Tanzende Phosphorflämmchen

[aliquis]

Tanzende Phosphorflämmchen


Geräte:

Stativ mit Muffe und Klemme
Gasbrenner
hitzebeständiges Reagenzglas
Spatel


Chemikalien:

Natriumammoniumhydrogenphosphat-Tetrahydrat (Phosphorsalz)
Zink als Granalie oder kleine Blechstückchen (keine GHS-Symbole, da von Zink in kompakter Form keine Gefahr für Mensch oder Umwelt ausgeht)

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Phosphor, weiß


Hinweise:

Bei der Pyrolyse von Phosphorsalz zu Metaphosphat entsteht u. a. Ammoniakgas. Es wird daher empfohlen, bei geöffnetem Fenster oder unter dem Abzug zu arbeiten.
Bei der Reduktion von Metaphosphat entsteht Phosphordampf. Dieser wird aber praktisch nicht freigesetzt, da er direkt oberhalb der Schmelze verbrennt. Das dabei entstehende Phosphorpentoxid wird von der Schmelze weitestgehend resorbiert.
Das Reagenzglas bekommt beim Abkühlen/Erstarren der Schmelze Sprünge und darf nicht wiederverwendet werden. Einmal unterbrochen, darf auch das Erhitzen nicht mehr fortgesetzt werden.


Durchführung:

Es werden ca. 4 g Phosphorsalz in das Reagenzglas gegeben, dieses wird mithilfe einer Klemme schräg ins Stativ eingespannt und das Salz im Reagenzglas mithilfe eines Bunserbrenners kräftig erhitzt (während des gesamten Experiments).
Dabei schmilzt das Salz rasch, gibt viel Wasserdampf und schließlich auch Ammoniak ab.
Wenn die Bläschenbildung nachlässt, entsteht eine zähflüssige Schmelze. In diese lässt man nun eine Zinkgranalie hineingleiten, die im weiteren Verlauf schmilzt und rötlich glüht. Schon nach kurzer Zeit steigen Dampfbläschen an die Oberfläche, die bei Kontakt mit Luftsauerstoff sofort unter Lichterscheinung und knatterndem Geräusch verbrennen.
Die Reaktion ist beendet, wenn mindestens einer der Reaktanden verbraucht ist (Dauer: ca. eine halbe Stunde!). Sie kann aber auch durch Einstellen des Erhitzens vorzeitig beendet werden.
Anstatt einer Zinkgranalie kann ein auch ca. 2-3 cm langes (nicht mehr!), einmal gefaltetes Stück Magnesiumband verwendet werden. Die Reaktion ist dann einmalig zu Beginn deutlich heftiger als mit Zink, weil Magnesium unter greller Feuererscheinung auf einen Schlag abreagiert, während der dabei entstandene Phosphor hinterher trotzdem nur langsam nach und nach als Dampfbläschen aus der Schmelze aufsteigt und abbrennt.


Entsorgung:

Geringe Mengen unverbrannten weißen Phosphors werden in der erstarrten Schmelze eingeschlossen, die durch Zugabe von Natriumhypochloritlösung neutralisiert werden müssen, damit Glas und anhaftendes Zinkoxid (über den Hausmüll) sowie Flüssigkeitsüberstand (über den Ausguss) nach 24 Stunden Einwirkdauer gefahrlos entsorgt werden können. Überschüssige Chlorbleichlauge wird zuvor mit noch Natriumdisulfit reduziert.


