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NORDRHEIN-WESTFALEN
CHEMIE
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PRISMA
7|8
HINWEISE UND LÖSUNGEN FÜR LEHRER
Klett
1. Auflage, 2003
Von diesen Vorlagen ist die Vervielfältigung für den eigenen
Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind
abgegolten.
© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2003.
Internetadresse: http://www.klett-verlag.de
Alle Rechte vorbehalten.
Die Lösungen und Hinweise wurden von den Autoren des
Schülerbandes erstellt.
Grafiken: Joachim Hormann, Stuttgart; Klaus Joas,
Remshalden; Karin Mall, Berlin; Tom Menzel, Rohlsdorf
ISBN 3-12-068501-1
Inhaltsverzeichnis
Sicherheit beim Experimentieren
4
Der Gasbrenner – ein wichtiges Laborgerät
Werkstatt: Einfache Glasgeräte – selbst hergestellt
Strategie: Wir erstellen eine Laborordnung
Verhalten im Fachraum Chemie
Der Umgang mit Chemikalien
Werkstatt: Der Kresse-Wachstumstest
Werkstatt: Feuergefährliche Flüssigkeiten
Werkstatt: Rohrreiniger – echt ätzend
Schlusspunkt
4
5
5
6
7
7
8
9
10
Stoffe und ihre Eigenschaften
11
Werkstatt: Wir untersuchen Stoffe
Mit den Sinnen und einfach bestimmbare
Stoffeigenschaften
Werkstatt: Wir messen die elektrische
Leitfähigkeit von Stoffen
Messbare Stoffeigenschaften
Werkstatt: Wir bestimmen die Dichte
Die Dichte – eine messbare Stoffeigenschaft
Aggregatzustände und ihre Übergänge
Werkstatt: Die Änderung von Aggregatzuständen
Werkstatt: Steckbrief von Trinkalkohol
Die Stoffeigenschaften von Metallen
Zeitpunkt: Goldmacher und Goldsucher
Schlusspunkt
11
12
12
13
13
14
15
16
16
17
18
Trennen und Mischen
19
Stoffgemische und Reinstoffe
Stofftrennung durch Eindampfen und Destillieren
Werkstatt: Wir trennen Stoffe
Brennpunkt: Müll – Rohstoff oder Abfall?
Stofftrennung durch Filtrieren, Sedimentieren
und Dekantieren
Trinkwassergewinnung und Abwasserreinigung
Stofftrennung durch Chromatografieren
Werkstatt: Simulation einer Dialyse
Schlusspunkt
19
20
20
21
11
22
22
23
23
24
Modelle und Modellbegriff
25
Zeitpunkt: Vorstellungen vom Aufbau der Stoffe
Werkstatt: Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen
Das Kugelteilchenmodell
Zeitpunkt: Erste Abschätzungen der Teilchengröße
Schlusspunkt
25
25
26
27
28
Die chemische Reaktion
29
Werkstatt: Kartoffelpuffer und Apfelmus
Werkstatt: Kupfer-Rot und Schwefel-Gelb
Die chemische Reaktion
Werkstatt: Aktiv machen – womit?
Zerlegung und Bildung von Wasser
Werkstatt: Der elektrische Strom zerlegt Wasser
Platin wirkt als Katalysator
Schlusspunkt
29
29
30
31
32
33
33
34
Brand und Brandbekämpfung
35
Werkstatt: Versuche mit einer Kerze
Bedingungen einer Verbrennung
Brennpunkt: Waldbrand
35
36
37
Brennpunkt: Feurige Ratschläge
Brandklassen und Brandbekämpfung
Werkstatt: Wir bauen ein Feuerlöschmodell
Schlusspunkt
37
38
39
40
Luft und Oxidation
41
Werkstatt: Wir verbrennen Stoffe
Verbrennung – eine chemische Reaktion
Werkstatt: Luft reagiert mit Kupfer
Die Rolle des Sauerstoffs bei der Verbrennung
Werkstatt: Experimente mit Luftbestandteilen
Verbrennung – eine Oxidation
Die Oxidation von Metallen
Werkstatt: Metalle oxidieren unterschiedlich stark
Schnelle und langsame Oxidationen
Werkstatt: Saure und alkalische Lösungen
Wässrige Lösungen von Oxiden
Luftverschmutzung und Maßnahmen zur Luftreinigung
Schlusspunkt
41
41
42
42
43
44
45
45
46
47
48
49
50
Reduktion und Redoxreaktion
51
Die Reduktion
Die Redoxreaktion
Werkstatt: Wir stellen Kupfer her
Die Gewinnung von Wasserstoff durch Reduktion
Zeitpunkt: Lavoisier beweist die Natur des Wassers
Wasserstoff – ein Stoff mit außergewöhnlichen Eigenschaften
Brennpunkt: Wasserstoff als Energieträger
Der Hochofenprozess – ein Redoxvorgang
in der Technik
Zeitpunkt: Der Hochofenprozess verändert die Welt
Lexikon: Stahl
Das Thermitverfahren
Schlusspunkt
51
52
52
53
53
Die chemische Zeichensprache
59
Das Gesetz von der Erhaltung der Massen
Werkstatt: Werden Stoffe „leichter“ oder „schwerer“?
Die chemische Reaktion als Umgruppierung
von Teilchen
Brennpunkt: Bestimmung der Atommassen
Die Zeichensprache des Chemikers
Die Wertigkeit von Atomen
Die Reaktionsgleichung
Werkstatt: Reaktionsgleichungen spielerisch erstellen
Brennpunkt: Massenverhältnisse von
Teilchen in Reaktionen
Schlusspunkt
59
59
60
60
61
61
62
62
Alkane und fossile Brennstoffe
64
Werkstatt: Wir untersuchen Erdölbestandteile
Fraktionierte Destillation des Erdöls
Methan – der Hauptbestandteil des Erdgases
Werkstatt: Gewinnung von Biogas
Kohlenwasserstoffe bilden eine Reihe
Rund um die Tankstelle
Benzinverbrennung und Drei-Wege-Kat
Werkstatt: Wir untersuchen Feuerzeuggas
Alkene – reaktionsfähige Crackprodukte
Schlusspunkt
64
65
66
66
67
68
68
69
69
70
54
55
56
57
57
58
58
63
63
3
Sicherheit beim Experimentieren
Der Gasbrenner – ein wichtiges Laborgerät
Zusatzinformationen
Versuche
1
2
4
Die rauschende Flamme ist am heißesten. Bei ihr ist das
Glühen des Magnesiastäbchens am intensivsten. Bei der
leuchtenden Flamme ist das Glühen am schwächsten.
Bei der rauschenden Flamme ist das Glühen im Bereich
des äußeren Flammenkegels recht stark, während sich
im inneren Bereich der Flamme kein Glühen zeigt. Das
stärkste Glühen - und damit die höchste Temperatur zeigt sich an der Spitze des Innenkegels der rauschenden Flamme.
Zum Erhitzen der Wasserportion ist die nicht leuchtende
Flamme am besten geeignet. Bei der leuchtenden Flamme dauert das Erhitzen zu lange, außerdem ist die Gefahr des Verrußens gegeben; bei der rauschenden
Flamme erfolgt das Erhitzen zwar in der kürzesten Zeitspanne, jedoch ist die Gefahr des Verspritzens durch
Siedeverzug relativ groß. Bei Verwendung der nicht
leuchtenden Flamme kann das Erhitzen der Wasserportion kontrolliert und trotzdem noch schnell genug erfolgen.
Bevor mit dem Experimentieren begonnen wird, sollte die
Funktion des Gasbrenners genau bekannt sein. Nützlich ist
es dabei auch, den Schülern eine Schnittzeichnung des
Gasbrenners anfertigen und diese beschriften zu lassen.
Schnittzeichnung eines Teclubrenners
Sicherheit beim Experimentieren
Werkstatt: Einfache Glasgeräte − selbst hergestellt
Versuche
Strategie: Wir erstellen eine Laborordnung
Zusatzinformationen
1
Beim Brechen des Biegerohrs besteht bei unsachgemäßer Ausübung die Gefahr, sich durch splitterndes Glas zu
verletzten. Es muss deshalb unbedingt darauf geachtet
werden, dass die Hände durch ein stärkeres Tuch geschützt werden und immer vom Körper weg gearbeitet
wird.
Die von den Schülern erstellte Laborordnung kann im Laufe
der Zeit weiter ergänzt werden. Werden z.B. in der Jahrgangsstufe 9 „Säuren und Lauge“ besprochen, kann der
Bereich „Ätzende Stoffe“ weiter ergänzt werden. Bei der
Behandlung der Kohlenwasserstoffe kann der Bereich „Feuergefährliche Flüssigkeiten“ ergänzt werden, usw.
2
Beim Rundschmelzen besteht die Gefahr des Verbrennes, wenn das Glasrohrstück zu lange in die Flamme
gehalten wird. Die Schüler müssen deshalb darauf hingewiesen werden, das Glasrohr bei zu starker Erwärmung sofort aus der Hand zu nehmen und auf einer feuerfesten Unterlage abzulegen. Besteht der Schülerarbeitstisch aus Laborkeramik, kann der Tisch als Unterlage dienen. Die Gefahr des Verbrennens kann durch Verwendung hitzebeständiger Handschuhe verringert werden.
Die Schülerinnen und Schüler sind darauf hinzuweisen,
dass sie das Glasrohr beim Rundschmelzen ständig drehen müssen, um eine Tropfenbildung durch abschmelzendes Glas zu vermeiden.
Die Schülerinnen und Schüler können die Laborordnung
auch durch Bilder ergänzen, die z.B. das richtige Verhalten
beim Experimentieren darstellen.
3
Das Biegen eines Winkelrohres erfordert vom Schüler viel
Geschick. Beim Biegen muss gleichzeitig eine Zugbewegung zu beiden Enden hin erfolgen, um eine Stauchung
des Biegerohrs im Winkelbereich zu vermeiden.
4
Scharfkantige Stellen der Tropfpipette können mithilfe
eines feinen Schleifpapiers oder durch kurzes Erhitzen in
der Brennerflamme abgrundet werden. Beim Erhitzen in
der Brennerflamme ist jedoch die Gefahr des Zuschmelzens der kleinen Öffnung recht groß.
5
Sicherheit beim Experimentieren
Verhalten im Fachraum Chemie
Versuche
1
Rechnerisch müsste man beim Pipettieren von 5-mal
jeweils 2 ml ein Ergebnis von 10 ml erwarten. In der Regel wird das Ergebnis jedoch geringfügig abweichen.
Schüler können mögliche Fehlerquellen dabei selbstständig erfassen, z.B. Ablesefehler an der Skala der Messpipette, Verlust einiger Tropfen beim Transport der Wasserportion vom Becherglas in den Messzylinder. Auch
das richtige Ablesen an der Skala (am unteren Meniskus
der nach unten gewölbten Wasseroberfläche vgl. Grafik)
muss bei diesem Versuch geübt und beachtet werden.
2
Es wird eine Tropfenzahl von 20 Tropfen ermittelt.
6
Sicherheit beim Experimentieren
Der Umgang mit Chemikalien
Zusatzinformationen
Es bietet sich zur Einführung der Thematik an, verschiedene
Haushaltschemikalien mit in den Unterricht zu bringen, die
mit unterschiedliche Gefahrensymbolen gekennzeichnet sind.
Da viele Etikette nicht alle relevanten Sicherheitsangaben
enthalten, kann im weiten Verlauf auf das Etikett des Grillanzünders in Bild 1 zurückgegriffen werden. Auf diesem
Etikett sind alle notwendigen Angaben enthalten:
Name: Zündix-Grillanzünder (Erdöldestillate)
Gefahrensymbol: Symbol für Gesundheitsschädlich
Kennbuchstabe: Xn
Gefahrenbezeichnung: Gesundheitsschädlich
R-Sätze: R65
S-Sätze: S2; S23; S24; S62
Werkstatt: Der Kresse-Wachstumstest
Versuche
Beim Einsatz der unterschiedlichen Haushaltschemikalien ist
auch deren Einstufung nach der Gefahrstoffverordnung zu
beachten. Die Schüler sollten sich aufgrund der Gefahrensymbole und der R- und S-Sätze auf den Etiketten über die
Gefährlichkeit informieren und Schutzmaßnahmen vorschlagen (z.B. Schutzhandschuhe, Schutzbrille verwenden).
Die meisten Haushaltschemikalien wirken sich negativ auf
den Keimungsprozess und das Wachstum von Kresse aus.
Sie gehören deshalb häufig in die Gruppe umweltgefärdender
Stoffe. Um die mit dem Einsatz von Haushaltschemikalien
verbundenen Umweltgefährdungen möglichst gering zu halten, bieten sich umweltverträgliche Alternativmittel an, z.B.
bei Verunreinigungen Scheuerpulver auf Mineralstoffbasis
anstelle chemisch wirkender Mittel oder bei Verstopfungen
mechanischer Hilfsmittel statt chemischer Abflussreiniger
verwenden.
Versuchsergebnis: Die mit Chemikalien versehenen Kressesamen wachsen nicht oder langsamer.
7
Sicherheit beim Experimentieren
Werkstatt: Feuergefährliche Flüssigkeiten
2
Versuche
1
Wegen des Benzolgehaltes darf unter keinen Umständen
Tankstellenbenzin für die Versuchsdurchführung verwendet werden. Um eine Gesundheitsgefährdung durch Bezindämpfe zu vermeiden, ist es ausreichend, nur einige
Tropfen Benzin in die Abdampfschale zu geben.
Um eine zu starke Erhitzung der Abdampfschale, und
damit ggf. ein Zerspringen, zu vermeiden, sollten die
Schüler angehalten werden, sofort nach dem Messen der
Übersprungsstrecke die Benzinflamme mit einer kleinen
Platte zu löschen.
Versuchsergebnis: Bei langsamer Annäherung der
Flamme ist eine Übersprungsstrecke von mehreren Zentimetern zu messen.
Aufgaben
Aufgaben
Zu Versuch 1:
Benzin ist eine feuergefährliche Flüssigkeit, die leicht entzündet. Beim Experimentieren mit Benzin sollten Feuerquellen
möglichst entfernt bzw. weit weg gestellt werden.
8
Um bei diesem Versuch die ungefähre Flammtemperatur
von Brennspiritus (ca. 12 °C) zu bestimmen, müssen die
Schüler relativ schnell experimentieren, da sich die Temperatur des kalten Brennspiritus schnell der Zimmertemperatur angleicht. Es empfiehlt sich daher, den Brennspiritus im Kühlschrank möglichst stark abzukühlen und erst
kurz vor der Versuchsdurchführung aus dem Kühlschrank
zu holen.
Den Schülern muss erklärt werden, dass der brennende
Holzstab zügig über die Öffnung für die Zündprobe gestrichen werden muss, um eine lokale Erwärmung in diesem Öffnungsbereich zu vermeiden.
Sollten Magnetrührer in der Sammlung vorhanden sein,
wäre der Einsatz dieser Rührer für die Versuchsdurchführung von großem Vorteil, weil in diesem Fall eine gute
Durchmischung des Brennspiritus erfolgt.
Versuchsergebnis: Die Flammentemperatur von Brennspiritus beträgt ca. 12 °C.
Zu Versuch 2:
1 Je niedriger die Flammtemperatur eines Stoffes ist, desto
feuergefährlicher ist dieser Stoff.
2
In diesem Fall muss ein anderes Löschmittel, z.B. ein
Kohlendioxidlöscher oder Löschsand zur Verfügung stehen. Wird z.B. brennendes Öl oder brennendes Fett mit
Wasser gelöscht, dann wird der Brandherd dadurch erheblich vergrößert.
Sicherheit beim Experimentieren
Werkstatt: Rohrreiniger – echt ätzend!
Aufgaben
Versuche
1
Die Schüler müssen angehalten werden, das Rohrreiniger-Gemisch möglichst schnell zu trennen, da das hygroskopische Natriumhdydroxid durch Feuchtigkeitsbildung schnell zu einer Verklumpung des Gemisches führt.
Eine Trennung des Gemisches wäre in diesem Falle sehr
schwierig. Es kann erwartet werden, dass die Schüler experimentell drei Stoffgruppen finden: glänzend-glasige
Bestandteile, die rasch feucht werden (Natriumhydroxid);
weiße Bestandteile, die nicht feucht werden (meistens
Natriumnitrat, wird benötigt, um Wasserstoff in Ammoniak
zu überführen) und metallische Bestandteile (meistens
Aluminiumpartikel).
Aufgaben
Zu Versuch 2:
1 Das Becherglas dient dazu, im Falle des Überschäumens
den Rohrreiniger aufzufangen. Das Becherglas ist eine
zusätzliche Sicherheitseinrichtung.
2
Versuche
3
Zu Versuch 1:
Die Verschlusskappe muss schnell wieder aufgeschraubt
werden, weil der Rohrreiniger Feuchtigkeit anzieht und deshalb schon nach kurzer Zeit verklumpen würde.
Versuche
2
Es muss darauf geachtet werden, dass wirklich nur ein
Spatellöffel Rohrreiniger eingefüllt wird, da die Temperatur sonst leicht über 100 °C ansteigen kann, und damit
die Gefahr durch Verätzung mit heißer Lauge besteht. Es
sollte vor der Versuchsdurchführung kontrolliert werden,
ob das Becherglas als Auffanggefäß auch richtig positioniert ist, damit im Falle eines Überschäumens kein Schaden angerichtet wird.
Aufgrund der heftigen exothermen Reaktion bereits von
einem Spatellöffel Rohrreiniger, muss die Dosierungsempfehlung von einem Esslöffel eher kritisch gesehen
werden. Je nach Art und Grad der zu beseitigenden Verstopfung kann die Dosierung u.U. auch erheblich geringer
erfolgen.
Beim Speiseöl ist eine Schaumbildung zu beobachten
(Verseifung), Haare und Wollfäden quellen nach einiger
Zeit deutlich auf.
Aufgaben
Zu Versuch 3:
1 Das Tragen von Schutzbrillen ist notwendig, weil es sich
beim Rohrreiniger um einen ätzendes Stoffgemisch handelt.
2
Gelangt Rohrreiniger in das Auge, muss mit viel Wasser
ausgespült und ein Arzt aufgesucht werden.
9
Sicherheit beim Experimentieren
Ferner sollten Sicherheitshinweise aufgeführt sein, z.B.:
S2: Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen
S7: Behälter dicht geschlossen halten
S16: Von Zündquellen fernhalten – nicht rauchen
S46: Beim Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen
und Verpackung oder Etikett vorzeigen.
Schlusspunkt
Aufgaben
1
NOT-Aus-Schalter: Alle Strom- und Gaszuführungen
können mit diesem Schalter mit einem Druck unterbrochen werden.
Feuerlöscher: Kleine Brände können mit einem Feuerlöscher bekämpft werden.
Feuerlöschdecke: Durch Einhüllen brennender Personen mit einer Feuerlöschdecke können die Flammen erstickt werden.
Augendusche: Chemikalien, die in das Auge gelangt
sind, können mit einer Augendusche ausgespült werden.
Erste-Hilfe-Kasten: Kleine Verletzungen können mit
Erste-Hilfe-Materialien behandelt werden.
Telefon (Notruf): Mit den Telefonnummern 110 für Polizei und 112 für Feuerwehr kann Hilfe herbeigerufen werden.
2
In der Regel werden als Schutzausrüstung Laborbrille
und Schutzhandschuhe verwendet.
3
Eine Labor-Schutzbrille unterscheidet sich von einer
normalen Sehbrille durch die Seitenklappen. Diese sollen
verhindern, dass Spritzer von der Seite in das Auge gelangen können.
4
5
6
7
In einem Gefahrfall ist es häufig sehr entscheidend, dass
möglichst schnell gehandelt wird. Deshalb ist es wichtig,
dass jeder im Fachraum die Lage des Not-Aus-Schalters
genau kennt und im Gefahrfall auch bedienen kann. Da
auch die Lehrkraft einen Unfall erleiden kann, ist es wichtig, dass auch Schüler den Not-Aus-Schalter kennen und
bedienen können.
Einige Grundregeln für den sachgemäßen Umgang mit
Chemikalien sind z.B.: Chemikalien niemals mit den Fingern anfassen (Spatel oder Spatellöffel verwenden);
Chemikalien stets sparsam einsetzen, einmal entnommene Chemikalien nicht wieder in das Chemikaliengefäß zurückgeben (Chemikalien könnten verunreinigt sein); beim
Ausgießen einer Flüssigkeit sollte die Hand das Etikett
umfassen (an der Flasche herunterlaufende Tropfen
könnten sonst das Etikett beschädigen).
a) Siedesteinchen dienen dazu, Siedervezug zu verhindern. Der Einsatz von Siedesteinchen verhindert die
Bildung von größeren Dampfblasen, die zum Herausspritzen von Flüssigkeit aus dem Reagenzglas führen
können.
b) Beim Erhitzen von Flüssigkeiten im Reagenzglas darf
dieses niemals auf andere Personen gerichtet sein,
da Füssigkeit aus dem Reagenzglas herausspritzen
kann.
Das Etikett sollte das Gefahrensymbol für „leicht entzündlich“ (Flammensymbol) enthalten, den Kennbuchstaben
„F“ sowie die Gefahrenbezeichnung „leicht entzündlich“.
Nach der Verordnung brennbarer Flüssigkeiten (VbF)
muss der Spiritusreiniger in die Gefahrklasse B (Flammtemperatur unter 21 °C, mit Wasser mischbar) eingestuft
werden und deshalb die Kennzeichnung „VbF B“ enthalten.
10
8
a) An dem Gefahrensymbol ist zu erkennen, dass es
sich um eine ätzende Flüssigkeit handelt. Beim Entsorgen dieser Flüssigkeit sollten Schutzhandschuhe
und Schutzbrille getragen werden, da der Stoff zu
Verätzungen führen kann.
b) Nicht mehr identifizierbare Stoffe sollten vorsichtshalber als Problemabfall entsorgt werden.
9
a) Bestandteile des Gasbrenners sind: Brennerfuß,
Gasregulierung, Einstellschraube für die Luftregulierung, Gasdüse und Brennerrohr.
b) Gasbrenner anschließen (darauf achten, dass der
Gasschlauch fest mit dem Brenner und der Gasentnahmestelle verbunden ist), Luftzufuhr schließen,
Gaszufuhr am Brenner öffnen und das austretende
Gas sofort entzünden (sonst können sich explosive
Gas-Luft-Gemische bilden), anhand der Luftregulierung die gewünschte Flamme einstellen.
10 a) Zone 1: ca. 800 °C, Zone 2: ca. 1200 °C, Zone 3:
ca. 300 °C.
b) Die rauschende Flamme ist für viele Versuche zu
heiß. Deshalb wird in der Regel mit der nicht leuchtenden Flamme gearbeitet.
11 a) Mit dem Gasbrenner können leuchtende, nicht
leuchtende und rauschende Flammen eingestellt
werden.
b) Beim Erhitzen einer Flüssigkeit sollte die nicht leuchtende Flamme eingestellt werden. Die rauschende
Flamme führt zu einer sehr starken Erhitzung, so dass
die Flüssigkeit aus dem Reagenzglas spritzen kann.
Die leuchtende Flamme dagegen ist nicht heiß genug
und führt außerdem zur Rußbildung.
c) Bei einer Experimentierpause sollte die leuchtende
Flamme eingestellt werden, weil diese gut zu sehen
und nicht so heiß ist wie die beiden anderen Flammentypen.
12 Bei brennbaren Flüssigkeiten ist die Brandgefahr besonders hoch. Deshalb werden diese in Spezialschränken
gelagert, die im Brandfall eine längere Zeit dem Feuer
widerstehen können.
13 a) Das Gefahrensymbol für umweltgefährliche Stoffe
weist auf die besondere Gefahr dieser Stoffe für die
Natur hin. Stoffe, die mit diesem Symbol gekennzeichnet sind, sind schädlich für Gewässer, Boden,
Luft und für Organismen.
b) Das Gefahrensymbol ist nicht immer eindeutig, so
wird z.B. das Totenkopf-Symbol sowohl für giftige als
auch für sehr giftige Stoffe, das Flammensymbol sowohl für leicht entzündliche als auch für hoch entzündliche Stoffe verwendet. Zur eindeutigen Kennzeichnung wird neben dem Gefahrensymbol deshalb
noch die Gefahrenbezeichnung (z.B. giftig oder sehr
giftig) angegeben.
