Anorganische Chemie für Schüler/ Erste Grundlagen
Was ist Chemie? - Eine Experimentalwissenschaft
- Linus Pauling
„Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen, von ihren Eigenschaften und den Umwandlungen, durch die neue Stoffe entstehen.“
Betrachtet man zum Beispiel verschiedene Gegenstände, wie Kunststoffbecher, Arzneimittel, Glas, Metalllöffel, Gebäck, Papier, so kommt man schnell zu dem Schluss, dass es Tausende verschiedener Werkstoffe geben muss.
Dabei muss man aber aufpassen, dass man nicht die Eigenschaften der Stoffe betrachtet, die sie nur aufgrund einer bestimmten Form haben: aus Eisen gibt es das scharfe Messer, die elastische Feder, den spitzen Nagel.
Aber was hat das alles mit Chemie zu tun? Das folgende Schema zeigt eine Übersicht über die Bedeutung der Chemie im Alltag.
Zum Verständnis dieser Vorgänge, auch um sie nutzen zu können, führt man Experimente durch.
- → Stoffe vergehen - andere Stoffe entstehen.
- → dazu muss die Chemie Experimente durchführen.
Vorgehensweise beim Experimentieren
Zu Beginn geht man von einer Fragestellung aus, anschließend entwickelt man dazu ein Experiment, um die Frage richtig beantworten zu können. Dann musst Du die Beobachtung, die Du während des Experimentes gemacht hast, aufschreiben und untersuchen, was die Gründe für Deine Beobachtungen sein könnten. Später leitest Du für das Gesehene eine logische Schlussfolgerung ab, welche im besten Fall einen allgemeinen Sachverhalt erklärt oder beschreibt.
Danach stellst Du Dir eventuell zu der vorausgegangenen Fragestellung eine neue, genauere Frage, die Du mit Hilfe eines Experimentes beantworten möchtest, um genauere Werte zu erhalten.
Kurz: Fragestellung/Problemstellung → Experiment → Beobachtung → Schlussfolgerung (→ neue Frage / genauere Frage)
Laborordnung
FÜHRE NICHT SELBSTSTÄNDIG VERSUCHE MIT GEFÄHRLICHEN STOFFEN DURCH!!! |
Laborordnung (Lösungsblatt)
FÜHRE NICHT SELBSTSTÄNDIG VERSUCHE MIT GEFÄHRLICHEN STOFFEN DURCH!!! |
Wesentliche Eigenschaften von Stoffen
Wenn man einzelne Stoffe genau im Experiment untersucht, stellt man fest, dass sie sich oft in mehreren Punkten unterscheiden.
Diese Tabelle beschreibt die Eigenschaften der Stoffe. Im Experiment verändern sie sich allerdings. Z. B. durch Verbrennen oder Auflösen in Wasser können sich die Eigenschaften verändern.
Eigenschaften | Kohlenstoff | Eisen | Schwefel | Zucker |
Farbe: | schwarz | silbrig, glänzend | zitronengelb | weiß |
Zustand: | Feststoff | Feststoff | pulvriger Feststoff | pulvriger, kristallartiger Feststoff |
Geruch: | kein Geruch | kein Geruch | kein Geruch | kein Geruch |
Sonstiges: | nicht magnetisch | magnetisch | nicht magnetisch | nicht magnetisch |
Graphit leitet den elektrischen Strom | leitet den elektrischen Strom | leitet den elektrischen Strom nicht | leitet den elektrischen Strom nicht | |
wasserunlöslich | wasserunlöslich | wasserunlöslich | wasserlöslich | |
spröder Feststoff | dehnbar / biegsam | spröder Feststoff | spröder Feststoff |
Solche Eigenschaften sind:
Farbe, Geruch, Geschmack, Löslichkeit, Brennbarkeit, Leitfähigkeit, Dichte und viele andere.
Damit die Stoffe voneinander unterschieden werden können, müssen sie durch nachprüfbare Eigenschaften exakt beschrieben werden. Zwei verschiedene Stoffe können nicht in allen Eigenschaften gleich sein.
Einige Eigenschaften scheinen sich auch zu ändern. So kann z. B. Wasser in drei verschiedenen Aggregatzuständen auftreten: Eis, Wasser, Wasserdampf.
Gold und Silber
Die Vorgänger der heutigen Chemiker hießen im Mittelalter Alchimisten. Die Alchimie war von der Idee der künstlichen Umwandlung von unedlen Metallen zu Gold getrieben. Viele Herrscher ließen Alchimisten für sich arbeiten und hofften, durch die Entdeckung des „Steins der Weisen“ Gold herstellen zu können. Abgesehen von ein paar Zaubertricks gelang das allerdings niemandem. Gold kann nicht einfach so hergestellt werden. Mancher Alchimist bezahlte für diesen Misserfolg mit dem Leben.
