Kapitel 3: Chemische Reaktion

Kapitel 3: Chemische
Reaktion
Nach dem Erhitzen erhält man Folgendes:
Man gibt zu Kupferblech (linkes
Bild) gelbes Schwefelpulver (rechtes
Bild) und erhitzt. Was geschieht dabei?
Die Eigenschaften dessen, was man hier
erhalten hat sind: Blauschwarze Farbe, brüchig,
mit Trennverfahren nicht mehr aufzutrennen.
Kupferblech ist rötlich, glänzend, leicht
verformbar. Schwefelpulver ist gelb und
hat keine metallischen Eigenschaften
(Nichtmetall).
Wie nennt man es, wenn aus den
vorhandenen Stoffen ein ganz neuer
Stoff gebildet wird?
Wie nennt man alle jene Vorgänge, bei
denen es zu keiner chemischen Reaktion
kommt?
Beispiele für chemische Reaktionen aus
dem Alltag?
Folgerung: Man erkennt Stoffe an ihren
Eigenschaften. Da hier ganz andere
Eigenschaften festzustellen sind als zuvor, muss
hier ein neuer Stoff entstanden sein. Da alle
Trennverfahren erfolglos bleiben, muss dies ein
Reinstoff sein.
Ein neuer Reinstoff ist also entstanden.
Eine chemische
Reaktion ("Stoffumwandlung")
Physikalische Vorgänge
Beispiel: Zerkleinern von Holz, Zerreißen von
Papier, Zerbrechen einer Vase, Strom durch
einen Draht leiten, auf eine Trommel schlagen,
um Töne zu erzeugen...
Aus Teig wird Kuchen
Aus Heizöl wird Abgas
Aus Holz wird Asche
Eine Synthese oder eine Analyse. Entweder
wird ein neuer Stoff gebildet, eine (neue)
Verbindung (oberes Bild) oder ein vorhandene
Verbindung wird in Elemente zerlegt (unteres
Bild).
Was geschieht bei einer chemischen
Reaktion?
Was ist der Unterschied zwischen einer
exothermen und einer endothermen
chemischen Reaktion
Wie nennt man die Stoffe, die vor der
chemischen Reaktion vorhanden sind
und wie jene Stoffe, die nach der
chemischen Reaktion vorliegen?
Exotherme: Es wird bei der chemischen
Reaktion Wärme frei.
Beispiel: Verbrennen von Heizöl
Endotherme Reaktion: Man muss dauernd
Energie zuführen, damit die chemische
Reaktion stattfinden kann.
Beispiel: Elektrolyse von Wasser. Schaltet man
den Strom aus, hört die Elektrolyse sofort auf!
Ausgangsstoffe sind die Stoffe, die man vor der
chemischen Reaktion vorliegen hat. Reaktionsprodukte sind die Stoffe, die man
nach der chemischen Reaktion vorliegen hat.
Sie sind bei der chemischen Reaktion
entstanden.
Das ist folgende Darstellung:
Ausgangsstoff 1 + Ausgangsstoff 2 ---> Reaktionsprodukt
Für den Pfeil sagt man das Wort "ergibt"
Was versteht man unter dem
Reaktionsschema ?
Beispiel
Kupfer + Schwefel ---> Kupfersulfid
Die Verbindungen, die aus einem Metall und
Schwefel entstehen, nennt man "Sulfide"
Wie nennt man Verbindungen der
Metalle mit dem Element Schwefel?
Was stellt man fest, wenn man eine
bestimmte Menge Kupfer und eine
bestimmte Menge Schwefel reagieren
lässt und die Massen dieser
Ausgangsstoffe und des entstehenden
Kupfersulfids misst?
Warum explodiert ein Feuerwerkskörper
nur, wenn man zuvor ein brennendes
Streichholz an das Gemisch der
Chemikalien, die sich im
Feuerwerkskörper befinden, gehalten
hat, bzw. die Flamme der brennenden
Zündschnur dieses Gemisch erreicht
hat?
Andere Sulfide sind: Eisensulfid, Zinksulfid,
Bleisulfid .... (je nachdem, welches Metall man
verwendet hat).
