Wärmelehre in der Chemie

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1 Wärmelehre in der Chemie Bevor wir uns weiter mit chemischen Reaktionen beschäftigen, müssen wir zuerst einen physikalischen Grundbegriff genauer anschauen: Die Temperatur. Die Temperatur hat nämlich einen grossen Einfluss auf die Chemie und chemische Vorgänge. Aber was ist überhaupt Temperatur genau? Weshalb sind die gleichen Stoffe mal fest, mal flüssig und mal gasförmig? Was passiert bei den Übergängen? Genau mit diesen Aggregatzuständen wollen wir beginnen. In der ersten Lernumgebung haben wir bereits die drei verschiedenen Aggregatzustände von Wachs kennen gelernt. Nun wollen wir dies schriftlich festhalten und auch die korrekten Namen der Zustandsänderungen besprechen. Aggregatzustände & Zustandsänderung Um dem Geheimnis der rätselhaften Stoffumwandlungen näher zu kommen, befassen wir uns in diesem Kapitel ausführlich mit dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand. Um unsere Erfahrungen mit diesen Zuständen zu vertiefen, machen wir einige Experimente zu Zustandsänderungen mit flüssigem Stickstoff (Ordnungszahl 7, Symbol N). Studiere hierfür zuerst die Tabelle rechts für eine Minute. EXPERIMENTE zu ZUSTANDSÄNDERUNGEN Stoff Schmelz- Siedepunkt punkt Helium Wasserstoff Sauerstoff Stickstoff Alkohol Kohlendioxid -79 Wasser Natrium Glas Ab 600 Kohlenstoff ! SCHMELZEN: Exp. 1. Nimm einen feinen dünnen Glasstab und halte diesen ein paar Minuten über der rauschenden Bunsenbrennerflamme. Versuche nun, den Glasstab zu krümmen und in die Länge zu ziehen. VORSICHT: Heisses Glas sieht genau gleich aus wie kaltes Glas!! ERSTARREN: Exp Beim Lehrerpult hat es einen grossen Topf mit flüssigem Stickstoff. Wir halten nun Stoffe, mit einem hohen Wasseranteil für kurze Zeit in den flüssigen Stickstoff. Beschreibe unten kurz deine Beobachtungen auf: Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 1

2 Exp Wir befühlen ein RG 1/3 voll mit Ethanol und stellen dieses in ein Stickstoffbad. Danach geben wir Ethanol in einen Standzylinder. Sobald das Ethanol im RG gefroren ist, geben wir den Ethanolwürfel in das flüssige Ethanol. Was erwartest du?! VERDAMPFEN: Exp. 3.1.Wir kippen ein wenig flüssigen Stickstoff auf den Boden. Bereits nach kurzer Zeit ist der Stickstoff verschwunden. Was ist passiert? Exp Wir geben eine kleine Menge flüssigen Stickstoff in etwas warmes Wasser. Exp Verdampfen von flüssigem Stickstoff Mit Hilfe von Wasser wird an einem Reagenz-Glas (RG) eine 1 ml Markierung angebracht. Dieses RG wird nun mit etwa 2 ml flüssigem Stickstoff gefüllt. Sobald soviel Stickstoff verdampft ist, dass im RG nur noch 1 ml flüssiger Stickstoff zurückbleibt, verschliesst man es mit einem Ballon.! KONDENSIEREN: Exp Nimm einen Ballon und puste diesen gut mit Atemluft auf. Halte den Ballon in ein Stickstoffbad. Beschreibe deine Beobachtungen: PS: Luft besteht aus: % Stickstoff, % Sauerstoff + verschiedene Gase wie Argon 0.9%, Kohlenstoffdioxid 0.04%. Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 2

