Energieformen und Energieumwandlung. exotherme und endotherme chemische Reaktion (evtl. Aktivierungsenergie, Katalysator)

Transkript

1 Blatt 1 Stundenzahl Inhalte Themenauswahl und didaktische Hinweise Basiskonzepte und angestrebte Kompetenzen 16 (+1) Lernbereich 1: Chemische Energetik 2 Grundlagen der Energetik Energieformen und Energieumwandlung. exotherme und endotherme chemische Reaktion (evtl. Aktivierungsenergie, Katalysator) offene, geschlossene und isolierte Systeme, Energieerhaltungssatz, Energieformen und ihre Umwandlungen Energie-Konzept offene, geschlossene und isolierte Systeme definieren chemische Reaktionen unter stofflichen und energetischen Aspekten (exotherm, endotherm, ) erläutern 5 Experimentelle Bestimmung von Reaktionsenthalpi en Kalorimetrie 4 (+ 1) Rechnerische Ermittlung von Reaktionsenthalpi en - Satz von HESS 3 Entropie bei chemischen Reaktionen - Grundlagen der Kalorimetrie, Planung eines Experiments zur Kalorimetrie. - Ermittlung der Reaktionsenthalpie: Reaktion von Zink in Kupfersulfatlösung Neutralisationsenthalpie von Natronlauge mit Salzsäure, Ermittlung der Wärmekapazität des Kalorimeters Verbrennungsenthalpie von Ethanol im Verbrennungskalorimeter durch Verbrennen von Ethanol im Luftstrom - Heiz- und Brennwerte verschiedener Brennstoffe bzw. Nahrungsmittel - Schmelz- und Verdampfungsenthalpien Diskussion der Ergebnisse und Vergleich mit tabellierten Daten, Fehlerbetrachtung - Enthalpieänderungen bei chemischen Reaktionen, Standardbedingungen, Bildungsenthalpie, Verbrennungsenthalpien Berechnungen statt aufwendiger Experimente, Satz von HESS Berechnungen von Standardreaktionsenthalpien aus Bildungsenthalpien - Berechnung von Reaktionsenthalpien mithilfe von Bindungsenthalpien Triebkräfte für den Verlauf chemischer Reaktionen: a) Das "Streben" nach dem Enthalpieminimum b) Das "Streben" nach dem Entropiemaximum Spontan ablaufende endotherme Vorgänge (Reaktion von Bariumhydroxid mit Ammoniumthiocyanat oder Reaktion von Kaliumhydrogencarbonat mit Salzsäure - (W) Entropie als Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Zustands. - Didaktische Reduktion: Entropie als Maß für die Unordnung eines Systems. 1 eine kalorimetrische Messung planen, durchführen und auswerten (Reaktionsenthalpie) chemische Reaktionen unter stofflichen und energetischen Aspekten (, Brennwert, Heizwert) erläutern den Satz von der Erhaltung der Energie auf chemische Reaktionen anwenden und Reaktionsenthalpien aus Bildungsenthalpien berechnen die Entropie als Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes beschreiben Änderungen der Entropie bei chemischen Reaktionen abschätzen

