Chemische Reaktionen lassen sich anhand einiger charakteristischer Kennzeichen erkennen. Produkte einer Reaktion haben gegenüber den Ausgangsstoffen veränderte chemische Eigenschaften, bei Reaktionen wird immer Energie verbraucht oder abgegeben und es gilt der Massenerhaltungssatz - Stoffe können bei chemischen Reaktionen in geschlossenen Systemen nicht verschwinden, aus dem Nichts können sich auch keine neuen Stoffe bilden. C1 Erhitzen von Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat Geräte Reagenzglas, Thermometer Reagenzglasklammer Bunsenbrenner Chemikalien Kupfer(II)-sulfat x 5H 2 O: Wasser H 302, 315, 319, 410; P 264.1, 273, 280.3, 301+312, 302+352, 305+351+338 Erhitzen Sie 2 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat in einem RG über der nicht leuchtenden Flamme Ihres Bunsenbrenners, bis keine Feuchtigkeit mehr aus der Substanz entweicht. Überführen Sie die Substanz in ein neues trockenes RG, stellen Sie ein Thermometer hinein und geben ca. 1 ml Wasser hinzu. Aufgaben zu C1 1. Wie liegen die fünf Wassermoleküle in der festen Substanz CuSO 4 x 5H 2 O vor? 2. Welche Bedeutung haben die Begriffe Enthalpie, endotherm und exotherm? 3. Wenden Sie diese Begriffe auf die durchgeführten Versuche an. 4. Kupfer(II)-sulfat wird in Schulversuchen häufig zum Nachweis von Wasser benutzt. Erklären Sie, wie dieser Nachweis abläuft. 5. Handelt es sich bei den Versuchen in C1 um chemische Reaktionen? Begründen Sie.
C2.1 Lösungswärme von Salzen Geräte Reagenzgläser Thermometer Chemikalien Ammoniumnitrat: Gefahr, Calciumchlorid und Calciumchlorid x 6 H 2 O: Natriumchlorid, Bariumsulfat H271 P210, 221, 280.3 H319, P305+351+338, 337+313 Lösen Sie jeweils 1 g festes Ammoniumnitrat, Calciumchlorid mit und ohne Kristallwasser, Natriumchlorid und Bariumsulfat in 3 ml dem. Wasser. Messen Sie die Temperaturänderung der Lösungen während des Lösungsvorgangs. Aufgaben zu C2.1 1. Ammoniumnitrat wird neben seiner Verwendung als Kunstdünger und Sprengstoff auch von der Wintersportindustrie benutzt. Können Sie nach der Durchführung von Versuch C2 erahnen welchem Zweck es dient? 2. Warum ist Bariumsulfat, abweichend von den anderen Barium-Salzen nicht toxisch oder gesundheitsschädlich und wird sogar als Röntgen-Kontrastmittel eingesetzt? 3. Definieren Sie die Begriffe Gitterenergie, Lösungsenthalpie und Hydratationsenthalpie und stellen Sie einen Zusammenhang zu den beobachteten Lösungsvorgängen her.
C2.2 Verdünnung von konz. Schwefelsäure Geräte Becherglas Thermometer Chemikalien Schwefelsäure: Gefahr, H290, 314 P280, 301+330+331, 305+351+338, 309+310 dest.wasser Verdünnen Sie 10 ml konz. Schwefelsäure mit 90 ml dest. Wasser, indem Sie die Säure vorsichtig an einem Thermometer zu dem Wasser zufließen lassen. Messen Sie gleichzeitig die Temperaturänderung während des Verdünnungsvorgangs. Aufgaben zu C2.2 1. Dass Sie die Verdünnung niemals in der umgekehrten Reihenfolge vornehmen sollten dokumentiert der Satz: Erst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure. Weshalb besteht gerade bei der Wasserzugabe zur konzentrierten Schwefelsäure Gefahr? 2. Wenn Sie konzentrierte Schwefelsäure an der Luft stehen lassen tritt in einem gewissen Umfang eine Verdünnung von selber ein. Welche Eigenschaft der Schwefelsäure ist dafür verantwortlich? 3. Vergleichen Sie mit C2.1. Woraus resultiert in diesem Fall die auftretende Temperaturänderung?
