Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Auf Acetylen beruhte einst fast die gesamte organische Chemie der DDR. Irgendwie scheint für diese Verbindung der "Lack ab zu sein", da man sich nach der Wende ausschließlich auf petrochemische Edukte gestürzt hat und mit den Umweltschäden (Staubemissionen und Abwasserproblemen) auch gleich die Acetylenchemie mit "entsorgt" hat.
Acetylen oder besser Ethin ist immer noch ein faszinierender Stoff. Deshalb wollen wir heute ein wenig damit experimentieren.
Man stellt es her, indem man Calciumcarbid mit Wasser in Kontakt bringt. Statt Wasser nehmen manche auch gern Natriumchloridlösung, da sich das Gas darin weniger löst.
Zur Handelsform von Calciumcarbid sei gesagt, dass das im Allgemeinen mit einem feinpulvrigen silicatischen Trocknungsmittel verkauft wird. Das sollte man natürlich nicht nehmen, sondern die darin verborgenen steinartigen Carbidbröckchen... Das hat schon mancher unerfahrener Referendar zu seinem Leidwesen erfahren müssen.
Mit diesem Tipp wollen wir auch beginnen, mehr auf Themen aus der organischen Chemie einzugehen.

Bild 1: Apparatur zum Herstellen von Ethin (Foto: Daggi)

Versuch 1: Herstellung von Ethin Keine offenen Flammen, gut lüften! In einer Gasentwicklungsapparatur wird aus einem Tropftrichter vorsichtig Wasser auf Calciumcarbid (F) gegeben. Die Wassermenge regelt man nach der Gasbildung. Nicht zuviel Wasser auf einmal zugeben, da sich das System so stark erhitzen kann, dass es sich selbst entzündet. Wir fangen das Gas in vier nummerierten Glaszylindern auf und verschließen diese mit plangeschliffenen Glasdeckeln.

Die Gleichung der exothermen Bildungsreaktion ist:

Das gilt nicht für alle Carbide; so reagiert Aluminiumcarbid Al₄C₃ unter Bildung von Methan. Das liegt daran, dass die Kristallgitter des Calciumcarbids bereits von vornherein C₂^2--Ionen enthalten, während im Gitter des Aluminiumcarbids einzelne C^4--Inseln zu finden sind.
Übrigens riecht wirklich reines Acetylen etwas aromatisch-süßlich. Der typische "Carbidgeruch" dagegen stammt von Phosphinen, also Phosphorwasserstoffverbindungen wie PH₃. Diese sind auch der Grund für leichte Selbstentzündung des Gases bei seiner Herstellung. (Man kennt sie als Flämmchen im Sumpfgas, die zur Legende von den Moorgeistern beigetragen haben.) Phosphine stammen aus der Reaktion von Wasser mit Calciumphosphid. Letzteres wiederum entsteht durch Reduktion aus Phosphat, das als Verunreinigung in den Rohstoffen für die Carbidherstellung, Kalk und Kohle, enthalten ist.

Zunächst untersuchen wir das Brennverhalten von Ethin. Schließlich dient es ja als Brennstoff beim Betrieb eines Schweißbrenners.

Versuch 2: Brennprobe mit Acetylen Auf keinen Fall den ersten Zylinder nehmen, denn er kann Acetylen-Knallgas enthalten! Wir entzünden ein Stöckchen, öffnen den Deckel des Glaszylinders und halten die Flamme an das Gas. Es entzündet sich und verbrennt unter starkem Rußen.

Bild 2: Abbrennen von Acetylen (Foto: Daggi)

Diese Probe zeigt nicht gerade, dass Ethin mit heißer Flamme verbrennt. Das kann man mit Acetylen-Knallgas zeigen. Die Mischung Ethin/Sauerstoff übertrifft die des Wasserstoff-Knallgases bei weitem... Unser Versuch zeigt aber, warum man Ethin unter anderem auch gezielt zur Rußgewinnung verbrannt hat. Denn die Rußentwicklung ist erstaunlich.

Von Interesse sind auch die Additionsreaktionen von Ethin.

Versuch 3: Addition von Brom an Ethin In den dritten Zylinder geben wir Bromwasser und verschließen wieder. Dabei achten wir darauf, dass nur wenig verdünntes Bromwasser zugegeben wird. Dann schütteln wir gut.

Es wird nur wenig Brom addiert. Das verwundert, da aufgrund der Dreifachbindung ein starker Bromverbrauch zu erwarten ist. Die geringe Neigung zur Addition liegt daran, dass die C-Atome im Acetylen stärker elektronegativ sind als im Ethen und deshalb ihre Elektronen nicht so gern an elektrophile Substanzen wie das den Angriff einleitende Bromkation Br⁺ abgeben. Man kann auch sagen, dass das an der energetisch besonders günstigen Ladungsverteilung der Elektronen der Dreifachbindung liegt. Denn die sind rotationssymmetrisch angeordnet.

Dagegen verläuft die Reaktion zwischen Ethin und Chlor spektakulärer.

