Chemieepoche Klasse 11
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Chemieepoche Klasse 11 Aufbau der Stoffe und die Grundgesetze chemischer Reaktionen Welche Themen wir behandeln werden: - Atommodelle Das Periodensystem der Elemente Betrachtung ausgewählter Elemente Aufstellen von Reaktionsgleichungen Stöchiometrisches Rechnen Gesetzmäßigkeiten bei chemischen Reaktionen Chemische Bindungen Untersuchungsmethoden der Chemie Einleitung Die Frage, woraus unsere stoffliche Welt besteht, ist so alt wie die Menschheit selbst. Erste überlieferte Überlegungen stammen aus dem antiken Griechenland. Platon und Aristoteles (5Jhd.-4Jhd. v. Chr. ) stellten sich die stoffliche Welt aus den vier Elementen Feuer, Wasser, Luft, Erde aufgebaut vor. Der Raum war kontinuierlich Ausgefüllt mit diesen vier Elementen. Ein leerer Raum war nicht vorstellbar. Leukipp und Demokrit (5Jh. vor Chr.) äußerten die Vorstellung, das die Stoffe aus unteilbaren Atomen aufgebaut sind und schon Eigenschaften der Stoffe besitzen. Die Platonsche Idee siegte im christlichen Raum. Bis zum Ende des Mittelalters beschäftigten sich vor allem Mönche in den Klöstern mit den irdischen Stoffen. Das Anliegen dieser Alchimisten war es, das irdisch stoffliche durch chemische Reaktionen in das Lichte-Geistige zu erhöhen. Den Stoff veredeln zu läutern und mit diesen gewonnenen Substanzen die Heilung des Menschen zu bewirken, das war das Anliegen. Diese Idee verlor ihre Kraft und verkam in der Beschäftigung des „Goldmachenwollens“. Wir wollen diese große Idee, die uns unter anderem die Heilmittel gebracht hat, nicht aus den Augen verlieren, wenn wir uns in dieser Epoche den Erkenntnissen der modernen Chemie zuwenden. Der griechische Atomismus Leukipp und Demokrit 5. Jahrhundert vor Christus: Die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit stellten als erste die Theorie auf, dass die Materie aus unteilbaren Grundbausteinen aufgebaut sein könnte. Nach ihrer Theorie sind die Atome unteilbar und weisen bereits Eigenschaften der Materie auf, die aus ihnen aufgebaut ist. Glatte Gegenstände sollten also aus runden Atomen, raue eher aus eckigen Atomen aufgebaut sein. Demokrit stützte seine Theorien noch nicht auf Experimente, sondern auf Nachdenken. Demokrit prägte den Namen atomos, was heißt: „das Unteilbare“ Platon und Aristoteles lehnten den Atomismus ab. Der Hauptgrund für diese Ablehnung war, dass sie die Existenz des "nicht Seienden", also des leeren Raumes, für unvorstellbar hielten. Laut Aristoteles waren Feuer, Luft, Wasser und Erde die 4 Elemente, aus denen die irdische Welt aufgebaut ist. Verschiedene Mischungen dieser Elemente sollten die Fülle der Stoffe und den Reichtum der Chemikalien ergeben, die in unserer Welt existieren. Das moderne Atommodell – wichtige Meilensteine (1) Erste experimentelle Hinweise, dass es Atome geben müsse, kamen von den Chemikern des 18. Jahrhunderts. Dalton (1760 – 1844) stellte fest, dass sich chemische Verbindungen immer in bestimmten Proportionen (Gewichtsverhältnissen) bilden. Avogadro (1776-1856) konnte zeigen, dass bei Gasen die Reaktionspartner stets in besonders einfachen Volumenverhältnissen miteinander reagieren. Damit war die Idee geboren, chemische Verbindungen könnten durch das Aneinanderhaften einzelner Atome zustande kommen Als Joseph J. Thomson 1897 