LINKTIPP: Eine von einem Schüler erstellte Chemieseite zum Lernen 

Übersicht über die Inhalte

1.) Atombau und Periodensystem

2.) Chemische Reaktionen der 1. Hauptgruppe (Alkalimetalle)

3.) Eigenschaften der Ionenverbindungen (Salze)

4.) Was hält nicht-ionische Verbindungen zusammen: Die Elektronenpaarbindung / Die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser und ihr chemischer Hintergrund

5.) Säuren und Laugen

6.) Organische Chemie: Kohlenwasserstoffe

Ein interaktives Periodensystem mit vielen aktivierbaren Detailinformationen (Elementeigenschaften, Aggregatzustand, Dichte ...)  findet sich bei http://www.uniterra.de/ .

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?

LINK: Basiswissen Atombau

CHECKLISTE    Kann ich´s ?

LINKTIPPS:

• Auf der Materialseite meines Atombau-Webquests findet ihr weiteres online-Material und Animationen.
• Bau der Atome bei "Die Chemie-Schule"
• Besonderer Aufbau der Atomhülle und PSE bei "Die Chemie-Schule"
• Interaktives Lernprogramm zum Atombau und Atommodellen

Die Elemente der 1. Hauptgruppe (Alkalimetalle) Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium (radioaktiv) zeigen ähnliches chemisches Reaktionsverhalten. Sie reagieren mit Wasser heftig bis sehr heftig exotherm. Es entsteht jeweils Wasserstoff und eine Lauge.

Filme:

Lithium und Wasser

Natrium und Wasser

Cäsium in Wasser

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)

Als nächstes haben wir durch Reaktion von Kaliumpermanganat und Salzsäure gelbgrünes Chlorgas erzeugt und seine Eigenschaften, z.B. die bleichende  Wirkung auf das Chlorophyll eines grünen Laubblattes kennen gelernt. Dann haben wir 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). Die Vorgänge auf der Teilchenebene während dieser Reaktion zeigt uns der folgende Filmstreifen.

Ergebnis: Bei der Reaktion entstehen durch Elektronenübertragung vom Natrium zum Chlor geladene Atome, die man Ionen nennt. Positiv geladene Ionen wie die Natrium-Ionen heißen Kationen und negativ geladene Ionen wie die Chlorid-Ionen heißen Anionen. Natriumchlorid besteht also aus Ionen - es ist eine Ionenverbindung.

Begriffsdefinitionen: Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion

Die Ionen einer Ionenverbindung entstehen durch eine Elektronenübertragung zwischen verschiedenen Atomsorten. Die Abgabe eines Elektrons (Elektronenabgabe = Entstehung des positiv geladenen Kations) bezeichnet man als Oxidation, die Aufnahme eines Elektrons (Elektronenaufnahme = Entstehung des negativ geladenen Anions) als Reduktion. Da beides immer zusammen auftritt nennt man diese Elektronenübertragungsreaktionen auch gekoppelte Reduktions-Oxidationsreaktion, kurz REDOX-REAKTION.

Unterrichtsmaterialien für die Erarbeitung und das Verstehen der typischen Eigenschaften von Ionenverbindungen

Die folgende Animation erklärt die Elektrolyse von Kupferchlorid.

Traubenzucker und reines Wasser leiten den elektrischen Strom nicht. Sie bestehen offenbar nicht aus Ionen. Was hält dann die 24 Atome im Zucker- und die drei Atome im Wasserteilchen zusammen?

Es sind so genannte Elektronenpaarbindungen. Bei ihrer Bildung steuern beide Bindungspartner jeweils ein bisher ungepaartes Elektron zu einem gemeinsamen bindenden Elektronenpaar bei. Die durch Elektronenpaarbindungen (auch Atombindungen genannt) zusammen gehaltenen Teilchen einer Verbindung nennt man Moleküle. Durch die Bildung der gemeinsamen Elektronenpaare erreichen beide Bindungspartner die energetisch vorteilhafte Edelgaskonfiguration ihrer Elektronenhülle.