C3 Exotherme und endotherme Reaktionen Geräte 3.1 Reagenzglas Bunsenbrenner Magnet Chemikalien 3.1 Eisenpulver Schwefel: H315, 228 P 280, 302+352 Füllen Sie Eisenpulver und Schwefel im Stoffmengenverhältnis 1:1 (berechnen, ausgehend von 1g Eisenpulver) in ein trockenes Reagenzglas und erhitzen dieses bis zum Einsetzen einer chemischen Reaktion. Entfernen Sie dann augenblicklich den Bunsenbrenner. Untersuchen Sie die Ausgangsstoffe und das Produkt durch Auftropfen von wenig verd. Salzsäure (Leitgedanke: Ist das gemörserte Produkt nur ein zusammengeschmolzenes Gemisch aus Schwefel und Eisen oder ein neuer Stoff?) In einem Fall entsteht mit der Salzsäure ein sehr giftiges Produkt. Unbedingt im Abzug durchführen!!! Geräte 3.2 Reagenzglas, Bunsenbrenner, Stativ Chemikalien 3.2 Kupfer(II)-acetat- Monohydrat: Gefahr H302, 318, 410 P264.1, 273, 280.3, 301+312, 305+351+338 Füllen Sie ein Reagenzglas etwa 1 cm hoch mit Kupfer(II)-acetat-Monohydrat. Spannen Sie das Reagenzglas in ein Stativ ein und beginnen Sie vorsichtig zu erhitzen. Fahren Sie so lange mit dem Erhitzen fort, bis eine merkliche Veränderung des Stoffes auftritt. Nehmen Sie nun vorsichtig durch Zufächeln eine Geruchsprobe.
Aufgaben zu C3 1. Welche Rolle spielt die Energiezufuhr durch Erhitzen für die beiden Reaktionen? 2. Stellen Sie Energiediagramme, welche die Energieinhalte der Edukte und Produkte sowie die Änderungen während des Reaktionsverlaufs dokumentieren, für die Umsetzungen auf. 3. Ordnen Sie den Reaktionen die Begriffe exotherm, endotherm, Analyse und Synthese zu. 4. Neben Kupferacetat lässt sich z.b. auch rotes Quecksilberoxid verwenden, um in die entsprechende Thematik einzuführen. Was geschieht, wenn man HgO erhitzt und warum ist dieser Versuch für die Schule nicht zu empfehlen? C4 Der Eisen/Schwefel-Versuch mal anders (ohne Eisen) Die Einführung in die chemische Reaktion mit Hilfe des Versuchs C3.1 ist umstritten, obwohl er sehr gut funktioniert. Das hat wesentlich mit den magnetischen Eigenschaften von Edukten und Produkt zu tun, die in Chemie Schulbüchern häufig zur Charakterisierung herangezogen werden. Andere Metalle reagieren jedoch ebenfalls mit Schwefel, dabei hängt die Heftigkeit der Reaktion mit dem Charakter des Metalls zusammen. Je edler das Metall ist, desto langsamer verläuft die Reaktion. Unedle Metalle wie z.b. Magnesium reagieren hingegen fast explosionsartig mit geschmolzenem Schwefel. Recherchieren Sie in Schulbüchern oder im Internet auf geeigneten Seiten, wie z.b. www.chemieunterricht.de oder www.seilnacht.com, welche Versuche sich für den Chemieunterricht eignen und führen Sie nach Absprache mit den Assistenten einen dieser Versuche durch. Aufgaben zu C4 1. Erstellen Sie für das Protokoll eine Versuchsvorschrift, incl. Gefahrstoffangaben und Entsorgungshinweisen. 2. Ordnen Sie wenigstens vier Metalle nach der Heftigkeit der Reaktion mit Schwefel in einer Reihe an (mit Begründung).
