elemente chemie
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elemente chemie Oberstufe Gesamtband für die Einführungsphase und Qualifikationsphase der gymnasialen Oberstufe in Nordrhein-Westfalen Neubearbeitung von Paul Gietz Peter Nelle Carsten Penz Werner Schierle Michael Sternberg Ernst Klett Verlag Stuttgart · Leipzig I n h a lt sv e r z e i c h n i s Rückblick Struktur der Materie Rückblick Chemische Reaktion Rückblick Energie Rückblick Aufgaben 6 8 10 12 < Einführungsphase: Kapitel 1 – 5 1 Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffe 1.1 Kohlenstoff – ein vielseitiges Element 13 14 Das Element Kohlenstoff 1.2 Riesenmoleküle aus Kohlenstoffatomen 1.3 Neue Materialien aus Kohlenstoff 1.4 Exkurs Nanopartikel sind weit verbreitet 1.5 Praktikum Nanochemie 16 18 20 21 Kohlenwasserstoffe 1.6 Methan – Struktur und Eigenschaften 1.7 Die Alkane – eine homologe Reihe 1.8 Eigenschaften der Alkane 1.9 Impulse Lernzirkel: Alkane 1.10 Ethen – ein Alken 1.11 Exkurs Die Vielfalt der Kohlenwasserstoffe 1.12 Durchblick Zusammenfassung und Übung 22 24 26 29 30 32 34 2Organische Stoffe in Natur und Technik 2.1 Vom Alkohol zum Aromastoff 35 36 Alkohole 2.2 Die Herstellung von Alkohol 2.3 Praktikum Alkoholische Gärung 2.4 Der Aufbau des Ethanolmoleküls 2.5 Die homologe Reihe der Alkanole 2.6 Eigenschaften und Verwendung von Alkanolen 2.7 Exkurs Mehrwertige Alkohole 2.8 Exkurs Herstellung von Alkoholen in der Technik 2.9 Impulse Lernzirkel Alkohole 2.10 Alkoholgenuss – Alkoholmissbrauch 2.11 Alkohol im Blut und Gaschromatografie 2.12 Exkurs Wichtige Ether – MTBE und ETBE 38 39 40 42 44 48 50 51 52 54 56 Aldehyde, Ketone und Carbonsäuren 2.13 Oxidationszahlen und Redoxgleichungen 58 2.14 Oxidation von Alkoholen 60 2.15 Praktikum Gewinnung eines Aromastoffes 62 2.16 Aldehyde, Ketone und Carbonsäuren im Überblick 64 2.17 Wichtige Aldehyde und Ketone 66 2.18 Exkurs Die Vielfalt der Kohlenhydrate 68 2.19 Impulse Vom Alkohol zum Katerfrühstück 70 2.20 Essig und Essigsäure 72 2.21 Praktikum Essig im Alltag 74 2.22 Die homologe Reihe der Alkansäuren 75 2.23 Alkansäuren in der Natur und im Alltag 76 2.24 Exkurs Ungesättigte Fettsäuren 77 2.25 Exkurs Carbonsäuren in der Natur 78 2.26 Exkurs Carbonsäuren als Lebensmittel­zusatzstoffe79 2.27 Praktikum Organische Säuren in Lebensmitteln 80 2.28 Exkurs Gewinnung von Citronensäure 81 2.29 Veresterung und Esterspaltung 82 2.30 Praktikum Die Vielfalt der Ester 84 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 2.36 Verwendung der Ester Aromastoffe im Überblick Exkurs Aufbau und Zusammensetzung der Fette Exkurs Bedeutung der Fette Exkurs Eigenschaften der Fette Durchblick Zusammenfassung und Übung 3Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht 3.1 Geschwindigkeit und Gleichgewicht Reaktionsgeschwindigkeit 3.2 Die Geschwindigkeit von Reaktionen 3.3 Exkurs Airbag 3.4 Praktikum Geschwindigkeit von Reaktionen 3.5 Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentration 3.6 Reaktionsgeschwindigkeit und