Im Unterricht haben wir mit wenigen Regeln mittels Atomsymbolen und Streichhölzern Moleküle "gebastelt".

Regel 1: Alle Atome müssen eigene Valenzelektronen entsprechend ihrer Stellung im Periodensystem haben.

Regel 2: Alle Atome im Molekül erreichen die Edelgaskonfiguration (Oktettregel), d.h. sie kommem mit ihren eigenen und den Bindungselektronen auf 8 oder wie Helium auf 2 Außenelektronen in der äußersten bzw. ersten Elektronenschale.

Regel 3: Die Gesamtzahl der Elektronen im Molekül entspricht der Summe der Elektronen aller Atome des Moleküls.

Traubenzucker und reines Wasser leiten den elektrischen Strom nicht. Sie bestehen offenbar nicht aus Ionen. Was hält dann die 24 Atome im Zucker- und die drei Atome im Wasserteilchen zusammen?

Es sind so genannte Elektronenpaarbindungen. Bei ihrer Bildung steuern beide Bindungspartner jeweils ein bisher ungepaartes Elektron zu einem gemeinsamen bindenden Elektronenpaar bei. Die durch Elektronenpaarbindungen (auch Atombindungen genannt) zusammen gehaltenen Teilchen einer Verbindung nennt man Moleküle. Durch die Bildung der gemeinsamen Elektronenpaare erreichen beide Bindungspartner die energetisch vorteilhafte Edelgaskonfiguration ihrer Elektronenhülle.

Im Unterricht haben wir mit wenigen Regeln mittels Atomsymbolen und Streichhölzern Moleküle "gebastelt".

Regel 1: Alle Atome müssen eigene Valenzelektronen entsprechend ihrer Stellung im Periodensystem haben.

Regel 2: Alle Atome im Molekül erreichen die Edelgaskonfiguration (Oktettregel), d.h. sie kommem mit ihren eigenen und den Bindungselektronen auf 8 oder wie Helium auf 2 Außenelektronen in der äußersten bzw. ersten Elektronenschale.

Regel 3: Die Gesamtzahl der Elektronen im Molekül entspricht der Summe der Elektronen aller Atome des Moleküls.

Mit einem Experiment habt ihr untersucht, warum aus Rotkohl je nach Rezept Rotkraut oder Blaukraut wird. Säuren verursacht die Rotfärbung, während bei Abwesenheit von Säure beim Kochen das in Süddeutschland bevorzugte Blaukraut entsteht. Nicht nur eine bestimmte Säure, sondern alle Säuren bewirkten die Rotfärbung. Rotkohl kann daher zur Erkennung von Säuren eingesetzt werden - sein Farbstoff ist ein natürlicher pH-Indikator.

Doch woran erkennt ein Indikator eine Säure? Auffälligerweise enthalten alle Säuren mindestens ein Wasserstoffatom, das über eine polare Atombindung an ein anderes Atom gebunden ist. Leitfähigkeitsexperimente mit Zitronensäure und HCl haben uns gezeigt, dass erst beim Kontakt von Säure mit Wasser durch eine chemische Reaktionen des Säuremoleküls mit dem Wasser Ionen und eine saure Lösung (pH < 7) entstehen.Die Ionenbildung wurde durch das Auftreten von elektrischer Leitfähigkeit erst nach dem Lösen der Säure in Wasser erkennbar (geschmolzene Zitronensäure leitet den elektrischen Strom nicht!).