Stoffe und ihre Eigenschaften
Werkstatt: Wir untersuchen Stoffe
3
Versuche
1
Geruchswahrnehmung
Essig
säuerlich, scharf
Zimt
aromatisch, würzig
Stoff
Aussehen
Pfeffer
scharf bis beißend
Kochsalz
weiß, kristallin (körnig)
Parfüm
aromatisch
Zucker
weiß, kristallin (körnig)
Kochsalz
geruchlos
Kupfer
rotbraun und metallisch
glänzend
Eisen
grau und metallisch glänzend
Essig
farblos, durchsichtig
(transparent), flüssig
Wachs
farblos (sofern ohne
Farbstoffzusatz), fest
Citronensäure
farblos (weiß), kristallin
(körnig)
Zimt
beige bis braun, pulvrig
Kunststoff
farblos (sofern ohne
Farbstoffzusatz), fest
Gummi
zumeist rötlich (je nach
Farbzusatz), fest
Glas
farblos, durchsichtig
(transparent), fest
Wasser
farblos, durchsichtig
(transparent), flüssig
Holz
2
Stoff
4
Mit den Sinnen und einfach bestimmbare
Stoffeigenschaften
Versuche
1 und 2
braun (Tönung je nach
Holzart), fest
a)
Stoff
a) Der Metallstab wird schneller warm. Metall ist also ein
besserer Wärmeleiter als Glas.
b) Bei diesem Versuch kann nur verglichen werden,
wenn Becher gleicher Größe und Wandstärke genommen werden.
Versuchsergebnis: Der Metallbecher wird von außen
schneller warm als ein Kunststoffbecher. Metalle leiten also die Wärme besser als nicht metallische
Stoffe.
Ertastete Wahrnehmung
Stoff/Farbe und Glanz
Härte, Verformbarkeit
Eisen: grau, glänzend
hart, glatt, verformbar, kalt
Kupfer: rotbraun, glänzend
hart, glatt, verformbar, kalt
Schwefel: zitronengelb
weich, rau, spröde, warm
Kohlenstoff: schwarz
pulvrig, rau, spröde, warm
Gummi: zumeist rötlich
elastisch, weich, warm
Glas: farblos, durchsichtig
hart, kalt, fest
Kochsalz: weiß
spröde, körnig
3
Zucker
hart, körnig
Kupfer
hart, kalt, glatt
Stoff
Geruchseindruck
Eisen
hart, kalt, glatt
Alkohol
Holz
relativ hart, warm, rau
aromatisch, süßlich (alkoholisch)
Wachs
weich, warm, glatt
Wasser
geruchlos
Gummi
weich (elastisch), warm,
rau
Parfüm
aromatisch (fruchtig, blumig, süßlich...)
Münze
hart, kalt, glatt
Essig
säuerlich, beißen
Kreide
hart, relativ rau und eher
warm
Versuchsergebnis: Alle Metalle fühlen sich kalt, hart und
glatt an (Kupfer, Eisen, Münze) – Wachs, Gummi und
Holz hingegen warm (schlechte Wärmeleiter).
b) und c) Eisen ritzt Kupfer und ist somit härter als dieses.
Beide Metalle ritzen Kandiszucker, Kreide, Holz und
Wachs an (nach abnehmender Ritzhärte / Härtegrad geordnet).
11
Stoffe und ihre Eigenschaften
Werkstatt: Wir messen die elektrische
Leitfähigkeit von Stoffen
Messbare Stoffeigenschaften
Versuche
Versuche
1
Eisen und Kupfer bringen im Versuch das Lämpchen zum
Leuchten. Holz, Kreide, Glas und Papier leiten den elektrischen Strom nicht (Nichtleiter, Isolatoren).
2
Ersatzweise können z.B. zwei Kupferelektroden verwendet werden, dürfen sich aber bei den Versuchen in der
Flüssigkeit nie berühren (Kurzschluss).
Versuchsergebnis: Destilliertes Wasser und Zuckerwasser leiten den elektrischen Strom nicht – Salzwasser leitet
den elektrischen Strom.
1
Wie in Bild 2 ersichtlich, ist die Löslichkeit von Kochsalz
von der Temperatur relativ unabhängig (bei +20 °C beträgt die Löslichkeit 35,8 g / 100 g Wasser). Bei Alaun
(Kaliumaluminiumsulfat-12-hydrat) steigt sie mit der Temperatur stark an (bei 20 °C beträgt die Löslichkeit 12,0 g /
100 g Wasser, bei 80 °C 195,0 g / 100 g Wasser).
Durch Hinweis auf Bild 2 kann gefolgert werden: Die Löslichkeit von Salzen in Wasser steigt in der Regel mit der
Temperatur des Lösungsmittels Wasser an.
2
Die Messung (alle 15 Sekunden) sollte beendet werden,
wenn sich die Temperatur des Wassers über 2 Minuten
lang nicht mehr ändert. Die Siedetemperatur ist erreicht,
wenn die Temperatur über längere Zeit konstant bleibt.
Zusatzinformationen
Die Messwerte können in einem Zeit-Temperatur-Diagramm
eingetragen werde (vgl. S. 36 im Buch). Dabei entsteht im
Idealfall eine stetig steigende Grade, die zur Siedetemperatur
hin in die Waagrechte übergeht.
Aufgaben
1
a) Zum Erfassen der Brennbarkeit benötigt man eine
Feuerquelle (z.B. Streichholz, Bunsenbrenner, Feuerzeug, Funkenerzeuger). Voraussetzung ist, dass die
Versuche an der Luft stattfinden.
b) Zur Erfassung der Wasserlöslichkeit benötigt man als
Hilfsmittel neben Wasser eine Waage (Löslichkeitsangabe in g Stoff pro 100 g Wasser) sowie ein Gefäß
(z.B. Becherglas) und einen Spatel (bzw. Löffel oder
Pipette).
c) Zur Ermittlung der Verformbarkeit benötigt man als
Hilfsmittel neben den eigenen Händen ggf. Zange,
Hammer oder Schraubstock.
2
In Meerwasser lässt sich weiteres Salz lösen. Wenn die
Löslichkeit von Stoffen mit steigender Temperatur zunimmt (vgl. Bild 2), so müssten die Meersalze bei Abkühlung der Meere auskristallisieren. Meerwasser kann
daher nur eine ungesättigte Lösung sein.
Zusatzinformationen
Zu Aufgabe 2:
Zur Verdeutlichung dieser Aufgabe empfiehlt sich neben dem
Verweis auf Bild 4 ein Lehrerversuch, in dem heiße, gesättigte Alaunlösung abgekühlt wird. Das einzige Meer, an dem
sich abkühlendes Meerwasser auch ohne Verdunstung Salzkrusten bildet, ist das Tote Meer in Israel.
3
12
Man gibt Eis in ein Glasgefäß und erwärmt dieses. Mithilfe des Thermometers wird in regelmäßigen Abständen
die Temperatur abgelesen. Ist die Hälfte des Eises geschmolzen wird die Schmelztemperatur abgelesen.
Stoffe und ihre Eigenschaften
Werkstatt: Wir bestimmen die Dichte
Die Dichte – eine messbare Stoffeigenschaft
Versuche
1
Das Volumen der Einheitswürfel beträgt V = 1 cm3.
Das Volumen der quadratischen Säule beträgt
V = 1 cm x 1 cm x 6 cm = 6 cm3.
Die Dichte von Kupfer ist ρ = 8,9 g/cm3.
2
Die Dichte einer Murmel ist etwa ρ = 2 g/cm3.
Die Dichteberechnung bei den Versuchen mit 3,5 oder
10 Murmeln, dürften aufgrund von Messfehlern (speziell
beim Ablesen des Volumens) voneinander etwas abweichen.
3
Die Dichte des Plastilins schwankt um den Wert
ρ = 2 g/cm3 ( je nach Hersteller).
Aufgaben
Versuche
1
Kubikzentimeter-Würfel sind im Handel erhältlich. Sie
können bezogen werden über Aug. HEDINGER GmbH &
Co., Chemikalien und Lehrmittel, Postfach 60 02 62,
70302 Stuttgart (Wangen). Einige wichtige Werte zur
Dichte lassen sich auch aus der Tabelle (Bild 3) entnehmen.
2
Die Dichte eines unregelmäßig geformten Körpers wird
berechnet, indem man die Masse in Gramm durch das
ermittelte Volumen in Kubikzentimeter (Milliliter) dividiert.
3
Die Dichte von Flüssigkeiten lässt sich auf diese Weise
sehr rasch ermitteln. 10 Milliliter entsprechen 10 Kubikzentimeter. Zur Berechnung der Dichte dividiert man die
Masse der Flüssigkeit in Gramm durch 10 Kubikzentimeter (Milliliter).
Bei sorgfältiger Arbeitsweise sollten die zu zeichnenden
Kurven Geraden sein, die bei Verlängerung nach links durch
den Koordinatenursprung verlaufen. Sie stellen Geraden für
proportionale Beziehungen dar. Masse und Volumen von
Stoffportionen desselben Stoffes sind proportional zueinander. Weil die Dichte eines Stoffes unabhängig von Form
und Größe der Stoffportion stets gleich ist, müssen die
Punkte aus den jeweiligen Masse- und Volumenwerten eines
Stoffes stets auf einer solchen Geraden durch den Koordinatenursprung liegen.
13
Stoffe und ihre Eigenschaften
Aggregatzustände und ihre Übergänge
Zusatzinformationen
Versuche
1
Am kalten Reagenzglasrand setzt sich kondensierender
Wasserdampf als Belag oder in kleinsten Tröpfchen ab.
2
Auch hier wird Dampf am wassergekühlten Uhrglas abgekühlt, jedoch bildet sich sofort ein „Iodbart“ (festes Iod).
Ioddampf kondensiert beim Abkühlen nicht zu einer Flüssigkeit, sondern wird kristallin (Resublimation).
Zusatzinformationen
Zu Versuch 2:
Wegen zunehmender Iodallergie kann der Versuch auch mit
Iod in einem zugeschmolzenen Glasröhrchen durchgeführt
werden.
14
Die Änderung von Aggregatzuständen kann mithilfe von
Bildern eingeübt werden. Die Schüler müssen dabei die
Fachbegriffe zur Beschreibung der Aggregatzustände und
deren Übergänge eintragen.
Stoffe und ihre Eigenschaften
Werkstatt: Die Änderung von Aggregatzuständen
Versuche
1
2 Man verfährt hier analog zu Versuch 1. Man beendet den
Versuch, wenn die Temperatur nach 8 bis 10 Messwerten
gleich bleibt.
Bei vorsichtigem Erwärmen erhält man am Diagramm gut
ablesbar die Schmelztemperatur.
Der Gasbrenner sollte beim Schmelzvorgang in die Hand
genommen werden (am Fußrand anfassen) und langsam
hin und her bewegt werden.
Zusatzinformationen
Man kann auch beide Versuche kombinieren, wenn rechtzeitig ein Siedesteinchen in die Flüssigkeit gelegt wird und statt
des Reagenzglases ein hohes Becherglas (z. B. 150 ml)
benutzt wird. Dann ist die Gefahr des Siedeverzuges gering,
vorausgesetzt der Flüssigkeitsstand ist nicht zu hoch.
15
Stoffe und ihre Eigenschaften
Werkstatt: Steckbrief von Trinkalkohol
Versuche
1
2
3
4
Zur sicheren Beurteilung durch den Schüler sollte eine
nicht zu kleine Menge Alkohol genommen werden. Es
reichen Portionen von ca. 15 ml. Diese können im Reagenzglas direkt beim Lehrer abgeholt werden und nach
der stofflichen Beurteilung im zweiten Versuch eingesetzt werden.
Versuchsergebnisse: Alkohol ist wie Wasser gegen das
Licht gehalten eine durchscheinende Flüssigkeit. Je nach
Alkoholsorte kann die Farbe zudem zwischen farblos und
gelblich variieren. Alkohol ist an seinem typischen Geruch
zu erkennen. Je nach Geschmacksempfinden kann dieser mit aromatisch, brennend oder süßlich beschrieben
werden.
Auch gekaufter „absoluter“ Alkohol ist niemals ganz frei
von Wasser, weil er sehr hygroskopisch ist. Je nach Alter
der Flasche und nach Häufigkeit der Wiederverwendung
ist mehr oder weniger viel Wasser enthalten.
In den Schülergruppen werden bei sorgfältiger Arbeit die
gleichen Ergebnisse erzielt werden. Ein Kontrollversuch
durch den Lehrer sollte die Ergebnisse sichern.
Zur Übersicht ist unten eine Tabelle mit dem Zusammenhang von Dichte und Gew% bzw. Vol% aufgeführt.
Ab einem Gehalt (Vol%) von etwa 55 ist Alkohol
brennbar.
Der Wert von von 78 °C wird durch den Schülerversuch
gut erreicht, wenn man von gekauftem „absoluten“ Alkohol ausgeht.
Dichte
Gew %
Vol %
Dichte
0,94473
36
43,0
0,82729
87
91,0
0,93886
39
46,3
0,81942
90
93,2
0,93272
42
49,5
0,81127
93
95,4
0,92636
45
52,6
0,80280
96
97,4
0,91986
48
55,8
0,79383
99
99,3
0,91322
51
58,8
0,79074
100
100,0
Steckbrief Alkohol
Aussehen:
farblose,
durchscheinende
Flüssigkeit
Geruch:
(je nach Geschmacksempfinden)
Dichte:
0,79 g/cm3
Brennbarkeit:
leicht brennbar
Schmelztemperatur:
–114,5 °C
Siedetemperatur:
78 °C
Die Stoffeigenschaften von Metallen
Versuche
Die Schmelztemperatur von reinem Alkohol ist –114,5° C.
Diese Temperatur kann im Schülerversuch mit einfachen
Mitteln nicht bestimmt werden, sie kann nur mitgeteilt werden.
Dem Schüler dürfte so deutlich werden, warum (gefärbter)
Alkohol in vielen Thermometern eingesetzt wird.
Dichte und Gehalt von Ethanol-Wassergemischen
bei 20 °C
Gew % Vol %
Dichte
Gew %
Vol %
0,99451
3
3,8
0,90645
54
61,8
0,98955
6
7,5
0,89962
57
64,8
0,98505
9
11,2
0,89271
60
67,7
0,98084
12
14,8
0,88574
63
70,5
0,97687
15
18,5
0,87869
66
73,3
0,97301
18
22,1
0,87158
69
76,0
0,96901
21
25,7
0,86440
72
78,6
0,96483
24
29,2
0,85716
75
81,2
0,96037
27
32,7
0,84985
78
83,8
0,95551
30
36,2
0,84245
81
86,2
0,95038
33
39,6
0,83496
84
88,7
16
Vol %
Aufgaben
Zusatzinformationen
Dichte
Gew %
1
Hier empfehlen sich als Vergleichsmetalle insbesonders
Blechstücke von Kupfer (rötliches Aussehen, gute Leitfähigkeit für Wärme und hohe elektrische Leitfähigkeit), Aluminium (relativ weich, ggf. auch Magnesium oder Blei),
Eisen (stahlgraues Aussehen, ggf. erkennbare Rostbildung im Vergleich zu einem edleren Metall wie z.B. Silberblech). Es kann festgestellt werden, dass alle Metalle
vier gemeinsame Eigenschaften besitzen: Metallischer
Glanz, Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom
und gute Verformbarkeit. Letztere Stoffeigenschaft kann
bei härteren Metallproben unter Umständen nur mithilfe
von Werkzeugen oder Ritzproben getestet und verglichen
werden.
Stoffe und ihre Eigenschaften
Zeitpunkt: Goldmacher und Goldsucher
Aufgaben
1
Beim Goldwaschen wird die hohe Dichte des Metalles
ausgenutzt: Die leichteren Sandkörnchen (Quarz) werden
vom Waschwasser fortgespült, während die schweren
Goldkörnchen in der Waschpfanne nach unten sinken.
2
Altgold kann aus Zahngold, Altschmuck, alten Goldmünzen, Computerplatinen und Feilresten der Goldschmiedewerkstätten zurückgewonnen werden.
3
a) In der Elektroindustrie nutzt man die sehr hohe Leitfähigkeit des Metalles (liegt über der von Kupfer und
Silber, vgl. Abb. Computerchip auf Lexikonseite) aus.
b) Bei der Blattgoldherstellung nutzt man die hohe Verformbarkeit und Dehnbarkeit des Metalles (es lässt
sich zu hauchdünnen Folien walzen und ziehen, die
nur 0,0001 mm dick sind) aus.
c) Bei der Verwendung als Schmuckmetall wird der gelbgoldene Glanz des Edelmetalles sowie – zur Verarbeitung – seine hohe Verformbarkeit genutzt.
17
Stoffe und ihre Eigenschaften
Schlusspunkt: Stoffe und ihre Eigenschaften
6
Material: Kochsalz, Wasser, Becherglas, Spatel, Waage
Versuchsbeschreibung: Wiege 100 g Wasser in einem
Becherglas ab. Gib portionsweise unter Rühren abgewogene Mengen Kochsalz hinzu, bis sich auch unter Rühren
kein Kochsalz mehr löst. Berechne aus der zugegebenen
Salzmenge, wie viel g Kochsalz sich in 100 g Wasser gerade noch lösen (Löslichkeit).
Versuchsbeobachtung: Es lassen sich 35,8 g Kochsalz
in 100 g Wasser lösen. Wird mehr Kochsalz gelöst, bleibt
ein unlöslicher Rest (Bodensatz) zurück.
Auswertung: Die Löslichkeit beträgt 35,8 g in 100 g
Wasser.
7
Gold ist am besten verformbar (vgl. Lexikon- und Zeitpunktseite). Gold gehört als einziger der angegebenen
Stoffe zur Stoffgruppe der Metalle. Eine Eigenschaft von
Metallen ist ihre gute Verformbarkeit.
8
Quecksilber ist bei +20 °C flüssig, da dieser Temperaturwert zwischen der Schmelz- und der Siedetemperatur
von Quecksilber liegt. Silber ist fest, da +20 °C weit unter
der Schmelztemperatur von Silber liegt. Wasserstoff ist
bei Raumtemperatur ein Gas, da es bereits bei –253 °C
siedet.
9
a) Blei eignet sich, wegen seiner hohen Dichte, als
Gewicht. Gold hat zwar eine noch höhere Dichte, wäre aber bei Verlust der Gewichtsstücke zu teuer.
b) Titan als hitzebeständiges, schwer verformbares
Leichtmetall (Dichte: 4,51 g/cm3) eignet sich, im Unterschied zu den Schwermetallen Blei und Gold,
bestens für den Flugzeugbau. Ein gleichgroßes Flugzeug aus Gold (Dichte: 19,32 g/cm3) wäre fast 5-mal
so schwer wie eines aus Titan.
c) Gold eignet sich aufgrund der guten Verformbarkeit
und Walzbarkeit sowie seines gelben Glanzes sehr
gut zur Schmuckfolienherstellung (Blattgold).
Aufgaben
1
Elektrische Leitfähigkeit: Stromquelle, Stromkreis,
Verbraucher; evtl. Ampermeter und Voltmeter.
Dichte: Waage, Messzylinder, evtl. Überlaufgefäß oder
Aerometer.
Brennbarkeit: Zündquelle, Luft.
2
a) Wasser: farblose Flüssigkeit, geruchlos, tsm = 0 °C,
tsd = +100 °C, Dichte um 1 g/cm3
b) Blei: dunkelgrau glänzend, relativ weich, elektrisch
leitfähig, Wärmeleiter, verformbar, Dichte: 9,8 g/cm3,
tsm = 327 °C, tsd = 1740 °C
c) Eisen: grau glänzend, relativ hart, elektrisch leitfähig,
verformbar, guter Wärmeleitfähigkeit, bildet Rost,
magnetisch, Dichte: 7,87 g/cm3, tsm = 1535 °C,
tsd = 2750 °C
d) Iod: etwas wasserlöslich, schwarz glänzend, sublimiert (violette, gesundheitsschädliche Dämpfe), elektrisch leitfähig, Dichte: 4,98 g/cm3, tsm = 113 °C,
tsd = 184 °C
3
Geordnet nach steigender Dichte: Wasser, Aluminium,
Eisen, Blei, Gold.
Geordnet nach steigender Siedetemperatur: Wasser, Blei
(1740 °C), Aluminium (2450 °C), Gold (2970 °C), Eisen
(rund 3000 °C)
4
a)
b)
c)
c)
5
Blei: Volumen messen (z.B. im Messzylinder mit Wasser
durch Verdrängung), Masse bestimmen (wiegen), Dichte
berechnen.
Alkohol: Volumen messen (10 ml im Messzylinder abmessen), Masse bestimmen (wiegen), Dichte berechnen.
18
Schmelzen
Sublimieren
Erstarren
Kondensieren
Trennen und Mischen
Stoffgemische und Reinstoffe
Aufgaben
Versuche
1
Bei der Gartenerde sind zahlreiche unterschiedliche
Bodenbestandteile wie Sand, Kies, erdige Bestandteile,
Wurzelteile, usw. zu erkennen. Beim Granitgestein sind
drei unterschiedliche Bestandteile zu erkennen: rötlicher
Feldspat, weiß glänzender Quarz und schwarzer Glimmer. Beim Brausepulver sind in der Regel drei Bestandteile zu erkennen: Zuckerkristalle, Citronensäurekristalle
und Farbstoff-Partikel.
2
Weder unter der Lupe, noch unter dem Mikroskop sind
Bestandteile zu erkennen. Es ist eine Lösung entstanden.
Bei der Zugabe von Kalk bildet sich eine Suspension
(heterogenes Stoffgemisch: fest-flüssig), bei Zugabe von
Speiseöl bildet sich eine Emulsion (heterogenes Stoffgemsich: flüssig-flüssig).
3
Bei Kalk mit Wasser bildet sich zunächst eine milchig
aussehende Suspension. Nach kurzer Zeit setzen sich
die festen Kalkpartikel am Boden ab. Bei Öl mit Wasser
sind zunächst Öltröpfchen in Wasser gelöst. Nach kurzer
Zeit erfolgt eine Entmischung (Öl schwimmt oben).
1
Reinstoffe: Aluminiumfolie, Goldkette, Eisenschraube,
Kupferblech.
Stoffgemische: Meerwasser, Mineralwasser, Apfelsaft,
Milch, Holzleim, Spülmittel, Tee
2
a)
b)
c)
d)
3
Mineralwasser: Wasser, Kohlensäuregas (Kohlenstoffdioxid)
Kirschwasser: Wasser, Alkohol, Aromastoffe
Kochsalzlösung: Kochsalz, Wasser
Nebel: Luft, Wasser(tröpfchen)
Rauchwolke: Luft, Staub (oder Asche)
Milch: Wasser, Fett(tröpfchen)
Emulsion
Lösung
Feststoffgemisch
Suspension
19
Trennen und Mischen
Stofftrennung durch Eindampfen und Destillieren
Werkstatt: Wir trennen Stoffe
Versuche
1
Erfahrungsgemäß dauert es eine relativ lange Zeitspanne
bis sich der erste Tropfen des Destillates bildet. Die Zwischenzeit kann jedoch unterrichtlich genutzt werden, um
Einzelheiten der Destillation, z.B. die Anwendung des
Gegenstrom-Prinzipes zu besprechen.
2
Beim ersten Destillat gelingt die Brennprobe in der Regel
problemlos. Bei den Folgedestillaten ist aufgrund des höheren Wasseranteils die Brennprobe nur noch eingeschränkt möglich. Die Geruchsprobe zeigt in jedem Fall
einen typisch alkokolischen Geruch.
20
Versuche
1
Das Tragen von Schutzbrillen sollte beim Eindampfen der
Salzlösung auf jeden Fall verpflichtend gemacht werden,
da auch bei sorgfältiger Versuchsdurchführung nicht ausgeschlossen werden kann, das kurz vor dem Beenden
des Versuches Salzkristalle aus der Porzellanschale herausspringen und ggf. in das Auge gelangen können. Da
ferner die Gefahr gegeben ist, sich an den heißen Salzkristallen zu verbrennen, sind die Schüler auf diese Gefährdung aufmerksam zu machen.
Versuchsergebnis: Beim Betrachten mit der Lupe finden
sich (die für Kochsalzkristalle typischen) würfelförmige
Kristalle.
