Chemie-Internetseiten für die R10

Dr. Mai Thi Nguyen-Kim ist eine begnadete Chemikerin und Vermittlerin von naturwissenschaftlichen Inhalten. Sie schafft auf äußerst unterhaltsame und kurzweilige Art und Weise Wissen zu vermitteln. Seht einfach selbst!

Unter den drei Filmchen findet ihr die Unterrichsinhalte der R10.

Übersicht über die Themen der Seite

1. Säuren und Laugen
   
2. Säure trifft auf Lauge: die Neutralisation
   
3. Der pH-Wert
   
4. Elektrochemie: Aufbau einfacher Batterien und Akkus
   
5. Brennstoffzellen, Korrosion und Korrosionsschutz
6. Organische Chemie: die Chemie des Kohlenstoffs

Einfach ätzend: Säuren und Laugen

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!).

Zerfall des Säuremoleküls in Ionen (Dissoziation)

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.

Basen  bestehen nach der erweiterten Säure-Base-Theorie von Bronsted und Lowry aus Molekülen, welche ein Proton (H+) an sich binden können. Für die Bindung des Protons brauchen sie ein freies Elektronenpaar. Klassisches Beispiel für eine Base ist das Hydroxidion OH-  .

Nach Bronsted und Lowry sind Säuren dagegen Stoffe, die ein H+ (Proton) abgeben können. 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!

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. Diese Beobachtung zeigt, dass H30 + / H+-Ionen 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.

Man kann diese Neutralisationsreaktion zur Bestimmung der Stärke einer Säure- oder Laugenlösung benutzen. Hier zwei interaktive virtuelle Veranschaulichungen des Verfahrens, das Titration genannt wird:

Virtuelle Titration I: https://www.seilnacht.com/Analyse/titrier.htm

Virtuelle Titration II:

https://kappenberg.com/akminilabor/apps/titrationstrainer.html#titrationstrainer-game

Der pH-Wert

Simply Chemistry-Film über Säuren und Basen/Laugen

Simply Chemistry-Film: Wie funktioniert der Rotkohl als Indikator?

ANIMATION: Was geschieht mit einem Eisennagel, der in Kupfersulfatlösung steht?

Immer, wenn ein unedles Metall mit der Lösung eines edleren Metalls in Kontakt kommt, scheidet sich das edlere Metall ab und das unedlere wird aufgelöst (geht in Form von Ionen in Lösung). Welches Metall ist unedel, welches ist edel?

Merksätze

Metalle lösen sich in Salzlösungen auf, wenn sie unedler sind, als die Metall-Ionen in der Salzlösung. Auflösen bedeutet in diesem Falle, dass die Metallatome durch Elektronenabgabe zu Metall-Ionen werden. Je leichter sich ein Metall auflöst, das heißt, je leichter sich seine Atome in Ionen verwandeln, desto unedler ist das Metall. Untersucht man die Metalle dahingehend, so ergibt sich die so genannte Metallreihe. Diese ist hier auszugsweise aufgeführt.

K – Mg – Al – Zn – Fe – Sn – Pb – Cu – Ag – Hg – Au

Diese Reihe sagt aus, dass ein Metall sich nur in den Salzlösungen der rechts von ihm stehenden Metalle auflöst. Je weiter rechts ein Metall in der Reihe steht, desto edler ist es.

Allgemeine Regel:

Metall + Salzlösung des edleren Metalls -------> edleres Metall + Salzlösung  des unedleren Metalls

Batterien

Wenn das unedle Metall nicht direkt in einer Lösung eines edleren Metalls steht, sondern davon getrennt, dann kann die Elektronenübertragung über einen metallischen Leiter erfolgen. Voraussetzung ist allerdings, dass hierbei ein geschlossener Stromkreis existiert. Auf diese Art wird ein elektrischer Strom erzeugt und nutzbar gemacht - wir haben im Unterricht eine einfache Batterie gebaut!

Strom aus einer Zitrone: die Zitronenbatterie 

Bauen einer einfachen Batterie aus einem Teelicht-Alubecher

Das Daniell-Element haben wir zuerst mit Tonröhre (1. Experiment  im Unterricht) gemacht. Danach haben wir es noch mit separaten Halbzellen und Ionenbrücke gemacht, siehe nachfolgende Bilder und die Animation https://www.ltam.lu/chimie/DaniellElementCD.html dazu.