2 Blatt 2 2 Freiwilligkeit chemischer Reaktionen - Freie Enthalpie 16 (+7) Lernbereich 2: Chemische Gleichgewichte (+5) Geschwindigkeit chemischer Reaktionen (W) 4 Chemisches Gleichgewicht Einstellung und Merkmale Definition der Begriffe Molare Standardentropie, Standardreaktionsentropie, Berechnungen Zusammenspiel von Enthalpie und Entropie: Einführung der freien Reaktionsenthalpie R G; exergonische und endergonische Reaktionen Berechnung mit der Gibbs-Helmholtz-Gleichung, Ableiten von Aussagen zur Freiwilligkeit chemischer Reaktionen Metastabiler Zustand - Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in Haushalt und Technik (schnelle und langsame Reaktionen) - Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit: Magnesium reagiert mit verdünnter Salzsäure. Definition des Begriffs Reaktionsgeschwindigkeit - Praktikum: Zersetzung von Thiosulfat mit Salzsäure Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration, Aufstellen von Termen zur Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit (Vorarbeit für das MWG) - Stoßtheorie und Aktivierungsenergie - RGT-Regel Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit vom Katalysator (Autokatalyse, Biochemie) Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen und unvollständiger Stoffumsatz Bildung und Hydrolyse von Estern Einstellung des chemischen Gleichgewichts, Modellversuch Merkmale eine dynamischen Gleichgewichts die Gibbs-Helmholtz-Gleichung auf geeignete Beispiele anwenden (Freie Reaktionsenthalpie); an Beispielen die Grenzen der energetischen Betrachtungsweise aufzeigen (metastabiler Zustand und unvollständig ablaufende Reaktionen). Gleichgewichts-Konzept umkehrbare Reaktionen und die Einstellung eines chemischen Gleichgewichtes beschreiben (Veresterung und Ester-Hydrolyse); ein Modellexperiment zur Gleichgewichtseinstellung durchführen die Rolle eines Katalysators für die Gleichgewichtseinstellung erläutern 2

3 Blatt 3 4 Massenwirkungsgesetz Einführung des Massenwirkungsgesetzes, Gleichgewichtskonstante, Lage von Gleichgewichten Berechnungen von Gleichgewichtskonstanten und Gleichgewichtskonzentrationen das Massenwirkungsgesetz zur quantitativen Beschreibung von homogenen Gleichgewichtsreaktionen anwenden 5 Beeinflussung und Störung chemischer Gleichgewichte - Prinzip vom kleinsten Zwang 3 (+2) Ammoniaksynthese 18 (+6) Lernbereich 3 4 (+2) Säuren und Basen - Theorie nach BRÖNSTED 5 ph-wert wässriger Lösungen Stärke von Temperatur- Druck- und Konzentrationsabhängigkeit des chemischen Gleichgewichts - Schülerpraktikum: Gleichgewichtsverschiebung (z.b. bei der Bildung von Eisenthiocyanat) - Erhöhung der Ausbeute bei Gleichgewichtsreaktionen: evtl.ab Estersynthese mit maximaler Ausbeute aus Kopiervorlagen Chemie Bedeutung der Synthese von Ammoniak Technische Probleme und Lösungen bei der industriellen Synthese von Ammoniak - (W) Biographien von FRITZ HABER, CLARA IMMERWAHR und CARL BOSCH, Nobelpreis für GERHARD ERTL - (W) Übertragung auf andere großtechnische Prozesse (Ostwaldverfahren, Kontaktverfahren) (GFS) - Historische Entwicklung des Säure-Base-Konzepts bis Arrhenius (GFS) Säuredefinition nach BRÖNSTED (EVTL. Molekül-, Kationen-, Anionensäuren, - Übersicht über Säuren und ihre Salze Basen als Protonenakzeptoren, Säure-Base-Reaktionen als Gleichgewichtsreaktionen, korrespondierende Säure-Base-Paare, Ampholyte - Definition des ph-werts Autoprotolyse des Wassers Ionenprodukt des Wassers, ph, poh, ph-wertskala 3 das Prinzip von LE CHATELIER zur Beeinflussung von Gleichgewichten anwenden (Änderungen von Konzentrationen, Druck und Temperatur) Faktoren nennen, welche die Gleichgewichtseinstellung bei der Ammoniak- Synthese beeinflussen und mögliche technische Problemlösungen kommentieren die gesellschaftliche Bedeutung der Ammoniak-Synthese erläutern die Leistungen von HABER und BOSCH präsentieren Donator-Akzeptor-Konzept die Gleichgewichtslehre auf Säure- Base-Reaktionen mit Wasser anwenden Säure-Base-Reaktionen mithilfe der Theorie von BRÖNSTED beschreiben; das Donator-Akzeptor-Prinzip auf Säure-Base-Reaktionen übertragen Säuren und Basen mithilfe der pk S - Werte (Säurestärke) beziehungsweise pk B -Werte (Basenstärke) klassifizieren

