Stoffe und Reaktionen
Stoffgemische und Reinstoffe
Unterscheidung von Stoffen - Stoffeigenschaften
Gleiche Gegenstände aus verschiedenen Materialien (z. B. Kisten) und verschiedene Gegenstände aus dem gleichen Stoff werden gegenübergestellt.
Jeder Stoff hat spezifische Eigenschaften, die ihn charakterisieren, z. B. Härte, Geruch, Farbe, Schmelzpunkt, Siedepunkt, Dichte, Oberflächenglanz, elektrische Leitfähigkeit, Kristallform, Löslichkeit, Brechungsvermögen, Verformbarkeit usw.
Versuche
Schmelzpunkt | (Naphthalin 81°C, Eis 0°C) |
Siedepunkt | (Alkohol 78°C, Wasser 100°C) |
elektrische Leitfähigkeit | Schwefel, Eisen, Kupfer, Zuckerlösung, Kochsalzlösung, Wasser |
Geruch | "chemisches Riechen" demonstrieren - (Benzaldehyd, Ammoniaklösung) |
Löslichkeit | Traubenzucker, Kochsalz, Kohlenstoff in Wasser, Benzin und Alkohol mit tabellarischer Ergebnisprotokollierung: |
Wasser | Alkohol | Benzin | |
Kochsalz | +++ | - | - |
Traubenzucker | ++ | ++ | - |
Kohlenstoff | - | - | - |
Brechungsvermögen | (Zirkonia, Diamant) |
Härte | (Bsp. Graphit, Talk, Diamant) |
Mohssche Härteskala: Ritzhärte
Wird geritzt von: | |
Talk | Fingernagel |
Gips | Fingernagel |
Calcit | Messer |
Fluorit | Messer |
Apatit | Glas |
Orthoklas | Glas |
Quarz | Glas |
Topas | Glas |
Korund | Glas |
Diamant | Glas |
homogene und heterogene Stoffgemische
Stoffgemische treten meist in der Praxis auf, z. B. Granit, Meerwasser.
Homogene Stoffgemische besitzen ein einheitliches Aussehen, z. B. Kochsalzlösung.
Bei heterogenen Stoffgemischen lassen sich verschiedene Bestandteile (Phasen) unterscheiden, z. B. Granit (Feldspat, Quarz, Glimmer).
Heterogene Gemische besitzen homogene Anteile. Diese bezeichnet man als Phasen.
Demnach besteht z. B. Granit aus drei festen Phasen:
Aggregatzustände (Phasen) | fest | flüssig | gasförmig |
fest in | (festes) Gemenge | homogen: Lösung (Destillation) heterogen: Suspension (Filtration) |
Rauch, Staub |
flüssig in | Gel | homogen: Lösung (Destillation) heterogen: Emulsion (Scheiderichter) |
Nebel |
gasförmig in | poröses Material | homogen: Lösung heterogen: Schaum |
Gasgemisch |
Trennung von Stoffgemischen - Gewinnung von Reinstoffen
Trennverfahren anwenden, z. B. bei der Trinkwasseraufbereitung, Erdölverarbeitung
Filtration (Suspensionen trennen)
Versuch
Gemisch aus Kochsalz und Kohlenstoff trennen
Die Trennung werden durch die unterschiedliche Stoffeigenschaften (hier: Löslichkeit) ermöglicht.
Durch Verdunsten des Wassers oder Eindampfen wird das Kochsalz zurückgewonnen. Es gibt noch andere Möglichkeiten: Sedimentation, Dekantieren, Zentrifugieren.
Scheidetrichter (Emulsionen trennen)
Destillation (Lösungen trennen)
Die Destillation ist das Verdampfen und das nachfolgende Kondensieren eines Stoffes.
Versuch
Ein Gemisch aus Wasser, Kochsalz und Kaliumpermanganat destillieren.
Chemische Reaktion
Abgrenzung der chemischen Reaktion vom physikalischen Vorgang
Versuche: Beobachtungen beim Erhitzen von Substanzen
- Halten eines Kupferbleches in eine Flamme → ein schwarzer, blättriger Überzug bildet sich
- Halten eines Magnesiumbandes in die Flamme → unter heller Lichterscheinung verbrennt es
- Erwärmung von Naphthalin → es schmilzt und erstarrt wieder
- Erhitzen von Kupfersulfat → es entweicht eine farblose Flüssigkeit (Wasser), zurück bleibt ein weißer, fester Rückstand. Dieser ergibt wieder Kupfersulfat, wenn unter Erwärmung Wasser hinzugegeben wird.
- auf Möglichkeiten der Energiespeicherung hinweisen! Eigene Untersuchungen? - Nutzung von Sonnenenergie?
Frage
Sind das alles chemische Vorgänge?
