Einführung in die Chemie CHEE 1 PDF
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Thomas Bielewicz
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This document is an introduction to chemistry. It's a student guide or study material for a chemistry course, covering topics such as matter, chemical reactions, and properties. The document is a study guide from the Fernstudienzentrum Hamburg (Distance Learning Centre Hamburg).
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CHEE 1 Einführung in die Chemie 0323K13 Das Studienheft und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen ist nicht erlaubt und bedarf der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Rechteinhabers. Di...
CHEE 1 Einführung in die Chemie 0323K13 Das Studienheft und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen ist nicht erlaubt und bedarf der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Rechteinhabers. Dies gilt insbesondere für das öffentliche Zugänglichmachen via Internet, Vervielfältigungen und Weitergabe. Zulässig ist das Speichern (und Ausdrucken) des Studienheftes für persönliche Zwecke. © © Fernstudienzentrum Fernstudienzentrum Hamburg · Alle Rechte vorbehalten Hamburg Alle Rechte vorbehalten. Falls wir in unseren Studienheften auf Seiten im Internet verweisen / verlinken, haben wir diese nach sorgfältigen Erwägungen ausgewählt. Auf Inhalt und Gestaltung haben wir jedoch keinen Einfluss. Wir distanzieren uns daher ausdrücklich von diesen Seiten, soweit darin rechtswidrige, insbesondere jugendgefährdende oder verfassungsfeindliche Inhalte zutage treten sollten. 0323K13 CHEE 1 Einführung in die Chemie © Fernstudienzentrum Hamburg 0323K13 Thomas Bielewicz © Fernstudienzentrum Hamburg © Die in unseren Studienheften verwendeten Personenbezeichnungen schließen ausdrücklich alle Geschlechtsidentitäten ein. Wir distanzieren uns ausdrücklich von jeglicher Diskriminierung hin- sichtlich der geschlechtlichen Identität. Falls wir in unseren Studienheften auf Seiten im Internet verweisen, haben wir diese nach sorgfältigen Erwägungen ausgewählt. Auf die zukünftige Gestaltung und den Inhalt der Seiten haben wir jedoch keinen Einfluss. Wir distanzieren uns daher ausdrücklich von diesen Seiten, soweit darin rechtswid- rige, insbesondere jugendgefährdende oder verfassungsfeindliche Inhalte zutage treten sollten. Einführung in die Chemie CHEE 1 Inhaltsverzeichnis 0323K13 Einleitung....................................................................................................................... 1 1 Anleitung................................................................................................................... 3 1.1 Das Lehrbuch „PRISMA Chemie“............................................................. 3 1.2 Die CD-ROM............................................................................................... 3 1.3 Internet......................................................................................................... 3 1.4 Der Umgang mit dem Studienmaterial..................................................... 4 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung.............................................................. 6 2.1 Womit beschäftigt sich die Chemie?......................................................... 6 2.2 Stoffe auf ihre Eigenschaften hin untersuchen........................................ 8 2.3 Messbare Eigenschaften von Stoffen......................................................... 9 2.3.1 Schmelz- und Siedetemperatur.................................................................. 10 © Fernstudienzentrum Hamburg 2.3.2 Löslichkeit.................................................................................................... 12 2.3.3 Dichte........................................................................................................... 14 2.3.4 Leitfähigkeit................................................................................................. 16 2.3.5 Eigenschaften bestimmen die Verwendung............................................. 18 2.4 Modell: Stoffe sind Teilchen....................................................................... 20 Zusammenfassung.................................................................................................... 22 3 Stoffgemische und Trennverfahren...................................................................... 25 3.1 Zusammensetzung von Lebensmitteln..................................................... 25 3.2 Reinstoffe und Stoffgemische.................................................................... 26 3.3 Trennverfahren............................................................................................ 28 3.4 Destillation.................................................................................................. 32 3.5 Chromatografie........................................................................................... 34 Zusammenfassung.................................................................................................... 35 4 Die chemische Reaktion......................................................................................... 37 4.1 Stoffumwandlungen................................................................................... 37 4.2 Elemente und die Symbolschreibweise..................................................... 38 4.3 Chemische Verbindungen.......................................................................... 39 4.4 Ein einfaches Atommodell......................................................................... 40 4.5 Beispiel einer chemischen Reaktion.......................................................... 42 4.6 Ablauf einer chemischen Reaktion............................................................ 43 4.7 Verbrennungsvorgänge............................................................................... 45 Zusammenfassung.................................................................................................... 47 0323K13 CHEE 1 Inhaltsverzeichnis Anhang A. Lösungen zu den Übungen......................................................................... 49 B. Lösungen zu den Aufgaben zur Selbstüberprüfung................................. 53 C. Literaturverzeichnis..................................................................................... 57 D. Abbildungsverzeichnis................................................................................ 58 E. Tabellenverzeichnis..................................................................................... 59 F. Sachwortverzeichnis.................................................................................... 60 G. Einsendeaufgabe.......................................................................................... 