ISW Hogeland

Kalium en Chloor

Werkstuk scheikunde

Rose Baremans en Ingrid Ter Laak, AM3A

15-7-2012

Kalium (K)Ontdekking:

G.E. Stahl vermoedde dat er een verschil was tussen soda en potas in 1702. In 1736 ontdekte H.L. Duhamel du Monceau dat kaliloog en natronloog verschillende verbindingen waren. Onder andere door de ontdekkingen van G.E. Stahl en H.L. Duhamel, ontdekte Humphry Davy in 1807 kalium. Hij ontdekte dit tijdens een elektrolyse van kaliumhydroxide. Het metaal werd kalium genoemd omdat het genoemd is naar het arabische al-qali.

Humphry Davy:Humphry Davy werd geboren op 17 december 1778 in Engeland. Zijn ouders kwamen uit de middenklasse en beheerde een landgoed. Davy was de oudste zoon uit het gezin van 5 kinderen. Hij werd na de middelbare school een leerjongen bij een plaatselijke chirurg en apotheker. In deze tijd maakte hij de beslissing om de kant van de geneeskunde op te gaan. In 1798 ging zijn interesse naar scheikunde. Hij ging samen met zijn vriend Davies Gilbert gassen onderzoeken. Benjamin Thompson benoemde Davy in 1802 tot professor chemie van het Verenigd Koninkrijk. Ook werd hij lid van de Royal Society. Bij de Royal Society hield hij demonstraties en lezingen die later zeer beroemd werden. Na deze tijd werd hij geridderd door koning George III en kreeg de Copley Medal die stond voor een belangrijke wetenschappelijke prestatie. Ook ontwikkelde hij de Davylamp. Dit is een lamp die methaan en koolstofdioxide kan vaststellen in kolenmijnen. Doordat hij in zijn leven veel giftige stoffen had ingeademd, ging hij dood in 1827 op 50-jarige leeftijd. Zijn leerling Michael Faraday ging verder met Davy’s werk en werd laten nog beroemder en invloedrijker dan Davy.

Humphry Davy.

Bereiding van Kalium:Vroeger werd kalium op twee manieren bereid:

Bij een elektrolyse van gesmolten kaliumhydroxide. Dit werd gedaan in 1807 door Humphry Davy. Een elektrolyse is een chemische reactie. In deze reactie worden samengestelde stoffen ontleed tot andere enkelvoudige of samengestelde stoffen onder invloed van elektrische stroom.

Je kan kalium ook bereiden door een reductie van gesmolten kaliumcarbonaat en ijzervijlsel in een ijzeren pot. J.L. Gay-Lussac en L.J. Thénard voerde dit proces voor het eerst uit in 1808. Louis Joseph Gay-Lussac was een franse scheikundige en natuurkundige. Louis Jacques Thénard was ook een Franse chemicus die onder andere de uitvinder was van waterstofperoxide.

In de loop van de tijd zijn er nog een paar manieren bij gekomen om kalium te bereiden: Bij 850 C een reductie uitvoeren van gesmolten kaliumchloride met natriumdamp in

een stikstofatmosfeer. Met een kaliumlegering als anode en een elektrolyse van gesmolten kaliumhydroxide. Door omzetting van kaliumfluoride met calcium carbide.

CaC2 + 2 KF CaF2 + 2 C + 2 K Bij 1100 C een reductie uitvoeren van kaliumcarbonaat met koolstof.

K2CO3 + 2 C 2 K + 3 CODoor al deze bereidingen wordt er per jaar ongeveer 200 ton kalium geproduceerd.

J.L. Gay-Lussac.

Toepassingen van Kalium:Er zijn verschillende toepassingen van kalium: Kunstmest Kalium zit in diverse soorten kunstmest. Kaliumoxide, kaliumsulfaat en kaliumchloride worden hier vooral voor gebruikt. Kalium is een belangrijk mineraal voor planten. Sommige planten en gewassen zijn gevoelig voor bijvoorbeeld kaliumchloride dus dan wordt er kaliumsulfaat gebruikt. GlasAlle kaliumverbindingen kunnen worden gebruikt voor glas. Dit glas ismoeilijk smeltbaar en wordt bijvoorbeeld kaliglas, kalikalkglas genoemd. LensKaliumchloride wordt bij lenzen gebruikt omdat kalium goed infraroodstralen door laat. Hetkaliumchloride moet dan wel heel zuiver zijn (éénkristal). Kaliumbromide en kaliumjodidezijn hier ook geschikt voor. LucifersEen lucifer bestaat uit zuurstofleverende en brandbare stoffen. Kalium zit in de meestelucifers in de kop van de lucifers. Hiervoor wordt vooral kaliumchloraat gebruikt. Om hetbrandbaar te maken zit er zwavel bij en als bindmiddel zitten er stoffen in als gelatine enzetmeel. BuskruitIn buskruit werkt kalium als oxidatiemateriaal. De andere stoffen zijn reductoren. Hetbuskruit bestaat uit 75% uit kaliumnitraat, 15% uit koolstofpoeder en voor 10% uit zwavel. Jekan hiervan een reactievergelijking maken:16 KNO3(s) + 21 C(s) + 4 S(s) 5 K2CO3 (s) + 2 K2SO3(s) + K2S(s) + 9 CO2(g)+ SO2(g) + 7 CO(g) + 8 N2(g) ZuurstofmaskerGasmaskers worden vooral gebruikt bij de brandweer, bij het werken in de mijnen, induikboten en in ruimtevaartuigen. Als vulling voor deze gasmaskers wordt kaliumsuperoxidegebruikt. Bij duikboten in ruimtevaartuigen word het gebruikt als CO2

