Naturwissenschaften an der
Kopernikusschule Freigericht
Schuljahr 2013/2014
Nächste Lernkontrolle: Do. 10. April 2014
Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen (Buch S. 45-57).
Die reinen Stoffe unserer Umgebung bestehen aus verschiedenen kleinsten Teilchen. Bei einem chemischen Element sind dies Atome (außer bei H, N, O, F, Cl, Br, I, den diese Elemente liegen als "Zwillingsteilchen" - zweiatomiges Molekül H2, N2, O2 ... vor). Manche Verbindungen bestehen aus miteinander verbundenen Atomen, z.B. Wasser H2O. Das kleinste Teilchen ist bei der Verbindung Wasser also kein Wasseratom, sondern eine Atomgruppe aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, ein Molekül. Salze bestehen aus geladenen kleinsten Teilchen, den Ionen. In vielen Materialien sind mehrere Stoffe auf spezielle Art miteinander vermischt, z.B. in Milch, Glas, Butter .... Sie erhalten dadurch ihre besonderen Eigenschaften.
Die Aggregatzustände: physikalische Übergänge zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand bei ein und dem selben Stoff.
Bei chemischen Reaktionen verändern sich die Stoffeigenschaften, da neue Stoffe entstehen (Buch S. 96-97). Dagegen ist eine Änderung des Aggregatzustandes (schmelzen, verdampfen, erstarren, sublimieren ...) nur eine vorübergehende Zustandsänderung und somit ein physikalischer Vorgang. Bei Rückkehr zu den Ausgangsbedingungen, z.B. der ursprünglichen Temperatur, zeigt der Stoff wieder die gleichen Stoffeigenschaften und seinen ursprünglichen Aggregatzustand. Die Stoffeigenschaften und der Stoff sind unverändert ----> ES HAT DAHER KEINE CHEMISCHE REAKTION STATTGEFUNDEN!
- Die Eigenschaften der drei Aggregatzustände (Film "The states of matter").
- Eigenschaften der Aggregatzustände mit Teilchenmodell
- Schmelz- und Siedepunkt im Teilchenmodell (ANIMATION)
Eigenschaften und chemische Reaktionen der 1. Hauptgruppe (Alkalimetalle, Buch S. 170-171)
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. Die bekanntesten Alkalimetalle Lithium, Natrium, und Kalium haben einen niedrigen Schmelzpunkt, eine geringere Dichte als Wasser (diese Alkalimetalle schwimmen auf Wasser!) und lassen sich mit einem Messer schneiden. Sie haben ähnliches chemisches Reaktionsverhalten. Zum Beispiel reagieren sie alle sehr leicht mit dem Sauerstoff der Luft (Schnittflächen laufen durch Oxidbildung sofort an) und mit Wasser. Bei dieser von Li bis Cs immer heftigeren, stark Wärme-freisetzenden 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 7. Hauptgruppe (Halogene, Buch S. 176-177)
Durch Reaktion von Kaliumpermanganat und Salzsäure haben wir gelbgrünes Chlorgas erzeugt und seine Eigenschaften, z.B. die bleichende Wirkung auf das Chlorophyll eines grünen Laubblattes kennen gelernt. Die Halogene haben als Nichtmetalle relativ niedrige Schmelz- und Siedepunkte, sind farbig, bestehen aus zweiatomigen Teilchen ("Zwillingsteilchen") und sind sehr reaktiv. Fluor und Chlor sind bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmig, Brom ist flüssig und Iod ein Feststoff. Alle Halogene sind im gasförmigen Zustand schwerer als Luft.
Durch Reaktion von Natrium und Chlor entsteht die Ionenverbindung Natriumchlorid (KOCHSALZ, Buch S. 204-208)
Wir haben Chlor mit Natrium reagieren lassen (siehe folgenden Film oder Video einer Reaktion von Natrium und Chlor . Bei
der stark exothermen Reaktion entsteht unter grellgelber Lichtabstrahlung ein weißer Feststoff, das uns bestens bekannte Natriumchlorid (Kochsalz).
Vorgänge bei der Reaktion in einer Animation
Die Vorgänge auf atomarer Ebene bei der Reaktion von Natriumatomen mit Chloratomen verdeutlicht die folgende Filmleiste:
Eigenschaften der Ionenverbindungen (SALZE, Buch S. 209-211))
Ionenverbindungen bilden als Feststoffe Ionengitter. Sie sind hart und spröde. Sie haben außerdem einen hohen Schmelz- und Siedepunkt und lösen sich meist gut in Wasser. Als Feststoff sind sie elektrische Nichtleiter. Gelöst in Wasser oder geschmolzen leiten sie elektrischen Strom gut.
