Arbeitsblatt: Grundlagen

Chemie Einführung 1 1Die Bedeutung der Chemie Alle Menschen haben täglich mit chemischen Erzeugnissen oder mit chemischen Vorgängen (chemische Reaktionen) zu tun. So finden in jeder Zelle des menschlichen Körpers fortwährend Stoffumwandlungen statt. Ohne sie wäre ein Wachstum oder ein Leben schlechthin undenkbar. Aber nicht nur die lebendige, sondern auch die tote Natur kennt zahllose chemische Prozesse. Überlegen wir uns einmal, wieviel Chemie in jedem Haushalt steckt: Beziehen wir das Auto in unsere Überlegungen mit ein: Neben diesen Vorteilen bringt uns die Chemie aber auch ganz entscheidende und folgenreiche Nachteile: 2Was ist Chemie? UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Einführung 2 Im folgenden beschäftigen wir uns in kurzen Zügen mit der Geschichte der Chemie und mit der Arbeitsweise des Chemikers. Anschliessend lernen wir die wichtigsten Arbeitsgeräte des Chemikers kennen. UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Einführung 3 3Geschichte der Chemie Die Chemie ist eine junge Wissenschaft. Als Archimedes im 3. Jahrhundert vor Christus die Hebelgesetze fand, Pythagoras seine Lehrsätze der Geometrie aufstellte, die ägyptischen Priester Sternbahnen berechneten, war dem Menschen chemisches Denken noch fremd. Die Vorgänger der heutigen Chemiker nannte man im Mittelalter „Alchimisten. Oft waren es geheimnisvolle, ja unheimliche Gestalten, die in dunklen Kellern alle möglichen Zaubermittel zusammenbrauten. Für das gewöhnliche Volk waren es meist eine Art Zauberer. Man nannte damals die „Chemie auch die „schwarze Kunst. Manch einer hat seine Experimentierlust mit seiner Gesundheit, wenn nicht gar mit seinem Leben bezahlt. Mit allen möglichen Mitteln suchte man nach dem ge heimnisvollen „Stein der Weisen, mittels welchem es möglich sein sollte, billige Stoffe in Gold zu verwandeln. Heute wissen wir, dass der Wunsch der Alchimisten für alle Zeiten unerfüllbar bleiben wird. Im Altertum brachten die täglichen Erfahrungen und das Erwerbsleben vereinzelte Kenntnisse in chemischer Hinsicht. Es fehlte jedoch die weitere planmässige Erforschung. So kannten die Ägypter bereits 1500 v. Christus: • • • • • Herstellung keramischer und metallischer Gegenstände Gewinnung von Farbstoffen aus Pflanzen und Tieren Essigzubereitung Glasherstellung Zubereitung von Salben, Heilmitteln und Schminken Als Vater der modernen, exakten Chemie wird der englische Chemiker Robert Boyle (1627 1691) be zeichnet. Er stellte als erster das Experiment ins Zentrum des chemischen Forschens. Er sagte: „Nur der Versuch ist schlüssig, nicht die unbewiesene Behauptung. 4Arbeitsweise des Chemikers Auch bei uns steht das Experiment im Mittelpunkt des Chemie Unterrichtes. UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Einführung 4 UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Einführung 5 5Die Arbeitsgeräte des Chemikers In einem Chemielabor stehen zahlreiche Geräte, die für einen Nichtfachmann recht rätselhaft aussehen. Einige dieser Geräte wollen wir kennen lernen. UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Einführung 6 8 1 2 3 4 5 6 7 14 10 11 18 12 19 9 17 16 13 15 23 20 21 24 22 32 26 27 UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc 28 29 30 31 25 Chemie Gemische und Reinstoffe 7 Wenn wir die Vielfalt der Stoffe betrachten, so sehen wir, dass ein grosser Teil in Form von Gemischen vorkommt. Seltener treffen wir Reinstoffe an, die einheitlich Zusammengesetzt sind. Gemische Reinstoffe Die einzelnen Bestandteile von Gemischen kann man an ihren Eigenschaften erkennen. Wenn wir Gemische in ihre Bestandteile zerlegen wollen, müssen wir diese Eigenschaften genau kennen. Eigenschaft Beispiele UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Gemische und Reinstoffe 8 UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Trennung von Gemischen 9 Da die meisten Stoffe in Form von Gemischen vorliegen, geht es in der Chemie zuerst einmal darum, die Gemische zu trennen. Um aus Gemischen reine Stoffe herzustellen, muss man nach einer Stoffeigenschaft suchen, in der sich Bestandteile des Gemisches unterscheiden. Aufgrund dieser unterschiedlichen Eigenschaft wird dann eine geeignete Versuchsanordnung aufgestellt. 