Arbeitsblatt: Einführung in die Chemie

Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen, ihrem Aufbau, ihrer Zudammensetzung und Synthese, ihren stofflichen Veränderungen und den dabei bestehenden Gesetzmäßigkeiten! Elemente Das sind chemische Stoffe, die durch chemische Reaktionen nicht mehr in andere Stoffe zerlegt werden können! Beispiel: Gold Sauertoff Magnesium Calcium Titan Chrom Eisen Man kennt zur Zeit 114 Elemente! Alle Stoffe sind aus Elemente gebaut. Stoffe Stoff nennt der Chemiker die vorliegende Materie. Bei aller Materie, die uns umgiebt, unterscheidet man zwischen: Reinstoff (Reine Stoffe) Gemenge (Stoffmischungen) Verbindungen (Stoffmischungen) (Die Stoffmischungen haben dann meist ganz andere Eigenschaften, als die Einzelnen Elemente im Ursprungszustand) Reinstoffe (homogen) Reinstoffe bestehen aus genau einer Art chemische Elemente oder Gemische (chemische Verbindungen). So besteht: Reines Gold besteht nur aus Goldatomen Reines Wasser nur aus Wassermolekülen Die reinen Stoffe sind durch physikalische Verfahren nicht weiter auftrennbar. (Das Element Natrium (Natron) bleibt auch Natrium, wenn es geschmolzen wird) Gold bleibt Gold! Wasser bleibt Wasser! Sieher Periodensystem, es gibt 144 Elemente! Stoffmischungen Zum Beispiel: Messing Es ist eine Mischung der chemischen Elemente: Zink Kupfer (Zink Kupfer (Legierung schmelzen/zusammenmischen) Messing 2. Beispiel: Zuckerwasser Eine Misschung von: Wasser Zucker Gemische bestehen aus mehreren Reinstoffen Diese sind aber nicht chemisch verbunden, sondern nur vermischt. Beispiele hierfür sind Legierungen, die aus mehreren Metallen bestehen, oder ein Glas voll Limonade, das gefüllt ist mit Wasser, Kohlensäure, Zitronensäure, und einigen weiteren Geschmacksstoffen. (hetrogen) In der Natur kommen Stoffe nur selten als Reinstoffe vor. Meistens handelt es sich um Stoffgemische, die sich aus mindestens zwei Reinstoffen zusammensetzen. Selbst eine hochreine Laborchemikalie ist niemals 100%ig rein, sie enthält immer einige Verunreingungen, wenn auch nur in geringem Maße. Stoffgemische findet man überall. Betrachtet man ein Stück rötlichen Granit, sieht man verschiedene Bestandteile: Rötlicher Feldspat, weißer Quarz und schwarzer Glimmer. Wenn man das Granitstück mit einem Hammer zerkleinert, kann man es in die einzelnen Bestandteile auftrennen! (homogen) Unterschied von Reinstoffen und Stoffgemischen in: Chemische-/ Physikalische- und Physische Eigenschaften Die Eigenschaften von Reinstoffen sind stets gleich, also nicht von den Mischungsverhältnissen der Komponenten eines Stoffgemisches abhängen. Physikalische Stoffeigenschaften: (wie Härte, Schmelztemperatur, Wasserlöslichkeit, Oberflächenspannung, elektrische Leitfähigkeit oder optische Aktivität) Chemische Stoffeigenschaften: (wie Brennbarkeit, Explosivität oder Angreifbarkeit durch Säuren oder Laugen). Physiologischen Eigenschaften: (Chem. und. phys. Stoffeigenschaften unter dem Aspekt der Wahrnehmbarkeit oder der auswirkungen auf die Umgebung) Jeder Reinstoff zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination von Stoffeigenschaften aus, anhand derer er identifiziert werden kann. Zwei Stoffe können nicht in allen Eigenschaften gleich sein. Unterschied zwischen physikalischen und chemischen Vorgängen Physikalische Vorgänge: Es ist mit Physikalischen Vorgängen nicht möglich, einen Stoff grundlegend zu ändern! Beispiel Wasser: Beim erhitzen wird es Wasserdampf, beim Abkühlen wieder Wasser. Chemische Vorgänge: Beispiel Eisennagel und Wasser: Liegt ein Eisennagel im Wasser, verändert sich der Nagel, er rostet! Es ist eine chemische Reaktion zwischen Eisen und Wasser. Das Reaktionsprodukt Rost ist die chemische Verbindung Eisenoxid und ist nur wieder durch chemische Methoden zu verändern und aufzuspalten. Chemische Vorgänge: Es ist mit chemischen Vorgängen möglich einenStoff grundlegend zu ändern! Unterschied von Stoffmischungen und reine Stoffe Stoffmischungen lassen sich durch physikalische Methoden in ihre Bestandteile auftrennen. Zum Beispiel durch Destillation, Filtration usw. Stoffe und Stoffgemische lassen sich durch ihre physikalischen Eigenschaften eindeutig Beschreiben! Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften: die Farbe und der Glanz (als äußere Merkmale) die Dichte (die Masse eines Würfels dieses Toffes mit einer Kantenlänge von 1cm) die Leitfähigkeit (das Vermögen, den elektischen Strom zu leiten) die Wärmeleitfähigkeit (das Vermögen, Wärme zu leiten) der Schmelzpunkt (die Temperatur, bei der ein fester Stoff in den flüssigen Stoff übergeht) der Siedepunkt (die Temperatur ,bei der ein flüssiger Stoff in den Dampfzustand übergeht) Alle diese Eigenschaften charaktisieren einen Stoff, oder ein Stoffgemisch und können auch zur Auftrennung von Stoffgemischen ausgenutzt werden. Homogen oder Heterogen (Karte 1 von 4) Gemische können homogen oder heterogen sein! Homogen bedeutet: Dass die einzelnen Teile des Gemisches nicht erkennbar sind! (Mischt man Wasser und Salz, sind sie nach etwas Umrühren homogen, eine Lösung ist entstanden!) Das sind Stoffe, die einheitlich erscheinen! Auch unter der Lupe oder dem Mikroskop kann man keine unterschiedlichen Bestandteile feststellen. Alle reinen Stoffe (chemische Elemente und chemische Verbindungen sind homogene Stoffe!) Aber auch Stoffmischungen können homogen sein: Gokdbarren (Element), Eisennagel (Element), Kochsalz (chemische Verbindungen), Zuckerwasser (Stoffmischungen) Wichtige homogene Gemische (Karte 2 von 4) Homogen oder Heterogen (Karte 3 von 4) Heterogen bedeutet: Dass einzelne Teile sich voneinander abgrenzen. (Gibt man noch viel mehr Salz hinzu wird das Gemisch heterogen; Salz und Wasser sind beide zu erkennen!) Wenn z.B. im Wasser aufgewirbelter Sand zu sehen ist, kann man zwischen Wasser und Sand unterscheiden. Es ist nicht immer gleich zu erkennen (Beispiel: Milch) Milch sieht einheitlich aus, aber unter einem Mikroskop sieht man, das die Milch nicht einheitlich ist. In der Milch sind Öltröpfchen, die aus Milchfett bestehen. Milch bildet eine Emulsion (flüssiges Öl und Wasser so eng vermischt, das man es mit bloßem Auge nicht erkennen kann) Man kann Emolsionen wieder rückgängig machen, indem man die Milch aufbricht, dann hat man Butter! (dadürch fügt man die Öltröpfchen zusammen und das Wasser ist vom Fett getrennt) Wichtige heterogene Gemische (Karte 4 von 4) Es gibt also verschiedene Arten von Stoffgemischen: Homogene Stoffgemische: Feststoff Feststoff Legierung (Messing) Feststoff Flüssigkeit Lösung (Zuckerwasser) Flüssigkeit Flüssigkeit Lösung (Speiseessig) Gas Gas Gasgemisch (Luft) Gas Flüssigkeit Lösung (Mineralwasser mit Kohlensäure) Heterogene Stoffgemische: Feststoff Feststoff Gemenge (Granitgestein) Feststoff Flüssigkeit Suspension (Sandmatsch) Feststoff Gas Aerosol (Rauch) Flüssigkeit Flüssigkeit Emulsion (Milch) Flüssigkeit Gas Aerosol (Nebel) Gas Flüssigkeit Schaum Übersicht Legierung (Karte 1 von 5) Eine Legierung ist ein Gemisch aus mindestens zwei Komponenten von denen mindestens eines ein Metall ist. Eine Legierung weist metallische Eigenschaften auf z.B. Metallglanz elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit Die Komponenten können chemische Elemente oder chemische Verbindungen sein. Die makroskopischen Eigenschaften der Legierung unterscheiden sich von denen der Komponenten. Eine Legierung wird meist durch Mischen der Komponenten im schmelzflüssigen Zustand und anschließendem Abkühlen des Gemischs hergestellt. Es ist aber auch möglich durch Vermischen von Pulvern und anschließendem Sintern Legierungen herzustellen deren Komponenten sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden (z.B. werden viele Wolfram -Legierungen so hergestellt). Entsprechend der Anzahl der in der Legierung enthaltenen Komponenten bezeichnet man das System als Zwei- oder Mehrstoffsystem. Verschiedene Legierungen: (Karte 2 von 5) Bleibronze ist eine Legierung aus Kupfer und Blei. Britannia-Metall ist eine Legierung aus Zinn Antimon Kupfer und Zink Germaniabronze ist eine Legierung aus Zink Zinn Kupfer Blei sowie Aluminium Chronin bezeichnet Legierungen aus Nickel und Chrom - Duralumin ist eine Legierung aus Aluminium Kupfer Magnesium Mangan und Silizium - Duran-Metall ist eine Kupfer-Zink-Legierung. Stahl ist eine Sammelbezeichnung für plastisch verformbare Legierungen aus Eisen und höchstens 2 06 Kohlenstoff - Gusseisen ist eine Sammelbezeichnung für nicht plastisch verformbare Legierungen aus Eisen und 3-5% Kohlenstoff. Nichtrostende Stähle sind Legierungen von Eisen mit Nickel Chrom und weiteren Zusätzen. Invar besteht aus Eisen und Nickel Verschiedene Legierungen: (Karte 3 von 5) Konstantan ist eine Legierung aus Kupfer und Nickel. Messing ist eine Sammelbezeichnung für Legierungen aus Kupfer (mehr als 50%) und Zink - Hydronalium ist eine Legierung aus Aluminium Magnesium und Mangan - Bronzen sind Legierungen aus Kupfer und Zinn Amalgame sind Quecksilberlegierungen Goldmalgam ist eine Quecksilber Gold -Legierung. Farbgold (allgemein) ist eine Legierung aus Gold Silber und Kupfer Gelbgold der Anteil von Silber entspricht dem von Kupfer Rotgold der Anteil von Silber ist wesentlich geringer als der von Kupfer Blassgold der Anteil von Silber ist wesentlich höher als der von Kupfer Grüngold überwiegend oder ausschließlich Silber häufig mit geringem Zusatz von Cadmium Verschiedene Legierungen: (Karte 4 von 5) Weißgold ist eine Legierung