Stöchiometrie Mengenberechnungen

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1 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 1 töchiometrie Mengenberechnungen Auf Ihre Haltung kommt es an Wenn ie sich entschuldigen, dass die chüler jetzt leider rechnen müssen, haben ie bereits verloren. Theorie ist nur dann ein Problem, wenn sie abgehoben ist und die chülerinnen den Aufgaben nicht gewachsen sind. Als Lehrperson müssen ie eine positive Haltung zum Unterrichtsgegenstand ausstrahlen. In der töchiometrie sind die Rechnungen einfach und die Aufgabenstellungen überschaubar. Wenige Überlegungen reichen, damit man dieses Kapitel im Griff hat. Wählen ie die Aufgaben geschickt aus und üben ie so lange, bis die chülerinnen merken, dass töchiometrie einfach ist und sie in der Prüfung eine gute Note erzielen können. Erfolg ist der beste Motivator. chwierigkeiten Einige chülerinnen gehen schematisch vor und wissen nicht was sie tun. Andere haben Ärger mit Koeffizienten (Anzahl Mol) und Indizes (Anzahl Atome im Molekül) Viele können im Rechner nicht mit den Exponenten von grossen und kleinen Zahlen umgehen. Einige haben sogar Mühe mit Dreisätzen. ie verlieren die chüler, wenn ie allzu viele Aufgaben im Plenum lösen. Wozu töchiometrie? In welchem Verhältnis müssen die Edukte eingesetzt werden? Wie viel Produkt entsteht? Die Ausbeute: Wie gut ist das Experiment gelungen? Gasexplosionen: Wie wird die Explosion am heftigsten? Verstehen, dass homöopathische Mittel eine Heilung ohne Wirkstoff versprechen. ie sind derart verdünnt, dass sie kein einziges Wirkstoff-Molekül enthalten. Die Anzahl der Atome und Moleküle bestimmen Input: Wie viele Atome enthält ein goldener oder silberner chmuck eines chülers. Vereinfachung: Die Kette oder der Ring besteht nur aus einer Atomsorte. chmuck wägen, die Atommasse dem Periodensystem entnehmen und in Gramm umrechnen wie es unten beschrieben ist. Lernaufgabe mit Eisennagel und Wassertropfen.

2 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 2 In welchem Verhältnis müssen die Edukte eingesetzt werden? In der Eisenwarenhandlung In der Chemie Aufgabe 1: Ein Brikett wird verbrannt. Dabei reagiert Kohle C mit auerstoff O 2 zu Kohlendioxid. a) Formulieren ie die Reaktionsgleichung. b) Wie viel auerstoff wird für die Verbrennung von 500 g Kohle benötigt? Der Vergleich mit chrauben und Muttern stammt aus R. E. Dickerson & I. Geis, Chemie - eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Weinheim,. 16, Beispiele aus der Küche dürften für chüler lebensnäher sein: Oliven und Zahnstocher Gedörrte Pflaume, die mit einer Tranche peck umwickelt und gebacken wird chinken-käse-toast: Wie viel chinken und Käse muss ich für 250 g Toastbrot einkaufen. Diesen Vorschlag von tephanie Bircher, Kantonsschule Freudenberg, finden ie mit präziser Aufgabenstellung und Einkaufsliste auf www. fdchemie.pbworks.com. Input: An Hand der ersten Aufgabe die Ähnlichkeit zur ituation mit den chrauben und Muttern herausarbeiten und die Lösung diskutierten. Lernaufgaben Aufgabe 2: Ethen C 2 H 4 reagiert mit Wasserstoff H 2 zu Ethan C 2 H 6. a) Wie viel Wasserstoff wird für die Reaktion von 9,3 g Ethen benötigt? (Resultat: 0,66 g) b) Zeigen ie mit Lewisformeln, wie sich die Moleküle verändern. Für schnelle chülerinnen. Aufgabe 3: Wenn Wein zu Essig wird, läuft eine chemische Reaktion ab: Ethanol CH 3 CH 2 OH und auerstoff reagieren zu Essigsäure CH 3 COOH und Wasser. a) Wie viel auerstoff wird für die Reaktion von 22,9 g Ethanol benötigt? (Resultat: 15,9 g) b) Wie viel Essigsäure entsteht aus 22,9 g Ethanol? (Resultat: 29,9 g) c) Zeigen ie mit Lewisformeln, wie sich die Moleküle verändern. Für schnelle chüler. Aufgabe 2b und 3c kann ohne weiteres weggelassen werden. Reaktionsgleichungen genügen. Die Aufgabe 2 zeigt, dass die Zahl der vorhandenen Moleküle durch die Reaktion verkleinert wird, weil aus zwei Edukten nur ein Produkt gebildet wird. Viele chülerinnen haben die

