Chemieepoche Klasse 11. Aufbau der Stoffe und die Grundgesetze chemischer Reaktionen

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1 Chemieepoche Klasse 11 Aufbau der Stoffe und die Grundgesetze chemischer Reaktionen

2 Die wichtigsten anorganischen Säuren Schwefelsäure H 2 SO 4 ihre Salze heißen Sulfate Salpetersäure HNO 3 ihre Salze heißen Nitrate Kohlensäure H 2 CO 3 ihre Salze heißen Karbonate Phosphorsäure H 3 PO 4 ihre Salze heißen Phosphate Kieselsäure H 2 SiO 3 ihre Salze heißen Silicate Salzsäure HCl ihre Salze heißen Chloride

3 Die wichtigsten anorganischen Laugen Natronlauge NaOH Kalilauge KOH Calziumhydroxid Ca(OH) 2 (Löschkalk) Ammoniumhydroxid NH 4 OH (Salmiakgeist)

4 Wertigkeit von Atomgruppen Neben den Elementen gibt es aber auch charakteristische Atomgruppen, die immer zusammen bleiben und deshalb auch eine eigene Wertigkeit besitzen: Name Silicat Phosphat Sulfat Carbonat Nitrat Hydroxid Ammonium Symbol SiO 3 PO 4 SO 4 CO 3 NO 3 OH NH 4 Wertigkeit

5 Neutralisationsreaktion Säure + Lauge Salz + Wasser Beispiele: H 2 SO 4 + Ca(OH) 2 CaSO 4 + 2H 2 O 1 Mol Schwefelsäure + 2 Mol Calciumhydroxid 1 Mol Calciumsulfat (Gips)+ 2 Mol Wasser HNO 3 + KOH KNO 3 + H 2 O 1 Mol Salpetersäure + 1 Mol Kaliumhydroxid 1 Mol Kaliumnitrat (Salpeter) + 1 Mol Wasser

6 Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen Reaktionsgeschwindigkeit Chemische Reaktionen verlaufen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Bildung von Wein aus Traubensaft, das Rösten von Eisen aus Eisenerz z.b. sind langsame Prozesse. Dagegen können Sprengstoffe in sehr kurzer Zeit zur Reaktion kommen, genau wie das Ausfällen von Silberchlorid aus einer Kochsalzlösung mit Hilfe von Silbernitrat. Wovon hängt die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ab und wie kann man sie beeinflussen? Diese Fragen wollen wir in diesem Kapitel untersuchen. Versuch: Schnelle Reaktion Wir geben zu einer Lösung von Natriumcarbonat einige Tropfen Calciumchloridlösung Versuch: langsame Reaktion Wir entzünden ein Gemisch aus Eisenspänen und Schwefel Die Reaktion von Carbonat- mit Calciumionen verläuft so schnell, dass man die Zeit mit einfachen Mitteln nicht messen kann. Die Reaktion von Eisen mit Schwefel verläuft dagegen langsamer. Die Reaktionsgeschwindigkeit von chemischen Reaktionen ist sehr unterschiedlich.

7 Zerteilungsgrad und Reaktionsgeschwindigkeit Versuch: Wir bringen jeweils 1g Magnesiumpulver und Magnesiumband mit verdünnter Salzsäure (c=0,5mol/l) zur Reaktion und bestimmen das Volumen des entstehenden Wasserstoffes in Abhängigkeit von der Zeit. Durch Vergrößerung der Oberfläche der Reaktionspartner erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Diese Tatsache wird in vielen großtechnischen Prozessen und in Lebensprozessen ausgenutzt Kohlever brennung Lungen bläschen

8 Ausgangskonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit Versuch: Wir geben in zwei Reagenzgläser jeweils 10ml Salzsäure der Konzentration, 0,05mol/l und 0,1mol/l. Zu jeder Säureportion geben wir eine gleiche Menge Magnesium (0,5g) und wir messen die Zeiten bis zur vollständigen Umsetzung des Magnesiums. Die Reagenzgläser müssen während des Versuches bewegt werden. Achtung! 1mol HCl 36g 1,0mol/l 36g/l 0,05mol/l 1,8g/l 0,1mol/l 3,6g/l Wir erkennen ein Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und der Konzentration der Ausgangsstoffe.

9 Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur Versuch: Wir temperieren im Wasserbad zwei Reagenzgläser mit verdünnter Salzsäure (c=0,1mol/l) auf 20 C und 60 C und bringen 1g Magnesium mit der Säure zur Reaktion. Wir beobachten die Reaktion in beiden Reagenzgläsern und stoppen die Zeit bis zur vollständigen Auflösung des Metalls. Bei Temperaturerhöhung erhöht sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Faustregel: Eine Temperaturerhöhung um 10 C bewirkt etwa eine Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit. Reaktionsgeschwindigkeit und Druck Versuch: Öffnen einer Sprudelflasche Bei geringerem Druck reagiert weniger Kohlendioxid im Wasser zu Kohlensäure. Eine Druckverminderung führt also zum Entweichen von Kohlendioxid aus dem Wasser.