Erklärfilm:

In unseren typischen Einmal-Gebrauchsbatterien sind aber keine zwei getrennte Kammern, sondern stattdessen nur ein Reaktionsraum vorhanden. Dieser wird durch eine teildurchlässige (semi-permeable) Membran in die zwei erforderlichen Kammern unterteilt. Ionen können diese Membran durchqueren. Eine Trennwand aus undurchlässigen Material würde nicht funktionieren, da dadurch der Stromkreis unterbrochen wäre. Batterie mit semi-permeabler Tonröhre

Wiederaufladbare Stromspender: Akku- (mulatoren)

Bei einem Akku sind alle Vorgänge der Entladung des Energieträgers umkehrbar (reversibel) - ein Akku ist eine wiederaufladbare Batterie! Der bekanneste Akkutyp ist der Bleiakku im Auto. Großer Nachteil ist das große Gewicht und die chemisch aggressive Schwefelsäure, die als Elektrolyt benötigt wird.

Wie funktioniert ein Blei-Akku? Animation (über das Fragezeichen-Symbol gesteuerte Animation)

So funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku:

Aus Umweltschutzgründen sollten wir längst mit Elektroautos statt Benzin-verbrennenden Autos herumfahren. Die können mit oben dargestellten Li-Ionen-Akkus betrieben werden. Allerdings erlauben diese Akkus nur relativ geringe Reichweiten und benötigen dann laaannnge Ladezeiten. Viel besser als diese Akkus sind als Energiespender bei Autos Brennstoffzellen geeignet.

Moderne Mobilität

Funktion einer Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind zur Generierung elektrischer Energie in der Raumfahrt, z.B. in den Apollo-Raumschiffen  (REM: Problem bei Apollo 13), gut geeignet. In der Brennstoffzelle erfolgt eine Knallgasreaktion in zwei voneinander getrennten Reaktionsräumen. Daher müssen die Elektronen der Redoxreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff über ein Kabel vom Wasserstoff zum Sauerstoff fließen = elektrischer Strom. Die Reaktionsenergie der Knallgasreaktion wird als elektrische Energie an Stelle von Wärme frei.

Wird Strom aus regenerativen Quellen (Solarstrom, Windstrom, Strom aus Wasserkraft) zur Erzeugung des Wasserstoffs durch Elektrolyse verwendet so hat man einen ökologisch sehr vorteilhaften Energieträger für CO2-freie Mobilität, denn das Reaktionsprodukt Wasser ist sehr umweltfreundlich! Hier ein paar unterschiedlich anspruchsvolle Filmchen zur Funktionsweise der Brennstoffzelle - da sollte für jeden das Richtige dabei sein!

Erklärender Film zur Korrosion

Hier die Fragen für die Vorbereitung der Lernkontrolle.

Jaaa :-( , ich habe die Rechtschreibfehler leider erst bei der nachunterrichtlichen Betrachtung bemerkt, es sollte z.B. Kunststoff statt Kunstoff heißen und materialzerstörender Prozess wäre auch besser gewesen.

Schutz von unterirdischen Tankanlagen und Schiffen

So funktioniert die Opferanoden-Technik

Bei der Elementaranalyse von Methan zeigten die Verbrennungsprodukte Wasser und Kohlenstoffdioxid, das Kohlenwasserstoffe aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind (Buch S. 310). 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. Ihr habt die besonderen Eigenschaften der Alkane kennen gelernt und aufgeschrieben. BUCH S. 311-312

Vielfalt durch viele Verknüpfungsmöglichkeiten für C, H, O, N und andere Elemente

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

Namensgebung bei Kohlenwasserstoffen und davon abgeleiteten organischen Verbindungen

Regeln zur Namensgebung von Alkanen

Siehe auch Buch S. 314 und hier:

Video zur Namensgebung bei einfachen Kohlenwasserstoffen (Alkanen)

Video zur Namensgebung bei etwas anspruchsvolleren Kohlenwasserstoffen (z.B. Alkene, Alkine ...)

Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen 

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.