3 Exp Befühle eine Metallschale mit flüssigem Stickstoff. Nach kurzer Zeit wird sich am Aussenrand eine Flüssigkeit ansetzen. Was könnte das sein? Mach eine Glimmspannprobe. Exp Ein Gefäss wird randvoll mit flüssigem Stickstoff gefüllt. Anschliessend wird ein grosses RG gemäss Abbildung im flüssigen Stickstoff platziert. Nach etwa 15 Minuten wird das RG in einen RG-Ständer gestellt. In die aus dem RG aufsteigenden Gase wird immer wieder ein glühender Holzspan gehalten.! SUBLIMIEREN & RESUBLIMIEREN: Exp. 5. Wir blasen erneut einen Ballon auf. Nun aber nicht mit Atemluft, sondern mit CO2. Nun stülpen wir den Ballon über ein Reagenzglas. Es darf kein Gas entweichen. Jetzt machen wir eine Drahtschlaufe um das RG und hängen es in den Behälter mit dem flüssigen Stickstoff Warten und anschliessend deine Beobachtung aufschreiben: Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 3

4 DIE AGGREGATZUSTÄNDE 1. Wähle einen dir bekannten Stoff als Beispiel. Trage den Stoffnamen und die passenden Temperaturen in die Kreise ein. Verwende dazu die Tabellen im Schulbuch. 2. Trage die richtigen Begriffe für die Änderungen der Aggregatzustände in die Pfeile ein. 3. Nenne jeweils fünf Stoffe, die bei Zimmertemperatur a) fest sind: b) flüssig sind: c) gasförmig sind: Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 4

5 ZUSAMMENFASSUNG Die meisten Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Die Temperaturen, wann diese Veränderungen eintreten, sind aber ganz unterschiedlich. Fest, flüssig oder gasförmig aber immer derselbe Stoff Beim Schmelzen bzw. Sieden eines Stoffs finden typischerweise keine Stoffumwandlungen statt. Für alle Stoffe gilt: Egal ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig vorliegt, es handelt sich immer um denselben Stoff. Es gibt aber Stoffe welche es nie flüssig oder gasförmig geben wird. (Glas, Zucker, etc. ) Volumen: Mit zunehmender Temperatur nimmt das Volumen von Stoffen zu. Im Gaszustand führt eine Temperaturerhöhung zu besonders grosser Volumenzunahme. Dichte: Beim Übergang von der festen Phase über die flüssige zur gasförmigen Phase nimmt die Dichte von Stoffen ab. Besonders gäsformig ist die Dichte eines Stoffes wesentlich kleiner als im festen oder flüssigen Zustand. Druck: Mit zunehmendem Druck nimmt das Volumen von Gasen deutlich ab. Bei Feststoffen und Flüssigkeiten hat eine Druckerhöhung keinen nennenswerten Einfluss auf das Volumen. Wie überall gibt es auch in der Chemie immer wieder Stoffe, welche hiervon abweichen. Nun haben wir etwas Neues entdeckt, aber es stellen sich schon wieder viele Fragen:! Woran liegt es, dass ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist?! Warum sind die Schmelz- und Siedepunkte für verschiedene Stoffe oft sehr verschieden?! Was passiert beim Schmelzen und Sieden?! Warum nimmt die Dichte von Stoffen mit zunehmender Temperatur ab, das Volumen aber nimmt zu?! Warum ist beim Verdampfen die Dichte-Abnahme und die Volumenzunahme besonders gross?! Warum unterscheiden sich Gase so sehr von Feststoffen und Flüssigkeiten? Dass all dies irgendwie mit der Temperatur zusammenhängt scheint plausibel. Wie können wir dies aber auf eine einfache Art und Weise erklären? Dafür müssen wir vorher kurz auf die Frage eingehen: Was ist überhaupt die Temperatur genau? Bevor wir uns aber diese Frage stellen, lernen wir ein erstes chemisches Model kennen, nur müssen wir davor zuerst kurz besprechen, was ein Modell ist... Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 5

6 Wärmelehre in der Chemie & KTM CHEMIE EXKURS: DAS MODELL Im Chemieunterricht verwendet man immer wieder den Begriff Modell. Aber was versteht man unter dem Wort Modell eigentlich genau? Löst nun in 3er / 4er Gruppen Aufgabe 1 (a-d). Anschliessend besprechen wir die Resultate im Plenum. (Ev. zuerst mit Bleistift schreiben). Aufgabe 2 besprechen wir gemeinsam. Aufgabe 1: Versuche Antworten auf die nachfolgenden Fragen zu geben. a) Wo hast du in deinem Alltag bereits Modelle angetroffen? b) Was versteht man unter einem Modell? c) Welche Eigenschaften hat ein Modell? d) Wozu dient ein Modell? Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 6

