Arbeitsblatt: Chemieskript

Zweckverband Kreisschule Gäu Fachlehrperson: Tanja Utz Chemie Skript für die Sekundarschule Kreisschule Gäu Schuljahr 2011/2012 1. Einführung in das Fach Chemie 1.1 Das war – das ist Chemie Chemie gibt es schon lange Der Name Chemie leitet sich von dem ägyptischen Wort „chmi (schwarz) ab. Noch im 15. Jahrhundert sprach man von der Alchemie, von der „Schwarzen Kunst. Gemeint war die Beschäftigung mit scheinbar geheimnisvollen und nur schwer durchschaubaren Vorgängen. Dazu gehörte die Suche nach dem „Stein der Weisen, mit dessen Hilfe unedle Metalle in Gold verwandelt werden sollten. Bild: Ein Alchemist beim Versuch Eisen in Gold zu verwandeln. Chemie – heute Heute versteht man unter Chemie die Naturwissenschaft, die sich mit Stoffen und ihren Eigenschaften sowie mit Stoffänderungen beschäftigt. Der Begriff „Stoff darf hier nicht missverstanden werden, denn er hat im täglichen Leben viele Bedeutungen. So spricht man im Deutschunterricht vom Stoff einer Lektüre; im Textilgeschäft versteht man unter Stoff das Material, aus dem Hosen und Hemden genäht werden und in der Drogenszene meint man mit Stoff wiederum etwas anderes. In der Chemie versteht man unter einem Stoff eine Substanz wie Sauerstoff oder Eisen, die durch ihre Eigenschaften charakterisiert ist. Bild: Eine Chemikerin bei der Arbeit im Labor Die Aufgabe der Naturwissenschaften (zum Beispiel Biologie, Chemie und Physik) liegt darin, die Erscheinungen und Vorgänge in der Natur zu beobachten und ihre Gesetzmässigkeiten zu ergründen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen durch technische Anwendungen für den Menschen nutzbar gemacht werden. Chemie 2 Sek 1.2 Arbeitsweise der Chemiker, Chemikerinnen: Rotkraut gegen Blaukraut Zuerst beobachtet man Vorgänge und Erscheinungen in der Umwelt. Beispiel: Rotkraut ist manchmal rot und manchmal blau. Beim Kochen wird Rotkraut blau. Gibt man jedoch ein Stück Apfel in blaues Rotkraut, so tritt die rote Farbe auf. Danach fragt man nach den Ursachen der Erscheinungen und vermutet bestimmte Zusammenhänge: Frage: Wodurch wird der Farbumschlag bewirkt? Vermutung: Der Zucker im Fruchtfleisch des Apfels bewirkt den Farbumschlag. Die aufgestellten Vermutungen überprüft man durch Experimente: Experiment: Blaues Rotkraut wird mit Zucker versetzt. Beobachtung: Schlussfolgerung: Wenn die Experimente die Vermutungen nicht bestätigen, so muss die ursprüngliche Vermutung als falsch angesehen werden. Es müssen neue Vermutungen aufgestellt und überprüft werden: Neue Vermutung: Die Säure im Fruchtfleisch des Apfels bewirkt den Farbumschlag. Experiment: Blaues Rotkraut wird mit Essig oder mit Zitronensaft versetzt. Beobachtung: Chemie 3 Sek Wenn sich die Vermutung bestätigt hat, wird eine Theorie aufgestellt. Mit Hilfe einer Theorie lassen sich Beobachtungen vorhersagen. Theorie: 1.3 Laborgeräte im Chemieunterricht Auftrag: Beschrifte die folgenden Laborgeräte mit dem richtigen Namen. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Chemie 4 Sek 10. Chemie 11. 12. 5 Sek 1.4 Umgang mit dem Gasbrenner Für viele Experimente wird eine Wärmequelle benötigt. Hierzu hat sich seit langer Zeit der Bunsenbrenner bewährt. Das Arbeiten mit dem Brenner ist nicht ganz ungefährlich, denn unverbrannt ausströmendes Gas kann mit Luft ein explosives Gemisch bilden. Es ist deshalb wichtig, Aufbau und Funktionsweise des Gasbrenners zu kennen, um vorschriftsgemäss mit ihm umgehen zu können. Geschichtliches zum Bunsenbrenner Robert Wilhelm Bunsen galt bereits zu seinen Lebzeiten im 19. Jahrhundert als einer der berühmtesten Wissenschaftler seiner Zeit. Er war Professor und lehrte an verschiedenen Universitäten. Er hat 1855 in Heidelberg den Gasbrenner entwickelt. Dieser Brenner erhielt schliesslich sogar seinen Namen. Der Bunsenbrenner war von nun an aus keinem Labor mehr wegzudenken. Aufbau vom Kartuschenbrenner: Chemie 6 Sek Funktionsweise Im Bunsenbrenner wird das Gas (meist Propan, Butan) vor seiner Entzündung mit Luft vermischt. Beim Einströmen des Gases wird gleichzeitig durch eine verstellbare Öffnung Luftsauerstoff angesaugt. Im Innern des Brenners befindet sich nun ein schnell strömendes Gas-Luft-Gemisch, das an der Mündung des Brennerrohres entzündet wird. Die beigemischte Luft sorgt für eine vollständige Verbrennung des Gases. Die Flamme erzielt dadurch eine wesentlich grössere Hitze. Ist die Luftzufuhr offen, so wird die Luft vom Gasstrom in den Brenner hineingesaugt. Die Flamme brennt mit einer schwach leuchtenden, bläulichen Flamme. Sie kann Temperaturen bis 1600 C erreichen und wird Heizflamme genannt. Wird die Luftöffnung dagegen geschlossen, verbrennt das Gas mit ruhiger, gelb leuchtender, jedoch russender Flamme. Das Gas kann nur mit dem Luftsauerstoff, der gerade die Flamme umgibt, verbrennen. Der gelb leuchtende Teil der Flamme besteht aus nicht verbrannten Gasteilchen. Aufbau vom Bunsenbrenner: Auftrag: • Beschrifte die Skizze. • Kennzeichne zudem den Weg des Gases durch rote Pfeile und den Weg der Luft durch blaue Pfeile. • Zeichne jeweils die Flamme in der korrekten Farbe (blau oder gelb) ein. Chemie 7 Sek Experimente mit dem Kartuschenbrenner Ziel: Du kannst einen Kartuschenbrenner sicher verwenden. Sicherheitshinweis: Lange Haare müssen zuvor zusammengebunden werden. Achtet während den Experimenten darauf, dass eure Kleidung (z.B. Schal) nicht in die Flamme gelangt. 