LINKTIPP: Eine von einem Schüler erstellte Chemieseite zum Lernen

Übersicht über die Inhalte

1.) Was macht die Chemie?

2.) Sicherheit beim Experimentieren

3.) Stoffeigenschaften

4.) Reinstoffe, Gemische und Trennverfahren

5.) AKTUELL: Schüler-Meinung und meine Stellungnahme zum Thema Schülerexperimente  in der R8a

6.) Die chemische Reaktion: Entstehung neuer Stoffe mit neuen Eigenschaften

7.) Luft, ihre Bestandteile und deren Eigenschaften

8.) Metalle und Metallherstellung aus Erzen

9.) Wasser, eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff

Die Chemie ist die Naturwissenschaft, die stoffliche Veränderungen untersucht. Diese stofflichen Veränderungen finden bei chemischen Reaktionen statt. Die Chemie ermittelt die den chemischen Reaktionen zugrunde liegenden Regeln.

Die Demonstrationsexperimente in den ersten Chemiestunden haben euch gezeigt, dass von chemischen Stoffen und Reaktionen erhebliche Gefahr ausgehen kann. Deshalb muss man beim Experimentieren einige Sicherheitsregeln einhalten und sich immer genau an die Arbeitsanweisungen des Chemielehrers halten. Die euch bereits aus dem Bio-Unterricht in der 5. und 6. Klasse bekannten Regeln sind im Chemieunterricht besonders wichtig. Eigenmächtiges Experimentieren kann Unfälle und Verletzungen verursachen und wird deshalb durch Ausschluss bei künftigen Schülerexperimenten unterbunden!

Auf Behältern mit gefährlichen Stoffen warnen dich spezielle Gefahrenkennzeichen vor der jeweiligen Gefahr. Diese Kennzeichen, ihre Bedeutung und die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen beim Umgang mit dem jeweiligen Stoff musst du lernen. Hier eine Übersicht der alten und neuen Gefahrenkennzeichen .

Zum sicheren Experimentieren gehört auch die richtige Handhabung des Teclubrenners. Ihr habt die heißeste Stelle der Flamme gesucht und Glas so weit erhitzt, dass es sich verformen lies.

Allein durch die Untersuchung von Stoffen mit unseren Sinnesorganen erhalten wir viele Informationen über die Eigenschaften eines Stoffes: Aussehen (Konsistenz, Farbe, Aggregatzustand bei Raumtemperatur und Normaldruck ...), Geruch, Geschmack, Härte, usw.

Allerdings müssen wir vorsichtig sein, damit unsere Sinnesorgane dabei keinen Schaden nehmen, denn manche Stoffe haben gefährliche Eigenschaften ---> Gefahrstoffe und ihre Kennzeichnung, siehe oben!). Geschmacksproben sind deshalb im Chemieunterricht nicht erlaubt und gerochen wird auf "Chemikerart", d.h. durch zufächeln.

Viele weitere Stoffeigenschaften müssen mit Messgeräten bestimmt werden, z.B. der Schmelz- und Siedepunkt, der pH-Wert, die Dichte ...

Jeder Stoff hat seinen eigenen, für ihn typischen Eigenschaftssteckbrief, der zur Identifkation des Stoffes benutzt werden kann.

Zu den für die Identifizierung besonders gut nutzbaren Eigenschaften gehören der Schmelzpunkt und der Siedepunkt eines Stoffes. Bei diesen stofftypischen Temperaturen wechselt ein Stoff seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig, bzw. flüssig zu gasförmig. Der Stoff bleibt dabei der Gleiche, also z.B. Wasser. Die Eigenschaften des festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffes lassen sich am Besten verstehen, wenn man davon ausgeht, dass ein Stoff aus kleinsten Teilchen besteht.

Animationen:

Schmelz- und Siedepunkt im Teilchenmodell

Verhalten eines Stoffes, Aggregatzustand und Teilchenmodell 

Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) und die Übergänge

Experiment zur Identifikation eines Stoffes anhand seiner Löslichkeit:

Löslichkeit einiger Stoffe bei 20°C (in g Feststoff pro 100 g Wasser, Daten entnommen aus Elemente Chemie I, Klett-Verlag)

Zucker             203,0

Kochsalz           35,88

Kaliumnitrat      31,66

Soda                   21,66

Alaun                    6,01

Gips                      0,2

Löschkalk            0,12

Sauerstoff            0, 0043

Stickstoff              0, 0019

Ihr habt anhand von Stoffbeispielen aus dem Alltag erkennen können, dass die meisten von uns benutzten Stoffe keine Reinstoffe sind, sondern Gemische verschiedener Stoffe. Tatsächlich ist eine Aufgabe von Chemikern die Aufreinigung von Stoffen aus Stoffgemischen, z.B. hochreines Silizium für den Prozessor in deinem Computer herzustellen.

