Chemieepoche Klasse 11. Aufbau der Stoffe und die Grundgesetze chemischer Reaktionen

Transkript

1 Chemieepoche Klasse 11 Aufbau der Stoffe und die Grundgesetze chemischer Reaktionen

2 Eisengewinnung (Schülervortrag)

3 Fortsetzung

4 Chemische Bindungen Warum sind im Wassermolekül zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom verbunden und im Magnesiumoxid ein Magnesiumatom mit einem Sauerstoffatom? 2 H 2 + O 2 2H 2 O 2 Mg + O 2 2MgO Um das zu verstehen haben viele Wissenschaftler lange Jahre geforscht. Sie sind zu folgenden Erkenntnissen gekommen: Atome können sich zu Molekülen zusammenschließen, indem sie ihre Elektronen, die sich auf der äußeren Elektronenschale (Valenzschale) befinden abgeben, aufnehmen oder mehr oder weniger gemeinsam benutzen. Das Ziel dieses Verschiebens der Elektronen ist es, möglichst 8 Valenzelektronen in der Valenzschale zu besitzen.

5 Die chemische Wertigkeit der Elemente Die Anzahl der fehlenden oder zu viel vorhandenen Valenzelektronen zur Edelgaskonfiguration (8) bezeichnet man als Wertigkeit des Atoms. Gibt Natrium ein Elektron ab, dann hat es die Edelgaskonfiguration von Neon erreicht. Nimmt Fluor ein Elektron auf, dann hat es die Edelgaskonfiguration von Neon erreicht.

6 Chemische Wertigkeit wichtiger Elemente 1. Hauptgruppe Alkalimetalle geben 1 Elektron ab Hauptgruppe Erdalkalimetalle geben 2 Elektronen ab Hauptgruppe geben 3 Elektronen ab Hauptgruppe geben 4 Elektronen ab +4 oder nehmen 4 Elektronen auf Hauptgruppe nehmen 3 Elektronen auf Hauptgruppe nehmen 2 Elektronen auf Hauptgruppe nehmen 1 Elektron auf -1

7 Die Edelgaskonfiguration in einem Molekül Magnesium ist 2-wertig es gibt zwei Valenzelektronen ab, um die Edelgaskonfiguration von Neon zu erhalten. Sauerstoff ist auch 2-wertig, da es zwei Elektronen aufnehmen muss, um die Edelgaskonfiguration des Argons zu erhalten. Verbindet sich Sauerstoff mit Wasserstoff, so bedarf es zweier Wasserstoffatome, um dem Sauerstoff die fehlenden zwei Elektronen zu liefern. Es entsteht ein H 2 O-Molekül

8 Aufstellen von Reaktionsgleichungen unter Beachtung der Wertigkeit von Elementen und Molekülgruppen Wasserstoff reagiert mit Iod zu Iodwasserstoff Beim Eintauchen der Wasserstoffflamme in die Ioddämpfe verschwindet die violette Färbung. Es bildet sich ein farbloses stechend riechendes Gas der Iodwasserstoff H 2 + 2I 2HI Magnesium reagiert mit Iod zu Magnesiumiodid Mg + 2I MgI 2

9 Die Gruppe der Halogene Zu den Halogenen gehören die Elemente der 7.Hauptgruppe. Fluor (farbloses Gas) Chlor (grünliches Gas) Brom (rotbraune Flüssigkeit) Iod (violette Kristalle) Astat (fest und radioaktiv) Die Halogene sind sehr reaktionsfreudig. Sie bilden mit Wasserstoff eine gasförmige Verbindung, die mit Wasser zu Säuren reagieren. Fluorwasserstoff Flusssäure Chlorwasserstoff Salzsäure Bromwasserstoff Bromwasserstoffsäure Iodwasserstoff Iodwasserstoffsäure Die Reaktionsfreudigkeit der Halogene und die stärke ihrer Säure nimmt vom Fluor zum Iod hin ab. Mit Metallen bilden die Halogene Salze, die so genannten Halogenide (Fluorid, Chlorid, Bromid, Iodid).

10 Chlorgas - Herstellung Gibt man zu Kaliumpermanganat konzentrierte Salzsäure, so entsteht das grünliche Chlorgas. Es ist schwerer als Luft und sammelt sich am Boden des Gefäßes. Mischt man das Chlorgas mit Wasserstoff und entzündet das Gemisch, so gibt es eine Verpuffung. Das Chlor verbindet sich mit Wasserstoff und es bildet sich Chlorwasserstoff.