1. Experiment: Prüfe, ob die Luftzufuhr geschlossen ist. Öffne dann die Gaszufuhr und halte rasch ein Streichholz ins ausströmende Gas. Es sollte nun eine leuchtende Flamme entstehen. Ihre Grösse kann durch die Verringerung oder Verstärkung der Gaszufuhr geregelt werden. 2. Experiment: Öffne nun die Luftzufuhr. Es sollte nun eine bläuliche, nicht stark leuchtende Flamme entstehen. Bei dieser Einstellung ist die Flamme des Brenners am heissesten. 3. Experiment: Glasrohr biegen Drehe das Glasrohr in der blauen Flamme so lange, bis das Rohr auf einer längeren Strecke erweicht. Biege dann das erweichte Glasrohr ausserhalb der Flamme mit Hilfe von der Tiegelzange bis zur gewünschten Krümmung. Stelle das gebogene Glasrohr ins Becherglas (nicht aus den Tisch!!!). 4. Experiment: Ausziehen zu einer Spitze Erwärme das Glasrohr in der rauschenden Flamme unter ständigem Drehen bis zum Erweichen. Ziehe das erhitzte Glasrohr langsam auseinander. Chemie 8 Sek 2. Aggregatszustände von Stoffen (z.B. Wasser) Wasser ist dir wahrscheinlich am besten in flüssiger Form bekannt. Wasser kann aber auch als Eis oder als Wasserdampf vorkommen. Man nennt diese drei Zustandsformen auch „Aggregatszustände. Alle Stoffe (wie z.B. Wasser, Eisen) kommen in der Natur je nach Temperatur in den drei verschiedenen Zuständen fest, flüssig oder gasförmig vor. Aggregatzustand Abkürzung fest flüssig gasförmig (solid) (liquid) (gaseous) Änderung der Aggregatszustände Chemie 9 Sek Erklärungen zur Grafik Aggregatzustand fest flüssig gasförmig Ordnung der Teilchen regelmässige Anordnun unregelmässige Anordnung. völlig ungeordnet. Abstand zwischen den Teilchen g. Teilchen berühren sich. Teilchen berühren sich. Abstan Teilchen schwingen auf ihren Plätzen. sehr gross Teilchen wechseln sehr schnelle ihre Plätze. Zusamm Teilchenbewegung Anziehungskräfte zwischen den Teilchen wirken sehr stark. wirken stark. enstösse. sind icht wirksam. Schmelzpunkt/Schmelztemperatur Wenn man einen Feststoff (z.B. ein Stück Eisen) erwärmt, so dehnt sich der Stoff aus und schmilzt schliesslich. Wasser ist eine Ausnahme. Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich aus. Die Wärmezufuhr führt zu heftigeren Schwingungen der kleinsten Teilchen. Werden die Schwingungen so stark, dass die Teilchen ihre Plätze verlassen, geht die regelmässige Anordnung der Teilchen verloren und die Teilchen können sich gegeneinander verschieben.Die Temperatur, bei der ein Stoff vom festen in den flüssigen Zustand wechselt, nennt man Schmelztemperatur. Siedepunkt/Siedetemperatur Erwärmt man eine Flüssigkeit, so dehnt sie sich aus. Beim Erreichen des Siedepunktes verdampft sie. Die kleinsten Teilchen bewegen sich immer schneller, ihre Abstände zueinander vergrössern sich. Beim Siedepunkt werden die Anziehungskräfte untereinander überwunden. Chemie 10 Sek Diejenige Temperatur, bei der ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt, nennt man Siedetemperatur. Chemie 11 Sek 2.1 Experimente zu den Aggregatszuständen 1. Experiment: Erhitze in einem 250 ml Becherglas 100 ml Wasser mit 3 Siedesteinchen mit dem Bunsenbrenner während ca. 8 Minuten. (Das Wasser muss mindestens 2 min sieden). Notiere die Temperatur alle 0.5 Minuten. Erstelle ein Diagramm und bestimme daraus die Siedetemperatur. x-Achse: Zeit, y-Achse Temperatur. 2. Experiment: Verwende das Wasser aus dem 1. Experiment. Halte eine kalte Glasscheibe schräg über das siedende Wasser. • Fertige eine Skizze an. Was beobachtest du an der Scheibe? • In welchem Aggregatszustand befindet sich das Wasser an der Glasscheibe? • Erkläre nun, weshalb der Badezimmerspiegel beschlägt, wenn du eine heisse Dusche nimmst! 3. Experiment: Der brennende Geldschein Deine Lehrerin fertigt in einem Becherglas ein Ethanol-Wasser-Gemisch im Verhältnis 1:1 an. Nun ergreift sie den Geldschein mit der Tiegelzange und taucht ihn in das Ethanol-Wasser-Gemisch ein. Danach entzündet die Lehrperson den Geldschein über einer feuerfesten Unterlage mit einem Streichholz. Was passiert? Erkläre, weshalb dies so ist! Chemie 12 Sek 2.2 Übungen: Rund um die Aggregatszustände Auftrag: Löse die folgenden Aufgaben sauber auf ein Zusatzblatt. Schreibe in ganzen Sätzen und mit schöner Schrift. Die Aufgabe 6 darfst du direkt auf dieses Aufgabenblatt lösen. Tipp: Auf Seite 11 befindet sich eine wichtige Tabelle, in der die Schmelz- und Siedepunkte von einigen Stoffen zu finden sind. 1. Aufgabe: Der Glühdraht einer Glühlampe erreicht beim Leuchten eine Temperatur von über 2000C. Der Glühdraht soll sich im festen Zustand befinden. Welches Metall aus der folgenden Tabelle kann als Glühdraht verwendet werden? Begründe deinen Entscheid in einem Satz. Metall Schmelztemperatur Siedetemperatur Eisen 1535 C 2735 C Platin 1769 C 4300 C Titan 1670 C 3300 C Wolfram 3380 C 5500 C Kupfer 1083 C 2590 C 2. Aufgabe: Wenn man z.B. Wasser, Brennsprit oder Essig verschüttet, ist die Flüssigkeit nach einiger Zeit „verschwunden, ohne dass sie weggewischt wurde. Was ist passiert? Erkläre mit den passenden Fachbegriffen. 