Naturwissenschaften an der
Kopernikusschule Freigericht
Schuljahr 2011/2012
"Alte" Chemie-Inhalte aus der 8. und 9. Klasse findet man im Archiv bzw. bei 9. Klasse Gym.
LINKTIPP: Eine von einem Schüler erstellte Chemieseite zum Lernen
ÜBERBLICK ÜBER DIE THEMEN DER SEITE:
1. Einführung und Organisatorisches
2. Stoffeigenschaften und Aufbau der Metalle
3. Redoxreaktionen sind Elektronenübertragungsreaktionen
4. Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie: Batterien und Akkumulatoren (Akkus)
5. Organische Chemie: Vielfalt durch unendlich viele Verknüpfungsmöglichkeiten für C, H, O, N und andere Elemente
Einführung und Organisatorisches
Herzlich Willkommen in der gymnasialen Oberstufe der Kopernikusschule! Ich wünsche allen Schülerinnen und Schülern viel Erfolg im Schuljahr 2011 / 2012.
Die Schülerinnen und Schüler der Einführungsphase weise ich hiermit ausdrücklich auf §6 (Versäumnisse, Entschuldigung und ärztliche Atteste), §9 (Leistungsbeurteilung und -nachweise), speziell #2, #3 und Anlage 9a, sowie §12 (Zulassung zur Qualifizierungsphase), speziell #2 und #3 der Oberstufen- und Abiturverordnung hin. Details sind hier zu finden: OAVO (Oberstufen- und Abiturverordnung)
Auf meinen Internetseiten stelle ich meinen Schülerinnen und Schüler zusätzliche Materialien, Linktipps (z.B. zu Animationen chemischer Vorgänge im Internet) und Downloads verschiedener Unterrichtsmaterialien zu einigen Themen meines Chemieunterrichts zur Verfügung. Diese online-Unterlagen können das sorgfältige Mitschreiben im Unterricht und die jeweilige Nachbereitung des Unterrichts jedoch AUF KEINEN FALL ERSETZEN.
Beispiele:
- PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE zum ausdrucken.
- Ein interaktives Periodensystem mit vielen aktivierbaren Detailinformationen (Elementeigenschaften, Aggregatzustand, Dichte ...) findet sich bei http://www.uniterra.de/ .
- Die Chemiekiste . Die Chemiekiste bietet unter Lerntrainer (Lernbox) sehr gute interaktive Lernprogramme zu den unterschiedlichsten Themen, z.B. Sicherheit, Eigenschaften chemischer Stoffe, Gemischarten, chemische Reaktionen, Symbolschreibweise uvm.
Folgendes Wissen sollte euch zu Beginn der 10. Klasse in Chemie bekannt sein: Grundwissen Ende 9. Klasse , Grundwissen II
Wiederholungsprogramm Grundlagen 1. Chemiejahr
Stoffeigenschaften und Aufbau der Metalle
Die Eigenschaften eines Stoffes, sein Aufbau und das chemische Reaktionsverhalten des Stoffes stehen in enger Beziehung zueinander.
Der unterschiedliche Aufbau von Stoffen spiegelt sich in ihren Eigenschaften wider. Die elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe und der Zusammenhang zum Aufbau aus verschiedenen kleinsten Teilchen wurde thematisiert.
Salze sind Ionenverbindungen. Sie sind aus positiven und negativen Ionen, den Kationen bzw. Anionen, aufgebaut, welche sich durch elektrostatische Anziehungskräfte so anordnen, dass alle Teilchen von umgekehrt geladenen Ionen umgeben sind (Vorführung mit dem Magnetmodell). Salz als Feststoff leitet elektrischen Strom nicht, während Salzschmelzen und in Wasser gelöstes Salz dies tun. In den beiden letztgenannten Fällen existieren bewegliche Ladungsträger, nicht aber im Feststoff! Das Ergebnis ruft eindringlich in Erinnerung, dass bewegliche Ladungsträger eine Voraussetzung für elektrischen Stromfluss sind!