3 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 3 Massenerhaltung akzeptiert und sehen deshalb nicht ein, warum sich die Zahl der Moleküle in einer Reaktion ändern kann. Die Aufgabe 3b leitet zum nächsten Fragestellung über: Wie viel Produkt kann im besten Fall entstehen? Es macht nichts, wenn die chüler diese Aufgabe nicht lösen können. ie haben sich mit der Aufgabe befasst und sind froh, wenn das Vorgehen in der nächsten Aufgabe gezeigt wird. Wie viel Produkt entsteht? Input Aufgabe 4: Ethin C 2 H 2 und Chlorwasserstoff HCl reagieren zu Vinylchlorid C 2 H 3 Cl a) Wie viel C 2 H 3 Cl kann im besten Fall aus 173 g Ethin und 180 g Chorwasserstoff entstehen? (Resultat: 308 g) b) Zeigen ie mit Lewisformeln, wie sich die Moleküle verändern. Lösung: Reaktionsgleichung: C 2 H 2 + HCl C 2 H 3 Cl 1. Masse der Einzelteile: 1 Molekül C 2 H 2 wiegt 26 u = 4, g; 1 Molekül HCl wiegt 36,45 u = 6, g; 1 Molekül C 2 H 3 Cl wiegt 62,45 u = 1, g 3. Gesuchte Masse , g = 308 g Vinylchlorid entstehen im besten Fall. Bildliche Erklärung zum Überschuss: 2. Anzahl: 173 g : (4, g) = C 2 H 2 -Moleküle Überschuss 180 g : (6, g) = HCl-Moleküle => maximal C 2 H 3 Cl-Moleküle Aufgaben, die die chüler selber lösen Aufgabe 5: Ethanol CH 3 CH 2 OH und Essigsäure CH 3 COOH werden zu Essigsäureethylester CH 3 COOCH 2 CH 3 und Wasser. Diese Reaktion wird als Veresterung bezeichnet. a) Wie viel Essigsäureethylester entsteht aus 23 g Ethanol und 20 g Essigsäure? (Resultat: 29,3 g) b) Zeigen ie mit Lewisformeln, wie die sich die Moleküle verändern. Aufgabe 6: Erinnern ie sich an den Vulkanversuch? Wir haben 7 g oranges Ammoniumdichromat (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 mit einer glühenden Nadel in einen feuerspeienden Vulkan verwandelt und grünes Chrom(III)-oxid blieb übrig. Wie viel Chrom(III)-oxid entsteht aus 7 g Ammoniumdichromat? (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 Cr 2 O 3 + N H 2 O (Resultat: 4,2 g)

4 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 4 Aufgaben mit stöchiometrischen Koeffizienten Input Demonstration: Ein chälchen mit Brennsprit oder pirituosen anzünden und über einer feuerfesten Unterlage ausleeren. Aufgabe 7: Wie viel Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung von 7,7 g Ethanol CH 3 CH 2 OH? (Resultat: 14,7 g) Lernaufgaben zum Treibhauseffekt Aufgabe 8: Wie viel Kohlendioxid entsteht, wenn ein Auto von Thalwil nach Chur fährt? Fiat 500: 4,6 L (=3,2 kg) Diesel C 15 H 32 für 110 km (Resultat: 10 kg) Audi Q7: 16 L (11,4 kg) Benzin C 8 H 18 für 110 km (Resultat: 35 kg) Aufgabe 9: Grüne Pflanzen verbrauchen Kohlendioxid. tichwort Photosynthese. Dabei reagiert Kohlendioxid mit Wasser zu auerstoff und Traubenzucker C 6 H 12 O 6 a) Eine 100-jährige Buche assimiliert an einem onnentag etwa 12 kg Traubenzucker. Wie viel Kohlendioxid verschwindet dabei aus der Luft? (Resultat: 17,6 kg) b) Wie lange braucht die Buche um die Menge Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu nehmen, die bei der Verbrennung von 11,4 kg Benzin frei wird? Benützen ie dazu das Resultat der Aufgabe 8. (Resultat: 2 Tage)

