Chemolumineszenz mit Kaliumpermanganat und Natriumborhydrid

Einleitung

In einem abgedunkelten Raum wird in eine vorgelegte Kaliumpermanganat-Lösung eine Natriumborhydrid-Lösung gegossen. Innerhalb weniger Sekunden erfolgt eine orangerote Chemolumineszenz [1].

Verwendete Chemikalien

Chemikalie
Gefahr	0.1 g Kaliumpermanganat, KMnO₄ – 158.03 g/mol Kaliumoxido(trioxo)mangan (IUPAC), Permangansäure Kaliumsalz CAS-Nr.: 7722-64-7 – EG-Nr.: 231-760-3 Ox. Sol. 2, Acute Tox. 4 (oral), Skin Corr. 1, Eye Dam. 1, Repr. 2, STOT RE 2 (Gehirn), Aquatic Acute/Chronic 1, WGK 3 H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel. H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. H361d Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen. H373 Kann die Organe schädigen (Gehirn) bei längerer oder wiederholter Exposition durch Einatmen. H410 Sehr giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung. P210 Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P260 Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol nicht einatmen. P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P303 + P361 + P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. Sigma-Aldrich, 223468, SDB vom 18.12.2020
	2 g Natriumhexametaphosphat, (NaPO₃)_15–20 Hexanatriumcyclohexaphosphoxan-2,4,6,8,10,12-hexolat-2,4,6,8,10,12-hexaoxid (IUPAC), Natriumpolyphosphat, Graham’sches Salz, Calgon CAS-Nr.: 68915-31-1 – EG-Nr.: 272-808-3 WGK 1 Sigma-Aldrich, 305553, SDB vom 29.04.2021
Achtung	2 mL Schwefelsäure 10 %, H2SO4 – 98.08 g/mol Schwefel(VI)-säure, Dihydrogensulfat, Monothionsäure, E 513, Vitriolöl (veraltet) CAS-Nr.: 7664-93-9 – EG-Nr.: 231-639-5 Met. Corr. 1, Skin Irrit. 2, Eye Irrit. 2, WGK 1 H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H315 Verursacht Hautreizungen. H319 Verursacht schwere Augenreizung. P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P264 Nach Gebrauch Haut gründlich waschen. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P302 + P352 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser waschen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. P332 + P313 Bei Hautreizung: Ärztlichen Rat einholen/ärztliche Hilfe hinzuziehen. Merck, 480704, SDB vom 23.08.2021
Gefahr	1 g Natriumborhydrid, NaBH₄ – 37.83 g/mol Natriumtetrahydroborat (IUPAC), Natriumboranat, Natriumtetrahydridoborat CAS-Nr.: 16940-66-2 – EG-Nr.: 241-004-4 Water-react. 1, Acute Tox. 3 (oral), Skin Corr. 1B, Eye Dam. 1, Repr. 1B, WGK 2 H260 In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase, die sich spontan entzünden können. H301 Giftig bei Verschlucken. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. H360FD Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Kann das Kind im Mutterleib schädigen. P231 + P232 Inhalt unter inertem Gas handhaben und aufbewahren. Vor Feuchtigkeit schützen. P260 Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol nicht einatmen. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P303 + P361 + P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P304 + P340 + P310 BEI EINATMEN: Die Person an die frische Luft bringen und für ungehinderte Atmung sorgen. Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. EUH014 Reagiert heftig mit Wasser. Merck, 106371, SDB vom 04.07.2021
Gefahr	1 mL Natronlauge 10 %, NaOH – 40.00 g/mol Natriumhydroxidlösung 10 % CAS-Nr.: 1310-73-2 – EG-Nr.: 215-185-5 Met. Corr. 1, Skin Corr. 1A, Eye Dam. 1, WGK 1 H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P301 + P330 + P331 BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. P303 + P361 + P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P305 + P351 + P338 + P310 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. Sigma-Aldrich, S8263, SDB vom 24.09.2019

