Lösungen Kap. 4 Die chemische Reaktion

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1 Elemente Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen Klett und Balmer Verlag Zug 2007 Verwendung für den Gebrauch in der eigenen Klasse gestattet Lösungen Kap. 4 Die chemische Reaktion Lösungen zu den Aufgaben A 1 Verreibt man etwas Schwefelpulver auf der Oberfläche eines versilberten Löffels oder einer Silbermünze, färbt sich diese(r) nach einiger Zeit dunkel. Deuten Sie diese Beobachtung. Aus Silber und Schwefel ist ein neuer Stoff entstanden: Silbersulfid. Zusatzinformation: Das Anlaufen versilberter Gegenstände beruht nicht auf der Reaktion von Schwefel und Silber, sondern meist auf der Reaktion von Schwefelwasserstoff bzw. Sulfiden mit Silber. Das Reaktionsprodukt ist aber in beiden Fällen Silbersulfid. A 2 Woran kann man den Ablauf einer chemischen Reaktion erkennen? Es entstehen neue Stoffe (oder ein neuer Stoff) mit anderen Eigenschaftskombinationen als die Ausgangsstoffe. Die neuen Stoffe entstehen unter gleichzeitigem «Verschwinden» der Ausgangsstoffe. Bei der Stoffumwandlung wird Energie umgesetzt (abgegeben oder aufgenommen). A 3 Warum muss ein Vergleich der Eigenschaften der Ausgangsstoffe und der Reaktionsprodukte immer unter den gleichen Bedingungen durchgeführt werden? Nennen Sie einige Bedingungen, die einzuhalten sind. Es gibt viele Stoffeigenschaften, die von den äusseren Bedingungen abhängen: Farbe und Glanz hängen z. B. vom Zerteilungsgrad ab, der Aggregatzustand hängt sowohl von der Temperatur als auch vom Druck ab, die Löslichkeit eines Stoffs hängt meist von der Temperatur ab, und die Dichte ist temperatur- und druckabhängig. Stoffe (Stoffportionen) müssen vor allem bei vergleichbarem Zerteilungsgrad und gleicher Temperatur sowie gleichem Druck untersucht werden. A 4 Stellen Sie für die Reaktion der Metalle Eisen und Silber mit Schwefel das jeweilige Reaktionsschema auf. Eisen + Schwefel Eisensulfid Silber + Schwefel Silbersulfid A 5 Woran kann man erkennen, dass es sich bei der Zerlegung von Silbersulfid um eine chemische Reaktion und nicht um die Trennung eines Gemischs handelt? Aus einem Stoff (Silbersulfid) mit einer ganz bestimmten (charakteristischen) Eigenschaftskombination entstehen zwei neue Stoffe (Silber und Schwefel), die andere Eigenschaften bzw. Eigenschaftskombinationen als der Ausgangsstoff aufweisen. A 6 Formulieren Sie für die Bildung und Zerlegung von Eisensulfid das jeweilige Reaktionsschema. Bildung Eisen + Schwefel Eisensulfid Zerlegung Eisensulfid Eisen + Schwefel A 7 Bleibt die Teilchenanordnung der Elemente bei der Bildung der Verbindung Silbersulfid und bei der Herstellung eines Gemischs aus Silber- und Schwefelpulver jeweils erhalten? Geben Sie eine kurze Begründung. Die Teilchenanordnung der Elemente bleibt nur bei der Herstellung eines Gemischs aus Silber und Schwefel erhalten. Bei der Bildung des Silbersulfids werden die Eisen- und Schwefelteilchen dagegen neu angeordnet.

