3. Schulkonzept. Aktivierungsenergie. Bestimmung der Wärmekapazität eines Kalorimeters C K

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1 Bildungsstandards Kerncurriculum Schulcurriculum Empfohlener Stundenumfang 1. Chemische Energetik Didakt.-method. Überlegungen Fachspezifika Die SuS können offene, geschlossene und isolierte Systeme definieren; chemische Reaktionen unter stofflichen und energetischen Aspekten (exotherm, endotherm [ ]) erläutern; Grundlagen der Energetik - Energieumwandlungen - Systembegriff: offene, geschlossene, isolierte Systeme - Energieerhaltungssatz - Bedeutung der Reaktionswärme Q - exotherme, endotherme Reaktionen Aktivierungsenergie eine kalorimetrische Messung planen, durchführen und auswerten (Reaktionsenthalpie); den Satz von der Erhaltung der Energie auf chemische Reaktionen anwenden und Reaktionsenthalpien aus Bildungsenthalpien berechnen; Kalorimetrie - Bestimmung der Reaktionswärme - Wärmekapazität C - spezifische Wärmekapazität des Wassers c W Bildungs- und Reaktionsenthalpien - Innere Energie U - Reaktionsenergie Δ r U - 1. Hauptsatz der Thermodynamik - Reaktionsenthalpie Δ r H - Satz von Hess Bestimmung der Wärmekapazität eines Kalorimeters C K Reaktionen in wässriger Lösung (z.b. Bestimmung der Neutralisationswärme) Volumenarbeit Weitere (experimentelle) Enthalpiebestimmungen SP: Bestimmung der Reaktionswärme eines Lebensmittels

2 chemische Reaktionen unter stofflichen und energetischen Aspekten ([ ] Brennwert, Heizwert) erläutern; die Entropie als Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes beschreiben; Änderungen der Entropie bei chemischen Reaktionen abschätzen; - Berechnung von Reaktionsenthalpien aus Standardbildungsenthalpien - Heizwert und Brennwert Die Entropie S - Spontane Vorgänge - Ordnung/Unordnung im System - Entropie als Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes - Spontane endotherme Reaktionen - Prinzip des Entropiemaximums (2. Hauptsatz der Thermodynamik) - 3. Hauptsatz der Thermodynamik - Voraussagen über Entropieänderungen chemischer Vorgänge Vertiefende Berechnungen Berechnung einer Bildungsenthalpie z.b.: V: Reaktion von Bariumhydroxid mit Ammoniumthiocyanat, Lösen von Kaliumnitrat, etc. die GIBBS- HELMHOLTZ-Gleichung auf geeignete Beispiele anwenden (Freie Reaktionsenthalpie); Die freie Enthalpie G - Freie Reaktionsenthalpie Δ r G - Verknüpfung von Enthalpie und Entropie: Die GIBBS- HELMHOLTZ-Gleichung Exergonische und endergonische Reaktionen

3 an Beispielen die Grenzen der energetischen Betrachtungsweise aufzeigen (metastabiler Zustand und unvollständig ablaufende Reaktionen). - Berechnung freier Enthalpien - Richtung chemischer Reaktionen Grenzen der energetischen Betrachtungsweise: - Metastabile Zustände - Unvollständig ablaufende Reaktionen Gültigkeit und Grenzen des Enthalpieminimum-Prinzips Bsp.: Knallgasreaktion, Zersetzung von Wasserstoffperoxid 2. Chemische Gleichgewichte umkehrbare Reaktionen und die Einstellung eines chemischen Gleichgewichtes beschreiben (Veresterung und Ester- Hydrolyse); Umkehrbare Reaktionen - Einstellung Reaktionskinetik - Zeitlicher Verlauf einer Reaktion - Durchschnittsgeschwindigkeit - Momentangeschwindigkeit - Reaktionsgeschwindigkeit - Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von verschiedenen Faktoren - Katalysatoren - Übergangszustände - Kollisionsmodell - Maxwell-Boltzmann- Verteilung - RGT-Regel Modellversuch zur Teilchengeschwindigkeit