entdeckte, dass die so genannte Kathodenstrahlung aus geladenen Teilchen besteht, die aus den Atomen kommen, musste die Idee vom unteilbaren Atom aufgegeben werden. Diese Teilchen heißen Elektronen und sind wesentlich kleiner als die Atome (1/2000 der Masse eines Wasserstoffatoms). Im Thomsonschen Atommodell ist die Masse des Atoms gleichmäßig auf das kugelförmige Atom verteilt. Das Atom hat eine positive Ladung, die von den sehr kleinen Elektronen ausgeglichen wird, die sich im Inneren der Atome aufhalten. Lord Rutherford of Nelson (1871-1937) versuchte im Jahr 1911 in seinem berühmten Streuexperiment das Thomsonsche Atommodell zu überprüfen. Aus diesem Experiment schloss Rutherford, dass die Atome hohl sein müssen. Das Atom besteht also aus einem sehr kleinen Kern, der aber fast die ganze Masse trägt und aus kleinen Elektronen, die ihn irgendwie umgeben. Die Elektronen sind so leicht und so dünn verteilt, dass sie für Teilchenstrahlung kein Hindernis darstellen. Das moderne Atommodell – wichtige Meilensteine (2) Niels Bohr (1885 -1962) versuchte aus den verschiedenen experimentellen Beobachtungen seiner Zeit ein verbessertes Atommodell abzuleiten. Im Bohrschen Atommodel bewegen sich die negativ geladenen Elektronen auf bestimmten erlaubten Kreisbahnen um den positiv geladenen Atomkern. Im Schalenmodell wird der genaue Aufenthaltsort des Elektrons ignoriert. Bekannt ist nur der ungefähre Abstand des Elektrons vom Kern (Schale). Es gibt mehrere Schalen um einen Kern und auf jeder Schale findet eine bestimmte Anzahl von Elektronen Platz. Jede Schale kann maximale eine Anzahl von 2n² (n = Nr. der Schale) Elektronen aufnehmen. Die Entdeckung des Neutrons durch (Chadwick 1932) führte zu einer neuen Vorstellung vom Aufbau der Atomkerne. Werner Heisenberg hat 1932 kurz nach dieser Entdeckung eine neue Theorie über den Aufbau der Atomkerne aufgestellt. Der Atomkern besteht aus Positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen. Die Kernladungszahl Z eines Atoms ist gleich der Zahl der in dem Atomkern befindlichen Protonen und die Massenzahl A eines Atoms ist gleich der Summe aus Protonenzahl Z und Neutronenzahl N. Daltons Entdeckung J. Dalton stellte fest, dass es Verbindungen gibt, bei denen immer die vielfachen Verhältnisse auftreten: 14 g Stickstoff gibt mit 32 g Sauerstoff 46 g Stickstoffdioxid. Hier verbindet sich offenbar die doppelte Menge Sauerstoff mit der gleichen Stickstoffmenge. Eine Verbindung mit der doppelten Menge Stickstoff existiert ebenfalls und ist als Lachgas bekannt. Dalton folgerte daraus, dass Stickstoff und Sauerstoff aus Atomen bestehen. Durch Vergleiche mit Wasserstoffverbindungen fand er heraus, dass Stickstoffatome 14 mal so schwer wie Wasserstoffatome sind, während ein Sauerstoffatom die 16-fache Masse eines Wasserstoffatoms hat. Dieser Befund ist bekannt als das Dalton'sche Gesetz der multiplen Proportionen. Damit war die Idee geboren, chemische Verbindungen könnten durch das Aneinanderhaften einzelner Atome zustande kommen. Dalton hat noch keine Angaben über die Form der Atome gemacht. Es gelang Amadeo Avogadro (1776-1856) zu zeigen, dass bei Gasen die Reaktionspartner stets in besonders einfachen Volumenverhältnissen stehen. Bei der Bildung von Wasser reagiert beispielsweise stets ein Volumen Sauerstoff mit dem doppelten Volumen