Bundesrealgymnasium Imst. Chemie Klasse 7. Einführung in die Chemie

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1 Bundesrealgymnasium Imst Chemie Klasse 7 Einführung in die Chemie Dieses Skriptum dient der Unterstützung des Unterrichtes - es kann den Unterricht aber nicht ersetzen, da im Unterricht der Lehrstoff detaillierter aufgearbeitet wird, als dies im Skriptum der Fall ist. Ergänzungen zum Skriptum werden während des Unterrichts durchgeführt. In diesem Skriptum sind nur wenige Diagramme und Zeichnungen enthalten. Die fehlenden Diagramme werden im Unterricht erarbeitet. Inhalt 1 Einführung in die Chemie Chemie als Naturwissenschaft Was ist Chemie Unterschiede zur Physik Fachgebiete der Chemie Historische Entwicklung Aufbau der Materie Aggregatszustände Trennen von Stoffgemischen Gemische und Reinstoffe Trennverfahren Moderne Methoden der Stofftrennung... 7 Aufgaben 9

2 1 Einführung in die Chemie 1.1 Chemie als Naturwissenschaft Was ist Chemie Chemie ist die Lehre von den Stoffen. Unter Stoff versteht man alle Arten von Materie. Die Chemie behandelt aber auch die Reaktionen, also die Stoffumwandlungen, untereinander. Darüber hinaus ist es die einzige Wissenschaft, die uns lehrt, aus bekannten Substanzen neue, in der Natur nicht vorkommende Stoffe herzustellen. Um das zu erreichen, müssen Aufbau und innere Strukturen der Stoffe bekannt sein damit mit wissenschaftlicher Präzision Stoffe verändert und somit den gestellten Anforderungen angepasst werden können. Werkstoffe, Baumaterialien, unsere Nahrungsmittel und Bekleidung, moderne Medikamente und Reinigungsmittel währen ohne diese Kenntnisse nicht denkbar. Alle diese Stoffe werden aber letztendlich aus natürlichen Stoffen aufgebaut Unterschiede zur Physik Chemische und physikalische Vorgänge sind oft miteinander Verbunden. Oft wird Physik als die Lehre von Vorgängen, bei denen keine stofflichen Veränderungen stattfinden, definiert. Entsprechend ist die Chemie die Wissenschaft, die sich eben mit diesen stofflichen Veränderungen beschäftigt. Betrachtet man allerdings die kleinsten Teilchen (im chemischen Sinn), die Atome, können physikalische oder chemische Prozesse nicht mehr eindeutig getrennt werden. Da chemische Reaktionen letztendlich auf einer elektrischen (physikalischen) Wechselwirkung beruhen, sind auch hier Überschneidungen üblich. Trotzdem gibt es genügend Prozess, die als typisch physikalisch oder typisch chemisch bezeichnet werden. Einige Beispiele: physikalisch Aggregatszustand Siedepunkt Schmelzpunkt Härte Leitfähigkeit Farbe, Glanz chemisch Erhalten gegenüber anderen Stoffen Verhalten bei Energiezufuhr (Verbrennen, Zersetzung) Physiologische Wirkung (z. B. Gift) Fachgebiete der Chemie Die Allgemeine und physikalische Chemie erforscht allgemein gültige Gesetzmäßigkeiten im Verhalten der Stoffe, ohne auf Besonderheiten bestimmter Stoffe einzugehen. Hierzu gehören Schmelz- und Siedevorgänge der Stoffe, Atombau und chemische Bindungen oder Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen uvm. Die Anorganische Chemie befasst sich mit allen Elementen und allen Kombinationen dieser Elemente mit Ausnahme der Kohlenwasserstoffe und deren Derivate. Zu den anorganischen Stoffen gehören z. B. Metalle, Wasser, Erze,. Die Chemie der Kohlenwasserstoffe wird in der Organischen Chemie behandelt. Zu diesen Stoffen gehören Erdöl, Gas und Kohle wie auch Zucker, Proteine oder Enzyme. In der Biochemie werden Wechselwirkungen in der belebten Natur zusammengefasst. Um die Zusammensetzung der Stoffe zu klären unterscheidet man in der Analytische Chemie die quantitative Analytik (bestimmt die mengenmäßige Zusammensetzung der Bestandteile eines Stoffes) von der qualitativen Analytik (bestimmt, aus welchen Bestandteilen ein Stoff besteht). Dr. K.-H. Offenbecher Seite 2