3. Aufgabe: Warum kann man im Winter oft seinen Atem sehen, im Sommer aber nicht? Chemie 13 Sek 4. Aufgabe: Welchen Aggregatszustand nimmt ein fester Stoff ein, den man noch weiter abkühlt? 5. Aufgabe: Man sagt, tiefere Temperaturen als -40 C können mit einem Quecksilberthermometer nicht mehr gemessen werden. Was meinst du dazu? Erkläre! 6. Aufgabe: Lies auf der Tabelle die Schmelz- und Siedetemperatur von Aluminium ab. In welchem Aggregatszustand befindet sich Aluminium bei den folgenden Temperaturen? Temperatur Aggregatszustand (fest, flüssig oder gasförmig) 850 C 2 C 1567 C 4500 C 7. Aufgabe: Welche Aggregatszustandsänderungen finden bei den folgenden Beispielen statt. a.) Bildung von Tau b.) Bildung von Raureif Tabelle: Schmelzpunkt und Siedepunkt wichtiger Stoffe a.) Stoffe, die bei Raumtemperatur (20 C) fest sind Stoff Aluminium Blei Eisen Gold Kupfer Platin Silber Wolfram Zink Zinn Schmelzpunkt 658 C 327 C 1535 C 1064 C 1083 C 1769 C 961 C 3380 C 419 C 232 C Siedepunkt 2270 C 1690 C 2735C 2710 C 2590 C 4300 C 1930 C 5500 C 907 C 2360 C b.) Stoffe, die bei Raumtemperatur (20 C) flüssig oder gasförmig sind Chemie 14 Sek Stoff Alkohol Olivenöl Quecksilber Sauerstoff Stickstoff Wasser Wasserstoff Schmelzpunkt -114 C -5 C -39 C -218.8 C -210 C 0 C -259 C Siedepunkt 78 C 190 C 357 C -183C -196 C 100 C -253 C 2.3 Temperaturskalen: Die absolute Temperaturskala und die Celsius-Skala Temperaturen werden häufig in Grad Celsius (C) oder aber in Kelvin (K) angegeben. 1848 hat William Thomson (Lord Kelvin, 1824 – 1907) die Kelvinskala (absolute Temperaturskala) vorgeschlagen. Bei dieser Temperaturskala kann der Nullpunkt nicht unterschritten werden: 0 ist die tiefstmögliche Temperatur und wird absoluter Nullpunkt genannt. Im Alltag und in der Technik findet man dagegen meist Temperaturangaben in Grad Celsius (C). Anders Celsius (1701 – 1744) hat diese Skala vorgeschlagen. Auf der Celsius-Skala ist die Schmelztemperatur des Wassers 0C, der Siedetemperatur 100 C zugeordnet. Der Abstand zwischen diesen beiden Fixpunkten ist in 100 gleiche Teile eingeteilt. Der Nullpunkt der Celsius-Skala entspricht 273 (Gefrierpunkt von Wasser). Da die Einheiten auf beiden Skalen gleich gross sind (1C 1 K), erfolgt die Umrechnung von Temperaturangaben von Grad Celsius auf Kelvin durch die Addition des Wertes von 273. Thermometer nach Celsius Übung: Rechne im Kopf in die gewünschten Einheiten um. Chemie 15 Sek a.) -10 C b.) 65 C c.) 20 K d.) -34 C e.) 567 K f.) 61 K Lernziele: Chemieprüfung Auftrag: • Lies die folgenden Ziele genau durch. Kreuze alle an, die du aus deiner Sicht bereits erreicht hast. • Schreibe danach entweder eine Lernzusammenfassung oder aber Lernkarten. 1. Du kannst erklären, woher sich der Name „Chemie ableitet. 2. Du kannst grob erklären, womit man sich im Fach Chemie beschäftigt. 3. Du kannst zwölf Laborgeräte korrekt benennen. 4. Du kannst eine Abbildung von einem Bunsenbrenner mit den korrekten Begriffen beschriften. 5. Du weisst, wer den Bunsenbrenner erfunden hat. 6. Du kannst die Funktionsweise von einem Bunsenbrenner erklären. 7. Du kennst die drei Aggregatszustände und kannst die Aggregatszustandsänderungen korrekt benennen. 8. Du kannst die drei Aggregatszustände mit Hilfe vom Teilchenmodell beschreiben. 9. Du kannst die Begriffe „Siede- und Schmelztemperatur erläutern. 10. Du kannst Alltagsbeispiele mit Hilfe von Aggregatszustandsänderungen erklären (z.B. beschlagener Badezimmerspiegel, Raureif, etc.). 11. Du kennst den Siede- und Schmelzpunkt von Wasser. Wichtig: Diese 12 Lernziele bilden die Grundlage für den Test. Es sind weitere Fragen rund um den Stoff von Seite 1 bis 12 möglich. Chemie 16 Sek Der Test findet am statt. Chemie 17 Sek 3. Stoffe und ihre Eigenschaften Definition: Was ist eigentlich ein Stoff? 3.1 Einfache Möglichkeiten zur Unterscheidung von Stoffen Wie kann man Stoffe erkennen? Beim Vergleich verschiedener Stoffe fällt auf, dass sie unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Diese sind von der Form des Gegenstandes unabhängig. Aussehen: Mit den Augen erkennen wir die Farbe der Stoffe. Metalle z. B. zeigen neben ihrer Färbung einen besonderen Oberflächenglanz. Das macht sie als Schmuckstücke besonders reizvoll. Andere Stoffe kann man an ihren typischen Kristallformen erkennen. Manchmal täuscht das Aussehen eines Gegenstandes über den Stoff, aus dem er besteht, hinweg. Eine durchsichtige Gewächshausscheibe kann aus Glas, aber auch aus Kunststoff (Plexiglas) bestehen. Klang: Ein geübter Kassierer erkennt die Echtheit einer Münze oft schon an ihrem