1Sedimentation Versuch: Wir lassen in einem Standzylinder stark verunreinigtes Wasser zwei bis drei Tage stehen. Beobachtung: Erklärung: Anwendung: 2Zentrifugation In einer Zentrifuge wird das Gemisch mit grosser Geschwindigkeit im Kreis herumgeschleudert. Dabei sammeln sich die schweren Teilchen im äussersten Teil der Zentrifuge an. UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Anwendung: Trennung von Gemischen 10 UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Trennung von Gemischen 11 3Filtration Versuch: Wir filtrieren ein Gemisch aus Sand und Wasser. Beobachtung: Erklärung: Versuch: Wir filtrieren Zuckerwasser. Beobachtung: Erklärung: Anwendung: 4Chromatographie Wir zerlegen die Farbe eines wasserlöslichen Filzstiftes in ihre Bestandteile. Dabei nützen wir die Tatsache aus, dass die Bestandteile der Farbmischung unterschiedlich schnell durch ein Filterpapier transportiert werden. Versuch: Färbe durch mehrmaliges Auftupfen mit einem wasserlöslichen Filzstift die Mitte eines Filterpapiers. Durchbohre den Farbfleck und schiebe in das Loch ein Röllchen aus Filterpapier. Lege nun das Filterpapier auf ein wassergefülltes Becherglas. Beobachtung: Erklärung: UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Trennung von Gemischen 12 5Destillation Durch eine Destillation trennen wir Flüssigkeiten von gelösten Stoffen oder Gemische aus verschiedenen Flüssigkeiten. Beim Erwärmen verdampft die Flüssigkeit und lässt sich durch Abkühlung wieder verflüssigen (kondensieren). Die Destillation eines Gemisches verläuft umso besser, je weiter die Siedepunkte der beiden Flüssigkeiten auseinander liegen. Versuch: Wir destillieren Salzwasser. Begriffe: Beobachtung: Versuch: Wir trennen Rotwein durch Destillation. Beobachtung: Anwendung: 6Extraktion In einem Gemisch ist der eine Stoff löslich, der andere nicht. Im ersten Versuchsgang wird dieser Stoff (Extrakt) mit dem geeigneten Lösungsmittel herausgelöst (extrahiert). Nach der Filtration wird das Lösungsmittel verdampft. UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Trennung von Gemischen 13 Versuch: Wir trennen ein Gemisch aus Kochsalz und Sand. Bericht: UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Trennung von Gemischen 14 7Zusammenfassung Filtration Destillation Extraktion Zentrifugation Sedimentation Chromatographie 8Übersicht UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Trennung von Gemischen 15 UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Stoffumwandlungen 16 Versuch 1: Wir verbrennen ein Stück Magnesiumband. Beobachtung: Eigenschaften Magnesium: Eigenschaften Produkt: Versuch 2: Wir geben Blutlaugensalz und Eisenchlorid zusammen. Versuch 3: Wir mischen Schwefelpulver und Kaliumchlorat und bringen die Mischung zur Explosion. Beobachtung: Versuch 4: Wir geben ein Stück Kupferfolie in Salpetersäure. Beobachtung: UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Stoffumwandlungen 17 Stoffumwandlung: UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Analyse: Versuch 1: Zerlegung reiner Stoffe: Analyse 18 Die meisten Reinstoffe lassen sich durch chemische Vorgänge in weitere Reinstoffe zerlegen. Diese Zerlegung nennt man Analyse. In einem Reagenzglas erwärmen wir Kristallzucker Beobachtung: Erklärung: Versuch 2: Wir