2
Diese einfache Ausführung einer schülergerechten Destillation ist nur dann erfolgreich, wenn die Rotweinprobe
sehr vorsichtig erhitzt wird. Bei zu starkem Erhitzen kann
auch Wasser mit in das Destillat übergehen. Außerdem
ist die Kühlwirkung des Kühlbades nicht mehr ausreichend, um die entstehende Dampfmenge zu kondensieren. Dem Schüler wird bei dieser Durchführung deutlich,
dass es sehr hilfreich ist, wenn man die Siedetemperatur
des Alkohols schon vor Durchführung der Destillation
kennt und den Destillationsvorgang dann mit einem
Thermometer kontrollieren kann.
Versuchsergebnis: Das Destillat riecht stark nach Alkohol.
Trennen und Mischen
Brennpunkt: Müll – Rohstoff oder Abfall?
Zusatzinformationen
Aufgaben
1
Die Berechnung des jährlichen Müllaufkommens pro
Person soll im Unterricht Anlass geben, das Prinzip:
„Vermeiden – Vermindern – Verwerten“ zu besprechen.
Kennt ein Schüler das Müllvolumens, das er selbst produziert, wird er eher sensibilisiert sein, sich mit dieser
Thematik auseinanderzusetzen.
In dem angegebenen Beispiel beträgt das jährliche Müllvolumen: 160 l x 52 = 8320 l. Dieses Jahresvolumen
muss dann noch auf die Anzahl der am Haushalt beteiligten Personen umgerechnet werden.
Diese Brennpunktseite gibt nur einen kurzen Einblick in das
Thema „Müll“. Dieses Thema kann, je nach Zeit und Neigungskurs vertieft werden. Mögliche weitere Unterrichtsinhalte sind:
• Aufbau und Funktion einer Müllverbrennungsanlage
• Aufbau und Funktion einer Deponie
• Mülltrennung anhand geeigneter Trennverfahren
• Aufbau und Funktion von Wiederverwertungsanlagen
• Das duale System
• Funktion der Kompostierung
• Verarbeitungsprozess von Altpapier und Altglas
21
Trennen und Mischen
Stofftrennung durch Filtrieren,
Sedimentieren und Dekantieren
Trinkwassergewinnung und Abwasserreinigung
Zusatzinformationen
Versuche
1
Der Reinigungserfolg durch Sedimentieren und anschließendem Dekantieren ist relativ gering. Die Teilchen, die
sich noch nicht am Boden des Standzylinders abgesetzt
haben, gehen beim Dekantieren in das Becherglas über,
so dass die dekantierte Flüssigkeit noch trübe aussieht.
2
Duch das Filtrieren wird der Reinigungserfolg erheblich
verbessert. Im Filterpapier bleiben auch die Teilchen
hängen, die sich beim Sedimentieren nicht abgesetzt haben. Das Wasser erscheint jetzt klar. Beim Eindampfen
des Filtrates bleibt jedoch ein Rückstand zurück. Dieser
Rückstand ist auf wasserlösliche Stoffe in der Erde zurückzuführen.
Zu dieser Unterrichtseinheit bietet sich der Besuch einer
Kläranlage an. Bei einer Besprechung der einzelnen Stationen einer mehrstufigen Kläranlage, sollte insbesonders auf
das den Stationen zugrundeliegende Trennverfahren eingegangen werden.
Beispiel:
22
Station
Arbeitsweise
Trenneigenschaft/
Trennverfahren
Rechen
größere Gegenstände werden zurückgehalten
Teilchengröße /
Sieben
Sandfang
Sand und erdige
Bestandteile sinken zu Boden
Teilchengröße,
Dichte / Sedimentieren und Dekantieren
Ölabscheider
auf Wasser
schwimmendes
Öl wird zurückgehalten
Dichte
Absetzund
Vorklärbecken
feine Schwebstoffe sinken zu
Boden
Dichte / Sedimentieren und Dekantieren
Nachklärbecken
die ausgeflockten
Stoffe und
Kleinstlebewesen
setzen sich ab
Dichte / Sedimentieren und Dekantieren
Trennen und Mischen
Stofftrennung durch Chromatografieren
Versuche
1
Das im Versuch angefertigte Chromatogramm zeigt deutlich, dass die gefälschte Ziffer nachträglich eingefügt
wurde. Obwohl auch diese Ziffer zunächst in gleichem
Schwarz erscheint, zeigt das Chromatogramm durch einen andersartigen Farbverlauf eine andere Zusammensetzung an. Werden schwarze Filzschreiber unterschiedlicher Marken verwendet, kann davon ausgegangen
werden, dass die Farben auch aus unterschiedlichen
Mischungen bestehen. Bei der Versuchsdurchführung ist
darauf zu achten, dass wasserlösliche Filzstifte verwendet werden. Im anderen Fall müsste ein anderes Fließmittel (z.B. Butanol) verwendet werden.
2
Je nach verwendeter Farbe erhält man unterschiedliche
Ergebnisse. Monchrome Farben (z.B. gelb) lassen sich
nicht zerlegen, polychrome Farben (z.B. braun) lassen
sich durch Chromatografie in ihre Bestandeteile zerlegen,
wenn ein geeignetes Fließmittel zur Verfügung steht.
Werkstatt: Simulation einer Dialyse
Versuche
Häufig ist es etwas schwierig, den sehr dünnen Dialyseschlauch zum Einfüllen der Lösungen zu öffnen. Es bietet
sich an, das Ende des Schlauches kurz in Wasser zu halten.
Dieses führt zu einem Aufquellen des Schlauches. Durch
Reiben des gequollenen Schlauches zwischen den Fingern
lässt sich dieser jetzt leichter öffnen.
Versuchsergebnisse: Die Kaliumpermangant-Teilchen sollen
die Salze und den Harnstoff darstellen, da sie den Dialyseschlauch passieren können. Die Tusche-Teilchen sollen die
Blutkörperchen darstellen, da sie den Dialyseschlauch nicht
passieren können.
Zusatzinformationen
Bezugsquelle für Dialyseschlauch: Aug. HEDINGER GmbH &
Co., Heiligenwiesen 26, 70327 Stuttgart.
23
Trennen und Mischen
Schlusspunkt
6
Da Eisen- und Stahlteile magnetisch sind, können diese
Teile mit einem starken Elektromagneten von anderen
Shredderbestandteilen getrennt werden. Dieses Trennverfahren wird auch als Magnetscheiden bezeichnet.
7
In dem Scheidetrichter schwimmt die Flüssigkeit mit der
geringeren Dichte auf der Flüssigkeit mit der größeren
Dichte. Durch vorsichtiges Ablassen der „unteren“ Flüssigkeit können beide Flüssigkeiten voneinander getrennt
werden. Die Trenneigenschaft ist die unterschiedliche
Dichte.
8
Einige Bestandteile des Fruchtsaftes (z.B. Fruchtfleisch)
setzen sich durch Sedimentation auf dem Boden der Flasche ab. Durch Schütteln der Flasche werden diese Bestandteile wieder gleichmäßig verteilt. Ohne Schütteln
würden beim Ausgießen des Saftes die abgesetzten Bestandteile in der Flasche bleiben.
9
Benzin und Öl schwimmen aufgrund ihrer geringeren
Dichte auf dem Wasser. Fließt das Wasser aus dem Ölabscheider ab, senkt sich der Schwimmer zusammen mit
der Öl- und Benzinschicht ab. Der Ventilteller verschließt
dabei die Öffnung zum Abfluss. Öl und Benzin können
deshalb nicht mit dem Abwasser abfließen. In bestimmten
Abständen werden die Öl- und Benzinreste abgesaugt.
Die Trenneigenschaft beim Ölabscheider ist die unterschiedliche Dichte von Wasser und Öl bzw. Benzin.
Wasserlösliche Bestandteile können mit einem Ölabscheider nicht abgetrennt werden.
Aufgaben
1
Reinstoffe sind: Würfelzucker, Eisenfeilspäne, destilliertes Wasser, Alkohol, Kochsalz.
Stoffgemische sind: Brausetabletten, Mineralwasser,
Regenwasser, Wein.
2
Zucker: Lösung
Kochsalz: Lösung
Mehl: Suspension
Öl: Emulsion
Sand: Suspension
Alkohol: Lösung
3
Der Stempel „333“ bedeutet, dass von 1000 Teilen 333
Teile aus reinem Gold bestehen, d.h. der Goldgehalt beträgt 333 Promille. Um Gold zu härten, wird es z.B. mit
Silber, Kupfer oder Platin legiert.
4
Milch: Emulsion, heterogenes Gemisch
Rotwein: Lösung, homogenes Gemisch
Salzwasser: Lösung, homogenes Gemisch
Zigarettenrauch: Rauch, heterogenes Gemisch
Lehmwasser: Suspension, heterogenes Gemisch
Schmutzwasser: in der Regel Suspension, heterogenes
Gemisch
5
Kaffeezubereitung: Extraktion und Filtration
Teezubereitung: Extraktion, evtl. Filtration
Trinkwasser aus Meerwasser: Destillation
Abwasserbehandlung: Sieben, Sedimentieren,
Dekantieren
Butter aus Frischmilch: Zentrifugieren
24
10 Sieben: in der mechanischen Klärung;
Sedimentieren: in allen drei Stufen der Kläranlage;
Dekantieren: in allen drei Stufen der Kläranlage.
Modelle und Modellbegriff
Zeitpunkt: Vorstellungen vom Aufbau der Stoffe
Zusatzinformationen
Zusatzinformationen
Aus dem Alltag kennt der Schüler z. B. Modellautos, Modellpuppen usw. In Souvenirläden werden Modelle (verkleinerte
Originale) von bekannten Gebäuden angeboten. Die Modelle
aus der Schülersicht sind durchweg Abbildungen von vorhandenen Originalen. Dagegen wird die Schülerin / der
Schüler hier das erste Mal mit naturwissenschaftlichen Modellen konfrontiert. Die Einführung des naturwissenschaftlichen Modellbegriffs geschieht behutsam im Vergleich zu
den Alltagsmodellen. Die Unterschiede und Gemeinsamkeiten beider Modellbegriffe sollten klar formuliert und so oft wie
möglich, auch in den folgenden Kapiteln, wiederholt werden.
Ob bei chemischen Modellen ein Original existiert, ist, neben
dem naturwissenschaftlichen Aspekt, auch eine tiefgreifende
philosophische Frage, die an dieser Stelle nicht weiter vertieft
werden kann. Ein bekanntes Rätsel soll hier das Problem
verdeutlichen: „Macht ein Baum, der umfällt Krach, wenn
niemand da ist, der zuhört?“
Aufgaben
1
2
Demokrits Modelle waren Vorstellungen vom Aufbau der
Stoffe und entsprachen nicht der Wirklichkeit. Das Hauptanliegen dieser Modelle ist nicht die Darstellung eines Originals, sondern die Bereitstellung einer Erklärungshilfe.
Gemeinsam ist beiden Modellarten: Sie sind in sich funktionsfähig. Das heißt, Modelle aus dem Alltag lassen sich
ebenso bewegen, anfassen oder begutachten wie Demokrits Modelle.
Zu Versuch 1:
Weihrauch (erhält man in der Apotheke) ist ein harzartiges
Produkt und kommt in verschiedenen Farben (rot, grün, gelb)
vor. Es lässt sich durch Schüler feststellen, dass an allen
Stellen des Raumes der typische Geruch bemerkbar ist. Geht
man von einer Körnchengröße (Durchmesser) von 3 mm aus,
so lässt sich das Volumen berechnen mit V = 4/3πr3. Den
Klassenraum kann man unterteilen in viele kleine Raumwürfel (z.B. Kubikmillimeter-Würfel). Berechnet man deren Anzahl, hat man gleichzeitig den Teilungsfaktor für das Weihrauchkörnchen bestimmt.
Versuche
2
Die Überlegungen aus Versuch 1 lassen sich grundsätzlich auch auf Versuch 2 übertragen.
Versuchsergebnis: Parfüm besteht aus kleinsten Parfümteilchen. Verdunstet das Parfüm, haben sich kleinste
Parfümteilchen im Raum verteilt.
3
Die Bärlappsporen sind stark ölhaltig. Sie verhindern eine
größere Ausbreitung des Ölflecks.
Versuchsergebnisse: Öl besteht aus Ölteilchen, Wasser
aus Wasserteilchen. Die Ölteilchen sind leichter als die
Wasserteilchen – sie schwimmen auf dem Wasser.
Gleichzeitig verdrängen die Ölteilchen die Wasserteilchen, weil sie sich nicht miteinander mischen.
4
Ein Körnchen Kaliumpermanganat fällt zu Boden. Violette
Schlieren steigen langsam auf. Liegt das Körnchen auf
dem Gefäßboden, bildet sich eine gleichmäßig geformte
violette Aura aus. Diese breitet sich nach oben und seitlich aus bis die ganze Flüssigkeit violett gefärbt ist. Da die
Kaliumpermanganat-Teilchen violett sind, muss sich das
Körnchen in immer kleinere Teilchen geteilt haben, bis
eine völlständige Durchmischung mit den Wasserteilchen
erfolgt und die violette Färbung auf Grund der sehr geringen Teilchengröße nicht mehr wahrnehmbar ist.
Wenn Honig zähflüssig und aus Honigteilchen aufgebaut
ist, dann müssen die Teilchen einen gewissen Bewegungsspielraum besitzen. Die Verkettung der Teilchen ist
relativ weitläufig, oder: Die Gelenkösen sind drehbar. Auf
der Grundlage von Bild 3 kann man annehmen, dass z.B.
kugelförmige Honigteilchen sich langsam durch andere
(Honig)Teilchen mit entsprechenden Öffnungen hindurch
bewegen.
Zusatzinformationen
Werkstatt: Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen
Versuche
1
Werden Weihrauchkörner erhitzt, so schmelzen sie. Dabei werden sie zunächst rund. Sie beginnen zu glühen.
Gleichzeitig werden sie kleiner und der Geruch von Weihrauch breitet sich nach allen Seiten gleichmäßig aus. Es
gibt einen Zeitpunkt, bei dem das Körnchen „verschwunden“ ist. Das Körnchen hat sich in nicht mehr sichtbare
Teilchen zerteilt.
Zu Versuch 4:
Schlieren entstehen durch Konzentrationsgefälle innerhalb
von Flüssigkeiten. Sie sind zudem ein Indiz für den Lösungsvorgang.
Lässt man den Standzylinder längere Zeit stehen, färbt sich
die Lösung von der Oberfläche her leicht bräunlich. Die
Oberflächenverfärbung entsteht durch Redoxvorgänge. Dieser Effekt hat aber nichts mit der Teilchenvorstellung zu tun.
Literaturhinweise
•
•
•
•
Günther Simon: „Kleine Geschichte der Chemie“, Aulis
Verlag, Köln
Dämmgen, Keune: „Atomvorstellungen“, Aulis Verlag,
Köln
S. Weinberg: „Teile des Unteilbaren“, Spektrum der
Wissenschaft, Heidelberg, 1984
Berr, Pricha: „Beiträge zur Technikgeschichte, Atommodelle“, Schriftenreihe Deutsches Museum, München
25
Modelle und Modellbegriff
Das Kugelteilchenmodell
Zusatzinformationen
Versuche
1
Der mit Wasserstoffgas gefüllte Ballon verliert zunächst
schnell, dann immer langsamer an Volumen. Wasserstoffteilchen diffundieren durch die Poren der Hülle. Mit
zunehmender Volumenverringerung werden auch die
Hüllenporen des Ballons kleiner. Damit können weniger
Wasserstoffteilchen durch die Hülle treten. Nach einiger
Zeit bleibt das Volumen relativ konstant.
2
Im Vergleich Wasserstoffgas / Sauerstoffgas sieht man,
dass bei sonst konstanten Bedingungen der mit Wasserstoffgas gefüllte Ballon schneller an Volumen verliert. Die
Sauerstoffgasteilchen sind größer als die Wasserstoffgasteilchen und dringen daher langsamer durch die Poren der Ballonhülle. Der mit Sauerstoff gefüllte Ballon wird
mit der Zeit kleiner. Das Volumen bleibt bei einer bestimmten Größe relativ konstant.
3
Hier sieht man gut, gegen das Licht betrachtet, die Ausbildung einer Grenzschicht zwischen zwei Flüssigkeiten.
Das Volumen ist zunächst – vorsichtiges Mischen vorausgesetzt – gleich 100 ml. Erst nach intensivem Mischen verringert sich das Volumen. Die Masse dagegen
bleibt konstant. Dieser offensichtliche Widerspruch einer
Versuchsbeobachtung kann dann erklärt werden, wenn
man annimmt, dass beide Stoffe aus unterschiedlich großen „kleinsten“ Teilchen aufgebaut sind. Die kleineren
Wasserteilchen „rutschen“ in die Lücken der größeren Alkoholteilchen. Damit sind Massenkonstanz und Volumenkontraktion erklärt.
26
Zu Versuch 3:
Da die Volumenkontraktion schnell eintritt, kann man annehmen, dass die Teilchen kugelförmig sind. Stellt man sich die
Teilchen aus anderen geometrischen Körpern wie Würfeln
oder Prismen aufgebaut vor, so muss man wesentlich länger
schütteln (mischen), um eine Volumenkontraktion zu erreichen. Welche Teilchen von beiden die größeren sind, muss
vorgegeben werden. Unter der Annahme von kovalenten
Radien kann man durch eine maßstabgerechte Zeichnung
zeigen, dass die Alkoholteilchen (Alkoholmoleküle) größer
sind als die Wasserteilchen (Wassermoleküle).
Der Versuch ist lediglich als Bestätigungsexperiment geeignet, weniger als Einstiegsexperiment in den Teilchenbegriff.
Begründung: Die Volumenkontraktion ist nur durch didaktische Reduktion mit unterschiedlich großen Teilchen erklärbar. Es ist vielmehr so, dass die monomeren Alkoholmoleküle
in die Clusterstruktur des Wassers eindringen und diese
Struktur durch Wechselwirkungskräfte langsam zerstören.
Die dabei frei werdende Energie kann man als Temperaturerhöhung messen.
Modelle und Modellbegriff
Zeitpunkt: Erste Abschätzungen der Teilchengröße
Aufgaben
1
Zur Lösung diese Aufgabe sind mathematische Kenntnisse vom Dreisatz und über das Rechnen mit Potenzen von
Nöten. Man kann aber auch die Potenzschreibweise ganz
formal als Kurzschreibweise für die Multiplikation mit gleichen Faktoren ansehen nach der Regel:
a ⋅ a ⋅ a ⋅ a = a4.
Der im Bild eingezeichnete Fläschenauschnitt hat die
Form einer Raute. Diese lässt sich leicht durch Seitenverschiebung in eine quadratische Fläche überführen.
Demnach sind auf einer quadratischen Fläche von
10-12 mm2 12 Eisenteilchen zu erkennen.
Dann befinden sich auf einer Fläche von 1mm2, 12 ⋅ 1012
Eisenteilchen und auf einer Fläche von 1 cm2, 12 ⋅ 1014
Eisenteilchen.
In einem Würfel mit V = a3 = 1cm3 sind dann 1,728 ⋅ 1045
(=1728000000000000000000000000000000000000000000)
Teilchen vorhanden.
27
Modelle und Modellbegriff
Schlusspunkt
5
Im Messzylinder passt sich die Flüssigkeit der Gefäßwand an: Wasser besteht aus Wasserteilchen. In einer
Flüssigkeit sind die Kräfte zwischen den Teilchen kleiner
als im Feststoff. Die Teilchen können sich so der Gefäßform anpassen.
Nicht erklärbar: Die Krümmung, d.h. die Anordnung von
Wasserteilchen an der Oberfläche.
6
Zunächst sinkt der Zuckerwürfel auf den Boden des Becherglases (a). Dann beginnen die Wasserteilchen die
Zuckerteilchen aus dem Würfel zu lösen (b). Herausgelöste Zuckerteilchen verteilen sich zwischen den Wasserteilchen. Die Auflösung schreiten von außen nach innen fort (c). Zum Schluss haben sich alle Zuckerteilchen
gleichmäßig im Wasser verteilt (d).
Aufgaben
1
Es existiert ein reales Original. Von diesem wird ein detailgetreues Abbild geschaffen. Anders verhält es sich bei
den Modellen in der Chemie. Hier gibt es kein zugängliches Original. Chemische Modelle sind vielmehr Vorstellungs- und Erklärungshilfen.
2
Ein Dummy bildet in bestimmten Funktionen ein mehr
oder weniger gutes Abbild von einem Menschen ab, z.B.
ist die Größe, das Gewicht und der Bewegungsablauf eines Menschen nachempfunden. Mit zunehmender Entwicklung computergesteuerter Simulationstechnik werden
Dummys immer originalgetreuer.
3
Original: lebender Vogel, ausgestopfter Vogel
Abbild: Foto eines Vogels
Erklärungshilfe: Vogelskelett, Scherenschnitt
4
28
Zusatzinformationen
Zu Aufgabe 6:
Die Auflösung des Zuckers kann auch gut durch einen Realversuch beobachtet und erklärt werden. Mithilfe einer Lupe ist
die Auflösung gut sichtbar. Schlierenbildung in der Umgebung des Zuckers zeigen die Auflösung an. Die Zuckerkonzentration ist in der Zuckerumgebung größer. Zum Schluss
schmeckt die Lösung an jeder Stelle gleich süß. Die Dichte ist
überall gleich.
Die chemische Reaktion
Werkstatt: Kartoffelpuffer und Apfelmus
Werkstatt: Kupfer-Rot und Schwefel-Gelb
Zusatzinformationen
Alltagsbeispiele aus der Lebenswelt der Schülerinnen und
Schüler veranschaulichen sehr viel deutlicher eine Stoffumwandlung als Experimente mit Chemikalien. Mit der Herstellung von Kartoffelpuffern und Apfelmus können chemische
Reaktionen propädeutisch, ohne als solche benannt zu werden, mit allen Sinnen erfahrbar gemacht werden.
Zusatzinformationen
Werden Experimente mit Aktivkohlestopfen durchgeführt,
müssen entsprechend lange Reagenzgläser verwendet werden, um die Kunststoffstopfen vor der Reaktionswärme zu
schützen. Die Aktivkohle kann regeneriert werden.
Aktivkohlestopfen können bezogen werden über Aug.
HEDINGER GmbH & Co., Chemikalien und Lehrmittel, Postfach 60 02 62, 70302 Stuttgart (Wangen).
Aufgaben
Aufgaben
1
2
Rohe Kartoffeln sind hart, an den Schnittflächen weiß bis
gelb und schmecken nicht. Beim Reiben sammelt sich
etwas Flüssigkeit auf dem Boden der Schüssel. Beim
Frittieren oder Braten werden die Kartoffeln weich und
mehlig. An der Oberfläche des geformten Kartoffelpuffers
bildet sich eine knusprige, braune Schicht. Duft- und
Aromastoffe regen den Appetit an, Geschmacksstoffe
entfalten sich beim Essen.
Das Fruchtfleisch der Äpfel ist hart und bissfest. Beim
Kochen werden die Apfelstücke weich und zerfallen mit
der Zeit. Flüssigkeit mit Apfelaroma sammelt sich am Boden des Topfes. Die Farbe des Fruchtfleisches ändert
sich, der Apfelmus wird an der Luft hellbraun, nach einiger Zeit dunkelbraun.
1
Wird das Kupferblech mit stark rauschender Flamme
erhitzt, beobachtet man eine Schwarzfärbung. Anschließend wird Schwefel am Boden des Reagenzglases erhitzt, bis heißer Schwefeldampf über das erhitzte Kupferblech strömt. Es bilden sich blau-schwarze glänzende
Kristalle. An einigen Stellen des Streifens brechen kleine
Stücke ab. Am Reagenzglasrand resublimiert Schwefel
als gelbe, staubfeine Schicht. Im Aktivkohlestopfen beobachtet man ebenfalls einen gelben Belag von Schwefel.
Beim Herausnehmen kann der blauschwarze Streifen
zerbrechen. Aussehen, Farbe und Verformbarkeit des
Streifens haben sich verändert.
2
Die geprüften Eigenschaften werden in einer Tabelle
zusammengefasst.