Ihr habt im letzten Schülerversuch ein Verfahren zur Aufreinigung von weißem Kochsalz (der Chemiker sagt dazu NaCl) aus einem Salz-Sand-Kieselsteingemisch entwickelt und dann praktisch umgesetzt.

Aus aktuellem Anlass (Auszug aus dem Gästebuch dieser Seite):

willwiedeexperiemente (Dienstag, 06 Dezember 2011 15:51)

Ich finde ihren unterricht nich so gut, weil sie sich bei jeder kleinigkeit aufregen und allr bestrafen. Ich will experimente machen ! Bestrafeb sie die leute, die mist machen, aber bitte nicht alle. Mit experimenten ist der unterricht gut, ohne ist er langweilig.

Rechtschreibung mies, aber das soll jetzt egal sein. Hier noch einmal meine auch nach dieser Meinungsäußerung unveränderte Position zum Thema "Schülerversuche" im Chemieunterricht der R8a in aller Deutlichkeit:

• kopernikusschule (Dienstag, 06 Dezember 2011 17:21)

  Ich vermute der anonyme "willwiederexperiemente" ist Schüler der R8a. Ja, du hast völlig Recht! Chemieunterricht ohne Schülerexperimente ist doof und viel langweiliger!!
  Es bleibt trotzdem dabei: zu allerersten Mal wird es in einer meiner Chemieklassen vorerst keine Schülerexperimente mehr geben. Zu viele Schüler haben sich trotz meiner Ermahnungen, Appelle, Verwarnungen etc. derart daneben benommen, dass ich aus Sicherheitsgründen zur Zeit keine Schülerexperimente verantworten kann. Ich habe vor, mich bei solch einem Verhalten in Zukunft auch nicht mehr aufzuregen, sondern sofort konsequent das Schülerexperiment abzubrechen und eine Schülerexperiment-Sperre zu verhängen! Du kannst dies gerne als Bestrafung sehen, aber ich habe letztendlich Gesundheitschäden infolge von Unfällen zu verantworten und daher habe ich in der Frage der Schülerexperimente alleinige Entscheidungsgewalt.
  Wenn mir die Klasse bei einem Test-
  Schülerexperiment in zwei bis drei Wochen zeigt, dass sich mit ihr vernünftig experimentieren lässt, dann gibt es wieder so oft wie möglich Schülerexperimente. Falls nicht, dann wird es danach für lange Zeit nur noch Experimente auf dem Lehrertisch geben. Wie bereits im Unterricht gesagt: Es liegt in eurer Hand!

Am Beispiel des Reaktionsproduktes der Reaktion von Eisen und Schwefel habt ihr erkannt, dass zwischen einem Gemisch (hier ein heterogenes Gemenge aus Eisen und Schwefel) und der beim Erhitzen entstehenden Eisen-Schwefel-Verbindung Eisensulfid ein deutlicher Unterschied besteht. Eisensulfid hat nämlich völlig andere, neue Eigenschaften, während das Gemisch die Eigenschaften von Eisen und die vom Schwefel zeigt. Außerdem konnten wir bei der durch zuführen von Aktivierungsenergie gestarteten Reaktion Energiefreisetzung in Form von Licht und Wärme beobachten. Dies lies sich auch mit einem Streichholz und einer Wunderkerze beobachten.

Chemische Reaktion werden durch eine Reaktionsgleichung beschrieben. Ihr habt das Formulieren einer Reaktionsgleichung in Worten kennen gelernt. Die Stoffe nach der Reaktion, die Produkte, sahen jeweils anders aus als die Ausgangsstoffe, die Edukte. Es sind neue Stoffe entstanden. Bei der Reaktion eines festen Metalles mit Schwefel entsteht also eine Verbindung, ein festes  Metallsulfid (s):

Eisen (s) + Schwefel (s) ---> Eisensulfid (s), gelesen wird dies "festes Eisen und der Feststoff Schwefel reagieren zu (entspricht dem Pfeil) festem Eisensulfid .

Video auf Youtube

Verhalten der Masse bei chemischen Reaktionen

Verschiedene chemische Reaktionen mit Abwiegen vor und nach der Reaktion haben euch gezeigt, dass die Masse bei chemischen Reaktionen unverändert bleibt. Voraussetzung ist, dass kein Edukt oder Produkt beim wiegen ausgelassen wird. Die chemische Reaktion muss in einem geschlossenen Behälter (System) erfolgen. Die Masse wird bei chemischen Reaktionen lediglich anders verteilt, da durch die Reaktion andere Verknüpfungen der beteiligten Teilchen erzeugt werden.

