Naturwissenschaften an der
Kopernikusschule Freigericht
Schuljahr 2011/2012
Übersicht über die Inhalte
1.) Was macht die Chemie überhaupt?
2.) Sicherheit beim Experimentieren
3.) Stoffeigenschaften
4.) Reinstoffe, Stoffgemische und Stofftrennungen
5.) Chemische Reaktionen lassen neue Stoffe entstehen
6.) Aufstellen von Reaktionsgleichungen in Symbolschreibweise
7.) Stoffmengenberechnungen mit Hilfe der Reaktionsgleichungen
8.) Eigenschaften und chemische Reaktionen der Alkalimetalle (1. Hauptgruppe)
9.) Eigenschaften und chemische Reaktionen der Halogene (7. Hauptgruppe)
10.) Aufbau der Stoffe: Atombau
Was macht die Chemie überhaupt?
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.
Sicherheit beim Experimentieren
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. 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. 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.
Stoffeigenschaften
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. Bei der Suche nach "White Stuff" habt ihr einen solchen Eigenschaften-Steckbrief praktisch genutzt.
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
Reinstoffe, Stoffgemische und Stofftrennungen
Hilfe für die Lückentabelle (Begriffe in zufälliger Reihenfolge):
Zentrifugation, Sedimentation, Destillation, Magnettrennung, Ausschmelzen, Sieben, Einsieden/Eindampfen, Filtration, Extraktion, Adsorption, Dekantieren
Chemische Reaktionen lassen neue Stoffe entstehen
Wir haben am Beispiel eines Streichholzes und beim Erhitzen von Eisen mit Schwefel gesehen, dass bei chemischen Reaktionen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften entstehen. Nach Start der chemischen Reaktion durch zuführen von Aktivierungsenergie Ea, z.B. Reiben des Zündkopfes oder Erhitzen des heterogenen Eisen-Schwefel-Gemisches (eines Gemenges) erfolgte die chemische Reaktion. Dabei waren Energieerscheinungen wie Flammen, Wärme und Licht zu beobachten. Die Stoffe nach der Reaktion, die Produkte, sahen jeweils anders aus als die Ausgangsstoffe, die Edukte. Es sind neue Stoffe entstanden.
Chemische Reaktion werden durch eine Reaktionsgleichung beschrieben. Ihr habt das Formulieren einer Reaktionsgleichung in Worten kennen gelernt. Bei der Reaktion eines festen Metalles mit Schwefel entsteht eine Verbindnung, ein festes Metallsulfid (s):
Eisen (s) und Schwefel (s) reagieren zu Eisensulfid (s), Video
auf Youtube
Kupfer (s) + Schwefel (s) reagieren zu Kupfersulfid (s), Video
auf Youtube
Mehr dazu im Chemiebuch S. 58-59
Rolle der Energie bei chemischen Reaktionen
Beim Kupfervitriol haben wir die Umkehrbarkeit von chemischen Reaktionen erlebt. Außerdem ist die Reaktion vom blauen Kupfervitriol (Kupfersulfat mit chemisch gebundenen Wasser) 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.
Wir haben dann noch die Wirkung eines Katalysators bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff im Experiment erlebt und im Energiediagramm
betrachtet.
Die Sauerstoffaffinität
Für die Heftigkeit der Reaktion von Metallen mit Sauerstoff spielt der Zerteilungsgrad (die Größe / Feinheit der Partikel) und die Sauerstoffaffinität des Metalls eine Rolle. Das unterschiedlich starke Bestreben sich mit Sauerstoff zu verbinden bezeichnet man als SAUERSTOFFAFFINITÄT eines Elementes. Je unedler ein Metall, desto heftiger die Reaktion mit Sauerstoff und umso größer ist folglich seine Sauerstoffaffinität.
