Bildungsstandards für das Fach Chemie bis Klasse 10 Gliederung:

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1 Bildungsstandards für das Fach Chemie bis Klasse 10 Gliederung: Stoffe und Stoffgruppen 2. Reaktionsarten 3. Wichtige Experimente und Nachweisreaktionen Chemische Arbeitsweisen 5. Chemische Bindungen Anhang: Niveaubestimmende Aufgabe mit Erwartungsbild Stoffe und Stoffgruppen Kennenlernen von Eigenschaften einzelner ausgewählter Stoffe Kennenlernen von Stoffgemischen Metalle: Bau, Eigenschaften, Verwendung Metalloxide Luft: Zusammensetzung Sauerstoff: Bau, Eigenschaften, Nachweis (Verwendung, Vorkommen) Stickstoff: Bau, Eigenschaften, (Verwendung, Vorkommen) Wasser: Zusammensetzung, Bau, Eigenschaften, Bedeutung, Herstellung, Zersetzung (Verwendung, Vorkommen) Wasserstoff: Bau, Eigenschaften, Nachweis (Verwendung, Vorkommen) Nichtmetalle/Nichtmetalloxide Schwefel/Schwefeloxide: Bau, Eigenschaften, (Verwendung, Vorkommen) Säuren: Herstellen, Eigenschaften, Nachweis, Hydroniumion Schwefelsäure/Salzsäure: Eigenschaften, Verwendung unedle Metalle: Eigenschaften, Reaktionen Metallhydroxide: Herstellen, Eigenschaften, Nachweis Natriumhydroxid/Calciumhydroxid: Eigenschaften, Verwendung Salze: Bau, Eigenschaften, Verwendung, Vorkommen Ammoniak: Bau Eigenschaften, Herstellung, Nachweis Stickstoffoxide: Bau, Eigenschaften, Verwendung Salpetersäure Nitrate: Eigenschaften, Verwendung, Vorkommen, Bedeutung, Herstellung Kohlenstoff: Bau, Eigenschaften, (Verwendung, Vorkommen) Kohlenstoffoxide: Eigenschaften, Verwendung, Entstehung Kohlensäure und ihre Salze: Entstehung, Eigenschaften, Verwendung, Vorkommen, Nachweis Methan: Bau, Eigenschaften, Verwendung, Vorkommen Alkane, Alkene, Alkine: Bau, Eigenschaften, Verwendung, Vorkommen Ethanol: Bau, Eigenschaften, Nachweis Alkanole: Bau, Eigenschaften Ethansäure: Bau, Eigenschaften, Verwendung, Herstellung Alkansäuren: Bau, Eigenschaften, Vorkommen, höhermolekulare Alkansäuren Ethansäureethylester und weitere Ester: Herstellung, Bedeutung, Fette Ethanal: Bau, Eigenschaften, Herstellung Kohlenhydrate (Stärke, Saccharose, Glukose): Bau, Bedeutung, Nachweis Eiweiße: Bau, Eigenschaften, Bedeutung, Zersetzung, Nachweis Weitere Aminosäuren: Bau, Eigenschaften, Verwendung Stickstoff: Nachweis 1