4 ein Modellexperiment zur Gleichgewichtseinstellung durchführen; das Prinzip von LE CHATELIER zur Beeinflussung von Gleichgewichten anwenden (Änderungen von Konzentrationen, Druck und Temperatur); die Rolle eines Katalysators für die Gleichgewichtseinstellung erläutern; Das chemische Gleichgewicht - Einstellung im Modell (Kennzeichen und Kriterien des dynamischen Gleichgewichts) - Einstellung am Beispiel des Estergleichgewichts - Gleichgewichtsverschiebungen (Einfluss von Druck-, Temperaturund Konzentrationsänderungen) - Prinzip von LE CHATELIER - Rolle eines Katalysators bei der Gleichgewichtseinstellung Vertiefende Übungen SP: Stechheber-Versuch V: Quantitative Betrachtung der Estersynthese/-hydrolyse V: NO 2 /N 2 O 4 - Gleichgewicht V: Eisenthiocyanat- Gleichgewicht das Massenwirkungsgesetz zur quantitativen Beschreibung von homogenen Gleichgewichtsreaktionen anwenden; Massenwirkungsgesetz (MWG) - Angabe des MWG - Temperaturabhängigkeit - Konzentrationsunabhängigkeit - Ermittlung der Gleichgewichtskonstanten - Ermittlung der Gleichgewichtskonzentrationen Kinetische Herleitung oder Herleitung aus Messergebnissen

5 die Leistungen von HABER und BOSCH präsentieren; Faktoren nennen, welche die Gleichgewichtseinstellung bei der Ammoniaksynthese beeinflussen und mögliche technische Problemlösungen kommentieren; Die Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch - Entwicklung der großtechnischen Ammoniak-Synthese von HABER und BOSCH (Historie, Probleme) - Beeinflussung der Gleichgewichtseinstellung bei der Ammoniaksynthese durch versch. Faktoren - Anwendung des Prinzips von LE CHATELIER zur Steigerung der Ausbeute - Optimierung eines großtechnischen Verfahrens GFS/Internetrecherche die gesellschaftliche Bedeutung der Ammoniaksynthese erläutern; 3. Säure-Base- Gleichgewichte die Gleichgewichtslehre auf Säure-Base- Reaktionen mit Wasser anwenden; - Gesellschaftliche Bedeutung (Probleme der Welternährung, Düngemittel) Die Säure-Base-Theorie - Reaktion von Säuren und Basen mit Wasser - Protolyse als Protonenübergang Zusammenhang zwischen chemischem Gleichgewicht und Energetik Historische Entwicklung des Säure-Base-Begriffs? GFS? Säure-Base-Reaktionen mithilfe der Theorie von - Definition nach BRØNSTED

6 BRØNSTED beschreiben; - korrespondierende Säure- Base-Paare das Donator-Akzeptor- Prinzip auf Säure-Base- Reaktionen übertragen; die Autoprotolyse des Wassers erläutern und den ph-wert definieren; ph-werte von Lösungen einprotoniger, starker Säuren und von Hydroxid-Lösungen berechnen; Säuren und Basen mithilfe der pk S -Werte (Säurestärke) bzw. pk B - Werte (Basenstärke) klassifizieren; im Näherungsverfahren ph-werte für Lösungen schwacher Säuren und Basen berechnen; - Donator-Akzeptor-Prinzip ph-wert - Autoprotolyse des Wassers - Ionenprodukt des Wassers - Definition des ph-werts - ph-werte wässriger Lösungen - starke Säuren und Basen - Berechnungen von ph- Werten - die Stärke von Säuren und Basen - pk S und pk B als klassifizierende Größen für Säure- bzw. Basenstärke - ph-wert-berechnungen von Lösungen schwacher Säuren und Basen mit einem Näherungsverfahren (z.b. ausgehend vom MWG) Vertiefende Übungen Vertiefende Übungen zur ph- Wert-Berechnung Interpretieren von Tabellenwerten SP: ph-wert- Bestimmungen mit ph- Meter und mit Indikatoren Puffersysteme und deren Bedeutung an Beispielen erklären; Puffer - Pufferlösungen - Definition eines Puffersystems (z.b. Acetatpuffer Blut)

