Arbeitsblatt: Stofflehre

Kapitel 1: Stoffbegriff Die Chemie beschäftigt sich mit Stoffen. Was versteht ein Chemiker eigentlich unter einem Stoff? Neben dem Begriff Stoff verwendet der Chemiker noch einen weitern häufig gebrauchten Begriff: Körper. Was versteht man in den Naturwissenschaften unter einem Körper? Ein Stoff ist in der Chemie das, woraus ein Gegenstand besteht, also das Material aus dem er beispielsweise angefertigt wurde. Wenn zwei Gegenstände genau dieselbe Form und genau dasselbe Volumen haben, dann sagt man in den Naturwissenschaften: Das sind zwei gleiche Körper! Form und Volumen sind also Merkmale, an denen man Körper erkennen kann. Stoffe sind hier: Glas, Papier, Kalk, Eisen und Holz. Daraus können Gegenstände bestehen! (z.B. Glaskugel, Glasscheibe, Glasbecher . Welche der folgenden Begriffe beschreiben Stoffe? Kugel, Rohr, Stange, Blech, Blase sind Begriffe, die Körper bezeichnen. Sie haben eine Begriffe: Glas Kugel Papier Kalk bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen, Eisen Rohr Stange Blech Blase aber sie können aus ganz unterschiedlichen Holz Stoffen bestehen. Beispiel: Kupferblech, Eisenblech, Silberblech. oder Luftblase, Kohlendioxidblase (z.B. in einem Glas Mineralwasser) 1. Diese beiden Gegenstände bestehen beide aus Glas. Gleich ist also der Stoff in beiden Fällen. Das sind zwei Rundkolben aus dem Labor Was ist hier gleich? Stoff oder Körper? 2. Die beiden Gegenstände haben zwar dieselbe Form, aber sie haben eindeutig unterschiedliche Volumen, also sind es keine zwei gleichen Körper, denn dazu müsste auch das Volumen gleich sein. Links ein Plastiktrichter aus dem Labor, rechts ein Glastrichter. 1. Die beiden Gegenstände bestehen aus unterschiedlichen Stoffen, nämlich einer aus Kunststoff und der zweite aus Glas. 2. Form und Volumen sind gleich, also handelt es sich um zwei gleiche Körper! Was ist hier gleich? Stoff oder Körper? Das könnte weißes Porzellan sein, aus dem beispielsweise diese Abdampfschale aus dem Labor besteht: Ein Rätsel: Welcher Stoff könnte gemeint sein? Der Stoff ist weiß, hart, zerbrechlich, hitzebeständig, brennt nicht, ungiftig, nicht wasserlöslich, nicht benzinlöslich, widerstandsfähig gegen Säure und Laugen, leitet keinen Strom . Es könnte sich aber auch um weiße Tafelkreide handeln. Wenn man noch gesagt, bekommt, dass der Stoff völlig glatte, glänzende Oberflächen bildet, dann ist es klarer, dass es Porzellan sein muss. Um so mehr Eigenschaften man von einem bestimmten Stoff kennt, um so genauer ist es möglich, zu sagen, um welchen Stoff es sich handelt. Allgemeine Regel: Woran erkennt man Einen Stoff erkennt man an seinen Eigenschaften. einen Stoff? Solche Stoffe bilden eine Stoffgruppe, die man Welche gemeinsame Bezeichnung gibt Metalle nennt. es für Stoffe, die alle verformbar sind (manchmal ist dazu viel Kraft nötig), die den elektrischen Strom leiten und Merke: Nur die genannten Eigenschaften findet die glänzende Oberflächen haben man bei allen Metallen. Magnetische Anziehung (wenn man ganze Stücke davon hat)? kommt dagegen nur bei Eisen, Kobalt und Nickel vor. Welche drei Gruppen von Stoffeigenschaften kann man unterscheiden? Beispiele für Stoffeigenschaften, die man direkt mit den Sinnesorganen feststellen kann? 1. Stoffeigenschaften, die man mit den Sinnesorganen direkt feststellen kann. 2. Stoffeigenschaften, die man nur mit bestimmten Geräten