Benutzer:Lerothas/Entwurf-EI-Stoffgemische-Gruppe-3

Dieses Buch befindet sich derzeit im Prozess der Entstehung. Habe bitte Verständnis, dass der Hauptautor die Zügel in der Hand behalten will. Frag vor inhaltlichen Veränderungen daher bitte erst bei diesem an, um die Zusammenarbeit abzustimmen. Beachte die Projektdefinition! Danke.

Hinweis:Dieser Abschnitt ist in Bearbeitung für ein Schulprojekt. Bitte nicht ändern!

Stoffteilchen-Modell

Grundlage für die Beschreibungen in diesem Kapitel ist das Stoffteilchen-Modell.

Das Stoffteilchen-Modell besagt, dass alle Stoffe aus sehr kleinen Stoffteilchen bestehen. Diese sind kugelförmig und der Raum zwischen ihnen ist leer. Stoffteilchen desselben Stoffes haben die gleiche Größe und Masse. Sie werden meist dargestellt als Kreise verschiedener Farben, auch wenn wir über die Färbung von Stoffteilchen nichts ausssagen können.

Beispiel: Das Stoffteilchen-Modell beim Lösevorgang von Zucker in Wasser:

Darstellung des Lösevorgangs von Zucker mit Zucker-Teilchen (gelb) in Wasser mit Wasser-Teilchen (blau): (a) Noch keine Lösung von Zucker. Der feste Zucker liegt neben dem flüssigen Wasser vor. (b) Zwischenstufe, in der einige Zucker-Teilchen bereits im Wasser gelöst sind, andere noch nicht. (c) Der Zucker ist komplett im Wasser gelöst, die Zucker-Teilchen sind von Wasser-Teilchen umgeben in Wasser gelöst.

Hinweis: Stoffteilchen sind nicht kleinste Teilchen, sondern "nur" kleine Teilchen! Es geht nämlich noch kleiner, wie du im Kapitel Anorganische Chemie für Schüler/ Atombau – Das Kern-Hüllen Modell und das Periodensystem der Elemente erfahren wirst.

Motivation

Die Untersuchung von Stoffen oder besser gesagt Chemikalien ist eines der Ziele der Chemie. Gut lassen sich Stoffe untersuchen, wenn sie nur aus einer Art Stoffteilchen bestehen. Denn dann zeigen sie einheitliche physikalische Eigenschaften und ein einheitliches chemisches Verhalten gegenüber anderen Stoffen. Leider liegen die meisten Stoffe in der Natur nicht in Reinstoffen vor, sondern in Stoffgemischen. Die Untersuchung von Stoffgemischen, deren Eigenschaften und letztendlich die Trennung eines Stoffgemisches in (nach Möglichkeit) Reinstoffe ist Inhalt dieses Kapitels.

Reinstoffe und Stoffgemische

Stoffe teilen sich auf in Reinstoffe und Stoffgemische. Letztere wiederum in heterogene (uneinheitliche) und homogene (einheitliche) Stoffgemische.

Wir unterscheiden verschiedene Arten von Stoffen je nach Kriterium. Eines ist die Unterscheidung nach der Anzahl an verschiedenen vorhandenen Stoffteilchen.

Stoffe sind Körper, die sich in Form und Gestalt zwar unterscheiden, aber in ihren spezifischen Eigenschaften wie Farbe, Dichte, elektrische Leitfähigkeit oder Löslichkeit nicht unterscheiden. So sehen Messer, Schere und Bohrmaschinenbohrer zwar unterschiedlich aus, aber betrachtet man die Eigenschaften, so stellt man fest, dass sie alle aus dem Stoff Stahl gefertigt sind. Andere Stoffe sind nicht einheitlich aufgebaut, sondern man kann einzelne Bestandteile erkennen wie bei Brausepulver.

Die Bestandteile eines heterogenen Stoffgemisches wiederum sind in sich homogen. Beispielsweise erkennt man unter dem Mikroskop die Bestandteile von Granit: halbdurchsichtiger, sehr harter Granit, undurchsichtiger, rötlich bis gelber, etwas weicherer Feldspat und silber-/schwarzglänzender, leicht spaltbarer Glimmer.

