Wozu das Fach Chemie?
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Einführung 1a Lektüre Wozu das Fach Chemie? Was ist Chemie? Die Chemie ist die Naturwissenschaft, welche sich mit den Stoffen und den Stoffumwandlungen beschäftigt. Durch Beobachtung und Auswertung von Experimenten werden die chemischen Vorgänge in der Natur verständlich gemacht. Die so gewonnenen Erkenntnisse finden beispielsweise in der Produktion von Gebrauchsstoffen ihre praktische Anwendung. Welchen Nutzen bringt uns die Anwendung der Chemie? In Natur und Kultur begegnen wir der Chemie auf Schritt und Tritt. Sie spielt in unserer modernen Gesellschaft eine überaus wichtige Rolle. Sie ist sozusagen „Mädchen für alles“ bei der Gewinnung, der Herstellung und der Wiederverwertung vieler alltäglicher Gebrauchsstoffe. In der Industrie kommt der Chemie die Aufgabe zu, durch ihre neuen Erzeugnisse, einen großen Teil der materiellen Bedürfnisse der ständig wachsenden Erdbevölkerung zu befriedigen: - Mineraldünger, Pflanzenschutzmittel und Konservierungsstoffe sichern und erhöhen die Ernteerträge und verbessern unsere Ernährung; - Arzneimittel helfen gegen Krankheiten und erhöhen so die Lebenserwartung; - Seifen, Putz- und Waschmittel tragen zu unserer Hygiene bei; - Natur- und Kunstfasern ermöglichen uns unsere Bekleidung; - Baustoffe und Werkstoffe aller Art sind unentbehrlich; - Brennstoffe und Treibstoffe sind wichtige Energielieferanten. Die Chemie erfasst somit alle möglichen Lebensbereiche und Lebensabläufe. Chemische Vorgänge können jedoch auch eine Gefahr für den Menschen und die Natur darstellen. Welche Gefahren kann die Anwendung der Chemie bringen? So missbrauchen manche „Wissenschaftler“ ihr Wissen zur Herstellung von Kampfstoffen, Drogen und anderen gefährlichen Stoffen und nehmen in Kauf, dass Mensch und Umwelt geschädigt werden. Aber auch die Herstellung und die Nutzung alltäglicher Gebrauchsstoffe kann unbeabsichtigte umweltbelastende Abfälle, Abwässer und Abgase hinterlassen. Es ist falsch dieses Fehlverhalten oder die Schuld an diesem Missbrauch der Wissenschaft Chemie in die Schuhe zu schieben. Die Gesellschaft und jeder einzelne Mensch müssen hier die Verantwortung übernehmen, und die Wissenschaftler vor eine neue Herausforderung stellen: es gilt den Missbrauch von natürlichen und synthetischen Stoffen, sei es als Waffe, Droge, Umweltgift und so weiter zu unterbinden, die Gefahren für den Menschen und die Natur frühzeitig zu erkennen und auszuschalten. 1 Einführung 1b Lektüre Was wissen wir über Gebrauchsstoffe? In unserem modernen Alltag sind wir von einer Vielzahl von Stoffen umgeben, welche für uns unentbehrlich sind. Diese Stoffe sind uns allerdings zum größten Teil völlig unbekannt; über ihre Herkunft, Herstellung, ihre Eigenschaften und Zusammensetzung wissen die meisten Verbraucher so gut wie nichts. Wo kommen unsere Gebrauchsstoffe her? Sie werden aus natürlichen Rohstoffen (Erze, Kohle, Erdöl, Erdgas, Stoffe aus der Pflanzen- und Tierwelt, Mineralien, Meerwasser, Luft, usw.) gewonnen oder durch chemische Veränderungen aus diesen hergestellt. Hier spielen genaue Kenntnisse der Stoffeigenschaften eine große Rolle. Wie gebrauchen wir diese Stoffe? Die verschiedenartigen Verwendungsmöglichkeiten der Gebrauchsstoffe hängen von deren Eigenschaften ab. Der Umgang mit diesen Stoffen erfordert genaues Wissen über ihre Zusammensetzung, ihr chemisches Verhalten und ihre Gefahren. Nur so kann der Verbraucher Gebrauchshinweise und Sicherheitsvorschriften verstehen und sich so verhalten, dass er sich und seine Umwelt nicht gefährdet. Wie entsorgen wir diese Stoffe? Nach einer ersten Verwendung sollen die Gebrauchsstoffe möglichst oft in den Produktionsprozess zurückgeführt und wiederverwertet werden. Aber früher oder später gelangen feste, flüssige oder gasförmige Abfallstoffe in die Natur. Somit ist es absolut notwendig möglichst genau Bescheid zu wissen, ob diese Abfallstoffe selbst oder die später aus ihnen entstandene Abbauprodukte den Menschen und die Natur gefährden. Nur so kann eine umweltgerechte Entsorgung betrieben werden. Womit beschäftigt sich also die Chemie? Der Arbeitsbereich der Chemie umfasst alle Kenntnisse und Techniken, die vom Rohstoff über den Gebrauchsstoff bis zum Abfallstoff und eventuell wieder bis zum Gebrauchsstoff führen. Ein erster, wichtiger Schritt in diesem Kreislauf ist die Trennung von natürlichen Stoffgemischen zur Gewinnung von reinen Stoffen. Durch chemische Analyse im Laboratorium wird die Zusammensetzung der Stoffe untersucht. Die gewonnenen Kenntnisse über den Aufbau der Stoffe erlauben dem Chemiker neue Stoffe herzustellen; solche Synthesen werden in großem Maßstab in der chemischen Industrie durchgeführt (Eisenindustrie, Kunststoffindustrie, Pharmaindustrie, ... ). Diese Untersuchungen bringen den Chemiker dazu, in den Mikrokosmos, das heißt, in das Innere der Stoffe vorzustoßen. Er trifft dabei auf die kleinsten Stoffteilchen der Materie: Atome, lonen, Moleküle und Kristalle. Die Atomtheorie erlaubt es den Aufbau, die Eigenschaften und die Veränderungen der Stoffe besser zu verstehen. Zur Beschreibung von Stoffen und Reaktionen gebraucht der Chemiker Symbole, Formeln, Gleichungen und Modelle. Dieser „chemischen Sprache“ begegnet man heute immer häufiger in Büchern, in Zeitungsartikeln, in Fernseh- und Radiosendungen, ... immer wenn sie aktuelle Probleme unserer Gesellschaft behandeln. 2 Einführung 1c Lektüre Chemie nur für Chemiker? Die vorigen Ausführungen verdeutlichen, dass chemisches Wissen nicht nur als Fachwissen für Spezialisten nützlich und notwendig ist, sondern dass es ein wichtiger Teil der Allgemeinbildung eines modernen Menschen sein muss. Die Beherrschung dieser „chemischen Sprache“ ist also auch für das alltägliche Leben von großem Nutzen. Ein erster Schritt in diesem Sinne ist das Erlernen chemischer Grundbegriffe in der Schule. Sie ermöglichen Grundkenntnisse über Gebrauch und Entsorgung von Stoffen zu verstehen und anzuwenden. Des weiteren sollen sie den Schüler anregen, über natürliche und technische Vorgänge nachzudenken und sich anschließend auch selbst weiterzubilden. Merke: Aufgaben: Die Naturwissenschaft Chemie beschäftigt sich mit der belebten und der unbelebten Materie, insbesondere mit dem Aufbau und den Eigenschaften der Stoffe und Stoffklassen, mit den Stoffumwandlungen und den damit verbundenen Energieänderungen. 1. Die Chemie beschäftigt sich mit Stoffen: Erkläre was hiermit gemeint ist. 2. a. Zeige an Hand der folgenden Beispiele in wiefern bei der Herstellung und bei der Nutzung umweltbelastende Auswirkungen entstehen: • Auto: • Farben und Lacke: • Pflanzenschutzmittel: • Lebensmittelpackungen: • Wasch- und Putzmittel: b. Sind diese schädigenden Wirkungen beabsichtigt? 3. Gib einige Materialien an die wiederverwertet werden und zeige wie die Chemie hierbei eine Rolle spielt. 3 Stoffgemenge - Reinstoffe 1a Einteilung der Stoffe in Stoffgemenge und Reinstoffe + Alle Gegenstände (Körper) aus unserer Umgebung haben eine bestimmte Form und bestehen aus einem bestimmten Material (Stoff). + Jeder Stoff hat seine eigenen, kennzeichnenden (charakteristischen) Eigenschaften: Aggregatzustand, Farbe, Löslichkeit, elektrische Leitfähigkeit, ... Bei der Herstellung von Gebrauchsgütern ist es wichtig die Stoffeigenschaften genau zu kennen. Versuch: a. In einem feuerfesten Glasbehälter wird etwas Leitungswasser durch leichtes Erhitzen eingedampft. Beobachtung: b. Das Leitungswasser im folgenden Versuchsaufbau wird erhitzt. Beobachtung: Schlussfolgerung: 4 Stoffgemenge - Reinstoffe 1b Merke: • Ein Stoffgemenge (Gemisch, Mischung) besteht aus mehreren Stoffarten, die nebeneinander vorliegen. • Ein Reinstoff (reiner Stoff) besteht aus einer einzelnen Stoffart. • Einteilung der Stoffe: Stoffe Gemenge Bemerkung: Aufgaben: Reinstoffe Es gibt keine absolut reinen Stoffe. Der Reinheitsgrad wird in % angegeben. 1. Zähle Stoffgemenge auf und gib an, aus welchen Reinstoffen sie bestehen. Stoffgemenge Reinstoffe Meerwasser Wasser + Kochsalz + ... 2. Wieviel g reines Wasser und wieviel g Verunreinigungen sind in 1 kg Wasser mit 98,4 % Reinheitsgrad enthalten? 3. Wieviel g reines Wasser und wieviel g Verunreinigungen sind in 340 g Wasser mit 98,4 % Reinheitsgrad enthalten? 