ÜBERBLICK ÜBER DIE THEMEN DER SEITE:

1. Was macht man im Chemieunterricht?
2. Sicherheit beim Experimentieren
3. Stoffe unterscheiden sich in ihren typischen Stoffeigenschaften
4. fest, flüssig und gasförmig: unterschiedliche Aggregatzustände, aber ein und derselbe Stoff
   
5. Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen
6. Reinstoff oder Gemisch?
7. Auftrennung von Stoffgemischen
8. Die Merkmale chemischer Reaktionen
9. Zusammensetzung der Luft und Eigenschaften der Luftgase
   

Vor den besonderen Gefahren von Chemikalien warnen Gefahrenzeichen, die auf dem Behälter angebracht sind. Z.B. warnt ein Flammensymbol auf einer Spiritusflasche vor den leicht entzündlichen Alkohol und ein Totenkopf vor den giftigen Eigenschaften von Kaliumcyanid.

Symbole der Gefahrenkennzeichnung und ihre Bedeutung

Alle Stoffe haben typische 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 ...

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 zum Aggregatzustand von Stoffen:

Schmelz- und Siedepunkt im Teilchenmodell

Verhalten eines Stoffes, Aggregatzustand und Teilchenmodell 

Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) und die Übergänge

Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen

50 ml Alkohol und 50 ml Wasser ergeben nur 97 ml Gemisch, während 50 ml Öl und 50 ml Wasser 100 ml Flüssigkeit ergeben. Was ist geschehen? Ein Modellexperiment mit Erbsen und Senfkörnern hat uns gezeigt, was geschehen sein könnte: die kleineren Senfkörner sind beim mischen in die Hohlräume zwischen den größeren Erbsen gewandert. So ist es wohl auch beim Wasser und Ethanol geschehen. Da sich Wasser und Öl nicht mischt, konnte dieser Effekt hier nicht auftreten.

Reinstoff oder Gemisch?

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.

Trennung von Stoffgemischen

Für die Stofftrennung gibt es verschiedene Verfahren, die ihr teilweise schon aus dem Alltag kennt. Zum Beispiel findet man in der Natur Steinsalz in großen Lagerstätten. Steinsalz besteht aus Kochsalz und Verunreinigungen. Diese Verunreinigungen, z.B. Sand, habt ihr im Schülerversuch aus dem Steinsalz entfernt. Dazu habt ihr ein Verfahren zur Aufreinigung von weißem Kochsalz (der Chemiker sagt dazu NaCl) aus einem Salz-Sand-Kieselsteingemisch entwickelt und dann praktisch umgesetzt. Das Salz wurde mit Wasser herausgelöst (extrahiert), vom am Boden liegenden Sand vorsichtig abgegossen (dekantiert), gefiltert und das Wasser der nun klaren Salzlösung durch einsieden entfernt. Am Ende blieb weißes Kochsalz im Schälchen zurück.

Weitere Verfahren habt ihr durch Lehrer-Demonstrationsversuche und einen Film kennen gelernt. Die Trennverfahren Chromatographie und Destillation habt ihr schließlich im Schülerversuch mit Filzstiften bzw. Rotwein praktisch ausprobiert.

Chemische Reaktionen

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.

Auch das Produkt einer chemischen Reaktion von Kupfer und Schwefel zeigte nach der chemischen Reaktion völlig andere Stoffeigenschaften als zuvor! Der entstandene neue Stoff heißt Kupfersulfid und enthält eine Verbindung von Kupferteilchen mit Schwefelteilchen. Chemische Reaktionen werden durch Reaktionsgleichungen beschrieben. Links vom Reaktionspfeil ---->, gelesen "reagiert zu" stehen die Ausgangsstoffe, rechts davon die Produkte der chemischen Reaktion.

Reaktionsgleichung: Kupfer (s) + Schwefel (s)  ----> Kupfersulfid (s)

Das (s) zeigt an, dass es sich um einen Feststoff handelt. Für gasförmige Stoffe verwendet man in so einer Reaktionsgleichung (g), und für flüssige (l). 

Auch mit Sauerstoff können sich Metalle und Nichtmetalle, z.B. Schwefel, verbinden. Dabei entstehen Metalloxide (Kupferoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid ...) bzw. Nichtmetalloxide, z.B. Kohlenstoffmonooxid, Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid ....

Zusammensetzung der Luft und Eigenschaften der Luftgase

Ihr habt die Eigenschaften von Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonooxid bei Versuchen kennen gelernt. In der Luft findet man

78% Stickstoff, 21 % Sauerstoff, ca. 1 % Edelgase (Argon, Krypton, Helium, Xenon ...) und nur ca. 0,037 % Kohlenstoffdioxid. Manche Gase kommen in noch kleiner Konzentration vor und können trotzdem großen Schaden anrichten, z.B. das bei Verbrennung von Schwefel entstehende Schwefeldioxid. Mit Wasser entsteht aus ihm die schweflige Säure, die als saurer Regen ganze Wälder absterben lässt.

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).

 

 

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 (Sauerstoff-Bindungsbestreben) 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.
• Stahl ist nicht gleich Stahl: Link zum virtuellen Stahllabor   bei Planet Schule
• Eisen aus Eisenoxid + Aluminium (Thermitreaktion / Aluminothermisches Verfahren).  

Nächste Lernkontrolle: 23. Mai 2013