aus Gold Palladium und/oder Nickel Kupfer und Silber - Mattgold bezeichnet eine Legierung aus Kupfer und Zinn Hartblei besteht aus Blei und Antimon Elektron ist eine natürlich vorkommende schon in der Antike bekannte Legierung *aus Gold und Silber eine Magnesium -Legierung mit niedriger Dichte - Neusilber (Alpaka Pakfong Nickelin) ist eine Legierung aus Kupfer Nickel und Zink - Lötzinn ist eine Blei- Zinn -Legierung. Rotguss ist eine gut gießbare Legierung aus Kupfer Zinn Zink und Blei. Platinit Plessit ist eine Nickel Eisen -Legierung. Verschiedene Legierungen: (Karte 5 von 5) Aluminium wird außer in der Lebensmitteltechnik fast immer in Form von Legierungen mit Magnesium Silizium und weiteren Zusätzen verwendet beispielsweise AlMg3. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage ihr Gestalt temperaturabhängig zu ändern Monel-Metall ist eine Legierung aus Nickel Kupfer Eisen und Mangan - Schrot bezeichnet eine Legierung aus Blei Arsen und Antimon. Silberlot besteht aus Kupfer Zink und Silber - Silumin ist eine Aluminium- Silizium -Legierung. Stellit ist eine Legierung aus Kobalt Chrom Wolfram Eisen und Kohlenstoff - Tulasilber wird mit Silber Kupfer Schwefel sowie Salmiak hergestellt. Tombak ist eine Kupfer Zink -Legierung. Widia besteht aus Wolfram Kobalt Kohlenstoff und Titan Sedimentieren Als Sedimentation bezeichnet man das Ablagern von Teilchen aus Flüssigkeiten oder Gasen unter dem Einfluss der Schwerkraft (oder anderen Kräften wie z.B. der Zentrifugalkraft in einer Zentrifuge! Dabei schichten sich die abgelagerten Teilchen nach ihrer Dichte und ihrer Größe. Die schwersten Teilchen lagern sich zuerst ab liegen also zuunterst. Jedoch ist zu beachten dass es neben dieser normalen auch eine sog. inverse Gradierung gibt. Diese kann z.B. bei Bimsen entstehen die bei einer Eruption aus einem Vulkan geschleudert wurden. Da Bims aufgeschäumtes glasiges Gestein ist besitzen größere Bimslapilli eine geringere Dichte als kleine. Somit lagern sich erst die kleinen Lapilli ab dann die großen. Besonders in stehenden Gewässern bilden sich entsprechende Schichten die z.T. zur Altersbestimmung verwendet werden da sich im Winter die feineren Teilchen absetzen wenn das Gewässer zugefroren ist. Somit entstehen ähnlich den Jahresringen bei Bäumen gröbere und feinere Schichten pro Jahr. Emulsion Vermischt man Salatöl und Wasser, schwimmt das Öl aufgrund seiner geringeren Dichte zunächst auf dem Wasser. Durch kräftiges Schütteln vermischen sich die beiden Flüssigkeiten teilweise. Dieses Gemisch von zwei Flüssigkeiten bezeichnet man als Emulsion! Auch Milch ist eine Emulsion von Fetttröpfchen in Wasser. Dass bei der Milch ein Stoffgemisch vorliegt, kann man erst unter dem Mikroskop erkennen! Eine Emulsion kann durch Wärme oder Kälte zerstört werden, d.h., Öl und Wasser als die beiden Komponenten einer Emulsion liegen nach einer solchen Behandlung getrennt nebeneinander vor! Dekantieren (trennen durch umfüllen) Unter Dekantieren versteht man das Abgiessen einer Flüssigkeit, welche sich über einem unlöslichen Feststoff oder einer unlöslichen Flüssigkeit befindet. Beispiele: Das Fett einer Soße kann man mit etwas Geschick größtenteils abgießen (dekantieren). Kaffee kann vom Kaffeesatz abgegossen (dekantiert) werden. Wasser kann man größtenteils von Sand abtrennen. Aus diesen Beispielen kann man schon erkennen, dass die Dekantation keine sehr genaue Trennmethode ist. Filtirieren Durch eine Filtration kann man eine Flüssigkeit von einem in ihr unlöslichen Feststoff trennen. Um ein Gemisch zu filtrieren, gießt man das Gemisch durch ein Sieb oder ein Filterpapier. Die Flüssigkeit, welche aus sehr kleinen Teilchen besteht, fließt problemlos durch die Poren des Filterpapiers. Man bezeichnet die austretende Flüssigkeit als Filtrat. Der unlösliche Feststoff besteht aus Teilchen, die größer sind als die Poren des Filterpapiers. Der Feststoff bleibt im Filterpapier zurück, man bezeichnet diesen Feststoff als Niederschlag. Beispiel: Filtration eines Wasser-Sand-Gemisches. Die Filtration beruht also auf der unterschiedlichen Größe der zu filtrierenden Stoffteilchen! Zentrifugieren (Karte 1 von 2) (nach außen schleudern, an die Wand, wie bei der Atraktion auf dem Jahrmarkt Hoppser Wenn man einen sehr fein verteilten, unlöslichen Feststoff aus einer Flüssigkeit filtrieren will, so ist die normale Filtration unbrauchbar, da die Filtration äußerst langsam verläuft, und die Poren des Filterpapiers oft verstopfen. Aber auch eine Filtration unter vermindertem Druck hilft hier nicht weiter, da wiederum die Poren des Filters verstopfen, und unter Umständen das Filterpapier reißt, und eine Filtration daher nicht möglich ist. In einem solchen Fall kann eine