7 Wärmelehre in der Chemie & KTM CHEMIE Aufgabe 2: Betrachte die gezeigten Abbildungen und entscheide, ob es sich jeweils um ein Modell handelt oder nicht! Versuche auch den Grund deiner Wahl zu erörtern! A C B D F E G H Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 7

8 A: Verdauung beim Pantoffeltierchen Modell? ja nein B: Ellenbogengelenk Modell? ja nein Begründung: Begründung: C: Stockwerke des Waldes Modell? ja nein D: Stammbaum der Wirbeltiere Modell? ja nein Begründung: Begründung: E: Pflanzenzelle Modell? ja nein F: Regulation der Körpertemperatur Modell? ja nein Begründung: Begründung: G: Gelenktypen Modell? ja nein H: Fossil eines Fischsauriers Modell? ja nein Begründung: Begründung: Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 8

9 EXKURS: DAS KUGEL-TEILCHEN-MODELL (KTM) Wir starten mit einem kleinen Experiment. Wir giessen je 50 ml Wasser und 50 ml Alkohol in einen Meßzylinder. Anschliessend wird das Wasser bis auf den letzten Tropfen zum Alkohol gegossen. Was beobachtest du dabei? Deine Beobachtung: Diese Beobachtung lässt sich relativ einfach erklären. Wir fahren aber zuerst mit einer weiteren Frage weiter:! Sind Stoffe unendlich teilbar oder sind sie nur begrenzt teilbar, also aus kleinsten Teilchen aufgebaut? Nehmen wir als Beispiel Wasser. Kann ich Wasser unendlich Teilen oder gelange ich irgendwann an ein Ende, wo sich Wasser nicht mehr teilen lässt? Was meint ihr? Einigen von euch wird die Abkürzung H2O von Wasser bekannt sein. Wofür stehen diese Buchstaben & Zahlen? (Mach auch eine kleine Skizze) Genau dies ist nun das kleinste Teilchen von Wasser (das Wassermolekül). Nach schier endlosem Teilen von Wasser würden wir am Ende noch dieses eine Teilchen haben. Sollten wir dieses eine Wasserteilchen noch weiter aufteilen, haben wir kein Wasser mehr, sondern Wasserstoff und Sauerstoff. Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 9

10 Um einschätzen zu können, wie klein die kleinsten Teilchen der Stoffe sind, machen wir ein Gedanken-Experiment. Wir gehen von 36'000'000 km 3 Wasser aus ( ca 8x das Mittelmeer!) und entnehmen aus dieser gewaltigen Wassermenge einen Tropfen Wasser. Teilt man diesen Tropfen Wasser ebenso oft auf, so kommt man gemäss der chemischen Theorie bei einem kleinsten Wasser-Teilchen an. Da das Prinzip der Kleinsten Teilchen für die Chemie so wichtig ist, wird es nochmals mit Hilfe von Büro-Klammern veranschaulicht: Eine bestimmte Menge Büro-Klammern kann man also nicht beliebig oft aufteilen. Sobald man bei einer Büro-Klammer angelangt ist, ist eine weitere Aufteilung nicht mehr möglich, ohne die Büro- Klammer zu zerstören. Zusammenfassung: Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 10