Die Alkane werden auch als gesättigte Kohlenwasserstoffe bezeichnet, da sie die maximale mögliche Anzahl an Wasserstoffatomen enthalten. Alkene und Alkine mit Mehrfachbindungen sind demzufolge ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Buch S. 317-321.

Erdöl und -gas besteht aus Kohlenwasserstoffen

Erdöl enthält ca. 17000 unterschiedliche Verbindungen. Es wird durch eine fraktionierte Destillation aufgearbeitet. Hierbei werden die einzelnen Kohlenwasserstoffe entsprechend ihrer Siedetemperaturen in Fraktionen mit ähnlichen Siedepunkten aufgetrennt.

Außerdem wird durch die Prozesse Cracken (Auseinanderbrechen) langkettiger Alkane und Reformierung / Isomerisierung aus dem Erdöl ein größerer Anteil an Kohlenwasserstoffen mit niedrigem Siedepunkt und höherem Entflammungspunkt (Klopffestigkeit) gewonnen. BUCH S. 304-307

Die fossilen Brennstoffe Erdöl, Erdgas, und Kohle entstehen aus organischen Material unter Druck und erhöhter Temperatur in einem langwierigen Prozess, siehe folgende Filmchen.

Substitutionsreaktion der Alkane mit Halogenen (z.B. Chlor, Brom ...)

Die Substitution erfolgt über so genannte Radikale. Bei Radikalen handelt sich (in der Chemie !   ;-)   ) um Atome oder Moleküle mit einem ungepaarten Elektron. Sie sind besonders reaktionsfähig!

Alkohole

Die Herstellung von Ethanol, dem Trinkalkohol, und den Unterschied zu Methanol, dem kleinsten der einfachen Alkohole, haben wir im Chemieunterricht besprochen. Die Unterscheidung des für Menschen giftigen Methanols und des Trinkalkohols Ethanol mittels der Boraxprobe ist im folgenden Film gezeigt.

Im Chemiebuch findet ihr Informationen zu der Stoffgruppe der Alkohole, Alltagsbeispiele und Anwendungen auf den Seiten 324 bis 334. Die Seiten unter https://unterrichten.zum.de/wiki/Lernzirkel_Alkohole/Grundlagen sind auch sehr informativ und bieten Aufgaben / Übungsmöglichkeiten.

Aldehyde und Ketone

Alkohole können oxidiert werden. Dann entstehen je nach Art des Alkohols Aldehyde oder Ketone. Werden Alkohole / Ketone noch weiter oxidiert entstehen Alkansäuren, bzw. Kohlenstoffdioxid.

Reaktion von Kupferoxid mit primären oder sekundären Alkohol

Durch hineinhalten eines Kupferblechs in die rauschende Brennerflamme haben wir an der Oberfläche schwarzes Kupferoxid erzeugt. Wenn das Materialstück noch heiß in Ethanol gehalten wurde, wurde es wieder kupferfarben. Das Kupferoxid ist offensichtlich vom Alkohol zum Kupfer reduziert worden. Dabei wiederum muss der Alkohol oxidiert worden sein.

Nach mehrmaliger Durchführung dieses Vorgangs nimmt man einen stechenden Geruch wahr: es ist ein neuer Stoff entstanden, der Acetaldehyd (Ethanal) genannt wird. Mit Methanol an der Stelle von Ethanol erhält man mit der gleichen Vorgehensweise Formaldehyd (Methanal). Beide Stoffe gehören zur Stoffgruppe der Aldehyde (Alkanale). Buch S. 336 und 337.

Verwendet man statt eines primären Alkohols (OH-Gruppe endständig) wie Methanol oder Ethanol einen sekundären Alkohol (OH-Gruppe an einem C-Atom, welches mit 2 anderen C-Atomen verbunden ist) wie Propan-2-ol (andere Schreibweise 2-Propanol), so erhält man ein Keton (Alkanon).

In den folgenden zwei Filmen wird es noch einmal gut erklärt:

Essigsäure ist eine organische Säure, eine Carbonsäure

Durch stärkere Oxidation von Ethanol entsteht statt Ethanal (Acetaldehyd) die Essigsäure, eine Carbonsäure mit der für Carbonsäuren typischen Carboxyl-/ Carboxygruppe (-COOH-Gruppe) als funktionelle Gruppe. Im Alltag wird Essigsäure biochemisch mit Hilfe von Essigsäurebakterien hergestellt. In ersten Film unten haben sie übrigens bei Carboxylat leider das r vergessen ;-) .