2 2. Reaktionsarten Begriff: Oxidation Oxidationen sind chemische Reaktionen, bei denen sich Metalle mit dem Element Sauerstoff verbinden. Die Metalle werden oxidiert. Die Reaktionsprodukte heißen Metalloxide. Auch Nichtmetalle können sich mit Sauerstoff verbinden. Die Reaktionsprodukte heißen Nichtmetalloxide. Begriff: Neutralisation Die Neutralisation ist eine chemische Reaktion, bei denen Hydronium Ionen mit Hydroxid Ionen zu Wassermolekülen reagieren. Begriff: Protonenübergang Bei einer chemischen Reaktion mit Protonenübergang werden von einem Reaktionspartner Protonen abgegeben und von einem weiteren beteiligten Reaktionspartner aufgenommen. Zur Reaktion mit Protonenübergang gehören: Neutralisation chemische Reaktion vom Metalloxid und Säurelösung chemische Reaktion von Salzlösung und Säurelösung chemische Reaktion von Salzlösung und Baselösung Begriff: Substitution Bei einer Substitution wird in einem Molekül ein Atom durch ein anderes Atom ersetzt. Zu Substitutionsreaktionen gehören: Chlorierung: Substitution von Chlor Veresterung: Kondensation von Carbonsäuren und Alkohol Hydrolyse: Umkehrung der Kondensation, Zerfall eines Esters durch Einwirkung von Wasser Polykondensation: Substitution, die zu Makromolekülen führt Begriff: Addition, Polymerisation Bei einer Additionsreaktion wird ein Molekül an eine C / C Mehrfachbindung eines ungesättigten Kohlenwasserstoffmoleküls addiert. Additionsreaktion, bei der gleiche Moleküle mit Mehrfachbindung unter Bildung eines Makromoleküls zusammentreten, wird Polymerisation genannt. Zu Additionsreaktionen gehören: Hydrierung: Addition von Wasserstoff Halogenierung: Addition von Halogenen Hydratisierung: Addition von Wasser Begriff: Eliminierung Chemische Reaktion, bei der jeweils aus einem Molekül des Ausgangsstoffes zwei Atome oder Atomgruppen ohne Ersatz durch andere austreten. (führt in der Regel zur Ausbildung von Mehrfachbindungen und ist die Umkehrung der Addition) Zur Eliminierung gehören: Dehydrierung: Eliminierung von Wasserstoff Dehydratisierung: Eliminierung von Wasser Begriff: Fällungsreaktion Chemische Reaktion, bei der freibewegliche Ionen in einer Lösung zu Kristallen eines schwerlöslichen Salzes zusammentreten, die als Niederschlag ausfallen. 2

3 Begriff: Redoxreaktion Chemische Reaktion, bei der Reduktion und Oxidation gleichzeitig ablaufen. Beide Teilreaktionen hängen von einander ab. Oxidation: Reaktion, bei der sich Elemente oder Verbindungen mit dem Element Sauerstoff verbinden. Reduktion: Reaktion, bei der Verbindungen das Element Sauerstoff entzogen wird. Oxidationsmittel: Kann Sauerstoff abgeben, wirkt dadurch oxidierend, wird selbst reduziert. Reduktionsmittel: Kann Sauerstoff aufnehmen, wirkt dadurch reduzierend, wird selbst oxidiert. Begriff: Erweiterter Redoxbegriff Redoxreaktion: Chemische Reaktion, bei der sich die Oxidationszahlen von Teilchen in den Reaktionspartnern ändern. Sie ist mit einem Elektronenübergang verbunden. Oxidation: Reaktion, bei der die Oxidationszahl von Teilchen größer wird, Elektronen werden abgegeben. Reduktion: Reaktion, bei der die Oxidationszahl von Teilchen kleiner wird, Elektronen werden aufgenommen. Oxidationsmittel: Reaktionspartner, dessen Oxidationszahl während der Reaktion kleiner wird, er nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Reduktionsmittel: Reaktionspartner, dessen Oxidationszahl während der Reaktion größer wird, er gibt Elektronen ab und wird oxidiert. Begriff: Chemisches Gleichgewicht Unvollständige Reaktion, umkehrbare Reaktion, chemisches Gleichgewicht definieren, Prinzip von LE CHATELIER einführen und wenden 3