4 Blatt 4 Säuren und Basen 6 (+ 4) Konzentrationsermittlung durch Säure-Base- Titrationen Stärke von Säuren und Basen, Säure- und Basenkonstante, pk S, pk B Berechnung von ph-werten starker und schwacher Säuren und Basen die Autoprotolyse des Wassers erläutern und den ph-wert definieren Grundlagen der Säure-Base-Titration Titration von Salzsäure oder Essigsäurelösung mit Natronlauge Auswertung von Titrationen Indikatoren - Einführung in die Chromatographie, Bestimmung der Zusammensetzung des Universalindikators -Aufnahme von Titrationskurven (All-Chem-Misst oder per Hand) -Leitfähigkeitstitration mit erstellen eines Schaubilds -Vergleich und Interpretation der Kurven 3 Puffersysteme Pufferwirkung Pufferwirkung einer Ammoniak-Ammoniumchloridlösung oder eines Essigsäure- Acetatpuffers - (W) Zusammensetzung von Puffersystemen mithilfe des MWG 32 (+4) Lernbereich 4: Moleküle des Lebens - Puffersysteme in der Natur (z.b. Blutpuffer) ph-werte von Lösungen einprotoniger, starker Säuren und von Hydroxid- Lösungen berechnen ph-werte für Lösungen schwacher Säuren und Basen berechnen Säure-Base-Titrationen zur Konzentrationsbestimmung planen und experimentell durchführen die Säure-Base-Theorie auf Indikatoren anwenden Puffersysteme und deren Bedeutung an Beispielen erklären 4

5 Blatt 5 6 (+2) Monosaccharide Glucose 2 Fructose und weitere Monosaccharide Kohlenhydrate als Nährstoffe Vorkommen und Eigenschaften von Glucose (SSA) Nachweisreaktionen (Fehling-Probe, Tollens-Probe und GOD-Test) Chiralität und Isomere der Glucose: Enantiomere (offene Form) in Fischer-Projektion Anomere (Ringform) in Haworth-Projektion (UG) (SSA) - optische Aktivität der Glucose Arbeiten mit Strukturmodellen (SSA) Vorkommen und Eigenschaften von Fructose - Nachweis von Fructose Isomere der Fructose Stammbaum der D-Aldosen Struktur-Eigenschafts-Konzept die Monomere biologisch wichtiger Makromoleküle nennen und deren Strukturformeln in der Fischer- Projektion angeben (D-Glucose, D- Fructose, L- Aminosäuren) Vorkommen, Verwendung und Eigenschaften von Monosacchariden, Disacchariden und Polysacchariden beschreiben (Glucose, Fructose, Maltose, Saccharose, Stärke und Cellulose) die Chiralität am räumlichen Bau von Molekülen erkennen (asymmetrisches Kohlenstoff-Atom) Mono- und Disaccharide in Projektionsformeln nach FISCHER und HAWORTH darstellen (D-Isomere, - und -Form) Nachweisreaktionen auf Zucker experimentell durchführen (GOD-Test, Tollens-Probe ) 3 Disaccharide - Maltose, Cellubiose und Lactose als Zweifachzucker Saccharose als Haushaltszucker (Herstellung) Bildung von Monosacchariden durch Kondensation, glykosidische Bindung, Hydrolyse - reduzierende und nicht reduzierende Disaccharide die glykosidische Bindung erläutern 4 Polysaccharide Vorkommen, Bedeutung, Struktur und Eigenschaften von Stärke (Amylose, Amylopektin, Glykogen) Nachweis von Stärke und hydrolytischer Vorkommen, Struktur und Eigenschaften von Cellulose 5 das Prinzip der Kondensationsreaktion anwenden und die Vielfalt als Ergebnis der Wiederholung einfacher Prozesse begründen die Funktion biologisch wichtiger Stoffe

