Chemie

Anna Heynkes, 30.9.2005

Gliederung

	Die Chemie als Wissenschaft
	Physikalische Grundlagen für das Verständnis der Chemie
	Sicherheitsunterweisung
	Regeln für das sichere Experimentieren
	Der Aggregatzustand
	Der Teclubrenner
	Die Brennerflamme
	Schmelz- und Siedepunkte
	Ermittlung des Siedepunktes von Wasser
	Löslichkeit
	Die Alkalimetalle
	Orbitale, Hybridorbitale und ihre Bedeutung
	Säuren und Basen
	Das Element Schwefel
	Das Element Stickstoff
	Salpetersäure und Nitrate
	Phosphorsäure und Phosphate
	Kohlensäure und ihre Salze
	Experiment zum Kohlendioxid-Kohlensäure-Gleichgewicht
	Stoffnachweise in der organischen Chemie
	Kohlenwasserstoffe - Energieträger und Rohstoffe
	Alkane
	Die elektrophile Addition
	wichtige Chemieseiten im Internet

Die Chemie ist laut Meyers Lexikon die Aufbau, Eigenschaften und Veränderungen von Stoffen erforschende Naturwissenschaft. Genauer befasst sie sich mit den Wechselwirkungen der chemischen Elemente. Abstrakter formuliert ist die Chemie die Naturwissenschaft, die sich mit den Ursachen und Wirkungen von Elektronenabgabe, -aufnahme und -verteilung zwischen Atomen und Molekülen befasst.

Aggregatzustand nennt man die Erscheinungsform eines Stoffes. Es gibt drei klassische Aggregatzustände, nämlich fest (s wie solid), flüssig (l wie liquid) und gasförmig (g wie gaseous). Feststoffe setzen Änderungen ihres Volumens und ihrer Form mehr oder weniger großen Widerstand entgegen. Flüssigkeiten setzen Volumenänderungen, nicht aber Formveränderungen Widerstand entgegen. Gase füllen immer den gesamten zur Verfügung stehenden Raum vollständig und gleichmäßig aus, weil sie weder form-, noch volumenbeständig sind. Teilweise werden auch das Plasma und das Bose-Einstein-Kondensat als extreme Aggregatzustände gewertet.

Die Übergänge zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen (auch Phasen genannt) haben spezielle Namen:

fest -> flüssig: schmelzen
fest -> gasförmig: sublimieren
flüssig -> fest: gefrieren
flüssig -> gasförmig: verdampfen
gasförmig -> fest: resublimieren
gasförmig -> flüssig: kondensieren
(http://de.wikipedia.org/wiki/Aggregatzustand)

In welchem Zustand der Stoff auftritt hängt von der Temperatur ab. Um den Aggregatzustand zu einer vergleichbaren Stoffeigenschaft zu machen, hat man sich für seine Bestimmung auf die Raumtemperatur von 20°C geeinigt.

Der Teclubrenner ist ein speziell für chemische Labore entwickelter Gasbrenner, bei dem das Gas über eine Gaszuführung im Fuß des Brenners an eine enge Düse gelangt und von dort mit hoher Geschwindigkeit in ein Brennerrohr (Kamin) einströmt. Durch die schnelle Strömung entsteht im Brennrohr ein Unterdruck, durch den Luft angesaugt werden kann. An dessen Mündung kann das Gas entzündet werden. Die für die Verbrennung erforderliche Luft stammt entweder direkt von der Umgebung, oder man läßt sie für heißere Flammen zusätzlich durch die Luftzuführung ansaugen. Im Gemisch mit Luft verbrennt das Gas schneller, vollständiger und heißer. Bei Gasbrennern mit Sparflamme ist im Brennerrohr ein dünnes Metallröhrchen angebracht, an dessen oberen Ende die sogenannte Sparflamme brennen kann. Die Gaszufuhr für die Sparflamme liegt vor dem Gashahn des Brenners, damit die Sparflamme auch bei geschlossenem Gashahn des Brenners weiterbrennt. Je nach Art des Gases und seinem Mischungsverhältnis mit Luft ist die Hauptflamme unterschiedlich heiß und man erkennt die Temperatur an der Farbe der Flamme. (http://www.hamm-chemie.de/k7/k7ab/teclubrenner.htm)