7 - Wirkungsweise eines Puffers - Anwendung von Pufferlösungen Säure-Base-Titrationen zur Konzentrationsbestimmung planen und experimentell durchführen; die Säure-Base-Theorie auf Indikatoren anwenden. 4. Naturstoffe Die SuS können Vorkommen, Verwendung und Eigenschaften von Monosacchariden, [ ] beschreiben (Glucose, Fructose, [ ]); Quantitative Betrachung - Säure-Base-Titrationen - Konzentrationesermittlung von Säuren/Basen durch Titration unter Verwendung geeigneter Indikatoren - Farben und Umschlagsbereiche von Indikatoren - Indikatoren als schwache Säuren - Protolyse als Wirkungsweise der Indikatoren Kohlenhydrate Monosaccharide D-Glucose, D-Fructose - Aufbau - Eigenschaften - Vorkommen - Bedeutung Puffersysteme im Alltag SP: Titration Einstieg: Brennprobe Nachweisreaktionen auf Zucker [ ] experimentell durchführen (GOD-Test, TOLLENS-Probe, [ ]); - Nachweisreaktionen: GOD-Test, TOLLENS- Probe FEHLING-Probe, Seliwanow-Reaktion SP: GOD-Test, TOLLENS- Probe

8 die Monomere biologisch wichtiger Makromoleküle nennen und deren Strukturformeln in der Fischer-Projektion angeben (D-Glucose, D- Fructose, ); Mono- und Disaccaride in Projektionsformeln nach FISCHER und HAWORTH darstellen (D-Isomere, α- und β- Form); die Chiralität am räumlichen Bau von Molekülen erkennen (asymmetrisches Kohlenstoffatom); Vorkommen, Verwendung und Eigenschaften von [ ], Disacchariden [ ] beschreiben ([ ], Maltose, Cellobiose, Saccharose, [ ]); die glykosidische Bindung erläutern; - Fischer-Projektion: D- und L-Isomere - Haworth-Projektion: α- und β-anomere - Chiralität - Asymmetrische Kohlenstoffatome Disaccharide Maltose, Cellobiose, Saccharose - Aufbau - Eigenschaften - Vorkommen - Verwendung - glykosidische Bindung Spiegelbildisomerie (Enantiomere/Diastereomere) Pyranosen, Furanosen Optische Aktivität Polarimetrie GFS: Industrielle Zuckerherstellung Mono- und Disaccaride in Projektionsformeln nach FISCHER und - Hydrolyse - reduzierende und nichtreduzierende Zucker SP: säurekatalysierte Hydrolyse SP: Nachweis

9 HAWORTH darstellen (D-Isomere, α- und β- Form); reduzierender und nichtreduzierender Eigenschaften Vorkommen, Verwendung und Eigenschaften von [ ] Polysacchariden beschreiben ([ ], Stärke, Amylose und Cellulose); die Funktion biologisch wichtiger Stoffe aus dem räumlichen Aufbau ihrer Moleküle begründen (Särke, Cellulose, [ ]); Polysaccharide Stärke, Cellulose - Aufbau - Eigenschaften - Vorkommen - Bedeutung - Strukturunterschiede - Stärke als Reservesubstanz (Helix) - Cellulose als Gerüstsubstanz (Fibrille) - Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken Stärkenachweis, saure und enzymatische Hydrolyse von Stärke GFS: Industrielle Papierherstellung das Prinzip der Kondensationsreaktion anwenden und die Vielfalt als Ergebnis der Wiederholung einfacher Prozesse begründen; Beispiele für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe nennen (Ökobilanzierung); - Kondensationsreaktion als Aufbauprinzip - Nachwachsende Rohstoffe und ihre Bedeutung - Ökobilanzierung

