Gewinnung von Brom am Toten Meer: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 6. April 2016, 08:03 Uhr

Warum Brom?

Ampulle mit Brom und Bromdampf

Über einer dunklen, rotbraunen Flüssigkeit wabert ein schwerer rotbrauner Dampf, der sich im Raum verteilt. Seinen Namen verdankt Brom dem griechischen Begriff für Gestank (= brômos), den Brom zurecht hat, denn Bromdampf hat einen intensiven, chlorähnliches Geruch, den man schon in kleinsten Mengen wahrnehmen kann. Den sollte man sich aber nicht zu häufig antun, denn Brom ist giftiger als Chlor. Deshalb ist Elementares Brom in den Schulen verboten, zumal eine umgeworfene und ausgekippte Flasche Brom meist zur Evakuierung der gesamte Schule führt (Feuerwehr-Bericht als Beispiel)

Trotz seiner unangenehmen Eigenschaften gibt es zahlreiche Einsatzgebiete für das "Teufelszeug", von denen hier nur eine kleine Auswahl genannt wird. Eine ausführlichere und genauer Liste liefert der Wikipedia-Artikel  Brom :

• es gibt organische Bromverbindungen die als Flammschutzmittel dienen
• früher gab es zahlreiche Medikamente, die Brom bzw. Bromide enthielten, heute gibt es besseren Ersatz
• für die Fotoindustrie wird Silberbromid als lichtempfindliche Suspension verwendet, die auf Fotoplatten verwendet wird
• im Labor dient es zum Nachweis von Doppel- und Dreifachbindungen
• Bromlösungen können als mildes Desinfektionsmittel verwendet werden (milder als Chlor)

Anhand des Broms werden wir einige Themen aus der Mittelstufe wieder aufgreifen und vertiefen und damit erklären, woher die Eigenschaften von Brom und Bromverbindungen kommen, um diese dann auf die anderen Halogene übertragen zu können.

Gewinnung von Brom am Toten Meer

Das Tote Meer ist ein abflussloser See, dessen Wasseroberfläche etwa 428 m unter dem Meeresspiegel liegt. Die Entstehung dieses tiefen, schmalen und langen Landstreifens, der als "syrisch-afrikanischen Riss" bezeichnet wird, lässt sich dadurch erklären, das dieses Gebiet in der Erdkruste abgesunken ist. Dies geschah allerdings geschätzt vor mehreren Hundert-Millionen Jahren. Das Tote Meer wird vom Jordan gespeist und ist für seinen hohen Salzgehalt bekannt Er grenzt an Jordanien, Israel und das von Israel besetzte Westjordanland.

Das besondere am Toten Meer ist der Salzgehalt von bis zu 33 %, im Durchschnitt ist er bei etwa 28 %. Zum Vergleich dazu ist der Salzgehalt des Mittelmeeres mit nur etwa 3,8 % wesentlich geringer. Aufgrund des hohen Salzgehalts hat das Seewasser eine Dichte von ca. 1,240 kg/l.

Diese hohe Salzkonzentration ist dadurch entstanden, das es durch den Zufluss von Wasser aus dem Jordan und aufgrund des trockenen Wüstenklima stetig verdunstenden Wassers, zu einer Anreicherung von Mineralien und Salzen kommt. Der Zufluss von Jordanwasser und den Entzug von Verdunstungswasser haben sich mit der Zeit auf die Höhe des aktuellen Wasserspiegels eingependelt. Negativ beeinflusst wird der Wasserpegel durch die künstliche Verdunstung der kommerziellen Salzgewinnung.

Entgegen dem Namen ist das Tote Meer übrigens biologisch nicht tot, jedoch beschränkt sich das Leben weitgehend auf verschiedene Lebewesen und Pflanzen, die an die extremen Bedingungen angepasst sind. Es gibt vor allem halophile (=salzliebende) Mikroorganismen, wie zum Beispiel anaerobe (=Leben ohne Sauerstoff) Bakterien die zum Beispiel Salpeter, Schwefel und Cellulose abbauen. Auch manche Pflanzen mit großer Salztoleranz können in dieser extremen Umwelt überleben.

