5.5 wasser – weitere besondere eigenschaften · ch3 ch ch ch3 ch3 3 ch2ch 2 ch2 ch2 ch3 ch3 ch...

Molekülbau und Stoffeigenschaften 13

5.5 Wasser – weitere besondere Eigenschaften

Neben der hohen Siedetemperatur hat Wasser weitere außergewöhnliche Eigenschaften. Auch sie lassen sich mit den besonders starken zwischenmolekularen Anziehungskräften, den Wasserstoffbrücken, erklären.

1 Oberflächenspannung des Wassers Die Wasseroberfläche eines gefüllten Glases lässt sich über den Rand hinaus vergrößern, wenn man weitere Wassertropfen hinzugibt – die Wasseroberfläche scheint mit einer Haut umgeben zu sein.Erkläre dieses Phänomen mithilfe der Anziehungskräfte zwischen den Wasser-Molekülen.

Dieses Phänomen beruht auf den Anz iehungs-

kräften zwischen den Wasser-Molekü len , den

Wasserstoffbrücken . D iese werden von den

Molekü len im Inneren der F lüssigke it nach

a l len Se iten ausgeb i ldet . Da a l le Molekü le an

der Ober f läche zum Inneren der F lüssigke it

gezogen werden, s ie d iesem Zug wegen der dort schon vor-

handenen Molekü le jedoch n icht fo lgen können, ersche int

d ie Ober f läche w ie e ine gespannte e last ische Haut.

2 Molekülgitter von Eis Eisberge schwimmen im Meerwasser. Wasser hat also, im Gegensatz zu allen anderen Stoffen, im festen Aggregatzustand eine geringere Dichte als im flüssigen. Ergänze folgenden Lückentext.

Im Eis bilden die Wasser-Moleküle ein regelmäßiges

Kristallgitter B2, in dem jedes Sauerstoff-Atom tetra-

edrisch von v ier Wasserstoff-Atomen

um geben ist. Zwei dieser Wasserstoff-

Atome sind über

Elektronen paarb indungen

mit dem Sauerstoff-Atom verbunden, zwei über Wasserstoffbrücken . Da der O-H-Abstand

im Wasser-Molekül ger inger ist als der in einer Wasserstoffbrücke, sind die H-Atome nicht

symmetrisch zwischen den Sauerstoff-Atomen verteilt. Es ergibt sich ein weit-

maschiges Gitter mit durchgehenden Hohlräumen von sechseckigem Querschnitt. Wegen dieser Struktur be-

sitzt Eis eine ger ingere Dichte als Wasser und schwimmt auf diesem.

B1 Kräfte zwischen Wasser-Molekülen

Teilchen an derGrenzfläche

resultierendeKraft

Teilchen im Innernder Flüssigkeit

B2 Molekülgitter von Eis. Es entstehen Hohlräume

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5.7 Lösen und Mischen

V1 Lösen von Feststoffen Geräte und Chemikalien: 6 Reagenzgläser, Spatel, dest. Wasser, Heptan, Paraffinöl, Kochsalz, Zucker. Durchführung: a) Gib in je drei Reagenzgläser eine Spatelspitze Kochsalz oder Zucker.b) Überprüfe, in welchem der Lösungsmittel (Wasser, Heptan und Paraffinöl) sich die Feststoffe lösen. Setze jeweils etwa 2 cm hoch Lösungsmittel zu. c) Notiere deine Beobachtungen in folgender Tabelle.

Kochsalz Zucker

Wasser löst sich löst sichHeptan löst sich nicht löst sich nichtParaffinöl löst sich nicht löst sich nicht

V2 Mischen von Lösungsmitteln Geräte und Chemikalien: 3 Reagenzgläser, Wasser, Heptan, Paraffinöl. Durchführung: a) Gib in je ein Reagenzglas etwa 1 cm des Lösungsmittels Ø. Füge je 1 cm hoch des Lösungs-mittels ØØ hinzu und schüttle vorsichtig. Beobachte, welche Lösungsmittel sich ineinander lösen und notiere deine Beobachtungen in folgender Tabelle.

Lösungsmittel Ø Lösungsmittel ØØ Beobachtungen

Wasser Heptan löst sich nicht, Heptan schwimmt auf WasserHeptan Paraffinöl löst sichParaffinöl Wasser löst sich nicht, Paraffinöl schwimmt auf Wasser

Entsorgung (V1, V2): Heptan und Paraffinöl dürfen nicht in den Abfluss gegeben werden. Gib die Abfälle daher in ein spezielles Gefäß bei der Lehrkraft. Dieses sollte unter dem Abzug stehen.

b) Vergleiche die Dichte von Heptan und Paraffinöl mit der Dichte von Wasser. Begründe.

Da Heptan und Paraff inö l auf Wasser schwimmen, müssen

s ie e ine ger ingere Dichte a ls Wasser haben.

c) In Kap. 5.6 hast du bereits die Eigenschaften von Wasser als Lösungsmittel kennengelernt. Stelle mit diesem Wissen und den Ergebnissen von V1 und V2 eine Vermutung über den Molekülbau von Heptan und den Molekülen des Paraffinöls auf. Begründe deine Vermutung.

Wasser ist als Lösungsmittel aufgrund des polaren Baus seiner

Moleküle gut für viele Salze und andere polare Stoffe geeignet.

Kochsalz und Zucker lösen sich weder in Heptan noch in Paraf-

finöl. Zudem lassen sich Heptan und Paraffinöl nicht in Wasser

lösen . Daher ist es nahe l iegend, dass Heptan und Paraf-

f inö l n icht aus po laren Molekü len aufgebaut s ind .

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20 Molekülbau und Stoffeigenschaften

5.10 Benennen verzweigter Alkane

Die Anzahl der Strukturisomere nimmt bei den Alkanen mit wachsender Kettenlänge drastisch zu, weil sich immer mehr Verzweigungsmöglichkeiten ergeben. Für Hexan gibt es fünf Isomere, für Heptan bereits neun. Um die Isomere auseinanderhalten zu können, benötigt man ein Regelsystem zur Benennung verzweigter Alkane. Dieses nennt man systematische Nomenklatur (lat. nomenclatura, Namensverzeichnis).

1 Zeichne die Halbstrukturformeln der Isomere von Hexan und benenne sie.

Halbstrukturformel Name

Hexan2-Methylpentan

3-Methylpentan

2,2-Dimethylbutan

2,3-Dimethylbutan

Alkylgruppe:

Allgemein wird der aus einem Alkan-Molekül durch Abspaltung eines Wasserstoff-Atoms hervorgehende „Molekül rest“ als Alkyl rest oder Alkylgruppe bezeichnet.

Alkylgruppe: —CnH2 n + 1 ; Methylgruppe: —CH3 ;

Ethylgruppe: —CH2—CH3 oder —C2H5

4-Ethyl- 3,3- di methyl heptan

CH3 |

1CH3—2CH2—3C—4CH—5CH2—6CH2—7CH3 |CH3

|CH2 |CH3

C C

CH3

H3C

CH3 CH3

CH3

CH3 CH2CH CH

CH3

CH3H3C

C2H5

2,2 ,3,3-Tetramethy lbutan 3-Ethy l-2-methy lpentan

c) (C2H5)2CH(C3H7) 3-Ethy lhexan

2 Benenne folgende Alkane.a) b)

1. Längste Kette aus Kohlenstoff-Atomen ermitteln und benennen. Aus der Zahl der Kohlenstoff -Atome ergibt sich der Name der Hauptkette.

2. Seitenketten benennen und alphabetisch ordnen. Seitenketten erhalten ebenfalls ihren Namen nach der Zahl der Kohlenstoff-Atome. Anstelle der Endung „an“ erhalten die Seitenketten die Endung „yl“. Der Name der Seitenkette wird dem Namen der Hauptkette vorangestellt.

3. Anzahl der gleichen Seitenketten ermitteln und durch das entsprechende griechische Zahlwort (di-, tri-, tetra-, …) kennzeichnen.

4. Verknüpfungsstellen zwischen Haupt- und Seitenketten ermitteln, dabei Hauptketten so durch-nummerieren, dass die Verknüpfungsstellen kleinstmögliche Zahlen enthalten.

