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Quecksilber 09:45 min

Textversion des Videos

Transkript Quecksilber

Guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heißt Quecksilber. Der Film gehört zur Reihe Elemente. Als Vorkenntnisse solltest du das Chemiewissen des 11. Schuljahres mitbringen. Ich möchte dir in diesem Video einen Einblick in die Eigenschaften und die Verwendung von Quecksilber geben. Der Film ist in 7 Abschnitte untergliedert: 1. Kurze Geschichte. 2. Stellung im Periodensystem der Elemente. 3. Eigenschaften. 4. Das Metall. 5. Verbindungen. 6. Sicherheit im Labor. Und 7. Ausblick. 1. Kurze Geschichte: Im antiken Griechenland im 3. Jahrhundert vor der Zeitrechnung war das Element Quecksilber bereits gut bekannt. Berichte darüber liegen von Aristoteles und Theophrastus von Eresos vor. Auch das antike Rom des 1. Jahrhunderts war mit dem Quecksilber vertraut. Plinius der Ältere und Vitruv berichteten darüber. Im Mitteleuropa des 16. Jahrhunderts hatte der Arzt und Wissenschaftler Theophrastus Bombastus von Hohenheim, auch Paracelsus genannt, Kontakt mit Quecksilber. Für die Heilung benutzte er quecksilberhaltige Arzneimittel. 2. Stellung im Periodensystem der Elemente: Im Periodensystem der Elemente befindet sich das chemische Element Quecksilber etwa an dieser Stelle. Es ist ein Element der II. Nebengruppe. Damit gehört es zu den Metallen. Sein chemisches Symbol lautet Hg. Die Oxidationszahlen in den Verbindungen sind +1, +2 und seltener +4. 3. Eigenschaften: Quecksilber ist ein silbrig glänzendes Metall. Es ist chemisch relativ passiv. Man bezeichnet es auch als Halbedelmetall. Es ist das einzige metallische Element, welches flüssig ist. Quecksilber schmilzt bei -39 °Celsius und siedet bei 357 °Celsius. Es hat eine hohe Dichte von 13,5 g/cm³. Diese Dichte ist geringer als die des Goldes, doch höher als die Dichte des Silbers. Quecksilber reagiert weder mit Basen noch mit Säuren. Quecksilber reagiert mit konzentrierter Salpetersäure und mit konzentrierter Schwefelsäure in der Wärme. Auch mit dem Gemisch der konzentrierten Salz- und Salpetersäuren, Königswasser genannt, findet eine Reaktion statt. Quecksilber reagiert natürlich auch nicht mit dem Sauerstoff der Luft oder mit Wasser. Allerdings bildet es Amalgame, das sind Metalllegierungen. Mit Gold, Silber, Aluminium und Kupfer werden Amalgame gebildet. Keine Amalgame entstehen mit Eisen, Cobalt oder Nickel. 4. Das Metall: Quecksilber ist eine Flüssigkeit, die Quecksilberdämpfe bildet. Diese Dämpfe sind sehr giftig. Sie können akute und chronische Erkrankungen hervorrufen und sogar bis zum Tode führen. Ein wichtiger Einsatzort des Quecksilbers ist das Thermometer. Quecksilber zeichnet sich durch gleichmäßige Ausdehnung und eine geringe Benetzbarkeit von Glas aus. Alternativ kann man Galinstan verwenden. Das ist eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn. Sie ist flüssig, führt jedoch zu einer hohen Benetzung des Glases. Daher muss auf das Glas eine Spezialschicht aufgetragen werden. Man findet Quecksilber heute auch noch in Manometern und Barometern zur Druckmessung. Diese Art der Druckmessung geht zurück auf den Italiener Torricelli. Er stellte fest, dass der Luftdruck dem Druck einer Quecksilbersäule von 760 mm entspricht. Die alte Einheit Torr bedeutete 1 mm Quecksilbersäule. Das sind 133,21 Pascal. Früher wurden häufig Quecksilberschalter benutzt. Sie sind einfach im Aufbau und zuverlässig in der Wirkung. Links ist aus und rechts ist ein. In Deutschland sind diese Schalter seit 2005 verboten. Wie schon gesagt, bildet Quecksilber Amalgame. Bei der Goldgewinnung