Warum die Brom-Gewinnung am Toten Meer?

Die größten Brom-Produzenten sind die Vereinigten Staaten, China, Israel, sowie Jordanien. Nach den zwei Riesenindustriestaaten kommen die zwei der Anrainer des Totes Meeres. In sofern scheint es klar zu sein, dass es da Zusammenhang geben muss. Neben der hohen Salzkonzentration gibt es nämlich auch noch deutliche Unterschiede bei der Zusammensetzung des Salzes des Toten Meeres im Vergleich zu normalem Meerwasser.

Scheinbar nicht sonderlich hoch aber dennoch bemerkenswert ist dabei vor allem das Verhältnis von Chlorid- zu Bromid-Ionen. Im Mittelmeer beträgt das Verhältnis von Chlorid- zu Bromid-Ionen 280 : 1, dagegen ist das Verhältnis im Wasser des Toten Meeres 40 : 1. Damit ist das Tote Meer das Gewässer mit dem höchsten Bromid-Gehalt weltweit.

Verdunstungsteiche im Süden - insgesamt etwa 150 km²

Was die Gewinnung am Toten Meer sinnvoll und vor allem wirtschaftlich macht, ist das in der Gegend vorherrschende Klima. Am Toten Meer ist es ganzjährig sonnig bei gleichzeitig geringer Luftfeuchtigkeit und stetigem leichten Wind. Im Jahresverlauf fallen weniger als 50 mm Niederschlag. Die Höchsttemperaturen bewegen sich im Sommer zwischen 32 und 39 °C, im Winter zwischen 20 und 23 °C. Überr die Hälfte des Jahres ist die Tageshöchsttemperatur über 30 °C.

Diese Bedingungen ermöglichen eine Anreicherung des Salzwasser in großen Verdunstungsbecken am südlichen Ende des Toten Meeres. Nachdem einige Bestandteile - vor allem MgCl und NaCl - zum Teil ausgefallen sind, erreicht die Konzentration 10-12 g/l, bei einem Verhältnis von Chlorid- zu Bromid-Ionen 17 : 1.

Auf Israelischer Seite wird das Brom seit etwa 1900 industriell in der Dead Sea Bromine Company, hergestellt, die ein Bestandteil der israelischen staatlichen Firma Deas Sea Works ist. Neben Brom stellt die Dead Sea Works auch Magnesiumchlorid, Industriesalz, Flugzeugenteisungsmittel, Badesalz, Tafelsalz sowie Rohmaterial für die Kosmetikindustrie her. Weltweit ist die Gesellschaft an vierter Stelle beim Abbau von Kaliprodukten.

Der Prozeß zur Gewinnung von Brom

Hinter der Gewinnung von Brom aus einer Bromid-Lösung steckt im wesentlichen die Reaktion, die im folgenden Film gezeigt wird. Es wäre ratsam, den Film schon bei 38 Sek. zu beenden, um sich von den folgenden, sehr ähnlichen Experimenten, nicht ablenken zu lassen.

Die Rotfärbung der Flüssigkeit zeigt, dass Brom entstanden ist, das sich gleich im Wasser gelöst hat. Im Labormaßstab geht die Gewinnung von elementaren Brom also recht einfach, indem man Chlorgas in die Bromidsalzlösung einleitet. Damit sich der Aufwand für eine industrielle Gewinnung - auch unter Beachtung der Sicherheitsmaßnahmen - lohnt, musste ein Verfahren entwickelt werden, in dem kontinuierlich und ohne Unterbrechung der Produktionsprozess stattfinden kann. Das folgende Bild zeigt den Ablauf mit seinen einzelnen Stationen.

Das Wasser aus dem Toten Meer wird in den Verdunstungsbecken konzentriert, wobei von der sehr viel größeren Menge der Chloridverbindungen ein Teil ausfällt. Dadurch wird der Anteil an Bromid-Ionen erhöht. Diese Lösung wird in die Produktionsanlage geleitet, wo in größeren Behältern die Lösung von heißem Dampf und Chlorgas durchströmt wird. Das Chlor reagiert mit den Bromid-Ionen und es entsteht Brom. Das noch enthaltene, gelöste Salz mit Chlorid-Ionen stört diesen Vorgang nicht und bleibt unverändert.