HCl-Springbrunnenversuch-Video bei Youtube

Die Dissoziation von HCl-Molekülen

Der Springbrunnenversuch mit HCl-Gas zeigte uns, dass sich HCl-Gas sehr gut in Wasser löst. Ein Indikator im Wasser zeigte zudem, dass hierbei durch eine chemische Reaktion eine saure Lösung entstanden ist. Das HCl-Molekül zerfällt (der Chemiker sagt hierzu "es dissoziiert") bei der Reaktion mit Wasser in ein positiv geladenes Hydronium-Kation und ein Chlorid-Anion (s.o.). Das Hydronium-Kation lässt sich nachweisen, indem man elektrischen Gleichstrom durch eine beliebige saure Lösung leitet. An der negativ geladenen Elektrode, der Kathode, entsteht bei allen sauren Lösungen ein Gas, das wir durch Knallgasprobe als Wasserstoff identifiziert haben. Das Hydronium-Kation ist in allen sauren Lösungen enthalten und exakt dieses Teilchen wird vom pH-Indikator erkannt (detektiert). Vom Naturwissenschaftler Arrhenius stammt die Säuredefinition, wonach Säuren aus wasserstoffhaltigen Molekülen bestehen, die in Wasser H+-Ionen (Protonen) abspalten.

Reaktionen von sauren Lösungen mit verschiedenen Metallen, Eierschalen, Kalkstein und Plastik.

Mit Plastik reagierte keine der sauren Lösungen. Unedle Metalle lösen sich in sauren Lösungen auf. Dabei entstand Wasserstoff und ein Metallsalz. Z.B. reagiert verdünnte Salzsäure heftig mit Magnesium unter Hitzeentwicklung zu Magnesiumchlorid und Wasserstoff. Wir haben die Entstehung dieser beiden Produkte durch Nachweisreaktionen bestätigt.

Mit Kalk entstand mit allen Säuren ebenfalls ein Gas, dass diesmal aber Kohlenstoffdioxid war. Aufgrund dieser Reaktion lassen sich Verkalkungen an elektrischen Geräten etc. mit verdünnten schwachen Säuren so bequem beseitigen.

Besondere Eigenschaften einiger Säuren

In Gruppenarbeit wurden Steckbriefe verschiedener Säuren erarbeitet und diese auf Plakaten den Mitschülern vorgestellt. Link zu den Plakaten über die wichtigsten Säuren im geschlossenen Bereich. Besondere Eigenschaften häufig verwendeter Säuren, z.B. die hohe Wärmefreisetzung bei der Verdünnung von Schwefelsäure und ihre stark hygroskopische (wasseraufnehmende) Eigenschaft, wurden im Unterricht gezeigt oder explizit besprochen.

LINKTIPP: Thema Säuren auf Seilnacht´s Internetseiten

Säuren interaktiv bei Chemiekiste (dritte Position von oben "Lauge, Säuren und Salze" anklicken)

Warum ist Abflussreiniger ätzend?

Abflussreiniger enthält hauptsächlich Natriumhydroxid (NaOH) und Aluminium (Al). Nach dem Lösen in Wasser erzeugt die Löung beim Indikator Bromthymolblau einen Farbumschlag nach blau. Die ätzende Eigenschaft beruht also nicht auf Säure. Es ist eine alkalische Lösung, eine Lauge, entstanden. Beim Lösen lässt sich außerdem starke Erwärmung des Wassers und Gasentwicklung beobachten. Löst man nur NaOH in Wasser, so erwärmt es sich stark und verfärbt den Indikator blau. Gibt man Al dazu, so löst es sich unter Wasserstoffentwicklung auf. Da alle Metallhydroxide (MeOH) beim auflösen in Wasser alkalische Lösungen entstehen lassen, muss dies auf die Hydroxidgruppe OH- zurückzuführen sein.

Möglichkeiten zur Herstellung alkalischer Lösungen:

1.) Einfachster Weg: Auflösen eines Metallhydroxides in Wasser.

2.) Unedle Metalle reagieren mit Wasser zu alkalischen Lösungen und Wasserstoff.

3.) Metalloxide lösen sich in Wasser unter Bildung alkalischer Lösungen.