5 Stoffgemenge - Reinstoffe 2a Eigenschaften von Gemengen und Reinstoffen Versuch 1: Bestimme für die beiden Reinstoffe Eisen und Schwefel die Farbe und untersuche ihr Verhalten gegenüber einem Magneten. Mische die beiden Stoffe in verschiedenen Verhältnissen und bestimme bei den Mischungen auch die Farbe und das Verhalten gegenüber dem Magneten. Beobachtung: Stoff Eisen Schwefel Mischung Eisen + Schwefel 4:1 1:4 Farbe Verhalten gegenüber einem Magneten Schlussfolgerung: Merke: • Beim Vermischen von Reinstoffen zu einem Gemenge entsteht kein neuer Stoff, sondern die Stoffe bleiben die gleichen. • Die Eigenschaften eines Gemenges ergeben sich aus den Eigenschaften der Stoffe, die miteinander vermischt werden. Je nach dem Mischungsverhältnis liegen die Eigenschaften des Gemenges näher an den Eigenschaften des einen oder des anderen Reinstoffs. 6 Stoffgemenge - Reinstoffe 3a Addendum Arten von Stoffgemengen + Je nach Beschaffenheit und Aussehen unterscheidet man zwei Gruppen von Stoffgemengen. Versuch: a. Etwas Zucker wird in Wasser gegeben und geschüttelt. b. Etwas feines Schwefelpulver (Schwefelblüte) wird in Wasser gegeben und geschüttelt. Beobachtung: a. b. Schlussfolgerung: Merke: • In homogenen Gemengen sind nicht mehr alle vermischten Stoffe zu erkennen. Diese Gemenge sehen einheitlich aus: z. B. in der Farbe. • In heterogenen Gemengen sind die vermischten Stoffe (gut) zu erkennen. Solche Gemische sehen uneinheitlich aus: z. B. bilden sie oft verschiedene Schichten, sie sind trüb oder sie bestehen aus Körnern verschiedener Farben, ... 7 Stoffgemenge - Reinstoffe 3b Addendum Aufgabe: Teile folgende Gemenge in heterogene und homogene Gemenge ein: Luft Öl in Wasser Seifenschaum Messing Meerwasser Folgende Gemenge kommen häufig vor: Name (Art, Aussehen) Bestandteile Lösung (homogen, klar) Flüssigkeit + Iöslicher Feststoff Lösung (homogen, klar) Flüssigkeit + Iösliche Flüssigkeit Lösung (homogen, klar) Flüssigkeit + Iösliches Gas Suspension (heterogen, trüb) Flüssigkeit + unIöslicher Feststoff Emulsion (heterogen, trüb) Flüssigkeit + unIösliche Flüssigkeit Schaum (heterogen, trüb) Feststoff oder Flüssigkeit + unIösliches Gas Gasgemisch (homogen, klar) Gas + Gas (alle Gase sind ineinander Iöslich) Rauch (heterogen, trüb) Gas + unlöslicher, fein verteilter Feststoff Nebel (Aerosol) (heterogen, trüb) Gas + unlösliche fein verteilte Flüssigkeit Beispiel 8 Stoffgemenge - Reinstoffe 4a Trennung von Stoffgemengen Versuch: a. Gib Wasser zu einer Mischung von Schwefel und Eisen. Schüttle kräftig und lasse stehen. b. Halte außen an das Reagenzglas mit der Mischung von Schwefel und Eisen einen Magneten und ziehe ihn nach oben. Beobachtung: a. b. Schlussfolgerung: Anwendung: Ein Elektromagnet wird bei der Aufbereitung von Alteisen verwendet (zum Beispiel beim Autoschrotthändler). Im Gegensatz zu einem „einfachen“ Magneten ist ein Elektromagnet kein permanenter Magnet. + Alle Stoffgemenge können in ihre einzelnen Reinstoffe aufgetrennt werden. Eine Reihe von einfachen Trennverfahren sind sehr geläufig: das Aufschlämmen mit Wasser (Versuch a) und die magnetische Trennung (Versuch b). Andere einfache Verfahren wie die Filtration, das Abdampfen, das Abscheiden und die Destillation werden im folgenden behandelt. 9 Stoffgemenge - Reinstoffe 4b 1. FILTRATION Zur Trennung von festen und flüssigen oder gasförmigen Stoffen, die sich nicht ineinander lösen. (Beispiele: Suspension aus Sand + Wasser, Rauch) Versuch: Mische Sand und Wasser und gib die Mischung in einen Glastrichter mit eingelegtem Filterpapier. Beobachtung: Modelldarstellung Prinzip der Trennung: 10 Stoffgemenge - Reinstoffe 4b Anwendungen: • Kaffeefilter: Der Kaffeefilter hält die unlöslichen Feststoffteilchen des Kaffeepulvers zurück. Die löslichen Bestandteile befinden sich im Filtrat. • Luftfilter: Der Luftfilter von Verbrennungsmotoren reinigt die zur Verbrennung des Benzins notwendige Luft, von unlöslichen festen Stoffen. Beispiele: Rasenmäher, Kraftfahrzeugmotor • Ölfilter Der Ölfilter von Verbrennungsmotoren reinigt das Motorenöl von unlöslichen festen Stoffen wie Metallstaub und Ruß. • Sand-Kiesfilter Bei der Gewinnung von klarem Trinkwasser aus trübem Fluss- oder Seewasser wird, neben anderen Aufbereitungsverfahren, das Wasser durch 1 bis 2 m hohe Schichten aus Sand und Kies filtriert. 11 Stoffgemenge - Reinstoffe 4c 2. ABDAMPFEN (EINDAMPFEN) Zur Trennung von festen und flüssigen Stoffen, die sich ineinander lösen. (Beispiel: Lösung aus Wasser + Salz) Versuch: Löse Salz in Wasser. Gib die Lösung in eine Abdampfschale und erhitze. Beobachtung: Prinzip der Trennung: Anwendungen: - In den Mittelmeerländern gewinnt man Kochsalz, indem man Meerwasser in flache Becken einlaufen lässt. Durch die Einwirkung der Sonnenwärme verdunstet das Wasser und das Salz bleibt zurück. - Bei der Gewinnung von Zucker aus Zuckerrüben wird der Zucker zunächst mit leicht erhitztem Wasser aus der Pflanze herausgelöst. Dann wird die Lösung nach einer Reihe von Reinigungsstufen eingedampft (unter vermindertem Druck). So erhält man Kristallzucker. 12 Stoffgemenge - Reinstoffe 4d 3. ABSCHEIDEN (DEKANTIEREN) Zur Trennung von flüssigen Stoffen, die sich nicht ineinander lösen. (Beispiel: Emulsion aus Öl + Wasser) Versuch: Mische Öl mit Wasser und schütte das Gemisch in einen Scheidetrichter. Beobachtung: Prinzip der Trennung: Anwendungen: - In jeder Kläranlage läuft das verschmutzte Wasser zuerst durch einen Benzin- und Ölabscheider. Dieser verhindert, dass Benzin oder Öl in die Kläranlage gelangen. So wird verhindert, dass die für die biologische Reinigung zuständigen Bakterien vergiftet werden. - In der Molkerei wird das leichtere Milchfett (Sahne) vom Rest der Milch (Magermilch) abgetrennt. Das Abscheiden wird hier allerdings durch Zentrifugieren (schnelle Drehung des Gemischs) beschleunigt. 13 Stoffgemenge - Reinstoffe 4e 4. DESTILLATION Zur Trennung von flüssigen Stoffen, die sich ineinander lösen. (Beispiel: Lösung aus Aceton + Wasser) Versuch: Mische Aceton und Wasser und gib die Mischung in den Destillierkolben. Stelle das Kühlwasser an und erhitze. Beobachtung: 14 Stoffgemenge - Reinstoffe 4f Prinzip der Trennung: Anwendungen: - Destilliertes Wasser ist chemisch reines Wasser; es enthält also keine gelösten Stoffe mehr. Es wird durch Destillation von Leitungswasser (Wasser und gelöste Stoffe) hergestellt. Destilliertes Wasser wird zum Verdünnen der Säure in Autobatterien und im chemischen Labor gebraucht. Im Haushalt benutzt man destilliertes Wasser um beim Bügeln mit dem Bügeleisen Wasserdampf herzustellen. So verhindert man das Absetzen von Salzen im Bügeleisen. - Erdöl ist ein Gemisch von sehr vielen Flüssigkeiten. Es wird durch Destillation in (bis zu 50 Meter) hohen Türmen in Gas, Benzin, Kerosin, Dieselöl, Heizöl, Schmieröle und Bitumen aufgetrennt. 15 Stoffgemenge - Reinstoffe 4f Merke: • Stoffgemenge können oft durch einfache Trennverfahren wie Filtration, Abdampfen, Abscheiden und Destillation in die einzelnen Reinstoffe aufgetrennt werden. • Die Trennverfahren beruhen auf den unterschiedlichen Eigenschaften der Stoffe, wie zum Beispiel: unterschiedliche Siedetemperaturen, unterschiedliche Dichten, . . . • Beim Auftrennen entstehen keine neuen Stoffe. Die Trennungen sind physikalische Vorgänge. Aufgaben: 1. Warum ist die Trennung eines Stoffgemenges in seine Reinstoffe ein physikalischer Vorgang? 2. Welche Stoffeigenschaften werden bei der Trennung des Gemisches von Eisen und Schwefel ausgenutzt? 3. Ein Gemenge besteht aus Sand und Salz. Wie kann man es in die Reinstoffe trennen? 16 Stoffgemenge - Reinstoffe 5a Lektüre Trennverfahren in der Praxis + Die Trennverfahren für Gemenge haben im chemischen Laboratorium und in der chemischen Industrie eine große Bedeutung. + Der Chemiker muss häufig Stoffgemenge untersuchen. Bei dieser Arbeit trennt er das Gemisch zunächst in die oft sehr zahlreichen Reinstoffe auf. Erst danach kann er sich mit der Untersuchung und Bestimmung der einzelnen Reinstoffe beschäftigen. Die Untersuchung und Bestimmung von Stoffen nennt man chemische Analyse. + Bei der Herstellung von neuen Stoffen braucht der Chemiker oft reine Ausgangsstoffe. Die Rohstoffe aus der Natur enthalten neben diesen Ausgangsstoffen noch Verunreinigungen, von denen sie getrennt werden müssen. Die Herstellung von neuen Stoffen aus einfachen Ausgangsstoffen nennt man chemische Synthese. Die neu hergestellten Stoffe liegen zunächst ebenfalls nicht rein, sondern in Mischungen vor. Diese werden dann durch Trennverfahren aufbereitet um die Reinstoffe zu erhalten. Diese „Reinigungsverfahren“ erlauben die Herstellung von Stoffen mit hohem Reinheitsgrad (mehr als 98%). Es ist nicht möglich absolut reine Stoffe herzustellen. + Auch in anderen Bereichen der Technik sind Trennverfahren für Gemenge an der Tagesordnung: 1. FILTRATION - Der Ölfilter von Verbrennungsmotoren reinigt das Motoröl von unlöslichen festen Stoffen wie Metallstaub und Ruß. - Bei der Gewinnung von klarem Trinkwasser aus trübem Fluss- oder Seewasser wird, neben anderen Aufbereitungsverfahren, das Wasser durch 1 bis 2 m hohe Schichten aus Sand und Kies filtriert. 