3 Chemisches Wissen in die Praxis und in Produktionsverfahren umzusetzen ist Gegenstand der Technischen Chemie. Vorwiegend mit mathematischen Modellen und Simulationen berechnet die Theoretische Chemie Eigenschaften von Stoffen Historische Entwicklung Physikalische, chemische und biologische Prozesse laufen seit Urzeiten in der Natur ab, auch ohne den Menschen. Mit Hilfe der Wissenschaften erkannte der Mensch die Naturzusammenhänge und konnte diese in zunehmendem Maße zur Verbesserung seiner Lebensgrundlage nutzen. Die historische Entwicklung der Chemie als Wissenschaft begann mit den Naturphilosophen in der Antike. Auf sie gehen viele noch heute genutzte Begriffe wie Atom, Element, Elektron oder Verbindung zurück. Einige Meilensteine: BC. Entdeckung des Feuers BC. Verwendung anorganischer Pigmente zum Färben (Höhlenmalereien von Altamira und Lascaux) BC. Beginn der Bronzezeit zuerst in Mesopotamien, später in Europa 400 BC. Leukipp und Demokrit entwickeln die erste Atomtheorie und führen den Atombegriff ein AC. Symbole für damals bekannte Metalle und einige chemische Fachbegriffe entstsehen G. E. Stahl findet eine systematische Erklärung für chemische Reaktionen 1792/93 J. B. Richter begründet die Stöchiometrie 1824 F. Wöhler synthetisiert Harnstoff und begründet damit die organische Chemie 1869 L. J. Meyer und D. Mendelejew stellen das Periodensystem der Elemente auf 1911 E. Rutherford stellt eine Theorie zur Atomstruktur auf 2005 verschiedene Arbeitsgruppen entschlüsseln die DNA-Sequenz des menschlichen X-Chromosoms 1.2 Aufbau der Materie Aggregatszustände Aggregatszustand ist die allgemeine Bezeichnung für einen der drei Zustände, in denen Körper vorliegen können. Ein fester Körper besitzt ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Gestalt. Zwischen den Teilchen wirken sehr starke Anziehungskräfte wodurch sich Gitterstrukturen bilden. Dabei sind die Atome regelmäßig angeordnet. Bleiben die Atome ungeordnet, spricht man von amorphen Stoffen (z. B. Glas). Führt man einem Festkörper Wärmeenergie zu bis die Gitterkräfte nicht mehr ausreichen um die Struktur des Kristalls aufrecht zu halten, schmilzt der Festkörper. Ein flüssiger Körper besitzt ein bestimmtes Volumen aber keine bestimmte Gestalt. Er nimmt die Form des Gefäßes an in dem er sich befindet und bildet dabei eine Oberfläche. Dr. K.-H. Offenbecher Seite 3

4 Chemie Klasse 7 Einführung Zwischen den Teilchen wirkenn Anziehungskräfte (Kohäsion).. Die Kohäsion ist Ursache der Oberflächenspannung. Abb. 1-1: Zustandekommen einer Oberflächenspannung Ein gasförmiger Körper hatt weder ein bestimmtes Volumen noch eine bestimmte Gestalt. Er nimmt jeden ihm zur Verfügung stehenden Raum ein und bildet dabei keine Oberfläche. Zwischen den Teilchen wirkenn (fast) keine Kräfte. Gase besitzen einen Druck Der Druck p (Pa), den eine bestimmte Gasmenge auf den Behälter ausübt, ist vom Volumen des Behälters und von der Temperatur abhängig. Der Druck in einem Gasbehälter hängt bei allen Gasen linear von der Temperatur ab. Werden diese Geraden extrapoliert, erhält man einen gemeinsamen Schnittpunkt bei 273,15 C dem absolutenn Nullpunkt. Die Bewegung der Gasmoleküle hat aufgehört. Die Beziehung zwischen Druck, Temperatur und Volumen wirdd durch das allgemeine Gasgesetz eines idealen Gases wiedergegeben. p1 V1 p2 V2 = = konst. T T 1 2 Abb. 1-2: Temperaturabhängigkeit des Drucks und Herleitung des absoluten Nullpunkts Umwandlungswärme Schmelz und Kristallisationswärme einer Stoffmenge sind gleich groß! Verdampfungs und Kondensationswärme einer Stoffmenge sind gleichh groß! Sublimationswärme und Resublimationswärme eines Stoffes sind gleich groß! Abb. 1-3: Umwandlungswärme Dr. K.-H. Offenbecher Seite 4