Erklärung:

Beim Erhitzen von Phoshorsalz wird zunächst Kristallwasser abgegeben, danach neben Wasser auch Ammoniak, wodurch sich Natriummetaphosphat bildet:

NaNH₄HPO₄ -> NaPO₃ + H₂O + NH₃

Zink reduziert das Metaphosphat zu Phosphor:

6 NaPO₃ + 10 Zn -> 2 Na₃PO₄ + 10 ZnO + P₄

Dieser verdampft in der Hitze und verbrennt bei Kontakt mit Luftsauerstoff sofort zu Phosphorpentoxid:

P₄ + 5 O₂ -> P₄O₁₀

Bilder:

Momentaufnahme 1 (25.10.2024 17-34).png (63.55 KiB) 521 mal betrachtet

Literatur:

K. Waselowsky. 225 x Chemie - Ein Experimentierbuch, Stuttgart 1982, S. 87f

[aliquis]

So, da wäre er nun also endlich: der Artikel, um den ich schon vor über eineinhalb Jahren gebeten wurde....
Und hier der Thread zur Herstellung von Phosphorsalz, in dem der Demonstrationsversuch damals angesprochen wurde:
viewtopic.php?t=6040&hilit=Natriumammon ... enphosphat
Dort findet man auch mein komplettes Video von dem Experiment.

[Uranylacetat]

Lieber spät als nie ... Das Foto ist gut gelungen. Das gut gelungene Video würde ich auch in diesem Artikel einbinden.

[aliquis]

Danke für die Rückmeldung.
Ich habe mit Windows Movie Maker einfach eine Momentaufnahme aus dem Video erstellt.
Hier nochmal das Video selbst (in der Formatvorlage zum Artikel ist ja keine direkte Video-Einbindung vorgesehen):

Edit: Video jetzt doch direkt im Artikel platziert.

[lemmi]

Sehr schön! Hast du das auch mal in einem Porzellantiegel gemacht? Ich stelle mir vor, dass der Luftzutritt zum Verbrennen des Phosphors im RG doch eingeschränkt sein muss. Oder ist Reagenzglas besser, da durchsichtig?
Sieht man nach Ende der Reaktion vielleicht ein Leuchten an den oberen Zeilen der Reagenzglaswandung? Hast du mal probiert ob sich Zinkphosphid entsteht - Geruch nach Phosphan bei Zugabe von Wasser zur Schmelze?

Binde das Video ruhig unter "Fotos" in den Versuch ein.

Hier gibt's eine Anleitung zur Darstellung von Phosphorsalz.

[aliquis]

Ich platziere das Video zum Foto.

Es handelt sich um die damalige Durchführung, somit gilt das dort bereits Geschriebene unverändert:

Tiegel habe nicht ausprobiert, weil
1. er kaputt geht
2. man weniger sieht
3. das Reagenzglas durch den begrenzten Luftzutritt für einen kontrollierteren Abbrand des Phosphordampfes sorgt
4. das korrosive Phosphorpentoxid als Abbrandprodukt nicht so leicht in die Raumluft entweicht, sondern eher von der Schmelze resorbiert wird.

Kein unverbrannter Phosphor an den Reagenzglaswänden, keine Phosphanbildung der erkalteten Schmelze mit Wasser, somit auch kein Phosphid vorliegend
(anders als bei Verwendung von Magnesium).

Nachdem das Kristallisationsproblem durch einen Überschuss an Ammoniak gelöst werden konnte, bevorzuge ich die direkte Herstellung aus der konzentrierten Säure und den Basen. Das verhindert die Verunreinigung durch Fremdionen von vornherein. Mit 127 g Produkt dürfte ich jetzt eh einen Lebenszeitvorrat haben.
viewtopic.php?p=96944#p96944

[Uranylacetat]

Die Reaktion im Probierglas fand ich meinen Erinnerungen nach mit einem Stückchen Zinkblech / einer kleinen Zinkgranalie beeindruckender als die Reaktion im Tiegel. Mit’m Magnesiumband war es auch langweilig.

[aliquis]

Mit dem Magnesiumband ist es kurzzeitig spektakulärer als mit der Zinkgranalie, insbesondere falls man mit der Selbstentzündung des Magnesiums in der Schmelze nicht unbedingt gerechnet hat. Nachdem das abreagiert hat, ist der Rest des Experiments aber genauso spannend oder langweilig wie mit Zink.