Ändert sich bei den Vorgängen nur der Zustand eines Stoffes, so wird dies physikalische Vorgänge genannt (z. B. Lösung, Kristallisation, Aggregatzustansänderungen).
Treten bleibende Änderungen der Stoffe ein, so sind dies chemische Vorgänge. Die Eigenschaften dieser neu entstandenen Stoffe sind anders als die der Ausgangsstoffe!
Reaktion von Kupfer mit Sauerstoff, quantitativ
Frage
Wie erklärt man die Veränderungen des Kupfers beim Erhitzen an der Luft?
(Analogie: Rosten von Eisen)
Deutungsversuche für die Veränderungen beim Erhitzen von Kupferblech an der Luft sammeln
(Massenzunahme oder- abnahme?)
Hypothese: mit Sauerstoff verbindet sich Kupfer zu einem neuen Stoff.
- mit reinem Sauerstoff sollte die Reaktion leichter ablaufen als mit Luft, jedoch nicht mit Stickstoff (Kupfer sollte blank bleiben)
- Sauerstoff sollte verbraucht werden
Versuch
In einem abgeschlossenen Volumen das Kupferpulver mit Sauerstoff erhitzen.
Beobachtung
Reaktion unte Aufglühen - es bildet sich schwarzes Pulver
Volumen nimmt um 22 cm³ ab.
Die Masse des Schiffchens nimmt um 33 mg zu.
Ist die beobachtete Massenzunahme am Kupfer genauso groß wie die Massenabnahme beim Sauerstoff?
Dichte (Sauerstoff) = 1,33 g/l (bei 20°C)
Masse von 22 cm³ Sauerstoff (20°C) berechnen
Ergebnis: 29,3 mg
Ergebnis
Es entsteht eine Verbindung von Kupfer mit Sauerstoff bei der Reaktion von Kupfer mit Sauerstoff:
Kupferoxid.
Grundtypen chemischer Reaktionen: Zusetzung (Analyse), Aufbau (Synthese) und Umsetzung
Wasserstoff | + | Sauerstoff | → | Wasser |
Kupfer | + | Sauerstoff | → | Kupferoxid |
Magnesium | + | Sauerstoff | → | Magnesiumoxid |
Eisen | + | Schwefel | → | Eisensulfid |
Kupfer | + | Schwefel | → | Kupfersulfid |
allgemein gilt: | A + B → AB |
Synthese: eine Verbindung aufbauen, z. B zwei Elemente miteinander vereinen
Elektrolyse
Wasser → Wasserstoff + Sauerstoff
Versuch
Silberoxid erhitzen, durch Glimmspanprobe den entstehenden Sauerstoff nachweisen, am Metallglanz das Silber erkennen.
Silberoxid → Silber + Sauerstoff
Hinweis auf die die Verallgemeinerungsfähigkeit dieser Reaktion (Edelmetall)
allgemein: AB → A + B
Analyse: Verbindung wird zerlegt, z. B. in die Elemente, aus denen die Verbindung entstanden ist.
Viele Reaktionen laufen komplizierter ab:
Versuch
Reaktionen von Magnesium mit Wasserdampf
Magnesiim + Wasser → Magnesiumoxid + Wasserstoff
allgemein: AB + C → AC + B
Umsetzung: Analyse und Synthese werden gekoppelt.
Verbindung und Elemente
Versuch
Elektrolyse des Wassers
Chemische Verbindungen sind in andere Stoffe zerlegbare Reinstoffe.
Chemische Elemente sind nicht weiter zerlegbare Reinstoffe.
Das Element Wasser
Vorkommen
Wasser, Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzin), das am häufigsten vorkommende Element im Weltall (Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium). Von 1000 im Universum vorkommenden Atomen sind 999 Atome Helium oder Wasserstoff. Die leichtesten Elemente sind aus der Uratmosphäre entwichen.
Physikalische Eigenschaften
- farb- und geruchloses Gas , sehr niedriger Siedepunkt -253°C = 20 K
- der leichteste aller Stoffe ist Wasserstoff: Dichte 0,09 g/l (bei 0°C und 1,013 bar)
Chemische Eigenschaften
- Selbst brennbar ist Wasserstoff, die Verbrennung unterhält es jedoch nicht.
Wasserstoff + Sauerstoff → Wasser
Exotherm wird Energie frei.
Versuch
Reaktion von Eisen mit Schwefel
Durchführung
5,6 g Eisenpulver und 3,2 g Schwefelpulver abwiegen und in einer Reibschale gut vermischen.
Das Gemisch in ein trockenes Reagenzglas füllen und oben mit dem Brenner erhitzen.
Das Reagenzglas nach dem Einsetzen der Reaktion sicherheitshalber über eine Porzellanschale halten.
Nachdem die Reaktion abgeklungen und das Reagenzglas halbwegs abgekühlt ist, wird es in einem Becherglas mit kaltem Wasser zerstoßen, um das Reaktionsprodukt freizusetzen.
