11. Klasse Heft 2. Maximilian Ernestus September/Oktober Chemie 11. Klasse Heft 2 1

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1 2 CHEMISCHE ELEMENTE 11. Klasse Heft 2 Maximilian Ernestus September/Oktober 2007 Chemie 11. Klasse Heft 2 1

2 1.Wasserstoff (H) E I G E N S C H A F T E N Meist gasförmig Leichter als Luft Brennbar In Verbindung mit Luft Explosiv Unsichtbar Geruchlos Wichtiger Bestandteil von Wasser Dichte: 0,089g/l; 14,4 mal so leicht wie Luft, der leichteste Stoff Verbrennung hinterlässt Wasser Energie exotherm H 2 + ½O 2 Aktivierungsenergie frei werdende Energie H 2 O Reaktionsverlauf Blaue Flamme Darstellung: Elektrolyse von H2O oder Reaktion von Metall und Säure Metall + Säure -> Salz + Wasserstoff Mg + H2SO4 -> MgSO4 + H2 Chemie 11. Klasse Heft 2 2

3 Schmelztemperatur: -262 C, Siedetemperatur: -253 C Besonders hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit Kommt auf der Erde nur als molekularer Wasserstoff (H2) ungebunden vor, außerdem auch in Säuren Verwendung: Treibstoff (Raketen, Motoren, Brennstoffzellen) Zur Fetthärtung Zur Synthese wichtiger chemischer Verbindungen (z.b. Ammoniak NH3) Nachweis: mi der Knallgasprobe V 1 : S E I F E N B L A S E N Wir nahmen eine Glasschüssel mit Wasser, in die wir Seifenlauge füllten. Dann führten wir mithilfe eines Schlauches Wasserstoff in die Lauge. Es entstanden Seifenblasen, welche wir mit einem glimmenden Span anzünden konnten. Die Seifenblasen Explodierten. V 2 : H E U L E N D E D O S E Wir nahmen eine Blechdose ohne Boden und befüllten sie von unten mit Wasserstoffgas. Im Deckel der Dose befand sich eine Loch (welches wir vorher zugehalten hatten) so dass wir das Gas anzünden konnten. Zunächst kam nur eine kleine Flamme aus dem Loch, nach einigen Sekunden konnte man einen kurzen Pfeifton hören, dann explodierte das Gas und die Dose fiel um. V 3 : W A S S E R S T O F F B A L L O N Wir nahmen einen mit Wasserstoff gefüllten Ballon und entzündeten ihn mit einer Kerze. Der Ballon explodierte mit einem großen Knall. Chemie 11. Klasse Heft 2 3

4 V 4 : S P A L T U N G V O N W A S S E R M I T D E M H O F F M A N N S C H E N W A S S E R Z E R S E T Z U N G S A P P A R A T Wir füllten Wasser in einen Hoffmann schen Apparat und schlossen einen Stromgenerator an. Am negativen Pol entstanden 66 ml Gas, das sich an der Katode gebildet hat, handelt es sich um Wasserstoff, bei dem anderen Gas um Sauerstoff, da auch in der Verbindung Wasser (H2O). Diese Elemente im Verhältnis 2:1 enthalten sind. Überprüfung der Vermutung: Wir entzünden das Gas an der Katode -> brennt mit blauer Flamme-> Wasserstoff! Wir mit dem Gas der Arode eine Glimmspanprobe -> positiv -> Sauerstoff! Ergebnis: Wasser lässt sich durch Strom in Wasserstoff und Sauerstoff (im Verhältnis 2:1) spalten. Die Reaktion verläuft endotherm. Chemie 11. Klasse Heft 2 4