Eigenschaften
Kupfer
Schwefel
Neuer
Streifen
(Kupfersulfid)
Farbe
rotbraun
gelb
blauschwarz
Verformbarkeit
verformbar
spröde
spröde
Elektrische
Leitfähigkeit
gut
Nichtleiter gut
Wärmeleitfähigkeit
sehr gut
gering
gering
Aussehen unter
der Lupe
rötlich
glänzendes
Pulver
gelbes
Pulver
blauschwarzes
einheitliches Pulver
29
Die chemische Reaktion
Die chemische Reaktion
Zusatzinformationen
Versuche
1
Die untersuchten Eigenschaften lassen sich in einer
Tabelle zusammenfassen.
Eigenschaften
Eisen
Schwefel
Neuer Stoff
(Eisensulfid)
Farbe
grau
gelb
grau-schwarz
Verformbarkeit
verformbar
spröde
spröde
Brennbarkeit
glüht,
nicht
brennbar
verbrennt
mit blauer
Flamme
glüht, nicht
brennbar
Elektrische
Leitfähigkeit
Gut
Nichtleiter
gering
Magnetische
Anziehung
stark
magnetisch
nicht
magnetisch
schwach
magnetisch
2
Die Reaktion von Zink und Schwefel ist als zentrales Bild
auf der Startpunktseite zu sehen. Die wichtigsten Reaktionsschritte (Ausgangsstoffe im Gemisch mit glühendem
Draht, chemische Reaktion, hellgelbes Reaktionsprodukt)
sind rechts unten auf der Startpunktseite und auf Seite 75
abgebildet. Das Gemisch kann auch mit einer Wunderkerze gezündet werden (Abstand, Schutzhandschuhe,
Schutzbrille!)
Der Versuch sollte im Freien auf einem Ziegelstein
durchgeführt werden, da erhebliche Mengen an Rauchgasen frei werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die
Schülerinnen und Schüler nicht in Windrichtung stehen
und in genügendem Abstand die Reaktion beobachten.
30
Entsprechend dem Versuch auf der Werkstattseite 73 (Kupfer-Rot und Schwefel-Gelb) kann auch Silbersulfid hergestellt
werden, wenn anstelle des Kupferblechstreifens ein Silberblechstreifen verwendet wird.
Auch für den Eigenschaftsvergleich von Silber, Schwefel und
Silbersulfid lässt sich eine Tabelle erstellen.
Eigenschaften
Silber
Schwefel
Neuer Stoff
(Silbersulfid)
Farbe
silber
glänzend
gelb
schwarz
Verformbarkeit
verformbar
spröde
spröde
Elektrische
Leitfähigkeit
gut
Nichtleiter
Nichtleiter
Wärmeleitfähigkeit
gut
gering
gering
Die chemische Reaktion
Werkstatt: Aktiv machen – womit?
Zusatzinformationen
Versuche
Die zum Start einer chemischen Reaktion notwendige Aktivierungsenergie kann dem Ausgansstoff bzw. den Ausgangsstoffen auf unterschiedliche Weise zugeführt werden z.B.
durch:
1 Reibung,
2 Wärme,
3 Feuer.
4
Mithilfe eines Brennglases lässt sich bei entsprechender
Sonneneinstrahlung Papier entzünden. Mit diesem Versuch
kann man die Aktivierung durch Licht- und Wärmeenergie
veranschaulichen.
Beim Besprühen kommen die unterschiedlichen Lösungen miteinander in Kontakt, eine farbige Schrift wird
sichtbar. Die Schrift hat eine andere Farbe als die Lösungen. Dies ist ein Hinweis, dass eine chemische Reaktion
stattgefunden hat.
Wird Stahlwolle durch Berührung mit den Polen einer Flachbatterie entzündet, lässt sich die Aktivierung durch elektrische Energiezufuhr verdeutlichen.
31
Die chemische Reaktion
Zerlegung und Bildung von Wasser
Versuche
1
Die Zerlegung von Wasser wird unter Zusatz von verdünnter Schwefelsäure im dreischenkligen Hofmannschen Apparat durchgeführt. Man öffnet die Hähne und
lässt durch die Kugel des mittleren Rohrs langsam so viel
angesäuertes Wasser oben einfließen, bis die beiden äußeren Schenkel bis zu den Hähnen gefüllt sind. Dann
schließt man die Hähne, gießt noch so viel verdünnte
Schwefelsäure (ca. 10 %-ig) nach, bis die Flüssigkeit im
mittleren Rohr ein bis zwei Zentimeter über den Hähnen
steht und legt eine ausreichende Gleichspannung an.
Die entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff sind
etwas in Wasser löslich. Die sich bildenden Gasvolumina
verhalten sich deshalb nicht genau wie 2:1. Um diesen
Fehler zu umgehen, lässt man die Reaktion zunächst bei
noch geöffneten Hähnen eine kurze Zeit laufen, bis sich
das Wasser in den beiden Röhren mit den Gasen gesättigt hat. Dann schließt man beide Hähne. Ist der eine
Schenkel etwa zur Hälfte mit Gas gefüllt, stoppt man die
Stromzufuhr und liest die Volumina ab.
Zum Nachweis der beiden Gase lässt man diese langsam
in jeweils ein Reagenzglas strömen. Dabei ist darauf zu
achten, dass die beiden Einleitungsröhrchen bis auf den
Reagenzglasboden reichen. Das Reagenzglas am Minuspol wird mit der Öffnung nach unten gehalten, nach
der Füllung mit dem Daumen verschlossen und anschließend mit der Öffnung an die Brennerflamme gehalten
(Knallgasprobe als Nachweis für Wasserstoff). Das Reagenzglas am Pluspol wird mit der Öffnung nach oben
gehalten und nach der Füllung mit dem Daumen verschlossen. Anschließend wird ein glimmender Holzspan
in das Reagenzglas eingeführt (Glimmspanprobe als
Nachweis für Sauerstoff).
32
2
Mit dem Schagerschen Apparat lässt sich die kontinuierliche und drucklose Zersetzung und Bildung von Wasser
ohne explosionsartige Reaktion zeigen. Man erhält innerhalb von 12 bis 15 Minuten etwa 2 Milliliter Synthesewasser.
Zusatzinformationen
Die Apparaturen mit ausführlicher Versuchsanleitung können
bezogen werden über Aug. HEDINGER GmbH & Co., Chemikalien und Lehrmittel, Postfach 60 02 62, 70302 Stuttgart
(Wangen).
Zu Versuch 1:
Die Nachweisreaktionen für Sauerstoff bzw. Wasserstoff
müssen hier nicht explizit besprochen bzw. eingeübt werden.
Diese werden im Buch in den Kapiteln „Luft und Oxidation“
und „Reduktion und Redoxreaktion“ noch genauer behandelt.
Die chemische Reaktion
Werkstatt: Der elektrische Strom zerlegt Wasser
Versuche
1
Zusatzinformationen
Die kleinen Reagenzgläser brechen am unteren Rand
leicht aus, wenn sie an den Halterungen verkanten oder
schräg abgehoben werden. Die Schülerinnen und Schüler
müssen darauf hingewiesen werden, dass die Reagenzgläser vorsichtig senkrecht von oben aufgesetzt und
senkrecht nach oben abgehoben werden müssen. Die
kleinen Reagenzgläser können bei Bedarf beim Hersteller
nachbestellt werden, so dass sich der Versuch auch
mehrmals wiederholen lässt.
Aufgaben
1
Am Minuspol (blau) entsteht in der Reaktionsröhre Wasserstoff, der sich mit der Knallgasprobe nachweisen lässt.
Am Pluspol (rot) entsteht in der zweiten Reaktionsröhre
Sauerstoff, in dem ein glimmender Holzspan aufflammt.
Da sich bei der Zerlegung von Wasser doppelt so viel
Wasserstoff wie Sauerstoff bildet, kann man an der Höhe
der Gasvolumina in den beiden Röhren die Art des Gases
erkennen.
2
Das Reaktionsschema für die Zerlegung von Wasser
(Wasserstoffoxid) lautet:
Wasser à Wasserstoff + Sauerstoff
3
Platin wirkt als Katalysator
Die mit Platin beschichteten Katalysatorperlen für Versuch 1
können bezogen werden über Aug. HEDINGER GmbH &
Co., Chemikalien und Lehrmittel, Postfach 60 02 62, 70302
Stuttgart (Wangen).
Um die Katalysatorwirkung zu verdeutlichen, lässt sich auch
ein Schülerversuch durchführen:
Zunächst werden folgende Salzlösungen vorbereitet: 12,4 g
Fixiersalz (Natriumthiosulfat) in 1 Liter Wasser lösen, 13,5 g
Eisen(III)chlorid in 1 Liter Wasser lösen und 8 g Kupfersulfat
in 1 Liter Wasser lösen. Anschließend werden 10 ml Fixiersalzlösung und 10 ml Eisenchloridlösung gemischt und die
Zeit gemessen, bis die auftretende Blaufärbung wieder verschwindet. Wird der Versuch unter Zugabe eines Tropfens
Kupfersulfatlösung wiederholt, wird die Katalysatorwirkung
deutlich. Kupfersulfatlösung setzt die Aktivierungsenergie
herab und beschleunigt die Reaktion messbar.
endotherm
Da für die Zerlegung von Wasser ständig Energie zugeführt werden muss (in Form von elektrischer Energie),
handelt es sich um eine endotherme Reaktion.
Zusatzinformationen
Die Apparaturen mit ausführlicher Versuchsanleitung können
bezogen werden über Aug. HEDINGER GmbH & Co., Chemikalien und Lehrmittel, Postfach 60 02 62, 70302 Stuttgart
(Wangen).
33
Die chemische Reaktion
Schlusspunkt
6
Aufgaben
1
Rohe Kartoffeln sind hart und innen hellgelb. Beim Einfrieren von Pommes frites (klein geschnittene, stäbchenförmige Kartoffelstücke) ändern sich die Eigenschaften
nicht. Beim Frittieren ändern sich die Eigenschaften. Die
Kartoffelstücke werden innen weich und außen knusprig,
die Farbe ändert sich in dunkel gelb bis braun. Beim Frittieren findet eine Stoffumwandlung oder chemische Reaktion statt, beim Einfrieren dagegen findet keine chemische Reaktion statt.
2
Eigenschaftsänderungen (das Fruchtfleisch wird braun
und zersetzt sich, es entstehen Faulgase) deuten darauf
hin, dass beim Faulen von Äpfeln chemische Reaktionen
stattfinden.
3
Die Änderung der Eigenschaften (Farbe, Geruch, Geschmack), die Bildung neuer Stoffe (z.B. Kohlenstoff) und
die Zufuhr von Energie (Aktivierungsenergie, Erhitzen im
Toaster) sind Merkmale, an denen man eine chemische
Reaktion erkennen kann.
4
Die Änderung der Aggregatzustände (Schmelzen, Erstarren, Verdampfen, Kondensieren, Sublimieren und Resublimieren) ist keine chemische Reaktion. Es findet keine Stoffumwandlung statt, die Stoffe bleiben dieselben.
Im Beispiel wird durch Schmelzen aus Eis Wasser. Es
ändert sich nur die Zustandsform (fest, flüssig oder gasförmig). Bei einer chemischen Reaktion findet eine Stoffumwandlung statt. Aus den Ausgangsstoffen (Edukten)
entstehen Endstoffe (Reaktionsprodukte) mit anderen Eigenschaften.
5
a) Schwarzes Silbersulfid wird beim Erhitzen zerlegt, es
findet eine chemische Reaktion statt. Aus einem Ausgangsstoff (ein Edukt) entstehen zwei Endstoffe (zwei
Reaktionsprodukte). Bei der Zerlegung von Silbersulfid entstehen unter Wärmezufuhr die Reaktionsprodukte Silber (silbrig glänzende Kugel) und Schwefel
(gelber Stoff). Das Reaktionsschema für die chemische Reaktion lautet:
Silbersulfid
à Silber + Schwefel
b) Silber und Schwefel sind Elemente. Sie sind Grundstoffe, die sich nicht in weitere Stoffe zerlegen lassen.
Silbersulfid ist eine Verbindung, sie lässt sich in Silber
und Schwefel zerlegen.
c) Es hat eine endotherme Reaktion stattgefunden, da
bei der Zerlegung von Silbersulfid ständig Energie (in
Form von Wärme) zugeführt wird.
Im Reaktionsschema wird die endotherme Reaktion
wie folgt angegeben:
Silbersulfid à Silber + Schwefel endotherm
34
a) Beim Erhitzen von Kupfer und Schwefel findet eine
chemische Reaktion statt. Aus zwei Ausgangsstoffen
(zwei Edukten) entsteht ein Endstoff (ein Reaktionsprodukt). Die Ausgangsstoffe (Edukte) sind Kupfer
und Schwefel. Der Endstoff (Reaktionsprodukt) ist
Kupfersulfid. Das Reaktionsschema für diese chemische Reaktion lautet:
Kupfer + Schwefel à Kupfersulfid exotherm
Bei der Reaktion von Kupfer und Schwefel hat sich
die Verbindung Kupfersulfid gebildet. Die Bildung einer Verbindung nennt man Synthese.
c) Der Ablauf einer exothermen Reaktion kann mit folgender Modellvorstellung verglichen werden:
Eine Kugel soll über einen Hügel nach unten gebracht
werden. Sie kann den Hügel nicht von alleine überwinden. Dazu benötigt man Energie. Oben, von der
Spitze des Hügels aus, kann die Kugel dann von
selbst ins Tal rollen.
Die chemische Reaktion kommt nicht von alleine in
Gang. Die Ausgangsstoffe Kupfer und Schwefel müssen zuerst aktiv gemacht werden. Dazu benötigt man
Aktivierungsenergie, man muss erwärmen. Hat die
Reaktion eingesetzt, wird viel Energie (in Form von
Wärme und Licht) frei. Sie reicht aus, um die chemische Reaktion in Gang zu halten.
7
Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie herab und
liegen nach der Reaktion unverändert vor. Eine Modellvorstellung veranschaulicht, dass Katalysatoren einen
anderen Reaktionsweg ermöglichen und chemische Reaktionen beschleunigen können. Mit einem Katalysator
wird weniger Aktivierungsenergie benötigt, um die chemische Reaktion in Gang zu bringen. Im Modell wird die
Kugel über einen anderen Weg, für den man weniger
Energie benötigt, ins Tal gebracht (Vergleiche
Aufgabe 6 c).
Brand und Brandbekämpfung
Werkstatt: Versuche mit einer Kerze
Aufgaben
Versuche
1
Beim Entzünden eines kalten Dochtes muss das erstarrte
Wachs erst geschmolzen und verdampft werden, bevor
eine Kerzenflamme entsteht. Flüssiges Wachs steigt im
Docht hoch und verdampft. Hat sich durch die exotherme
Reaktion genügend Wachsdampf gebildet, springt die
Flamme des Zündholzes sofort auf den Docht über, bevor
die Zündholzflamme den Docht berührt. Die Kerze brennt
ruhig weiter.
2
Die Wachsdämpfe am Docht werden über das Röhrchen
abgeleitet und können am kerzenfernen Rohrende wieder
entzündet werden.
3
Ohne Luftzufuhr erlischt die Kerze nach kurzer Zeit. Ist
die Frischluftzufuhr gewährleistet, brennt die Kerze ruhig
weiter.
4
Im unteren und mittleren Bereich der Kerzenflamme
werden nur die Ränder der Holzstäbchen schwarz, die in
den Flammenmantel gehalten wurden. Die Temperaturen
im Flammensaum und im äußeren Bereich der Kerzenflamme sind höher, deshalb verkohlt bzw. entzündet sich
das Holz hier schneller als im Flammenkern. Im Flammenkern findet keine Veränderung der Holzstäbchen
statt.
Nur die Wachsdämpfe verbrennen. Wird die Kerze erstmalig
entzündet, muss die entstehende Wärme zunächst zum
Schmelzen und Verdampfen des Kerzenwachses eingesetzt
werden. Ist noch nicht genügend Wachsdampf vorhanden,
wird die Kerzenflamme zuerst kleiner.
Zusatzinformationen
Bei einer Kerzenflamme sieht man einen gelb leuchtenden
Flammenmantel, umgeben von einem bläulichen Flammensaum. Der Flammenkern um den glühenden Docht leuchtet
ebenfalls bläulich. Die gelbe Flamme des Mantels entsteht
durch glühenden Kohlenstoff, der bei unvollständiger
Verbrennung des Wachses frei wird (Bildung von Ruß). Im
Flammensaum verbrennt Kohlenstoff zu bläulich glühendem
Kohlenstoffdioxid. Die Temperaturzonen einer Kerzenflamme
sind von innen nach außen abgestuft. Die Temperatur im
Flammenkern liegt bei etwa 800 °C, im Flammenmantel ist
die Temperatur ca. 1400 °C heiß und nimmt zum äußeren
Flammensaum nur wenig ab auf 1200 °C bis 1400 °C.
35
Brand und Brandbekämpfung
Bedingungen einer Verbrennung
Explosionsvorgänge:
Versuche
Bezugsquelle für Materialien und Geräte (Heizblock, Zündrohr, Modellsilo) mit ausführlichen Versuchsanleitungen:
Aug. HEDINGER GmbH & Co., Chemikalien und Lehrmittel,
Postfach 60 02 62, 70302 Stuttgart (Wangen).
Zusatzinformationen
Flammtemperaturen von brennbaren Flüssigkeiten:
Die Flammtemperatur ist die niedrigste Temperatur bei einem
Luftdruck von 1013 hPa, bei der sich aus einer Flüssigkeit
genügend Dämpfe entwickeln, die mit der Luft über dem
Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdzündung entflammbares
Gemisch bilden.
Beispiele für Flammtemperaturen
Benzin (Fahrbenzin)
– 40 °C
Aceton
– 19 °C
Brennspiritus
16 °C
Terpentinöl
35 °C
Dieselkraftstoff
> 55 °C
Stearin (Kerzenwachs)
196 °C
Olivenöl
225 °C
Zündtemperatur eines Stoffes:
Ein Stoff kann sich aber auch entzünden, ohne dass dazu
eine Flamme notwendig ist. Die Mindesttemperatur, die unter
Normbedingungen zum Herbeiführen der Entzündung erforderlich ist, wird Zündtemperatur genannt. Die Zündtemperatur
ist die niedrigste Temperatur einer erhitzten Wand oder
Oberfläche, an der ein brennbarer Stoff in Berührung mit
Luftsauerstoff nach kurzzeitiger Einwirkung (höchstens 5
Minuten nach DIN-Norm) gerade noch zum Brennen angeregt wird.
Beispiele für Zündtemperaturen
Benzin (Fahrbenzin)
220 °C
Terpentinöl
240 °C
Dieselkraftstoff
220 bis 350 °C
Stearin (Kerzenwachs)
395 °C
Brennspiritus
425 °C
Olivenöl
440 °C
Aceton
540 °C
36
a) Verpuffung ist eine schwache Explosion, die nur mit
geringer Druckentwicklung und schwacher Geräuschwirkung verläuft. Die Zündung schreitet in der Größenordnung von cm/s fort.
b) Explosion ist eine schnell verlaufende Reaktion unter
plötzlicher starker Wärme- und Druckentwicklung. Sie ist
meist mit grellem Lichtblitz und heftigem Knall verbunden.
Die Zündung schreitet in der Größenordnung von m/s
fort.
c) Detonation ist eine auf das äußerste gesteigerte Explosion. Der Vorgang verläuft mit Überschallgeschwindigkeit.
Die Zündung schreitet in der Größenordnung von km/s
fort.
Literaturhinweise
Die Roten Hefte, Lehrschriften für den Feuerwehrmann,
Kohlhammer Verlag:
• Dr. Friedrich Kaufhold: „Verbrennen und Löschen“,
Heft-Nr. 1
• Siegfried Volz: „Unterrichtseinheiten für die Brandschutzerziehung“, Heft-Nr. 57
Brand und Brandbekämpfung
Brennpunkt: Waldbrand
Aufgaben
1
Die meisten Waldbrände entstehen im Frühjahr, häufig im
April. Gründe dafür sind dürres, ausgetrocknetes Pflanzenmaterial, zunehmende Erwärmung und sinkende
Luftfeuchtigkeit. Die gefährlichsten Waldbrände brechen
im Hochsommer aus bei Tagestemperaturen über 28 °C,
nach einer längeren Schönwetterperiode und ausgetrockneten Waldböden. 98% aller Waldbrände werden
von Menschen verursacht durch weggeworfene Zigarettenkippen, Entzünden von offenem Feuer, Funkenflug
u.a.. Nur 2% der Waldbrände entstehen durch Blitzschlag.
2
Waldbrände lassen sich bekämpfen durch:
a) Schneisenschlagen (Bild 1): Mit Baggern lassen sich
Bodenwälle aufschütten, mit Panzern oder Planierraupen Schneisen in den Wald reißen. Solche Geländeteile können ein Feuer evtl. aufhalten, weil ihre
Oberfläche nicht oder nur selten brennt. Alle Barrieren
können jedoch von Flugfeuer, das häufig von hohen
Fichten mit tief hängenden Ästen ausgeht, übersprungen oder vom Bodenfeuer durchlaufen werden.
b) Löschhubschrauber (Bild 2) mit Löschwasseraußenbehälter werden für die Bekämpfung von Waldbränden aus der Luft eingesetzt. Die Löschwasserbehälter werden durch Eintauchen in offene Gewässer
gefüllt, die größten unter ihnen können bis zu 5 000
Liter Wasser fassen. Aus Höhen zwischen 30 und 80
Metern wird das Wasser über dem Brand abgelassen.
Dadurch soll die Flammenhöhe gesenkt und die Ausbreitung des Brandes verhindert werden. Waldbrandbekämpfung aus der Luft ist teuer und nur in der Entstehungsphase eines Brandes besonders
wirkungsvoll. Die Hauptlöscharbeiten müssen von
Feuerwehrleuten am Boden geleistet werden.
c) Ausschlagen (Bild 3) mit Spaten, Schaufeln und
Feuerpatschen (evtl. auch mit dicht bewachsenen
Kiefer-, Fichten- oder Birkenästen): Durch kleine
Schläge wird das Feuer gekühlt und ausgedrückt.
Das Bodenfeuer sollte von außen nach innen ausgeschlagen werden, ohne dabei Funken hoch zu wirbeln.
d) Tanklöschfahrzeuge: Aus einem 30 Meter langen
Druckschlauch mit aufgesetztem Strahlrohr (Bild 4)
können unter günstigen Bedingungen 500 bis 1000
Meter Feuersaum gelöscht werden mit 2400 bis 5000
Liter Wasser. Das Wasser wird dorthin gespritzt, wo
die Flammen aus dem Boden aufsteigen. Erlischt das
Bodenfeuer, geht auch das Kronenfeuer aus.
3
Mögliche Gefahrenquellen für Feuerwehrleute bei Waldbrand sind: Atemgifte, Rauchgase, zu schnelle Ausbreitung des Feuers, von Flammen eingeschlossen, Angstreaktionen und Panik, Brandverletzungen, Verletzungen
durch Stichflammen, Explosionen, Einsturz von Bäumen
u.a.
4
Viele Tiere werden durch das Feuer schwer verletzt und
sterben. Tiere, denen es gelingt, dem Feuer zu entkommen, finden danach keine Nahrung und verhungern. Die
Tiere flüchten zwar vor dem Feuer, die Furcht vor den
Feuerwehrleuten treibt sie jedoch oft wieder zurück ins
Feuer und somit in den sicheren Tod.
Brennpunkt: Feurige Ratschläge
Zusatzinformationen
Weitere Einsatzhinweise:
• Fast jedes Feuer lässt sich in der Entstehungsphase
löschen. Wichtig ist, dass rasch gehandelt wird.
• Das Feuer sollte nach Möglichkeit zu zweit oder mehreren angegriffen werden.
• Das Löschen sollte in gebückter Haltung oder am Boden
liegend durchführt werden, da Hitze und Rauch nach
oben steigen.
• Feuerlöscher nur dann einsetzen, wenn Flammen oder
Glut zu sehen sind. Es ist sinnlos, blind in den Rauch zu
spritzen. In solchen Fällen besser die Türen und Fenster
schließen und im Freien auf die Feuerwehr warten.
• Mit der Spritzpistole eines Feuerlöschers erst zielen,
dann spritzen. Dabei immer dorthin zielen, wo die Flammen entstehen, also am Boden (Entstehungsort) des
Feuers.