10 die Monomere biologisch wichtiger Makromoleküle nennen und deren Strukturformeln in der Fischer-Projektion angeben ([ ], L- α- Aminosäuren); das Prinzip der Kondensationsreaktion anwenden und die Vielfalt als Ergebnis der Wiederholung einfacher Prozesse begründen; die Primärstruktur eines Peptids aus vorgegebenen Aminosäuren darstellen; die Sekundär-, Tertiärund Quartärstruktur von Proteinen erläutern; Nachweisreaktionen auf Proteine experimentell durchführen ([ ], Biuretoder Ninhydrin- Reaktion); Denaturierungsvorgänge und deren Bedeutung erläutern; Proteine Aminosäuren - L-α-Aminosäuren (AS) als Bausteine der Proteine - Überblick über die AS: Aufbau und strukturelle Unterschiede Peptide und Proteine - Verknüpfung der AS- Bausteine (Peptidbindung) - Vielfalt der Verknüpfungsmöglichkeiten - Räumlicher Bau der Peptidbindung - Primärstruktur - Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur (α-helix, β-faltblatt) - Stabilisierung durch Wechselwirkungen - Nachweisreaktionen: Biuret- oder Ninhydrin- Reaktion - Denaturierung: Einfluss von Hitze und Chemikalien auf Proteine Eigenschaften von AS (AS als Zwitterionen, Ampholyte) Prinzip der Chromatographie Trennung von AS durch DC Nachweis der AS mit Ninhydrin SP: DC GFS: Die Chemie der Dauerwelle SP: Ninhydrin- oder Biuret- Reaktion SP: Denaturierungsvorgänge GFS: Proteine in der Küche

11 die Funktion biologisch wichtiger Stoffe aus dem räumlichen Aufbau ihrer Moleküle begründen ([ ], Enzyme, [ ]); Enzyme - Enzyme als biologisch wichtige Funktionsproteine - Bau und Wirkungsweise - Schlüssel-Schloss-Prinzip Beeinflussung der Enzymaktivität, Enzymhemmung aktives Zentrum, Substratspezifität Visualisierung: Hämoglobin, Myoglobin, Insulin Vorkommen und Bedeutung der DNA erklären; mithilfe von Modellen den Aufbau der DNA erklären und darstellen (Phosphorsäureester, Desoxyribose, Basenpaarung durch Wasserstoffbrücken); die Funktion biologisch wichtiger Stoffe aus dem räumlichen Aufbau ihrer Moleküle begründen ([ ], DNA). Nukleinsäuren DNA - Vorkommen - Bedeutung - WATSON/CRICK - Bausteine der Nukleinsäuren (Nukleotide, Nukleobasen, Desoxyribose, Phosphorsäure) - Verknüpfung der Bausteine (Phosphorsäureester) - komplementäre Basenpaarung (durch Wasserstoffbrücken) - Helixstruktur Codierung der genetischen Information identische Replikation Modelle, Animationen und Visualisierungen mit interaktiven Moleküldarstellungen (z.b. DNA-Tutorial (Maartz) GFS: Genetischer Fingerabdruck

