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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

  1. Halten eines Kupferbleches in eine Flamme  → ein schwarzer, blättriger Überzug bildet sich
  2. Halten eines Magnesiumbandes in die Flamme → unter heller Lichterscheinung verbrennt es
  3. Erwärmung von Naphthalin → es schmilzt und erstarrt wieder
  4. 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