Grundwissen Chemie 8 (NTG)

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1 Lehrplan: Grundwissen Chemie 8 (NTG) Asam-Gymnasium München Fachschaft Chemie 2013 (manche Abbildungen erstellt von Yaroun Kieser) Die Schüler können Stoffe aufgrund wichtiger Kenneigenschaften ordnen. Sie sind mit wichtigen Aussagen des Teilchenmodells vertraut. Sie können chemische Formeln und Reaktionsgleichungen sicher erstellen und interpretieren. Sie sind mit den Grundlagen der chemischen Energetik vertraut. Sie verfügen über eine einfache Modellvorstellung zum Aufbau von Atomen und können den Zusammenhang zwischen dem Bau der Elektronenhülle, der Stellung des Elements im gekürzten Periodensystem und dem Reaktionsverhalten der jeweiligen Atomart herstellen. Sie kennen wichtige Salze, Metalle und molekular gebaute Stoffe und können deren Eigenschaften anhand der jeweils vorliegenden Bindungsverhältnisse modellhaft erklären. Sie haben eine grundlegende Vorstellung vom Weg der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung. Sie können einfache Experimente sicherheitsgerecht durchführen, protokollieren und auswerten. Chemie Die Chemie beschäftigt sich mit - den Eigenschaften der Stoffe Erkläre, womit sich die Naturwissenschaft Chemie beschäftigt! - mit den Umwandlungen von Stoffen in andere Stoffe, also mit den chemischen Reaktionen.

2 Versuchsprotokoll Versuchsdurchführung Arbeitsschritte knapp beschreiben Chemikalienliste/Materialienliste anfertigen Beschriftete Skizze des Versuchsaufbaus Sicherheitsbestimmungen Führe aus, in welchen drei Schritten ein Versuchsprotokoll für ein chemisches Experiment angefertigt wird! Beobachtungen Mit allen Sinnen (außer Geschmackssinn) z.b. Gasentwicklung, Farbveränderung... Mit allen zur Verfügung stehende Messgeräten z.b. Temperaturerhöhung Erklärung Text Wortgleichung Reaktionsgleichung Berechnung... Laborgeräte Benenne die abgebildeten Laborgeräte! Obere Reihe von links nach rechts: Reagenzglas, Becherglas, Erlenmeyerkolben, Standzylinder, Messzylinder, Trichter, Reagenzglasklammer Untere Reihe von links nach rechts: Stativ, Klemme, Muffe, Tiegelzange, Reagenzglasgestell, Gasbrenner

3 - Sicherheit beim Experimentieren Nenne wichtige Schutzbekleidungen für Experimentierende! Nenne Sicherheitseinrichtungen im Chemiesaal! Nenne einige wichtige Verhaltensregeln, die beim Experimentieren eingehalten werden müssen! Schutzbekleidung: Schutzkittel, Schutzbrille, Schutzhandschuhe Sicherheitseinrichtungen im Chemiesaal: Abzug, Schutzscheibe, Feuerlöscher, Löschsand, Löschdecke, Augendusche, Not-Aus-Knopf, Erste-Hilfe-Kasten, Telefon (im Nebenraum) Verhaltensregeln (unvollständig): - Anweisungen der Lehrkraft beachten - Taschen sicher verstauen (keine Stolperfallen!) - Nicht Essen und Trinken - Chemikalien nicht berühren - Chemisch Riechen (Fächeln) - Stehend arbeiten - Lange Haare zusammenbinden (Bunsenbrenner!) - Bunsenbrenner nie unbeaufsichtigt brennen lassen - Möglichst geringe Chemikalienmengen verwenden - Chemikalien ordnungsgemäß entsorgen Aufbau und Funktionsweise des Gasbrenners Beschreibe die Vorgehensweise bei der Inbetriebnahme des Gasbrenners und der Einstellung verschiedener Flammentemperaturen! 1. Gaszufuhr und Luftzufuhr am Gasbrenner geschlossen? 2. Hauptgashahn öffnen 3. Gaszufuhr am Gasbrenner öffnen 4. Ausströmendes Gas entzünden: Leuchtende Flamme (max. 900 C) 5. Luftzufuhr öffnen: Rauschende Flamme (max C) ( Yaroun Kieser)

