4. Chemische Reaktion

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1 Chemie GU 9 4. Chemische Reaktion 4.1 Stoffe wandeln sich um Aus Kupfer und Schwefel entsteht ein neuer Stoff Metalle reagieren mit Schwefel zu Metallsulfiden o Edukte und Produkte Das Reaktionsschema Versuch: Ein mit einer Spatelspitze Schwefelpulver gefülltes Reagenzglas wird waagrecht eingespannt. Ein in der Mitte geknickter Kupferblechstreifen wird bis knapp vor das Ende geschoben. Danach wird abwechselnd das Kupferblech und das Schwefelpulver so erhitzt, dass der Schwefeldampf über das heisse Kupferblech strömt. Der noch heiße Streifen wird danach durch Erhitzen vom anhaftenden Schwefel befreit und untersucht (Farbe, Elastizität). Beobachtung: Versuch: 7 g Eisenpulver und 4 g Schwefelpulver werden abgewogen und durch Verreiben mit einem Pistill in einer Reibschale intensiv vermischt. Danach wird das Gemisch in ein Rggl. gefüllt und in schräger Haltung mit dem Bunsenbrenner überall so lange erwärmt, bis der Schwefel geschmolzen ist. Erst jetzt wird intensiv der Boden des Rggl. erhitzt. Beobachtung: Arbeitsaufträge: 1. Wie entscheidet man, ob eine chemische Reaktion stattgefunden hat? 2. Was ist mit einer chemischen Reaktion immer verbunden? Schulleitung Hängertstrasse Wichtrach T M schulleitung@sekstufe1-wichtrach.ch

2 Das Reaktionsschema Chemische Reaktionen lassen sich durch eine Kurzschreibweise darstellen, die man als Reaktionsschema bezeichnet. Für die Reaktion von Kupfer mit Schwefel lautet es: Zwischen dem Namen der Edukte und dem Namen der Produkte steht der Reaktionspfeil. Er gibt die Richtung der chemischen Reaktion an. Auf der linken Seite des Reaktionsschemas stehen die Edukte, auf der rechten Seite die Produkte. Der Reaktionspfeil wird gelesen als reagieren zu ; das Pluszeichen ist als aufzählendes und zu verstehen. Die Reihenfolge der Edukte und der Produkte im Reaktionsschema spielt also keine Rolle. Elemente A1, A4 4.2 Elemente und Verbindung Analyse und Synthese Elemente und Verbindungen Chemische und physikalische Trennverfahren Analyse und Synthese Elemente sind Reinstoffe, die sich nicht in andere Stoffe zerlegen lassen. Verbindungen sind Reinstoffe, die sich aus den Elementen aufbauen und sich in mindestens zwei Elemente zerlegen lassen. Einteilung der Stoffe (Elemente S. 46): Elemente A5, A6 Seite 2

3 4.3 Chemische Reaktion und Teilchenmodell Chemische Reaktionen sind Umgruppierungen von Teilchen Silber und Schwefel reagieren zu. Im ist aber weder das Metall Silber noch das Nichtmetall Schwefel enthalten. Trotzdem gelingt es durch starkes Erhitzen, aus Silbersulfid Silber und Schwefel herzustellen. Wie lässt sich dieser Vorgang deuten? Nach unserer Vorstellung bestehen alle Stoffe aus,.geht man davon aus, dass bei einer chemischen Reaktion diese nicht zerstört werden, so müssen im die des Silbers und des Schwefels noch enthalten sein. Das bedeutet: Bei einer chemischen Reaktion geht die der kleinsten Teilchen in den verloren, dafür bauen sie im eine auf. Die der kleinsten Teilchen bestimmt aber die eines Stoffes, also seinen Schmelz- und Siedepunkt, seine Dichte, Kristallform, elektrische Leitfähigkeit usw. In einem Stoff weisen die kleinsten Teilchen immer die gleiche Anordnung auf. Bilden zwei Stoffe einen neuen Stoff, ändert sich die Anordnung der Teilchen und damit die Das heißt: Eine chemische Reaktion ist nichts anderes als eine von Teilchen. Aufgabe: 1. Formuliere selbst: was bestimmt die Eigenschaften eines Stoffes? 2. Verändern sich die kleinsten Teilchen bei einer chemischen Reaktion? 3. Bleibt die Teilchenanordnung der Elemente bei der Bildung eines Gemisches aus Silber- und Schwefelpulver erhalten oder nicht? 4. Welche Vereinfachungen stecken in der obigen Darstellung? 5. Nenne andere Beispiele, bei denen eine Umgruppierung eine Änderung der Eigenschaften bewirkt. Elemente A8 Seite 3

4 4.4 Chemische Reaktion und Energie Exotherme und Endotherme Reaktionen o Energieinhalt Auslösen einer chemischen Reaktion o Aktivierungsenergie Seite 4