[lemmi]

Nochmal die Frage in die Runde: verbrennt der Phosphor komplett oder schlägt sich welcher an der Reagenzglaswandung nieder?

[aliquis]

Glaubst Du mir nicht, lemmi, oder warum fragst Du nochmals?
Wie gesagt: der Phosphor verbrennt an der Oberfläche der Schmelze natürlich sofort und komplett. Bei den Temperaturen hat er im offenen Reagenzglas auch keine andere Chance. Da kondensiert nichts (ausser Wasser zu Beginn). Probiere es gern selber mal aus.
Gleichwohl ist es eine mögliche Methode, um weissen Phosphor in einer geschlossenen Apparatur abzudestillieren. Vorausgesetzt sind eine Mischung aus Metaphosphat, Kochsalz (als Streckmittel) und Aluminiumgriess, ein Gebläseofen, eine Apparatur aus Stahlrohren, geflutet mit Inertgas, sowie der zweifelhafte Mut, sich an eine der gefährlichsten Heimsynthesen überhaupt heranzuwagen (allenfalls im Freien auf rundherum feuersicherem Untergrund!). Ich habe dazu im Phosphorsalz-Thread mal ein fremdes (!) Video gepostet, aber YouTube hat es wegen Richtlinienverstosses (Zeigen selbstgefährdender Handlungen) mittlerweile aus dem Kanal gelöscht...
Da ziehe ich doch die gefahrenarme Variante im offenen Reagenzglas vor.

[mgritsch]

Wenn NaNH4HPO4 -> NaPO3 + H2O + NH3 die entscheidende Reaktion ist, warum nicht von NaH2PO4 (oder dem beliebten kommerziellen KH2PO4) starten und sich die NH3-Entwicklung sparen?

Muss es eigentlich ein Metaphosphat sein oder könnte jedes beliebige andere auch reduziert werden?

Nett wäre ja auch leuchtende Watte - Reagenzglas mit Inertgas fluten, mit Wattepfropf schließen und den nach beendeter Reaktion rausnehmen. Aber okay dafür langt auch einfach roter P.

[aliquis]

Wenn NaNH4HPO4 -> NaPO3 + H2O + NH3 die entscheidende Reaktion ist, warum nicht von NaH2PO4 (oder dem beliebten kommerziellen KH2PO4) starten und sich die NH3-Entwicklung sparen?

Ob sich mit NDHP auch das Metaphosphat bildet, habe ich nicht ausprobiert. Deine Frage - also: möchtest Du das mal versuchen?
Laut Wiki schmilzt und zersetzt es sich früher als das entsprechende Kaliumsalz. Letzteres dürfte sich bei Eigenherstellung wegen der schlechteren Wasserlöslichkeit wiederum leichter und in höherer Aubeute auskristallisieren lassen. Dafür ist es jedoch hygroskopisch.
Gut möglich, dass die Wahl des Phosphorsalzes bei Waselowsky einfach ein Zugeständnis an eine überschaubare Anzahl anzuschaffender Chemikalien für den Hobbychemiker war, da das Salz in seinem Buch ja auch noch zum Magnesiumnachweis verwendet wird.

Muss es eigentlich ein Metaphosphat sein oder könnte jedes beliebige andere auch reduziert werden?

Ja, auch andere Phosphate lassen sich reduzieren, insbesondere die Calciumsalze. Allerdings kenne ich das dann nur mit Magnesium als Reduktionsmittel. Dann entsteht aber auch Phosphid als Nebenprodukt. Und wenn es nicht gerade Alkaliphosphate sind, blubbert der Phosphor auch nicht so schön kontrolliert durch eine zähe Schmelze, was ja entscheidend für den Effekt des Demonstrationsversuchs ist.

Nett wäre ja auch leuchtende Watte - Reagenzglas mit Inertgas fluten, mit Wattepfropf schließen und den nach beendeter Reaktion rausnehmen. Aber okay dafür langt auch einfach roter P.