C5 Eisen kann auch langsam Nicht alle chemischen Reaktionen verlaufen schnell und unter messbarer Temperaturentwicklung. Trotzdem gibt es deutliche Anzeichen dafür, dass eine Reaktion erfolgt ist. Geräte 5 Reagenzgläser Becherglas Chemikalien 5 Stahlwolle Natriumchlorid-Lösung Silikon- oder Maschinenöl Geben Sie in drei Reagenzgläser jeweils etwas Stahlwolle, die aber von Fall zu Fall unterschiedliche vorbehandelt wird. In RG 1 geben Sie entfettete Stahlwolle und feuchten mit wenigen Tropfen dem.wasser an. In RG 2 geben Sie entfettete Stahlwolle und ein paar Tropfen Kochsalzlösung. In RG 3 geben Sie etwas Stahlwolle, die vorher in Öl getaucht wurde mit etwas dem. Wasser. Anschließend verschließen Sie die Reagenzgläser mit einem durchbohrten Gummistopfen, in den Sie vorsichtig eine Pasteur- Pipette eingeführt haben und drehen die drei Reagenzgläser auf den Kopf (die Stopfen sollten nicht herausfallen, die Stahlwolle sollte im nun oberen Teil des RGs bleiben) und befestigen sie so an einem Reagenzglashalter, dass die Pipetten ca. 1-2 cm tief in ein mit Wasser gefülltes Becherglas eintauchen (siehe Abbildung). Beobachten Sie über einen längeren Zeitraum.
C6 Spontane, endotherme Reaktionen kristalliner Festkörper Geräte Bechergläser Tieftemperaturthermometer (wird vom Assistenten ausgegeben) Chemikalien Bariumhydroxid-octahydrat: Gefahr, H302, 314, 332, P280, 305+351+338, 307+310 Ammoniumnitrat: Gefahr, H271, P210, 221, 280.3 Natriumsulfat-decahydrat Ammoniumthiocyanat: H332, 312, 302, 412 P261, 273, 302+352, Eisennitrat-nonahydrat: H272, 351, 319, P302+352, 305+351+338 Ammoniumchlorid: H302,319 P301+312, 305+351+338, 337+313 309+311, 304+340 Mischen Sie 0,02 mol Bariumhydroxid-octahydrat mit 0,02 mol Ammoniumnitrat, indem Sie die berechneten und abgewogenen Mengen in einem kleinen Becherglas oder Erlenmeyerkolben mit einem Glasstab verrühren. Messen Sie die auftretende Temperaturänderung mit einem Tieftemperaturthermometer (bitte pfleglich behandeln und nach dem Versuch sofort an die Assistenten zurück). Verfahren Sie genauso mit folgenden Mischungen: 0,02 mol Bariumhydroxid-octahydrat und 0,02 mol Ammoniumthiocyanat 0,02 mol Natriumsulfat-decahydrat und 0,02 mol Ammoniumchlorid 0,02 mol Natriumsulfat-decahydrat und 0,02 mol Eisennitrat-nonahydrat. Aufgaben zu C6 1. Was bedeutet in der Thermodynamik der Begriff spontane Reaktion? 2. Erklären Sie mithilfe der Gibbs-Helmholtz-Gleichung, warum die durchgeführten Reaktionen spontan ablaufen können. Was ist Entropie? Welchen Einfluss hat der Entropieterm auf die Reaktionen? 3. Auch die Verdunstung ist ein spontaner, endothermer Vorgang. Erklären Sie.
C7 Demoversuch Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen Geräte 5 Balkenwaage Chemikalien 5 Stahlwolle Kerzen Von Ihrem Saalassistenten werden auf einer Balkenwaage zwei Teelichte ins Gleichgewicht gebracht, anschließend wird eines davon entzündet. Beobachten Sie die Waagenstellung In einem zweiten Versuch wird Stahlwolle auf den beiden Waagschalen ins Gleichgewicht gebracht und auf einer Seite entzündet. Aufgaben zu C7 1. Erklären Sie im Protokoll, wie die beiden Versuche mit der Regel, dass bei einer chemischen Reaktion die Massenerhaltung gilt, in Einklang zu bringen sind. 2. Wie müssten Sie die Versuche gestalten, dass der Massenerhaltungssatz sich auch im beobachtbaren Phänomen widerspiegeln würde? 3. Es gibt Reaktionen, z.b. die Kernfusion oder die Kernspaltung, bei denen die Massenerhaltung nicht gilt. Erklären Sie. Für die Vorbereitung des Versuchstages sind folgende Stichworte relevant: exotherm, endotherm, Freie Enthalpie, Enthalpie, Entropie, endergonisch, exergonisch, freiwillige (spontane) Reaktion, Gibbs-Helmholtz-Gleichung, Gitterenergie, Hydratationsenthalpie, Lösungsenthalpie, Korrosion