Chemieunterricht am Gymnasium Ohmoor, 1. Semester Studienstufe - Naturstoffe / Hamburg, 15. Februar 1999, von Carl-Jürgen Bautsch

Darstellung und Eigenschaften von Nitrocellulose  

Ein Gramm Baumwolle wird zu Cellulosenitrat verarbeitet. Eine. aktuelle Versuchsanleitung dazu findet sich im Juli-Heft der Praxis der Naturwissenschaften - Chemie auf Seite 21 (Aulis-Verl. Köln, Leipzig 2003).
 
Die Strukturformel der Cellulosekette zeigt, dass die Nitriersäure an drei Hydroxylgruppen pro ß-D-Glucose - Monomer verestern kann. 

Aufgabe 1: Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Verpuffung von Cellulosenitrat aus einer allgemeinen Summenformel des Polysaccharids auf. Es zerfällt vollständig in die gasförmigen Produkte Stickstoff, Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.

 Strukturformel

Antwort: Cn H7/6n O11/6n N1/2n   ===> 1/4n N2 + 7/12n H2O + 3/4n CO + 1/4n CO2 + Energie

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist so hoch, dass der Zerfall in wenigen Millisekunden abläuft. Die Handfläche nimmt keinen Schaden! Folgender Link zeigt die Reaktion in Echtzeit als 65Kbyte Video-File im AVI-Format.
  Nitrocellulose-Reaktion

Aufgabe 2:
Welcher Druck  entwickelt sich aus den Produkten eines Gramms Nitrocellulose, eingeschlossen in ein Volumen von einem Milliliter, bei Zimmertemperatur?

Antwort:

Die Molmasse des Nitrocellulosemonomers (mit n = 6) summiert sich zu M = 297,16 g / mol. Beim Polymer von mehr als 10 000 Einheiten sind die endständige OH-Gruppe bzw. das H-Atom vernachlässigbar. Ein Gramm enthält also 1 / 297,16 = 3,365 Millimol Nitrocellulose. Die Verbrennungsgleichung von Aufgabe 1 zeigt bei Erweiterung der Brüche auf Zwölftel, dass 22/12 Mole Gas entstehen. Es entstehen 132/12 Mole Gas also die 11-fache Molzahl : 3,365 * 10-3  * 11 = 3,7 * 10-2 Mole gasförmige Produkte. Multipliziert mit dem Molvolumen idealer Gase von 22,414 Liter ergibt das 0,83 Liter oder 830 Milliliter Gas bei freier Expansion ohne Temperatureffekt. Das Volumen von einem Gramm Nitrocellulose, vereinfacht angenommen als ein Milliliter, wird also 830 mal so groß.

Kann nun aber das Volumen nicht expandieren, weil es gedämmt ist, so muß sich gemäß Zustandsgleichung für ideale Gase der Druck entsprechend erhöhen:
    p = (n * R * T) / V           [mol * (J/mol*K) * K / cbm]       R = Gaskonstante 8,314; T = Zimmertemperatur 300K
    p =  0,037 * 8,314 * 300 / 1 * 10-6
    p = 92 285 400 Pascal

Ergebnis: Bezogen auf den Normaldruck von 101 300 Pascal entwickelt sich aus einem Gramm Nitrocellulose, die in einem Milliliter Volumen eingeschlossen ist nach der Entzündung und Abkühlen auf Zimmertemperatur etwa der 911 - fache Druck! 
 


Infos zum kommerziellen Einsatz von Nitrozellulose (Nitro-Verdünner) finden sich unter: www.nitrocellulose.de