63 © Fernstudienzentrum Hamburg CHEE 1 Einleitung CHEE 1Einführung in die Chemie0323K13 Liebe Studienteilnehmer, Chemie ist ein Fach, das bei vielen erst einmal eine gewisse Ablehnung auslöst. Mögli- cherweise haben Sie auch während Ihrer Schulzeit schlechte Erfahrung damit gemacht. Das ist schade, da Chemie unser Leben viel mehr beeinflusst, als Sie sich das gerade viel- leicht vorstellen können. Chemie ist überall Seife, pflegeleichte Kleidung, Fertiggerichte, Spielzeug, Kosmetika, Benzin, Kopf- schmerztabletten, Konservierungsmittel, Reinigungsmittel, Verpackungen: Dies alles sind Produkte der Chemie, die uns den Alltag erleichtern. Unser heutiges Leben ist ohne Chemie nicht denkbar. Natürlich gibt es auch eine Kehrseite der Medaille. Eine mögliche Gefährdung der Gesundheit und teilweise gravierende Umweltverschmutzungen sind die Schattenseiten der Chemie. Chemiker befassen sich mit Stoffen – untersuchen deren Aufbau und Eigenschaften und stellen aus bekannten Stoffen neue her. Das Wissen über Stoffe und Stoffumwandlungen hilft aber auch, Schädigungen von Lebewesen und Umwelt zu verringern oder ganz ab- zuwenden. © Fernstudienzentrum Hamburg Chemie ist eine sehr praktische Naturwissenschaft. Als Fernlernender ist es Ihnen aller- dings nicht möglich, das gelernte Wissen direkt im Labor umzusetzen. Daher werden wir Ihnen mit diesem Studienmaterial anhand von zahlreichen Beispielen und Übungen die entsprechenden Themen möglichst praxisorientiert vermitteln, um Ihnen das Ver- ständnis zu erleichtern. Darüber hinaus versuchen wir, Ihnen die teilweise komplexen Sachverhalte mit möglichst einfachen Worten darzulegen. Allerdings besitzt auch die Chemie eine eigene „Sprache“ mit fachspezifischen „Vokabeln“, die sich nicht immer umgehen lassen. Sie werden sich diese jedoch im Laufe der Zeit aneignen und sie durch Wiederholung des Stoffs festigen. Wenn Sie mit Offenheit an die Themen herangehen, werden Sie bald merken, dass viele Sachverhalte leichter sind, als es zunächst den Anschein hat. Als Erwachsener werden Sie viele Zusammenhänge besser verstehen als möglicherweise „damals“ zu Schulzeiten. Sie werden sehen, dass Chemie nichts „Abgehobenes“ ist, sondern viele Vorgänge in un- serem Alltag unmittelbar mit Chemie zu tun haben, und dass Sie bereits viele chemische Begriffe kennen und benutzen, vielleicht ohne sich dessen bewusst zu sein. Sicher wird es Ihnen bald Spaß bringen, Alltägliches mit dem Blick des Chemikers neu zu entdecken und zu verstehen. Dieses Studienheft begleitet Sie zusammen mit dem Schulbuch „PRISMA Chemie“ aus dem Klett-Verlag bei Ihrem Einstieg in die Chemie und wird Sie auf die späteren Prü- fungen vorbereiten. Die Themen sind so gewählt, dass alle notwendigen Grundlagen ab- gehandelt werden und Sie durch anschauliche Beispiele und Übungen die Angst vor der Prüfung verlieren werden. Viel Erfolg und Spaß mit dem Studienheft! CHEE 1 1 © Fernstudienzentrum Hamburg CHEE 1 2 1 1 Anleitung 1.1 Das Lehrbuch „PRISMA Chemie“ Das mit zahlreichen farbigen Abbildungen gestaltete Lehrbuch wird in Ihnen hoffentlich den Drang wecken, darin zu blättern und „zu schmökern“. Doch bevor Sie sich in den Inhalt vertiefen, prüfen Sie bitte, ob sich auf der Innenseite des hinteren Buchdeckels die CD-ROM befindet. Im Buch werden verschiedene Symbole verwendet, die Ihnen beim Lernen mit den Lehr- materialien weiterhelfen und die Inhalte anschaulicher gliedern (Buch, CD-ROM und Internet). Lassen Sie sich ruhig Zeit beim ersten Blättern! 1.2 Die CD-ROM Den Inhalt der CD-ROM können Sie als zusätzliches Lernangebot nutzen. Die Medienmodule sind nach denselben Kapiteln wie im Lehrbuch sortiert. Es handelt sich um Abbildungen und Übungen, die per Mausklick zu lösen sind. Kleine CD-Sym- © Fernstudienzentrum Hamburg bole ( ) im Lehrbuch zeigen an, wann Medienmodule verfügbar sind. Allerdings können Sie die CD-ROM nur nutzen, wenn auf Ihrem Computer ein Internet- browser installiert ist. Nur mit der CD-ROM und ohne Internetzugang geht es leider gar nicht! Es empfiehlt sich, den Inhalt der CD-ROM herunterzuladen und auf Ihrer Festplatte zu speichern. Sie können dadurch schneller auf die Dateien zurückgreifen. Der Programm- start erfolgt durch Doppelklick der Datei „index.html“. Mithilfe der Taste [F11] kann zur Vollbildansicht und zurück gewechselt werden. Weitere Hilfe finden Sie, wenn Sie die CD-ROM öffnen. 1.3 Internet Den Inhalt der CD-ROM können Sie auch online abrufen. Wenn Sie den Buchdeckel aufschlagen, finden Sie auf der rechten Seite unter „Zusatzangebote im Internet“ einen Code, den Sie auf der Seite www.klett.de im Suchfeld eingeben müssen. Auf den auffällig orangen Einstiegsseiten im Buch, die zu Beginn eines jeden Kapitels sind, symbolisiert eine kleine Weltkugel rechts unten weitere Materialien im Internet. Der jeweilige Code muss ins Suchfeld der Seite www.klett.de eingegeben werden. Bitte beachten Sie, dass der Klett-Verlag diese Internetseiten in regelmäßigen Abständen aktualisiert, sodass diese Seiten Änderungen unterliegen und nicht mit den Inhalten der CD-ROM übereinstimmen müssen. CHEE 1 3 1 Anleitung 1.4 Der Umgang mit dem Studienmaterial Das Studienmaterial zur Einführung in die Chemie besteht aus dem Lehrbuch und die- sem Studienheft, die sich gegenseitig ergänzen. Beide sind zum Lernen erforderlich. Bitte beginnen Sie grundsätzlich mit dem Studienheft. Das Studienheft ist in Kapitel aufgeteilt, die sich im Stoff an das Lehrbuch anlehnen. Zu Beginn eines Kapitels erfahren Sie kurz etwas über die Lernziele, damit Sie schon eine ungefähre Vorstellung bekommen, was Sie auf den nächsten Seiten erwartet. Besonders wichtige Definitionen oder Merksätze sind oft hervorgehoben, was aber nicht heißt, dass die anderen Textpassagen weniger wichtig wären. Bearbeiten Sie bitte im Studienheft alle Übungen und Aufgaben im Studienheft. Nur so wird sich das Gelernte im Langzeitgedächtnis zu verankern. Übung macht bekannt- lich den Meister. In Exkursen wird versucht, das Gelernte in einen Bezug zu stellen und die Theorie mit der Praxis zu verbinden. © Fernstudienzentrum Hamburg In der Zusammenfassung am Ende jedes Kapitels werden dann nochmal in aller Kürze die gelernten Inhalte dargelegt. Das Studienheft weist Sie in jedes Thema ein und führt Sie mit folgendem Hinweis durch das Lehrbuch: Hinweis: Lesen Sie jetzt im Buch den Abschnitt/das Kapitel … So wissen Sie genau, welche Seiten für Sie im Lehrbuch wichtig sind, und können sich diese Schritt für Schritt erarbeiten. Grundsätzlich müssen Sie nur die im Studienheft an- gegebenen Abschnitte lesen und lernen. Wenn Sie Spaß an Chemie haben, können Sie natürlich gern darüber hinaus mit dem Buch arbeiten. Wir haben darauf verzichtet, Seitenzahlen anzugeben, sondern verweisen nur auf Ab- schnitte oder Kapitelüberschriften, da Lehrbücher regelmäßig überarbeitet werden und dann die Seitenzahlen möglicherweise abweichen. Das Buch „PRISMA CHEMIE“ Das Lehrbuch ist aufgeteilt in: Einstiegsseiten Basisseiten (mit Extra- und Zusammenfassungsseiten) Sonderseiten (Lexikon-, Werkstatt- und Strategieseiten) Mit den Einstiegsseiten wird ein Thema eingeführt. 