5 2. Natrium (Na) E I G E N S C H A F T E N Metall Weich, schneidbar, silbrige Schnittfläche, die schnell anläuft Außen: Kruste aus Natriumoxid Reagiert exotherm mit H 2 O und CO2 Au-ewahrung in Paraffinöl Kommt in der Natur nicht rein vor, sondern nur in Verbindungen, z.b. in NaCl sowie in allen anderen Natrium-Salzen Brennbar Schmelzpunkt 98 C, Siedepunkt 881 C (Na ist lange Flüssig) Gewinnung durch Elektrolyse von NaCl (NaCl + Stron -> Natrium + Chlorgas) Verwendung: va. in Natriumdampflampen Nachweis von Na und allen Na-Verbindungen durch die charakteristische orangene Flammenfärbung V 5 ; Wir nahmen eine Glasschale mit Wasser und gaben ein erbsengroßes Stück Natrium hinzu. Zunächst fing es an zu zischen und das Natrium-Stückchen ist im Wasser umher geschwommen. Später ist es mit Funken explodiert. Gleiche Ergebnisse konnte man beobachten als man Natrium in Salzsäure gab, mit dem Unterschied, dass die Reaktion stärker war. Ergebnis: Bei der stark exothermen Reaktion von Natrium und Wasser schmilzt das Natrium, fließt in das Wasser und reagiert mit diesem unter Bildung einer Lauge. Auf dem Filterpapier bewegt sich das Natrium nicht hin und her, die Reaktionswärme ist dadurch so hoch, dass es sogar entzündet und mit orange-gelber Flamme verbrennt. Der bei der Reaktion mit Wasser entstehende Wasserstoff, den wir auffingen und mit der Knallgasprobe nachwiesen ist der Grund für die kleine Explosion am Schluss. Die Reaktion mit konzentrierter Salzsäure (HCl) verläuft ebenfalls sehr stark exotherm; der weiße Niederschlag ließ sich als Kochsalz (NaCl) identifizieren. Chemie 11. Klasse Heft 2 5

6 Reaktionsgleichung: Natrium + Wasser -> Natronlauge + Wasserstoff Na + H 2 O -> NaOH + ½ H 2 Natrium + Salzsäure -> Kochsalz + Wasserstoff Na + HCl -> NaCl + ½ H 2 3. Kalium (K) E I G E N S C H A F T E N Schmelzpunkt 63 C, Siedepunkt 789 C Sehr reaktionsfreudig Au-ewahrung in Paraffinöl Kommt in der Natur nicht als Element sondern nur in Verbindungen vor Wichtige K-Verbindungen: alle Kalium-Salze, z.b. KNO 3 (Kaliumnitrat), KCl (Kaliumchlorid; Sylvin), KMnO 4 (Kaliumpermangamart) Pflanzen nehmen Kalium-Salz in großer Menge auf und reichern es im Pflanzengewebe an -> in Holzasche finden sich viele Kalium Salze Beim Menschen: Kalium vor allem in den Zellen Verwendung: Kalium-Salze werden u.a. zur Düngmittelherstellung verwendet; KCl in Todesspritze V 6 : R A K T I O N M I T W A S S E R Durchführung siehe V5 Beobachtung: Kalium reagiert noch heftiger (stärker exotherm) mit Wasser als Natrium. Es bilden sich ebenso eine Lauge und Wasserstoff, erkennbar an der Knallgasexplosion am Schluss. Anders als bei der Reaktion zwischen Na und H 2 O entzündet sich das Kalium jedoch sofort und brennt mit violetter Flamme. Reaktionsgleichung: Kalium + Wasser -> Kalilauge + Wasserstoff K + H 2 O -> KOH + ½ H 2 Chemie 11. Klasse Heft 2 6

7 4. Magnesium (Mg) E I G E N S C H A F T E N Schmelzpunkt 645,79 C Siedepunkt 1090 C Dichte 1,738g/cm 3 Leichtmetall Flamme: weiß, >500 C, sehr hell Verwendung: Feuerwerkskörper, Leuchtmunition, Unterwasserfackeln Farbe silberweiß glänzend Kann bei Verbrennung anderen Gasen das O2 entziehen V 7 : R E A K T I O N V O N W A S S E R U N D M A G N E S I U M Wir füllten Magnesium in ein Reagenzglas mit kochendem Wasser und Phenolphtalein und wärmten das Reagenzglas in einem Wasserbad. Mit einem Schlauch fingen wir eventuell entstehende Gase ab, und leiteten sie mithilfe einer pneumatischen Wanne in ein zweites Reagenzglas. Das kochende Wasser färbte sich rosa und an der pneumatischen Wanne konnte man sehen, dass ein Gas entstanden war. Wir wiederholten den Versuch mit Magnesiumpulver und konnten so eine stärkere Reaktion mit dem Wasser (dunklere Färbung) hervorrufen. Magnesiumpulver reagiert heftiger mit Wasser Magnesiumband, weil die Angriffsfläche dort größer ist. Ergebnis: Magnesium reagiert mit Wasser unter Bildung einer Lauge (Magnesiumlauge bzw. Magnesiumhydroxid, Mg(OH) 2 ). Das dabei entstehende Gas konnten wir zwar nicht in ausreichend großer Menge auffangen, um den Nachweis zu führen; es handelt sich jedoch um Wasserstoff (H 2 ), da die Reaktion nach dem gleichen Muster erfolgt wie bei Natrium und Kalium, nämlich: Metall + Wasser -> Metallhydroxid + Wasserstoff Magnesium + Wasser -> Magnesiumhydroxid + Wasserstoff Mg + 2H 2 O -> Mg(OH) 2 + H 2 Je wärmer das Wasser und das Magnesium sind, desto schneller läuft die Reaktion ab. Chemie 11. Klasse Heft 2 7

