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3 Chemische Reaktion und Verbrennung

Elemente Chemie Nordrhein–Westfalen 7–10 55

Stoffe und Teilchen in chemischen Reaktionen (S. 110 / 111)

A1 Für die Gasentwicklung einer Brausetablette sind das im Brausepulver enthaltene Natriumhydrogencarbonat (Natron) und die Säure verantwortlich. Wird das Brausepulver in Wasser gegeben, setzt die Reaktion der Säure mit dem Natriumhydrogencarbonat ein. Als ein Reaktionsprodukt wird gasförmiges Kohlenstoffdioxid gebildet.

A2 Bei der Änderung des Aggregatzustandes eines Stoffes nimmt in Abhängigkeit von der zugeführten thermischen Energie die Form des Stoffes ab. Wird dem Stoff wieder die thermische Energie entzogen (wird er abgekühlt), so liegt der Stoff wieder wie vor der Zufuhr der thermischen Energie vor. Es bleibt der gleiche Stoff.Bei der Bildung eines neuen Stoffes aus Ausgangsstoffen, hören die Ausgangsstoffe auf zu existieren. An ihre Stelle tritt der neue Stoff, der andere Eigenschaften als die Ausgangsstoffe aufweist.

A13 Grellweißes Licht einer Feuerwerksrakete entsteht beim Verbrennen von Magnesium. Verbindungen von Calcium, Strontium und Lithium leuchten in verschiedenen Rottönen. NatriumVerbindungen erzeugen ein gelbes, KaliumVerbindungen ein violettes und BariumVerbindungen ein grünes Licht.

A4 Beispiel für eine mögliche Lösung: Ein Brennstoff benötigt Sauerstoff, um zu verbrennen. Ohne Luft bzw. Sauerstoffzufuhr erstickt eine Flamme. Eine Pflanze nimmt Kohlenstoffdioxid und Wasser auf und bildet daraus unter dem Einfluss des Sonnenlichts Glucose und Sauerstoff. Sauerstoff ist ein Bestandteil der Luft. Ohne Sauerstoff in der Luft erstickt man. Sinkt der Sauerstoffanteil in der Luft, wird man ohnmächtig.

A5 Beispiel für eine mögliche Antwort: Luft besteht aus Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid.

A6 a) Leer bedeutet nur, dass im Glas kein Mineralwasser mehr ist. Wenn das Mineralwasser ausgetrun

ken ist, ist Luft im Glas. Die Luft hat also das Mineralwasser ersetzt. Manchmal sagen Biertrinker zu einem Gastwirt auch, nachdem sie das Bier ausgetrunken haben: „Lass mal die Luft aus dem Glas.“ Sie möchten dann, dass das Glas wieder mit Bier gefüllt wird.

b) Man kann einen leeren Ballon nehmen, diesen wiegen, den Ballon anschließend aufblasen und den aufgeblasenen Ballon wiegen. Die Masse des Ballons mit der Luft ist größer als die Masse des Ballons. Die höhere Masse ergibt sich aus der Masse der eingeblasenen Luftportion.

A7 a) Zum Durchtrennen einer Eisenplatte werden Ethin (Acetylen) oder Propan mit Sauerstoff einge

setzt.b) Die Verbrennung der Brennergase mit Sauerstoff ist eine chemische Reaktion. Diese chemische

Reaktion führt dazu, dass das Eisen so stark erwärmt wird, dass es im Sauerstoffstrom verbrennt und eine Spalte zurückbleibt. Das Verbrennen des Eisens im Sauerstoffstrom ist eine chemische Reaktion.

A8 Verbrennt die Stahlwolle (Eisenwolle), so reagiert sie mit dem Sauerstoff der Luft. Es bildet sich Eisenoxid, das als Feststoff vorliegt. Zu der Masse der Portion Stahlwolle (Eisenwolle) kommt also noch die Masse der Sauerstoffportion hinzu, deshalb ist die Masse des Reaktionsproduktes größer als die Masse des Ausgangsstoffs. Verbrennt man eine Kerze, so verbrennt das Wachs der Kerze zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Diese gehen als gasförmige Reaktionsprodukte in die um gebende Luft über. Die Masse der Reaktionsprodukte wird damit nicht erfasst. Die Kerze verliert einen Teil des Wachses und wird dadurch leichter.

A9 Einige Beispiele für Vorgänge des Alltags, die nur unter ständiger Zufuhr von Energie ablaufen:– Wasser zum Kochen bringen und am Kochen halten– ein Ei braten– einen Kuchen oder ein Brot backen– ein Smartphone aufladen– mit dem Fahrrad fahren– Joggen

56 Elemente Chemie Nordrhein–Westfalen 7–10

A10 Beispiele für Vorgänge, bei den durch chemische Reaktionen Energie abgegeben wird:– Beim Verbrennen von Holz, Erdgas, Kohle oder Heizöl wird Wärme abgegeben.– Beim Entladen eines Akkumulators wird elektrische Energie abgegeben.– Beim Verdauen der Nahrung wird Wärme abgegeben.– Beim Entkalken eines Wasserkochers erwärmt sich die Lösung.

A11 Steckbrief des Schwefels

Zustandsform fest

Farbe gelb

Kristallform rhombisch oder nadelförmig

Geruch geruchlos

Verformbarkeit spröde

elekt. Leitfähigkeit keine

Löslichkeit in Wasser nicht löslich

Schmelztemperatur 119 °C

Siedetemperatur 444 °C (Dampf rotbraun)

Dichte 2,07 g/cm3

Verhalten beim Erhitzen schmilzt, charakteristisch Veränderungen in der Schmelze

Brennbarkeit brennt mit blauer Flamme

A12 Schwefel schmilzt zunächst bei 119 °C zu einer honiggelben, leicht beweglichen Flüssigkeit, die bei weiterem Erhitzen rotbraun und zähflüssig wird. Schließlich nimmt die Beweglichkeit der Schmelze wieder zu, die Farbe wird noch dunkler. Bei einer Temperatur von 444 °C siedet die Schmelze, es entsteht rotbrauner Schwefeldampf. Im oberen Teil des Reagenzglases resublimiert Schwefel zu gelbem Schwefelpulver. Schwefel verbrennt mit blauer Flamme, dabei entsteht ein stechend riechendes, giftiges Gas, das Schwefeldioxid.Pyrit wurde und wird auch als Katzengold bezeichnet. Diese Bezeichnung leitet sich vom althoch-deutschen Kazzungold ab, das goldgelber Kirschharz bedeutet. Im englischen Sprachraum wird Pyrit auch als „fool’s gold“ genannt, also „Narrengold“. Vielleicht wurde der Begriff Narrengold aus dem Englischen übernommen. Der Begriff Narrengold weist darauf hin, dass der Pyrit dem (naiven) Betrachter Gold vorgaukelt.

A13 a) Mg: Magnesium Fe: Eisen (von lat. ferrum, Eisen) Cu: Kupfer (von lat. cuprum, Kupfer) C: Kohlenstoff (von lat. carbo, Holzkohle) O: Sauerstoff (von griech. oxys, scharf, spitz, sauer; auch latinisiert oxygenium) S: Schwefel (von lat. sulphur, in etwa langsam verbrennend)

b) Stickstoff-Atom: N (von lat. nitrogenium) Gold-Atom: Au (von lat. aurum)

3.1 Die Verbrennung – eine chemische Reaktion (S. 112 / 113)

A1 Die Aufschrift bedeutet: Dienend verzehre ich mich. Oft findet man auch: „aliis inserviendo consumor“, dies lautet übersetzt: Anderen helfend, verzehre ich mich. Diese Sentenz diente auch verschiedenen Fürsten als Motto.

A2 Die Aussage ist korrekt, da die chemischen Energie des Brennstoffs bei der Verbrennung in Wärmeenergie, diese mithilfe einer Turbine in Bewegungsenergie und diese wiederum mithilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie wird in der Wohn-zimmerlampe dann in Licht- und Wärmeenergie umgewandelt.Wenn man allerdings berücksichtigt, dass Kohle fossile Bäume sind, die durch Fotosynthese heran-wuchsen, dann könnte man auch von „gespeicherter Sonnenenergie“ sprechen.

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A3 Das Erhitzen mit einer Flamme ist vor allem dann günstiger, wenn keine Stromquelle vorhan-den ist, da Brennstoffe tragbar sind. Dies ist z. B. beim Camping der Fall. Hier leisten Gaskocher oder Spiritusbrenner gute Dienste beim Zubereiten von Speisen.In häuslicher Umgebung sind elektrische Herdplatten bzw. Wasserkocher zum Erhitzen von Speisen bzw. Wasser weit verbreitet. Sie sind bequem in der Anwendung, relativ ungefährlich und rußen nicht. Bei der Heizung der Wohnung hingegen werden wiederum häufig Flammen verwendet. Öl-, Gas- oder Pelletheizungen sind meist günstiger im Unterhalt als Elektroheizungen.

A4

Vorgang Reaktion / Vorgang

a) Herstellung von Kunststoff aus Erdöl chemische Reaktion, da neue Stoffe gebildet werden

b) Bleigießen an Silvester physikalischer Vorgang, da „nur“ der Aggregatzustand und die äußere Form geändert werden

c) Betreiben eines Fahrradlichts mit dem Dynamo

physikalischer Vorgang, da Bewegungsenergie elektri-sche Energie und dann in Wärme und Licht umgewan-delt wird

d) Fotosynthese der Pflanzen chemische Reaktion, da mithilfe der Sonnenenergie neue Stoffe (Zucker, Sauerstoff) gebildet werden

e) Zerschneiden eines Blatt Papiers physikalischer Vorgang, da mechanisch ein Objekt zer-kleinert wird

f) Entkalken eines Wasserkochers mit Essigessenz

chemische Reaktion, da durch die Säure unter Freiset-zung von Kohlenstoffdioxid der Kalk entfernt wird

g) Trocknen von Wäsche auf der Leine [B3]

physikalischer Vorgang, da durch die Wärmeeinwirkung der Umgebung lediglich der Aggregatzustand des Wassers verändert wird, aber keine Reaktion mit dem Wäschestück stattfindet

h) Pusten von Seifenblasen [B4] physikalischer Vorgang, durch Einblasen von Luft wird ein Schaum (Blase) gebildet; es findet keine chemische Reaktion der beteiligten Stoffe statt

i) Gewinnung von Eisen aus Eisenerz chemische Reaktion, da eine Stoffänderung stattfindet

j) Pressen eines Kotflügels aus einem Stahlblech

physikalischer Vorgang, da mechanisch ein Objekt ver-formt wird

k) Grillen mit Holzkohle chemische Reaktion, da Holzkohle verbrannt wird

l) Leuchten mit einer batteriebetriebe-nen Taschenlampe

chemische Reaktion, da in der Batterie Stoffe unter Freisetzung elektrischer Energie umgewandelt werden

V1 Das Erhitzen mit dem Gasbrenner ist schneller, da er zum einen eine höhere Leistung besitzt, aber vor allen dadurch, dass lediglich der Kolben mit dem Wasser und nicht auch noch die gesamte Heizplatte erwärmt werden muss.Beim Abschalten zeigt sich dieser Effekt sehr deutlich: Innerhalb von ein bis zwei Sekunden nach Löschen des Gasbrenners hört das Wasser auf zu kochen. Bei der Heizplatte dauert dies deutlich länger. Die Heizplatte ist, wenn man so will, träger.