17 Stoffgemenge - Reinstoffe 5b Lektüre 2. ABDAMPFEN - In den Mittelmeerländern gewinnt man Kochsalz, indem man Meerwasser in flache Becken einlaufen lässt. Durch die Einwirkung der Sonnenwärme verdunstet das Wasser und das Salz bleibt zurück. - Bei der Gewinnung von Zucker aus Zuckerrüben wird der Zucker zunächst mit leicht erhitztem Wasser aus der Pflanze herausgelöst. Dann wird die Lösung nach einer Reihe von Reinigungsstufen eingedampft (unter vermindertem Druck). So erhält man Kristallzucker. 3. ABSCHEIDEN - In jeder Kläranlage läuft das verschmutzte Wasser zuerst durch einen Benzin- und Ölabscheider. Dieser verhindert, dass Benzin oder Öl in die Kläranlage gelangen. So wird verhindert, dass die für die biologische Reinigung zuständigen Bakterien vergiftet werden. - in der Molkerei wird das leichtere Milchfett (Sahne) vom Rest der Milch (Magermilch) abgetrennt. Das Abscheiden wird hier allerdings durch Zentrifugieren (schnelle Drehung des Gemischs) beschleunigt. 18 Stoffgemenge - Reinstoffe 5c Lektüre 4. DESTILLATION - Destilliertes Wasser ist chemisch reines Wasser; es enthält also keine gelösten Stoffe mehr. Es wird durch Destillation von Leitungswasser (Wasser und gelöste Stoffe) hergestellt. Destilliertes Wasser wird zum Verdünnen der Säure in Autobatterien und im chemischen Labor gebraucht. Im Haushalt benutzt man destilliertes Wasser um beim Bügeln mit dem Bügeleisen Wasserdampf herzustellen. So verhindert man das Absetzen von Salzen im Bügeleisen. - Erdöl ist ein Gemisch von sehr vielen Flüssigkeiten. Es wird durch Destillation in (bis zu 50 Meter) hohen Türmen in Gas, Benzin, Kerosin, Dieselöl, Heizöl, Schmieröle und Bitumen aufgetrennt. 19 Elemente - Verbindungen 1a Einteilung der Reinstoffe in Verbindungen und Elemente + Im Kapitel über die Stoffgemenge und die Reinstoffe wurde gezeigt, wie mit Hilfe von physikalischen Trennverfahren die Gemische in Reinstoffe aufgetrennt werden können. + Es stellt sich die Frage, ob man reine Stoffe auf andere Weise weiter zerlegen kann? Wie verhalten sich zum Beispiel Reinstoffe bei starkem Erhitzen oder beim Einwirken von elektrischem Strom? Dies wollen wir nun näher untersuchen. Versuch: In einem Reagenzglas wird reiner Zucker stark erhitzt. Beobachtung: Schlussfolgerung: 20 Elemente - Verbindungen 1b + Am Beispiel des Stoffes Wasser untersuchen wir, ob die, bei der Zersetzung des Zuckers entstandenen, einfacheren Reinstoffe, noch weiter zerlegt werden können. Versuch: Man füllt den Hofmann'schen Zersetzungsapparat mit destilliertem Wasser. Über zwei Platinelektroden wird eine elektrische Gleichspannung von etwa 15 V an das Wasser angelegt. Beobachtung: Schlussfolgerung: 21 Elemente - Verbindungen 1c + Nach der Zersetzung des Wassers stellt sich die Frage, ob man die dabei entstandenen Reinstoffe Sauerstoff und Wasserstoff noch weiter zersetzen kann. Trotz aller Bemühungen ist das unmöglich. Weder durch starkes Erhitzen (Thermolyse) oder durch elektrischen Strom (Elektrolyse), noch durch andere chemische Verfahren lassen sich die Reinstoffe Sauerstoff und Wasserstoff in einfachere Stoffe zerlegen. Solche Reinstoffe bezeichnet man als chemische Grundstoffe oder chemische Elemente. + Reinstoffe, die sich, wie das Wasser, in verschiedene Grundstoffe zerlegen lassen, bezeichnet man als chemische Verbindungen. Auf ähnliche Weise wie das Wasser können auch andere chemische Verbindungen in Grundstoffe zerlegt werden. Merke: • Die Zersetzung eines Reinstoffes ist ein chemischer Vorgang; aus dem Ausgangsstoff entstehen mehrere, einfachere neue Stoffe. Einen solchen Vorgang bezeichnet man als chemische Analyse. Thermolyse = Zersetzung durch Wärme Elektrolyse = Zersetzung durch elektrischen Strom • Die Reinstoffe können in zwei große Gruppen eingeteilt werden: 1. Die Chemischen Elemente (Grundstoffe): es sind Reinstoffe, die man mit keiner Methode mehr zersetzen kann; es sind die einfachsten Reinstoffe, die man kennt; es gibt nur 92 natürliche Elemente. Beispiele: Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Eisen, ... 2. Die Chemischen Verbindungen: es sind Reinstoffe, die man in Grundstoffe zerlegen kann; sie bestehen also aus mehreren chemischen Elementen die miteinander verbunden sind. Wir kennen heute einige Millionen chemische Verbindungen. Beispiele: Zucker, Wasser, Alkohol, . . . • Die Zersetzung von chemischen Verbindungen in Grundstoffe zeigt dem Chemiker aus welchen Elementen die Verbindungen aufgebaut sind. 22 Elemente - Verbindungen 1d Bemerkung: Aufgaben: Der Name einer chemischen Verbindung lässt oft erkennen aus welchen Elementen sie besteht. Endung des Namens Verbindung mit Beispiele - oxid - sulfid - chlorid, Sauerstoff Schwefel Chlor Eisenoxid Aluminiumsulfid Kupferchlorid 1. Trage die Begriffe Stoffe, Elemente, Reinstoffe, Verbindungen und Gemenge in folgendes Schema ein. 2. Aus welchen Elementen sind folgende Verbindungen aufgebaut? Verbindung aufgebaut aus den Elementen Wasser Wasserstoff verbunden mit Sauerstoff Alkohol Kohlenstoff verbunden mit Sauerstoff und Wasserstoff Natriumchlorid (Kochsalz) Kohlenstoffdioxid Eisensulfid Zucker 23 Elemente - Verbindungen 2a Herstellung von chemischen Verbindungen + Bei der chemischen Analyse werden Verbindungen in ihre Grundstoffe zerlegt. Kann man diesen chemischen Vorgang auch umkehren? Können chemische Verbindungen aus den Elementen aufgebaut werden? Kann man sie synthetisieren? Versuch: ln einem Mörser werden 14 g Eisenpulver und 8 g Schwefelpulver zu einem feinen Gemisch zerrieben. Das Gemisch wird auf zwei Reagenzgläser verteilt. Das eine Reagenzglas wird stark erhitzt, das andere wird nicht erhitzt. Nach dem Abschluss des Versuchs und nach Abkühlung des Reagenzglases, wird der Inhalt der beiden Gläser untersucht, und die Beobachtungen werden in die Tabelle eingetragen. nicht erhitztes Reagenzglas erhitztes Reagenzglas Beobachtung: 24 Elemente - Verbindungen 2b nicht erhitztes Reagenzglas erhitztes Reagenzglas Aussehen mit einem Magneten prüfen mit Wasser schütteln Gemenge oder Verbindung Name Schlussfolgerung: Merke: • Die Herstellung von chemischen Verbindungen aus Elementen nennt man chemische Synthese. Dabei entsteht aus einem Gemisch von Grundstoffen eine chemische Verbindung: im Gemisch liegen die Grundstoffe getrennt vor, in der Verbindung sind die Elemente fest miteinander verbunden. • Eine Verbindung kann durch physikalische Verfahren nicht mehr in die Grundstoffe aufgetrennt werden (im Gegensatz zu einem Gemisch). Aufgabe: Vervollständige folgendes Schema: 25 Stoffteilchen 1a Modell vom Feinbau der Stoffe + Vom Altertum bis in die Neuzeit haben Philosophen und Wissenschaftler über den inneren Aufbau der Stoffe nachgedacht. Da bis vor etwa 100 Jahren keine leistungsfähigen Vergrößerungsgeräte zur Verfügung standen, machten sie sich Vorstellungen und Bilder (Modelle) davon, wie es wohl bei sehr starker Vergrößerung im Innern der Stoffe aussehen könnte. Versuch: Ein Farbstoffkristall (Kaliumpermanganat) wird in eine flache Schale mit kaltem Wasser gegeben. Der Versuch wird mit warmem Wasser wiederholt. Beobachtung: Schlussfolgerung: 26 Stoffteilchen 1b Modelldarstellung: Farbstoffkristall im Wasser: Die Wasserteilchen stoßen gegen die Farbstoffteilchen. Einzelne Farbstoffteilchen verlassen den Kristall und vermischen sich mit den Wasserteilchen. Lösung: Gleichmäßige Verteilung der Farbstoffteilchen und der Wasserteilchen. Merke: • Beim Lösen verteilt sich der feste Stoff von selbst im Lösungsmittel. • Dieser Vorgang lässt sich erklären, wenn man annimmt, dass Stoffe aus kleinsten, mit dem Auge nicht mehr erkennbaren Teilchen bestehen, welche beweglich sind und sich deshalb selbständig ineinander verteilen. Aufgabe: Erkläre an Hand des Teilchenmodells, wie sich ein Duftstoff (Parfüm) bei offener Flasche selbständig im Raum verteilt, so dass man nach einiger Zeit überall den Geruch wahrnimmt. 