feststellen kann. 3. Stoffeigenschaften, die man berechnen muss. Farbe, Geruch, Geschmack, Verformbarkeit, Härte usw. Es sind die vier Geschmacksrichtungen süß, sauer, salzig und bitter. Welche Eigenschaften kann man mit der Zunge feststellen? Eigenschaften eines Stoffes, die man mit den Augen feststellen kann? Welche Stoffeigenschaften prüfen wir mit der Nase Da viele Stoffe selbst in kleinen Mengen giftig sind, ist es eine sehr gefährliche Methode, durch Schmecken diese Eigenschaften zu prüfen. Bei Nahrungsmitteln machen wir das aber dauernd! Ein unangenehmer Geschmack bewahrt uns davor, verdorbene oder gesundheitsschädliche Nahrungsmittel herunter zu schlucken! Farbe, Glanz Den Geruch! Dabei niemals die Nase direkt über ein Gefäß halten. Man fächelt sich mit der Hand etwas von den Gasen zu, die aus dem Gefäß entweichen! a) Der Eisenstab wird schneller warm. Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist viel besser als die von Holz. b) Der Holzstab fängt an zu brennen. Holz ist brennbar! Man hält einen Eisenstab und einen Holzstab in eine Flamme. Welche unterschiedlichen Stoffeigenschaften kann man dabei feststellen? a) Flammpunkt: Temperatur, bei der der Stoff in der Flamme kurz aufflammt und gleich wieder aus geht. b) Brennpunkt: Temperatur, bei der der Stoff dauerhaft zu brennen beginnt, wenn man ihn in eine Flamme hält. c) Entzündungstemperatur: Temperatur, auf die man den Stoff erhitzen muss, damit er von selbst (ohne eine Flamme dran zu halten) zu brennen beginnt! Beispiel: Wenn man ein brennendes Streichholz in Heizöl (bei 20 C) hält, so brennt es nicht. Das Streichholz geht aus. Wenn man das Heizöl aber erhitzt, dann erreicht Unterscheide Brennpunkt, Flammpunkt man irgendwann die Temperatur, bei der es kurz und Entzündungstemperatur eines aufflammt (Flammpunkt ist erreicht) und dann, Stoffes! bei weiterem Erhitzen, erreicht man die Temperatur, bei der es dauerhaft brennt, wenn man die Streichholzflamme an das Heizöl hält. (Brennpunkt ist erreicht). Es gibt einen Stoff, der weißer Phosphor heißt. Es ist ein gelblich-weißer Stoff, der sehr giftig ist. Wenn man ihn einfach an der Luft liegen lässt, fängt er nach einer Weile zu brennen an. Die Entzündungstemperatur von weißem Phosphor ist als sehr niedrig und wird schon bei Zimmertemperatur erreicht. Im zweiten Weltkrieg hat man weißen Phosphor in Brandbomben auf die Häuser abgeworfen, die damit in Brand gesetzt wurden! 1. Elektrische Leitfähigkeit (wir bekommen zwar einen elektrischen Schlag, wenn zu viel Strom durch unseren Körper fließt, aber wenn nur ganz wenig Strom fließt, merken wir das gar nicht). 2. Magnetische Anziehung: Dazu braucht man einen Magneten. Wir können das mit unserem Körper alleine nicht feststellen. Beispiele für Stoffeigenschaften, die man nur mit Hilfe bestimmter Geräte feststellen kann? 1. Löslichkeit: Das ist die Menge (z.B. in Gramm gemessen) des Stoffes, die sich in einer bestimmten Menge einer Flüssigkeit (z.B. 1 Liter Wasser) gerade noch vollständig auflöst. Dazu Beispiele für Stoffeigenschaften, die muss man die Menge der Flüssigkeit messen und man nur durch Berechnen herausfinden die Menge des aufgelösten Stoffes und dann kann. berechnen, wie viel Stoff das dann in einem Liter wäre. 2. Dichte: Die Dichte ist eine Zahl, die angibt, wie viel eine Waage (z.B. in de Maßeinheit Gramm) für ein bestimmtes Volumen (z.B. ein