3.2 Eisen brennt (S. 114)

V1 Aufbau einer Wunderkerzea) Die Schülerinnen und Schüler können schon mit der Lupe verschiedene Inhaltstoffe erkennen.b) Je nach Fabrikat findet man auf den Wunderkerzenpackungen unterschiedlich detaillierte

Angaben über die Inhaltsstoffe. Beispielsweise wird Bariumnitrat nur auf wenigen Wunderkerzen-verpackungen erwähnt. Man kann dieser Frage nachgehen, indem man die Schülerinnen und Schüler ihre Rest packungen von zu Hause mitbringen lässt.

Literaturhinweis: Als weiterführende Lektüre ist folgender Artikel empfehlenswert: Martin, Chr.; Vries, de T.: Chemie der Wunderkerze – ein Thema nicht nur in der Weihnachtszeit, Chemie konkret 11 (1/2004), 13.

Zum Versuch

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V3 Verbrennung einer WunderkerzeAufgabenlösung: Hier sollten die Schülerinnen und Schüler insbesondere auf die dunklen Krümel aus Eisenoxid auf dem Papier aufmerksam gemacht werden, denn man kann dieses Eingangsexperiment leicht bei den Redoxreaktionen wieder aufgreifen und anhand der Verhältnisformel für Bariumnitrat ( Ba ( NO3 ) 2) zeigen, warum die Wunderkerze im übergestülpten Glas ohne Luftzufuhr brennen kann.Entsprechend weißes Aluminiumoxid auf dem Papier zu finden, ist eher schwierig. Auch die braunen Gase (Stickstoffoxide) sollten notiert werden.

V4 Ist Eisen brennbar?Aufgabenlösungen: 1. a) Man beobachtet beim Eisennagel eine dunkelblaue bis schwarze Färbung in der erhitzten Zone,

kein Glühen. b) Die glühenden Stellen des Eisenwollebausches werden außerhalb der Brennerflamme schnell

wieder dunkel. Wird der Bausch geschwenkt, wird die Glut heller und breitet sich aus. Nach dem Erkalten hat sich ein Teil des Stoffes blauschwarz verfärbt. Diese Stellen sind brüchig.

c) Außerhalb der Brennerflamme sieht man einen Funkenregen. Das erhaltene Pulver ist ebenfalls blauschwarz.

2. Nach dem Erhitzen findet eine Reaktion nur an den Stellen statt, die mit Luft in Berührung kommen. Das Eisenpulver reagiert sofort und vollständig. Durch Schwenken der Eisenwolle wird die Luftzufuhr erhöht und damit die Reaktion begünstigt. Beim Eisennagel reagiert nur ein sehr kleiner Teil. Die Reaktionswärme reicht nicht aus, um die erforderliche Reaktionstemperatur aufrecht zu erhalten.

3. Das in den Wunderkerzen enthaltene, fein verteilte Eisenpulver (und Aluminiumpulver) ist für den Funkenregen verantwortlich.

V5 KurzschlussAufgabenlösungen:1. Man beobachtet, dass aufgrund des Kontaktes mit den beiden Polen der Batterie eine orangerote

Glühfront durch die Eisenwolle läuft. Die Eisenwolle hat sich verändert: von Hellgrau (Eisendraht) nach Dunkelblauschwarz, das Produkt ist spröde.

2. Bei Kontakt der Pole der Batterie mit der Eisenwolle entsteht ein elektrischer Strom, der die Eisenwolle so stark erhitzt, dass sie schlagartig brennt, elektrische Energie wurde in thermische Energie und Lichtenergie umgesetzt.

3.3 Metalle verbrennen (S. 115)

V1 Beobachtungen vgl. Textteil.

V2 Die Oberfläche des Kartoffelwürfels vergrößert sich entsprechend des Berechnungsbeispiels in [B5] im Schülerbuch auf Seite 97.

A1 Eisenwolle und Eisenpulver liegen nach dem Verbrennen nicht mehr in Form des metallisch glänzenden, grauen Stoffs vor, sondern sind blauschwarz und spröde. Es ist also ein anderer Stoff entstanden. Bei beiden Vorgängen werden Licht und thermische Energie an die Umgebung abgege-ben.

A2 Viele Metalle verlieren ihren Glanz, da sie durch den Sauerstoff der Luft langsam oxidiert werden. Beispielsweise werden Dachrinnen aus rötlich glänzendem Kupfer zunächst matt, später schwarz: Es hat sich ein fest haftender Belag aus Kupferoxid und Kupferpatina gebildet.

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3.4 Luft und Sauerstoff (S. 116 / 117)

V1 Die Masse der Eisenwolle ist niedriger als die des Reaktionsproduktes. Es gilt aber wie für alle chemischen Reaktionen das Gesetz der Erhaltung der Masse. Beide Aus sagen scheinen im Widerspruch zu stehen. Es muss also hier darauf rückgeschlossen werden, dass die Masse der Sauerstoffteilchen, die als Bestandteile der Luft von der Waage nicht erfassbar waren, nach der Reaktion mit Eisen im festen Endprodukt auch enthalten ist.

V2 Bei dem Glasrohr, in das die Eisenwolle (gefettete Eisenwolle muss vorher mit z. B. Aceton entfettet werden!) gestopft wird, sollte es sich um ein Quarz- oder Supremaxrohr handeln. Da das Volumen der Luft im Glasrohr nicht gemessen wird, sollte dieses ganz mit Eisenwolle gefüllt sein; dabei sind die Schlauchstücke mit Stein- oder Glaswolle vor zu starkem Erhitzen zu schützen. a) Das Restvolumen beträgt nach dem Erkalten ca. 80 ml.b) Ein brennender Holzspan erlischt sofort im Restgas.

Soll dieses Experiment im Schülerpraktikum durchgeführt werden, so empfiehlt es sich nicht, mit teuren Kolbenprobern aus Glas zu arbeiten. Außerdem hat man sie möglicherweise auch nicht in genügender Stückzahl verfügbar. Anstelle davon ist für Schüler das z. B. über die Firma August Hedinger Chemikalien und Lehrmittel (Stuttgart) erhältliche System mit Teilen aus der Medizintech-nik (MedTech) und Spritzen aus Kunststoff sehr gut brauchbar (siehe Abbildung). Man kann die Teile in größerer Stückzahl natürlich auch vom Medizintechnikfachhandel direkt und günstig beziehen.

V3 Der glimmende Span entflammt im Sauerstoff.

A1 Für eine Verbrennung ist außer einem brennbaren Stoff die Zufuhr von Luft (Sauerstoff) notwen-dig. Die Verbrennung beginnt bei Erreichen der Zündtemperatur.

A2 Informationsquellen sind Lexika oder das Internet (Stichworte: Sauerstoff, Lavoisier, evtl. auch Phlogiston). Bereits die Naturphilosophen der Antike sowie Chemiker des Mittelalters (sog. Alchimisten) machten sich Gedanken über die Natur des Feuers. Im 17. Jahrhundert waren Wissenschaftler der Ansicht, dem brennenden Material würde ein „leichter, geheimnisvoller Stoff“ (sog. Phlogiston) entweichen. Ende des 18. Jahrhunderts entdeckten unabhängig voneinander zwei Forscher 1771 Joseph Priestley (1733 – 1804) und 1772 Carl Wilhelm Scheele (1742 – 1786) im Zusammenhang mit der Erforschung von Verbrennungsvorgängen den Sauerstoff. Scheele bezeichnete den verbrennungsfördernden Stoff als „Feuerluft“ und Priestley stellte in einigen Experimenten fest, dass beim Erhitzen von Queck-silberoxid ein Gas entstand, welches eine Kerze stärker aufbrennen ließ als Luft. Aufbauend auf den Er kenntnissen von Priestley machte Antoine Laurent Lavoisier zusätzliche Messungen über die ge bildeten und verbrauchten Stoffportionen und konnte auf geschickte Weise zeigen, dass ein Fünf tel der Luft aus Sauerstoff besteht. Er gab dem Sauerstoff (Oxygenium) seinen Namen, da er glaubte, der Sauerstoff sei für die Bildung von Säuren verantwortlich. Heute weiß man, dass der Wasserstoff mit dem Säurecharakter in Verbindung zu bringen ist.

A3

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78,12 % Stickstoff

20,95 % Sauerstoff

0,89 % Edelgase

0,04 % Kohlenstoffdioxid


A4 Durchführen der Glimmspanprobe: beim Sauerstoff flammt der Span auf, in Luft glimmt er weiter, bei Stickstoff erlischt er.

3.5 Bestandteile der Luft (S. 118 / 117)

A1 a) Heliumb) Kohlenstoffdioxidc) Stickstoff

A2 Menschen ernähren sich u. a. von Pflanzen und erhalten so notwendige Stickstoff-Verbindun-gen z. B. in Form von Proteinen. Die meisten Pflanzen nehmen Stickstoff-Verbindungen über den Boden auf. Einige leben mit Knöllchenbakterien, welche den Luftsauerstoff binden können, in Symbiose. Auch im Fleisch sind Stickstoff-Verbindungen vorhanden, welche Mensch und Tier aber letztendlich ebenfalls über Pflanzen erhalten haben.

A3 Helium wird als Füllgas für Ballons und Luftschiffe verwendet.Neon wird in Neonröhren zum Beleuchten verwendet.Krypton befindet sich in manchen Glühlampen zum Steigern der Helligkeit.Argon dient als Schutzgas beim Schweißen.Xenon wird in besonderen Autolampen als Gasfüllung verwendet.Edelgase werden auch in Energiesparlampen verwendet.

A4 Da Kohlenstoffdioxid das Verbrennungsprodukt von Kohlenstoff ist, muss die Kerze kohlen-stoffhaltigen Verbindungen enthalten.

A5 Im Jahr 1771 fing Priestley zwei Mäuse und setzte diese jeweils unter ein Glas [B7]. In ein Glas legte er noch Minzezweige hinzu. Er beobachtete, dass die Maus in dem Glas ohne Minzzweige schnell starb, während die Maus im zweiten Glas viel länger am Leben blieb. Er wiederholte dieses Experiment mit brennenden Kerzen anstelle von Mäusen und stellte fest, dass die Kerze mit Minze viel länger brannte als die Kerze ohne. Er folgerte daraus, dass Luft durch Atmen oder Verbrennen „schlecht“ wird, sich aber durch die Pflanzen und Licht wieder in „gute“ Luft verwandelt.

V1 Die Masse des mit Sauerstoff gefüllten Becherglases nimmt messbar zu, bei Kohlenstoffdioxid ist dieser Effekt noch deutlicher.

V2 Durchführen der Glimmspanprobe: Beim Sauerstoff flammt der Span auf, in Luft glimmt er weiter, bei Stickstoff erlischt er.

V3 Die Schülerinnen und Schüler müssen Schwierigkeiten, wie das Einbringen des vollständig mit Wasser gefüllten Reagenzglases in die Wanne, bewältigen, auch das dosierte Einfüllen des Gases in der richtigen Gasblasengröße soll geübt werden. Die Glimmspanprobe kann aufgrund der größeren Dichte des Sauerstoffs auch zur Füllstandskontrolle dienen.

3.6 Metalle reagieren mit Sauerstoff zu Oxiden (S. 120 / 121)

A1 Reaktionsschemata für die Reaktionen von Metallen und Sauerstoff zum Metalloxid:Magnesium (s) + Sauerstoff (g) Magnesiumoxid (s)Kupfer (s) + Sauerstoff (g) Kupferoxid (s)

allgemein gilt:Metall (s) + Sauerstoff (g) Metalloxid (s)

A2 Aufbau und Durchführung siehe [V3].