Beispiele für Reinstoffe:

• Eisennagel (ohne Legierung)
• Goldbarren
• Kochsalz (ohne Fluorid-Zusatz)
• Zucker

Beispiele für Stoffgemische:

• Brausepulver (heterogen)
• Milch (heterogen: Fetttröpfchen in der Milch, unter dem Mikroskop erkennbar)
• Kochsalz gelöst in Wasser (homogen)
• Speiseessig (homogen)

1. Aufgaben zur Wiederholung

1. Nenne weitere Beispiele für homogene und heterogene Stoffgemische, die du kennst.
2. Woran erkennt man einen Reinstoff?
3. Überprüfe die Bestandteile von Haarshampoo, Sprudel/Tafelwasser, Brausepulver oder Schokolade.

Arten von Stoffgemischen

Feststoffgemische, Suspension und Legierung

Uneinheitlich zusammengesetzte Stoffgemische aus Feststoffen nennt man Feststoffgemische oder Gemenge. Du kennst bereits das Brausepulver. Werden Feststoffe, die sich nicht oder nur wenig mit Wasser mischen (z.B. wie Sand), in Wasser gegeben, so erhält man zwei Phasen. Schüttelt man das Gefäß, so durchmischen sich die beiden Stoffe Wasser und Feststoff, sodass im Wasser unterschiedlich große Feststoffteilchen schwimmen. Man nennt dies eine aufgeschlämmte Suspension (von lateinisch suspendere = „in der Schwebe lassen“). Suspensionen entmischen sich relativ schnell wieder. Bei einem aufgeschlämmten Orangensaft mit Fruchtstückchen sieht man schon nach kurzer Zeit, wie sich die Bestandteile trennen.

Ein Feststoffgemisch aus drei Bestandteilen im Stoffteilchen-Modell

Experiment: Mischbarkeit von Sand und Wasser

Material: Reagenzglas, Stopfen, Reagenzglasständer, Sand, Wasser.

Versuchsbeschreibung

1. Gib etwas Sand in ein Reagenzglas und gib Wasser dazu.
2. Schüttele das Reagenzglas.

Beobachtung

1. Sand bildet eine Schicht am Boden des Reagenzglases, das Wasser ist darüber.
2. Die beiden Stoffe vermengen sich, trennen sich aber sehr schnell wieder. Das Wasser ist etwas dreckiger als vorher.

Schlussfolgerung

Sand und Wasser mischen sich nicht, erst beim Schütteln des mit einem Stopfen verschlossenen Reagenzglases vermengen sich beide Stoffe, trennen sich aber schnell wieder. Das Wasser ist etwas dreckiger, da sich einige Stoffe im Stoffgemisch Sand in Wasser lösen können.

Schmuck wie Ringe, Halsketten oder Ohrringe bestehen selten aus reinem Gold. Für diesen Zweck ist Gold selbst zu weich und würde sich verformen. Goldener Schmuck besteht meistens aus Schmuckgold einem Feststoffgemisch aus Metallen, die zusammengeschmolzen wurden. Man nennt so ein Stoffgemisch Legierung. Bekannt sind Messing aus Kupfer und Zink oder Bronze aus Kupfer und Zinn. Legierungen finden häufig bei Werkzeug oder Baumaterial Verwendung, da man Eigenschaften wie Härte oder Rostbeständigkeit durch bestimmte Mischungen verschiedener Metalle gut erreichen kann.

Eine Legierung im Stoffteilchen-Modell

Emulsion und Lösung

Lösungen von Feststoffen in Flüssigkeiten (Kochsalz in Wasser) oder Flüssigkeiten in Flüssigkeiten (Traubensaft) kennst du bereits aus dem Alltag oder dem Unterricht. Sie zeigen keine mit dem Auge oder dem Mikroskop erkennbaren Bestandteile auf. Was passiert aber mit Wasser und Öl?

Experiment: Mischbarkeit von Öl und Wasser

Material: Reagenzglas, Stopfen, Reagenzglasständer, Speiseöl, Wasser.

Versuchsbeschreibung:

1. Fülle etwa ein Drittel des Reagenzglases mit Wasser und ein weiteres Drittel mit Öl.

Schüttele das Reagenzglas.

Beobachtung

1. Öl und Wasser mischen sich nicht, sondern das Öl schwimmt über oder unter der Wasserphase (je nach verwendetem Öl).
2. Schüttelt man das mit einem Stopfen verschlossene Reagenzglas, so vermischen sich beide Stoffe, die Bestandteile sind aber noch eindeutig erkennbar.