8 Als Faustregel gilt in der Chemie die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur- Regel): Temperaturerhöhung um 10 C bewirkt eine Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit. V 8 : M A G N E S I U M M I T V E R S C H I E D E N E N G A S E N Wir nahmen zwei große Erlenmeyerkolben und füllten beide, den einen mit Sauerstoff, den anderen mit Kohlendioxid. Als man brennendes Magnesium in die beiden Kolben hielt, wurde die Flamme jeweils sehr hell. Die Überbleibsel des Magnesiums im Sauerstoff-Kolben waren feinkörnig und weiß, während die aus dem Kolben mit Kohlendioxid gröber waren, und schwarze Stellen aufwiesen. Ergebnis: Die Verbrennung von O 2 (im Gegensatz zur Verbrennung an der Luft) ist schneller und mit grellerer Flamme, weil O 2 die Verbrennung fördert. Die Verbrennung von Mg liefert weißes Magnesiumoxid (Magnesia MgO). Bei der Verbrennung in CO 2, die insgesamt stockend erfolgt, entsteht neben MgO auch schwarzer Kohlenstoff (C ). Das Magnesium entreißt dem Kohlendioxid also den Sauerstoff. Übrig bleibt Kohlenstoff: Magnesium + Kohlendioxid -> Magnesiumoxid + Kohlenstoff 2Mg + CO 2 -> 2MgO + C 5. Calcium (Ca) Calcium ist ein stumpf silbriges Metall, das relativ leicht ist (Dichte = 1,54g/cm 3 ). Es schmilzt bei 850 C. Es reagiert nur sehr langsam mit Sauerstoff und der Luftfeuchtigkeit und es zerfließt nicht an der Luft. V 1 0 : K A L K A U F L Ö S U N G Wir führten Kohlendioxid mithilfe einer Waschflasche durch gefilterte Kalklauge. Diese wurde zunächst trübe, danach wieder etwas Klarer. Als man die modifizierte Lauge mit einem Bunsenbrenner erhitzte, wurde sie wieder etwas trübe. Ergebnis: Durch die Einleitung von CO 2 in Calciumhydroxid (Kalklauge) entsteht wasserunlöslicher Kalk (CaCO 3 ), der einen Weißen Niederschlag bildet. Durch längeres Einleiten von CO2 löst sich durch die entstehende Kohlensäure der Kalk wieder auf; gleichzeitig ent- Chemie 11. Klasse Heft 2 8

9 steh gut lösliches Calciumhydrogenkarbonat (Ca(HCO 3 ) 2 ). Calciumhydrogenkarbonat ist allerdings sehr instabil: es zerfällt bei Erwärmung und wenn der Lösung wieder CO 2 entzogen wird. Calciumhydrogenkarbonat -> Wärme Kalk + Kohlendioxid + Wasser Ca(HCO 3 ) 2 -> CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Versickerndes Wasser nimmt aus der Luft und im Boden Kohlendioxid (CO 2 ) auf; es entsteht Kohlensäure (H 2 CO 3 ). Wenn dieses Säurehaltige Wasser an Kalk (CaCO 3 ) herandringt, löst es den Kalk auf, gleichzeitig entsteht Calciumhydrogenkarbonat. So entsteht im Laufe längerer Zeit in den Kalkschichten unter der erde Höhlen und z.t. sogar unterirdische Wasserläufe. Wen jedoch Calciumhydrogenkarbonat-haltiges Wasser warm wird, dann entweicht Kohlensäure bzw. CO 2, und Kalk wird wieder ausgeschieden. So entstehen z.b. Tropfsteine. So vollzieht sich dort, wo Kalk an und unter der Erde lagert ein fortwährendes Auflösen und Absondern. Dies zeigt sich auch in der Landschaft (Dolinen, Trockentäler). Auch unser Calciumhydrogenkarbonat-haltiges Trinkwasser lagert - nach Erwärmen - Kalk ab, z.b. in der Dusche. CaCO 3 + H 2 O + CO 2 -> Ca(HCO 3 ) Kalk V E R G L E I C H Magnesium (Mg) Calcium (Ca) bei Raumtemperatur fest Erdalkalimetalle (-> bilden mit Wasser Lauge) Leichtmetalle brennbar beide bilden Salze, die gesteinsbildend sind = Calciumkarbonat (CaCO 3 ), Magnesiumkarbonat (MgCO 3 ) kommen in der Natur nicht elementar, sondern nur in Verbindung vor kommen im Körper vor; Mangel -> Muskelkrämpfe Mg brennt auch ohne Sauerstoff (z.b. in CO 2 oder SO 2 oder unter Wasser) in Knochen (Calciumphosphat) Chemie 11. Klasse Heft 2 9