27 Stoffteilchen 2a Aggregatzustände und Teilchenmodell + In den 3 Aggregatzuständen besitzen die Teilchen unterschiedliche Beweglichkeiten, welche die Eigenschaften und das Verhalten der festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe erklären. Feststoffe: Beispiel: ein Stahlträger Teilchenmodell Eigenschaften (makroskopisch) Beschreibung (mikroskopisch) Feste Stoffe haben eine eigene Form. Die Teilchen werden durch starke Kräfte zusammengehalten (Kohäsion), schwingen aber leicht. Ihr Volumen ist bestimmt. Zwischen den Teilchen ist kaum noch leerer Raum. Sie sind drückbar. Jedes Teilchen nimmt einen festen Platz ein. Dies bedingt die regelmäßige Form von Kristallen. kaum zusammen- Das Teilchenmodell zeigt, dass die Teilchen feste Plätze einnehmen und dass zwischen den Teilchen große Anziehungskräfte bestehen müssen. Deshalb besitzen feste Stoffe eine eigene Form. Verformt man ein Stück Stahl, so muss man diese Anziehungskräfte überwinden, die Teilchen lassen sich nur schwer verschieben. Will man einen Stahlträger durchtrennen, so muss man eine Metallsäge benutzen. Wiederum muss man die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen überwinden. Zwischen den Teilchen ist kaum noch leerer Raum, deshalb besitzen die Feststoffe ein bestimmtes Volumen. Einen Feststoff kann man praktisch nicht zusammendrücken. Im Teilchenmodell sind die Teilchen sehr dicht aneinander angeordnet (zwischen den Teilchen ist kaum noch leerer Raum), ein Zusammendrücken ist deshalb kaum möglich. 28 Stoffteilchen 2b Flüssigkeiten: Beispiel: Wasser Teilchenmodell Eigenschaften (makroskopisch) Beschreibung (mikroskopisch) Flüssige Stoffe haben keine feste Form. Sie nehmen die Form des Behälters an, in dem sie aufbewahrt werden. Sie zerfließen beim Ausgießen und bilden Tropfen Die Teilchen werden schwächere Kräfte als in Stoffen zusammengehalten. Ihr Volumen ist bestimmt. Zwischen den Teilchen besteht ein sehr kleiner Abstand. Sie sind unregelmäßig angeordnet. Sie können sich gegeneinander verschieben und die Plätze wechseln, bleiben aber zusammen. Sie sind drückbar. kaum zusammen- durch festen Das Teilchenmodell zeigt, dass die Teilchen keine festen Plätze einnehmen und, dass sie gegeneinander beweglich sind. Dies erklärt auch, warum Flüssigkeiten die Form eines Gefäßes annehmen. Die relativ schwachen Anziehungskräfte zwischen den Teilchen erlauben ein freies Bewegen innerhalb des Volumens, den die Flüssigkeit einnimmt. Will man jedoch eine Flüssigkeit zusammendrücken, so stellt man fest, dass dies sehr schwierig ist. Auch hier gibt das Teilchenmodell eine einfache Erklärung. Wie aus dem Modell ersichtlich, sind auch in Flüssigkeiten die Teilchen relativ dicht aneinander angeordnet (im obigen Modell sind die Zwischenräume noch viel zu groß dargestellt!). Die Abstände zwischen den Teilchen sind nur geringfügig größer als in einem Feststoff. Ein Zusammendrücken ist deshalb kaum möglich. Zwischen den Teilchen besteht fast kein leerer Raum, deshalb besitzen die Flüssigkeiten ein bestimmtes Volumen. 29 Stoffteilchen 2c Gase: Beispiel: Helium Teilchenmodell Eigenschaften (makroskopisch) Beschreibung (mikroskopisch) Gasförmige Stoffe haben keine eigene Zwischen den Teilchen wirken praktisch Form. Sie verteilen sich im Raum, der keine Anziehungskräfte mehr. ihnen zur Verfügung steht. Deshalb müssen sie in einem verschlossenen Behälter aufbewahrt werden. Sie haben kein bestimmtes Volumen. Die Teilchen bewegen sich sehr schnell und völlig ungeordnet (chaotisch). Sie stoßen gegeneinander und gegen die Wände des Behälters (Druck). Sie sind zusammendrückbar. Die Teilchen können sich frei ausbreiten. Zwischen ihnen ist viel leerer Raum. Da zwischen den Teilchen praktisch keine Anziehungskräfte mehr wirken, bewegen die Gasteilchen sich chaotisch und sehr schnell, deshalb nehmen Gase jeden Raum ein, den man ihnen zur Verfügung stellt. Gase besitzen also keine eigene Form. Da die Teilchen sich völlig ungeordnet bewegen und zwischen ihnen viel leerer Raum ist, besitzen sie kein eigenes Volumen. Im Gegensatz zu Feststoffen und Flüssigkeiten können Gase sehr leicht zusammengedrückt werden, man verkleinert dabei nur die Abstände zwischen den Teilchen, und erhöht den Druck (Zahl der Stöße gegen die Wand). 30 Stoffteilchen 2d Addendum Merke: • In den drei Aggregatzuständen besitzen die Stoffteilchen eine eigene Beweglichkeit: im festen Zustand eine Schwingbewegung, im flüssigen und gasförmigen Zustand eine Fortbewegung und eine Drehbewegung. • Die Eigenbewegung der Stoffteilchen ist umso größer, je höher die Temperatur ist. In Gasen ist die Geschwindigkeit der Teilchen größer als in Flüssigkeiten (100 bis 1000 m/s). • Eine geradlinige Bewegung der Teilchen ist unmöglich, da sie dauernd gegeneinander und gegen die Wände des Gefäßes stoßen. Die Summe aller Zusammenstöße auf die Wände des Behälters ergibt den Druck von Flüssigkeiten und Gasen. Aufgaben: 1. Erkläre weshalb der Druck in einem Gas bei Erwärmung zunimmt. 2. Erkläre die Bildung von Raureif im Winter. 31 Stoffteilchen 3a Aufgaben: 1. Vervollständige die Tabelle eigene Form festes Volumen Beweglichkeit Anziehungskräfte Ordnung der Teilchen fest flüssig gasförmig 2. a. Beschrifte folgendes Schema: b. Welche Gemeinsamkeit besteht zwischen den roten Übergängen? c. Welche Gemeinsamkeit besteht zwischen den blauen Übergängen? 32 Stoffteilchen 3b 3. Erkläre mit dem Teilchenmodell, weshalb eine Flüssigkeit sich bei Erwärmung ausdehnt. 4. Erkläre mit Hilfe der Stoffteilchen, warum man Gase zusammendrücken kann, und warum feste und flüssige Stoffe diese Eigenschaften kaum haben. 5. An heißen Tagen bilden sich auf einer gekühlten Limonadeflasche Wassertropfen. Woher stammt dieses Wasser? Erkläre den Vorgang mit Hilfe des Teilchenmodells. 6. a. Stelle den Vorgang des Erstarrens auf der Stoffebene dar. b. Erkläre den Vorgang des Erstarrens auf der Teilchenebene. 33 Stoffteilchen 4a Atome - Chemische Symbole + Um zu erklären, dass die Grundstoffe nicht weiter zerlegbar sind, nahm der englische Wissenschaftler John Dalton um 1800 an, dass die chemischen Elemente aus unteilbaren Teilchen bestehen. Er nannte diese Teilchen „Atome“, so wie man schon im Altertum die kleinsten Bausteine aller Stoffe genannt hatte (griechisch: „atomos“ = unteilbar). Für John Dalton war jeder Grundstoff aus einer bestimmten Art von Atomen aufgebaut. Er stellte sich die Atome als winzig kleine Kugeln vor. + Manche der Modellvorstellungen von John Dalton sind noch heute gültig: 1. Die Atome sind die kleinsten Bausteine der Stoffe. 2. Jedes chemische Element besteht aus einer bestimmten Atomart. Man kennt heute 92 natürliche und fast zwei Dutzend künstliche, von Wissenschaftlern hergestellte Atomarten. 3. Die einzelnen Atomarten unterscheiden sich durch ihre Größe und ihre Masse. Beispiele: • Wasserstoffatom (leichtestes Atom): Radius: r = 0,5 x 10-10 m = 0,000 000 000 05 m = 0,000 000 05 mm Masse: m = 1,6 x 10-24 g = 0,000 000 000 000 000 000 000 0016 g • Uranatom (schwerstes Atom in der Natur): Radius: r = 1,4 x 10-10 m = 0,000 000 000 14 m = 0,000 000 14 mm Masse: m = 381 x 10-24 g = 0,000 000 000 000 000 000 000 381 g + Diese Winzigkeit der Atome ist für uns unvorstellbar. Durch die folgenden Vergleiche und Gedankenexperimente wollen wir versuchen einen Eindruck von der Winzigkeit der kleinsten Stoffteilchen zu gewinnen: - 100 Millionen Eisenatome in einer Reihe ergeben eine Kette von gerade 1 cm Länge. - Könnte man alle Eisenatome eines Stecknadelkopfes in eine Reihe hintereinander legen, würde diese Kette 52 Mal von der Erde zum Mond reichen (Abstand Erde - Mond = 384 000 km). - Bei milliardenfacher Vergrößerung wäre ein Atom so groß wie ein Kinderspielball. Ein Staubkorn würde bei gleicher Vergrößerung eine ganze Großstadt bedecken. - Wäre ein Atom so groß wie ein Tennisball, so müsste bei gleichem Maßstab ein Mensch 2 Millionen km groß sein. Er würde dann so weit in den Weltraum hinausragen, dass der Mond etwa unterhalb seiner Knie stehen würde. 