nutzt man die Bildung von Goldamalgam aus. Bei Standardfällen und im Allgemeinen wurde die Goldgewinnung durch Amalgame durch die Zyanidlaugerei abgelöst. Amalgame spielen auch bei Personenflügen eine Rolle. Nur begrenzte Mengen an Quecksilber dürfen transportiert werden. Warum ist das so? Ganz einfach, Quecksilber kann die Bordwand zerstören. Es kann nämlich mit dem Aluminium der Bordwand ein Amalgam bilden. Quecksilber wird auch bei der Elektrolyse verwendet, und zwar bei der Chloralkalielektrolyse. Die Elektrode unten links, wie ihr seht, besteht aus Quecksilber. Quecksilber wird eingesetzt in Quecksilberdampflampen und Leuchtstofflampen. Es gab Versuche, im Dampfkrampfwerk es anstelle von Wasser als Energieträger zu verwenden. Die Temperaturerhöhung ist größer, der erzielte Wirkungsgrad ebenfalls. Außerdem wurde und wird Quecksilber in schnellen Brütern, speziellen Atomreaktoren bei der Plutoniumgewinnung, der Erzeugung von Neutronen und Tritium verwendet. 5. Verbindungen: Quecksilber(II)-amidchlorid - man verwendet diese Verbindung als Arznei, zur Desinfektion und bei der Amalgambildung. Kalomel, das Quecksilberchlorid, Hg2Cl2 - es ist ungiftig, da schwer löslich. Verwendet wird es in Kalomelelektroden, in der Pyrotechnik und bei der Schädlingsbekämpfung. Sublimat, Quecksilber(II)-chlorid, HgCl2 - die Verbindung wirkt beizend. Sie wird für die Desinfektion und für die Ätzung eingesetzt. Bei der Ätzung einer Kupferplatte reagieren die Quecksilber(II)-Ionen mit dem elementaren Kupfer. Es kommt zu einer Elektronenübertragung. Kupfer(II)-Ionen werden gebildet. Die Ätzung ist erfolgt. Auf diese Art funktionierte eine der Fotografiemethoden um 1850. Knallquecksilber, Quecksilber(II)-fulminat - viele Jahre wurde dieses Salz als Initialzünder verwendet. Heute wird es meist durch Bleiazid ersetzt. Quecksilber(II)-iodid - es kommt gelb oder rot vor. Verwendet wird dieses Salz bei der Neßler-Reaktion, dem Nachweis von Ammonium-Ionen. Quecksilber(II)-acetat - es ist ein Katalysator für die Herstellung organischer Quecksilberverbindungen. Und schließlich Dimethylqueckilber - das ist eine tödlich giftige Verbindung, die nicht mehr verwendet wird. Quecksilber(II)-nitrat - hier handelt es sich um ein Oxidationsmittel, das früher auch bei der Filzverarbeitung verwendet wurde. Erinnert ihr euch noch an die Geschichte von Alice im Wunderland, wie Alice beim verrückten Hutmacher sitzt? Warum hatte der Meister wohl eine geistige Verwirrung? Was meint ihr? Zinnober, HgS - das ist das Mineral Cinnabarit, Quecksilbersulfid. Zinnober dient der Quecksilbergewinnung. Er wird mit Sauerstoff abgeröstet. Aus Quecksilberoxid, HgO, dem Mineral Montroydit wird ebenfalls Quecksilber hergestellt. Andere Rohstoffminerale bestehen aus Quecksilber und Silber in unterschiedlichen Verhältnissen. 6. Sicherheit im Labor: Quecksilberthermometer werden im Labor benutzt, weil sie genau die Temperatur anzeigen. Zerbricht ein Thermometer, so wird Quecksilber verstreut. Die großen Kugeln auf dem Labortisch fängt man mit der Quecksilber-Zange ein. Der Rest wird am besten mit einer Zinkplatte, ist die nicht vorhanden, dann mit Zinkpulver zum Amalgam neutralisiert. Man kann das Quecksilber auch mit Schwefel unschädlich machen. 7. Ausblick: Quecksilber besitzt wertvolle Eigenschaften. Sein Einsatz wird jedoch durch seine Giftigkeit stark eingeschränkt. Es gibt bereits Länder mit generellen Quecksilberverboten, so in Norwegen seit dem 1. Januar 2008 und in Schweden seit dem 15. Januar 2009. Mit diesen doch recht gemischten Aussichten möchte ich mich von euch verabschieden, alles Gute - auf Wiedersehen!