CH2CH3 CH2 CH2 CH3CH2

CH3

CH2CH3 CH CH2 CH3

CH3

CHCH3 CH2 CH2 CH3

CH3

CH2CH3 C CH3

CH3

CH3

CHCH3 CH CH3

CH3


CH3

CH2CH3 CH CH2 CH3

CH3

CHCH3 CH2 CH2 CH3

CH3

CH2CH3 C CH3

CH3

CH3

CHCH3 CH CH3

CH3


CH3

CH2CH3 CH CH2 CH3

CH3

CHCH3 CH2 CH2 CH3

CH3

CH2CH3 C CH3

CH3

CH3

CHCH3 CH CH3

CH3


CH3

CH2CH3 CH CH2 CH3

CH3

CHCH3 CH2 CH2 CH3

CH3

CH2CH3 C CH3

CH3

CH3

CHCH3 CH CH3

CH3


CH3

CH2CH3 CH CH2 CH3

CH3

CHCH3 CH2 CH2 CH3

CH3

CH2CH3 C CH3

CH3

CH3

CHCH3 CH CH3

CH3

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5.17 Alkanole: Homologe Reihe und Isomerie

Alkohole sind organische Stoffe, deren Moleküle mindestens eine OH-Gruppe besitzen. Alkohole sind sich in vielen Eigenschaften und Reaktionen ähnlich, da die allen Molekülen gemeinsame Hydroxy-gruppe das Verhalten der Alkohol-Moleküle wesentlich beeinflusst. Sie wird daher als funktionelle Gruppe der Alkohol-Moleküle be-zeichnet.

Ersetzt man in einem Alkan-Molekül (Kap. 3.18) ein Wasserstoff-Atom formal durch eine Hydroxygruppe, erhält man das Molekül eines Alkanols. Jedes Alkanol ist ein Alkohol, aber nicht umgekehrt. Z. B. gibt es auch Alkohole mit mehreren Hydroxygruppen. „Alkohol“ ist der Oberbegriff. Zu den Alkoholen gehören also die Alkanole, aber auch andere Stoffe, deren Moleküle eine oder mehrere Hydroxy-gruppen aufweisen. Die Endung „-ol“ bedeutet, dass im Molekül eine OH-Gruppe als funktionelle Gruppe vorhanden ist. Die Alkanole lassen sich in einer Reihe anordnen. Aufeinanderfolgende Glieder dieser Reihe unterscheiden sich dadurch, dass ihre Moleküle immer einen um eine CH2-Gruppe erweiterten Alkylrest aufweisen. So ergibt sich eine homologe Reihe. Die allgemeine Summenformel der Alkanole lautet: CnH2 n + 1OH.

1 Ergänze Name und Strukturformel des auf Butan-1-ol folgenden Alkanols in der homologen Reihe der Alkanole.

2 Wie bei den Alkanen (Kap. 5.9) gibt es bei den Alkanolen Strukturisomere, weil ihr Alkylrest ebenfalls verzweigt sein kann. Zusätzlich kann die Hydroxygruppe im Molekül an unterschiedliche Kohlenstoff-Atome gebunden sein kann. Zur Formel C5H11OH gibt es unter anderem folgende drei Isomere.

Baue mit einem Molekülbaukasten alle isomeren Alkanol-Moleküle mit der Formel C4H9OH. Zeichne dann ihre Halbstrukturformeln.

a) b)

c) d)

B1 Homologe Reihe der Alkanole

Methanol

Ethanol

Propan-1-ol(1-Propanol)

Butan-1-ol(1-Butanol)

Alkylrest Hydroxygruppe

��

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��

CH

CH3

H3C CH2 CH2 OHCHH3C CH2CH2

OH

CH3CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—OH

Pentan-1-o l

( 1 -Pentanol)

Butan-1-ol (primäres Alkanol)

2-Methylpropan-1-ol (primäres Alkanol)

Butan-2-ol (sekundäres Alkanol)

2-Methylpropan-2-ol (tertiäres Alkanol)

H C C C C

H

H

H

H

H

H

C

H

H

OH

H

H

CH3 CH CH2

CH3

CH 2 CH 3 CH 2 CH 2

CH 2 CH 3 CH CH 3 CH3 C

CH3

CH3

Butan-1-ol (primärer Alkohol)

Butan-2-ol (sekundärer Alkohol)

2-Methylpropan-1-ol(primärer Alkohol)

2-Methylpropan-2-ol(tertiärer Alkohol)

OH OH

OHOH

CH3 CH CH2

CH3

CH 2 CH 3 CH 2 CH 2


CH3

CH3





OH OH

OHOH

CH3 CH CH2

CH3

CH 2 CH 3 CH 2 CH 2


CH3

CH3





OH OH

OHOH

CH3 CH CH2

CH3

CH 2 CH 3 CH 2 CH 2


CH3

CH3





OH OH

OHOH

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Alkanole: Homologe Reihe und Isomerie

Die Regeln zur Benennung von Alkanolen sind ähnlich zur Nomenklatur der Alkane (Kap. 5.10). Allerdings kommt der funktionellen Gruppe der Alkanole, der Hydroxygruppe, eine besondere Bedeutung zu.

3 Ergänze die Lücken bei den Regeln der Nomenklatur der Alkanole.

7 Ist an das Kohlenstoff-Atom, das die Hydroxygruppe trägt, höchstens eine weitere Alkylgruppe gebunden, so spricht man auch von einem primären Alkanol. Sind zwei oder drei Alkylgruppen gebunden, liegt ein sekun-däres bzw. tertiäres Alkanol vor.Markiere in Aufgabe 2 primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole.

4 Benenne die Isomere aus Aufgabe 2. Schreibe ihre Namen unter die Formeln.

5 Benenne folgende Alkanole.

C3H7—CH(C2H5)—CH(CH3)—CH2OH 3-Ethy l-2-methy lhexan-1-o l

C(CH3)3—CH2OH 2,2-Dimethy lpropan-1-o l

6 Zeichne die Halbstrukturformeln folgender Moleküle.

2,3,4-Trimethylpentan-2-ol 3-Ethyl-4,5,5-trimethyloctan-1-ol

CH3 |

CH3

7CH3—6CH2—5C —4CH—3CH2—2CH2—1CH2—OH |CH2 |CH3

|

1. Längste Kette von Kohlenstoff-Atomen ermitteln, die die Hydroxygruppe trägt, und den Namen des Alkans,

dessen Moleküle die gleiche Anzahl von Kohlenstoff-Atomen enthalten, ermitteln.

2. Die Kohlenstoff-Atome der Kette so nummerieren, dass das die OH-Gruppe tragende C-Atom die kleinstmögliche

Zahl erhält. Diese Zahl hinter den Namen für die längste Kette der Kohlenstoff-Atome stellen.

3. Die Endung „-ol“ zur Kennzeichnung des Alkanols anfügen.

4. Seitenketten benennen und alphabetisch ordnen.

5. Anzahl der gleichen Seitenketten ermitteln.

6. Verknüpfungsstellen zwischen Haupt- und Seitenketten ermitteln.

4-Ethyl- 5,5- di methyl heptan –1–ol

CHCH3 CH C CH3

CH3CH3CH3

OH

CH2CH3 CH

C2H5

OHCH2 C

CH3

CH3

CH

CH3

CH2 CH2CHCH3 CH C CH3

CH3CH3CH3

OH

CH2CH3 CH

C2H5

OHCH2 C

CH3

CH3

CH

CH3

CH2 CH2

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5.19 Vielfalt der Alkohole

Neben Alkanolen sind in Alltag und Technik auch mehrwertige Alkohole von Belang. Das sind Alkohole mit zwei oder mehr Hydroxygruppen in ihren Molekülen. Prinzipiell kann jedes Kohlenstoff-Atom eines Mole-küls mit einer OH-Gruppe verbunden sein. Moleküle mit mehr als einer OH-Gruppe an ein und demselben C-Atom sind allerdings meist nicht beständig (Erlenmeyer-Regel).

1 Informiere dich über die Alkohole Methanol, Ethanol, Propan-2-ol, Ethandiol und Propantriol. Ordne ihnen dann jeweils die passenden Textbausteine zu. Durch Verbinden der Punkte mit Linien ergeben die nicht durchgestrichenen Buchstaben von oben nach unten gelesen das Lösungswort.

Methanol

Ethanol

Propan-2-ol

Ethandiol

Propantriol

A C

L

EH

E

S

O M

L

AH

T

I

I B

T E

L

Ist eine dickflüssige, giftige, süß schmeckende Flüssigkeit, die auch Glykol (griech. glykys, süß) genannt wird. Aufgrund der zwei OH-Gruppen im Molekül herrschen starke zwischenmolekulare Kräfte (Wasserstoffbrücken). Siedetemperatur (198 °C) und Viskosität sind deutlich höher als bei Ethanol.

In Geruch und Geschmack ähnelt es dem Ethanol, ist jedoch weitaus giftiger. Der Genuss von 5 bis 10 ml führt zu Erblindung und Gehirn-schädigungen, bereits 20 bis 50 ml sind tödlich.