In diesem Versuch wirst Du lernen, wie man Gold und Silber herstellen und reich werden kann.
Versuch 1 – „Silber“ herstellen
Geräte 2 Bechergläser, Uhrglas, Bunsenbrenner, Stativtischchen
Chemikalien Kupfermünze, Natronlauge, Zinkstaub, Wasser
Versuchsdurchführung Einige blanke Kupfermünzen werden in ein Becherglas gelegt und mit konzentrierter Natronlauge übergossen. Man fügt dann eine winzige Menge Zinkstaub hinzu und schließt das Becherglas mit einem Uhrglas. Dann erhitzt man alles mit kleiner Bunsenbrennerflamme etwa 5 Minuten lang und bringt das Gemisch zum Sieden. (Vorsicht: Lauge spritzt und ätzt ⇒ unbedingt eine Schutzbrille aufsetzen)
Nach einigen Minuten wird die Flamme abgestellt und man gießt die erkaltete Lösung in ein anderes Gefäß ab, so dass die Münzen im ersten Becherglas bleiben. Die Münzen werden nun abgespült und anschließend mit einem Tuch poliert und genau beobachtet.
Zeichnung vom Versuchsaufbau:
Beobachtung | Schlussfolgerung |
die Lauge kocht und brodelt | Nicht nur Wasser kann kochen, auch andere Flüssigkeiten kochen. Chemiker nennen diesen Vorgang auch „sieden“. |
die Münze färbt sich silbrig | Das Zinkpulver setzt sich auf der Münze fest und färbt sie silbrig. Die Natronlauge hat dabei die Aufgabe, Schmutz und Fett auf der Münze zu lösen, damit sich möglichst überall das Zinkpulver festsetzen kann. |
Zusatzinfo zur Verzinkung
Das Verzinken wird fast überall eingesetzt, wo mit reinem Eisen gearbeitet wird. Da Eisen rostet, möchte man es vor Wasser und Sauerstoff schützen, so dass es nicht rosten kann. Diesen Schutz bietet z. B. eine Zinkschicht. Mögliche Einsatzbereiche sind z. B. das Verzinken von Autoblechen, Brückenpfeilern, Geländern, Zäunen, Werkzeugen usw.
Versuch 2 – „Gold“ herstellen
Geräte: Tiegelzange und Bunsenbrenner
Durchführung
Die Münzen aus V1 werden sehr kurz in die rauschende Brennerflamme gehalten und gewendet, bis sich ihre Farbe ändert.
Versuchsaufbau
Beobachtung | Schlussfolgerung |
Die Münze wird „vergoldet“ | Zink und Kupfer verschmelzen miteinander. Es ist ein neuer Stoff entstanden. Es hat sich Messing gebildet. |
Zusatzinformationen
Messing ist eine Legierung (Metallmischung) aus Kupfer und Zink. Es ist schon seit dem dritten Jahrtausend v. Chr. bekannt. Seither wurden daraus hauptsächlich Gefäße, Schmuck und Kunstgegenstände hergestellt.
Auch heute wird Messing wegen seiner goldähnlichen Farbe für Verzierungen und Beschläge verwendet. Viele Blechblasinstrumente und Teile von Holzblasinstrumenten werden aus Messing gefertigt. Man nutzt auch seine gute elektrische Leitfähigkeit und seine Stabilität aus. So sind z. B. oft Antennen und Hohlleiter aus Messing gefertigt. Häufig wird es auch wegen seiner guten Beständigkeit gegen Rost für Badezimmerarmaturen eingesetzt.
Eigenschaften
- rötlich glänzendes Metall (je nach Mischungsverhältnis variiert die Farbe von goldorange (bei hohem Kupferanteil) bis hellgelb)
- härter als reines Kupfer
- schmilzt bei ca. 900–925 Grad Celsius (hängt von der Mischung ab)
- Dichte: ca. 8,3 g/cm³
- unmagnetisch
Messing weist Ähnlichkeiten mit Bronze auf. Bronze ist eine Kupfer-Zinn-Legierung. Bei chemischen Versuchen passiert eine ganze Menge, aber was genau unterscheidet sie eigentlich von physikalischen Versuchen? Untersuche im Unterricht verschiedene Alltagsgegenstände und versuche dann, sie zu entzünden. Der Pfeil → bedeutet übrigens „daraus folgt“.
