Quecksilber

Quecksilber Übung

• Entscheide, welche der Eigenschaften zum Quecksilber und welche zum Gallium gehören.

  Tipps

  Quecksilber hat eine recht hohe Dichte.

  Quecksilber zählt zu den edlen oder zumindest halbedlen Metallen.

  Quecksilber geht mit einer Reihe von Metallen Legierungen ein, die einen bestimmten Namen tragen.

  Lösung

  Quecksilber hat eine Reihe von charakteristischen Eigenschaften, durch die es sich klar von anderen Metallen wie z.B. Gallium unterscheiden lässt.

  • Quecksilber ist das einzige flüssige Metall, auch an kühlen Tagen. Gallium wird erst durch Handwärme flüssig. In kühlen Räumen ist es fest.
  • Quecksilber hat eine höhere Dichte als Silber oder Blei. Sie beträgt $\rho\:=\:13,5\,g/cm^3$. Der Wert für Gallium nimmt sich dagegen bescheiden aus: $\rho\:=\:5,9\,g/cm^3$.
  • Für Queckilber gilt: $+\:H^\oplus\:\nrightarrow$. Das bedeutet, dass das Metall mit Säuren nicht reagiert. Ausnahme ist die Salpetersäure, es muss allerdings konzentrierte Salpetersäure sein. Auch mit Basen reagiert Quecksilber im Vergleich zu einigen anderen Metallen nicht.
  • Amalgame im engeren Sinne sind Legierungen des Quecksilbers. Mit den Metallen Gold (Au), Silber (Ag) und Kupfer (Cu) werden Amalgame gebildet. Mit Eisen wird kein Amalgam gebildet.

• Beurteile die Anwendung von Quecksilber für die Temperatur- und Druckmessung.

  Tipps

  Mit welcher Art von Thermometern wurde früher Fieber gemessen?

  Schaue dir Bilder von verschüttetem Quecksilber an. Vergleiche diese mit Wasser und erkläre den Unterschied.

  Erkundige dich, welche Masse ein Kubikdezimeter (Liter) Quecksilber aufweist.

  Lösung

  Bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ist Quecksilber das einzige flüssige Metall. Die Schmelztemperatur liegt bei -39 °C, die Siedetemperatur bei 357 °C. In diesem Bereich können Temperaturen gemessen werden. Dafür müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein:

  1. Die Ausdehnung und die Temperatur müssen linear zueinander sein. Proportionalität ist nicht vonnöten, denn niemand erwartet, dass das Volumen des Quecksilbers bei 0 K (und schon gar nicht bei 0 °C) verschwindet.
  2. Die Benetzung von Quecksilber auf Glas ist gering. Wäre es anders, gäbe es eine große Haftung zwischen dem Metall und dem Glas. Vor allem bei Abkühlung wäre das fatal. Das Quecksilber würde nur langsam nach unten laufen. Die Temperaturmessung wäre ungenau.

  Quecksilberthermometer sind genau und werden in wissenschaftlichen Laboratorien verwendet. Da Quecksilberdämpfe sehr giftig sind, sind sie für Schülerexperimente nicht zugelassen. Alternativ kann die Legierung Galinstan verwendet werden. Die Bestandteile sind die Metalle Gallium, Indium und Zinn. Gallium schmilzt in der Hand. Die beide anderen Metalle bringt man in einem Küchenherd zum Schmelzen. Die Vorschläge Gadolinium, Iridium und Titan weisen hingegen nur jeweilige Namensähnlichkeiten auf. Sie schmelzen jedoch viel zu hoch, um nur eine ungefähre Eignung als Thermometerflüssigkeit aufzuweisen.

  Im Gegensatz zu Quecksilber benetzt Galistan die Glasoberfläche sehr gut. Daher wird Glas durch einen Spezialstoff ersetzt.

  Bei der Luftdruckmessung wird eine andere Eigenschaft ausgenutzt. Die hohe Dichte des Quecksilbers von $13,5\,g/cm^3$ ermöglicht die Verwendung von gut handhabbaren Manometern. Die dem atmosphärischen Druck adäquate Quecksilbersäule hat eine Höhe von etwa 76 cm.

• Berechne den Druck einer 76 cm hohen Quecksilbersäule auf den Untergrund.

  Tipps

  Informiere dich über die Definition des Drucks.

  Mache dir den Zusammenhang zwischen Dichte, Masse und Volumen klar.

  Lösung

  1. Lösungsidee

  Für die gedrückte Fläche nehmen wir einen Wert von

  $A\:=\:1\:cm^2$.

  Der Druck $p$ ist der Quotient aus Druckkraft und gedrückter Fläche:

  $p$$\:=\:$$F$/$A$.

  Die Kraft wiederum ist das Produkt aus Masse und Erdbeschleunigung.

  Die Masse schließlich ist das Produkt aus Volumen und Dichte.

  2. Die Rechnung

  Wir rechnen von hinten.

  Masse

  $m$$\:=\:$$V$$\,\cdot\,$$\rho$

  Nun berechnen das Volumen:

  $V$$\:=\:$$1\:cm^2$$\,\cdot\,$$76\,cm$$\:=\:$$76\,cm^3$.

  Man erhält:

  $m$$\:=\:$$76\,cm^3$$\,\cdot\,$$13,5\:g/cm^3$

  $m$$\:=\:$$1026\,g$.

  Kraft

  Unter ausschließlicher Verwendung von SI-Einheiten ergibt sich:

  $F$$\:=\:$$1,026\,kg$$\cdot$$9,81\,m/s^2$

  $F$$\:=\:$$10,065\,N$.