4 CHEE 1 Anleitung 1 Auf den doppelseitigen Basisseiten ist der Lernstoff zu einem Thema noch einmal über- sichtlich dargestellt. Hier gibt es am Ende jedes Kapitels eine Zusammenfassung mit Aufgaben, deren Musterlösungen Sie im Lehrbuch finden. Versuchen Sie bitte auch diese Aufgaben zu bearbeiten, um Ihren Wissensstand zu festigen. Die Aufgaben und Versuche am Ende jedes Abschnittes müssen Sie nicht beachten, denn diese sind für den Präsenzunterricht an Schulen gedacht. Zu diesen Aufgaben gibt es da- her auch keine Lösungen im Buch. Bearbeiten Sie stattdessen die Übungen und Aufga- ben im Studienheft. Lexikon- und Extraseiten versorgen Sie mit interessanten ergänzenden Informationen, die aber nicht unbedingt für das Verständnis des Lernstoffs vonnöten sind. Auf den Werkstatt- oder Strategieseiten werden zumeist Experimente vorgestellt, die Sie nicht allein zu Hause machen sollten, da sie unter Anleitung einer erfahrenen Person durchgeführt werden sollten. Es ist für Sie also nicht zwingend erforderlich, diese Seiten durchzuarbeiten. Wenn Sie mit dem Lehrbuch „PRISMA Chemie“ arbeiten, sollten Sie besonders auf Ab- bildungen und Tabellen achtgeben. Diese werden Ihnen besonders schnell Zusammen- hänge verständlich machen. © Fernstudienzentrum Hamburg CHEE 1 5 2 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung Sie werden sich in diesem Kapitel mit typischen Eigenschaften von Stoffen be- schäftigen und lernen, diese mit einfachen Mitteln zu untersuchen. Dabei erfah- ren Sie, wie man die Stoffe anhand ihrer Eigenschaften in verschiedene Katego- rien einteilen kann. Sie lernen wichtige Untersuchungsmethoden kennen, ebenso wie einige Eigenschaften der Stoffe, sowie ein erstes Teilchenmodell, das die Vor- gänge zu erklären versucht. 2.1 Womit beschäftigt sich die Chemie? Sie haben bestimmt schon den Satz gehört: „Lass uns das nicht kaufen, da ist doch nur Chemie drin.“ Kinder wissen längst: „Chemie stinkt“. Wenn Sie sich in Ihrem Zimmer umschauen, werden Sie wahrscheinlich viele unterschiedliche Gegenstände ausmachen können, sei es ein Fernseher, Ihre Lieblingstasse oder die Schreibtischunterlage. Schauen Sie aus dem Fenster, sehen Sie Häuser, Bäume und Wolken. Alle diese Dinge haben et- was gemeinsam: Chemie. Eine gewöhnliche Wolke besteht ebenso aus verschiedenen Stoffen wie eine Tasse, ein Fenster oder das Papier, auf das dieses Studienheft gedruckt wurde. Sogar Sie selbst bestehen im Grunde aus chemischen Stoffen. Ihr Körper ist aus chemischen Stoffen aufgebaut und chemische Stoffe sind es, die Ihnen die Möglichkeit geben, die Welt mit den Ihnen zur Verfügung stehenden Sinnen zu erfahren. Während © Fernstudienzentrum Hamburg Sie diesen Text lesen, laufen in Ihrem Körper mehr chemische Reaktionen ab, als Sie je- mals Sterne am Himmel sehen werden, d. h. Stoffe werden in andere Stoffe umgewan- delt. Definition 2.1: Chemie ist eine Naturwissenschaft, die sich mit Stoffen, Stoffeigenschaften und ih- ren Umwandlungen beschäftigt. Wir wollen uns erst einmal allgemein mit Stoffen auseinandersetzen, bevor es tiefer in die Materie geht. Denken Sie an die vorhin erwähnte Tasse: Aus welchen Stoffen kann eine solche Tasse bestehen? Keramik? Plastik, also Kunststoff? Metalltassen haben Sie sicherlich auch schon in der Hand gehabt. Wir sehen also: Gleiche Gegenstände können aus unterschiedlichen Stoffen bestehen. Sie werden wahrscheinlich Schwierigkeiten haben, eine Tasse aus normalem Papier zu finden, da der Inhalt nicht lange in einer solchen Tasse bleiben würde. Der Stoff oder das Material, aus dem ein Gegenstand hergestellt wird, muss vielmehr so gewählt werden, dass dieser Gegenstand seine Funktion erfüllen kann. Niemand würde auf die Idee kom- men, sein bestes Porzellangeschirr auf einen Camping-Ausflug mitzunehmen. Viel prak- tischer ist es da doch, wenn das Geschirr aus beschichteter Pappe („Pappteller“) besteht. Aber wieso eigentlich? 6 CHEE 1 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2 Übung 2.1: Zählen Sie Gründe auf, wieso es praktischer ist, das Porzellangeschirr zu Hause zu lassen und stattdessen Teller zum Camping mitzunehmen, die aus einem anderen Material bestehen. Fallen Ihnen auch Gründe ein, die dagegen sprechen? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Hinweis: Lesen Sie nun bitte im Kapitel Die Welt der Stoffe den Abschnitt Gegenstände und Stoffe. Übung 2.2: © Fernstudienzentrum Hamburg Ordnen Sie richtig ein, ob es sich bei folgenden Begriffen um einen Gegenstand oder Stoff handelt. Aluminium, Tinte, Pullover, Gartenschere, Lenkrad, Baumwolle, Tragfläche eines Flugzeugs, Bleistift Gegenstand Stoff CHEE 1 7 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2.2 Stoffe auf ihre Eigenschaften hin untersuchen Tagtäglich untersuchen Sie verschiedenste Stoffe, ohne dass Sie wahrscheinlich darüber nachdenken oder es Ihnen bewusst wird. Im Grunde sind Sie schon ein halber Chemiker, ohne es zu wissen. Egal ob Sie morgens den Kaffeeduft aus der Küche riechen, sich für die nächste Wandfarbe für Ihr Wohnzimmer entscheiden oder den Pullover spüren, der beim Anprobieren fürchterlich am Hals kratzt – Sie untersuchen dabei verschiedene Stoffe mit Ihren Sinnen, ähnlich wie es auch ein Chemiker im Labor macht. Mit unseren Sinnen können wir Stoffe untersuchen und unterscheiden. Hinweis: Lesen Sie zuerst den Abschnitt Stoffe mit den Sinnen untersuchen. Wir können also anhand des Aussehens, des Geruchs, der Beschaffenheit und des Ge- schmacks eines Stoffs seine Eigenschaften genauer feststellen. Übung 2.3: Stellen Sie sich vor, Sie sind in einem Chemielabor und müssen einen Ihnen unbe- © Fernstudienzentrum Hamburg kannten Stoff untersuchen. Erläutern Sie, welche Sinne Sie dabei benutzen sollten und auf den Einsatz welcher Sinne Sie lieber verzichten. Wieso? _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Im Alltag jedoch können wir mithilfe unserer Sinne, meistens gefahrlos, Stoffe ziemlich gut einordnen. So erkennen wir am Geschmack, ob wir Wasser oder Traubensaft trin- ken. Schon an der Farbe wäre zu erkennen, dass es sich um verschiedene Flüssigkeiten handeln muss. Schwieriger wäre es da mit Wein und Traubensaft. Hier lässt sich wahr- scheinlich schwer nur anhand der Farbe auf den Inhalt des Glases schließen. Sie könnten also zunächst an der Flüssigkeit riechen und dadurch den süßlich riechenden Trauben- saft vom leicht herben Wein unterscheiden oder ganz mutig sein und gleich einen Schluck nehmen, um anhand des Geschmacks zu bestimmen, worum es sich handelt. Bei glänzenden Oberflächen wissen Sie schon aus Erfahrung, dass es sich wahrschein- lich um ein Metall handeln wird. Dabei sind nicht alle Metalle gleich – denken Sie an kupferne Kabel, goldene Ringe oder silbernes Besteck. Was passiert jedoch, wenn Sie eine Stahlgabel (zum größten Teil aus Eisen) und eine Aluminiumgabel vor sich liegen haben? Anhand der Farbe werden Sie die verschiedenen Stoffe, aus dem die Gabeln be- stehen, wahrscheinlich nicht unterscheiden können. Auch werden sie sich wahrschein- lich ähnlich anfühlen. 