Es ist der wichtigste Alkohol mit einer Jahresproduktion in Deutschland von ca. 1 Mio. t. Es kann sowohl hydrophile als auch hydrophobe Stoffe lösen und wird deshalb als wichtiges Lösungsmittel eingesetzt. Der größte Teil wird zur Herstellung von Ausgangsstoffen für die Kunststoff-produktion benötigt.

Der umgangssprachlich Isopropylalkohol genannte Stoff ähnelt Ethanol sehr und ersetzt es in vielen Bereichen. Wegen seines guten Lösungs-vermögens und seiner die Hautdurchblutung anregenden und desinfizie-renden Wirkung ist er ein verbreitetes Lösungsmittel in Kosmetika. Auch als Frostschutzmittel in Scheibenwaschanlagen von Autos und in Ent-eisern findet er Verwendung, ferner als Lösungsmittel in vielen Farben und Lacken sowie in Haushaltsreinigern.

Wässrige Lösungen besitzen tiefe Erstarrungstemperaturen. Sie werden zum Enteisen von Flugzeugen und als Frostschutz in Kühlern von Kraft-fahrzeugen eingesetzt, da der Stoff aus der heißen Kühlerflüssigkeit nicht verdampft.

Wegen seiner hygroskopischen Wirkung sorgt der Stoff z. B. in Cremes und Zahnpasten für genügend Feuchtigkeit. In Fahrzeugen dient er als Bremsflüssigkeit und als Frostschutzmittel.

Ihre Löslichkeit in Benzin ist sehr gering. Dagegen sind sie gut wasser-löslich, sie sind hydrophil. (2 Alkohole zuordnen)

Wird als Gemisch mit Benzin an Tankstellen als E10 verkauft (Anteil 10 %). Es ist auch in Superbenzin zu einem gewissen Anteil enthalten (unter 5 %). Dies führt zur einem längeren Erhalt der Erdölvorräte der Erde.

Der Stoff (umgangssprachlicher Name: Glycerin) hat aufgrund der drei Hydroxygruppen eine noch höhere Viskosität als Glykol und auch seine Siedetemperatur ist höher.

H2C — CH2 |OH

|OH

H2C — CH — CH2 |OH

|OH

|OH

Lösungswort: CHEMIE

Lässt sich von Ethanol durch die Boraxprobe leicht unterscheiden, Die Grünfärbung der Methanolprobe und die Gelbfärbung der Ethanolprobe ermöglichen eine klare Unterscheidung.

Boraxprobe mit Methanol (links) und Ethanol (rechts)

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5.21 Alkohole als Emulgatoren

Die menschliche Haut wird von einer Schicht geschützt, die aus dem Fett der Talg-drüsen und dem wässrigen Sekret der Schweißdrüsen besteht. Beide Ausschei-dungen bilden eine Öl-in-Wasser-Emulsion. Derartige Emulsionen schützen die Haut vor Austrocknung und dem Eindringen von Bakterien. Viele Hautcremes sind nach diesem Vorbild aufgebaut. Sie enthalten ein pflegendes Öl, Wasser, Duftstoffe und einen Emulgator. Als Emulgatoren werden hier u. a. langkettige Alkanole wie Cetyl-alkohol (Hexadecan-1-ol C16H33OH, auch: Palmitylalkohol), Stearylalkohol (Octade-can-1-ol C18H37OH) verwendet. Sie geben der Creme zusätzlich auch Festigkeit.

1 Recherchiere und erkläre die Funktion der Emulgatoren in Hautcremes.

Zwei ineinander nicht lösliche Flüssigkeiten bilden eine Emulsion, wenn

man sie durch Schütteln vermischt. Lässt man diese unbewegt stehen,

so trennen sich die Flüssigkeiten wieder. Emulgatoren sorgen dafür,

dass die Entmischung nicht oder nur sehr langsam stattfindet.

Öl

Wasser

Micelle

B2 Öl-in-Wasser-Emulsion

CH2···CH2 HO

unpolar polar

polareHydroxygruppe

unpolarerAlkylrest

CH2CH3

B1 Modell eines Alkanols

2 Beschreibe B2 und erkläre die Abbildung mithilfe der Polarität der jeweiligen Moleküle.

Die Wirkwe ise e ines Emulgators be i e iner Ö l- in-Wasser-

Emuls ion besteht dar in , dass k le inste Öltröpfchen von

Emulgator-Molekü len umschlossen werden. D ie unpolaren

Te i le der Emulgator-Molekü le ze igen in R ichtung des unpo-

laren Öls. Es b i ldet s ich e ine Mice l le . D iese ist gut was-

ser lös l ich , we i l nur d ie po laren Te i le der Emulgator-Mole-

kü le in R ichtung des po laren Wassers ze igen .

Um die Wirkweise eines Alka-nols als Emulgator zu erklären, reicht es aus, das Alkanol-Mole-kül wie in B1 vereinfacht zu skiz-zieren. Eine entsprechende Öl-in-Wasser-Emulsion kann wie in B2 dargestellt werden.

3 Zeichne eine Skizze, die die Lösungsverhältnisse in einer Wasser-in-Öl-Emulsion mit einem Alkanol als Emulgator darstellt.

Wasser

Öl

Micelle

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Durchblick Zusammenfassung und Übung

1 Gib die Strukturformeln folgender Verbindungen mit bindenden und nicht bindenden Elektronenpaaren an: CF4, NH3, CHCl3, H2S. Ergänze die Teilladungen der Atome. Welche der Moleküle sind Dipole?

2 Überlege, wie es um die Löslichkeit in Wasser bei den folgenden drei Stoffen bestellt sein könnte: Buttersäure, Butan, Butan-1-ol. Erstelle eine Reihenfolge und begründe diese.

Die Wasser lös l ichke it n immt gemäß fo lgender Re ihung zu :

Butan < Butanol (8 g/10 ml) < Buttersäure (unbegrenzt) .

D ie Po lar ität der Molekü le n immt von l inks nach rechts zu .

Damit n immt auch d ie Stärke der Wechse lw irkungen mit

dem po laren Lösungsmitte l Wasser zu . D ie sehr gute Lös-

l ichke it der Buttersäure ist auch durch d ie Proto lyse der

Säure-Molekü le zu erk lären , d ie zu Butanoat- Ionen und

Oxonium-Ionen führt .

3 Zeichne die Strukturformeln aller Sauerstoff-Verbindungen, deren Moleküle drei Kohlenstoff-Atome enthal-ten, und benenne diese. Berücksichtige nur Stoffklassen, die im Unterricht behandelt wurden.

ke in D ipo l D ipo l D ipo l D ipo l

Hinweis: Propanon und Propanal können von den Schülern nur verlangt werden, falls der Exkurs in Kap. 5.22 behandelt wurde.

Propan

H H

H H

H H

O

Propanon

C C C C C CH

H

H H

H

O

H

PropanalPropanon (Aceton)

H H

H H

H H

O

Propanon

C C C C C CH

H

H H

H

O

H

PropanalPropanal Propansäure (Propionsäure)

H C C C

H

H

H

H

O

OH

Ameisensäureethylester

H CO

O C C

H

H

H

H

HEssigsäuremethylester

H C C

H

H

O

O C H

H

H

Propan-2-ol

C

H

O

+C

H

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Propan-2-oø

CuO

Kupferoxid

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Propanon Kupfer Wasser

+ Cu + H2O

H

H

H

H

C

O

C

H

H

H C

H

H

H

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Propan-1-ol

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C

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H

Cl

Cl

d –

d –

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H

H

H

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C

F

F

F

F

d –

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d – d + d –

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SH

Hd+ d–

d+

C

Cl

H

Cl

Cl

d –

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d – d + d –

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H

H

H

d + d –

d +

C

F

F

F

F

d –

d –

d – d + d –

d +

SH

Hd+ d–

d+

C

Cl

H

Cl

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d –

d – d + d –

d + N

H

H

H

d + d –

d +

C

F

F

F

F

d –

d –

d – d + d –

d +

SH

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d+

C

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Cl

Cl

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d –

d – d + d –

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H

H

H

d + d –

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C

F

F

F

F

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d –

d – d + d –

d +

SH

Hd+ d–

d+

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50 Säuren und Laugen

6.3 Was haben saure Lösungen gemeinsam?

V1 1. VersuchsreiheGeräte und Materialien: Reagenzglas, Reagenzglasständer, Glasstab, Spatel, Universalindikatorpapier, Uhrglas, Citronensäure, Essig, verdünnte Salzsäure.

Durchführung:a) Bringe mit dem Glasstab ein oder zwei Tropfen Essig auf den Handrücken und prüfe den Geschmack.b) Wiederhole die Geschmacksprobe mit zwei Tropfen einer Citronensäure-Lösung, die du durch Auflösen einer Spatelspitze Citronensäure in etwa 5 ml Wasser herstellst.c) Gib auf ein kleines Stück Universalindikatorpapier, das auf einem Uhrglas liegt, mit dem Glasstab einen Tropfen Essig. Führe den Versuch auch mit der Citronensäure-Lösung und verdünnter Salzsäure durch.Achtung: Für die Geschmacksproben nur saubere Geräte und Materialien verwenden!