A3 Magnesium verbrennt mit heftiger Flammenerscheinung und hoher Temperatur, aus der hohen Heftigkeit der Reaktion erfolgt die Einteilung in die unedlen Metalle.

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A4 Metalloxide sind bei Zimmertemperatur allesamt Feststoffe. Außerdem sind sie spröde oder kristallin, und weisen zumeist relativ hohe Schmelztemperaturen auf (eine Ausnahme ist das Silber- oxid, welches sich schon vor Erreichen der Schmelztemperatur zersetzt). Außerdem ließe sich zeigen, dass die Metalloxide in Wasser alkalische Lösungen bilden. Die Metalloxide gehören zu den Salzen.

Anmerkungen:Es heißt im Schülerbuch: Bei der Verbrennung der Metalle an Luft bzw. in reinem Sauerstoff entstehen meist die gleichen Produkte.Betrachtet man die Verbrennung von Eisen näher, muss zwischen beiden Situationen sehr wohl unterschieden werden.So entsteht an der Luft vorwiegend Eisenhammerschlag (F e 3 O 4 ), in reinem Sauerstoff dagegen zu- mindest auch F e 2 O 3 . Es kann durchaus von den Bedingungen (hier Sauerstoffpartialdruck bzw. -anteil) abhängen, was für eine Verbindung entsteht. Dies gilt generell, wenn man es mit multiplen Propor-tionen zu tun hat. Auch die Verbrennung organischer Stoffe zu Kohlenstoffdioxid bzw. Kohlenstoff-monooxid hängt von den Bedingungen ab, unter denen die Verbrennung stattfindet.

Eine weitere Problematik im Bereich des Verständnisses von Redoxreaktionen soll hier aufgezeigt werden.Man hört mitunter Formulierungen wie „Eisen oxidiert an feuchter Luft“, die aus folgenden Gründen inakzeptabel sind. Eisen oxidiert nicht, sondern reduziert seinen Reaktionspartner. Die unbedachte Formulierung rührt von einem unzulässigen Ersatz des Wortes „rostet“ durch „oxidiert“ her. Das ist sprachlich und sachlich falsch. „Rosten“ ist intransitiv, „oxidieren“ dagegen transitiv. Sachlich ist falsch: Natürlich wird Eisen beim Rosten oxidiert und oxidiert nicht. Die Verhältnisse um die Begriffe Reduk- tionsmittel, Oxidationsmittel und alles, was damit zusammenhängt, sind für den Anfänger schon ver- wirrend genug.

Die Unterscheidung in edle und unedle Metalle kann eine Verunsicherung hinsichtlich des Kupfers herbeiführen. Man stuft es als Halbedelmetall ein, aber bei einem klaren Kriterium sollte eigentlich ein klares Ergebnis der Einstufung resultieren. Zur Definition von Edelmetallen werden jedoch zwei verschiedene Kriterien angewandt.

Einmal bezieht man sich auf die elektrochemische Spannungsreihe und orientiert sich am Standard-potenzial des Redoxpaares H 2 / H 3 O + . Das Standardpotenzial von Cu / C u 2+ ist höher, somit wäre Kupfer nach diesem Kriterium als Edelmetall anzusehen. Auch für Schülerinnen und Schüler der Sekundar-stufe I lässt sich der Sachverhalt leicht darstellen: Kupfer reagiert nicht mit verdünnten Säuren. Das andere Kriterium basiert auf der Reaktion mit Sauerstoff. Kupfer bildet zwei Oxide und ist nach diesem Kriterium kein Edelmetall. Die beiden Kriterien sind zwar nicht unabhängig voneinander, aber sie trennen die Grundmenge keineswegs auf dieselbe Weise in Teilmengen.

Durch Anwenden beider Kriterien entsteht deshalb eine Skala mit drei unterschiedlichen Bereichen:a) Redoxpaar A / A n + hat ein positives Standardpotenzial und Metall A reagiert nicht mit Sauerstoff.b) Redoxpaar B / B n + hat ein positives Standardpotenzial, Metall B reagiert aber mit Sauerstoff.c) Redoxpaar C / C n + hat ein negatives Standardpotenzial (und Metall C reagiert daher auf jeden Fall

mit Sauerstoff).A ist ein edles Metall, B ein halbedles und C ein unedles Metall.

Standardpotenzial negativ positiv positiv

Reaktion mit Sauerstoff ja ja nein

Einstufung unedel halbedel edel

Beispiel Eisen Kupfer Platin

Durch diese Klarstellung, dass zwei verschiedene Kriterien überlappend angewandt werden, erhält man eine einwandfreie Situation.

V1 Eisenwolle verbrennt in reinem Sauerstoff so heftig, dass verbrennende Teile oft abfallen und am Boden weiter brennen. Der Boden des Standzylinders sollte mit Sand bedeckt sein, sonst kann die starke Erwärmung durch herabfallende Stücke zur Zerstörung des Glases führen. Glühende Parti- kel, die an die Zylinderwand sprühen, hinterlassen im Glas häufig bleibende Spuren, sodass sich der Einsatz von Orangensaft- oder Milchflaschen mit weiter Öffnung empfiehlt.

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V2 Magnesiumband verbrennt in reinem Sauerstoff so heftig, dass der verbrennende Teil oft ab- fällt und das Band dann nicht mehr weiter brennt. Eine Verbesserung erreicht man, wenn man 3 bis 4 Bandstücke miteinander verdrillt. Der Boden des Standzylinders sollte mit Sand bedeckt sein, sonst kann die starke Erwärmung durch herabfallende Stücke zur Zerstörung des Glases führen.Dazu kann es auch kommen, wenn das verbrennende Magnesiumband die Glaswand berührt. Der Versuch lässt sich auch in einer Orangensaft- oder Milchflasche durchführen.Es sollte niemand direkt in die Flamme schauen.

V3 Die Schülerinnen und Schüler müssen vor dem Versuch darauf hingewiesen werden, dass Magnesium mit sehr heller Flamme brennt. In diese Flamme darf nicht direkt geschaut werden, da eine Gefahr der Augenschädigung besteht. Es kann ggf. sinnvoll sein, den Teilversuch mit Magnesium als Lehrerversuch durchzuführen.Die Heftigkeit der Reaktion nimmt in der Reihenfolge Kupfer, Eisen, Magnesium zu, deutliche erkennbar an der Farbe / Helligkeit des abgegebenen Lichtes (grünlich – gelb – weiß).

V4 Auf der Außenseite des Kupferblechs befindet sich ein schwarzer, spröder Belag, der sich leicht abblättern lässt. Innen gibt es rote Zonen auf der Kupferoberfläche, aber auch unverändertes, glänzendes braunes Kupfer.Hinweis: An dieser Stelle ist es wenig sinnvoll, näher auf die übrigen Farbschattierungen innen (gelblich bis türkis) einzugehen. Evtl. kann der den Schülern aus dem Alltag bekannte Grünspan (Kupferacetat) als weitere Kupfer-Verbindung erwähnt werden. Die unterschiedliche Färbung wird durch das jeweilige Sauerstoffangebot verursacht: schwarz – viel Sauerstoff; rot – wenig Sauerstoff; glänzend – kein Sauerstoff.

3.7 Die Oxide von Schwefel und Kohlenstoff (S. 122 / 123)

A1 Auch bei der Verbrennung von Schwefel-Verbindungen entsteht Schwefeldioxid, das die Umwelt belastet.

A2 Befindet sich Schwefeldioxid in der Luft, kann es mit Wasserdampf in Wolken zu einer Säure (Schweflige Säure) reagieren. Als Regentropfen gelangt die saure Lösung auf den Boden.

A3

Schwefeldioxid Kohlenstoffdioxid

ist gasförmig ist gasförmig

ist farblos ist farblos

reagiert mit Wasser zu einer Säure bzw. sauren Lösung

reagiert mit Wasser zu einer Säure bzw. sauren Lösung

A4 Das Reaktionsprodukt ist Kohlenstoffdioxid. Als Rückstand findet sich Asche.

V1 a) Man beobachtet, dass Schwefel mit leuchtend blauer Flamme in Sauerstoff verbrennt.b) Beim Eintauchen einer Rose / Nelke sieht man bei geöffnetem Deckel Nebel entweichen. Die Blüte

wird bald farblos.c) Die Flüssigkeit bleibt klar (ist evtl. leicht milchig) und der Indikator zeigt eine saure Lösung an

(Schweflige Säure ist entstanden).

V2 Beim Schütteln mit Kalkwasser ist zunächst eine milchige (weiße) Trübung zu beobachten. Dass es sich um eine Suspension (und nicht eine Emulsion) handelt, erkennt man entweder beim Bewegen der Flüssigkeit an feinen weißen Krümeln, die an der Glaswand beim Abfließen hängen bleiben, oder nach kurzem Stehenlassen anhand des weißen Feststoffes (Niederschlags) auf dem Boden des Gefäßes.

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V3 Ein denkbarer Versuchsaufbau besteht aus einem Erlenmeyerkolben mit einem durchbohrten Stopfen und einem Winkelglasrohr, welches in ein Reagenzglas mit Kalkwasser hineinragt. In den Erlenmeyerkolben wird Mineralwasser gegeben und durch Schütteln oder Erhitzen das Kohlenstoff-dioxid ausgetrieben. Die Trübung des Kalkwassers im Reagenzglas zeigt an, dass es sich bei dem ausgetriebenen Gas um Kohlenstoffdioxid handelt.Bei der Kontrolle des Versuchsaufbaus ist besonders darauf zu achten, dass keine geschlossenen Versuchsapparaturen verwendet werden (Druckausgleich).

V4 Beim destillierten Wasser zeigt der Indikator die Farbe einer neutralen (bis evtl. ganz leicht sauren) Lösung. Das Mineralwasser zeigt einen sauren pH-Wert an. Beim Aufkochen verändert sich die Farbe des Indikators, aufgrund des ausgetriebenen Kohlenstoffdioxides, und zeigt einen neutra-leren Wert an.

3.8 Sauerstoff in der Zellatmung und Fotosynthese (S. 124)

A1 Hier soll eine individuell formulierte Antwort auf der Grundlage des ersten Abschnitts „Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid – Teile eines Kreislaufs“ sowie des Bilds 1 gegeben werden.

A2 Fotosynthese: Kohlenstoffdioxid + Wasser Traubenzucker + Sauerstoff | endotherm Zellatmung: Traubenzucker + Sauerstoff Kohlenstoffdioxid + Wasser | exotherm

A3 Die Schülerinnen und Schüler sollten einen Versuchsaufbau planen, bei dem sie ausgeatmete Luft durch Kalkwasser leiten. Dazu füllt man in ein Becherglas (frisch filtriertes) Kalkwasser und bläst mit einem Röhrchen Luft in das Kalkwasser. Trübt sich das Kalkwasser, ist dies ein Nachweis für Koh-lenstoffdioxid in der ausgeatmeten Luft.

A4 Bei der Zellatmung im menschlichen Körper wird Energie frei. Mit einem Teil dieser Energie wird die Körpertemperatur konstant bei etwa 37 °C gehalten (der Mensch gehört zu den gleich-warmen Lebewesen, bei denen die Temperatur auf einen festen Wert reguliert wird). Dabei spielt es auch keine Rolle, welche Temperatur die Umgebung hat, solange genügend Energie aus der Zellatmung zur Verfügung steht, um die Körpertemperatur zu regulieren.

