Reaktionsgleichungen - Fachdidaktik Chemie ETH

Fachdidaktik Chemie ETH
Stöchiometrie S. 1
Stöchiometrie
Reaktionsgleichungen
Übersetzen
Skizzieren Sie den Aufbau der Substanzen und formulieren Sie die Reaktionsgleichungen:
1. Eisen und Sauerstoff reagieren zu Eisen(III)-oxid.
2. Magnesium und Sauerstoff werden zu Magnesiumoxid.
3. Chlor und Wasserstoff reagieren zu Chlorwasserstoff.
4. Natrium und Chlor werden zu Natriumchlorid.
5. Natriumchlorid bleibt zurück, wenn Meerwasser verdunstet.
6. Kupfer und Schwefel reagieren zu Kupfer(I)-sulfid.
7. Kupfer-Ionen und Sulfid-Ionen werden zu Kupfer(II)-sulfid.
8. Natriumsulfid löst sich in Wasser auf.
9. Wasserstoff und Sauerstoff werden zu Wasserdampf.
10. Wasser verdampft.
Vorschlag
Im Unterricht zeige ich die Aufgabe 1 als Input, darauf lösen die Schülerinnen Aufgabe 2 bis 5 und
dann folgt die Besprechung. Aufgabe 6 bis 11 können in derselben Art bearbeitet werden. Um den
grossen Unterschied zwischen geladenen und ungeladenen Substanzen zu illustrieren, bieten sich
Experimente zu Aufgabe 6 und 7 an.
Frage
Weshalb haben viele Schüler Schwierigkeiten Reaktionsgleichungen aufzustellen?
Lösen Sie die ersten beiden Aufgaben und versuchen Sie die Schwierigkeiten vorauszusagen.
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 2
Fachdidaktik Chemie ETH
Massenerhaltung
1. Zersetzung von Ammoniumdichromat: Vulkanversuch
Beobachtung
Ein Häufchen oranges Pulver speit Feuer und wird zu einem gossen Haufen grüner Krümel. Die
Masse nimmt überraschenderweise ab.
Experimentelles
Thomas Seilnacht schreibt: "Ammoniumdichromat sollte an den Schulen nicht mehr eingesetzt
werden ....... Der toxische Stoff hat ein krebserzeugendes, reprotoxisches und mutagenes
Potential." (http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_adicr.htm, 28.1.2012)
Die folgenden Filme zeigen, wie die Reaktion nicht durchgeführt werden sollte:
http://www.youtube.com/watch?v=SKIFYpQGA8s
http://www.youtube.com/watch?v=DD6uh01X7Gg&feature=related
Wenn die Zersetzung jedoch in einem grossen Rundkolben erfolgt und die Öffnung mit Watte
verschlossen wird, kann das Experiment durchaus demonstriert werden: Im Abzug werden 7 g
Ammoniumdichromat in einem 4 L Rundkolben, der auf 140 °C vorgeheizt ist, mit einem glühenden
Metalldraht gezündet (M. Adelhelm et al., NiU-Chemie 4, S. 37-39, 1993).
Warum nimmt die Masse ab?
Obwohl der grüne Haufen viel grösser ist als das Ammoniumdichromat, ist seine Masse kleiner.
Vermutung: Die Masse nimmt im Verlauf der Reaktion ab, weil Atome mit den Gasen entweichen.
(NH4)2Cr2O7
Amadeus Bärtsch
Cr2O3
+ N2
+ 4 H2O
4. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Stöchiometrie S. 3
2. Bsp. Fällung von Kalk
Weil der Erlenmeyerkolben verschlossen wird, bleiben alle Atome im Gefäss. Die Masse bleibt
erhalten.
Erkenntnis
Massenerhaltung: In Reaktionen werden Atome neu angeordnet und gehen nicht verloren.
Mengenberechnungen
Auf Ihre Haltung kommt es an
Wenn Sie sich entschuldigen, dass die Schüler jetzt leider rechnen müssen, haben Sie bereits
verloren. Theorie ist nur dann ein Problem, wenn sie abgehoben ist und die Schülerinnen den
Aufgaben nicht gewachsen sind.
Als Lehrperson müssen Sie eine positive Haltung zum Unterrichtsgegenstand ausstrahlen. In der
Stöchiometrie sind die Rechnungen einfach und die Aufgabenstellungen überschaubar. Wenige
Überlegungen reichen, damit man dieses Kapitel im Griff hat. Wählen Sie die Aufgaben geschickt
aus und üben Sie so lange, bis die Schülerinnen merken, dass Stöchiometrie einfach ist und sie in
der Prüfung eine gute Note erzielen können. Erfolg ist der beste Motivator.