Chemikalie

GHS03 – Flamme über einem Kreis

GHS08 – Gesundheitsgefahr

GHS05 – Ätzwirkung

GHS07 – Ausrufezeichen

GHS09 – Umwelt

Gefahr

0.1 g Kaliumpermanganat, KMnO₄ – 158.03 g/mol

Kaliumoxido(trioxo)mangan (IUPAC), Permangansäure Kaliumsalz

CAS-Nr.: 7722-64-7 – EG-Nr.: 231-760-3

Ox. Sol. 2, Acute Tox. 4 (oral), Skin Corr. 1, Eye Dam. 1, Repr. 2, STOT RE 2 (Gehirn), Aquatic Acute/Chronic 1, WGK 3

H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel. H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. H361d Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen. H373 Kann die Organe schädigen (Gehirn) bei längerer oder wiederholter Exposition durch Einatmen. H410 Sehr giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung. P210 Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P260 Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol nicht einatmen. P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P303 + P361 + P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen.

Sigma-Aldrich, 223468, SDB vom 18.12.2020

2 g Natriumhexametaphosphat, (NaPO₃)_15–20

Hexanatriumcyclohexaphosphoxan-2,4,6,8,10,12-hexolat-2,4,6,8,10,12-hexaoxid (IUPAC), Natriumpolyphosphat, Graham’sches Salz, Calgon

CAS-Nr.: 68915-31-1 – EG-Nr.: 272-808-3

WGK 1

Sigma-Aldrich, 305553, SDB vom 29.04.2021

GHS05 – Ätzwirkung

Achtung

2 mL Schwefelsäure 10 %, H2SO4 – 98.08 g/mol

Schwefel(VI)-säure, Dihydrogensulfat, Monothionsäure, E 513, Vitriolöl (veraltet)

CAS-Nr.: 7664-93-9 – EG-Nr.: 231-639-5

Met. Corr. 1, Skin Irrit. 2, Eye Irrit. 2, WGK 1

H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H315 Verursacht Hautreizungen. H319 Verursacht schwere Augenreizung. P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P264 Nach Gebrauch Haut gründlich waschen. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P302 + P352 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser waschen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. P332 + P313 Bei Hautreizung: Ärztlichen Rat einholen/ärztliche Hilfe hinzuziehen.

Merck, 480704, SDB vom 23.08.2021

GHS02 – Flamme

GHS06 – Totenkopf mit gekreuzten Knochen

GHS08 – Gesundheitsgefahr

GHS05 – Ätzwirkung

Gefahr

1 g Natriumborhydrid, NaBH₄ – 37.83 g/mol

Natriumtetrahydroborat (IUPAC), Natriumboranat, Natriumtetrahydridoborat

CAS-Nr.: 16940-66-2 – EG-Nr.: 241-004-4

Water-react. 1, Acute Tox. 3 (oral), Skin Corr. 1B, Eye Dam. 1, Repr. 1B, WGK 2

H260 In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase, die sich spontan entzünden können. H301 Giftig bei Verschlucken. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. H360FD Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Kann das Kind im Mutterleib schädigen. P231 + P232 Inhalt unter inertem Gas handhaben und aufbewahren. Vor Feuchtigkeit schützen. P260 Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol nicht einatmen. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P303 + P361 + P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P304 + P340 + P310 BEI EINATMEN: Die Person an die frische Luft bringen und für ungehinderte Atmung sorgen. Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. EUH014 Reagiert heftig mit Wasser.

Merck, 106371, SDB vom 04.07.2021

GHS05 – Ätzwirkung

Gefahr

1 mL Natronlauge 10 %, NaOH – 40.00 g/mol

Natriumhydroxidlösung 10 %

CAS-Nr.: 1310-73-2 – EG-Nr.: 215-185-5

Met. Corr. 1, Skin Corr. 1A, Eye Dam. 1, WGK 1

H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P301 + P330 + P331 BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. P303 + P361 + P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P305 + P351 + P338 + P310 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen.

Sigma-Aldrich, S8263, SDB vom 24.09.2019

Verwendete Geräte, Versuchsaufbau

250-ml-Becherglas, 50-ml-Becherglas, 100-ml-Messzylinder, 4 × 10-ml-Messzylinder, Spatel, Pipetten, Waage, Magnetrührer, Magnetrührfisch, Abzug

Versuchsdurchführung

Lösung A: In einem 250-ml-Becherglas werden 0.1 g Kaliumpermanganat und 2 g Natriumhexametaphosphat in 50 mL dest. Wasser gelöst und
2 mL Schwefelsäure 10 % zugegeben.