Kubikzentimeter) eines Stoffes anzeigt. Eine Kugel hat ein Volumen von 20 cm3. Legt man sie auf eine Waage, so zeigt diese 386 an. Woraus besteht diese Kugel? Die Dichte der Stoffe kann man z.B. im Lexikon oder in einem Chemiebuch nachschlagen. Da die Dichtezahl für 1 Kubikzentimeter gilt, muss man zunächst berechnen, wie viel Gramm die Waage bei 1 Kubikzentimeter anzeigen würde. Man rechnet also: 386 : 20 cm3 19,3 pro cm3 Dann schlägt man im Lexikon nach und findet: 19,3 pro cm3 ist die Dichte von Gold. Die Kugel besteht also aus reinem Gold. Wie kann man an der Dichte eines Ist die Dichte größer als 1 für 1 cm3, so sinkt Stoffes erkennen, ob ein Gegenstand, der Stoff. Ist sie kleiner als 1 für 1 cm3, so der aus diesem Stoff besteht, in Wasser schwimmt der Stoff. schwimmt? Eine gläserne Hohlkugel wird mit einem Gas gefüllt und dann abgewogen. Dann wird die Hohlkugel mit einer Pumpe vollständig leer gesaugt und wieder abgewogen. Die Differenz ist dann die Masse das Gases, das zuvor in der Kugel war. Wie bestimmt man die Dichte eines gasförmigen Stoffes? Beispiel: Luft Beispie: Eine Hohlkugel mit einem Volumen von 200cm3 ist mit Luft gefüllt und wird dann leer gepumpt. Der Unterschied zwischen gefüllter und leerer Hohlkugel ( Gaswägekugel) beträgt 0,24 g. Ein Liter der Luft hat dann 0,24 5 1,2 1,2 pro Liter ist die Dichte des Gases Luft Masse dividiert durch Volumen! Wie lautet allgemein die Regel für die Berechnung der Dichte eines Stoffes? Masse: Gramm oder Kilogramm. (das ist das, was die Waage anzeigt!) Volumen: Kubikzentimeter, Kubikdezimeter. Merke: Bei Flüssigkeiten oder Gasen gibt man das Volumen in Millilitern (1 ml ist gleich einem cm3) oder in Liter (1 ist gleich einem dm3) an! Wie kann man die Dichte von Kalkstein feststellen, wenn man am Straßenrand einen Brocken davon gefunden hat? Wie bestimmt man die Löslichkeit eines festen Stoffes? Man taucht den Stein (an einer Schnur) in einen wassergefüllten Messzylinder. Der Stein drückt so viel Wasser zur Seite, wie seinem Volumen entspricht. Hat der Stein beispielsweise ein Volumen von 40 cm3, so steigt der Wasserspiegel im Messzylinder um 40 ml an! Die Masse findet man leicht heraus, indem man den Stein auf die Waage legt. Dann muss man nur noch Masse durch das Volumen dividieren. Man wiegt eine bestimmte Menge der Flüssigkeit ab, in der man den Stoff auflösen möchte. Das ist das Lösungsmittel! Dann löst man von dem Stoff so viel, bis sich nichts mehr weiter auflöst und sich ein Bodensatz von ungelöstem Stoff zu bilden beginnt. Das ist dann die gesättigte Lösung. Man wiegt nun erneut ab und berechnet, wie viel Gramm diese Lösung nun mehr auf die Waage bringt als das reine Lösungsmittel zuvor. Die Differenz ist dann die Menge des gelösten Stoffes. Indem man das Lösungsmittel erwärmt! Dann löst sich mehr vom festen Stoff darin auf. Wie kann man die Löslichkeit eines festen Stoffes verbessern? Anwendung: Zucker kann man im warmen Kaffee viel besser lösen als im kalten. Ebenfalls von der Temperatur, allerdings löst sich in kaltem Lösungsmittel mehr Gas auf als im warmen. Wovon hängt die Löslichkeit eines gasförmigen Stoffes in Wasser (einem flüssigen Stoff) ab? Warum findet man in kalten Meeresströmungen viel größere Fischschwärme als in warmen Anwendung: Läst man an einem warmen Sommertag ein Glas kohlendioxidhaltiges Wasser (Sprudel) auf dem Tisch auf dem Balkon stehen, so