CHEMISCHE REAKTIONEN (SEKP)
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- Hansi Boer
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1 KSO CHEMISCHE REAKTIONEN (SEKP) Skript Chemische Reaktionen (SekP) V1.0 01/15 Bor
2 2 INHALTSVERZEICHNIS "CHEMISCHE REAKTIONEN" 1. Einleitung Stoffe wandeln sich um Kupfer reagiert mit Schwefel Element und Verbindung Analyse vs. Synthese Physikalische vs. Chemische Trennverfahren Chemische Reaktion und Teilchenmodell Chemische Reaktion und Energie Exothermen vs. Endotherme Reaktionen Übungen... 08
3 3 1. Einleitung Was genau ist eigentlich Chemie? Einfach ausgedrückt, behandelt dieser ganze Zweig der Wissenschaft alles über Materie, die irgendetwas ist, das Masse hat und Platz einnimmt. Chemie ist die Studie über die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Materie und die Veränderungen, denen sie ausgesetzt ist. Chemie kommt hauptsächlich dort ins Spiel, wo Veränderungen stattfinden. Materie besteht entweder aus reinen Substanzen oder aus Mischungen davon. Die Veränderung von einer Substanz in eine andere nennen die Chemiker chemische Änderung oder chemische Reaktion. Wenn diese stattfindet, ist das ein Höhepunkt im Leben des Chemikers, denn es entsteht etwas gänzlich Neues. In diesem Skript sollen einige Grundbegriffe der chemischen Reaktionen gelehrt werden, damit der weitere Verlauf der Chemie ein wenig verständlicher wird. Einführungsexperiment I: Fischer + Frau Beobachten Sie das gezeigte Experiment und machen Sie sich gegebenenfalls Notizen. Woran erkennt man im gezeigten Experiment, dass es sich mit Bestimmtheit um eine chemische Reaktion handeln muss? Einführungsexperiment II: Bier brauen Beobachten Sie das gezeigte Experiment und machen Sie sich gegebenenfalls Notizen. Woran erkennt man im gezeigten Experiment, dass es sich mit Bestimmtheit um eine chemische Reaktion handeln muss? Einführungsexperiment III: Alufolie im Bromfeuer Beobachten Sie das gezeigte Experiment und machen Sie sich gegebenenfalls Notizen. Woran erkennt man im gezeigten Experiment, dass es sich mit Bestimmtheit um eine chemische Reaktion handeln muss?
4 4 2. Stoffe wandeln sich um In einer chemischen Reaktion werden Substanzen (Elemente und / oder Verbindungen) in andere Substanzen (Verbindungen und / oder Elemente) umgewandelt. Sie können dabei kein Element in ein anderes in einer chemischen Reaktion ändern, etwa wie bei einer Kernreaktion (siehe später im Skript "Atome, PSE, Elektronen"). Stattdessen schaffen Sie eine neue Substanz mit Hilfe chemischer Reaktionen. Wir wollen uns in diesem Kapitel mit den chemischen Reaktionen und chemischen Gleichungen befassen. Da es oft vor kommt, dass solche chemischen Gleichungen relativ kompliziert sind, beginnen wir mit einer Reaktion aus zwei Reinstoffen. 2.1 Kupfer reagiert mit Schwefel Im Folgenden wollen wir sehen, was aus den beiden Reinstoffen Kupfer und Schwefel entsteht. Experiment: Kupfer + Schwefel Notieren Sie sich die wichtigsten Beobachtungen / Erkenntnisse des gezeigten Experimentes. Wir können also festhalten: Nach dem Erkalten des Streifens erkennt man, dass sich kleine blauschwarz glänzende Kristalle gebildet haben. Wenn wir den blauschwarzen Stoff genauer untersuchen, stellen wir fest, dass er spröde ist und aus durch und durch einheitlichen Bausteinen aufgebaut ist. Der blauschwarze Stoff lässt sich mit keinem uns bisher bekannten Verfahren trennen. So können wir mit Sicherheit sagen, dass wir aus den Reinstoffen Kupfer und Schwefel einen neuen Stoff hergestellt haben, der keine Eigenschaften der Ausgangsstoffe mehr enthält. Der neue Stoff heisst:...