Die Masse der Ausgangsstoffe entspricht der
Masse der Reaktionsprodukte. Bei einer
chemischen Reaktion geht nichts an Masse
verloren und es kommt auch nichts dazu. - Man
nennt dies das Gesetz der Erhaltung der
Masse
Manche chemische Reaktionen gehen erst dann
los, wenn man zuvor eine gewisse
Energiemenge zugeführt hat. - Erst danach wird
dann bei den exothermen Reaktionen eine große
Energiemenge freigesetzt.
Die zum "Losgehen" notwendige Energiezufuhr
wird als "Aktivierungsenergie" bezeichnet. In
vielen Fällen reicht die Zimmertemperatur als
Aktivierungsenergie schon aus!
Nach einigen Sekunden entzündet sich der
Wasserstoff und fängt zu brennen an.
Normalerweise erreicht man dies nur, wenn
man eine ca. 800 ° C Streichholzflamme an den
Wasserstoff hält. Hier genügt nun aber die
Zimmertemperatur als Aktivierungsenergie.
Man hält ein Kügelchen mit einer
Oberfläche aus reinem Platin in
ausströmenden Wasserstoff. Was kann
man hier beobachten?
Der Chemiker Döbereiner hat nach diesem
Prinzip ein mit Wasserstoff betriebenes
Feuerzeug entwickelt. Heute werden solche
Feuerzeuge nicht mehr verwendet. Sie sind zu
gefährlich.
Solche Stoffe nennt man Katalysatoren. Platin
ist ein solcher Katalysator!
Wie nennt man allgemein Stoffe, die
bewirken, dass die für eine chemische
Reaktion benötigte Aktivierungsenergie
viel geringer wird, als dies
normalerweise der Fall ist und die dabei
selbst am Ende der Reaktion völlig
unverändert und wiederverwendbar
vorliegen?
Warum befindet sich Platin als
Katalysator im "Autokat" ?
In Lebewesen sind Stoffe enthalten, die man
Enzyme nennt. Auch diese wirken bei den
chemischen Vorgängen im Körper, z.B. der
Verdauung, als Katalysator. Enzyme sind also
Biokatalysatoren.
Wie die Katalysatoren dies bewirken, ist sehr
unterschiedlich und muss im Einzelfall erforscht
werden. Hier gibt es keine allgemeine Regel!
Die Abgase mit unverbrannten Benzindämpfen
und gefährlichem Kohlenmonoxid streichen an
dem Platin vorbei. Die Temperatur des Abgases
reicht jetzt aus, dass diese gefährlichen Stoffe
nochmals oxidiert werden und beispielsweise
aus Kohlenmonoxid das ungiftige Kohlendioxid
wird. Das geschieht erst bei Kontakt mit dem
Katalysator, weil das Platin die dafür
notwendige Aktivierungsenergie absenkt.
Ein Stück Kupferblech wird in einem
Gefäß aus feuerfestem Glas
eingeschlossen, das man luftleer
gepumpt hat. Es wird stark erhitzt. Was
geschieht?
Es geschieht nichts! Nur wenn sich in dem
Gefäß Sauerstoff befindet, kommt es zu einer
chemischen Reaktion zwischen dem Kupfer und
dem Sauerstoff, wobei ein brüchiger, schwarzer
Stoff entsteht.
Was geschieht, wenn man in das Gefäß
mit dem Kupferblech Luft einfüllt und
es dann stark erhitzt?
Es entsteht der brüchige, schwarze Stoff, also
die Verbindung aus Kupfer und dem Sauerstoff,
der in der Luft vorhanden ist. In dem Gefäß
verbleiben aber noch andere Gase, die ebenfalls
in der Luft vorhanden sind und die nicht mit
dem Kupfer reagieren können. Das ist
Stickstoff, das sind Edelgase und ein wenig
Kohlendioxid.
Welche Zusammensetzung hat die Luft?
Ungefähr 21 % Sauerstoffgas, 78 % Stickstoff,
1 % Edelgase und 0,03 % Kohlendioxidgas.
Eine sehr heftige Reaktion und starker
Feuererscheinung läuft hier ab.
Welche Besonderheit stellt man fest,
wenn man Stoffe mit reinem Sauerstoff
reagieren lässt?
Beispiel: Bringt man eine glimmende Zigarette
in reinen Sauerstoff, so fängt sie sofort mit einer
hellen Flamme zu Brennen an.
Man nützt dieses Verhalten beim
Glimmpannachweis für Sauerstoff aus: Bringt
man einen glimmenden Holzspan in reinen
Sauerstoff, so fängt dieser hell zu Brennen an.