3.9 Kohlenstoffdioxid und der Treibhauseffekt (S. 125)

A1 Kohlenstoffdioxid, Methan, Distickstoffmonooxid, Stickstoffdioxid

A2 Sonnenstrahlen, die die Atmosphäre durchdringen und auf die Erde treffen, sorgen für eine Erwärmung der Erde. Der Boden gibt Wärmestrahlung ab, die in den Weltraum zurückstrahlt. Diese Wärmestrahlung wird jedoch zum Teil zurückgehalten, beispielsweise durch Kohlenstoffdioxid, gas förmiges Wasser oder Wolken. Dies sorgt dafür, dass die mittlere Temperatur auf der Erde bei +15 °C liegt. Andernfalls betrüge die mittlere Temperatur auf der Erde – 18 °C.

A3 Recherche über Bibliothek, Internet. Eine Möglichkeit zur Verminderung der Entstehung von Kohlenstoffdioxid besteht in der Einschrän-kung der Verbrennung fossiler Rohstoffe. Energie kann z. B. eingespart werden durch: – Senken der Heiztemperatur– bessere Isolation von Häusern– Stoßlüften statt Dauerlüften– weniger Auto fahren und Fahren mit geringerer GeschwindigkeitEnergieerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen oder rohstofffrei (z. B. durch Wasserkraft, Windkraft, Sonnenenergie, Atomenergie) verbessert ebenfalls die Kohlenstoffdioxidbilanz.

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A4

Ein Ergebnis der Recherche könnte das nebenstehende Diagramm sein. Es zeigt den Anstieg des Kohlenstoffdioxid-Anteils der Atmosphäre auf der Nordhalbkugel (Mauna Loa, Hawaii).

A5 Folgen des Treibhauseffekts können sein:– Der Meeresspiegel steigt an: Da die Eiskappen an Nord- und Südpol und die Gletscher auf der

ganzen Welt schmelzen und sich das Meerwasser erwärmt und ausdehnt, kommt es zu Über-schwemmungen.

– Klima- und Vegetationszonen verschieben sich: Während es zu den Polen hin mehr regnet, bleibt der Regen in den Trockenzonen am Äquator immer mehr aus. Es kommt zu Dürren (Hungerkata-strophen).

– Extreme Wetterereignisse nehmen zu, beispielsweise treten vermehrt Wirbelstürme auf.

3.10 Luftschadstoffe (S. 126 / 127)

A1 Der Begriff „Smog“ setzt sich aus den beiden englischen Wörtern „smoke“ (dt. Rauch) und „fog“ (dt. Nebel) zusammen.

A2 So gelangen Schadstoffe in die Luft:natürliche Vorgänge: Vulkanausbrüche, Pollen von Pflanzen, Staubstürme menschliche Aktivität: Fabriken und Kraftwerke, Verkehr, Landwirtschaft und private HaushalteVor allem bei der Verbrennung von Kohle, Erdgas, Öl oder Benzin bilden sich – neben den Reaktions-produkten Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid – verschiedene gasförmige Schadstoffe.

A3 Bei normaler Wetterlage steigen Schadstoffe zusammen mit warmer Luft nach oben und werden dort vom Wind verteilt und fortgetragen.Bei einer Smog-Wetterlage befindet sich auch in hohen Luftschichten Warmluft, sodass die Schad-stoff nicht nach oben steigen und abziehen können Sie bleiben daher in Bodennähe und bilden Smog.

A4

Schadstoff Herkunft Wirkung

Schwefeldioxid Durch Verbrennung von Schwefel-verbindungen.

Saurer Regen entsteht, mit der Folge der Zerstörung von Kalkstein, schnelle-rem Rosten von Eisen und Waldschä-den.

Stickstoffdioxid Durch Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff der Luft bei hohen Tempe-raturen.

Wirkung analog zur Wirkung von Schwefeldioxid. Zusätzlich ist es an der Bildung von Ozon beteiligt.

Feinstäube Beim Betrieb von Dieselfahrzeugen. Beim Bremsen, d. h. beim Abrieb von Bremsklötzen, Bremsscheiben und Reifen.

Schädigung der Atemorgane. Feinstäu-be gelangen teilweise durch die Lunge ins Blut und wirken als Gifte.

Konzentration in ppm; CO2400

390

380

370

360

350

340

330

320

310

3001960 20001965 1970 1975 1980 1985 1990 1995

Zeit in Jahren

2005 2010

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A5

a) Die Ozonwerte steigen von 8 Uhr bis 12 Uhr stark an, von 32 µg/cm3 auf 72 µg/cm3. Von 14 Uhr bis 20 Uhr sinken die Ozonwerte nur langsam, danach steigen sie wieder an.

b) Ozon bildet sich, wenn die Luft viele Schadstoffe enthält, besonders in Städten und Industrie-gebieten. Die Ursache für die Zunahme des Ozons bis 12 Uhr dürfte in erster Linie die Zunahme des Straßenverkehrs in den Morgenstunden und das hohe Verkehrsaufkommen während des Tages sein. Der Grund für die nur langsame Abnahme der Ozonwerte bis 20 Uhr ist vermutlich, dass der Abbau des Ozons erfolgt. Der abendliche Anstieg könnte auf starkem Verkehr beruhen.

A6 Es ist schwierig für Regierungen, sich auf gemeinsame Gesetze gegen die Luftverschmutzung zu einigen, weil wirtschaftliche Interessen dem entgegenstehen. Die Umsetzung von Umweltauf-lagen wie der verbindlichen Einführung von Filteranlagen kostet häufig viel Geld. Vor allem Ent-wicklungsländer können sich diesen Umweltschutz kaum leisten.

3.11 Metalle reagieren mit Schwefel zu Sulfiden (S. 128 / 129)

A1

Kupfer Schwefel Kupfer(II)sulfid

Farbe rötlich gelb schwarz

Brennbarkeit brennbar brennbar nicht brennbar

Magnetisierbarkeit keine keine keine

Elekt. Leitfähigkeit sehr gut keine keine

Schmelztemperatur 1084 °C 119 °C 507 °C (Zers.)

Dichte 8,92 g/c m 3 2,1 g/c m 3 4,6 g/c m 3

Verhalten in Wasser nicht löslich, benetzbar

nicht löslich, wenig benetzbar

nicht löslich, wenig benetzbar

Aussehen unter dem Mikroskop

Gemisch nicht einheitlich, zwei unterschiedliche Stoffe

einheitlich

A2 Gold kommt in runden Formen vor und lässt sich daher schon optisch vom Pyrit (würfel-förmig / kantig) unterscheiden.Man kann auch eine Strichprobe auf unglasiertem Porzellan (Unterseite von Tellern / Tassen) machen. Pyrit hinterlässt einen deutlichen schwarzen Strich. Gold hingegen einen goldenen.Als Chemiker würde man die Probe mit Fluorwasserstoffsäure bzw. konzentrierter Salpetersäure behandeln: Pyrit löst sich auf, Gold verändert sich nicht.

6

Uhrzeit

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Ozonwerte in μg/cm3

247 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Zu den Aufgaben


V1 Beim Ablauf der Reaktion kann es vorkommen, dass das Reaktionsgemisch im Reagenzglas ein wenig aufsteigt. Werden die Mengenangaben eingehalten, wird aber kaum etwas von dem Gemisch aus dem Reagenzglas geschleudert. Es muss aber auf jeden Fall die Schutzbrille getragen werden. Bei diesem Versuch entsteht kein einheitliches Reaktionsprodukt, deshalb ist es sehr wichtig, dass der Reagenzglasinhalt nach dem Experiment zerrieben wird, sodass er einheitlich erscheint.

a) Die Untersuchung des Verhaltens in Wasser sollte durchgeführt werden, weil sich hier das Gemisch recht ordentlich trennt. Problematisch ist es, dass natürlich auch das Schwefelpulver aufgrund seiner Dichte absinken sollte. Bei Zugabe eines Spülmittelspritzers oder bei Einsatz eines Schwefel-stücks geschieht dies auch, das feine Pulver jedoch schwimmt meist in Wasser.

b) Bei der Untersuchung der magnetischen Anziehung sollte zwischen Magnet und Stoffgemisch ein Blatt Papier gehalten werden. Wenn das Gemisch aus Eisen und Schwefel sehr innig vermischt worden ist, werden auch Schwefelkörnchen, die an den Eisenpartikeln haften, angezogen. Dies kann den Schülerinnen und Schülern leicht erklärt werden, wenn zum Vergleich der Magnet über reines Schwefelpulver gehalten wird, das nicht angezogen wird.

c) Erhitzt man das hellgraue Eisen-Schwefel-Gemisch am Boden des Reagenzglases, so beginnt es an dieser Stelle aufzuglühen. Ohne weitere Wärmezufuhr durchdringt eine Glühfront das ganze Ge- misch. Es ist ein grauschwarzes, sprödes Reaktionsprodukt entstanden.

d) Es kann auch die elektrische Leitfähigkeit untersucht werden. Dazu werden ein Schwefelstück, ein Eisennagel und ein kompaktes Stück des Reaktionsproduktes verwendet. Es sollte ein deutlicher Unterschied festzustellen sein. Ebenso sollte es sich bei der Magnetisierbarkeit verhalten. Auch die anderen Eigenschaften der Edukte und Produkte ([B2] S. 128 im Schülerbuch) deuten auf eine eindeutige Reaktion hin.

3.12 Bildung und Zerlegung von Stoffen (S. 130)

V1 Reaktion von Kupfer mit SchwefelHinweis zur Duchführung: Kupfersulfid enthält noch Schwefel „gelöst“, dieser sollte vor der weiteren Untersuchung entfernt werden. Dazu kann der Kupfersulfidstreifen kurz in die Brennerflamme gehalten werden. Allerdings muss dies unter dem Abzug geschehen. Günstiger ist es, den Kupfersul-fidstreifen in ein zweites Reagenzglas zu schieben, dieses mit einem Glaswollebausch oder mit Watte zu verschließen und den Schwefel dann aus dem Kupfersulfidstreifen durch Erhitzen auszutreiben. Der Schwefel resublimiert an der Glaswolle, es kommt nicht zum Verbrennen des Schwefels an der Reagenzglasöffnung und damit nicht zur Bildung des Schwefeldioxids. Dieser Versuch kann außer-halb des Abzugs durchgeführt werden.

V2 Untersuchung des Reaktionsproduktes von V1Aufgabenlösungen: 1. Versucht man den Streifen zu verbiegen, so bricht er im Gegensatz zu einem Kupferblechstreifen

sofort auseinander, der blauschwarze Stoff ist spröde. Unter der Lupe erscheint der pulverisierte, blauschwarze Stoff im Gegensatz zu dem Gemisch aus Kupfer- und Schwefelpulver durch und durch einheitlich.

Eigenschaften Kupfer Schwefel Neu entstandener Stoff

Farbe rötlich gelb blauschwarz

Verformbarkeit biegsam spröde spröde

Wärmeleitfähigkeit sehr gut schlecht schlecht

Verhalten in Wasser nicht löslich, benetzbar nicht löslich, nicht benetzbar

nicht löslich, benetzbar

2. Reaktionsschema: Kupfer + Schwefel Kupfersulfid

Zum Versuch

Zu den Versuchen


V3 Zerlegung von SilberoxidDas Silberoxid wird durch Erhitzen sehr schnell quantitativ zerlegt. Ein Problem besteht darin, dass das zurückbleibende Silber meist weißgrau erscheint und damit nicht der Vorstellung der Schülerin-nen und Schüler von einem silberglänzenden Metall entspricht. Wird das Silberoxid stärker erhitzt, haftet das Silber so fest am Reagenzglas, dass es nicht herausgeschüttelt oder durch Erhitzen und Schmelzen ausgetrieben werden kann. Wird das Silberoxidpulver allerdings mit der nur gerade entleuchteten Flamme befächelt, wird es ebenfalls quantitativ zerlegt. Es bleibt ein weißgraues Silberpulver zurück, das sich vollständig aus dem Reagenzglas schütten lässt. Gibt man das Silberpul-ver in eine kleine Vertiefung eines Stückes Holzkohle (Lötrohrkohle) und schmilzt das Pulver mit der Reduktionsflamme, erhält man eine silberglänzende Kugel. Diese Kugel lässt sich plattklopfen und aushämmern. Das Zusammenschmelzen des Pulvers dauert nicht einmal eine Minute und ist für viele Schülerinnen und Schüler faszinierend.