Klang. Ob ein durchsichtiger Gegenstand aus Kunststoff oder Glas besteht, lässt sich leicht durch eine Klangprüfung feststellen. Geschmack: Viele Stoffe, wie z. B. Salz und Zucker, kann man an ihrem besonderen Geschmack unterscheiden. Es gibt aber zahlreiche Stoffe, die Vergiftungen verursachen, selbst wenn sie nur in geringen Mengen in den Mund gelangen. Deshalb ist es sehr gefährlich und im Chemieunterricht strengstens verboten, den Geschmack unbekannter Stoffe zu prüfen. Geruch: Zahlreiche Stoffe (Benzin, Heizöl, Essig) haben einen charakteristischen Geruch. Geruchsproben müssen jedoch äusserst vorsichtig durchgeführt werden, da viele Stoffe gesundheitsschädliche Dämpfe abgeben oder sogar giftig sind. Deshalb ist es auf keinen Fall erlaubt, mit der Nase direkt den Geruch aufzunehmen. Die Geruchsprobe wird durch Zufächeln mit der Hand ausgeführt. So gelangen nur kleine Stoffportionen in die Nase. Wärmeleitfähigkeit: Allein durch Tasten mit den Fingerspitzen kann man feststellen, ob eine Kugel aus Holz oder Eisen besteht. Ein metallischer Gegenstand fühlt sich bei Zimmertemperatur stets kühl an. Metalle leiten die Körperwärme schnell ab und erzeugen dadurch ein Kältegefühl auf der Haut. Stoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Holz fühlen sich dagegen warm an. Verformbarkeit: Wachs oder Knetmasse lassen sich mit den Händen formen, sie sind verformbar. Versucht man, dünne Stäbe aus Glas oder Eisen zu biegen, so zeigen sie Chemie 18 Sek unterschiedliches Verhalten. Das Glas ist spröde und zerbricht, das Eisen dagegen ist biegsam. Die beiden Stoffe unterscheiden sich in ihrer Verformbarkeit. Gegenstände aus Gummi sind zwar verformbar, nehmen aber anschliessend wieder ihre ursprüngliche Gestalt an. Gummi ist elastisch. Härte: Einige Stoffe kann man mit dem Fingernagel anritzen, sie sind weich. Andere Stoffe behalten dabei eine unveränderte Oberfläche, sie weisen eine grössere Härte auf. Diamant ist der härteste aller Stoffe. Mit ihm kann man Glas schneiden oder Gestein bohren. Aufgabe: Gib zwei Stoffe und ihre Farben an. Notiere weitere drei Stoffe, die farblos oder weiss sind. 3.2 Weitere Möglichkeiten zur Unterscheidung von Stoffen 3.2.1 Elektrische Leitfähigkeit Es gibt Stoffe, die den elektrischen Strom leiten, die sogenannten Leiter. Einige Stoffe, leiten jedoch den Strom nicht. Sie werden Isolatoren genannt. Mit folgender Versuchsanordnung kann die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen und Stoffsystemen geprüft werden. Baut den Stromkreis auf und überprüft die Stoffe auf ihre elektrische Leitfähigkeit. Elektroden in Kontakt mit: Die Lampe brennt hell schwach nicht Kupferblech Gummi Aluminiumfolie Glas Stahlnagel Zucker festes Kochsalz Kochsalzlösung destilliertes Wasser Zitronensaft Chemie 19 Sek Feststellungen: . 3.2.2 Löslichkeit von Stoffen Meerwasser schmeckt salzig, im Meerwasser ist jedoch auch mit dem besten Mikroskop kein Salz zu erkennen. Das Salz ist im Wasser gelöst. Erst wenn man das Wasser verdampft, wird das Salz sichtbar: Es kristallisiert aus. Dieses Verfahren nutzt man in wärmeren Regionen in so genannten Salzgärten, um Salz aus dem Meerwasser zu gewinnen. Wasser ist ein gutes Lösungsmittel für viele feste Stoffe wie Kochsalz oder Zucker. Auch manche Gase lösen sich gut in Wasser: Bei den aus Sprudel, Sekt oder Bier aufsteigenden Bläschen handelt es sich um das farblose Kohlenstoffdioxid. Aber nicht alle Stoffe lösen sich in Wasser. Warum wir den Versuch machen: Um etwas über die Löslichkeit verschiedener Stoffe herauszufinden. Welches Material brauchen wir? • Reagenzgläser • dest. Wasser • Brennsprit • Kochsalz • Mehl • Salatöl Skizze: Durchführung: Je 3 Reagenzgläser werden 2 Finger breit mit Destwasser bzw. Brennsprit gefüllt. Anschliessend wird Kochsalz, Mehl und Salatöl jeweils zu Wasser bzw. Brennsprit gegeben. Beobachtungen: Trage die Ergebnisse in die Tabelle ein (Ja Nein). Stoff Lösungsmittel Wasser Benzin Kochsalz Ja Nein Mehl Nein Nein Chemie 20 Sek Salatöl Nein Ja Mögliche Erklärung für Beobachtungen Nicht jeder Stoff ist in jedem Lösungsmittel lösbar. 3.2.3 Dichte bestimmen Auf einer Party verteilt Janina Getränke an die Gäste. Immer wenn jemand Cola möchte, muss sie ganz tief ins Eiswasser greifen. Mit Cola – light hat sie es einfacher: Die Dosen liegen meist oben. Denn: Eine 0,33 – Liter – Dose Cola wiegt etwa 365 g, eine gleich grosse Dose Cola-light dagegen nur 355 g. Bei gleichem Volumen (Rauminhalt) ist Cola also schwerer als Cola light. Wissenschaftlich ausgedrückt: Die Dichte von Cola ist grösser als die Dichte von Cola-light. Warum wir den Versuch machen: Um herauszufinden, wie man die Dichte von einem Stoff bestimmt. Welches Material brauchen wir? • Waage • Messzylinder • Kartoffel Durchführung: Differenzverfahren Skizze: 1. Fülle den Messzylinder mit genau 50 ml Wasser. 