  Druck

  Die Fläche wird in Quadratmetern (SI-Einheit) verwendet:

  $p$$\:=\:$$F$/$0,0001$$m^2$

  $p$$\:=\:$$10065\,Pa$.

  Wir brauchen keine aufwendige Einheitenumrechnung durchführen, da wir in SI-Einheiten rechnen. ([Druck] = Pascal)

  3. Auswertung

  100 000 Pa sind 1 bar. Der Standard-Luftdruck beträgt 1,01325 bar. Das ist etwa höher als der von uns berechnete Wert. Die Genauigkeit des Ergebnisses steht und fällt mit der Genauigkeit der verwendeten Dichte von Quecksilber. Außerdem ist die Festlegung des Standarddrucks nicht exakt an die Höhe der Quecksilbersäule gebunden.

• Erkläre, was den Hutmacher verrückt machte.

  Tipps

  Denke an die physiologische Wirkung von Quecksilber und seinen Verbindungen.

  Lösung

  Wir wollen zunächst die einzelnen Aussagen analysieren.

  Es ist wahr, dass Quecksilber(II)-nitrat hydrolysiert. Das Hydroxid ist eine schwache Base. Die Reaktion ist wirklich sauer. Durch Berührung mit der Haut werden keine Gehirnzellen geschädigt. Die Säure selbst (Salpetersäure) ist im Wasser nicht flüchtig genug (zumal sie praktisch vollständig ionisiert vorliegt), um über die Atemwege in den Organismus zu gelangen. Und selbst wenn, es gäbe nur Verätzungen.

  So ohne weiteres zerfällt Quecksilber(II)-nitrat auch nicht. Schädigende nitrose Gase bilden sich also nicht. Das Quecksilber(II)-nitrat zerfällt auch nicht unter Freisetzung von Stickstoff. Stickstoff ist schwer zu binden, aber aus dem Nitrat gibt es kaum ein Entkommen. Quecksilber(II)-nitrat setzt auch keinen Sauerstoff frei. Dazu ist nur das Oxid des Metalles in der Lage.

  Die Diagnose
  Quecksilber(II)-nitrat ist tatsächlich ein starkes Oxidationsmittel. Denn Quecksilber ist (halb)edel und wird daher leicht reduziert. Durch die Reduktion von Quecksilber entsteht metallisches Quecksilber. Das metallische Quecksilber wird gasförmig und führt zu Nervenschädigungen.

• Beschreibe zwei Methoden zur Quecksilber-Herstellung.

  Tipps

  Um aus dem Sulfid Quecksilber zu erhalten, muss es oxidiert werden.

  Das Oxid wird lediglich erhitzt.

  Lösung

  1. Quecksilber aus Quecksilber(II)-sulfid

  $HgS + O_2 \longrightarrow Hg + SO_2$

  Das Sulfid reagiert mit Sauerstoff zu elementarem Quecksilber. Der Schwefel der Verbindung reagiert mit dem Sauerstoff zu Schwefeldioxid.

  Das Quecksilber wird reduziert, der Schwefel wird oxidiert.

  2. Quecksilber aus Quecksilber(II)-oxid

  $2~HgO \longrightarrow 2~Hg + O_2$

  Durch Erwärmen wird der Sauerstoff aus dem Oxid ausgetrieben. Es entsteht metallisches Quecksilber. Das Quecksilber wird reduziert und, so seltsam es klingen mag, der Sauerstoff wird oxidiert.

• Bestimme die Oxidationszahlen für Quecksilber in folgenden Verbindungen.

  Tipps

  Sauerstoff hat die Oxidationszahl -2, Wasserstoff +1.

  Die Oxidationszahl von Chlorid erfährt man aus $HCl$.

  Ammoniak trägt keine Ladung.

  Oxidationszahlen lassen sich leicht aus den Ladungen von Nitrat und Sulfat bestimmen.

  Lösung

  Folgende Verbindungen haben die Oxidationszahl (OZ) von +2.

  • $HgS$: Das Gegenion ist $S^{2-}$, man kann die OZ auch vom $H_2S$ ableiten.
  • $HgCl_2$; $[Hg(NH_3)_2]Cl_2$: Die beiden Chlorid-Ionen erklären das und Ammoniak hat keine Ladung.
  • $HgO$: Das ist offensichtlich, denn die OZ für Sauerstoff ist -2.
  • $HgSe$: Ganz analog zu $H_2S$

  Folgende Verbindungen haben die Oxidationszahl (OZ) von +1.

  • $Hg_2Cl_2$: Das folgt aus den beiden Quecksilber-Ionen und den beiden Chlorid-Ionen.
  • $Hg_2O$: Das folgt aus der OZ von Sauerstoff.
  • $Hg_2SO_4$: Das folgt direkt aus dem Vergleich mit $H_2SO_4$.
  • $HgNO_3$: Der Vergleich mit $HNO_3$ führt zu diesem Ergebnis.
  • $HgH$: Bemerkenswert ist hier das Vorzeichen. Die Elektronegativität (nach Pauling) ist für Quecksilber (2,0) nur etwas geringer als für Wasserstoff (2,1). Demzufolge ist die OZ für Wasserstoff negativ. -1 ergibt sich aus der Tatsache, dass ein Wasserstoffatom durch Aufnahme eines Elektrons zum Hydrid-Ion wird, welches eine Edelgaskonfiguration besitzt.

  Folgende Verbindung hat die Oxidationszahl (OZ) von +4.

  • $HgF_4$: Eine seltene OZ für Quecksilber, Fluorid ist einfach negativ geladen.