Genau das macht man auch bei der Reduktion von Calciumphosphat mit Magnesium. Ist dann halt ein ganz anderer Schauversuch: entweder leuchtende Watte/Reagenzglaswände oder tanzende Flämmchen - man muss sich halt entscheiden (oder beides nacheinander in getrennten Experimenten machen... ).
Vorsicht aber mit dem entstandenen Calciumphosphid bei der Reinigung des Reagenzglases: mit Wasser bildet sich in nicht unerheblichem Maße hochgiftiges (weit giftiger noch als Schwefel- oder Cyanwasserstoff!) und selbstentzündliches Phosphangas!
Ein Vorteil der "tanzenden Flämmchen" ist, dass es von Anfang bis Ende ein recht harmloses Experiment ist. Selbst die Ammoniakentwicklung bei der Pyrolyse hält sich in Grenzen: geöffnetes Fenster reicht völlig aus, die Verwendung der konz. Ammoniaklösung bei der Herstellung des Phosphorsalzes ist weit unangenehmer.

Wie gesagt: die Reduktion von Metaphosphat ist - neben der Umwandlung von rotem Phosphor - eine veritable (wenn auch riskante) Methode, um weißen Phosphor als Produkt unter Schutzgas in einer Stahldestille zu gewinnen. Phosphid als Nebenprodukt entsteht viel weniger als mit Erdalkaliphosphaten. Und es klappt offensichtlich nicht nur mit Magnesium, sondern auch mit Zink oder Aluminium als Reduktionsmittel (ob es mit Aluminiumfolie auch tanzende Flämmchen im Reagenzglas gibt, könnte man natürlich mal ausprobieren). Wichtig: keine feinen Pulver (insbesondere nicht von den Leichtmetallen) verwenden, damit würde die Reaktion wohl ausser Kontrolle geraten.

[mgritsch]

Ob sich mit NDHP auch das Metaphosphat bildet, habe ich nicht ausprobiert. Deine Frage - also: möchtest Du das mal versuchen?

Ich habe keine ausgeprägte Vorliebe für so Schauversuche. Dein Thema, dein Artikel, deine Beschäftigung/Vertiefung damit. Also: möchtest Du das mal versuchen?

[aliquis]

Weiß nicht, es ist keine Fragestellung, die mich besonders reizen würde, denn der beschriebene Versuch klappt ja auf jeden Fall mit dem Phosphorsalz.
Wiki spricht von Zersetzung des NDHP beim Schmelzen - zu was außer zum Metaphosphat sollte das sonst geschehen?
Nach "Aktenlage" gehe ich also davon aus, dass es ohne Ammonium auch funktioniert.
Sollte ich gelegentlich mal wieder den Drang verspüren, mit Phosphaten zu spielen, versuche ich vll., ein bisschen NDHP herzustellen und probiere das mal aus. Ebenso in einem separaten Versuch, ob es mit Alufolie statt Zn oder Mg klappt.
Für den Augenblick aber nichts, was ich sofort testen müsste. Insofern wäre ich Dir nicht böse, wenn Du mir als ursprünglicher Fragesteller damit zuvorkommen würdest...

NDHP ist allerdings im Vergleich zu Phosphorsalz ziemlich gut wasserlöslch und dürfte daher noch weit schwieriger auszukristallisieren sein.
Vermutlich würde ich die Neutralisationsmischung dann gleich direkt im Reagenzglas eindampfen und schauen, ob sich beim starken Weitererhitzen auch eine zähe Schmelze bildet, die mit einer eingeworfenen Zinkgranalie reagiert...

[aliquis]

Gerade aus Neugier ausprobiert:
Das Experiment klappt mit Alufolie ebenfalls, die sich in der Schmelze ähnlich verhält wie Zink (was das erwähnte YouTube-Video, in dem mit dieser Variante weisser Phosphor hergestellt wurde, bereits vermuten ließ).