12 5. Aromaten Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung von Benzol beschreiben; Benzol - Eigenschaften - Vorkommen - Verwendung DVD der BASF: Herr Kekulé, ich kenne Sie nicht. Recherche am Beispiel des Benzols die mögliche Gesundheitsproblematik einer chemischen Substanz erläutern; - Gesundheitsproblematik - Definition MAK/TRK bei Diskussionen um gesundheitsgefährdende Stoffe fachlich fundiert argumentieren (MAK, TRK); Grenzen bisher erarbeiteter Bindungsmodelle angeben und unerwartete Eigenschaften des Benzols aus der besonderen Molekülstruktur erklären (delokalisierte Elektronen, Mesomerie, KEKULÉ); - Molekülstruktur - KEKULÉ und die Benzolformel - Bindungsverhältnisse - delokalisiertes Elektronensystem - mesomere Grenzstrukturen Besonderheiten und Kriterien des aromatischen Zustandes (Reaktionsverhalten) Erklärungen am Modell die Bedeutung oder Verwendung weiterer wichtiger Aromaten in weitere wichtige Aromaten Phenol, Toluol, Benzaldehyd, Benzoesäure, Styrol,

13 Natur, Alltag und Technik beschreiben, sowie die systematischen Namen und die Strukturformeln dieser Aromaten angeben (Phenol, Toluol, Benzaldehyd, Benzoesäure, Styrol, Phenylalanin). 6. Elektrochemie das Donator-Akzeptor- Prinzip auf Reaktionen mit Elektronenübergang anwenden (Oxidation, Reduktion, Angabe von Redoxpaaren); Redox-Reaktionen mithilfe von Oxidationszahlen identifizieren; den Aufbau einer galvanischen Zelle beschreiben; elektrochemische Experimente durchführen. Phenylalanin - systematische Nomenklatur - Strukurformeln - Bedeutung oder Verwendung in Natur, Alltag und Technik Redoxreaktionen - Redoxreaktionen als Elektronenübertragungsreaktion - Elektronendonator/ -akzeptorprinzip - Reduktion und Oxidation - Reduktions- und Oxidationsmittel - Formale Elektronenübergänge - Oxidationszahlen - Elektronenbilanzen - Redoxreihe der Metalle galvanische Zellen - Aufbau galvanischer Zellen durch Kombination zweier Halbzellen - Messen von Potenzialdifferenzen als Zellspannungen - Messen von Zellspannungen zwischen verschiedenen Halbzellen Parallelen zu Säure-Base- Reaktionen GFS: Bedeutung von Redoxreaktionen (in der Natur, (chem.) Industrie, Metallurgie, Lebensmittelindustrie, Pyrotechnik, Energieerzeugung) SP: Redoxreihe der Metalle V: Daniell-Element

14 die wesentlichen Prozesse bei [ ] galvanischen Zellen nennen und beschreiben; den Aufbau und die Funktion der Standard- Wasserstoff-Halbzelle erläutern; die Tabelle der Standardpotenziale zur Vorhersage von elektrochemischen Reaktionen anwenden; den Zusammenhang zwischen Ionen- Konzentration und messbarer Potenzialdifferenz in galvanischen Zellen erläutern; - Redoxprozesse in der galvanischen Zelle (Ladungstransport durch Ionen) - Vorhersage von Redoxreaktionen Standard-Wasserstoff- Halbzelle - Aufbau - Vorgänge - Bezugspunkt für quantitativen Vergleich Standardpotenziale - Messung von Standardpotenzialen - Aufstellen und Anwenden der Spannungsreihe - Berechnen von Zellspannungen - Konzentrationsabhängigkeit der Elektrodenpotenziale - Qualitative Abschätzung der Veränderung der Potenziale bei Veränderung der Elektrolytkonzentration Vertiefende Übungen Quantitative Betrachtungen mit der Nernstschen Gleichung