Auswertung:Formuliere die Gemeinsamkeiten der sauren Lösungen, die sich aus dieser Versuchsreihe ableiten lassen.

Al le sauren Lösungen we isen e inen sauren Geschmack auf.

D ie Farbe des Universal ind ikatorpapiers ist nach dem Auf-

tropfen der sauren Lösungen rot b is orange.

V2 2. VersuchsreiheGeräte und Materialien: 6 Reagenzgläser (16 × 160 mm), 1 durchbohrter Stopfen, Gasableitungsrohr, Kunststoffwanne (ca. 20 × 10 × 10 cm), 6 kleine Rea-genzgläser mit passenden Stopfen, Reagenzglas-ständer, Stativ, Doppelmuffe, Universalklemme, Feu-erzeug, Spatel, Schutzbrille, Magnesiumspäne, Zinkpulver, Eisenpulver, Salzsäure (c = 0,5 mol/l), Es-sigsäure (c = 1 mol/l).

Durchführung:Während der Durchführung des Versuchs muss die Schutzbrille getragen werden!a) Baue die in B1 abgebildete Apparatur zum Auf-fangen eines Gases auf. Fülle das mit der Stativklemme gehaltene Reagenzglas zu etwa einem Drittel mit der Salzsäure. Gib zu der Säure eine Spatelspitze Magne siumspäne. Verschließe das Reagenzglas mit dem durchbohrten Stopfen, in dem sich das Gasableitungsrohr befindet. Fange das entstehende Gas in dem kleinen Reagenzglas auf. Führe das mit Gas gefüllte Reagenzglas mit der Öffnung an eine Feuerzeug-flamme. b) Wiederhole den Versuch mit Zinkpulver und mit Eisenpulver. c) Wiederhole die Versuchsreihe mit verdünnter Essigsäure anstelle von Salzsäure.

Auswertung:Die Knallgasprobe verläuft in a l len sechs Fäl len pos it iv . Die Metalle

(Magnesium, Zink, Eisen) reagieren mit sauren Lösungen, dabei entsteht Wasserstoff .

unbekanntesGas

Gasableitungsrohr

durchbohrter Stopfen

verdünnteSäure

Metall

B1 Versuchsaufbau zur 2. Versuchsreihe

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50-2 Säuren und Laugen

Hinweis: Bei der 2. Versuchreihe ist darauf zu achten, dass die angegebene Konzentration der Salzsäure (c = 0,5 mol/l) eingehalten wird. Ist die Konzentration höher, kann es bei der Zugabe der Magnesiumspäne zu einer heftigen Reaktion kommen, bei der die Lösung aus dem Reagenzglas herausgedrückt wird. Ist die Konzentration deutlich niedriger, verlaufen die Reaktionen sehr langsam. Bei sehr reinem Zink kann es vorkommen, dass keine Reak tion einsetzt. Das Zinkpulver sollte dann mit ein wenig Kupferpulver versetzt werden. Diese Anmerkungen gelten sinn gemäß auch für die Essigsäure, hier ist die Konzentration von 1 mol/l optimal.

In der 1. und 3. Versuchsreihe kann auch Salzsäure und Essigsäure geringer Konzentration als 1 mol/l eingesetzt werden.

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Säuren und Laugen 51

Was haben saure Lösungen gemeinsam?

V3 3. VersuchsreiheGeräte und Materialien: Spannungsquelle, Stromstärkemessgerät, Leitfähigkeitsmessstab, 3 Experimen-tierkabel, 2 Krokodilklemmen, Reagenzglasständer, 3 Reagenzgläser, Becherglas, Spatel, verdünnte Essig-säure, verdünnte Salzsäure, Citronensäure, destilliertes Wasser.

Durchführung:Stelle eine Citronensäure-Lösung durch Auflösen einer Spatelspitze Citro nen - säure in etwa 5 ml destilliertem Wasser her.Baue die Versuchsapparatur wie in B2 auf. Lege eine Wechselspannung von etwa 6 V an. Halte den Messstab nacheinander in die Citronensäure-Lösung, die Essig-säure und die Salzsäure. Vor dem Ein-tauchen in eine neue Lösung muss der Messstab jeweils mit destilliertem Wasser abgespült werden.

Auswertung: Deute die Versuchsbeobachtungen.

Die Lösungen le iten den e lektr ischen Strom, a lso müssen

in ihnen fre i bewegl iche Ionen vorhanden se in .

Eine Citronensäure-Schmelze leitet den elektrischen Strom nicht. Was lässt sich daraus schließen?

Die Schmelze enthält ke ine fre i bewegl ichen Ionen . D iese

werden erst be i Zugabe von Wasser geb i ldet .

1 Milchsäure ist eine bei Zimmertemperatur flüssige Molekülverbindung. Stelle Vermutungen an über die elektrische Leitfähigkeit der reinen Flüssigkeit und der einer wässrigen Milchsäure-Lösung und begründe.

Da in der re inen Mi lchsäure Molekü le und ke ine Ionen vor-

l iegen , le itet d iese den e lektr ischen Strom n icht . Wäss-

r ige Mi lchsäure-Lösungen enthalten Ionen . Daher le itet

e ine wässr ige Mi lchsäure-Lösung den e lektr ischen Strom.

SalzsäureEssigsäureCitronensäure-Lösung

Leitfähigkeitsmessstab

B2 Versuchsaufbau zur 3. Versuchsreihe

DO01756205_AB_k06.indd 51 30.04.2015 13:09:19


6.13 Saure und alkalische Lösungen als Gegenspieler

V1 pH-Wert-BestimmungGeräte und Chemikalien: Reagenzglas (16 × 160 mm), Reagenzglasständer, Tropfpipette, weißes Papier, Schutzbrille, Salzsäure (c = 0,1 mol/l), Natronlauge (c = 0,1 mol/l), Universalindikator (flüssig) mit pH-Tabelle.

Durchführung:Gib in ein Reagenzglas ca. 3 ml Salzsäure (2 Finger breit) und versetze mit ca. 3 Tropfen Universalindikator. Tropfe dann Natronlauge zu der Salz säure und schüttle nach einer Zugabe von etwa 10 Tropfen. Bestimme den pH-Wert des Reagenzglasinhaltes, halte dazu ein weißes Papier hinter das Re-agenzglas. Wiederhole die Zugabe von Natronlauge, das Schütteln und die pH-Wert-Bestimmung. Gib danach weiter Natronlauge zu und schüttle nach jedem Tropfen. Notiere jeweils das Auftreten deutlicher Farbänderun-gen und gib den pH-Wert an.Beende die Natronlaugezugabe bei einer Zugabe von etwa 4 ml.

Natronlauge (Tropfenzahl) 0 10 20 30 40pH-Wert der Lösung 1 1 – 2 1 – 2 7 12

V2 Temperatur-ErmittlungGeräte und Materialien: 2 Reagenzgläser, Thermometer, 2 Kristallisierschalen, Messpipette, Pipettierhilfe, Schutzbrille, Salzsäure (c = 1 mol/l), Natronlauge (c = 1 mol/l), Natriumchlorid-Lösung.

Durchführung:Miss die Temperatur der Salzsäure und der Natronlauge. Gib dann genau 5 ml Natronlauge zu 5 ml Salzsäure, verfolge die Temperatur des Gemischs und notiere die höchste Temperatur.

Temperatur der Salzsäure 20 °CTemperatur der Natronlauge 20 °CTemperatur des Gemischs 26 °C

Gib die Lösung sowie die Natriumchlorid-Lösung jeweils in eine Kristallisier schale und lass diese an einem warmen Ort stehen. Vergleiche die nach einigen Tagen entstandenen Kristalle.

Die Kr ista l le st immen in Form und Farbe übere in .

Auswertung der Versuche

1 In welcher Hinsicht sind Salzsäure und Natronlauge Gegenspieler?

Salzsäure und Natron lauge heben s ich in ihrer sauren bzw.

a lka l ischen Wirkung auf, deshalb können s ie a ls „Gegen-

sp ie ler“ aufgefasst werden.

Natronlauge

ca. 3 ml Salzsäureund 3 TropfenUniversalindikator

Thermometer

5 ml Salzsäure

5 ml Natronlauge

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Saure und alkal ische Lösungen als Gegenspieler

2 Nenne Hinweise darauf, dass bei der Zugabe von Salzsäure zu Natronlauge eine chemische Reaktion abläuft.

Beim Zusammengeben w ird Energ ie in Form von Wärme ab-

gegeben. Be im Verdunsten oder E indampfen der Lösung

b le ibt Natr iumchlor id a ls neuer Stoff zurück .