Brennrohr Bunsendüse Luftzufuhrregelung Gaszufuhr   Gaszufuhrregelung

Bei zu großer Luftzufuhr oder zu geringer Gaszufuhr kann die Flamme "durchschlagen". Das Gas brennt dann bereits an der Düse im Brennrohr. Dadurch kann sich der untere Teil des Brenners so stark erhitzen, dass der Gummischlauch an der Gaszufuhr schmort und schließlich brennt. Ursache für ein solches Zurückschlagen können ein eingeklemmter Schlauch oder unsachgemäße Bedienung des Brenners sein. Die Hauptgaszufuhr am Labortisch muss in diesem Fall sofort geschlossen werden. Ein heiß gewordener Brenner muss erst abkühlen, bevor er erneut angezündet werden darf. (http://www.hamm-chemie.de/k7/k7ab/teclubrenner.htm)

Es gibt drei verschiedene Brennerflammen. Die leuchtende Flamme mit 350°C, die nicht leuchtende Flamme mit 800°C und die rauschende Flamme deren heißester Punkt bei 1200°C liegt. Man erhält die leuchtende Flamme wenn man die Luftregulierung zu dreht und die Gasregulierung auf. Man erhält die nicht leuchtende Flamme wenn man die Luftregulierung etwas auf dreht und die Gasregulierung auf. Die rauschende Flamme entsteht wenn man sowohl die Luftregulierung- als auch die Gasregulierung ganz auf dreht.

In der leuchtenden Flamme verbrennt das Gas wegen Sauerstoffmangels nur unvollständig. Dadurch entstehen Rußteilchen, die in der Flamme glühen und das Leuchten verursachen. Bei ausreichender Luftzufuhr verbrennt das Gas vollständig und die Flamme leuchtet nicht mehr. Bei sehr starker Luftzufuhr entsteht eine besonders heiße und rauschende Flamme. (http://www.hamm-chemie.de/k7/k7ab/teclubrenner.htm)

Ermittlung des Siedepunktes von Wasser
	Versuchsaufbau
	Versuchsdurchführung
	Beobachtungen und Erklärungen zum Experiment
	Ein unklares Ergebnis

Normalerweise wird über einen Brenner auf ein Stativ eine CERAN-Platte gelegt und auf diese wird ein Erlenmeyerkolben oder ein Becherglas gestellt, in welches man Leitungswasser und einige Siedesteinchen gibt. Ein Thermometer zur Messung der Wassertemperatur wird mit seiner Spitze etwa in die Mitte des Wassers gehängt. Zur Vorbereitung des Experimentes gehört auch eine Tabelle, in die man in Abständen von einer halben Minute eintragen kann, wie heiß gerade das Wasser ist und was man sonst beobachtet. (http://www.hamm-chemie.de/k7/k7ve/versuchsergebniss_Sdp_Wasser.htm).
Wir sollten allerdings die Thermometerspitze knapp unter der Wasseroberfläche halten und keine Siedesteinchen verwenden.

Wir lasen zunächst die Ausgangs-Temperatur vom Thermometer ab. Dann entzündeten wir den Brenner und starteten gleichzeitig eine Stoppuhr. In Abständen von jeweils einer halben Minute notierten wir die Wassertemperatur und schrieben auf, wann und wo wir Luft- bzw. Wasserdampfblasen sahen. Zuhause übertrug ich dann die gemessenen Wertepaare aus Zeit und Temperatur in ein Koordinatensystem auf Millimeterpapier (http://www.hamm-chemie.de/k7/k7ve/versuchsergebniss_Sdp_Wasser.htm).

Normalerweise verhindern Siedesteinchen einen gefährlichen Siedeverzug. Sind Wasser und Glasgefäß schmutzig genug und ist die vom Wasser bedeckte Glasoberfläche groß genug, dann kann man offensichtlich auf Siedesteinchen verzichten.

Weil zunächst die Ceranplatte, das Glas und die unteren Wasserschichten erwärmt werden mussten, stieg die Temperatur des Wassers am Thermometer in der ersten halben Minute gar nicht, dann langsam und erst nach etwa 2 Minuten schnell und relativ gleichmäßig an.

Ab etwa 40°C nahm die Temperatur immer langsamer zu, weil das Wasser bei gleichbleibender Brennerleistung immer mehr Wärme an die umgebende Luft abgab. Bei 94°C schien die Temperatur eine Weile gar nicht mehr anzusteigen, aber das war wahrscheinlich ein Messfehler, weil wir die Temperatur ohne Nachkommastellen abgelesen haben. Wir erreichten maximal 100°C und danach blieb die Temperatur konstant.

Am Boden des Becherglases beobachteten wir schon erste Bläschen, als das Thermometer erst 22,5°C anzeigte. Dabei handelte es sich wahrscheinlich um Luftblasen, die bereits bei Wassertemperaturen von etwa 35°C auftreten. Am Boden des Wasserglases wurde diese Temperatur natürlich zuerst erreicht. Als das Thermometer 29°C anzeigte, sahen wir Luftblasen auch an den Wänden des Becherglases. Bei 37°C beobachteten wir, wie einige Blasen aufstiegen und bei 42°C konnten wir erkennen, wie Luftblasen größer wurden. In diesem Temperaturbereich kann das Wasser nur noch sehr wenig Luft lösen und deshalb muss die Luft das Wasser verlassen.