Schwierigkeiten





Einige Schülerinnen gehen schematisch vor und wissen nicht was sie tun.
Andere haben Ärger mit Koeffizienten (Anzahl Mol) und Indizes (Anzahl Atome im Molekül)
Viele können im Rechner nicht mit den Exponenten von grossen und kleinen Zahlen umgehen.
Einige haben sogar Mühe mit Dreisätzen.
Sie verlieren die Schüler, wenn Sie allzu viele Aufgaben im Plenum lösen.
Die Anzahl der Atome und Moleküle bestimmen
Input: Wie viele Atome enthält ein goldener oder silberner Schmuck eines Schülers.
Vereinfachung: Die Kette oder der Ring besteht nur aus einer Atomsorte.
Schmuck wägen, die Atommasse dem Periodensystem entnehmen und in Gramm umrechnen
wie es unten beschrieben ist.
Lernaufgabe mit Eisennagel und Wassertropfen (auf der nächsten Seite)
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 4
Fachdidaktik Chemie ETH
Wozu Stöchiometrie?
 In welchem Verhältnis müssen die Edukte eingesetzt werden?
 Wie viel Produkt entsteht?
 Die Ausbeute: Wie gut ist das Experiment gelungen?
 Gasexplosionen: Wie wird die Explosion am heftigsten?
 Verstehen, dass homöopathische Mittel eine Heilung ohne Wirkstoff versprechen. Sie sind
derart verdünnt, dass sie kein einziges Wirkstoff-Molekül enthalten.
In welchem Verhältnis müssen die Edukte eingesetzt werden?
In der Eisenwarenhandlung
In der Chemie
Aufgabe 1: Ein Brikett wird verbrannt. Dabei reagiert
Kohle C mit Sauerstoff O2 zu Kohlendioxid.
a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung.
b) Wie viel Sauerstoff wird für die Verbrennung von 500 g
Kohle benötigt?
Reaktionsgleichung: C + O2
CO2
1. Masse der Einzelteile:
1 Kohlenstoffatom wiegt 12 u = 1,99.10-23 g;
1 Sauerstoffmolekül wiegt 5,31.10-23 g
2. Anzahl:
500 g : (1,99.10-23 g) = 2,51.1025 Kohlenstoffatome
=> ebenfalls 2,51.1025 Sauerstoffmoleküle
3. Gesuchte Masse
2,51.1025 . 5,31.10-23 g = 1330 g
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 5
Fachdidaktik Chemie ETH
Der Vergleich mit Schrauben und Muttern stammt aus R. E. Dickerson & I. Geis, Chemie - eine
lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Weinheim, S. 16, 1981. Beispiele aus der
Küche dürften für Schüler lebensnäher sein:
 Oliven und Zahnstocher
 Gedörrte Pflaume, die mit einer Tranche Speck umwickelt und gebacken wird
 Hotdog aus Wienerli und Brot
Ich bin froh um einen Tipp, wenn Sie eine gute Idee haben.
Input: An Hand der ersten Aufgabe die Ähnlichkeit zur Situation mit den Schrauben und Muttern
herausarbeiten und die Lösung diskutierten.
Lernaufgaben
Aufgabe 2: Ethen C2H4 reagiert mit Wasserstoff H2 zu Ethan C2H6.
a) Wie viel Wasserstoff wird für die Reaktion von 9,3 g Ethen benötigt? (Resultat: 0,66 g)
b) Zeigen Sie mit Lewisformeln, wie sich die Moleküle verändern. Für schnelle Schülerinnen.
Aufgabe 3: Wenn Wein zu Essig wird, läuft eine chemische Reaktion ab: Ethanol CH 3CH2OH und
Sauerstoff reagieren zu Essigsäure CH3COOH und Wasser.
a) Wie viel Sauerstoff wird für die Reaktion von 22,9 g Ethanol benötigt? (Resultat: 15,9 g)
b) Wie viel Essigsäure entsteht aus 22,9 g Ethanol? (Resultat: 29,9 g)
c) Zeigen Sie mit Lewisformeln, wie sich die Moleküle verändern. Für schnelle Schüler.
Aufgabe 2b und 3c kann ohne weiteres weggelassen werden. Reaktionsgleichungen genügen.
Die Aufgabe 2 zeigt, dass die Zahl der vorhandenen Moleküle durch die Reaktion verkleinert wird,
weil aus zwei Edukten nur ein Produkt gebildet wird. Viele Schülerinnen haben die
Massenerhaltung akzeptiert und sehen deshalb nicht ein, warum sich die Zahl der Moleküle in
einer Reaktion ändern kann.