Zucker, Wasser und viele andere Verbindungen bestehen aus ungeladenen Molekülen. In ihnen sind die Atome über gemeinsame Elektronenpaare (Elektronenpaarbindung, Atombindung) fest mit einander verbunden. Zucker, Stärke, Ethanol, Methan, Kohlenstoffdioxid und viele andere aus ungeladenen Molekülen bestehendeStoffe / Verbindungen enthalten keine Ladungsträger und sind daher im festen, geschmolzenen und gelösten Zustand nicht elektrisch leitend.
Metalle sind im festen und geschmolzenen Zustand gute elektrische Leiter. Daher müssen sie frei bewegliche
elektrische Ladungsträger enthalten. Durch das einander Anlagern der einzelnen ungeladenen Metallatome entstehen offenbar frei bewegliche Ladungsträger. Man kann sich dies so vorstellen: Die nur
locker gebundenen Valenzelektronen werden von den Metallatomen in den leeren Raum zwischen den Atomen abgegeben. Sie sind dort frei beweglich und bilden das so genannte Elektronengas, das die
positiv geladenen Atomrümpfe umgibt und die Abstossungskräft zwischen ihnen kompensiert und sie dadurch zusammen hält. Die Elektronen des Elektronengases sind leicht verschiebbar, so dass Metalle
auch als Feststoff den elektrischen Strom gut leiten. Das Modell der Metallbindung verdeutlicht dies anschaulich.
- Übersicht der allgemeinen Stoffeigenschaften und des Aufbaus der Metalle .
Redoxreaktionen sind Elektronenübertragungsreaktionen
Als Nächstes wurde anhand der Reaktion von Metallen mit Sauerstoff und der Gewinnung unedler Metalle aus Verbindungen die Begriffe SAUERSTOFF-AFFINITÄT, OXIDATION, REDUKTION und REDOXREAKTION und das korrekte Aufstellen einer Reaktionsgleichung in Symbolschreibweise wiederholt.
Durch genaue Betrachtung der Oxidationsreaktion von Cu mit Sauerstoff und Vergleich mit der Reaktion von Cu und Chlor sind wir darauf gekommen, dass Cu durch Abgabe von 2 Elektronen jeweils zum (Cu2+)-Ion wird. Einziger Unterschied ist, dass einmal Sauerstoff zum 2- Ion wird, während bei der zweiten Reaktion 2 Chloratome jeweils zu (Cl-)-Ionen werden. Da im Prinzip das Gleiche geschieht, (es findet ein Elektronenübergang statt) kann man den gleichen Namen für diese Art Reaktion benutzen.
Bei einer Oxidation findet eine Elektronenabgabe statt, denn bei der Reaktion gehen Elektronen vom Kupfer auf den jeweiligen Reaktionspartner über. Kupfer ist der Elektronendonor. Der Elektronenakzeptor ist Sauerstoff bzw. Chlor. Diese Stoffe werden durch die Elektronenaufnahme reduziert.
Zum Beweis haben wir elektrischen Gleichstrom durch eine Kupferchloridlösung geleitet. Die durch den Strom erzwungene Elektronenübertragung bei dieser Elektrolyse lässt aus dem Kupferchlorid an der Anode Chlor und an der Kathode Kupfer entstehen - die oben beschriebene Reaktion von Chlor und Kupfer zum Kupferchlorid wird durch den Strom rückgängig gemacht:
Anode: 2 Chloridanionen 2 (Cl-)aq ----> Chlor (Cl2) + 2 Elektronen
Kathode: Kupferkation (Cu2+)aq + 2 Elektronen ----> Kupfer (Cu)
Gesamtreaktion: 2 Chloridanionen 2(Cl-)aq + Kupferkation (Cu2+)aq
----> Chlor (Cl2) + Kupfer (Cu)
Die folgende Animation erklärt die Elektrolyse von Kupferchlorid. Bei der Gesamtreaktionsgleichung treten die Elektronen nicht mehr in Erscheinung. Der
Elektronenübergang bei einer Reduktion bzw. Oxidation ist aber anhand verschwindender Ladungen und mit Hilfe von Oxidationszahlen erkennbar (Buch S. 152). Elektrolysen in wässrigen Lösungen sind im Buch auf S.168 ff
beschrieben.