Zusammengeben von Säure und Lauge führt zur Neutralisation

Gibt man zu einer sauren Lösung, z.B. Salzsäure HCl(aq), mit dem Indikator Bromthymolblau langsam eine Lauge, z.B. Natronlauge (Na+(aq) und OH-(aq)), so beobachtet man Erwärmung und einen Farbumschlag von gelb zu grün und mit noch mehr Lauge schließlich zu blau. Dabei sinkt die Leitfähigkeit bis zum Farbumschlag und steigt dann wieder an. Ersteres ist nur durch das Verschwinden von Ladungsträgern (Ionen) zu erklären. Die zweite Beobachtung zeigt, dass es die H+ Ionen sind, die verschwinden. Sie reagieren mit den Hydroxidionen (OH-) zu ungeladenen Wassermolekülen. Zurück bleiben die gelösten Restionen der Säure und Lauge, die beim Abdampfen des Wasser Salz, hier Kochsalz NaCl, bilden. Bei der Neutralisation entsteht Wärme, Wasser und ein Salz.

Der Ammoniakspringbrunnen: Ammoniakgas reagiert mit Wasser zu einer Lauge

Wir haben im Unterricht gesehen, dass sich Ammoniakgas NH3 sehr gut in Wasser löst. Dabei zeigte uns der dem Wasser zugefügte Indikator, dass im Gegensatz zum HCl-Springbrunnen diesmal eine alkalische Lösung entstanden ist (Experiment im Film anschauen). Die Hydroxidionen können nur durch Protonenübertragung von einem Wassermolekül auf das Ammoniakmolekül entstanden sein.

NH3 + H20 ---> NH4+    +   OH- 

Basen  bestehen nach der erweiterten Säure-Base-Theorie von Bronsted und Lowry aus Molekülen, welche ein Proton (H+) an sich binden können. Sie sind Protonenakzeptoren. Für die Bindung des Protons brauchen sie ein freies Elektronenpaar.

Nach Bronsted und Lowry sind Säuren dagegen Stoffe, die ein H+ (Proton) abgeben können. Sie sind Protonendonatoren (Protonenspender). Für die Abspaltung als H+ muss das H-Atom über eine polare Atombindung gebunden sein. Über eine unpolare Atombindung gebundene H-Atome lassen sich nicht abspalten! Methan (CH4) enthält vier H-Atome und ist trotzdem keine Säure!

Stoffe, die abhängig vom Reaktionspartner als Protonendonor oder -akzeptor reagieren können, wie z.B. Wasser beim Ammoniak (NH3) bzw. Chlorwasserstoff (HCl), nennt man Ampholyt. 

Der pH-Wert - was ist das eigentlich genau?

Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus (= „Zehnerlogarithmus“) der Wasserstoffionen-Konzentration:

Man denke daran, dass der log von 10 hoch x = x ist und somit der negative dekadische Logarithmus von 10 hoch -1 folglich gleich 1 ist.

Starke Säuren dissoziieren völlig in H3O+ -Ionen und Säurerestionen. Wenn man die Konzentration einer starken Säure kennt, lässt sich daher der pH-Wert errechnen. Zum Beispiel entstehen in einer 0,01 mol pro L Salzsäure 0,01 mol pro L H3O+ - Ionen. Dies entspricht 10 hoch -2 mol pro L. Der pH-Wert ist folglich 2. Für starke Laugen geht es auch, wenn man erst den pOH errechnet und die Gleichung pH = 14- pOH anwendet. Da in reinem Wasser jeweils 10 hoch - 7 mol pro L der H3O+ - Ionen und (OH-) -Ionen vorhanden ist, gilt

10 hoch -14 = (Konzentration der H3O+ - Ionen)  (Konzentration der OH- - Ionen), oder nach logarithmieren 14 = pH + pOH. Umgestellt ergibt sich pH = 14 - pOH .

Säuren sind unterschiedlich stark!

Wie sauer eine wässrige Säurelösung ist, ist abhängig von der Stoffmengenkonzentration (angegeben in mol pro Liter) der Säure und ihrem typischen Dissoziationsgrad, d.h. wie häufig die Säuremoleküle dieser Säure in die sauren H3O+-Ionen und die Säurerestionen zerfallen. So zeigt eine 0,1 mol pro Liter konzentrierte Salzsäurelösung den pH-Wert 1, eine gleich stark konzentrierte Essigsäurelösung dagegen aufgrund geringerer Dissoziation (nur ca. 1% der Essigsäuremoleküle zerfallen im Wasser in Ionen) nur den pH-Wert 3. Essigsäure ist also eine schwache, Salzsäure wegen ihrer vollständigen Dissoziation dagegen eine sehr starke Säure.