11 Darstellung: Das KTM wird vor allem graphisch, d.h. in Form von Skizzen oder Grafiken eingesetzt. Die kleinsten Teilchen werden dabei als KUGELN dargestellt. (Daher auch der Name...) Jedes kleinste Teilchen ist eine Kugel. Nehmen wir das Experiment mit Wasser und Ethanol grad als Beispiel: Nimm für unterschiedliche Stoffe unterschiedliche Farben! Wasser Ethanol Wasser & Ethanol Somit haben wir nun einen grossen Teil des KTM erarbeitet. Dazu fügen wir 3 weitere Aspekte hinzu und erhalten bereits eine gute Definition des KTM: Definition Kugel-Teilchen-Modell! Materie besteht aus kugelförmigen kleinsten Teilchen.! Die Teilchen verschiedener Stoffe sind verschieden gross.! Der Raum zwischen den kleinsten Teilchen ist leer.! Zwischen den kleinsten Teilchen wirken Anziehungskräfte (sonst würde ja alles auseinanderfallen...) Offen ist aber immer noch die anscheinend so einfache Erklärung des ersten Experiments mit dem Wasser und dem Alkohol. Als Erklärung und zugleich als Beweis für die Richtigkeit des KTM führen wir einen weiteren Versuch durch und ersetzen das Wasser mit Kichererbsen und den Alkohol mit Hirsekörner. Der viel kleinere Durchmesser der Hirse ermöglicht ihr, die Zwischenräume der Kichererbsen aufzufüllen. Dadurch wird Raum gespart und die beiden Volumen können nicht 1zu1 addiert werden. Genau so verhält es sich mit dem Wasser und dem Alkohol. Ein kleinstes Teilchen wird kleiner sein und die Zwischenräume des anderen kleinsten Teilchens auffüllen. Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 11

12 PHYSIKALISCHES GRUNDWISSEN: DIE TEMPERATUR Was ist Temperatur? In diesem Unterkapitel interessiert uns vor allem, was Temperatur physikalisch ist. Da die Temperatur eng mit dem KTM verbunden ist, ziehen wir dieses zur Erklärung der Temperatur bei: Die kleinsten Teilchen eines Stoffes sind in ständiger Bewegung. Umso schneller die Bewegung dieser Teilchen ist, umso höher ist auch die Temperatur des Stoffes. Die Temperatur-Skala weisst einen interessanten Aspekt auf. Die tiefstmögliche Temperatur ist C. Im Gegensatz dazu kann die Temperatur nach oben hin beliebig gesteigert werden. Im Inneren unserer Sonne ist es etwa 20 Millionen C heiss. Mit Hilfe des KTM kann man nun die Temperatur-Skala verstehen: Die tiefste Temperatur ist erreicht, wenn die Kleinsten Teilchen keine Bewegungs-Energie mehr aufweisen, sie stehen dann völlig still. Nach oben hin ist der Bewegungs-Energie der Kleinsten Teilchen jedoch keine Grenze gesetzt, die Temperatur kann also nach oben hin beliebig weit steigen. Dass sich die kleinsten Teilchen immer stärker bewegen, um so wärmer diese sind, lässt sich mit einem einfachen Versuch aufzeigen. Wir geben einige Tropfen Tinte in kaltes und warmes Wasser. Was kannst du dabei feststellen? Schreibe deine Erkenntnis auf ergänze die beiden Bechergläser mit Wasser und Tinte. Kaltes Wasser Warmes Wasser Beobachtung & Erkenntnis: Definition Temperatur: Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 12