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8 Elemente A9 Seite 8

9 4.5 Luft, Sauerstoff und Verbrennung Rolle der Luft bei der Verbrennung Zusammensetzung der Luft o Sauerstoff o Stickstoff o Edelgase o Kohlenstoffdioxid Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft o Eigenschaften und Nachweis von Sauerstoff Verbrennung von Metallen in reinem Sauerstoff Nichtmetalloxide o Kohlenstoffdioxid o Kohlenstoffmonoxid Die Rolle der Luft bei der Verbrennung Versuch 1: Ein mit der Wasserstrahlpumpe verbundenes Verbrennungsrohr wird mit Eisen- oder Kupferwolle locker gefüllt. die Wolle wird entzündet und die Luft stoßweise hindurchgesaugt. Beobachtung: Versuch 2: Ein Bausch Eisenwolle wird gewogen und dann gründlich in der Bunsenbrennerflamme geglüht. Masse vor dem Glühen: g; Masse nach dem Glühen: g; Massendifferenz: g. Schlussfolgerung: Ist Luft ein Reinstoff oder ein Gasgemisch? Ist Luft ein, wird sie mit einem Kupferwollebausch reagieren, der in einer geschlossenen Versuchsapparatur erhitzt wird. Ist Luft ein Gasgemisch, wird nur reagieren. Versuchsdurchführung: In der abgebildeten Apparatur wird die Luft aus einem mehrere Male über erhitzte Kupferspäne geleitet. Das Anfangsvolumen wird notiert. Nachdem sich das Gasvolumen nach längerem Erhitzen nicht mehr geändert hat, wird das Erhitzen eingestellt und die Apparatur kühlt ab. Das Endvolumen wird ebenfalls abgelesen, nachdem das Reaktionsrohr auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Beobachtungen: Anfangsvolumen: ml; Endvolumen: ml; Volumendifferenz: ml Deutung: Seite 9

10 Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft Da Luft ein ist, kann man sie trennen, indem man sie und ihre Bestandteile durch wieder trennt. Carl von Linde (Linde-Kühlschränke) entwickelte das nach ihm benannte Verfahren bereits Dabei drückt eine Pumpe (Kompressor) die Luft zusammen, nachdem sie von Staub und Wasserdampf soweit wie möglich gereinigt worden ist. Beim Zusammendrücken sich die Luft. Die wird durch einen abgeführt, das Kühlmittel übernimmt die Wärme. Die und Luft wird ein weiteres Mal mit kalterluft gekühlt, die aus der - der flüssigen Luft kommt. Kann die komprimierte abgekühlte Luft sich nämlich entspannen ( ), dann sie sich ein weiteres Mal ab. Schließlich erreicht man bei -196 C die Kondensation zu flüssiger Luft. Welche Vorgänge laufen bei der Luftverflüssigung nacheinander ab? Wortliste: Wärme, fraktioniert, verflüssigt, erwärmt, verdichtet, Destillation, abgekühlt, Dekompression, Verdampfung, Kompression, kühlt, Abkühlung, Wärmeabfuhr, Kühlung, weitere, kalte Luft, mit, Gasgemisch, Kühler; Die Zusammensetzung der Luft Aufgaben: 1. Besorge Dir über allgemein zugängliche Informationsquellen Daten über die genaue prozentuale Zusammensetzung der Luft. Es sollten mindestens 10 Angaben gemacht werden. 2. Stelle die vier größten Bestandteile (Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase und Kohlendioxid) als Kuchen- oder Kreisdiagramm in deinem Heft dar. 3. Welche Siedepunkte haben die Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff? Wenn ein Behälter mit flüssiger Luft offen steht, welcher Bestandteil verdampft dann zuerst? Seite 10