Zentrifugation weiterhelfen. Dazu braucht man einen speziellen Apparat, eine Zentrifuge. Eine Zentrifuge besteht hauptsächlich aus einer Achse, an der man an zwei beweglichen Seitenarmen dickwandige Reagenzgläser anbringen kann. Beispiel: Zentrifugieren (Karte 2 von 2) (nach außen schleudern, an die Wand, wie bei der Atraktion auf dem Jahrmarkt Hoppser Zentrifugation eines Wasser-Gartenerde-Gemisches: Schließt man den Apparat an, so dreht sich die Achse sehr schnell, bis zu 6000 Umdrehungen pro Minute. Durch die Fliehkraft werden die Reagenzgläser an den beweglichen Seitenarmen in die Waagerechte gebracht. Auch durch die Fliehkraft bedingt, verläuft die Flüssigkeit nicht. Die Fliehkraft drückt die Feststoffteilchen fest an den Boden des Reagenzglases. Da dies bei hohem Druck geschieht, bleiben die Feststoffteilchen auch noch nach der Zentrifugation am Boden haften. Nach dem Lösen der Reagenzgläser aus der Halterung, kann man die Flüssigkeit dekantieren, ohne Feststoffteilchen mitzureißen, da die Feststoffteilchen sehr fest am Boden des Reagenzglases haften. Abscheiden Durch Abscheiden in einem Scheidetrichter kann man zwei ineinander unlösliche Flüssigkeiten trennen. Vermengt man beide Flüssigkeiten eng miteinander, dann bildet sich ein heterogenes Gemisch, welches man als Emulsion bezeichnet. Gibt man das Gemisch in einen Scheidetrichter, dann trennen sich die beiden Flüssigkeiten, und man erhält zwei Phasen: Die untere Phase enthält immer die Flüssigkeit mit der größten Dichte, die obere Phase wird immer durch die Flüssigkeit mit der kleineren Dichte gebildet. Durch Öffnen des Hahnes kann man die untere Phase von der oberen Phase trennen. Beispiel: Ein Öl-Wasser-Gemenge. Öl besitzt eine kleinere Dichte als Wasser und bildet daher die obere Phase im Scheidetrichter. Wasser bildet die untere Phase! Abdampfen Durch Abdampfen eines homogenen Gemisches (löslicher Feststoff in einer Flüssigkeit) kann man den löslichen Feststoff von der Flüssigkeit trennen. Die Flüssigkeit geht aber bei diesem Vorgehen durch Verdampfen verloren. Beispiel: Ein homogenes Salz-Wasser-Gemenge. Nach dem Verdampfen des Wassers bleibt Salz als weißer Feststoff zurück. Extrahieren Unter Extrahieren versteht man das Herauslösen von Stoffen mithilfe eines Lösungsmittels. Man kann sowohl eine bestimmte Flüssigkeit aus einer anderen Flüssigkeit herauslösen lösliche Feststoffe aus Flüssigkeiten oder aus anderen Feststoffen herauslösen. Dieses Verfahren beruht auf der unterschiedlichen Löslichkeit der einzelnen Stoffe. Eine Extraktion kann man in einem Scheidetrichter durchführen. Beispiele: Aufbereiten von Kaffee oder Tee. Dabei werden wasserlösliche Stoffe aus dem Kaffeepulver beziehungsweise aus dem Tee herausgelöst. Eine Wasser-Ether Extraktion, um einen in Wasser schwer löslichen Stoff in die Etherphase zu überführen, in welchem der Stoff sehr löslich ist. Destillation (einfach) Mit einer einfachen Destillation kann man sehr leicht lösliche Feststoffe von einem Lösungsmittel trennen. Für Flüssigkeiten mit sehr großen Siedetemperaturunterschieden ist auch eine Trennung möglich. In einem ersten Schritt wird das Stoffgemenge langsam erhitzt. Die Flüssigkeit mit der kleinsten Siedetemperatur steigt als Erste als Dampf in dem Destillationsapparat nach oben. Der Dampf kondensiert im Liebig-Kühler und kann dann in einem Erlenmeyerkolben aufgefangen werden. Beispiel: Trennung einer Salzlösung. Destillation (mehrerer Stoffe) (Karte 1 von 3) Destillation (mehrerer Stoffe) (Karte 2 von 3) Im Destillier-Kolben kommt das zu trennende Gemisch Es wird durch eine äußere Heizquelle erhitzt, bis es Siedet (verschiedene Stoffe haben verschiedene Siedepunkte, der Stoff mit dem niedrigstem Siedepunkt verlässt als erstes die Substanz) Diese Substanz liegt nicht mehr flüssig, sondern gasförmig vor (Dampf) Der Dampf geht vom Thermometer (wo die Temperatur abgelesen werden kann und gehalten werden kann, damit auch nur der Stoff mit diesem Siedepunkt destilliert werden kann, bevor man vorsichtig die Temperatur erhöht um den nächsten Stoff zu destillieren) weiter in den Kühler, der von kaltem Wasser durch eine Doppelwand gekühlt wird, dadurch wird der Dampf kondensiert. Das Kondensat tropft dann in die Vorlage, wo es aufgefangen wird. Der gewonnene getrennte Stoff wird Destillat genannt. Ist der Vorgang abgeschlossen, stellt man die Vorlage (Behälter) beiseite, stellt eine neue auf und erhöht die Temperatur für den nächsten Stoff, der zum Destillat wird! Destillation (mehrerer Stoffe) (Karte 3 von 3) Bei dem Beispiel Erdöl, kann man sehen, das die Destillation eine wichtige Rolle spielt! Erdöl ist ein Stoffgemisch, das aus einer Vielzahl von Einzelstoffen besteht. Einige dieser Stoffe