3 Formuliere für die Reaktion von Salzsäure mit Natronlauge das Reaktionsschema und die Reaktionsgleichung.

4 Fülle die Lücken aus:

Alle sauren Lösungen enthalten H3O+ -Ionen, alle alkalischen Lösungen OH–- Ionen . Bei

einer Neutralisation reagieren die H3O+- Ionen mit den OH–- Ionen zu Wasser -

Molekülen. Dabei wird Wärme abgegeben. Die allgemeine Reaktionsgleichung für die Neutralisation

lautet:

5 Eine NeutralisationsanlageBei vielen industriellen Prozessen entstehen saure oder alkalische Lösungen. Gelangen diese in die Ge-wässer, können Pflanzen und Fische geschädigt wer-den. Der pH-Wert von Gewässern sollte nicht stark von pH = 7 abweichen. In Fischgewässern darf der pH-Wert nicht unter 5 oder über 9, in Kläranlagen nicht unter 6 oder über 8,5 liegen. Abwässer, die sauer oder alkalisch sind, müssen deshalb neutra-lisiert werden.

Warum wird in der nebenstehenden Neutralisa-tionsanlage der pH-Wert sowohl in dem Neutralisa-tions- als auch im Kontrollbecken gemessen? Erkläre.

Im Neutral isationsbecken wird der pH-Wert gemessen, da-

mit die Menge an Lauge oder Säure, d ie zur Neutral isation

notwendig ist, festgesetzt werden kann. Im Kontrol lbecken

wird der pH-Wert aus Sicherheitsgründen kontrol l iert.

Salzsäure + Natronlauge Natriumchlorid + Wasser

H3O+ + Cl– + Na+ + OH– Na+ + Cl– + 2 H2O

H3O+ + OH– 2 H2O

Neutralisationsbecken Absetzbecken Kontrollbecken

Zulauf neutralesAbwasser

Rührwerk

pH-Sonde

Säure Lauge

elektronischer Regler

pH-Sonde

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6.19 Säure-Base-Puzzle

1 Teilchen, die bei Reaktionen Protonen abgeben, nennt man Säuren (Protonendonatoren). Teilchen, die bei Re-aktionen Protonen aufnehmen, nennt man Basen (Protonenakzeptoren). Protonen können nur abgegeben werden, wenn ein Reaktionspartner sie aufnimmt. Dieser muss ein freies Elektronenpaar zur Bindung zur Ver-fügung stellen.Im Folgenden sind die Zeichen oder Strukturformeln von Ionen und Molekülen angegeben. Stelle aus ihnen vier Reaktionsgleichungen zusammen. Die Ladungen der Ionen müssen auch noch gefunden und zugeordnet werden. Streiche die Formeln, Zeichen und Ladungen durch, die du bereits verwendet hast. Benenne die Teil-chen auch.

+

H

H

H N H

H

H

H N H

H

H

H N

H

H

H N

H

H O H

H

H O H

H

H O

H

H O

H

H O

H

H O H O H O Cl H H Cl Cl Cl

+

+ +

+ +

+ +

– – – –

+ + + +

+

H

H

H N H

H

H

H N H

H

H

H N

H

H

H N

H

H O H

H

H O H

H

H O

H

H O

H

H O

H

H O H O H O Cl H H Cl Cl Cl

+

+ +

+ +

+ +

– – – –

+ + + +

Wasser-Molekül Chlorwasserstoff-Molekül

+

H

H

HNH

H

H

HNH

H

H

HN

H

H

HN

H

HOH

H

HOH

H

HO

H

HO

H

HO

H

HO HO HO Cl H HCl Cl Cl

Oxonium-Ion Chlorid-Ion

+

Ammoniak-Molekül Wasser-Molekül

+

Ammonium-Ion Hydroxid-Ion

+

+

Chlorid-Ion

+

Wasser-Molekül

+

Oxonium-Ion

+

Ammoniak-Molekül

Wasser-Molekül

Ammonium-Ion

Hydroxid-Ion

H

HO

H

HO

H

HO

H

HO

H Cl

H Cl

Chlorwasserstoff-Molekül

H

H

HN

H

H

HN

H

H

HNH

H

H

HNH

H

HOH

H

HOH

Cl

Cl

– – – –

+ + + +

–+

HO

HO

–+

–+

–+

DO01756205_AB_k06.indd 78 30.04.2015 13:09:21


6.20 Namen, Formeln und Verwendung wichtiger Säuren

1 Die Tabelle enthält die Namen wichtiger Säuren. Ergänze in der Tabelle die Formeln der Säuren, die Formeln ihrer Säurerest-Anionen und die Namen der Säurerest-Anionen.

Name Formel Formel Säurerest-Anion(en) Name Säurerest-Anion(en)

Salzsäure HCl(aq) Cl– Chlorid-IonSchwefelsäure H2SO4 HSO – 4

SO 2– 4

Hydrogensulfat-Ion

Sulfat-IonPhosphorsäure H3PO4 H2PO – 4

HPO 2– 4

PO 3– 4

Dihydrogenphosphat-Ion

Hydrogenphosphat-Ion

Phosphat-IonEssigsäure CH3COOH CH3COO– Acetat-Ion

Salpetersäure HNO3 NO – 3 Nitrat-Ion

2 Wozu werden diese Säuren in Alltag und Technik verwendet? Nenne jeweils zwei bis drei Beispiele.

Säure Verwendungsbereich

Salzsäure Aufarbeitung von Erzen, Bestandteil des Magensafts, Bestandteil von Industriereinigern

Schwefelsäure Batteriesäure, Herstellung von Düngemitteln, Herstellung von Farbstoffen

Phosphorsäure Säuerungsmittel in Lebensmitteln, Herstellung von Dünge-mitteln, Rostumwandler

Essigsäure Säuerungsmittel in Lebensmitteln, Bestandteil von Reinigungsmitteln

Salpetersäure Herstellung von Düngemitteln, Herstellung von Spreng-stoff, Bestandteil von Königswasser

3 Erkläre, welche Funktion Essigsäure in einem Haushaltsreiniger hat.

Essigsäure löst Kalkreste, d ie durch hartes Wasser ent-

stehen können.

DO01756205_AB_k06.indd 79 30.04.2015 13:09:21



1 Schlage zwei unterschiedliche Möglichkeiten vor, Calciumchlorid herzustellen und formuliere hierfür die Reaktionsgleichungen:

1. A M M O N I A K2. S A U E R

3. O X O N I U M I O N4. P R O T O N

5. N E U T R A L6. K A L K W A S S E R

7. A L K A L I S C H8. A M M O N I U M C H L O R I D

9. S A L Z S A E U R E10. N A T R O N L A U G E

11. P R O T O N E N A K Z E P T O R12. H Y D R O X I D I O N

13. I O N E N14. A E T Z E N D

1. Name des Gases, dessen Molekülformel NH3 ist2. Eigenschaften einer Lösung mit pH < 73. Typisches Ion aller sauren Lösungen4. Andere Benennung für ein „freies H+-Ion“5. Eigenschaft einer Lösung deren pH = 7 ist6. Nachweismittel für Kohlenstoffdioxid7. Eigenschaften einer Lösung mit pH > 78. Produkt der Reaktion von Ammoniak mit

Chlorwasserstoff

9. Produkt der Reaktion von Chlorwasserstoff mit Wasser10. Die bekannteste alkalische Lösung11. Andere Bezeichnung für Base12. Typisches Ion aller alkalischen Lösungen13. Teilchen in Schmelzen und Lösungen von Salzen,

die die elektrische Leitfähigkeit bewirken14. Bedeutung des Gefahrensymbols GHS 05

2 Ammoniumchlorid wird durch Energiezufuhr in Ammoniak und Chlorwassersstoff zerlegt. Formuliere die Reaktionsgleichung und markiere den Protonendonator rot und den Protonenakzeptor blau.

3 Trage die gesuchten Begriffe ein.

a) Möglichkeit 1: Reaktionsgleichung 1:

b) Möglichkeit 2: Reaktionsgleichung 2:

NH + 4 + C l – NH3 + HCl

Bildung aus den Elementen

Calcium + Chlor Calciumchlorid

Ca + Cl2 CaCl2

Bildung durch Reaktion eines unedlen Metalls mit einer sauren

Lösung

Calcium + Salzsäure Calciumchlorid + Wasserstoff

Ca + 2 [H3O+, Cl–] [Ca2+, 2 Cl–] + H2 + 2 H2OHinweis: Alternative Möglichkeiten siehe Folgeseite!