• Der Feuerlöscher muss aufrecht stehen, damit die günstigste Löschwirkung erzielt wird.
• Jedes Feuer muss von vorne nach hinten und von unten
nach oben bekämpft werden.
• Im Freien muss man das Feuer immer mit dem Wind im
Rücken angreifen. Niemals darf es hinter dem Rücken
des Löschenden weiter brennen.
• Die Alarmierung der Feuerwehr muss Vorrang haben vor
eigenen Löschversuchen. Der Einsatz der Feuerwehr ist
kostenlos, auch wenn ein Eingreifen nicht mehr nötig ist
oder derjenige, der den Brand gemeldet hat, sich getäuscht hat.
Literaturhinweise
Die Roten Hefte, Lehrschriften für den Feuerwehrmann,
Kohlhammer Verlag:
• Peter Lex: „Bekämpfung von Waldbränden, Moorbränden, Heidebränden“, Heft-Nr. 26
• Siegfried Volz: „Unterrichtseinheiten für die Brandschutzerziehung“, Heft-Nr. 57
• Willy und Peter Symanowski: „Feuerlöscher im vorbeugenden Brandschutz“, Heft-Nr. 14
• Dieter Karlsch und Walter Jonas: „Vorbeugender Brandschutz“, Heft-Nr. 25
• Siegfried Volz: „Brandschutzerziehung in Schulen“,
Heft-Nr. 62
37
Brand und Brandbekämpfung
Brandklassen und Brandbekämpfung
Zusatzinformationen
Versuche
1
Die Verbrennung von Holz veranschaulicht einen Brand
der Brandklasse A (feste Stoffe, die normalerweise unter
Glutbildung verbrennen). In der Metallschale sollten kleine Holzspäne verbrannt werden, die schnell Flammen
bilden. Anstelle von Holz kann auch Pappe, Stroh oder
Papier verwendet werden. Je feiner und leichter der
Brennstoff ist, um so eher besteht die Gefahr, dass Funken oder brennende Teile hoch gewirbelt werden und
evtl. umher fliegen.
2
Die Verbrennung von Benzin veranschaulicht einen
Brand der Brandklasse B (Flüssigkeiten oder flüssig werdende Stoffe). Anstelle des stark rußenden Benzins kann
man auch billigen Brennspiritus oder Lampenöl einsetzen. Beim Abdecken ist darauf zu achten, dass die Luftzufuhr völlig unterbunden ist.
3
Die Verbrennung von Butan (Feuerzeuggas) veranschaulicht einen Brand der Brandklasse C (Gase). Der Versuch
muss gut vorbereitet sein, da das Gas sehr rasch verbrennt und die Flamme auch ohne Löschpulver ausgehen
kann. Das Sieb kann vor dem Entzünden über dem Becherglas (hohe Form) eingespannt werden, das Löschpulver sollte bereit stehen und nach dem Entzünden sofort eingesetzt werden.
4
Die Verbrennung von Magnesium veranschaulicht einen
Brand der Brandklasse D (Metalle). Das Magnesiumpulver kann mit dem Gasbrenner entzündet werden. Aus sicherem Abstand wird etwas Wasser (nicht zu viel, sonst
ist nachher keine Glut mehr vorhanden) auf das brennende Magnesiumpulver gespritzt. Vorsicht! Hohe Stichflamme! Grelles Licht! Chemisch findet dabei eine Redoxreaktion statt (Magnesium wird zu Magnesiumoxid
oxidiert, Wasser wird reduziert zu Wasserstoff). Der noch
glühende Rest wird mit Sand abgedeckt. Durch die Luft
gewirbeltes Magnesiumoxid führt manchmal zu großflächigen Verschmutzungen. Der Versuch kann, wenn möglich, im Freien durchgeführt werden. Nach dem Versuch
kann man z. B. problematisieren, warum man Metallbrände nicht mit Wasser löschen darf. Die chemische Reaktion lässt sich wegen fehlender Grundkenntnisse zu diesem Zeitpunkt noch nicht erklären. Bei Metallbränden
sollte man es nicht versäumen, auf die Bedeutung der
Brandwache nach der Brandbekämpfung hinzuweisen.
38
Die Buchstaben in den Abbildungen 5 bis 8 sind Kurzbezeichnungen für das Löschmittel. Sie werden auch auf den
entsprechenden Feuerlöschern angegeben.
W bedeutet Wasser und wässrige Lösung
S bedeutet Schaum
P bedeutet BC-Pulver *
PG bedeutet ABC-Pulver * oder Pulver für Glutbrände
PM bedeutet D-Pulver * oder Pulver für Metallbrände
K bedeutet Kohlenstoffdioxid
*Die Buchstaben vor dem Wort Pulver beziehen sich auf die
Brandklassen.
Brand und Brandbekämpfung
Werkstatt: Wir bauen ein Feuerlöschmodell
Aufgaben
Versuche
1
Beim Auftreffen der eingespritzten Salzsäure auf Natriumhydrogencarbonat bilden sich Gasblasen. Die Flamme
des Teelichtes erlischt nach einiger Zeit
2
Der Nachweis von Sauerstoff verläuft negativ, ein glimmender Holzspan erlischt in dem Gas. Der Nachweis mit
Kalkwasser verläuft positiv. Es tritt eine milchig weiße
Trübung ein. Beim unbekannten Gas handelt es sich um
Kohlenstoffdioxid.
3
Bei der Reaktion von Natriumhydrogencarbonat mit
Citronensäure bildet sich ein Schaum mit gelösten Kohlenstoffdioxid, welcher den Benzinbrand erstickt.
1
Mit Kalkwasser (Calciumlauge) wird das Gas Kohlenstoffdioxid nachgewiesen. Beim Einleiten von Kohlenstoffdioxid in Kalkwasser beobachtet man einen milchig
trüben Niederschlag.
2
Mit Schaumlöschern kann man Brände von festen Stoffen
(Brandklasse A) und größere Mengen brennender Flüssigkeiten (Brandklasse B, z.B. Benzin, Brennspiritus) bekämpfen.
Der Schaum besteht aus einem Schaummittel, aus Wasser und viel Luft. Schaumlöscher werden dort eingesetzt,
wo Löschmittelrückstände möglichst vermieden werden
sollen. Es gibt sie mit 6, 9 oder 10 Liter Inhalt. Die Spritzdauer beträgt je nach Größe 20 bis 45 Sekunden, die
Spritzweiten liegen zwischen 4 und 7 Meter.
39
Brand und Brandbekämpfung
Schlusspunkt: Verbrennung und Brandbekämpfung
7
Aufgaben
1
Die Feuerwehr kann man im ganzen Bundesgebiet alarmieren, über die einheitliche Notrufnummer 112, über
Notrufsäulen oder Feuermelder. Jeder ist verpflichtet, ein
Feuer oder die Notlage von Menschen oder Tieren zu
melden. Dies gilt auch für Kinder. Dabei gibt es keine Altersgrenze, die Kinder verbietet, im Notfall die Feuerwehr
oder Polizei zu rufen. Wer einen Notruf abgibt, muss ruhig und deutlich sprechen. Bei der Meldung sind folgende
Punkte anzugeben:
Wer meldet (Vor- und Nachname)?
Was brennt (Küche, Keller, Dachboden u.a.)?
Wie viele Personen oder Tiere sind in Gefahr oder verletzt?
Welcher Art sind die Verletzungen?
Warten auf Rückfragen!
•
Wenn es brennt muss zuerst die Feuerwehr alarmiert und
dann erst mit der Brandbekämpfung begonnen werden.
Das hat den Vorteil, dass die Feuerwehr schon unterwegs ist, wenn man die eigene Situation nicht richtig eingeschätzt hat oder einem beim Löschen etwas zustoßen
sollte. Brennendes Fett darf man nicht mit Wasser löschen, sondern durch Abdecken (passender Deckel auf
die Pfanne) oder mit einem Feuerlöscher (kein Wasserlöscher).
•
3
Nicht die Flüssigkeit brennt, sondern die entstehenden
Dämpfe über der Flüssigkeitsschicht. Flammen bilden
sich, wenn Stoffe im gasförmigen Zustand verbrennen.
•
4
Wird Terpentinöl in eine offene Flamme gesprüht, wird es
fein zerstäubt bzw. zerteilt. Mit zunehmendem Zerteilungsgrad wird die Oberfläche des brennbaren Stoffes
größer, die Verbrennung verläuft zunehmend heftiger und
oft spontan oder explosionsartig.
2
5
•
•
•
•
6
Bedingungen einer Verbrennung sind:
Ein brennbarer Stoff muss vorhanden sein (Holz, Streichholzkopf).
Luft muss Zutritt zum brennbaren Stoff haben (offenes
Reagenzglas).
Die Zündtemperatur des brennenden Stoffs muss erreicht
sein (Erhitzen des Reagenzglases).
Luft und brennbarer Stoff müssen im richtigen Mengenverhältnis vorliegen (begrenzte Luftmenge im Reagenzglas).
Kupfer ist ein guter Wärmeleiter. Bei der Verbrennung
von Kerzenwachsdämpfen entsteht Wärme, die über die
Kupferwendel abgeleitet wird. Die Kupferwendel erwärmt
sich. Gleichzeitig wird der am Docht brennende Wachsdampf unter die Zündtemperatur abgekühlt, die Flamme
erlischt.
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Nach der verheerenden Brandkatastrophe im MontblancTunnel wurden neuartige Sicherheitssysteme in dem
praktisch neu erbauten Tunnel installiert. Folgende Sicherheitsmaßnahmen im neuen Montblanc-Tunnel sollen
Brandkatastrophen und Unfälle vermeiden helfen:
Der Mindestabstand für alle Fahrzeuge soll 150 Meter
betragen.
Ein Tempolimit von 70 Stundenkilometern muss eingehalten werden.
Brandfeste Keramikplatten sind an den Tunnelwänden
angebracht.
Einzeln steuerbare Abluftklappen dienen zum Absaugen
von Rauch.
Ventilatoren zum Abbremsen der Luftströmung werden im
Fall eines Brandes in Betrieb genommen.
LKW werden vor Einfahrt in den Tunnel mit Infrarotkameras nach verdächtigen Hitzeherden durchleuchtet.
Sensoren messen die Temperatur im Tunnel.
Elektronische Anzeigetafeln geben im Notfall Anweisungen an die Autofahrer, wie sie in die 37 Schutzräume entkommen können.
Die Türen der Schutzräume sind aus Stahl und Dämmstoffen und sollen einer Temperatur von 1000°C vier
Stunden standhalten.
Fluchttreppen führen zu Frischluftkanälen, die eine Flucht
ins Freie ermöglichen.
Frischluftschneisen und Fluchtwege verlaufen unter den
beiden Fahrbahnen.
Die Feuerwehrfahrzeuge haben jeweils zwei identische
Führerkabinen, damit die Fahrzeuge nicht wenden müssen.
Auf Sprinkleranlagen hat man verzichtet, da Wasser bei
großer Hitze sofort verdampft und Menschen evtl. verbrühen würde.
Hauptursache für 95 % aller Unfälle ist menschliches
Fehlverhalten. Um in Notfällen richtig zu reagieren, sind
bei Tunnelbränden folgende Verhaltensregeln zu befolgen:
Warnblinkanlage einschalten,
an der Seite anhalten,
sofort Motor abstellen,
Zündschlüssel stecken lassen,
unverzüglich das Fahrzeug verlassen, den Hinweistafeln
zum Notausgang oder zum Schutzraum folgen,
zentrale Leitstelle informieren und im Schutzraum auf
weitere Anweisungen warten.
Die Flucht vom Brandort muss wegen Erstickungs- und
Verbrennungsgefahr innerhalb von zwei Minuten erfolgen.
8
Feuchtes Heu beginnt zu gären. Dabei entstehen brennbare Gase und Wärme. Wird die Zündtemperatur erreicht,
kommt es zur Selbstentzündung.
9
Zum Entzünden von Stahlwolle genügt die elektrische
Energie der Flachbatterie.
10 Bei der Notlandung eines Flugzeugs wird die Landebahn
mit Schaum bedeckt, um die Bildung von Reibungsfunken
zu vermeiden. Ein Funke würde genügen, um evtl. auslaufendes Kerosin oder Flugbenzin zu entzünden.
40
Luft und Oxidation
Werkstatt: Wir verbrennen Stoffe
Verbrennung – eine chemische Reaktion
Versuche
1
Je mehr Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung
steht, desto länger kann die Kerze brennen.
Versuchsergebnis: Die Kerze brennt am längsten unter
dem größten Becherglas, die Kerzenflamme geht am
schnellsten unter dem kleinsten Becherglas aus.
2
Wenn Holz brennt, bilden sich im Wesentlichen die
Verbrennungsgase Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die
Verbrennungsgase verflüchtigen sich in den Raum. Deshalb bewirkt die Bildung der Verbrennungsgase einen
Masseverlust des Zahnstochers.
Versuchsergebnis: Der nicht brennbare Rest der Zahnstochers ist leichter als die ehemaligen Zahnstocher.
3
Der Versuch 3 kann auch in der Weise durchgeführt
werden, dass man keine Digitalwaage nimmt, sondern eine Hängewaage mit Schalen. Eine der Schalen hängt
man aus und befestigt stattdessen am Waagebalken eine
Stricknadel. Auf die Stricknadel steckt man den Ballen Eisenwolle. An einer leicht angelaufenen Stricknadel haftet
die Eisenwolle besser als auf einer neuen, glatten. Die
Waage wird austariert, indem man ausreichend viel Sand
in die verbliebene Schale gibt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in dem unmittelbaren Erlebnis, wie sich die
Waage nach der Seite der schwerer werdenden Eisenwolle neigt.
Versuchsergebnisse: Es bildet sich Eisenoxid; die Eisenwolle wird schwerer, da sich Sauerstoff am Eisen bindet.
Die Zunahme der Materie bewirkt eine Zunahme der
Masse.
Abgesehen von der Farbveränderung verliert das Eisen
seine Festigkeit. Das Eisenoxid ist brüchig und lässt sich
zwischen den Fingern zerreiben.
4
Holz verbrennt hauptsächlich zu Kohlenstoffdioxid, Wasser und Asche. Der nicht brennbare Rest eines hölzernen
Zahnstochers ist kein Holz mehr, sondern fasrig strukturierte Asche. Diese hat nicht mehr die Festigkeit von
Holz.
Versuchsergebnis: Der nicht brennbare Rest eines Zahnstochers ist wesentlich brüchiger als der hölzerne Zahnstocher.
Versuche
1
Es ist nicht zu empfehlen, mehr als 15 cm Magnesiumband zu verbrennen, denn das bei der Verbrennung auftretende Licht schädigt die Augen. Um aber keinen all zu
großen Messfehler bei der Wägung zu erhalten, sollte
auch nicht zu wenig Magnesiumband verbrannt werden.
Die Mindestmenge des zu verbrennenden Magnesiums
hängt von der Empfindlichkeit der verwendeten Waage
ab.
Zu beobachten ist eine Massezunahme durch Zunahme
von Materie. Der Sauerstoff aus der Luft bindet sich an
das Magnesium und bildet Magnesiumoxid.
2
Um einen möglichst großen Masseverlust an der Kerze
nachweisen zu können, sollte der Docht möglichst groß
sein. Je unempfindlicher die Waage ist, desto länger
muss die Kerze brennen. Ab drei Minuten Brenndauer
lässt sich ein deutlicher Masseverlust an der Kerze
nachweisen.
Das Becherglas sollte so hoch sein, dass die darunter
stehende Kerze wenigstens 5 cm Platz für die Flamme
hat.
Versuchsergebnisse: Das Kerzenwachs verdampft und
verbrennt, und die Verbrennungsgase verflüchtigen sich
in den Raum. Daher wird die Masse der Kerze geringer.
Hält man ein kaltes, trockenes Becherglas über die
Flamme, schlägt sich am Becherglas Wasserdampf ab.
41
Luft und Oxidation
Werkstatt: Luft reagiert mit Kupfer
Die Rolle des Sauerstoffs bei der Verbrennung
Versuche
Ein Fünftel (20,95 %) der im Versuch zur Verfügung gestellten Luft reagiert mit dem Kupfer, dieses Fünftel ist Sauerstoff.
Vier Fünftel der Luft reagieren nicht mit dem Kupfer, diese
vier Fünftel sind im Wesentlichen Stickstoff.
Zusatzinformationen
Das Experimentieren mit der Medizintechnik gewährleistet
einen geringen Stoffverbrauch und die Einsatzmöglichkeit
komplexer Versuchsanordnungen für jeden Schüler.
Alle Materialen kann man, auch als Set erhältlich, über Aug.
HEDINGER GmbH & Co., Stuttgart (Wangen) beziehen.
42
Versuche
1
Das Volumen der eingesetzten Luft hat sich etwa um ein
Fünftel verringert. Der Sauerstoff der Luft hat sich mit
dem Kupfer an der Oberfläche der Kupferdrähte zu Kupferoxid verbunden. Demnach besteht die Luft zu einem
Fünftel (20,95 %) aus Sauerstoff.
2
Der glimmende Holzspan flammt unter Sauerstoff hell auf
(Glimmspanprobe zum Nachweis von Sauerstoff).
Aufgaben
1
Die Verbrennung von Holz ist eine exotherme Reaktion.
Je mehr Wärmeenergie dabei freigesetzt wird, desto heißer werdern die reagierenden Stoffe. Ab einer ausreichenden Temperatur beginnen die reagierenden Stoffe
zu leuchten bzw. zu brennen.
Die Sauerstoffkonzentration in reinem Sauerstoff ist ca.
5-mal höher als in der Luft. Pro Zeiteinheit reagieren daher mehr Sauerstoffteilchen mit dem Brennstoff. Die dadurch freigesetzte Wärmeenergie ist so hoch, dass der
Holzspan zu brennen beginnt.
2
An der Wasseroberfläche berührt die Luft das Bachwasser. Dort treten Sauerstoffteilchen (als Gasteilchen) durch
die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser in das Bachwasser über. Der Sauerstoff löst sich im Bachwasser, und
zwar um so leichter, je kälter das Wasser ist.
Luft und Oxidation
Werkstatt: Experimente mit Luftbestandteilen
Zusatzinformationen
Versuche
1
Der Sauerstoff für den Versuch 1 kann auch aus der
Sauerstoffflasche bezogen werden. Die Bedienung des
Ventils der Sauerstoffflasche muss aber durch die Lehrkraft erfolgen. Es genügt, wenn die Lehrerin / der Lehrer
einen schwach durchs Wasser perlenden Sauerstoffstrom
einstellt und die Schüler sich ihre Reagenzgläser daran
selber füllen.
Aufgaben
Zu Versuch 1:
Das Wasser hat nicht die Aufgabe, mit dem Sauerstoff eine
chemische Reaktion einzugehen. Er verdrängt lediglich alle
Luft aus dem Reagenzglas, wenn das Reagenzglas unter
Wasser entsprechend gehalten wird. Wenn jetzt Sauerstoff
unter Wasser in das Reagenzglas einströmt, dann verdrängt
der Sauerstoff das Wasser. Es verbleibt im Reagenzglas
reiner Sauerstoff.
Alternativversuch zu Bestimmung der Eigenschaften von
Kohlenstoffdioxid
Material: Glaswanne, Becherglas, Kohlenstoffdioxid aus der
Flasche, drei Kerzen unterschiedlicher Höhe
Versuchsanleitung: Man stellt die drei Kerzen hintereinander in die Glaswanne und zündet diese an. Man füllt in das
Becherglas Kohlenstoffdioxid und schüttet dann dieses Gas
langsam in die Glaswanne.
Beobachtung: Die kleinste Kerze erlischt zuerst.
Auswertung: Kohlenstoffdioxid ist ein erstickendes Gas und
schwerer als Luft.
Versuche
2
Der glimmende Holzspan flammt in der Sauerstoffatmosphäre hell auf (Nachweis für Sauerstoff).
3
Mit der Zeit trübt sich das Kalkwasser ein. Die Eintrübung
liegt an ungelöstem Kalk, der sich aus dem eingeblasenen (ausgeatmeten) Kohlenstoffdioxid und dem gelösten
Calciumhydroxid bildet (Nachweis von Kohlenstoffdioxid).
Ca(OH)2 + CO2 à CaCO3 + H2O
43
Luft und Oxidation
Verbrennung – eine Oxidation
Aufgaben
Versuche
Alle Verbrennungen werden unter Sauerstoff durchgeführt.
Die Reaktionen laufen dabei deutlich sichtbarer und vollständiger ab. Bei den Versuchen sind die Eigenschaften des
Eduktes mit denen des Reaktionsprodukts genau miteinander
zu vergleichen.
1
Schwefeldioxid ist giftig, daher muss der Versuch unter
dem Abzug ausgeführt werden.
Versuchsergebnis: Schwefel (gelb, spröde) verbrennt zu
Schwefeldioxid (farbloses Gas, bleichende Wirkung).
2
Das Licht, das bei der Verbrennung von Magnesium
entsteht, schädigt die Augen. Es sollte daher nur wenig
Magnesium eingesetzt werden. Etwa 5 cm Magnesiumband reichen völlig. Der Sand soll den gläsernen Standzylinder vor zu großer Hitzeeinwirkung durch herunterfallendes brennendes Magnesium schützen.
Versuchsergebnis: Magnesium (graues, glänzendes Metall) verbrennt zu Magnesiumoxid (weißer, spröder Feststoff).
3
Auch beim Verbrennen von Eisen sollte der Standzylinder
durch Sand vor zu großer Wärmeeinwirkung durch herabfallendes brennendes Eisen geschützt werden.
Versuchsergebnis: Eisen (graues Metall) verbrennt zu
Eisenoxid (grau-schwarzer Feststoff).
4
Das Stück Holzkohle sollte wenigstens die Größe einer
Erbse haben.
Versuchsergebnis: Holzkohle (schwarz-grau, spröde)
verbrennt zu Kohlenstoffdioxid (farbloses Gas, trübt
Kalkwasser).
44
1
Blei + Sauerstoff à Bleioxid
Kupfer + Sauerstoff à Kupferoxid
Kohlenstoff + Sauerstoff à Kohlenstoffdioxid
Kalium + Sauerstoff à Kaliumoxid
Mangan + Sauerstoff à Manganoxid
2
Eine Verbrennung ist eine Oxidation mit Flammenerscheinung.
Luft und Oxidation
Die Oxidation von Metallen
Werkstatt: Metalle oxidieren verschieden stark
Versuche
1
2
Der Gasbrenner kann alternativ auch waagrecht eingespannt werden und das Pulver von oben in die nicht
leuchtende Flamme gestreut werden. Keinen Kartuschenbrenner verwenden! Als Unterlage empfiehlt sich eine
große Aluminiumfolie. Das Glasrohr soll wenigstens
20 cm lang sein. Taucht man das Glasrohr etwa 1 cm tief
in das Magnesiumpulver ein, dann bleiben ausreichend
viele Pulverkörner im Glasrohr haften.
Erst einatmen, dann das Glasrohr an den Mund setzen,
mit dem Glasrohrende auf die Gasbrennerflamme zielen
und dann erst das Magnesiumpulver in die Gasbrennerflamme blasen.
Versuche
1
Eisenwolle verbrennt mit gelblich leuchtenden Funken zu
schwarz-grauem Eisenoxid.
2
Es ist wichtig, dass das „Kupferbriefchen“ sorgfältig gefaltet und zusammengepresst wird. Es soll sichergestellt
sein, dass keine Luft (kein Sauerstoff) von außen an die
Innenfläche des Kupfers gelangt.
Versuchsergebnis: Kupfer oxidiert an der Luft zugewandten Seite zu Kupferoxid. An der Innenseite, die vor
dem Zutritt des Sauerstoffs geschützt ist, findet keine
Oxidation statt.
3
Es ist darauf zu achten, dass der Versuch über der Aluminiumfolie ausgeführt wird, um den Arbeitsplatz sauber
zu halten und ungewollte Verbrennungen auszuschließen. Es darf kein Kartuschenbrenner benutzt werden,
und der Gasbrenner muss waagrecht eingespannt werden, damit die Metallspäne nicht in den Brenner fallen.
Der Gasbrenner muss auf die nicht leuchtende Flamme
eingestellt werden.
