RUNDUM CHEMIE1. Oberstufe. 7.Klasse. Lösungen zu den Aufgaben im Schülerband

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1 RUNDUM CHEMIE1 Oberstufe 7.Klasse

2 A 1 Die Naturwissenschaften erforschen systematisch die Vorgänge und Zusammenhänge in der Natur. A 2 Die Chemie beschäftigt sich mit Stoffen und ihren Eigenschaften sowie mit Stoffänderungen. A 3 In der Chemie versteht man unter einem Stoff eine Substanz, die durch bestimmte Eigenschaften charakterisiert ist. A 4 Die Geologie ist eine Naturwissenschaft, die sich mit der Gestalt, dem Aufbau, der Entwicklung und der stofflichen Zusammensetzung der Erde beschäftigt. A 5 Essig ist farblos, schmeckt sauer und riecht nach Essig. Salatöl ist gelblich, schmeckt ölig, riecht kaum. Mineralwasser ist farblos, schmeckt säuerlich und ist geruchlos. Apfelsaft ist gelb, schmeckt süß und riecht nach Apfelaroma. A 9 Der Mensch kann vier Geschmacksqualitäten unterscheiden: sauer, bitter, salzig, süß. Bereiche der Zunge, mit denen die Geschmacksqualitäten wahrgenommen werden: süß: vor allem im vorderen Bereich salzig und sauer: vor allem an den Seiten bitter: im hinteren Bereich A 10 elektrisch leitfähige Stoffe: Kupfer, Eisen, Graphit, KochsalzLösung, Essig Isolatoren: Glas, Porzellan, Diamant, destilliertes Wasser, Luft A 11 Astronomie ist eine Naturwissenschaft. Sie beschäftigt sich mit den Sternen und mit dem Weltall. Die Astrologie dagegen arbeitet nicht mit naturwissenschaftlichen Methoden. Sie versucht, aus Stellungen der Sterne und Planeten das Schicksal der Menschen vorherzusagen. Seite 11/V2 In der heißesten Zone der Flamme direkt über dem Innenkegel herrscht eine Temperatur von bis zu 1250 C. An der Spitze des äußeren Kegels kann man 1100 C messen; im Innenkegel beträgt die Temperatur nur rund 400 C. A 6 Ruß: schwarz; Schwefel: gelb; Kupfersulfat: blau; Chromalaun: schwarzviolett; Brom: rotbraun farblose oder weiße Stoffe: Glas, Kochsalz, Zucker, Wasser, Luft A 7 a) Man kann zwischen drei bzw. vier Arten von Kristallen unterscheiden (Zitronensäure, Natron, Zucker, ggf. Farbstoff). b) sauer (Zitronensäure), bitter (Natron), süß (Zucker) c) keine Beobachtung bei der Zugabe eines Wassertropfens auf Kristalle einer Art; Aufschäumen und Entwicklung eines farblosen Gases bei Zugabe zu dem Kristallgemisch. A 8 A 12 Metalle leiten die Körperwärme der Hand schneller ab als Holz, da sie sehr gute Wärmeleiter sind. Daher empfindet man das Metall als kälter. A 13 Die Lampe leuchtet hell, wenn Metallgegenstände zwischen die beiden Kabel geschaltet werden. Sie leuchtet nur schwach, wenn die Kabel in Lösungen von Kochsalz oder Essig eintauchen. Die Lampe leuchtet nicht, wenn man die Kabel in Leitungswasser oder in Zuckerlösung eintaucht. A 14 (Olivenöl) 18,4 g 0,92 g ml 1 20 ml A 15 V (Luft) m (Luft) 12 m 8 m 2,7 m 259,2 m L (Luft) V 1,2 g L I L g 311 kg A 2

3 A 16 A 24 Beide Typen von Ballons schweben in der Luft, weil ihre Dichte kleiner ist als die von Luft. Helium besitzt als Ballongas eine rund sieben mal kleinere Dichte als Luft. Auch die durch einen Propanbrenner auf einige Hundert Grad erhitzte Luft hat eine kleinere Dichte als Luft bei normaler Temperatur. A ml CocaCola wiegen 340 g. Die Dichte beträgt also 1,03 g ml 1. Bei Colalight wiegen 330 ml 323 g. Damit ergibt sich eine Dichte von 0,98 g ml 1. A 18 Durch die Bewegung von LuftTeilchen in der Luft und von ParfümTeilchen im Parfümdampf vermischen sich beide Teilchenarten allmählich. ParfümTeilchen verteilen sich so im Laufe der Zeit im ganzen Zimmer. A 25 Bratenfett schmilzt in der Pfanne, flüssiges Fett erstarrt beim Abkühlen. Wasser siedet im Wasserkessel, an kalten Fensterscheiben kondensiert Wasserdampf. Eiskristalle sublimieren im Sonnenlicht zu Wasserdampf, in kalten Nächten resublimiert Wasserdampf an den Ästen der Bäume und bildet als Raureif Eiskristalle. In 1 kg Wasser lösen sich bei 20 C maximal 360 g Kochsalz, 2040 g Zucker oder 2 g Gips. A 19 Fett ist in Wasser unlöslich, aber in Benzin gut löslich. Der Fettfleck lässt sich daher mit Waschbenzin entfernen. A 20 A 26 a) 1740 Temperatur in C Sieden Kondensieren gasförmig Zunächst wird eine gesättigte Lösung von Alaunsalz in Wasser bei über 80 C hergestellt und gut umgerührt. Wenn die Temperatur der Lösung auf 80 C gesunken ist, gießt man genau 20 g Lösung in ein zuvor gewogenes Becherglas und dampft sie ein. Dann wird das Becherglas mit dem Salz gewogen. Aus der Differenz der beiden Wägungen errechnet sich die Masse des zuvor gelösten Salzes. Aus der Differenz der Masse der eingedampften Lösung (20 g) und der Masse des Salzes erhält man die Masse des verdampften Wassers. Aus der Masse des Salzes und der Masse des verdampften Wassers kann schließlich die Löslichkeit berechnet werden. Wenn die Lösung auf 20 C abgekühlt ist, wird ihr nochmals eine 20gProbe entnommen und wie oben beschrieben verfahren. A 21 Es handelt sich um Luft. Sie war zuvor in Wasser gelöst und entweicht bei höherer Temperatur in Form feiner Gasbläschen. A 22 Es handelt sich um Wasserdampf. A 23 Durch die Bewegung der WasserTeilchen werden die ZuckerTeilchen aus dem festen Verband der ZuckerKristalle herausgelöst und im Laufe der Zeit gleichmäßig in der Lösung verteilt. b) 327 fest A 27 IodTeilchen verlassen den geordneten Verband im Iod Kristall und gehen direkt in den ungeordneten Zustand von Gasteilchen über: Es bildet sich Ioddampf. Bei der Resublimation bilden die IodTeilchen aus dem Ioddampf wiederum den geordneten Verband von IodTeilchen; neue IodKristalle entstehen. A 28 Schmelzen Erstarren flüssig Wärmeenergie fest flüssig gasförmig Die Sonnenstrahlung erwärmt das Wasser. Die Wasser 3

4 Teilchen bewegen sich dadurch schneller. Die schnellsten können den Teilchenverband verlassen, das Wasser verdampft. A 29 In dem Eis/WasserGemisch herrscht eine Temperatur von 0 C. Die warme Luft in der Umgebung des Eis/Wasser Gemischs lässt das Eis nach und nach schmelzen. Dabei entsteht aus dem Eis von 0 C Wasser von 0 C. Erst wenn alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur. Seite 22/V 1 a) Temperatur in C A 31 Ein Reinstoff hat stets gleich bleibende Eigenschaften. A 32 Beispiele: Haarshampoo: Wasser, Natriumlaurylsulfat, Laureth2, Natriumchlorid, Panthenol, Niacinamid, Glycoldistearat, PEG7Glycerylcocoat, Cocamidopropylbetain, Zitronensäure, Ethoxydiglycol, Propylenglycol, Butylenglycol, Parfüm, Natriumbenzoat, Natriumsalicylat Limonade: Wasser, Kohlensäure, Farbstoff E150 d, Süßstoffe (Natriumcyclamat, AcesulfamK, Aspartam), Phosphorsäure, Zitronensäure, Aroma Schokolade: Zucker, Kakaobutter, Sahnepulver, Kakaomasse, Süßmolkenpulver, Magermilchpulver, Milchzucker, Lecithin, Vanillin A 33 Hinweis: Unmittelbar vor jedem Ablesen des Messwertes muss man mit dem Thermometer gut umrühren. b) Die Siedetemperatur von Ethanol beträgt 78 C. Die Temperatur bleibt so lange konstant, bis die Flüssigkeit verdampft ist: Die Verdampfungswärme wird benötigt, um die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen in der Flüssigkeit zu überwinden. Seite 22/V 2 a) Das Ethanol verdampft. Das Volumen des Dampfes ist sehr viel größer als das der Flüssigkeit. b) A 30 0 fest 2 Zeit in min gasförmig homogene Gemische: Salzwasser, Messing, Luft heterogene Gemische: Waschpulver, Studentenfutter, Wasserfarbe Tee, Braunglas, Granit und Schmuckgold sind homogene Gemische; trüber Apfelsaft, Orangennektar und Sandstein sind heterogene Gemische. Seite 28/V 1 a) Beim Erhitzen des ColaGetränkes entweicht ein Gas, das Kalkwasser trübt. Nach Zugabe der Aktivkohle entfärbt sich die Flüssigkeit. Beim Eindampfen der Flüssigkeit erhält man einen weißen Rückstand, der sich bei weiterem Erhitzen dunkel färbt. b) Im Arbeitsschritt 3 wird gelöstes KohlenstoffdioxidGas ausgetrieben. c) typische Messwerte: Zuckeranteil: 5,5 5,8 g in 50 ml bzw % d) Beim Trennverfahren handelt es sich um eine Adsorption: Die FarbstoffTeilchen werden an die Oberfläche der Aktivkohle gebunden und können dann zusammen mit der Aktivkohle durch Filtration abgetrennt werden. e) Die Dichte des ColaGetränks beträgt nach Entfernung des Kohlenstoffdioxids 1,045 g ml 1. Dies entspricht einem Zuckeranteil von etwa 12 %. Seite 28/V 2 Das Wasser steigt in dem ChromatografiePapier nach oben und nimmt dabei die einzelnen Farbstoffe unterschiedlich weit mit. Schließlich zeigen sich auf dem Papierstreifen verschiedene Flecken in den Farbtönen rot, gelb und blaugrün. Seite 31/V 1 a) Beim Erhitzen schmilzt der Schwefel und verdampft 4