entweicht das Gas daraus und fade schmeckendes Wasser bleibt zurück. In kalten Meeresströmungen ist mehr Sauerstoff gelöst als in warmen. Eine Flasche Sekt wurde geöffnet, aber nicht ganz ausgetrunken. Was sollte man damit tun, damit nicht das In den Kühlschrank stellen. gesamte Kohlendioxid entweicht? Das Zitronenöl ist nicht verschwunden, sondern es wurde zu einem Gas, das sich mit der Zimmerluft vermischt hat. Überall im Raum riecht es jetzt nach Zitrone. Auf dieses Uhrglas (gewölbte Glasscheibe) tropft man etwas Zitronenöl. (Duftöl für die Duftlampe!) Zuvor war das Zitronenöl flüssig. Jetzt ist es gasförmig geworden! Nach einiger Zeit ist nichts mehr auf dem Uhrglas zu sehen. Was ist gasförmig ist eine so genannte Zustandsform. geschehen? fest, flüssig und gasförmig. In diesen Zustandsformen kann ein Stoff vorkommen. Man nennt dies auch die drei Aggregatzustände. Welche Zustandsformen kann man bei einem Stoff unterscheiden? Wie kann man einen Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen bringen? Indem man den Stoff erwärmt oder ihn abkühlt! Beispiel: Das Zitronenöl in der Aromaduftlampe muss erwärmt werden (dazu benutzt man in dieser Lampe ein Teelicht), damit das flüssige Zitronenöl gasförmig wird. Beispiel: Füllt man eine hohle Tonform mit geschmolzenem, flüssigen Gold, so erhält man nach dem Abkühlen eine Figur aus festem Gold. Man muss nur noch die Tonform zerschlagen, um sie heraus zu holen. Sehr weich sind Kerzenwachs und Ton. Weich sind Blei, Kupfer, Speckstein. Hart sind Eisen, Ziegelstein und Fensterglas. Sehr hart sind Quarz und Diamant. Beispiel für Stoffe, die sich durch die Härte unterscheiden? Wie kann man härtere von weicheren Stoffen unterscheiden? Merke: Der härtere Stoff vermag den weicheren zu ritzen! Diamant ist der härteste Stoff überhaupt. Mit nichts anderem kann man einen Diamanten ritzen! Daher kann man ganz einfach feststellen, ob man es mit einem echten Diamanten zu tun hat oder einem aus Glas gefälschten. Mit dem echten Diamanten kann man in ein Weinglas einen Ritz machen. Mit dem falschen nicht! Wie stellt man fest, ob ein Stoff die elektrische Leitfähigkeit besitzt? Man baut einen Stromkreis auf (siehe Abbildung). Anstatt einer Glühlampe kann man auch ein Strommessgerät benutzen! Leuchtet die Lampe, so fließt Strom und der Stoff besitzt die Stoffeigenschaft elektrische Leitfähigkeit. Wie nennt man allgemein Stoffe, die die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit besitzen und wie jene Stoffe, die diese Eigenschaft nicht besitzen? Stoffe, die den elektrischen Strom leiten, sind Leiter. Stoffe, die den elektrischen Strom nicht leichten, sind Nichtleiter oder Isolatoren. Welche der folgenden Stoffe leiten den elektrischen Strom? Leiter sind Eisen, Kupfer, Kochsalzlösung, Essigwasser, Graphit, Gold. Holz Porzellan Eisen Glas Kupfer Kochsalzlösung Essigwasser Alkohol Wachs Bleistiftmine Die anderen genannten Stoffe sind Isolatoren. (Graphit) Gold Kunststoff. Sie leiten den elektrischen Strom, sie glänzen Welche gemeinsamen Eigenschaften (wenn man ganze Stücke davon hat, also kein stellt man bei den Stoffen fest, die zu Pulver!) sie sind verformbar, brechen also nicht der Stoffgruppe der Metalle gehören? (wofür man oft aber ganz viel Kraft braucht) Beispiel für Metalle? Eisen Kupfer Aluminium Gold Silber Blei Zink. Nein, nur die Metalle Kobalt, Nickel und Eisen. Magnetische