34 Stoffteilchen 4b + Einfachheitshalber verwendet der Chemiker für jede einzelne Atomart ein internationales Kurzzeichen oder Symbol. Diese Atomsymbole wurden 1818 vom Chemiker J.J. Berzelius aus den lateinischen oder griechischen Namen der Elemente abgeleitet. Ein Symbol besteht aus einem oder zwei Buchstaben, wobei der erste immer groß, der zweite immer klein geschrieben wird. Beispiele: • Wasserstoff = Hydrogenium; Symbol: H • Gold = Aurum; Symbol: Au + Tabelle einiger wichtiger Atomarten und ihrer Symbole Atom Symbol Metalle: Aluminium Barium Blei (plomb) Calcium Cadmium Chrom (chrome) Eisen (fer) Gold (or) Kalium (potassium) Kobalt (cobalte) Kupfer (cuivre) Magnesium Mangan (manganèse) Natrium (sodium) Nickel Platin (platine) Quecksilber (mercure) Silber (argent) Titan Uran (uranium) Vanadium Zink (zinc) Zinn (étain) Atom Symbol Nichtmetalle: Al Ba Pb Ca Cd Cr Fe Au K Co Cu Mg Mn Na Ni Pt Hg Ag Ti U V Zn Sn Brom (brome) Chlor (chlore) Fluor (fluor) Iod (iode) Kohlenstoff (carbone) Phosphor (phosphore) Sauerstoff (oxygène) Schwefel (soufre) Stickstoff (azote) Wasserstoff (hydrogène) Br Cl F I C P O S N H Halbmetalle: Arsen (arsenic) Bor Silicium As B Si Edelgase: Argon Helium Neon Ar He Ne 35 Stoffteilchen 4c + Das Symbol steht: 1. für ein Element und 2. für ein einzelnes Atom dieses Elementes. Beispiel: Fe bedeutet: 1. das Element Eisen 2. ein Eisenatom + Werden mehrere einzelne Atome der gleichen Art angeschrieben, so stellt man die entsprechende Zahl als Koeffizient vor das Symbol. Beispiele: • 5 Wasserstoffatome : 5 H • 10 Goldatome : 10 Au Merke: • Jedes chemische Element besteht aus einer bestimmten Atomart. Es gibt 92 Atomarten in der Natur. • Die Atome haben einen Radius von etwa 10-10 m = 0,000 000 000 1 m (ein zehnmilliardstel Meter). • Jede Atomart wird mit einem chemischen Symbol abgekürzt. Dieses Symbol besteht aus einem oder zwei Buchstaben. • Das Symbol steht für das Element selbst und für ein Atom des Elementes. • Werden mehrere einzelne Atome angegeben, so schreibt man ihre Zahl vor das Symbol. + An Hand der Modellvorstellung über den atomaren Aufbau der Materie haben die Wissenschaftler im 20. Jahrhundert auch den Aufbau größerer Stoffteilchen entschlüsselt. Diese größeren Stoffteilchen bestehen alle aus Atomen, die miteinander verbunden sind. Sie werden als Moleküle, Makromoleküle und Kristalle bezeichnet. 36 Stoffteilchen 5a Moleküle - Chemische Formel + Moleküle sind kleinste Stoffteilchen, die aus zwei oder mehreren Atomen aufgebaut sind. Die Atome sind im Molekül fest aneinander gebunden. Sie werden von starken Anziehungskräften, den Bindungskräften zusammengehalten. Beispiel: Wasser Das kleinste Wasserteilchen ist ein Wassermolekül. Es besteht aus drei Atomen: einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, welche an das Sauerstoffatom gebunden sind. ein Wassermolekül 2 Wassermoleküle Sauerstoffatom Bindung Wasserstoffatom Bei der Zerlegung des Wassers durch Elektrolyse haben wir festgestellt, dass doppelt soviel Wasserstoffgas entsteht wie Sauerstoffgas. Dieses Verhältnis 2:1 findet sich auch in der atomaren Zusammensetzung des Wassermoleküls wieder: auf zwei Wasserstoffatome kommt ein Sauerstoffatom. Damit wird die im Versuch gemachte Beobachtung erklärt. 37 Stoffteilchen 5b Beispiel: Traubenzucker Das kleinste Traubenzuckerteilchen ist ein Traubenzuckermolekül. Es besteht aus 6 Kohlenstoffatomen, 12 Wasserstoffatomen und 6 Sauerstoffatomen. Diese 24 Atome sind in einer ganz bestimmten Weise miteinander verbunden. Strukturformel: + Um das Verhalten der Moleküle zu verstehen, muss man wissen, welche Atome direkt aneinander gebunden sind. Man muss also die Struktur der Moleküle kennen. Die Struktur der Moleküle wird durch die Strukturformel angegeben. Diese Formel zeigt durch Bindungsstriche zwischen den Kurzzeichen, welche Atome direkt aneinander gebunden sind. Chemische Formel: + Zur Beschreibung der Zusammensetzung eines Moleküls benutzt man die chemische Formel (Summenformel). Die chemische Formel besteht aus den chemischen Symbolen, der im Molekül miteinander verbundenen Atomarten; die Zahl der Atome im Molekül wird, jeweils unten rechts am chemischen Symbol, als Index angeschrieben; wenn es sich nur um ein Atom handelt, wird keine Zahl angeschrieben. Strukturformel: Chemische Formel: H H C O C H H O H H C H O C6H12O6 C O H H C C H O O H H 38 Stoffteilchen 5c Heute ist der Aufbau der Moleküle vieler Reinstoffe genau bekannt. + Die Moleküle der Elemente bestehen aus einer einzigen Atomart; deshalb sind Elemente nicht mehr in andere, einfachere Stoffe zerlegbar. Die Moleküle der Verbindungen bestehen aus verschiedenen Atomarten; deshalb sind die Verbindungen in andere, einfachere Stoffe zerlegbar. Beispiele: Reinstoff Strukturformel Chemische Formel Element oder Verbindung Wasser H2O Verbindung Alkohol C2H6O Verbindung Sauerstoff O2 Element Wasserstoff H2 Element + Sind mehrere Moleküle der gleichen Art anzuschreiben so wird die entsprechende Zahl vor die Formel gestellt. Beispiele: • 4 Wassermoleküle: • 3 Traubenzuckermoleküle: 3 C6H12O6 • 7 Alkoholmoleküle: 7 C2H6O 39 Stoffteilchen 5d Weitere Beispiele: Reinstoff Molekülmodell Strukturformel Chemische Formel Element oder Verbindung Wasserstoff Stickstoff Kohlenstoffdioxid Ammoniak Essigsäure Ethen (Ethylen) Aufgabe: Wie viele Bindungen gehen die einzelnen Atomarten in diesen Molekülen (Tabelle) ein? Kohlenstoff geht immer ___ Bindungen ein; Wasserstoff geht immer ___ Bindung ein; Sauerstoff geht immer ___ Bindungen ein; Stickstoff geht immer ___ Bindungen ein. 40 Stoffteilchen 5e Merke: • Moleküle bestehen aus zwei oder mehreren Atomen, die miteinander verbunden sind. • Die Moleküle von chemischen Elementen bestehen nur aus einer Atomart (H2 , O2 , . . .). Die Moleküle von chemischen Verbindungen bestehen aus mehreren Atomarten (H2O , CO2 , ...) • Die chemische Formel zeigt, aus welchen und aus wie vielen Atomen, ein Molekül aufgebaut ist. Gibt man zusätzlich die Bindungen zwischen den Atomen an, so spricht man von einer Strukturformel. • Die verschiedenen Atomarten gehen unterschiedlich viele Bindungen ein. Die Zahl der Bindungen, die ein bestimmtes Atom eingehen kann, bezeichnet man als Wertigkeit (Valenz) des Atoms. Aufgaben: Wasserstoff einwertig: Sauerstoff zweiwertig: Stickstoff dreiwertig: Kohlenstoff vierwertig: 1. Schreibe die chemische Formel an: a. Ein Molekül Chlor: es besteht aus 2 Chloratomen. b. 3 Moleküle Schwefelsäure: sie bestehen jeweils aus 2 Wasserstoffatomen, einem Schwefelatom und 4 Sauerstoffatomen. c. 6 Moleküle Rübenzucker (Saccharose): sie bestehen jeweils aus 12 Kohlenstoffatomen, 22 Wasserstoffatomen und 11 Sauerstoffatomen. d. Ein Molekül Schwefeldioxid: es besteht aus einem Schwefelatom und zwei Sauerstoffatomen. 41 Stoffteilchen 5f 2. Fülle folgende Tabelle aus! Beispiel 7 Au 3 H2O Atome Moleküle Bedeutung (Zahl und Aufbau) 7 0 7 Atome Gold 3 (2+1) = 9 3 3 Moleküle Wasser 1 Molekül Wasser besteht aus 2 Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff NH3 Ammoniak 4 HCl Chlorwasserstoff 2F F2 5 H3PO4 Phosphorsäure CHCl3 Chloroform Pb CO2 Kohlenstoffdioxid 3 He H 2 + O2 42 Stoffteilchen 5g 3. Bestimme die Wertigkeit aller Atomarten in folgenden Strukturformeln und schreibe jeweils die Summenformel an. Strukturformel Wertigkeiten Summenformel H: ___ S: ___ C: ___ H: ___ H: ___ O: ___ P: ___ C: ___ H: ___ N: ___ 4. Stelle die Strukturformeln und die Summenformeln auf: • Wasserstoff (einwertig) verbindet sich mit Chlor (einwertig) • Phosphor (dreiwertig) verbindet sich mit Wasserstoff (einwertig) • Stickstoff (dreiwertig) verbindet sich mit Sauerstoff (zweiwertig) 43 Stoffteilchen 5h Aufstellen von chemischen Formeln Beispiel: Bleioxid. Um die chemische Formel der Verbindung aufzustellen, muss man die Wertigkeiten der Atome (Blei, 4-wertig; Sauerstoff, 2-wertig) kennen: 1. Symbole anschreiben 2. Wertigkeiten unter die Symbole schreiben 3. Wertigkeiten austauschen 4. Formel anschreiben, mit folgender Reihenfolge: - Metalle - Wasserstoff - Nichtmetalle - Sauerstoff 5. Vereinfachen falls möglich 6. Namen der Verbindung aufstellen: Namen des ersten Elementes plus Endung: - oxid für Sauerstoff - sulfid für Schwefel - fluorid für Fluor - chlorid für Chlor - bromid für Brom - iodid für Iod - carbid für Kohlenstoff - hydrid für Wasserstoff Aufgabe: Pb O 4 2 Pb2O4 PbO2 Bleioxid Stelle für folgende