2. Wiege die Kartoffel. Halte das Ergebnis fest. 3. Gib die Kartoffel vorsichtig in den Messzylinder und lies den Wasserstand erneut ab. 4. Berechne nun das Volumen, welches die Kartoffel einnimmt. Chemie 21 Sek Aufgabe: Berechne die Dichte von der Kartoffel. Ergebnisse: Aufgaben zur Dichteberechnung 1. Ein Stück Aluminium wiegt 67.5 g. Das Stück nimmt ein Volumen von 25 cm 3 ein. Berechne die Dichte von Aluminium. 2. Ein Messzylinder mit einer Masse von 73 wird mit 50 cm 3 Alkohol gefüllt. Die Waage zeigt nun 112,5 an. Berechne die Dichte des Alkohols. Chemie 22 Sek 3.2.4 Der pH-Wert: sauer, neutral oder alkalisch Aus Rotkohl kann man einen Farbstoff gewinnen, der mit sauren und seifenhaltigen/alkalischen Stoffen so reagiert, dass ein Farbumschlag stattfindet. Solche Stoffe nennt man Indikatoren (aus dem Lateinischen indicare, anzeigen). Die Stärke einer Säure wird mit der Einheit pH-Wert angegeben. Reines Wasser hat den pH-Wert von 7. Man spricht von einem neutralen pH-Wert. Je saurer eine Lösung, desto niedriger ist der pH-Wert. Eine sehr saure Lösung hat einen pH-Wert von 1 bis 2 (z.B. Salzsäure, Magensaft), eine schwach saure Lösung hat einen pH-Wert von 4 bis 6 (Urin, Milch). Lösungen, die einen pH über 7 aufweisen, nennt man Basen oder Laugen. Sie sind alkalisch. Seifenwasser ist ein Beispiel für alkalische Lösungen, aber auch Kaffee ist leicht alkalisch. Die am stärksten alkalischen Lösungen können einen maximalen pHWert von 14 aufweisen. Natronlauge hat z.B. einen pH-Wert von 14. Sehr gut können Abschätzungen des pH-Werts mit Rotkohlsaft gemacht werden. Die Farbskala des Rotkohlfarbstoffs reicht von Rot im sauren Bereich über Lila nach Kornblumenblau und weiter über Grün nach Gelb im stark alkalischen Bereich. Farbreihe: Rotkohlsaft gemischt mit sauren neutralen – alkalischen Stoffen Experiment 1: pH-Wert mit Rotkohlsaft bestimmen Nimm ein Reagenzglasgestell. Gib in jedes Reagenzglas ca. 5 ml von der Probelösung. Gib danach einige Tropfen Rotkohlsaft dazu. Notiere die Farbe und mach eine Angabe über den pH-Wert der Lösungen. a.) Putzmittel mit Rotkohlsaft testen Putzmittel WC-Reiniger Putzessig Seifenlösung Abflussrohrentstopfer Farbe pH sauer, neutral, Chemie 23 Sek oder alkalisch b.) Lebensmittel mit Rotkohlsaft testen Lebensmittel Farbe Schwarztee Wasser Zitronensaft Apfelsaft pH sauer, neutral, oder alkalisch Experiment 2: Indikator namens Phenolphtalein Nebst Rotkohlsaft gibt es natürlich noch andere Indikatoren („Anzeiger) von alkalischen und sauren Stoffen. Es gibt zum Beispiel noch Phenolphtalein, dies ist ein farbloser Indikator. Er färbt alkalische Flüssigkeiten tiefrot. In neutralen und in sauren Lösungen bleibt er farblos. Durchführung: Fülle in das erste Becherglas ca. 30 ml Wasser und gibt wenig Phenolphtalein dazu. Gib in das zweite Becherglas eine winzige Menge Soda, drei bis vier kleine Kristalle genügen. In das dritte Becherglas gibst du eine Spatelspitze voll Zitronensäure. Nun gibst du die durchsichtige Lösung aus dem ersten Becherglas vorsichtig in das zweite Becherglas. Anschliessend füllst du die Lösung aus dem zweiten Becherglas vorsichtig in das dritte Becherglas. Skizze: Beobachtung: Erklärung: Chemie 24 Sek Chemie 25 Sek 3.3 Zusammenfassung: Eigenschaften von Stoffen Stoffe kann man dank den folgenden Eigenschaften unterscheiden: Farbe Glanz Klang Geschmack Geruch Verformbarkeit Wärmeleitfähigkeit Löslichkeit Brennbarkeit Härte Aggregatzustand bei Raumtemperatur Schmelzpunkt Siedepunkt Elektrische Leitfähigkeit Dichte 3.4 Repetitionsaufgaben 1. Aufgabe: Welcher Stoff könnte das sein? 2. Aufgabe: Schreibe einen kurzen Steckbrief über Sauerstoff. Notiere mindestens vier Punkte über Sauerstoff. 3. Aufgabe: Schreibe einen kurzen Steckbrief über Kupfer. Notiere mindestens vier Punkte über Kupfer. Chemie 26 Sek 4. Aufgabe: Gib die Temperatur in der jeweils anderen Skala an (C K, 25C 100C 1000 -196C 0K C) 5. Aufgabe: Wie nennt man folgende Aggregatzustandsänderungen? g l s 6. Aufgabe: Beurteile die elektrische Leitfähigkeit (gut, schwach, gar nicht). Plastik Orangensaft Eisennagel Sonnenblumenöl 7. Aufgabe: Wenn man Rotkohlsaft zugibt, verfärbt sich Lösung rot, Lösung dagegen gelb. Was kannst du über diese Lösungen aussagen? . 8. Aufgabe: Zeichne das Teilchenmodell von Wasser bei -6 C. Chemie 27 Sek 9. Aufgabe: Zeichne das Teilchenmodell von Sauerstoff bei 20 C. 10. Aufgabe: a.) Worüber gibt der pH-Wert einer Lösung Auskunft? b.) Was kannst du über den pH-Wert von Coca Cola aussagen? c.) Wenn man Zigarettenasche in Wasser gibt und einige Tropfen Rotkohlsaft zufügt, so färbt sich die Lösung grün. Was kannst du über diese Lösung aussagen? 11. Aufgabe: Ein Gramm Eis wird erhitzt. Das untenstehende Diagramm zeigt den Temperaturverlauf. 11.1 In welchem Aggregatszustand befindet sich der Stoff bei a.)? 11.2 In welchem Aggregatszustand befindet sich der Stoff bei c.)? Chemie 28 Sek 11.3 In welchem Aggregatszustand befindet sich der Stoff bei e.)? 11.4 Was passiert bei b.)? Beschreibe mit den korrekten Begriffen. 11.5 Was passiert bei d.)? Beschreibe mit den korrekten Begriffen. 