Die Aufgabe 3b leitet zum nächsten Fragestellung über: Wie viel Produkt kann im besten Fall
entstehen? Es macht nichts, wenn die Schüler diese Aufgabe nicht lösen können. Sie haben sich
mit der Aufgabe befasst und sind froh, wenn das Vorgehen in der nächsten Aufgabe gezeigt wird.
Wie viel Produkt entsteht?
Input
Aufgabe 4: Ethin C2H2 und Chlorwasserstoff HCl reagieren zu Vinylchlorid C2H3Cl
a) Wie viel C2H3Cl kann im besten Fall aus 173 g Ethin und 180 g Chorwasserstoff entstehen?
(Resultat: 308 g)
b) Zeigen Sie mit Lewisformeln, wie sich die Moleküle verändern.
Lösung:
Reaktionsgleichung: C2H2 + HCl
C2H3Cl
1. Masse der Einzelteile:
1 Molekül C2H2 wiegt 26 u = 4,32.10-23 g;
1 Molekül HCl wiegt 36,45 u = 6,05.10-23 g;
1 Molekül C2H3Cl wiegt 62,45 u = 1,04.10-22 g
2. Anzahl:
173 g : (4,32.10-23 g) = 4.1024 C2H2-Moleküle
Überschuss
180 g : (6,05.10-23 g) = 3.1024 HCl-Moleküle
=> maximal 3.1024 C2H3Cl-Moleküle
3. Gesuchte Masse
3.1024 . 1,04.10-22 g = 308 g Vinylchlorid entstehen im besten Fall.
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 6
Fachdidaktik Chemie ETH
Bildliche Erklärung zum Überschuss:
Aufgaben, die die Schüler selber lösen
Aufgabe 5: Ethanol CH3CH2OH und Essigsäure CH3COOH werden zu Essigsäureethylester
CH3COOCH2CH3 und Wasser. Diese Reaktion wird als Veresterung bezeichnet.
a) Wie viel Essigsäureethylester entsteht aus 23 g Ethanol und 20 g Essigsäure?
(Resultat: 29,3 g)
b) Zeigen Sie mit Lewisformeln, wie die sich die Moleküle verändern.
Aufgabe 6: Erinnern Sie sich an den Vulkanversuch? Wir haben 7 g oranges Ammoniumdichromat
(NH4)2Cr2O7 mit einer glühenden Nadel in einen feuerspeienden Vulkan verwandelt und grünes
Chrom(III)-oxid blieb übrig. Wie viel Chrom(III)-oxid entsteht aus 7 g Ammoniumdichromat?
(NH4)2Cr2O7
Cr2O3
+ N2
+ 4 H2O
(Resultat: 4,2 g)
Aufgaben mit stöchiometrischen Koeffizienten
Input
Demonstration: Ein Schälchen mit Brennsprit oder Spirituosen anzünden und über einer
feuerfesten Unterlage ausleeren.
Aufgabe 7: Wie viel Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung von 7,7 g Ethanol CH3CH2OH?
(Resultat: 14,7 g)
Lösung:
1. Masse der Einzelteile:
1 Ethanolmolekül wiegt 46 u = 7,64.10-23 g;
1 Kohlendioxidmolekül wiegt 44 u = 7,3.10-23 g
2. Anzahl:
7,7 g : (7,64.10-23 g) = 1,01.1023 Ethanolmoleküle
Aus einem Ethanolmolekül entstehen zwei Kohlendioxidmoleküle.
Aus 1,01.1023 Ethanolmolekülen bilden sich 2,02.1023 Kohlendioxidmoleküle
3. Gesuchte Masse
2,02.1023 . 7,3.10-23 g = 14,7 g
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Stöchiometrie S. 7
Lernaufgaben zum Treibhauseffekt
Aufgabe 8: Wie viel Kohlendioxid entsteht, wenn ein Auto von Thalwil nach Chur fährt?