Beobachtung
Unter starker Wärmeentwicklung glüht das Reaktionsgemisch vollständig durch. Die Masse nach dem Abkühlen ist graubraun und fest.
Ergebnis
Schwefel und Eisen reagieren zu einer chemischen Verbindung:
Eisen + Schwefel = Eisensulfid
Beteiligung von Energie an chemischen Reaktionen
Versuch
Ein Beispiel für eine exotherme Reaktion ist das Verbrennen von Magnesium.
Energieänderungen begleiten alle chemische Reaktionen.
exothermer Vorgang: Energie wird frei
endothermer Vorgang: dauernd Energie zuführen
Beispiel:
Energie wird bei der Bildung einer bestimmten Portion einer Verbindung aus den Elementen freigesetzt. Bei der Zerlegung dieser Verbindungsportion in die Elemente muss diese freiwerdende Energie wieder aufgewendet werden.
Bei chemischen Reaktion können weitere Energieformen auftreten:
- Lichtenergie (z. B. Glühwürmchen)
- mechanische Energie (z. B. Dynamit, Verbrennungsmotor)
- elektrische Energie
Versuche
Reaktion von Zink mit Iod zu Zinkiodid und anschließende Elektrolyse - Motor
Durch anfängliche Energiezufuhr müssen viele exotherme Reaktionen gestartet werden.
(Aktivierungsenergie)
Erklärung der Begriffe stabiler, instabiler, metastabiler Zustand (Kugelmodell).
Metastabiler Zustand der Kohlenstoffverbindungen! (Waldbrand)
Kinetische Deutung: Analogie Zündhölzer und Schachtel.
Modellversuch: Saugheber zur Veranschalichung der Aktivierungsenergie.
Beispiel
Katalysatorwirkung: Aktivierungsenergie herabsetzen
Versuche
Magnesiumband verbrennen
Durchführung
Mit der Tiegelzange Streifen Magnesiumband fassen, entzünden an der Bunsenflamme und über eine feste Unterlage halten. (nicht direkt in das Licht sehen!)
Beobachtung
Mit blendend hellem Licht verbrennt das Magnesium zu einem weißen pulverigen Rückstand.
Ergebnis
In einer exothermen Reaktion verbindet sich das Magnesium mit Sauerstoff zu Magnesiumoxid:
Magnesium + Sauerstoff → Magnesiumoxid
Wichtige Begriffe
Reinstoff | sind aus Teilchen einer Art aufgebaut, besitzen stets gleichbleibende Eigenschaften (z. B. Schmelz- und Siedepunkt, Dichte, Geruch, Farbe) |
Verbindung | chemische Verbindungen bestehen aus mind. zwei miteinander verbunden Teilchen |
Elemente | Reinstoffe, die nur aus einer Atomsorte bestehen |
Stoffgemisch | Gemisch aus mind. zwei Reinstoffen |
homogenes und heterogenes Stoffgemisch |
Homogen: absolut gleichmäßige Verteilung der Reinstoffe (z. B. Salzwasser) Heterogen: ungleichmäßige Zusammensetzung der Reinstoffe (z. B. Granit) |
Legierung | aus zwei festen Reinstoffen bestehendes homogenes Stoffgemisch (z. B. Bronze aus Kupfer und Zinn) |
Lösung | Homogene Stoffgemische verschiedener Stoffe, Zerteilung reicht bis zur Stufe der Moleküle, Atome oder Ionen. |
Gemenge | aus zwei festen Reinstoffen bestehendes heterogenes Gemisch (z. B. Granit) |
Suspension | aus einem festen und einem flüssigen Reinstoff bestehendes heterogenes Gemisch (z. B. Sand und Wasser) |
Emulsion | aus zwei flüssigen Reinstoffen bestehendes heterogenes Gemisch (z. B. Milch aus Fett und Wasser) |
Nebel / Schaum | in einem Gas oder Gasgemisch feinstverteilt sind Flüssigkeitströpfchen eines heterogenen Stoffgemisches |
Rauch | in einem Gas oder Gasgemisch feinstverteilt sind Feststoffteilchen eines heterogenen Gemisches |
Chromatographie | Stofftrennung über zwei Phasen. Eine Phase ist unbeweglich (z. B. Filterpapier) und die andere beweglich (z. B. Wasser) |
Destillation | Trennung eines homogenen Gemisches zweier Flüssigkeiten auf Grund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte durch Verdampfen und anschließendem Kondensieren |
Aggregatzustand | der Zustand eines Stoffes: fest, flüssig, gasförmig |
Sublimation | der Übergang vom festen zum gasförmigen Aggregatzustand ist direkt |
Kondensation | Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand |
Ion | Teilchen sind elektrisch geladen (Atom, Molekül) Kation: Ion ist positiv geladen Anion: Ion ist negativ geladen |