Anziehung ist also keine allgemeine Metalleigenschaft. Sind alle Metalle durch Magnete anziehbar und selbst magnetisierbar? Sind alle Metalle Feststoffe? Was sind Edelmetalle? Was sind unedle Metalle? Nein! Es gibt auch ein bei Zimmertemperatur flüssiges Metall. Es heißt Quecksilber. Es ist die silbrige Füllung, die man in alten Thermometern finden kann. Metalle, die in der Flamme weder brennen noch verglühen und die man in Säure legen kann, ohne dass dabei etwas geschieht! Solche Metalle, die leicht zu brennen beginnen und bei denen man ein heftiges Schäumen und Sprudeln feststellt, wenn man sie in Säure legt. Beispiele: Magnesium, Natrium Was sind halbedle Metalle? Wie unterscheidet man Leichtmetalle von Schwermetallen? In der Flamme verbrennen sie nicht, sondern verglühen nur. In Säure gelegt erkennt man erst nach längerer Zeit, dass da etwas passiert und sich Gasbläschen bilden und das Metallstück immer kleiner wird. Beispiel: Kupfer, Eisen. Stellt man bei 1 cm3 eines Metalls mit der Waage weniger als 5 fest, so ist es ein Leichtmetall. Stellt man mehr als 5 fest, so ist es ein Schwermetall. Merke: Viele Schwermetalle sind sehr giftig! Aluminium (Dichte 2,7) Kupfer (Dichte 8,92) Blei (Dichte 11,4) Welches dieser Metalle ist ein Leichtmetall? Von diesen Beispielen ist nur Aluminium ein Leichtmetall! Aluminium wird aus diesem Grund auch für den Merke: Maßeinheit der Dichte ist für Bau von Flugzeugen verwendet. einen cm3 (g pro cm3 g/cm3) Das Bild zeigt Eiszapfen! Es handelt sich um den festen Aggregatzustand des Wassers Eis! Welcher Aggregatzustand von Wasser ist hier dargestellt und welche anderen Daneben gibt es noch flüssiges Wasser und Aggregatzustände von Wasser gibt es gasförmiges Wasser. Gasförmiges Wasser wird auch Wasserdampf genannt. Wasserdampf ist noch? unsichtbar, sieht also genau so aus wie Luft, mit der er sich vermischt. So genannte Wasserdampfwolken bestehen eigentlich aus ganz vielen Tröpfchen von flüssigem Wasser! Da die einzelnen Tröpfchen die Lichtstrahlen in alle möglichen Richtungen streuen, sieht eine solche Wolke weiß aus! Wie nennt man es, wenn ein flüssiger Stoff gasförmig wird? Beispiel: Wasser zum Sieden bringen Wie nennt man es, wenn ein gasförmiger Stoff durch Abkühlen (z.B. an einer kalten Glasscheibe) wieder zum flüssigen Stoff wird? Wie nennt man es, wenn gasförmiges Wasser an der kalten Autofensterscheibe in einer Winternacht zu einer Eisschicht wird ( fester Aggregatzustand), ohne dass dabei flüssiges Wasser entstehen könnte? Was ist Sublimieren? Verdampfen kondensieren. Beispiel: Aus gasförmigem Wasser (Wasserdampf) wird ein Tropfen aus flüssigem Wasser. Dieser fällt als Regentropfen zu Boden. Das nennt man Resublimieren Ein anderes Beispiel: Bildung von Raureif auf den Pflanzen an einem kalten Herbstmorgen! Aus dem Stoff mit dem festen Aggregatzustand (z.B. Eis) wird direkt der Stoff mit dem gasförmigen Zustand (. ohne dass der Stoff zuerst flüssig würde). Beispiel: Eine zu Eis gefrorene Pfütze verschwindet nach ein paar Wintertagen, ohne dass es wärmer geworden wäre! Der Übergang vom flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand. Beispiel: Flüssiges Wachs wird durch Abkühlen beim Kerzengießen zu festem Wachs. Was ist Erstarren? Was ist die Umkehrung davon? Erhitzt man festes Wachs, so wird es flüssig. Das ist die Umkehrung des Erstarrens das Schmelzen Die Temperatur