Verbindungen die chemische Formel auf und gib den Namen der Verbindung an. Chlor (1-wertig) und Aluminium (3-wertig) Sauerstoff (2-wertig) und Kalium (1- wertig) Schwefel (2-wertig) und Blei (2-wertig) Bemerkung: Brom (1-wertig) und Calcium (2-wertig) Für Elemente die verschiedene Wertigkeiten besitzen, gibt man die Wertigkeit mit römischen Ziffern an. Beispiele: Eisen(II) und Sauerstoff (2-wertig): Eisen(III) und Sauerstoff (2-wertig): Verbindung: Eisen(II)oxid FeO Verbindung: Eisen(III)oxid Fe2O3 44 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 1a Chemische Reaktion + Durch Synthese verbinden sich Elemente zu chemischen Verbindungen. Die Grundstoffe reagieren zu neuen Stoffen mit ganz anderen Eigenschaften. Die Synthese ist also ein chemischer Vorgang. Ein chemischer Vorgang wird auch chemische Reaktion genannt. Versuch 1: Ein Stück Magnesiumband (leichtes Metall, leicht entzündlich) wird an der Flamme des Bunsenbrenners angezündet und dann in einen mit Sauerstoffgas (farbloses Gas) gefüllten Zylinder eingeführt. Beobachtung: Schlussfolgerung: 45 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 1b Aussehen Name Chemische Formel Stoffe vor der Reaktion: Stoff(e) nach der Reaktion: Aufstellen der chemischen Gleichung: Stoffe vor der Reaktion (Ausgangsstoffe, Edukte) Reaktionsbeschreibung: Magnesium reagiert mit Sauerstoff Stoffe nach der Reaktion (Endstoffe, Produkte) zu Magnesiumoxid + Chemische Gleichung: Modelldarstellung: Magnesium (Feststoff) + Kleinstes Teilchen: + Ausgleichen: + Sauerstoff (Gas) Magnesiumoxid (Feststoff) Beispiel: Man geht von 6 Magnesium- + Teilchen aus (* 3): 46 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 1c + Durch Analyse werden Verbindungen wieder in Elemente oder einfachere Verbindungen zerlegt. Aus den chemischen Verbindungen entstehen neue, einfachere Stoffe mit ganz anderen Eigenschaften. Die Analyse ist also auch ein chemischer Vorgang, eine chemische Reaktion. Versuch 2: Beobachtung: Ein wenig Silbersulfid (schwarzes Pulver) wird in ein Reagenzglas eingefüllt. Nach genauem Abwägen wird das Reagenzglas stark erhitzt. Danach wird erneut abgewogen. vor dem Erhitzen vor dem Erhitzen nach dem Erhitzen nach dem Erhitzen Aussehen der Stoffe Gesamtmasse (Stoffe und Reagenzglas) Schlussfolgerung: 47 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 1d Chemische Formel Aussehen Name Stoff(e) vor der Reaktion: Stoffe nach der Reaktion: Aufstellen der chemischen Gleichung: Stoffe nach der Reaktion (Endstoffe, Produkte) Stoffe vor der Reaktion (Ausgangsstoffe, Edukte) Reaktionsbeschreibung: Silbersulfid wird zu Silber + Chemische Gleichung: Modelldarstellung: und Schwefel zersetzt. Silbersulfid (Feststoff) Silber (Feststoff) + Kleinstes Teilchen: + Ausgleichen: + Schwefel (Feststoff) Beispiel: Man geht von 12 Silbersulfid - + Teilchen aus (* 12): 48 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 1e Aufgaben: 1. Sind die durchgeführten Versuche chemische oder physikalische Vorgänge? 2. Vergleiche, im Versuch 2, die Gesamtmasse der Stoffe vor der Reaktion und nach der Reaktion. Hat die Gesamtmasse geändert? Was kann man daraus über die Zahl der Atome vor und nach der Reaktion schlussfolgern? 3. Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an. __ N2 + __ H2 → __ NH3 Gehe von 3 Stickstoffmolekülen aus! 4. Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an. __ Na + __ Cl2 → __ NaCl Zeichne acht Salzteilchen als Produkt! 49 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 1f 5. Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an. __ HgO → __ Hg + __ O2 Zeichne 4 Sauerstoffmoleküle als Produkt! 6. Versuche mit Hilfe der Modelldarstellungen zu erkennen, welche wesentliche Veränderung bei chemischen Reaktionen eintritt. Merke: • Entstehen bei Veränderungen neue Stoffe, so spricht man von chemischen Veränderungen: chemischen Reaktionen. • Bei chemischen Reaktionen bleiben die Atomarten vor und nach der Reaktion die gleichen. • Die Gesamtmasse der Stoffe ist vor und nach der Reaktion gleich; da die Atomarten gleich bleiben, bedeutet dies, dass die Zahl der Atome vor und nach der Reaktion gleich sind (Gesetz von der Erhaltung der Masse). • Bei chemischen Reaktionen wechseln die Atome ihre Bindungspartner. 50 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 2a Chemische Gleichung (Ausgleichen) + Nach dem Gesetz von der Erhaltung der Massen bleibt die Zahl der Atome einer jeden Art in den Ausgangs- und Endstoffen gleich. Dies muss auch in einer chemischen Gleichung berücksichtigt werden. Deshalb spricht man ja von einer Gleichung. Die Zahl der Atome ist gleich, die Stoffe jedoch sind verschieden! Beim Aufstellen einer chemischen Gleichung muss also darauf geachtet werden, dass auf beiden Seiten die gleiche Anzahl von Atomen der gleichen Art steht: die Gleichung muss „ausgeglichen“ werden. Beispiele: Reaktionsbeschreibung: Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser Wortgleichung: Wasserstoff + Sauerstoff → Wasser → Produkt Edukte Einsetzen von Formeln in die Gleichung : H2 + O2 → H2O Die Anzahl Atome in den Edukten und dem Produkt soll gleich sein: 2H + 2O ≠ (2 H + 1 O) 2•2H + 2O = 2•(2 H + 1 O) 4H + 2O = 4H+2O 2 H2 + O2 → 2 H2O Reaktionsbeschreibung: Aluminium reagiert mit Chlor zu Aluminiumchlorid Wortgleichung: Aluminium + Chlor → Aluminiumchlorid → Produkt Koeffizienten einsetzen damit die Zahl der Atome gleich ist: Koeffizienten in die Gleichung einsetzen = Ausgleichen fertig! Edukte Einsetzen von Formeln in die Gleichung : Al + Cl2 → AlCl3 Die Anzahl Atome in den Edukten und dem Produkt soll gleich sein: Al + 2 Cl ≠ (1 Al + 3 Cl) 2 • Al + 3 • 2 Cl = 2 • (1 Al + 3 Cl) 2 Al + 6 Cl = 2 Al + 6 Cl 2 Al + 3 Cl2 → 2 AlCl3 Koeffizienten einsetzen damit die Zahl der Atome gleich ist: Koeffizienten in die Gleichung einsetzen = Ausgleichen fertig! 51 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 2b Reaktionsbeschreibung: Aluminium reagiert mit Salzsäure zu Wortgleichung: Aluminium + Salzsäure → Aluminiumchlorid Aluminiumchlorid → Edukte und + Wasserstoff Wasserstoff Produkte Einsetzen von Formeln in die Gleichung : Al + HCl → AlCl3 + H2 Die Anzahl Atome in den Edukten und dem Produkt soll gleich sein: 1 Al + (1 H + 1 Cl) ≠ (1 Al + 3 Cl) + 2H 2 • 1 Al + 6 • (1 H +1 Cl) = 2•(1 Al+3 Cl) + 3 •2 H 2 Al + 6 H + 6 Cl = 2 Al + 6 Cl 6H 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 3 H2 Reaktions- Eisen(III)oxid beschreibung: reagiert mit Salzsäure zu Eisen(III) Wortgleichung: Eisen(III)oxid + Koeffizienten einsetzen damit die Zahl der Atome gleich ist: Koeffizienten in die Gleichung einsetzen = Ausgleichen fertig! Fe2O3 Wasser + Wasser -chlorid Salzsäure + → Eisen(III) -chlorid → Edukte Einsetzen von Formeln in die Gleichung : und HCl → Produkte FeCl3 + H2O Die Anzahl Atome in den Edukten und dem Produkt soll gleich sein: Koeffizienten einsetzen damit die Zahl der Atome gleich ist: Koeffizienten in die Gleichung einsetzen = Ausgleichen fertig! Aufpassen: - Beim Ausgleichen dürfen nur die Zahlen vor den Formeln (Koeffizient), nicht aber die Zahlen in den Formeln (Index) geändert werden; sonst würde ja die Zusammensetzung der Teilchen geändert. 52 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 2c Merke: • Bei chemischen Reaktionen werden die Bindungen zwischen den Atomen in den Ausgangsstoffen aufgebrochen, und es werden neue Bindungen in den Endstoffen geknüpft. Die Art und die Anzahl der Atome bleibt unverändert. • Eine chemische Reaktion wird in einer chemischen Gleichung kurz und übersichtlich beschrieben. • Eine Reaktionsgleichung wird in mehreren Schritten aufgestellt: 1. die chemischen Formeln der Edukte und der Produkte werden aufgestellt; 2. die Edukte werden links und die Produkte rechts des Reaktionspfeils angeschrieben (Edukte → Produkte); 3. die Gleichung wird durch Einsetzen der richtigen Koeffizienten ausgeglichen; 4. es wird überprüft, ob die Zahl der einzelnen Atome in den Ausgangs- und Endstoffen die gleiche ist. - Beispiel : Thermolyse von Silbersulfid Silbersulfid zerfällt in Silber und Schwefel 1. Silbersulfid: Ag2S; 2. Ag2S → Ag + S 3. Ag2S → 2 Ag + S 4. Ausgangsstoffe Aufgaben: Silber: Ag; Schwefel: S Endstoffe: Ag: 2 Atome Ag: 2 Atome S: 1 Atom S: 1 Atom 1. H2 + O2 → H2O - Gleiche aus. - Stelle die Reaktion mit Hilfe des Teilchenmodells dar. - Was ändert im wesentlichen bei dieser chemischen Reaktion? 