Durch die Wärme des Dampfes verdunstet das Brom und wird zusammen mit nicht reagiertem Chlor abgeleitet. In einem Kühler wird das Brom, Chlor und auch auch verdunstetes Wasser kondensiert. Das Wasser kann abgetrennt werden, da flüssiges Brom sich nicht mit Wasser mischt und sich aufgrund der höheren Dichte unten absetzt. Um das nun vor allem noch mit Chlor versetzte Brom zu reinigen wird es destilliert und wieder so kondensiert, dass kein Chlor mehr enthalten ist. Das immer noch mit Bromresten verunreinigte restliche Chlorgas kann wieder in den Reaktionsbehälter zurückgeleitet werden, ergänzt um neues Chlor.

Abschließend wird das Brom noch von restlichem Wasser gereinigt, indem hochkonzentrierte Schwefelsäure hinzugefügt wird, dass das Wasser aufnimmt und dann als verdünne Schwefelsäure wieder abgeleitet wird. Das nun reine Brom wird abgeleitet und abtransportiert werden.

Die Ausbeute in der Produktion kann verbessert werden, wenn das meist etwas alkalische Meerwasser mit Hilfe von Schwefelsäure angesäuert wird. Ansonsten würden elementares Brom und Chlor mit dem Wasser reagieren und zunächst Bromwasserstoff bzw. Chlorwasserstoff (=Salzsäuregas) bilden, die den pH-Wert neutralisieren. Dabei wird aber auch die Ausbeute an Brom verringert.

Redoxreaktionen am Beispiel der Bromgewinnung

Im Text des letzten Abschnitts wird nicht nur der technische Ablauf beschrieben, sondern auch welche Stoffe bei der Reaktion beteiligt sind. Den chemischen Vorgang werden wir uns nun genauer anschauen.

Aufgabe 1 Beantworte die folgenden Fragen, um zu testen, ob du verstanden hast, was chemisch dabei passiert. Multiple-Choice-Quiz anzeigen Multiple-Choice-Quiz verstecken Es können beliebig viele Antworten richtig ! Welche Bedeutung hat die Schwefelsäure? (!Eines der Edukte = Ausgangsstoffe der Bromgewinnung) (Verbessert die Ausbeute) (Zum Trocknen des Broms) (!Um Bakterien abzutöten, die Unerwünschterweise vorkommen) Welches sind die Edukte der Reaktion zur Gewinnung von Brom? (!Brom) (Chlor) (!Chlorid) (Bromid) Welches sind die Produkte der Reaktion zur Gewinnung von Brom? (Brom) (!Chlor) (Chlorid) (!Bromid) Warum kann das entstandene elementare Brom mit Hilfe von heißem Dampf ausgetrieben werden? (Nicht so gut in Wasser löslich) (Niedrige Siedetemperatur) (!Die Luftbläschen heben das Brom nach oben) Warum kann man das Brom vom Wasser über eine Destillation trennen? (Wasser hat eine höhere Siedetemperatur als Brom) (!Brom hat eine höhere Siedetemperatur als Wasser) (!Wasserdampf und Bromdampf mischen sich nicht)

Aufgabe 2 Halte die Reaktion, die bei der Gewinnung von Brom stattfindet fest und bestimme die Oxidation und Reduktion, sowie das Oxidations- und das Reduktionsmittel. Anleitung und Lösung anzeigen Anleitung und Lösung verstecken Video und Lösung ... kommen noch, sorry!

Aufgabe 3 Auf einer Unterseite gibt es eine größere Sammlung von Aufgaben, bei denen du die Anwendung der Begriffe zu den Redoxreaktionen ausführlich üben kannst. → Übungen zum Redoxbegriff

Bestimmung der Oxidationszahl bei einfachen Verbindungen

Um festzustellen, ob eine Oxidation oder eine Reduktion bei einem Redoxpaar stattfindet haben wir bisher immer die Ladungen der Ionen betrachtet. Das ist bei zusammengesetzen Ionen, wie oder nicht möglich, da das geladene Teilchen ein zusammenhängendes Molekül ist.

