Lernhilfen zu Skript 'Teil B'

Aufbau von Stoffen
Atome (MAU)
Die kleinsten Teilchen heissen Atome

Nach Demokrit (4. Jh. v. Chr.) bestehen alle Stoffe aus kleinsten unteilbaren Teilchen, den Atomen [atomos (gr.): unteilbar]. Der englische Naturforscher und Chemiker Dalton nahm diese Vorstellung bzw. den Begriff "Atom" von Demokrit auf und sagte aus, dass Atome kleinste, unteilbare, kugelförmige Teilchen sind, die sich in Grösse und Masse unterscheiden. So ist zum Beispiel ein Sauerstoffatom grösser und schwerer als ein Wasserstoffatom:

Porträt von John Dalton

John Dalton (Quelle: Wikipedia, modifiziert).

Nach Dalton unterscheiden sich Atome in Grösse und Masse.
Elementarstoffe (MAU)
Elementarstoffe bestehen nur aus einer Atomsorte

Beim Eisen-Schwefel-Versuch werden die Stoffe Schwefel und Eisen zur Reaktion gebracht. Das gelbe Pulver Schwefel besteht nur Schwefelatomen (Abb. ganz links), das Eisenpulver nur aus Eisenatomen (Abb. ganz rechts). Beide Stoffe sind somit Elementarstoffe:

Elementarstoffe bestehen aus gleichen Atomen

Elementarstoff:

Ein Elementarstoff ist ein Reinstoff, der aus gleichen Atomen besteht. Die Atome verschiedener Elementarstoffe unterscheiden sich in ihrer Grösse und Masse.

Elementarstoffe kann man chemisch nicht weiter zerlegen (so kann man Eisen nicht weiter zerlegen, so dass kein Eisen mehr vorliegt).

Periodensystem (SEILNACHT)
Das Periodensystem der Elemente (PSE) und der Begriff 'Element'

Es gibt über 100 verschiedene Atomsorten bzw. Elementarstoffe, die oft einfach als 'Elemente' bezeichnet werden. Alle Elemente, die es im Universum gibt, sind im so genannten Periodensystem der Elemente (PSE) aufgeführt. Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren alle 92 natürliche Elemente bekannt. Davon zählen 77 zu den Metallen und 15 zu den Nichtmetallen. Im PSE finden sich bei jedem Element (z. B. Schwefel) Angaben, die sich auf den Elementarstoff beziehen (das gelbe Schwefelpulver schmilzt bei 115 °C) und die sich auf die Atomsorte beziehen (ein Schwefelatom ist 32.07 u schwer). Die letztere Zahl gibt die relative Atommasse in unit (u) wieder und bedeutet, dass ein Schwefelatom rund 32-mal schwerer ist als ein Wasserstoffatom (mit rund 1 u die leichteste Atomsorte im PSE). Die relative Atommasse wurde eingeführt, um unhandliche Zahlen zu vermeiden, da zum Beispiel ein einzelnes Wasserstoffatom unwägbar leicht ist und – rein rechnerisch ermittelt – bloss 0.000'000'000'000'000'000'000'001'673 g wiegt.

Periodensystem der Elemente (SEILNACHT): Aussehen, Eigenschaften, Giftigkeit, Vorkommen, Geschichte, Herstellung und Verwendung von Wasserstoff (Element 1) bis Oganesson (Element 118)

Benutzeroberfläche Periodensystem der Elemente (Seilnacht)

Verbindung (MAU)
Verbindungen bestehen aus verschiedenen Atomsorten

Beim Eisen-Schwefel-Versuch entstand als Produkt Eisensulfid (vgl. Abb. ganz rechts). Dieser Stoff zeigt einen regelmässigen Aufbau aus zwei Atomsorten (Schwefel, Eisen) und ist damit eine sogenannte Verbindung:

Verbindungen bestehen aus verschiedenen Atomen

Verbindung:

Eine Verbindung ist ein Reinstoff, der aus verschiedenen Atomen, d. h. aus 2 oder mehreren Atomsorten besteht.