Zerteilungsgrad 3.7 Energieverlauf beim Wechseln eines Bindungs partners 3.8 Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur 3.9 Praktikum Temperatur und Katalysator 3.10 Katalyse 3.11 Exkurs Autoabgaskatalysator 3.12 Exkurs Biokatalysatoren 85 86 88 89 90 92 95 96 98 101 102 103 104 105 106 108 109 112 113 Chemisches Gleichgewicht 3.13 Chemische Reaktion und Gleichgewichts­­ einstellung 3.14 Praktikum Umkehrbarkeit und Gleichgewicht 3.15 Praktikum Gleichgewichtseinstellung im Modell 3.16 Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts 3.17 Exkurs Fließgleichgewichte 3.18 Die Ammoniaksynthese 3.19 Exkurs Fritz Haber 3.20 Das Massenwirkungsgesetz 3.21 Exkurs Aggregatzustände und Gleichgewichte 3.22 Impulse Das MWG im www 3.23 Durchblick Zusammenfassung und Übung 114 116 117 118 122 123 126 127 130 132 133 4 135 Kohlenstoffkreislauf und Klima Kohlenstoffkreislauf 4.1 Der Kreislauf des Kohlenstoffs 4.2 Kohlenstoffoxide und Kohlensäure 4.3 Carbonate und Hydrogencarbonate 4.4 Rund um den Kalk 4.5 Praktikum Kalk und Wasserhärte 4.6 Der Kohlenstoffkreislauf 4.7 Praktikum Versuche mit CO2 4.8 CO2 und die Versauerung der Meere Atmosphäre und Klima 4.9 Atmosphäre und Klima 4.10 Erdatmosphäre und Treibhauseffekt 4.11 Exkurs Landwirtschaft und Böden als Klimafaktoren 4.12 Erneuerbare Energiequellen 4.13 Speicherung – eine Lösung des CO2-Problems? 4.14 Durchblick Zusammenfassung und Übung 136 138 140 142 144 146 149 150 152 154 158 160 164 165 I n h a ltsverz eic hnis Mineralsalze – Düngung – Boden 5 5.1 Mineralsalze in der Landwirtschaft 5.2 Pflanzenwachstum und Düngung 5.3 Sulfate – Salze der Schwefelsäure 5.4 Salpetersäure und Nitrate 5.5 Der Kreislauf des Stickstoffs 5.6 Phosphorsäure und Phosphate 5.7 Der Phosphorkreislauf 5.8 Mineraldünger 5.9 Praktikum Mineraldünger 5.10 Belastung der Umwelt durch Nitrate und Phosphate 5.11 Untersuchung eines Bodens 5.12 Praktikum Untersuchung eines Bodens 5.13 Durchblick Zusammenfassung und Übung < Qualifikationsphase: Kapitel 6 – 11 6Säure-Base-Reaktionen 6.1 Säuren und Basen im Alltag und im Labor 6.2 Die Entwicklung des Säure-Base-Begriffs 6.3 Die Säure-Base-Theorie nach Brønsted 6.4 Die Neutralisationswärme 6.5 Praktikum Neutralisation und Wärme 6.6 Autoprotolyse des Wassers und pH-Wert 6.7 Die Stärke von Säuren und Basen 6.8 Protolysen in Salzlösungen 6.9 pH-Werte von Säurelösungen 6.10 pH-Werte von Basenlösungen 6.11 Exkurs Puffersysteme 6.12 Praktikum Titration mit Endpunktsbestimmung 6.13 pH-metrische Titrationen 6.14 Halbtitration 6.15 Titration und Indikator 6.16 Leitfähigkeitstitration 6.17Praktikum Säuren und Basen in Produkten des Alltags 6.18 Titrationen im Vergleich 6.19 Impulse Konzentrationsberechnungen 6.20 Durchblick Zusammenfassung und Übung 7Elektrochemie 7.1 Mobile Energiequellen 7.2 Oxidation und Reduktion 7.3 Oxidationszahlen 7.4 Impulse Redoxgleichungen 7.5 Praktikum Redoxtitrationen 7.6 Die Redoxreihe 7.7 Galvanische Elemente 7.8 Die elektrochemische Spannungsreihe 7.9 Konzentrationselemente 