Man nutzt dann die Oxidationszahl (manchmal auch Oxidationsstufe, Oxidationswert, elektrochemische Wertigkeit), die die theoretische Ionenladung eines Atoms innerhalb einer chemischen Verbindung oder eines mehratomigen Ions angibt. Dabei geht man davon aus, dass das zusammengesetzte Molekül in Ionen zerlegt wird. Anders als bei den tatsächlichen Ionenladungen, die als Zahl mit nachgestelltem oder geschrieben werden, wird bei Oxidationszahlen das + oder − als Vorzeichen vorangestellt und die Zahl mit römischen Ziffern angegeben. Im Falle der Oxidationszahl null wird ±0 geschrieben.

Aufgabe 4 - Wiederholung: Benennung von wichtigen Ionen und Ionenverbindungen Da wir uns gleich einige der wichtigen und häufig verwendeten mehratomigen Ionen anschauen, wiederholen wir an der Stelle noch einmal einige Namen dieser Ionen und auch wie man Ionenverbindungen benennt und die Formel angibt. Arbeitsblatt: Namen der wichtigsten-Ionen Arbeitsblatt: Benennung und Formel von Ionenverbindungen

Bei den einzelnen Ionen, vor allem den Hauptgruppen-Elementen, nutzen wir die Hauptgruppennummer, um die Ladung zu bestimmen. Dabei wird die Edelgasregel benutzt. Diese Edelgasregel ist zwar wichtig und richtig, aber sie gilt gerade bei Elementen ab der 3. Periode nicht mehr so streng. Das liegt vor allem daran, dass in der 3. Schale mehr als 8 Elektronen Platz haben.

Wie schon erwähnt, spielt die Elektronegativität ein Rolle. Allerdings werden wir, statt immer ins PSE gucken zu müssen, einige Regeln festhalten, mit denen man auch ohne die Elektronegativität entscheiden kann, wie die Oxidationszahl eines Atoms in der Verbindung ist. Hinter diesen Regeln steht aber die Elektronegativität, denn in einer Verbindung werden bindende Elektronenpaare gedanklich dem elektronegativeren Bindungspartner zugewiesen (Fachbegriff: heterolytische Spaltung).

Abschließend ist ein Blick nach "draußen" vielleicht einmal interessant mit der  Liste aller möglichen Oxidationszahlen  und einen Artikel der Zeitschrift "Nature", wo von dem Element mit der bisher höchsten Oxidationsstufe +IX berichtet wird.

Aufgabe 5 - Bestimmung der Oxidationszahlen in anorganischen Verbindungen und Molekül-Ionen Hier gibt es zum Austoben ein paar Aufgaben ... Bestimmt die Ocidationszahlen in den folgenden Verbindungen: H2O, MgO, Al2O3, NaCl, N2, NaOH, NH3, SO2, CaO, H2S, SO3, K2O, Na2CO3 , N2O3 , BaO2 , Cl2O4, K2SnO3, H2N2O2, CaB2O4, Cr2O42-, Cr2O72-, AsO43-, MnO4-, HOBr, HBrO2, HBrO3, HBrO4, SCl2, PCl3, BCl3, SnH4, SbCl5, SeF6 Lösungen anzeigen Lösungen verstecken

Aufgabe 6 - Bestimmung der Oxidationszahlen bei Säurerest-Ionen Bestimme auf dem Arbeitsblatt mit den Säurerest-Ionen die Oxidationszahlen aller Atome. Lösungen anzeigen Lösungen verstecken

VERSUCH: Reaktionen von Ionenlösungen Was passiert wenn eine Ionenlösung auf eine andere trifft? Das sollst du in diesem Experiment untersuchen. → Zur Anleitungsseite Gefährdungsbeurteilung

Bestimmung der Oxidationszahl bei komplexen Verbindungen

Komplexe Verbindungen sind meist organische Verbindungen bei denen besonders der Kohlenstoff mit verschiedenen Atomen verbunden sein kann, wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Halogene usw. Dadurch kann der Kohlenstoff ganz verschiedene Oxidationszahlen annehmen, durchaus auch verschiedene in einem Molekül.