53 Chemische Reaktion - Chemische Gleichung 2d 2. Stelle die Reaktionsgleichungen auf: a. Kupfer reagiert mit Sauerstoff (O2) zu Kupfer(II)oxid b. Stickstoff (N2) reagiert mit Wasserstoff (H2) zu Ammoniak (NH3) c. Aluminium reagiert mit Sauerstoff (O2) zu Aluminiumoxid 3. Gleiche folgende Beispiele aus: → N2 + O2 Al + HBr CH4 + N2O5 → → O2 AlBr3 + H2 CO2 + H2O C2H6 + O2 → CO2 + CH4 + Cl2 → CHCl3 + H2SO4 H3PO4 + + H2O HCl NaOH → Na2SO4 + Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + H2O H2O 54 Grundstoffe 1a Chemische Elemente + Reinstoffe, die man durch Zersetzungsverfahren (Thermolyse, Elektrolyse, Photolyse, . . . ) nicht mehr weiter in einfachere Stoffe zerlegen kann, nennt man Grundstoffe oder chemische Elemente. Es sind die einfachsten Stoffe die es gibt. Jedes Element besteht nur aus einer einzigen Atomart. + Es gibt 92 natürliche Elemente und man kennt heute etwa zwei Dutzend künstliche Elemente. + Jedes Element wird mit dem Namen und dem Kurzzeichen der betreffenden Atomart bezeichnet. + Die Elemente werden in vier Klassen eingeteilt: 1. Die Metalle Die Metalle stellen die Mehrzahl der Elemente (etwa 70). Sie sind fest, nur Quecksilber ist flüssig. 2. Die Nichtmetalle Sie sind fest (Kohlenstoff; Schwefel; Phosphor; Jod), flüssig (Brom) oder gasförmig (Wasserstoff; Stickstoff; Sauerstoff; Fluor; Chlor). 3. Die Halbmetalle Sie sind fest (Bor; Silicium; Germanium; Arsen) und besitzen sowohl metallische als auch nichtmetallische Eigenschaften. 4. Die Edelgase Sie sind gasförmig (Helium; Neon; Argon; Krypton; Xenon; Radon). Es sind die einzigen Stoffe, die aus einzelnen, nicht miteinander verbundenen Atomen aufgebaut sind. Ihre Wertigkeit ist null. Merke: • Elemente sind Reinstoffe, die nur aus einer einzigen Atomart bestehen. • Wir kennen heute 92 natürliche und fast zwei Dutzend künstliche Elemente. • Die Elemente sind unterteilt in: Metalle, Nichtmetalle, Halbmetalle und Edelgase. 55 Grundstoffe 1b Bemerkung: Die Elemente kommen in sehr unterschiedlicher Häufigkeit in der Erdrinde vor (einschließlich in Luft und Wasser): Element O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti Cl P alle anderen zusammen Masse in % 49,20 25,67 7,50 4,71 3,39 2,63 2,40 1,93 0,87 0,58 0,19 0,11 0,79 insgesamt 90% für diese 5 Elemente Sehr auffällig ist der hohe Anteil von Sauerstoff und Silicium. Viele in der Praxis wichtige Elemente, wie die meisten Metalle, sind im Durchschnitt sehr selten. Sie können nur deshalb überhaupt gewonnen werden, weil sie an bestimmten Lagerstätten (Erzlagern) in Form von Verbindungen (Oxide, Sulfide, Carbonate) stark angereichert vorkommen. 56 Grundstoffe 2a Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen + Metalle und Nichtmetalle stellen die zwei wichtigsten Klassen der Elemente dar. Versuch: Wir untersuchen an größeren Probestücken der Metalle Eisen, Zink, Kupfer, Magnesium und Platin den Aggregatzustand, die Oberfläche (glänzend oder matt), die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, die Sprödigkeit (Verformbarkeit), die Brennbarkeit an der Luft, das Verhalten gegenüber von verdünnter Salzsäure und die Korrosion (Rosten, Anlaufen). Anschließend werden die gleichen Eigenschaften an größeren Probestücken der Nichtmetalle Schwefel und Kohlenstoff (Graphit) untersucht. Bemerkungen zur Versuchsdurchführung: - der Glanz kann nur an einer frisch polierten Oberfläche geprüft werden; - die Wärmeleitfähigkeit wird geprüft indem man (zum Vergleich) jeweils dünne Stangen von einem Metall und einem Nichtmetall in ein Gefäß mit siedendem Wasser taucht; - zur Untersuchung der Korrosion lässt man das entsprechende Element mit blanker angefeuchteter Oberfläche einige Zeit an der Luft liegen. Beobachtung: Fe Zn Cu Mg Pt S C Aggregatzustand Oberfläche elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit Sprödigkeit Brennbarkeit Verhalten gegen verdünnte Säure Korrosion 57 Grundstoffe 2b Schlussfolgerung: Merke: • Metalle sind feste Stoffe mit glänzender Oberfläche; sie sind gute Strom- und Wärmeleiter. Die unedlen Metalle werden von den Säuren angegriffen und „laufen an der Luft an“, rosten, korrodieren, überziehen sich mit einer matten Oxidschicht. Edelmetalle korrodieren nur sehr langsam oder gar nicht. Metalle sind nicht spröde, sie sind leicht verformbar. • Feste Nichtmetalle besitzen keine glänzende Oberfläche; sie sind schlechte Strom- und Wärmeleiter (außer Kohlenstoff in Form von Graphit), sie werden nicht von Säuren angegriffen und sie „laufen nicht an der Luft an“; Nichtmetalle sind spröde, sie sind nicht gut verformbar. 58 Chemische Verbindungen 1a Chemische Verbindungen + Die Mehrzahl der bekannten Reinstoffe (mehrere Millionen) sind chemische Verbindungen. Ihre Stoffteilchen sind aus verschiedenen Atomarten aufgebaut; man kann sie durch chemische Vorgänge, durch Thermolyse und Elektrolyse, in Grundstoffe zerlegen. + Die chemischen Verbindungen werden nach ihrer Herkunft und ihrem atomaren Aufbau in zwei große Stoffklassen eingegliedert: 1. Die Klasse der anorganischen Stoffe. Sie umfasst hauptsächlich die Stoffe der leblosen Materie. Es sind einerseits Stoffe des Erdbodens, der Gewässer und der Atmosphäre, andererseits Stoffe, welche aus diesen entstehen und hergestellt werden (etwa 100 000). Die anorganischen Verbindungen werden eingeteilt in: • Oxide (Beispiel: Eisen(III)oxid Fe2O3 in der Erdkruste); • Säuren (Beispiel: Salzsäure HCl im Magensaft); • Hydroxide (Beispiel: Natronlauge NaOH in Abflussreinigern); • Salze (Beispiel: Kochsalz NaCl und Magnesiumchlorid MgCl2 im Meerwasser). 2. Die Klasse der organischen Stoffe. Sie umfasst die Stoffe der lebenden Materie (Stoffe aus Bakterien, Pflanzen, Tieren). Es sind Stoffe, die an Aufbau- und Abbaureaktionen in Organismen beteiligt sind. Bis heute sind mehrere Millionen bekannt. Theoretisch ist ihre Zahl fast unendlich groß. Beispiele von organischen Verbindungen: • Kohlenwasserstoffe (Beispiel: Butan C4H10 im Campinggas); • Alkohole (Beispiel: Ethanol C2H5OH in alkoholischen Getränken); • Carbonsäuren (Beispiel: Essigsäure CH3COOH in Essig); • Fette (Beispiel: Palmitin im Palmöl); • Kohlenhydrate (Beispiel: Stärke in den Kartoffeln); • Eiweißstoffe (Beispiel: Casein in der Milch). 59 Chemische Verbindungen 1b + Neben den natürlichen anorganischen und organischen Verbindungen gibt es eine Vielzahl von synthetischen, vom Menschen nachgebaute, Verbindungen. Merke: • Chemische Verbindungen sind Reinstoffe, die aus verschiedenen Atomarten aufgebaut sind. • Wir kennen heute mehrere Millionen von natürlichen und synthetischen Verbindungen. • Die chemischen Verbindungen sind unterteilt in: anorganische Verbindungen und organische Verbindungen. 60 Säuren und Basen 1a Säuren und Basen Versuch 1: Zu etwas Speiseessig (verdünnte Essigsäure) werden in einem großen Reagenzglas ein paar Tropfen Farbindikator (Bromthymolblau) gegeben. Beobachtung: Versuch 2: Zu einer Lösung eines Abflussreinigers (Natronlauge) werden in einem großen Reagenzglas ein paar Tropfen Farbindikator (Bromthymolblau) gegeben. Beobachtung: Versuch 3: Zu etwas Wasser werden in einem großen Reagenzglas ein paar Tropfen Farbindikator (Bromthymolblau) gegeben. Beobachtung: Schlussfolgerung: Der Farbindikator zeigt durch einen Farbton an, ob eine Lösung eines Stoffes in Wasser sauer (pH von 0 bis 7), neutral (pH 7) oder basisch (pH von 7 bis 14) ist. Der pH-Wert erlaubt zu bestimmen, ob eine unbekannte Lösung sauer, basisch oder neutral ist. Man kann den pH-Wert (0 - 14) mit einem Farbindikator nur sehr grob einschätzen. Genauere Werte liefert ein Universalindikator (ein Gemisch von verschiedenen Farbindikatoren). Die genauesten Werte liefert der pH-Meter. pH-Skala Säurestärke nimmt zu 0 1 2 stark sauer 3 4 Basenstärke nimmt zu 5 6 7 neutral 8 9 10 11 12 13 14 stark basisch 61 Säuren und Basen 1b Wichtige Säuren Salzsäure Salpetersäure Kohlensäure Schweflige Säure Schwefelsäure Phosphorsäure Wichtige Hydroxide HCl HNO3 H2CO3 H2SO3 H2SO4 H3PO4 Natriumhydroxid Kaliumhydroxid Magnesiumhydroxid Calciumhydroxid NaOH KOH Mg(OH)2 Ca(OH)2 Die Säuren und Hydroxide werden meistens in Wasser gelöst (mit Wasser verdünnt). Die Lösungen von Säuren in Wasser: Die Lösungen von Hydroxiden in Wasser (Laugen, Basen): - reagieren sauer; - färben Bromthymolblau gelb; - schmecken sauer; - wirken ätzend; - greifen viele Metalle an. - reagieren basisch; - färben Bromthymolblau blau; - fühlen sich schmierig an; - wirken ätzend; - greifen viele organische Stoffe an. Neutralisation Versuch: In 10 ml verdünnte Salzsäure (HCl) gibt man einige Tropfen Bromthymolblau. Aus einer Bürette gibt man tropfenweise eine verdünnte Lösung von Natriumhydroxid (NaOH) welche die gleiche Konzentration wie die Salzsäure besitzt, hinzu. Man beobachtet den Farbton des Indikators und beendet die Zugabe von Lauge, wenn der Indikator (Bromthymolblau) neutralen Charakter (grüne Farbe) anzeigt. Man dampft diese Lösung ein. Beobachtung: Volumen der zugesetzten Lösung von NaOH: ___ ml Reaktionsschema: Merke: Natriumhydroxid + Salzsäure −−−> Natriumchlorid + Wasser • Säuren reagieren mit Hydroxiden zu Salzen und Wasser (neutral). Weil neutrales Wasser entsteht bezeichnet der Chemiker diese Reaktion als Neutralisation. Hydroxid + Säure −−−> Salz + Wasser • Durch Reaktion verschiedener Säuren mit verschiedenen Hydroxiden können unterschiedliche Salze entstehen. Viele Salze sind wasserlöslich. 