Chemieepoche Klasse 11

Chemieepoche Klasse 11
Aufbau der Stoffe und die Grundgesetze
chemischer Reaktionen
Die wichtigsten anorganischen Säuren
Schwefelsäure
Salpetersäure
Kohlensäure
Phosphorsäure
Kieselsäure
Salzsäure
H2SO4
HNO3
H2CO3
H3PO4
H2SiO3
HCl
ihre Salze heißen
ihre Salze heißen
ihre Salze heißen
ihre Salze heißen
ihre Salze heißen
ihre Salze heißen
Sulfate
Nitrate
Karbonate
Phosphate
Silicate
Chloride
Die wichtigsten anorganischen Laugen
Natronlauge
Kalilauge
Calziumhydroxid
Ammoniumhydroxid
NaOH
KOH
Ca(OH)2 (Löschkalk)
NH4OH (Salmiakgeist)
Wertigkeit von Atomgruppen
Neben den Elementen gibt es aber auch charakteristische Atomgruppen, die immer zusammen
bleiben und deshalb auch eine eigene Wertigkeit besitzen:
Name
Symbol
Wertigkeit
Silicat
SiO3
-2
Phosphat
PO4
-3
Sulfat
SO4
-2
Carbonat
CO3
-2
Nitrat
NO3
-1
Hydroxid
OH
-1
Ammonium
NH4
+1
Neutralisationsreaktion
Säure + Lauge Salz + Wasser
Beispiele:
H2SO4 + Ca(OH)2 CaSO4 + 2H2O
1 Mol Schwefelsäure + 2 Mol Calciumhydroxid 1 Mol Calciumsulfat (Gips)+ 2 Mol Wasser
HNO3 + KOH KNO3 + H2O
1 Mol Salpetersäure + 1 Mol Kaliumhydroxid 1 Mol Kaliumnitrat (Salpeter) + 1 Mol Wasser
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Reaktionsgeschwindigkeit
Chemische Reaktionen verlaufen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Bildung von Wein
aus Traubensaft, das Rösten von Eisen aus Eisenerz z.B. sind langsame Prozesse. Dagegen
können Sprengstoffe in sehr kurzer Zeit zur Reaktion kommen, genau wie das Ausfällen von
Silberchlorid aus einer Kochsalzlösung mit Hilfe von Silbernitrat.
Wovon hängt die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ab und wie kann man sie
beeinflussen? Diese Fragen wollen wir in diesem Kapitel untersuchen.
Versuch: Schnelle Reaktion
Wir geben zu einer Lösung von Natriumcarbonat einige Tropfen Calciumchloridlösung
Versuch: langsame Reaktion
Wir entzünden ein Gemisch aus Eisenspänen und Schwefel
Die Reaktion von Carbonat- mit Calciumionen verläuft so schnell, dass man die Zeit mit einfachen
Mitteln nicht messen kann.
Die Reaktion von Eisen mit Schwefel verläuft dagegen langsamer.
Die Reaktionsgeschwindigkeit von chemischen Reaktionen ist sehr unterschiedlich.
Zerteilungsgrad und Reaktionsgeschwindigkeit
Versuch:
Wir bringen jeweils 1g Magnesiumpulver und Magnesiumband mit verdünnter Salzsäure (c=0,5mol/l)
zur Reaktion und bestimmen das Volumen des entstehenden Wasserstoffes
in Abhängigkeit von der Zeit.
Durch Vergrößerung der Oberfläche der Reaktionspartner erhöht sich die
Reaktionsgeschwindigkeit.
Diese Tatsache wird in vielen großtechnischen Prozessen und in Lebensprozessen ausgenutzt
Kohlever
brennung
Lungen
bläschen
Ausgangskonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit
Versuch:
Wir geben in zwei Reagenzgläser jeweils 10ml Salzsäure der Konzentration , 0,05mol/l und 0,1mol/l.
Zu jeder Säureportion geben wir eine gleiche Menge Magnesium (0,5g) und wir messen die Zeiten bis
zur vollständigen Umsetzung des Magnesiums. Die Reagenzgläser müssen während des Versuches
bewegt werden.
Achtung!
1mol HCl 36g
1,0mol/l 36g/l
0,05mol/l 1,8g/l
0,1mol/l 3,6g/l
Wir erkennen ein Zusammenhang
zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit
und der Konzentration der
Ausgangsstoffe.
Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur
Versuch:
Wir temperieren im Wasserbad zwei
Reagenzgläser mit verdünnter Salzsäure
(c=0,1mol/l) auf 20°C und 60°C und
bringen 1g Magnesium mit der Säure zur
Reaktion. Wir beobachten die Reaktion in
beiden Reagenzgläsern und stoppen die
Zeit bis zur vollständigen Auflösung des
Metalls.
Bei Temperaturerhöhung erhöht sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit.
Faustregel: Eine Temperaturerhöhung um 10°C bewirkt etwa eine Verdoppelung der
Reaktionsgeschwindigkeit.