5 schließlich. Das heiße Kupferblech glüht auf, sobald der Schwefeldampf mit ihm in Kontakt kommt. Dabei entsteht ein blauschwarzes Reaktionsprodukt. b) Das Reaktionsprodukt unterscheidet sich von den Ausgangsstoffen Kupfer und Schwefel durch seine Farbe. Außerdem ist es hart und spröde. c) Ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften ist entstanden. Außerdem findet beim Aufglühen ein Energieumsatz statt. d) Die Freisetzung von Energie erkennt man am Aufglühen während der Reaktion. Seite 31/V 2 A 38 Kupfersulfat + Wasser KupfersulfatHydrat; exotherm A 39 chemische Reaktionen: c), e) A 40 Kupferglanz wird an der Luft erhitzt. Dabei bildet sich Kupferstein, ein Gemisch aus Kupferoxid und Kupfersulfid. Bläst man bei etwa 900 C Sauerstoff in dieses Gemisch, so erhält man Rohkupfer, das anschließend noch gereinigt wird. a) Zunächst bildet sich violetter Ioddampf. Wenn das erhitzte Kupferblech mit dem Dampf in Kontakt kommt, beobachtet man eine Entfärbung des Dampfes. Gleichzeitig bildet sich ein weißer Feststoff. b) Das Reaktionsprodukt hat eine andere Farbe als die Ausgangsstoffe. Außerdem ist es hart und spröde. A 34 Chemische Reaktionen erkennt man daran, dass neue Stoffe entstehen. Außerdem findet dabei stets ein Energieumsatz statt. A 35 Bildung von Kupfersulfid Bildung von Kupferiodid Anzünden eines Streichholzes Auflösen einer Brausetablette A 36 a) Das Reaktionsprodukt hat andere charakteristische Eigenschaften als die Ausgangsstoffe. b) Beim Erhitzen schmilzt der Schwefel und verdampft schließlich. Das heiße Kupferblech glüht auf, sobald der Schwefeldampf mit ihm in Kontakt kommt. Dabei entsteht ein blauschwarzes Reaktionsprodukt. A 37 a) Bei exothermen chemischen Reaktionen wird Wärme abgegeben, bei endothermen Reaktionen wird Wärme aufgenommen. b) exotherm: Bildung von KupfersulfatHydrat aus Kupfersulfat und Wasser; Verbrennen von Holz endotherm: Bildung von Kupfersulfat und Wasser aus KupfersulfatHydrat; Grillen von Fleisch A 41 Kupfer + Schwefel Kupfersulfid; exotherm Zink + Schwefel Zinksulfid; exotherm Die Reaktion von Zink mit Schwefel ist stärker exotherm als die Reaktion von Kupfer mit Schwefel. A 42 Unter Aktivierungsenergie versteht man die Energie, die man benötigt, um eine chemische Reaktion in Gang zu setzen. A 43 Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion herabsetzt. A 44 Wasserstoffperoxid Wasser + Sauerstoff; exotherm Energie A 45 Ausgangsstoff: Wasserstoffperoxid aktivierterzustand ohne Braunstein aktivierter Zustand mit Braunstein Endstoffe: Wasser + Sauerstoff Die chemische Energie von Kohle und Luft (Sauerstoff) wird in Wärmeenergie umgewandelt. Damit wird Wasser erhitzt und verdampft. Der heiße Wasserdampf (Wärmeenergie) treibt einen Generator an, der dadurch wie ein 5

6 Dynamo am Fahrrad in eine Drehbewegung versetzt wird (Bewegungsenergie). Der Generator selbst wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Seite 46/V 2 a) d) siehe Tabelle A 46 Für das Anzünden eines Streichholzes benötigt man Aktivierungsenergie. A 47 Die Aktivierungsenergie für die Verbrennungsvorgänge im Motor eines Autos liefert die Autobatterie im Form eines Zündfunkens. A 48 Die bei der exothermen Reaktion der Nährstoffe mit Sauerstoff frei werdende Energie wird zum Teil in Wärmeenergie und zum Teil in Bewegungsenergie umgewandelt. Ein weiterer Teil wird als chemische Energie in Form von Fett oder anderen Reservestoffen gespeichert. A 49 Reinstoffe teilt man in Elemente (z. B. Eisen, Kupfer) und Verbindungen (z. B. Kupfersulfid, Kupferiodid) ein. A 50 Elemente sind Reinstoffe, die man nicht weiter zerlegen kann. Verbindungen lassen sich dagegen in die Elemente zerlegen, aus denen sie aufgebaut sind. A 51 Als Synthese bezeichnet man die Herstellung einer Verbindung aus den jeweiligen Elementen. Unter Analyse versteht man die Zerlegung einer Verbindung. A 52 gasförmige Elemente: Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Neon, Chlor, Argon, Krypton, Xenon, Radon Seite 46/V 1 a) Das Ergebnis der Wägung vor der Reaktion und das Ergebnis der Wägung nach der Reaktion stimmen überein. c) Die Masse der Endstoffe ist gleich der Masse der Ausgangsstoffe. d) Der Luftballon verschließt das Reagenzglas, sodass keine Stoffe hinzutreten und keine Stoffe entweichen können. Hinweis: Ein Gummistopfen, der den gleichen Zweck erfüllen könnte, würde wegfliegen, wenn sich die im Reagenzglas befindliche Luft beim Erwärmen ausdehnt. e) Kupfer und Schwefel reagieren miteinander im Massenverhältnis 4:1. f) Wenn das Kupfer nicht vollständig reagiert hat, sieht das Produkt teilweise noch kupferfarben aus. Wenn es vollständig reagiert hat, lässt sich das spröde Reaktionsprodukt zerbröseln. g) Wenn Schwefel am Kupfersulfid hängt, wird das Ergebnis verfälscht; der Massenanteil an Schwefel ist dann zu hoch. Das Produkt sieht an einigen Stellen glänzend aus. Überschüssigen Schwefel erkennt man auch an seiner Farbe. A 53 Radioaktivität ist die Erscheinung, dass Elemente wie Uran ohne jede Einwirkung von außen Strahlen aussenden; dabei entstehen Atome anderer Elemente. Strahlen werden zur Kathode abgelenkt, sie bestehen aus zweifach positiv geladenen HeliumIonen (He 2+ ). Strahlen werden zur Anode abgelenkt, es handelt sich um schnelle Elektronen. Strahlen sind elektrisch neutral, sie werden daher nicht abgelenkt. A 54 Beispiele: Altersbestimmung von historischen Funden oder Gesteinen, Durchleuchten von Gegenständen in der Metallindustrie, Diagnose und Behandlung in der Medizin A 55 RUTHERFORD entwickelte das Kern/HülleModell: Danach hat ein Atom ein Massezentrum mit positiver Ladung, den Atomkern. Um den Atomkern bewegen sich die negativ geladenen, fast masselosen Elektronen. Sie bilden die Atomhülle (Elektronenhülle). A 56 Die meisten Teilchen gelangen ungehindert durch die Goldfolie, da sie weder von den Atomkernen abgelenkt werden noch mit ihnen zusammenstoßen. Sie sind auf dem Schirm gegenüber der Lochblende zu sehen. Einige Teilchen werden durch Atomkerne von ihrer Bahn abgelenkt oder durch den Zusammenstoß mit Atomkernen zurückgeworfen. A 57 d (Atomkern) 3 cm; er ist mal kleiner als das Atom selbst. d (Atom) cm cm 300 m 6