Quecksilber Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Quecksilber kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe zwei Methoden zur Quecksilber-Herstellung.

    Tipps

    Um aus dem Sulfid Quecksilber zu erhalten, muss es oxidiert werden.

    Das Oxid wird lediglich erhitzt.

    Lösung

    1. Quecksilber aus Quecksilber(II)-sulfid

    $HgS + O_2 \longrightarrow Hg + SO_2$

    Das Sulfid reagiert mit Sauerstoff zu elementarem Quecksilber. Der Schwefel der Verbindung reagiert mit dem Sauerstoff zu Schwefeldioxid.

    Das Quecksilber wird reduziert, der Schwefel wird oxidiert.

    2. Quecksilber aus Quecksilber(II)-oxid

    $2~HgO \longrightarrow 2~Hg + O_2$

    Durch Erwärmen wird der Sauerstoff aus dem Oxid ausgetrieben. Es entsteht metallisches Quecksilber. Das Quecksilber wird reduziert und, so seltsam es klingen mag, der Sauerstoff wird oxidiert.

  • Entscheide, welche der Eigenschaften zum Quecksilber und welche zum Gallium gehören.

    Tipps

    Quecksilber hat eine recht hohe Dichte.

    Quecksilber zählt zu den edlen oder zumindest halbedlen Metallen.

    Quecksilber geht mit einer Reihe von Metallen Legierungen ein, die einen bestimmten Namen tragen.

    Lösung

    Quecksilber hat eine Reihe von charakteristischen Eigenschaften, durch die es sich klar von anderen Metallen wie z.B. Gallium unterscheiden lässt.

    • Quecksilber ist das einzige flüssige Metall, auch an kühlen Tagen. Gallium wird erst durch Handwärme flüssig. In kühlen Räumen ist es fest.
    • Quecksilber hat eine höhere Dichte als Silber oder Blei. Sie beträgt $\rho\:=\:13,5\,g/cm^3$. Der Wert für Gallium nimmt sich dagegen bescheiden aus: $\rho\:=\:5,9\,g/cm^3$.
    • Für Queckilber gilt: $+\:H^\oplus\:\nrightarrow$. Das bedeutet, dass das Metall mit Säuren nicht reagiert. Ausnahme ist die Salpetersäure, es muss allerdings konzentrierte Salpetersäure sein. Auch mit Basen reagiert Quecksilber im Vergleich zu einigen anderen Metallen nicht.
    • Amalgame im engeren Sinne sind Legierungen des Quecksilbers. Mit den Metallen Gold (Au), Silber (Ag) und Kupfer (Cu) werden Amalgame gebildet. Mit Eisen wird kein Amalgam gebildet.
  • Beurteile die Anwendung von Quecksilber für die Temperatur- und Druckmessung.

    Tipps

    Mit welcher Art von Thermometern wurde früher Fieber gemessen?

    Schaue dir Bilder von verschüttetem Quecksilber an. Vergleiche diese mit Wasser und erkläre den Unterschied.

    Erkundige dich, welche Masse ein Kubikdezimeter (Liter) Quecksilber aufweist.