binder:4 KO2 + 2 CO2 2 K2CO3 + 3 O2 DieetzoutMensen die op dieet zijn en geen natriumionen mogen eten, krijgenkaliumsulfaat of kaliumchloride. Deze twee stoffen vervangen de smaak vankeukenzout.

Kunstmest.

Dieetzout.

Lucifers:Sinds een hele tijd geleden zijn mensen al bezig met het maken van vuur. Er zijn hierdoor ook verschillende manieren om vuur te maken. De makkelijkste manier is het gebruiken van een lucifer. De Romeinen gebruikte voor het eerst iets wat op een lucifer leek. De Romeinen deden houtsplinters in gesmolten zwavel. Zwavel brandt makkelijk en dus kon men snel een houtje laten branden. Er was wel een probleem. Dit houtje moest tot ontbranding komen met een ander vuurtje. Fransman Chancels vond in 1805 echter wel een manier waarop het makkelijker ging. Hij maakte zijn lucifer van een houten stokje, gedoopt in zwavel. Het rode kopje van de lucifer was van kaliumchloraat, zwavel en gom. Gom is lijmachtig boomvocht. Door deze combinatie van stoffen, vloog het houtje in de brand door hem in contact te brengen met geconcentreerd zwavelzuur. Nu worden de lucifers niet meer zo gemaakt. De Engelse drogist John Walker bedacht in 1827 dat vuur zuurstof nodig heeft. Bij deze gedachte maakte hij een lucifer die door wrijvingswarmte tot ontbranding zou komen. Deze lucifer bestaat uit licht ontvlambaar zwavel en een stof die zuurstof produceert bij verhitting. De kartonnen lucifers werden al snel vervangen door houten lucifers. Deze werden in een mengsel gedoopt van kaliumchloraat, antimoon sulfide en water waar gom in zat. Het ontbranden ging ook veel beter. De lucifer moest nu langs een vel schuurpapier of een ander ruw materiaal worden getrokken en de lucifer zou ontbranden in een regen van vuur.Voor 1828 werd er nog niet gesproken van een lucifer totdat Walker concurrentie kreeg van Samuel Jones. Hij noemde zijn product lucifer en was bijna hetzelfde als de lucifer van Walker. Dit betekent in het Latijn lichtdrager. Later, in 1832, maakte Charles Sauria weer een andere lucifer. Deze lucifer was precies hetzelfde als die van Walker maar Sauria voegde aan het zwavel, kaliumchloraat en gom nog fosfor aan toe. Dit zorgde ervoor dat je een lucifer overal kunt aansteken. De lucifers van Sauria werden erg populair maar waren ook een groot gevaar. Ze konden zomaar spontaan in de brand vliegen. De Zweedse Gustaf Erik was wel erg slim en ontwikkelde de veiligheidslucifer. De kaliumchloraat in de kop en fosfor in het schuurpapier scheidde hij van elkaar. In het schuurpapier werd tevens witte fosfor gebruikt. Dit fosfor was giftig en veel arbeiders werden er ziek van. Dit werd vervangen door rode fosfor dat in een speciaal laagje zat. Dit is niet giftig en totaal onschadelijk. In de westerns worden deze nog wel gebruikt. Je ziet het vaak in films. De lucifers worden dan over de zool van hun schoen getrokken of over het zadel van het paard. Door de lucifer langs de rand van het doosje te halen, ontbrandde de paraffine in het luciferkopje. Op deze manier kon de lucifer alleen nog vlam vatten door de lucifer langs de zijkant te strijken van het doosje. Aan het eind van al deze veranderingen, kreeg Johan Edvart Lundström patent op de lucifer. Deze lucifers bestaan voor de helft uit kaliumchloraat en voor 5 procent uit zwavel. Het strijkvlak bestaat vooral uit fosfor en glaspoeder. De lucifers werden tot de 19e eeuw geheel met de hand gemaakt maar daarna ging alles geheel automatisch. De materialen die nu gebruikt worden zijn een beetje geperfectioneerd maar voor de rest is alles hetzelfde gebleven.