7 A 58 positiv geladene Ionen: Aus der Atomhülle wurden Elektronen abgegeben, daher übersteigt die Anzahl der positiven Ladungen im Kern die Anzahl der negativen Ladungen in der Hülle. negativ geladene Ionen: In die Atomhülle wurden Elektronen aufgenommen, daher übersteigt die Anzahl der negativen Ladungen in der Hülle die Anzahl der positiven Ladungen im Kern. A 59 Das Kern/HülleModell und der Streuversuch von RUTHERFORD zeigen, dass das Atom aus kleineren Teilchen besteht, die im Atomkern bzw. in der Atomhülle angeordnet sind. Auch das Auftreten radioaktiver Strahlung weist auf die Teilbarkeit von Atomen hin. Der Name Atom wurde aber beibehalten, da er bereits zu einem festen Begriff in der Fachsprache geworden war. A 60 Anzahl der Anzahl der Ordnungszahl Protonen Neutronen Schwefel: 0,95 32 u + 0, u + 0, u 32,092 u Diese Werte sind nur wenig größer als die Tabellenwerte. Hinweis: Ursache für die Abweichung ist der Massendefekt, also die Umwandlung eines kleinen Anteils der Masse in Energie bei der Bildung von Atomen aus den Elementarteilchen. A Te: 128 u 53 I: 127 u Der Atomkern des Iods enthält mit 53 Protonen ein Proton mehr als der des Tellurs. Die Zahl der Protonen bestimmt die Ordnungszahl. Die größere Atommasse des Tellurs ergibt sich aus zwei zusätzlichen Neutronen. A 64 m (D 2 O) 20 u M (D 2 O) 20 g mol 1 A 65 1 H H H C C C O Na Al P S Ca I Ba U U A 61 Wasserstoff besitzt mehrere Isotope. Ein WasserstoffAtom hat ein Proton und ein Elektron. Ein DeuteriumAtom hat ein Proton, ein Neutron und ein Elektron. Ein TritiumAtom hat ein Proton, zwei Neutronen und ein Elektron. Alle drei Atomarten gehören zum Element Wasserstoff, denn sie besitzen jeweils ein Proton. A 62 Magnesium: 0, u + 0, u + 0, u 24,325 u Silicium: 0, u + 0, u + 0, u 28,109 u Nach DALTON sind Atome unteilbar; alle Atome eines Elements sind einander gleich, haben also auch die gleiche Masse. Die Bildung von Ionen, die Radioaktivität und das Auftreten von Isotopen konnten mit diesem Modell nicht erklärt werden, sie ließen sich aber mit Hilfe des Kern/HülleModells beschreiben. A 66 Für den Nachweis von Protonen und Elektronen spielte ihre elektrische Ladung eine entscheidende Rolle. Für den Nachweis der ungeladenen Neutronen musste daher eine völlig neue Versuchsanordnung entwickelt werden. A 67 Durch kosmische Strahlung wird laufend das radioaktive Nuklid 14 C gebildet. Es sendet Strahlen aus und hat eine Halbwertszeit von Jahren. Über die Photosynthese gelangt das Nuklid in Pflanzen und mit der Nahrung auch in den Organismus von Tieren und Menschen. Während der gesamten Lebenszeit bleibt der 14 CAnteil konstant. Wenn das Lebewesen gestorben ist, sinkt der Anteil des 14CNuklids durch den radioaktiven Zerfall. Über die Bestimmung des noch vorhandenen Rests des Nuklids lässt sich dann beispielsweise das Alter von Holz oder Knochen ermitteln. A 68 Für die Angabe von Atommassen benutzt man eine eigene Einheit, weil die sonst verwendeten Masseneinheiten viel zu groß sind. Die atomare Masseneinheit ist 1 u. 7

8 A 69 1 u m (WasserstoffAtom) 1 u 1, g A 70 m (WasserstoffAtom) 1 u 1, g A 71 m (SauerstoffAtom) 0, g 26, g m (SauerstoffAtom) 26, g 16 u 1, g u 1 A 72 Mg: Magnesium H: Wasserstoff C: Kohlenstoff Pb: Blei Ge: Germanium Au: Gold A 76 Massenverhältnis: m (Kupfer) 1g m (Iod) 2g Anzahl N der KupferAtome: N (CuAtome) m (Kupfer) 1g m (CuAtom) 63,5 u u 22 0, ,5 u Anzahl N der IodAtome: m (Iod) N (IAtome) 2g m (IAtom) 127 u u 22 0, u N (CuAtome) 0, Atomanzahlverhältnis: 1 N (IAtome) 0, Verhältnisformel: CuI A 77 A 73 N: Nitrogenium (lat.: Stickstoff) O: Oxygenium (lat.: Sauerstoff) Sb: Stibium (lat.: Antimon) A 74 a) Salzartige Stoffe sind kristalline Feststoffe. Die Salzkristalle bestehen aus einem gitterartigen Atomverband aus sehr vielen Atomen. Molekülverbindungen sind Gase, Flüssigkeiten und leicht flüchtige Feststoffe. Im Gegensatz zu salzartigen Stoffen sind sie aus Molekülen aufgebaut. Moleküle sind kleinste Teilchen, die aus einer bestimmten, kleinen Anzahl von Atomen bestehen. b) Verhältnisformeln geben das Atomanzahlverhältnis in einem Atomverband an. Molekülformeln machen zusätzlich eine Aussage über die genaue Anzahl der Atome in einem Molekül. A 75 Zunächst muss man das Massenverhältnis bestimmen, in dem die beiden Elemente miteinander reagieren und in der Verbindung enthalten sind. Danach kann man aus dem Massenverhältnis mit Hilfe der Atommassen das Atomanzahlverhältnis errechnen. Die Verhältnisformel gibt dann die Symbole der beteiligten Elemente und als kleine, tief gestellte Zahlen das Atomanzahlverhältnis an. Verhältnisformel: FeS Atomanzahlverhältnis: N (FeAtome) 1 N (SAtome) 1 Masse Eisen: m (Eisen) m (FeAtom) N (FeAtom) 56 u 1 56 u Masse Schwefel: m (Schwefel) m (SAtom) N (SAtom) 32 u 1 32 u m (Eisen) Massenverhältnis: 56 u 7 m (Schwefel) 32 u 4 A 78 Bei der Formel C 6 H 12 O 6 muss es sich um eine Molekülformel handeln. Die entsprechende Verhältnisformel wäre CH 2 O. A 79 2 CuI (s) 2 Cu (s) + I 2 (g); endotherm A 80 2 Al (s) + 3 I 2 (g) 2 AlI 3 (s) A 81 2 Cu (s) + S (s) Cu 2 S (s) 8

9 A 82 A 89 Auf der linken und auf der rechten Seite einer Reaktionsgleichung müssen immer gleiche Atomanzahlen stehen. Kennt man die Formel eines beteiligten Stoffes nicht, kann man die Faktoren vor den Formeln nicht korrekt angeben. A 83 Wasser bildet sich durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Dementsprechend lässt sich Wasser auch in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Bei diesen Stoffen handelt es sich um Elemente. A 84 Mg (s) + H 2 O (g) MgO (s) + H 2 (g); exotherm 3 Fe (s) + 4 H 2 O (g) Fe 3 O 4 (s) + 4 H 2 (g); exotherm A 85 Man versucht, die Verbindung in Elemente zu zerlegen und aus den Elementen die Verbindung wiederherzustellen. A 86 m (Kalkstein) L (Kalkstein) m (Wasser) 0,002 g 250 g m 100 g Wasser 0,005 g 5 mg A 90 m (Sauerstoff) V (Lösung) (Sauerstoff) 75 L 9 mg L mg A 91 m (Meerwasser) (Meerwasser) V (Meerwasser) 1,025 g ml ml 1025 g m (Salz) w (Meerwasser) m (Meerwasser) 0, g 35,9 g A 92 a) Da 2 ml Wasserstoff mit 1 ml Sauerstoff zu Wasser reagieren, bleiben 2 ml Sauerstoff übrig. Die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff verläuft stark exotherm; es wird also viel Wärme frei. Das Reaktionsprodukt (Wasser) ist unproblematisch für die Umwelt. A 87 Der Massenanteil beschreibt das Verhältnis der Masse des gelösten Stoffes zur Masse der Lösung. Bei der Berechnung des Massenanteils kürzt sich deshalb die Einheit der Masse heraus. Meist gibt man den Massenanteil in % an; dazu wird der eigentliche Zahlenwert mit 100 multipliziert. Die Massenkonzentration gibt das Verhältnis zwischen der Masse des gelösten Stoffes und dem Volumen der Lösung wieder. Sie wird deshalb in der Einheit g/l angegeben. A 88 a) w (Kochsalz) 9 g 9 g g b) V (Wasser) 1000 ml (Wasser, 20 C) 1 g ml 1 m (Kochsalz) m (Kochsalz) + m (Wasser) 100 % 5,66 % m (Wasser) (Wasser) V (Wasser) 1000 g 9 g w (Kochsalz) 100 % 0,9 % 9 g g 100 % b) Man fügt 4 ml Wasserstoff hinzu und zündet. Das Gemisch setzt sich vollständig zu Wasser um. A 93 a) Die Verhältnisformel von Kupferchlorid lautet CuCl 2. b) Die Verhältnisformel von Aluminiumchlorid lautet AlCl 3. A 94 Eine Stoffportion, die die Stoffmenge n 1 mol enthält, besteht aus Teilchen. A 95 Die molare Masse ist die Masse von 1 mol eines Stoffes: M M n A 96 Die AVOGADROKonstante N A gibt an, wie viele Teilchen in einem Mol eines Stoffes enthalten sind: N A mol 1 A 97 a) M (Au) 196,7 g mol 1 M (Zn) 65,37 g mol 1 M (Cr) 52 g mol 1 b) M (C 2 H 6 O) ( ) g mol 1 46 g mol 1 9