15 die wesentlichen Prozesse bei Elektrolysen [ ] nennen und beschreiben; Elektrolyse - Elektrolyse als erzwungene Umkehrung der Redoxprozesse in der galvanischen Zelle - Abscheidungs- und Zersetzungsspannung - Phänomen Überspannung GFS: Großtechnische Elektrolysen (z.b. Chloralkalielektrolyse; Aluminium-Herstellung) herkömmliche Stromquellen mit aktuellen und zukunftsweisenden Entwicklungen bei elektrochemischen Stromquellen (Brennstoffzelle) vergleichen; Möglichkeiten zur elektrochemischen Speicherung von Energie beschreiben; Elektrochemische Stromquellen - Aufbau galvan. Zellen als brauchbare elektrochemische Energiequellen - Umkehrbarkeit der Elektrodenreaktionen - Batterien - Akkumulatoren - Brennstoffzellen (Aufbau, Bedeutung) - Knallgaszelle Korrosion, Korrosionsschutz Bleiakku Weitere elektrochemische Energiequellen: Moderne Batterien und Akkumulatoren (GFS, Recherche) GFS: Korrosion

16 7. Kunststoffe Beispiele für die Bedeutung von Kunststoffen in Alltag und Technik nennen; Historische Entwicklung und Entdeckung der Kunststoffe (Hermann Staudinger) Kunststoffe in Alltag und Technik - Vielfalt der Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungsbeispiele - Vergleich mit anderen Werkstoffen GFS/Film Superabsorber, Chemiefasern, Klebstoffe, Verbundwerkstoffe (Gruppenpuzzle) den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Kunststoffen und ihrer Molekülstruktur erläutern (Thermoplaste, Duroplaste, Elaste, STAUDINGERs Theorie der Makromoleküle); Einteilung der Kunststoffe bzgl. ihrer Eigenschaften - Klassifizierung (Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere) - Thermische Eigenschaften - Mechanische Eigenschaften - Eigenschaften und Molekülstruktur Reaktionsmechanismus der radikalischen Polymerisation das Prinzip von Kunststoffsynthesen erläutern (Polymerisation, [ ]) und die Kenntnisse auf geeignete Beispiele anwenden (Monomer und Polymer, Polyethen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, [ ]); Synthese von Kunststoffen - Polymerisation - Beispiele/ Anwendungsbereiche (Polyethen, Polyvinylchlorid, Polystyrol) vgl. Moleküle des Lebens

17 die Teilschritte einer Polymerisationsreaktion mit Strukturformeln und Reaktionsgleichungen beschreiben (radikalische Polymerisation, Startreaktion, Kettenwachstum, Abbruchreaktion); - Mechanismus der radikalischen Polymerisation Polymere selbst herstellen (Polymerisat, [ ]); das Prinzip von Kunststoffsynthesen erläutern ([ ], Polykondensation [ ]) und die Kenntnisse auf geeignete Beispiele anwenden ([ ], Polyamid, Polyester, [ ]); - Synthese eines Polymerisats - Polykondensation - Beispiele/ Anwendungsbereiche (Polyamide, Polyester) Copolymerisate SP: Synthese von Polystyrol oder Acrylglas Polymere selbst herstellen ([ ], Polykondensat); das Prinzip von Kunststoffsynthesen erläutern ([ ] Polyaddition) und die Kenntnisse auf geeignete Beispiele anwenden ([ ], Polyurethan); - Synthese eines Polykondensats - Polyaddition - Beispiele/ Anwendungsbereiche (Polyurethane) SP: Nylonseiltrick GFS: Silicone Kunststoffe aus Sand V: Synthese von Polyurethanschaum

18 darstellen, wie das Wissen um Struktur und Eigenschaften verschiedener Werkstoffe genutzt wird; Einfluss bi- bzw. trifunktioneller Monomere auf Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen Lösungsstrategien zur Verwertung von Kunststoffabfällen darstelle (Werkstoffrecycling, Rohstoffrecycling, energetische Verwertung; Nachhaltigkeit); Aspekte der Nachhaltigkeit beim Einsatz von Kunststoffen zusammenstellen (PET- Flaschen, Kraftfahrzeugteile). Kunststoff-Recycling - Werkstoffrecycling - Rohstoffrecycling - energetische Verwertung - Vergleich der Nachhaltigkeit (PET-Flaschen, Fahrzeugteile)