Vorbereitungszettel für die CH-Lernkontrolle am 9.5.2022

Übersicht über die Inhalte

1.) Was macht die Chemie?

2.) Sicherheit beim Experimentieren

3.) Stoffeigenschaften

4.) Reinstoffe, Gemische und Trennverfahren

5.) Die chemische Reaktion: Entstehung neuer Stoffe mit neuen Eigenschaften

6.) Luft, ihre Bestandteile und deren Eigenschaften

7) Metalle und Metallherstellung aus Erzen

1) Wasser - eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff

2) Atombau

3) Entstehung von Ionen, Bildung von Ionenverbindungen und ihre Eigenschaften

4) Was hält Moleküle zusammen: Die Atombindung (Elektronenpaarbindung)

5) Wirklich ätzend: Säuren und Laugen

Was macht man in Chemie?

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.

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.

Missachtung der Verhaltensregeln und eigenmächtiges Experimentieren kann Unfälle und Verletzungen verursachen und wird deshalb durch Ausschluss bei künftigen Schülerexperimenten unterbunden!

Gefahrenkennzeichnung

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. Hier eine 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.

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 seine eigenen charakteristischen Eigenschaften, z.B. Farbe, Geruch, Geschmack, elektrische Leitfähigkeit, Brennbarkeit, Schmelz- und Siedepunkt .... und lässt mit Hilfe dieser Eigenschaften auch identifizieren.

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.

Film: Typisches Verhalten der verschiedenen Aggregatzustände

Film zu den Eigenschaften der Aggregatzustände

Animationen:

Schmelz- und Siedepunkt im Teilchenmodell

Trockeneis

Untersuchungsobjekt in unserer nächsten Unterrichtsstunde war Trockeneis, das ist festes, -78°C kaltes Kohlenstoffdioxid. Trockeneis sublimiert bei Temperaturen über -78°C, d.h. es geht vom festen direkt in den gasförmigen Aggregatzustand über. Das dabei gebildete Kohlenstoffdioxidgas ist schwerer als Luft, erstickt Flammen und bläst z.B. einen verschlossenen Luftballon auf, in dem ein Stück Trockeneis getan wurde. Verschiedene schöne Experimente (Film I)  verdeutlichten die vielen interessanten Eigenschaften (Film II) dieses Stoffes.

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 durch Schülerversuche mit Filzstiften bzw. Rotwein praktisch ausprobiert.

Heute habt ihr den Unterschied zwischen einem Gemisch und einer Verbindung kennen gelernt. Die chemische Verbindung entstand aus einem heterogenen Eisen-Schwefelgemisch nach zufügen von Aktivierungsenergie durch Erhitzen. Bei der chemischen Reaktion wurde viel Energie in Form von Wärme freigesetzt. Die neu entstandene Verbindung Eisensulfid hat neue Eigenschaften: sie ist dunkelgrau, hart, spröde, erzeugt beim Zerbrechen scharfkantige Feststoffstücke und ergibt mit Säure ein nach faulen Eiern riechendes Gas. Alle diese Eigenschaften hat das Eisen-Schwefel-Gemisch nicht.

Chemische Reaktionen beschreiben die Chemiker mit einer Reaktionsgleichung:

Eisen (s) + Schwefel (s) -----> Eisensulfid (s)

Links stehen die Ausgangsstoffe und rechts vom Pfeil die Reaktionsprodukte. Über den Pfeil schreibt man Aktivierungsenergie (Ea), was hier bei Jimdo aber technisch nicht geht). Das (s) gibt den Aggregatzustand an, das heißt, dass der betrachtete Stoff ein Feststoff (solid, englisch für fest) ist.

Verhalten der Masse bei chemischen Reaktionen

Die chemische Reaktionen mit Abwiegen vor und nach der Reaktion hat euch gezeigt, dass die Masse bei chemischen Reaktionen unverändert bleibt. Voraussetzung ist, dass kein Edukt oder Produkt beim wiegen ausgelassen wird. Die chemische Reaktion muss in einem geschlossenen Behälter (System) erfolgen. Die Masse wird bei chemischen Reaktionen lediglich anders verteilt, da durch die Reaktion andere Verknüpfungen der beteiligten Teilchen erzeugt werden.