Jedes Metall erzeugt unterschiedlich helle Funken und
eine andere Funkenfärbung. Die Metalle lassen sich nach
ihrer Reaktionsheftigkeit in eine Reihe anordnen:
Kupfer: schwach grüne Flamme
Zink: schwacher Funkenflug mit gelblichen Funken
Eisen: etwas heftiger Funkenflug mit gelblich leuchtenden
Funken
4
Die Eisenwolle muss fettfrei sein.
Die Oxidation von Eisen verläuft langsam und benötigt
mehrere Tage. Der für die Oxidation benötigte Sauerstoff
stammt haupsächlich aus dem an der Wasseroberfläche
des Reagenzglases gelösten Sauerstoff. Der Wasserspiegel im Reagenzglas steigt daher mit der Zeit an.
Versuchsergebnis: Nach einigen Tagen bildet sich an der
Eisenwolle im Reagenzglas Rost.
Die Metalle reagieren unterschiedliche heftig mit Sauerstoff. Das Bindungsbestreben mit Sauerstoff ist unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Reaktionsheftigkeit ist
nur zu vergleichen, wenn man Pulver gleicher Menge und
Korngröße einsetzt.
Als Versuchsergebnis lässt sich folgende Reihenfolge mit
zunehmender Reaktionsheftigkeit erstellen:
Kupfer: brennt mit leicht grünlicher Flamme
Eisen: leichter Funkenflug mit gelblichen Funken
Magnesium: starker Funkenflug mit hell leuchtenden
Funken
Aluminium: heftiger Funkenflug mit leuchtenden Funken
45
Luft und Oxidation
Schnelle und langsame Oxidationen
Versuche
1
Anstelle der Streichhölzer können auch hölzerne Zahnstocher verwendet werden.
a) Das Streichholz verbrennt innerhalb einer Minute
vollständig, zurück bleibt Asche. Die Oxidation erfolgt
unter Flammenerscheinung. Es handelt sich also um
eine Verbrennung.
b) Der Nagel brennt nicht, er glüht nur schwach. Er
behält seine stoffliche Zusammensetzung, seine Größe und Festigkeit. Eine Oxidation findet nur an der
Metalloberfläche statt. An dieser bildet sich eine
schwarz-graue Schicht aus Eisenoxid. Das Glühen
stammt von der Erwärmung durch den Gasbrenner,
nicht aufgrund der Oxidation.
Versuchsergebnis: Die Oxidation des Eisennagels
erfolgt wesentlich langsamer als die des Streichholzes.
2
Die Verbrennung an der Luft läuft in beiden Fällen weniger heftig ab als bei der Verbrennung unter reinem Sauerstoff.
46
Zusatzinformationen
An dieser Stelle kann man auch nochmals auf den Zerteilungsgrad der Stoffe eingehen (vgl. Kapitel „Brand und
Brandbekämpfung“)
Der Schüler / die Schülerin erkennt, dass mit zunehmendem
Zerteilungsgrad die Reaktionsheftigkeit zunimmt.
Luft und Oxidation
Werkstatt: Saure und alkalische Lösungen
Versuche
1
Es ist nicht unbedingt notwendig, sich an die Zahl von
fünf Reagenzgläsern zu halten, man kann auch sieben
Reagenzgläser nehmen und sieben Regenbogenfarben
herstellen. Das Verfahren ist gleichwertig.
Es ist allerdings notwendig, den Universalindikator zu
verwenden. „Klassische“ Indikatoren wie Methylorange
oder Phenolphthalein sind für die Herstellung von Regenbogenfarben ungeeignet. Methylorange bringt nur die
Farben rot und gelb hervor, und Phenolphthalein liefert
nur die Farben farblos und rot.
2
Der Versuch 2 lässt sich auch in der Weise durchführen,
dass ein Tropfen flüssiger Universalindikator jeweils auf
die frischen Schnittflächen gegeben wird. Wenn jedoch
ein flüssiger Indikator eingesetzt wird, dann sollte es der
Universalindikator sein, denn eine Abstufung nach verschiedenen Säuregraden lässt sich beispielsweise mit
Methylorange nicht vornehmen.
3
Als Säure-Base-Indikator sollte der Universalindikator
verwendet werden. Eine Abstufung nach verschiedenen
Säuregraden der Lösungen lässt sich beispielsweise mit
Methylorange nicht durchführen (vgl. Zusatzinformationen
zu Versuchen 1 und 2).
Anstatt 1 ml mit der Messpipette in das nächste Reagenzglas zu geben, kann man auch 20 Tropfen mit der Tropfpipette auszählen. Das hat den Vorteil, dass ein Schüler
auf diese Weise ein Gefühl für die Menge eines Tropfens
entwickelt. Faustregel: 20 Tropfen sind so viel wie 1 ml.
Es ist nicht anzuraten, als Ausgangslösung eine 1 molare
HCl anstatt des vorgeschlagenen Haushaltsessigs zu
nehmen, denn die 1 molare HCl-Lösung ist zu sauer, als
dass der Universalindikator deutlich unterscheidbare Farben für die ersten Verdünnungslösungen liefern könnte.
Auch hier ist es nicht notwendig, sich an die vorgeschlagene Anzahl von fünf Verdünnungslösungen zu
halten.
47
Luft und Oxidation
Wässrige Lösungen von Oxiden
3
Echte Seife ist eine Verbindung aus Na+-Ionen oder K+Ionen und Fettsäure-Anionen. In wässriger Lösung wirken
die Fettsäureionen alkalisch. Da die Na+-Ionen und die
K+-Ionen pH-neutral reagieren, wirkt die Seife insgesamt
alkalisch. Die meisten modernen Waschmittel wirken dagegen pH-neutral. Es genügt, wenn man eine verdünnte
Seifenaufschlämmung herstellt.
Versuchsergebnis: Eine Seifenaufschlämmung liefert
nach Zugabe einiger Tropfen Universalindikator eine
blaue, trübe Aufschlämmung.
4
Vorsicht! Das Licht des brennenden Magnesiums ist
schädlich für die Augen.
Versuchsergebnis: Magnesiumoxid ist ein Metalloxid.
Metalloxide bilden mit Wasser alkalische Lösungen. Der
Universalindikator färbt sich blau.
5
Das Holz verbrennt unter anderem zu Kohlenstoffdioxid.
Kohlenstoffdioxid ist ein Nichtmetalloxid und bildet mit
Wasser eine (schwach) saure Lösung.
Versuchsergebnis: Der Universalindikator färbt sich in einer Kohlenstoffdioxidlösung schwach gelb-orange.
6
Schwefeldioxid ist giftig. Daher muss bei diesem Lehrerversuch im Abzug gearbeitet werden. Das Nichtmetall
Schwefel verbrennt hauptsächlich zu Schwefeldioxid.
Versuchsergebnis: In einer wässrigen Schwefeldioxidlösung färbt sich Universalindikator rot.
Aufgaben
1
Fünf verschiedene Metalloxide sind zum Beispiel Bleioxid, Calciumoxid, Eisenoxid, Silberoxid und Zinkoxid.
Vier verschiedene Nichtmetalloxide sind zum Beispiel
Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid, Stickstoffoxid und
Wasserstoffoxid (= Wasser).
2
Die Verbrennung von Birkenholz erzeugt Oxide. Die
Blaufärbung des Universalindikator in einer wässrigen
Lösung zeigt an, dass diese Lösung alkalisch ist. Von den
Oxiden ergeben in wässriger Lösung nur die Metalloxide
eine blaue Färbung. Also müssen Metalloxide in der Birkenholzasche enthalten sein.
Versuche
1
2
Rotkohlsaft wirkt wie ein Säure-Base-Indikator. In sauren
Lösungen färbt er sich rot und in alkalischen Lösungen
blau-violett.
Versuchsergebnis: Der Rotkohlsaft nimmt bei Zugabe von
Speiseessig (enthält Essigsäure) eine hellrote Farbe an.
Neben dem Rotkohlsaft ist der Tee ein weiterer natürlicher Indikator, der im sauren und im alkalischen Medium
verschiedene Farben animmt. Im Sauren nimmt der Tee
eine hellgelbe Färbung an und im Alkalischen eine rötlichbraune.
Vesuchsergebnis: Der rötlich-braune Tee schlägt bei Zugabe von Zitronensaft (enthält Citronensäure) nach gelb
um.
48
Luft und Oxidation
Luftverschmutzung und Maßnahmen zur Luftreinhaltung
Aufgaben
Zusatzinformationen
Der sprichwörtliche „Londoner Nebel“ ist ein Begriff aus der
Zeit, als der Hausbrand in England üblicherweise noch mit
Holz oder Kohle betrieben wurde. Heutzutage weist London
keineswegs mehr Nebel auf, als jede andere Großstadt mit
vergleichbarem Verkehr oder vergleichbaren klimatischen
Verhältnissen. Die Bemühungen, die Luft in London sauber
zu halten, haben die Emission Nebel bildender Keime in der
Luft mittlerweile drastisch reduziert.
Häufig werden Bilder mit Fabrikschloten gezeigt, aus denen
dichter, weißer „Umweltdreck“ steigt. Solange die Schwaden
aus den Schloten weiß sind, handelt es sich in den meisten
Fällen um Nebel aus Kühlanlagen, in denen lediglich Wasser
kondensiert. Die gefährlichen Umweltgase sind in aller Regel
unsichtbar.
1
Der Staubbeutel ist luftdurchlässig, aber undurchlässig für
grobe Staubpartikel. Ferner wird die Abluft des Staubsaugers noch durch ein Austrittsfilter gereinigt. Je besser
die Qualität des Staubbeutels und des Austrittsfilters sind,
desto feiner sind ihre Filterporen.
2
Der Tabakrauch enthält Festkörperpartikel, die in die
Laufwerke der Wechselmedien (Diskette, CD u.ä.) gelangen und dabei mechanische Behinderungen verursachen
können. Das kann zu Lese- und Schreibfehlern führen.
3
Schwefeldioxid ist ein Zellgift. Es zerstört den reibungslosen Stoffwechsel der Keimlinge. Die Keimlinge gehen
daran zugrunde. Das Schwefeldioxid braucht aber eine
gewisse Zeit, um zerstörend in den Stoffwechsel der
Keimlinge eingreifen zu können. Ohne die Glasglocke
verflüchtigt sich das Schwefeldioxid, und die Schädigung
der Keimlinge wäre nur kurzfristig und damit unbedeutend.
4
1 500 ppm heißt: 1 500 Schadstoffteilchen unter insgesamt 1 Million Teilchen. Der Anteil des Schadstoffs ist
daher:
c=
1 500
1 000 000
=
0,15
= 0,15%
100
Der Schadstoff erreicht einen Anteil von 0,15 % der gesamten Luft.
49
Luft und Oxidation
Schlusspunkt
8
Die Reklame verspricht unter anderem, dass Kalorien
verbrannt werden. Kalorien als Maßeinheiten zur Energiemessung können aber nicht brennen, es kann nur
Materie brennen.
Ferner ist falsch, wenn die Reklame behauptet, dass Fett
verbrannt wird. Es treten beim Fettabbau im Organismus
aber keine Flammen auf. Richtig müsste es heißen, dass
das Fett durch Oxidation abgebaut wird.
Zum dritten ließe sich als untergeordneter Fehler ansehen, dass es keine Kalorien mehr gibt. Die Energieeinheit
Kalorie wurde durch die Einheit Joule ersetzt.
9
Die Kerzenflamme ist nicht heiß genug, um die Oxidation
von Kupfer ausreichend zu beschleunigen; es findet so
gut wie keine Oxidation am Kupfer statt. Stattdessen
schlägt sich der Ruß der Kerzenflamme am Kupfer nieder. Dagegen ist die Flamme des Gasbrenners heiß genug, um die Oxidation des Kupfers in die Wege zu leiten.
Aufgaben
1
Das Reaktionsprodukt der Oxidation von Aluminium ist
Aluminiumoxid.
Das Reaktionsprodukt der Oxidation von Quecksilber ist
Quecksilberoxid.
Das Reaktionsprodukt der Oxidation von Kalium ist Kaliumoxid.
2
Man führt die Glimmspanprobe durch. Wenn der Holzstab
brennt, dann ist das fragliche Gas Sauerstoff. Wenn er
nicht brennt, dann ist das fragliche Gas kein Sauerstoff.
3
Grüne Pflanzen, und dazu gehören auch die Wasserpflanzen, nehmen Wasser und Kohlenstoffdioxid aus der
Umgebung auf und liefern dafür einen Teil des Sauerstoffs, den die Fische aufnehmen. Wenn sich zu wenige
Wasserpflanzen im Aquarium befinden, muss zusätzlich
noch ein leichter Luftstrom durch das Aquariumswasser
geblasen werden, welcher zusätzlich Sauerstoff liefert.
4
Wenn eine Kerze brennt, dann verdampft ein Teil des
Kerzenwachses. Das verdampfte Kerzenwachs wird vom
Luftsauerstoff oxidiert. Daraus entstehen vor allem die
Verbrennungsgase Kohlenstoffdioxid und Wasser. (wegen der hohen Flammentemperatur ist das entstehende
Wasser gasförmig). Die Verbrennungsgase verflüchtigen
sich in die Umgebung. Das Wachs der Kerze wird beim
Verbrennen also weniger, und die Kerze wird dadurch
kleiner und leichter.
Wenn ein Stück Magnesium verbrennt, dann lagern sich
Sauerstoffteilchen aus der Luft an der Magnesiumoberfläche an und reagieren mit den Magnesiumteilchen der
Magnesiumoberfläche zu Magnesiumoxid. Zum Magnesium kommen also noch Teilchen dazu. Daher wird Magnesium beim Verbrennen schwerer.
5
Das Reaktionsschema für die Oxidation von Stickstoff
lautet:
Stickstoff + Sauerstoff à Stickstoffoxid.
6
In 25 l Luft ist nur ein Viertel so viel Sauerstoff enthalten
wie in 100 l Luft. Bei 25 l Luft ist die Verbrennung daher
unvollständig. Es verbrennt nur ein Teil des Holzes.
Zusatz: Außerdem wird ein Teil des Kohlenstoffs nur unvollständig oxidiert. Es entsteht auch das Gas Kohlenstoffmonooxid.
7
Menschen und Tiere atmen Kohlenstoffdioxid in die Luft
aus, und die Pflanzen benötigen Kohlenstoffdioxid zur
Photosynthese. In diesem Rahmen ist Kohlenstoffdioxid
ein natürlicher Luftbestandteil.
Übermäßig an die Luft abgegebenes Kohlenstoffdioxid,
welches aufgrund seiner Menge von den grünen Pflanzen
nicht vollständig gebunden werden kann, trägt zur Erwärmung der Erdatmosphäre bei und wird in diesem Sinne als Luftschadstoff angesehen.
50
10 Edle Metalle kennzeichnen sich dadurch, dass sie nicht
oder kaum mit Sauerstoff reagieren. Weil sie nicht oder
nur schlecht Oxidschichten bilden, behalten sie ihren
metallischen Glanz. Edelmetalle besitzen über lange Zeit
einen metallischen Glanz.
11 Das Reaktionsprodukt von Blei und Sauerstoff ist Bleioxid. Das Rostschutzmittel gehört zu der Stoffklasse der
Oxide.
(Bsp. „Mennige“ ist ein Rostschutzmittel, das aus Bleioxid
besteht).
12 Eisen kann nur rosten, wenn es von Sauerstoff und Wasser gleichzeitig angegriffen wird. Die Schicht aus Farblack
soll den Zutritt von Feuchtigkeit und von Sauerstoff an
das Eisen verhindern.
13 Der Luftbestandteil Kohlenstoffdioxid ist ein Nichtmetalloxid und reagiert mit den Wassertröpfchen in der
Luft zu Kohlensäure. Der Anteil der Kohlensäure im Regenwasser ist allerdings recht gering.
Zusatz: Der Grund liegt im Aufbau der Kohlensäuremoleküle. Es sind überwiegend Wassermoleküle, welche jeweils ein Kohlenstoffdioxidmolekül verhältnismäßig locker
gebunden haben. Die chemische Formel von Kohlensäure ist daher weniger H2CO3, sondern zutreffender eher
H2O·CO2. In dieser Form kann ein sauer wirkendes Wasserstoffion nur schwer abgespalten werden.
Reduktion und Redoxreaktion
Die Reduktion
Aufgaben
Versuche
1
Silberoxid zerfällt schnell. Der feinpulvrige, weiße Rückstand (fein verteiltes Silber) ist leicht zu erhalten. Um ein
metallisch glänzendes Silberkügelchen zu erhalten, muss
der weiße Rückstand jedoch erst unter hoher Energiezufuhr zusammengeschmolzen werden. Für den Nachweis
des Sauerstoffes sollten weniger geübte Schüler das Reagenzglas an einem Stativ einspannen.
Das Silber(I)-oxid kann man selber herstellen, in dem
man eine Silbersalzlösung mit Kalilauge versetzt und den
braun-schwarzen Niederschlag abfiltriert. Den Niederschlag gut mit Wasser waschen und bei niedriger Temperatur trocknen.
Versuchsergebnis: Aus grau-schwarzem Silberoxid entsteht ein feinpulvriger, weißer Stoff (fein verteiltes Silber).
Die Glimmspanprobe verläuft positiv.
1
Das brennende Magnesium müsste in reinem Kohlenstoffdioxid erlöschen, da kein Sauerstoff zur Verfügung
steht. Die weiter laufende Reaktion und die Bildung von
Kohlenstoff zeigen, dass das Magnesium dem Kohlenstoffdioxid den Sauerstoff entreißt. Magnesiumoxid bildet sich und Kohlenstoff bleibt zurück. Magnesium kann
den Sauerstoff fester an sich binden als Kohlenstoff.
Magnesium ist ein starkes Reduktionsmittel. Eine chemische Reaktion, bei der Sauerstoff abgegeben wird, ist
eine Reduktion.
Reduktion
Kohlenstoffdioxid + Magnesium à Kohlenstoff + Magnesiumoxid
Oxidation
Zusatzinformationen
Durch die Versuchsreihe (Versuch 2 bis Versuch 5), soll die
Schülerin / der Schüler die Reduktionskraft der einzelne
Metalle erkennen und diese selbstständig in eine Reihe einordnen können.
2) Quecksilberoxid lässt sich wie Silberoxid thermisch leicht
zerlegen:
Reduktion
Quecksilberoxid à Sauerstoff + Quecksilber
Versuche
2
Das Reagenzglas kann durch die Hitzeentwicklung zerspringen, daher ist eine Unterlage unbedingt erforderlich.
Versuchsergebnisse: Die Reaktion läuft nach kurzem Erhitzen von alleine ab. Eine Glühfront wandert durch das
Gemisch. Nach dem Abkühlen kann man kupferfarbene
Bestandteile im Reaktionsprodukt feststellen (vgl. Bild 4
und Bild 5). Kupferoxid kann durch Eisen reduziert werden.
3
Dass hier keine Reaktion stattfindet, ist für den Schüler
nur daran zu erkennen, dass kein „Nachglühen“ also keine exotherme Reaktion stattfindet. Wichtig ist, dass im
Versuch 2 vom Schüler die exotherme Reaktion erkannt
wurde.
Versuchsergebnis: Eisenoxid kann nicht durch Kupfer reduziert werden. Kupfer ist ein schwächeres Reduktionsmittel als Eisen.
4
Die schwarzen Kohlenstoffflocken im weißen Magnesiumoxid sind gut zu erkennen. Zur besseren Demonstration können die Kohlenstoffflocken mit Wasser ausgespült
und abfiltriert werden. Damit der Glaszylinder bei der Reaktion nicht zerspringt, sollte etwas Sand auf den Boden
des Gefäßes gegeben werden.
Versuchsergebnis: Kohlenstoffdioxid kann durch Magnesium reduziert werden.
5
Bei genauer Beobachtung kann man leicht erkennen,
dass das Glühen der Eisenwolle beim Eintauchen sofort
aufhört.
Versuchsergebnis: Kohlenstoffdioxid kann durch Eisen
nicht reduziert werden. Eisen ist ein schwächeres Reduktionsmittel als Magnesium.
Zusatzinformationen
Die Reduktionskraft der Metalle (Redoxreihe der Metalle) ist
aus Gründen der Übersicht für den Schüler nur an vier Metallen aufgezeigt. Eine vollständigere Reihe lautet:
Au, Pt, Hg, Ag, Cu, Pb, Fe, Zn, Al, Mg, Na, Ca, K
Die Reduktionskraft nimmt zu
51
Reduktion und Redoxreaktion
Die Redoxreaktion
Werkstatt: Wir stellen Kupfer her
Versuche
1
Durch die Knallgasprobe wird sichergestellt, dass sich
neben dem Kupferoxid nur noch reines Wasserstoffgas
im Reaktionsrohr befindet. Mithilfe der Wasserstoffflamme
lässt sich ein gleichmäßiges Durchströmen einstellen. Die
eindrucksvolle Farbänderung wandert mit dem Wasserstoffstrom. Wenn etwa die Hälfte des Kupferoxides umgesetzt ist, sollte man mit dem Erhitzen aufhören, um
nachher beide Stoffe (Cu und CuO) vorzeigen zu können.
Dabei muss man darauf achten, dass der Wasserstoff
nach dem Erhitzen noch weiter das Reaktionsrohr durchströmt und damit auskühlt. Sonst reagiert das heiße
Kupfer mit dem Luftsauerstoff wieder zu schwarzem
Kupferoxid.
Sehr eindrucksvoll lässt sich der Versuch mit schwarzem
Kupferoxid in Drahtform (evtl. auch einem Kupferdrahtnetz) darstellen. Man kann diese Drahtstückchen sehr gut
in einem dünnen Reaktionsrohr aus Quarz aufbewahren.
Reduktion und Oxidation lassen sich abwechselnd nach
Bedarf durchführen.
Versuche
Der Versuch ist sicher und einfach durchzuführen. Die größte
Gefahr ist, dass das Kalkwasser in das Reagenzglas zurück
steigt. Aus diesem Grunde ist es ratsam, kein großvolumiges
Reagenzglas zu nehmen. Außerdem sollte genau darauf
geachtet werden, dass das Winkelrohr nur wenig in das
Kalkwasser eintaucht.
Da beim Erhitzen Kohlenstoffdioxid entsteht, ist es ratsam,
mit dem Erhitzen von rechts nach links zu beginnen. Sofort
nach dem Durchglühen muss das Reagenzglas soweit angehoben werden, dass das Winkelrohr nicht mehr in das Kalkwasser eintaucht.
Versuchsergebnisse: Im Kalkwasser perlen Gasblasen hoch,
das Kalkwasser trübt sich. Nach dem Erkalten erkennt man
im Reagenzglas einen rötlichen festen Stoff (Kupfer).
Aufgaben
1
Zusatzinformationen
2
Alle Materialien sind bei Aug. HEDINGER GmbH & Co.,
Stuttgart (Wangen) erhältlich.
Aufgaben
1
„Ein Oxid, das den Sauerstoff leicht auf einen anderen
Reaktionspartner überträgt, nennt man ein starkes Oxidationsmittel.“
52
Neben überschüssigem Kohlenstoff hat sich ein rötlicher
fester Stoff gebildet, der auf Kupfer hinweist. Als zweites
Reaktionsprodukt wird Kohlenstoffdioxid mit Kalkwasser
nachgewiesen.
Reduktion
Kupferoxid + Kohlenstoff à Kupfer + Kohlenstoffdioxid
Oxidation
Reduktion und Redoxreaktion
Die Gewinnung von Wasserstoff durch Reduktion
Versuche
Der Versuch lässt sich entsprechend der Redoxreihe natürlich auch mit anderen Metallen (z.B. Zink) durchführen. Hier
wurde Eisen gewählt, weil die Farbe des entstehenden Eisenoxids (blau-schwarz) den Schülern bekannt ist.
Beim Versuchsaufbau wurde auf ein Quarzrohr zurückgegriffen, weil die experimentierende Lehrkraft dann keine
Sorge vor größeren Temperatursprüngen und damit der
Gefahr eines platzenden Reaktionsrohres haben muss. Dieses Rohr sollte zum leichteren Experimentieren einen
Durchmesser von 10–15 mm besitzen.