Wasserstoff. Er vermutete, dass ein gegebenes Volumen eines Gases (bei konstanter Temperatur und konstantem Druck) stets die gleiche Anzahl von Atomen aufweist. Experiment zur Atomtheorie Laut Platon und Aristoteles gibt es keinen leeren Raum. Der Raum ist also kontinuierlich mit Stoff ausgefüllt. Es gibt also auch keine irgendwie geformten kleinsten Teile des Stoffes. Dies ist das Hauptargument gegen die Atomtheorie. Wir versuchen im folgenden Experiment diese Behauptung zu erschüttern. V1 Wir mischen 200cm³ des Stoffes Wasser mit 200cm³ des Stoffes Alkohol (100%). Nach Platon müsste ein Stoffgemisch von 400cm³ entstehen, da die beiden Stoffe ja keinerlei leeren Raum einschließen. Als Ergebnis erhalten wir aber ca. 350cm³ Stoffgemisch. Wasser Alkohol 100% Mischung Senfkörner Erbsen Mischung Mögliche Erklärung: Die Stoffe Wasser und/oder Spiritus schließen leeren Raum in sich ein, der beim Mischen beider Stoffe von dem einen oder dem anderen ausgefüllt wird. Die Entdeckung des Elektrons Als Joseph J. Thomson 1897 entdeckte, dass die so genannte Kathodenstrahlung aus geladenen Teilchen besteht, die aus den Atomen kommen, musste die Idee vom unteilbaren Atom aufgegeben werden. Man kann offenbar Teilchen aus dem Atom herauslösen. Diese Teilchen heißen Elektronen und sind wesentlich kleiner als die Atome. Durch Vermessung des Einflusses von elektrischen und magnetischen Feldern auf die Kathodenstrahlen konnte Thomson die Masse des Elektrons zu 1/2000 der Masse eines Wasserstoffatoms bestimmen. Für die Entdeckung des Elektrons erhielt er 1906 den Nobelpreis für Physik. Thomson erklärte erstmals den elektrischen Strom als Strom geladener Elektronen. Im Thomsonschen Atommodell ist die Masse des Atoms gleichmäßig auf das kugelförmige Atom verteilt. Das Atom hat eine positive Ladung, die von den sehr kleinen Elektronen ausgeglichen wird, die sich im Inneren der Atome aufhalten. Das Rutherfordsche Streuexperiment Lord Rutherford of Nelson (1871-1937) versuchte im Jahr 1911 in seinem berühmten Streuexperiment das Thomsonsche Atommodell zu überprüfen. Er beschoss Goldfolie mit radioaktive Teilchenstrahlung und entdeckte, dass die Masse in den Atomen nicht so gleichmäßig verteilt ist, wie Thomson annahm. Die meisten Teilchen der radioaktiven Strahlung gingen ungehindert durch die Goldfolie durch, nur wenige wurden (zum Teil sehr stark) abgelenkt. Die Teilchenstrahlung musste sich also nicht einen Weg durch harte Atomkugeln bahnen, sondern hat zum größten Teil keinen Widerstand erfahren. Daraus schloss Rutherford, dass die Atome hohl sein müssen. Die große Masse des Atoms muss sich auf einen kleinen Bereich konzentrieren. Auf diesen Bereich ist auch die positive Ladung konzentriert, die das Atom hat, wenn es seine Elektronen verliert. Das Atom besteht also aus einem sehr kleinen Kern, der aber fast die ganze Masse trägt und aus kleinen Elektronen, die ihn irgendwie umgeben. Die Elektronen sind so leicht und so dünn verteilt, dass sie für Teilchenstrahlung kein Hindernis darstellen. Mit Hilfe dieses Versuches, entdeckte Rutherford 1911 den positiv geladenen Atomkern bestehend aus Protonen Das Rutherfordsche Atommodell Aus dem Rutherfordschen Streuversuch leitet sich das Rutherfordsche Atommodell ab: 1. Atome haben einen Durchmesser von ca 10-8m 2. Nahezu 99,9% der gesamten Masse ist jedoch im Atomkern mit einem Durchmesser von 10-12m konzentriert 3. Die gesamte positive Ladung befindet sich in Form von Protonen im Kern. 4. Die negativen Ladungen befinden sich in Form von Elektronen im Raum um den Atomkern. 