62 Atombau 1 Addendum Kern Hülle Modell (Rutherford-Modell) + Da die Atome unvorstellbar klein sind, und wir sie auch unter dem leistungsfähigsten Lichtmikroskop nicht erkennen können, müssen wir uns eine Vorstellung, ein Modell vom Atom schaffen. Atome konnten mittlerweile mit dem Elektronenrastermikroskop abgebildet werden! + Im 19. Jahrhundert stellte man sich die Atome als winzige kompakte (ganz mit Materie gefüllte) Kugeln vor (Dalton Modell). + Im Jahr 1911 bewies der Physiker Ernest Rutherford, dass ein Atom keine kompakte Kugel ist, sondern aus einem winzig kleinen Atomkern und einer fast leeren Atomhülle besteht. Schematische Darstellung des Kern - Hülle Modells: Atomkern Atomhülle (Atomschale) + Die Forschung hat gezeigt, dass ein Atom nicht unteilbar ist. Sowohl der Atomkern wie auch die Atomhülle können in kleinere Teilchen zerlegt werden. Diese Teilchen, aus denen das Atom aufgebaut ist, werden als Elementarteilchen bezeichnet. + Ein Atom ist aus drei Arten von Elementarteilchen aufgebaut: den Protonen, den Neutronen und den Elektronen. Eigenschaften der Elementarteilchen: Name des Teilchens Masse Elektrische Ladung Abkürzung Zeichnerische Darstellung Proton Neutron Elektron Bemerkungen: 1 u = 1 Atommasseneinheit (AME) ; 1 u = 1,6 . 10-24 g Diese Einheit wird im atomaren Bereich benutzt, da die Einheit g für diesen Bereich zu groß ist. Es gibt zwei verschiedene Arten von elektrischen Ladungen: positive (+) und negative (-). Die Ladungen der Protonen und der Elektronen sind die kleinstmöglichen Ladungen in den Stoffen. Wir ordnen ihr deshalb in der Chemie den Wert 1 zu. 63 Atombau 2 Addendum Elektrostatisches Grundgesetz + Da im Atom positiv und negativ geladene Teilchen vorkommen, müssen wir uns mit den Eigenschaften geladener Teilchen befassen. Versuch: a. Ein Hartgummistab wird durch Reibung an einem Katzenfell negativ aufgeladen. Man nähert diesen Stab einem zweiten Hartgummistab, der ebenfalls negativ geladen ist. _____________ Hartgummistab Hartgummistab b. Ein Glasstab wird durch Reiben an Seide positiv aufgeladen. Man nähert diesen Glasstab einem zweiten Glasstab, der ebenfalls positiv geladen ist. _____________ Glasstab Glasstab c. Ein negativ geladener Hartgummistab wird einem positiv geladenen Glasstab genähert. _____________ Glasstab Hartgummistab Schlussfolgerung: Merke: Anziehung Abstoßung Abstoßung 64 Atombau 3 Addendum Regeln des Atombaus 1. Alle Atome bestehen aus 3 Arten von Elementarteilchen: den Protonen, den Neutronen und den Elektronen. Es gibt eine Ausnahme: das Wasserstoffatom besteht nur aus einem Proton und einem Elektron, es fehlt das Neutron. 2. Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Weil die Protonen positiv geladen sind und die Neutronen neutral sind, ist der Atomkern positiv geladen. Er ist unvorstellbar klein: sein Durchmesser beträgt ungefähr 10-14 m. 3. Um den Atomkern bewegen sich in großem Abstand die Elektronen. Sie bilden die Atomhülle. Der Durchmesser der Atomhülle beträgt ungefähr 10-10 m. Sie ist also 10.000 bis 100.000 x größer als der Atomkern. Wäre der Kern eine Kugel von 1 cm Durchmesser, so hätte das gesamte Atom einen Durchmesser von mehr als 100 m. 4. Das gesamte Atom ist nach außen elektrisch neutral. Da ein Proton die Ladung 1+ und ein Elektron die Ladung 1- hat, das Atom aber elektrisch neutral ist, ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl Protonen. Aufgaben: 1. Zeichne ein Atom, dessen Kern 2 p+ und 2 no enthält. Bestimme die elektrische Ladung des Kerns, der Atomhülle und die Gesamtladung des Atoms. 2. Zeichne ein Atom, das 6 e- in seiner Hülle und 12 Elementarteilchen im Kern hat. 65 Atombau 4a Addendum Bestimmung der Zahl der Elementarteilchen + Die verschiedenen Atomarten unterscheiden sich durch die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen sie aufgebaut sind. Dieser Aufbau bestimmt die Eigenschaften der Atome. Deshalb ist es wichtig, dass man die Anzahl der Elementarteilchen für jedes Atom bestimmen kann. + Man gibt die Zahl der Elementarteilchen mit zwei Zahlen an, welche links vom Kurzzeichen angeschrieben werden. Die Kernladungszahl Z gibt die Ladung des Kerns an. Sie steht unten vor dem Kurzzeichen. Da die Ladung eines Protons 1+ ist, gibt die Kernladungszahl (Zahl der Ladungen im Kern) auch die Zahl der Protonen an. Für neutrale Atome ist die Anzahl Elektronen gleich der Anzahl Protonen. Die Massenzahl A gibt die Summe der Zahl der Protonen und Neutronen an (diese Elementarteilchen machen über 99,9 % der Masse des Atoms aus). + Man kann die Zahl der Neutronen errechnen, indem man die Kernladungszahl von der Massenzahl abzieht. Merke: • Schreibweise: Die Massenzahl A ist größer oder gleich der Kernladungszahl Z. • Zahl der Protonen = Z • Zahl der Elektronen = Z • Zahl der Neutronen A-Z 66 Atombau 4b Addendum Aufgaben: 1. Bestimme die Zahl der Elementarteilchen für folgende Atome: 23 11 Na 27 13 Al 35 17 Cl 207 82 Pb 238 92 U 2. Bestimme in den Atomen 14 7N - die Zahl der Elementarteilchen: und 35 17 Cl : 14 7N 35 17 Cl - die Masse des Kerns: 14 7N 35 17 Cl - die Masse der Atomhülle: 14 7N 35 17 Cl - die Masse des Atoms: 14 7N 35 17 Cl - Vergleiche die Masse des Kerns mit der Masse des Gesamtatoms und erkläre das Ergebnis: 67 Atombau 5a Addendum Schalenmodell (Bohr Modell) + Im Jahr 1913 verfeinerte der Physiker Niels Bohr auf Grund von neuen Beobachtungen das Kern-Hülle Modell von Rutherford. + Im Modell von Bohr umkreisen die Elektronen den - aus Protonen und Neutronen aufgebauten - Kern in weiter Entfernung. Sie bewegen sich dabei nicht, wie im Modell von Rutherford, beliebig um den Atomkern, sondern in bestimmten, genau festgelegten Bereichen der Atomhülle. Diese Bereiche haben im Modell von Bohr die Gestalt einer Kugeloberfläche und sie werden als Elektronenschalen oder einfach als Schalen bezeichnet. Die Elektronen können auf 7 Schalen verteilt sein. Die verschiedenen Elektronenschalen besitzen verschiedene Durchmesser. Sie werden von innen nach außen mit den Buchstaben K bis Q bezeichnet. Jede Schale kann nur eine bestimmte maximale Anzahl von Elektronen aufnehmen. Je weiter die Schalen vom Kern entfernt sind, umso schwächer werden ihre Elektronen vom Kern angezogen und umso leichter lassen sie sich vom Kern losreißen. Die elektrische Anziehungskraft nimmt nämlich mit dem Quadrat der Entfernung ab. Elektronenschale K L M N O P Q n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7 Maximale Elektronenzahl pro Schale . 2 n2 Die K- und die L- Schale müssen jeweils voll besetzt sein, bevor ein Elektron auf die nächsthöhere Schale gelangt. Die Schalen M bis Q werden nach anderen Regeln besetzt, die wir später kennenlernen. Die Elektronen der letzten, äußeren Schale werden als Außenelektronen bezeichnet. Sie bestimmen im wesentlichen das chemische Verhalten der Atome. 68 Atombau 5b Addendum Aufgaben: 1. Zeichne das Atommodell (Kernladung und die Elektronenstruktur) von 11Na 2. Zeichne das Atommodell (Kernladung und die Elektronenstruktur) von 17CI 3. Zeichne das Atommodell (Kernladung und die Elektronenstruktur) von 20Ca (die M-Schale ist nur mit 8 Elektronen besetzt). Welche Elektronen kann man diesem Atom am leichtesten entreißen? Wie nennt man solche Elektronen? 69