Verbindungen können nur durch chemische Reaktionen in andere Stoffe zerlegt werden.

Als Verbindungen haben wir bereits die Sulfide (Verbindungen mit der Atomsorte Schwefel) und die Oxide (Verbindungen mit der Atomsorte Sauerstoff kennengelernt. Verbindungen mit der Atomsorte Kohlenstoff heissen organische Verbindungen. Die restlichen Verbindungen heissen anorganische Verbindungen.

Molekül vs. Verband (MAU), empfohlen
Atome, Moleküle, Verband

In den Abbildungen zuvor sollte dir aufgefallen sein, dass je nach Stoff die Atome in unterschiedlicher Anzahl oder gar nicht miteinander verbunden sind. Wann Moleküle, Verbände oder einzelne Atome vorliegen, zeigen die folgenden drei Abbildungen:

Moleküle

Moleküle sind eine Teilchensorte bestehend aus einer definierten Anzahl von Nichtmetall-Atomen.

Atome (nicht verbunden)

Edelgase bestehen aus einzelnen, nicht verbundenen Atomen.

Verbände

Verbände bestehen aus unzähligen Atomen und treten bei Metallen bzw. bei Metall-Nichtmetall-Verbindungen auf.

Verbände (3-D-Ansicht)

Dreidimensionale Ansicht von Verbänden
Reaktionsgleichungen
Stöchiometrische Koeffizienten bestimmen: Simulation (PhET), empfohlen

Einfache Beispiele zur Einführung

  1. Wähle bei der folgenden Webseite "Einleitung" (vgl. Abbildung unten).
  2. Das erste Beispiel ist die Synthese von Ammoniak (vgl. Aufg. 3a, Skript S. 10): Setze die Anzahl aller Moleküle auf 1.
  3. Wähle unter "Werkzeuge" die Säulen aus: Damit wird die Anzahl der Atome jeder Atomsorte angezeigt.
  4. Bestimme die stöchiometrischen Koeffizienten, d. h. verändere gemäss dem Vorgehen beim Beispiel 2 auf der S. 10 im Skript (Verbrennung von Campinggas) die Anzahl der Moleküle so, dass links und rechts gleich viele Atome von jeder Atomsorte vorliegen:

    Benutzeroberfläche zum Bestimmen der stöchiometrischen Koeffizienten am Beispiel der Synthese von Ammoniak (PhET, University of Colorado, Boulder)

    Benutzeroberfläche zum Bestimmen der stöchiometrischen Koeffizienten am Beispiel der Synthese von Ammoniak: interaktive Simulation (PhET, University of Colorado, Boulder)

  5. Wenn du die Koeffizienten erfolgreich bestimmt hast, wechselst du ganz unten auf das Beispiel "Wasser spalten" (= Wasseranalyse, dies ist die Umkehrreaktion zum Beispiel 1 im Skript S. 9).
  6. Als letztes ist noch das Beispiel "Methan verbrennen" zu bearbeiten. Wechsle zu diesem Zweck das Werkzeug (von "Säule" auf "Waage").
  7. Öffne nun die Simulation "Reaktionsgleichungen ausgleichen" (PhET, University of Colorado, Boulder) und gehe die obigen Schritte 1–6 durch.

Anspruchsvollere Beispiele

  1. Wenn du ganz unten auf der Webseite von "Einleitung" auf "Spiel" wechselst, stehen dir – in 3 Schwierigkeitsstufen – je 5 weitere Aufgaben zur Verfügung.
  2. Das Niveau 1 ist sehr einfach und kann weggelassen werden. Du kannst also mit dem Niveau 2 starten.
  3. Das Niveau 3 entspricht den anspruchsvolleren Aufgaben an der Prüfung: Im Niveau 3 findest du auch die Lösung zu folgenden Aufgaben:
    • Aufg. 3d (S. 10), wobei die Reaktionsgleichung in umgekehrter Richtung formuliert ist
    • Aufg. 5c (S. 10a)
  4. Öffne nun die Simulation "Reaktionsgleichungen ausgleichen" (PhET, University of Colorado, Boulder) und gehe die obigen Schritte 1–6 durch.
Reaktionsgleichungen: Zusatzaufgaben (MAU), empfohlen