Die blau hinterlegten Buchstaben ergeben das Lösungswort. Umlaute bitte auf lösen. Wörter ohne Bindestrich schreiben.

DO01756205_AB_k06.indd 84 30.04.2015 13:09:21

84-2 Säuren und Laugen

c) Möglichkeit 3: Reaktionsgleichung 3:

d) Möglichkeit 4: Reaktionsgleichung 4:

Alternative Möglichkeiten:

Bildung durch Reaktion eines Metalloxids mit einer sauren Lösung

Calciumoxid + Salzsäure Calciumchlorid + Wasser

CaO + 2 [H3O+, Cl–] [Ca2+, 2 Cl–] + 3 H2O

Bildung durch Neutralisation

Kalkwasser + Salzsäure Calciumchlorid + Wasser

[Ca2+, 2 OH–] + 2 [H3O+, Cl–] [Ca2+, 2 Cl–] + 4 H2O

DO01756205_AB_k06.indd 88 18.08.2015 08:06:01

90 Kunststoffe

7.4 Makromoleküle durch Polymerisation

1 Aus kleinen Molekülen mit C=C-Doppelbindungen können Riesenmoleküle, Makromoleküle (Polymere) gebildet werden.

C C

H H

H H

C C

H H

H H

C C

H H

H H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

�++ + +… … … …

Monomer Monomer Monomer Polymer

Polyvinylchlorid (PVC) ist ein Kunststoff, aus dem Fensterprofile und Fußbodenbeläge hergestellt werden. Polyvinylchlorid wird durch Polymerisation aus Vinylchlorid (Chlorethen) gewonnen. Formuliere die Reak-tion für die Bildung von PVC aus Polyvinylchlorid mit Strukturformeln.

Strukturformel von Chlorethen:

b) Welche Moleküle aus A2a eignen sich für eine Polymerisation? Begründe.

Die Molekü le Ethen, Ch lorethen bzw. V iny lch lor id und Propen

e ignen s ich für e ine Po lymer isat ion , we i l d iese Molekü le

C-C-Doppe lb indungen aufwe isen .

2 a) Stelle zu den folgenden Summenformeln die Strukturformeln auf:

C3H8 C2H4 C2H3Cl C2H6 C3H6

C CH H

H Cl

C C

H H

H C

H

H

H

C CH H

H Cl

. . . C CH H

H ClC C

H H

H Cl. . . C C C C C C. . .

H

H

H

Cl

H

H

H

Cl

H

H

H

Cl

. . .�

�

+ + + +

C CH H

H ClC C

H H

H H

C C

H H

H H

C C

H H

H H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

�++ + +… … … …

DO01756205_AB_k07.indd 90 29.04.2015 14:01:14

Kunststoffe 91

Makromoleküle durch Polymerisat ion

3 Superabsorber können große Mengen an Wasser binden, wobei sie stark quellen. Superabsorber bestehen aus kettenförmigen Polymeren der Monomere Acryl-säure und Natriumacrylat, welche mit einander vernetzt sind. Kommt das Poly-acrylat mit Wasser in Berührung, dringen Wasser-Moleküle in das Polymernetz ein. Die Wasser-Moleküle sind dann im Polymernetz gefangen. Plane eine Versuchsreihe zum Flüssigkeitshalte vermögen eines Superabsorbers. Setze dazu als Flüssigkeiten destilliertes Wasser und zum Vergleich 0,9%ige Natriumchlorid-Lösung ein. Die Natrium chlorid- Lösung ähnelt dem mensch-lichen Urin.

B1 Strukturformeln

Geräte und Materialien:

Waage, Fi lterpapier, Superbsorberpu lver oder Winde l ,

Becherg läser, Spate l , Natr iumchlor id-Lösung (0,9%ig) ,

Glasstab, Messzy l inder, dest . Wasser, Kunststoffschale.

Durchführung:

Man entn immt e iner Winde l das Superabsorberpu lver. (Vor-

s icht , es staubt ! A lternat ive : Käuf l icher Superabsorber. )

Dann g ibt man z .B. 1 g Superabsorber in e in Becherg las,

fügt 100 ml dest . Wasser h inzu , rührt um und wartet .

Nachdem s ich e in Gel geb i ldet hat , prüft man z .B. mit

e inem Papier, das man auf das Gel drückt , ob das Papier

trocken b le ibt . Danach g ibt man Wasserport ionen, z .B . je-

we i ls 50 ml , in das Becherg las, rührt nach jeder Zugabe

um, wartet und prüft mit dem Fi lterpapier. D iese Vorgänge

w iederho lt man so oft , b is über dem Gel e in wen ig Wasser

stehen b le ibt . Zur Überprüfung des Aufnahmevermögens

von Natr iumchlor id-Lösung ver fährt man wie beschr ieben ,

allerdings nimmt man anstatt Wasser Natriumchlorid-Lösung.

Auswertung:

1 g Superabsorber b indet ca . 250 ml Wasser oder 50 ml

Natr iumchlor id-Lösung.

CCC

H H

HO

O HAcrylsäure

CCC

H H

HO

O–Na+

Natriumacrylat

CCC

H H

HO

O HAcrylsäure

CCC

H H

HO

O–Na+

Natriumacrylat

Hinweis: Je nach Sorte soll 1 g Super absorber bis zu 1000 ml dest. Wasser binden.

DO01756205_AB_k07.indd 91 29.04.2015 14:01:14

100 Kunststoffe

7.10 Kunststoffe: Eigenschaften und Verwertung

1 Anhand ihres Verhaltens gegenüber Wärme und Druck lassen sich Kunststoffe in drei Gruppen einteilen. Benenne diese Kunststoffgruppen.

Thermoplaste, Durop laste, E lastomere

2 Gib in der Tabelle stichpunktartig die Eigenschaften dieser Kunststoffgruppen an. Erkläre die Eigenschaften dieser Kunststoffgruppen mithilfe der Lückentexte.

Kunststoff Eigenschaften Erklärung

Thermoplast lassen sich nach dem Erwärmen verformen

Die Moleküle der Thermoplaste bestehen aus langen, nebeneinander liegenden

Ketten , die in

erwärmtem Zustand an-

einander vorbeigleiten können.

Elastomer elastisch, nicht schmelz-bar, zersetzen sich ober-halb bestimmter Tempera-turen

Die Moleküle der Elastomere sind

schwach vernetzt und

kehren nach Druck oder Zug wieder in

ihre ursprüngliche Form zurück.

Duroplast auch nach dem Erhitzen nicht verformbar, zerset-zen sich bei höheren Tem-peraturen

Die Moleküle der Duroplaste

sind stark vernetzt, sodass

keine nachträgliche Ver- formung mehr möglich ist.

3 Ergänze den Lückentext.

Werkstoffliche Verwertung: Diese Verwertung gelingt nur mit Thermoplasten . Die Gegen-

stände aus dem Kunststoff werden zerk le inert und e ingeschmolzen . Das aus

der Schmelze hergestellte Granulat dient zur erneuten Herstellung von Kunststoffprodukten.

Rohstoff l iche Verwertung : Hierbei werden die Makromolekü le

durch Erh itzen (Pyrolyse) unter Sauerstoffabschluss in k le inere Molekü le

aufgespalten. Die dabei entstehenden Stoffe werden durch Dest i l lat ion getrennt und können

wieder zur Herstellung von Kunststoffen eingesetzt werden. Thermische Verwertung: Ein weiteres Verfahren,

die Abfallmenge an Kunststoffen zu reduzieren, ist die thermische (energetische) Verwertung;

also die Verbrennung von Kunststoffen und Nutzung der Wärme , die dabei abgegeben

wird. Es findet kein Recyc l ing statt, die Kunststoffe gehen verloren.

DO01756205_AB_k07.indd 100 29.04.2015 14:01:15

Kunststoffe 101

Kunststoffe: Eigenschaften und Verwertung

4 Ordne die unterschiedlichen Gruppen von Kunststoffen den abgebildeten Gegenständen zu.

Behälter Getränketanks Fahrzeugreifen Schläuche

Thermoplast Duroplast Elastomer Thermoplast

A

A

Erdöl/Erdgas Raffinerieprodukte

Erzeugende Industrie

Verarbeitende Industrie

Neumaterial Chemierohstoffe

Sekundärrohstoff

Granulieren

Aufbereitung(z. B. WaschenZerkleinern)

MüllkraftwerkHeizgas, Strom, Fernwärme

sortenreineAltkunststoffe

vermischterKunststoffabfall

Landwirtschaft,Industrie, Gewerbe

Haushalte

Spezialbetriebe

Pyrolyse Fertigprodukte

einfacheFormteile

5 a) Zeichne den Weg vom Neu-material zum Sekundärrohstoff in Rot in die Abbildung ein.b) Erläutere den Unterschied zwischen einem Primärrohstoff und einem Sekundärrohstoff.