Aufgabenlösungen: 1. Beim Erwärmen des Silberoxids wird das Wasser aus dem Reagenzglas verdrängt. In dem

Reagenzglas, das das Silberoxid enthielt, bleibt ein weißgraues Pulver zurück. Schmilzt man dieses Pulver zusammen, so bildet sich eine silberglänzende Kugel. Die Glimmspanprobe verläuft in beiden Reagenzgläsern positiv. Beim Erwärmen des Silberoxids zerfällt der Stoff in einer chemi-schen Reaktion in Silber und Sauerstoff: Silberoxid Silber + Sauerstoff.

2. Das Gasableitungsrohr muss vor dem Ende des Erwärmens aus dem Becherglas mit dem Wasser in der pneumatischen Wanne gezogen werden, weil sonst das Wasser in das erwärmte Reagenz-glas steigen kann. Eventuell platzt dann dieses Reagenzglas. Auf jeden Fall würde das weißgraue Pulver nass.

3.13 Verbindungen und elementare Stoffe (S. 131)

A1 Beim Mischen / Trennen werden die Stoffe nicht verändert. Bei der Synthese / Analyse reagie-ren Stoffe miteinander, bzw. mit Stoffen zur Analyse.

A2 Fast jedes Metallsulfid kann durch Erhitzen in seine Bestandteile zerlegt werden. Daher sollte das vermeintliche Matallsulfid in ein Reaktionsgefäß gegeben werden und unter Sauerstoffaus-schluss stark erhitzt werden. Das Metall und der Schwefel sollten danach (z. T.) in elementarer Form vorliegen.

A3 Silbersulfid ist ein elektrischer Nichtleiter. Dies stellt ein Problem beim Einsatz des sehr gut leitenden Silbers in der Elektronik als Kontaktwerkstoff dar, da daraus hergestellte Kontakte durch Schwefel-Verbindungen der Umgebung unbrauchbar werden.

V1

Silber Schwefel Silbersulfid

Farbe weißglänzend, metallisch

gelb schwarzgrau

Brennbarkeit brennbar brennbar nicht brennbar

Magnetisierbarkeit keine keine keine

Elekt. Leitfähigkeit ausgezeichnet keine keine

Schmelztemperatur 1235 °C 119 °C 825 °C

Dichte 10,5 g/c m 3 2,1 g/c m 3 7,2 g/c m 3

Verhalten in Wasser nicht löslich nicht löslich, wenig benetzbar

sehr schwer löslich

Aussehen unter dem Mikroskop

Gemisch nicht einheitlich, zwei unterschiedliche Stoffe

einheitlich

V2 Die Zerlegung ist eine chemische Reaktion.Silbersulfid (s) Silber (s) + Schwefel (s)Bei allen drei Stoffen handelt es sich um Reinstoffe.Silber und Schwefel sind elementare Stoffe, da sie durch eine chemische Reaktion nicht in andere Stoffe zerlegt werden können. Silbersulfid dagegen ist eine Verbindung.

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Zu den Versuchen


3.14 Chemische Reaktion und Energie (S. 132)

A1 Beispiele für exotherme Reaktionen sind Verbrennungsreaktionen. Beispiele für endotherme Reaktionen sind z. B. das Backen eines Kuchens oder das Braten eines Eis. Schmelzen von Eis und Verdampfen von Wasser sind endotherme physikalische Vorgänge. Das Kondensieren und Erstarren von Wasser sind exotherme physikalische Vorgänge.

A2 Nein, die Reaktionsprodukte einer exothermen Reaktion können nur durch eine endotherme Reaktion in ihre Ausgangsstoffe überführt werden. Bei einer exothermen Reaktion ist der Energiein-halt der Produkte geringer als der der Ausgangsverbindungen. Will man diese wieder erhalten, muss die abgegebene Energie wieder zugeführt werden.

V1 Die Reaktion von Eisen mit Schwefel ist stark exotherm und verläuft dementsprechend heftig. Geeignete Vorsichtsmaßnahmen sind angebracht.

V1 Beim Erhitzen wird das blaue Kupfersulfat immer blasser, bis es schließlich (fast) weiß ist. Beim Zutropfen von Wasser wird das Kupfersulfat wieder blau und die Temperatur steigt je nach verwendeter Kupfersulfat- und Wassermenge um einige Grad Celsius an.

3.15 Chemische Reaktion und die Masse der Stoffe (S. 133)

V1 Geeignet ist ein Erlenmeyerkolben mit Stopfenbett 29. Die Elektroden werden mit glühender Spitze durch den Gummistopfen gebohrt und sitzen dicht. Die Stahlwolle wird fest verdrillt auf die Elektroden geschoben. Da die Reaktion in reinem Sauerstoff kurz und heftig ist, wird nur ein Teil der Luft im Kolben verdrängt. Auch der Sauerstoffgehalt der Luft allein reicht aus. Obwohl bei der Reaktion Sauerstoff verbraucht wird, steigt der Druck im Koben durch die Reaktionswärme kurz an. Der Stopfen muss daher fest sitzen.

V2 Es sollten nicht mehr als drei Streichhölzer verwendet werden, weil sich sonst der Stopfen lockern kann und Rauch austritt.

A1 Es gilt das Gesetz von der Erhaltung der Masse.m(Silberoxidportion) – m(Silberportion) = m(Sauerstoffportion)464 mg – 432 mg = 32 mgDie Masse der entstehenden Sauerstoffportion beträgt 32 mg.

3.16 Energie aus Verbrennungsreaktionen (S. 134 / 135)

A1 Beim Verbrennen der Kohle: chemische Energie in thermische Energie, diese erhitzt Wasser-dampf, der eine Turbine antreibt (Bewegungsenergie), die Bewegungsenergie wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt.

A2 Es handelt sich um Wasserdampf aus den Kühltürmen.

A3 Die höchsten Energieverluste entstehen durch die Erwärmung des Kühlwassers und Wärme-verluste über heiße Abgase und warme Rohre.

Zu den Aufgaben

Zu den Versuchen

Zu den Versuchen

Zur Aufgabe

Zu den Aufgaben

10 % Kamin, Kessel, Rohrleitungen

49 % Kühlwasser

3 % Generator

2 % Übertragung und Verteilung im Netz

36 % nutzbare Energie


A4 Die Müllverbrennung zählt neben der Deponierung und dem Recycling zu den wichtigen Verfahren der Abfallbehandlung, wobei eine Müllvermeidung und eine Kreislaufwirtschaft (Recycling) oberstes Ziel sein muss.

Vorteile Nachteile

– Verminderung des Abfallvolumens um bis zu 90 %, Einsparung von Deponieraum

– Nutzung der thermischen Energie (Wärme)– Vorstufe zur Behandlung des Mülls vor seiner

Deponierung; unbehandelte Abfälle können auf Deponien Boden, Wasser und die Luft der Umgebung belasten

– geringe Akzeptanz bei der Bevölkerung (v. a. bei Neubauten)

– aufwendige Rauchgasreinigungsanlagen sind erforderlich (z. B. zur weitgehenden Entfer-nung von Chlorwasserstoff, Schwefeldioxid, Schwermetallstäuben, Dioxinen)

– je nach Müllzusammensetzung könnten bei der Verbrennung nicht bekannte Schadstoffe entstehen und entweichen

– es wird befürchtet, dass die Auslastung der Müllverbrennungsanlagen der Müllvermei-dung bzw. dem Recycling entgegensteht und zu einem „Müll-Tourismus“, d. h. einem Import oder Export von Müll, führen kann

3.17 Atome, Elemente und Symbole (S. 136 / 137)

A1

Element Gold Platin Zinn Helium Chlor

Zeichen Au Pt Sn He Cl

Atommasse 197,0 u 195,1 u 118,7 u 4,0 u 35,5 u

A2 Das lateinische Alphabet umfasst 26 Buchstaben, diese reichen aber nicht als Zeichen für über 100 Atomarten aus.

A3 Die Eingabe des Namens „Berzelius“ in einer Suchmaschine führt zu vielen unterschiedlich ausführlichen Portraits dieses berühmten schwedischen Chemikers.

Jöns Jakob Berzeliusgeboren 20. August 1779 in Väversunda, Östergötland, Schweden, gestorben 7. August 1848 in Stockholm.Berzelius verlor im Alter von vier Jahren seinen Vater. Er studierte Medizin in der Universität Uppsala, wo er eine Abschlussarbeit über die Effekte von galvanischer Elektrizität auf Patienten anfertigte.Seine ersten chemischen Erfahrungen sammelte er durch die Analyse von Mineralwässern. Dies führte zu einer unbezahlten Stelle am Kolleg für Medizin in Stockholm, wo er im Hause von Wilhelm Hisinger, einem reichen wissenschaftlichen Amateur, wohnte und mit ihm zusammen elektrochemi-sche Studien durchführte. Berzelius beschwerte sich später, dass der englische Chemiker Humphry Davy davon den meisten Vorteil hatte. 1810 bekam er eine feste Stelle am Karolinska Institutet. Dort gelangte er zur Meisterschaft in allen damaligen chemischen Disziplinen. Er publizierte eine Tabelle der Atommassen (Atomgewichte), begründete die chemische Elementaranalyse und führte die auch heute gebräuchliche Symbolschreibweise ein: Die Elemente werden durch den oder die beiden Anfangsbuchstaben des lateinischen Namens des Elementes gebildet.Berzelius führte grundlegende Begrifflichkeiten der organischen Chemie ein und prägte unter anderem die Begriffe Allotropie, Isomerie und Katalysator. Zudem gehen auf ihn zahlreiche Bestimmungen der Atomgewichte sowie die Entdeckung der Elemente Cer (1803), Selen (1817), Lithium (ebenfalls 1817, zusammen mit Johan August Arfwedson) und Thorium (1828) zurück. Als Persönlichkeit wurde Berzelius als sehr temperamentvoll und leicht reizbar beschrieben. Berzelius war Lehrer, Kollege und Freund von Friedrich Wöhler.

Zu den Aufgaben


3.19 Chemische Reaktion – Umgruppierung von Atomen (S. 139)

A1 Bei einer chemischen Reaktion entstehen aus einem oder mehreren Ausgangsstoffen, den Edukten, ein oder mehrere Reaktionsprodukte. Die Edukte verschwinden bei einer chemischen Reaktion, sie werden „vernichtet“. Aus dem Reaktionsprodukt oder den Reaktionsprodukten lassen sich – prinzipiell – die Ausgangsstoffe zurückgewinnen. Es bleibt also „irgendetwas“ erhalten. Nach der Deutung der chemischen Reaktion als Teilchenumgruppierung bleiben die kleinsten, gleichen Teilchen (bzw. Atome) bei einer chemischen Reaktion „erhalten“.