Diese heißen Oxide
Wie nennt man die Verbindungen, die
aus einem Element und dem Sauerstoff
entstehen?
Beispiele: Kupfer und Sauerstoff ergibt
Kupferoxid, Kohlenstoff und Sauerstoff ergibt
Kohlen(di)oxid, Eisen und Sauerstoff ergibt
Eisenoxid, Schwefel und Sauerstoff ergibt
Schwefel(di)oxid...
Warum heißt Kohlenstoffdioxid nicht
nur einfach
Kohlenstoffoxid?
Durch die Silbe "di" zeigt man an, dass sich im
Kohlendioxidmolekül zwei Sauerstoffatome
befinden. ("di" heißt "zwei")
Warum entstehen beim Verbrennen von
Holz Flammen?
Hier verbrennen gasförmige Stoffe. Hoch
erhitzte Gase bilden die leuchtende Flamme. Das ist auch bei Holz so. Durch das Erhitzen
entweichen Gase aus dem Holz, die dann als
Flamme sichtbar verbrennen. - Man kann das
ganz leicht zeigen: Wenn man in einem
verschlossenen Gefäß, an dem sich ein Rohr als
Ableitung nach außen befindet, Holz erhitzt, so
entweicht aus dem Rohr ein Gas, das man
anzünden kann. Man nannte es "Holzgeist".
Hält man ein Stück Aluminiumblech in
die Flamme, so brennt es nicht. Pustet
man dagegen aus einem Glasrohr
Aluminiumpulver in die Flamme hinein,
so verbrennt dieses schlagartig mit einer
sehr hellen und heißen Flamme.
Wie ist dieser Unterschied zu erklären?
In ein luftgefülltes Gefäß gibt man etwas
angefeuchtete Eisenwolle und stellt es
umgekehrt in ein Wasserbecken. Was
stellt man nach einigen Tagen fest?
Um so kleiner der Zerteilungsgrad (im Pulver
ist das Aluminium sehr fein zerteilt), um so
besser kommt der Sauerstoff aus der Luft an das
Aluminium heran und kann daher auch optimal
mit diesem reagieren.
Die Eisenwolle ist verrostet, was man an der
bräunlichen Farbe des Rosts erkennen kann.
Außerdem ist Wasser in das Glas gestiegen.
Erklärung: Beim Rosten hat der Sauerstoff der
Luft mit dem Eisen reagiert. An der Stelle von
Sauerstoff (also ungefähr 1/5 des
Gefäßvolumens) ist nun Wasser im Glas. Es hat
den Sauerstoff ersetzt, der sich mit dem Eisen
verbunden hat.
Was ist Eisenrost chemisch gesehen?
Wie kann man Eisen vor dem Rosten
bewahren?
Im Wesentlichen ist das Eisenoxid
1) Trocken halten!
2) Zutritt von Sauerstoff z.B. durch einen
Lackanstrich verhindern
Oxidation
Wie nennt man die chemischen
Reaktionen, bei denen Oxide entstehen?
Beispiel für eine sehr langsam
ablaufende Oxidation ?
Wann kommt es bei einer Oxidation zu
einer Explosion?
Die "Verbrennung" der Nährstoffe im Körper. Die Nährstoffe enthalten alle Kohlenstoffatome
(wie man mit dem Verkohlen beim Erhitzen von
Nahrung leicht beweisen kann), die sich mit
dem Sauerstoff (den wir Einatmen und der
durch das Blut zu den Zellen transportiert wird)
verbinden. Dabei entsteht Kohlendioxid, das mit
dem Blut wieder zur Lunge gelangt und
ausgeatmet wird. Die bei dieser Oxidation
freiwerdende Energie dient in den Zellen zum
Aufbau von sehr energiereichen chemischen
Verbindungen, die als Energiereserve für die
chemischen Vorgänge in der Zelle (Aufbau von
Eiweiß, Hormone...) genutzt werden.
Wenn dabei gasförmige Stoffe (bestimmte
Oxide) entstehen, z.B. Kohlendioxid oder
Wasserdampf, die sich dann durch die
Erwärmung schlagartig ausdehnen. Das ist dann
der Explosionsdruck, der große Schäden
anrichten kann.
Farblos und geruchlos. Sauerstoff bewirkt, dass
andere Stoffe leicht verbrennen. Die
Wasserlöslichkeit von Sauerstoff ist gering (in
kaltem Wasser besser).
