8. Chemische Gärten

Unterabschnitte

8.1 Versuchsbeschreibung

8.1.1 Chemikalien

8.1.2 Geräte

8.1.3 Durchführung

Käufliche Wasserglaslösung wird etwa 1:3 mit Wasser verdünnt. Das Reagenzglas wird gut bis zur Hälfte mit der verdünnten $ \textstyle
\bf\rm Na_2SiO_3 $-Lösung gefüllt. In die Lösung wird ein erbsengroßes Stück $ \textstyle
\bf\rm FeCl_3\cdot 6H_2O $ gegeben.

Ein schöner bunter chemischer Garten läßt sich z.B. in einem leeren Marmeladenglas herstellen. Das Gefäß wird ca. 10cm hoch mit der verdünnten Wasserglaslösung gefüllt, anschließend werden Kristalle verschiedener Schwermetallsalze zugegeben. (Da die vollständige Reinigung des Glasgefäßes nach Beendigung des Versuchs recht schwierig ist, empfiehlt sich die Verwendung eines Wegwerfartikels.)

8.2 Beobachtung

In der Silicatlösung wachsen von den Kristallen mehr oder weniger dicke Schläuche nach oben, die in Abhängigkeit vom verwendeten Salz unterschiedliche Farben aufweisen (Eisensilicat: braun).

8.3 Reaktionsgleichung

Am Beispiel von Eisen(III)-chlorid:

$ \textstyle
\bf\rm 2FeCl_3^{} \cdot 6H_2^{}O + 6 Na^+_{(aq)} + 3SiO_{3(aq)}^{2...
..._{(aq)} + 6 Cl^-_{(aq)} + \mbox{\lq\lq }{Fe_2(SiO_3)^{}_{3(s)}}\mbox{\lq\lq } + 6H_2^{}O $

Der Ablauf der Reaktion wird verständlicher, wenn die Teilschritte der Reaktion betrachtet werden:

Das Eisenchlorid löst sich im Wasser:

(1)
$ \textstyle
\bf\rm FeCl_3\cdot 6H_2O \stackrel{ +aq}{\longrightarrow} Fe^{3+}_{(aq)} + 3 Cl^-_{(aq)} $

Ein Niederschlag von Eisensilicat fällt aus:

(2)
$ \textstyle
\bf\rm 2 Fe^{3+}_{(aq)} + 3 SiO_{3(aq)}^{2-} \stackrel{-aq}{\longrightarrow}
\mbox{\lq\lq }Fe_2(SiO_3)^{}_{3(s)}\mbox{\lq\lq } $
Da in Silicaten sehr oft Wasser oder Hydroxidionen eingelagert werden, ist das entstehende Eisensilicat als Formel in Anführungszeichen gesetzt.

8.4 Erklärung

Zur Erklärung der entstehenden Form des Eisensilicats dient der im folgenden beschriebene Modellversuch.

8.5 Modellversuch zum Wachstum chemischer Gärten

8.5.1 Chemikalien

8.5.2 Geräte

8.5.3 Durchführung

Das Reagenzglas wird in dem Projektor plaziert. Die Wasserglaslösung wird etwa 1:3 mit Wasser verdünnt. Von dieser verdünnten Lösung wird so viel in das Reagenzglas im Projektor gegeben, daß der obere Meniskus am unteren Bildrand der Projektion sichtbar ist und scharf abgebildet wird.

Im unteren Ende des Glasrohres wird ein Tropfen der gesättigten $ \textstyle
\bf\rm FeCl_3 $-Lösung aufgenommen. Das Glasrohr sollte so beschaffen sein, daß diese Lösung gerade so noch nicht in der Kapillaren aufsteigt (das kann vorher recht zuverlässig mit Wasser ausprobiert werden, das Glasrohr muß dann aber wieder getrocknet werden).

Das Glasrohr wird nun in einer Stativklemme über dem Reagenzglas mit der $ \textstyle
\bf\rm Na_2SiO_3 $-Lösung befestigt. Anschließend wird das Glasrohr vorsichtig abgesenkt, so daß es gerade zur Berührung der Eisenchlorid- und der Natriumsilicatlösung kommt. In dieser Stellung ist das Glasrohr zu fixieren.

In der Projektion ist der Flüssigkeitsstand der Eisenchloridlösung zu markieren.


Versuchsaufbau

Abbildung 9: Skizze zum Versuchsaufbau


8.6 Beobachtung

Nach einigen Minuten ist der Stand der Eisenchloridlösung im Glasrohr gestiegen.

8.7 Erklärung

Das Eisensilicat bildet eine Niederschlagsmembran an der Grenzfläche der Lösungen. Diese Membran trennt die beiden Lösungen und verhindert so, daß sofort alle Eisenionen mit Silicationen ausfallen. Die Membran ist jedoch semipermeabel, d.h. Wassermoleküle können durch sie hindurch diffundieren.

Durch den osmotischen Druck, der zwischen der $ \textstyle
\bf\rm FeCl_3 $-Lösung (gesättigt) und der $ \textstyle
\bf\rm Na_2SiO_3 $-Lösung herrscht, diffundiert Wasser aus der Silicatlösung in die Eisenchloridlösung. Hierdurch kommt es zum Steigen des Flüssigkeitsstands in der Kapillaren.

Die Form des Glasrohres wurde bewußt so gewählt, um für die Diffusion eine große Fläche zur Verfügung zu stellen, gleichzeitig aber Änderungen im Volumen der Eisenchloridlösung möglichst empfindlich anzeigen zu können.

Im realen Versuch kommt es durch das Eindringen von Wasser in die das Einsenchloridkristall umgebende Eisensilicatmembran zur Ausbildung eines Überdrucks im Inneren der Membran. Die Membran platzt deshalb auf. An der Bruchstelle wird sofort ein neues Membranstück gebildet. Dadurch, daß an dieser Stelle die Dichte der Eisenchloridlösung abnimmt, soll nach Angaben in der Literatur das vertikale Wachstum bevorzugt werden.

8.7.0.1 Literatur:

[19], Seiten 23+24



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