11 Eigenschaften und Nachweis von Sauerstoff Glimmspanprobe Ein klassischer Versuch, den man aus der Schule kennt und mit welchem man u.a. Sauerstoff nachweisen kann. Geräte: langer Holzspan, Feuerzeug, Sauerstoffflasche bzw. Gasentwicklungsapparatur, Reagenzglas Chemikalien: Sauerstoff (O) Durchführung: Man befüllt das Reagenzglas mit Sauerstoff und verschließt es z.b. mit einem Stopfen. Danach entzündet man den Holzspan und bläst ihn wieder aus, sodass er nur noch glüht. Jetzt öffnet man das Reagenzglas und taucht den Holzspan in den Sauerstoff und beobachtet, dass er wieder zu brennen beginnt. Eigenschaften Metalle reagieren mit Sauerstoff Ein Holzspan glimmt an der Luft. In reinem Sauerstoff dagegen flammt er auf. Offensichtlich verläuft die Verbrennung in reinem Sauerstoff heftiger als an der Luft. Versuch: Brennende bzw. wird in einen mit gefüllten Standzylinder gehalten. Eisenwolle, die an der Luft nur, Beobachtung: in reinem Sauerstoff unter lebhaftem. Magnesium verbrennt so heftig, dass das gesamte sich in Form eines niederschlägt. Eine Reaktion, bei der ein Stoff mit reagiert, wird (gr./lat.: Sauerstoff = Oxygenium) genannt. Die dabei entstehenden Stoffe heißen. Wortliste: Eisenwolle, verbrennen, weiß, Sauerstoff, Verbrennungsprodukt Magnesiumband, verglühen, Funkensprühen; Rauch Reaktionsschemata: Eisen + (g) ----> Eisenoxid (s) + Magnesium (s) + Sauerstoff (g) -----> (s) + Zur Kennzeichnung der werden die Stoffe mit folgenden Kurzzeichen (in ( ) hinter dem Symbol oder Namen versehen: s = solid (fest), l = liquid (flüssig), g = gasförmig (gaseous) und aq = in aqua (Wasser) gelöst. Oxide unterscheiden sich deutlich von den Metallen, aus denen sie entstanden sind. In der Regel sind sie, haben - und und werden vielfach als Farbpigmente verwendet. (siehe Tabelle) Bei den Oxidationsreaktionen wird (nach einer geringen Aktivierung) Energie in Form von und frei, deswegen sind die meisten Oxidationsreaktionen Reaktionen. Das Bindungsbestreben: Bei den bisher beobachteten Reaktionen der Metalle Eisen, Kupfer und Magnesium haben diese unterschiedlich mit Sauerstoff reagiert. Reagieren jedoch diese Metalle mit dem gleichen (z.b. gleiche Korngröße bei den Pulvern), zeigen sich deutliche Unterschiede in der Helligkeit der Flamme und damit in der Heftigkeit der Reaktion. Seite 11

12 Versuch: Pulverportionen der gleichen Korngröße der Metalle Kupfer, Eisen und Magnesium fallen durch die Bunsenbrennerflamme: Welches Metall reagiert am heftigsten? Von allen untersuchten Metallen hat Magnesium die größte und damit das größte zu Sauerstoff, und Kupfer das geringste. D.h.: von Kupfer über Eisen zu Magnesium nimmt das zu. Metalle, die ein großes zu Sauerstoff haben, sind Metalle, metalle haben dagegen nur ein geringes bis gar kein zu Sauerstoff. Allgemein gilt für die Reaktion zwischen einem Metall oder Nichtmetall und Sauerstoff das Reaktionsschema: Metall/Nichtmetall + Sauerstoff -----> Metall- bzw. Nichtmetall +. Arbeitsaufträge: 1) Stelle in einem Energiediagramm die unterschiedliche Reaktionsheftigkeit der drei Metalle dar. 2) Warum kommen die Edelmetalle (welche sind das?) in der Natur "gediegen" vor? Nichtmetalle reagieren mit Sauerstoff Mit den Nichtmetallen Schwefel und Kohlenstoff, die in den im Alltag verwendeten Brennstoffen enthalten sind, werden folgende Versuche durchgeführt: Versuch 1: Eine kleine Portion Schwefel wird in einem Verbrennungslöffel in die rauschende Bunsenbrennerflamme gehalten. Beobachtung: Versuch 2: Ein Verbrennungslöffel mit brennendem Schwefel wird in einen mit Sauerstoff gefüllten Standzylinder gehalten. Beobachtung: Reaktionsschema: ( ) + ( ) --> ( ) + Versuch 3: Eine rote Rose oder Nelke wird in einen mit dem Verbrennungsprodukt aus Versuch 2 gefüllten Standzylinder gegeben. Anschließend wird der Standzylinder - mit einer Glasplatte bedeckt - für einige Minuten stehen gelassen. Beobachtung: Versuch 4: Ein Stück Holzkohle wird auf einem Verbrennungslöffel entzündet, danach an der Luft etwas geschwenkt und in einen mit Sauerstoff und Kalkwasser gefüllten Standzylinder gehalten. Beobachtung: Reaktionsschema: ( ) + ( ) --> ( ) + Versuch 5: Nach dem Verbrennen wird der Standzylinder mit einer Glasplatte verschlossen und geschüttelt. Beobachtung: Reaktionsschema: ( ) + ( )--> ( ) + Seite 12

13 Eigenschaften von Versuch 6: In einem oben offenen Holzkasten stehen mehrere brennende Kerzen auf einem treppenförmigen Podest. Vom Boden des Kastens wird langsam her eingeleitet (oder von oben mit einem Becherglas eingegossen). Beobachtung: Schlussfolgerung: Merke: Die Trübung von ist ein Nachweis für. Elemente A11, A12, A Wasser und Wasserstoff (fakultativ, Elemente S ) 4.7 Überprüfung und Vertiefung Seite 13