INHALTSVERZEICHNIS. Einführung 4. 5 Gase Atome Teilchen des Universums 8. 6 Flüssigkeiten Bindungen Säuren und Basen 62

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1 INHALTSVERZEICHNIS Einführung 4 1 Atome Teilchen des Universums 8 2 Bindungen 20 5 Gase 44 6 Flüssigkeiten 54 7 Säuren und Basen 62 2

2 INHALTSVERZEICHNIS 9 Metalle Biochemie und Gesundheit 106 Die Geschichte der Chemie 120 Glossar 124 Formelsammlung 129 3

3 Gruppe Periode 1 Wasserstoff 3 4 Lithium Natrium Kalium Rubidium Caesium Francium Beryllium Magnesium Calcium Strontium Barium Radium Scandium Yttrium Lanthan Actinium Titan Zirconium Hafnium Rutherfordium Cer Thorium Vanadium Niob Tantal Dubnium Praseodym Protactinium Chrom Molybdän Wolfram Seaborgium Neodym Uran Mangan Technetium Rhenium Bohrium Promethium Neptunium Eisen Ruthenium Osmium Hassium Samarium Plutonium Cobalt Rhodium Iridium Meitnerium Europium Americium Nickel Palladium Platin Darmstadtium Gadolinium Curium Kupfer Silber Gold Röntgenium Terbium Berkelium Zink Cadmium Quecksilber Copernicium Dysprosium Californium 5 6 Bor Aluminium Gallium Indium Thallium Ununtertium Holmium Einsteinium Kohlenstoff Silicium Germanium Zinn Blei Flerovium Erbium Fermium 7 8 Stickstoff Phosphor Arsen Antimon Bismut Ununpentium Thulium Sauerstoff Schwefel Selen Tellur Polonium Livermorium Mendelevium Ytterbium Nobelium Fluor Chlor Brom Iod Astat Ununseptium Lutetium Lawrencium Helium Neon Argon Krypton Xenon Radon Ununoctium 1 ATOME TEILCHEN DES UNIVERSUMS Nebel aus frei beweglichen Teilchen Ausdehnung des Weltalls Urknall Entwicklung von Galaxien, Planeten etc. weitere Ausdehnung des Weltalls H Li Be Na Mg Periodensystem der Elemente Ordnungszahl 6 feste Elemente Fe Elementsymbol gasförmige Elemente C O flüssige Elemente Hg Elementname Kohlenstoff radioaktive Elemente Metalle B C N O F Ne Nichtmetalle Halbmetalle K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Al Si P S Cl He Ar 13,7 Milliarden Jahre vor heute 4,6 Milliarden Jahre vor heute heute Erde Entwicklung des Universums 6 7 Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Der menschliche Körper besteht aus über einer Pentillion Atomen. Das ist eine 1 mit 27 Nullen. Aber was sind Atome? Was unterscheidet sie voneinander? Aus welchen Atomen bestehen wir? Wie kann man einen Mangel an bestimmten Atomen im Körper messen? Und woher kommt das, woraus unser Körper besteht? 1.1 AUFBAU DER ATOME Die Teilchen eines Atoms Die gesamte Materie im Universum ist aus Atomen zusammengesetzt. Aus dem Griechischen übersetzt bedeutet Atom das Unteilbare. Das entspricht nicht mehr unserer heutigen Erklärung von Atomen. Heute weiß man, dass Atome aus noch kleineren Teilchen, den Protonen, Neutronen und Elektronen, aufgebaut sind. Heute definiert man Atome so: Atome sind kleine Teilchen der Materie, die aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Der größte Unterschied zwischen diesen Teilchen ist die Ladung. Protonen sind positiv geladen, Neutronen sind neutral und Elektronen sind negativ geladen. Da sich diese drei Teilchenarten an ganz bestimmten Orten aufhalten, unterteilt man ein Atom in zwei Bereiche: Teilchenart Ladung Abkürzung Ort Protonen positiv p + Atomkern Neutronen neutral n Atomkern Elektronen negativ e Atomhülle Abb. 1 Protonen, Neutronen und Elektronen im Vergleich Abb. 2 Skizze eines Atoms Atomkern mit Protonen und Neutronen Atomhülle Elektron Den inneren Teil nennt man Atomkern und den äußeren Atomhülle. Protonen und Neutronen halten sich nur im Atomkern auf. Elektronen befinden sich nur in der Atomhülle. Protonen und Neutronen sind etwa mal schwerer als Elektronen. Daher hat der Atomkern fast die ganze Atommasse. Die Atomhülle hat fast keine Masse. Sie nimmt aber fast den ganzen Atomdurchmesser ein. Wäre ein Atomkern so groß wie ein Kirschkern, hätte die Atomhülle einen Durchmesser von ca. 1 Kilometer. Wenn nichts anderes angeführt ist, geht man immer von neutralen Atomen aus. In einem neutralen Atom sind gleich viele positive Protonen wie negative Elektronen vorhanden. 8