5. Dieser Raum wird als Atomhülle bezeichnet. 6. Die Elektronen umkreisen den Kern auf beliebigen Bahnen. 7. Diese Bahnen bestimmen die Größe des Atoms. 8. Zwischen den Elektronen ist leerer Raum. 9. Die Kraft zwischen den Elektronen und dem Kern ist die elektrostatische Anziehungskraft. Rutherford folgerte in seinem Atommodell, dass der Atomkern kein massives Gebilde ist, sondern aus Teilchen zusammengesetzt ist. Da der Kern stets positiv geladen ist, nahm er an, dass sich jeder Kern aus Protonen aufbaut. Weil aber bei allen Atomen (außer beim Wasserstoffatom) die Atommasse stets größer als die Kernladungszahl ist, nahm Rutherford an, dass ein Teil der Kernprotonen durch Elektronen im Atomkern neutralisiert wird. Der Heliumkern, dessen Atommasse rund 4 beträgt, sollte demnach aus 4 Protonen und zwei Elektronen bestehen. Damit ergibt sich die Kernladungszahl des Heliums von +2. Das Bohrsche Atommodell Niels Bohr versuchte aus den verschiedenen experimentellen Beobachtungen seiner Zeit ein Atommodell abzuleiten, dass auch das Vorhandensein von einzelnen Linien in den optischen Spektren von Atomen erklären konnte. Schon 1885 hatte Johann Jakob Balmer (1825-1898) gezeigt, dass die Linien der optischen Wasserstoffspektren einer einfachen Formel folgen. Diese Formel konnte das Bohrsche Modell reproduzieren. Im Bohrschen Atommodel bewegen sich die negativ geladenen Elektronen auf bestimmten erlaubten Kreisbahnen um den positiv geladenen Atomkern. Um die erlaubten Bahnen zu bestimmten, quantisierte Bohr zum ersten Mal den Drehimpuls der Elektronen um den Kern. Für diese Quantisierung benutzte er dieselbe Konstante, mit der Max Planck zuvor die Wärmestrahlung erfolgreich erklärt hatte. Er ebnete damit den Weg für die moderne Quantenmechanik. Niels Bohr wurde am 7. Oktober 1885 in Kopenhagen, Dänemark geboren. Bohr leistete viele Beiträge zu unserem heutigen Verständnis des Atomaufbaus und der Quantenmechanik. 1922 wurde ihm der Nobelpreis für Physik verliehen, hauptsächlich für seine Arbeit auf dem Gebiet des Atomaufbaus. Er starb 1962. Das Schalenmodell Im Unterschied zum Bohrschen Atommodell bewegen sich die Elektronen im Schalenmodell nicht auf konkreten Bahnen, sondern der genaue Aufenthaltsort des Elektrons wird ignoriert. Bekannt ist nur der ungefähre Abstand des Elektrons vom Kern. Anwendung findet das Schalenmodell in der Chemie. An chemischen Bindungen können nämlich nur die äußeren Schalen beteiligt sein. Diese nennt man Valenzschalen. Die Valenzschale ist in der Chemie von herausragender Bedeutung, da die Zahl der Valenzelektronen über die Bindungsmöglichkeiten entscheidet. Jede Schale kann maximale eine Anzahl von 2n² (n = Nr. der Schale) Elektronen aufnehmen. Damit sind folgende maximale Elektronenbelegungen definiert: Nummer der Schale Elektronenanzahl n = 1, K-Schale 2 Elektronen n = 2, L-Schale 8 Elektronen n = 3, M-Schale 18 Elektronen n = 4, N-Schale 32 Elektronen n = 5, O-Schale 50 Elektronen n = 6, P-Schale 72 Elektronen n = 7, Q-Schale 98 Elektronen Die Entdeckung des Neutrons 1932 entdeckte Chadwick das Neutron. Die