5 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 5 kizze: Eine Buche braucht 2 Tage um die Menge Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entnehmen, die ein Audi Q7 freisetzt, der 110 km weit fährt Empfehlungen Ich würde nur einen Lösungsweg zeigen. Wenn clevere chüler die Aufgaben einfacher lösen, habe ich natürlich nichts dagegen. Reaktionen mit Molekülen sind einfacher zu veranschaulichen als wenn alze beteiligt sind. Nicht zu viele Aufgaben im Plenum vorlösen. Die chülerinnen müssen sich selbständig mit den Aufgaben auseinandersetzen. Folgendes Vorgehen hat sich bewährt: Lehrperson macht einen Input vor. chüler lösen ähnliche Aufgaben. Wer nicht fertig wird, beendet die Arbeit zu Hause In der folgenden Lektion ausführliche Lösungen verteilen (aber nicht besprechen), einen nächsten Input vormachen, wieder selbständig üben und Fragen zu den letzten und den aktuellen Aufgaben individuell beantworten. usw. Wenn die chülerinnen die Rechnungen beherrschen und eine gewisse Routine erlangt haben ist es Zeit, die toffmenge Mol vorzustellen und die Rechnungen zu vereinfachen. Lösungen zu den Aufgaben ohne "mol" Die ausführlichen Lösungen der Aufgaben 1 bis 9 finden ie in der elektronsichen Fassung dieses kripts auf www. fdchemie.pbworks.com

6 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 6 Die toffmenge 1 mol Aufgaben 1. Wie viele Atome sind in 12 g Kohlenstoff enthalten? 2. Wie viele Moleküle kommen in 92 g Toluol C 7 H 8 vor? 3. Wie viele 8 -Moleküle gibt es in 256 g chwefel? Warum ergeben sich in alle drei Beispielen 6, Teilchen (Atome oder Moleküle)? Kohlenstoff Toluol chwefel 12 g 12 1, g = 6, g 92 1, g = 6, g = 6, , g C C C C C C Merke Die Menge einer ubstanz, deren Masse in Gramm gleich ihrer Molekülmasse ist, enthält Moleküle. o wie 1 Dutzend für 12 tück steht, ist 1 mol die Abkürzung für 6, Teilchen. Da die Teilchen verschieden sind, muss die Masse von 1 mol verschieden sein. Aufgaben: Mit "mol" sind die Rechnungen einfach Input: im Plenum vormachen 1. Kohlendioxid und Wasser reagieren zu Kohlensäure H 2 CO 3 a) Wie viel Gramm Wasser werden für die Reaktion mit 14.7 g Kohlendioxid benötigt? Resultat: 6 g Wasser b) Wie viel Gramm Kohlensäure entsteht aus 14.7 g Kohlendioxid? Resultat: 20,7 g Kohlensäure

7 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 7 Aufgaben 2. Zink und chwefelsäure reagieren zu Zinksulfat und Wasserstoff. a) Wie viel chwefelsäure H 2 O 4 muss für die Reaktion mit 13 g Zink eingesetzt werden? Resultat: 19,5 g chwefelsäure b) Wie viel Wasserstoff entsteht aus 13 g Zink? Resultat 0,4 g Wasserstoff 3. Calcium reagiert mit Wasser zu Calciumhydroxid und Wasserstoff. Wie viel Calciumhydroxid entsteht aus 60 g Calcium? Resultat: 111 g Calciumhydroxid 4. Wird Kalk (=Calciumcarbonat) stark erhitzt, so wandelt sich Calciumcarbonat in Calciumoxid und Kohlendioxid um. Wie viel Calciumoxid und wie viel Kohlendioxid entstehen aus 50 g Kalk? Resultat: 28 g Calciumoxid und 22 g Kohlendioxid Input: im Plenum vormachen 5. Formaldehyd CH 2 O wird verbrannt. Wie viel Kohlendioxid entsteht aus 60 g Formaldehyd und 96 g auerstoff? Resultat: 88 g Kohlendioxid Aufgaben 6. Magnesium und Brom reagieren zu Magnesiumbromid. Wie viel Gramm Magnesiumbromid kann im besten Fall aus 24 g Magnesium und 40 g Brom entstehen? Resultat: 46 g Magnesiumbromid 7. Eisen(II)-Ionen und ulfid-ionen reagieren zu Eisen(II)-sulfid. Wie viel Gramm Eisen(II)-sulfid kann aus 111,7 g Eisen(II)- und 16 g ulfid-ionen maximal entstehen? Resultat: 44 g Eisen(II)-sulfid Bemerkungen Es sind viele Beispiele mit einfachen Zahlen aufgeführt, die den chülern Routine geben und sie überzeugen sollen, wie einfach die stöchiometrischen Rechnungen mit mol werden. Aufgabe 1 als Input vormachen. Dann lösen die chülerinnen & chüler Aufgabe 2 bis 4. Wahrscheinlich sind sie erfolgreich. Es lohnt sich ein Blatt mit den ausführlichen Lösungen bereit zu haben. o kann auf eine langwierige Besprechung verzichtet werden und die wenigen chüler, die Mühe hatten, erhalten trotzdem die Möglichkeit, ihre Arbeit mit dem korrekten Lösungsweg zu vergleichen. Aufgabe 5 eignet sich als nächsten Input. Mit einer kizze kann der Überschuss gut erklärt werden: Aus 2 Molekülen Formaldehyd und 3 Molekülen auerstoff können höchstens 2 Kohlendioxidmoleküle entstehen. Ein auerstoffmolekül bleibt übrig.