4. Wie können Stoffe geordnet werden? Wenn man verschiedene Stoffe miteinander vergleicht, kann man feststellen, dass bei manchen Stoffen gemeinsame Eigenschaftskombinationen zu finden sind. Man kann daher Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften zu Stoffklassen zusammenfassen. Dabei werden drei wichtige Stoffklassen unterschieden: 1. flüchtige Stoffe: Dazu gehören Stoffe mit relativ niedrigen Schmelz- und Siedetemperaturen. Sie sind bei Raumtemperatur meist flüssig oder gasförmig. 2. Metalle: Man kann sie an ihrem typischen Oberflächenglanz und an ihrer Verformbarkeit erkennen. Ausserdem leiten sie den elektrischen Strom. 3. Salze: Sie haben hohe Schmelztemperaturen, sind hart und spröde und können Kristalle bilden. Viele von ihnen lösen sich sehr gut in Wasser. Chemie 29 Sek Aufgabe In dem Buchstabenrechteck sind verschiedene Stoffe versteckt. Versuche sie zu finden und den entsprechenden Stoffklassen zuzuordnen. Jede Sprechblase kann dabei nur einmal besetzt werden. 5. Mischung und Trennung von Stoffen Im Alltagsleben haben wir es nur selten mit reinen Stoffen zu tun. Meist liegen Stoffgemische vor. In vielen Fällen erkennt man sofort einzelne Bestandteile. Das Fruchtfleisch im Orangensaft oder die Gasbläschen in der Limonade sind nicht zu übersehen. Bei klarem Apfelsaft und bei der Milch fällt es dagegen nicht auf, dass es sich um Gemische handelt. 5.1 Reinstoffe und Gemische Die Chemiker teilen Stoffe in Reinstoffe und Gemische ein. Reinstoffe haben stets gleich bleibende Eigenschaften. Die Eigenschaften von Gemischen hängen dagegen davon ab, welche Stoffe darin enthalten sind und in welchem Verhältnis sie vorliegen. In vielen Gemischen sind die einzelnen Bestandteile bereits mit dem blossen Auge zu erkennen. Schwieriger wird es schon bei Brausepulver. Aus grösserer Entfernung sieht es recht einheitlich aus. Erst wenn man es genau unter die Lupe nimmt, kann man verschiedene Arten von Kristallen unterscheiden. Mit etwas Geduld kann man sie durch Aussortieren trennen. Bei Milch reicht eine Lupe nicht mehr aus, um unterschiedliche Bestandteile zu erkennen. Erst mit einem Mikroskop sieht man kleine Fetttröpfchen in der Milch. Milch und Brausepulver sind Beispiele für heterogene Gemische. Bei vielen Gemischen kann man die einzelnen Bestandteile selbst mit dem Mikroskop nicht mehr unterscheiden. Meerwasser sieht auch bei stärkster Vergrösserung völlig einheitlich Chemie 30 Sek aus. Die im Wasser gelösten Salze sind nicht zu erkennen. Das gilt auch für Gemische wie Luft. Solche einheitlichen Mischungen bezeichnet man als homogene Gemische. Stoffe werden in Reinstoffe und Gemische eingeteilt. Bei den Gemischen unterscheidet man heterogene und homogene Gemische. In heterogenen Gemischen kann man die einzelnen Bestandteile erkennen. Beispiele für heterogene Gemische: Orangensaft, Granit, Badeschaum In homogenen Gemischen sieht man selbst mit einem Mikroskop keine einzelnen Bestandteile. Das Gemisch sieht optisch einheitlich aus. Beispiele für homogene Gemische: Luft, Salzwasser, Messing, Schnaps Aufgabe: Kreuze bei den folgenden Gemischen an, ob es sich um ein heterogenes oder um ein homogenes Gemisch handelt. Beispiel homogenes Gemisch heterogenes Gemisch Bodylotion Weisswein Zuckerwasser Sand in Wasser Nussschokolade Milch 5.2 Es gibt Gemische und Gemische Man unterscheidet folgende homogene Gemische. Gemischbestandteile fest in fest Gemischart Beispiel fest in flüssig flüssig in flüssig gasförmig in flüssig gasförmig in gasförmig Chemie 31 Sek Man unterscheidet folgende heterogene Gemische. Gemischbestandteile fest in fest Gemischart Beispiel fest in flüssig fest in gasförmig flüssig in flüssig flüssig in gasförmig gasförmig in flüssig Chemie 32 Sek 5.3 Trennverfahren, Fraktionieren Die Stoffe der Natur sind meistens mehr oder weniger komplizierte Gemische; damit wir eine bestimmte Substanz aus einem Gemisch gewinnen können, muss ein geeignetes Trennverfahren angewendet werden. Solche Verfahren, welche die Trennung eines Gemisches in reine Stoffe ermöglichen, werden Fraktionierverfahren genannt. Schematische Darstellung des Fraktionierens Ziel: Reine Stoffe gewinnen Welches Trennverfahren soll ich anwenden? Überlege wie das Goldwaschen funktioniert: Sand hat eine Dichte von 2.5 und Gold hat eine Dichte von 19.3 . . . . Wenn man einen oder mehrere Stoffe aus einer Mischung isolieren will, so muss die Mischung durch geeignete Methoden in die einzelnen Komponenten zerlegt werden. Gemische lassen sich nur dann trennen, wenn sich die einzelnen Stoffe in der zur Trennung genutzten Eigenschaft genügend stark unterscheiden. Du lernst nun die folgenden Fraktionierverfahren kennen: Chemie 33 Sek • Filtration, Adsorbieren • Destillation • Extraktion • Chromatografie 5.3.1 Filtration, Adsorbieren Aus einem Gasgemisch oder einer Lösung lassen sich Stoffe durch Adsorption abtrennen. Hierbei werden die Teilchen an die Oberfläche eines Feststoffes gebunden (lat. adsorbere: ansaugen). Der Feststoff muss dazu eine besonders grosse Oberfläche mit