4 3. Wichtige Experimente und Nachweisreaktionen Eigenschaften Farbe Geruch, Löslichkeit, Brennbarkeit SE Löslichkeit, Brennbarkeit, elektrische Leitfähigkeit DE Zusatz: Handhabung des Brenners SE Stoffgemische Dekantieren, Filtrieren, Chromatographieren SE Destillieren, Extrahieren DE Zusatz: Eindampfen SE Metalle elektrische Leitfähigkeit/Wärmeleitfähigkeit DE Aggregatzustandsänderungen bei Metallen DE Stoffumwandlung Wasserstoff + Sauerstoff DE Eisensulfid + Salzsäure DE Holz + Sauerstoff und Eisen + Schwefel SE Kohlenstoffdioxid + Bariumhydroxidlösung SE Oxidation von Metallen Stahlwolle, Magnesium DE Eisenpulver SE Gesetz von der Erhaltung der Masse geschlossenes System DE Zusammensetzung der Luft Gasmessglocke DE Zusatz: Rosten DE Spanprobe SE Zusatz: Herstellen von reinem Sauerstoff DE Bedingungen chemischer Reaktionen Temperatur SE Konzentration DE Zerteilungsgrad DE Löschen von Feuer DE Wasser Herstellen einer Salzlösung SE Feststellen der Leitfähigkeit einer Salzlösung DE Eindampfen einer Salzlösung SE Elektrische Leitfähigkeit einer Salzschmelze DE Elektrolytische Wasserzerlegung DE Knallgasprobe SE Schwefel, Schwefeldioxid und Säuren Oxidation von Schwefel SE Schweldioxid + Wasser SE Nachweis saurer Lösungen SE Ätzende Wirkung auf unedle Metalle und Kalk SE Metalle, Metalloxide, Metallhydroxide Metalle + Säure SE Metall + Wasser DE Metall + Sauerstoff SE Metalloxid + Wasser SE Zusatz: Nachweis von Hydroxiden SE 4

5 Neutralisation Säure + Base DE/SE phwert SE Nachweis des Chlorid und Sulfations SE Ammoniak Reaktion mit Wasser als Protonenübergang DE Nachweis des Ammoniumions SE Umwandlung von Nitrationen in Ammoniak durch Reaktion mit Natronlauge und Aluminiumpulver SE Kohlenstoff/Kohlenstoffoxide/Kohlensäure und ihre Salze Entstehung der Oxide bei Verbrennung DE Nachweis von Kohlenstoffdioxid SE Nachweis des Karbonations SE Kohlenwasserstoffe Substitution, Addition, Polymerisation, Eliminierung DE alkoholische Gärung von Ethanol DE Nachweis der Hydroxylgruppe SE Mischbarkeit der Alkanole mit Wasser und Kohlenwasserstoffen DE allgemeine Säurereaktion (Ethansäure) SE Herstellen von Ethansäureethylester SE Esterspaltung SE Zusatz: Beilsteinprobe SE Oxidation von Ethanol DE Fehling sche Probe, Silberspiegelprobe DE Nachweisreaktionen für Glukose und Stärke SE Stickstoff Löslichkeit und Denaturierung von Eiweißen SE Nachweis von Eiweiß SE Abbau von Aminosäuren SE Nachweis von Stickstoff in Eiweißen und im Harnstoff SE Arten chemischer Reaktionen Fällungsreaktion Reaktion mit Protonenübergang Redoxreaktionen Substitution Addition Eliminierung Elektrochemie elektrische Leitungsvorgänge in Elektrolyten DE galvanische Elemente SE Akkumulator DE Brennstoffzelle DE Elektrolyse DE Modellexperiment DE Wasserstoffkorrosion SE Sauerstoffkorrosion SE SE Schülerexperiment; DE Demonstrationsexperiment 5