10 A 98 Gegeben: n (NaCl) 1,5 mmol 0,0015 mol M (NaCl) 58,5 g mol 1 m (Natriumchlorid) n (NaCl) M (NaCl) 0,0015 mol 58,5 g mol 1 0,088 g A 99 a) Fe (s) + S (s) FeS (s) b) Gegeben: m (Eisen) 14 g b) Das Gas wird flüssig, ehe sein molares Volumen 0 L mol 1 beträgt. Dann aber gilt der dargestellte Zusammenhang zwischen molarem Volumen und Temperatur nicht mehr. A 104 a) m V M V m M (Helium) V m 0,17 g L 1 24 L mol 1 4 g mol 1 Der Wert der molaren Masse entspricht dem Zahlenwert der Atommasse des Heliums. Demnach besteht Helium aus Atomen, nicht aus Molekülen. b) M (Stickstoff) 1,17 g L 1 24 L mol 1 28 g mol 1 M (Fe) 55,9 g mol 1 n (Fe) m (Eisen) 14 g 0,25 mol M (Fe) 55,9 g mol 1 Da das Stoffmengenverhältnis zwischen Schwefel und Eisen 1:1 ist, beträgt die Stoffmenge der benötigten SchwefelAtome ebenfalls 0,25 mol. c) m (Schwefel) M (S) n (Schwefel) 32 g mol 1 0,25 mol 8 g Man benötigt 8 g Schwefel. A 100 Aus der Grafik entnimmt man den Wert: V m (100 C, 1013 hpa) 30,3 L mol 1 A 101 Da Teilchen immer in ganzzahligen Verhältnissen miteinander reagieren und für gasförmige Stoffe das Gesetz von AVOGADRO gilt, müssen bei der Reaktion von Gasen ganzzahlige Volumenverhältnisse auftreten. Hinweis: Die Volumenverhältnisse sind dabei gleich den Teilchenanzahlverhältnissen. A 102 Gegeben: V (Sauerstoff) 10 L V m (80 C, 1013 hpa) 29,0 L mol 1 m (Silbersulfid) m (Schwefel) M (Ag 2 S) M (S) V m V (Sauerstoff) n (O n (O 2 ) V (Sauerstoff) m (Schwefel) m (Silbersulfid) 2 ) M (S) 10 L M (Ag 0,34 mol 2 S) V m 29 L mol g In 10 L Sauerstoff ist bei 80 C und normalem Luftdruck 32 g mol 1 19,4 g die Stoffmenge n (O 2 ) 0,34 mol enthalten. 248 g mol 1 Um 150 g Silbersulfid herzustellen, werden 19,4 g Schwefel benötigt. A 103 Die Atommasse des Stickstoffs beträgt 14 u. Der Zahlenwert der molaren Masse ist etwa doppelt so groß. Demnach besteht Stickstoff aus N 2 Molekülen. A 105 Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff sind aus Molekülen aufgebaut. A 106 Bei der Formel P 4 O 10 handelt es sich um eine Molekülformel, weil die Zahlen 4 und 10 den gemeinsamen Teiler 2 haben. Die Verhältnisformel von Phosphoroxid lautet P 2 O 5. A 107 Traubenzucker muss eine Molekülverbindung sein, da die Formel C 6 H 12 O 6 eine Molekülformel ist. Die entsprechende Verhältnisformel wäre CH 2 O. A 108 Gegeben: m (Silbersulfid) 150 g 2 Ag (s) + S (s) Ag 2 S M (Ag 2 S) 248 g mol 1 ; M (S) 32 g mol 1 n (Ag 2 S) : n (S) 1 : 1 n (Ag 2 S) n (S) 10

11 A 109 Gegeben: m (Aluminiumoxid) 100 g 4 Al (s) + 3 O 2 (g) 2 Al 2 O 3 (s) M (Al 2 O 3 ) 102 g mol 1 ; M (Al) 27 g mol 1 n (Al 2 O 3 ) : n (Al) 1 : 2 2 n (Al 2 O 3 ) n (Al) 2 m (Aluminiumoxid) m (Aluminium) M (Al 2 O 3 ) M (Al) 2 m (Aluminiumoxid) M (Al) m (Aluminium) M (Al 2 O 3 ) g 27 g mol1 52,9 g 102 g mol 1 Man benötigt 52,9 g Aluminium, um 100 g Aluminiumoxid herzustellen. A 110 a) Gegeben: m (Kohlenstoff) 10 g 2 Mg (s) + CO 2 (g) 2 MgO (s) + C (s) m (Wasserstoffperoxid) V (Sauerstoff) 2 M (H 2 O 2 ) V m V (Sauerstoff) 1 2 m (Wasserstoffperoxid) V M (H m 2 O 2 ) g 24 L mol 1 4,2 L 34 g mol 1 Man erhält bei der Reaktion 4,2 L Sauerstoff. b) n (H 2 O 2 ) : n (H 2 O) 1 : 1 n (H 2 O 2 ) n (H 2 O) m (Wasserstoffperoxid) m (Wasser) M (H 2 O 2 ) M (H 2 O) m (Wasser) m (Wasserstoffperoxid) M (H 2O) M (H 2 O 2 ) 12 g 18 g mol1 6,4 g 34 g mol 1 Bei der Reaktion entstehen 6,4 g Wasser. A 112 Gegeben: m (Eisen) 10 g 8 Al (s) + 3 Fe 3 O 4 (s) 4 Al 2 O 3 (s) + 9 Fe (s) M (CO 2 ) 44 g mol 1 ; M (C) 12 g mol 1 n (CO 2 ) : n (C) 1 : 1 n (CO 2 ) n (C) m (Kohlenstoffdioxid) m (Kohlenstoff) M (CO 2 ) M (C) m (Kohlenstoffdioxid) m (Kohlenstoff) M (CO 2) M (C) 10 g 44 g mol 1 36,7 g 12 g mol 1 Es werden 36,7 g Kohlenstoffdioxid benötigt, um 10 g Kohlenstoff zu erhalten. b) Gegeben: m (Kohlenstoffdioxid) 36,7 g n (CO 2 ) m (Kohlenstoffdioxid) V (Kohlenstoffdioxid) M (CO 2 ) V (Kohlenstoffdioxid) m (Kohlenstoffdioxid) Vm M (CO 2 ) 36,7 g 24 L mol 1 20 L 44 g mol 1 36,7 g KohlenstoffdioxidGas nehmen bei 20 C und normalem Luftdruck ein Volumen von 20 L ein. A 111 a) Gegeben: m (WasserstoffperoxidLösung, 10%ig) 120 g m (Wasserstoffperoxid) 12 g 2 H 2 O 2 (l) 2 H 2 O (l) + O 2 (g) V m M (H 2 O 2 ) 34 g mol 1 ; M (O 2 ) 32 g mol 1 n (H 2 O 2 ) : n (O 2 ) 2 : 1 n (H 2 O 2 ) 2 n (O 2 ) M (Al) 27 g mol 1 ; M (Fe) 55,9 g mol 1 n (Al) : n (Fe) 8 : 9 9 n (Al) 8 n (Fe) 9 m (Aluminium) 8 m (Eisen) M (Al) M (Fe) 8 m (Eisen) m (Al) m (Aluminium) 9 M (Fe) 8 10 g 27 g mol1 4,3 g 9 55,9 g mol 1 Man benötigt 4,3 g Aluminium, um im ThermitVerfahren 10 g Eisen herzustellen. A 113 a) In der Reaktionsgleichung ist: z 6, da in einem Molekül Traubenzucker (C 6 H 12 O 6 ) sechs KohlenstoffAtome enthalten sind. y 6, da aus zwölf HAtomen sechs WasserMoleküle gebildet werden können. x 12, da auf der rechten Seite 18 OAtome vorhanden sind, wovon sechs aus dem TraubenzuckerMolekül stammen. b) Gegeben: m (Traubenzucker) 5 g C 6 H 12 O 6 (s) + 12 CuO (s) 12 Cu (s) + 6 H 2 O (l) + 6 CO 2 (g) M (C 6 H 12 O 6 ) 180 g mol 1 ; M (CuO) 79,5 g mol 1 n (CuO) : n (C 6 H 12 O 6 ) 12 : 1 n (CuO) 12 n (C 6 H 12 O 6 ) m (Kupferoxid) m (Traubenzucker) 12 M (CuO) M (C 6 H 12 O 6 ) 11