5 5 Aufgabe I: Notieren Sie sich die wichtigsten Unterschiede in den Eigenschaften der Ausgangsstoffe und des Endstoffes mithilfe der gezeigten Folie(n). Der neue Stoff ist ein Reinstoff, der eine nur für ihn typische Kombination von Eigenschaften aufweist. Wegen seiner Sprödigkeit und hohen Schmelztemperatur ordnet man ihn wohl welchen Stoffen zu? Beim Zusammenbringen und Erhitzen von Schwefel und einem Metall entsteht ein völlig neuer Stoff. Das jeweilige Metall und der Schwefel sind nicht mehr vorhanden. Einen solchen Vorgang, bei dem ein neuer Stoff entsteht und gleichzeitig andere Stoffe verschwinden, nennt man eine chemische Reaktion. Es gibt einige Merkmale chemischer Reaktionen - etwas offensichtlich Neues wird produziert, ein Gas wird erzeugt oder es entsteht Wärme oder diese wird verbraucht. Die chemischen Substanzen, die schließlich verändert werden, werden als oder bezeichnet, die neuen Substanzen, die gebildet werden, heißen. Chemische Gleichungen zeigen sowohl die einen als auch die anderen und andere Faktoren wie Energieänderungen, Katalysatoren usw. Bei diesen Gleichungen wird ein Pfeil benutzt, um anzuzeigen, dass eine chemische Reaktion stattgefunden hat. Im Allgemeinen hat eine chemische Reaktion dieses Format: Werfen Sie zum Beispiel einen Blick auf die Reaktion, die entsteht, wenn Sie Ihren Gasherd anzünden, um Ihre Frühstückseier zu kochen. Methan (Erdgas) reagiert mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre, um Kohlendioxid und Wasserdampf zu produzieren. Die chemische Gleichung, die diese Reaktion darstellt, sieht so aus: (mehr dazu im kommenden Jahr)
6 6 3. Element und Verbindung 3.1 Analyse vs. Synthese Viele Metallsulfide, wie das Kupfersulfid aus Kapitel 2.1, kommen in der Natur in Form von Erzen vor, aus denen die Metalle gewonnen werden. Dies sind natürlich vorkommende Mineralien, die das Salz jeweils beinhalten. Wir wollen im Folgenden sehen, wie sich aus den Metallsulfiden, also den salzartigen Stoffen, die Metalle zurückgewinnen lassen. Als Beispiel betrachten wir die Zerlegung von Silbersulfid in seine Bestandteile. Diese Zerlegung ist eine chemische Reaktion. Sie entspricht der Umkehrung der chemischen Reaktion, die bei der Bildung von Silbersulfid aus Silber und Schwefel abläuft. Eine Reaktion, bei der eine Verbindung in die einzelnen Elemente zerlegt wird, nennt man. Die Herstellung von chemischen Verbindungen aus Elementen oder anderen Verbindungen heisst Grundsätzlich lassen sich alle Metallsulfide in ihre Elemente zerlegen. Dies gelingt aber nur selten, weil die notwendigen Temperaturen nicht erreicht werden können. Die Zerlegung einer Verbindung unter Wärmezufuhr nennt man Thermolyse. 3.2 Physikalische vs. Chemische Trennverfahren Es ist äusserst wichtig, zwischen der Zerlegung einer Verbindung und der Zerlegung eines Gemischs zu unterscheiden: Im Skript "Trennverfahren" haben wir Verfahren kennen gelernt, mit denen man Gemische in ihre Bestandteile zerlegen kann. Bei solchen Zerlegungen treten keine Stoffumwandlungen ein; man spricht deshalb von einem physikalischen Trennverfahren. Eine Verbindung lässt sich aber mittels physikalischer Verfahren nicht trennen. Die Analyse ist also eine chemische Trennung; es tritt eine Stoffumwandlung ein. Aufgrund ihrer physikalischen oder chemischen Zerlegbarkeit lassen sich die Stoffe in verschiedene Klassen einteilen.
7 7 Aufgabe II: Übernehmen Sie die Skizze von der Tafel. Aufgabe III: Stellen Sie für die Reaktion der Metalle Eisen und Kupfer mit Schwefel das jeweilige Reaktionsschema (chemische Reaktion in Worten) auf. 4. Chemische Reaktion und Teilchenmodell Dem Teilchenmodell zu Folge bestehen die Elemente aus kleinsten kugelförmigen Teilchen. Geht man davon aus, dass diese Teilchen bei einer chemischen Reaktion nicht zerstört werden, müssten auch im Silbersulfid die Teilchen des Silbers und des Schwefels noch enthalten sein. Bei einer chemischen Reaktion löst sich die Anordnung der Teilchen in den Ausgangsstoffen auf; die Teilchen bilden eine neue Ordnung und damit einen neuen Stoff: das Reaktionsprodukt. Aufgabe IV: Diskutieren Sie mit Ihrem Pultnachbar über die obere Graphik. Was sagt diese aus? Die Anordnung der Teilchen bestimmt aber die Eigenschaften eines Stoffs mit. In einem Stoff weisen die Teilchen immer die gleiche Anordnung auf. Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass ein Reaktionsprodukt andere Eigenschaften aufweist als die Stoffe, aus denen es entstanden ist.
