Musterlösungen zum Schülerband. 2 Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen

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2 Musterlösungen zum Schülerband 2 Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen Werner Eisner Paul Gietz Axel Justus Klaus Laitenberger Hildegard Nickolay Werner Schierle Bärbel Schmidt Michael Sternberg Thorsten Zippel Ernst Klett Verlag Stuttgart Leipzig Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen - 2 2

3 Autoren Werner Eisner Paul Gietz Axel Justus Klaus Laitenberger Hildegard Nickolay Werner Schierle Bärbel Schmidt Michael Sternberg Thorsten Zippel Zeichnungen / Illustrationen Karin Mall, Berlin Jörg Mair, München Tom Menzel, Rohlsdorf 1. Auflage, 2009 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische Wiedergabe nur mit Genehmigung des Verlages. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart Alle Rechte vorbehalten. Internetadresse: ISBN Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen - 2 3

4 S. 107 Durchblick Zusammenfassung und Übung A1 L1 Warum ist die Formulierung eine Wunderkerze brennt ab nicht richtig? Schreibe eine richtige Formulierung auf. Der Begriff Abbrennen beschreibt die Vorgänge bei einer brennenden Kerze gut, denn er schließt mit ein, dass am Ende nichts mehr übrig bleibt, weil die gasförmigen Reaktionsprodukte nicht zu sehen sind. Bei einem abgebrannten Feuerwerkskörper bleibt oft nur die Papphülle zurück. Ebenso bleibt nach einem Gebäudebrand wesentlich weniger Festsubstanz zurück als vorher da war. Bei einer gebrauchten Wunderkerze jedoch befindet sich auf dem (unveränderten) Trägerdraht immer noch eine Schicht fester Stoffe. Aus den festen Ausgangsstoffen sind zu einem gewissen Teil feste Endprodukte entstanden, die noch immer am Draht haften, auch verkohlte Stärke. Diese Tatsache soll aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass bei der Dekoration einer Speise mit brennenden Wunderkerzen eine nicht unerhebliche Portion der Metalloxide auf der Speise landen und mitverzehrt werden. Aluminiumverbindungen stehen im dringenden Verdacht an der Auslösung schwerer Nervenleiden beteiligt zu sein. Außerdem bilden sich in der Hitze der Funken aus dem Oxidationsmittel Bariumnitrat giftige Stickstoffoxide. A2 L2 Im Zigarettenrauch sind unter anderem verschiedene Stickstoffoxide enthalten. Informiere dich über die Wirkung dieser Oxide auf Menschen und Pflanzen. Fünf Stickstoffoxide sind von Bedeutung: farbloses Stickstoffmonooxid (NO), giftiges, braunrotes Stickstoffdioxid (NO 2 ), das bei Zimmertemperatur überwiegend als Dimer, d.h. als Distickstofftetraoxid (N 2 O 4 ) vorliegt, Distickstoffoxid (alte Benennung: Stickoxydul, Lachgas, N 2 O) als farbloses, leicht süßlich riechendes Gas, Distickstoffpentoxid (N 2 O 5 ) aus farblosen, harten Kristallen, die an der Luft zerfließen und in unberechenbarer Weise explodieren können. Lachgas ist das am häufigsten verwendete, gasförmige, nicht brennbare, nicht explosive, nahezu nicht toxische Inhalationsnarkotikum. Es wird schon seit 1799 verwendet. Zur Verwendung ist eine Beimischung von mindestens 25 % Sauerstoff notwendig, die Narkosetiefe und -dauer ist gut steuerbar, weil die Wirkung schnell eintritt, aber auch rasch beendet wird, da Lachgas den Organismus in unveränderter Form wieder verlässt. Es zeigt auch bei länger andauerndem Einsatz für umfangreichere Operationen kaum Nebenwirkungen. Beim Menschen können Stickstoffoxide Lungen reizend wirken, auch allergische Reaktionen scheinen möglich. Stickstoffdioxid ist (neben anderen Stickstoffoxiden, insbesondere Stickstoffmonooxid) der Hauptbestandteil der stark giftigen, gelben bis braunroten nitrosen Gase, die nach dem Einatmen die Hämoglobinbildung beeinflussen, Gefäßdilatation mit Absenkung des Blutdruckes und bei längerem Einatmen den Tod bewirken können. In den oberen Schichten der Erdatmosphäre werden unter der Einwirkung von Wärme, Elektrizität (Gewitter) beständig Stickstoffoxide gebildet. Manche Pflanzen (z.b. Birke, Lärche, Weißtanne, Linde) ertragen innerhalb von 30 Minuten maximal 6000 mg/m 3. Da dieser Wert kaum irgendwo erreicht wird, ist eine Direktschädigung von Pflanzen auch kaum je gegeben, doch in Kombination mit anderen Schadstoffen kann es zu Schäden kommen. Die Wirkung von Stickstoffoxiden auf das Pflanzenwachstum kann leicht in einem Experiment mit Kresse gezeigt werden. Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen - 2 4