10 Chemische Reaktionen unter Anwesenheit von Katalysatoren Versuch: Wir geben zu einer Mischung von Iod und Magnesiumpulver einen Tropfen Wasser und beobachten die Reaktion Magnesium reagiert mit Iod zu Magnesiumiodid Mg + 2I MgI 2 Katalysatoren sind Substanzen, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden oder sich zu verändern. Die Katalysatoren spielen in Natur und Technik eine überaus große Rolle.

11 Chemisches Gleichgewicht Chemische Reaktionen sind sehr oft umkehrbar. Das bedeutet, das die Endprodukte einer Reaktion auch wieder in ihre Ausgangsprodukte zerfallen können. Diese Hin- und Rückreaktion befindet sich nach einer bestimmten Zeit im Gleichgewicht. Hat sich das Gleichgewicht einer chemischen Reaktion eingestellt, dann bilden sich in einer Zeiteinheit genau so viele Endprodukte wie Endprodukte in die Ausgangsstoffe zerfallen. Wie sich das chemische Gleichgewicht einstellt hängt von der Temperatur, vom Druck und von der Konzentration der Ausgangs- und Endstoffe ab. H 2 + J 2 2HJ Für jedes chemische Gleichgewicht ist das Produkt Der Konzentration der rechts in der Reaktionsgleichung Stehenden Stoffe dividiert durch das Produkt aus den Konzentrationen der links stehenden Teilchen bei einer Temperatur konstant. aa + bb cc + dd c c c a ( C) c ( A) c d b ( D) ( B) = K c

12 Die Änderung chemischer Gleichgewichte Prinzip von Le Chatelier und Braun Übt man auf ein im Gleichgewicht befindliches chemisches System Zwang aus durch Zufuhr bzw. Entzug von Wärme, durch Änderung des Volumens oder der Stoffmengen, so verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung, in der die Folgen des Zwanges verringert werden. Versuch: Öffnen einer Sprudelflasche. Einstellen eines neuen Kohlensäuregleichgewichts unter neuen Druckverhältnissen Beispiel aus der Natur Entstehung von Stalagmiten und Stalaktiten in Tropfsteinhöhlen. Schwer lösliches Calciumcarbonat wird durch saures Grundwasser (Kohlensäure, Huminsäuren) in das lösliche Calciumhydrogencarbonat überführt. Erreicht ein Tropfen Sickerwasser, welches gelöstes Calziumhydrogenkarbonat im Gleichgewicht mit Kohlenstoffdioxid enthält, die Decke der Höhle, so entweicht Kohlenstoffdioxid in die Höhlenatmosphäre. Das Gleichgewicht im Sickerwasser verschiebt sich und erst durch Abgabe (Ablagerung) von Calciumcarbonat stellt es sich wieder ein. Es entsteht ein Stalaktit. Fällt der Tropfen auf den Höhlenboden läuft dieser Vorgang dort ab und es entsteht ein Stalagmit. Stalaktiten und Stalagmiten wachsen ca. 0,2mm pro Jahr. Die Farbigkeit dieser Gebilde wird Durch Metallionen (häuptsächlich Eisen(III)-Ionen) hervorgerufen. CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2

13 Carlsbad Cavernes (New Mexico)

14 Schlusswort Wir sind ausgegangen von der Stoffesvorstellung des antiken Griechenlandes in der neben der Beschreibung der Stoffe durch die vier Qualitäten Feuer Luft Wasser und Erde das erste mal die Idee des Atomismus auftauchte. Viele Jahrhunderte war die Beschäftigung mit dem Stoff ein Suchen nach ihm innewohnenden krankmachenden und heilenden Kräften. Im ausgehenden Mittelalter verlor diese Idee ihre Kraft und die moderne Chemie auf der Grundlage des Atomismus begann ihren Siegeszug. Wir lernten die Vorstellungen vom atomaren Aufbau der Elemente und deren Verbindungen kennen. Wir studierten atomare Gesetzmäßigkeiten auf deren Basis sich die Atome zu neuen Stoffen verbinden. Dabei drohten uns oftmals die Qualitäten und Erscheinungsformen der Substanzen und deren Rolle im Weltganzen aus dem Blick zu geraten. Es drängt sich die Frage auf, ob bei der Betrachtung der Materie durch die Brille der Atomtheorie nicht etwas Wichtiges verloren geht. Sollten am Ende beide, Platon und Demokrit, recht haben?