kennt man und nutzt sie sogar: Benzin Petroleum Kerosin Paraffin Vaseline Alle diese Stoffe sind durch Destillation aus Erdöl gewonnen! Trennung mittels eines Magneten Eisen kann man mithilfe eines Magneten von anderen Feststoffen oder Flüssigkeiten abtrennen! Beispiel 1: Trennung von Eisenpulver und feinem Sand Beispiel 2: Trennung von Eisenpulver und einer Flüssigkeit Sieben Hierbei muss die Maschengröße des Siebes so gewählt werden, dass sie zwischen den Teilchengrößen der zu trennenden Stoffe liegt. Umkristallisieren Zunächst wird hierbei ein Gemisch in einem Lösungsmittel unter Erwärmen gelöst. Dann werden unlösliche Bestandteile abfiltriert und beim langsamen Abkühlen kristallisiert der gewünschte Stoff aus der Lösung aus, wobei Verunreinigungen gelöst bleiben. Dichte Beispiel: Gießt man in ein Glas Wasser eine Zuckerlösung, entsteht eine Schlierenbildung (man sieht, wie sich die Zuckerlösung verteilt) Das ist die unterschiedliche Dichte, die das Licht verschieden stark brechen. Dichte ist die Masse in gramm! (pro Rauminhalt (z.B. Kubikzentimeter), abgekürzt: g/cm Gesättigte Lösung Beispiel: Glas mit Deckel mit kaltem Wasser zur hälfte füllen, Salz mit hinein und Deckel zu schütteln! So oft Salz hinzugeben, bis sich das Salz nicht mehr auflöst, dann ist die Lösung satt, also gesättigt! Da kaltes Wasser verwendet wurde, handelt es sich dabei um eine Kaltgesättigte Lösung! Wie kann man eine gesättigte Lösung zu einer ungesättigten (hungrig) Lösung machen? Wenn man eine gesättigte Lösung erwärmt, wird sie wieder hungrig, d.h. Sie kann noch mehr Substanz schlucken. Bei anschließender Abkühlung auf die Ausgangstemperatur Kristallisiert die zusätzlich geschluckte Menge Substanz wieder aus. Die Aggregatzustände Es wird zwischen den Zuständen unterschieden zwischen - fest flüssig gasförmig Es können bei Stoffmischungen auch Kombinationen auftauchen, diese nennt man Aggregatzusände! Beispiel: Wasser-flüssig, gekochtgasförmig, abgekühlt--flüssig (Es ist jedesmal die gleiche chemische Verbindung also der gleiche Stoff) Der Unterschied der Erscheinungsformen liegt allein in den Aggregatzuständen! Die Umwandlung der Aggregatzustände (Karte 1 von 2) Die Umwandlung der Aggregatzustände (Karte 2 von 2) Der Übergang von fest in Gas: Sublimation: Wichtig ist, das dabei der Flüssigzustand nicht durchlaufen wird!!! Beispiel dafür ist bei Schwefel: Bei der Erhitzung wird Schwefel gasförmig und die Gase setzen sich z.B. im Reagensglas an den Wänden ab. Kühlt man das Reagensglas ab, wird das Schwefel hat und bleibt an den Wänden haften. (Man nennt den schwefel dann Schwefelblume!) Beispiel Wasser und Frost: Wird nasse Wäsche bei Frost auf die Wäscheleine gehängt, so wird sie zunächst fest. Nach einiger Zeit kann man festellen, dass die Wäsche trocken ist. Das in der Wäsche enthaltene Wasser ist sublimiert! Die chemische Reaktion Chemische Vorgänge bewirken Veränderungen Beispiel Kohle: Verbrennt man Kohle, erhält man: Kohlendioxid Asche Die Kohle erhält man nicht zurück! Vorgänge, bei denen neue Stoffe entstehen, nennt man: Chemische Reaktion! Diese neuen Stoffe nennt man: Reaktionsprodukte! (Sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften mehr oder weniger deutlich von ihren Ausgangstoffen) Die Schreibweise einer chemischen Reaktion: Ausgansstoff (e)-- Reaktionsproduckt (e) Chemische Reaktionen sind stets von physikalischen Vorgängen begleitet! Chemische Reaktionen sind meist an den psysikalischen Prozessen zu erkennen. Zum Beispiel an: Energiezunahme Energieabgabe Gasentwicklung Kristallentwicklung Die chemische Reaktion eröffnet also die Möglichkeit, neue Stoffe herzustellen! Stoffe, die es bereits in der Natur gibt, können syntetisch hergestellt werden, wenn man größere Mengen gibt, als vorhanden. Synthetisieren (grie. Zusammensetzen) künstlich herstellen Durch eine geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen, kann die Ausbeute an dem Produkt beträchtlich beeinflusst werden! Temperatur Druck Konzentration pH-Wert Lösungsmittel Beispiel Indigo: Ein blauer Farbstoff, der benötigt wird um Jeans zu färben, ist in der Natur vorhanden, aber nicht ausreichend! Weitere Beispiele für syntetisch hergestellte Produkte: Düngemittel Medikamente Kunststoff Chemische Elemente (zum ausdrucken, eine sehr gute Übersicht über das Periodensystem) Die chemischen Elemente beziehen sich auf reine Stoffe! (keine Zerlegung mehr möglich!) Es gibt zur Zeit 144 bekannte Elemente Die bezeichnungen im Periodensystem der Elemente wurden früher aus dem lateinischen herangezogen! Beispiel: Gold (lat. Aurun) Elementsymbol: Au Heute werden meist die Namen der Entdecker des Elements als bezeichnung verwentet! Beispiel: Fermium (Entdecker) Fermi