Sekundärrohstoffe

sind Rohstoffe, die

durch Re cycling aus

Altmaterial ge wonnen

werden. Sie dienen als

Ausgangsstoffe für

neue Produkte und un-

terscheiden sich da-

durch von pri mären,

aus der Natur gewon-

nenen Rohstoffen.

A

A

Erdöl/Erdgas Raffinerieprodukte

Erzeugende Industrie

Verarbeitende Industrie

Neumaterial Chemierohstoffe

Sekundärrohstoff

Granulieren

Aufbereitung(z. B. WaschenZerkleinern)

MüllkraftwerkHeizgas, Strom, Fernwärme

sortenreineAltkunststoffe

vermischterKunststoffabfall

Landwirtschaft,Industrie, Gewerbe

Haushalte

Spezialbetriebe

Pyrolyse Fertigprodukte

einfacheFormteile

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106 Kunststoffe


1 Beim Einkauf und im Haushalt werden viele Gegenstände aus Kunststoff verwendet. Hier lassen sich Kunst-stoffe leicht ersetzen. Schreibe alternative Möglichkeiten in die Tabelle.

Gegenstand aus Kunststoff Alternative

Joghurtbecher Joghurt in GläsernKunststoffbeutel Papiertüten oder BaumwollbeutelGetränkeflasche Getränkeflaschen aus GlasAufbewahrungsdose Aufbewahrungsdosen aus Metall oder PorzellanVerpackung für Kartoffeln Kartoffeln in Jutesäcken oder PapierVerpackung für Obst und Gemüse Gemüse in Papier oder Stoffbeuteln

2 Ergänze die folgende Tabelle.

AusschnittPolymer-Molekül C C C C. . .

H

H

H

H

H

H

H

H

. . . C C C C

H

H

H

Cl

H

H

H

Cl

. . . . . . C C C

H

H

H

CH3

H

H

H

CH3

C. . . . . . C C C C

F

F

F

F

F

F

F

F

. . . . . .

Name Polymer Polyethen Polyvinyl-chlorid

Polypropen Polytetra-fluorethen

Kurzzeichen Polymer PE PVC PP PTFEName Monomer Ethen Chlorethen/

VinylchloridPropen Tetra-

fluorethen

3 Fülle das Kammrätsel aus.

1. P R O P E N2. E R D O E L

3. G R A N U L A T4. P O L Y S T Y R O L

5. T H E R M O P L A S T E6. E T H E N7. M A K R O M O L E K U E L

8. D E S T I L L A T I O N9. K A T A L Y S A T O R

10. H A R T11. E L A S T I S C H

12. D I C H T E13. P O L Y M E R

14. M O N O M E R

1. Ausgangsmolekül mit drei C-Atomen für ein Makromolekül

2. Rohstoff für Kunststoffe3. Kleine Körner aus Thermoplasten4. Das Kurzzeichen ist PS5. Lassen sich durch Erwärmen verformen6. Ausgangsstoff für viele Kunststoffe7. Großes Molekül8. Trennverfahren9. Reaktionsbeschleuniger10. Duroplaste sind es11. Synonym für „dehnbar“12. Eigenschaft, die Kunststoffe

leicht machen13. Chemische Verbindung aus Ketten-

molekülen oder verzweigten Molekülen14. Baustein für Makromolekül

Die blau hinterlegten Buchstaben ergeben das Lösungswort. Umlaute bitte auf lösen. Wörter ohne Bindestrich schreiben.

DO01756205_AB_k07.indd 106 29.04.2015 14:01:20

Vom Reagenzglas zum Reaktor 111

8.3 Die Herstellung von Bier

Aufgabe: Lies den Informationstext zur Bierherstellung. Ergänze dann das Fließschema.

Nach dem deutschen Reinheitsgebot dürfen zur Bereitung von Bier nur Hopfen, Malz, Hefe und Wasser verwendet werden.

1. MälzenZur Malzherstellung werden Gerstenkörner mit Wasser zum Keimen gebracht. Dabei entsteht Grünmalz, das auf einem gitterartigen Boden, der Darre, getrocknet wird. In der Schrotmühle wird das Malz geschrotet und in Kupferkesseln, den Maischkesseln, mit Wasser auf ca. 50 °C bis 75 °C erwärmt. Dabei entsteht mithilfe von Enzymen aus Stärke Malzzucker (Maltose). Der Rückstand (Treber) wird im Läuterbottich abgetrennt und kann als Futtermittel verwendet werden. Das bisherige Zwischen pro dukt der Bierherstellung wird Würze genannt.

2. SiedenNach Zugabe von Hopfen wird die Würze in der Siedepfanne gekocht. Aroma und Bitterstoffe des Hopfens gehen in Lösung und verleihen dieser einen herben Geschmack. Die Gerbstoffe machen das Bier haltbar. Nach Abtrennen der Hopfenrückstände im Hopfensieb wird die Würze auf etwa 5 °C bis 10 °C gekühlt.

3. GärenDie Würze wird in Gärbottichen mit Reinzuchthefe versetzt und bei einer Temperatur von 5 °C bis 10 °C etwa 8 bis 10 Tage vergoren. Dabei entstehen Alkohol und Kohlenstoffdioxid. Weil bei der Gärung Wärme abgegeben wird, ist eine Kühlung erforderlich. Die Abwärme kann in der Brauerei zum Mälzen, Heizen oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Die Hefe setzt sich beim Gärvorgang am Boden ab, es entsteht untergäriges Bier. In Lagertanks kommt es bei 0 °C bis 2 °C zu einer Nachgärung. Dabei reichert sich Kohlenstoffdioxid an.

Gerste Wasser

Malz

Keimtrommel

Malz-DarreGrünmalz

nutzbare Abwärme

3. G

ären

2. S

iede

n1.

Mäl

zen

Gerste Wasser

Malz

Keimtrommel

Malz-DarreGrünmalz

nutzbare Abwärme

3. G

ären

2. S

iede

n1.

Mäl

zen

Malz

Wasser

Läuterbottich

Hopfen

KühlerSiedepfanne

Hopfensieb

Hefe

Lagertank

Kohlenstoffdioxid

Gärbottich

Würze

Schrotmühle

Maischkessel

Treber

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114 Vom Reagenzglas zum Reaktor

8.5 Chemische Reaktion und Katalysator

V1 Reaktion von Wasserstoff ohne FlammeGeräte, Materialien: verschlossenes – mit Wasserstoff gefülltes – Reagenzglas, Katalysatorperlen mit Platin, Watesmopapier, Pinzette.

Durchführung: Drehe das Reagenzglas auf den Kopf. Öffne es, gib rasch ca. 6 Katalysatorperlen dazu und verschließe es sofort wieder. Lass die Perlen langsam im Reagenzglas hin und herrollen. Befühle das Glas außen entlang des Weges der Perlen. Ziehe den Stopfen ab und wische das Reagenzglas mit Watesmo papier aus.

a) Beschreibe und deute deine Beobachtungen.

Man beobachtet beim Hin- und Herrollen der Katalysatorper-

len Nebelspuren. Beim Befühlen stel lt man eine Erwärmung

fest. Das Watesmopapier färbt sich nach dem Ausreiben des

Reagenzglases blau. Wasserstoff reagiert bei Berührung der

Katalysator-Perlen mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser.

Es handelt sich um eine exotherme Reaktion.

b) Verändern sich die Katalysatorperlen?

Nein , d ie Katalysatorper len verändern s ich n icht .

V2 Biokatalysator in KartoffelnGeräte, Materialien, Chemikalien: WasserstoffperoxidLösung (w ≈ 5 %), rohe Kartoffel, gekochte Kartoffel, Reibschale mit Pistill, Reagenzglas, Reagenzglasgestell, Holzspan.

Durchführung:a) Zerquetsche ein kleines Stück rohe Kartoffel. Gib den Brei in ein Reagenzglas, das zu einem Drittel mit der WasserstoffperoxidLösung gefüllt ist. Führe nach kurzem Abwarten die Glimmspanprobe durch.b) Wiederhole den Versuch mit einem Stückchen einer gekochten Kartoffel.Achtung: Die WasserstoffperoxidLösung darf nicht auf die Haut oder in die Augen gelangen! Wenn es doch passiert sein sollte, wird mit viel Wasser gespült.Beschreibe und deute deine Beobachtungen.

Nach Zugabe der rohen Kartoffe l setzt nach kurzer Ze it

e ine lebhafte Gasentwick lung e in ; auch d ie Gl immspan-

probe ver läuft pos it iv.

Be i E insatz der gekochten Kartoffe l ist ke ine oder nur e ine

sehr ger inge Gasentwick lung zu beobachten.

