Lehrgang CHEMIE FUER BIOLOGIELEHRKRÄFTE

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1 DIE CHEMISCHE REAKTION MASSENERHALT Vor und nach einer chemischen Reaktion muss die Masse der beteiligten Stoffe gleich sein, da die Atome nur umgruppiert werden. So lässt sich bei Reaktionen mit Gasentwicklung die Masse des entstandenen Gases über den Massenverlust der flüssigen bzw. festen Phase bestimmt werden. 1. So kann man z.b. bestimmen, wie viel Hydratwasser 1) Kupfersulfat (CuSO 4 ) gebunden hat. Beim Erhitzen gibt Kupfersulfat-Hydrat CuSO 4 *xh 2 O das Hydratwasser als Wasserdampf ab: Wenn man 2,5 g blaues Kupfersulfat-Hydrat längere Zeit erhitzt, so bleiben 1,6 g eines grauen Pulvers zurück. Berechne wie viel Hydratwasser Kupfersulfat enthält. 2) 2. Methanhydrat ist ein Gemisch aus Eis und dem Hauptbestandteil des Erdgases: Methan (CH 4 ). Diese hauptsächlich auf dem Meeresboden in großen Mengen zu findende Substanz könnte zu einem wichtigen Energielieferanten der Zukunft werden. Methanhydrat ist nur unter hohen Drücken und tiefen Temperaturen stabil. Wenn man 5,00 g Methanhydrat bei Raumtemperatur und Normaldruck lagert, schmilzt das Gemisch und es bleiben 4,33 g Wasser zurück. Wie viel mol Wasser kommen auf ein mol Methan? ENTHALPIEBERECHNUNG 1. Beim Heizen mit einem Propangaskocher entsteht bei der Verbrennung von Propan (C 3 H 8 ) das Gas Kohlendioxid CO 2 (g) und Wasser (g). Erstelle die Reaktionsgleichung. 2. In folgender Tabelle findest du die Bildungsenthalpien der beteiligten Stoffe: (wieso ist Sauerstoff nicht aufgeführt?) C 3 H 8 (g) CO 2 (g) H 2 O(g) ΔH f [kj/mol] Berechne die Reaktionsenthalpie ΔH r. 3. Du verwendest einen Propangaskocher, um Wasser für deinen Tee zu erhitzen. Wie viel g Propan brauchst du, wenn du 200 g Wasser von 20 C auf 100 C erhitzen willst? KALORIMETRIE EINER NEUTRALISATIONSREAKTION Vorsicht! Natronlauge und Salzsäure sind ätzend! Schutzbrille tragen! Etikett beachten! 1. Am Arbeitsplatz findest du ein 250 ml Becherglas (isoliert), zwei 100 ml Bechergläser, 1,0 molare Salzsäure, Schutzbrillen, ein Thermometer, zwei Plastikpipetten und eine Waage. Die 1,0 molare Natronlauge beim Lehrer holen! Bestimme die Reaktionsenthalpie der Neutralisationsreaktion von 50,0 g Salzsäure (1,0 M) mit 50,0 g 1,0 M Natronlauge (1,0 M). (Für die Stoffmenge der Edukte kannst du näherungsweise 0,05 mol annehmen)

2 [Bei stark verdünnten wässrigen Lösungen, kann man als Näherung für die Eigenschaften der Reaktionslösungen die Eigenschaften von Wasser heranziehen. Um zu berechnen wie viel Energie man braucht um die Reaktionslösung um ΔT zu erhitzen, muss man die spezifische Wärmekapazität s des Wassers kennen: Um 1 g Wasser um 1 C zu erhitzen braucht man 4,2 J: s(wasser) = 4,2 J/(K*g) Der Zusammenhang zwischen ΔT, Energie, s und Masse ist: ΔE = m * ΔT * s Damit kann man berechnen wie viel Energie man braucht um eine bestimmte Masse m eines Stoffes um ΔT zu erhitzten. s ist eine Stoffkonstante.] 2. Welche Vereinfachungen und Näherungen wurden in diesem Versuch verwendet? ENDOTHERM, ABER EXERGONISCH. Ob eine Reaktion freiwillig ( spontan ) abläuft (d.h. ΔG<0), hängt von zwei Faktoren ab: - exotherme Reaktionen (Energie wird abgegeben) H<0 begünstigen einen spontanen Ablauf; endotherme Reaktionen H>0 hingegen nicht - eine Zunahme der Entropie ( Unordnung ) S >0 begünstigt einen spontanen Ablauf, eine Abnahme S<0 hingegen nicht. Eine starke Zunahme an Entropie findet z.b. bei Reaktionen mit Gasentwicklung statt. Wenn beide Faktoren gegen einen spontanen Ablauf stehen H>0 und S<0, wird die Reaktion sicher nicht freiwillig ablaufen: G>0 (und umgekehrt: wenn H<0 und S>0 dann gilt G<0) Wenn einer der beiden Faktoren für und einer gegen einen spontanen Ablauf steht, kommt es darauf an, wer überwiegt. positiver Wert: negativer Wert: ΔG ΔH ΔS Reaktion läuft nicht freiwillig ab Reaktion läuft freiwillig ab Energieaufnahme Energieabgabe Unordnung nimmt zu Unordnung nimmt ab Vorsicht! Bei diesem Versuch Schutzbrille tragen, da Natriumcarbonat augenreizend ist! Etikett beachten! 3. An deinem Platz befindet sich eine Waage, Spatel, Wägepapier, ein 50 ml Becherglas, Messgerät mit Temperaturfühler, Natriumcarbonat-Decahydrat (Na 2 CO 3 *10H 2 O) und Zitronensäure (H 3 Citrat; vereinfachte Formel). Gib 5,0 g Zitronensäure und 5,0 g Natriumcarbonat-Decahydrat in das Becherglas und vermische die beiden Substanzen* vorsichtig mit dem Temperaturfühler. 4. Beobachte genau den Reaktionsablauf. Gib an welcher der Werte ΔH, ΔS und ΔG positiv bzw. welcher negativ ist und begründe deine Zuordnung.