A2 Atomanzahlverhältnis der Atomarten links in [B2]: Atomart A: graue Kugeln, Atomart B: orangefarbene Kugeln

Anzahlverhältnis A _ B = Anzahl der Atome der Atomart A _____ Anzahl der Atome der Atomart B = 10 _ 4

Atomanzahlverhältnis der Atomarten rechts in [B2]: Atomart A: blaue Kugeln, Atomart B: orangefarbene Kugeln

Anzahlverhältnis A _ B = Anzahl der Atome der Atomart A _____ Anzahl der Atome der Atomart B = 7 _ 8

A3 Bei einer chemischen Reaktion entstehen keine neuen Atome, und es werden auch keine vernichtet. Die Masse eines Atoms ist unveränderlich und daher unabhängig von seiner Umgebung. Da sich die Atome aus den Edukt-Teilchen (vor der Reaktion) lediglich zu neuen Produkt-Teilchen (nach der Reaktion) zusammensetzen, bleibt die Gesamtmasse aller Atome und somit auch aller beteiligten Stoffe gleich.

3.20 Wasser – eine Verbindung (S. 140 / 141)

V1 Bei diesem Experiment sollte die Brennerflamme sehr klein gehalten werden, sonst besteht die Gefahr, dass der Glastrichter zerspringt oder die Schlauchverbindung zu schmoren beginnt. Mit dieser Verbrennung kann man genügend Wasser auffangen, um die Nachweisreaktionen durch-zuführen.

V2 Sowohl die Probe aus V1 als auch destilliertes Wasser färben weißes Kupfersulfat blau (vgl. B4). Damit handelt es sich bei dem Kondensat aus V1 um Wasser (vgl. B2). Mit Benzin färbt sich Kupfersulfat nicht blau.

V3 In vielen Fällen wird die Oxidation des Magnesiums durch eine Reaktion mit Luftsauerstoff eingeleitet, der noch nicht vollständig durch Wasserdampf verdrängt worden ist. Durch Erzeugung von Wasserdampf in Intervallen lässt sich zeigen, dass immer dann, wenn Dampf über das Magne-sium streicht, die Reaktion besonders heftig ist.

A1

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben

Magnesiumband

nasser Sand

W asserstof f


A2 Da Wasser sich in zwei Stoffe, Sauerstoff und Wasserstoff, zerlegen lässt, ist es kein elemen-tarer Stoff, sondern eine Verbindung.Oder: Da Magnesium mit Wasser oxidiert werden kann und gleichzeitig ein weiterer Stoff entsteht, ist Wasser kein elementarer Stoff, sondern eine Verbindung.(In der antiken Naturphilosophie wurde Wasser allerdings zusammen mit Feuer, Erde und Luft als Element bezeichnet.)

3.21 Eigenschaften von Wasserstoff (S. 142 / 143)

A1

Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff Kohlenstoffdioxid

Eigenschaften gasförmig gasförmig gasförmig gasförmig

farblos farblos farblos farblos

geruchlos geruchlos geruchlos geruchlos

unterhält die Verbrennung

unterhält die Verbrennung nicht



nicht brennbar nicht brennbar brennbar nicht brennbar

Dichte größer als die der Luft

Dichte kleiner als die der Luft

Dichte kleiner als die der Luft

Dichte größer als die der Luft

Nachweise Glimmspanprobe positiv

Glimmspanprobe negativ

Plopp bei der Knall-gasprobe. Bei reinem Wasser-stoff ist die Knallgas-probe negativ.

Kalkwasserprobe

A2 Bedeutung der Gefahrenpiktogramme:links: Unter Druck stehende Gaserechts: Entzündbare Flüssigkeiten; Entzündbare Gase u. a.

A3 Wasserstoff bildet mit Luft explosive Gemische, wenn der Volumenanteil des Wasserstoffs zwischen 4 % und 75 % liegt. Um sich zu vergewissern, dass keine solch explosive Mischung, das sog. Knallgas, in der Apparatur vorliegt, führt man die Knallgasprobe durch.

A4 a) und b)Die Unfallserie begann am 11. März 2011 um 14:47 Uhr (Ortszeit) mit dem Tōhoku-Erdbeben und dem darauf folgenden Tsunami.Ab 15:35 Uhr trafen am Kraftwerk Tsunamiwellen mit einer Höhe von ungefähr 13 bis 15 Metern ein. Die an der Küste positionierten Meerwasserpumpen wurden zerstört; Wärme konnte nicht mehr an das Meerwasser abgegeben werden. Das Wasser lief in verschiedene Gebäude und überschwemmte dort fünf der zwölf laufenden Notstromaggregate und die meisten Stromverteilerschränke. Durch den Ausfall der Stromversorgung war keine ausreichende Kühlung mehr gewährleistet, um die Nachzerfallswärme aus den Reaktorkernen und Abklingbecken abzuführen. Die als letzte Notmaßnahme verwendbaren, dieselbetriebenen Pumpen des Feuerlöschsystems waren aus verschiedenen Gründen nicht einsetzbar. Es wurde kein frisches Kühlwasser mehr in die Reaktoren eingespritzt und das noch vorhandene Wasser verdampfte. Dadurch sank der Wasserstand ab und die Reaktorbrennstäbe waren zunächst teilweise, später gar nicht mehr von Wasser umgeben, wodurch sie sich aufgrund der Nachzerfallswärme weiter erhitzten.

Die Hüllen der Brennstäbe bestehen aus einer Zirkoniumlegierung. Bei Temperaturen ab etwa 800 °C reagiert das Zirkonium mit dem umgebenden Wasserdampf unter Bildung von Zirkoniumoxid und Wasserstoff. Die mit dem Oxidationsvorgang verbundene erhebliche Wärmeentwicklung treibt diesen weiter voran (exotherme Reaktion). Nachdem sich eine hinreichende Menge an Wasserstoff angesammelt hatte, kam es jeweils zu einer Wasserstoffexplosion, welche Teile des Gebäudes und Teile der darin enthaltenen Technik zerstörte.

Zu den Aufgaben


A5 Nach dem Entzünden des Wasserstoffs am Loch der Dose oben brennt dieser zunächst mit hellblauer und damit fast unsichtbarer Flamme ab. Dadurch verringert sich das Wasserstoffvolumen in der Dose, Luft strömt von unten nach und durch Verwirbelungen bildet sich ein Wasserstoff-Luft-Gemisch in der Dose. Wenn der Wasserstoffanteil 75 % oder weniger beträgt, kommt es zur Explosion (siehe auch [A2]).

V1 Beim Füllen des Ballons mit Wasserstoff darf keine Flamme in der Nähe sein, weil immer die Gefahr besteht, dass sich der Wasserstoff entzündet oder sich sogar ein Knallgasgemisch bildet, das bei Zündung explodiert.Die Entzündung sollte „mit einem langen Arm“ erfolgen, also mit einem möglichst langen Stabfeuer-zeug am ausgestreckten Arm. Die Brenndauer des Baumwollfadens sollte zuvor bestimmt werden, um ausreichend Zeit zu haben, sich zu entfernen.Der Knall ist eher dumpf, da reiner Wasserstoff verbrennt. Beim Platzen der Hülle ist lediglich im Rand- bereich der Gasblase ein zündfähiges Knallgasgemisch vorhanden. Anders verhält es sich bei [V3].

V2 Der Zylinder darf erst unmittelbar vor dem Experiment gefüllt werden. Bei längerer Wartezeit kann im Zylinder durch Diffusion Knallgas entstehen. Bei leichter Verdunklung lassen sich die Beob- achtungen besser machen.

Vorschlag für einen Tafelanschrieb zum Versuch

Durchführung Beobachtungen Erklärung

Brennende Kerze erreicht den Rand des Zylinders.

Schwache Verpuffung Das Wasserstoff-Luft-Gemisch entzündet sich.

Kerze wird in den Zylinder eingeführt.

Kerze erlischt. Wasserstoff unterhält die Ver-brennung nicht, Wasserstoff verbrennt ohne Sauerstoff nicht.

Kerze wird herausgezogen. Kerze brennt wieder. Kerze entzündet sich an dem am Zylinderrand verbrennen-den Wasserstoff. (Flamme kaum sichtbar !)

Der gesamte Vorgang wird wiederholt.

Zuletzt lässt sich die Kerze am Zylinderrand nicht mehr entzünden. Feuchtigkeitsbeschlag ist im Zylinder sichtbar.

Da die Flamme fehlt, kann sich die Kerze nicht wieder entzün-den. Bei der Verbrennung des Wasserstoffs entsteht Wasser.

V3 Beim Füllen eines Gefäßes mit Wasserstoff darf keine Flamme in der Nähe sein, weil immer die Gefahr besteht, dass sich der Wasserstoff entzündet oder sich sogar ein Knallgasgemisch bildet, das bei Zündung explodiert.Der durch das kleine Loch oben austretende Wasserstoff wird entzündet und brennt zunächst mit lautloser, fast unsichtbarer Flamme ab. Von unten strömt Luft nach und bildet mit dem noch in der Dose verbliebenen Wasserstoff ein Knallgasgemisch, das später durch die zurückschlagende Flamme gezündet wird. Ein Brummton, der in ein Heulen übergeht, kündigt die erwartete Explosion an. Vor dem Beginn des Experimentes werden die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, den Mund zu öffnen (Druckausgleich, Schutz des Trommelfells).

3.22 Bildung und Zerlegung von Wasser (S. 144)

V1 Das Becherglas beschlägt, es setzt sich ein Flüssigkeitsfilm ab.

V2 Das zu verwendende Reaktionsrohr muss zwei Eigenschaften besitzen:a) Es darf trotz großer Temperaturunterschiede nicht springen, es muss also aus Quarz sein. b) Es muss lang genug sein, damit die Verbindungsstelle zum U-Rohr nicht zu stark erhitzt wird.

Zuerst lässt man nur den Sauerstoff ausströmen. Dann öffnet man das Ventil zur Wasserstoffzu-fuhr, entzündet den aus der Düse austretenden Wasserstoff und stellt eine kleine Flamme ein. Nun wird die Düse vorsichtig in das Quarzrohr eingeführt. Durch einen Überschuss an Sauerstoff muss sichergestellt sein, dass der Wasserstoff vollständig zu Wasser reagiert.

Zu den Versuchen

Zu den Versuchen


Zu diesem Experiment wird von der Firma Hedinger (Aug. Hedinger, Heiligenwiesen 26, 70327 Stutt-gart) eine vollständige Apparatur angeboten.

A1 Am Minus-Pol, der Kathode, entsteht Wasserstoff. Er lässt sich durch die Knallgasprobe (Kap. 3.21, B6) nachweisen.Am Plus-Pol, der Anode, entsteht Sauerstoff. Er kann durch die Glimmspanprobe nachgewiesen werden (Kap. 3.4).

A2 Betrieb eines Autos mit Wasserstoff:Vorteile:– Abgase bestehen im Wesentlichen aus Wasserdampf. Es wird kein Kohlenstoffmonooxid bzw.

Kohlenstoffdioxid produziert.– Emission von umweltschädlichen Kohlenwasserstoffen entfällt.

Nachteile:– Da nicht reiner Sauerstoff, sondern Luft als Oxidationsmittel dient, entstehen wegen der hohen

Temperaturen im Motor Stickstoffoxide. Allerdings entfällt das Problem bei Verwendung von Brennstoffzellen, da diese nicht so hohe Temperaturen zum Betrieb benötigen.