12 12 m (Traubenzucker) M (CuO) m (Kupferoxid) M (C 6 H 12 O 6 ) 12 5 g 79,5 g mol1 26,5 g 180 g mol 1 Man benötigt 26,5 g Kupferoxid (CuO), um 5 g Traubenzucker umzusetzen. c) n (H 2 O) : n (C 6 H 12 O 6 ) 6 : 1 n (H 2 O) 6 n (C 6 H 12 O 6 ) m (Wasser) m (Traubenzucker) 6 M (H 2 O) M (C 6 H 12 O 6 ) m (Wasser) 6 m (Traubenzucker) M (H 2O) M (C 6 H 12 O 6 ) 6 5 g 18 g mol1 ) 3 g 180 g mol 1 Bei der Oxidation von 5 g Traubenzucker erhält man 3 g Wasser. A 115 Gegeben: m (Eisen) 1 kg 1000 g 3 Fe (s) + 2 O 2 (g) Fe 3 O 4 (s) M (Fe) 55,9 g mol 1 ; M (O 2 ) 32 g mol 1 Anteil des Sauerstoffs in der Luft: 21 % n (Fe) : n (O 2 ) 3 : 2 2 n (Fe) 3 n (O 2 ) 3 V (Sauerstoff) 2 m (Eisen) M (Fe) V m V (Sauerstoff) 2 m (Eisen) V m 3 M (Fe) g 24 L mol1 286,2 L 3 55,9 g mol 1 d) n (CO 2 ) : n (C 6 H 12 O 6 ) 6 : 1 n (CO 2 ) 6 n (C 6 H 12 O 6 ) V (Kohlenstoffdioxid) m (Traubenzucker) 6 V m M (C 6 H 12 O 6 ) V (Kohlenstoffdioxid) 6 m (Traubenzucker) V m M (C 6 H 12 O 6 ) 6 5 g 24 L mol1 4 L 180 g mol 1 Bei der Oxidation von 5 g Traubenzucker bilden sich bei 20 C und normalem Druck 4 L KohlenstoffdioxidGas. A 114 a) Kupferoxid (s) + Wasserstoff (g) Kupfer (s) + Wasser (l) 2 CuO (s) + H 2 (g) Cu (s) + H 2 O (l) b) Gegeben: m (Kupferoxid) 3,2 g M (CuO) 79,5 g mol 1 ; M (H 2 ) 2 g mol 1 n (H 2 ) : n (CuO) 1 : 2 2 n (H 2 ) : n (CuO) 2 V (Wasserstoff) m (Kupferoxid) M (CuO) V m V (Wasserstoff) m (Kupferoxid) V m 2 M (CuO) 3,2 g 24 L mol1 0,48 L 2 79,5 g mol 1 Um 3,2 g Kupferoxid zu reduzieren, benötigt man ein WasserstoffVolumen von 0,48 L (20 C, 1013 hpa). Da der Sauerstoffanteil in der Luft aber nur 21 % beträgt, werden insgesamt V (Luft) 286,2 L L 1,36 m 3 Luft benötigt. 21 A 116 a) Zu Beginn der Reaktion verläuft die Bildung von Kohlenstoffdioxid sehr schnell. Dementsprechend nimmt auch die Konzentration der WasserstoffIonen rasch ab. Im Verlaufe der Reaktion wird die Gasentwicklung langsamer. Gegen Ende der Reaktion entsteht kaum noch Kohlenstoffdioxid und die Konzentration der WasserstoffIonen sinkt praktisch auf null. b) Pro CalciumIon werden entsprechend der Reaktionsgleichung zwei WasserstoffIonen gebraucht: CaCO 3 (s) + 2 H + (aq) Ca 2 + (aq) + H 2 O (l) + CO 2 (g) Daraus folgt, dass in jedem Zeitintervall auch doppelt so viele WasserstoffIonen verbraucht werden wie Calcium Ionen in Lösung gehen. Die Reaktionsgeschwindigkeiten in Bezug auf die beiden Ionensorten verhalten sich daher wie 2 : 1. A 117 Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu, wenn man die Konzentration, den Druck (bei Gasen) oder die Temperatur erhöht oder einen Katalysator einsetzt. Konzentrationserhöhung (Druckerhöhung): Die wichtigste Voraussetzung für eine chemische Reaktion ist, dass die beteiligten Teilchen wirksam zusammenstoßen. Die Anzahl der Zusammenstöße erhöht sich mit der Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit. Daraus ergibt sich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit bei höheren Konzentrationen zunimmt. Bei Gasreaktionen erreicht man die größere Konzentration durch Druckerhöhung. 12

13 Temperaturerhöhung: Eine weitere Voraussetzung für eine chemische Reaktion ist, dass die zusammenstoßenden Teilchen die erforderliche Energie besitzen. Die Energie der Teilchen nimmt mit steigender Temperatur zu. Für viele Reaktionen gilt die Reaktionsgeschwindigkeits/TemperaturRegel (RGTRegel): Eine Erhöhung der Temperatur um 10 C verdoppelt bis vervierfacht die Reaktionsgeschwindigkeit. Katalysatoreinsatz: Die für den Start einer chemischen Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie wird durch den Katalysator verringert, weil an seiner Oberfläche Teilchen mit relativ geringer Energie Zwischenverbindungen bilden können, die dann weiter reagieren. Nach Beendigung der Reaktion liegt der Katalysator unverändert vor. A 118 Laut RGTRegel müsste gelten: a) Die Reaktion dauert ein Viertel bis halb so lang wie die ursprüngliche Reaktion, also etwa 25 s bis 50 s. b) Die Reaktion dauert ein Achtel bis ein Viertel so lang wie die ursprüngliche Reaktion, also etwa 12 s bis 25 s. A 121 a) Am Anfang der Reaktion ist die Konzentration der Ausgangsstoffe hoch. Damit ist auch die Reaktionsgeschwindigkeit hoch. Die gebildeten Produkte wandeln sich dann teilweise wieder in die Ausgangsstoffe um. Diese Rückreaktion ist anfangs langsam, da die Konzentration der Produkte noch gering ist. Mit abnehmender Konzentration der Ausgangsstoffe steigt die Konzentration der Produkte, bis sich schließlich genau so viele Teilchen umsetzen, wie entstehen. Die Konzentrationen bleiben also konstant. Es hat sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt, in dem die Geschwindigkeit der Hinreaktion genauso groß ist wie die der Rückreaktion. b) Ein chemisches Gleichgewicht ist ein Zustand, in dem die Reaktion nur scheinbar zur Ruhe gekommen ist. Es werden ständig genau so viele Teilchen umgesetzt, wie Teilchen entstehen. c) Zunächst bildet sich Hydrogeniodid in verhältnismäßig schneller Reaktion: H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) A 119 a) 2 H 2 O 2 (aq) 2 H 2 O (l) + O 2 (g) b) 0,15 0,10 0,05 c) Bei doppelter Katalysatormenge ist auch die Oberfläche des Katalysators doppelt so groß. Da die Reaktion an der Oberfläche des Katalysators abläuft, sollte auch die Reaktionsgeschwindigkeit doppelt so groß sein. A 120 c (H 2 O 2 ) in mol L t in s Beispiele: Verdampfen von Wasser aus Salzlösungen/Lösen von Salz in Wasser Verdampfen von Wasser/Kondensieren von Wasserdampf Bildung von Wasserdampf bei der Knallgasreaktion/ Spaltung von Wasserdampf an einem glühenden Platindraht Bildung einer ZinkbromidLösung aus Zink und Bromwasser/Elektrolyse einer ZinkbromidLösung Entladen/Laden eines Akkumulators Die Geschwindigkeit nimmt dann mit abnehmender Konzentration der Ausgangsstoffe allmählich ab. Mit dem gebildeten Hydrogeniodid setzt die Rückreaktion ein: 2 HI (g) H 2 (g) + I 2 (g) Die Geschwindigkeit dieser Reaktion nimmt allmählich zu. In einem abgeschlossenen System stellt sich nach einer gewissen Zeit das chemische Gleichgewicht ein. Es setzen sich also pro Zeitintervall genauso viele HydrogeniodidTeilchen um, wie gebildet werden: H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) Geht man von der Zersetzung von Hydrogeniodid aus, ergibt sich der gleiche Endzustand. A 122 Temperatur: Durch Temperaturerhöhung verschiebt sich die Lage des Gleichgewichts in Richtung der endothermen Reaktion. Eine Temperaturerniedrigung verschiebt die Gleichgewichtslage in Richtung der exothermen Reaktion. Druck: Eine Erhöhung des Druckes verschiebt das Gleichgewicht in Richtung der Reaktion, durch die sich die Anzahl der Teilchen verringert. Eine Druckerniedrigung führt zu einer Vergrößerung der Teilchenzahl. Konzentration: Erhöht man die Konzentration eines Stoffes, so verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Reaktion, durch die dieser Stoff verbraucht wird. Erniedrigt man die Konzentration eines Stoffes, so wird die Reaktion begünstigt, durch die dieser Stoff nachgebildet wird. 13