Nobelium (Entdecker) Nobel (Die Namensgebung darf nur bei verstorbenen Entdeckern gegeben werden!) Gruppen des Periodensystems (Karte 1 von 3) Eine Gruppe wird im Periodensystem jeweils als Spalte dargestellt (vertikal). In den Hauptgruppen ist die Anzahl der Elektronen in der äußeren Elektronenhülle aller Elemente identisch. In den Nebengruppen, die nur metallische Elemente enthalten, besitzt die äußere Schale meistens zwei Elektronen, hier ist die darunterliegende Schale ausschlaggebend für die chemischen Eigenschaften des Elements. Alkalimetalle Gruppen des Periodensystems (Karte 2 von 3) (Gruppe 1) Hauptgruppe Erdalkalimetalle (Gruppe 2) Hauptgruppe Scandiumgruppe (Gruppe 3) Nebengruppe Titangruppe (Gruppe 4) Nebengruppe Vanadiumgruppe (Gruppe 5) Nebengruppe Chromgruppe (Gruppe 6) Nebengruppe Mangangruppe (Gruppe 7) Nebengruppe Eisengruppe (Gruppe 8) Nebengruppe, auch: »Eisen-Platin-Gruppe« Kobaltgruppe (Gruppe 9) Nebengruppe Nickelgruppe (Gruppe 10) Nebengruppe Kupfergruppe (Gruppe 11) Nebengruppe Zinkgruppe (Gruppe 12) Nebengruppe Gruppen des Periodensystems (Karte 1 von 3) Borgruppe (Gruppe 13) Kohlenstoffgruppe (Gruppe 14) -Stickstoffgruppe Chalkogene (Gruppe 16) Halogene (Gruppe 17) Edelgase (Gruppe 18) Lanthanoide Actinoide Elementgruppen (Gruppe 15) Hauptgruppe, auch: »Erdmetalle« Hauptgruppe, auch: »Kohlenstoff-Silicium-Gruppe« Hauptgruppe, auch: »Stickstoff-Phosphor-Gruppe« Hauptgruppe, auch: »Sauerstoffgruppe« Hauptgruppe, auch: »Fluorgruppe« Hauptgruppe, auch: »Heliumgruppe« Pseudogruppe Pseudogruppe Innerhalb des Periodensystems tragen einige Gruppen spezielle Bezeichnungen. Die 1. Gruppe (1. Hauptgruppe) als Alkalimetalle Die 2. Gruppe (2. Hauptgruppe) als Erdalkalimetalle Die 16. Gruppe (6. Hauptgruppe) als Chalkogene (Erzbildner) Die 17. Gruppe (7. Hauptgruppe) werden Halogene (Salzbildner) Die 18. Gruppe (8. Hauptgruppe) Edelga Andere Gruppen werden häufig nach ihrem erststehenden Gruppenvertreter benannt (zum Beispiel Stickstoffgruppe, Kohlenstoffgruppe, Zinkgruppe und so weiter). Elemente einer Gruppe bezeichnet man als Homologe. Die vierzehn Elemente jenseits von Lanthan und Actinium werden Lanthanoide (Lanthanide) beziehungsweise Actinoide (Actinide) genannt. Beachten Sie bitte, dass Lanthanoide und Actinoide keine Gruppen im Sinne der Gruppeneinteilung des Periodensystems sind, sondern jeweils der 6. Beziehungsweise 7. Periode angehören. Achtung, Lanthan und Actinium gehören jeweils zu den Übergangselementen, Lanthanoide und Actinoide bilden die inneren Übergangselemente. Verteilung der Elemente in der Natur (Weltall) Im Weltall ist überwiegend Wasserstoff zu finden, dazu gibt es dann noch eine geringe Menge Helium. Die übrigen Elemente spielen so gut wie keine Rolle! Verteilung der Elemente in der Natur Erdrinde) Die chemischen Verbindungen (Karte 1 von 2) Chemische Verbindungen sind zusammengesetzte Elemente: Beispiel: Chemische Verbindung Wasser Wasserstoff u. Sauerstoff Chemische Verbindungen entstehen durch eine chemische Reaktion aus den chemischen Elementen! Aus chemischen Verbindungen, durch chemische Reaktionen, können auch andere chemische Verbindungen erhalten werden! Chemische Reaktionen können chemische Verbindungen auch wieder in ihre Elemente zerlegen! Die chemischen Verbindungen (Karte 2 von 2) Ein Beispiel für die Synthese und anschließende Zersetzung einer chemischen Verbindung stellt die Reaktion von: Quecksilber und Sauerstoff Wenn man Wuecksilber in einem Gefäß auf 300C an der Luft erhitzt, so erhält man ein Reaktionsprodukt, je nach Feinkörnigkeit, ein rotes oder gelbes Pulver. Die chemischen Elemente Quecksilber und aus der Luft Sauerstoff haben die chemische Verbindung Quecksilberoxid ergeben! Quecksilber Sauerstoff Quecksilberoxid Hg O HgO Man kann diese Reaktionsverbindung auch wieder rückgängig machen und die Elemente Quecksilber und Sauerstoff erhalten. Synthese 300C Quecksilber Sauerstoff Quecksilberoxid Zerlegung 400C Quecksilberoxid Quecksilber Sauerstoff Atome und Molekühle Wasserverbindungen Atome (atoms griechisch und bedeutet: unteilbar) Atome sind die kleinsten Teilchen der Elemente. Sie sind auf dem chemischen Weg nicht weiter teilbar. (Eine Umwandlung der chemischen Elemente ist nur durch physikalische Vorgänge möglich, beispielsweise durch radioaktiven Zerfall, wobei aus dem Element Uran das Element Blei erhalten werden kann) Jedes Element hat nur seine eigene Art von Atomen. Elemente sind Stoffe, die man nicht mehr durch chemische Reaktionen in andere Stoffe zerlegen kann. Ein Atom ist das kleinste Partikel eines Elements, das alle chemischen Eigenschaften des chemischen Elements verkörpert. Atome sind aus einem positiven Atomkern aufgebaut. In der Atomhülle