Sauerstoff ist etwas schwerer als Luft.
Aufbewahrt wird er in mit blauer Farbe
gekennzeichneten Flaschen.
Verwendung: Beim Schweißen als zweites Gas,
welches das Gas, das beim Schweißen verbrannt
wird, mit heißerer Flamme verbrennen lassen
soll
Welche Eigenschaften hat reiner
Sauerstoff?
In Krankenhäusern wird reiner Sauerstoff zur
Beatmung von Schwerkranken eingesetzt.
Welche Eigenschaften hat das
Kohlendioxid? Wo kommt dieses Gas
vor
Welche Folgen hat das Kohlendioxid,
das beim Verbrennen von
kohlenstoffhaltigen Verbindungen wie
Heizöl, Benzin, Diesel... in die Luft
gelangt, für die Erde insgesamt?
Ein geruchloses, unsichtbares Gas, das schwerer
als Luft ist. Es löst sich gut in Wasser.
Kohlendioxid erlöscht die Flamme und wird
deshalb in Löschanlagen verwendet. - Man
weist es nach, indem man das zu prüfende Gas
mit klarem Kalkwasser schüttelt. Wird dieses
weiß-trüb, so handelt es sich bei dem Gas um
Kohlendioxid.
Kohlendioxid gibt es in natürlichen
Vorkommen (strömt aus der Erde). Außerdem
entsteht es überall da, wo Kohlenstoff oder
kohlenstoffhaltige Verbindungen verbrannt
werden.
Die Atmosphäre wird immer wärmer. Das liegt
daran, dass die Sonnenstrahlen auf dem Boden
auftreffen und als langwellige Wärmestrahlen
reflektiert werden. Sind viele
Kohlendioxidmoleküle in der Luft, verhindern
diese, dass die Wärmestrahlen wieder hinaus ins
Weltall gelangen. Die Wärmeenergie bleibt so
in der Atmosphäre und heizt diese auf. Folge:
Abschmelzen der Gletscher, stärkere
Verdunstung von Meerwasser (Unwetter,
Stürme...), Trockenheit in manchen Gebieten
usw. Man nennt dies den "Treibhauseffekt"
des Kohlendioxids.
Es entsteht Kupfer und Wasser
Kupferoxid wird in ein Gefäß
eingeschlossen, durch das man reines
Wasserstoffgas leitet. Was geschieht?
und
Das Kupferoxid hat ein Sauerstoffatom (rote
Kugel) abgeben. Das nennt man Reduktion. Die Wasserstoffatome (blaue Kugeln) haben
sich mit dem Sauerstoffatom verbunden. Das
nennt man Oxidation.
Zusammen ist das dann eine Redoxreaktion
Wie nennt man den Stoff, der dem Oxid
den Sauerstoff entzieht?
(im Fall der Reaktion Kupferoxid und
Wasserstoff ist das der Wasserstoff)
Was entsteht wenn man das
Reduktionsmittel Kohlenstoff einsetzt,
um Kupferoxid zu reduzieren?
Was entsteht wenn man das unedle
Metall Magnesium in einem Gefäß
entzündet, das nur Wasserdampf
enthält?
Bei einer Redoxreaktion erhält man
Kohlenstoff und Magnesiumoxid.
Welche Stoffe haben reagiert?
Das ist das Reduktionsmittel.
Kohlenstoff verbindet sich mit dem Sauerstoff,
den das Kupferoxid abgibt, zu Kohlendioxid.
Die Reaktionsprodukte sind also Kohlendioxid
und reines Kupfer.
Es verbrennt! Magnesium verbindet sich dabei
mit dem Sauerstoff aus dem Wassermolekül.
Wasserstoffgas bleibt übrig.
Unterwasserfackeln bestehen aus Magnesium!
Kohlendioxid und Magnesium haben reagiert.
Das Kohlendioxid hat das Sauerstoffatom
abgegeben. Es wurde reduziert!
Hinweis: Magnesiumoxid ist ein weißes
Pulver, das man beim Geräteturnen
einsetzt und das Magnesia genannt wird.
Magnesium wurde oxidiert. Es hat sich mit
Man reibt vor der Übung z.B. am Barren
diesem Sauerstoffatom verbunden.
die Hände damit ein.