Lösung B: In einem 50-ml-Becherglas werden 10 mL dest. Wasser vorgelegt, 1 mL Natronlauge 10 % zugesetzt und darin 1 g Natriumborhydrid gelöst.

In Lösung A wird ein Magnetrührfisch gegeben und das Becherglas auf einen Magnetrührer gestellt. Die Lösung sollte gut gerührt werden. Der Raum wird nun verdunkelt und mit einer Pipette 2–3 mL Lösung B zugesetzt. Innerhalb weniger Sekunden zeigt sich eine orangerote Chemolumineszenz, welche ca. 6–7 Sekunden sichtbar ist. Danach ist die Lösung farblos.

Reaktionsgleichung

8 MnO₄⁻ + 5 BH₄⁻ + 29 H⁺ → 8 [Mn²⁺]^* + 5 H₃BO₃ + 17 H₂O

Abb. 1 – Energieabgabe der angeregten Mangan(II)-ionen durch Photonenemission.

Das gezeigte Experiment basiert auf einer Arbeit von Barnett et al. [2] und wurde von Albrecht et al. [1] modifiziert. Das sich Kaliumpermanganat als Oxidationsmittel für Chemolumineszenzreaktionen eignet, ist bekannt: Luminol, Siloxen [3], Opiate (Codein) [4] und Sulfit [5]. Bei diesen Reaktionen spielen elektronisch angeregte Manganionen keine Rolle. Die Chemolumineszenz von organischen Komplexen der schweren Übergangsmetalle (VIII. Nebengruppe) und der f-Elemente der Lanthanoide bei Redox-Reaktionen ist bekannt. Beispiele hierfür sind Ruthenium [6, 7, 8] und Europium [9]. Die Besonderheit dieses Experiments ist, dass hier keine organischen Liganden vorliegen. Die Chemolumineszenz wird direkt durch angeregte Mangan(II)-ionen erzeugt (λ ≈ 690 nm) [2].

Medien

Quellenangaben

[1]

S. Albrecht, H. Brandl und T. Zimmermann. Anorganische Chemilumineszenz. Traditionelle Experimente in neuem Licht. Chem. unserer Zeit 2008, 42 (6), 394–400. DOI: 10.1002/ciuz.200800460

[2]

N. W. Barnett, B. J. Hindson, P. Jones, C. E. Lenehan und R. A. Russell. New light from an old reagent: Chemiluminescence from the reaction of potassium permanganate with sodium borohydride. Aust. J. Edu. Chem. 2005, 65, 29–31. https://www.raci.org.au/document/item/1965 [14.01.2017]

[3]

H. Brandl. Tribochemolumineszenzreaktionen mit „Wöhlerschem Siloxen“. Prax. Naturwiss. Chem. 1988, 37 (5), 36–38.

[4]

N. W. Barnett, Simon W. Lewis und D. J. Tucker. Determination of morphine in process streams by sequential injection analysis with chemiluminescence detection. Fresenius J. Anal. Chem. 1996, 355 (5), 591–595. DOI: 10.1007/s0021663550591

[5]

J. Stauff und W. Jaeschke. Chemilumineszenz der SO2-Oxidation. Z. Naturforsch., B: Chem. Sci. 1978, 33 (3), 293–297.
DOI: 10.1515/znb-1978-0309

[6]

S. Albrecht, H. Brandl, D. Weiß und T. Zimmermann. Experimente mit Ozon: Angewandte Chemilumineszenz. Chem. unserer Zeit 2007, 41 (1), 30–37. DOI: 10.1002/ciuz.200700405

[7]

S. Albrecht, H. Brandl und T. Zimmermann. Chemilumineszenz: Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig: Heidelberg, 1996.4–6

[8]

C. K. Jörgensen. Studies of Absorption Spectra. IV. Some New Transition Group Bands of Low Intensity. Acta Chem. Scand. 1954, 8, 1502–1512. DOI: 10.3891/acta.chem.scand.08-1502

[9]

M. Elbanowski, B. Mkowska, K. Staninski und M. Kaczmarek. Chemiluminescence of systems containing lanthanide ions. J. Photochem. Photobiol., A 2000, 130 (2–3), 75–81. DOI: 10.1016/S1010-6030(99)00222-1

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