Versuch 4: Reaktion zwischen Ethin und Chlor Man gibt in ein Becherglas (50 ml) einige Bröckchen Calciumcarbid (F), etwa die gleiche Menge an Kaliumpermanganat (O) und übergießt mit 10 ml konzentrierter Salzsäure (C).

Aus Kaliumpermanganat und Salzsäure bildet sich Chlor in radikalischer Form, das mit dem gleichzeitig entstehenden Ethin reagiert.

KMnO₄ + 8 HCl ———> KCl + MnCl₂ + 5/2 Cl₂ + 4 H₂O

Das entweichende Gasgemisch entzündet sich immer wieder von selbst unter Bildung stark rußender Flammen.

Bild 3: Reaktion zwischen Ethin und Chlor. Die Bilder wurden im Abstand von 3 Sekunden gemacht (Foto: Daggi)

Acetylen reagiert auch mit sodaalkalischer Kaliumpermanganat-Lösung (Baeyer-Probe).

Versuch 5: Baeyer-Probe mit Ethin In den dritten Zylinder gibt man sodaalkalische Kaliumpermanganat-Lösung (w(KMnO4) = 0,1 %). Anders als bei der Addition von Brom reagiert die Mischung erstaunlich rasch.

Hier gibt es nicht so sehr eine Addition, sondern eine echte Redoxreaktion. Acetylen ist nämlich ein gutes Reduktionsmittel. Seine diesbezügliche Oxidationsgleichung ist

C₂^2- ———> 2 C + 2 e^-

Bild 4: Reaktion von Ethin mit dem Baeyer-Reagenz (Foto: Daggi)

Als Oxidationsmittel sollten auch Silber-Ionen wirken. Hierbei entsteht neben metallischem Silber und Kohlenstoff auch eine Silber-Kohlenstoffverbindung, Silbercarbid oder besser: Silberacetylid Ag₂C₂. Der Name sagt schon, dass es sich hierbei um ein Salz handelt. Da dieses im trockenen Zustand sehr explosiv ist, müssen wir beim Umgang damit einiges beachten.

Versuch 6: Ethin reagiert mit Silber-Ionen Wir leiten etwas Gas aus der Apparatur in ein topsauberes Reagenzglas, das 10 ml ammoniakalische Silbernitratlösung (w(AgNO3) = 1 %) enthält. Es bildet sich zunächst ein weißer Niederschlag, der sich bald grau einfärbt. Außerdem erkennen wir an der Glaswand die Bildung eines Silberspiegels. Der Festkörper wird abfiltriert. Dabei achten wir darauf, dass nicht zuviel Substanz in eine Filtertüte gelangt. Die Substanz spülen wir außerdem in der Mitte der Filtertüte zusammen. Die Tüte nehmen wir nicht auseinander, sondern legen sie gefaltet zum Trocknen in den Abzug. Warnhinweis anbringen: Vorsichtig, explosiv, Silberacetylid. Wichtig: Rückstände im Glas werden nach dem Filtrieren mit halbkonzentrierter Salzsäure behandelt. Damit werden Reste des Silberacetylids zerstört.

Ethin ist eine Säure mit allerdings nur sehr schwach ausgeprägten sauren Eigenschaften.

Das zeigt sich schon in der Bildungsreaktion von Ethin aus Calciumcarbid und Wasser! Denn die beruht ja nur darauf, dass das Salz einer schwachen und zugleich flüchtigen Säure (Ethin) durch eine stärkere Säure (hier Wasser) ausgetrieben wird. Diese Protolysereaktion führt dann auch zu der alkalischen Reaktion der Lösung.

Versuch 7: Alkalische Reaktion der Carbid/Wasser-Mischung Nach der Herstellung des Gases prüft man die Reaktionslösung mit einem pH-Papier.

Das Silberacetylid bildet sich nur aufgrund des stark alkalischen Milieus und weil es außerdem ein schwerlösliches Salz ist.
Dieses Salz hat es in sich. Es gehört zu den Initialzündern. Ähnlich wie Silberazid kann es, wenn es richtig trocken ist, durch Schlag gezündet werden. Es ist dann sogar so empfindlich, dass man zerstreutes Acetylid auch mit einem Handfeger zünden kann. Lustig ist es, wenn man Reste auf dem Boden ausstreut. Dann knistert es, wenn die Reinemachekräfte mit dem Besen darüberfegen...
Warum explodiert es überhaupt? Denn Calciumcarbid oder Aluminiumcarbid sind unempfindlich und können auch durch starkes Erhitzen nicht zur Explosion überredet werden. Der Grund liegt in der katalytischen Wirkung von Schwermetall-Ionen. Deshalb gibt es auch den gleichen Effekt mit Kupfer- oder Bleiacetylid.

Übrigens darf man nicht zuviel von Schwermetallacetylid herstellen und auch nichts aufbewahren. Also: Mengen über 1 g sind tabu. Denn dann kommt man mit dem Sprengstoffgesetz in Konflikt.

Rüdiger Blume

Weitere Tipps des Monats