7.10 Die Nernst-Gleichung 7.11 Impulse Berechnen einer Potentialdifferenz 7.12 Elektrolysen in wässrigen Lösungen 7.13 Quantitative Betrachtung der Elektrolyse 7.14 Gewinnung von Zink 7.15 Gewinnung von Aluminium 167 168 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 183 184 186 187 190 191 192 195 198 200 201 202 205 206 208 209 210 212 214 215 216 219 220 222 224 225 226 228 229 232 236 237 241 242 246 248 249 7.16 7.17 7.18 7.19 7.20 7.21 7.22 7.23 7.24 Batterien Praktikum Primärelemente Akkumulatoren Brennstoffzellen Energiespeicherung Praktikum Brennstoffzellen Korrosion und Korrosionsschutz Praktikum Korrosion und Korrosionsschutz Durchblick Zusammenfassung und Übung 250 252 253 256 258 260 261 264 267 8Organische Verbindungen und Reaktionstypen 8.1 Erdöl – Grundlage für chemische Produkte 8.2 Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Erdöl 8.3Kraftfahrzeugbenzin – Herstellung und Veredelung 8.4 Impulse Molekülstrukturen am Computer 8.5 Halogenierung der Alkane 8.6 Exkurs Radikalische Substitution 8.7Aus Halogenalkanen entstehen Alkohole – SN-Reaktionen 8.8 Exkurs Technische Herstellung von Essigsäure 8.9 Esterbildung und Esterspaltung 8.10 Exkurs Biodiesel 8.11 Impulse Biotreibstoff – pro und contra 8.12 Vom Alkohol zum Alken – Eliminierungsreaktion 8.13 Reaktionen der Alkene – elektrophile Addition 8.14 Vom Isobuten zum MTBE und ETBE 8.15 Durchblick Zusammenfassung und Übung 269 270 272 281 284 285 288 290 291 292 294 296 9Aromaten 9.1 Aromaten und Arzneimittel 9.2 Erforschung des Benzols 9.3 Bindungsverhältnisse im Benzolmolekül 9.4 Mesomerie und Aromatizität 9.5 Exkurs Das Benzolmolekül im Orbitalmodell 9.6 Halogenierung von Benzol 9.7 Reaktionsmechanismen im Vergleich 9.8 Benzolderivate 9.9 Zweitsubstitution an Aromaten 9.10 ASS – ein Jahrhundertarzneimittel 9.11 Praktikum Acetylsalicylsäure 9.12 Dünnschichtchromatografie 9.13 Exkurs Wirkungsweise von Schmerzmitteln 9.14 Impulse Aromaten im Alltag 9.15 Durchblick Zusammenfassung und Übung 299 300 302 304 306 308 311 312 314 316 318 319 320 322 324 325 10Kunststoffe 10.1 Kunststoffe – Werkstoffe nach Maß 10.2 Eigenschaften und Struktur der Kunststoffe 10.3 Kunststoffe durch Polymerisation 10.4 Copolymere 10.5 Kunststoffe durch Polykondensation 10.6 Kunststoffe durch Polyaddition 10.7 Exkurs Verarbeitung von Kunststoffen 10.8 Kunststoffe im Alltag 10.9 Exkurs Verwertung von Kunststoffabfall 327 328 330 332 335 336 338 340 342 346 274 276 278 279 I n h a lt sv e r z e i c h n i s 10.10 Exkurs Silikone 10.11 Exkurs Carbonfasern 10.12 Impulse Biologisch abbaubare Kunststoffe 10.13 Praktikum Herstellung von Kunststoffen 10.14 Durchblick Zusammenfassung und Übung 348 350 351 352 353 11Organische Farbstoffe 11.1 Farbstoffe und Farbigkeit 11.2 Licht und Farbe 11.3 Kolorimetrie und Fotometrie 11.4 Struktur und Farbe 11.5 Exkurs Farbe entsteht im Kopf 11.6 Farbstoffklassen 11.7 Lebensmittelfarbstoffe 11.8 Exkurs Färbeverfahren 11.9 Praktikum Farbstoffe und Färben 11.10 Die