CG8- Sauerstoffaffinität _ Unedle und Ed
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Luft, Gase der Luft und ihre Eigenschaften
Im Unterricht wurden nun die Eigenschaften von Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid und die Zusammensetzung der Luft besprochen. Beim Kohlenstoffdioxid wurde an den Aggregatzustandswechsel vom festen (Trockeneis, -78°C kalt) zum gasförmigen Kohlenstoffdioxid (Sublimation) erinnert. Hier gibt es Informationen über die Eigenschaften von Trockeneis und seine Verwendung. Du findest die Eigenschaften der Luftgase in deinem Chemiebuch auf den Seiten 68 und 73-74.
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 (jeweils rechts im Bild, zur Vergrößerung bitte auf die Bilder klicken).
Weitere im Unterricht besprochenen Umweltprobleme durch vom
Menschen freigesetzte Gase:
- Ozonloch durch die Verbindungsgruppe der FCKW: (Fluorchlorkohlenwasserstoffe), welche früher als Kältemittel in Kühlschränken und Treibmittel in Spraydosen zum Einsatz kamen. Das Ozon wirkt in unserer Atmosphäre als Schutzschirm vor energiereicher UV-Strahlung der Sonne.
- Treibhauseffekt durch Kohlenstoffdioxid, welches von der Sonne kommende kurzwelligere Strahlung durch die Atmosphäre lässt, aber für die langwelligere Rückstrahlung von der Erdoberfläche undurchlässig ist. Dies bewirkt eine kritische Erwärmung der Erdatmosphäre.
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, verflüssigten Gasen bei der Entspannung ist auch die technische Grundlage aller Kühl- Gefrier- und Klimaanlagen. Siehe Buch S. 68 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.
WASSERSTOFF
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. Bei vom Wasserstoff : Sauerstoff-Volumenverhältnis von 2:1 abweichenden Stoffmengen der Ausgangsstoffe blieb jeweils der überschüssige Ausgangsstoff übrig. Überschüssiger Wasserstoff lies sich durch den typisch-pfeiffenden Ton bei der Knallgasprobe nachweisen, überschüssiger Sauerstoff durch die Glimmspanprobe.
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. Informationen hierzu findest du im Buch auf S. 88-96.
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!
Wir haben dann kurz die notwendigen Bedingungen für eine Verbrennungsreaktion analysiert und daraus Feuerlöschmethoden entwickelt. Es handelt sich bei Verbrennungsvorgängen um klassische Redox-Reaktionen. Bei einer Redoxreaktion findet gleichzeitig eine Reduktion (Sauerstoffabgabe) und eine Oxidation (Sauerstoffaufnahme) statt. Wir haben am Beispiel der Magnesiumverbrennung in Kohlenstoffdioxid erkannt, dass auch bei Verbennungsreaktionen die Sauerstoffaffinität eine entscheidende Rolle spielt. Die Oxidation von Magnesium funktioniert sogar mit Trockeneis (festen Kohlenstoffdioxid) - siehe Film.
Aufstellen von Reaktionsgleichungen in Symbolschreibweise
Summenformel ermitteln
Die Summenformel gibt die Zusammensetzung einer Verbindung an. Ich benutze lieber den aussagekräftigeren Begriff "Verbindungsformel".
Zuerst muss man feststellen, wie viele Teilchen eines Elementes mit wie vielen Teilchen eines zweiten Elementes in der Verbindung verbunden sind. Hierzu benutzen wir die Wertigkeit. Zu ihrer Ermittlung brauchen wir ein Periodensystem der Elemente (PSE), denn die Wertigkeit steht im Zusammenhang mit der Hauptgruppenzugehörigkeit. Letztendlich erhalten wir durch Anwendung der Wertigkeit die hinter dem jeweiligen Symbol in der Formel kleingeschrieben notierten Indexzahlen. Die Wertigkeit gibt an, wie viele Wasserstoffteilchen das Teilchen eines Elementes in einer Verbindung ersetzen kann (positive Wertigkeit, z.B. Na hat die Wertigkeit +I, Be die Wertigkeit +II, Al die Wertigkeit +III ... oder wie viele Wasserstoffteilchen es in einer Verbindung an sich binden könnte (negative Wertigkeit = Abstand zur Hauptgruppe VIII, z.B. Sauerstoff (VI. Hauptgruppe, Wertigkeit: VI-VIII = -II). Bei einer richtigen Formel für eine Verbindung ist die Summe der Wertigkeiten aller beteiligter Teilchen = 0. Siehe auch: Artikel zur Wertigkeit bei Wikipedia.