Dieses Gemisch nennt man Emulsion (von lateinisch exmulgere = „herausgemolken“). Lässt man eine Emulsion eine Zeit lang stehen, so entmischen sich die Bestandteile wieder von alleine. Du kennst bereits Emulsionen aus deinem Alltag: Milch ist eine Emulsion von Wasser (mit noch u.a. Milchzucker) und Fetttröpfchen. Milch ist als Emulsion über lange Zeit stabil und entmischt sich kaum; dies liegt daran, dass in der Milch natürliche Emulgatoren enthalten sind, die eine Entmischung erschweren. Das macht man auch bei Cremes und Salben. Vielleicht ist dir schon mal aufgefallen, dass manchmal bei einer Feuchtigkeitscreme eine klare Flüssigkeit austritt. Diese besteht aus Wasser, das sich nach einiger vom Fett getrennt hat, und ist kein Grund zur Sorge. Milch ist ein Beispiel für eine Öl-in-Wasser-Emulsion, Feuchtigkeitscremes dagegen für eine Wasser-in-Öl-Emulsion.

Rauch, Nebel und Aerosol

Verbrennt man Holzkohle, so entsteht umgangssprachlich Rauch. Dabei fliegen kleine, sehr leichte Kohle-Teilchen mit der warmen Luft mit und verteilen sich. Ein Rauch ist ein Gemisch aus Feststoffpartikeln in einem Gas. Falls du die Nachrichten verfolgst: Es gibt aktuell große Diskussionen um Rußpartikel und Feinstaub in Großstädten. Auch das ist chemisch gesehen ein Rauch. Du kannst die kleinen Rußpartikel beim Brennen einer Kerze sichtbar machen:

Experiment: Sichtbarmachen von Rauch einer Kerze

Material: Kerze, Feuerzeug, Rundkolben.

Versuchsbeschreibung

Entzünde die Kerze und halte vorsichtig einen Rundkolben knapp über die Flamme.

Beobachtung

Es bildet sich eine schwarze Schicht auf dem Rundkolben.

Im Gegensatz dazu ist Nebel ein Gemisch aus feinen Flüssigkeitstropfen aus mehreren Flüssigkeitsteilchen in einem Gas. Du kennst es, wenn es im Herbst morgens sehr kalt ist und Wasser als Nebel im Luft die Sicht einschränkt. Du kannst einen Nebel aber auch selbst erzeugen:

Experiment: Erzeugen von Nebel

Material: Sprühflasche, Wasser.

Versuchsbeschreibung

Sprühe mit der vor dir liegenden Sprühflasche Wasser in die Luft.

Beobachtung

Es bildet sich ein feiner Nebel aus Wassertropfen, der schnell verschwindet.

Zusatzinformation
Die Begriffe Nebel und Rauch werden im Alltag nicht immer genau getrennt. Oft sind auch nicht nur feste, sondern auch flüssige Bestandteile in einem Gas vorhanden. In diesem Fall sprechen wir von einem Aerosol (aer lateinisch für „Luft“ und solum für die festen und flüssigen Bestandteile). Ein Beispiel für ein Aerosol ist Zigarettenrauch, in dem Feststoffteilchen und Flüssigkeitstropfen enthalten sind.

Lösung von Gas in Wasser, Schaum und Gasgemische

Du kennst bereits die Lösung eines Feststoffes in Wasser am Beispiel des Lösevorgangs von Kochsalz oder Zucker. Man kann aber auch Gase im Wasser lösen. Schaue dir dazu beispielsweise Tafelwasser/Sprudel an. Immer wieder entstehen Gasbläschen im Wasser und schweben nach oben. In dieser Gas-in-Wasser-Lösung ist das Gas Kohlenstoffdioxid im Wasser gelöst, das besonders beim Erwärmen oder Schütteln aus der Lösung entweicht.

Experiment: Untersuchen von Sprudel

Material: Sprudelflasche.

Versuchsbeschreibung

Betrachte die Sprudelflasche erst, bevor du sie anschließend leicht schüttelst.

Beobachtung

Es sind wenige Gasbläschen zu erkennen, die langsam nach oben steigen. Nach dem Schütteln sind es viel mehr Gasbläschen, die schnell nach oben steigen.

Eine andere Art von Gas-in-Wasser-Gemischen ist der Schaum.

Experiment: Erzeugen von Spülmittelschaum

Material: Becherglas, Trinkhalm, Spülmittel, Wasser.