kreisen negativ geladene Elektronen. Molekühle Ein Molekühl besteht aus zwei oder mehreren Atomen, die miteinander verbunden sind. Sie sind die kleinsten Teile von Verbindungen! Chemische Verbindungen entstehen durch Synthese (zwei oder mehrere Elemente), daher enthalten sie auch zwei oder mehrere Atomarten, denn so kann bei einer chemischen Reaktion nichts verloren gehen. Alle eingesetzten Atomsorten bei einer Verbindung oder Reaktion, finden sich in der neuen Verbindung wieder. Schreibweise in den Formeln (welche Atome vorhanden) Um die Anzahl der einzelnen Atomsorten in einer chemischen Verbindung zu verdeutlichen schreibt man tiefer gestellte Zahlen) in den Formeln. Beispiel Wasser H2O . besteht aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom Kohlenstoffmonoxid CO . besteht aus 1 Kohlenstoffatom und 1 Sauerstoffatom Kohlenstoffdioxid CO2 . besteht aus 1 Kohlenstoffatom und 2 Sauerstoffatom Ammoniak NH3 besteht aus 1 Stickstoffatom und 3 Wasserstoffatomen Man liest die Symbolschreibweise vor, indem man die einzelnen Buchstaben und die Zahlen nacheinander ausspricht: H2O H-2-0 (Hah-Zwei-Oh) Luft (Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase) Edelgase (Argon 0,42%, Neon 0,0018%, Helium 0,00052%, Krypton 0,001%, Wasserstoff 0,00005%, xenon 0,000008%) So viel Stickstoff in der Luft Stickstoff ist ein sehr reaktionsträges Elemnet und dient in keiner Weise der Atmung von Lebewesen. Lebensnotwendiger ist dagegen der Sauerstoff, der zweithäufigste Stoff der Luft. Sauerstoff ist sehr reaktionsfreudig, und es gibt daher auch eine sehr große Zahl von Sauerstoff-Verbindungen auf der Erde. Damit Erklärt sich auch, warum Sauerstoff in so großem Maße in der Erdrinde z.B. in Form von Mineralien oder in Pflanzen und Tieren vorkommt. Typische Reaktionen in und mit Luft Nicht nur Atmung sondern noch andere wichtig chemische Reaktionen gibt es mit Luft Verbrennung Bei einer kontinuierlichen Verbrennung ist es wichtig, dass Luft oder ein bestimmter Luftbestandteil anwesend ist. Kerzen brennen nur, wenn genug Luft vorhanden ist! Ist die Luft durch eine Glasglocke begrenzt, erlischt die Kerze, wenn die Luft verbraucht ist. Genauer gesagt: Wenn 1/5 der Luft verbraucht ist, erlischt die Kerze. 1/5 entspricht 20% Sauerstoffanteil der Luft. Also, ohne Sauerstoff, kann eine Kerze nicht brennen. Die Luftanalyse (Karte 1 von 2) Die Besimmun der einzelnen Bestandteile (qualitative Analyse) Die beteidigten Mengen quantitative Analyse) Luft ist ein Gemisch aus Gase, durch Destillation kann die Luft in ihre Bestandteile zerlegt werden. Die verflüssigung von Luft erreicht man, wenn man auf -140,7C abkühlt und ein Druck von 38,4 Bar ausübt. (kühlt man noch stärker auf -194,4C ab, genügt ein Druck von 1 Bar) Flüssige Luft ist wasserklar und bläulich! Sie wird in Dewar-Gefäßen (Glas-Doppelhohlmantel wie Termoskanne )aufbewahrt. Sie bieten eine sehr gute Wärmeisolierung und nun kann die Luft einer Destillation unterworfen werdfen und in die Bestandteile zerlegt werden. Die Luftanalyse (Karte 2 von 2) Bei -196C reinen Stickstoff -183C reinen Sauerstoff -108C reines Xeon Sind die Destillationsprodukte qualitativ und quantitativ genau bestimmt und ordnet man die Stoffe der am häufigsten vorkommenden Stoff zuerst, dannerhält man die Tabelle auf der Karte 60! Wichtig: Das Kohlendioxid wird nicht flüssig, sondern fest! es friert sich aus! Sauerstoff und seine wichtigsten Verbindungen Sauerstoff O ,das häufigste Element der Erdkruste lateinischer Name: Oxygenium In der Luft der zweithäufigsten Bestandteile Im natürlichem Wasser ist Luft als Gasgemisch enthalten. Die biochemische Selbstreinigung des Flusses und des Seewassers erfolgt durch Bakterien unter Verbrauch von Sauerstoff. Was ist Sauerstoff, welche Eigenschaften? (Karte 1 von 2) Sauerstoff ist ein zweiatomiges Molekül O2, Sauerstoff kann mit einer Vielzahl anderer Elemente und Verbindungen reagieren. Diese chemischen Reaktionen heißen allgemein Oxidationen, wie z.B. das Rosten von Eisen Abbau von Nahrungsmittel (verwesen) Fest werden von Ölfarbe Die durch die Oxydadion entstandenen Reaktionspunkte heißen Oxyde! Beispiel Kohlendioxid: Es ist eines der wichtigsten Reaktionsprodukte, die bei der Umsetztung von Sauerstoff entstehen können. bei der Verbrennung von organischen Stoffen (Holz, Kerze) CO2 Auch in der Natur häufig zu finden, z.B. in der Luft, Mineralquellen oder gebundene Mineralien (Carbonaten) Physikalisch gesehen ist Kohlendioxid ein Gas, 1,5mal schwerer als Luft und läßt sich daher auch in Gefäßen umgießen Was ist Sauerstoff, welche Eigenschaften? (Karte 2 von 2) Mit hilfe von Kohlendioxid kann man Flammen ersticken, deswegen ist er auch als Füllung von Feuerlöschern verwendet