8 CHEE 1 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2 Hinweis: Lesen Sie jetzt den Abschnitt Einfache Stoffuntersuchungen, bevor wir uns dem Gabelproblem wieder zuwenden. Nun sollten Sie einige neue Ideen bekommen haben, wie Sie das Gabelproblem lösen könnten. Übung 2.4: Begründen Sie, wie Sie durch einfache Stoffuntersuchungen eine Stahl-/Eisen- von einer Aluminiumgabel unterscheiden könnten: ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ © Fernstudienzentrum Hamburg Exkurs 2.1 Einfache Stoffuntersuchungen in der Wissenschaft Auch heute sind einfache Stoffuntersuchungen immer noch eine wichtige Komponente der täglichen wissenschaftlichen Arbeit. Oft sieht man schon mit einem Blick, ob eine chemische Reaktion so verlaufen ist, wie man es gern gehabt hätte, nämlich an der Farbe der Stoffe nach ihrer Umwandlung. Auch die Qualität der eingesetzten Stoffe lässt sich anhand von Farbe oder Geruch oft einordnen. Unsere Augen können winzige Strukturen zwar nicht mehr erkennen. Deshalb müssen wir Mikroskope benutzen, die nicht mehr Licht, sondern Elektronen als bildgebende Komponente verwenden. Doch auch eine solche mikroskopische Untersuchung ist im Grunde nur eine ein- fache Stoffuntersuchung. Mikroskope erlauben uns, Oberflächen auf Unebenheiten zu unter- suchen oder sogar Atome in Kristallen zu sehen und dann die Wachsrichtung der Kristalle zu untersuchen und diese beispielsweise auf Fehler hin zu überprüfen. 2.3 Messbare Eigenschaften von Stoffen Bis jetzt haben Sie gelernt, wie Sie Eigenschaften von Stoffen nur mit Ihren eigenen Sin- nen oder sehr einfachen Hilfsmitteln untersuchen und dadurch die verschiedenen Stoffe voneinander unterscheiden können. Wenn Sie jetzt nicht nur Stoffe miteinander verglei- chen wollen, sondern einen bestimmten Stoff noch genauer untersuchen möchten, müs- sen Sie auf Messmethoden zurückgreifen. Dabei ist es wichtig, gemessene Werte zu no- tieren, damit Sie später auf diese zurückgreifen können. Ein einfaches Beispiel ist der Schmelz- und Siedepunkt eines Stoffs. Stellen Sie sich vor, niemand hätte den Schmelz- und Siedepunkt des Wassers notiert. In diesem Falle müsste jede Generation von Wis- senschaftlern bei „Null“ anfangen und alles neu erarbeiten. Verständliche Messmetho- den und die daraus erhaltenen Werte sind also sehr wichtig, da sie uns helfen, Stoffe nach ihren Eigenschaften zu klassifizieren, und eine Menge Arbeit ersparen, weil wir nicht alle Messungen selbst wiederholen müssen. CHEE 1 9 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung Haben wir die Messmethode verstanden, können wir aus den erhaltenen Werten sofort auf bestimmte Eigenschaften des Stoffs schließen. Die Messmethoden können dabei unendlich komplex werden oder aber sehr simpel sein. Es kommt darauf an, was genau man herausfinden möchte. Wir werden lernen, dass sich viele Eigenschaften von Stoffen schon durch leichte Untersuchungen bestimmen lassen und interessante Informationen über diese Stoffe liefern. Chemie ist als Wissenschaft noch vergleichsweise jung. Die Aufteilung in systematische und analytische Chemie nahm erst vor etwa 200 Jahren ihren Ursprung. Im frühen 20. Jahrhundert begann man, komplexere „Maschinen“ zu nutzen, um Messungen noch ge- nauer durchführen zu können. Nach dem Ende des zweiten Weltkriegs entwickelte sich die Chemie ebenso wie andere Wissenschaften sprunghaft weiter, vor allem im Bereich der Verfahrensentwicklung und der Entwicklung industrieller Produktion. Heute sind uns bei der Bestimmung von Stoffeigenschaften fast keine Grenzen gesetzt, wobei die Analysen auch immer schneller durchgeführt werden können. Denken Sie nur an Blut- zucker-Messgeräte oder Schwangerschaftstests. Bei diesen Verfahren lassen sich inner- halb weniger Sekunden bzw. Minuten Eigenschaften bestimmen. Was früher noch von Menschen mühsam erarbeitet werden musste, erledigen Computer auch in der Chemie innerhalb viel kürzerer Zeit. Noch reicht die Rechenleistung nicht aus, um chemische Reaktionen zu simulieren und Wirkungen von Chemikalien z. B. auf © Fernstudienzentrum Hamburg den menschlichen Körper zu testen. Es ist aber wahrscheinlich nur eine Frage der Zeit, bis die Rechendauer so kurz wird, dass man nicht mehr im Labor stehen muss, um Re- aktionen durchzuführen, sondern diese am Computer simulieren kann. 2.3.1 Schmelz- und Siedetemperatur Eine wichtige Eigenschaft von Stoffen ist die Schmelz- bzw. Siedetemperatur. Die Schmelztemperatur gibt den genauen Punkt an, wann ein Stoff seinen Aggregatzustand von fest zu flüssig ändert. Vielleicht klingt es trivial, aber woran erkennt man eigentlich, ob ein Stoff fest oder flüssig ist? Woher weiß man, dass der Stein nicht flüssig ist und das Wasser aus dem Wasserhahn nicht fest ist? Während Flüssigkeiten versuchen, im- mer die größtmögliche Fläche zu beanspruchen, passen sich feste Stoffe in ihrer Form der Umgebung nicht an. So lässt sich ganz leicht zwischen fest und flüssig unterschei- den. Bei der Siedetemperatur dagegen verdampft die Flüssigkeit, sodass sie immer weniger wird und der Stoff schließlich nur noch gasförmig vorliegt. Viele Gase können wir we- der sehen noch riechen, obwohl wir von ihnen umgeben sind. Dazu gehören auch alle Bestandteile der Luft; weder Stickstoff noch Sauerstoff werden von unseren Sinnesorga- nen wahrgenommen, obwohl diese beiden Gase fast die gesamte Luft um uns herum ausmachen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein fester Stoff schmelzen muss, um flüssig zu werden. Dieser flüssige Stoff wiederum muss verdampfen, um gasförmig zu werden. Diesen Vorgang kann man aber auch aus der anderen Richtung betrachten: Ein Gas muss kondensieren, um flüssig zu werden. Das flüssige Gas muss erstarren, um fest zu werden. Tatsächlich werden auch die Begriffe Erstarrungs- und Kondensationstempe- ratur gebraucht, wenn man sich diesen „umgekehrten“ Weg anschaut. Die Begriffe Schmelz- und Erstarrungstemperatur, sowie Siede- und Kondensationstemperatur sind 10 CHEE 1 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2 also austauschbar und finden auch stoffspezifisch bei derselben Temperatur statt. Es ist nämlich egal, ob ein Stoff erstarrt oder schmilzt. Beides passiert für diesen Stoff bei der- selben Temperatur. Das eine Mal wechselt er seinen Zustand von fest zu flüssig, wäh- rend sich das andere Mal der Aggregatzustand