Ein Oxid, in dessen Moleküle das
Kohlenstoffatom nur mit einem einzigen
Sauerstoffatom verbunden ist. ("mono" heißt
"eines")
Was ist Kohlenmonoxid?
Kohlenmonoxid ist sehr giftig. Es entsteht,
wenn Kohlenstoff mit zu wenig
Sauerstoffzufuhr verbrannt wird. Es ist auch im
Autoabgas enthalten. Bei der jährlichen
Abgassonderuntersuchung ASU wird der
Kohlenmonoxidanteil im Abgas überprüft.
Was entsteht, wenn man Eisenoxid mit
Kohlenmonoxid reagieren lässt?
Das Kohlenmonoxid wirkt hier als
Reduktionsmittel, d.h. es verbindet sich mit den
Sauerstoffatomen, die das Eisenoxid abgibt zu
Kohlendioxid. Bei dieser Reaktion entstehen
also Kohlendioxid und reines Eisen.
Das ist die Reaktion, die im Hochofen abläuft. Eisenoxid kommt im Eisenerz vor.
Was entsteht bei der Reaktion von
Kupferoxid mit Eisenpulver (iron) ?
Schienenstücke werden verbunden,
indem man draußen, auf der Baustelle
ein Gemisch von Aluminium und
Eisenoxid erzeugt und den dabei
entstehenden Stoff in die Lücken
zwischen den Schienenstücken füllt. Thermitverfahren wird das genannt!
Was geschieht dabei chemisch gesehen?
Das Kupferoxid gibt Sauerstoff ab (=
Reduktion) und das Eisen verbindet sich damit
(Oxidation). Was bei dieser Redoxreaktion
entsteht, ist reines Kupfer und Eisenoxid. Eisen wirkt als Reduktionsmittel, weil es
unedler als Kupfer ist, sich also leichter mit
Sauerstoff verbindet als dies das Kupfer tut.
Eisenoxid gibt Sauerstoff an das Aluminium ab.
Eisenoxid wird reduziert und Aluminium wird
oxidiert. Es entsteht Eisen und Aluminiumoxid.
Da diese Reaktion "exotherm" ist (es wird
Energie frei!), ist das entstehende Eisen
geschmolzen und kann gut in die Lücken der
Eisenbahnschienen verfüllt werden.
Kupfererz bildet, wenn man es stark erhitzt, mit
dem Sauerstoff der Luft zunächst Kupferoxid.
Wie haben die ersten Menschen Kupfer
erzeugt?
Wenn man dieses dann zusammen mit
Holzkohle weiter erhitzt, entsteht in einer
Redoxreaktion reines Kupfer und Kohlendioxid,
das entweicht.
Die Kupferzeit lag zeitlich vor der Bronzezeit.
Die Metallgewinnung begann in Kleinasien. Die Gewinnung von Metallen war damals und
ist auch heute ohne Redoxreaktionen nicht
möglich!
Wie stellt man Bronze her?
Um Bronze herzustellen braucht man noch
Zinn, das (geschmolzen) dem Kupfer
beigemengt wird. Bronzeschwerter sind härter
als Kupferschwerter.Noch die Römer kämpften
damit.
Was versteht man unter einem
"Oxidationsmittel"?
Das ist ein "Sauerstoffspender", also eine
Verbindung, die z.B. bei Erwärmung leicht
zerfällt und dabei jede Menge Sauerstoff abgibt.
Mischt man dieses Oxidationsmittel mit einem
brennbaren Stoff, so führt der abgegebene
Sauerstoff dazu, dass dieser brennbare Stoff
oxidiert wird. Wenn die abgegebene
Sauerstoffmenge groß ist, so geschieht das
heftig. - Salpeter (Kaliumnitrat) ist ein solches
Oxidationsmittel. Im Schwarzpulver ist es mit
den brennbaren Stoffen Schwefel und
Kohlenstoff vermischt!
Achtung! In "Knallern" ist das Schwarzpulver mit hohem Druck verdichtet.
Schwarzpulver als loses Pulver verbrennt mit einer Stichflamme. Nur in verdichteter
Form kommt es zu der gewünschten Explosion. - Wer dieses "Verdichten" selbst
machen will, begibt sich in große Gefahr! In Fabriken, die Feuerwerkskörper
herstellen, geschieht dies vollautomatisch in speziell gesicherten Räumen durch
Maschinen!