Rolle der Energie bei chemischen Reaktionen

Beim Kupfervitriol haben wir die Umkehrbarkeit einer chemischen Reaktion erlebt. Außerdem ist die Reaktion vom blauen Kupfervitriol (Kupfersulfat mit chemisch gebundenen Wasser = Kupfersulfat-Pentahydrat) 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.

Kurzbeschreibung des Experimentes mit Bildern

Das Experiment zeigte uns auch, dass sich manche chemische Reaktion umkehren lässt. Durch Zugabe von Wasser zum wasserfreien, weißen Kupfersulfat entsteht wieder blaues, wasserhaltiges Kupfersulfat-Pentahydrat. Wir sind wieder am Ausgangspunkt vor dem Erhitzen des blauen Kupfersulfat-Pentahydrat.

Die Wirkung eines Katalysators

Wir haben die Wirkung eines Katalysators bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff im Experiment erlebt und dazu ein Arbeitsblatt bearbeitet. Einen Film zur Wirkung eines Katalysators findet ihr auf der Seite zum Informationstag der Kopernikusschule.

Oxide: Produkte der Reaktionen eines Stoffes mit Sauerstoff

Erhitzt man Eisenwolle, so fängt sie an zu Glühen. Nach dem Glühen sieht sie anders als zuvor und hat auch andere Eigenschaften. Das Eisen hat mit dem Sauerstoff der Luft reagiert. Es ist ein neuer Stoff entstanden: Eisenoxid.  Der Beweis war die Reaktion von Eisenwolle mit reinem Sauerstoff, die allerdings viel heftiger ablief! Auch fein verteiltes Eisenpulver reagierte sehr heftig, während ein Eisennagel kaum eine Reaktion zeigte. Auch beim Erhitzen von Kupfer beobachteten wir eine Veränderung der Eigenschaften. Wir erhielten ein brüchig-sprödes Material mit schwarzer Farbe: Kupderoxid.

Wir haben im Unterricht natürlich auch die Eigenschaften der Bestandteile der Luft, speziell die von Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid, untersucht.

Experimentelle Untersuchung der Zusammensetzung der Luft

Unedle und edle Metalle: die Sauerstoffaffinität

Dazu haben wir die Heftigkeit und Energiefreisetzung (Lichtfarbe) bei der Reaktion von Magnesium, Zink, Kupfer und Eisen mit Sauerstoff betrachtet. Außerdem haben wir Magnesium brennend in Kohlenstoffdioxid gehalten und gesehen, dass das Magnesium in dem erstickend wirkenden Gas erstaunlicherweise weiterbrennt. Magnesium hat eine so große Sauerstoffaffinität, das es dem Kohlenstoff im Kohlenstoffdioxid den gebundenen Sauerstoff wegnehmen kann. Magnesium und Kohlenstoffdioxid reagiert daher zu Kohlenstoff und Magnesiumoxid. Die Oxidation von Magnesium funktioniert sogar mit Trockeneis (festen Kohlenstoffdioxid) - siehe Film.

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.

Wir haben folgende Reaktionen im Unterricht behandelt:

• Kupfergewinnung aus Kupferoxid + Kohlenstoff
  
• Eisen aus Eisenoxid + Aluminium (Thermitreaktion / Aluminothermisches Verfahren). Sieh dir doch den Youtube-Film hierzu an!

Hochofen

Eisen wird im Hochofen aus Eisenoxid + Kohlenstoff hergestellt (Hochofenprozess und Stahlherstellung, s. auch im BUCH!!). Hier der Link zum Film über die Eisen- und Stahlherstellung früher und heute.

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 und das bei beim vom Wasserstoff : Sauerstoff-Verhältnis von 2:1 abweichenden eingesetzten Stoffmengen jeweils der zu viel dazugegebene Ausgangsstoff übrig blieb.

Wie kann man Wasserstoff herstellen?