    Lösung

    Bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ist Quecksilber das einzige flüssige Metall. Die Schmelztemperatur liegt bei -39 °C, die Siedetemperatur bei 357 °C. In diesem Bereich können Temperaturen gemessen werden. Dafür müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein:

    1. Die Ausdehnung und die Temperatur müssen linear zueinander sein. Proportionalität ist nicht vonnöten, denn niemand erwartet, dass das Volumen des Quecksilbers bei 0 K (und schon gar nicht bei 0 °C) verschwindet.
    2. Die Benetzung von Quecksilber auf Glas ist gering. Wäre es anders, gäbe es eine große Haftung zwischen dem Metall und dem Glas. Vor allem bei Abkühlung wäre das fatal. Das Quecksilber würde nur langsam nach unten laufen. Die Temperaturmessung wäre ungenau.
    Quecksilberthermometer sind genau und werden in wissenschaftlichen Laboratorien verwendet. Da Quecksilberdämpfe sehr giftig sind, sind sie für Schülerexperimente nicht zugelassen. Alternativ kann die Legierung Galinstan verwendet werden. Die Bestandteile sind die Metalle Gallium, Indium und Zinn. Gallium schmilzt in der Hand. Die beide anderen Metalle bringt man in einem Küchenherd zum Schmelzen. Die Vorschläge Gadolinium, Iridium und Titan weisen hingegen nur jeweilige Namensähnlichkeiten auf. Sie schmelzen jedoch viel zu hoch, um nur eine ungefähre Eignung als Thermometerflüssigkeit aufzuweisen.

    Im Gegensatz zu Quecksilber benetzt Galistan die Glasoberfläche sehr gut. Daher wird Glas durch einen Spezialstoff ersetzt.

    Bei der Luftdruckmessung wird eine andere Eigenschaft ausgenutzt. Die hohe Dichte des Quecksilbers von $13,5\,g/cm^3$ ermöglicht die Verwendung von gut handhabbaren Manometern. Die dem atmosphärischen Druck adäquate Quecksilbersäule hat eine Höhe von etwa 76 cm.

  • Bestimme die Oxidationszahlen für Quecksilber in folgenden Verbindungen.

    Tipps

    Sauerstoff hat die Oxidationszahl -2, Wasserstoff +1.

    Die Oxidationszahl von Chlorid erfährt man aus $HCl$.

    Ammoniak trägt keine Ladung.

    Oxidationszahlen lassen sich leicht aus den Ladungen von Nitrat und Sulfat bestimmen.

    Lösung

    Folgende Verbindungen haben die Oxidationszahl (OZ) von +2.

    • $HgS$: Das Gegenion ist $S^{2-}$, man kann die OZ auch vom $H_2S$ ableiten.
    • $HgCl_2$; $[Hg(NH_3)_2]Cl_2$: Die beiden Chlorid-Ionen erklären das und Ammoniak hat keine Ladung.
    • $HgO$: Das ist offensichtlich, denn die OZ für Sauerstoff ist -2.
    • $HgSe$: Ganz analog zu $H_2S$
    Folgende Verbindungen haben die Oxidationszahl (OZ) von +1.
    • $Hg_2Cl_2$: Das folgt aus den beiden Quecksilber-Ionen und den beiden Chlorid-Ionen.
    • $Hg_2O$: Das folgt aus der OZ von Sauerstoff.
    • $Hg_2SO_4$: Das folgt direkt aus dem Vergleich mit $H_2SO_4$.
    • $HgNO_3$: Der Vergleich mit $HNO_3$ führt zu diesem Ergebnis.
    • $HgH$: Bemerkenswert ist hier das Vorzeichen. Die Elektronegativität (nach Pauling) ist für Quecksilber (2,0) nur etwas geringer als für Wasserstoff (2,1). Demzufolge ist die OZ für Wasserstoff negativ. -1 ergibt sich aus der Tatsache, dass ein Wasserstoffatom durch Aufnahme eines Elektrons zum Hydrid-Ion wird, welches eine Edelgaskonfiguration besitzt.
    Folgende Verbindung hat die Oxidationszahl (OZ) von +4.
    • $HgF_4$: Eine seltene OZ für Quecksilber, Fluorid ist einfach negativ geladen.