5 Chemie Klasse 7 Einführung Verdampfen Die Bewegungsenergien der einzelnen Teilchen in einer Flüssigkeit sind unterschiedlich. Bei einigen Teilchen sind sie groß genug um die Kohäsionskräfte zu überwinden. Weil dadurch die energiereichsten Teilchen aus der Flüssigkeit entfernt werden, sinkt die Temperatur der Flüssigkeit. Abb. 1-4: Theorie einer verdampfenden Flüssigkeit. Verdunsten Bei Raumtemperatur entweichen ebenfalls nur die Teilchen, deren Bewegungsenergie ausreicht, um die Kohäsions-kräfte zu überwinden. Die sinkende Temperatur entzieht der Umgebung Wärme und es entsteht Verdunstungskälte. Abb. 1-5: Statistische Verteilung der Bewegungsenergie der Teilchen einer Flüssigkeit Dampfdruck Der Druck des Dampfes, der sich bei gegebener Temperatur im Gleichgewicht mit einer Flüssigkeit befindet. Abb. 1-6: Vergleich Verdampfen - Verdunsten Der Dampfdruck einer Flüssigkeit wird nur durch die Temperatur festgelegt. Änderungen des Dampfvolumens beeinflussen ihn nicht. Abb. 1-7: Dampfdruckkurven verschiedener Flüssigkeiten. Dr. K.-H. Offenbecher Seite 5

6 Chemie Klasse 7 Einführung Siedepunkt Der Siedepunkt Kp einer Flüssigkeit ist jene Temperatur, bei der der Dampfdruck der Flüssigkeit dem Luftdruck entspricht. Die Temperatur einer siedenden Flüssigkeit bleibt konstant, bis die gesamtee Menge verdampft ist. 1.3 Trennen von Stoffgemischen Fast alle Stoffe des täglichen Lebens sind keine Reinstoffe. Die Auftrennung dieser Gemische und die damit verbundene Gewinnung von Reinstoffen sind wichtige Arbeitsgebiete der Chemiker Gemische und Reinstoffe Reinstoffe besitzen eine einheitliche Zusammensetzung und Eigenschaften, die nur dieser Stoff besitzt, d. h. für diesen Stoff charakteristisch sind. Dazu gehören: Masse Gewicht Dichte Stoffzustand (Aggregatszustand bei Standardbedingungen) Siedetemperatur Teilchengröße Magnetische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Löslichkeit Verhalten bei Reaktionen mit anderen Stoffen Bei Mischungen hängen die Eigenschaften von der Zusammensetzung ab. Bei manchen Stoffen unserer Umwelt erkennt man sofort, dass sie aus Anteilen mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen (z. B. Gesteine mit unterschiedlich farbigen Bestandteilen). Solche optisch uneinheitlichen Stoffe werden als heterogen bezeichnet. Sie bestehen aus mehreren Phasen. Bei anderen Stoffen (z. B. Luft) erkennt man keine unterschiedlichenn Bestandteile. Sie bestehen aus einer Phase und werden als homogen bezeichnet. Als Phase bezeichnet man homogene Bereiche eines Stoffes. Reinstoffe und Mischungen können mit Hilfe des Siedediagramms (Abb. 1-8) leicht unterschieden werden. Abb. 1-8: Siedediagramm eines Reinstoffes und eines Gemisches. Dr. K.-H. Offenbecher Seite 6