Wenn man elektrischen Gleichstrom durch Wasser leitet beobachtet man an den Elektroden jeweils Gasentwicklung. Am Minuspol entsteht ungefähr doppelt soviel Gas wie am Pluspol. Durch Knallgasprobe bzw. Glimmspanprobe haben wir die Gase als Wasserstoff bzw. Sauerstoff identifiziert. Dies zeigt, dass sich die Knallgasreaktion mittels Strom umkehren lässt. Das Ergebnis bestätigt zudem nochmals die durch Knallgasexplosionen mit verschiedenen Wasserstoff:Sauerstoff-Verhältnissen gefundene Formel von Wasser, H2O.

Mit Gleichstrom, z.B. aus Sonnenkraftwerken, kann man aus Wasser Wasserstoff produzieren. Dies ist die Basis der alternativen, CO2-freien Energiewirtschaft. Die Arbeitsblätter zu den Experimenten gibt es hier.

Wasserstoff aus Wasser mit Magnesium bei www.versuchschemie.de . Hierbei wird die höhere Sauerstoffaffinität von Magnesium zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt.

Nach dem Rutherford´schen Atommodell bestehen Atome aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Atomkern enthält die positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen, während die Atomhülle nur die fast masselosen, negativ geladenen Elektronen enthält.

Atombau interaktiv:

Animation des Rutherfordversuchs 

Im Detail: Was geschieht beim Versuch auf der Atomebene?

Das Ergebnis des Rutherford´schen Streuexperimentes

Aufbau der Elektronenhülle

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. Die Elektronen werden von der Natur nach bestimmten Regeln auf die unterschiedlichen Schalen verteilt.

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?

Ionen entstehen durch Elektronenübergang, z.B. zwischen einem Alkalimetall (I. Hauptgruppe) und einem Halogen (VII. Hauptgruppe). Das Alkalimetall, z.B. Natrium muss sein einziges Außenelektron los werden, damit es die besonders stabile Edelgaskonfiguration erreicht. Das Halogen, z.B. ein Chloratom, braucht noch ein Elektron, damit es acht Außenelektronen hat. Durch Elektronenübergang von Natrium zum Chlor entsteht die Ionenverbindung NaCl, ein Salz, das aus Na+ - und Cl- -Ionen besteht. Die Ionenentstehung haben wir im Experiment bei der Reaktion von Natrium und Chlor zum Natriumchlorid gesehen - siehe Video ! Im Produkt NaCl haben durch den Elektronenübergang sowohl die Natriumionen, als auch die Chloridionen die sehr stabile Edelgaskonfiguration errreicht. Die folgende Filmleiste zeigt den Vorgang des Elektronenübergangs im Detail:

Eigenschaften von Ionenverbindungen

Ionenverbindungen bilden als Feststoff 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 wandern die gelösten, frei beweglichen Ionen. Außerdem zersetzt sich die Salzlösung. An den Elektroden entstehen aus den positiv oder negativ geladenen Ionen ungeladene Atome oder Moleküle.

 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 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, die ja mitgezählt werden dürfen), 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).

LINKTIPP: Erklärende Animation zur Elektronenpaarbindung

Elektronenpaarbindung oder Ionenbindung? Handelt es sich um eine unpolare oder polare Atombindung? Bei polarer Atombindung stellt sich noch die Frage: Ist das Molekül ein Dipol oder kein Dipol? Hier wird es erklärt:

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 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!).

Säuren sind wasserstoffhaltige Moleküle, die in Wasser H+-Ionen (Protonen) abspalten.

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 diese Definition für Säuren:

Säuren bestehen aus wasserstoffhaltigen Molekülen, die in Wasser H+-Ionen (Protonen) abspalten.

Allgemein formuliert:

HSäurerest    + Wasser -----> Säurerest 1- geladen + HWasser 1+ geladen (z.B. mit Salzsäure HCl oder Salpetersäure HNO3 als Säure)

oder

H2Säurerest   + Wasser ----->  Säurerest 2- geladen +  2 HWasser 1+

mit z.B. Kohlensäure H2CO3 und Schwefelsäure H2SO4 als Säure. Die Zahlen in den Formeln müssen jeweils klein rechts unten am Buchstaben stehen. Dies geht mit dem Textprogramm aber nicht.

H3Säurerest   + Wasser ----->  Säurerest 3- geladen + 3 HWasser 1+

mit z.B. Phosphorsäure H3PO4 als Säure.

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