2 A 8 Die Darstellung der chemischen Reaktion als Teilchenumgruppierung in Abb. 7 enthält einige Vereinfachungen. Nennen Sie einige davon. Die bisherigen Kenntnisse über die chemische Reaktion und ihre Deutung als Teilchenumgruppierung lassen keine Aussagen darüber zu, in welchem Anzahlverhältnis die kleinsten Teilchen der verschiedenen Elemente in einer Verbindung vertreten sind. Man kann also z. B. nichts darüber sagen, ob in der Verbindung Silbersulfid das Anzahlverhältnis der Silberteilchen zu den Schwefelteilchen 1 : 1, 2 : 1 oder 1 : 2 ist oder ob nicht gar ein ganz anderes Verhältnis zutrifft. (Es kann damit nicht einmal gesagt werden, ob überhaupt ein festes Anzahlverhältnis für eine Verbindung zutrifft.) A 9 Formulieren Sie zu den Begriffen «exotherme Reaktion» und «endotherme Reaktion» jeweils einen Merksatz. Chemische Reaktionen, die insgesamt unter Energieabgabe verlaufen, bezeichnet man als exotherme Reaktionen. Chemische Reaktionen, die nur unter ständiger Energieaufnahme ablaufen, bezeichnet man als endotherme Reaktionen. A 10 Erläutern Sie mit Hilfe von Abb. 13 und 15 die Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft nach dem Lindeverfahren. Wird Luft zusammengepresst, steigt ihre Temperatur (Fahrradluftpumpe!). Dehnt sich das Gas dagegen aus, sinkt die Temperatur. Führt man die beim Zusammenpressen frei werdende Wärme ab und lässt die Luft sich wieder ausdehnen, so wird die Luft kälter, als sie ursprünglich war. Durch mehrfaches Wiederholen dieses Vorgangs werden schliesslich so niedrige Temperaturen erreicht, dass die Luft flüssig wird (kondensiert). Durch Destillation der flüssigen Luft lassen sich die einzelnen Bestandteile abtrennen. Da Helium die niedrigste Siedetemperatur hat, wird es als Erstes abdestilliert, danach mit steigenden Siedetemperaturen: Neon, Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Krypton, Xenon, Kohlenstoffdioxid. A 11 Durch Atmung und Verbrennung wird der Luft Sauerstoff entzogen. Wodurch wird dieser Verlust ausgeglichen? Grüne Pflanzen produzieren Sauerstoff (Fotosynthese). A 12 Auf welchem Weg gelangen lebensnotwendige Stickstoffverbindungen in den Körper des Menschen? Pflanzen nehmen Stickstoffverbindungen mit den Wurzeln aus dem Boden auf, Menschen nehmen sie dann mit der Nahrung auf. A 13 Begründen Sie, warum Metallpulver heftiger verbrennt als Metallwolle. Bei einer gleich grossen Metallportion ist der Zerteilungsgrad beim Pulver grösser als bei der Wolle; die Metallportion hat beim Pulver also eine grössere Oberfläche und reagiert damit heftiger.

3 Lösungen zum Kapitel «Überprüfung und Vertiefung» Ü 1 Ordnen Sie den folgenden Vorgängen die Begriffe «Analyse» bzw. «Synthese» zu: a) Aus Sauerstoff und Wasserstoff wird Wasser gebildet. b) Aus Silberoxid entstehen Silber und Sauerstoff. c) Kupferoxid und Eisen reagieren zu Kupfer und Eisenoxid. d) Der Sauerstoffgehalt eines Gewässers wird bestimmt. e) Ein Gemisch aus Zucker und Wasser wird hergestellt. f) Eisen reagiert mit Schwefel zu Eisensulfid. a) Synthese b) Analyse c) Synthese d) Analyse e) Herstellung eines Gemischs, keine chemische Reaktion (weder Analyse noch Synthese) f) Synthese Ü 2 Wird ein Gemisch aus 4 g Schwefel- und 8 g Zinkpulver mit einer glühenden Nadel berührt, tritt eine sehr heftige Reaktion ein ( Abb. 39). Zurück bleibt ein bei hoher Temperatur gelber und nach dem Abkühlen weisser Stoff. a) Welcher Stoff ist entstanden? Formulieren Sie das Reaktionsschema. b) Verläuft die Reaktion exotherm oder endotherm? Begründen Sie. c) Warum genügt es, das Gemisch nur an einer Stelle zu erhitzen? a) Es ist Zinksulfid entstanden: Zink + Schwefel