Johan Edvart Lundström.

De bekendste lucifers in

Nederland.

Carl Wilhelm Scheele

Chloor (Cl)

De ontdekking van chloor:

Waarschijnlijk was chloor al in de 13e eeuw bekend, maar de zuivere vorm van chloor werd in 1774 voor het eerst bereid door Carl Wilhelm Scheele, een scheikundige geboren in Duitsland. Hij verwarmde bruinsteen (mangaandioxide) met zoutzuur. Bij het verwarmen werden de verbindingen verbroken en ontstonden mangaanchloride, water en chloorgas. Toen Carl Scheele chloor ontdekte besefte hij nog niet dat het een element was. Hij dacht dat chloor een verbinding was van zuurstof. Scheele merkte dat het gas oplosbaar was in water, dat het papier en groente bleekte en dat het reageerde op metalen en metaaloxide. In 1810 verklaarde een Engelse scheikundige, Humphry Davy, dat

het gas wat Scheele had ontdekt een element moest zijn, omdat het ondeelbaar is. Hij noemde het gas ‘Chloor’ (Cl). Het woord chloor is afkomstig van het Griekse woord ‘chloros’, dat betekent geelgroen en verwijst naar de kleur van het gas.

Kwikelektrolyseproces

Bereiding van chloor:Vroeger werd chloor bereid uit bruinsteen (MnO₂) en zoutzuur (HCl). Ze verwarmde bruinsteen met zoutzuur, door het verwarmen worden de verbindingen verbroken en ontstaan mangaanchloride (MnCl₂), water (H₂O) en chloorgas (Cl₂).Nu wordt chloor bereid door elektrolyse met oplossingen van natrium- en kaliumchloride, waarbij er drie processen mogelijk zijn:

Het kwikelektrolyseproces. Bij dit proces wordt een elektrolysevat gebruikt met een positieve pool van titaan en een negatieve pool van (stromend) kwik. Bij de negatieve pool krijg je dan een reactie met het natrium ion, waardoor er natrium-amalgaam ontstaat. Dit amalgaam wordt dan door een tweede reactievat geleid (de loogcel) en reageert hier met water. Er ontstaat dan natronloog en waterstof. Het waterstofgas blijft zo gescheiden van het chloorgas dat ontstaat bij de positieve pool. De reactievergelijking ziet er dan zo uit:In de elektrolysecel:+ Pool: 2 Cl- →Cl₂ + 2 e-- Pool: Na+ + e- → NaIn de loogcel:2 Na + 2 H₂O → 2 Na+ + 2 OH- + H₂

Het diafragma-proces.Bij dit proces wordt een elektrolysevat gebruikt met een positieve pool van titaan en een negatieve pool van staal. De elektroden zijn gescheiden door een diafragma (een wand die alleen vloeistoffen doorlaat), waardoor de gassen die ontstaan bij de reactie gescheiden blijven. Het tegenstroomprincipe zorgt ervoor dat de hydroxide-ionen die bij de negatieve pool ontstaan niet bij de positieve pool kunnen komen. De chloride-ionen kunnen wel door het diafragma, en daardoor wordt de natronloog die ontstaat licht verontreinigd met chloride. De reactievergelijking ziet er dan zo uit:+ Pool: 2 Cl- → Cl₂ + 2 e-- Pool: 2 H₂O + 2 e- →2 OH- + H2

Het membraanproces.Dit proces is tot nu toe het modernste proces en werkt ongeveer hetzelfde als het diafragma-proces, het verschil zit in het membraan, dat in tegenstelling tot het diafragma alleen positieve ionen doorlaat, waardoor vrij zuivere natronloog ontstaat.

Toepassingen van chloor:Zwembaddesinfectie:Chloor gebruiken we onder anderen voor het desinfecteren van zwembaden. Zwemmers brengen natuurlijk altijd, ook al is het vaak onbewust, allerlei vervuiling mee het zwembad in. Daarom wordt al een aantal jaren gebruik gemaakt van waterstofchloride en natriumhypochloriet. Beide chloorproducten zorgen voor onze gezondheid tijdens het zwemmen: ze ontsmetten het zwemwater en zorgen ervoor dat de leidingen en filters hygiënisch zuiver blijven.

Bleken van papierpulp:De West-Europese industrie bleekt bijna geen papierpulp meer met chloorgas . Tegenwoordig bleken ze liever met chloordioxide, waterstofperoxide of ozon. Maar het maakt niet uit welk bleekproces ze gebruiken, er komen in papier steeds een aantal chloorderivaten voor. Die zijn afkomstig van de grondstof hout of van gerecycleerd papier. “Chloorvrij papier” bestaat dus niet.