Fiat 500: 4,6 L (=3,2 kg) Diesel C15H32 für 110 km
(Resultat: 10 kg)
Audi Q7: 16 L (11,4 kg) Benzin C8H18 für 110 km
(Resultat: 35 kg)
Aufgabe 9: Grüne Pflanzen verbrauchen Kohlendioxid. Stichwort Photosynthese. Dabei reagiert
Kohlendioxid mit Wasser zu Sauerstoff und Traubenzucker C6H12O6
a) Eine 100-jährige Buche assimiliert an einem Sonnentag etwa 12 kg Traubenzucker. Wie viel
Kohlendioxid verschwindet dabei aus der Luft? (Resultat: 17,6 kg)
b) Wie lange braucht die Buche um die Menge Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu nehmen,
die bei der Verbrennung von 11,4 kg Benzin frei wird? Benützen Sie dazu das Resultat der
Aufgabe 8. (Resultat: 2 Tage)
Skizze: Eine Buche braucht 2 Tage um die Menge Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu
entnehmen, die ein Audi Q7 freisetzt, der 110 km weit fährt
Empfehlungen
 Ich würde nur einen Lösungsweg zeigen. Wenn clevere Schüler die Aufgaben einfacher lösen,
habe ich natürlich nichts dagegen.
 Reaktionen mit Molekülen sind einfacher zu veranschaulichen als wenn Salze beteiligt sind.
 Nicht zu viele Aufgaben im Plenum vorlösen. Die Schülerinnen müssen sich selbständig mit den
Aufgaben auseinandersetzen.
 Folgendes Vorgehen hat sich bewährt: Lehrperson macht einen Input vor. Schüler lösen
ähnliche Aufgaben. Wer nicht fertig wird, beendet die Arbeit zu Hause
In der folgenden Lektion ausführliche Lösungen verteilen (aber nicht besprechen), einen
nächsten Input vormachen, wieder selbständig üben und Fragen zu den letzten und den
aktuellen Aufgaben individuell beantworten. usw.
 Wenn die Schülerinnen die Rechnungen beherrschen und eine gewisse Routine erlangt haben
ist es Zeit, die Stoffmenge Mol vorzustellen und die Rechnungen zu vereinfachen.
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 8
Fachdidaktik Chemie ETH
Lösungen zu den Aufgaben ohne "mol"
Aufgabe 1
Aufgabe 2
Reaktionsgleichung: C + O2
CO2
Reaktionsgleichung: C2H4 + H2
C2H6
1. Masse der Einzelteile
1 Kohlenstoffatom wiegt 12 u = 1,99.10-23 g;
1 Sauerstoffmolekül wiegt 32 u = 5,31.10-23 g
1. Masse der Einzelteile
C2H4 28 u = 4,65.10-23 g;
H2 2 u = 3,32.10-24 g
2. Anzahl
500 g : (1,99.10-23 g) = 2,51.1025 C-Atome
=> ebenfalls 2,51.1025 Sauerstoffmoleküle
2. Anzahl
9,3 g : (4,65.10-23 g) = 2.1023 C2H4-Moleküle
=> ebenfalls 2.1023 H2-Moleküle
3. Gesuchte Masse
2,51.1025 . 5,31.10-23 g = 1330 g
3. Gesuchte Masse
2.1023 . 3,32.10-24 g = 0,66 g
Aufgabe 3
Aufgabe 4
CH3CH2OH + O2
CH3COOH + H2O
C2H2 + HCl
C2H3Cl
1. Masse der Einzelteile
CH3CH2OH 46 u = 7,64.10-23 g;
O2 32 u = 5,31.10-23 g
CH3COOH 60 u = 9,96.10-23 g
1. Masse der Einzelteile
C2H2 26 u = 4,32.10-23 g;
HCl 36,5 u = 6,05.10-23 g
C2H3Cl 62,5 u = 1,04. 10-22 g
2. Anzahl
22,9 g : (7,64.10-23 g) = 3.1023 Moleküle
2. Anzahl
173 g : (4,32.10-23 g) = 4,0.1024 C2H2-Moleküle
180 g : (6,05.10-23 g) = 3,0.1024 HCl-Moleküle
=> 3.1024 C2H3Cl-Moleküle
Wenn das eine Edukt aufgebraucht ist, kann kein
Produkt mehr gebildet werden
3. Gesuchte Masse
3.1023 . 5,31.10-23 g = 15,9 g Sauerstoff
3.1023 . 9,96.10-23 g = 29,9 g Essigsäure
3. Gesuchte Masse
3,0.1024 . 1,04. 10-22 g = 308 g C2H3Cl
Aufgabe 5
Aufgabe 6
(NH4)2Cr2O7
Cr2O3
+ N2
+ 4 H2O
Masse der Einzelteile
(NH4)2Cr2O7 252 u = 4,18.10-22 g
Cr2O3
152 u = 2,52.10-22 g
Anzahl
7 g : (4,18.10-22 g) = 1,67.1022
Gesuchte Masse
1,67.1022 · 2,52.10-22 g = 4,2 g
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 9
Fachdidaktik Chemie ETH
Aufgabe 7
CH3CH2OH + 3 O2
Ethanol
Aufgabe 8
2 CO2 + 3 H2O
Kohlendioxid
1. Masse der Einzelteile:
1 Ethanolmolekül wiegt 46 u = 7,64.10-23 g;
1 CO2-Molekül wiegt 44 u = 7,3.10-23 g
2. Anzahl:
7,7 g : (7,64.10-23 g) = 1,01.1023 CH3CH2OH
Aus einem Ethanolmolekül entstehen zwei
Kohlendioxidmoleküle.