4 Aggregatzustände Die drei Aggregatzustände auf Teilchenebene: fest: Fast keine Bewegung, kleine Abstände, feste Anordnung (engl. solid (s)) flüssig: Bewegung, kleine Abstände, Teilchen ändern Position(engl. liquid (l)) gasförmig: starke und schnelle Bewegung, große Abstände (engl. gaseous (g)) Skizzen: Benenne und beschreibe die drei Aggregatzustände auf Teilchenebene und nenne ihre Abkürzung! Fertige Skizzen der drei Aggregatzustände im Teilchenmodell an und benenne die Übergänge zwischen ihnen ( siehe GW NUT 5). Einteilung der Stoffe Reinstoff: - besteht aus Teilchen gleicher Art - besitzt Kenneigenschaften mischen trennen Stoff Gemisch: - besteht aus Teilchen verschiedener Arten Stelle in einem Fließdiagramm folgende Begriffe zueinander in Beziehung: Stoff, Reinstoff, Gemisch, homogenes Gemisch, heterogenes Gemisch homogen: - besteht nur aus einer Phase Bsp. Luft, Salzwasser,... heterogen: - besteht aus mehreren Phasen Bsp. Orangensaft mit Fruchtfleisch

5 Reinstoff Einteilung der Reinstoffe Element Verbindung Stoffebene: lässt sich durch eine chemische Reaktion nicht weiter zerlegen (z.b. Wasserstoff). Stoffebene: lässt sich durch eine chemische Reaktion weiter in Elemente zerlegen (Analyse) Teile die Reinstoffe auf Stoff- und Teilchenebene ein! Teilchenebene: Teilchen bestehen aus nur einer Atomart, z.b. H 2 Teilchenebene: Teilchen bestehen aus verschiedenen Atomarten in einem festen, für die Verbindung charakteristischen Zahlenverhältnis z.b. H 2 O Die Reaktionsgleichung A + B C + D Formuliere eine allgemeine chemische Reaktionsgleichung unter Verwendung aller wichtigen Fachbegriffe! Edukte Produkte e Der Reaktionspfeil bedeutet reagiert zu bzw. reagieren zu (hier: Die Stoffe A und B reagieren zu den Stoffen C und D )

6 Kennzeichen chemischer Reaktionen Bei chemischen Reaktionen finden Stoff- und Energieumwandlungen statt, wobei die Masse erhalten bleibt. Auf Teilchenebene sind sie gekennzeichnet durch: o Umgruppierung von Teilchen o Umbau von chemischen Bindungen 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) Nenne die Kennzeichen chemischer Reaktionen und wende sie auf das Beispiel der Synthese von Wasser an (auch auf der Teilchenebene)! Elementsymbol Nukleonenzahl = Neutronenzahl + Protonenzahl Massenzahl Elementsymbol Erkläre die Bedeutung der angegebenen Zahlenwerte! Protonenzahl Elektronenzahl Ordnungszahl bzw. Kernladungszahl

7 Kern-Hülle-Modell Das Kern-Hülle-Modell beschreibt den Bau von Atomen Atomkern: klein, kompakt, positiv geladen Nenne je drei Eigenschaften des Atomkerns und der Atomhülle, die sie gemäß dem Kern-Hülle-Modell besitzen! Atomhülle: groß, durchdringbar, negativ geladen Energiestufenmodell Die Energiestufen werden von der energieärmsten Stufe (unten) zur energiereichsten Stufe (oben) nacheinander aufgefüllt. Maximale Besetzung: 1. Stufe: 2 e - 2. Stufe: 8 e - 3. Stufe: (vereinfacht) 8 e - Energie (E) Zeichne ein Energiestufen-Diagramm für das Natrium- Atom unter Angabe aller dabei zu beachtenden Regeln! 3. Energiestufe 2. Energiestufe 1. Energiestufe