6 Blatt 6 2 Nachwachsende Rohstoffe Naturstoffen als nachwachsende Rohstoffe (GA, Gruppenpuzzle oder GFS) Bewerten der Nutzung nachwachsender Rohstoffe (Ökobilanz) 3 (+1) Aminosäuren - chemischer Einstieg: Ammoniak und Amine: basische Eigenschaft oder -biologischer Einstieg: Proteine und Aminosäuren als Bausteine des Lebens Struktur Eigenschaften und Einteilung der L- -Aminosäuren, essenzielle und biogene Aminosäuren Säure-Base-Eigenschaften der Aminosäuren, isoelektrischer Punkt 2 Peptide Bildung von Peptiden aus Aminosäuren, Besonderheiten der Peptidbindung Dipeptide, Oligo- und Polypeptide 4 (+1) Proteine Funktionen der Proteine in der Natur Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen - Nachweise von Peptiden und Proteinen (Biuret-, Xanthoprotein- und Ninhydrin- Reaktion) - Nachweis von Stickstoff- und Schwefel in Proteinen Denaturierung von Proteinen aus dem räumlichen Aufbau ihrer Moleküle begründen (Stärke, Cellulose, ) Beispiele für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe nennen (Ökobilanzierung) die Monomere biologisch wichtiger Makromoleküle nennen und deren Strukturformeln in der Fischer- Projektion angeben (, L- - Aminosäuren) die Primärstruktur eines Peptids aus vorgegebenen Aminosäuren darstellen das Prinzip der Kondensationsreaktion anwenden und die Vielfalt als Ergebnis der Wiederholung einfacher Prozesse begründen die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen erläutern Denaturierungsvorgänge und deren Bedeutung erklären Nachweisreaktionen auf Proteine experimentell durchführen (, Biuret- oder Ninhydrin-Reaktion) 3 Enzyme Enzyme als Biokatalysatoren Wirkungsweise von Enzymen, Substrat- und Wirkungsspezifität die Funktion biologisch wichtiger Stoffe aus dem räumlichen Aufbau ihrer Moleküle begründen (, Enzyme, ) 3 Nucleinsäuren Vorkommen und Bedeutung der DNA als Träger der Erbinformation Aufbau der DNA, Nucleotide, Nucleotidsequenz Proteinbiosynthese 6 mithilfe von Modellen den Aufbau der DNA erklären und darstellen (Phosphorsäureester, Desoxyribose, Basenpaarung durch Wasserstoffbrü-

7 Blatt 7 6 (+1) Lernbereich 5: Aromaten 4 (+1) Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung von Benzol 2 Derivate des Benzols 16 (+2) Lernbereich 6: Kunststoffe 1 Bedeutung von Kunststoffen in All- historischer Einstieg: Suche nach der Strukturformel von Benzol, Kekulè Bedeutung und Eigenschaften des Benzols Struktur des Benzolmoleküls, Erweiterung des bisherigen Bindungsmodells, delokalisierte Elektronen, Mesomeriestabilisierung, Hückel-Regel Gesundheitsproblematik des Benzols Struktur, Eigenschaften und Verwendung von Derivaten des Benzols (Phenol, Anilin, Toluol) (Referate) Einfluss der Substituenten auf die Eigenschaften der Aromaten 7 cken); Vorkommen und Bedeutung der DNA erklären die Funktion biologisch wichtiger Stoffe aus dem räumlichen Aufbau ihrer Moleküle begründen (, DNA) Struktur-Eigenschafts-Konzept Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung von Benzol beschreiben am Beispiel des Benzols die mögliche Gesundheitsproblematik einer chemischen Substanz erläutern bei Diskussionen um gesundheitsgefährdende Stoffe fachlich fundiert argumentieren (AGW, BGW... ) Grenzen bisher erarbeiteter Bindungsmodelle angeben und unerwartete Eigenschaften des Benzols aus der besonderen Molekülstruktur erklären (delokalisierte Elektronen, Mesomerie, KEKULE) die Bedeutung oder Verwendung weiterer wichtiger Aromaten in Natur, Alltag und Technik beschreiben, sowie die systematischen Namen und die Strukturformeln dieser Aromaten angeben (Phenol, Toluol, Benzaldehyd, Benzoesäure, Styrol, Phenylalanin) - Bedeutung der Kunststoffe im Alltag Struktur-Eigenschafts-Konzept