Aus 1,01.1023 Ethanolmolekülen bilden sich
2,02.1023 Kohlendioxidmoleküle
3. Gesuchte Masse
2,02.1023 . 7,3.10-23 g = 14,7 g
Aufgabe 8
Aufgabe 9
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
Masse der Einzelteile
C6H12O6 180 u = 3,0.10-22 g
CO2
44 u = 7,30.10-23 g
Anzahl
Traubenzucker 12'000 g : (3,0.10-22g) = 4,0.1025
=> 6 . 4,0.1025 = 24.1025 Kohlendioxid-Moleküle
Gesuchte Masse
2,4.1026· 7,30.10-23 g = 17'600 g = 17,6 kg
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 10
Fachdidaktik Chemie ETH
Die Stoffmenge 1 mol
Aufgaben
1. Wie viele Atome sind in 12 g Kohlenstoff enthalten?
2. Wie viele Moleküle kommen in 92 g Toluol C7H8 vor?
3. Wie viele S8-Moleküle gibt es in 256 g Schwefel?
Warum ergeben sich in alle drei Beispielen 6,02·1023 Teilchen (Atome oder Moleküle)?
Kohlenstoff
Toluol
12 g
12
б1,66б10-24
= 6,02б1023
g
Schwefel
92 g
-24
92 б1,66б10
= 6,02б1023
g
256 g
-24
256 б1,66б10
S S
= 6,02б1023
g
S S
S
S
S
S
S
S
S S
S
S
S S
CCC
CCC
S S
S S
S
S
S
S
S
S
S S
S
S
S S
S S
S S
S
S
S
S
S
S
S S
S
S
S S
Merke
 Die Menge einer Substanz, deren Masse in Gramm gleich ihrer Molekülmasse ist, enthält
6·1023 Moleküle.
 So wie 1 Dutzend für 12 Stück steht, ist 1 mol die Abkürzung für 6,02·1023 Teilchen.
 Da die Teilchen verschieden sind, muss die Masse von 1 mol verschieden sein.
Aufgaben: Mit "mol" sind die Rechnungen einfach
Input: im Plenum vormachen
1. Kohlendioxid und Wasser reagieren zu Kohlensäure H 2CO3
a) Wie viel Gramm Wasser werden für die Reaktion mit 14.7 g Kohlendioxid benötigt?
Resultat: 6 g Wasser
b) Wie viel Gramm Kohlensäure entsteht aus 14.7 g Kohlendioxid?
Resultat: 20,7 g Kohlensäure
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Stöchiometrie S. 11
Aufgaben
2. Zink und Schwefelsäure reagieren zu Zinksulfat und Wasserstoff.
a) Wie viel Schwefelsäure H2SO4 muss für die Reaktion mit 13 g Zink eingesetzt werden?
Resultat: 19,5 g Schwefelsäure
b) Wie viel Wasserstoff entsteht aus 13 g Zink?
Resultat 0,4 g Wasserstoff
3. Calcium reagiert mit Wasser zu Calciumhydroxid und Wasserstoff. Wie viel Calciumhydroxid
entsteht aus 60 g Calcium?
Resultat: 111 g Calciumhydroxid
4. Wird Kalk (=Calciumcarbonat) stark erhitzt, so wandelt sich Calciumcarbonat in Calciumoxid
und Kohlendioxid um. Wie viel Calciumoxid und wie viel Kohlendioxid entstehen aus 50 g Kalk?
Resultat: 28 g Calciumoxid und 22 g Kohlendioxid
Input: im Plenum vormachen
5. Formaldehyd CH2O wird verbrannt. Wie viel Kohlendioxid entsteht aus 60 g Formaldehyd und
96 g Sauerstoff?
Resultat: 88 g Kohlendioxid
Aufgaben
6. Magnesium und Brom reagieren zu Magnesiumbromid. Wie viel Gramm Magnesiumbromid
kann im besten Fall aus 24 g Magnesium und 40 g Brom entstehen?