steigt beim Erwärmen der Flüssigkeit immer mehr, bis der Siedepunkt erreicht ist. Während des Siedens nimmt die Temperatur nicht mehr zu, obwohl auch jetzt noch dauernd weiter erwärmt wird. Die Temperatur bleibt konstant! Dies dauert so lange an, bis die ganze Flüssigkeit verdampft ist! Erklärung: Die zugeführte Wärmeenergie wird ausschließlich dazu benutzt, den Stoff vom flüssigen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand zu bringen. Alle paar Minuten misst man die Temperatur einer Flüssigkeit und trägt diesen Wert als Punkt in das Diagramm ein. Am Ende des Messvorgangs verbindet man alle Punkte zu einer Linie und erhält das Siedediagramm. Welche Besonderheit kann man daran erkennen? Das ist die Temperatur, bei der ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Hat man umgekehrt den gasförmigen Stoff, so ist dieselbe Temperatur die Grenze zwischen dem gasförmigen und dem flüssigen Zustand. Bei Wasser ist der Siedepunkt (an einem Ort in Meereshöhe) 100 C. Andererseits wird Wasserdampf bei 100 auch wieder zu flüssigem Wasser. Man kann sich Siedepunkt und Kondensationspunkt als eine Art Grenze vorstellen: Was ist der Siedepunkt Mit welchem anderen Punkt ist er identisch? Kommt man von flüssig und der Stoff wird dann gasförmig, so nennt man diese Grenze den Siedepunkt. Startet man auf der anderen Seite, kommt also von gasförmig und wechselt nach flüssig, so nennt man diese Grenze Kondensationspunkt. Was ist der Schmelzpunkt und mit welchem anderen Punkt ist dieser Temperaturwert identisch? Kommt man von fest und der Stoff wird dann flüssig, so nennt man diese Grenze den Schmelzpunkt Startet man auf der anderen Seite, kommt also von flüssig und wechselt nach fest, so nennt man diese Grenze Erstarrungspunkt. Bei Wasser sind Schmelzpunkt, bzw. Erstarrungspunkt bei C. Erstarrungspunkt und Schmelzpunkt hängen von der Meereshöhe des Ortes, an dem etwas schmilzt oder erstarrt, nicht ab! Auch beim Schmelzen bleibt die Temperatur, trotz weiterer Erwärmung, gleichbleibend, bis der ganze Stoff flüssig geworden ist. Warum hängt der Siedepunkt eines Stoffes von der Meereshöhe des Ortes ab, an dem man den Stoff zum Sieden bringt? Über einem Ort in Meereshöhe lastet viel mehr Luft der Atmosphäre als über einem Ort, der hoch im Gebirge liegt. Drückt aber eine große Menge an Luft auf die Flüssigkeit, kann sich das darin beim Sieden entstehende Gas nur schlecht daraus entfernen. Es ist viel mehr Energie nötig, damit das geschieht. Der Siedepunkt ist höher! Meereshöhe Ort, an dem der Luftdruck gerade 1013 hPa (Hektopascal) beträgt! Weil Stoffe ganz bestimmte Siedepunkte oder Schmelzpunkte haben, die sich von den Siedepunkten oder Schmelzpunkten anderer Stoffe unterscheiden. Warum sind Siedepunkt und Schmelzpunkt messbare Stoffeigenschaften? a) Schmelzpunkt 114 C Siedepunkt 78 C b) Schmelzpunkt 801 C Siedepunkt 1461 C Welchen Schmelzpunkt und welchen Siedepunkt haben die folgenden Stoffe? c) Schmelzpunkt 1535 C Siedepunkt 2750 Merke: Ist der Schmelzpunkt höher als die a) Alkohol (trinkbarer Alkohol, der im Zimmertemperatur (das ist 20 C), so ist ein Wein vorkommt) Stoff bei Zimmertemperatur fest. b) Kochsalz c) Eisen Ist der Siedepunkt niedriger als die Zimmertemperatur, so ist der Stoff bei Zimmertemperatur ein Gas. Die Aggregatzustände eines Stoffes, die man in Büchern angegeben findet, gelten immer bei Zimmertemperatur!