6 Chemische Arbeitsweisen Einführung und Ausbildung fachspezifischer Tätigkeiten : grundsätzlicher Umgang mit Chemikalien und Laborgeräten Analysieren der Eigenschaften von Stoffen zielgerichtetes Beobachten bei Experimenten Exaktheit und Disziplin bei Experimenten Auswertung von experimentellen Ergebnissen in Protokollen selbstständiges Planen einfacher Experimentieranordnungen qualitatives und halbquantitatives Erfassen der Ergebnisse experimenteller Arbeit Verifizieren von Hypothesen oder Voraussagen Sicherer Umgang mit Übersichten und Tabellen: (d.h. Entnahme von Informationen aus vorgegebenen Abbildungen aber auch selbstständiges Erarbeiten von Übersichten zur Verdeutlichung gewonnener Erkenntnisse) ausführliche Arbeit mit und am Periodensystem systematische Herausbildung des sicheren Umgangs mit Begriffen der chemischen Zeichensprache: Unterscheidung zwischen Formel und Symbol Aufstellen von Formeln Aufstellen von Wortgleichungen und chem. Gleichungen ( qualitativ und quantitativ ) Abarbeitung von Schrittfolgen zum Lösen stöchiometrischer Aufgaben Beherrschung der Nomenklatur organischer Verbindungen Angeben von Oxidationszahlen Nutzung von Modellen zur Veranschaulichung bestehender Zusammenhänge Teilchentheorie ( submikroskopischer Bereich ) Ableitung von Eigenschaften aus der Struktur der Stoffe Einheit zwischen Stoffumwandlung und dem Auftreten energetischer Erscheinungen Ableiten von Reaktionsbedingungen aus der Kenntnis des Zusammenhangs zwischen Ursache und Wirkung (auch das Prinzip von LE CHATELIER) Herstellung von Zusammenhängen zwischen chemischen Gesetzmäßigkeiten und deren ökonomisch technischer Realisierbarkeit 6

7 5. Chemische Bindungen Bau von Metallen aus Atomen Metallkristalle Teilchen im Metallkristall: Metallatome, Metallionen, Elektronen Metallbindung: Anziehungskräfte zwischen positiv geladenen Metallionen und freibeweglichen Elektronen Begriffe Molekül, Dipol und Elektronenpaarbindung Moleküle sind Teilchen in denen mindestens zwei Atome durch Atombindung gebunden sind Die Atombindung ist eine Art der chemischen Bindung, die durch gemeinsame Elektronenpaare zwischen Atomen bewirkt wird Unpolare Atombindung : Das Elektronenpaar gehört zu gleichen Anteilen beiden Atomen Polare Atombindung : Das Elektronenpaar wird von einem Atom stärker beansprucht als vom anderen Ion, Ionenkristall, Ionenbindung Ionen als elektrisch geladene Teilchen Ionen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung bilden Ionenkristalle Bindung erfolgt durch Anziehung zwischen elektrisch entgegengesetzt geladenen Ionen Van der Waals Kräfte und Wasserstoffbrückenbindung als zwischenmolekulare Kräfte 7

8 Niveaubestimmende Aufgabe Rohstoff Anhydrit Schwefelsäure Schwefeldioxid wird aus Anhydrit ( Calciumsulfat) entsprechend folgender chemischer Gleichung hergestellt: 2 CaSO 4 + C 2 CaO + 2 SO 2 + CO 2 ; Q = 544 kj Welche Vorzüge und welche Nachteile hat dieses chemisch technische Verfahren? Geben Sie eine weitere Möglichkeit an, Schwefeldioxid herzustellen. Berechnen Sie das Volumen an Schwefeldioxid, welches aus 5t Anhydrit erzeugt werden kann. 2. In Wärmekraftwerken werden Maßnahmen getroffen den Schwefeldioxidanteil der Rauchgase herabzusetzen. Begründen Sie die Notwendigkeit solcher Maßnahmen mithilfe Ihrer Kenntnisse über die Eigenschaften von Schwefeldioxid. 3. Schwefeldioxid wird im Kontaktverfahren in einer exothermen Reaktion zu Schwefeltrioxid umgesetzt. Entwickeln Sie die chemische Gleichung für diese umkehrbare Reaktion und geben Sie die Reaktionswärme in allgemeiner Schreibweise an. Begründen Sie, weshalb bei der Produktion von Schwefeltrioxid mit einem Katalysator gearbeitet wird. Entwickeln Sie mögliche Reaktionsbedingungen, damit der Anteil an zu produzierendem Schwefeltrioxid gesteigert werden kann. Begründen Sie diese. Entwickeln Sie für die chemische Reaktion von Schwefelsäure mit Ammoniak die chemische Gleichung und geben Sie den Namen des Reaktionsproduktes an. Ordnen Sie diesem Produkt einer Stoffgruppe zu und benennen Sie die Reaktionsart. 5. Nennen und begründen Sie eine Arbeitsschutzmaßnahme beim Verdünnen von konzentrierter Schwefelsäure. 6. Experiment: Ermitteln Sie, welche der drei Lösungen A, B oder C verdünnte Schwefelsäure ist. Erstellen Sie dazu einen Lösungsplan, fordern Sie die entsprechenden Nachweismittel an und fertigen Sie ein Protokoll an. 8