8 Blatt 8 tag und Technik 5 Eigenschaften und Aufbau von Kunststoffen Eigenschaften von Kunststoffen (Schülerübung) Theorie von STAUDINGER, Analogien zu Eigenschaften der Kunststoffe und Zusammenhang mit der Struktur der Makromoleküle: Thermoplast, Duroplast, Elastomere Beispiele für die Bedeutung von Kunststoffen in Alltag und Technik nennen den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Kunststoffen und ihrer Molekülstruktur erläutern (Thermoplaste, Duroplaste, Elaste, STAUDIN- GERS Theorie der Makromoleküle) 8 Synthese und Verarbeitung von Kunststoffen +2 Besondere Kunststoffe (W) 2 Kunststoffe als Wertstoffe Polykondensation, Reaktionsverlauf am Beispiel von Nylon oder PET, Beeinflussung der Produkteigenschaften durch Wahl der Monomere und der Reaktionsbedingungen Polymerisation am Beispiel von Polyethylen oder Polystyrol, Reaktionsmechanismus, Beeinflussung der Produkteigenschaften durch Wahl der Monomere und der Reaktionsbedingungen Herstellung von Polykondensaten Polyaddition am Beispiel von Polyurethanen - Verarbeitung von Kunststoffen (Extrudieren, Tiefziehen, Hohlkörperblasen,...) - Problematik in der Kunststoffverarbeitung: Weichmacher - evtl. Film: Plastic Planet Werkstoffe nach Maß: Mögliche Teilthemen: Superabsorber, Chemiefasern, Klebstoffe, Verbundwerkstoffe, PET, ABS Verwertung von Kunststoffabfällen (Werkstoffrecycling, Rohstoffrecycling, energetische Verwertung; Nachhaltigkeit); Nachhaltigkeit beim Einsatz von Kunststoffen zusammenstellen (Abfallvermeidung, PET-Flaschen, biologisch abbaubare Kunststoffe usw.) 8 das Prinzip von Kunststoffsynthesen erläutern (Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition) und die Kenntnisse auf geeignete Beispiele anwenden (Monomer und Polymer, Polyethen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyamid, Polyester, Polyurethan) darstellen, wie das Wissen um Struktur und Eigenschaften von Monomeren und Polymeren zur Herstellung verschiedener Werkstoffe genutzt wird Polymere selbst herstellen (Polymerisat, Polykondensat) die Teilschritte einer Polymerisationsreaktion mit Strukturformeln und Reaktionsgleichungen beschreiben (radikalische Polymerisation; Startreaktion, Kettenwachstum, Abbruchreaktion) Lösungsstrategien zur Verwertung von Kunststoffabfällen darstellen (Werkstoffrecycling, Rohstoffrecycling, energetische Verwertung; Nachhaltigkeit) Aspekte der Nachhaltigkeit beim Einsatz von Kunststoffen zusammenstel-

9 Blatt 9 27 (+9) Lernbereich 7: Elektrische Energie und Chemie 5 Redoxreaktionen Redoxreaktionen als Reaktionen mit Elektronenübergang, Teilreaktionen, Oxidationsmittel Reduktionsmittel 9 Galvanische Reaktionen 1 (+2) Konzentrationsabhängigkeit von Redoxpotenzialen Oxidationszahlen, Regeln zur Bestimmung von Oxidationszahlen Erstellen von Reaktionsgleichungen für Redoxreaktionen Redoxreihe der Metalle Aufbau einer galvanischen Zelle, elektrochemische Doppelschicht, Potenzialbildung in den Halbzellen, Potenzialdifferenz Messung von Zellspannungen bzw. Potenzialdifferenzen Standard-Wasserstoff-Elektrode, Standardelektrodenpotenzial - Berechnung von Zellspannungen unter Standardbedingungen Untersuchung der Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials (Verdünnungsreihe) Quantitative Abhängigkeit der Redoxpotenziale von der Ionen-Konzentration, nernstsche Gleichung (W) 4 Funktionsweise von Alkali-Mangan- und anderen Batterien, historische und aktuelle Beispiele für elektrochemische Spannungsquellen Batterien Redoxreaktion als Stromquelle? Prinzip einer Batterie len (PET-Flaschen, Kraftfahrzeugteile) Donator-Akzeptor-Konzept das Donator-Akzeptor-Prinzip auf Reaktionen mit Elektronenübergang anwenden (Oxidation, Reduktion, Angabe von Redoxpaaren) Redox-Reaktionen mithilfe von Oxidationszahlen identifizieren den Aufbau einer galvanischen Zelle beschreiben die wesentlichen Prozesse bei galvanischen Zellen nennen und beschreiben den Aufbau und die Funktion der Standard-Wasserstoff-Halbzelle erläutern die Tabelle der Standardpotenziale zur Vorhersage von elektrochemischen Reaktionen anwenden elektrochemische Experimente durchführen und auswerten den Zusammenhang zwischen Ionenkonzentration und messbarer Potenzialdifferenz in galvanischen Zellen erläutern 9