von flüssig zu fest ändert. Hinweis: Lesen Sie jetzt den Abschnitt Schmelz- und Siedetemperatur, um Ihr Wissen zu festigen. Sie haben sich bestimmt schon die Tabelle mit den „Schmelz- und Siedetemperaturen ei- niger Stoffe“ in dem Buchabschnitt „Schmelz- und Siedetemperatur“ angeschaut? Im Folgenden haben wir Ihnen eine weitere Tabelle mit Stoffen zusammengestellt, die in der Chemie häufig als Lösungsmittel benutzt werden. Auch wenn vielleicht einige Zun- genbrecher darunter sind oder Sie nicht genau wissen, wie die einzelnen Stoffe richtig ausgesprochen werden, brauchen Sie keine Angst zu haben. Nach einiger Zeit werden Ihnen die Begriffe leicht über die Lippen gehen. Exkurs 2.2 Temperaturskala Die Celsius-Skala ist nicht die einzige Temperaturskala, die heute gebraucht wird. Wichtig an einer solchen Skala ist, dass die Fixpunkte, auf die sich die Skala bezieht, so gewählt werden, © Fernstudienzentrum Hamburg dass sie reproduzierbar sind, die Temperaturen also immer gleich sind. Bei der Celsius-Skala wurden als Fixpunkte der Gefrierpunkt und der Siedepunkt von reinem Wasser gewählt. Der Raum zwischen beiden Punkten wurde dann in gleiche Teile aufgeteilt und die beiden Fix- punkte mit 0° und 100° belegt. Die Celsius-Skala wird aber nicht überall auf der Welt benutzt. In den USA wird heute immer noch die Fahrenheit-Skala benutzt. Bei dieser ist der erste Fixpunkt (0 °F) eine übliche Kälte- mischung (Eis, Wasser, Salz), die etwa –17,4 °C besitzt. Als zweiter Fixpunkt wurde dann ebenfalls der Gefrierpunkt von Wasser genommen, der durch die Skaleneinteilung bei 32 °F liegt. Nun gibt es aber noch einen dritten Fixpunkt, die Temperatur eines gesunden Menschen, die dann bei 96 °F liegt. Als Letztes wäre noch die Kelvin-Skala zu nennen, die in der Wissenschaft benutzt wird. Die Kelvin-Skala benötigt nur einen Fixpunkt, und zwar ist dies die kälteste je zu erreichende Temperatur. Diese wird dann einfach mit 0 K angegeben, sodass es in der Skala keine negati- ven Zahlen gibt. Die Temperatur, bei der Wasser gefriert, wäre in Kelvin genau 273,15 K. Tab. 2.1: Schmelz- und Siedepunkte von Stoffen (in diesem Fall Lösungsmittel), die in der Chemie häufig Verwendung finden Stoff Schmelztemperatur [°C] Siedetemperatur [°C] Essigsäureethylester –83,6 77,1 Tetrahydrofuran –108 66,0 Dimethylsulfoxid 18,4 189 Toluol –95,0 111 Wasser 0 100 CHEE 1 11 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung Übung 2.5: Sie möchten eine Reaktion durchführen, die eine Temperatur von 115 °C benötigt, da sonst die Stoffe nicht reagieren. Welchen der in der oberen Tab. 2.1 aufgeführten Stoffe nehmen Sie als Lösungsmittel? Begründen Sie. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Übung 2.6: Um auf Nummer sicher zu gehen, haben Sie Ihre Lösungsmittel aus Tab. 2.1 übers Wochenende in der Tiefkühltruhe (–70 °C) gelassen. Welche Lösungsmittel liegen fest vor, wenn Sie sie wieder aus der Tiefkühltruhe entnehmen? _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ © Fernstudienzentrum Hamburg 2.3.2 Löslichkeit Da das Wort Lösungsmittel bereits gefallen ist, wenden wir uns jetzt der Fähigkeit von Stoffen zu, andere Stoffe zu lösen. Auch dies ist wieder ein Vorgang, den Sie wahrschein- lich tagtäglich ausführen, ohne ihm besondere Beachtung zu schenken. Jedes Mal, wenn Sie Ihren Kaffee süßen oder die Suppe salzen, „verschwinden“ die festen Stoffe Zucker oder Salz. Der Kaffee schmeckt jetzt süß und die Suppe salzig, obwohl der Zucker und das Salz nicht mehr zu sehen sind. Natürlich sind die Stoffe nicht weg, sondern liegen jetzt gelöst vor. Was genau bei diesem Vorgang passiert, werden wir uns später noch an- schauen. Zunächst reicht es zu wissen, dass der gelöste Stoff immer noch seinen Aggre- gatzustand behalten hat, nur besser verteilt vorliegt. Bloß weil das Salz im Wasser gelöst ist, heißt dies nicht, dass das Salz jetzt flüssig geworden ist. Hinweis: Lesen Sie jetzt bitte den Abschnitt Die Löslichkeit. Nun haben Sie erfahren, dass Stoffe sich unterschiedlich gut in Wasser lösen lassen. Sie können gern den Versuch wagen und wie in der Tabelle im Abschnitt „Die Löslichkeit“ aufgeführt versuchen, 36 g Kochsalz (Speisesalz) in 100 ml Wasser zu lösen. Sie werden dafür wahrscheinlich einige Zeit brauchen und die Lösung oft umrühren müssen, bis kein Salz mehr zu sehen ist. Dabei können Sie auch schummeln und das Wasser vorher erwärmen. Dann werden Sie feststellen, dass es im warmen Wasser nicht mehr so lange dauert, bis sich das gesamte Salz gelöst hat. Durch die erhöhte Temperatur des Wassers haben Sie den Lösungsvorgang beschleunigt. Aus diesem Grund sollte auch eine gute Suppe längere Zeit gekocht werden, damit alle Stoffe aus dem Huhn und auch das Huhn selbst sich in der Suppe so fein verteilen, dass mit jedem Löffel ein kleines Stück Huhn in Ihren Magen wandert und Sie nicht nur schnödes Wasser zu sich nehmen. 12 CHEE 1 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2 Die Löslichkeit ist also nicht nur im Alltag ein steter Wegbegleiter, sondern hat auch in der Laborpraxis eine wichtige Bedeutung. Nicht selten sind fabelhafte Einfälle zu neuen chemischen Reaktionen daran gescheitert, dass nicht beachtet wurde, dass sich be- stimmte Stoffe doch nicht so gut in bestimmten Lösungsmitteln lösen lassen wie ge- dacht. Andere Stoffe dagegen werden viel zu gut gelöst, sodass man sie nicht ohne grö- ßeren Aufwand wieder aus dem Lösungsmittel herausbekommt. Ganze Doktorarbeiten versuchen herauszufinden, wie gut sich bestimmte Stoffe in bestimmten Lösungsmitteln lösen lassen, wobei die wissenschaftliche Erklärung immer im Vordergrund steht. Uns dagegen interessiert im Alltag mehr, dass ein Fleck aus der Tischdecke verschwindet, und weniger, warum im besonderen Fall vielleicht Zitronensaft besonders gut hilft. Kommen wir zum Schluss noch zu einer Übungsaufgabe, in der Sie Ihr Fleckenentfer- nungstalent unter Beweis stellen können. Übung 2.7: Ihnen ist schon wieder die Fahrradkette abgesprungen. Nach einem harten Kampf haben Sie sie wieder montiert, doch jetzt sind Ihre Hände ganz schwarz vom Fahr- radkettenöl. Begründen Sie, wieso reines Wasser jetzt nicht optimal wäre, um Ihre Hände zu reinigen, und was Sie stattdessen verwenden würden. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ © Fernstudienzentrum Hamburg ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Übung 2.8: Wieso ist in der Tabelle im Abschnitt Die Löslichkeit die Löslichkeit der Stoffe bei einer bestimmten Temperatur angegeben (dort: 20 °C)? Versuchen Sie dies mit einem anschaulichen Beispiel zu erklären. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ CHEE 1 13 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2.3.3 Dichte Bis jetzt sind wir gut ohne Formeln ausgekommen, um die Eigenschaften von Stoffen zu beschreiben. Das ändert sich nun mit der Einführung der Dichte als einer messbaren Stoffeigenschaft. Vielleicht haben Sie schon einmal die Fangfrage: „Was ist schwerer, 1 kg Federn oder 1 kg Steine?