Resultat: 46 g Magnesiumbromid
7. Eisen(II)-Ionen und Sulfid-Ionen reagieren zu Eisen(II)-sulfid. Wie viel Gramm Eisen(II)-sulfid
kann aus 111,7 g Eisen(II)- und 16 g Sulfid-Ionen maximal entstehen?
Resultat: 44 g Eisen(II)-sulfid
Bemerkungen
 Es sind viele Beispiele mit einfachen Zahlen aufgeführt, die den Schülern Routine geben und
sie überzeugen sollen, wie einfach die stöchiometrischen Rechnungen mit mol werden.
 Aufgabe 1 als Input vormachen. Dann lösen die Schülerinnen & Schüler Aufgabe 2 bis 4.
Wahrscheinlich sind sie erfolgreich. Es lohnt sich ein Blatt mit den ausführlichen Lösungen
bereit zu haben. So kann auf eine langwierige Besprechung verzichtet werden und die wenigen
Schüler, die Mühe hatten, erhalten trotzdem die Möglichkeit, ihre Arbeit mit dem korrekten
Lösungsweg zu vergleichen.
 Aufgabe 5 eignet sich als nächsten Input. Mit einer Skizze kann der Überschuss gut erklärt
werden:
Aus 2 Molekülen Formaldehyd und 3 Molekülen Sauerstoff können höchstens 2 Kohlendioxidmoleküle entstehen. Ein Sauerstoffmolekül bleibt übrig.
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 12
Fachdidaktik Chemie ETH
 Wenn die Masse mehrerer Edukte gegeben ist, setzen Sie mit Vorteil das erste Edukt im
Überschuss ein. Schülerinnen, die die Aufgaben nicht durchschauen, benützen oft die erste
Zahl und rechnen daraus die Masse der Produkte aus. Dieser Tipp ist in Aufgabe 6 und 7 zu
sehen.
Die Reaktionsgleichungen
1. CO2(g) + H2O(l)
H2CO3(aq)
Bem: Kohlensäure kann nicht in reiner Form isoliert werden. Es entsteht, wenn Kohlendioxid ins
Wasser gelangt.
2. Zn + H2SO4
ZnSO4 + H2
3. Ca(s) + 2 H2O(l)
4. CaCO3(s)
Ca(OH)2(s) + H2(g)
CaO(s) + CO2(g)
5. CH2O(g) + O2
6. Mg(s) + Br2(l)
7.
Fe2+(aq)
CO2(g) + H2O(g)
MgBr2 (s)
S2-(aq)
+
FeS(s)
2+
Bem: Eine Lösung von Fe und eine Lösung von S2- werden gemischt. FeS fällt als schwer
lösliches Salz aus.
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 13
Fachdidaktik Chemie ETH
Lösungen zu den Rechnungen mit "mol"
1.
2.
CO2(g)
+
H2O(l)
H2CO3(aq)
44 u
14,7 g = 1/3 mol
18 u
1/3 mol = 6 g
62 u
1/3 mol = 20,7 g
Zn
2 H2SO4
ZnSO4
+
65,4 u
13 g = 0,20 mol
3.
Ca(s)
98,1 u
0,20 mol = 19,5 g
+
5.
2 H2O(l)
Ca(OH)2(s)
CaO(s)
100,1 u
50 g = 0,5 mol
56,1 u
0,5 mol = 28 g
+
30 u
60 g = 2 mol
6.
Mg(s)
+
24,3 u
24 g = 1 mol
Überschuss
7.
Fe2+(aq)
55,85 u
111,7 g = 2 mol
Überschuss
Amadeus Bärtsch
+
H2(g)
74,1 u
1,5 mol = 111 g
CaCO3(s)
CH2O(g)
H2
2u
0,2 ml = 0,4 g
40,1 u
60 g = 1,5 mol
4.
+
+
+
CO2(g)
44 u
0,5 mol = 22 g
O2
CO2(g)
32 u
96 g = 3 mol
Überschuss
44 u
2 mol = 88 g
Br2(l)
MgBr2(s)
159,8 u
40 g = 0,25 mol
184,1 u
0,25 mol = 46 g
S2-(aq)
FeS(s)
32,06 u
16 g = 0,5 mol
87,9 u
0,5 mol = 44 g
+
H2O(g)
4. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Stöchiometrie S. 14
Die Ausbeute: Wie gut ist das Experiment gelungen?
Demonstration: Magnesiumband an der Luft verbrennen. Masse vorher und nachher wägen.
Auswertung: Warum ist die Ausbeute so gering?