10 Blatt 10 5 (+3) Elektrolysen erzwungene Redoxreaktionen 3 Brennstoffzellen und Solar- Wasserstoff- Konzept (+4) Korrosion und Korrosionsschutz (W, Projekt): (+10) Abiturvorbereitung (+6) Nach dem Abitur Grundlagen der Elektrolyse als Umkehrung der galvanischen Reaktion, Zersetzungsspannung, Überspannungen - Funktionsweise eines Bleiakkumulators und eines weiteren Akkumulators. Anwendungen der Elektrolyse (z.b. Akkumulatoren, Kupferraffination, Chloralkalielektrolyse, Aluminiumherstellung). Allgemeines Funktionsprinzip von Brennstoffzellen, Arten von Brennstoffzellen. Solar-Wasserstoff-Konzept, Möglichkeiten zur Gewinnung von Wasserstoff als Energieträger Brennstoffzellen als Energiequellen der Zukunft (Pro-und-Kontra-Diskussion) Bedeutung der elektrochemischen Korrosion Bildung von Lokalelementen, Prozesse beim Rosten von Eisen Verfahren zum Korrosionsschutz (passiver und aktiver Korrosionsschutz) Nutzung der entsprechenden Kapitel 1 Denk- und Arbeitsweisen der Chemie und Kapitel 8 Hinweise und Aufgaben zur Abiturvorbereitung im LB Abiturtraining an realen, an das G8-Zentralabitur angepasste Abituraufgaben Darstellung und Nomenklatur organischer Verbindungen Darstellung und Nomenklatur anorganischer Verbindungen Entwickeln von Reaktionsgleichungen, stöchiometrische Berechnungen Berechnungen von ph-werten, zu chemischen Gleichgewichten, elektrochemischen und thermodynamischen Problemstellungen (+4) Tenside (W) Herstellung, Struktur und Eigenschaften von Seifen Erklärung des Waschvorgangs Nachteile von Seifen Synthetische, waschaktive Substanzen, Herstellung, Struktur, Eigenschaften Moderne Waschmittel (Bestandteile und ihre Wirkungen) Waschmittel und Umwelt 10 die wesentlichen Prozesse bei Elektrolysen nennen und beschreiben; Möglichkeiten zur elektrochemischen Speicherung von Energie beschreiben; herkömmliche Stromquellen mit aktuellen und zukunftsweisenden Entwicklungen bei elektrochemischen Stromquellen (Brennstoffzelle) vergleichen; elektrochemische Experimente durchführen und auswerten Anwenden der Basiskonzepte der Chemie Allgemeine naturwissenschaftliche Methoden (Operatoren entsprechend den Einheitlichen Prüfungsanforderungen im Fach Chemie der Kultusministerkonferenz der Länder i. d. F. vom ) den Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften von Tensiden erkennen Seifen und experimentell herstellen und die Bestandteile von Waschmitteln untersuchen

11 Blatt 11 (+2) Loslösen der eingefahrenen Konzepte (W) - Orbitalmodelle (s- und p-orbitale, Hybridisierung, Molekülorbitaltheorie) - Sauerstoff als Diradikal 11