vielen Poren besitzen, in die sich andere Stoffe hineinsetzen können. Gasmasken, Kohletabletten gegen Durchfall und Filter von Dunstabzugshauben sind Beispiele für die Anwendung der Adsorption. Chemie 34 Sek Um aus einer Suspension Feststoffe abzutrennen, wendet man häufig die Filtration an. Die Feststoffe werden im Filter zurück gehalten (Filterrückstand), die Flüssigkeit läuft als Filtrat durch den Filter. Um die Feststoffe vollständig zurückzuhalten, müssen die Poren des Filters kleiner sein als der Durchmesser der Feststoffpartikel. Als Filtermaterialien werden Papier oder Kunststofffolien mit feinen Poren verwendet. Alltagsbeispiel: Schwimmbadfilteranlagen Schwimmbadwasser wird mit einer Filteranlage von Schwebestoffen befreit. Anschliessend wird das Badewasser mit einem Desinfektionsmittel (Chlor, Ozon) behandelt. Aufgabe: Zeichne die Filtrationsapparatur und beschrifte sie mit folgenden Fachausdrücken: Trichter, Filterpapier, Gemisch, Rückstand ( Teilchen, die auf der Filteroberfläche bleiben), Filtrat ( Teilchen, welche durch Filterporen durchtreten) Beispielexperimente a.) Adsorption Chemie 35 Sek Gib etwas Lebensmittelfarbe in ein Glas mit Wasser. Rühre das Gemisch gut um. Gib dann ein bis zwei Kaffeelöffel Aktivkohle dazu. Rühre erneut sehr gut um und dass das Gemisch kurz stehen. Giesse danach das Gemisch durch eine Filtervorrichtung und fange das Filtrat in einem Becherglas auf. Was beobachtest du? Erkläre deine Beobachtung. Fertige eine aussagekräftige Skizze an (vorher – nachher). b.) Filtration: Trinkwassergewinnung In einer Flasche befinden sich verschiedene Schichten aus Steinen, Kies und feinem Sand. Oben wird schmutziges Wasser in die Flasche gegossen. Langsam fliesst das Wasser durch die verschiedenen Schichten. Wie sieht das Filtrat aus, welches unten ins Becherglas tröpfelt? Weshalb ist dies so? Erkläre. Chemie 36 Sek Fertige eine aussagekräftige Skizze an. 5.3.2 Chromatografie Chemie 37 Sek Schwarz ist nicht gleich schwarz. Schwarze Stifte schreiben unterschiedlich. Durch ein einfaches Trennverfahren, die Papierchromatographie, kannst du herausfinden, woran das liegt. Dabei wird ein Farbfleck auf Filterpapier mithilfe einer Flüssigkeit in seine Bestandteile getrennt. Du erkennst danach auf dem Filterpapier deutlich, dass der schwarze Farbstoff aus verschiedenen anderen Farbstoffen zusammengesetzt ist. Die Trennung beruht darauf, dass sich einige Farbstoffe gut in Wasser oder einer anderen Flüssigkeit lösen. Sie wandern mit dem Wasser als Fliessmittel schnell und weit. Andere Farbstoffe haften besser am Papier und sind deshalb langsamer. Das so entstandene Bild heisst Chromatogramm. Bei der Papierchromatographie werden Farbstoffgemische mithilfe eines Fliessmittels getrennt. Anwendungsbeispiel: Chemie 38 Sek Experiment: Papierchromatographie Material: Fliesspapier, Bleistift, Brennsprit, Schere, Filzstifte, Konfitüreglas Durchführung: • Schneide einen ca. 3 cm breiten Streifen aus dem Fliesspapier aus. • Ziehe 2 cm vom unteren Rand entfernt eine dünne Linie mit Bleistift. • Zeichne auf die Bleistiftlinie mit einem schwarzen Filzstift einen Kreis mit ca. 0.5 cm Durchmesser. • Fülle ca. 1 cm hoch Brennsprit in ein Konfitüreglas. Stelle das Fliesspapierstück so in das Konfitüreglas, dass sich die Bleistiftlinie unten befindet. • Schliesse den Deckel und warte, bis der Brennsprit am oberen Ende des Fliesspapierstückes angekommen ist. • Lass das Papierstück trocknen und klebe es später in dein Heft. Hinweis: Du darfst auch weitere Filzstiftfarben ausprobieren. Klebe hier dein Chromatogramm auf: Chemie 39 Sek 5.3.3 Destillation Die Destillation (lat. destillare „herabträufeln) war schon bei den Ägyptern bekannt. Bei der Destillation werden Flüssigkeitsgemische (z.B. Wein) durch Erhitzen getrennt. Dies funktioniert, da jede Flüssigkeit bei einer anderen Temperatur siedet. Das heisst: Die Destillation trennt auf Grund von verschiedenen Siedepunkten die Gemischbestandteile. Beispiel: Destillation von Wein Wein ist ein sehr kompliziertes Gemisch. Es besteht aus den folgenden Dingen: Name Siedepunkt Anteil Eigenschaften Alkohol 78 C 12 brennbar, farblos, Suchtmittel Wasser 100 C 88 farblos, geruchlos Aromastoffe tiefe Siedepunkte variabel fruchtiger Geschmack Farbstoffe hitzeempfindlich variabel gibt dem Wein die Farbe Weinsäure hitzeempfindlich variabel gibt den sauren Geschmack Weinstein hitzeempfindlich variabel zum Teil am Boden der Flasche sichtbar Um Wein zu destillieren, baut man die folgende Versuchsanordnung auf: Chemie 40 Sek Chemie 41 Sek Experiment: Destillation von Rotwein Durchführung: Die Destillationsapparatur wird zusammengebaut. Etwa 60 ml Rotwein wird in den Rundkolben gefüllt und langsam erhitzt. Es sollte darauf geachtet werden, dass die Temperatur von 85 C nicht überschritten wird. Wechsle jeweils das Reagenzglas aus, wenn sich etwa 1 ml Flüssigkeit darin angesammelt hat. a.) Überprüfe Farbe und Geruch der Destillate. Was stellst du fest? b.) Warum hat das Destillat