UNTERSUCHUNG VON WASSER UND LUFT

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1 2. Einheit: UNTERSUCHUNG VON WASSER UND LUFT Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 1 von 32

2 ZIELE DER HEUTIGEN EINHEIT Am Ende der Einheit Untersuchung von Wasser und Luft....können sie die wesentlichen Bestandteile der Luft mit dem jeweiligen Prozentanteil benennen...können Sie wesentliche Eigenschaften der Gase Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff benennen...sind Sie in der Lage eine allgemeine Reaktionsgleichung zur Verbrennung von Metallen mit Luft zu formulieren...kennen Sie Methoden zum Nachweis von Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser. Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 2 von 32

3 WIEDERHOLUNG: ATOMAUFBAU/ PSE Protonen Sitzen im Atomkern Positiv geladen Masse ungefähr 1 unit Ordnungszahl Neutronen Sitzen im Atomkern Neutrale Teilchen Masse ungefähr 1 unit Elementmasse Elektronen Befinden sich in Elektronenwolken (Schalen) Negative Ladung Fast masselos Valenzelektronen (äußerste Schale) definieren die Hauptgruppe Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 3 von 32

4 EXKURS DIE REAKTIONSGLEICHUNG (1) Hilfe zur Beschreibung einer chemischen Reaktion: Links stehen die Ausgangsstoffe: Edukte A g + B l AB (s) Reaktionspfeil Aggregatzustände in Klammern hinter der Verbindung (g: gasförmig, l: flüssig, s: fest, aq: gelöst) Rechts stehen die Produkte die Anzahl der individuellen Atome sowie die Ladungen sind links und rechts gleich (gleich viele A links wie rechts) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 4 von 32

5 WORAUS BESTEHT LUFT? Hauptbestandteile von Luft: Stickstoff (N 2 ): ~ 78 % Sauerstoff (O 2 ): ~ 21 % Edelgase (Argon, Helium,..): ~ 1 % Kohlenstoffdioxid (CO 2 ): ~ 0,03 % Diese Zahlen sollte man sich merken! Zugriff: :07 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 5 von 32

6 WORAUS BESTEHT LUFT? Hauptbestandteile (übrige) Edelgase Spurengase Variable Bestandteile Bestandteile Stickstoff (N 2 ) Sauerstoff (O 2 ) Argon (Ar) Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) Neon (Ne) Helium (He) Krypton (Kr) Xenon (Xe) Methan (CH 4 ) Kohlenstoffmonoxid (CO) Wasserstoff (H 2 ) Distickstoffoxid (N 2 O) Ozon (O 3 ) Schwefeldioxid (SO 2 ) Ammoniak (NH 3 ) Stickstoffdioxid (NO 2 ) Stickstoffmonoxid (NO) Konzentration 78,08 % 20,95 % 0,93 % 0;033 % (= 330 ppm) 18 ppm 5 ppm 1 ppm 0,09 ppm 1,5 ppm 0,1 ppm 0,5 ppm 0,25 ppm 0,02 0,2 ppm 0,002 ppm 0,02 ppm 0,003 ppm 0,003 ppm Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 6 von 32

7 STICKSTOFF Elementsymbol: N Ordnungszahl: 7 rel. Atommasse (g/mol): 14,007 elementare Form: N 2 Gehalt in der Luft: 78,09% Dichte (in g/l bei 0 C): 1,2505 Siedetemperatur: -196 C Schmelztemperatur: -210 C wichtige Oxidationszahlen: -3, 0,+5 /chemiewiki/images/e/e9/sticks toff.png Zugriff: :05 weitere Eigenschaften: gasförmig, geruchslos, nicht brennbar Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 7 von 32

8 STICKSTOFF: EIGENSCHAFTEN Stickstoff ist nicht brennbar wie z. B. H 2 und unterhält nicht die Verbrennung wie O 2 Er erstickt die Flamme. Reaktionsträges Gas, das bei Normalbedingungen kaum Verbindungen eingeht Reaktion mit Wasserstoff (Haber-Bosch-Verfahren) N 2 g + 3 H 2 g 2 NH 3 g Reaktion mit Sauerstoff (unter extremen Bedingungen 2000 C) N 2 g + O 2 g 2NO (g) Stickstoffatome sind dagegen chemisch sehr aktiv und reagieren mit zahlreichen Elementen. (Stickoxide) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 8 von 32

9 STICKSTOFF: VERWENDUNG Herstellung von Ammoniak NH 3 (Haber-Bosch-Verfahren) Herstellung von Salpetersäure HNO 3 (Ostwald-Verfahren) Herstellung von anderen Stickstoffverbindungen Stickstoff wird als chemisch sehr träges Füllgas in Brennstoffbehältern und Glühlampen benutzt Als Schutzgas bei chemischen Reaktionen Ist wesentlicher Bestandteil von Stickstoffdüngemittel Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 10 von 32