3 STÖCHIOMETRIE Unter Stöchiometrie versteht man das chemische Rechnen. D.h. wenn man wissen will, wie viel Stoff wird entstehen, oder wie viel muss man einsetzen um eine bestimmte Menge herzustellen. Für diese Berechnungen braucht man eine ausgeglichene Reaktionsgleichung. Daraus ergeben sich zwei Informationen: a. aus der Summenformel lässt sich die molare Masse der Substanzen berechnen b. aus den stöchiometrischen Faktoren (= die Zahlen vor den Summenformeln) bekommt man das Verhältnis der Stoffmengen (mol!) der Substanzen. D.h. um von einer Substanz auf eine andere in einer Reaktion zu rechnen, braucht man die immer die Stoffmenge in mol. In der russischen Sojus-Raumkapsel wurde das von den Kosmonauten ausgeatmete Kohlendioxid mit Kaliumhyperoxid in Sauerstoff umgewandelt: 4KO 2 + 2CO 2 2K 2 CO 3 + 3O 2 a) Wie viel mol Sauerstoff entstehen aus 3 mol KO 2? b) Wie viel g K 2 CO 3 entstehen aus 3 mol KO 2? c) Wie viel Gramm Kaliumhyperoxid benötigt man pro Tag, wenn die Kosmonauten am Tag 240 l CO 2 produzieren? BIOCHEMISCHE KATALYSATOREN: ENZYME Vorsicht! Wasserstoffperoxidlösung und die Kupfersulfatlösung sind gesundheitsschädlich! Etikett beachten! 1. An deinem Platz befinden sich zwei RGG, ein RGG-Ständer, Kartoffeln mit Messer, 5%ige Wasserstoffperoxidlösung, 1 molare Kupfersulfatlösung. Schneide zwei gleich große Stücke Kartoffel (ca 0,5x0,5x1cm) zurecht. Lege eines der beide für 5 Minuten in die Kupfersulfatlösung ein. Gib anschließe beide Stücke in je ein RGG. Fülle dann ca. 4 cm hoch in beide RGG Wasserstoffperoxidlösung und beobachte genau. 2. Lies die Information zum Thema Enzyme durch: Enzyme Die chemischen Reaktionen, die in deinem Körper ablaufen (Energiegewinnung aus Nahrung, Vermehrung von Körpersubstanz, Abbau schädlicher und unbrauchbarer Stoffe usw ) nennt man Stoffwechsel. Diese Reaktionen werden von einer Vielzahl (ca. 1000)an Katalysatoren ermöglicht. Diese Katalysatoren nennt man Enzyme. Dies sind sehr große Eiweißmoleküle mit einer molaren Masse zwischen und g/mol. Jedes dieser Moleküle ermöglicht ganz bestimmte Reaktionen mit hoher Geschwindigkeit. So können von 100 bis zu Moleküle pro Minute umgesetzt werden. Die Reaktionen laufen immer an einer bestimmten Stelle des Enzyms, den aktiven Zentren, ab. Aufgrund der Form des Enzyms können nur ausgewählte Stoffe zu diesen aktiven Zentren gelangen. Dieses Prinzip der Stoffauswahl wird auch Schlüssel- Schloss-Prinzip genannt. Wird allerdings diese Form der Enzyme beeinträchtigt, wie z.b. durch Hitze, ph-wert-änderung oder Schwermetalle verlieren die Enzyme ihre Wirksamkeit. Das ist zum Beispiel die Ursache dafür, warum hohes Fieber (mit Körpertemperaturen über 40 C) oder Schwermetalle (Quecksilber, Kupfer, Blei, Cadmium ) gesundheitsgefährdend sind.