Versuch | Beobachtung |
Schlussfolgerung | ||
Erhitzen von | Ausgangsstoff | Endstoff | Sonstiges | |
Magnesiumband |
|
|
weißer Rauch und hell gleißende Flamme | Stoff hat sich verändert → Chemie |
Kerzenstummel |
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keine Veränderung | schmilzt | Physik |
Rübenzucker |
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|
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Veränderung → Chemie |
Kupfer |
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kurzzeitig grüne Flamme | Veränderung → Chemie |
Magnesium |
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Veränderung → Chemie |
Zink |
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Physik |
Beobachte und zeichne die Kerzenflamme mit ihren verschiedenen Temperaturzonen. Damit Du weißt, welche Zone die heißeste ist, führe anschließend folgende Versuche durch:
1. Versuch: Streichholz auf Dochthöhe
2. Versuch: Zwei Streichhölzer
Zeichne nun die heißeste Stelle ein und dann die Temperaturunterschiede in Deine Zeichnung ein. Kannst Du die Unterschiede erklären?
Im Flammenkern...............................................................................................................................................
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Im Flammenmantel............................................................................................................................................ ...........................................................................................................................................................................
Im Flammensaum ............................................................................................................................................. ...........................................................................................................................................................................
3. Versuch: Springende Flamme:
Lösche die Kerzenflamme und nähere Dich mit brennendem Streichholz. Was passiert?
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Aufgaben
- Woraus besteht der Kern der Flamme?
- Welcher Vorgang läuft im äußersten Bereich der Flamme (Saum) ab?
Die Kerzenflamme hat ihre heißeste Stelle an ihrer Spitze, da dort die optimale Mischung aus Brennstoff und Sauerstoff vorliegt.
Der Kern wird von Luft abgeschirmt, deshalb kann hier keine Luft zu treten, und der Wachsdampf kann nicht optimal verbrennen.
Im Mantel wird das verdampfte Wachs durch die Hitze zersetzt, es entstehen Rußteilchen und brennbare Gase. Allerdings ist der Mantel noch geringfügig durch den Saum abgeschirmt.
Im Saum können Rußteilchen und Gase optimal verbrennen.
Im inneren Flammenkegel ist die Flamme am heißesten, da dort die optimale Mischung von Erdgas und Sauerstoff vorliegt
→ optimale Verbrennung
Was brennt eigentlich an der Kerze - Wachs oder Docht? Mache doch mal den Versuch und entzünde ein Stück Wachs oder einen Wollfaden. Welcher von beiden brennt wie die Kerze?
Versuch | Beobachtung | Schlussfolgerung |
Verbrennen des Dochtes | Docht glimmt, brennt aber nicht | Docht alleine brennt nicht |
Versuche ein Wachsstück an Kerze zu entzünden | Wachs schmilzt, brennt nicht | festes Wachs brennt nicht |
Kerze am Docht anzünden | lässt sich entzünden | Wachsgase brennen |
Beweis durch Annähern eines Streichholzes an eine gerade erloschene Kerze!
- → Entzündung, obwohl der Docht nicht berührt wird.
V: Wir befestigen ein engmaschiges Kupferdrahtnetz, welches horizontal zwischen zwei Stativen befestigt ist, über einem Bunsenbrenner und entzünden die Flamme jedoch oberhalb des Netzes.
B: Ist das Netz groß und feinmaschig genug, brennt das Gas nur oberhalb. Benutzt man für diesen Versuch ein weitmaschiges Netz, kann man beobachten, dass, nachdem das Netz zu glühen beginnt, die Flamme auch nach unten durchschlägt.
S: Das Kupfer leitet die Wärme ab und das Gas unterhalb des Netzes kommt so nicht auf die nötige Temperatur, um sich zu entzünden.
Je nach verwendetem Netz wird dieses so heiß, dass auch unterhalb die Zündtemperatur erreicht wird.
Der Versuch lässt sich auch ergänzen, indem man das Netz nicht fixiert, sondern es an einem Halter befestigt und diesen in die Hand nimmt (Schutzhandschuhe nicht vergessen). Bewegt man das Netz leicht nach unten auf die Flamme zu, so wird sie aus demselben Grund wie bereits beschrieben "gestaucht". Problem der Naturwissenschaftler: Wie kann man die Masse von Stoffen miteinander vergleichen, wenn zwei Körper nie die gleiche Form haben?
Wie kann man zwei Körper unterschiedlicher Form hinsichtlich ihres Gewichtes vergleichen? Eigentlich gar nicht! Man muss das Volumen mit in Betracht ziehen, sonst könnte man meinen, Kohle sei schwerer als Blei, nur weil man ein großes Stück Kohlenstoff mit einem kleinen Bleiwürfel vergleicht
Lösung: Wir berechnen das Volumen eines Körpers mit ein, indem wir die Masse durch das Volumen teilen. Man erhält so die Dichte. Die Dichte ist eine Stoffeigenschaft.