Man sollte auf den ersten Teil des Versuches (Überleiten von
Wasserdampf über nicht erhitztes Eisen) nicht verzichten,
weil die wieder verschwindenden, knackenden Gasblasen für
Schüler beeindruckend sind. Dabei entsteht das Problem,
dass kondensierender Wasserdampf im Reaktionsrohr das
Eisenpulver mitreißt. Dieses kann verhindert werden, indem
man das Reaktionsrohr leicht mit kleiner Flamme im Bereich
des Porzellanschiffchens erhitzt. Eisen als Reduktionsmittel
hat den Vorteil, dass der Redoxvorgang erst bei höherer
Temperatur (rauschende Flamme) merklich einsetzt.
Der Nachweis von der Brennbarkeit des entstandenen Gases
sollte im dunklen Raum stattfinden, weil im hellen Raum die
Flamme kaum sichtbar ist. Beim Abdecken und Umdrehen
des Standzylinders ist darauf zu achten, dass keine Luft
eindringt (Knallgasbildung).
Zeitpunkt: Lavoisier beweist die Natur des Wassers
Zusatzinformationen
Der Versuch im Lehrbuch entspricht dem Versuch Lavoisiers.
Dieser Vesuch kann im Unterricht durch einen Lehrerversuch
mit einem stärkeren Reduktionsmittel als Eisen ergänzt werden. Die Schüler wissen, dass es Metalle mit unterschiedlichem Reduktionsvermögen gibt.
In einem Rundkolben wird Wasser zum Sieden erhitzt. In den
Wasserdampf dicht oberhalb der Wasseroberfläche hält man
zunächst einen brennenden Holzspan. Erwartungsgemäß
erlischt er sofort, weil kein Sauerstoff zur Verfügung steht. Im
Gegensatz dazu brennt Magnesium weiter, weil es als starkes Reduktionsmittel dem Wasser den Sauerstoff entzieht.
Zur weiteren Vertiefung kann im Schülerversuch Magnesium
im kleinen Reagenzglas in Wasser gegeben werden. Schon
bei Zimmertemperatur kann eine Wasserstoffentwicklung
beobachtet werden. Durch leichtes vorsichtes Erhitzen des
Wasser wird die Reaktion so weit gesteigert, dass in einem
zweiten Reagenzglas der Wasserstoff aufgefangen und
durch die Knallgasprobe nachgewiesen werden kann.
53
Reduktion und Redoxreaktion
Wasserstoff – ein Stoff mit außergewöhnlichen
Eigenschaften
Versuche
1
Die Geschwindigkeit der Diffusion des Wasserstoffs
hängt stark von der Qualität des Luftballonmaterials ab.
Je dünner (und billiger) die benutzten Ballone sind, desto
besser kann man den Effekt innerhalb einer Unterrichtsstunde zeigen.
Versuchsergebnisse: Der Wasserstoffballon trägt den
Luftballon. Mit der Zeit nimmt das Volumen des Wasserstoffballons schneller ab als das des Luftballons. Beide
Ballone sinken zu Boden (Begründung vgl. Aufgabe 1).
2
Zur Überraschung der Schüler kann man diesen Versuch
zunächst bei normalem Tageslicht durchführen. Die Wasserstoffflamme ist so kaum zu erkennen. Danach sollte
man zur Aufklärung des Phänomens den Versuch im
Dunkeln wiederholen. Die Kerze darf nicht zu weit in den
Zylinder eingeführt und muss wieder zügig herausgeführt
werden.
Versuchsergebnisse: Beim Einführen der Kerze entzündet sich der Wasserstoff am Zylinderrand. Im Zylinder erlischt die Kerze. Beim Herausziehen entzündet sich die
Kerze wieder (Begründung vgl. Aufgabe 2).
3
Das entstehende Geräusch hängt von der zufälligen
Zusammensetzung des Gemisches ab. Wiederholungen
machen den Schüler sicherer in der Einschätzung des
Geräusches.
Versuchsergebnis: Ein pfeifendes Geräusch deutet auf
ein Knallgasgemisch hin, ein mehr dumpfes Geräusch auf
reinen Wasserstoff.
4
Der Versuch lässt sich eindrucksvoll und sicher im Zündrohr durchführen. Das Zündrohr muss mit der Öffnung
nach unten an einem Stativ befestigt sein.
Versuchsergebnisse: Beim Entzünden ist wegen des entstandenen Knallgases im Zylinder eine Explosion festzustellen (Achtung vor wegfliegendem Deckel). Das Watesmopapier färbt sich blau (Nachweis von Wasser).
Zusatzinformationen
Zu Versuch 4
Sehr beeindruckend lässt sich die Knallgasentwicklung (nur
als Lehrer-versuch!) mit einer offenen Blechdose durchführen, in deren Boden ein ca. 1 mm großes Loch gestoßen
wurde. Sie wird mit der Öffnung nach unten (durchlöcherter
Boden oben) lose auf einen Dreifuß mit Tondreieck gestellt
und von unten mit Wasserstoff gefüllt. Alle Luft muss verdrängt sein. Beim Füllen darf keine Flamme in der Nähe sein.
Nachdem die Wasserstoffflasche gesichert und entfernt wurde, entzündet man mit einem Feuerzeug den am Loch ausströmenden Wasserstoff und nimmt einen Sicherheitsabstand
zum Versuch ein. In dem Maße, in dem der Wasserstoff
durch die kleine Flamme verbraucht wird, strömt von unten
Luft mit Sauerstoff in die Dose und bildet Knallgas, das mit
einem extrem lauten Knall explodiert. Die Explosion kann bei
einem sehr kleinen Loch u.U. erst nach ca. 2 Minuten erfolgen! Vorsicht! Man muss die Schüler vorher auf die heftige
Explosion hinweisen! Die Schüler müssen einen Sicherheitsabstand von mindestens 3 m haben. Die Dose fliegt ca. 0,5
bis 1 m weit. Der Lehrer sollte sich selbst bei langer Wartezeit
auf die Explosion nicht verleiten lassen, zu früh sich wieder
dem Experiment zu nähern.
Dieses Experiment muss der Lehrer zuvor mehrfach ohne
Schüler durchgeführt haben, um die Situation richtig einschätzen und die Klasse richtig vorbereiten zu können. Dann
ist dieser Versuch problemlos durchzuführen.
Der Nachteil ist, dass man das entstehende Wasser nicht
sieht.
Zusatzinformationen
Das Zündrohr mit Piezo-Zünder kann man beziehen bei Aug.
HEDINGER GmbH & Co., Stuttgart (Wangen).
Für Schwerpunktkurse kann man die Synthese quantitativ in
einem Reaktionsrohr von LEYBOLD Didactic GmbH, Leyboldstraße 1, 50354 Hürth durchführen.
54
Aufgaben
1
Der Auftrieb des Wasserstoffballons ist sehr groß, weil
das Gewicht des Wasserstoff nur ca. 1/14 der Luft beträgt.
Der Wasserstoffballon trägt zunächst den Luftballon. Der
Wasserstoffballon ist nach etwa ½ Stunde schon wesentlich kleiner, weil die Teilchen des Wasserstoffs viel kleiner
als die der Luft sind. Sie wandern leichter und schneller
durch die poröse Gummiwand des Ballons. Mit abnehmender Wasserstofffüllung verliert der Ballon seine Auftriebskraft und sinkt zu Boden.
2
a) Der Standzylinder ist mit Wasserstoff gefüllt, weil das
leichte Gas nach oben steigt.
b) Die brennende Kerze entzündet den Wasserstoff. Er
brennt am Standzylinderrand, an dem sich Sauerstoff
für die Verbrennung befindet.
c) Innerhalb des Wasserstoffgases ist kein Sauerstoff
vorhanden, die Kerze erlischt. Das Gas brennt an der
Grenze zur Luft (Sauerstoff) weiter.
d) Beim Herausziehen der Kerze entzündet sich diese
an dem noch brennenden Wasserstoff wieder.
Reduktion und Redoxreaktion
Brennpunkt: Wasserstoff als Energieträger
Aufgaben
Zusatzinformationen
Auf dieser Brennpunktdoppelseite soll die Schülerin / der
Schüler für die Vor- und Nachteile von verschiedenen Energieträgern sensibilisiert werden. Die Suche und Nutzung von
alternative Energiequellen, gerade auch in Form der Wasserstofftechnik, spielt in der Gesellschaft eine immer zunehmendere Rolle. Entsprechende Neuentwicklungen sind der Tagespresse und anderen Medien zu entnemen.
Gerade die Entwicklung und der Einsatz von Brennstoffzellen
ist mittlerweile auch in das Alltagsleben vorgedrungen.
In dieser Jahrgangsstufe kann dieses Thema nur vereinfacht
als eine Möglichkeit der umweltfreundlichereren Energiegewinnung behandelt werden. Die Wirkungsweise der Brennstoffzelle wird im Detail erst in der 9. Jahrgangsstufe (Elektrochemie) behandelt.
Der KOSMOS-Verlag, Postfach 106011, 70049 Stuttgart,
bietet einen Baukasten „Brennstoffzelle“ an.
Experimente zeigen, wie aus Wasser mithilfe von Solarzellen
reiner Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt und dann im
„Hydrocycle System“ der KOSMOS-Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt werden.
Ein Highlight dieses Experimentierkastens ist ein Fahrzeug,
das lediglich durch den eigenen Wasserkreislauf und durch
Sonnenenergie fährt.
1
a) Altes Papier, Glas und Eisen sind kein Müll, sondern
können als Rohstoff wieder zu neuem Papier, Glas
und Eisen verarbeitet werden.
b) Recycling schont die natürlichen Ausgangsstoffe wie
Holz, Erze, Quarzsand. Recycling vermindert die riesigen Müllmengen in der Industriegesellschaft.
c) Langsam knapper (teurer) werdende Rohstoffe und
riesige Müllberge zwingen zum Nachdenken. Es war
lange Zeit einfacher, alte Dinge wegzuwerfen als ein
ganzes System zum Einsammeln und Wiederverwerten zu organisieren.
2
Kohle, Erdgas, Erdöl sind bis heute die wichtigsten Energieträger. Die Lagerstätten werden aufgespürt und ausgebeutet. Nach der Verbrennung entstehen Stoffe (z.B.
Kohlenstoffdioxid), die nicht mehr dem Energieprozess
zur Verfügung stehen. Die Reserven an fossilen Energieträgern wird in naher Zukunft ausgeschöpft sein.
3
Das natürliche Kohlenstoffdioxid wird in einem Kreisprozess (Atmung / Fotosynthese) immer wieder gebunden,
z.B. im Holz der Pflanzen. Die zusätzlichen jährlichen
800.000.000 Tonnen Kohlestoffdioxid aus technischen
Prozessen (Autos, Heizungen, Industrie) können nicht
verarbeitet werden. Sie sammeln sich deshalb in der Atmosphäre an. Gleichzeitig werden die Wälder abgeholzt,
wodurch noch weniger Kohlenstoffdioxid gebunden werden kann. Der erhöhte Kohlenstoffdioxidgehalt wird maßgeblich für den Treibhauseffekt verantwortlich gemacht.
4
Die Herstellung von Wasserstoff für schadstofffreie Autos
(durch Wasseranalyse) erfordert Energie, also wird hierfür wieder größtenteils Kohle, Erdöl und Erdgas benötigt.
Bei der Wasserzelegung mithilfe der Sonnenenergie greift
man auf eine regenerative Energiequelle zurück, die keine Schadstoffe produziert.
55
Reduktion und Redoxreaktion
Der Hochofenprozess – ein Redoxvorgang in der Technik
Zusatzinformationen
Modellversuch (Lehrerversuch):
Material:
Quarzglasrohr (ca. 20 cm lang, d = 1,5 cm), gewinkeltes
Glasrohr mit durchbohrtem Stopfen, Glasrohr mit ausgezogener Spitze und durchbohrtem Stopfen, Glaswolle (bzw.
Steinwolle), 2 Bunsenbrenner, Magnet, Stativmaterial
Chemikalien:
Aktivkohle (gekörnt), Eisen(III)-oxid, Sauerstoff (brandfördernd, O)
Durchführung:
Ein senkrecht im Stativ eingespanntes Quarzrohr wird am
unteren Ende mit einem Stopfen verschlossen, in dem ein
Glasrohr (gewinkelt) gasdicht eingeführt und mit einer Sauerstoffflasche verbunden ist. Das Reaktionsrohr wird gemäß
der Abbildung folgendermaßen beschickt:
Auf eine Schicht von Glaswolle folgt gekörnte Aktivkohle
(etwa 7 cm hoch), dann Eisen(III)-oxid (etwa 2 cm hoch),
dann wiederum eine Schicht Aktivkohle gefolgt von einer
Schicht aus Eisen(III)-oxid. Die oberste Schicht wird dann mit
Glaswolle abgedeckt und das Quarzglasrohr mit Stopfen und
Glasrohr (mit Spitze) verschlossen.
Mithilfe von zwei schräg gestellten Bunsenbrennern wird die
unterste Kohleschicht zum Glühen gebracht und dann Sauerstoff durch das Reaktionsrohr geleitet. Dann erhitzt man das
Eisen(III)-oxid und anschließend die obersten Schichten. Das
am oberen Glasrohr entweichende Kohlenstoffmonooxid wird
abgefackelt.
Wenn beide Kohleschichten glühen, wird die Sauerstoffzufuhr
vermindert und die Brenner werden entfernt. Beim Nachlassen des Glühens, stellt man die Sauerstoffzufuhr ab und lässt
das Reaktionsrohr abkühlen. Anschließend prüft man das
Reaktionsprodukt mit einem Magneten.
Ergebnis:
Es ist schwarzes Eisenpulver entstanden, das vom Magneten
angezogen wird.
Auswertung:
An den chemischen Prozessen, die zur Reduktion von Eisen(III)-oxid führen, sind folgende zwei Schritte beteiligt:
I. Entstehung des Reduktionsmittels Kohlenstoffmonooxid in
den Aktivkohleschichten des Hochofenmodells (Oxidation):
2 C + O2 à 2 CO
II. Indirekte Reduktion des Eisenerzes: Das heiße Kohlenstoffmonooxid steigt in die darrüberliegende Schicht von
Eisen(III)-oxid und reduziert dieses bei einer Temperatur von
etwa 400 °C, wobei es selbst oxidiert wird (Redoxreaktion):
3 Fe2O3 + CO à 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO à 3 FeO + CO2
FeO + CO à Fe + CO2
56
Hinweis:
Es ist unbedingt erforderlich, die Sauerstoffzufuhr nach dem
Aufglühen der Aktivkohle zu reduzieren, da anderenfalls die
Aktivkohle durch den Sauerstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Kohlenstoffmonooxid entsteht nur bei einer
unvollständigen Verbrennung von Kohlenstoff.
Literaturhinweise
J. Reiss: „Alltagschemie im Unterricht“, Aulis Verlag Deubner
& CO KG, Köln 1994, S.18ff.
Medienhinweise
http://www.chemieunterricht.de/
Reduktion und Redoxreaktion
Zeitpunkt: Der Hochofenprozess veränderte die Welt
Lexikon: Stahl
Aufgaben
1
2
Letzte Naturvölker, die noch keinen (wenig) Kontakt zur
Zivilisation hatten, leben heute nur noch in schwer zugänglichen Urwaldrestgebieten der tropischen und subtropischen Zonen.
Es sind Sammler und Jäger, die völlig autark von den
Pflanzen und Tieren ihrer Umgebung leben. Sie zerstören
ihre Umwelt nicht, sondern leben im Einklang mit und in
Abhängigkeit von der Natur. Nur in dem Maße, in dem die
entnommenen Pflanzen und Tiere wieder nachwachsen,
können sich solche Völker entwickeln.
Als Menschen anfingen, für Vorräte zu sorgen, bestimmte
Pflanzen anzubauen (z.B. Getreide), Tiere zu züchten
(Schlachttiere) waren Arbeitsgeräte notwendig. Zum Teil
waren sie aus Holz, aber die Völker, die einen Pflug aus
Metall hatten, waren im Vorteil.
Aus Eisen wurde früher vor allem Kriegsmaterial hergestellt und daher vorwiegend in den Gegenden gefunden,
in denen Kriege / Feldzüge stattfanden. Die Indianer lebten von ihrer direkten Umgebung. Sie hatten nicht das
Bestreben, andere Länder zu erobern. Sie wären dazu
auch nicht in der Lage gewesen, weil ihr Tagesablauf
hauptsächlich darauf ausgerichtet war, die tägliche Nahrung zu beschaffen. Sie empfanden sich selber als einen
Teil der Natur und wären entsprechend auch nicht auf
den Gedanken gekommen, diese Natur zu zerstören. Sie
lebten in Zeltlagern, die häufig mit den ziehenden Herden
der Jagdtiere verlegt wurden.
Aufgaben
1
Eine andere Stahlsorte ist z.B. der V4A-Stahl. Die Zusammensetzung von V4A-Stahl kann je nach Verarbeitung variieren:
V4A-Stahl
Chemische Zusammensetzung
Anteil in %
Fe
61,53 - 67,82
C, max. %
0,03 - 0,07
Mn, max. %
2
Si max. %
1
Cr %
16,5 – 18,5
Ni %
10,5 – 14
Mo %
2 – 2,5
Ti %
0,15 - 0,4
2
„Nirosta“ ist nicht eine Edelstahlsorte, sondern ein Name
für eine Gruppe von Stählen. Der Name steht für „nicht
rostender Stahl“.
3
Durch Einblasen von Sauerstoff (Oxigenium) in das kohlenstoffhaltige Roheisen wird Kohlenstoffdioxid gebildet.
Dadurch wird der Kohlenstoffgehalt gezielt vermindert.
Das neue Produkt heißt Edelstahl.
57
Reduktion und Redoxreaktion
Das Thermitverfahren
Schlusspunkt
Versuche
1
Die Materialien müssen trocken sein. Das Thermitgemisch muss gut gemischt werden. Anstelle des Magnesiumbandes kann auch ein Wunderkerze genommen werden. Wegen der stark exothermen Reaktion sollte der
Versuch nur im Freien, mit genügend Sicherheitsabstand
und geeigneten Sicherheitsmaßnahmen durchgeführt
werden.
Versuchsergebnisse: In einer stark exothermen Reaktion
reagiert das Gemisch nach dem Entzünden. Unter den
Reaktionsprodukten ist Eisen (Prüfung mit dem Magneten) zu finden.
Aufgaben
1
Reduktionsmittel sind in der Lage, Oxiden den Sauerstoff
zu entziehen. Wenn Blei erst durch längeres Erhitzen
(Rösten) in den Zustand des Oxides übergeht, handelt es
sich um ein schwaches Reduktionsmittel.
2
Eine Reduktion von Eisenoxid bedeutet, dass dieser
Verbindung der Sauerstoff entzogen werden muss. Es
bleibt dann elementares Eisen zurück.
Die Reduktion kann nur mit einem Metall erfolgen, dass
ein stärkeres Reduktionsmittel als Eisen ist. Dies sind
z.B. die Metalle Magnesium und Aluminium.
Eisenoxid + Magnesium à Eisen + Magnesiumoxid
Zusatzinformationen
Die von Lehrmittelvertrieben angebotenen Experimentiersätze für das Thermitverfahren sind auch im Raum durchführbar.
Zu erhalten bei Aug. HEDINGER GmbH & Co., Heiligenwiesen 26, 70327 Stuttgart oder LEYBOLD Didactic GmbH,
Leyboldstraße 1, 50354 Hürth
58
Eisenoxid + Aluminium à Eisen + Aluminiumoxid
(Thermitreaktion)
3
Die Reduktion läuft nach folgendem Reaktionsschema
ab:
Wasser + Magnesium à Wasserstoff + Magnesiumoxid
4
Wasserstoff besteht aus kleinsten Teilchen. Feinste Haarrisse in Leitungen führen zur Bildung von Knallgas (Wasserstoff-Sauerstoffgemisch im Verhältnis 2:1). Bereits
durch geringe Energiezufuhr kann dieses Knallgasgemisch schlagartig explodieren.
Die chemische Zeichensprache
Das Gesetz von der Erhaltung der Massen
Werkstatt: Werden Stoffe „leichter“ oder „schwerer“?
Versuche
1
2
3
Es ist sinnvoll, die Eisenwolle vor dem Experiment zu
entfetten, z.B. mit Aceton. Die Eisenwolle sollte erst dann
für das Experiment benutzt werden, wenn das Lösungsmittel sich vollständig verflüchtigt hat. Man sollte unter die
Eisenwolle, die mit dem Gasbrenner erhitzt wird, eine
feuerfeste Unterlage legen. Den Gasbrenner anfangs
nicht zu heiß einstellen. Der „Funkenflug“ könnte zu großen Einfluss auf das Versuchsergebnis haben.
Versuchsergebnis: Die Waage neigt sich zu der Seite, an
der die Eisenwolle entzündet wurde. Bei der Verbrennung
von Eisen hat (da zum Ausgangsstoff Sauerstoff dazu
kam) eine Massenzunahme stattgefunden.
Sinn von Versuch 2 ist es, die Schüler zum Gesetz der
Erhaltung der Massen zu führen. Im Gegensatz zu Versuch 1 wird hier die Verbrennung in einem geschlossenen System betrachtet. In diesem Versuch ist genau auf
die Einwaage von Eisen und der eingefüllten Sauerstoffmenge (Umfang des Ballons U = 40 cm) zu achten.
Versuchsergebnisse: Während der Reaktion nimmt der
Umfang des Sauerstoffballons ab, da der Sauerstoff für
die Reaktion verbraucht wurde. Die Massen der Ausgangsstoffe (Eisen und Sauerstoff) sind gleich der Masse
des Endstoffes Eisenoxid.
Auch Versuch 3 zeigt einen Reaktionsablauf im geschlossenen System. Dabei geht es nicht darum, auf die
Zusammensetzung der Luft abzuheben. Dazu ist der Versuch nicht geeignet. Es soll lediglich gezeigt werden,
dass das gesamte System sich von der Masse her nicht
verändert.
Versuchsergebnisse: Die Kerze erlischt nach einiger Zeit
unter dem Becherglas, da ihr der Sauerstoff fehlt. Der
Wasserspiegel im Becherglas steigt an, da das Gasvolumen im Becherglas abnimmt. Auf der Waage ist keine
Massenveränderung festzustellen.
Versuche
Diese Versuche sollen im Vergleich zeigen, dass eine Massenkonstanz erst eintritt, wenn das System geschlossen ist.
Somit wird deutlich in welchem Rahmen das Gesetz von der
Erhaltung der Massen Gültigkeit besitzt.
Aufgaben
1
Die Streichholzköpfe wiegen vor und nach der Reaktion
gleich viel. Der Ballon nimmt an Volumen zu.
Die Reaktion läuft in einem geschlossenen System ab.
Die gasförmigen Reaktionsprodukte „blasen“ den Ballon
auf.
2
Bei Versuch 1 ist eine Massenabnahme festzustellen. Da
hier ein offenes System vorliegt, verflüchtigen sich, im
Gegensatz zu Versuch 2, die gasförmigen Reaktionsprodukte in den Raum. Das übrig bleibende, feste Reaktionsprodukt (abgebrannte Streichholzköpfe) ist folglich
leichter als der Ausgangsstoff.
Zusatzinformationen
Genaugenommen müsste bei dem Versuch 3 und dem
Werkstattversuch der Auftrieb des Luftballons in die Massenberechnung miteinbezogen werden. Die Auftriebskraft (bzw.
fehlende Auftriebskraft) ist in beiden Fällen jedoch so gering,
dass diese vernachlässigt werden kann.
59
Die chemische Zeichensprache
Die chemische Reaktion als Umgruppierung von Teilchen
Brennpunkt: Bestimmung der Atommassen
Versuche
1
•
•
•
Das entstehende Kohlenstoffdioxid ist farb- und geruchlos. Da es schwerer ist als Luft, sinkt es zu Boden. Ist das
Gefäß mit Kohlenstoffdioxid bis zu einer bestimmten Höhe gefüllt, geht die Kerze aus. Kohlenstoffdioxid ist ein
erstickendes Gas mit der Dichte ρ = 1,977 g/cm3. Damit
das Reaktionsrohr nicht platzt, ist folgendes zu beachten:
Das Reaktionsrohr muss trocken sein.
Die Universalklemmen an den Enden des Rohres nicht zu
fest zu drehen. Es dürfen keine Spannungen im Glas entstehen.