2 H2O2 2 H2O + O2

Hinweis: Die Formel von Wasser stoff per oxid ist H2O2

Hinweis: Die Zellen der rohen Kartoffel enthalten das Enzym Katalase, das Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser zerlegt.

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8.12 Mineraldünger

2 Der Chemiker Justus von Liebig (1803 – 1873) erforschte angesichts von Hungersnöten in Europa Möglichkeiten, durch gezielte Düngung die Ernteerträge zu steigern. Seine Forschungen und die von Carl Sprengel (1787 – 1859) ergaben, dass Pflanzen bestimmte Elemente in einem zueinander ausgewogenen Verhältnis benötigen. Er veranschaulichte dies mit einem Fassmodell:

Beschreibe den Bezug des Fassmodells zur Realität. Fülle dazu folgende Tabelle aus.

Fassmodell Realität

Fassdaube ElementWasserstand ErtragLänge der Fassdaube Verhältnis der vorhandenen Menge des Elements im Boden zum Bedarf des

Elements.

Länge der Fassdaube im intakten Fass

100%ige Bedarfsdeckung des Elements

Die kürzeste Fassdaube begrenzt die Höhe des Wasserstands im Fass.

Das im Vergleich zu seinem Bedarf im geringsten Maße vorhandene Element begrenzt den Ertrag.

Eine andere, höhere Fassdaube als die kürzeste ermöglicht nicht, dass der Wasserstand im Fass höher wird.

Ein verstärkter Einsatz eines anderen Elements ermöglicht keinen höheren Ertrag.

Durch landwirtschaftliche Nutzung werden den Böden wichtige, essenzielle Elemente entzogen. Durch Mineraldünger können dem Boden die Nährstoffe zugeführt werden, die für einen optimalen Ertrag notwendig sind. Vor dem Einsatz von Mineraldünger wird häufig eine Bodenuntersuchung durchgeführt. Danach wird der richtige Dünger ausgewählt. Aber nicht nur die richtige Zusammensetzung des Düngers, sondern auch die Wahl des Zeitpunktes der Düngung ist von großer Wichtigkeit. Pflanzen haben nicht in allen Entwicklungsstadien den gleichen Bedarf. Dünger, der zum falschen Zeitpunkt eingesetzt wird, kann durch Auswaschung zu einer Belastung der Umwelt führen.

1 Das Diagramm zeigt den Stickstoffbedarf einiger Pflanzen während des Wachstums. Ermittle daraus den richtigen Zeitpunkt für die Düngung von Winterweizen, Mais und Sommergerste.

Winterweizen: März b is Mai

Mais: Mai b is Ju l i

Sommergerste: Apr i l b is Jun i

Stickstoffaufnahme in50

40

30

20

10

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kgha · Monat

Okt Dez Feb Apr Jun Aug Okt

Spätkartoffeln, Mais

Sommergerste

Winterweizen

Ertrag

möglich

erzielt

% des Bedarfs des entsprechenden Elements100

0

50

Natrium Stickstoff Phosphor Kalium Calcium Magnesium Schwefel

Fassdaube

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8.14 Berufe in der chemischen Industrie

Es gibt viele Berufe im Bereich der chemischen Industrie. Informationen im Internet bieten z. B. der Verband der chemischen Industrie, der Arbeitgeberverband Chemie sowie die großen Chemiefirmen.

1 Informiere dich über folgende Berufe und fülle die Tabelle aus.

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8.15 Betriebserkundung

Betriebserkundungen bieten die Chance, einen chemischen Produktionsprozess direkt vor Ort kennenzulernen. Die einzelnen Teile einer Produktionsanlage können besichtigt und Informationen zum Prozess aus erster Hand gewonnen werden.

Außerdem könnt ihr bei einer Betriebserkundung den besten Einblick in ein bestimmtes Berufsfeld erhalten. Dort könnt ihr den Leuten, die diesen Beruf ausüben, über die Schulter schauen und Fragen stellen.Damit ihr möglichst viel von der Betriebserkundung habt, solltet ihr gut vorbereitet sein und die Ergebnisse eures Besuchs sorgfältig auswerten. Dabei können nötige Arbeitsschritte auf mehrere Schülergruppen verteilt werden.

Der Prozess der Betriebserkundung verläuft in drei Phasen.

1 Notiere zu den einzelnen Phasen konkrete Arbeitsschritte.

Vorberei-tungs-phase

– Informationen zum Berufsbild sammeln – Informationen zu den hergestellten Produkten/eingesetzten

Verfahren sammeln– Prospektmaterial sammeln– Fragen sammeln

Durch-führungs-phase

– Fragen zum Berufsfeld und Anforderungsprofil stellen– Einblick in einzelne Arbeitsgebiete erhalten– Fragen hinsichtlich Rohstoffbedarf, Deckung des Energie bedarfs,

Umweltschutz und Sicherheits vorkehrungen stellen– Fragen bezüglich des Produktionsprozesses stellen (Was passiert

mit Reststoffen?, Laufen Kreisprozesse ab?, Wie sind die jeweiligen Reaktionsbedingungen?, Werden Katalysatoren eingesetzt?)

Aus-wertungs-phase

– Ergebnisse zusammentragen– Präsentation erstellen– Plakate und/oder eine Ausstellung gestalten

2 Notiere dir Fragen, die dich bei der Betriebserkundung besonders interessieren.

Ind iv idue l le Lösung; z . B . Wie ver läuft e in typ ischer Arbe its-

tag und we lche Aufgaben fa l len rege lmäßig an? Welche

Schutzmaßnahmen müssen beachtet werden? Wie ver läuft

d ie Ausbi ldung im Betr ieb? Wie v ie l verd ient man während

bzw. nach der Ausbi ldung? Welche Weiterb i ldungsmaß-

nahmen s ind mögl ich? Hinweis: Fragen mit chemiespezifischem Schwerpunkt sind sehr stark vom besichtigten Betrieb abhängig, weshalb hier keine Lösungsskizze möglich ist.

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1 Das Kreislaufprinzip und der Wärmetauscher spielen bei technischen Prozessen in der Chemie eine große Rolle. Ergänze den Lückentext zu diesen beiden Verfahren.

Kreislaufprinzip: Bei vielen chemisch-technischen Prozessen werden beim ersten

Durchlauf nicht alle Ausgangsstoffe umgewandelt. Um eine mög-

lichst große Ausbeute an Reakt ionsprodukten zu erhal-

ten, führt man die nicht umgesetzten Stoffe wieder dem Verarbeitungsprozess zu [B3].

Wärmetauscher: Bei vielen Reaktionen wird Energie in Form von Wärme abgegeben.

Diese Abwärme kann genutzt werden, um kaltes Wasser zu erhitzen

und Wasserdampf zu erzeugen. Dieser dient dann wieder an ande-

rer Stelle zum Erh itzen von Reaktionsgemischen [B4]. Dadurch kann bei

technischen Prozessen viel Energ ie eingespart werden.

2 Ein großer Teil des in Deutschland produzierten Ammoniaks wird nach dem Ostwald- Verfahren zu Salpetersäure weiterverarbeitet. Formuliere die Reaktionsgleichungen und gib an, ob es sich um eine endotherme oder exotherme Reaktion handelt. Notiere außerdem für die Reaktionen a) bis c) ein passendes Fließschema. a) Ammoniak wird mit Luftsauerstoff unter Anwesenheit eines Platinkatalysators in einem Kontaktofen [B5] verbrannt. Es entstehen Stickstoffmonooxid und Wasser.

b) Das Stickstoffmonooxid wird abgekühlt. Es reagiert dann in einem Oxidationsturm mit Luftsauerstoff zu Stickstoffoxid.

c) In Rieseltürmen verbindet sich Stickstoffdioxid bei hohem Druck mit Wasser und Luftsauerstoff zu Salpeter säure (HNO3 ).

4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2O | exotherm

2 NO + O2 2 NO2 | exotherm

4 NO2 + 2 H2O + O2 4 HNO3 | exotherm

Fließschema:

NH3 + Luft

NO + H2O

Platin-netz

Kühl-mantel

B5 Ammoniak- Verbrennungs ofen (Kontaktofen)

Ausgangsstoffe

Reaktionsprodukte

Chemische Reaktion

frei gewordeneAbwärme

Wasser-dampf

kaltesWasser

Pt

B3 Kreislaufprinzip

B4 Wärmetauscher

Kontaktofen

NH3 O2

NO NO NO2 HNO3

Kühlwasser

Oxidationsturm

O2

Rieselturm

H2O O2

5.5 wasser – weitere besondere eigenschaften · ch3 ch ch ch3 ch3 3 ch2ch 2 ch2 ch2 ch3 ch3 ch...

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