Es gilt für die Säurestärke: Salzsäure > Schwefelsäure > Salpetersäure >> Phosphorsäure > Essigsäure >> Kohlensäure.

Auch bei den Basen gibt es schwache und starke Basen! Die Sauerstoff- Ionen im Natriumoxid, Kaliumoxid und Calciumoxid sind starke Basen, NaOH, KOH und andere gut in Wasser lösliche Hydroxide ebenso, während schlecht wassserlösliche Hydroxide wie Aluminiumhydroxid nur schwache Basen sind, da sie nur wenige in Wasser gelöste OH- Ionen produzieren. Ammoniak ist eine mittelstarke Base.

Link zu den Plakaten über die wichtigsten Säuren im geschlossenen Bereich

LINKTIPPs:

Wissenswertes zu Säuren und Laugen

Chemietrainer-Lernprogramm zum Thema Säuren und Laugen

Die einfachsten organischen Verbindungen sind die kettenförmigen Kohlenwasserstoffe. Bei der Elementaranalyse von Methan zeigten die Verbrennungsprodukte Wasser und Kohlenstoffdioxid, das Kohlenwasserstoffe aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind. Sie enthalten unterschiedlich viele Kohlenstoffatome und bilden die homologe Reihe der Alkane: CH4 (Methan), C2H6 (Ethan), C3H8 (Propan), C4H10 (Butan), Pentan (C5H12)  .... Ihre allgemeine Summenformel lautet CnH2n+2. Wir haben uns die Eigenschaften der Alkane und ihre Verwendung (hauptsächlich als Öle/Kraftstoffe) angesehen.

Die Entstehung und Verarbeitung von Erdöl

Erdöl ist ein kompliziertes Gemisch von Kohlenwasserstoffen und ist für die  Industrie daher ein sehr wertvoller Bodenschatz.  Es enthält viele Alkane. Vor seiner Verwendung muss es allerdings aufgearbeitet werden. 

Alles Wissenswerte über Kohlenwasserstoffe und ihre Bedeutung in unserem Alltag präsentiert Prof. Blume auf seinen reichhaltigen Internetseiten.

- 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

Nachdem wir das Phänomen der Isomerie kennen gelernt haben, habt ihr die Regeln zur Benennung (Nomenklatur = Namensgebung) für Alkane gelernt. LINK: Grundregeln der Nomenklatur der Alkane.

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 nicht frei drehbaren Mehrfachbindungen der ungesättigten Kohlenwasserstoffe verursachen eine höhere Reaktivität dieser Stoffe.   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

Alkohole enthalten eine OH-Gruppe (Hydroxylgruppe) als funktionelle Gruppe. Kurzkettige Alkohole sind aufgrund dieser hydrophilen OH-Gruppe gut wasserlöslich. Bei längeren Alkylresten im Alkohol (ab Butanol) dominiert deren hydrophober Charakter und der Alkohol ist  wie die Kohlenwasserstoffe nicht wasserlöslich. Alkohole haben reduzierende Wirkung. Zum Beispiel wird CuO durch Alkohole zum Cu reduziert. Dabei werden die Alkohole zum Aldehyd oder Keton oxidiert. Noch weitergehende Oxidation erzeugt Carbonsäuren.

Link zum Material einer Lerntheke zum Thema 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.

Quarks Beitrag zu Lebensmittelzusatzstoffen

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.

Die in Hohenschönhausen von den Ausstellungsführern erwähnten Bücher:

• Thomas Raufeisen: Der Tag, an dem uns Vater erzählte, dass er ein DDR-Spion sei: Eine deutsche Tragödie, ISBN-10: 3451303450
• Erika Riemann: Die Schleife an Stalins Bart, ISBN-10: 3492240933

Link zur Pressemitteilung von Dr. Tauber mit dem Bild der KSF-Klassen in der Reichtagskuppel

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