Den Gasbrenner zunächst unter dem Reaktionsrohr hin
und her bewegen. Dann erst mit langsamen Bewegungen
und heißerer Flamme (mehr punktuell) den Kohlenstoff
erhitzen.
60
Aufgaben
1
a) Anhand der Massenvergleichsskala aus Bild 1 erkennt man: Das Kohlenstoffatom ist 12-mal schwerer
als ein Wasserstoffatom.
b) Im Vergleich mit einem Wasserstoffatom ist das Sauerstoffatom 16-mal schwerer und das Schwefelatom
32-mal schwerer. Daraus folgt: Das Schwefelatom ist
doppelt so schwer wie das Sauerstoffatom.
Zusatzinformationen
Massenvergleiche von Atomen können auch anschaulich
durch eine Balkenwaage dargestellt werden.
Die chemische Zeichensprache
Die Zeichensprache des Chemikers
Die Wertigkeit von Atomen
Aufgaben
1
a) O3
b) CH4
c) 3 NH3
2
a) 6 Chlormoleküle, 1 Molekül besteht aus 2
Chloratomen
b) 5 Tetrachlokohlenstoffmoleküle, 1 Molekül besteht
aus 4 Chloratomen und 1 Kohlenstoffatom
c) 14 Wasserstoffmoleküle, 1 Molekül besteht aus 2
Wasserstoffatomen
3
a)
b)
c)
d)
Aufgaben
1
a) Mg → II-wertig, O → II-wertig Þ 1 x Mg, 1 x O Þ
Formel: MgO
b) Al → III-wertig, S → II-wertig Þ 2 x Al , 3 x S Þ
Formel: Al2S3
Fe → III-wertig, O → II-wertig Þ 2 x Fe, 3 x O Þ
Fomel: Fe2O3
2
Kohlenstoffmonooxid → CO, O → II-wertig Þ
C → II-wertig
Kohlenstoffdioxid → CO2, O → II-wertig Þ C → IV-wertig
Schwefeldioxid
Schwefeltrioxid
Stichstoffmonooxid
Stickstoffdioxid
61
Die chemische Zeichensprache
Die Reaktionsgleichung
2
a)
NH3
b)
SO2
Aufgaben
1
Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser:
H2 + O2 → H2O
2 H2 + O2 → 2 H2O
2
Aluminium reagiert mit Chlor zu Aluminiumchlorid.
Die Formel für Aluminiumchlorid ist AlCl3.
Al + Cl2 → AlCl3
Al + 3 Cl2 → 2 AlCl3
2 Al + 3 Cl2 → 2 AlCl3
3
Natrium reagiert mit Schwefel zu Natriumsulfid.
Natriumsulfid hat die Formel Na2S.
Na + S → Na2S
2 Na + S → Na2S
Werkstatt: Reaktionsgleichungen spielerisch erstellen
Aufgaben
1
a) Kupfer(I)-oxid Cu2O; Kupfer(II)-oxid CuO
Kupfer reagiert mit Sauerstoff zu Kupfer(I)-oxid (Cu2O):
Cu + O2 → Cu2O
2 Cu + O2 → Cu2O
4 Cu + O2 → 2 Cu2O
Kupfer reagiert mit Sauerstoff zu Kupfer(II)-oxid (CuO):
Cu + O2 → CuO
2 Cu + O2 → 2 CuO
62
c)
N2 + 3 H2 → 2 NH3
d) Stickstoffmonooxid Þ O → II-wertig Þ N → II-wertig
Die Formel dieser Verbindung lautet: NO.
N2 + O2 → NO
N2 + O2 → 2 NO
Stickstoffdioxid Þ O → II-wertig Þ N → IV-wertig
Die Formel der Verbindung lautet: NO2.
NO + O2 → NO2
2 NO + O2 → 2 NO2
Die chemische Zeichensprache
Brennpunkt: Massenverhältnisse von Teilchen
in Reaktionen
Schlusspunkt
Aufgaben
Versuche
1
1
a) 10 Moleküle Wasser, ein Molekül besteht aus 2 Wasserstoffatome und 1 Sauerstoffatom.
b) 3 Moleküle Ammoniak, ein Molekül besteht aus 1
Stickstoffatom und 3 Wasserstoffatome.
c) 4 Moleküle Chlor, ein Molekül besteht aus 2 Chloratome.
2
a) Die „2“ hinter dem Atomsymbol muss tief gesetzt
werden: 2 Cl2.
b) Es gibt keine halben Atome. Entweder schreibt man
1 Cl2 oder 2 Cl2; Außerdem muss auch hier hinter
Chlor eine tiefgestellte „2“ stehen, da Chlor nur als
zweiatomiges Molekül vorkommt.
c) Begründung wie bei b)
3
Gold glänzt in reinem Zustand gelblich, daher stammt
wohl der Vergleich mit dem Sonnenlicht.
4
Wasserstoffchlorid hat die Formel HCl. Die Gleichung
lautet dann:
Cl2 + H2 → HCl
Cl2 + H2 → 2 HCl
5
Bild 1 zeigt die Reaktion zwischen 6 Sauerstoffmolekülen
(mit je 2 Sauerstoffatomen) und 6 Schwefelatomen zu der
Verbindung Schwefeldioxid. 1 Schwefeldioxidmolekül besteht aus 1 Schwefelatom und 2 Sauerstoffatomen.
Die Abbildung zeigt, dass bei einer chemische Reaktion
keine Teilchen hinzukommen oder verloren gehen. Es hat
eine Umgruppierung der Teilchen stattgefunden.
6
a) Fe + Cl2 → FeCl3
Fe + 3 Cl2 → FeCl3
Fe + 3 Cl2 → 2 FeCl3
2 Fe + 3 Cl2 → 2 FeCl3
1 g Kupfer reagiert nicht mit 1 g Schwefel, sondern nur
mit 0,24 g, d. h. es entsteht 1,24 g Kupfersulfid (Cu2S).
mCu : mS = 1 g : 0,24 g oder: Das Massenverhältnis Kupfer zu Sauerstoff beträgt in diesem Fall 4,16 : 1.
Es zeigt sich, dass 1 g Cu immer mit der gleichen Masse
Schwefel zu Kupfersulfid reagiert.
Werkstatt: Wie viel Kupfer reagiert mit Schwefel?
Versuche
1
Der Werkstattversuch zeigt in Analogie zum Brennpunktversuch ein ähnliches Ergebnis. Es handelt sich dabei aber nicht um Kupfersulfid, sondern um Kupferoxid (CuO).
Aufgaben
Nach sorgfältigem Arbeiten und bei genauen Messwerten
zeigt sich, dass das Massenverhältnis mKupfer : mSauerstoff gleich
bleibt. Bei einer chemischen Reaktion reagieren die Ausgangstoffe in konstanten Massenverhältnissen.
b) S + O2 → SO3
S + 3 O2 → SO3
2 S + 3 O2 → 2 SO3
c) H2 + O2 → H2O2
Das Sauerstoffatom in H2O2 ist I-wertig.
63
Alkane und fossile Brennstoffe
Werkstatt: Wir untersuchen Erdölbestandteile
Versuche
Versuche
1
2
Wundbenzin entflammt sofort, Petroleum und Dieselöl
müssen erst mit der Flamme des Holzspanes erhitzt werden, um sie zu entflammen (die Flammtemperatur liegt
bei etwa 56 °C). Petroleum und Dieselöl zeigen ein ähnliches Brennverhalten.
Um eine Gesundheitsgefährdung durch Verbrennungsgase und Rußpartikel zu vermeiden, sollten die Flamme
möglichst schnell durch Abdecken mit einer kleinen Metallplatte gelöscht werden.
a) Zunächst bildet sich durch Tröpfchenbildung des
Benzins eine Emulsion. Nach einiger Zeit entmischen
sich die beiden Flüssigkeiten wieder, Benzin
schwimmt dann auf dem Wasser.
b) Bei der Durchführung mit Petroleum und Wasser zeigt
sich ein ähnliches Mischungsverhalten. Auch Petroleum und Wasser sind zwei nicht mischbare Flüssigkeiten.
Der Schüttelversuch zeigt, dass Petroleum und Benzin zwei miteinander mischbare Flüssigkeiten sind.
Aufgaben
Zu Versuch 2:
Benzin und Petroleum sind miteinander mischbar. Beide
Stoffe sind jedoch mit Wasser nicht mischbar.
64
3
In Benzin und Petroleum sinken die Büroklammern relativ
schnell ab, in Schmieröl dauert es erheblich länger.
Schmieröl ist demnach am zähflüssigsten. Die gemessenen Zeitspannen können je nach Füllhöhen und Art der
verwendeten Büroklammern unterschiedlich sein.
4
a) Der Verbrennungslöffel darf nicht randvoll mit Benzin
gefüllt werden, da ansonsten die Flamme zu groß
wird und Verbrennungsgefahr besteht.
Die Prüfung mit Watesmopapier zeigt eine Blaufärbung an.
b) Beim Ausschütteln der Verbrennungsgase mit Kalkwasser zeigt sich deutlich eine milchig weiße Trübung.
Aufgaben
Zu Versuch 4:
Es können die beiden Verbrennungsprodukte Wasser(dampf)
und Kohlenstoffdioxid nachgewiesen werden. Wasser wurde
mit Watesmopapier (Blaufärbung) und Kohlenstoffdioxid mit
Kalkwasser (milchig weiße Trübung) nachgewiesen.
Alkane und fossile Brennstoffe
Fraktionierte Destillation des Erdöls
Aufgaben
Versuche
1
Die abgebildete Apparatur zur Destillation des Erdöls
(Fraktionierte Destillation mit Aufbaukolonne) kann bezogen werden bei:
Aug. HEDINGER GmbH & Co., Heiligenwiesen 26,
70327 Stuttgart.
Rohölproben können ggf. bei Mineralölfirmen kostenlos
bezogen werden.
1
Schmieröle und Bitumen sind bei 400 °C noch flüssig.
Beim weiteren Erhitzen würden sich diese Stoffe zersetzen. Sie werden deshalb bei verminderten Druck einer
Vakuumdestillation unterzogen. Bei vermindertem Druck
verdampfen die Bestandteile schon bei geringerer Temperatur. Schmieröle verdampfen auf diese Weise, Bitumen bleibt als fester Rückstand zurück.
Versuchsergebnis:
65
Alkane und fossile Brennstoffe
Methan – der Hauptbestandteil des Erdgases
Versuche
1
Beim Verbrennen von Holzkohle lässt sich nur das
Verbrennungsprodukt Kohlenstoffdioxid mithilfe von
Kalkwasser nachweisen. Das gekühlte U-Rohr bleibt zunächst noch leer.
2
Bei der Wiederholung des Versuches muss das getrübte
Kalkwasser aus Versuch 1 gegen frisches Kalkwasser
ausgetauscht werden. Beim Verbrennen von Wasserstoff
lässt sich das Verbrennungsprodukt Wasser nachweisen.
Dazu wird die im U-Rohr gebildete Flüssigkeit mit Watesmopapier geprüft. Da Watesmopapier sehr empfindlich
reagiert, reicht zum Nachweis eine sehr geringe Flüssigkeitsmenge. Das Kalkwasser ändert sich beim Verbrennen von Wasserstoff nicht.
Wird der Versuch mit der Flamme des Gasbrenners wiederholt, muss zunächst das U-Rohr von noch anhaftender
Flüssigkeit befreit werden. Bei dem jetzigen Versuch lassen sich beide Verbrennungsprodukte Wasser und Kohlenstoffdioxid nachweisen.
3
Um Verbrennungen an der Hand zu vermeiden, sollte die
Kerze mit einer Verlängerung versehen werden (z.B. auf
einen festen Draht oder einen Holzspan aufstecken).
Versuchsergebnisse: Methan ist leichter als Luft. Die Kerze geht im Standzylinder aus, entzündet sich aber am
brennenden Standzylinder wieder.
66
Werkstatt: Gewinnung von Biogas
Versuche
Bei diesem Versuch sollte kein Leitungswasser verwendet
werden, da im frischen Leitungswasser relativ viel Sauerstoff
gelöst ist. Statt Biogas würde man zunächst im Reagenzglas
Sauerstoff auffangen.
Wichtig ist, die Apparatur zu heizen. Dieser Vorgang zeigt
den Schülern, dass man in die Biogas-Gewinnung zunächst
Energie hineinstecken muss. Zu diesem Zweck wird der
Faulbehälter einer Biogasanlage ständig beheizt. Der beim
Verbrennen des Biogases gewonnene Energiebetrag ist
jedoch größer als der zuvor zum Beheizen investierte Energiebetrag.
Versuchsergebnisse: Das entstandene Gas ist brennbar und
verbrennt mit bläulicher Flamme. Bei der Zersetzung der
Pflanzenreste ist Biogas entstanden. Biogas besteht hauptsächlich aus Methan.
Alkane und fossile Brennstoffe
Kohlenwasserstoffe bilden eine Reihe
Versuche
Versuche
1
Die abgebildete Appararatur zum Viskositätsvergleich
(Bild 4) kann als Projektionsgerät für den Overheadprojektor bezogen werden bei: Aug. HEDINGER GmbH &
Co., Heiligenwiesen 26, 70327 Stuttgart.
Die Apparatur umfasst 5 parallel geführte Flüssigkeitsrohre in einem neigbaren Projektionsrahmen. Durch Veränderung der Rahmenneigung kann die Sinkgeschwindigkeit der Stahlkugeln beeinflusst werden. Die Stahlkugeln
können mit einer Magnetleiste an das obere Ende der
Rohre transportiert und gestartet werden.
Versuchsergebnis: Mit steigender Molekülmasse nimmt
die Viskosität zu.
2
Diese gegenüber Versuch 1 vereinfachte Ausführung
zeigt ebenfalls einen Viskositätsvergleich unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe.
Versuchsergebnis: Die Auslaufzeit nimmt in der Reihe:
Wundbenzin, Petroleum, Fahrrad- und Motorenöl zu.
3
Petroleum muss vor dem Entflammen leicht, Paraffinöl
stärker erhitzt werden. Die Flammen werden durch Abdecken mit einer kleinen Metallplatte gelöscht.
Versuchsergebnisse: Während Wundbezin ohne Rußbildung abbrennt, zeigt sich bei Petroleum eine mittlere, bei
Paraffinöl eine starke Rußbildung. Je länger die Molekülketten sind, desto stärker rußen und leuchten die Flammen.
Literaturhinweise
„Viskositätsversuche im Unterricht“, Aug. HEDINGER GmbH
& Co., Stuttgart.
67
Alkane und fossile Brennstoffe
Rund um die Tankstelle
Benzinverbrennung und Drei-Wege-Kat
Versuche
1
Das Zündrohr kann bezogen werden bei: Aug.
HEDINGER GmbH & Co., Heiligenwiesen 26, 70327
Stuttgart.
Bei einer geringeren Tropfenzahl erhält man ein zu mageres Gemisch. Es erfolgt keine Explosion. Bei einer höheren Tropfenzahl erhält man ein zu fettes Gemisch. Es erfolgt eine schwächere Explosion, jedoch eine stärkere
Flammenbildung. Auf diese Weise kann dem Schüler
verdeutlicht werden, dass zu einer optimalen Verbrennung ein ganz bestimmtes Benzin-Luft-Gemisch benötigt
wird.
68
Versuche
1
Bei der Versuchsdurchführung ist zu beachten, dass die
Abgasprobe einem kaltem Motor entnommen wird. Nur so
bleibt gewährleistet, dass der Abgaskatalysator des
PKWs noch keine Wirkung auf das Abgas ausübt. Mit den
Versuchsergebnissen kann gezeigt werden, dass mithilfe
des Katalysators der Anteil an Stickstoffoxiden und an
Kohlenstoffmonooxid im Autoabgas über 90 % reduziert
werden kann. Ferner wird verdeutlicht, dass der Katalysator seine katalytische Funktion erst dann ausübt, wenn
er seine Betriebstemperatur erreicht hat. Damit wird gezeigt, dass das Kurzstreckenfahren besonders schädigend für die Umwelt ist, da der Katalysator in diesem Bereich noch kalt ist und keine entgiftende Wirkung zeigt.
Alkane und fossile Brennstoffe
Werkstatt: Wir untersuchen Feuerzeuggas
Alkene – reaktionsfähige Crackprodukte
Versuche
1
Das pneumatische Auffangen des Feuerzeuggases erfordert vom Schüler etwas Geschick. Es sollten daher zur
Versuchsdurchführung Bechergläser mit möglichst weiter
Form verwendet werden. Auch Glas- oder Kunststoffwannen sind für das pneumatische Auffangen sehr geeignet. Das Feuerzeug muss genau unter die Reagenzglasöffnung gehalten werden, damit die austretenden
Gasbläschen nicht am Reagenzglas vorbeiperlen.
2
Nach dem Entzünden des Gases muss das Reagenzglas
schräg gehalten werden, da das Feuerzeuggas eine größere Dichte als Luft hat. Nur durch ein schräges Halten
kann genügend Gas ausströmen und an der Luft
verbrennen. Durch stärkere Neigung des Reagenzglases
kann die Flamme vergrößert, durch schwächeres Neigen
verkleinert werden. Der Schüler kann dadurch evtl. selbst
erkennen, dass das Feuerzeuggas eine größere Dichte
als Luft haben muss.
3
Dieser Versuch zeigt die Funktion eines Zünders. Dieser
Zündmechanismus ist in der Regel bei einem Feuerzeug
nicht gut zu beobachten, da er relativ verdeckt eingebaut
ist. Bei der Zündung außerhalb des Feuerzeugs lassen
sich die Vorgänge des Zündens jedoch gut beobachten.
4
Die Prüfung des Beschlages mit Watesmopapier verläuft
positiv (Blaufärbung); Kalkwasser zeigt nach Schütteln
eine milchig-weiße Trübung.
Versuche
1
Während sich Paraffinöl bei Zimmertemperatur nicht
entzünden lässt, kann die Crackflüssigkeit leicht entflammt werden. Der Geruch ist benzinähnlich.
Gibt man Kaliumpermanganatlösung zu der Crackflüssigkeit, wird diese rasch entfärbt.
Die Bobachtungen können dadurch erklärt werden, dass
die langkettigen Moleküle des Paraffinöls mithilfe des
Katalysators in kurzkettige Moleküle gespalten werden.
Diese kurzkettigen Moleküle müssen auch im Benzin vorhanden sein (benzinähnlicher Geruch) und Doppelbindungen aufweisen (Reaktion mit Kaliumpermanganat).
Aufgaben
1
Die Skizze des Feuerzeuges sollte folgende Einzelheiten
enthalten: Gastank für Feuerzeuggas (unter Druck verfüssigt), Ausströmventil, Zündmechanismus: Feuerstein
oder Piezo-Zünder, Gasschlauch.
2
Der Nachweis für Kohlenstoffdioxid deutet auf das Element Kohlenstoff, der Wassernachweis deutet auf das
Element Wasserstoff hin. Demnach müssen am Aufbau
der Gasteilchen Kohlenstoff- und Wasserstoffatome beteiligt sein.
69
Alkane und fossile Brennstoffe
Schlusspunkt
Aufgaben
1
Kohle ist in Jahrmillionen aus abgestorbenen Pflanzenteilen unter Druck und Wärme entstanden. Dieser Vorgang wird Inkohlung genannt.
Erdöl ist aus Faulschlamm entstanden. Faulschlamm bildet sich aus abgestorbenem Plankton (kleinsten Meereslebewesen). Unter hohem Druck wandeln Bakterien Faulschlamm in Erdöl und Erdgas um.
2
Da aus Erdöl wirschaftlich bedeutende Stoffe wie Benzin,
Diesel und Heizöl hergestellt werden, wird Erdöl manchmal auch als „schwarzes Gold“ bezeichnet.
3
Bei der fraktionierten Destillation erhält man im Gegensatz zu der normalen Destillation nicht nur ein Destillat,
sondern verschiedene Fraktionen mit ähnlichen Siedebereichen. Ein Kennzeichen der fraktionierten Destillation
ist, dass die Siedetemperatur während der Destillation
ständig ansteigt.
4
Benzin, Diesel und Heizöl werden mithilfe der fraktionierten Destillation aus dem Erdöl gewonnen. Dabei wird
Erdöl zunächst auf etwa 400 °C in einem Röhrenofen erhitzt. Die Öldämpfe werden in einen Destillationsturm
geleitet. In dem Destillationsturm steigen die Dämpfe auf
und kühlen sich dabei ab. Bei einer Temperatur von
250 °C bis 360 °C kondensieren dann Diesel- und Heizöl,
bei einer Temperatur von 35 °C bis 140 °C Benzine. Die
Kondensate sammeln sich auf Zwischenböden, Glockenböden genannt, und werden dann in Lagertanks gepumpt.
5
Eine homologe Reihe ist eine Reihe von Verbindungen,
deren Moleküle sich jeweils um eine CH2-Gruppe unterscheiden.
6
Normal- und Superbenzin unterscheiden sich in ihrer
Klopffestigkeit. Die Klopffestigkeit wird mit der Octanzahl
angegeben. Während Normalbenzin in Deutschland mindestens die Octanzahl 91 hat, weist Superbenzin eine
Octanzahl von 95 auf.
7
a) Die Octanzahl gibt die Klopffestigkeit eines Benzins
an. Als Bezugsgröße dient Isooctan mit der Octanzahl
100, n-Heptan erhält die Octanzahl 0.
b) Ein Benzin hat die Octanzahl 92, wenn es genauso
klopffest ist wie ein Gemisch aus 92 % des Isooctans
und 8 % des n-Heptans.
8
Tankstellenbenzin enthält bis zu 5 Vol % Benzol. Da
Benzol ein krebserzeugender Stoff ist, sollte man sich auf
keinen Fall mit Tankstellenbenzin die Hände waschen.
9
Dieselmotoren sind Selbstzünder. Diese Motoren haben
keine Zündkerzen, sondern Glühkerzen, die das DieselLuft-Gemisch vor dem Starten vorglühen. Läuft der Motor,
wird das Luft-Diesel-Gemisch beim Zusammenpressen im
Kolben so stark erhitzt, dass es von selbst zündet.
70
10 a) Pentan: C5H12
b) Hepten: C7H14
c) Butin: C4H2
11 3 Kohlenstoffatome: Propan,
7 Kohlenstoffatome: Heptan,
9 Kohlenstoffatome: Nonan.
12 a) Durch den Schmiereffekt lässt sich die Kettenschaltung leichter schalten.
b) Aufgrund der hohen Viskosität der Schmieröle, müssen Schmieröle aus längerkettigen Kohlenwasserstoffen bestehen.
13 a) Bei einer Havarie eines Erdöltankers können beträchtliche Mengen Erdöl auslaufen. Dadurch werden
zahlreiche Meerestiere gefährdet (Fische, Vögel,
Muscheln, Schnecken, usw). Besonders gefährdet
sind Seevögel, deren Gefieder mit Öl verkleben und
dadurch zugrunde gehen. Darüber hinaus werden
Badestrände oft kilometerlang durch angetriebenes Öl
stark verschmutzt.
b) Beispiele:
Erhöhung der Sicherheitstechnik bei Öltankern.
Verringerung des Ölbedarfs, so dass weniger Öl über
die Meere transportiert werden muss.
Alternative Energiequellen erschließen, die vom Erdöl
unabhängig machen.
14 Der Ruß deutet auf das Element Kohlenstoff hin.
15 a) Der Abgaskatalysator befindet sich zwischen dem
Motor und dem ersten Schalldämpfer.
b) Hauptschadstoffe des Autoabgases sind Kohlenstoffmonooxid, Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe.
c) Kohlenstoffmonooxid wird zu Kohlenstoffdioxid umgewandelt, Stickstoffoxide werden zu Stickstoff umgewandelt und Kohlenwasserstoffe zu Kohenstoffdioxid und Wasser.
16 Schmieröle lassen sich durch Cracken in Benzine umwandeln.
17 a) Beim Cracken werden langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle in kurzkettige Moleküle aufgespalten.
b) Es gibt unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten:
z.B. Kohlenwasserstoffmoleküle mit 6 und 8 CAtomen; mit 5 und 9 C-Atomen oder mit 3, 5 und 6 CAtomen, usw.
Beispiel:
C14H30 → C6H14 + C8H16
C14H30 → C5H12 + C9H18
C14H30 → C3H8 + C5H10 + C6H12