– Es werden spezielle Tankstellen benötigt.– Ein Wasserstoffspeicher („Wasserstofftank“) muss explosionssicher sein und besitzt eine große

Masse.– Der Betrieb des Autos ist zwar emissionsarm, nicht aber die Herstellung des Wasserstoffs,

z. B. durch Elektrolyse mit hohem Energieeinsatz.

3.23 Teilchen der Stoffe – Atome, Moleküle und Ionen (S. 145)

A1 Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen der Salze müssen viel stärker sein als die zwischen Molekülen. Man benötigt zur Überwindung dieser Kräfte, d. h. zur Vergrößerung der Abstände zwischen den Teilchen, bei Salzen viel mehr Energie (meist in Form von Wärme) als bei molekularen Stoffen.

3.24 Nanopartikel (S. 146)

A1 Auf den Blättern von Lotus, Kohl, Kapuzinerkresse und vielen anderen Pflanzen perlt Wasser in Tropfen ab. Dabei nimmt es auch die Schmutzpartikel mit. Dieser Lotuseffekt ist auf röhrchenför-mige Wachskristalle mit einem Durchmesser von ca. 100 nm zurückzuführen. Schmutzpartikel haften besser am Wassertropfen als an der Blattoberfläche. Der Lotuseffekt wird auch technisch genutzt, z. B. bei selbstreinigenden Brillengläsern und Lacken.

A2 a) Über die Wirkung von Nanopartikeln auf die Menschen und die Umwelt ist bisher noch wenig

bekannt. Ob giftige Stoffe an Nanopartikeln anhaften und über die Haut in den Körper gelangen können, weiß man noch nicht. Die größten Risiken bergen möglicherweise die Produkte, die freie Nanoteilchen enthalten, z. B. Sprays. Sie können über die Atemwege tief in die Lunge und von dort ins Blut gelangen, sich in den Organen anreichern und sogar die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Auch aus Lebensmitteln können Nanopartikel vom Magen-Darm-Trakt ins Blut- und Lymphsystem übergehen. Die Risiken, die sich daraus ergeben, sind noch unklar.

Zu den Aufgaben

Zur Aufgabe

Zu den Aufgaben

Papille mit Wachskristallen

Wassertropfen

Schmutzpartikel


b) In Sonnencreme werden Zinkoxid oder Titandioxid in Form von Nanopartikeln eingesetzt. Der Ein- satz von Nanopartikeln in Kosmetika wird diskutiert, da eine Gesundheitsgefährdung nicht ausge- schlossen werden kann.

3.25 Katalyse (S. 147)

V1 Wasserstoff und die „Wunderperlen“Aufgabenlösungen:1. Man beobachtet beim Hin- und Herrollen der Katalysatorperlen Nebelspuren. Beim Befühlen stellt

man eine Erwärmung fest. Das Wassertestpapier färbt sich nach dem Ausreiben des Reagenzgla-ses blau. Wasserstoff reagiert bei Berührung der Katalysatorperlen mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser. Es handelt sich um eine exotherme Reaktion.

2. Nein, die Katalysatorperlen verändern sich nicht.

V2 Wasserstoffperoxid und KatalysatorAufgabenlösungen1. Wenn die Katalysatorperlen in die Wasserstoffperoxid-Lösung gefallen sind, beginnt eine lebhafte

Gasentwicklung. Der glimmende Holzspan flammt hell auf. Mit den abgespritzten Katalysatorperlen lassen sich die gleichen Beobachtungen machen.

2. Die Katalysatorperlen verändern sich – jedenfalls nach der Betrachtung der Oberfläche – nicht. (Durch das Abspritzen kann ein wenig Abrieb erfolgen. Die Perlen sollten vorsichtig mit weichem Strahl abgespritzt werden.) Da sich durch die chemische Reaktion, also den Zerfall des Wasserstoffperoxids in Wasser und Sauerstoff, die Katalysatorperlen sich nicht verändern, können sie weitere Male verwendet werden. Ein Katalysator nimmt an einer Reaktion teil, liegt aber nach der Reaktion unverändert vor.

V3 Biokatalysator in Kartoffeln Nach Zugabe der zerriebenen rohen Kartoffel setzt nach kurzer Zeit eine lebhafte Gasentwicklung ein, auch die Glimmspanprobe verläuft positiv.Bei Einsatz der gekochten Kartoffel ist keine oder nur eine sehr geringe Gasentwicklung zu beobach-ten.

3.26 Aktivierungsenergie und Katalyse (S. 148 / 149)

A1 Bei dieser Aufgabe geht es um einen anschaulichen Nachvollzug der Bildung von Molekülen, nicht um die Betrachtung experimentell nachgewiesener Reaktionsschritte.Durch diese Betrachtung wird aber deutlich, dass bei chemischen Reaktionen Bindungen getrennt und neu gebildet werden.Wenn Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle mit großer Wucht zusammenstoßen, können die Mole- küle in Atome getrennt werden. In einem ersten Schritt kann sich z. B. ein Wasserstoff-Atom mit einem Sauerstoff-Atom verbinden, dieses Teilchen kann in einem zweiten Schritt mit einem weiteren Wasserstoff-Atom zu einem Wasser-Molekül reagieren. Es kann z. B. auch ein Sauerstoff-Atom mit einem Wasserstoff-Molekül zusammenstoßen und ein OH-Teilchen bilden, das dann weiter zu einem Wasser-Molekül reagiert.

A2 Zwischen den Platin-Atomen und den Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Molekülen herrschen An- ziehungskräfte. Die Moleküle haften an der Platinoberfläche. Dies bewirkt, dass die Atome in den Molekülen weniger fest zusammenhalten. Die Moleküle können also leichter gespalten werden als ohne die Einwirkung des Katalysators Platin. Nach der Bildung der Wasser-Moleküle lösen sich diese von der Platinoberfläche ab. Danach liegen die Platin-Atome wieder im Ausgangszustand vor und der beschriebene Vorgang kann mit weiteren Wasserstoff- und Sauerstoff-Molekülen erneut beginnen.

ZusatzinformationEine Fehlvorstellung bei Schülerinnen und Schülern besteht z. B. darin, dass einem Reaktionsgemisch zunächst die gesamte Aktivierungsenergie bestimmter Größe zugeführt werden müsse, damit eine Reaktion ausgelöst werde. Es genügt aber, bei einem Reaktionsgemisch die Reaktion durch Zufuhr von Energie an einem – häufig sehr kleinen – Ort auszulösen.Die dann frei werdende Energie reicht aus, dass das ganze Gemisch mehr oder weniger zügig reagiert. Die Teilchenvorstellung wird auch von jüngeren Schülerinnen und Schülern als anschauliches

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben


Handwerkszeug genutzt. Es geht nicht um Reaktionsmechanismen. Entscheidend ist die Formulie-rung eines Übergangszustands, dessen Energie einen Maximalwert gegenüber allen anderen Zu- ständen des Reaktionsverlaufs hat. Der im Übergangszustand vorliegende aktivierte Komplex wird aus den reagierenden Teilchen gebildet.Es ist zweckmäßig, einen Reaktionsschritt zu betrachten, an dem nur drei Atome beteiligt sind. Die Reaktion eines Sauerstoff-Atoms mit einem Wasserstoff-Molekül ist hierfür geeignet.

Zu Beginn der Reaktion sind nur das Sauerstoff-Atom und das Wasserstoff-Molekül vorhanden. Bei genügend großem Abstand des Sauerstoff-Atoms vom Wasserstoff-Molekül entspricht die Gesamt-energie des Teilchensystems der Energie des Wasserstoff-Moleküls. Wird der Abstand der Wasser-stoff-Atome voneinander vergrößert, muss Energie aufgewendet werden. Die Gesamtenergie dieses Teilchensystems steigt an, bis der Zustand des aktivierten Komplexes erreicht wird. Dieser Zustand, der Übergangszustand, hat die höchste Energie. Bei der weiteren Annäherung des Wasserstoff-Atoms an das Sauerstoff-Atom bildet sich das OH-Teilchen, es wird Energie abgegeben. Je fester die Bindung zwischen dem O- und dem H-Atom wird, desto mehr Energie wird abgegeben. Gleichzeitig vergrößert sich der Abstand der beiden H-Atome.

In der obigen Abbildung ist also die Energie des Teilchensystems über dem H – H-Abstand aufgetragen. Dieser Weg, der vom H-Atom zurückgelegt wird, eignet sich als Reaktionskoordinate. Ihre Zunahme beschreibt hier den Platzwechsel des linken H-Atoms. Der Abstand der beiden H-Atome voneinander könnte z. B. in pm (Pikometer) angegeben werden.Durch derartige Betrachtungen kann deutlich werden, dass die Reaktionskoordinate ein Begriff der Teilchenebene und nicht der Stoffebene ist. Das oft gezeigte Diagramm „Energie über der Reaktions-koordinate“ sollte auf der Ebene von Atomen und Atomabständen verstanden werden. Über diesen Abständen wird die Energie eines Teilchensystems, nicht die Energie einer Stoffportion, aufgetragen.

A3 Durch das Verreiben in der Reibschale entsteht Reibungswärme, die das Reaktionsgemisch aus Kupfer und Schwefel aktiviert und damit die chemische Reaktion auslöst.

Hinweis:Der Versuch gelingt meist besser, wenn die Stoffe vorher getrocknet worden sind. Das Kupfer- und das Schwefelpulver sollten aber erst unmittelbar vor der Versuchsdurchführung gemischt werden, es sind bei vorher vorbereiteten Mischungen auch schon spontane Reaktionen erfolgt.

A4 Gründe können sein, dass dadurch die gewünschten Reaktionen rascher ablaufen oder bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht werden. Wenn sie bei niedrigeren Temperaturen ablaufen, kann Energie eingespart werden.

Teilchen der Ausgangsstoffe Teilchen der ReaktionsprodukteÜbergangszustand

: Abstand der H-Atome

H—H O—HO O

� �

H HH

Energie

Weg, der vom H-Atom zurückgelegt wird (Reaktionsweg)

Aktivierungs-energie

frei werdendeEnergie

O HH

O H H

OH H

Aktivierungsenergie. Auf dem Weg zur Bildung eines Wasser- Moleküls ist Energie zur Überwindung der Energiebarriere erforderlich. Im nächsten Schritt wird ein wei- teres H-Atom an das OH-Teilchen gebunden.


V1 Gibt man zu einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Luft in einem Reagenzglas eine Platin-Katalysatorperle hinzu, kann man zwei Beobachtungen machen: Zum einen erwärmt sich das Rea- genzglas, und zum anderen bildet sich an der Reagenzglaswand ein Beschlag. Dieser kann durch die Blaufärbung von Wassertestpapier als Wasser identifiziert werden. Wasserstoff und Sauerstoff haben ohne das Zuführen weiterer Energie bei Zimmertemperatur reagiert. Die Platin-Katalysatorperle liegt nach der Reaktion unverändert vor und kann weiter verwendet werden.Der Vorgang lässt sich auf der Teilchenebene erklären. Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle bestehen jeweils aus zwei Atomen. Damit sie zu Wasser-Molekülen reagieren können, müssen sie zunächst in ihre beiden Atome getrennt werden.

An der Oberfläche der Katalysatorperlen lagern sich Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle an den Platin-Atomen an. Die Bindungen zwischen den Atomen im Molekül werden geschwächt, sodass sie sich leichter trennen. Platin wirkt als Katalysator, indem es die Aktivierungsenergie der Reaktion verringert. Zwei Wasserstoff-Atome auf der Platinoberfläche reagieren mit einem Sauerstoff-Atom und bilden ein Wasser-Molekül. Nach der Ablösung der Wasser-Moleküle liegt Platin unverändert vor. Es kann erneut eingesetzt werden.