Bei 68°C begann die Wasseroberfläche zu vibrieren. Ab 71°C beschlug das Becherglas oberhalb des Wassers und es bildeten sich große und kleine Blasen, die wohl mit Wasserdampf gefüllt waren. Ab 77°C blubberte das Wasser, aber die Wasserdampfblasen entstanden noch nicht in der Mitte des Gefäßes. Ab 94°C konnten wir Wasserdampf aufsteigen sehen, das Thermometer beschlug und am Glasrand bildeten sich Wassertropfen. Ab 95°C entstanden auch mitten im Wasser Bläschen. Ab 96°C schien rein optisch gesehen das Wasser zu kochen. Ab 97°C konnte man das Kochen des Wassers hören. Während die Temperatur noch bis 100°C weiter stieg, nahm die Blasenbildung ab.

Der Siedepunkt konnte nicht eindeutig ermittelt werden, weil rein optisch betrachtet das Wasser bereits ab 95°C kochte, während die Temperatur noch bis 100°C langsam weiter anstieg. Da unsere Schule etwa 300 Meter über dem Meeresspiegel liegt (http://www.aachen.de/DE/tourismus_stadtinfo/30_Aachen_ABC/index.html), war wegen der etwas kleineren Luftsäule über unserer Schule ein generell niedrigerer Luftdruck und dementsprechend auch eine Siedetemperatur unterhalb von 100°C zu erwarten. Andererseits wird aber der Siedepunkt durch im Wasser gelöste Salze erhöht. Weil wir Leitungswasser mit unbekanntem Salzgehalt benutzten, läßt sich nicht sagen, welche Siedetemperatur wir hätten finden müssen. Aber wahrscheinlich nahm die Wassertemperatur auch nach Beginn des Siedens weiter zu, weil durch das Verdunsten des Wassers die Salzkonzentration des restlichen Wassers immer weiter zunahm. Mit der Salzkonzentration stieg deshalb auch der Siedepunkt am Ende unseres Experimentes und deshalb war vielleicht der optische Eindruck zuverlässiger als die Temperaturmessung.

Dieses Problem des während des Experimentes zunehmenden Siedepunktes zeigt, daß wir zur Bestimmung des Siedepunktes von Wasser besser reines, destilliertes Wasser benutzt hätten.

In sauerstoffhaltigen Lösungsmitteln löst sich Jod mit brauner-, in sauerstofffreien Lösungsmitteln mit violetter Farbe.

Die Löslichkeit ist eine Stoffeigenschaft.

Alkalimetalle geben ihr Valenzelektron besonders leicht ab und sind daher besonders reaktiv. Sie reagieren sogar mit Wasser und lösen sich darin auf. Deshalb kommen sie in der Natur nicht in reiner Form vor. Meistens kommen sie als Salze vor oder sind als Ionen gelöst. Wegen ihrer lockeren Elektronenhülle sind sie sehr wenig dicht und weich und lassen sich einfach mit einem Messer schneiden.

• Grundlagen der organischen Chemie der Universtät Erlangen
• Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie

Internet-Seiten von Chemielehrern

• Chemieunterricht und Chemiedidaktik des Autors und Realschul-Chemielehrers Thomas Seilnacht
• Die Schulchemie-Webseiten vom Chemie- und Physikberufsschullehrer Manfred Amann in Baden-Württemberg
• Hamm's Chemie-Seite des Chemiegymnasiallehrers Johannes Hamm in Moers
• Chemieseiten des Chemielehrers an der gewerblich-industriellen Berufsschule Bern Markus Philipp Isenschmid
• Bio-LK-Lehrer Ulrich Helmig mit Internetseiten zu Biologie und Chemie
• Chemiekurs des Diplombiologen Ernst-Georg Beck auf der Grundlage des Lehrplans Chemie Klasse 11 des beruflichen Gymnasiums Baden-Württemberg von 1999
• Animation biologischer und chemischer Vorgänge von Studienrat Holger Schickor

Internet-Seiten von Chemiestudenten

• Ein gutes und sehr umfangreiches Chemie-Skript, welches Guido Bauer-Sachs zur Vorbereitung auf eine Chemie-Prüfung erstellt hat
• von Chemiestudenten für Chemiestudenten
• Experimentalchemie.de des Chemiestudenten Peter Wich
• www.chemielabor.com des Chemiestudenten Benjamin Bulheller

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