N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 01 Name: Vorname: Datum:

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1 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 01 Name: Vorname: Datum: Du hast nun zahlreiche Stoffeigenschaften kennengelernt, auf Grund derer sich verschiedene Stoffe unterscheiden lassen. Doch die verschiedenen Stoffeigenschaften sind nicht nur dazu da, um die Stoffe unterscheiden zu können. Man braucht die Stoffeigenschaften auch, um Stoffe zu trennen, sollten sie einmal vermischt sein. Ein Gemisch besteht aus zwei oder mehr verschiedenen Stoffen in beliebigem Mischverhältnis, das sich mit Hilfe physikalischer Verfahren auftrennen lässt. Die Stoffeigenschaften der Einzelstoffe bleiben im Gemisch erhalten. In dieser langen Definition sind vier wichtige Punkte enthalten, die sich am Beispiel des Gemisches Luft gut zeigen lassen: Definition: Zuckerwasser: - es besteht aus zwei oder mehr Stoffen Wasser, Zucker (Glukose), evtl. noch mehr - das Mischverhältnis ist beliebig 85 % Wasser, 15 % Zucker - Stoffeigenschaften bleiben erhalten Schmelzpunkte der Einzelstoffe usw. - lassen sich physikalisch trennen z. B. durch Verdampfen Um Zuckerwasser in seine beiden Einzelstoffe zu zerlegen, wird das Wasser erhitzt, so dass dieses verdampft ohne dass der Zucker dabei schmilzt (ist zwischen 100 C und 146 C möglich). Macht man das über längere Zeit, ist irgendwann alles Wasser verdampft und der Zucker bleibt übrig Wichtig: Nur weil die Stoffeigenschaften der Einzelstoffe erhalten bleiben, kann man sie mit Hilfe einer dieser Eigenschaften trennen (in diesem Fall mit der Stoffeigenschaft Siedetemperatur / Schmelztemperatur). Aufgabe 1: a) Rechts ist ein Stoffgemisch. Aus wie vielen Einzelstoffen besteht das Gemisch? b) Rechts ist ein weiteres Stoffgemisch. Aus wie vielen Einzelstoffen besteht dieses? Ein Blick zu den Lösungen zeigt Überraschendes. Tatsächlich sind die Lösungen jeweils korrekt. Der genaue Blick zu den Gemischen zeigt, warum die Lösungen richtig sind: Im oberen Beispiel sind nicht alle Balken genau gleich lang und dick. Es gibt längere und dickere, auch wenn der Unterschied jeweils nur ein Pixel beträgt. Das gleiche auch beim unteren Beispiel. Die scheinbaren Quadrate sind überhaupt nicht Quadratisch. Knapp die Hälfte sind 20 x 21 Pixel, der andere Teil 21 x 20 Pixel. Aber eben nicht gleich. Bei den meisten Gemischen sieht man die Unterschiede mit den Augen, ob es ein Gemisch oder ein Reinstoff ist. Bei manchen braucht es jedoch eine Lupe oder gar ein Mikroskop, um zu sehen, dass nicht alles gleich ist. Auf der anderen Seite gibt es aber auch Gemische, die auch mit den besten Lichtmikroskopen nicht unterscheidbar sind.

2 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 01 Gemische, deren Zusammensetzung aus verschiedenen Stoffen man mit Auge oder Lupe / Mikroskop erkennen kann, nennt man heterogen (hetero = anders, ungleich). Typisch bei heterogenen Gemischen ist auch, dass sie sich häufig ohne unser Zutun trennen. Gemische, deren Zusammensetzung aus verschiedenen Stoffen man auch mit Hilfe von Lupen / Mikroskopen nicht erkennen kann, nennt man homogen (homo = gleich) Aufgabe 2: A) Bestimme bei folgenden Stoffen, ob sie homo- oder heterogen sind. B) Mache jeweils eine Skizze vom Aussehen der Stoffe. a) Eisenpulver und Schwefelpulver: b) Zucker und Salz: a) b) c) Mehl und Wasser d) Salz und Wasser c) d) e) Wasser und Alkohol f) Wasser und Sirup e) f) g) Spülmittelwasser und Luft: g)

