Herzlich Willkommen in der gymnasialen Oberstufe der Kopernikusschule! Ich wünsche allen Schülerinnen und Schülern viel Erfolg im Schuljahr 2012 / 2013.

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.

Themen in der Einführungsphase E1 und E2 werden sein:

1. Stoffeigenschaften und struktureller Aufbau der Metalle
2. Redoxreaktionen sind Elektronenübertragungsreaktionen
3. Umwandlung chemischer Energie in  elektrische Energie: Batterien und Akkumulatoren (Akkus)
4. Organische Chemie: Vielfalt durch unendlich viele Verknüpfungsmöglichkeiten für C, H, O und andere Elemente

Inhalte vergangener Schuljahre (Chemie 8. und 9.Klasse) befinden sich im Archiv.

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: Animation der elektrischen Leitfähigkeit und Verformung am Beispiel  einer Getränkedose bei CHEMIE INTERAKTIV.

• Übersicht der allgemeinen  Stoffeigenschaften und des Aufbaus der Metalle .

•  Übersicht der verschiedenen Bindungsarten (Ionenbindung, Atombindung und Metallbindung) und Stoffeigenschaften

• Unterschiede bei der elektrischen Leitfähigkeit von Stoffen und ihre Ursachen

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 auch im Buch 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

Um Redoxreaktion leichter zu erkennen werden Oxidationszahlen benutzt. So geht´s! Aufstellen von Redoxgleichungen mit Hilfe der Oxidationszahlen. Wir haben dies z.B. am Beispiel der Braunstein-katalysierten Zersetzung von Wasserstoffperoxid geübt.

Stellt man einen Eisennagel in Kupferchlorid-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 Chloridanionen nehmen an der Reaktion nicht teil.  Umgekehrt überzieht sich ein Kupferblech nicht mit Eisen, wenn es in einer Lösung mit Eisenionen steht.

Ein in NaCl-, MgCl2- und AlCl3-Lösung gelegter Eisennagel bleibt unverändert.

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! Angelaufenes Silberbesteck lässt sich durch Auflegen auf Alufolie in einer Kochsalzlösung mühelos reinigen, da das unedle Aluminium gerne Elektronen für die Reduktion von Silberkationen der Verbindung Silbersulfid (welche das Anlaufen darstellt) abgibt. 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).

Galvanisieren

Stromerzeugung durch chemische Reaktionen in Batterien

Strom aus Früchten: die Zitronenbatterie

Zitronenbatterie bei Prof. Blume

Leclance-Element (Zink-Braunstein-Batterie)

Klausurtermin: 23. November 2012

LINKTIPPs:

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.

 Materialien zu Batterien und Akkus im geschlossenen Bereich

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. 

Namensgebung bei Alkanen ; Übung dazu

Wir haben uns die Eigenschaften der Alkane angesehen und ihre Verwendung (hauptsächlich als Öle/Kraftstoffe). Die Alkane sind reaktionsträge. Mit Halogenen reagieren sie in einer radikalischen Substitutionsreaktion zum 1-Halogenalkan und Halogenwasserstoff. Z.B. reagiert Hexan mit Brom im Licht zu 1-Bromhexan und HBr (Film "Bromierung von Hexan"). Ohne Licht findet mit Brom keine Reaktion statt.

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

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. Auch bei den Alkenen gibt es Isomerie. Hier besteht zusätzlich die Isomerie an der im Gegensatz zur Einfachbindung NICHT DREHBAREN Doppelbindung. Man unterscheidet die Position der Kettenfortsetzung auf der gleichen Seite (cis oder Z wie Zusammen) und gegenüber liegend (trans oder E wie Entgegen gesetzt).

Namensgebung bei Alkanen

Namensgebung bei Alkenen

Termin der Chemie-Klausur 2. Halbjahr 2012/2013: Freitag 19. April 2013