8 8 Folglich können wir den Bezug des Teilchenmodells zur chemischen Reaktion zusammenfassen: 5. Chemische Reaktion und Energie Erhitzt man ein Gemisch aus Eisen und Schwefel nur in einem kleinen Bereich bis zum Aufglühen, so pflanzt sich das Glühen durch die ganze Stoffportion fort. Das Reaktionsprodukt Eisensulfid ist sehr heiß. Das Glühen der Stoffportion beobachtet man auch dann noch, wenn der Brenner schon lange entfernt worden ist. Folglich kann die Wärmeenergie, die das Glühen verursacht, nicht von außen kommen. Sie wird bei der Reaktion selbst freigesetzt. Dies lässt sich wie folgt erklären: Das Gemisch der Ausgangsstoffe Eisen und Schwefel hat einen bestimmten Energieinhalt. Die aus dem Gemisch entstehende Eisensulfidportion hat ebenfalls einen bestimmten Energieinhalt, der in diesem Fall aber kleiner ist als derjenige der Ausgangsstoffe. Der Unterschied zwischen den Energieinhalten zeigt sich bei der Reaktion: Es wird Energie in Form von Wärme abgegeben. Aufgabe V: Übernehmen Sie die beiden Skizzen von der Tafel. 5.1 Exotherme vs. Endotherme Reaktionen Chemische Reaktionen, die unter Energieabgabe verlaufen, bezeichnet man als exotherme Reaktionen; solche, die nur unter andauernder Energieaufnahme ablaufen, als endotherme Reaktionen. Meist erfolgt die Zufuhr oder Abgabe von Energie bei chemischen Reaktionen in Form von Wärme. Bei exothermen Reaktionen sind die Produkte energieärmer als die Edukte, bei endothermen Reaktionen ist es gerade umgekehrt.
9 9 Neben der Bildung neuer Stoffe ist die Abgabe oder Aufnahme von Energie ein Hinweis auf eine chemische Reaktion. Es gilt dabei folgende Regel: Obwohl bei der Reaktion von Eisen mit Schwefel sehr viel Wärme freigesetzt wird, kommt die Reaktion nicht von allein, sondern erst durch Wärmezufuhr in Gang. Diese Energie nennt man Aktivierungsenergie. Es genügt allerdings, nur einen sehr kleinen Anteil des Gemisches zu erhitzen. Hat die Reaktion an einer Stelle eingesetzt, reicht die frei werdende Wärme dazu aus, dass die Reaktion von selbst weiterläuft. Die Aktivierungsenergie ist also diejenige Energie, die den Teilchen der Ausgangsstoffe zugeführt werden muss, damit sie in den reaktionsbereiten Zustand übergehen. Da die Reaktion von Eisen mit Schwefel exotherm verläuft, wird bei der Bildung der Teilchenanordnung des Eisensulfids insgesamt Energie freigesetzt. Diese Energie kann zur Aktivierung weiterer Teilchen der Ausgangsstoffe führen. Auch bei einer endothermen Reaktion müssen die Teilchen zuerst aktiviert werden, bevor sie miteinander reagieren können. Insgesamt sind hier die Teilchen der Produkte energiereicher als die Teilchen der Edukte. Eine endotherme Reaktion läuft deshalb nur dann ab, wenn den Teilchen fortwährend Energie aus der Umgebung zugeführt wird.
10 10 6. Übungen Aufgabe VI: Ordnen Sie den folgenden Vorgängen die Begriffe Analyse beziehungsweise Synthese zu: a) Aus Sauerstoff und Wasserstoff wird Wasser gebildet b) Aus Silberoxid entstehen Silber und Sauerstoff c) Kupferoxid und Eisen reagieren zu Kupfer und Eisenoxid d) Der Sauerstoffgehalt eines Gewässers wird bestimmt e) Ein Gemisch aus Zucker und Wasser wird hergestellt f) Eisen reagiert mit Schwefel zu Eisensulfid. Aufgabe VII: Wird ein Gemisch aus 4g Schwefel- und 8g Zinkpulver mit einer glühenden Nadel berührt, tritt eine sehr heftige Reaktion ein. Zurück bleibt ein bei hoher Temperatur gelber und nach dem Abkühlen weisser Stoff. a) Welcher Stoff ist entstanden? Formulieren Sie das Reaktionsschema. b) Verläuft die Reaktion exotherm oder endotherm? Begründen Sie. c) Warum genügt es, das Gemisch nur an einer Stelle zu erhitzen? Aufgabe VIII: Obwohl Magnesium sehr heftig mit Sauerstoff reagieren kann, muss ein Magnesiumband zunächst stark erhitzt werden, bis es mit Sauerstoff reagiert. Warum? Handelt es sich bei der Bildung von Magnesiumoxid aus den Elementen um eine exotherme oder um eine endotherme Reaktion?
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