3 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 02 Name: Vorname: Datum: Aufgabe 1: a) Homogene Gemische: Homogene Gemische in fest in flüssig in gasförmig fest flüssig gasförmig b) Heterogene Gemische: Heterogene Gemische in fest in flüssig in gasförmig fest flüssig gasförmig Mit Feuer und brennenden Stoffen hast du schon gearbeitet. Mit der Zeit kommen immer mehr und mehr Stoffe hinzu, die gefährlich sind: Aufgabe 2: Gefährliche Stoffe haben Warnhinweise (ergänze und färbe richtig ein): Xi F F+ Xn T T+

4 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 02 Damit im Chemieunterricht möglichst keine Unfälle passieren, gelten folgende Regeln: 1) Nur die Gegenstände ins Chemiezimmer nehmen, die wirklich benötigt werden (keine Schultaschen usw.). 2) Den Anweisungen der Lehrperson ist Folge zu leisten, Versuchsvorschriften müssen befolgt werden! 3) Geräte werden nur auf Anweisung der Lehrperson in Betrieb genommen (das gilt insbesondere für elektrische Geräte und die Teclubrenner, aber auch für Wasser). 4) Chemikalien werden nur auf Anweisung der Lehrperson berührt oder geöffnet (vor dem Öffnen werden zudem die Warnhinweise gelesen), mit einem neuen Löffel für jede Chemikalie entnommen und sofort wieder geschlossen. 5) Chemikalien werden nie in den Mund genommen und nur auf Anweisung der Lehrperson wird an Chemikalien gerochen oder mit Haut in Kontakt gebracht. 6) Bei der Arbeit mit offenem Feuer müssen lange Haare zusammengebunden werden, zudem sind nicht benötigte Gegenstände aus der Nähe der Flamme zu entfernen. 7) Bei der Arbeit mit reizenden, spritzenden oder ätzenden Chemikalien ist das Tragen einer Schutzbrille Pflicht. 8) Grössere Mengen an Chemikalien (ab ½ l) werden immer mit beiden Händen und vorsichtig getragen. 9) Pipettieren mit dem Mund ist verboten. 10) Öffnungen von Gefässen (Reagenzgläsern) immer von den Personen weg. Nach Abschluss des Versuches wird der Teclubrenner gelöscht und alle Hähne werden nochmals kontrolliert, ob sie geschlossen sind. Elektrische Geräte werden ausgeschaltet, ausgesteckt und korrekt verstaut. Der Arbeitsplatz sauber aufgeräumt. Resten von Stoffen werden gemäss Anweisung der Lehrperson entsorgt. Es werden auch nur auf Anweisung der Lehrperson Stoffe zurück ins Gefäss gegeben. Wie immer gilt zudem: 1) Im Chemiezimmer wird nichts gegessen oder getrunken (auch keine Kaugummis und Halsbonbons). 2) Im Chemiezimmer wird nicht gerannt. 3) Im Chemiezimmer wird zweckmässige, nicht zu teure Kleidung getragen. Falls doch einmal etwas passiert: - Verletzungen (auch kleine) und Unwohlsein sind der Lehrperson zu melden. - ungeplante Brände sind der Lehrperson zu melden! Achtung, Wasser löscht nicht immer! - Berührungen mit reizenden oder ätzenden Stoffen sind gründlich mit Wasser abzuspülen und der Lehrperson zu melden. - Spritzer von reizenden oder ätzenden Stoffen in den Augen sind gründlich (> 10 min) mit Wasser auszuspülen und der Lehrperson zu melden. Aufgabe 3: Ergänze das Feuerdreieck und erkläre:

5 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 03 Name: Vorname: Datum: Aufgabe 1: Die Lehrperson macht ein Gemisch aus Sand und Erde (Zeichne das Gemisch in das linke Becherglas). Dieses Gemisch soll physikalisch aufgetrennt werden. Das Verfahren, das sich hier eignet, ist die Sedimentation. Die Lehrperson gibt dazu Wasser ins Gemisch und rührt es kräftig um (das nennt man Aufschlämmen). Nun lassen wir das Gemisch mehrere Minuten stehen (Zeichne schliesslich das Gemisch, wie es am Ende ist in das Becherglas rechts). a) Beschreibe, was geschehen ist: Wo befindet sich der Sand, wo die Erde? b) Nach welcher Stoffeigenschaft wird hier getrennt? c) Wo tritt Sedimentation im Alltag auf oder wird als Trennmethode gebraucht? Unerwünscht: Das Wegschütten der Flüssigkeit, die am Ende des Versuchs oben ist, nennt man Dekantieren. Den Versuch oben kann man auch stark beschleunigen. Man gibt dazu das Gemisch aus Sand, Erde und Wasser in eine Zentrifuge. Nachher wird die Zentrifuge schnell gedreht, man nennt das Zentrifugieren. d) Zeichne das Gemisch zu Beginn in das Reagenzglas links, das am Ende in das rechte. e) Wo braucht man die Zentrifuge im Alltag?