10 6. Aluminium (Al) V 1 1 : R E D U K T I O N V O N E I S E N O X I D Z U E I S E N ( T E R M I T V E R S U C H ) Wir nahmen 80g getrocknetes Eisenoxid vermischt mit 27g Aluminium-Grieß und füllten es in einen Blumentopf, der in einem Blumentopf steckte. Am Boden des unteren Topfes befand sich ein Filterpapier. Als wir die Mischung mit einer Wunderkerze entzündeten reagierte sie sehr heftig exotherm, und schmolz. Das flüssig-glühende Produkt floss aus dem Blumentopf heraus. Ergebnis: Aluminium entreißt bei dieser sehr stark exothermen Reduktion dem Eisenoxid den Sauerstoff, dadurch wird Eisenoxid zu Eisen reduziert und Aluminium zu Aluminiumoxid oxidiert: Fe 2 O 3 + Al -> Fe + Al 2 O 3 Die Reaktion ist so stark exotherm, dass zunächst flüssiges Eisen und Aluminiumoxid entsteht. M E R K E : Oxidation = Sauerstoffaufnahme Reduktion = Sauerstoffabgabe Wenn in einer chemischen Reaktion Sauerstoffaufnahme und Abgabe gekoppelt sind, spricht man von einer Redoxreaktion. Chemie 11. Klasse Heft 2 10

11 7. Sauerstoff (O; Atommasse 16u) V 1 2 : V E R B R E N N U N G E I N E R K E R Z E I N R E I N E M S A U E R S T O F F Wir nahmen ein großes Glasgefäß und füllten Sauerstoff in Gasform hinein. Als wir eine brennende Kerze in das Gefäß hielten, wurde ihre Flamme sehr viel heller und das Wachs der Kerze schmolz schneller. An den Innenwänden das Gefäßes, kondensierte Wasser. V 1 3 : B E S T I M M U N G D E S S A U E R S T O F F - A N T E I L S I N D E R L U F T Wir füllten etwas Eisenwolle in ein Reagenzglas und steckten einen Stopfen mit einem Glasröhrchen darauf. Wir befestigten das Reagenzglas verkehrt herum über einem Behälter mit Wasser, so dass das Glasröhrchen in das Wasser reichte. Nach zwei Tagen hat sich das Reagenzglas zu einem Fünftel mit dem Wasser aus dem Behälter gefüllt. Die Eisenwolle ist vereinzelt leicht rötlich. Chemie 11. Klasse Heft 2 11

12 Sauerstoff ist das Element des Lebens. Wenn wir Sauerstoff einatmen werden in unserem Organismus Stoffwechselprozesse angeregt, bei denen durch die Oxidation von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen Energie geliefert wird. Sauerstoff wird durch die Fotosynthese von Pflanzen produziert. Er löst sich gut in Wasser, sodass auch im Wasser lebende Tiere ihn aufnehmen können. In hohen Konzentrationen ist Sauerstoff gesundheitsschädlich Sauerstoff ist farb- und geruchlos, schmilzt bei -218 C und siedet bei -183 C. er ist das häufigste Element der Erde und wie kein anderes an der Bildung von Luft, Wasser und der festen Erde (SiO 2 = Quarz; CaCO 3 = Kalk) beteiligt. Bei einer Oxidation verbindet sich der Sauerstoff mit dem Element, auf das er einwirkt, den dabei entstehenden Stoff nennt man Oxid. 2 Mg + O 2 -> 2 MgO S + O 2 -> SO 2 C + O 2 -> CO 2 Exotherm Sauerstoff brennt nicht, wirkt aber anfachend. 8. Stickstoff (N) Ordnungszahl: 7 Atommasse: 14u Chemie 11. Klasse Heft 2 12

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