Entdeckung des Neutrons führte sehr bald zu einer neuen Vorstellung vom Aufbau der Atomkerne. Werner Heisenberg hat 1932 kurz nach dieser Entdeckung eine neue Theorie über den Aufbau der Atomkerne aufgestellt: Unter Nukleonen versteht man die Bausteine der Atomkerne, das heißt Protonen und Neutronen. Die Grundgedanken der Heisenberg-Theorie über den Bau der Atomkerne lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: 1. Die Kernladungszahl Z eines Atoms ist gleich der Zahl der in dem Atomkern befindlichen Protonen. 2. Die Massenzahl A eines Atoms ist gleich der Summe aus Protonenzahl Z und Neutronenzahl N. A=Z+N Der stoffliche Aufbau unserer Welt Die Stoffe unserer Welt sind aus Atomen aufgebaut, die aus verschiedener Anzahl von Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen. Jede Atomsorte repräsentiert ein chemisches Element. Zur Zeit sind 118 chemische Elemente oder Atome entdeckt. Nur ein Teil davon kommt natürlich vor. Die beiden einfachsten Elemente der Wasserstoff und das Helium bilden 99,95% der Materie des uns bekannten Universums. Alle schwereren Elemente entstehen oder entstanden bei SupernovaExplosionen. Die Atome der Elemente können sich nach bestimmten chemischen Gesetzmäßigkeiten verbinden. Dabei entstehen neue Moleküle. Diese Moleküle repräsentieren Stoffe mit neuen Eigenschaften. Wasserstoff Helium Kohlenstoff Natrium Eisen Blei Isotope Durch Untersuchungen an Atomen der gleichen Sorte (also eines bestimmten Elements) hat man festgestellt, dass es Atome dieses Elementes mit unterschiedlicher Atommasse gibt. Diesen experimentellen Befund konnte man erst durch die Entdeckung des Neutrons richtig verstehen. Es gibt also Atome eines Elementes mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen im Kern. Solche Atome nennt man Isotope des Elements Wasserstoff Wasserstoffisotop Deuterium Elektron Proton Neutron Supernova Explosion Bei diesen kosmischen Vorgängen entstehen aus dem Wasserstoff und dem Helium der explodierenden Sterne die schwereren Elemente, aus denen zum Beispiel unsere Erde besteht. We are very literally made of the ashes of a star Stoffliche Zusammensetzung der Erde Angaben in Gewichts-% Die ersten 36 Elemente Die Atommasse Wir haben zu unterscheiden zwischen der absoluten Atomasse und der relativen Atommasse eines Atoms Wirkliche Masse des Atoms eines Elementes. Diese Masse wird mit Massenspektrometern bestimmt. Als Gewichtseinheit für die absolute Masse wurde ein u (=unit) vereinbart. Ein „u“ ist gleich 1,661* 10-27 kg (1/12 der Masse eines Kohlenstoff-Atoms mit 6 Protonen und 6 Neutronen) Die relative Masse eines Atoms erhält man durch Vergleich der Masse des Atoms mit einer Bezugsmasse. Als Bezugsmasse dient 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-Atoms mit 6 Protonen und 6 Neutronen. Die relative Atommasse ist eine dimensionslose Verhältniszahl. Alle Protonen und Neutronen haben die Massenzahl „1“(Genauer Wert: Proton 1,00728 / Neutron 1,00867). Die Massenzahl der Elektronen ist vernachlässigbar klein. Das Periodensystem der Elemente von Mendelejew Mendelejev, Dmitri 1834-1907 Als erster ordnete der russische Chemiker Mendelejev 1869 die damals bekannten Elemente nach chemischer Ähnlichkeit und nach der Massenzahl. Die Lücken deutete er als noch nicht gefundene Elemente, deren Eigenschaften er voraussagte und die dann auch tatsächlich bald entdeckt wurden. 