8 Schalenmodell = Neutronen (Abk. n 0 ) im Atomkern = Protonen (Abk. p + ), (positiv geladen) = Elektronen (Abk. e - ), (negativ geladen) in der Atomhülle Skizziere das Schalenmodell eines Lithium-Atoms unter Einbeziehung aller Elementarteilchen. Aufstellen von Summenformeln Wertigkeit und Kreuzregel Die Wertigkeit ist ein Hilfsmittel zum Aufstellen von Summenformeln von Verbindungen. Sie ist aus der Stellung des Elementes im Periodensystem ablesbar. Erläutere den Begriff Wertigkeit und gib die Wertigkeit der Hauptgruppenelemente an! Erkläre den Zweck der Kreuzregel am Beispiel der Verbindung aus Magnesium und Chlor! I II III IV III II I 0 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Die Kreuzregel dient dem Erstellen von Summenformeln mit Hilfe der Wertigkeiten. Die Wertigkeit des einen Elements entspricht dem Index des jeweils anderen Elements. II I Mg Cl wird zu: MgCl 2 (Index 1 wird nicht angeschrieben)

9 Benennungsregeln Salze Erkläre, wie Salze benannt werden! Benenne die Salze: MgS, K 3 N, Al 2 O 3, NaBr, CaI 2, LiF; AlCl 3 Metallname + Nichtmetall-Name (mit Endung id) MgS = Magnesiumsulfid K 3 N = Kaliumnitrid Al 2 O 3 = Aluminiumoxid NaBr = Natriumbromid CaI 2 = Calciumiodid LiF = Lithiumfluorid AlCl 3 = Aluminiumchlorid Benennungsregeln Molekulare Stoffe N 2 O 4 = Distickstofftetraoxid CO 2 = Kohlenstoffdioxid CO = Kohlenstoffmonooxid NO = Stickstoffdioxid N 2 O = Distickstoffmonooxid Benenne die folgenden Verbindungen: N 2 O 4, CO 2, CO, NO 2, N 2 O (Griechische Zahlworter: 1 = mono; 2 = di;3 = tri; 4 = tetra; 5 = penta; 6 = hexa; 7 = hepta; 8 = octa; 9 = nona; 10 = deca) Für einige Molekülverbindungen werden ausschließlich Trivialnamen verwendet. Benenne die folgenden Verbindungen: H 2 O, NH 3, CH 4, H 2 O 2 o H 2 O = Wasser o NH 3 = Ammoniak o CH 4 = Methan o H 2 O 2 = Wasserstoffperoxid

10 (Summen-)Formeln elementarer Stoffe Mit Index 2 geschrieben werden die folgenden Elemente: H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2 Nenne diejenigen Elemente, die als zweiatomige Moleküle vorkommen und deshalb den Index 2 besitzen! Merke: Ich gehe zum Hals-Nasen-Ohrenarzt (HNO-Arzt) in der Hauptstraße Nr. 7 (7. Hauptgruppe) Aufstellen von Reaktionsgleichungen Erkläre die Regeln für das Aufstellen von Reaktionsgleichungen! - Alle Edukte und Produkte mit Summenformeln notieren: z. B. H 2 + O 2 H 2 O - Die Anzahl der Atome eines Elements muss auf beiden Seiten der Gleichung gleich sein. Es wird mit ganzzahligen Koeffizienten ausgeglichen, die sich immer auf die gesamte Summenformel beziehen, vor der sie stehen. Die Summenformeln selbst dürfen keinesfalls mehr verändert werden. Koeffizient 1 wird nicht notiert. z. B. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O