14 A 123 Temperatur: Die Hinreaktion ist exotherm, die Temperatur muss möglichst niedrig sein. Sie muss jedoch so hoch sein, dass die Geschwindigkeit der Reaktion groß genug ist. Druck: Es sind nur Gase an der Reaktion beteiligt und die Zahl der Teilchen nimmt ab. Erhöhter Druck vergrößert daher die Ausbeute. Konzentration: Ein Überschuss an Sauerstoff begünstigt die Umsetzung von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid. A 124 Ca(OH) 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 OH (aq) a) Zugabe von OH Ionen als HydroxidLösung (Natronlauge), denn ein Überschuss eines Produkts verschiebt die Gleichgewichtslage zu den Ausgangsstoffen. b) Entzug der HydroxidIonen durch die Bildung von Wasser (Neutralisation durch Salzsäure), denn der Entzug einer Teilchenart führt zur Nachbildung dieser Teilchen. Somit muss mehr Calciumhydroxid in Lösung gehen, sodass die Konzentration der CalciumIonen steigt. A 125 Die KSchale ist in allen Fällen voll besetzt. Beginnend mit Magnesium ist auch die LSchale voll besetzt. A 128 Die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron vollständig aus der Atomhülle zu entfernen, nennt man lonisierungsenergie. A 129 Die Ionisierungsenergie ist um so größer, je geringer der Abstand eines Elektrons vom Atomkern ist. Damit hat das Elektron der äußeren Schale die geringste Ionisierungsenergie. Die Elektronen der 2. Schale haben mittlere Ionisierungsenergien und die Elektronen der kernnächsten inneren Schale haben die höchsten Ionisierungsenergien. A 130 Argon Abstand vom Kern Elektronen der MSchale 3. Energiestufe Eine Temperaturerhöhung beschleunigt sowohl die Hinreaktion als auch die Rückreaktion; das Gleichgewicht wird schneller eingestellt. Auf diese Weise kann in der gleichen Zeit eine größere Menge produziert werden als bei niedriger Temperatur. A 126 Um den Atomkern, der aus Protonen und Neutronen aufgebaut ist, kreisen die Elektronen in Elektronenschalen. Die Elektronenschalen bezeichnet man von innen nach außen mit den Buchstaben K, L, M, N, O, P, Q. Man ordnet die Elemente nach steigender Protonenzahl und damit auch Elektronenzahl. Von Element zu Element nimmt die Zahl der Protonen und Elektronen im Atom um eins zu. Die Schalen werden von innen nach außen mit Elektronen besetzt. Für die maximale Anzahl z der Elektronen, die eine Schale aufnehmen kann, gilt die Beziehung z 2 n 2, wobei n die Nummer der Schale ist. A 127 Element Verteilung der Elektronen K L M 5B 2 3 6C 2 4 7N 2 5 8O Mg Al Si P S Elektronen der LSchale 2. Energiestufe Elektronen der KSchale 1. Energiestufe Atomkern Calcium Abstand vom Kern Elektronen der NSchale 4. Energiestufe Elektronen der MSchale 3. Energiestufe Elektronen der LSchale 2. Energiestufe Elektronen der KSchale 1. Energiestufe Atomkern 18 p + 22 n 20 p + 20 n 14

15 Chlor A 135 Abstand vom Kern Elektronen der MSchale 3. Energiestufe Die Elemente der 2. Gruppe heißen Erdalkalimetalle. Die Atome dieser Elemente haben zwei Außenelektronen. Da die Außenelektronen die chemischen Reaktionen beeinflussen, haben diese Elemente ähnliche Eigenschaften. Elektronen der LSchale 2. Energiestufe Elektronen der KSchale 1. Energiestufe Atomkern A 131 a) MENDELEJEW sagte 1869 für ein noch unbekanntes Element mit ähnlichen Eigenschaften wie Aluminium (das dritte Element der 13. Gruppe des PSE: Gallium) die Atommasse 68 u voraus. Die tatsächliche Atommasse von Gallium beträgt 69,7 u. Für das 3. Element der 14. Gruppe vermutete er die Atommasse 70 u. Die tatsächliche Atommasse des Elements Germanium ( EkaSilicium ) beträgt 72,6 u. b) Gallium: 1875, Lecoq DE BOISBAUDRAN Germanium: 1886, Clemens WINKLER Scandium: 1879, Lars Frederic NIELSON A 132 Innerhalb einer Gruppe des PSE nimmt die Dichte der Elemente zu. Die Schmelztemperatur der metallischen Elemente nimmt in den Gruppen meist ab, die der nichtmetallischen zu. Die Reaktionsfähigkeit der metallischen Elemente steigt in den Gruppen, die der Nichtmetalle nimmt ab. A 133 Al: [Ne] 3 s 2 3p 2 Fe: [Ar] 4 s 2 3d 4 K: [Ar] 4 s 2 Mn: [Ar] 4 s 2 3d 5 P: [Ne] 3 s 2 3p 3 Zn: [Ar] 4 s 2 3d 10 A p + 18 n Na Mg Al Si P S Cl Ar A 136 Element Atombau Periodensystem Li 3 Protonen, 3 Elektronen Ordnungszahl 3 4 Neutronen Massenzahl 7 I. Hauptgruppe 1 Außenelektron 2. Periode 2 besetzte Schalen C 6 Protonen, 6 Elektronen Ordnungszahl 6 6 Neutronen Massenzahl 12 IV. Hauptgruppe 4 Außenelektronen 2. Periode 2 besetzte Schalen Mg 12 Protonen, 12 Elektronen Ordnungszahl Neutronen Massenzahl 24 II. Hauptgruppe 2 Außenelektronen 3. Periode 3 besetzte Schalen Al 13 Protonen, 13 Elektronen Ordnungszahl Neutronen Massenzahl 27 III. Hauptgruppe 3 Außenelektronen 3. Periode 3 besetzte Schalen A 137 Metalle bilden positiv geladene Ionen, Nichtmetalle negative geladene Ionen. A 138 Regel: Die Ladungszahl von MetallIonen stimmt mit der Gruppennummer überein. Begründung: MetallAtome geben bei der Ionenbildung die Elektronen ihrer Außenschalen ab. Da die Anzahl ihrer Außenelektronen mit der Gruppennummer übereinstimmt, ist auch die Ladungszahl der entstehenden Ionen mit der Gruppennummer identisch. Regel: Um die Ladungszahl von Ionen der nichtmetallischen Elemente zu bestimmen, zieht man bei der fünften bis siebten Hauptgruppe die Gruppennummer von der Zahl acht ab. Begründung: Die Atome der nichtmetallischen Elemente nehmen bei der Ionenbildung so viele Elektronen auf, bis sie mit insgesamt acht Elektronen die Edelgaskonfiguration erreicht haben. Da die Anzahl ihrer Außenelektronen mit der Gruppennummer übereinstimmt, ist die Anzahl der noch aufzunehmenden Elektronen die Differenz aus der Zahl acht und der Gruppennummer. A 139 Cr 2 O 3 enthält Cr 3+ Ionen und O 2 Ionen. PbO 2 besteht aus Pb 4+ Ionen und O 2 Ionen. 15