50 Jahre später konnte man mit Hilfe des neu entdeckten Atommodels die Hintergründe des Systems der Elemente erklären. Ordnet man die Elemente nach dem Auffüllungsgrad der einzelnen Elektronenschalen an, so entsteht ein System, aus dem man auch die chemischen Eigenschaften ableiten kann. Dieses System ist das Periodensystem der Elemente (PSE). Das Periodensystem der Elemente setzt sich aus 8 Hauptgruppen, 10 Nebengruppen und der Reihe der Lanthanoiden und Actinoiden zusammen. Innerhalb dieser Gruppen zeigen die Elemente eine mehr oder weniger starke Ähnlichkeit der Eigenschaften. Bei den ersten beiden Hauptgruppen handelt es sich um die Alkali- bzw. Erdalkalimetalle. In der 7. Hauptgruppe sind Halogene und in der 8.Hauptgruppe die Edelgase. Gekürztes Periodensystem der Elemente Das moderne Periodensystem der Elemente Haupt und Nebengruppen Die Entdeckung der Elemente Am Ende des 17. Jahrhunderts waren nur 14 Elemente bekannt und beschrieben. Die meisten Elemente wurden dann im 19. Jahrhundert entdeckt und die letzten 10 natürlichen Elemente am Anfang des 20. Jahrhunderts. Säure/Base- Bildner Arbeiten mit dem PSE Relative Atommasse Ordnungszahl Relative Atommasse Ordnungszahl Ordnungszahl = Anzahl der Protonen im Kern = Anzahl der Elektronen Nummer der Hauptgruppe = Zahl der Elektronen in der äußeren Schale Das Periodensystem der Elemente ist ein unentbehrliches Hilfsmittel für den Chemiker. Aus der Stellung des Elements im PSE kann man erste Rückschlüsse auf das chemische Verhalten eines Elementes ableiten. Die Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen und Elektronen im Atom an. Die relative Atommasse benötigt man, um die Mengenverhältnisse bei chemischen Reaktionen zu berechnen. Die Hauptgruppe in der das Element sich befindet sagt etwas darüber aus, ob das Element eher Basen bildet oder Säuren und wie viel Elektronen sich auf der äußeren Schale befinden (Wertigkeit). Betrachtung ausgewählter Elemente Kalium Alkalimetall Magnesium – Erdalkalimetall Brom – Halogen Edle Metalle - Zinn Edle Metalle - Kupfer -1 Edle Metalle - Kupfer -2 Edle Metalle - Kupfer -3 Magnesium – Schülerarbeit Schwefel – Schülerarbeit Aluminium 1 – Schülerarbeit Aluminium 2 – Schülerarbeit Edelgase - Helium Aufstellen von Reaktionsgleichungen Wir haben gelernt, dass die Stoffe unserer Welt aus chemischen Elementen aufgebaut sind. Die Atome der Elemente können sich nach bestimmten chemischen Gesetzmäßigkeiten verbinden. Dabei entstehen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften. Um die Elemente zu kennzeichnen verwenden wir die Abkürzungen aus dem PSE. Durch Kombination dieser Zeichen entstehen so genannte chemische Reaktionsgleichungen. Zuerst verwendete Dalton um 1800 diese Methode um die Zusammensetzung von Verbindungen anzugeben. 2Cu + S Cu2S Zwei Atome Kupfer verbindet sich mit einem Atom Schwefel zu einem Molekül Kupfersulfid Oxidation Verbindet sich ein Metall oder Nichtmetall mit Sauerstoff, so nennt man diese chemische Reaktion eine Oxidation. Ein Atom Kohlenstoff verbindet sich mit einem Molekül Sauerstoff zu einem Molekül Kohlendioxid C + O2 CO2 Sulfide Viele Metalle gehen mit dem Schwefel Verbindungen ein, die wir Sulfide nennen. Formel Cu2S FeS2 ZnS Ag2S HgS Name Kupfersulfid Eisensulfid Zinksulfid Silbersulfid Quecksilbersulfid Trivialname (Kupferglanz) (Pyrit) (Zinkblende) (Silberglanz) (Zinnober) Der Mensch hat schon im Altertum erkannt, dass man diese Metalle aus den Sulfiden zurück gewinnen kann. Den Vorgang nennt man in der Fachsprache „Rösten“. Das als Erz gewonnene Kupfersulfid zum Beispiel wird zerkleinert und unter Luftzufuhr stark erhitzt. Dabei entsteht in zwei Schritten metallisches Kupfer und Schwefeldioxid. 