13 DIE VERBINDUNG: DIE AGGREGATSZUSTÄNDE MIT DEM KTM Verbinden wir nun das Wissen über das KTM und die Temperatur, lassen sich die Aggregatszustände auf überzeugende Weise beschreiben: Für die kleinsten Teilchen im festen Zustand gilt: die Temperatur ist tief, dadurch... bewegen sich die Teilchen nur geringfügig es bestehen starke Anziehungskräfte zw. den Teilchen die Teilchen liegen daher sehr dicht aneinander Für die kleinsten Teilchen im flüssigen Zustand gilt: die Temperatur steigt an, dadurch... bewegen sich die Teilchen stärker die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen sind kleiner als in einem Feststoff die Teilchen nehmen daher keine festen Plätze ein, sie sind gegeneinander beweglich, berühren sich aber immer noch gegenseitig Für die kleinsten Teilchen im gasförmigen Zustand gilt: die Temperatur ist hoch, dadurch sind... die Teilchen frei beweglich und sie bewegen sich mit großer Geschwindigkeit die Anziehungskräfte zw. den Teilchen sind gering die Abstände der Teilchen sind sehr groß. Sie verteilen sich im ganzen Raum. Zusammenfassung Alle Körper bestehen aus winzigen Teilchen, die sich ständig bewegen. Wird einem Körper Energie zugeführt, so werden die Bewegungen heftiger und wir registrieren eine Erwärmung. Steigt die Teilchenbewegung weiter an, so geht die Gitterstruktur verloren und der feste Körper wird flüssig. Nehmen die Bewegungen noch weiter zu, so werden immer mehr Teilchen aus der Flüssigkeit hinausgeschossen, der Stoffe verdampft somit und wird gasförmig. Nun benötigen die kleinsten Teilchen für ihre Bewegung sehr viel mehr Raum, so dass das Volumen eines gasförmigen Stoffes enorm ansteigt. Nun können wir auch die Eingangs gestellten Fragen beantworten: Das Volumen von Stoffen nimmt mit erhöhter Temperatur zu, weil sich die kleinsten Teilchen eines Stoffes mit steigender Temperatur immer heftiger bewegen und dadurch mehr Raum und Volumen einnehmen. Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 13

14 WÄRME-TRANSPORT UND DAS KUGEL-TEILCHEN-MODELL Kommt ein heisser Körper mit einem kalten Körper in Kontakt, so erwärmt sich der kalte Körper während der heisse Körper abkühlt. Wenn der Kontakt lange genug andauert, haben beide Körper nach einer gewissen Zeit die gleiche Temperatur. Auf der Ebene des Kugel-Teilchen-Modells bedeutet das: Die Kleinsten Teilchen des heissen Körpers besitzen eine grosse mittlere Bewegungs-Energie, die des kalten Körpers eine geringe mittlere Bewegungs-Energie. Wenn beide Körper in Kontakt miteinander treten, stossen die schnellen Teilchen des heissen Körpers mit den langsamen Teilchen des kalten Körpers zusammen. Dabei wird Bewegungs- Energie von den schnellen auf die langsamen Teilchen übertragen. Nach einer gewissen Zeit ist die mittlere Bewegungs-Energie der Kleinsten Teilchen beider Körper gleich gross. Die Zufuhr von Wärme-Energie bedeutet auf der Ebene der Kleinsten Teilchen die Steigerung der mittleren Bewegungs-Energie der Kleinsten Teilchen. Mit Hilfe des Kugel-Teilchen-Modells und der Temperaturdefinition kann man die Temperatur-Skala verstehen: Die tiefste Temperatur ist erreicht, wenn die Kleinsten Teilchen keine Bewegungs-Energie mehr aufweisen, sie stehen dann völlig still. Nach oben hin ist der Bewegungs-Energie der Kleinsten Teilchen jedoch keine Grenze gesetzt, die Temperatur kann also nach oben hin beliebig weit steigen. REAKTIONEN UND DAS KTM Experminent: Wir befühlen einen Ballon mit Wasserstoff und einen mit Wasserstoff und Sauerstoff. Warum explodiert der mit dem Gemisch gefüllte Ballon viel heftiger als ein mit Wasserstoff gefüllter Ballon? Mach auch eine Skizze mit dem KTM. Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 14

15 Aufgaben 1. Wie wir in der ersten Lernumgebung gelernt haben, spaltet sich Wachs bei hohen Temperaturen. Wachs -> Wasserstoff + Kohlenstoff. Zeichne diesen Vorgang mit Hilfe des KTM unten in die 2 Felder. 2. Antworte mit Hilfe des KTM: Warum nimmt die Dichte von Stoffen mit zunehmender Temperatur ab? 3. Antworte mit Hilfe des KTM: Warum nimmt das Volumen von Stoffen mit zunehmender Temperatur zu? 4a. Kannst du erklären, weshalb Luft ein guter Isolator ist und Vakuum der Beste? 4b. Kannst du auch begründen, ob ein Stück Mozzarella an der Luft oder im Wasser schneller auftaut? Wärmelehre in der Chemie 30. Nov. 16 Seite 15