Antwort: Ein Teil des Magnesiumoxids ist an der Tiegelzange zu sehen. Der grössere Teil
wurde als Rauch im Zimmer verteilt.
Labor: Der Laborunterricht kann viel Einsicht bringen. Zum Beispiel bei der Synthese von Aspirin.
Die Schüler können am Ende das selber hergestellte Aspirin wägen, die Ausbeute bestimmen
und damit überprüfen, wie gut sie gearbeitet haben. Weil sie nach der Umkristallisation über
100 % Ausbeute erhalten, entsteht ein intellektueller Konflikt. Erst nach dem Trocknen im
Exsikkator steht das Resultat fest: Es gibt deutlich weniger als 100 % und man kann erklären,
wo die Verluste entstehen.
Anleitung: http://fdchemie.pbworks.com/w/page/47875789/Labor%20im%20Grundlagenfach
Das molare Volumen von Gasen
Warum Wasserstoff steigt und Kohlendioxid sinkt
Einleitung mit einem Experiment: Eine Kerze erlischt in Kohlendioxid und in Wasserstoff:
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 15
Fachdidaktik Chemie ETH
Das Experiment mit Wasserstoff ist in "Chemie
heute SI" genauer beschrieben (Wolfgang
Asselborn und andere (Herausgeber), Chemie
heute SI, Schroedel, Hannover, S. 115, 2001).
Ich verwende einen 500 ml Messzylinder.
Innendurchmesser 5 cm, Länge 25 cm.
Im Periodensystem von Schroedel sind Dichte und Atommasse verzeichnet. Damit kann das
molare Volumen von Gasen auf einfache Weise berechnet werden:
Bildliche Darstellung
Mit einem Drahtwürfel ein Volumen von 24 Litern zeigen.
Erkenntnis: Je grösser die Molekülmasse, desto grösser ist die Dichte der Gase.
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Stöchiometrie S. 16
Gasexplosionen
Wasserstoff explodiert
Ein Film vom Ende des Luftschiffs Hindenburg zeigt, dass Wasserstoff brennt. Ein länglicher Ballon
wird mit Wasserstoff aufgeblasen, wie ein Zeppelin an 2 Stativen befestigt und mit einer Kerze, die
an einem langen Stab befestigt ist, entzündet. Ein gewaltiger, nicht unangenehmer Knall
erschüttert das Zimmer.
Unangenehm wird es, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff gemischt und entzündet wird. Die
Explosion ist viel heftiger und schmerzt in den Ohren. Deshalb sollte nur wenig Knallgas entzündet
werden.
Experimentelles
Am einfachsten wird eine Plastikflasche von 50 ml Volumen mit Wasserstoff gefüllt. Dann werden
17 ml Sauerstoff mit einer Wegwerfspritze, die mit einem dünnen Gummischlauch versehen ist, in
die Plastikflasche gegeben. Eine genauere Gasmischung, in der die Gase unter Wasser eingefüllt
werden, ist nicht nötig.
Empfehlung: Volumen der Plastikflaschen nicht erhöhen. Der Experimentator sollte einen
Gehörschutz tragen.
(nach B. Steffen, Gefahrlose Zündung explosionsfähiger Gasgemische, PdN-Ch. 8/42, S. 5f., 1993)
Erdgas explodiert
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Stöchiometrie S. 17
Fachdidaktik Chemie ETH
Explosivstoffe
Schwarzpulver
Kaliumnitrat, Schwefel und Kohlenstoff werden bei der Explosion zu
Kaliumsulfid, Kohlendioxid und Stickstoff.
Aufgabe:
a) Reaktionsgleichung formulieren
b) Alle Aggregatzustände bestimmen und begründen
c) Wie viel Kaliumnitrat und Kohle reagieren mit 0,26 g Schwefel?
Lösung:
16 KNO3 + S8 + 24 C
8 K2S + 24 CO2 + 8 N2
Schwarzpulver besteht aus Feststoffen. Bei der Reaktion entstehen heisse Gase, die viel Platz
beanspruchen, einen hohen Druck erzeugen und die Explosion hervorrufen. Kaliumsulfid ist fest
und als weisser Rauch zu sehen. Es gab der Westernserie "Rauchende Colts (Original:
Gunsmoke)" den Titel.
Optimale Mischung:
S8
KNO3
C
256 g = 1 mol
1 mol = 101 g
1 mol = 12 g
0,26 g = 0,00102 mol Schwefel
0,016 mol = 1,64 g Kaliumnitrat
0,024 mol = 0,29 g Holzkohle
Experiment:
Vorsicht: kleine Mengen und offene Gefässe verwenden. Immer Schutzbrille tragen. Ob Sie eine
Schutzscheibe einsetzen, müssen Sie selber entscheiden.