1. 2. Schritt: 2Cu2S + 3O2 2Cu2O + 2SO2 Schritt: Cu2S + 2Cu2O 6Cu + SO2 3Cu2S + 3O2 6Cu + 3SO2 Gesetz von der Erhaltung der Masse Führt man eine chemische Reaktion in einer geschlossenen Apparatur durch und vergleicht man die Masse der reagierenden Stoffe mit der Masse der Reaktionsprodukte so stellt man auch mit sehr empfindlichen Waagen keine Massenänderung fest. Dieses Gesetz wurde von dem Französischen Chemiker Lavoisier (1743-1794) entdeckt. Bei jeder chemischen Reaktion bleibt die Gesamtmasse der Stoffe erhalten. Da die Masse der Stoffe durch die Masse der Atome der Elemente gebildet wird, aus denen die Stoffe bestehen, muss bei einer chemischen Reaktion die Anzahl der Atome vor der Reaktion gleich der Anzahl der Atome nach der Reaktion sein. Die Atome werden sozusagen nur neu geordnet. 2H2 + O2 2 x 2 H-Atome 2 O-Atome 2H2O 2 x 2 H-Atome und 2O-Atome Experiment zur Massenerhaltung Auf beiden Seiten der Wage hängt die gleiche Masse Eisenwolle. Die Wolle wird entzündet. Der Sauerstoff der Luft verbindet sich mit dem Eisen und es bildet sich Eisen(III)oxid. Diese neue Substanz ist schwerer als das reine Eisen, da ja auch Sauerstoff Atome im Molekül gebunden sind Fe + O2 Fe2O3 4 Fe + 3 O2 2 Fe2O3 Massenverhältnis der Ausgangsstoffe und der Reaktionsprodukte Kennen wir die Zusammensetzung der Moleküle der Ausgangsstoffe und der Reaktionsprodukte einer chemischen Reaktion, so können wir aus dem Gesetz von der Erhaltung der Massen die Reaktionsgleichung durch mathematische Überlegungen aufstellen. Beispiel Cu + S Cu2S 2 Cu + S Cu2S Im Kupfersulfidmolekül haben sich zwei Kupferatome mit einem Schwefelatom verbunden. In den Ausgangsstoffen müssen also doppelt soviel Kupferatome wie Schwefelatome vorhanden sein. Beispiele Fe + O2 Fe2O3 + Al P + O2 Fe2O3 Al2O3 + Fe P2O5 4 Fe + 3 O2 Fe2O3 + 2 Al 4 P + 5 O2 2 Fe2O3 Al2O3 + 2 Fe 2 P2O5 Redoxreaktionen Eine chemische Reaktion, bei der Oxidation und Reduktion gleichzeitig Ablaufen nennt man Redoxreaktion Oxidation Cu2O + Zn 2Cu + ZnO Bei der Reaktion wird Kupferoxid reduziert und Zink oxidiert Reduktion Man nutzt diese Art der Reaktionen bei der Gewinnung von Eisen aus Eisenerz. Ein Gemisch aus Erz Und Koks wird im Hochofen Erhitzt. Dabei entsteht flüssiges Eisen und Kohlendioxid. Oxidation 2Fe2O3 + 3C 4Fe + 3CO2 Reduktion Stöchiometrisches Rechnen Das Ziel des stöchiometrischen Rechnens ist es, die bei einer chemischen Reaktion umgesetzten Massen oder Volumina (bei Gasen) zu bestimmen. Beispiel 2 Cu + S Cu2S Aus der Reaktionsgleichung erkennen wir, dass zwei Kupferatome mit einem Schwefelatom reagieren. Aus dem PSE können wir die relative Atommasse der beiden Reaktionspartner bestimmen: Cu 63,5 S 32,1 Diese beiden Zahlen sagen folgendes: In einer Massenportion von 63,5g Kupfer sind genau so viele Atome enthalten wie in einer Massenportion von 32,1g Schwefel. Lassen wir die doppelte Menge