leiten elektrischen Strom durch Wasser hindurch. Beobachtung Ergebnis: UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Zerlegung reiner Stoffe: Analyse 19 Verbindungen: Reinstoffe, die man durch eine Analyse in andere Stoffe zerlegen kann, nennt man Verbindungen. Elemente: Reinstoffe, die nicht mehr zerlegbar sind, nennt man Grundstoffe oder Elemente. UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Name Wichtige Elemente 20 Symbol Eigenschaften (Auswahl) Verwendung, Vorkommen Gold Au schwer, weich, beständig Münzen, Schmuck, Zahntechnik Silber Ag härter als Gold, sehr guter Leiter für Wärme und elektrischen Strom Bestecke, Überzüge, Münzen Kupfer Cu guter Leiter für Wärme und elektrischen Strom elektrische Kabel, Dachrinnen Quecksilber Hg einziges bei Zimmertemperatur flüssiges Metall Thermometer, Barometer, für Zahnfüllungen (in Amalgam enthalten) Blei Pb schwer, weich, im Schmelzlöffel mit dem Bunsenbrenner schmelzbar Rohre, Kabel, Akkumulatoren, Schutz gegen radioaktive Strahlen Eisen Fe rostet an feuchter Luft wichtigstes Gebrauchsmetall, Gusseisen, Stahl, Legierungen Aluminium Al leicht verformbar, sehr leicht, guter elektrischer Leiter wichtigstes Leichtmetall, Ver packungen Magnesium Mg leicht, gut brennbar Flugzeugbau, Blitzlicht Calcium Ca weich, silberweiss, schneidbar, glänzend, rasch anlaufend in Kalk, Zement, Knochen Natrium Na weich, schneidbar, glänzend, rasch anlaufend in Kochsalz, Soda, Seifen Kalium weich, schneidbar, glänzend, rasch anlaufend (wie Natrium) in Kalisalzen, Schmierseife farb, geruch und geschmacklos, Luft enthält 21% Sauerstoff, schwerer als Luft, fördert die Schweissen, Raketentreibstoff, Verbrennung, brennt aber selber nicht Atmungsgeräte, „Sauerstoffzelt in Spitälern Wasserstoff farb, geruch und geschmacklos, leichtestes aller Elemente, gut brennbar Bestandteil des Wassers, Ballon füllungen, Brennstoff, Schweissen Stickstoff farb, geruch und geschmacklos Luft enthält 78% Stickstoff, Bestandteil wichtiger Düngemittel Kohlenstoff 2 Formen: Graphit (weich, glänzend), Diamant (hart, farblos, durchsichtig) in Kohle, Bestandteil der pflanzlichen und tierischen Stoffe Chlor Cl giftiges, gelbgrünes, ziemlich Desinfektion von Wasser, Bleich Metalle Smp. 39C Sdp. 357 C Smp. 660 C Sdp. 2467 C Nichtmetalle Sauerstoff Smp. 219C Sdp. 183 C UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Wichtige Elemente 21 schweres Gas, starker Geruch mittel, Bestandteil des Kochsalzes Schwefel gelb, glänzend, verbrennt mit blauer Flamme in vulkanischen Gesteinen, Heilmittel, Spritzmittel im Obstbau Phosphor 2 Arten: roter (ungiftig), weisser (giftig, brennt schon bei 60) Bestandteil der Knochensubstanz UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Versuch 1: Synthese, Zusammenfassung 22 Wir mischen Eisenpulver und Schwefelpulver in einem Mörser und entzünden das Gemisch auf der Eternitplatte Beobachtung: Erklärung: Versuche 2: Vergleich der Eigenschaften Gemisch Verbindung Schwefelpulver, Eisenpulver, Wasser Beobachtung nach dem Schütteln: Eisensulfid, Wasser Beobachtung nach dem Schütteln: Zugabe von Salzsäure UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Zugabe von Salzsäure Chemie Synthese: Synthese, Zusammenfassung 23 Stell man aus 2 oder mehreren Elementen eine Verbindung (mit ganz neuen Eigenschaften) her, so nennt man diesen Vorgang eine Synthese. Versuch: Wir mischen in einem Reagenzglas Wasserstoff und Sauerstoff. Dann halten wir das Reagenzglas mit der Öffnung an die Brennerflamme. Beobachtung: Erklärung: Übersicht: Wir können den Unterschied zwischen Gemisch und Verbindung schematisch darstellen: Zusammenfassung UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc Chemie Trennung von Stoffgemischen UMT_CH_7_43535_Grundlagen.doc 24