4 ATOME TEILCHEN DES UNIVERSUMS Beschreibung der Atome Das wichtigste Merkmal von Atomen ist ihre Anzahl an Protonen. Man nennt diese Zahl auch Protonenzahl. Sie allein bestimmt, um welches Element es sich handelt. Ein Element ist ein Stoff, dessen Atome alle die gleiche Anzahl an Protonen haben. Heute kennen wir 118 verschiedene Elemente. Die Atome des größten Elements enthalten also 118 Protonen im Kern. So wie das Wort Atom hatte in der Antike auch das FEUER Wort Element eine andere warm und trocken Bedeutung. Vor mehr als 2000 Jahren gingen griechische Philosophen davon ERDE LUFT kalt warm und und aus, dass die ganze Welt aus trocken feucht den vier Elementen Erde, WASSER Feuer, Wasser und Luft aufgebaut ist. Dass dem nicht kalt und feucht Abb. 3 Die vier Elemente in der so ist, weiß die Wissenschaft Antike seit ca. 200 Jahren. Chemische Elementnamen und ihre Symbole Jedes chemische Element hat einen eigenen Namen. Da diese Namen oft lateinisch und sehr lange sind, verwendet man Abkürzungen. Man nennt sie chemische Symbole. Meistens wird nur der erste Buchstabe des Elementnamens als Abkürzung verwendet. Protonenzahl lateinische Bezeichnung Symbol deutsche Bezeichnung 1 Hydrogenium H Wasserstoff 2 Helium He Helium 6 Carboneum C Kohlenstoff 7 Nitrogenium N Stickstoff 8 Oxigenium O Sauerstoff 16 Sulfuricum S Schwefel 26 Ferrum Fe Eisen Abb. 4 Wichtige Elemente und ihre Symbole Ein zweiter Buchstabe kommt nur dann vor, wenn der erste Buchstabe des Namens schon als chemisches Symbol vergeben wurde (z. B. H steht für Hydrogenium, He steht für Helium). Dieser zweite Buchstabe wird immer klein geschrieben. 1) Nenne die Bestandteile eines Atoms. Erkläre, wodurch sie sich unterscheiden. 2) Skizziere ein Atom und beschrifte deine Skizze. 3) Nenne die lateinischen Bezeichnungen und die chemischen Symbole für Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. 4) Nenne das wichtigste Merkmal eines Elements. 5) Definiere den Begriff chemisches Element. Auf den Punkt gebracht! Atome sind kleine Teilchen, die aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut sind. Ein Atom teilt man in einen Atomkern und eine Atomhülle ein. Im Atomkern sind positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen. In der Atomhülle befinden sich negativ geladene Elektronen. Die Elemente unterscheiden sich durch ihre Protonenzahl. Ein Element besteht aus Atomen mit gleicher Protonenzahl. Jedes der 118 chemischen Elemente wird durch ein bestimmtes chemisches Symbol gekennzeichnet. Summary Atoms are small particles built from protons, neutrons and electrons. An atom is divided into a nucleus and an electron shell. The nucleus contains positively charged protons and uncharged neutrons. The shell contains negatively charged electrons. Atom types differ in the number of protons. If a substance contains just one kind of atom, it is called a chemical element. Each of the 118 chemical elements are identified by a chemical symbol. 9

5 1 ATOME TEILCHEN DES UNIVERSUMS MERKHILFEN M1: Merkhilfe für die Elemente der 3. Hauptgruppe: Bor Aluminium Gallium Indium Thallium. a) Jedes Element wird durch ein Schlüsselwort ausgetauscht (siehe Seite 5): z. B.: Bohrinsel (Bor) Alu-Folie (Aluminium) Gallier (Gallium) Indischer Ozean (Indium) Taler (Thallium). b) Die Schlüsselwörter werden dann in eine merkwürdige Memogeschichte eingebaut. c) Mittels Zahl-Form-System wird auch die Zahl 3 für 3. Hauptgruppe eingebaut: Stell dir das Periodensystem als eine Firma vor, in der 8 Arbeitsgruppen arbeiten. Jede Arbeitsgruppe steht für eine Hauptgruppe. Die dritte Arbeitsgruppe in unserer PSE-Firma hat spezielle Handschellen (3. Hauptgruppe) entwickelt. Diese werden an einer selbst gebauten Bohrinsel (Bor) montiert. Das besondere an der Bohrinsel ist, dass sie aus Alu-Folie (Aluminium) gebaut ist. Aufgrund des geringen Gewichtes kann sie nun von Galliern (Gallium) nach Indien getragen und im indischen Meer (Indium) platziert werden. (Die Handschellen dienen übrigens dazu, dass die Gallier nicht flüchten). Im indischen Meer bohrt man nun nicht nach Öl, sondern man sucht am Meeresgrund nach antiken Talern (Thallium). Weitere Merkhilfen für die Elemente des Periodensystems findest du unter M2: Um die Ladungen von Kationen und Anionen nicht zu verwechseln, gibt es folgende Hilfen: Hilfe 1: Im Wort Kation sticht der Buchstabe t hervor. Das t ähnelt einem Pluszeichen (+). Dadurch kannst du dir leicht merken, dass Kationen positiv geladene Teilchen sind. Hilfe 2: Im Wort Anion sticht der Großbuchstabe A hervor. Darin kannst du das Minuszeichen ( ) erkennen. Dadurch kannst du dir leicht merken, dass Anionen negativ geladene Teilchen sind. NAVI Kernfusion in Sternen Ordnungszahl ( = Protonenzahl) Gruppen ( = Valenzelektron) Perioden ( = Bahnen) ENTSTEHUNG ORDNUNG im Periodensystem ATOME H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn AUFBAU IONEN Atomkern Atomhülle + Kation Elektronenmangel Anion Elektronenüberschuss Protonen Neutronen Elektronen 18