Weitere Beispiele für Redoxreaktionen mittels Strom (Elektrolysen):
- Die sehr ähnlichen Vorgänge bei der Elektrolyse von Zinkjodid (ZnJ2) zeigt und erklärt diese Animation: http://www.chemie-interaktiv.net/html_flash/ff_stromleitung_loesung.swf
- Auch die Verbindung Wasser lässt sich durch Strom in ihre Bestandteile zerlegen; Animation der Wasserelektrolyse
So geht´s! Aufstellen von Redoxgleichungen mit Hilfe der Oxidationszahlen
Stellt man einen Eisennagel in Kupfersulfat-Lösung, so überzieht er sich auch ohne Stromeinwirkung schnell mit einer rotbraunen Schicht. Es handelt sich dabei um Kupfer. Dieses kann nur durch Elektronenaufnahme aus den Kupfer-2+-Ionen der Lösung entstanden sein.
Kupferionen werden hierbei durch Elektronenaufnahme (eine REDUKTION !!) entladen und scheiden sich als Kupferatome auf dem Eisennagel ab. Als Quelle für die Elektronen kommen nur die Eisenatome des Eisennagels in Frage, da er die Veränderung ausgelöst hat. Folglich entstehen aus Eisenatomen durch Elektronenabgabe (eine OXIDATION !!) positv geladene Eisenionen, welche in Lösung gehen und die Kupferionen ersetzen. Die Sulfatanionen nehmen an der Reaktion nicht teil. Umgekehrt überzieht sich ein Kupferblech nicht mit Eisen, wenn es in einer Lösung mit Eisenionen steht. Ein anderes Beispiel ist Silberbesteck. Es überzieht sich in Kupferlösung nicht mit Kupfer, aber ein Kupferblech verfärbt sich durch einen Tropfen Silbernitratlösung aufgrund der Abscheidung von metallischen Silber schwarz. Nach einiger Zeit sind im Tropfen keine Silberionen mehr nachweisbar! Unedle Metalle reduzieren also die Kationen edlerer Metalle aus ihren in Wasser gelösten Metallverbindungen.
FAZIT: Unedle Metalle sind gute Elektronendonoren (Reduktionsmittel), Edelmetallionen gute Elektronenakzeptoren (Oxidationsmittel).
Letztendlich lässt sich durch viele solcher Experimente mit verschiedenen Kombinationen von Metallen und Metallionen die Redoxreihe der Metalle aufstellen, denn die Metalle haben ein unterschiedlich starkes Bestreben zur Abgabe von Elektronen (unedles Metall >> edleres Metall >> Edelmetall).
Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie: Batterien und Akkumulatoren (Akkus)
NEU:
1.) Handouts mit den Ergebnissen der Gruppenarbeiten im Chemie-Wiki von Dr. Bauer auf
drbauer.pbworks.com
2,) Zusätzliche Materialien im geschlossenen Bereich
LINKTIPP:
Elektrochemie im Internet (Prof. Blume) Bitte nach unten scrollen, dort sind Experimente zu Batterien und Akkus unter GALVANISCHE ELEMENTE bzw. BEISPIELE FÜR AKKUMULATOREN zu finden.
Vorbereitung der Lernkontrolle
Organische Chemie
Vielfalt durch unendlich viele Verknüpfungsmöglichkeiten für C, H, O, N und andere Elemente
Bei der Elementaranalyse von Methan zeigten die Verbrennungsprodukte Wasser und Kohlenstoffdioxid, das Kohlenwasserstoffe aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind. Weitere in organischen Verbindungen oft vorkommende Atomsorten sind Sauerstoff und Stickstoff. Die einfachsten organischen Verbindungen sind die kettenförmigen Alkane. Sie enthalten unterschiedlich viele Kohlenstoffatome und bilden eine homologe Reihe: CH4 (Methan), C2H6 (Ethan), C3H8 (Propan), C4H10 (Butan) .... Ihre allgemeine Summenformel lautet CnH2n+2.