Nachdem die Verbindungsformel gefunden ist, muss die Anzahl jeder Teilchensorte auf der Eduktseite (links vom Reaktionspfeil) mit der auf der Produktseite (rechts vom Reaktionspfeil) ausgeglichen werden, denn Teilchen und Masse können weder verschwinden, noch aus dem Nichts auftauchen! Dazu verwendet man Koeffizienten (das sind die groß geschriebenen Zahlen vor den Symbolen).
Zum Üben gibt es auf der Seite Chemiekiste nette Programme. Unter Chemietrainer findet man unterschiedliche Themen, z.B. die chemische Reaktion, Verbrennungen und wie man chemische Gleichungen aufstellt.
Hier ein paar Übungsaufgaben zum Aufstellen von Reaktionsgleichungen in Symbolschreibweise:
- Schwefel und Sauerstoff reagieren zu Schwefeldioxid.
- Calcium und Phosphor reagieren zu Calciumphosphid
- Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff zu ....
- Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu ....
- Aluminiumbromid und Sauerstoff reagieren zu Aluminiumoxid und Brom
Hier gibt es ein PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE zum ausdrucken.
Merksprüche für das Periodensystem der Elemente (Periode = Zeile):
2. Periode: Liebe Berta, Bitte Comm Nicht Ohne Frische Nektarinen.
3. Periode: Natascha M(a)g Alois. Sie Putzt Seine Clobigen Arbeitsschuhe.
4. Periode: Kann Carl Ganze Geschichten A(u)s Seiner Bratsche Kratzen?
Neue Aufgaben zum Üben:
- Wasserstoff reagiert mit Phosphor zu ...
- Phosphor reagiert mit Sauerstoff zu Phosphoroxid
- Dr. Knall-Kopf hat das neue Element Nx hergestellt. Es zeigt ähnliches Verhalten wie Chlor. Gib die chemische Formel der Verbindung von Al mit Nx an.
- Und hier etwas Kniffeliges: Pentan (C5H12, die beiden Zahlen sollen Indices sein, also kleingeschrieben, nur geht dies auf dieser Seite technisch nicht) wird an der Luft vollständig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid verbrannt.
- Besonders kniffelig: Pentanol C5H12O (die Zahlen stellen Indices dar, sollen also kleingeschrieben sein) wird vollständig verbrannt.
Stoffmengenberechnungen mit Hilfe der Reaktionsgleichungen
Die Reaktionsgleichung teilt uns mit, wie viele Teilchen bei einer chemischen Reaktion jeweils miteinander reagieren. Bei der Reaktion von Mg und Schwefel reagieren 1 Teilchen Mg (Wertigkeit +II) und ein Teilchen Schwefel (Wertigkeit -II) zu Magnesiumsulfid MgS.
Mg + S ----> MgS
Die Reaktionsgleichung gilt auch für größere Teilchenzahlen von z.B. 1000 Teilchen Mg. 1000 Teilchen Mg reagieren also mit 1000 Teilchen Schwefel zu 1000 Teilchen MgS und 1 mol Mg-Teilchen und 1 mol S-Teilchen reagieren zu 1 mol MgS. Große Teilchenzahlen fasst man unter dem Begriff Stoffmenge mit der Einheit mol zusammen. Eine Stoffmenge von 1 mol enthält 6,022 x 10 hoch 23 Teilchen, also 602.200.000.000.000.000.000.000 Teilchen.
1 mol Mg-Teilchen haben die Masse 24,3 g, 1 mol S-Teilchen wiegen 32,1 g. Das Molgewicht von Mg beträgt also 24,3 g/mol, das Molgewicht von S ist 32,1 g/mol. Hier findet sich das Gewicht des einzelnen Stoffteilchens wieder, allerdings jetzt mit der Einheit g (Gramm) statt u (atomare Masseneinheit) , da ein Mol 602.200.000.000.000.000.000.000 Teilchen enthält und 1g = 602.200.000.000.000.000.000.000 u entspricht.