“ gehört. Im ersten Moment denkt man, dass Federn wohl leichter sein müssten, da sie langsam zu Boden fliegen und man sie kaum merkt, wenn man sie auf der Hand hält, während man mit Steinen immer etwas Schweres in Verbin- dung bringt. Dabei ist doch eigentlich klar, dass 1 kg Federn genauso schwer sind wie 1 kg Steine. Betrachtet man jedoch den Platzverbrauch, also das Volumen, das beide Ma- terialien einnehmen, würde man feststellen, dass 1 kg Federn ein großes Kissen füllen könnten, während bereits ein kompakter kleiner Stein 1 kg wiegen kann. Nimmt man Gewicht (Masse) und Volumen zusammen, und bildet den Quotienten daraus, erhält man unsere erste ausgerechnete Einheit, die Dichte: m ρ= V Der griechische Buchstabe ρ (ausgesprochen wie das deutsche Wort „roh“) gibt dabei die Dichte an, die sich aus Gramm (g), der Einheit der Masse, per Kubikzentimeter (cm3), der Einheit des Volumens, ergibt. Je größer der Quotient aus beiden, desto höher die © Fernstudienzentrum Hamburg Dichte. Bei unserem Beispiel mit den Federn und dem Stein würden wir nun jeweils für die Masse 1000 g eingeben, aber für die Federn ein viel größeres Volumen. Je größer der Nenner bei einem Bruch, desto kleiner wird das Ergebnis, und so hätten die Federn als Endergebnis eine viel kleinere Dichte als der Stein. Nehmen wir für das Kissen ein Volumen von 40 cm x 40 cm x 5 cm an (Breite, Höhe, Tiefe), woraus sich ein Gesamtvolumen von 8000 cm3 ergibt. Wir teilen die Masse 1000 g durch das Volumen von 8000 cm3 und erhalten für die Dichte das Ergebnis 0,125 g/cm3. Pro Kubikzentimeter kann man also von einem Gewicht von 0,125 g Fe- dern ausgehen. Schauen wir uns jetzt im Vergleich dazu die Dichte des Steins an. Wir nehmen an, unser Stein ist genau würfelförmig und hat eine Kantenlänge von 10 cm. Damit ergibt sich folgende Dichte: Beispiel 2.1: Berechnung der Dichte eines Steins mit der Masse von 1 000 g und einem Volumen von 10 cm x 10 cm x 10 cm. 1000g ρ= 1000cm 3 g ρ =1 cm 3 Vergleichen wir nun beide Werte, erkennen wir, dass 1 kg des Steins 8-mal dichter ist als 1 kg der Federn. Natürlich könnte man die Federn auch noch stärker zusammenpressen und damit das Volumen verkleinern – und die Dichte erhöhen. Dennoch würde man wahrscheinlich nie 1 kg Federn so verdichten können, dass die Dichte des Steines er- reicht wird. Leider hat man selten das Glück, das Volumen eines Stoffs so genau wie in unserem Bei- spiel messen zu können, da z. B. Steine selten in perfekter Würfelform herumliegen. 14 CHEE 1 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2 Hinweis: Lesen Sie jetzt den Abschnitt Die Dichte, um zu erfahren, wie die Dichte von Flüs- sigkeiten und Feststoffen gewöhnlich bestimmt wird. Nun wollen wir gleich Ihr erlerntes Wissen durch ein paar Übungsaufgaben festigen. Übung 2.9: Sie untersuchen die Dichte verschiedener Stoffe (A, B, C, D). Dabei nehmen Sie im- mer so viel von dem jeweiligen Stoff, dass die Masse der verschiedenen Stoffe unge- fähr gleich ist. Danach lassen Sie Ihre Versuchsstoffe in einen mit Wasser gefüllten Messzylinder fallen und notieren die Wasserverdrängung. Sortieren Sie die Stoffe von kleinster zu größter Dichte. Stoff Wasserverdrängung in ml A 2,5 B 1,7 C 4 © Fernstudienzentrum Hamburg D 3,1 ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Übung 2.10: Sie möchten herausfinden, ob Ihr Ring wirklich aus Silber besteht oder Sie dafür zu viel bezahlt haben. Dazu wiegen Sie den Ring und notieren eine Masse von 2,5 g. Daraufhin lassen Sie ihn in einen mit Wasser gefüllten Messzylinder fallen und no- tieren eine Volumenzunahme von 0,17 ml (Hinweis: 1000 ml = 1000 cm3). Können Sie mit dem Ergebnis zufrieden sein, wenn die Dichte von reinem Silber 10,49 g/cm3 beträgt? Begründen Sie. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ CHEE 1 15 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung Exkurs 2.3 Archimedisches Prinzip Es gibt eine schöne Geschichte, wie die Idee, die Dichte durch Wasserverdrängung zu bestim- men, geboren wurde. Das Universalgenie Archimedes soll im alten Griechenland von seinem König die Aufgabe bekommen haben, die Echtheit der goldenen Krone des Königs zu prüfen, denn der König glaubte, der Schmied habe einen Teil des Golds durch billigeres Silber ersetzt. Die Krone sollte jedoch bei der Bestimmung nicht zerstört werden, also war das Umschmel- zen in einen handlichen Würfel keine Option und damit die Volumenbestimmung eine nicht zu lösende Aufgabe. Es wird überliefert, dass die Lösung des Problems Archimedes beim Ba- den eingefallen sein soll, als er in eine mit Wasser gefüllte Wanne stieg und dabei das Wasser überlief. Plötzlich wurde ihm klar, dass die Wasserverdrängung wohl für verschiedene Körper unterschiedlich sein musste. Er nahm die Krone und ein gleich schweres Stück Gold und tauchte zunächst die Krone in einen bis zum Rand gefüllten Wasserbehälter. Er notierte sich die Menge des von der Krone verdrängten Wassers und wiederholte den Versuch mit dem Goldstück. Bestünde die Krone aus reinem Gold – so Archimedes Überlegungen – müssten Krone und Goldstück das gleiche Wasservolumen verdrängen. Das war allerdings nicht der Fall. Die Krone verdrängte mehr Wasser als das Goldstück und musste folgerichtig aus einem Ma- terial von geringerer Dichte bestehen. Wenn Teile der Krone aus einem weniger dichten Ma- terial bestehen, ist ein größeres Volumen nötig, um auf das gleiche Gewicht des reinen Golds zu kommen. © Fernstudienzentrum Hamburg Exkurs 2.4 Goldbarren mit Wolframkern Seit der Goldpreis vor einigen Jahren auch wegen der Finanzkrise stark angestiegen ist, haben sich Berichte vermehrt, in denen von Betrugsversuchen beim Goldkauf die Rede war. Es wur- de festgestellt, dass Goldbarren einen Wolfram-Kern enthielten und somit diese Goldbarren nicht so wertvoll waren, wie vom Käufer gedacht. Das Problem dabei ist, dass Gold und Wolf- ram sehr ähnliche Dichten besitzen und man die beiden Stoffe durch eine Wasserverdrän- gungsmethode nicht auseinanderhalten kann. 2.3.4 Leitfähigkeit Im vorangehenden Exkurs sind wir schon auf ein Problem gestoßen, das häufiger auf- treten kann. Auch wenn es sich um unterschiedliche Stoffe handelt, können sie Eigen- schaften aufweisen, die einander ähnlich sind, sodass sie sich durch eine einfache Un- tersuchung nicht klar voneinander unterscheiden lassen. Wir haben erfahren, dass Wolfram und Gold, beides Metalle, fast gleiche Dichten besit- zen, sodass man nicht mit hundertprozentiger Sicherheit sagen kann, ob ein Goldbarren einen Wolframkern hat oder nicht. Ob ein Goldbarren einen Wolframkern hat, könnte man herausfinden, wenn man eine andere Eigenschaft als die Dichte heranzieht, näm- lich die elektrische Leitfähigkeit. Diese gibt an, wie gut Stoffe den elektrischen Strom lei- ten können. Wolfram und Gold unterscheiden sich in ihrer Leitfähigkeit nämlich signi- fikanter, jedoch ist die Messmethode viel aufwendiger. Genau wie Gold und Wolfram ist auch Kupfer ein Metall. Es findet besonders für jegli- che Arten von Kabeln Verwendung, da es eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt und recht günstig ist. Silber leitet den elektrischen Strom zwar noch besser, ist aber deutlich teurer und wird deswegen in der Produktion von Kabeln nicht eingesetzt. 