setzt man Kohlendioxid mit Wasser um, so erhält man Kohlensäure Kohlendioxid entsteht bei der inneren Atmung (Zellatmung) und ist daher in der Atemluft enthalten Die Pflanzen benötigen CO2 zum Aufbau organischer Substanzen Assimilation! Das Wasser In dicken Schichten über 5 Dicke ist Wasser himmelblau Wasser siedet bei 100C und erstarrt bei 0C Die größte Dichte hat Wasser bei 4C (am schwersten) Ein sehr hohes Lösevermögen und daher das am meisten verwendete Lösungsmittel Wasser besteht aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1 Formel: H2O Sehr reines Wasser erhält man durch Destillation Destilliertes Wasser ist sauberes Wasser, es enthält gegenüber Trinkwasser nur Wasser-Moleküle (Im Trinkwasser sind gelöste Salze, die notwendigen Mineralstoffe des Lebens) Die Zerlegung von Wasser mit dem (Karte 1 von 3) Hofmannschen Wasserzersetzungsapparat Die Zerlegung von Wasser mit dem (Karte 2 von 3) Hofmannschen Wasserzersetzungsapparat Mit elektrolytische Wasserzersetzung! (Trennung durch Strom) Das Gerät wurde im 19. Jahrhundert von A.W.v.Hoffmann entwickelt! Der Apparat besteht aus drei miteinander verbundenen Röhren auf der mittleren Röhre ist ein Trichter zum Füllen die beiden äußeren Röhren sind jeweils oben mit einem Hahn und unten mit einer Platin-Elektrode versehen Experiment: die mittlere Röhre mit Wasser füllen die beiden äußeren unten mit an den Elektroden werden an eine Gleichspannungsquelle (Batterie) angeschlossen durch den Strom entstehen in den äußeren Röhren durch die Reaktion Elektrolyse Gasansammlungen In der einen Röhre befindet sich bei Ende des Versuches ganua doppelt soviel Gas, wie in der anderen Röhre Warum?--- Die Zerlegung von Wasser mit dem (Karte 3 von 3) Hofmannschen Wasserzersetzungsapparat Es sind 2 verschiedene Gase! Aber wo ist welche Gas? Dazu öffnet man den Hahn von der Röhre, wo weniger Gas drin ist und hält ein Streichholz direkt an die Hahnöffnung. Man sieht ein lebhaftes Aufflammen des Streichholzes, es ist der Nachweis von Sauerstoff, weil eine Flamme auf Sauerstoff reagiert. Jetzt öffnet man den Hahn von der anderen Röhre, wo die doppelte Menge an Gas ist und hält ein Streichholz direkt an die Hahnöffnung. Und diesesmal gibt es ein ohrenbetäubenen Knall. Es wurde nämlich Wasserstoff mit Hilfe der Knallgas-Probe nachgewiesen. Wasserstoff (lat. hydrogenium) Wasserbildender Chemisches Zeichen H (Karte 1 von 2) Wasserstoff ist ein Element, das aus Atomen Moleküle bilden kann. Üblicherweise tritt Wasserstoff in seine molekularen Form als H2 auf. Wasserstoff ist das häufigste Element des Weltalls (Jupiter und Saturn bestehen überwiegend aus Wasserstoff) Weltall: 63 Wasserstoff 36 Helium 1 übrige Elemente Am Anfang des Universums gab es nur den Wasserstoff. Die Wasserstoff-Atome sind die am einfachsten aufgebauten kleinsten Atome. Dur die Verschmelzung von Wasserstoff-Atomen (Fusion) entstanden zunächst Heliumatome und aus diesen immer gößere Atomkerne Wasserstoff (lat. hydrogenium) Wasserbildender Chemisches Zeichen H (Karte 1 von 2) Wasserstoff ist ein: 14 mal leichter als Luft und ein: farbloses-, geruchloses-, geschmackloses Gas Die chemischen Eigenschaften: ein an der Luft brennbares Gas (Gemische mit Luft oder Sauerstoff sind sogar explosic (Knallgas) Herstellung von Wasserstoff: Reaktionen von verdünnten Säuren mit Metallen (z.B.Zink) wird Wasserstoff freigesetzt -Wasserdampf mit Kohle- oeder Kokspulver bei höheren Temperaturen erzeug auch Wasserstoff Die chemisch Reaktion der Umsetzung von Wasserdampf mit anderen Elementen oder Verbindungen heißt: Hydrierung Wasserstoff und Helium als Energielieferant In der Sonne findet ständig eine Umwandlung von Wasserstoff in Helium statt. Dabei werden riesige Energiemengen frei, die von der Sonne abgestrahlt werden und uns mit Licht und Wärme versorgen. Auf der Erde kann man die Sonnenwärme in Kollektoren einfangen oder das Sonnenlicht durch Solarzellen in elektrische Energie umwandeln. Die so gewonnene elektrische Energie lässt sich zur Elektrolyse des Wassers verwenden. Der dabei entstehende Wasserstoff wird schon heute zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet. Wasserstoff als Treibstoff Wasserstoff kann direkt als Treibstoff für Verbrennungsmotoren oder durch Zurückverwandlung in elektrische Energie mit Hilfe von Brennstoffzellen, d.h. für Elektroautos verwendet werden. Allerdings ist der mit Sonnenenergie erzeugte Wasserstoff gegenwärtig aus Kostengründen noch nicht konkurrenzfähig, weshalb Wasser vorläufig zum größten Teil aus Erdgas gewonnen wird. In Sachen Umweltschutz ist von Bedeutung, dass Wasserstoff der sauberste Brennstoff ist, da bei seinem Einsatz zur Energiegewinnung als einziges Abfallproduckt Wasser entsteht.