4 Katalase Im menschlichen Körper, in tierischen Organismen und in Pflanzen wird Wasserstoffperoxid H 2 O 2 als Abfallprodukt des Stoffwechsels gebildet. Da es lebende Zellen schädigt, verfügen die Zellen über eine Schutzvorrichtung gegen Wasserstoffperoxid: Das Enzym Katalase. Das Enzym baut Wasserstoffperoxid zu ungefährlichen Verbindungen ab: H 2 O 2 H 2 O + O 2 3. Welchen Zusammenhang haben diese Texte mit deinem Versuch? DER ABGASKATALYSATOR Heutzutage findet sich in jedem Auto ein sogenannter 3-Wege-Katalysator um den Schadstoffausstoß bei Benzinautos zu verringern: Der Schadstoff Kohlenmonoxid CO (Atemgift) wird zu Kohlendioxid verbrannt, unverbranntes Benzin C x H y (Kohlenwasserstoffverbindungen verschiedener Zusammensetzung, zum Teil krebserregend) wird zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt, Stickoxide NOx (schädigen die Atemwege, Mitverursacher des sauren Regens) reagieren mit Kohlenmonoxid zu molekularem Stickstoff und Kohlendioxid. Der eigentliche Katalysator sind kleine Platin- und Rhodiumteilchen, die auf einem Keramik- oder Metallträger aufgebracht sind. Vor der Umsetzung im Katalysator wird der Sauerstoffgehalt im Abgas über die Lambda-Sonde kontrolliert. Die Umsetzung der Abgase bei verschiedenen Luft-Benzin-Verhältnissen ist infolgendem Diagramm dargestellt:

5 1. Erstelle die 3 Reaktionsgleichungen (ersetze in den Gleichungen NOx durch NO 2 und C x H y durch C 8 H 18 ) 2. Welche Reaktionen laufen bei hohem Sauerstoffanteil im Abgas gut ab? 3. Wieso muss der Luftanteil im Benzin reguliert werden? 4. Welchen Bereich für Lambda würdest du für den Gemischregler einstellen? SIMULATION EINER GGW-REAKTION Als Simulation einer GGW-Reaktion kann man sich zwei Gefäße mit Bällen (Molekülen) vorstellen: aus einem Gefäß A werden pro Minute 10% der Bälle in das Gefäß B gegeben; aus dem Gefäß B werden pro Minute 20% der Bälle in Gefäß A gegeben. Man kann das als einfache chemische Reaktion A B sehen. 1. Erstelle zwei Wertetabellen und zwei Diagramme bis zum Gleichgewichtszustand: Anzahl der Moleküle A bzw B pro Gefäß gegen die Zeit wenn zu Beginn 200 Bälle im Gefäß A und 0 im Gefäß B liegen wenn zu Beginn 20 Bälle im Gefäß A liegen und 180 im Gefäß B 2. Wie groß ist K für diese Reaktion? WOVON HÄNGT DIE REAKTIONSGESCHWINDIGKEIT AB? Wenn man Salzsäure (HCl) zu einer Natriumthiosulfatlösung (Na 2 S 2 O 3 ) gibt, entsteht elementarer Schwefel als Trübung. Eine einfache Methode das Ende einer Reaktion mit Festkörperbildung ( Fällung ) festzustellen ist folgende: Man stellt das Reaktionsgefäß auf ein beschriftetes Papier, gibt die Reaktionslösungen hinein, und misst die Zeit, bis die Schrift durch die Reaktionslösung betrachtet nicht mehr lesbar ist. An deinem Arbeitsplatz befinden sich eine 3 molare Salzsäure und drei Thiosulfatlösungen mit den Konzentration 80 g/l, 60 g /l und 40g/l; drei 50ml Bechergläser, zwei 25 ml Meßzylinder. 1. Entwickle mit den gegebenen Materialien Versuche zur Überprüfung der Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration. Hinweis: Verwende von den Flüssigkeiten pro Versuch max. 20 ml. 2. Stelle eine Vermutung auf, wie die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration abhängt und begründe kurz a) deinem Nachbarn b) deinem Lehrer deine Vermutungen. Vorsicht! Salzsäure ist ätzend! Schutzbrille tragen! Etikett beachten! 3. Führe den Versuch durch, erstelle eine Wertetabelle sowie ein Diagramm und interpretiere die Ergebnisse.