Aufstellen von Reaktionsgleichungen, Bestimmung von stöchiometrischen Koeffizienten, Herleitung von Formeln etc.:

Zusatzaufgaben (S. 10a)

Musterlösung zu den Zusatzaufgaben (S. 10b)

Reaktionsgleichungen: Übungsaufgaben (SCHLAUKOPF), empfohlen

Auf Schlaukopf kannst du Folgendes üben:

  • Bestimmung von stöchiometrischen Koeffizienten von Reaktionsgleichungen
  • Namen chemischer Verbindungen bei gegebener Formel
  • Formeln von Stoffen bei gegebenem Namen
  • Bedeutung von stöchiometrischen Koeffizienten und von chemischen Formeln

Es gibt rund 25 Aufgaben, wobei jeweils 20 in Serie gestellt werden. Nicht alle Aufgaben können mit der im Unterricht behandelten Theorie gelöst werden.

Stöchiometrische Koeffizienten bestimmen: Übungsaufgaben (LEARNINGAPPS)

Auf LearningApps besteht die Möglichkeit, anhand von fünf Reaktionen weitere Routine in der Bestimmung der stöchiometrischen Koeffizienten von Reaktionsgleichungen zu erlangen.

Synthese und Analyse: Aufgabe (MAU), empfohlen

Synthese und Analyse

Verbindungen lassen sich unter Energieaufwand durch chemische Reaktionen zerlegen. Die Zerlegung einer Verbindung in Elemente heisst Analyse (vgl. Silberoxid-Versuch).

Analyse von Silberoxid auf Teilchenebene

Umgekehrt kann man aus Elementen eine Verbindung bilden, wobei Energie frei wird (vgl. Eisen-Schwefel-Versuch). Diesen Vorgang bezeichnet man als Synthese:

Synthese von Eisensulfid auf Teilchenebene

Die folgende Abbildung gibt den Sachverhalt in allgemeiner Form wieder:

Synthese und Analyse (Schema)

Aufgabe:

Formuliere für die zwei oben erwähnten Reaktionen – auf der Basis der Abbildungen – die Reaktionsgleichung und halte diese im Skript an entsprechender Stelle fest (S. 13). Leite zuerst die Formel für jeden Stoff aus der Zeichnung im Kugelmodell ab und halte den Aggregatzustand mit den üblichen Abkürzungen fest (s, l, g).

Lösung zur Aufgabe

Synthese

Synthese von Eisensulfid auf Teilchenebene

Reaktionsgleichung:  S8 (s) + 8 Fe (s) → 8 FeS (s)

(Hinweis: Auch mit der Faustregel, dass Fe und S zweiwertig sind, kommt man auf die korrekte Formel von Eisensulfid: Fe2S2 → Fe1S1 → FeS)

Die Synthese von Eisensulfid auf Teilchenebene: Das Produkt Eisensulfid ist kein Gemisch, sondern eine Verbindung. Vor der Reaktion bilden die zwei Reinstoffe Schwefel und Eisen jedoch ein Gemisch (hellgraues Pulver mit dunkelgrauen und gelben Zonen). Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass vor und nach der Reaktion gleich viele Schwefel- bzw. Eisenatome (je 8 Atome) vorliegen, also keine Atome verbraucht oder verändert wurden.

Analyse

Analyse von Silberoxid auf Teilchenebene

Reaktionsgleichung:  2 Ag2O (s) → 4 Ag (s) + O2 (g)

(Hinweis: Auch ohne Abbildung erhält man die korrekte Formel von Silberoxid: Ag ist zwar ein Nebengruppenelement (Faustregel: 2-wertig), stellt jedoch mit der Wertigkeit I eine Ausnahme dar (vgl. Tab. S. 8); O ist gemäss Faustregel 2-wertig. Dadurch ergibt sich für Silberoxid die Formel Ag2O.)