Für die Summenformel (C4H10), das Butan, gibt es mehr als eine Strukturformel. Man kann ein kettenförmiges und ein verzweigtes Molekül bauen. Beim Pentan sind schon 3 verschiedene Strukturen möglich und beim C20H42 schon 366.319! Diese Strukturvielfalt nennt man ISOMERIE. Als nächstes habt ihr die Regeln für die Namensgebung für Alkane gelernt.
Wir haben uns die Eigenschaften der Alkane angesehen und ihre Verwendung (hauptsächlich als Öle/Kraftstoffe).
Die Entstehung und Verarbeitung von Erdöl
Erdöl ist ein kompliziertes Gemisch von Kohlenwasserstoffen und ist für die Industrie daher ein sehr wertvoller Bodenschatz. Vor seiner Verwendung muss es allerdings aufgearbeitet werden.
- Entstehung von Erdöl und Erdölverarbeitung
- Raffination/Raffinierung (Aufarbeitung) des Erdöls durch Destillation zu Benzin, Diesel, Kerosin, .... Film dazu
- Entschwefelung
- Cracken: Was ist das? Film dazu
- Reformierung: Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen zwecks Erhöhung der Klopffestigkeit
Hintergründe der klopfenden Verbrennung im Ottomotor und ihre Verhinderung
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene und Alkine
Im Gegensatz zu den Alkanen sind in den Alkenen und Alkinen mindestens zwei Kohlenstoffatome durch Mehrfachbindung, d.h. eine Doppel- bzw. eine Dreifachbindung, miteinander verbunden. Die Mehrfachbindungen der ungesättigten Kohlenwasserstoffe verursachen eine höhere Reaktivität dieser Stoffe. Zum Beispiel erfordert die Halogenierung mit Brom im Gegensatz zu den Alkanen bei Alkenen kein Licht (Film). Ungesättigte Kohlenwasserstoffe lassen sich auch durch die Baeyer-Reaktion, die Farbänderung einer alkalischen Kaliumpermanganat-Lösung bei Zugabe eines Alkens oder Alkins, nachweisen. Statt rosa ist die Lösung am Ende bräunlich gefärbt. Zugabe eines gesättigten Kohlenwasserstoffes (Alkan) bewirkt keine Farbänderung.
Alkohole
Carbonsäuren
Carbonsäuren (Organische Säuren) entstehen aus Alkoholen durch Oxidation. Sie werden oft als Konservierungsmittel in Lebensmitteln eingesetzt. Zum Beispiel E260 = Essigsäure, ein Lebensmittelzusatzstoff, der als E-Stoff auf den Verpackungen vieler Lebensmittel aufgeführt wird.
Chemie in Lebensmitteln: Zusatzstoffe (Stoffe mit E-Nummern)
In vielen Produkten der Lebensmittelindustrie steckt eine Menge Chemie. Die chemischen Stoffe sorgen für Farbe, Haltbarkeit, Formbeständigkeit, Schutz vor Vertrocknung uvm. Viele von ihnen werden schon seit Ewigkeiten verwendet, wie z.B. Essig (Essigsäure E260). Allerdings vertragen manche Menschen einige Stoffe nicht, weil sie bei ihnen z.B. Allergien auslösen. Daher werden chemische Inhalltsstoffe entsprechend einer EU-Verordnung in der Inhaltsliste mit ihrer E-Nummer gekennzeichnet. Liste der Stoffe und ihrer E-Nummern.
LINKTIPP: The last Lecture - Sehenswerte 10- minütige Kurzversion! Im Original über 14,5 Millionen Klicks bei Youtube! Randy Pausch, ein an Krebs 2008 verstorbener Professor sagt, worauf es seiner Erfahrung nach im Leben an kommt.