8 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 8 Wenn die Masse mehrerer Edukte gegeben ist, setzen ie mit Vorteil das erste Edukt im Überschuss ein. chülerinnen, die die Aufgaben nicht durchschauen, benützen oft die erste Zahl und rechnen daraus die Masse der Produkte aus. Dieser Tipp ist in Aufgabe 6 und 7 zu sehen. Die Reaktionsgleichungen 1. CO 2 (g) + H 2 O(l) H 2 CO 3 (aq) Bem: Kohlensäure kann nicht in reiner Form isoliert werden. Es entsteht, wenn Kohlendioxid ins Wasser gelangt. 2. Zn + H 2 O 4 ZnO 4 + H 2 3. Ca(s) + 2 H 2 O(l) Ca(OH) 2 (s) + H 2 (g) 4. CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) 5. CH 2 O(g) + O 2 CO 2 (g) + H 2 O(g) 6. Mg(s) + Br 2 (l) MgBr 2 (s) 7. Fe 2+ (aq) + 2- (aq) Fe(s) Bem: Eine Lösung von Fe 2+ und eine Lösung von 2- werden gemischt. Fe fällt als schwer lösliches alz aus. Lösungen zu den Rechnungen mit "mol" 1. CO 2 (g) + H 2 O(l) H 2 CO 3 (aq) 44 u 18 u 62 u 14,7 g = 1/3 mol 1/3 mol = 6 g 1/3 mol = 20,7 g 2. Zn + 2 H 2 O 4 ZnO 4 + H 2 65,4 u 98,1 u 2 u 13 g = 0,20 mol 0,20 mol = 19,5 g 0,2 ml = 0,4 g 3. Ca(s) + 2 H 2 O(l) Ca(OH) 2 (s) + H 2 (g) 40,1 u 74,1 u 60 g = 1,5 mol 1,5 mol = 111 g 4. CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) 100,1 u 56,1 u 44 u 50 g = 0,5 mol 0,5 mol = 28 g 0,5 mol = 22 g 5. CH 2 O(g) + O 2 CO 2 (g) + H 2 O(g) 30 u 32 u 44 u 60 g = 2 mol 96 g = 3 mol 2 mol = 88 g Überschuss

9 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie Mg(s) + Br 2 (l) MgBr 2 (s) 24,3 u 159,8 u 184,1 u 24 g = 1 mol 40 g = 0,25 mol 0,25 mol = 46 g Überschuss 7. Fe 2+ (aq) + 2- (aq) Fe(s) 55,85 u 32,06 u 87,9 u 111,7 g = 2 mol 16 g = 0,5 mol 0,5 mol = 44 g Überschuss Die Ausbeute: Wie gut ist das Experiment gelungen? Demonstration: Magnesiumband an der Luft verbrennen. Masse vorher und nachher wägen. Auswertung: Warum ist die Ausbeute so gering? Antwort: Ein Teil des Magnesiumoxids ist an der Tiegelzange zu sehen. Der grössere Teil wurde als Rauch im Zimmer verteilt. Labor: Der Laborunterricht kann viel Einsicht bringen. Zum Beispiel bei der ynthese von Aspirin. Die chüler können am Ende das selber hergestellte Aspirin wägen, die Ausbeute bestimmen und damit überprüfen, wie gut sie gearbeitet haben. Weil sie nach der Umkristallisation über 100 % Ausbeute erhalten, entsteht ein intellektueller Konflikt. Erst nach dem Trocknen im Exsikkator steht das Resultat fest: Es gibt deutlich weniger als 100 % und man kann erklären, wo die Verluste entstehen. Anleitung:

10 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 10 Das molare Volumen von Gasen Warum Wasserstoff steigt und Kohlendioxid sinkt Einleitung mit einem Experiment: Eine Kerze erlischt in Kohlendioxid und in Wasserstoff: Das Experiment mit Wasserstoff ist in "Chemie heute I" genauer beschrieben (Wolfgang Asselborn und andere (Herausgeber), Chemie heute I, chroedel, Hannover,. 115, 2001). Ich verwende einen 500 ml Messzylinder. Innendurchmesser 5 cm, Länge 25 cm. Im Periodensystem von chroedel sind Dichte und Atommasse verzeichnet. Damit kann das molare Volumen von Gasen auf einfache Weise berechnet werden: Bildliche Darstellung

11 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 11 Erkenntnis: Je grösser die Molekülmasse, desto grösser ist die Dichte der Gase. Gasexplosionen Wasserstoff explodiert Ein Film vom Ende des Luftschiffs Hindenburg zeigt, dass Wasserstoff brennt. Ein länglicher Ballon wird mit Wasserstoff aufgeblasen, wie ein Zeppelin an 2 tativen befestigt und mit einer Kerze, die an einem langen tab befestigt ist, entzündet. Ein gewaltiger, nicht unangenehmer Knall erschüttert das Zimmer. Unangenehm wird es, wenn Wasserstoff mit auerstoff gemischt und entzündet wird. Die Explosion ist viel heftiger und schmerzt in den Ohren. Deshalb sollte nur wenig Knallgas entzündet werden. Experimentelles Am einfachsten wird eine Plastikflasche von 50 ml Volumen mit Wasserstoff gefüllt. Dann werden 17 ml auerstoff mit einer Wegwerfspritze, die mit einem dünnen Gummischlauch versehen ist, in die Plastikflasche gegeben. Eine genauere Gasmischung, in der die Gase unter Wasser eingefüllt werden, ist nicht nötig. Empfehlung: Volumen der Plastikflaschen nicht erhöhen. Der Experimentator sollte einen Gehörschutz tragen. (nach B. teffen, Gefahrlose Zündung explosionsfähiger Gasgemische, PdN-Ch. 8/42,. 5f., 1993) Erdgas explodiert

12 Fachdidaktik Chemie ETH töchiometrie. 12 Explosivstoffe chwarzpulver Kaliumnitrat, chwefel und Kohlenstoff werden bei der Explosion zu Kaliumsulfid, Kohlendioxid und tickstoff. Aufgabe: a) Reaktionsgleichung formulieren b) Alle Aggregatzustände bestimmen und begründen c) Wie viel Kaliumnitrat und Kohle reagieren mit 0,26 g chwefel? Lösung: 16 KNO C 8 K CO N 2 chwarzpulver besteht aus Feststoffen. Bei der Reaktion entstehen heisse Gase, die viel Platz beanspruchen, einen hohen Druck erzeugen und die Explosion hervorrufen. Kaliumsulfid ist fest und als weisser Rauch zu sehen. Es gab der Westernserie "Rauchende Colts (Original: Gunsmoke)" den Titel. Optimale Mischung: g = 1 mol 0,26 g = 0,00102 mol chwefel KNO 3 1 mol = 101 g 0,016 mol = 1,64 g Kaliumnitrat C 1 mol = 12 g 0,024 mol = 0,29 g Holzkohle Experiment: Vorsicht: kleine Mengen und offene Gefässe verwenden. Immer chutzbrille tragen. Ob ie eine chutzscheibe einsetzen, müssen ie selber entscheiden. chwefel, Kaliumnitrat und Holzkohle, wenn nötig einzeln im Mörser pulverisieren, im oben angegebenen Verhältnis mischen in einer feuerfesten Glasschale entzünden. Am einfachsten ist es wenn die chale von unten mit dem Bunsenbrenner erwärmt wird. Gekauftes chwarzpulver ist viel eindrücklicher, weil es viel schneller reagiert. Knallkörper: Wenig (!) chwarzpulver auf ein Papier geben, eine Zündschnur ins chwarzpulver legen und so gut wie möglich im Papier einwickeln. Das Papier mit viel Klebstreifen verstärken. Im Freien entzünden. Mindestens 3 m Abstand. Resultat: einige prengsätze knallen laut, andere fliegen ein tück weit, weil das Gas aus einem Loch entweichen kann. Mit einigem bürokratischen Aufwand können chwarzpulver und Zündschnüre in Waffengeschäften erworben werden. Empfehlung: Nicht alle haben Freude an Explosionen. Weder die chülerinnen und chüler noch die Kolleginnen. Deshalb mit Knallen nicht übertreiben und nie grosse Mengen einsetzen. Nitroglycerin und TNT "Explosivstoffe Energie aus dem Zerfall" Text aus chroedel, Chemie heute II,. 291 (1998) lesen, Reaktion bei Herstellung und Explosion diskutieren.