  • Berechne den Druck einer 76 cm hohen Quecksilbersäule auf den Untergrund.

    Tipps

    Informiere dich über die Definition des Drucks.

    Mache dir den Zusammenhang zwischen Dichte, Masse und Volumen klar.

    Lösung

    1. Lösungsidee

    Für die gedrückte Fläche nehmen wir einen Wert von

    $A\:=\:1\:cm^2$.

    Der Druck $p$ ist der Quotient aus Druckkraft und gedrückter Fläche:

    $p$$\:=\:$$F$/$A$.

    Die Kraft wiederum ist das Produkt aus Masse und Erdbeschleunigung.

    Die Masse schließlich ist das Produkt aus Volumen und Dichte.

    2. Die Rechnung

    Wir rechnen von hinten.

    Masse

    $m$$\:=\:$$V$$\,\cdot\,$$\rho$

    Nun berechnen das Volumen:

    $V$$\:=\:$$1\:cm^2$$\,\cdot\,$$76\,cm$$\:=\:$$76\,cm^3$.

    Man erhält:

    $m$$\:=\:$$76\,cm^3$$\,\cdot\,$$13,5\:g/cm^3$

    $m$$\:=\:$$1026\,g$.

    Kraft

    Unter ausschließlicher Verwendung von SI-Einheiten ergibt sich:

    $F$$\:=\:$$1,026\,kg$$\cdot$$9,81\,m/s^2$

    $F$$\:=\:$$10,065\,N$.

    Druck

    Die Fläche wird in Quadratmetern (SI-Einheit) verwendet:

    $p$$\:=\:$$F$/$0,0001$$m^2$

    $p$$\:=\:$$10065\,Pa$.

    Wir brauchen keine aufwendige Einheitenumrechnung durchführen, da wir in SI-Einheiten rechnen. ([Druck] = Pascal)

    3. Auswertung

    100 000 Pa sind 1 bar. Der Standard-Luftdruck beträgt 1,01325 bar. Das ist etwa höher als der von uns berechnete Wert. Die Genauigkeit des Ergebnisses steht und fällt mit der Genauigkeit der verwendeten Dichte von Quecksilber. Außerdem ist die Festlegung des Standarddrucks nicht exakt an die Höhe der Quecksilbersäule gebunden.

  • Erkläre, was den Hutmacher verrückt machte.

    Tipps

    Denke an die physiologische Wirkung von Quecksilber und seinen Verbindungen.

    Lösung

    Wir wollen zunächst die einzelnen Aussagen analysieren.

    Es ist wahr, dass Quecksilber(II)-nitrat hydrolysiert. Das Hydroxid ist eine schwache Base. Die Reaktion ist wirklich sauer. Durch Berührung mit der Haut werden keine Gehirnzellen geschädigt. Die Säure selbst (Salpetersäure) ist im Wasser nicht flüchtig genug (zumal sie praktisch vollständig ionisiert vorliegt), um über die Atemwege in den Organismus zu gelangen. Und selbst wenn, es gäbe nur Verätzungen.

    So ohne weiteres zerfällt Quecksilber(II)-nitrat auch nicht. Schädigende nitrose Gase bilden sich also nicht. Das Quecksilber(II)-nitrat zerfällt auch nicht unter Freisetzung von Stickstoff. Stickstoff ist schwer zu binden, aber aus dem Nitrat gibt es kaum ein Entkommen. Quecksilber(II)-nitrat setzt auch keinen Sauerstoff frei. Dazu ist nur das Oxid des Metalles in der Lage.

    Die Diagnose
    Quecksilber(II)-nitrat ist tatsächlich ein starkes Oxidationsmittel. Denn Quecksilber ist (halb)edel und wird daher leicht reduziert. Durch die Reduktion von Quecksilber entsteht metallisches Quecksilber. Das metallische Quecksilber wird gasförmig und führt zu Nervenschädigungen.