6 ATOME TEILCHEN DES UNIVERSUMS BEREIT, DEIN WISSEN ANZUWENDEN! 1. Nenne jenes Element, das man bekommt, wenn man von einem Stickstoff-Atom ein Proton entfernt bzw. zu einem Wasserstoff- Atom ein Proton dazu gibt. 2. Recherchiere in Büchern oder im Internet, welche Philosophen sich in der Antike mit den vier Elementen intensiv auseinandergesetzt haben. 3. Suche dir im Periodensystem die Elemente Magnesium und Chlor. Analysiere von beiden Elementen folgende Daten: Anzahl der Protonen, Elektronen, Valenzelektronen, Elektronenbahnen und die elektrische Leitfähigkeit (leitet gut, schlecht, gar nicht). 4. Denkflex: Das Kerzenlicht ist mit der Flammenfärbung erklärbar. Bei jeder Verbrennung von Wachs entsteht Ruß. Dieser ist aus Kohlenstoff-Atomen aufgebaut. Die Elektronen der C-Atome werden durch die Energie der Kerzenflamme angeregt und geben dadurch gelbes Licht ab. Schreibe ein kurzes Winter- oder Adventgedicht, in dem folgende Fachausdrücke vorkommen: Kerze, Valenzelektron, Flammenfärbung, Kohlenstoff und angeregter Zustand. 5. WOSAKO: Dieses WOSAKO beginnt mit folgendem Satz: Jede Materie besteht aus Atomen. 6. Angenommen, du und deine Freundinnen und Freunde bestellt in einem Restaurant je einen Teller Suppe. Da der Köchin das Salz ausgegangen ist, ist die Suppe in einem Teller völlig ungesalzen. Plane ein Experiment, wie du ohne zu kosten herausfinden kannst, in welchem Suppenteller kein Salz ist. (Hinweis: Salz enthält die Elemente Natrium und Chlor.) 8. Erkläre, warum der Mensch als lebender Sternenstaub bezeichnet werden kann. Zähle mindestens fünf Fragen auf, die sich aus diesem Thema ergeben können. Stelle diese Fragen in einer kleinen Gruppe vor, stelle zu nicht beantworteten Fragen Vermutungen an und diskutiert darüber. 9. Im Praxisteil kannst du dein Wissen bei chemischen Experimenten anwenden. Finde experimentell heraus, welche Flammenfärbung Natrium, Calcium und Kupfer zeigen. 10. Denkflex Argumente: In manchen Staaten gibt es Überlegungen, Feuerwerke grundsätzlich zu verbieten. a) Überlege dir in drei Minuten möglichst viele Argumente, die für Feuerwerke sprechen. Notiere alle Ideen auf einem Blatt Papier. b) Überlege dir 3 Minuten lang Argumente gegen Feuerwerke. c) Je zwei Schülerinnen und Schüler werden ausgewählt. Die einen sind für, die anderen gegen eine Abschaffung von Feuerwerken. Die Debatte soll vor der Klasse sachlich und mit wissenschaftlichen Argumenten geführt werden. Es geht darum, die Klasse zu überzeugen. d) Am Ende stimmt die Klasse darüber ab, ob sie nun für oder gegen Feuerwerke ist. e) Überlegt euch anschließend, welche Alternativen es zu einem Feuerwerk gäbe. Ihr könnt auch völlig neue, kreative Ideen dazu entwickeln. 7. Denkflex: Beobachte eine Kerzenflamme. Stelle danach mindestens zehn unterschiedliche Fragen, die dir dazu einfallen. Wähle davon eine Frage aus, deren Antwort du nicht kennst, und recherchiere dazu im Internet. Diskutiere dann in der Klasse darüber. 19