Farbstoff-Solarzelle 11.11 Durchblick Zusammenfassung und Übung 357 358 360 362 366 368 369 374 376 378 382 384 < Erweiterung: Kapitel 12 – 14 12Naturstoffe 387 12.1 Aufbau und Eigenschaften der Fette 12.2 Fette als Nährstoffe 12.3 Margarine und Fetthärtung 12.4 Praktikum Fette 12.5 Spiegelbildisomerie und optische Aktivität 12.6 Fischer-Projektionsformeln 12.7 Strukturen der Aminosäuren 12.8 Der isoelektrische Punkt 12.9 Trennung von Aminosäuren 12.10 Impulse Aminosäuren im Alltag 12.11 Peptide und Peptidbindung 12.12 Struktur von Peptiden und Proteinen 12.13 Eigenschaften und Nachweis von Proteinen 12.14 Denaturierung 12.15Impulse Synthese von Proteinen aus der Nahrung 12.16 Bedeutung von Proteinen 12.17 Klassifizierung der Kohlenhydrate 12.18 Glucose und Fructose 12.19 Exkurs Zuckerersatzstoffe 12.20 Maltose, Saccharose, Lactose 12.21 Gewinnung von Rübenzucker 12.22 Exkurs Stärkefolien – Kunststofffolien 12.23 Stärke und Cellulose 12.24 Praktikum Kohlenhydrate 12.25Impulse Kohlenhydrate und Proteine in der Küche 12.26 Nucleinsäuren – vom Gen zum Protein 12.27 Durchblick Zusammenfassung und Übung 13Tenside 433 13.1 Verseifung von Fetten 13.2 Seifen als waschaktive Stoffe 13.3 Der Waschvorgang 13.4 Nachteile von Seifen 388 390 392 393 394 396 398 400 401 402 403 404 407 408 409 410 411 412 415 416 418 419 420 422 424 426 430 434 435 438 439 13.5 13.6 13.7 13.8 Tenside als waschaktive Substanzen Inhaltsstoffe von Waschmitteln Impulse Seifenblasen Durchblick Zusammenfassung und Übung 440 442 446 447 14Komplexverbindungen 14.1 Das Phänomen der Komplexverbindungen 14.2 Komplexe – Struktur und Bindung 14.3Gleichgewichtsreaktionen der Komplexverbindungen 14.4 Praktikum Komplexreaktionen 14.5 Komplexverbindungen in Labor und Technik 14.6 Komplexverbindungen in der Natur 14.7 Durchblick Zusammenfassung und Übung 454 456 458 462 464 Basiskonzepte Struktur-Eigenschafts-Konzept Gleichgewichtskonzept Donator-Akzeptor-Konzept Energiekonzept 465 466 470 472 474 Anhang 476 Zwischenmolekulare Kräfte und chemische Bindung Anhang Zwischenmolekulare Kräfte Anhang Der räumliche Bau von Molekülen Anhang Orbitalmodell – Elektronen als stehende Wellen Anhang Orbitalmodell – Atomorbitale Anhang Orbitalmodell – Molekülorbitale und Hybridisierung Analytik und Spektroskopie Anhang Qualitative Analysemethoden – Überblick Anhang Massenspektrometrie Anhang Infrarotspektroskopie Anhang NMR-Spektroskopie Anhang Röntgenstrukturanalyse 449 450 452 476 478 480 484 487 491 492 494 496 498 Chemikalien: Sicherheit und Entsorgung Anhang Der Umgang mit Chemikalien Anhang Entsorgung von Chemikalienabfällen Anhang Gefahren- und Sicherheitshinweise: H- und P-Sätze 504 Chemisches Rechnen Anhang Größen und Größengleichungen Anhang Potenzen und Logarithmen 506 508 Übersichten und Tabellen Anhang Formeln, Reaktionsgleichungen, funktionelle Gruppen Anhang Isomeriearten – eine Übersicht Anhang Tabellen 510 512 513 Stichwortverzeichnis Bildquellenverzeichnis Periodensystem der Elemente 516 526 530 500 502