16 CHEE 1 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2 Ein Kabel muss natürlich nach außen hin abgeschirmt sein, damit der Strom nur durch das Kabel hindurchgeht und keine Kurzschlüsse verursacht werden. Deswegen sind Ka- bel auch immer mit einem Stoff umgeben, der nicht leitet (sogenannte Nichtleiter), zu- meist mit einem Kunststoff. Nichtleiter nennt man auch Isolatoren. Elektrische Isolatoren, also Stoffe, die den elektrischen Strom schlecht leiten, sind in der Regel auch Wärmeisolatoren, also Stoffe, die die Wärme schlecht leiten. Metalle dagegen nehmen Wärme gut auf und leiten sie. Deswegen benutzt man Töpfe aus Edelstahl, ei- nem Metall, das die Wärme gut aufnimmt und das Essen schnell erhitzt. Wir können also sagen, dass Stoffe, die gute elektrische Leiter sind, in der Regel auch eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und umgekehrt. Natürlich gibt es auch Ausnahmen von dieser Regel. Zwei Ausnahmen, die Sie sich ein- prägen sollten, sind Diamant und Graphit. Diamant besteht aus Kohlenstoff und ist ein elektrischer Isolator, leitet aber Wärme so gut wie kaum ein anderer Stoff. Eine andere Art von Kohlenstoff, die Sie sicherlich kennen, ist Graphit, der in Bleistiften als Mine verwendet wird. Auch Graphit besteht nur aus Kohlenstoff, leitet aber sowohl den elek- trischen Strom als auch die Wärme sehr gut. Den Grund dafür werden wir aber erst in einem späteren Kapitel behandeln. Hinweis: © Fernstudienzentrum Hamburg Lesen Sie jetzt bitte den Abschnitt über Die Leitfähigkeit von Stoffen. Wir haben bis jetzt nur über die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Feststoffen gesprochen. Natürlich besitzen auch Flüssigkeiten und Gase diese mess- baren Eigenschaften. Exkurs 2.5 Wärmeleitfähigkeit bei Fenstern Obwohl Fenster schlechte Wärmeleiter sind, wird über die Fenster an einem Haus die meiste Wärme nach außen hin abgegeben. Daher ist man von einfach verglasten Fenstern auf dop- pelt verglaste Fenster gekommen. Die Luft zwischen den beiden Fenstern hat nämlich eine noch schlechtere Wärmeleitfähigkeit als das Fensterglas, und ein Austausch kann damit noch weniger stattfinden. Durch Austausch der Luft mit dem Edelgas Krypton kann die Wärmeleitfähigkeit noch weiter herabgesetzt werden, und durch den Einsatz einer dritten Glasscheibe können zwei Zwi- schenräume geschaffen werden, sodass die abgegebene Wärmemenge um etwa den Faktor drei gegenüber einer Einfachverglasung gesenkt werden kann. CHEE 1 17 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung Übung 2.11: Ordnen Sie folgende Stoffe richtig zu: Aluminium, Baumwolle, Glas, Holz, Stahl, Diamant, Zellulose, Graphit, Silber, Luft Gute elektrische Leitfähigkeit besitzen: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Elektrische Nichtleiter sind: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Gute Wärmeleitfähigkeit besitzen: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Wärmeisolatoren sind: © Fernstudienzentrum Hamburg _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.3.5 Eigenschaften bestimmen die Verwendung Hinweis: Lesen Sie erst den gleichnamigen Abschnitt Eigenschaften bestimmen die Ver- wendung im Buch. Nur wenn man die Eigenschaften von Stoffen gut kennt, lassen sich diese sinnvoll ein- setzen. Da sich die Chemie mit der Umwandlung von Stoffen beschäftigt, können auch ganz neue Stoffe mit ganz neuen Eigenschaften hergestellt werden. Neue Stoffe können dann auch alte Stoffe in ihrer Verwendung ablösen. Heutzutage ersetzen vor allem Kunststoffe in vielen Bereichen die vorher verwendeten Materialien. Dies geschieht zu- meist, weil die neuen Stoffe billiger sind und in ihren Eigenschaften mindestens den al- ten ebenbürtig. Verbundwerkstoffe sind Stoffe, die aus zwei oder mehr verbundenen Materialien beste- hen und andere Eigenschaften besitzen als die einzelnen Komponenten. Neueste Passagierflugzeuge werden heute aus Verbundwerkstoffen gefertigt, einer Mi- schung aus extrem belastbaren Kohlenstofffasern und verschiedenen Kunststoffen. Auch im Automobilbau werden diese Stoffe zunehmend eingesetzt, wobei noch die Kos- ten einer weiten Verbreitung im Wege stehen. Durch die Gewichtseinsparung, die Ver- bundwerkstoffe gegenüber Leichtmetallen wie Aluminium oder Titan haben, sinkt der Verbrauch an Treibstoff. 18 CHEE 1 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2 Übung 2.12: Autos aus Kunststoffen zu fertigen wäre schon seit vielen Jahren möglich. Trotzdem wurde dies im Automobilbau bis auf wenige Ausnahmen (Trabant) nicht verfolgt. Versuchen Sie, diese Entwicklung zu begründen. Denken Sie dabei an die unter- schiedlichen Eigenschaften von Stahl (Brücken, Gebäudefundamente) und Plastik (Kunststoffflaschen, Aufbewahrungsboxen). ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Welche Stoffe in der Industrie verwendet werden, ändert sich also im Laufe der Zeit. Hierbei entscheidet der Erzeugerpreis maßgeblich mit, welche Stoffe in der Produktion von Gütern eingesetzt werden. Es dauert oft einige Zeit, bis sich die Menschen an Pro- dukte aus neuen Stoffen gewöhnen, da gerne zu Altbewährtem gegriffen wird. So ver- ging einige Zeit, bis sich Plastikflaschen als Aufbewahrung für Getränke durchsetzen konnten. © Fernstudienzentrum Hamburg Übung 2.13: In Zügen, Flugzeugen und U-Bahnen findet oft Plexiglas (ein Kunststoff) anstelle von normalem Glas Verwendung. Versuchen Sie, Gründe dafür zu finden. Wie ist das bei Automobilen? Versuchen Sie, auch dafür Gründe zu finden. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ CHEE 1 19 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2.4 Modell: Stoffe sind Teilchen Hinweis: Lesen Sie bitte zuerst in Kapitel 2 den Abschnitt Modelle helfen verstehen im Buch. In der Chemie müssen oft Modelle herangezogen werden, um Sachverhalte verstehen zu können. Nicht immer entsprechen diese Modelle der Wirklichkeit. Trotzdem sind sie oft gut genug, um einen komplizierten Sachverhalt deutlich einfacher darzustellen. Hinweis: Lesen Sie jetzt in Kapitel 2 die Seiten Das Teilchenmodell sowie Aggregatzustände im Modell und lernen Sie dabei ein einfaches Modell kennen, das zeigt, wie Stoffe aufgebaut sind. Wir nehmen also an, dass Stoffe aus kleinen Teilchen bestehen, zwischen denen ver- schiedene Kräfte wirken. So kann man sich vorstellen, dass die Teilchen näher zusam- menrücken, wenn eine Anziehungskraft wirkt, während bei abstoßenden Kräften die Teilchen weiter auseinandergehen. Sie haben in dem Abschnitt gelesen, dass die Teil- chen sich immer bewegen. Wenn sich Teilchen also schneller bewegen, brauchen sie mehr Platz dafür. Damit stoßen sie sich auch mehr ab, wodurch dann z. B. ein Stoff vom © Fernstudienzentrum Hamburg festen in den flüssigen Aggregatzustand übergehen kann. Sie erfahren im nächsten Ab- schnitt mehr dazu. Wir können die Teilchen beschleunigen, indem wir ihnen Energie zuführen. Am leich- testen geht das, indem wir sie erwärmen. So können die Teilchen eines Feststoffs dann leichter aus dem Verbund an Teilchen heraustreten. Wir können also ihre Anziehungs- kräfte überwinden und sie durch eine höhere Temperatur dazu zwingen, sich mehr zu bewegen. Aus diesem Grund gelingt z. B. ein Tee besser, wenn man ihn mit warmem Wasser aufgießt, da sich die einzelnen Bestandteile dann schneller verteilen. Senken wir die Temperatur der Teilchen, indem wir z. B. die Herdplatte ausschalten, dann verlieren sie ihre überschüssige Energie wieder, weil sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen. Die Teilchen werden mit der Zeit langsamer und nehmen ihren ur- sprünglichen Zustand wieder an, den sie vor dem Erhitzen hatten. Man kann sagen, dass sie sich mit der Zeit ihrer Umgebung anpassen. Wir können Energie auch in anderer Form an die Teilchen weitergeben als mit zuneh- mender Temperatur. Sie haben bestimmt schon festgestellt, dass eine Fahrradpumpe bei der Benutzung ziemlich warm werden kann. Vor allem, wenn Sie die Öffnung der Pum- pe verschließen, brauchen Sie ganz schön viel Kraft, um sie zusammenzudrücken, und die Pumpe wird an der verschlossenen Öffnung besonders warm. Je schneller Sie pum- pen, desto wärmer wird die Pumpe. Wie kann man sich das auf der Teilchenebene vor- stellen? Wieso wird die Pumpe warm? Wenn Sie die Pumpe zusammendrücken, komprimieren Sie das Volumen, in dem sich die Teilchen frei bewegen können. Die Teilchen müssen näher zusammenrücken, ohne jedoch ihre Energie abgeben zu können, sodass Wärme entsteht. Sie haben also mit ihrer Muskelkraft in der Pumpe Wärme erzeugt. 20 CHEE 1 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung 2 Um Gase flüssig zu machen, reicht es nicht aus, sie zu verdichten, sondern man muss ihnen ihre Bewegungsenergie entziehen, indem man die Temperatur senkt. Das gestaltet sich jedoch bei vielen Gasen schwierig, da sie ohnehin meist sehr tiefe Kondensations- temperaturen aufweisen. Doch selbst bei der tiefstmöglichen Temperatur sind die Teilchen nicht vollkommen er- starrt, sondern haben das Bestreben, sich zu bewegen. Übung 2.14: Ordnen Sie den Aggregatzuständen „fest“, „flüssig“, „gasförmig“ die Begriffe „hohe Anziehungskräfte“, „mittlere Anziehungskräfte“ und „niedrige Anziehungskräfte“ zu. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Es gibt auch Stoffe, die direkt vom Aggregatzustand „fest“ in den gasförmigen Aggre- gatzustand wechseln, ohne dazwischen als Flüssigkeit zu existieren. Ihre Anziehungs- © Fernstudienzentrum Hamburg kräfte sind im festen Zustand gerade groß genug, um die Teilchen zusammenzuhalten. Sobald jedoch ein wenig Energie dazukommt, reicht diese aus, um die Anziehungskräfte so schnell zu überwinden, dass direkt ein Gas entsteht. Diesen Vorgang nennt man Su- blimation und der umgekehrte Vorgang heißt Resublimation. Im Winter kann man be- obachten, wie Schnee/Eis immer weniger wird, obwohl sich kein Tauwasser bildet. Das Eis wechselt trotz Temperaturen unter dem Gefrierpunkt seinen Aggregatszustand von fest zu gasförmig und wird zu Wasserdampf. Wichtig zu erwähnen ist noch, dass unterschiedliche Stoffe natürlich unterschiedlich große Teilchen besitzen und sich daraus auch veränderte Anziehungs- und Abstoßungs- kräfte ergeben, die zu unterschiedlichen Schmelz- und Siedetemperaturen führen. Exkurs 2.6 Dichteanomalie des Wassers Unser Planet ist zu über 70 % von Wasser bedeckt und auch wir bestehen zum großen Teil aus dieser Flüssigkeit. Der Stoff Wasser verhält sich jedoch durchaus ungewöhnlich. Wenn Sie raten müssten, wo würden Sie die größte Dichte des Wassers vermuten? Wahrscheinlich, wenn es als Eis, gefroren vorliegt? Immerhin ist es dann fest, und wir haben gelernt, dass Feststoffe meist dichter als Flüssigkeiten sind. Den kleinsten Abstand zwischen den Teilchen und damit die größte Dichte besitzt Wasser jedoch bei 4°C – und bei dieser Tem- peratur ist es flüssig und nicht fest! Diese Eigenschaft nennt man „Dichteanomalie des Was- sers“. Im flüssigen Wasser kommen sich die Teilchen bei 4°C am nächsten, dann sind sie am dichtesten gepackt. Erklärung: Kühlt man wärmeres Wasser auf 4°C ab, so nimmt sein Volu- men wie bei jeder anderen Flüssigkeit stetig ab, das heißt seine Dichte steigt kontinuierlich an. Sinkt die Temperatur jedoch unter 4°C, so dehnt es sich wieder geringfügig aus und die Dichte nimmt wieder etwas ab. Der Grund liegt darin, dass sich dann durch gegenseitige An- ziehung zunehmend sperrige Verbände aus Wasserteilchen (Wassermolekülen) bilden, die ei- nen größeren Platzbedarf haben als einzelne Wasserteilchen. CHEE 1 21 2 Chemie – Stoffe und ihre Beschreibung Bei weiterer Abkühlung kommt es dann am Gefrierpunkt bei 0°C zum Aggregatzustands- wechsel von flüssig zu fest und es erfolgt eine starke und sprunghafte Ausdehnung, weil sich ein Kristallgitter aus Wassermolekülen mit sehr hohem Platzanspruch ausbildet. Dies wird klar, wenn man daran denkt, dass man eine Getränkeflasche aus Glas nicht ins Tiefkühlfach des Kühlschranks legen sollte, weil sie sonst beim Gefrieren des Wassers platzt. Die Dichteanomalie von Wasser ist auch der Grund dafür, dass Eis Schlaglöcher verursacht: Da die Dichte von flüssigem Wasser höher als die von festem ist, reicht ein Spalt im Asphalt zwar für flüssiges Wasser. Gefriert dieses jedoch, nimmt das Volumen zu, während der Platz zum Ausbreiten gleich bleibt. Folglich gibt der Asphalt nach und der Spalt kann zum Loch werden. Andererseits ermöglicht die Dichteanomalie des Wassers uns eine schnelle Gleitfahrt beim Schlittschuhlaufen. Wenn Sie Eis in den Händen zusammenpressen, wird es wieder flüssig. Das Gleiche passiert, wenn Sie mit Schlittschuhen auf einer Eisfläche fahren. Durch den Druck, den Sie mit den Schlittschuhen auf das Eis ausüben, pressen Sie das Eis zu flüssigem Wasser zusammen, und ein dünner Wasserfilm bildet sich auf dem Eis, auf dem Sie dann wie- derum gleiten können. Übung 2.15: Jemand, der ein Parfum trägt, verlässt nach kurzer Zeit den Raum. Trotzdem kann © Fernstudienzentrum Hamburg man das Parfum noch lange danach riechen. Erklären Sie diesen Umstand mithilfe des Teilchenmodells. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