Beispielhaft sei das bei der Oxidation des Alkohols Ethanol betrachtet:

Obwohl sich die Menge an Sauerstoff vom Ethanol zum Ethanal nicht erhöht, ändert sich die Oxidationszahl.

Man braucht dann, um die Oxidationszahlen zu bestimmen, die Lewisschreibweise/Strukturformel des Moleküls. Dann sucht man sich die Elektronegativität der beteiligten Elemente heraus und spaltet gedanklich jede Bindung auf und somit das ganze Molekül in einzelne Ionen auf. Welches der Bindungspartner die jeweiligen Bindungselektronen bekommt, ist abhängig von der Elektronegativität: das Atom mit der größeren Elektronegativität erhält die Bindungselektronen zwischen den zwei Partnern. Diese gedachten Ionen werden dann meist eine Elektronenanzahl (bzw. die Valenzelektronen/Außenelektronen) haben, die nicht der normalen Anzahl entspricht. Daraus ergibt sich eine Ladung, die dann der Oxidationszahl entspricht.

Beispiel zur Bestimmung der Oxidationszahlen

Vorab suchen wir für alle beteiligten Atomsorten die Elektronegativitätswerte heraus. Man sollte sich dazu auf eine Quelle beschränken, damit man nicht Werte aus verschiedenen Skalen mischt:

• EN(C) = 2.5 , EN(H) = 2.2, EN(O) = 3.5, EN(N) = 3.07

Betrachten wir anhand von zwei C-Atomen beispielhaft die Vorgehensweise:

• Das linke untere C (die Oxidationszahl ±0 hat) ist unter anderem mit einem C verbunden. Da beide den gleichen EN-Wert haben, teilt man die zwei Bindungselektronenpaare gleichmäßig auf. Außerdem hängt daran ein N-Atom, dass einen höheren EN-Wert hat als der Kohlenstoff (EN(C) < EN(N)). Deshalb zählt man das Elektronenpaar zwischen diesen zwei Atomen zum Stickstoff. Die Bindung zum H-Atom wird zum C-Atom gezählt, da EN(C) > EN(H). Die roten Kreisbögen machen die Zuordnung deutlich. Nun zähle ich die Elektronen, die aufgrund von dieser Entscheidung/Markierung zu dem betrachteten C-Atom gehören und das sind 4 Stück (2 von der Bindung zum H und zweimal je 1 von der Doppelbindung zum anderen C-Atom). Damit hat dieses Kohlenstoff-Atom gleichviele Elektronen wie im normalen Zustand (laut Periodensystem) und somit ist die Oxidationszahl ±0.
• Das untere rechte C-Atom bekommt keines der Bindunselektronenpaare zugesprochen, da die Bindungspartner alle einen höheren EN-Wert haben. Ohne Elektronen fehlen also 4 Elektronen zum Normalzustand (weniger negative Ladung) und damit überwiegt die positive Ladung und zwar hat man dann +IV.
• Das untere mittlere Stickstoffatom hat nach der Aufteilung 8 Elektronen zugesprochen bekommen. Im Vergleich zu den 5 Außenelektronen, die es normalerweise hat sind das 3 Elektronen zuviel, also hat man die Oxidationszahl -III.

Zur Überprüfung können alle ermittelten Oxidationszahlen addiert werden. Ihre Summe muss insgesamt Null ergeben, wenn das Gesamtmolekül ungeladen ist - wie es vorher auch schon war.