Hier die Musterlösung der Lernkontrolle vom 26.03.2012.
Eigenschaften und chemische Reaktionen der 1. Hauptgruppe (Alkalimetalle)
Die Elemente der 1. Hauptgruppe (Alkalimetalle) Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium (radioaktiv) sind Metalle. Sie leiten elektrischen Strom, zeigen an frischen Schnittkanten den typischen metallischen Glanz und sind gute Wärmleiter. Sie haben ähnliches chemisches Reaktionsverhalten. Zum Beispiel reagieren sie leicht mit dem Sauerstoff der Luft (Schnittflächen laufen durch Oxidbildung sofort an) und mit Wasser. Bei diesen heftigen und stark exothermen Reaktion entsteht jeweils Wasserstoff und eine Lauge.
Filme:
Reaktion der Alkalimetalle Li bis Cs mit Wasser (Sodium = englische
Bezeichnung für Natrium, Potassium = Kalium)
Reaktionsverhalten der Alkalimetalle Li bis Cs mit Wasser (spektakuläres BRAINIAC Video)
Eigenschaften und chemische Reaktionen der Halogene (7. Hauptgruppe)
Wir haben Chlor hergestellt und seine Eigenschaften näher kennen gelernt, z.B. die bleichende Wirkung auf das Chlorophyll eines grünen Laubblattes kennen gelernt. Auch an das euch bereits bekannte Iod wurde nochmals erinnert. Alle Halogene sind sehr reaktionsfreudig. Dies wurde anhand der Reaktion von Aluminium mit Iod demonstriert. Hier kannst du dir diese Reaktion noch einmal in einem Film ansehen.
Als nächstes haben wir durch Reaktion von Kaliumpermanganat und Salzsäure noch einmal gelbgrünes Chlorgas erzeugt und es mit Natrium reagieren lassen. Video einer Reaktion von Natrium und Chlor . Bei der Reaktion entsteht ein weißer Feststoff, das uns bestens bekannte Natriumchlorid (Kochsalz).
Aufbau der Stoffe: der Atombau
Das Material der Lerntheke zum ATOMBAU findet ihr geschlossenen Bereich.
Atombau interaktiv:
Interaktive Animation des Rutherfordversuches
I
Animation des Rutherfordversuchs II (unbedingt die Auslassöffnung der Strahlenquelle „Slit width“ vergrößern und beobachten was geschieht !! )
Im Detail: Was geschieht beim Versuch auf der Atomebene?
Das Ergebnis des Rutherford´schen Streuexperimentes
Nach dem Rutherford´schen Atommodell bestehen Atome aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Atomkern enthält die Protonen und Neutronen, während die Atomhülle nur die fast masselosen Elektronen enthält.
Nach dem Atommodell von Niels Bohr existieren in der Atomhülle einzelne Energieniveaus für Elektronen, die wir uns wie Schalen vorstellen können. Der Kern ist von maximal sieben unterschiedlich großen Elektronen-enthaltenden Schalen umgeben, welche zusammen die Atomhülle bilden. Die negativ geladenen Elektronen unterschiedlicher Schalen besitzen unterschiedliche Energie, da sie dem Anziehungsfeld des positiv geladenen Atomkerns verschieden stark ausgesetzt sind.
Zusammenhang zwischen dem Periodensystem der Elemente und Atombau:
Verschiedene Elemente und der Aufbau ihrer Atome (interaktive Animation, die zu frei wählbaren Elementen des Periodensystem jeweils den Aufbau der Atome zeigt) . Hier kann man sehen wie die Elektronen auf den Schalen der Atomhülle verteilt werden!
1.) Schau unbedingt einmal nach einander mehrere Elemente einer Hauptgruppe (Spalte) an! Was fällt dabei auf?
2.) Was verändert sich beim Sprung von einer Schale zur Nächsten?
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.
Was nimmt man nach dem Ansehen dieses Films mit? Hier könnt ihr eure Gedanken und Meinungen niederschreiben.
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