11 Exotherme und endotherme Reaktion Exotherme Reaktion: Reaktion, bei der (Wärme-)Energie abgegeben wird. Die innere Energie der Edukte ist größer als die innere Energie der Produkte. E i (Edukte) > E i (Produkte) Definiere den Begriff exotherme Reaktion! Definiere den Begriff endotherme Reaktion! Definiere, was man unter der Reaktionsenergie E i versteht? Endotherme Reaktion: Reaktion, bei der (Wärme-)Energie aufgenommen wird. Die innere Energie der Produkte ist größer als die innere Energie der Edukte. E i (Produkte) > E i (Edukte) Reaktionsenergie E i : Die Reaktionsenergie E i ist die bei einer exothermen Reaktions freiwerdende (Wärme-)Energie oder bei einer endothermen Reaktion aufgenommene (Wärme-)Energie. Energiediagramm exotherme Reaktion E i Edukte Aktivierungsenergie E A E i Produkte Zeichne ein beschriftetes Energiediagramm für eine exotherme Reaktion! Reaktionsverlauf

12 Energiediagramm endotherme Reaktion E i Aktivierungsenergie E A Produkte E i Zeichne ein beschriftetes Energiediagramm für eine exotherme Reaktion! Edukte Reaktionsverlauf 28 Katalyse E i Energiediagramm: E i Edukte Edukt(e) E A E A (Kat) ΔE i Zeichne ein beschriftetes Energiediagramm, das die Wirkung eines Katalysators bei einer exothermen Reaktion darstellt! Nenne Eigenschaften eines Katalysators! E i Produkte Produkt(e) Ein Katalysator ist ein Stoff, der Reaktionsverlauf - die Aktivierungsenergie E A senkt - die Reaktion beschleunigt - nach der Reaktion unverändert vorliegt

13 Ionisierungsenergie Ionisierungsenergie Definiere den Begriff Ionisierungsenergie! o Energie, die aufgewendet werden muss, um ein Elektron aus der Atomhülle zu entfernen. o Je niedriger die Energiestufe (je näher die Schale am Kern) ist, desto höher ist die Ionisierungsenergie. Valenzelektronen Valenzstrichschreibweise Valenzelektronen sind Elektronen der höchsten Energiestufe (der äußersten Schale) Valenzstrichschreibweise Definiere den Begriff Valenzelektronen! Erkläre die Vorgehensweise bei der Erstellung der Valenzstrichschreibweise! o Die Valenzelektronen werden als Punkte (einzelne Elektronen) bzw. als Striche (Elektronenpaare) um das Elementsymbol gezeichnet o Die ersten vier Valenzelektronen werden einzeln symbolisiert, ab dem 5. Valenzelektron werden Elektronenpaare gebildet

14 Hauptgruppen Erkläre, was man unter den Hauptgruppen des Periodensystems versteht! Hauptgruppen sind die senkrechten Reihen im Periodensystem. Benennung der Hauptgruppen: HG I: Alkalimetalle HG II: Erdalkalimetalle HG III: Erdmetalle HG IV: Kohlenstoff-Silicium-Gruppe HG V: Stickstoff-Phosphor-Gruppe HG VI: Chalkogene HG VII: Halogene HG VIII : Edelgase Benenne die 1., 2., 7. und 8. Hauptgruppe des Periodensystems! Erkläre, welche Gemeinsamkeit die Elemente einer Hauptgruppe besitzen und wodurch sie sich hinsichtlich ihrer Atomhülle unterscheiden! Gemeinsamkeit: Anzahl der Valenzelektronen (daraus resultiert auch das ähnliche Reaktionsverhalten) Unterschied: Anzahl der Energiestufen (Schalen). Je weiter unten im PSE, desto mehr Energiestufen (Schalen). Perioden Perioden sind die waagrechten Reihen in Periodensystem Erkläre, was man unter den Perioden des Periodensystems versteht! Erkläre, welche Gemeinsamkeit die Atome der Elemente einer Periode besitzen und wodurch sie sich hinsichtlich ihrer Atomhülle unterscheiden! Gemeinsamkeit: Anzahl der Energiestufen (Schalen) (z. B. 3. Periode: Drei Energiestufen / Schalen). Unterschied: Je weiter rechts, desto mehr Valenzelektronen (daraus resultiert auch das unterschiedliche Reaktionsverhalten)