Zinksulfid b) und c) Es handelt sich um eine exotherme Reaktion. Es genügt, nur einem kleinen Teil des Gemischs die Aktivierungsenergie zuzuführen. Die bei der anschliessenden Reaktion abgegebene Energie reicht aus, den übrigen Teil des Gemischs zu aktivieren, so dass die Reaktion ohne weitere Energiezufuhr von aussen von selbst abläuft. Ü 3 Warum leuchtet ein Knäuel angezündeter Eisenwolle beim Schwenken durch die Luft hell auf? Eisenwolle reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Eisenoxid. Durch das Schwenken wird der Eisenwolle immer frische Luft zugeführt. Ü 4 Obwohl Magnesium sehr heftig mit Sauerstoff reagieren kann, muss ein Magnesiumband zunächst stark erhitzt werden, bis es mit Sauerstoff reagiert. Warum? Handelt es sich bei der Bildung von Magnesiumoxid aus den Elementen um eine exotherme oder um eine endotherme Reaktion? Erst muss Aktivierungsenergie zugeführt werden, damit die Oxidation einsetzt. Bei der Reaktion von Magnesium und Sauerstoff zu Magnesiumoxid handelt es sich um eine exotherme Reaktion: Nachdem die Reaktion eingesetzt hat, verläuft sie ohne weitere Energiezufuhr unter Abgabe von Wärme- und Lichtenergie. Ü 5 In eine wassergefüllte Wanne wird eine Glasglocke gestellt ( Abb. 40). Auf einem Verbrennungslöffel, der in einem durchbohrten Stopfen steckt, wird eine kleine Portion des Nichtmetalls Phosphor (rot) entzündet und die Glasglocke wird geschlossen. Der Phosphor verbrennt zu einem weissen Feststoff. Obwohl noch genügend Phosphor vorhanden ist, hört der Verbrennungsvorgang auf. Der Wasserspiegel steigt in der Glasglocke nach kurzer Zeit an. a) Um welchen Bruchteil nimmt das Gasvolumen in der Glasglocke ab? b) Um welchen Stoff kann es sich bei dem weissen Feststoff handeln? c) Warum steigt das Wasser in der Glasglocke an? Erläutern Sie Ihre Überlegungen. a) Das Gasvolumen in der Glasglocke nimmt um etwa ein Fünftel ab. b) Es kann sich um ein Phosporoxid handeln. c) Phosphor reagiert mit dem Sauerstoff der Luft zu Phosphoroxid. Phosphoroxid ist ein Feststoff; das von ihm eingenommene Volumen ist im Gegensatz zu demjenigen des gasförmigen Sauerstoffs klein. Da die restliche Luft (im Wesentlichen der Stickstoff) nur noch vier Fünftel des Volumens benötigt, steigt das Wasser hoch und nimmt das Volumen des (verbrauchten) Sauerstoffs ein.

4 Ü 6 Erhitzt man orangefarbenes Quecksilberoxid im Reagenzglas, wird die Stoffportion langsam kleiner. An den kälteren Teilen des Glases setzen sich silbrig glänzende Tröpfchen ab. Gleichzeitig kann man ein Gas über Wasser als Sperrflüssigkeit auffangen ( Abb. 41). Hält man einen glimmenden Holzspan in das mit dem Gas gefüllte Reagenzglas, so flammt er hell auf und verbrennt mit heller Flamme. a) Deuten Sie die Versuchsbeobachtungen. b) Formulieren Sie das Reaktionsschema. c) Warum darf der Reagenzglasinhalt nicht in den Ausguss geschüttet werden? a) Bei den silbrig glänzenden Tröpfchen handelt es sich um Quecksilber. Quecksilber ist das einzige bei Zimmertemperatur flüssige Metall. Die Glimmspanprobe verläuft positiv; es handelt sich also um Sauerstoff. Quecksilberoxid ist in Quecksilber und Sauerstoff zerlegt worden. b) Quecksilberoxid Quecksilber + Sauerstoff endotherm c) Quecksilber ist ein giftiges Schwermetall, das gesammelt und entsorgt werden muss. Ü 7 Handelt es sich bei der Luft um eine Verbindung, ein Gemisch oder ein Element? Begründen Sie Ihre Entscheidung. Die Luft ist ein Gemisch. Ihre Bestandteile lassen sich durch Destillation voneinander trennen. Ü 8 Bei einer Kerzenflamme sieht man einen gelb leuchtenden Flammenmantel umgeben von einem bläulichen Flammensaum ( Abb. 42). Das Leuchten