5 S. 107 Durchblick Zusammenfassung und Übung (Fortsetzung) Bemerkenswert ist, dass sich Stickstoffmonooxid im menschlichen Organismus in jüngster Zeit als vielseitiger zellulärer Botenstoff (Hormon) erwiesen hat. Im Vorfeld wurde ein blutdrucksenkendes Hormon charakterisiert, welches im Nachhinein als Stickstoffmonooxid identifiziert wurde. Stickstoffmonooxidmoleküle werden besonders in den Neuronen des Kleinhirns, der Neurohypophyse, und in den Augen (Netzhaut) mithilfe eines bestimmten Katalysators (Enzym Stickstoffoxid-Synthetase ) produziert. Stickstoffmonooxidmoleküle können leicht Zellwände passieren, um dort wichtige Funktionen auszuüben. Beispielsweise bilden die Makrophagen des Immunsystems ebenfalls Stickstoffmonooxidmoleküle, welche Tumorzellen angreifen und ferner Endoparasiten durch Eingriff in deren Stoffwechsel (Hemmung von Oxidoreduktasen) bekämpfen. Eine überhöhte Produktion von Stickstoffmonooxid, wie sie z.b. nach schweren Verletzungen oder epileptischen Anfällen zu beobachten ist, wirkt sich pathologisch in Form einer Schädigung körpereigener Zellen, speziell im Gehirn, aus. Als Luftschadstoff besitzt das reine Gas keinerlei Reizwirkung auf menschliche Atmungsorgane, bildet aber im Körper Methämoglobin, verändert also den roten Blutfarbstoff Hämoglobin (die β-kette des Globins im Bereich des Häm), sodass Cyanose, Übelkeit, Kopfschmerzen, Schwindel, Tachykardie, Atemstörungen, Unruhe bis hin zu Hämolyse, Kollaps und Tod die Folge sein können. Insbesondere Kleinkinder und Säuglinge sind gefährdet. A3 L3 Warum leuchtet ein Bausch Eisenwolle beim Verglühen heller auf, wenn man ihn an der Luft bewegt? Gib eine Erklärung. Durch die Bewegung an der Luft kommt mehr Sauerstoff mit dem Eisen an der Oberfläche des Drahtes in Berührung und es kann sich in exothermer Reaktion mehr Eisenoxid bilden. A4 In der Nähe von Neapel, in der Hundsgrotte, wurden Hunde und andere kleine Tiere bewusstlos oder drohten zu ersticken [B6]. Aus vulkanischem Gestein strömte Kohlenstoffdioxid in die Grotte. a) Erwachsene Personen konnten sich in der Grotte gefahrlos bewegen. Erkläre. b) Warum betritt ein Kellermeister den Gärkeller mit einer brennenden Kerze, obwohl der Keller ausreichend beleuchtet ist? Erläutere. B6 Kohlenstoffdioxidsee am Boden einer Grotte L4 a) Kohlenstoffdioxid hat eine größere Dichte als Luft und sammelte sich deshalb unter Verdrängung der Luft am Boden der Grotte. Da Hunde und andere kleine Tiere nun dieses Gas einatmen, ersticken sie. Eine erwachsene Person watet im Kohlenstoffdioxid, während ihr Kopf in die sauerstoffhaltige Luft ragt. b) Der Kellermeister benutzt die brennende Kerze als Warnsignal vor Erstickungsgefahr, da eine Kerzenflamme in Kohlenstoffdioxid erlischt. Wenn er die Treppe zum Gärkeller hinabsteigt, erlischt die in der Hand gehaltene Kerze, bevor er mit dem Kopf in das Kohlenstoffdioxid eintaucht. Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen - 2 5