9 Erwartungshaltung Inhalt Zuordnung zu den Gliederungspunkten Vorzüge: Anhydrit ein häufig vorkommender Rohstoff Calciumoxid kann zu Löschkalk weiterverarbeitet werden Zuordnung zu den Anforderungsbereichen Nachteile: es entsteht umweltschädliches Schwefeldioxid es ist energetische sehr aufwendig Möglichkeit zur SO 2 Herstellung: Verbrennung von Schwefel S + O 2 SO 2 Volumenberechnung: geg.: m(caso 4 ) = 5t ges.: V (SO 2 ) in m 3 Lös.: V(SO 2 ) = n(so 2 ). V m M(CaSO 4 ) n(caso 4 ). M(CaSO 4 ) V(SO 2 )=2mol. 24l. mol g 2mol. 136g. mol 1 V(SO 2 ) = ,9 l=882 m 3 2. SO 2 ist ein giftiges, leicht in Wasser lösliches Gas. Es belastet daher sehr die Umwelt. Es bildet unter anderem sauren Regen, welcher Bauwerke schädigt und für das Waldsterben verantwortlich ist. I I 9

10 3. 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 ; Q= n kj Begründung: Katalysator: durch den Katalysator wird die Aktivierungsenergie herabgesetzt und damit weniger Energie zur Reaktion benötigt Reaktionsbedingungen: Prinzip von LE CHATELIER anwenden: SO 3 Bildung ist exotherm, daraus folgt, dass die Temperatur erniedrigt werden soll SO 3 Bildung ist eine Reaktion mit Volumenabnahme, daraus folgt, dass der Druck erhöht werden soll durch Erhöhung der Konzentration der Ausgangsstoffe wird die Hinreaktion begünstigt; damit die SO 3 Bildung H 2 SO NH 3 (NH 4 ) 2 SO 4 Ammoniumsulfat Ammoniumsulfat gehört zu den Ionensubstanzen Reaktionsart: Addition Salzbildung 5. Arbeitsschutzmaßnahme: Handschuhe und Schutzbrille tragen, weil konzentrierte Schwefelsäure stark wasseranziehend ist und damit Verätzungen verursacht oder Säure in das Wasser geben und nicht umgekehrt, da es eine stark exotherme Reaktion ist, es könnte spritzen 2. ; I I I I I 10

11 6. Plan: alle Lösungen mit einem Indikator testen; die sich rot färben wären eine Säure die Säuren mit Bariumionen versetzen; wo sich ein weißer Niederschlag bildet sind Sulfationen vorhanden Anzufordernde Nachweismittel: Unitestlösung oder papier Bariumchloridlösung Protokoll: Aufgabe: 2. Geräte und Chemikalien: Reagenzgläser Reagenzglasständer Pipetten Unitest Bariumchloridlösung 3. Durchführung: siehe Plan Beobachtung: mit Unitest: Lösung A: rot Lösung B: blau Lösung C: rot Mit BaCl 2 Lösung: Lösung A: kein Niederschlag Lösung B: kein Niederschlag Lösung C: weißer Nieder Schlag 5. Auswertung: Die Lösung C ist Schwefelsäure, da sie mit Unitest rot wird und mit Bariumchloridlösung einen weißen Niederschlag bildet. H 2 SO 4 + BaCl 2 BaSO 4 + 2HCl 2H + +SO 4 2 +Ba 2+ +2Cl BaSO 4 + 2H + +2Cl I I I 11