16 A 140 A 148 Natriumoxid: Na 2 O Bismutsulfid: Bi 2 S 3 A CalciumAtom (Ca) SchwefelAtom (S) A Elektronenübergang CalciumIon (Ca 2+ ) 16+ SulfidIon (S 2 ) TitanAtome: 8 x 1 8 TiAtome an den acht Ecken des Quaders + 1 TiAtom im Zentrum TiAtome 2 TiAtome SauerstoffAtome: 4 x 1 4 OAtome auf Grund und Deckfläche + 2 OAtome im Inneren OAtome 4 OAtome Die Formel für die Elementarzelle lautet also Ti 2 O 4, die Verhältnisformel lautet Ti 1 O 2 oder TiO 2. A 149 AlkalimetallAtome haben ein Elektron in der Außenschale. Sie erreichen die Edelgaskonfiguration durch Abgabe dieses Elektrons. AlkalimetallIonen sind daher einfach positiv geladen. A 143 Das FluoridIon hat acht Elektronen in der LSchale und besitzt damit die NeonKonfiguration. A 144 Das LithiumIon hat insgesamt nur zwei Elektronen, sodass lediglich die KSchale voll besetzt ist; es besitzt damit die HeliumKonfiguration. A 145 HalogenidIonen entstehen aus HalogenAtomen durch Aufnahme eines Elektrons. Keines der HalogenAtome hat aber eine geringere Anzahl von Elektronen als das Helium Atom. (Ein Anion mit zwei Elektronen kann sich nur im Falle des Wasserstoffs bilden: H, das HydridIon.) A 146 Ein Kristallgitter gibt die räumliche Anordnung der Bausteine in einem Kristall wieder. A 147 Im Raumgittermodell werden die Abstände der Zentren der Gitterbausteine besonders deutlich. Für die Bausteine im Inneren lassen sich auch die Koordinationszahlen erkennen. Das Kugelpackungsmodell gibt die Ionenradien wieder und zeigt, welchen Raum die Gitterbausteine einnehmen. Es wird deutlich, dass sich die Bausteine berühren. MetallAtome können ihre Außenelektronen leicht abgeben. Dadurch entstehen positiv geladene MetallIonen. Diese MetallIonen werden von den sich ungeordnet bewegenden Außenelektronen umgeben. Im Metallgitter wirken Anziehungskräfte zwischen den positiv geladenen Ionen und den negativ geladenen Elektronen. A 150 Im Kupferdraht sind die frei beweglichen Elektronen die Ladungsträger, in der KupfersalzLösung sind es die frei beweglichen Ionen. Die elektrische Leitfähigkeit des Kupferdrahtes ist gleichbleibend, die der Kupfersalz Lösung nimmt während des Stromflusses nach und nach ab. In der KupfersalzLösung läuft daher eine Elektrolyse als chemische Reaktion ab. An den Elektroden werden die Ionen zu Atomen oder neutralen Molekülen entladen. Somit nimmt die Anzahl der Ladungsträger ab. A 151 Bei Abkühlung eines Drahtes nimmt die elektrische Leitfähigkeit zu. Bei niedrigen Temperaturen schwingen die Gitterbausteine nur noch geringfügig hin und her, die Bewegung der Elektronen wird daher weniger behindert. A 152 a) Der Eisenstab fühlt sich heißer an. Aus dem Inneren wird rasch Wärme an die Oberfläche transportiert, sodass sie sich bei der Berührung mit der kühleren Haut kaum abkühlt. b) Als gute Wärmeleiter speichern Metallgegenstände Wärme auch im Inneren. Berührt man eine Metalloberfläche bei der hohen Temperatur der Sauna, so kann es zu Verbrennungen kommen, weil Wärme aus dem Inneren rasch an die Oberfläche geleitet wird. 16

17 A 153 A 157 Gemeinsamkeiten: Der Aufbau der Gitter erfolgt nach dem Prinzip der dichtesten Kugelpackung. Die Kationen besetzen feste Gitterplätze. Zwischen positiven und negativen Ladungen treten Anziehungskräfte auf. Beide Schmelzen leiten den elektrischen Strom. Unterschiede: Metallgitter Ladungsausgleich durch Elektronen Elektronen besetzen keine festen Gitterplätze. Plastische Verformung ist möglich. Leitung des elektrischen Stroms A 154 Ionengitter Ladungsausgleich durch Anionen Anionen besetzen feste Gitterplätze. Plastische Verformung ist nicht möglich. keine Leitung des elektrischen Stroms Beim Schmelzen wird das Ionengitter zerstört. Die vorher auf festen Plätzen sitzenden Ionen sind jetzt frei beweglich. Sie können elektrische Ladung transportieren. In der Metallschmelze liegen wie im festen Metall Elektronen als frei bewegliche Ladungsträger vor. A 155 Kupferdraht: Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Durch die erhöhte Temperatur geraten die Gitterbausteine immer stärker in Schwingungen, dadurch wird die Bewegung der Elektronen behindert. NatriumchloridSchmelze: Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu, da die Ionen als Ladungsträger beweglicher werden. A 156 a) Schalenmodell des FluorAtoms: Es fehlt noch ein Elektron zur Edelgaskonfiguration des NeonAtoms. 9+ b) Schalenmodell des FluorMoleküls: Beide FluorAtome erreichen durch das gemeinsame Elek tronenpaar im FluorMolekül die Edelgaskonfiguration des NeonAtoms. a) Wasserstoff und Chlor sind Nichtmetalle. Im Gegensatz zu MetallAtomen nehmen NichtmetallAtome Elektronen auf und erreichen so eine Edelgaskonfiguration. Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Chlor entsteht so eine Molekülverbindung, das gemeinsame Elektronenpaar zählt für beide Atome. b) Schalenmodell des HydrogenchloridMoleküls: A 158 a) Grundannahmen des ElektronenpaarabstoßungsModells: 1. Die Außenelektronen halten sich paarweise in bestimmten Bereichen um den Atomkern auf. Man stellt sich das modellhaft wie eine Wolke vor. 2. Die negativ geladenen Elektronenpaare stoßen sich gegenseitig ab. So ergibt sich für jede Elektronenpaarbindung eine bestimmte Richtung und eine eindeutige Struktur des Moleküls. b) Körper mit vier Ecken und vier gleichseitigen Dreiecken als Außenflächen: A 159 a) LEWISFormel von Ammoniak: Oktettregel: Das StickstoffAtom ist von acht Elektronen (vier Elektronenpaaren) umgeben. Ausnahme WasserstoffAtom: Das WasserstoffAtom erreicht schon mit zwei Elektronen die Edelgaskonfiguration (HeliumAtom). b) räumliche Struktur des AmmoniakMoleküls: Das zentrale StickstoffAtom ist von vier Elektronenpaaren umgeben. Die gegenseitige Abstoßung der vier Elektronenpaare führt zur TetraederGeometrie. Für die räumliche Struktur des AmmoniakMoleküls ergibt sich so eine Pyramide mit dem freien Elektronenpaar an der Spitze. A 160 a) Distickstoffmonooxid b) LEWISFormel von Lachgas: H N H H H N H I H + N N O 17

18 Hinweis: Es gibt noch eine zweite LEWISFormel mit einer Dreifachbindung, die sich vom StickstoffMolekül ableiten lässt: + N N O c) Oktettregel: Die beiden StickstoffAtome und das SauerstoffAtom sind von acht Elektronen (vier Elektronenpaaren) umgeben. d) Das zentrale StickstoffAtom ist von vier Elektronenpaaren umgeben. Mehrfachbindungen werden im ElektronenpaarabstoßungsModell wie Einfachbindungen behandelt. Die gegenseitige Abstoßung zwischen den Elektronenpaaren der beiden Zweifachbindungen ergibt eine lineare Struktur für das LachgasMolekül. A 161 a) Ladungsbilanz für das HydrogenchloridMolekül: HAtom ClAtom Summe der Ladungen Protonen 1 p + 17 p + 18 p + im Atomkern Elektronen 1 e K: 2 e 18 e in der L: 8 e Atomhülle M: 7 e Summe 0 Das HydrogenchloridMolekül ist elektrisch neutral. b) Der 17fach positiv geladene Atomkern des Chlor Atoms zieht das gemeinsame Elektronenpaar stärker an als der Atomkern des WasserstoffAtoms. Es kommt zu einer Ladungsverschiebung. Das HydrogenchloridMolekül ist daher ein DipolMolekül. H Cl A 162 Der Wasserstrahl wird ebenfalls abgelenkt. δ+ δ δ + δ+ δ+ + + δ δ+ δ+ δ δ+ δ δ+ δ δ+ δ+ δ+ δ δ δ δ+ δ δ+ + A 163 Bei Temperaturen unter 0 C überwiegen die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen die Eigenbewegung der WasserMoleküle. Die WasserMoleküle werden so auf festen Plätzen innerhalb des Eiskristallgitters gehalten. Im Eisgitter gibt es große Hohlräume. Im flüssigen Wasser ist das Kristallgitter zusammengebrochen. Die ehemaligen Hohlräume füllen sich mit WasserMolekülen. Die Dichte von flüssigem Wasser ist daher größer als die Dichte von Eis: Der Eiswürfel schwimmt. A 164 a) Die Bezeichnung Kristallwasser deutet an, dass in dem Kristall WasserMoleküle enthalten sind. Sie sitzen in den Hohlräumen des Kristallgitters. Im Fall des kristallwasserhaltigen Kupfersulfats sind pro Cu 2+ Ion und SO 4 2 Ion fünf WasserMoleküle enthalten: CuSO 4 5 H 2 O b) CuSO 4 5 H 2 O (s) CuSO 4 (s) + 5 H 2 O (g); endotherm A 165 blau weiß Im festen Kochsalz bilden die Ionen ein Kristallgitter mit Hohlräumen. Im gelösten Zustand existieren die Hohlräume nicht mehr. Die Ionen liegen hydratisiert vor. Die Ionen mit Hydrathülle beanspruchen weniger Raum als die Ionen im Kristallgitter: Der Wasserstand in dem Messkolben sinkt, wenn sich das Salz löst. A 166 a) Eine Säure ist ein Reinstoff, eine saure Lösung ist die wässerige Lösung einer Säure. Beim Lösen zerfallen die Säuren in hydratisierte WasserstoffIonen und Säurerest Ionen. b) Alle sauren Lösungen enthalten WasserstoffIonen. A 167 a), d), e) Zitronensaft, Essig und Hydrogenchlorid sind saure Lösungen, die WasserstoffIonen und Säurerest Ionen enthalten. Sie leiten daher den elektrischen Strom. b), c) Keine elektrische Leitfähigkeit: Bei diesen Reinstoffen liegen ungeladene Moleküle vor. A 168 Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasser teilweise zu Kohlensäure ( H 2 CO 3 ), die in WasserstoffIonen und SäurerestIonen (CarbonatIonen bzw. HydrogencarbonatIonen) zerfällt. 18