10 Elementsymbol: O Ordnungszahl: 8 SAUERSTOFF rel. Atommasse (g/mol): 15,9994 elementare Form: O 2 Gehalt in der Luft: 20,95 % Dichte (in g/l bei 0 C): 1,429 Siedetemperatur: -183 C Schmelztemperatur: -219 C wichtige Oxidationszahlen: -2, -1, 0 weitere Eigenschaften: gasförmig, geruchslos, unterstützt die Verbrennung chemiewiki/images/a/a3/sauerst off.png Zugriff: :05 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 11 von 32

11 SAUERSTOFF: EIGENSCHAFTEN Sauerstoff unterstützt die Verbrennung, je höher die Sauerstoffkonzentration, umso heftiger die Verbrennungen. (brandfördernd) Verbrennt mit den meisten Elementen unter Feuer- und Lichterscheinungen zu Oxiden (exotherme Reaktionen) Sauerstoff reagiert u.a. mit den meisten Metallen Ausnahme: Edelmetalle, z.b. Silber und Gold bildet Knallgas (Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch) O 2 g + 2 H 2 g 2 H 2 O g Knallgasprobe (s. Versuch 2.1.) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 12 von 32

12 SAUERSTOFF: GEWINNUNG IM LABOR Elektrolyse von Wasser im Hoffmann schen Wasser- Zersetzungsapparat Es entsteht Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis von 2:1 2 H 2 O l 2 H 2 g + O 2 (g) Siehe Block 10 ( ) Lohnt sich im Hinterkopf zu behalten M. Tausch, M. Von Wachtendonk: Chemie 1., Sek.1-Buch, C.C Buchners Verlag Bamberg 1996, S. 76 B3 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 14 von 32

13 SAUERSTOFF: NACHWEIS Die Glimmspanprobe Ein glimmender Holzspan wird in ein Reagenzglas, welches mit Sauerstoff gefüllt ist eingeführt Entflammen zeigt Sauerstoff an Siehe Block 10 ( ) Lohnt sich im Hinterkopf zu behalten Zugriff: Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 15 von 32

14 SAUERSTOFF: VERWENDUNG In der Technik überall, wo Verbrennungsvorgänge bei hohen Temperaturen durchgeführt werden sollen. Beispiele: Schweißen, Hochofen, Stahlgewinnung, Raketenantrieb Sauerstoff kommt in grauen Stahlflaschen mit weißem Kragen in den Handel. Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 16 von 32

15 VERBRENNUNGSWÄRME Bei einer Verbrennung wird Energie in Form von Licht und Wärme freigesetzt. Beispiele: Schwefel in Sauerstoff S s + O 2 g SO 2 (g) Eisen mit Sauerstoff 2 Fe s + O 2 g 2 FeO (s) Magnesium mit Sauerstoff 2 Mg s + O 2 g 2 MgO s Zink mit Sauerstoff 2 Zn s + O 2 g 2 ZnO s Aluminium mit Sauerstoff 4 Al s + 3 O 2 g 2 Al 2 O 3 s Zugriff: :05 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 17 von 32

16 Elementsymbol: H Ordnungszahl: 1 WASSERSTOFF rel. Atommasse (g/mol): 1,008 elementare Form: H 2 Gehalt in der Luft: 0,5 ppm Dichte (in g/l bei 0 C): 0,08988 Siedetemperatur: -252,76 C Schmelztemperatur: -259,14 C wichtige Oxidationszahlen: -1, 0, 1 weitere Eigenschaften: gasförmig, geruchslos, brennbar nfo/chemiewiki/images/1/14 /Wasserstoff.png Zugriff: :06 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 18 von 32

17 WASSERSTOFF: VORKOMMEN Häufigstes Element im Weltall große Planeten wie Jupiter und Saturn sowie die meisten Fixsterne und Galaxien bestehen überwiegend aus Wasserstoff Sonne erzeugt ihre Energie durch Kernverschmelzung von Wasserstoffatomen 0,88 % in der Erdhülle in gebundener Form in zahlreichen Verbindungen wie Wasser, Eiweißen, Kohlenwasserstoffen, Kohlenhydrate, Säuren etc. Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 19 von 32

18 WASSERSTOFF: EIGENSCHAFTEN Stabilste Form des Wasserstoffs ist das Molekül H 2. Löslichkeit von H 2 in Wasser ist gering (21 ml H 2 /l Wasser). In Platin und besonders Palladium löslich. 14,4 mal leichter als Luft; diffundiert leicht durch poröse Trennwände. wichtigste Eigenschaft Brennbarkeit: verbrennt mit Sauerstoff zu Wasser. Bildet mit Sauerstoff ein Knallgas, das bei Entzündung explodiert. Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 20 von 32

19 WASSERSTOFF: HERSTELLUNG Im Labor: Elektrolyse von Wasser 2 H 2 O (l) O 2 g + 2 H 2 (g) Säure + unedle Metalle z.b. Zinkperlen in Salzsäure Zn s + 2 HCl aq Zn 2+ aq + 2 Cl aq + H 2 (g) In der Technik: Umsetzung von Methan mit Wasserdampf CH 4 g + H 2 O g 3 H 2 g + CO (g) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 21 von 32