11 Die Silberhalogenide und die Fotografie Silbersalzlösungen reagieren mit Chloriden, Bromiden und Iodiden zu unlöslichen Silberhalogeniden. Diese Silberhalogenide können durch Licht zerlegt werden. Dabei entsteht elementares Silber. Diese Tatsache wird in der Fotographie ausgenutzt. AgNO 3 + NaBr AgBr + NaNO 3 AgBr Ag + Br Licht Filmmaterial: In einer Gelatineschicht sind kleine Silberchlorid- und Silberbromidkristalle eingebettet. Die Gelatineschicht wird auf einen Kunststoffträger aufgebracht. Belichtung: Beim Auftreffen von Licht auf solch ein Kristall entsteht ein wenig elementares Silber. Es ist aber so wenig, dass es noch nicht als Bild sichtbar ist (es entsteht ein latentes Bild) Entwicklung: Um das latente Bild sichtbar zu machen, muss das gesamte gebundene Silber des belichteten Kristalls in elementares Silber umgewandelt werden. Die Größe der verwendeten Kristalle bestimmt die Qualität des Bildes (Pixel). Man erhält ein Negativbild. Fixieren: Ehe das Negativ ans Licht gebracht wird, muss das nicht belichtete Silbersalz entfernt werden. Positivbild: Durch das Negativbild hindurch wird ein Fotopapier belichtet. Es entsteht ein Negativ vom Negativ also wieder ein Positiv. Dieses muss ebenfalls entwickelt und fixiert werden.

12 NaCl - Die Ionenbindung Natrium Chlor Gehen Natrium und Chlor eine Bindung ein, dann gibt Natrium ein Elektron an das Chlor ab. Jetzt sind aber beide Atome elektrisch geladen. Das Natrium hat eine negative Ladung zu wenig, es ist also nach außen positiv geladen. Das Chlor hat eine negative Ladung zu viel und ist nach außen negativ geladen. Na + Cl - Mann nennt elektrisch geladene Teilchen Ionen. Das Natrium-Ion (Kation) und das Chlor-Ion (Anion) halten nun durch die elektrische Anziehung zusammen und bilden einen neuen Stoff das Natriumchlorid (Kochsalz). Man nennt diese Art der Verbindung von Atomen Ionenbindung.

13 Das Natriumchloridkristall Wegen der elektrostatischen Anziehung von positiv und negativ geladenen Teilchen ordnen sich Ionen in Festkörpern in Kristallgittern aus, so dass gleich geladene Atome möglichst weit voneinander entfernt sind, verschieden geladene Atome sich aber möglichst nahe kommen. Ionenkristalle haben hohe Schmelzpunkte. Sie sind keine guten elektrischen Leiter, weil positive und negative Ionen fest auf ihren Plätzen verankert sind.

14 Kochsalz Natriumchlorid Gewinnung und Verwendung (Schülervortrag)

15 Elektrolyse Kochsalz löst sich sehr gut im Wasser, indem eine Dissoziation (Trennung der Bindung) in Na+ und Clstattfindet. Schickt man einen Strom durch diese Lösung, wandern die Na+-Kationen zum negativ geladenen elektronenreichen Pol und die Cl - Anionen zum positiv geladenen elektronenarmen Pol. Diese Lösung wird damit elektrisch leitend. Den Vorgang nennt man Elektrolyse Ein Versuch mit destilliertem Wasser hat gezeigt, dass dieses den elektrischen Strom nicht leitet. Das Lämpchen leuchtete nicht.

16 Wasser als Lösungsmittel Wasser ist ein ganz besonderer Stoff. Das haben schon Platon und Aristoteles erkannt. Sie gaben ihm die Bedeutung als viertes Element aus dem unsere Welt aufgebaut ist. Unsere Welt mit all ihren wundervollen Erscheinungen könnte ohne Wasser nicht sein. Wir können nur staunend ihre Eigenschaften, man könnte fast sagen Fähigkeiten. beobachten. Für den Chemiker ist Wasser in erster Linie ein gutes Lösungsmittel für Salze und viele andere Stoffe. Viele chemische Reaktionen in der Technik, in der Umwelt und in den Pflanzen und Tieren, laufen in wässrigen Lösungen ab. Beim Lösen von Natriumchlorid (Kochsalz) werden die Ionen des Gitters voneinander getrennt und sind in der Lösung beweglich. In der Lösung besitzen alle Ionen eine Hülle von Wassermolekülen. Das kommt daher, weil Wassermoleküle Dipole sind. Im Wasser befindliche Ionen werden vom Wasser hydratisiert.

17 Wasser und sein Dipolcharakter Was ist ein Dipol? Auf Grund der unterschiedlichen Größe und Masse der Wasserstoffatome gegenüber dem Sauerstoffatom ordnen sich die beiden Wasserstoffatome in folgender Weise an das Sauerstoffatom an. Diese geometrische Form des Wassermoleküls bewirkt eine mehr positive und eine mehr negativ geladene Seite des Wassermoleküls es hat zwei Pole (Dipol). Diesem Dipolcharakter verdankt das Wasser viele besonderen Eigenschaften.

18 Elektrolytische Gewinnung von Aluminium Durch Elektrolyse werden viele wichtige Metalle hergestellt, unter anderem auch Aluminium. Dem Ausgangsstoff Bauxit (Aluminiumoxid) werden wegen seiner hohe Schmelztemperatur (2050 C) Zusätze beigegeben. Die Schmelztemperatur sinkt auf 950 C. Diese Mischung wird geschmolzen und bei Spannungen von 5V -6V und Stromstärken von A elektrolysiert. Als Anode und Kathode dienen Kohlenstoffblöcke. Die Herstellung von Aluminium erfordert sehr viel Energie. Durch Recycling kann viel Energie und Rohstoffe gespart werden.