Bestimmung der Dichte von Aluminium in drei Schritten
Zur Bestimmung der Dichte muss man die Masse und das Volumen eines Körpers bestimmen:
1. Bestimmung der Masse eines Aluminiumwürfels:
- Waage: 2,7 g
2. Bestimmung des Volumens (zwei Wege sind möglich):
- Weg 1: Bestimmung des Volumens durch Messen der Kantenlänge: 1 cm3
- Weg 2: Bestimmung des Volumens durch Wasserverdrängung: 1 ml, das entspricht 1 cm3
3. Berechnung der Dichte:
- → Die Dichte von Al beträgt 2,7 g/cm3
Manchmal wird die Dichte auch als spezifisches Gewicht ausgedrückt.
Aufgaben
- Wie kann man die Dichte berechnen?
- Wie kann man die mittlere Dichte eines Körpers bestimmen? Schlage ein Experiment vor (Tipp: Badewanne)
- Betrachte die Dichtetabelle. Aus welchen Materialien würdest Du umweltfreundlichere Autos bauen? Warum?
- Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus. Hat das einen Einfluss auf die Dichte?
Dichtetabelle
Diese Tabelle gibt die Dichte einiger Stoffe und Elemente bei Normaldruck an.
Stoff | Dichte in g/cm3 | Stoff | Dichte in g/cm3 |
Osmium | 22,6 | Schwefel | 2,1 |
Platin | 21,5 | Phosphor | 1,8 |
Gold | 19,3 | Magnesium | 1,8 |
Uran | 18,7 | Meerwasser | 1,025 |
Quecksilber | 13,6 | Wasser | 0,99 |
Blei | 11,3 | Eis | 0,91 |
Silber | 10,5 | Kalium | 0,86 |
Kupfer | 8,9 | Alkohol | 0,79 |
Eisen | 7,8 | Benzin | 0,68 |
Zinn | 7,3 | Sauerstoff | 0,0013 |
Zink | 7,1 | Stickstoff | 0,0012 |
Chrom | 6,9 | Luft | 0,0012 |
Kohlenstoff | 3,5 | Neon | 0,00084 |
Aluminium | 2,7 | Helium | 0,00017 |
Silizium | 2,3 |
- Wie unterscheidet sich Chemie von anderen Naturwissenschaften?
- Nenne mind. 10 Punkte der Laborordnung, die Deinem Schutz dienen.
- Was brennt nun eigentlich, wenn du eine Kerze angezündet hast? Beschreibe, welche Aufgabe der Docht bei der Kerze hat.
- Die folgenden Sätze beschreiben, was beim Anzünden einer Kerze geschieht. Leider sind sie durcheinander geraten. Wie muss die richtige Reihenfolge lauten?
- a) Am Docht befindet sich festes Wachs. Es brennt nicht.
- b) Der Wachsdampf entzündet sich und beginnt zu brennen.
- c) Das flüssige Wachs steigt im Docht nach oben (ähnlich wie Tinte im Löschpapier).
- d) Der Wachsdampf erreicht seine Entzündungstemperatur.
- e) Wenn man eine Streichholzflamme an den Docht hält, wird das Wachs erhitzt und schmilzt.
- f) Das Wachs beginnt zu sieden und verdampft.
- Nenne Eigenschaften der folgenden Elemente: Eisen, Schwefel, Kupfer, Zink, Kohlenstoff, Magnesium.
- Beschreibe, wie man Metalle verzinken kann und beschreibe dann, wie man Messing herstellt.
- Was muss man beachten, um sich vor Natronlauge zu schützen?
- Nenne Kennzeichen von chemischen Reaktionen.
- Vergleiche die Flammen von Brenner und Kerze. Nenne verschiedene Eigenschaften und die Gründe dafür.
- Wiederhole die Regeln zum Bestimmen der Dichte.
- Wie ist die Einheit der Dichte? Gib sie bei allen Rechnungen mit an!
- Wie viel cm3 entsprechen einem 1ml Wasser?
- Wie schwer ist ein Kupferwürfel mit dem Volumen von 1,55 ml? Wie schwer ist ein vergleichbarer Bleiwürfel?
- Um welchen Faktor ist das Schwermetall Blei schwerer als das Leichtmetall Aluminium?
- Wie kann man die mittlere Dichte Deines Körpers bestimmen? Schlage ein Experiment vor (Tipp: Badewanne).
- Aus welchen Materialien würdest Du umweltfreundlichere Autos bauen? Warum?