6 Gib die Reaktionslösungen nach dem Versuch sofort in das dafür vorgesehene Gefäß im Abzug! PRINZIP VON LE CHATELIER KONZENTRATIONSÄNDERUNG Bei diesem Versuch geht es um folgende Reaktion: Fe SCN - Fe(SCN) 6 3- gelbbraun farblos tiefrot Aus einem Eisen 3+ Ion (Fe 3+ )und dem Ion Thiocyanat (SCN - ) entsteht der lösliche, rote Komplex Hexathiocyanatoferrat(III) Fe(SCN) 3-6. An deinem Arbeitsplatz befinden sich 2 RGG, RGG-Ständer und 3 Lösungen: eine rote Lösung mit Fe(SCN) 6 3- im Gleichgewicht eine gelbe Fe 3+ Lösung (aus FeCl 3 ) eine farblose SCN - Lösung (aus NH 4 SCN) 1. Gib in die zwei RGG ca. 1cm hoch der Fe(SCN) Lösung. Gib anschließend in ein RGG 5 Tropfen der SCN - Lösung und in das zweite RGG 5 Tropfen der Fe 3+ Lösung und beobachte genau die Reaktion. 2. Wie lässt sich mit den Beobachtungen der durchgeführten Reaktionen unter Verwendung des Prinzips von Le Chatelier logisch begründen, dass in der ursprünglichen Lösung alle drei Teilchen (Fe 3+, SCN - und Fe(SCN) 3-6 ) vorhanden sind? ( Denn wenn alle drei Teilchen nebeneinander in der Lösung sind, handelt es sich um eine Gleichgewichtssystem. ) DAS LÖSLICHKEITSPRODUKT Konzentration eines Ions in einer gesättigten Lösung: Gibt man ein schwerlösliches Salz in Wasser, so löst sich eine geringe Menge dieses Salzes. Nach einer gewissen Zeit ändert sich die Konzentration der gelösten Ionen nicht mehr: Die Lösung ist gesättigt Um die Konzentration eines Ions in einer gesättigten Lösung mit Bodensatz zu berechnen, muss man das Massenwirkungsgesetz nach diesem Ion auflösen: K L = [Ag + aq]*[cl - aq] = wenn sich AgCl auflöst, sind immer gleiche Mengen Ag + und Cl - gelöst! da [Ag + aq] = [Cl - aq] gilt K L = [Ag + aq] 2 [Ag + aq] = = 10-5 mol/l Die molare Masse von Silber ist 107,87 g/mol. In einer gesättigten Silberchloridlösung sind demnach 0, g/l oder 1,078 mg/l Silberionen vorhanden.

7 In der österreichischen Verordnung über Abwassergrenzwerte von 1997 sind folgende Grenzwerte angegeben: Metall Kupfer Cu 2+ Cadmium Cd 2+ Zink Zn 2+ Nickel Ni 2+ Grenzwert in µg/l Von den angegebenen Metallen sind folgende Löslichkeitsprodukte gegeben: Kupfer Cadmium Zink Nickel K L der Carbonate (CO 3 2- ): für CuCO für CdCO für ZnCO für NiCO 3 Ist es erlaubt eine gesättigte a) CdCO 3 _ Lösung b) NiCO 3 -Lösung in das Abwasser einzuleiten? Die Rechnung muss klar nachvollziehbar sein! (Die molare Masse von Nickel ist 58,69 g/mol, die molare Masse von Cadmium ist 112,41 g/mol) ÄNDERUNG DER GGW-LAGE DURCH TEMPERATURÄNDERUNG Bei diesem Versuch geht es um folgende Reaktion: 2 NO 2 (braun) N 2 O 4 (farblos) Beides sind giftige Gase, wobei NO 2 ein braunes und N 2 O 4 ein farbloses Gas ist. An deinem Arbeitsplatz befinden sich zwei kleine Ampullen mit dem gleichen Gemisch aus NO 2 und N 2 O 4 und ein Messbecher mit Eiswasser. 1. Überlege dir ein Experiment, mit dem sich zeigen lässt, ob die Reaktion von NO 2 zu N 2 O 4 exotherm oder endotherm ist und erkläre kurz a) deinem Nachbarn b) deinem Lehrer, welches Ergebnis du für eine exotherme bzw. endotherme Reaktion erwartest und wieso. [Hinweis: bei einer exothermen Reaktion kann an die Energie als Reaktionsprodukt A B + E betrachten, bei einer endothermen als Edukt A + E B] Vorsicht! Die Gase in der Ampulle sind giftig! Achte darauf, die Ampulle nicht zu zerbrechen. 2. Führe das Experiment durch.