6 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 03 Aufgabe 2: Du hast ein Gemisch aus Salz und Reis. Dieses Gemisch soll physikalisch aufgetrennt werden. Dazu eignet sich idealerweise das Sieben. Gib das Gemisch in ein Küchensieb und schüttle es leicht oberhalb der Schale (Zeichne, wo sich die beiden Teile des Gemisches nach dem Sieben befinden). a) Beschreibe, was geschehen ist: Wo befindet sich das Reis, wo das Salz? b) Nach welcher Stoffeigenschaft wird hier getrennt? c) Wo tritt das Sieben im Alltag auf oder wird als Trennmethode gebraucht? Unerwünscht: Die ganze Fischerei mit Netzen basiert übrigens auf einer Form des Siebens mit Netzen. Der Festkörper (Fisch) wird aus der Flüssigkeit (Wasser) gesiebt. Aufgabe 3: Du hast ein Gemisch aus Wasser und Mehl. Dieses Gemisch soll physikalisch aufgetrennt werden. Hier eignet sich das Verfahren der Filtration. Stelle einen Kaffeefilter in einen Trichter und halte ihn über die Schale. Schütte dann das Gemisch in den Filter (Zeichne, was mit dem Gemisch geschieht). a) Beschreibe, was geschehen ist: Wo befindet sich das Wasser, wo das Mehl? b) Nach welcher Stoffeigenschaft wird hier getrennt? c) Wo tritt das Filtrieren im Alltag auf oder wird als Trennmethode gebraucht? Sowohl bei Sieben wie auch bei Filtern kann man über die Variation der Durchlassgrösse ganz unterschiedliche Sieb- und Filterwirkungen erzielen.

7 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 04 Name: Vorname: Datum: Aufgabe 1: Du hast ein gelöstes Gemisch aus Salz und Wasser in einem grossen Gefäss. Dieses Gemisch soll physikalisch aufgetrennt werden. Dies ist an vielen Orten der Welt wichtig, schliesslich hat man in allen Meeren und Ozeanen genau dieses Gemisch. Je nach dem braucht man aus diesem Gemisch entweder das Salz für den Verkauf oder aber das Wasser zum Trinken. Einfacher ist es, ans Salz zu kommen: In einem solchen Fall eignet sich das Verfahren des Eindampfens. Gib dazu das Gemisch in ein feuerfestes Gefäss (z. B. ein Reagenzglas) und erhitze es über dem Teclubrenner. Erhitze es so lange, bis alles Wasser verdampft ist und ein Rest im Reagenzglas übrig bleibt. a) Beschreibe, was geschehen ist: Was für ein Rest befindet sich im Reagenzglas? b) Nach welcher Stoffeigenschaft wird hier getrennt? c) Wo tritt Eindampfen im Alltag auf oder wird als Trennmethode gebraucht? Unerwünscht: Manchmal will man aber wie gesagt nicht das Salz haben, sondern das Wasser: In einem solchen Fall eignet sich das Verfahren der Destillation. Dazu wird das Gemisch in eine Pfanne gegebenen und das Wasser bei geschlossenem Deckel zum Kochen gebracht. Sammle das Kondenswasser am Deckel der Pfanne in einem Gefäss und teste sowohl das Wasser in der Pfanne wie auch das vom Deckel (das Probieren ist in diesem Versuch ausnahmsweise erlaubt). d) Beschreibe, wie das Wasser in der Pfanne und das Wasser am Deckel schmeckt: e) Nach welcher Stoffeigenschaft wird hier getrennt?