15 Edelgaskonfiguration und Oktettregel Edelgas-Atome (8. Hauptgruppe) besitzen acht Valenzelektronen (Ausnahme Helium: 2e - ) in der äußersten Schale, die sogenannte Edelgasschale. Sie sind äußerst stabil und sehr reaktionsträge. Edelgase kommen in der Natur nicht in Verbindungen vor. Erkläre, welche Besonderheit in der Hülle der Atome der Edelgase auftritt und wie sich dies auf ihr Reaktionsverhalten auswirkt! Elektronenkonfiguration (Elektronenbesetzung) mit 8 Valenzelektronen (bzw. 1. Periode: 2e - ) Erkläre, was man unter der Edelgaskonfiguration versteht! Erkläre, was man unter der Oktettregel versteht! Oktettregel: Atome mit Edelgaskonfiguration besitzen 8 (gr. octa ) Valenzelektronen (bzw. 2), also ein Elektronenoktett. Atome bzw. Ionen, die die Oktettregel erfüllen, bilden stabile Verbindungen. Salze Kationen und Anionen Ion: Geladenes Teilchen (Atom-Ion oder Molekül-Ion) Kation: Positiv geladenes Teilchen Anion: Negativ geladenes Teilchen Definiere die Begriffe Ion, Kation und Anion! Nenne die Ionen, die von den Metall-Elementen Li, Na, K, Mg, Ca, Al und von den Nichtmetall-Elementen N, P, O, S, F, Cl, Br und I gebildet? Ionen von Metall- und Nichtmetall-Elementen (Sonderfall: Aus Wassersstoffatomen entstehen bevorzugt H + -Ionen) HG I HG II HG III HG IV HG V HG VI HG VII Li + N 3- O 2- F - Na + Mg 2+ P 3- S 2- Cl - K + Ca 2+ Al 3+ Br - I - Durch Elektronenaufnahme bzw. Abgabe können Atome die Edelgaskonfiguration erreichen und somit die Oktettregel erfüllen.

16 Salze Synthese Salze entstehen durch die Reaktion von elementaren Metallen mit elementaren Nichtmetallen. Synthese von Natriumchlorid aus den Elementen (Schalenmodell): Nenne die beiden Gruppen elementarer Stoffe, durch deren Reaktion miteinander Salze entstehen! + Beschreibe anhand des Schalenmodells die Synthese des Salzes Natriumchlorid aus den Elementen Natrium und Chlor! Natriumatom Chloratom Natriumion Na + Chloridion Cl - Elektronenübergang vom Metallatom zum Nichtmetallatom Salze Ionengitter Die Ionen sind in Form eines dreidimensionalen Ionengitters angeordnet, Kationen und Anionen jeweils abwechselnd. Beispiel NaCl: Anion Beschreibe unter Mitverwendung einer Skizze (Teilchenebene), wie die Ionen eines Salzes angeordnet sind! Erkläre, warum es im Ionengitter zu starken Bindungskräften kommt! Erkläre, welche Aussagekraft die Summenformel eines Salzes besitzt! Kation Unterschiedlich geladene Teilchen ziehen sich an. Zwischen Kationen und Anionen herrschen starke elektrostatische Wechselwirkungen. Der feste Zusammenhalt im Ionengitter wird dadurch ermöglicht, dass Kationen immer von Anionen und Anionen von Kationen als nächsten Nachbarn umgeben sind. Die Summenformel (Verhältnisformel) beschreibt das Zahlenverhältnis der beteiligten Ionensorten im Ionengitter.