19 A 169 A 177 Die Konzentration an WasserstoffIonen ist unterschiedlich. Eine hohe Konzentration an WasserstoffIonen führt zu Hautreizungen oder Verätzungen. Es gibt jedoch auch giftige Säuren wie Blausäure (Lösung von Wasserstoffcyanid), die nicht reizend oder ätzend wirken. A 170 Alkalische Lösungen wirken ätzend, sie leiten den elektrischen Strom; Phenolphthalein färbt die Lösungen rotviolett. Diese gemeinsamen Eigenschaften beruhen auf den HydroxidIonen, die in allen alkalischen Lösungen vorliegen. A 171 Laugen sind ätzend, sie zersetzen vor allem Eiweißstoffe relativ schnell. A 172 a) 2 Na (s) + 2 H 2 O (l) 2 Na + (aq) + 2 OH (aq) + H 2 (g) b) Mg (s) + 2 H 2 O (l) Mg 2+ (aq) + 2 OH (aq) + H 2 (g) Mg 2+ (aq) + 2 OH (aq) + 2 H + (aq) + 2 NO 3 (aq) Mg 2+ (aq) + 2 NO 3 (aq) + 2 H 2 O (l) Die Lösung müsste anschließend eingedampft werden. A 178 Die Neutralisation ist eine exotherme Reaktion. Neutralisiert man konzentrierte Lösungen, verteilt sich die gesamte Wärmemenge auf ein relativ kleines Flüssigkeitsvolumen, die Lösung wird sehr heiß. Wird die Siedetemperatur der Lösung erreicht, können ätzende Flüssigkeiten umher spritzen. A Al (s) + 6 H + (aq) + 6 Cl (aq) 2 AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (g) Al 2 O 3 (s) + 6 H + (aq) + 6 Cl (aq) 2 AlCl 3 (aq) + 3 H 2 O (l) Al(OH) 3 (s) + 3 H + (aq) + 3 Cl (aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 O (l) A 180 c) KOH (s) K + (aq) + OH (aq) d) CaO (s) + H 2 O (l) Ca 2+ (aq) + 2 OH (aq) A 173 Seife bildet mit Wasser Seifenlauge, eine schwach alkalische Lösung. Die HydroxidIonen reizen die Augen. A 174 Die Lacke alter Möbel wurden meist auf Naturstoffbasis hergestellt. Natronlauge zersetzt solche organischen Stoffe relativ rasch, ohne das Holz zu schädigen. A 175 H + (aq) + OH (aq) H 2 O (l); exotherm A 176 Wasser a) H + (aq) + Cl (aq) + K + (aq) + OH (aq) K + (aq) + Cl (aq) + H 2 O (l) b) H 2 SO 4 (aq) + 2 Na + (aq) + 2 OH (aq) 2 Na + (aq) + SO 4 2 (aq) + 2 H 2 O (l) c) H 2 CO 3 (aq) + Ca 2+ (aq) + 2 OH (aq) CaCO 3 (s) + 2 H 2 O (l) d) H 3 PO 4 (aq) + 3 Na + (aq) + 3 OH (aq) 3 Na + (aq) + PO 4 3 (aq) + 3 H 2 O (l) e) 2 H + (aq) + 2 NO 3 (aq) + Ba 2+ (aq) + 2 OH (aq) Ba 2+ (aq) + 2 NO 3 (aq) + 2 H 2 O (l) Der Magen enthält Magensäure (Salzsäure), die durch Aluminiumhydroxid teilweise neutralisiert wird: Al(OH) 3 (s) + 3 H + (aq) + 3 Cl (aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 O (l) A 181 Es ist praktisch nicht möglich, die Säure mit Natronlauge genau zu neutralisieren. Überschüssige Natronlauge führt dann zu einer weiteren Verätzung der Haut. Bei konzentrierten Säuren könnte durch die Neutralisation außerdem die Temperatur zu hoch ansteigen. A 182 NH 4 Cl (s) + Na + (aq) + OH (aq) NH 3 (g) + H 2 O (l) + Na + (aq) + Cl (aq) Säure/BaseReaktion (Säure: NH 4 + ; Base: OH ) A 183 Ein Teil der AmmoniumIonen gibt ein Proton ab: NH 4 + (aq) + H 2 O (l) NH 3 (aq) + H 3 O+ (aq) A 184 ph 11,2 c(h + ) 10 ph mol L 11,2 mol L 1 6, mol L 1 19

20 A 185 m (NaOH) 2,5 g; M (NaOH) 40 g mol 1 n (NaOH) m (NaOH) 2,5 g 0,0625 mol 1 M (NaOH) 40 g mol 1 c (NaOH) n (NaOH) 0,0625 mol V (Lösung) 0,100 L c (OH ) c (NaOH) 0,0625 mol L 1 poh lg c (OH ) 0,2 ph 14 poh 13,8 Bei Verdünnung auf 1 L nimmt die Konzentration der OH Ionen um eine Zehnerpotenz ab. Der phwert sinkt um eine phstufe: ph 12,8 A 186 n (HCl) c (HCl) V (HCl) 2,5 mol L 1 0,020 L 0,05 mol O + N O O H A 190 O H + N O H O a) Die molare Masse des Wassers ist M (H 2 O) 18 mol L 1. Aus den Beziehungen n m M und c n V H O + O + N O H + N O O O folgt c m M V Setzt man für die Masse 1000 g und für das Volumen 1 L ein, so erhält man 1000 g c (H 2 O) 55,6 mol L 1 18 g mol 1 1L b) Die Konzentration des nicht protolysierten Wassers ist um so viel größer als die der Ionen des Wassers, dass sie sich auf dann nicht ändert, wenn 1 L einer wässrigen Lösung etwa 0,01 mol gelöste Stoffe enthält. c (HCl) n (HCl) 0,05 mol 0,2 mol L 1 V (HCl) 0,250 L ph lg c (HCl) 0,7 A 187 Die Dichte von Wasser beträgt bei 25 C 0,997 kg L 1. Ein Liter Wasser enthält 55,4 mol H 2 O, also N A 55,4 Wasser Moleküle. Außerdem gilt c (H 3 O + ) c (OH ) 10 7 mol L 1. Ein Liter Wasser enthält demnach N A 10 7 H 3 O + Ionen bzw. OH Ionen. Das Anzahlverhältnis zwischen den Ionensorten und den WasserMolekülen beträgt also N (H 3 O + ) N A 10 7 mol , ,8 N (H N A 55,4 mol 55, O) Unter rund 1 Milliarde Wassermolekülen befinden sich 2 H 3 O + Ionen und 2 OH Ionen A 188 ph 3,2 c (H 3 O + ) 10 ph mol L ,2 mol L 1 6, mol L 1 c (OH ) 10 10,8 mol L 1 1, mol L 1 A 189 NH 3 + NH 3 NH NH 2 H N H H H + N H H HNO 3 + HNO 3 H 2 NO NO 3 H H + N H + H N H H A 191 ph 11,5; poh pk W ph 2,5 c 0 (NH 3 ) 0,7 mol L 1 c (OH ) c (NH + 4 ) 10 2,5 mol L 1 c (NH 3 ) c 0 (NH 3 ) c (NH 4 + ) 0,697 mol L 1 K b c (NH 4 + ) c (OH ) (10 2,5 mol L 1 ) 2 c (NH 3 ) 0,697 mol L 1 K b 1, mol L 1 ; pk b 4,8 A 192 a) CH 3 COO (aq) + H 2 O (l) CH 3 COOH (aq) + OH (aq) b) K b c (CH 3COH) c (OH ) c (CH 3 COO ) c) ph 8,1; poh pk W ph 5,2 c (OH ) c 0 (CH 3 COOH) 10 5,2 mol L 1 c (CH 3 COO ) c 0 (CH 3 COOH) 0,1 mol L 1 K b (105,2 mol L 1 ) 2 0,1 mol L 1 K b 4, ; pk b 9,4 A 193 K a c (H 3O +) c (Ac ) ; Kb c (Ac ) c (OH ) c (HAc) c (Ac ) Multipliziert man den Ausdruck für K a mit dem für K b, so erhält man 20

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