V2 Die erfolgreiche Durchführung des Versuchs erfordert etwas Übung, um die richtige Strö-mungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs zu nutzen. Am besten gelingt es, wenn in einem Vorversuch er- mittelt wird, bei welcher Strömungsgeschwindigkeit gerade so viel Wasserstoff ausströmt, dass eine kleine Flamme erkennbar ist. Beginnendes Glühen zeigt die richtige Einstellung an. Bei stärker werdendem Gasstrom erlischt das Glühen, da zunehmend weniger Sauerstoff die Oberfläche des Katalysators erreicht. Bei optimaler Einstellung zeigt nach kurzer Zeit ein leises Plopp-Geräusch an, dass der Wasserstoff entzündet worden ist. Danach kann die Wasserstoffzufuhr erhöht werden, um eine größere und damit besser sichtbare Flamme zu erhalten.

3.27 Die Wasserbildung auf Teilchenebene (S. 150 / 151)

A1 Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in einer exothermen chemischen Reaktion zu Wasser. Wasserstoff und Sauerstoff sind die Edukte. Wasser ist das Produkt. Bei einer chemischen Reaktion tritt eine Stoffänderung ein.

A1 Das Gesetz von der Erhaltung der Masse weist daraufhin, dass bei einer chemischen Reaktion keine Atome verlorengehen. Bei chemischen Reaktionen gruppieren sich Atome um und bilden neue Anordnungen. Beispiel: Wasserstoff und Sauerstoff bestehen aus zweiatomigen Molekülen. Aus diesen bilden sich bei der chemischen Reaktion Wasser-Moleküle. Jedes Wasser-Molekül besteht aus zwei Wasserstoff-Atomen und einem Sauerstoff-Atom.

A3 Am besten lässt sich die Aufgabe mit einer Skizze lösen:

Stickstoff- + Sauerstoff- Stickstoffdioxid- Moleküle Moleküle Moleküle

Es sind mindestens zwei Sauerstoff-Moleküle und ein Stickstoff-Molekül notwendig, um Stickstoff-dioxid-Moleküle zu bilden.

3.28 Wasser und Wasserstoff in der Energieversorgung (S. 152)

A1 a) Mit dem elektrischen Gleichstrom, der mithilfe einer Solarzelle erzeugt wird, wird in der Elektro-

lysezelle Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser. Der dabei erzeugte elektrische Strom treibt einen Elektromotor an.

b) Die Zerlegung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff ist eine endotherme chemische Reak-tion. Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ist eine exotherme chemische Reaktion.

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Zu den Aufgaben

Zu den Aufgaben


A2 Vorteile: Gespeicherter Wasserstoff kann direkt als Brennstoff oder für die Stromerzeugung genutzt werden. Wasserstoff eröffnet Möglichkeiten für eine regenerative, nachhaltige Mobilität im Alltag. Wasserstofffahrzeuge haben eine große Reichweite und können schnell betankt werden.Wasserstoff lässt sich als Energieträger relativ leicht transportieren. Wasserstoff kann wie Erdgas zusammengepresst unter hohem Druck gespeichert werden.Großes Potenzial bietet die Verwendung von Wasserstoff bei der Stahlherstellung. Damit ließen sich laut Deutscher Energie-Agentur rund 95 Prozent der CO2-Emissionen gegenüber der konventionellen Hochofenmethode einsparen.Nachteile: Wasserstoff hat den Nachteil, dass er nur in gebundener Form vorkommt. Er ist ein Bestandteil des Wassers. Um Wasserstoff als Energieträger nutzen zu können, muss man das Gas erst aus Wasser gewinnen. Das geschieht in der Regel durch Elektrolyse. Trifft Wasserstoff auf Sauerstoff, kann eine explosive Mischung entstehen.

A3 Ein Pumpspeicherkraftwerk dient zur Speicherung elektrischer Energie. Es ist eine ideale Ergänzung zur Energiegewinnung aus Windenergieanlagen und Solaranlagen. Die Einrichtung ist vergleichsweise aufwändig und teuer, wobei der laufende Betrieb relativ wenige Kosten verursacht. Der größte Nachteil des Pumpspeicherkraftwerks ist sein großer Platzbedarf. Bei der oberirdischen Anlage eines solchen Kraftwerks kommt es meist zu erheblichen Belastungen der Umwelt. Der erzeugte Strom muss in der Regel über weite Strecken transportiert werden, da dieses Kraftwerk selten in Siedlungsnähe liegt. Dies führt zu Energieverlusten und reduziert den Wirkungsgrad.Die politische Durchsetzbarkeit eines neuen Pumpspeicherwerks zur Energiespeicherung scheitert meist an seinem großen Platzbedarf, der nachhaltige Eingriffe in die Landschaft erfordert. Außerdem werden häufig die hohen Kosten ins Feld geführt, die den Strompreis erhöhen würden.

A4 Laufwasserkraftwerke können einige negative Auswirkungen auf die Fauna und Flora der Flüsse haben. Insbesondere ältere Bauten behindern oft sehr stark die Fischwanderung, Fische können auch getötet werden, wenn sie durch die Turbinen gelangen. Bei neueren Laufwasserkraft-werken (ebenfalls bei Sanierungen alter Kraftwerke) werden Maßnahmen ergriffen, um solche Auswirkungen soweit möglich zu vermeiden. Insbesondere können sorgfältig geplante Fischaufstie-ge (Fischtreppen oder auch Fischlifte) die Fischwanderungen ermöglichen, auch wenn damit ein kleiner Teil des nutzbaren Wassers (manchmal nur rund 1 %) verloren geht.Es gibt weitere ökologische Auswirkungen wie z. B. Veränderungen des Transports von Schotter und Nährstoffen sowie der allgemeinen Flussdynamik, z. B. nicht mehr auftretende Überflutung bestimm-ter Flächen. Im Zuge des Baus oder der nachträglichen Verbesserung von Laufwasserkraftwerken werden oft ökologische Ausgleichsmaßnahmen durchgeführt, die ökologische Nachteile kompensie-ren sollen.

A5 Butan lässt sich durch Druck sehr leicht verflüssigen, sodass z. B. 1 kg Butan nur einen kleinen Raum beansprucht.Wasserstoff lässt sich erst ab einer Temperatur von − 240 °C verflüssigen.

3.29 Zusammenfassung und Übung (S. 153 / 154)

A1 Bei einer chemischen Reaktion entstehen neue Stoffe (oder ein neuer Stoff) mit anderen Eigenschaftskombinationen, als sie die Ausgangsstoffe aufweisen. Beispiel: Metalle und Sauerstoff reagieren zu Oxiden.Liegen die Ausgangsstoffe als Gemisch vor, so lassen sich die verschiedenen Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften trennen. Beispiel: Eisen- und Schwefelpulver können gemischt und wieder getrennt werden, ebenso Wasser und Farbstoff.

A2 Bei der Luft handelt es sich um ein Gemisch. Dieses Gemisch kann z. B. durch das Linde-Verfah-ren in seine Bestandteile getrennt werden. Luft ist kein elementarer Stoff, da Luft durch ein physikali-sches Verfahren in seine Bestandteile aufgetrennt werden kann. Ein Element ist eine Atomart. Wenn Luft kein elementarer Stoff ist, kann es auch kein Element sein. Luft ist keine chemische Verbindung, das zeigt sich darin, dass mehrere Stoffe unabhägig voneinander nachgewiesen werden können, z. B. Kohlenstoffdioxid durch Kalkwasser, Sauerstoff durch die Glimmspanprobe.

Zu den Aufgaben


A3 Durch die Bewegung der brennenden Eisenwolle werden Reaktionsprodukte schneller abgeführt und Frischluft schneller zugeführt. Diese fördert die schnellere und damit heftigere Verbrennung der Eisenwolle.

A4 Unedle Metalle reagieren leicht mit Sauerstoff und bilden Metalloxide.

A5 a) Kohlenstoffdioxid hat eine größere Dichte als Luft und sammelte sich deshalb unter Verdrängung

der Luft am Boden der Grotte. Da Hunde und andere kleine Tiere nun dieses Gas einatmen, ersticken sie. Eine erwachsene Person „watet“ im Kohlenstoffdioxid, während ihr Kopf in die sauerstoffhaltige Luft ragt.

b) Der Kellermeister benutzt die brennende Kerze als „Warnsignal“ vor Erstickungsgefahr, da eine Kerzenflamme im Kohlenstoffdioxid erlischt. Wenn er die Treppe zum Gärkeller hinabsteigt, erlischt die in der Hand gehaltene Kerze, bevor er mit dem Kopf in das Kohlenstoffdioxid ein-taucht.

A6 Kupfer + Sauerstoff Kupferoxid | exotherm

Die Ausgangsstoffe Kupfer und Sauerstoff reagieren in einer exothermen Reaktion zu dem Reak-tionsprodukt Kupferoxid. Es liegt eine Oxidation vor.

A7 a) Es ist Zinksulfid entstanden: Zink + Schwefel Zinksulfid.b) und c) Es handelt sich um eine exotherme Reaktion. Es genügt, nur einen kleinen Teil des Gemi-

sches zu erhitzen, um die Reaktion auszulösen. Die dann bei der Reaktion abgegebene Energie reicht aus, den übrigen Teil des Gemisches zur Reaktion zu bringen, sodass die Reaktion ohne weitere Energiezufuhr von außen von selbst abläuft.

A8 Kohlenstoffdioxid wird beim Atmen abgegeben und Pflanzen brauchen es zum Wachsen. Es ist also lebensnotwendig. Ohne Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre wäre es auf der Erde viel zu kalt zum Leben, da es zu einem großen Teil für den natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich ist. Zuviel Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre führt aber zu einer übermäßigen Erwärmung und ist daher für ein uns zuträgliches Klima schädlich.

A9 Damit die Edukte miteinander reagieren, ist zum Auslösender Reaktion Energiezufuhr notwendig. Diese Energie wird als Aktivierungsenergie bezeichnet. Sie ist eine Energiebarriere, die überwunden werden muss, um eine Reaktion in Gang zu setzen. Läuft die Reaktion in Gegenwart eines Katalysators ab, so wird die Aktivierungsenergie herabgesetzt. Die Reaktion wird dadurch beschleunigt oder bei niedrigerer Temperatur ermöglicht. Der Katalysator nimmt an der Reaktion zwar teil, liegt aber nach der Reaktion unverändert vor.

A10 Mit der Knallgasprobe kann untersucht werden, ob Knallgas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft vorliegt. Dieses Gemisch ist explosiv.Für die Knallgasprobe wird das zu untersuchende Gas in ein Reagenzglas mit Öffnung nach unten eingefüllt. Das Gas wird mithilfe einer Flamme an der Reagenzglasöffnung entzündet. Ist ein leises „Plopp“ zu hören und beschlägt daraufhin die Innenseite des Reagenzglases, so handelt es sich um reines Wasserstoffgas. Ertönt ein lauter Pfeifton so handelt es sich um explosives Knallgas.

A11 a) 2,4 g Quecksilberoxid − 2,22 g Quecksilber = 0,18 g Sauerstoff

b) ρ = m _ V V = m _ ρ

V (Sauerstoff) = 0,18 g

__ 1,33 g/l ≈ 0,135 l

V (Sauerstoff) = 0,135 l = 135 cm3

stoffe und teilchen in chemischen reaktionen (s. 110/111)€¦ · h) pusten von seifenblasen [b4]...

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