Nitrocellulose

Nitrocellulose – Chemie

Sicher hast du auch schon Klebstoff verwendet. Darin kann Nitrocellulose enthalten sein. Diese Substanz wird auch für Raketentreibstoffe oder für die Herstellung von Tischtennisbällen verwendet. Doch weißt du auch, wie man Nitrocellulose herstellt? Das erfährst du in diesem Lerntext.

Was ist Nitrocellulose? – Definition

Der chemisch korrekte Name für das Biopolymer Nitrocellulose ist Cellulosenitrat. Aus diesem Grund werden wir im folgenden Text bei dem Namen Cellulosenitrat bleiben. Es handelt sich um eine wollähnliche, weiße, faserige, geruch- und geschmacklose Masse. Weitere Namen für Cellulosenitrat sind Schießbaumwolle oder Blitzwatte.
Weitere physikalische Eigenschaften von Cellulosenitrat kannst du in der folgenden Liste sehen:

• Dichte: $\pu{1,67 g//cm3}$
• Schmelzpunkt: $\pu{160-180 °C}$
• Aggregatzustand: fest

In der Chemie wird Cellulosenitrat mit folgender Strukturformel dargestellt:

Cellulosenitrat – Geschichte

Cellulosenitrat wurde im Jahr 1846 von Christian Schönbein und unabhängig davon im selben Jahr von Rudolf Böttger entdeckt. Im selben Jahr veröffentlichte Friedrich Otto das Verfahren zur Herstellung von Cellulosenitrat.

Gewinnung und Darstellung von Cellulosenitrat

Die Herstellung von Cellulosenitrat findet über eine Nitrierung und Veresterung statt, bei der die Hydroxygruppen $(\ce{R-OH})$ der Cellulose zu Nitratgruppen $(\ce{R-O-NO2})$ umgesetzt werden und Wasser $(\ce{H2O})$ frei wird. Dies geschieht durch die Reaktion mit Nitriersäure, einem Gemisch aus Schwefelsäure $(\ce{H2SO4})$ und Salpetersäure $(\ce{HNO3})$. Die Umsetzung von der Cellulose zu Cellulosetrinitrat kannst du hier sehen:

Der Stickstoffgehalt des herzustellenden Cellulosenitrats wird durch Zusammensetzung der Nitriersäure und die Reaktionsdauer geregelt.
Bei einem Stickstoffgehalt $> 12,75\% $ handelt es sich dann überwiegend um Cellulosetrinitrat (Schießbaumwolle). Bei einem Stickstoffgehalt $< 12,75\% $ spricht man vom sogenannten Cellulosedinitrat (Kollodiumwolle).

Das Experiment zur Herstellung von Nitrocellulose

Als Erstes werden fünf Gramm Watte (Cellulose) eingewogen, die im Anschluss getrocknet werden. Ein Becherglas wird in eine Schüssel mit Eiswürfeln gestellt. In die Schüssel wird Kochsalz, also Natriumchlorid $(\ce{NaCl})$, hinzugefügt. Das Kochsalz sorgt dafür, dass der Gefrierpunkt erniedrigt wird. Deshalb wird die Mischung auch als Kältemischung bezeichnet.

Achtung: Es ist wichtig, hier unter einem Abzug zu arbeiten. In ein Becherglas wird die Salpetersäure $(\ce{HNO3})$ gegeben und unter Rühren die Schwefelsäure $(\ce{H2SO4})$ langsam hinzugemischt. Dabei entsteht Nitriersäure. Das ist ein Gemisch aus konzentrierter Salpeter- und konzentrierter Schwefelsäure.

Die eingewogene Watte wird in zwei Hälften geteilt und in kleinen Portionen der Nitriersäure hinzugefügt. Die Watte im Becherglas wird vorsichtig über 30 Minuten verrührt und gedrückt. Nun findet die Umsetzung der Cellulose zu Cellulosenitrat statt. Anschließend wird die überschüssige Nitriersäure dekantiert und die Watte mit der fünffachen Menge an Wasser ausgewaschen. Die Säure wird mit Natriumhydrogencarbonat $(\ce{NaHCO3})$ neutralisiert. Die Watte wird beispielsweise auf einer Heizung über mehrere Stunden getrocknet.

Nun kann eine kleines Stück der Watte mit einem Glimmspan berührt werden. Dabei verschwindet das Reaktionsprodukt vollständig. Die Verbrennung erfolgt ohne Sauerstoff $(\ce{O2})$ und Rauch. Bei der Verbrennung entstehen die Reaktionsprodukte Kohlenstoffmonoxid $(\ce{CO})$, Kohlenstoffdioxid $(\ce{CO2})$, Wasserdampf $(\ce{H2O})$ und Stickstoff $(\ce{N2})$.

Verwendung von Cellulosenitrat – Beispiele

Cellulosenitrat findet in einigen Produkten Verwendung. Allerdings gibt es zu Cellulosenitrat Sicherheitshinweise. Es ist explosionsgefährlich und kann bei Schlag, statischer Entladung und schnellem Erhitzen detonieren. Cellulosenitrat unterliegt außerdem dem deutschen Sprengstoffgesetz. Diese chemische Eigenschaft von Cellulosenitrat wird beispielsweise in Bergbausprengstoffen oder Raketentreibstoffen genutzt. Durch hinzufügen des Weichmachers Kampfer kann aus dem Cellulosenitrat der thermoplastische Kunststoff Zelluloid hergestellt werden. Zelluloid war früher ein Produkt, aus dem beispielsweise Puppen oder Träger für Filmmaterial hergestellt wurden. Die Produktion wurde jedoch wegen der bestehenden Feuergefährlichkeit eingestellt. Heutzutage bestehen Tischtennisbälle noch aus Zelluloid.

Wegen der Eigenschaften von Cellulosenitrat wird dieses in Klebstoffen, Nitrolacken oder für Membranuntersuchungen der DNA verwendet.

Das Video Nitrocellulose

In diesem Video lernst du, wie man Nitrocellulose, auch Cellulosenitrat genannt, herstellt und wofür es verwendet wird. Du erfährst, dass es aufgrund der chemischen Eigenschaften des Cellulosenitrats ein großes Einsatzgebiet für die Verwendung gibt.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!