Versuchsbeschreibung

Gib Wasser und ein wenig Spülmittel in das Becherglas, sodass es zu zwei Dritteln gefüllt ist. Stecke den Trinkhalm in das Becherglas und puste hinein.

Beobachtung

Es entsteht viel Schaum auf der Oberfläche des Becherglases.

Ein Schaum aus zwei Arten Gas-Teilchen und Wasser-Teilchen im Stoffteilchen-Modell

Umgangssprachlicher Schaum wird auch in der Fachsprache so benannt. Dabei sind kleine Gasbläschen von Flüssigkeit umgeben. Diese werden dadurch daran gehindert, in die Luft der Umgebung zu entweichen.

2. Aufgaben

1. Ordne den Stoffgemischen aus Abschnitt "Reinstoffe und Stoffgemische" die jeweilige Art des Gemisches zu.

Diffusion

Schüttet man zwei Flüssigkeiten zusammen, die sich mischen können, so haben beide Flüssigkeiten bereits genug "Schwung", um sich von alleine zu mischen. Aber wie sieht es aus, wenn wir wenig bis (am besten) gar keinen "Schwung" mitgeben?

Experiment: Diffusion von Kaliumpermanganat-Lösung und Wasser

Material: Becherglas (250 ml), Pipette, warmes Wasser, Kaliumpermanganat-Lösung.

Versuchsbeschreibung

1. Fülle warmes Wasser in das Becherglas, bis es etwa halb voll ist.
2. Pipettiere langsam Kaliumpermanganat-Lösung (violett) an den Boden des Becherglases.

Beobachtung

Zuerst bildet sich am Boden des Becherglases eine Schicht violetter Kaliumpermanganat-Lösung. Nach einiger Zeit löst sich diese aber auf und das Wasser nimmt eine leicht violette Farbe an.

Schlussfolgerung

Die beiden Lösungen durchmischen sich auch, wenn man sie untereinander gibt und in Ruhe lässt. Im Teilchenmodell:

Die Diffusion zweier Flüssigkeiten im Stoffteilchen-Modell: Links: keine Durchmischung; Mitte: Durchmischung beginnt; Rechts: Vollständige Durchmischung.

Verantwortlich für die Durchmischung ist die Brownsche Bewegung.

Stofftrennung

Trennen aufgrund verschiedener Dichten

Orangensaft mit Fruchtstücken ist für manche ein Qualitätsmerkmal, für manche ungenießbar. Du kennst aber bereits einen Trick, wenn man die Fruchtstückchen los werden will: Vorsichtig abgießen und ja nicht vorher schütteln. So bleiben die Stücke am Boden und gelangen nicht ins Glas.

Experiment: Sedimentieren und Dekantieren

Material:

• Zwei Bechergläser (jedes 100 ml)
• Glasstab
• Sand
• Destilliertes Wasser
• Tütensuppe

Durchführung:

1. In ein Becherglas 25 ml Tütensuppe hineingeben
2. 25 ml Sand hinzufügen
3. 50 ml Wasser oben drauf gießen

↓

→ Suspension

Beobachtung:

Die Nudeln in der Suppe werden weich.

Der Sand sinkt an den Boden.

Beim umkippen: die Nudeln und der Sand bleiben im Becherglas, das Wasser fließt in das zweite Becherglas. -> Dekantieren

Erklärung:

Im Laufe der Zeit setzt sich der Feststoff als Sediment am Boden ab, die Flüssigkeit darüber nicht, da das Wasser eine kleinere Dichte als der Feststoff hat.

Teilchenmodell des Experiments

Extrahieren und Trennen aufgrund verschiedener Teilchengrößen

Vor allem wenn wir krank sind, trinken wir gerne Tee. Doch wie kommen die Inhaltsstoffe aus den Teeblättern heraus und in das Getränk hinein? Nötig dazu sind zwei Verfahren, die die Chemie kennt:

Beim Aufgießen von Teeblättern mit heißen Wasser werden unter anderem die Aromastoffe aus den Teeblättern herausgelöst. Wir Chemiker nennen das Extraktion (das zugehörige Verb ist extrahieren). Durch den Teebeutel oder einen Teefilter werden anschließend die Feststoffe (die Teeblätter) durch die Filtration von der Flüssigkeit getrennt (das zugehörige Verb ist filtrieren). Übrig bleiben die Teeblätter als Rückstand im Filter und die Inhaltsstoffe als Filtrat im Tee.