6 S. 107 Durchblick Zusammenfassung und Übung (Fortsetzung) A5 L5 Sauerstoff soll aus einer Kunststoffspritze ohne Kontakt mit der Luft in ein Reagenzglas umgefüllt werden. Du hast zusätzlich ein Gefäß mit Wasser und einen Schlauch zur Verfügung. Wie gehst du vor? Mache einen Vorschlag mithilfe einer Skizze. Zum luftfreien Abfüllen von Gasen verwendet man eine so genannte pneumatische Wanne. Man füllt das Gefäß (Glaswanne) mit Wasser, taucht das Reagenzglas ganz unter, richtet die Öffnung des Glases (unter Wasser) nach oben bis alle Luft entwichen ist und das Reagenzglas schließlich vollständig mit Wasser gefüllt ist. Das gefüllte Reagenzglas wird dann so in die pneumatische Wanne gehalten, dass die Öffnung nach unten zeigt. Anschließend setzt man den Schlauch mit dem einen Ende auf die Spritze, das andere Ende schiebt man unter die Öffnung, hält das Reagenzglas fest und verdrängt mit dem Gas aus der Spritze das Wasser aus dem Reagenzglas. Dann verschließt man das Glas unter Wasser mit einem Gummistopfen und holt es heraus. A6 L6 Erstelle eine Mindmap auf DIN-A-3-Papier (Querformat) zum Kapitel Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen. a) Übertrage die nummerierten Überschriften (ohne Praktikum, Impulse und Exkurse). b) Notiere mit einer neuen Farbe jeweils die wichtigsten Begriffe. Die angefügte Mindmap kann natürlich an die individuellen Bedürfnisse angepasst werden. Sie eignet sich auch, um eventuell ein Übersichtsposter zu gestalten, das beispielsweise im Klassenzimmer platziert werden kann. Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen - 2 6

7 S. 107 Durchblick Zusammenfassung und Übung (Fortsetzung) A7 L7 Untermauere die Behauptung Luft ist ein Gasgemisch und keine Verbindung. Die Bestandteile der Luft können durch Destillation, also durch eine Trennmethode für Stoffgemische voneinander getrennt werden. Wären die Bestandteile der Luft Verbindungen, lägen sicher Oxide vor. Um elementare Stoffe daraus zu gewinnen, müssten chemische Reaktionen durchgeführt werden. A8 L8 Entnimm einer Tageszeitung oder dem Internet, welche Nichtmetalloxide in der Luft enthalten sind. Erstelle über mehrere Tage ein Diagramm, in dem du den Volumenanteil (senkrechte Achse) gegen die Zeit (waagerechte Achse) aufträgst. Als Nichtmetalloxide können Schwefeldioxid, Stickstoffoxide oder Kohlenstoffdioxid genannt sein. Das Diagramm muss entsprechend den aktuellen Gegebenheiten erstellt werden. A9 Schlage für verschiedenartige Brände jeweils geeignete Löschmethoden und Löschmittel vor. L9 Bei Bränden von Holz, Papier, Stroh, Kohle, Textilien eignen sich Wasser, Schaum und Pulver (für Glutbrände). Bei Bränden von flüssigen oder flüssig werdenden Stoffen (wie Benzin, Heizöl, Alkohol, Harze) eignen sich Schaum, Pulver und Kohlenstoffdioxid. Bei Bränden von Gasen eignen sich Pulver oder Kohlenstoffdioxid. Bei Metallbränden eignen sich spezielle Pulver, Steinsalz und trockener Sand. Bei Bränden von Speiseölen oder Speisefetten eignen sich Speziallöschmittel F. A10 Taucht man eine brennende Kerze in ein großes, mit Kohlenstoffdioxid gefülltes Becherglas, so erlischt sie. Verfährt man mit der Erdgasflamme oder einem brennenden Gasfeuerzeug ebenso, so hebt die Flamme von der Gasaustrittsöffnung ab und brennt an der Oberfläche des Kohlenstoffdioxidsees weiter [B5]. Begründe das unterschiedliche Verhalten. B5 Zu Aufgabe 10 L10 Taucht man eine Erdgasflamme in Kohlenstoffdioxid, so strömt weiter Gas an die Oberfläche und kann dort mit dem Sauerstoff reagieren. Dies ist bei einer Kerze nicht möglich, da die Entfernung der Flamme vom Docht dort die weitere Gasbildung verhindert, da keine Wärme von der Flamme auf den Docht zurückgeführt wird. Das Kerzenwachs kann nicht weiter schmelzen und gasförmig werden. Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen - 2 7

8 S. 107 Durchblick Zusammenfassung und Übung (Fortsetzung) A11 Auch in den Zellen der Lebewesen finden Oxidationen statt. Beantworte folgende Fragen: a) Welche Stoffe werden dabei oxidiert? b) Wodurch unterscheiden sich diese Oxidationen von Verbrennungen an der Luft? c) Wozu dient die frei werdende thermische Energie? L11 a) Oxidiert werden die in der Nahrung enthaltenen Nährstoffe, wie z.b. Fette, Kohlenhydrate und Eiweiße. b) Es handelt sich um eine stille Verbrennung, die recht langsam und ohne Leuchterscheinung (z.b. Glut oder Flamme) abläuft. c) Bei den Reaktionen von (b) handelt es sich trotzdem um exotherme Reaktionen. Die frei werdende thermische Energie (Wärme) dient zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur des Lebewesens. Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Stoff- und Energieumsätze bei chemischen Reaktionen - 2 8