diese Farbe? c.) Was ist bei diesem Versuch passiert? Erkläre! Chemie 42 Sek 5.3.4 Extraktion Die Bestandteile eines Gemisches lösen sich oft unterschiedlich gut in einem Lösungsmittel. Dadurch kann man gezielt Stoffe aus einem Gemisch herauslösen. Dieses Verfahren bezeichnet man als Extraktion (lat. extrahere: herausziehen). So werden zum Beispiel die Aromastoffe beim Aufbrühen von Kaffee durch heisses Wasser aus dem Kaffeepulver herausgelöst. Die Extraktion trennt somit auf Grund von verschiedener Löslichkeit der Gemischbestandteile im gewählten Lösungsmittel. Extrakte sind Substanzen, die im Lösungsmittel gut löslich sind. Rückstände sind Substanzen, die im Lösungsmittel unlöslich sind. Experiment: Welche Faktoren beeinflussen das Extrahieren? Gib in drei 100 ml – Bechergläser je einen Teebeutel. Fülle in den 1. Becher 20 ml kaltes Wasser, in den 2. Becher 20 ml heisses Wasser und in den 3. Becher 20 ml Brennsprit und lasse das Ganze ca. 3 Minuten einwirken. Beobachte nach weiteren 5 Minuten. Auswertung: Beobachtung nach 3 Minuten 1. Becher (kaltes Wasser): 2. Becher (heisses Wasser): 3. Becher (Brennsprit): Was beobachtest du nach weiteren fünf Minuten? Chemie 43 Sek Theorie: Die Menge der herausgelösten Substanz hängt somit ab von: . Anwendungsbeispiele von Extraktionen Erklärung mit einem Modell Chemische Stoffe verhalten sich ähnlich wie die Menschen: Die Liebhaber von klassischer Musik fühlen sich von klassischer Musik angezogen, die Hip Hop-Fans sind dort kaum anzutreffen, dafür sicher bei einem Hip Hop-Konzert. Chemische Substanzen werden je nach „Vorliebe für ein Lösungsmittel aus einem Gemisch herausgelöst oder „weigern sich, wenn sie im eingesetzten Lösungsmittel nicht löslich sind, aus dem Gemisch „herauszukommen. Anwendungsbeispiel: Chemische Reinigung Bei der chemischen Reinigung wird das Lösungsmittel Perchloraethylen eingesetzt, das sehr gute Lösungswirkung auf Fett und fetthaltigen Schmutz besitzt („Trockenreinigung). Anwendungsbeispiel: Kochsalz extrahieren Bei der Kochsalzgewinnung in der Schweiz wird Wasser in die salzhaltige Schicht hinuntergepumpt. Kochsalz ist in Wasser gut löslich, die im Steinsalz noch enthaltenen Substanzen wie Gips und Kalk sind sehr schlecht löslich und werden vom Wasser nicht aufgelöst. Die Salz-Wasser-Lösung ( SOLE) wird nach oben gepumpt und das Kochsalz zurückgewonnen. Anwendung: Zucker extrahieren Chemie 44 Sek Zucker ist in heissem Wasser löslich und kann dadurch aus den Zuckerrübenstreifen extrahiert werden. Anwendung: Kaffee kochen oder Tee zubereiten Die Kaffeewirkstoffe oder Teewirkstoffe werden vom heissen Wasser extrahiert. Unlösliche Substanzen werden als Kaffeesatz oder als Teerückstände vor dem Genuss abgetrennt. Lernziele: Chemieprüfung 2 1. Du kannst midestens 10 Eigenschaften von Stoffen aufzählen. 2. Du kannst den Begrif „Stoff definieren. 3. Du kannst einschätzen, ob ein vorgegebener Stoff ein starker/schwacher Leiter oder ein Isolator ist. 4. Du kennst die Formel zur Dichteberechnung und kannst sie anwenden. 5. Du kansnt erklären, wie man die Dichte mit Hilfe vom Differenzverfahren experimentell herausfinden kann. 6. Du weisst, welchen pH-Wert saure, neutrale oder alkalische Stoffe haben. 7. Du kannst Alltagsbeispiele für saure, neutrale und alkalische Stoffe aufzählen. 8. Du kennst die drei Stoffklassen „flüchtige Stoffe, „Metalle und „Salze und kannst einige Eigenschaften von Stoffen dieser Stoffklassen aufzählen. 9. Du kannst die Begriffe „heterogene Gemische und „homogene Gemische erklären. 10. Du kannst an Hand von vorgegebenen Beispielen einschätzen, ob es sich um ein heterogenes Gemisch oder um ein homogenes Gemisch handelt. 11. Du kennst die Gemischarten der heterogenen Gemische namens Gemenge, Suspension Rauch, Emulsion, Nebel, Schaum und kannst die Begriffe erklären. 12. Du kennst die Gemischarten der homogenen Gemische namens Lösung, Legierung und Gasgemisch und kannst die erklären. 13. Du kannst erklären, was man unter dem „Fraktionieren versteht. Chemie 45 Sek 14. Du kannst entscheiden, ob es sich bei einem Beispiel aus dem Alltag um das Trennverfahren „Filtration, „Adsorbieren, „Destillation, „Extraktion oder „Chromatografie handelt. (Beispiel: Tee mit Teebeutel zubereiten Extraktion) 15. Du kannst die beiden Fraktionierverfahren „Filtration und „Adsorption erklären. 16. Du kannst eine Filtrationsapparatur beschriften. 17. Du kannst das Fraktionerverfahren „Chromatografie erklären und an Hand eines Alltagsbeispieles anschaublich beschreiben. 18. Du kannst eine Destillationsapparatur beschriften. 19. Du kannst das Fraktionierverfahren „Destillation erklären. 20. Du kannst das Fraktionierverfahren „Extraktion erklären und du kennst mindestens drei Alltagsbeispiele, in denen ein Stoff extrahiert wird. Wichtig: Es wird eine Repetitionsfrage zum Stoff der ersten Prüfung gestellt. Zudem bilden die Lernziele 1 bis 20 die Basis für die Prüfung. Weitere Fragestellungen sind möglich. Chemie 46 Sek Anhang Seite 47 Chemie 47 Sek