Schwefel, Kaliumnitrat und Holzkohle, wenn nötig einzeln im Mörser pulverisieren, im oben
angegebenen Verhältnis mischen in einer feuerfesten Glasschale entzünden. Am einfachsten ist es
wenn die Schale von unten mit dem Bunsenbrenner erwärmt wird.
Gekauftes Schwarzpulver ist viel eindrücklicher, weil es viel schneller reagiert.
Knallkörper: Wenig (!) Schwarzpulver auf ein Papier geben, eine Zündschnur ins Schwarzpulver
legen und so gut wie möglich im Papier einwickeln. Das Papier mit viel Klebstreifen verstärken. Im
Freien entzünden. Mindestens 3 m Abstand. Resultat: einige Sprengsätze knallen laut, andere
fliegen ein Stück weit, weil das Gas aus einem Loch entweichen kann.
Mit einigem bürokratischen Aufwand können Schwarzpulver und Zündschnüre in
Waffengeschäften erworben werden.
Empfehlung: Nicht alle haben Freude an Explosionen. Weder die Schülerinnen und Schüler noch
die Kolleginnen. Deshalb mit Knallen nicht übertreiben und nie grosse Mengen einsetzen.
Nitroglycerin und TNT
"Explosivstoffe – Energie aus dem Zerfall" Text aus Schroedel, Chemie heute SII, S. 291 (1998)
lesen, Reaktion bei Herstellung und Explosion diskutieren.
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Stöchiometrie S. 18
Übung 3: Prüfungen korrigieren
Sie erhalten die erste Prüfung im Grundlagenfach. Der Chemieunterricht begann Mitte August.
Nach 13 Lektionen mussten die Schüler die erste Prüfung über Stoffteilchen und Atome schreiben.
Zu Beginn der Prüfung wurde das Thermoskop demonstriert. Die Schülerinnen und Schüler sahen
dieses Gerät zum ersten Mal.
Prüfungsstoff
A Stoffteilchen, die sich bewegen
1.1. Die Aggregatzustände
1.2. Beobachtungen und ihre Deutung
1.3. Substanzen im Teilchenmodell darstellen: Rotweinessig, Öl, Salatsauce, Milch, Sirup,
Tinte, Wasserfarbe, Luft und Heissluftballon.
Transparente Mischungen sind homogen. Trübe Gemische sind heterogen und enthalten
Tröpfchen oder Partikel.
B Atome
2.1. Das Modell von Dalton:
2.2. Das Modell von Rutherford
2.3. Kräfte zwischen elektrischen Ladungen
Moleküle sind lediglich als Kalottenmodelle und Strukturformeln bekannt. Schalenmodell und
Lewisformeln wurden noch nicht vorgestellt.
Amadeus Bärtsch
4. März 2016
Fachdidaktik Chemie ETH
Stöchiometrie S. 19
Aufträge
1. Erstellen Sie eine Lösung der Prüfung und geben Sie an, wie Sie die Aufgaben bewerten.
Für die 1. Aufgabe sollen 5 Punkte vergeben werden, für die 2. Aufgabe 3 Punkte, für die
3. Aufgabe 4 Punkte, für die 4. Aufgabe 4 Punkte, für die 5. Aufgabe 3 Punkte und für die
6. Aufgabe 5 Punkte. Auch eine Notenskala darf nicht fehlen.
Wenn Sie möchten, können Sie die Aufgaben von Hand lösen und einscannen.
2. Korrigieren Sie die 6 Arbeiten und geben Sie Noten. Nehmen Sie die korrigierten Prüfungen in
die nächste Fachdidaktik mit. Sie werden Korrektur und Bewertung mit den Kolleginnen
vergleichen. Deshalb lohnt es sich die Überlegungen bei der Korrektur stichwortartig
festzuhalten.
3. a) Wie beurteilen Sie die Aufgaben? Sind die Aufgaben sinnvoll, zu einfach, zu schwierig,
repräsentativ für den Stoff usw.?
b) Welche Aufgaben sind zu wenig klar gestellt? Bitte verbessern Sie die Formulierung.
Erwartung: Dokument von 1 bis 2 Seiten Länge, das kleiner als 2 MB ist. Am liebsten im WordFormat, im Notfall als PDF.
Abgabe von Auftrag 1 und 3 bis spätestens Donnerstag, 10. März 2016, 14 Uhr per Mail an
[email protected].
Amadeus Bärtsch
4. März 2016