Trennung durch Temperaturänderung

Wie du weißt haben verschiedene Stoffe unterschiedliche Schmelz- und Siedetemperaturen. Während Wasser bei Raumtemperatur flüssig ist, ist Butter fest und wird erst beim Erwärmen beispielsweise in der Pfanne flüssig.

Unterschiedliche Siedetemperaturen kann man ausnutzen, um Stoffe voneinander zu trennen. Wasser siedet bekanntermaßen bei 100◦ C, in Wasser gelöster Zucker aber erst viel später. Erhitzt man eine Zucker-Wasser-Lösung, so verdampft zuerst das Wasser und der Zucker bleibt übrig.

Chromatographieren

Tintenstrahldrucker besitzen üblicherweise vier verschiedene Patronen: Schwarz, Cyan, Magenta und Gelb. Durch Schwarz und diese drei Farben können sie alle Farben durch Mischung erzeugen. Man nennt dies subtraktive Farbmischung, wobei jede Farbe eine bestimmte Farbe aus dem weißen Licht/Sonnenlicht herausfiltert. Die gleiche Funktionsweise zeigt sich bei farbigen Filzstiften, in denen die Farben bereits vorher gemischt sind. Du kannst ja mal verschiedene Filzstifte nehmen und übereinander malen. Welche Farben ergeben sich jeweils? Diese Mischung lässt sich allerdings rückgängig machen. Vielleicht ist dir das schon mal passiert, als du aus Versehen einen Tropfen Wasser (oder vielleicht auch mehr?) auf einen Filzstiftpunkt in deinem Heft verschüttet hast. Die einzelnen Farbpartikel lösen sich in Teilen in Wasser und verteilen sich darin.

Zusatz: Adsorbieren und Filtrieren

Viele Lebensmittel enthalten (natürliche oder künstliche) Farbstoffe beispielsweise Cola. Diese Farbstoffe kann man aber mit der richtigen Methode entfernen und farblose Cola erzeugen!

Dazu verwendet man eine Kombination dir bereits bekannter Methoden: Zuerst wird ein Stoff (Aktivkohle) dazugegeben, an der Farbstoffteilchen sehr gut haften. Anschließend werden diese großen Teilchen-Verbände filtriert, sodass sie im Filtrat nicht mehr vorhanden sind.

Zusatz: Trennen durch Magnetismus

Wie du bereits weißt, sind bestimmte Stoffe magnetisch, andere nicht. Diese Eigenschaft kann man ausnutzen, um Stoffe voneinander zu trennen.

Experiment: Trennen von Sand und Eisenspänen

Material: 2 Bechergläser, Sand, Eisenspäne, Kupferspäne, Magnet, Schnappdeckelglas

Durchführung: 1. Stelle aus den Materialien ein Stoffgemisch her und gib es in ein Becherglas.

2. Stecke den Magneten in das Schnappdeckelglas.

3. Streich mit dem Schnappdeckelglas durch das Stoffgemisch.

4. Halte das Schnappdeckelglas in das andere Becherglas und entferne den Magneten daraus.

Beobachtung: Wenn man den Magneten in das Stoffgemisch hält wird das Eisen an das Schnappdeckelglas angezogen und somit aus dem Sand gefiltert.

Erklärung: Der Magnet zieht die Eisenspähne aus dem Sand, da das Eisen magnetisch ist und der Sand nicht.

Trennung eines Stoffgemisches

Durchführung:

1. Das Stoffgemisch in einen Filter geben. -> Rückstand im Filter: Sand, Eisenspäne
2. Eisenspäne mit einem Magneten herausfiltern
3. Wasser auf 100 Grad (Siedepunkt von Wasser) erhitzen (Verdampfen) -> Rückstand im Becherglas: Zucker

Lösungen

Aufgaben:

1. Bspw.: Feuchtigkeitscreme ist ein Stoffgemisch, das Eisen einer Büroklammer ist ein Reinstoff.
2. Einen Reinstoff erkennt man optisch daran, dass er keine verschiedenen Bestandteile aufweist, und chemisch und physikalisch daran, dass er einheitliche Stoffeigenschaften zeigt.
3. Individuelle Lösungen.

2. Aufgaben

1. Zuordnung:
   1. Brausepulver: Feststoffgemisch
   2. Milch: Emulsion
   3. Kochsalz gelöst in Wasser: Lösung
   4. Speiseessig: Lösung

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Anorganische Chemie für Schüler