Reaktionsgeschwindigkeit und Druck
Versuch:
Öffnen einer Sprudelflasche
Bei geringerem Druck reagiert weniger Kohlendioxid im Wasser zu Kohlensäure. Eine
Druckverminderung führt also zum Entweichen von Kohlendioxid aus dem Wasser.
Chemische Reaktionen unter Anwesenheit von Katalysatoren
Versuch:
Wir geben zu einer Mischung von Iod und Magnesiumpulver einen Tropfen Wasser und beobachten
die Reaktion
Magnesium reagiert mit Iod zu Magnesiumiodid
Mg + 2I MgI2
Katalysatoren sind Substanzen, die
die Geschwindigkeit einer
chemischen Reaktion beeinflussen,
ohne dabei selbst verbraucht zu
werden oder sich zu verändern.
Die Katalysatoren spielen in Natur
und Technik eine überaus große
Rolle.
Chemisches Gleichgewicht
Chemische Reaktionen sind sehr oft umkehrbar. Das bedeutet, das die Endprodukte einer Reaktion
auch wieder in ihre Ausgangsprodukte zerfallen können. Diese Hin- und Rückreaktion befindet sich
nach einer bestimmten Zeit im Gleichgewicht. Hat sich das Gleichgewicht einer chemischen Reaktion
eingestellt, dann bilden sich in einer Zeiteinheit genau so viele Endprodukte wie Endprodukte in die
Ausgangsstoffe zerfallen.
Wie sich das chemische Gleichgewicht einstellt hängt von der Temperatur, vom Druck und von der
Konzentration der Ausgangs- und Endstoffe ab.
H2
+ J2
2HJ
Für jedes chemische Gleichgewicht ist das Produkt
Der Konzentration der rechts in der Reaktionsgleichung
Stehenden Stoffe dividiert durch das Produkt aus den
Konzentrationen der links stehenden Teilchen bei einer
Temperatur konstant.
aA + bB ↔ cC + dD
c c (C ) ⋅ c d ( D)
= Kc
a
b
c ( A) ⋅ c ( B)
Die Änderung chemischer Gleichgewichte
Prinzip von Le Chatelier und Braun
Übt man auf ein im Gleichgewicht befindliches chemisches System Zwang aus durch
Zufuhr bzw. Entzug von Wärme, durch Änderung des Volumens oder der Stoffmengen,
so verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung, in der die Folgen des Zwanges
verringert werden.
Versuch:
Öffnen einer Sprudelflasche. Einstellen eines neuen Kohlensäuregleichgewichts unter neuen
Druckverhältnissen
Beispiel aus der Natur
Entstehung von Stalagmiten und Stalaktiten in Tropfsteinhöhlen.
Schwer lösliches Calciumcarbonat wird durch saures Grundwasser (Kohlensäure, Huminsäuren) in
das lösliche Calciumhydrogencarbonat überführt. Erreicht ein Tropfen Sickerwasser, welches gelöstes
Calziumhydrogenkarbonat im Gleichgewicht mit Kohlenstoffdioxid enthält, die Decke der Höhle, so
entweicht Kohlenstoffdioxid in die Höhlenatmosphäre. Das Gleichgewicht im Sickerwasser verschiebt
sich und erst durch Abgabe (Ablagerung) von Calciumcarbonat stellt es sich wieder ein. Es entsteht ein
Stalaktit. Fällt der Tropfen auf den Höhlenboden läuft dieser Vorgang dort ab und es entsteht ein
Stalagmit. Stalaktiten und Stalagmiten wachsen ca. 0,2mm pro Jahr. Die Farbigkeit dieser Gebilde wird
Durch Metallionen (häuptsächlich Eisen(III)-Ionen) hervorgerufen.
CaCO3 + H2O + CO2
Ca(HCO3)2
Carlsbad Cavernes (New Mexico)
Schlusswort
Wir sind ausgegangen von der Stoffesvorstellung des antiken Griechenlandes in der neben der
Beschreibung der Stoffe durch die vier Qualitäten Feuer Luft Wasser und Erde das erste mal die
Idee des Atomismus auftauchte. Viele Jahrhunderte war die Beschäftigung mit dem Stoff ein
Suchen nach ihm innewohnenden krankmachenden und heilenden Kräften.
Im ausgehenden Mittelalter verlor diese Idee ihre Kraft und die moderne Chemie auf der Grundlage
des Atomismus begann ihren Siegeszug.
Wir lernten die Vorstellungen vom atomaren Aufbau der Elemente und deren Verbindungen kennen.
Wir studierten atomare Gesetzmäßigkeiten auf deren Basis sich die Atome zu neuen Stoffen verbinden.
Dabei drohten uns oftmals die Qualitäten und Erscheinungsformen der Substanzen und deren Rolle
im Weltganzen aus dem Blick zu geraten.
Es drängt sich die Frage auf, ob bei der Betrachtung der Materie durch die Brille der Atomtheorie nicht
etwas Wichtiges verloren geht. Sollten am Ende beide, Platon und Demokrit, recht haben?