Rolle der Energie bei chemischen Reaktionen

Beim Kupfervitriol haben wir die Umkehrbarkeit einer chemischen Reaktion erlebt. Außerdem ist die Reaktion vom blauen Kupfervitriol (Kupfersulfat mit chemisch gebundenen Wasser = Kupfersulfat-Pentahydrat) durch Erhitzen zum wasserfreien weißen Kupfersulfat das Paradebeispiel für eine endotherme Reaktion. Bei endothermen Reaktionen wird dem Reaktionssystem aus der Umwelt (oder durch einen Brenner) zugeführte Energie in chemisch im Produkt gespeicherte Energie umgewandelt. Gibt man zu wasserfreien weißen Kupfersulfat Wasser hinzu, so wird daraus wieder das blaue Kupfersulfat mit chemisch gespeicherten Wasser. Dabei wird Wärme frei. Diese Reaktion verläuft also exotherm, denn das Reaktionssystem gibt Energie an die Umwelt ab.

Merkhilfe / Eselsbrücke: Export bezeichnet die Ausfuhr von Waren, exotherm die Ausfuhr (Abgabe) von Energie (Wärme) bei chemischen Reaktionen.

Kurzbeschreibung des Experimentes mit Bildern

Wir haben dann noch die Wirkung eines Katalysators bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff im Experiment erlebt und im Energiediagramm betrachtet. Einen Film zur Wirkung eines Katalysators findet ihr auf der Seite zum Informationstag der Kopernikusschule.

Luft, ihre Zusammensetzung und die Eigenschaften der Luftgase

Wir haben die Eigenschaften der in Luft enthaltenen Gase experimentell untersucht. Die Eigenschaften von Kohlenstoffdioxid sahen wir sowohl beim Gas, als auch beim Trockeneis. Die Zusammensetzung der Luft haben wir mit Hilfe von Stahlwolle untersucht, die angefeuchtet mit verschiedenen Gasen oder Luft in einem Reagenzglas stehend im Wasserbad luftdicht abgeschlossen eine Woche aufbewahrt wurde. Bei Stickstoff blieb der Wasserstand im Reagenzglas unverändert und die Wolle sah fast unverändert aus, bei reinem Sauerstoff füllte sich das Reagenzglas vollständig mit Wasser und die Stahlwolle war teilweise braun-schwarz verfärbt. Bei Luft strömte ungefähr ein Fünftel Wasser ins Reagenzglas, während es sich bei einem Gasgemisch aus 50% Sauerstoff und 50% Stickstoff ungefähr halb voll mit Wasser füllte. Das verbliebene Luftgas erstickte einen brennenden Holzspan und reagierte nicht mit Kalkwasser. Wir schlussfolgerten, dass ein Bestandteil der Luft, offenbar Sauerstoff, mit der Stahlwolle reagiert hat. Unsere  Ergebnisse zeigten weiterhin, dass Luft aus ca. 20% Sauerstoff und 80% Restgas (hauptsächlich Stickstoff) besteht.

Wie bekommt man reinen Sauerstoff, Stickstoff usw. in eine Druckgasflasche?

Dazu benutzt man die von Carl von Linde entwickelte Technik der Luftverflüssigung und Destillation. Das bei der Luftverflüssigung verwendete  Verfahren, die prozessbedingte Abkühlung von verdichteten Gasen oder sogar verflüssigten Gasen bei der Entspannung ist auch die technische Grundlage aller Kühl- Gefrier- und Klimaanlagen. Siehe Buch und Funktion eines Kühlschrankes.

Wie versprochen gibt es jetzt hier das Video zum Thema "Grill anzünden auf Chemiker-Art" mit flüssigen Sauerstoff (  -183°C kalt !!! ).

Das Verhalten von Stoffen bei tiefkalten Temperaturen, flüssiger Stickstoff ist -196°C kalt, wird im Video Bananenhammer gezeigt. Mehr sehenswerte Experimente mit fl. Stickstoff gibt es hier. Eine Zusammenfassung der Eigenschaften und Nutzung gibt es bei Wikipedia.

Umweltgefahren durch Spurengase (Gase mit nur kleinen Volumenanteil in der Luft)

Saurer Regen entsteht durch den Schwefelgehalt fossiler Brennstoffe, z.B. Erdöl und Kohle. Bei Verbrennung von Schwefel in Sauerstoff entsteht als Produkt Schwefeldioxid. Dieses reagiert mit Wasser zu Schwefliger Säure, wie der Farbumschlag des pH-Indikators Bromthymolblau von grün nach gelb zeigt. Wie die folgenden Bilder zeigen, reagieren Pflanzen empfindlich auf die Einwirkung der Säure des sauren Regens (jeweils rechts im Bild, zur Vergrößerung bitte auf die Bilder klicken).