Kleurmiddelen:Kleurmiddelen is eigenlijk meer een verzamelnaam voor pigmenten en kleurstoffen. Kleurstoffen kun je oplossen in water of organische oplosmiddelen, maar pigmenten zijn onoplosbaar. De meeste kleurmiddelen, waaronder ook een aantal van hun specifieke eigenschappen, kun je alleen krijgen met chloorchemie.

Oplosmiddelen:Gechloreerde oplosmiddelen horen bij een groep chemische producten die een belangrijke rol spelen in de reinigingsindustrie. Ze tasten de ozonlaag niet aan, en zijn niet brandbaar. En als je goed omgaat met deze producten, vormen ze geen bedreiging voor het milieu of de gezondheid.

Polyvinylchloride (PVC):PVC is een van de belangrijkste kunststoffen in onze maatschappij. De productie van PVC is nauw verbonden met de chloorchemie. Door het chloor in de molecule is PVC in overeenstemming met een brede groep van materialen, wat het heel erg veelzijdig maakt. Het chloor zorgt er ook voor dat de kunststof moeilijk ontvlambaar is.

Silicium voor zonnecellen en microchips:De zon wordt steeds meer als energiebron gebruikt, om de energie op te vangen gebruiken we zonnepanelen, waarin zeer zuivere siliciumcellen zitten. Silicium is een chemisch element en is in zuivere toestand een halfgeleider. Silicium wordt gemaakt uit zand, maar voor zuiver silicium heb je ook chloor nodig.

Het ontsmetten van zwembadwater:Zwembaden hebben een eigen probleem wat betreft de hygiëne en gezondheid van de zwemmers, ze brengen immers, meestal onbewust, vervuiling mee het badwater in. Waterstofchloride en natriumhypochloriet worden al tientallen jaren gebruikt bij het ontsmetten van zwembadwater en het schoonhouden van de leidingen en filters. Als de installaties modern, goed onderhouden en regelmatig gecontroleerd zijn, lopen de mensen in en om het zwembad geen risico bij het gebruik van chloor.

Manieren van ontsmetten:Chloor en natriumhypochloriet zijn hele krachtige ontsmetters. Hele kleine hoeveelheden in het water zijn voldoende om alle bacteriën en ziekteverwekkende micro-organismen snel te vernietigen. Natriumhypochloriet wordt het meest gebruikt als ontsmettingsmiddel. Andere methodes zijn: ozonbehandeling, bestraling met ultravioletlicht, ultrafiltratie en elektrofysische procedés (elektrolyse met metaalionen zoals koper, vaak in combinatie met zilver of roestvrijstaal). Deze methodes worden echter niet op grote schaal gebruikt, omdat ze minder doeltreffend, te technisch of te duur zijn. Als ze worden gebruikt, worden ze bijna altijd gebruikt in combinatie met chlorering. Het voordeel van chloor is het blijvende desinfectievermogen. Dat wil zeggen dat het chloor ook in het zwembadwater nog voortdurend actief blijft, zodat alle mogelijke vervuiling onmiddellijk wordt geneutraliseerd.

Mogelijke lichaamsreacties op chloor:Een verbinding van zwembadchemicaliën met organisch materiaal geeft trichloormethaan of chloroform. In het water kan het geen kwaad, maar eenmaal in de lucht kan het schadelijk zijn voor de ademhaling, vooral voor mensen die meerdere uren per dag in het zwembad zijn, zoals topsporters en mensen die in het zwembad werken. De vorming van trichloormethaan kan voorkomen worden door zijn voorproducten, de humuszuren, uit het water te halen. Dit wordt gedaan door het filteren en door goed beluchten van zwemruimtes. Door zwemmers komen er veel stikstofverbindingen in het water, vooral ureum, dat is een stof in urine. Deze stikstofverbindingen vormen met chloor chlooramines, en die prikkelen de ogen en slijmvliezen, en deze chlooramines zorgen ook voor de zwembadlucht die je ruikt als je in het zwembad bent. Hoe meer mensen er zwemmen, hoe groter de kans is op vervuiling van het zwembadwater en de gevolgen ervan. De chlooramines zijn makkelijk te voorkomen door een goede hygiëne van de zwemmers, als ze bijvoorbeeld voor het zwemmen douchen en hun voeten wassen.

Bronvermelding:http://www.lenntech.nl/processen/desinfectie/chemisch/desinfectiemiddelen-chloor.htmhttp://nl.wikipedia.org/wiki/Chloor_(element)http://viatienen.be/college/new/downloads1011/lln/PS%20Fedichem/elem_nl.cfm-IDE=Cl.htm#bereidinghttp://www.belgochlor.be/nl/H301.htm