20 WASSERSTOFF: REAKTIONEN Knallgas O 2 g + 2 H 2 g 2 H 2 O g 2:1 ist am effektivsten Verbrennung mit Sauerstoff O 2 g + 2 H 2 g 2 H 2 O g Gleiche Reaktion ABER LANGSAMER!! Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 22 von 32

21 Chemische Formel H 2 O, Molekulargewicht 18,015 g/mol klare, farb- und geruchlose Flüssigkeit. Siedepunkt 100 C, Gefrierpunkt 0 C Bei 4 C hat Wasser die größte Dichte (1,0000 g/ml) Das Wasser-Molekül hat eine gewinkelte Struktur (Dipol) Hohe Verdampfungswärme ca. 2,26 kj/g (40,7 kj/mol). Viele Gase werden in Wasser physikalisch gelöst, d.h. ohne zu reagieren (z.b. CO 2, O 2, N 2, H 2 ). Wasserhärte WASSER: STECKBRIEF Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 24 von 32

22 WASSER Etwa 3/4 der Erdoberfläche sind von Wasser der Ozeane und kontinentalen Wasserläufen bedeckt. Tierische und pflanzliche Substanzen bestehen zum größten Teil aus Wasser, manche Gemüsesorten bis zu 90 % Der menschliche Körper besteht zu 60 bis 70% aus Wasser. Die Atmosphäre kann bis zu 4% Wasser als Luftfeuchtigkeit aufnehmen. Zugriff: :42 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 25 von 32

23 2.1. DARSTELLUNG VON WASSER AUS WASSERSTOFF Demoversuch Wasserstoff wird kontrolliert verbrannt Knallgasprobe Flammenfarbe Produkt wird mit weißem Kupfersulfat überprüft (Wasserteststreifen) Farbumschlag weiß blau Reaktionsgleichung Wasserstoff + Sauerstoff Wasser M. Tausch, M. Von Wachtendonk: Chemie 1., Sek.1-Buch, C.C Buchners Verlag Bamberg 1996, S. 76 B3 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 27 von 32

24 2.2. VERBRENNUNG VON METALLEN Metalle brennen mit unterschiedlichen Farben Verbrennungsreaktion ist unterschiedlich heftig Stärke hängt ab von Element (Magnesium reaktiv, Zink wenig reaktiv) Zerteilungsgrad (Band, Granalie, Pulver) Sauerstoffgehalt (je mehr Sauerstoff desto heftiger) Verbrennungsprodukte reagieren mit Wasser sauer oder basisch: Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 28 von 32

25 2.2. METALLOXIDE IN WASSER Alkalisch (basisch) Indikatorpapier blau Beispiele: Magnesium: MgO s + H 2 O l Mg OH 2 aq Zink: ZnO s + H 2 O l Zn OH 2 aq sauer Indikatorpapier rot Beispiele: Aluminium: 2 Al 3+ aq + 12 H 2 O l 2 [Al(H 2 O) 6 ] 3+ (aq) + 2 H 2 O l 2 [AlOH(H 2 O) 5 ] 2+ aq + 2 H 3 O + (aq) sauer Eisen: 2 Fe 2+ s + 12 H 2 O l 2 [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ (aq) + 2 H 2 O l 2 [FeOH(H 2 O) 5 ] + aq + 2 H 3 O + aq sauer Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 29 von 32

26 2.3. LUFTZUSAMMENSETZUNG In einer geschlossenen Apparatur wird mit einem bestimmten Volumen Luft Eisenwolle verbrannt Der enthaltene Sauerstoff wird verbraucht Die restlichen Luftbestandteile reagieren nicht Aus der Differenz lässt sich der Sauerstoffanteil in der Luft bestimmen Luft die keinen Sauerstoff mehr enthält, unterhält die Verbrennung nicht M. Tausch, M. Von Wachtendonk: Chemie 1., Sek.1-Buch, C.C Buchners Verlag Bamberg 1996, S. 42 B2 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 30 von 32

27 2.4. REAKTION VON MAGNESIUM MIT WASSERDAMPF Magnesium brennt unter Wasser Sauerstoff aus dem Wassermolekül Es entsteht Wasserstoff und Magnesiumoxid Magnesium brennt mit heller Flamme Wasserstoff kann mit Knallgasprobe nachgewiesen werden Versuch zeigt, dass Metalle nicht mit Wasser gelöscht werden können Sand, (Kohlenstoffdioxid) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 31 von 32

28 2.5. KUPFERBRIEF Je nachdem in welchem Verhältnis ein Metall und Sauerstoff miteinander reagieren, können unterschiedliche Oxide gebildet werden Die Oxide unterscheiden sich in der Oxidationszahl des Metalls Die Oxide haben unterschiedliche Farben Kupfer(I): rot 4 Cu s + O 2 g 2 Cu 2 O (s) Kupfer(II): schwarz 2 Cu s + O 2 g 2 CuO (s) Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, kann keine Reaktion stattfinden. Zugriff: :00 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 32 von 32