 

 

Unedle und edle Metalle: die Sauerstoffaffinität

Dazu haben wir die Heftigkeit und Energiefreisetzung (Lichtfarbe) bei der Reaktion von Magnesium, Zink, Kupfer und Eisen mit Sauerstoff betrachtet. Außerdem haben wir Magnesium brennend in Kohlenstoffdioxid gehalten und gesehen, dass das Magnesium in dem erstickend wirkenden Gas erstaunlicherweise weiterbrennt. Magnesium hat eine so große Sauerstoffaffinität, das es dem Kohlenstoff im Kohlenstoffdioxid den gebundenen Sauerstoff wegnehmen kann. Magnesium und Kohlenstoffdioxid reagiert daher zu Kohlenstoff und Magnesiumoxid. Die Oxidation von Magnesium funktioniert sogar mit Trockeneis (festen Kohlenstoffdioxid) - siehe Film.

METALLHERSTELLUNG

Wie kann man Metalle aus Metalloxiden (Metallerzen) herstellen?

Hierzu wird die Verbrennung der unedlen Metalle umgekehrt. Man muss dem Metall der Metallverbindung den Sauerstoff "wegnehmen". Deshalb wird eine Reaktion mit einem Reaktionspartner durchgeführt der eine größere Sauerstoffaffinität als das Metall der Metallverbindung hat. Dies kann bei Kupfer und Eisen u.a. Magnesium, Aluminium, Wasserstoff und Kohlenstoff sein. Kohlenstoff und Wasserstoff haben den verfahrenstechnischen Vorteil, dass ihre Oxide gasförmige Stoffe sind und deshalb bei der Reaktion entweichen. Eine aufwendige Stofftrennung der Produkte entfällt dadurch.

Wir haben folgende Reaktionen im Unterricht behandelt:

• Kupfergewinnung aus Kupferoxid + Kohlenstoff
• Eisen aus Eisenoxid + Kohlenstoff (Hochofenprozess und Stahlherstellung, s. BUCH!!). Hier der Link zum Film über die Eisen- und Stahlherstellung früher und heute.
• Eisen aus Eisenoxid + Aluminium (Thermitreaktion / Aluminothermisches Verfahren). Sieh dir doch den Youtube-Film hierzu an!

Vorbereitungsblatt für die Lernkontrolle

WASSER, eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff

Gemische aus Wasserstoff und Sauerstoff bezeichnet man als KNALLGAS. Durch zuführen von Aktivierungsenergie, z.B. durch einen Zündfunken, reagieren sie sehr heftig mit Lichtblitz und lautem Knall zum Oxid des Wasserstoffs, dem Wasser (H20). Wir haben dann untersucht was geschieht, wenn man die beiden Gase in unterschiedlichen Volumenverhältnissen mischt und zur Reaktion bringt. Entstehen dann möglicherweise andere Verbindungen (z.B. H30, HO2), oder bleibt ein Teil der Edukte (Wasserstoff oder Sauerstoff) übrig? Unsere Experimente zeigten, dass immer Wasser (H2O) entstand und das bei beim vom Wasserstoff : Sauerstoff-Verhältnis von 2:1 abweichenden eingesetzten Stoffmengen jeweils Ausgangsstoff übrig blieb.

Wie kann man Wasserstoff herstellen?

Wenn man elektrischen Gleichstrom durch Wasser leitet beobachtet man an den Elektroden jeweils Gasentwicklung. Am Minuspol entstand ungefähr doppelt soviel Gas wie am Pluspol. Durch Knallgasprobe bzw. Glimmspanprobe wurden die Gase als Wasserstoff bzw. Sauerstoff identifiziert. Dies zeigt, dass sich die Knallgasreaktion mittels Strom umkehren lässt. Das Ergebnis bestätigt zudem nochmals die durch Knallgasexplosionen mit verschiedenen Wasserstoff:Sauerstoff-Verhältnissen gefundene Formel von Wasser, H2O. Mit Gleichstrom, z.B. aus Sonnenkraftwerken, kann man aus Wasser Wasserstoff produzieren. Dies ist die Basis der alternativen, CO2-freien Energiewirtschaft. Die Arbeitsblätter zu den Experimenten gibt es hier.

Wasserstoff aus Wasser mit Magnesium bei www.versuchschemie.de . Hierbei wird die höhere Sauerstoffaffinität von Magnesium zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt.

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 im Leben seiner Erfahrung nach an kommt. 

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