7 1.3.2 Trennverfahren Um Reinstoffe aus Mischungen zu erhalten, werden fast immer die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zur Trennung der Komponenten ausgenützt. Die Trennung von Gemischen erfolgt aus zwei Gründen: Gewinnung von Reinstoffen zur Anwendung oder Weiterverwendung Feststellung der Zusammensetzung einer Mischung (Analyse). Sieben Filtrieren Sedimentieren Zentrifugieren Fällen Extrahieren Destillieren, Verdampfen Die Teilchengröße der zu trennenden Stoffe muss unterschiedlich sein. Getrennt werden Feststoffe (z. B. Gemenge) Die zu trennende Suspension (fest-flüssig) läuft durch einen Filter (Textilfasern, Papier). Die festen Teilchen werden vom Filter zurückgehalten, die Flüssigkeit (Filtrat) läuft durch den Filter. Die in der Flüssigkeit aufgeschlämmten schweren festen Stoffe setzen sich ab, die klare Flüssigkeit wird vom abgesetzten Stoff abgegossen (dekantiert). Trennung von Suspensionen oder Emulsionen unter Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte Ein Bestandteil einer Lösung wird durch eine chemische Reaktion mit einem zugesetzten Stoff (Fällungsmittel) in einen schwer löslichen Niederschlag überführt und filtriert. Bestimmte Bestandteile fester oder flüssiger Stoffe werden mithilfe geeigneter Lösungsmittel herausgelöst (Kaffee- oder Teekochen) Ein Flüssigkeitsgemisch wird erhitzt bis ein Anteil siedet. Der entstehende Dampf (Destillat) wird aufgefangen und kondensiert an einem Kühler. Chromatographie Unterschiedliche Adsorptions- und Lösungseigenschaften führen zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten beim Transport durch eine mobile Phase durch eine stationäre Phase Elektrophorese Trennung aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten in einem elektrischen Feld Moderne Methoden der Stofftrennung Durch chromatographische Methoden ist es heute möglich, verschiedenste Stoffe, wie kleinste Rückstände von Pflanzenschutzmitteln, Schwermetallspuren oder geringste Mengen von Luftverunreinigungen mit hoher Sicherheit und Genauigkeit nachzuweisen. Standard sind Nachweisgrenzen von 10-9 kg/kg (Einheit ppb, parts per billion). Das bedeutet, dass ein Teilchen unter Teilchen entdeckt wird. Unter guten Voraussetzungen sind aber auch Nachweise von kg/kg oder darunter möglich. Die chromatographische Trennanordnung (Analysemethode) besteht immer aus einer unbeweglichen (stationären) Phase (z. B. Papier) und einer beweglichen (mobilen) Phase (z. B. Wasser), die die Trennanordnung durchströmt. Je länger ein Bestandteil einer Mischung von der stationären Phase zurückgehalten wird, umso langsamer wandert er durch die Trennanordnung. Dr. K.-H. Offenbecher Seite 7

8 Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) Das Lösungsmittel, die mobile Phase, wird aus einem Vorratsgefäß mittels einer Hochdruckpumpe durch die Trennsäule gepresst. Durch eine Dosiereinheit bringt man die Probe in den Fluss der mobilen Phase ein. Die einzelnen Probenkomponenten werden in der Trennsäule aufgetrennt und verlassen diese mit unterschiedlicher Verzögerung. Sie durchströmen nacheinander einen Detektor, der für jede Komponente ein elektrisches Signal liefert Gaschromatographie (GC) Hier strömt ein Trägergas als mobile Phase durch eine Trennsäule oder Trennkapillare. In ihr befindet sich als stationäre Phase eine Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt. In Trennsäulen wird diese Flüssigkeit in den Poren eines Feststoffes festgehalten. In Trennkapillaren bildet sie einen dünnen Film an der Innenseite der Kapillare. Die Länge von Trennkapillaren kann bis zu 100 m betragen. Dr. K.-H. Offenbecher Seite 8

9 Aufgaben 1. Geben Sie an, ob es sich bei folgenden Stoffen um ein chemisches Element oder um eine Verbindung handelt: a) Kohlendioxid; b) Schwefel; c) Luft; d) Wasser; e) Kochsalz; Schwefelsäure 2. Geben Sie an, ob es sich bei folgenden Stoffen um ein chemisches Element, ein Verbindung oder ein Gemisch handelt: a) Wasser; b) Eisen; c) Schwefel; d) Luft; e) Leitungswasser; f) Traubenzucker; g) Wein 3. Geben Sie an, ob es sich bei folgenden Stoffen um homogene oder heterogene Stoffgemische handelt: a) Sand in Wasser; b) Kochsalz, in Wasser gelöst; c) Luft; d) Milch; e) Staub 4. Ordnen Sie folgende Eigenschaften den Stoffkategorien Element, Verbindung, und Gemisch zu: a) Zusammensetzung ist variabel; b) besitzt eine chemische Formel; c) durch physikalische Methoden in andersartige Stoffe zerlegbar; d) durch chemische Methoden in andersartige Stoffe zerlegbar; e) durch keine Methode zerlegbar; f) kann gasförmig sein; g) kann in der Natur vorkommen. 5. Durch welche der folgenden Trennmethoden kann eine wässrige Kochsalzlösung in Kochsalz und Wasser getrennt werden? a) Filtrieren; b) Zentrifugieren; c) Sedimentieren; d) Destillieren; e) Dekantieren 6. Schlagen Sie Wege vor, wie man die Gemische Salz/Pfeffer und Sand/Sägespäne in die Bestandteile zerlegen kann! 7. Beschreiben Sie ein Beispiel für die praktische Anwendung der Extraktion, Filtration, Destillation! Dr. K.-H. Offenbecher Seite 9