17 GW Chemie Salze Eigenschaften Feste Salze - sind brüchig - sind kristallin (bilden Kristalle) - sind oft wasserlöslich - besitzen keine elektrische Leitfähigkeit Gelöste Salze - besitzen elektrische Leitfähigkeit Nenne wichtige Eigenschaften von festen, geschmolzenen und gelösten Salzen! Geschmolzene Salze - besitzen elektrische Leitfähigkeit Metalle Elektronengasmodell Elektronengasmodell: METALLGITTER Atomrümpfe: Die Atome ohne ihre Valenzelektronen (deshalb positiv geladen). Sie bilden ein kompaktes, dreidimensionales Gitter ( Metallgitter ) Beschreibe unter Mitverwendung einer beschrifteten Skizze das Elektronengasmodell der Metalle! + Räumliche Darstellung ohne Elektronengas Elektronengas: Die Valenzelektronen sind freibeweglich ( wie die Teilchen eines Gases ) zwischen den Atomrümpfen und sorgen für deren Zusammenhalt

18 Metalle Eigenschaften Metalle - sind verformbar - besitzen oft metallischen Glanz - sind elektrisch leitfähig Nenne wichtige Eigenschaften der Metalle! - besitzen Wärmeleitfähigkeit Molekulare Stoffe Elektronenpaarbindung Nichtmetall-Atome benötigen (von den Edelgas-Atomen abgesehen), zusätzliche Valenzelektronen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Zwei Wasserstoff-Atome z. B. lösen dieses Problem, indem sie ihre Atomhüllen überlappen. Erkläre am Beispiel Wasserstoff (H 2 ), was man unter einer Elektronenpaarbindung versteht! Vereinfacht gesagt: Sie paaren ihre Valenzelektronen zwischen den Atomkernen. Die Atome teilen sich sozusagen die Elektronen des Elektronenpaares. Jedes Atom verfügt dadurch über 2 Valenzelektronen und erreicht dadurch die Edelgaskonfiguration. H. +. H H.. H Die roten Kreise zeigen, dass jedes der beiden Atome über zwei Valenzelektronen verfügt und damit die Edelgaskonfiguration erreicht.

19 Molekulare Stoffe Valenzstrichformel Jeder Strich symbolisiert zwei Valenzelektronen, also ein Elektronenpaar. Man unterscheidet zwei Arten von Elektronenpaaren: a) Nicht-bindendes (freies) Elektronenpaar (Beide Elektronen stammen vom Sauerstoff-Atom) b) Bindendes Elektronenpaar (Je ein Elektron stammt vom Sauerstoff- bzw. Wasserstoff-Atom) Erkläre die Bedeutung der Striche der Valenzstrichformel am Beispiel des Wassermoleküls (H 2 O)! Erkläre am Beispiel des Methanmoleküls (CH 4 ), wie eine Valenzstrichformel erstellt wird! Die beteiligten Atome werden in ihrer Valenzstrichschreibweise gezeichnet. Anschließend werden die ungepaarten Elektronen so verbunden, dass jedes der beteiligten Atome (Bild Mitte) die Edelgaskonfiguration besitzt. Molekulare Stoffe Einfach- und Mehrfachbindung Einfachbindungen Erstelle für die folgenden Moleküle die Valenzstrichformel und ordne sie nach Verbindungen mit Einfach-, Doppelund Dreifachbindungen: O 2, H 2 O 2, HCl, C 2 H 4, N 2 Doppelbindungen Dreifachbindung

20 Überblick: Bindungsarten Positives Teilchen Ionenbindung (Salze) Kationen Metallbindung Atomrümpfe Elektronenpaar bindung Atomkerne Negatives Teilchen Anionen Frei bewegliche Elektronen im. Elektronengas Bindungselektronen im Elektronenpaar Nenne die drei Bindungsarten und erkläre deren Zustandekommen und Vorkommen! Überblick: Chemische Stoffe Reinstoff Stoffe Stofftrennung (physikalisch) Stoffgemisch homogen heterogen Synthese Element Verbindung Erstelle ein Fließdiagramm zur Einteilung der Stoffe bis hin zu den kleinsten Teilchen! Atome Analyse (Zerlegung) Moleküle (1 Atomsorte) Verhältnisformel (ionische Verbindungen) Molekülformel (molekulare Verbindungen)