Kupfer (127g) mit 32,1g Schwefel reagieren so entstehen nach der vollständigen Umsetzung 159,1g Kupfersulfid. Wir können auch beliebige Teilportionen zur Reaktion bringen. Solange die Massenverhältnisse stimmen werden die Ausgangsstoffe vollständig umgesetzt. oder 2x63,5g Kupfer + 32,1g Schwefel ergibt 159,1g Kupfersulfid 63,5g Kupfer + 16,05g Schwefel ergibt 79,55g Kupfersulfid Die Stoffmenge und Ihre Einheit Als Stoffmenge bezeichnet man die Anzahl der Teilchen (Atome oder Moleküle) einer bestimmten Masseportion. Ein Mol eines Stoffes enthält ebenso viele Teilchen, wie Atome in 12g Kohlenstoff enthalten sind. In 12g Kohlenstoff sind 6,02*1023 Kohlenstoffatome enthalten (Loschmitsche Zahl) 1mol Anzahl der Teilchen in 12g Kohlenstoff (Loschmitsche Zahl) Molmasse Masse die ein Mol eines Stoffes besitzt [g/mol] Molvolumen Volumen welches ein Mol eines Gases einnimmt. Dieses Volumen beträgt für alle Gase unter Normalbedingung 22,4l/mol. Beispiel zum stöchiometrischen Rechnen Beispiel Fe2O3 + 2 Al 1 Mol 2 Mol Al2O3 + 2 Fe 1Mol 2 Mol Ein Mol Eisen(III)oxid reagiert mit zwei Mol Aluminium zu einem Mol Aluminium(III)oxid und zwei Mol Eisen. Diese Reaktion benutzt man beim Aluminiumthermischen Schweißen. Molmasse von Eisen(III)oxid: 2Atome Eisen (2 x 55,8g = 111,6g) und 3 Atome Sauerstoff (3 x 16g = 48g) ergeben (111,6g + 48g = 159,6g) 159,6g 27g Molmasse von Aluminium: Molmasse von Aluminium(III)oxid: 2Atome Aluminium (2 x 27g = 54g) und 3 Atome Sauerstoff (3 x 16g = 48g) ergeben (54g + 48g = 102g) 102g 55,8g Molmasse von Eisen: Fe2O3 + 2 Al 159,6g 54g Al2O3 + 2 Fe 102g 111,6g 1 x 159,6g Eisen(III)oxid und 2 x 27g Aluminium zur Reaktion gebracht, ergibt 1 x 102g Aluminiumoxid und 2 x 55,8g Eisen Versuch zum Aluminiumthermischen Schweißen Nach dem die Reaktion mit dem Zündpulver und dem Magnesium eingeleitet wurde, beginnt die eigentliche Redoxreaktion. Das Aluminium reagiert mit dem Sauerstoff des Eisenoxids zu Aluminiumoxid (Oxidation) und das Eisenoxid wird zu Eisen reduziert (Reduktion). Das flüssige Eisen fließt aus dem Tongefäß heraus und kann zum Verschweißen von Eisenteilen benutzt werden. Das Filterpapier hat nur die Funktion das Reaktionsgemisch im Aluminiumröhrchen zu halten. Die Erfindung des Schwarzpulvers Der Deutsche Mönch Georg Schwarz soll das nach ihm benannte Schwarzpulver im 14.Jhd erstmals in Europa hergestellt haben (1353). Es besteht aus Kalisalpeter der damals in Chile abgebaut wird. Der Salpeter ist aus dem Kot der Seeschwalben entstanden, die an den Küsten Chiles ihre Nistplätze haben. Der Salpeter liefert den Sauerstoff für die Verbrennug des Kohlenstoffs und des Schwefels. Beim Verbrennen des Schwarzpulvers wird also kein Luftsauerstoff benötigt. Es entstehen viele heiße Gase, wenn das Gemisch gezündet wird. Ist das Pulver fest eingeschlossen, so kommt es zu Explosion. gasförmige Stoffe feste Stoffe 4 KNO3 + S + 4C 2CO2 + SO2 + 2N2 + 2K2CO3 Molgewicht 4x(39g+14g+3x16g) 32g 4x12g 32g+2x16g 2x(12g+2x16g) 2x(2x14g) 2x(2x39g+12g+3x16g) 404g Kaliumnitrat, 32g Schwefel und 48g Kohlenstoff reagieren zu 276g Kaliumkarbonat, 88g Kohlendioxid, 64g Schwefeldioxid und 56g Stickstoff. %-Mischungsverhältniss: In 100% (484g) Ausgangsstoffe sind (404g/484g x100%) 83,5% Kaliumnitrat (32g/484g x100%) 6,6% Schwefel und (48g/484g x100%) 10% Kohlenstoff enthalten.