Die Analyse von Silberoxid auf Teilchenebene: Der Ausgangsstoff Silberoxid ist kein Gemisch, sondern eine Verbindung. Nach der Reaktion bilden die zwei Reinstoffe Silber und Sauerstoff jedoch (kurzzeitig) ein Gemisch. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass vor und nach der Reaktion gleich viele Silberatome (24 graue Atome) bzw. Sauerstoffatome (12 rote Atome) vorliegen. Es wurden also auch hier keine Atome verbraucht oder verändert.

Aufgabe (MAU)
  1. Formuliere die Reaktionsgleichung für die Synthese von Eisenoxid aus Eisen und Sauerstoff.
  2. Gib den Aufbau der Edukte und des Produkts im Kugelmodell wieder (analog der Abbildungen in der obige Karte "Synthese und Analyse").
  3. Ordne den beteiligten Stoffen die Begriffe Verband, Molekül, Elementarstoff, Verbindung, Reinstoff oder Gemisch zu.
  4. Welches Eisenoxid (genauer Name) entsteht bei dieser Reaktion?
  5. Erstelle ein Energiediagramm für die Synthese von Eisenoxid und zeichne die zwei üblichen, relevanten Energiegrössen ein.
Hilfeleistung
  1. Überlege dir zuerst, welche Stoffe molekular bzw. als Verband vorliegen.
  2. Sauerstoff (Nichtmetall → Moleküle); Eisen (Metall → Verband); Eisenoxid (Metall + Nichtmetall → Verband)
  3. Hinweis: Während Sauerstoff aus zweiatomigen Molekülen besteht (vgl. Skript S. 10), bilden beim Produkt Eisenoxid die Eisenatome (Faustregel für Nebengruppenmetalle: 2-wertig) und Sauerstoffatome (2-wertig) ein Gitter im Verhältnis 1:1 (Fe2O2 → Fe1O1 → FeO).
  4. Nun solltest du die Reaktionsgleichung formulieren bzw. die Reaktion im Kugelmodell zeichnen können. Beachte, dass links und rechts von jeder Atomsorte gleich viel Kugeln sind (also keine Atome verloren gehen).
  5. Gib für die 3 Stoffe ihren Namen an und ordne ihnen die Begriffe Elementarstoff oder Verbindung sowie Reinstoff oder Gemisch zu.
  6. Liegt eine exotherme oder eine endotherme Reaktion vor? Vergiss nicht die Namen der Ausgangsstoffe und Produkte zuzuordnen und die Achsen anzuschreiben.
Lösung zur Aufgabe

Reaktionsgleichung für die Synthese von Eisen(II)-oxid:

2 Fe (s) + O2 (g) → 2 FeO (s)

Synthese von Eisenoxid auf Teilchenebene:

Die Synthese von Eisenoxid auf Teilchenebene und Zuordnung wichtiger Begriffe

Es liegt hier eine Synthese eines Stoffs aus Elementarstoffen vor, welche prinzipiell immer exotherm verlaufen:

Energiediagramm für die Reaktion von Eisen mit Sauerstoff

Wasser, Wasserstoff und Katalysator
Wasserstoff (SEILNACHT)

Eigenschaften, Reaktionen, Geschichtliches, Vorkommen und Verwendung von Wasserstoff im SEILNACHT-Periodensystem.

Experimente mit Wasserstoff (SEILNACHT)

Versuche wie im Unterricht (mit Film), unter anderem auch der Versuch zur Wasseranalyse bei SEILNACHT.

Katalysator und Döbereinersches Feuerzeug (SEILNACHT)

Döbereinersches Feuerzeug sowie weitere Anwendungsbeispiele von Katalysatoren bei SEILNACHT.

Lernhilfen
ch-mau