des Mantels entsteht durch glühenden Kohlenstoff, Ergebnis einer unvollständigen Verbrennung des Wachses. Im Flammensaum verbrennt dieser Kohlenstoff. a) Zu welchem Stoff verbrennt der Kohlenstoff? Wie könnte man dieses Verbrennungsprodukt nachweisen? b) Hält man ein kurzes Metallrohr über das Dochtende der brennenden Kerze, kann man eine Tochterflamme entzünden. Erklären Sie. c) Benutzt man für den in b) geschilderten Versuch ein 20 cm langes Metallrohr, lässt sich keine Tochterflamme entzünden. Warum gelingt der Versuch mit diesem langen Metallrohr nicht? a) Als Verbrennungsprodukte bilden sich Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. (Als Nebenprodukt kann sich auch in geringeren Mengen Kohlenstoffmonooxid bilden.) Das Wasser lässt sich nachweisen, indem man die Verbrennungsgase in eine Kühlfalle leitet ( Abb. 29). Kohlenstoffdioxid kann man mit Kalkwasser nachweisen: Beim Einleiten der Verbrennungsgase in Kalkwasser trübt sich dieses (Bildung eines weissen Niederschlags, Abb. 26). b) Durch dieses Metallrohr wird ein Teil des Wachsdampfs abgeleitet. Am Rohrende lässt er sich entzünden. c) Ist das Metallrohr sehr lang, kühlt sich der Wachsdampf ab, kondensiert und erstarrt im Metallrohr. Ü 9 Ist Wasser ein Element oder eine Verbindung? Begründen Sie Ihre Antwort. Da Wasser in zwei Stoffe Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden kann, ist es kein Element. Zusatzinformation: In der antiken Naturphilosophie wurde es allerdings zusammen mit Feuer, Erde und Luft als Element bezeichnet. Ü 10 In einer Apparatur nach Abb. 43 wird leitfähig gemachtes Wasser durch elektrischen Strom zerlegt (Elektrolyse). Wie lassen sich die entstandenen Stoffe identifizieren? Bei der Elektrolyse des Wassers bilden sich Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff lässt sich durch die Knallgasprobe nachweisen, Sauerstoff durch die Glimmspanprobe.

5 Ü 11 In welchen Fällen läuft eine chemische Reaktion ab? Geben Sie eine kurze Begründung. a) Ein Stück Würfelzucker wird in Wasser gelöst. b) Eine Brausetablette wird in Wasser gegeben. c) Das Fenster beschlägt sich mit Kondenswasser. d) Ein Streichholz wird entzündet. e) Sauerstoff wird mit Wasserstoff vermischt. f) Wasserdampf wird durch grosse Hitze in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. a) Keine Reaktion (beim Lösen des Zuckers tritt keine Stoffumwandlung ein). b) Chemische Reaktion (die Gasentwicklung zeigt, dass ein neuer Stoff entsteht. Es handelt sich dabei um Kohlenstoffdioxid). c) Keine chemische Reaktion (Aggregatzustandsänderungen sind immer physikalische Vorgänge: Die Stoffe ändern nur ihre Zustandsform, es werden aber keine neuen Stoffe gebildet). d) Chemische Reaktion (bei Verbrennungen wandeln sich energiereiche Edukte unter Abgabe von Licht und Wärme in energiearme Produkte um). e) Keine chemische Reaktion (die beiden Gase verbinden sich nicht miteinander, somit entsteht kein neuer Stoff). f) Chemische Reaktion (bei der Hitzespaltung [Thermolyse] von Wasser bilden sich aus dem Wasser zwei neue, völlig andersartige Stoffe: Wasserstoff und Sauerstoff). Ü 12 Zeichnen Sie ein Energiediagramm für die Bildung von Wasser aus den Elementen. Berücksichtigen Sie dabei auch die Aktivierungsenergie. Bei der Bildung von Wasser aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff handelt es sich um eine exotherme Reaktion (die sogenannte Knallgasreaktion). Die Teilchen des Produkts (Wasser) sind energieärmer als die Teilchen der Edukte (Wasserstoff und Sauerstoff). Das Energiediagramm ist daher gleich zu zeichnen wie in Abb. 10 links.

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