Aufgabe 7 Der Nachweis des Atemalkoholgehaltes wurde vor der Einführung eines elektronischen Messgerätes "Chemisch" bestimmt. Die bereits 1953 entwickelten Blasröhrchen basieren auf einer chemischen Reaktion, wobei das in der Atemluft enthaltene Ethanol dabei mit den im Röhrchen befindlichen Chemikalien reagiert, was durch eine Farbveränderung sichtbar wird. Jedes Röhrchen enthält eine Mischung aus Kaliumdichromat und Schwefelsäure auf einer unreaktiven Trägersubstanz aus Kieselgel. Wird mit der Ausatemluft Ethanol durch diese Mischung geblasen, so wird das Ethanol zu Acetaldehyd (= Ethanal) oxidiert und das orangerote Kaliumdichromat zu grünem Chrom(III)-sulfat reduziert. Die Schwefelsäure dient als Protonendonator, da die Reaktion im sauren Milieu stattfindet. Außerdem bindet sie das entstehende Wasser, um eine Weiterreaktion des Acetaldehyds zu vermeiden. Die Länge der Verfärbung des Packungsbetts gibt einen groben Hinweis auf den Gehalt an Ethanol. Mittels einer aufgedruckten Linie kann die Überschreitung eines Grenzwerts kenntlich gemacht werden. Die Reaktion läuft wie folgt ab: Aufgabe: Bestimme die Oxidationszahlen, um nachzuweisen, dass eine Oxidation und eine Reduktion stattfinden.

Eigenschaften von Brom und den anderen Halogenen

Um zu verstehen, wie die Bromgewinnung funktioniert und warum sich Halogene und ihre Verbindungen so verhalten, schauen wir uns die Hauptgruppe der Halogene noch einmal genauer an.

Die Halogene bilden die 7. Hauptgruppen und haben damit 7 Elektronen auf der äußersten Schale. Der Name "Halogene" leitet sich von den den altgriechisch Wörtern hálos „Salz“ und gennáō „erzeugen“ her, was zusammen „Salzbildner“ bedeutet. Halogene kommen in der Natur vor allem als einfach negativ geladene Anionen in Salzen vor. Das dazugehörige Kation ist meist ein Alkali- oder Erdalkalimetall, insbesondere die Natriumsalze der Halogene sind häufig anzutreffen. Ein nicht unbeträchtlicher Teil der Halogenide ist im Meerwasser gelöst, da die meisten Halogenide gut in Wasser löslich sind. Alle Halogene sind mehr oder weniger farbig, sie zeigen auch bei anderen Eigenschaften viele Gemeinsamkeiten und stellen damit eine typische Hauptgrupppe im Periodensystem dar.

Das fünfte Halogen Astat ist sehr selten. Schätzungen zufolge gibt es in der ganze Erdkruste nur 25 g davon. Wir konzentrieren uns deshalb auf die erste vier Halogene. Zunächst einmal ein paar Bilder der Elemente in verschiedenen Aggregatzuständen.

Die folgenden Videos sind frei verfügbar aber alle auf englisch. Jedes der vier Halogen wird ausführlich vorgestellt, zum Astat gibt es auch ein kurzes Video.

Aufgabe 8 - Vorbereitung der Tabelle Bereite eine Tabelle vor, in der die Eigenschaften der Halogene im Vergleich eingetragen werden sollen. Außerdem soll Platz gelassen werden, um zu Begründen, warum dies so ist.

Aufgabe 8a - Schmelz- und Siedetemperaturen erklären Trage als erste die Schmelz- und Siedetemperaturen ein.

Aufgabe 8b -

Experimente zu den Halogenen

VERSUCH: Nachweis von Halogeniden mit Hilfe von Silbernitrat Dies ist ein sehr einfacher Versuch zum Nachweis von Halogeniden, allerdings sind die Unterschiede zwischen den verschiedenen Halogeniden nicht sehr deutlich! → Zur Anleitungsseite Gefährdungsbeurteilung zum Experiment

VERSUCH: Reaktionen von Halogeniden mit Halogenen Halogene nicht ganz ungefährlich, aber in Form von stark verdünnten, wässrigen Lösungen ist die Gefahr nicht mehr so groß und daher können wir mit Bromwasser und Chlorwasser experimentieren. → Zur Anleitungsseite Gefährdungsbeurteilung zum Experiment

Quellen im Internet

• Das Brom-Buch (auf englisch) wurde vom Israelischen Weizmann Institut of Science und der schon erwähnten Dead Sea Bromine Group herausgegeben. In mehreren Kapiteln bekommt man wirklich sehr ausführliche Informationen zu Brom, dessen Gewinnung und Verwendung.