8 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 04 Die Gewinnung von Trinkwasser aus Salzwasser ist sehr wichtig, denn Salzwasser ist an vielen Orten in riesigen Mengen verfügbar. Trinkwasser hingegen ist in vielen Ländern Mangelware. Dafür gäbe es eine ganz einfache Methode, die überall auf der Welt angewendet werden kann: In eine grosse Schale mit Salzwasser wird ein kleines Gefäss gestellt. Darüber wird eine Klarsichtfolie gelegt und in der Mitte mit einem Stein beschwert. So lässt man es in der Sonne stehen. Wegen der Sonne verdampft Wasser und kondensiert an der Folie und läuft daran herunter zur tiefsten Stelle, wo es ins kleine Gefäss tropft. Mit der Zeit füllt sich das kleine Gefäss mit salzfreiem, entkeimtem Trinkwasser. Aufgabe 2: Die Lehrperson hat ein Gemisch aus Wasser und Alkohol. Dieses Gemisch soll aufgetrennt werden, wobei sie den Alkohol gewinnen will. Dazu eignet sich das Verfahren der Destillation. a) Beschreibe die Einzelteile des Destillationsapparates: b) Beschreibe, was geschieht: Wo ist der Alkohol, wo ist das Wasser? c) Nach welcher Stoffeigenschaft wird hier getrennt? d) Wo tritt Destillation im Alltag auf oder wird als Trennmethode gebraucht?

9 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 05 Name: Vorname: Datum: Aufgabe 1: Du hast ein Gemisch aus Sand und Eisen. Dieses Gemisch soll physikalisch aufgetrennt werden. Hier eignet sich das Magnetscheide-Verfahren. Decke dazu einen Magneten mit einem Papier ab und halte ihn in die Nähe des Gemisches (Zeichne, was mit dem Gemisch geschieht). a) Beschreibe, was geschehen ist: Wo ist das Eisen, wo der Schwefel? b) Warum soll ein Stück Papier zwischen dem Magneten und dem Gemisch sein? c) Nach welcher Stoffeigenschaft wird hier getrennt? d) Wo tritt das Magnetscheiden im Alltag auf oder wird als Trennmethode gebraucht? Unerwünscht: Aufgabe 2: Die Lehrperson hat ein Süssgetränk vor sich. Diese sind immer ein Gemisch aus ganz verschiedenen Stoffen. Der Farbstoff, soll aus dem Getränk entfernt werden. Dazu eignet sich das Verfahren der Adsorption (je nach Typ auch Absorption). Die Lehrperson gibt durch den Kaffeefilter mit Aktivkohlepulver grossen Schluck vom Süssgetränk. a) Beschreibe, was geschehen ist: Wo ist das Süssgetränk, wo ist der Farbstoff?

10 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 05 b) Nach welcher Stoffeigenschaft wird bei der Adsorption getrennt? c) Wo tritt Adsorption im Alltag auf oder wird als Trennmethode gebraucht? Unerwünscht: Aufgabe 3: Die Lehrperson hat vor sich einen Filzstift und Tinte oder zwei Filzstifte. Farben in Filzstiften bzw. Tinte ist ein Gemisch aus ganz unterschiedlichen Stoffen. Die Zusammensetzung ist bei jedem Stift leicht anders, auch wenn sie die exakt gleiche Farbe haben. Auch das Alter des Geschriebenen spielt eine Rolle. Das physikalische Verfahren, diese Stoffe aufzuteilen, nennt man Chromatographie. Die Lehrperson bereitet den Versuch vor. Er dauert einige Zeit. a) Beschrifte den Versuchsaufbau: b) Beschreibe, was geschehen ist und zeichne das auf der Skizze ein: c) Nach welcher Stoffeigenschaft wird hier getrennt? d) Wo tritt Chromatografie im Alltag auf oder wird als Trennmethode gebraucht? Unerwünscht:

11 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 06 Name: Vorname: Datum: Eine Art physikalisches Verfahren hast du vermutlich schon so oft gemacht, dass wir es im Unterricht weglassen: Die Extraktion. Dieses Verfahren wird immer dann gemacht, wenn man gewisse Stoffe aus einem Gemisch herauslösen möchte: - Geschmacksstoffe aus den Teekräutern - Geschmacksstoffe aus dem Kaffeepulver - Zucker aus den Zuckerrüben Lösen - Duftstoffe aus den Pflanzen herauslösen bei der Parfumherstellung Manchmal tritt der Effekt aber auch in unerwünschter Weise auf: - Vitaminverlust beim Gemüse kochen - Abfärben von Kleidern beim Waschen. Aufgabe 1: Nach welcher Stoffeigenschaft wird bei der Extraktion getrennt? In mehr als der Hälfte der Versuche, die gerade gemacht wurden, war ein Stoff beteiligt: Wasser Wasser ist für uns Menschen der wohl wichtigste Stoff, da er über zahlreiche Eigenschaften verfügt, die ihn einzigartig machen. Eine dieser Eigenschaften ist die Tatsache, dass Wasser das wohl beste Lösungsmittel ist. In Wasser lassen sich nicht nur viele Feststoffe wie Kalzium, Natrium, Magnesium lösen, sondern auch Flüssigkeiten wie Alkohol, Aceton und Gase wie Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff. Die Löslichkeit der verschiedenen Stoffe ist beschränkt und von der Temperatur abhängig. Die Tabelle zeigt die Mengen je Liter Wasser: Stoff bei 20 C bei 50 C bei 80 C Natriumchlorid (Kochsalz) 358 g 368 g 381 g Saccharose (Zucker) 1970 g 2590 g 3690 g Alkohol unbeschränkt unbeschränkt unbeschränkt Kalziumsulfat (Gips) 2,20 g - 0,68 g Kalziumhydroxid (Kalk) 1,70 g 1,30 g 0,87 g Sauerstoff 0,043 g 0,029 g 0,025 g Kohlendioxid (CO 2 ) 1,670 g 0,820 g 0,590 g Aufgabe 2: Begründe, ob die Aussagen stimmen: a) Bei Zucker und Kochsalz nimmt die Löslichkeit mit steigender Wassertemperatur zu. b) Bei allen Stoffen nimmt die Löslichkeit mit steigender Wassertemperatur zu. c) Zucker lässt sich am besten in Wasser auflösen. Diese gute Löslichkeit des Wassers zeigt ihre ganze Wichtigkeit in unserem eigenen Körper. Das Blut (eine Flüssigkeit vor allem aus Wasser), transportiert gelöste Stoffe dorthin, wo sie benötigt werden. Und auch sonst sind alle möglichen Stoffe in unserem Körper gelöst. Es wundert also nicht weiter, dass ein Mensch ohne Wasser höchstens zwei Tage überleben kann und er selbst aus rund 65 % Wasser besteht.

12 N & T (R) 3 Physikalische Verfahren 06 Die andere sehr wichtige Eigenschaft von Wasser ist die so genannte Anomalie des Wassers. Während bei normalen Stoffen die Dichte sinkt, je wärmer der Stoff wird und die Dichte steigt, je kälter der Stoff wird, so ist bei Wasser die höchste Dichte mittendrin. Die Tabelle zeigt die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur, jeweils in g/dm 3. Eis 0 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 C ,84 999,90 999,94 999,96 999,97 999,96 999,94 999,90 999,85 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C 80 C 90 C 100 C 999,70 998,20 995,64 992,21 988,03 983,19 977,76 971,79 975,30 958,35 Aufgabe 3: Bei welcher Temperatur ist die Dichte am grössten? Dass das so ist, ist von sehr grosser Wichtigkeit. Bei den Experimenten zur Sedimentation haben wir festgestellt, dass die höchste Dichte unten ist. Bei unseren Seen ist das ganz wichtig: Eis ist leicht, es schwimmt immer oben, die tiefen Wasserschichten haben im Winter 4 C. Warmes Wasser ist leicht, es schwimmt immer oben, die tiefen Wasserschichten haben im Sommer 4 C. Dadurch findet allein schon auf Grund der Wassertemperatur und vor allem auch wegen dem Wind ein ständiges Umwälzen des Wassers statt. Zudem hat das Seewasser in der Tiefe, zumindest bei tiefen Seen eine meist konstante Temperatur von 4 C. Der Wechsel von warmem zu kaltem Wasser im Sommer nennt man Sprungschicht. Winter Eis 19 C 0 C 17 C 1 C 10 C 2 C 8 C 3 C 6 C 4 C 4 C Sommer Aufgabe 4: Warum ist die Anomalie des Wassers so wichtig? Aufgabe 5: Die Lehrperson füllt zwei grosse Bechergläser mit Wasser. In einem ist kaltes Wasser, im anderen heisses. Sie gibt je ein Korn Kaliumpermanganat ins Wasser. Beschreibe und zeichne: