68 g/mol

CAS-Nr.: 7758-99-8
EG-Nr.: 231-847-6
UN-Nr.: 3077

WGK: 3

GHS07 – Ausrufezeichen

GHS09 – Umwelt

Achtung

H302: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.

H315: Verursacht Hautreizungen.

H319: Verursacht schwere Augenreizung.

H410: Sehr giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.

P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden.

P302+P352: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser/Seife waschen.

P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen.

 

Verwendete Geräte, Versuchsaufbau

100-ml-Erlenmeyerkolben, 200-ml-Bechergläser, 50-ml-Bechergläser, Magnetrührer mit Heizfunktion, Magnetrührfisch

 

Versuchsdurchführung

100 g Natriumchlorid werden unter Rühren und Erwärmen in 250 mL dest. Wasser aufgelöst. Ein kleiner Bodensatz bleibt dabei übrig. Die warme Lösung wird abgedeckt, abkühlen gelassen und anschließend 100 mL der überstehenden, klaren Lösung entnommen. 1.19 g Silbernitrat wird in 100 mL dest. Wasser gelöst. Zu den 100 mL der Natriumchloridlösung werden 5 mL der Silbernitratlösung hinzugegeben und einige Male umgeschwenkt, um das entstandene Silberchlorid durch Komplexbildung wieder zu lösen. Das ist Lösung A. 1.25 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat wird in 100 mL dest. Wasser gelöst. In 70 g dest. Wasser werden 129.23 g Salzsäure 37 % gegeben. Die so erhaltene Salzsäure hat eine Konzentration von 24 %. Zu 100 mL 24%iger Salzsäure werden 0.5 mL der Kupfersulfatlösung gegeben und zur Vermischung umgeschwenkt. Das ist Lösung B. 10 mL der Lösung A werden in ein 50-ml-Becherglas gegeben. 10 mL der Lösung B werden in ein anderes 50-ml-Becherglas gegeben. Nach Gewöhnung der Augen an die Dunkelheit wird Lösung A mit einer konstanten Geschwindigkeit in Lösung B gegossen (siehe Grafik), sodass nach ca. 1–2 Sekunden der Umfüllvorgang abgeschlossen ist. Nach ca. 2–4 Sekunden erfolgt ein Aufleuchten der gesamten Mischung. Dieser helle Zustand dauert ca Sekundenunden an. Anschließend folgen hellere Lichtblitze in hoher Frequenz, die die Mischung im unteren Bereich des Gefäßes durchzucken. Nach einigen Minuten werden die Blitze weniger und nach ca. 10 Minuten sind nur noch einzelne Blitze zu sehen. Zerdrückt man die ausgefallenen Kristalle mit einem Glasstab, ist eine extrem schwache Tribolumineszenz zu erkennen.

Das Experiment funktioniert auch ohne den Zusatz von Kupfer- und Silbersalzen. Die Lumineszenz ist dann aber extrem schwach.

Kochsalz löst sich in Wasser bis zu dem Punkt, an dem das folgende Gleichgewicht erreicht wird: NaCl → Na+ + Cl

Durch Zugabe von Salzsäure, die in H+- und Cl-Ionen dissoziiert ist, wird das Gleichgewicht durch den gleichionigen Zusatz von Chlorid-Ionen (die ja auch in der Kochsalzlösung vorhanden sind) von rechts nach links verschoben, sodass sich festes NaCl bildet und demnach ausfällt. Bei der Verunreinigung durch Schwermetall-Ionen wird dabei Licht ausgesandt. Die Anzahl der Lichtblitze ist abhängig von der Anzahl der Kristallisationskeime. Nur wenn ständig neue Kristallisationskeime entstehen, sind also viele Lichtblitze zu sehen. Die Lichtemission ist schwach, sodass man keine Farbe erkennen kann. Man konnte sie jedoch auf anderen Wegen bestimmen (bläulich) und durch die Verstärkung mit relativ hoher Silber- und Kupfer-Ionen-Konzentration ist die Farbe auch auf Fotos mit längerer Belichtungszeit erkennbar. Die Wellenlängenpeaks liegen bei 252, 259 (beide sehr stark), 359 und 424 nm (beide stark). Die beiden ersten Peaks hängen mit der 4d95s1 → 4d10 Elektronen-Emission des Ag+ zusammen. Der 359 nm-Peak kommt von der 3d94s1 → 3d10-Emission des Cu+. Das lässt auf eine reduzierende Umgebung bei der Kristallisation schließen, die möglicherweise mit einer Freisetzung von Elektronen während der Umwandlung in die kristalline Phase erklärbar ist. Der letzte Peak hängt vermutlich mit dem NaCl selbst zusammen. Die Kristallolumineszenz ist insgesamt mit der Lumineszenz angeregter Dotierungs-Kationen im Kristallgitter des NaCl während der Phasenumwandlung von gelöst zu fest zu erklären - und nicht etwa durch Tribolumineszenz der entstehenden Kristalle [2]. Die Lumineszenz ist auch ohne Zusatz von Silber- und Kupfer-Ionen zu erkennen. Sie ist dann aber so extrem schwach, sodass sie nur nach mindestens 15-minütiger Gewöhnung an die totale Dunkelheit erkennbar ist. Das Becherglas muss dazu direkt vor das Auge gehalten werden, um die schwachen Blitze zu erkennen. Seitliches Vorbeischauen am Becherglas kann die Wahrnehmung ebenfalls verbessern, da im Sehzentrum des Auges (Fovea zentralis) keine Stäbchen (helligkeitsempfindliche Sinneszellen) sind, sondern nur in der Umgebung des Sehzentrums. Man erkennt das Leuchten dann »aus dem Blickwinkel«. Auch andere Schwermetall-Ionen verstärken die Lumineszenz – insbesondere Blei, Antimon, Zinn und Wismut [4]. Bei Versuchen mit diesen Kationen (in ähnlichen Konzentrationen wie hier mit Silber und Kupfer gezeigt) waren immer nur Einzelblitze zu erkennen und nicht das anfängliche Aufleuchten des gesamten Inhalts des Becherglases. Die Intensität war wesentlich schwächer als mit Silber und Kupfer und nahm folgendermaßen ab: Sb > Sn > Bi > Pb (hier keine Lumineszenz erkennbar, obwohl in der Literatur als besonders geeigneter Verstärker beschrieben). Noch bevor die Lumineszenz mit Sb bzw. Sn beendet war, konnte nach Zerstoßen der Kristalle auf dem Gefäßboden und anschließendem Verwirbeln ein ähnlich großräumiges und fast genauso helles Leuchten wie zu Beginn der mit Silber und Kupfer verstärkten Lumineszenz beobachtet werden. Anschließend war eine sehr große Menge sehr kleiner Kristalle als Bodensatz erkennbar. Die Kristallolumineszenz der meisten Substanzen tritt nur durch Abkühlen einer gesättigten Lösung auf. Natriumchlorid gehört zu den sehr wenigen Substanzen, die die hier gezeigte »Fällungslumineszenz« zeigen.

Kristallolumineszenz ist die Emission von Licht beim Kristallisieren aus Lösungen. Nur sehr wenige Stoffe zeigen diese Lumineszenz. Dazu gehören auch Arsentrioxid und viele Erdalkalihalogenate, wie z. B. Bariumbromat. Die Ursachen sind nur wenig erforscht. Praktische Anwendungen dieses Phänomens gibt es bisher nicht.

 

Medien

Das Experiment funktioniert mit billigem Tafelsalz.Gibt man die Silbernitratlösung langsam zu der Kochsalzlösung, bildet sich oben eine Schicht von ausgefallenem Silberchlorid.Das sich nach Umschwenken wieder auflöst.Die mit Kupfer(II)-sulfat versetzte Salzsäure ist deutlich grünlich gefärbt, obwohl 100 mL davon nur 6 mg Kupfer(II)-sulfat enthalten.Kristallolumineszenz (hellste Phase zu Beginn in einem 50-ml-Erlenmeyerkolben mit 20 mL HCl + 20 mL NaCl-Lösung; ISO 3200, Belichtungszeit: 5 s, f 3.5 (Kontrast und Helligkeit nachträglich erhöht))So sieht die Reaktion bei Licht aus (20 mL + 20 mL in einem 50-ml-Becherglas). Ein Bodensatz aus NaCl hat sich bereits gebildet und über die gesamte Zeit fallen winzige NaCl-Kristalle hinunter (die kleinen Pünktchen, die wie Staub aussehen).

 

Quellenangaben

[1]
Pok. Kristallolumineszenz von Natriumchlorid. illumina-chemie.de, 2014. http://illumina-chemie.de/kristallolumineszenz-von-natriumchlorid-t3662.html [13.01.2014] mit freundlicher Genehmigung von Pok.
[2]
A. J. Alexander. Deep ultraviolet and visible crystalloluminescence of sodium chloride. J. Chem. Phys. 2012, 136 (6), 064512.
DOI: 10.1063/1.3684548
[3]
H. B. Weiser. Crystalloluminescence. J. Phys. Chem. 1917, 22 (7), 480–509. DOI: 10.1021/j150187a002
[4]
V. A. Garten und R. B. Head. Crystalloluminescence and the nature of the critical nucleus. Philos. Mag. 1963, 8 (95), 1793–1803.
DOI: 10.1080/14786436308209074

 

Download

Kristallolumineszenz von Natriumchlorid

 

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