Ionenverbindung - Entstehung und Eigenschaften: siehe Buch S. 208 - 211!
Wird elektrischer Gleichstrom durch eine Salzlösung geleitet, so zersetzt sie sich. An den Elektroden entstehen aus den positiv oder negativ geladenen Ionen ungeladene Atome oder Moleküle.
Die folgende Animation erklärt die Elektrolyse von Kupferchlorid.
Chemie-Lernkontrolle der H10a am 5.12.2013
Moleküle: Teilchen, in denen Atome durch Atombindungen verbunden sind
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 zuvor 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.
Lewisschreibweise und Valenzstrichformeln
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. 1. Hauptgruppe = 1 Außenelektron, 2. Hauptgruppe 2 Außenelektronen ....
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. Hierbei werden die beiden Elektronen von Elektronenpaarbindungen jeweils bei beiden Bindungspartnern mitgezählt.
Regel 3: Die Gesamtzahl der Elektronen im Molekül entspricht der Summe der Elektronen aller Atome des Moleküls.
Dies bedeutet z.B. beim Wassermolekül H2O, dass insgesamt maximal 6 (vom O) + 2x 1 (von den zwei H) = 8 Außenelektronen zur Verfügung stehen.
Und wie man sieht, werden in der Strukturformel tatsächlich insgesamt vier Striche verwendet. Da jeder Strich gleichbedeutend mit 2 Elektronen ist, kommt man auf insgesamt 8 Außenelektronen im Wassermolekül. Alle Atome erreichen Edelgaskonfiguration. Sauerstoff hat insgesamt 8 Außenelektronen zur Verfügung (6 eigene plus zwei zusätzliche aus den zwei Bindungen zum Wasserstoff), Wasserstoff hat insgesamt zwei Außenelektronen auf der innersten Schale zur Verfügung und erreicht damit die Edelgaskonfiguration vom Heliumatom (je ein eigenes und eins aus der Bindung zum Sauerstoff).
Ungewöhnliche Eigenschaften von Wasser und ihr chemischer Hintergrund
Zwischen Atomen mit gleichartiger Elektronegativität sind die bindenden Elektronenpaare gleich verteilt, z.B. im Wasserstoff H2, im Sauerstoff O2 etc.... Es liegt eine unpolare Atombindung vor (s. Buch S. 212-213).
Bei ungleichen Bindungspartnern wird das bindende Elektronenpaar durch den elektronegativeren Bindungspartner stärker angezogen und etwas in seine Richtung gerückt. Es liegt ein polare Atombindung vor. Im Molekül hat der elektronegativere Partner eine partiell negative Teilladung und der schwächere Partner eine partell positive Teilladung. Bei gewinkelten Molekülen wie dem Wasserteilchen entsteht dadurch ein Dipol, da in ihnen die Ladungsschwerpunkte nicht übereinander liegen. Dies ist die Grundlage der erstaunlichen Eigenschaften von Wasser, siehe Buch S. 214 - 217.
Videos hierzu:
Wasser und Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen
Organische Chemie - Vielfalt der Kohlenstoffverbindungen
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. BUCH S. 313
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. Ihr habt die besonderen Eigenschaften der Alkane kennen gelernt und aufgeschrieben. Sie sind brennbar, in Wasser unlöslich (hydrophob), lösen sich gut in anderen Kohlenwasserstoffen (lipophil), haben einen relativ niedrigen, mit Kettenlängen aber steigenden Schmelz- und Siedepunkt, Methan bis Butan sind gasförmig, .... BUCH S. 314-315
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. BUCH S. 318
Erdöl und -gas besteht aus Kohlenwasserstoffen
Wir haben die Entstehung von Erdöl, -gas und Kohle besprochen. Erdöl wird durch eine fraktionierte Destillation aufgearbeitet. Hierbei werden die einzelnen Kohlenwasserstoffe entsprechend ihrer
Siedetemperaturen in Fraktionen mit ähnlichen Siedepunkten aufgetrennt. BUCH S. 310-311
Organische Verbindungen können Mehrfachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen enthalten. Zwischen Kohlenstoff sind Zweifach- / Doppelbindungen und Dreifachbindungen möglich. Kohlenstoffverbindungen
mit Doppelbindungen heißen Alkene, z.B. Ethen, Propen und solche mit Dreifachbindung Alkine, z.B.
Ethin.
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