Ch4 by Olympe Verlag GmbH

Chemie fĂźr alle

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4. Klasse

Monyk, Kaiblinger

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www.olympe.at

SBN: 180 727

9 783902 779373 ISBN: 978-3-902779-37-3

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Chemie fĂźr alle

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4. Klasse

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Christian Monyk, Gabriele Kaiblinger

Dieses Buch ist laut Bescheid des Bundesministeriums für Bildung vom 6. März 2017 (GZ BMBF-5.000/0015-B/8/2014) gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86 und gemäß den geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch in Neuen Mittelschulen und an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe – für die 4. Klasse im Unterrichtsgegenstand Chemie geeignet erklärt.

Schwierige und neue Wörter sind im Text orange hervorgehoben und werden in der Spalte daneben erklärt. Wichtige Begriﬀe sind im Text dick hervorgehoben, du siehst also mit einem Blick, was in jedem Kapitel besonders wichtig ist.

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Aufgaben und Arbeitsaufträge, die du während des Unterrichts – alleine oder mit der ganzen Klasse – lösen kannst, sind in der seitlichen Spalte angegeben.

Wichtige Formeln, Merksätze, chemische Gesetze und Merktexte sind im Text gesondert hervorgehoben.

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Am Ende jedes Kapitels sind die wichtigsten Punkte in einem kurzen Text zusammengefasst. Du kannst also noch einmal wiederholen, was in dem Kapitel vorgekommen ist. Nun geht’s los – Aufgaben für schlaue Köpfe! Unter diesem Motto findest du an vielen Stellen in diesem Buch Arbeitsblätter, die du ausfüllen kannst. Du wiederholst damit das, was du zuvor gelernt hast. Die Aufgaben sind mit Sternchen gekennzeichnet. Je mehr Sternchen du findest, desto schwieriger ist die Aufgabe. Du kannst diese Arbeitsblätter auch heraustrennen und in deiner Portfolio-Mappe sammeln.

Nach den Hauptkapiteln des Buches haben wir für dich auch Spannendes zum jeweiligen Thema, das du zuvor kennen gelernt hast, zusammengestellt. In Form einer Zeitung erzählen wir dir interessante Geschichten. Wenn dich dieses Thema besonders interessiert, dann kannst du darüber mehr in den Büchern erfahren, die wir dir dort vorschlagen.

Spannende Versuche: Am Ende dieses Buches findest du Anleitungen für Experimente, die ihr gemeinsam im Chemieunterricht durchführen könnt.

thinkstock (deyangeorgiev, hlehnerer, michalz86, Thinkstock Images, Purestock, wasja, Thinkstock Images, mady70, Wavebreakmedia Ltd)

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Umschlagbilder:

Schulbuchnummer: 180.727

Kopierverbot: Dieses Werk ist für den Einsatz im Schulunterricht bestimmt. Laut Urheberrecht in der Fassung der Urheberrechtsgesetz-Novelle 2003 (§ 43 (6)) darf es weder ganz noch in Teilen auch für den Einsatz im Schulunterricht nicht kopiert oder vervielfältigt werden.

Umschlaggestaltung, Satz, Layout: Raoul Krischanitz, Wien, transmitterdesign.com Grafik: Raoul Krischanitz, transmitterdesign.com Druck, Bindung: Druckerei Berger, Horn

ISBN: 978-3-902779-37-3

Inhaltsverzeichnis 5 11 14 19 25 28 33

LUFT UND WASSER BESTIMMEN UNSER LEBEN 7. Die Luft – ein Gasgemisch 8. Wasser – eine besondere chemische Verbindung 9. Die Eigenschaften des Wassers 10. Wasser ist Leben 11. Säuren und Basen 12. Salze 13. Der Wasserstoﬀ CHEMIE-NEWS: Luft und Wasser

35 41 43 47 53 57 61 65

ROHSTOFFE UND IHRE VERARBEITUNG 14. Metalle sind wichtige Rohstoffe 15. Grundstoffe für die Bauindustrie 16. Aus Silikaten wird Glas 17. Die chemische Industrie 18. Rohstoffe und ihre Wiederverwendung CHEMIE-NEWS: Rohstoffe und ihre Verarbeitung

67 75 79 83 85 91

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CHEMIE: STOFFE UND IHRE VERÄNDERUNG 1. Was ist Chemie 2. Atome – die kleinsten Bestandteile der Natur 3. Atome verbinden sich 4. Vom Atom zur chemischen Verbindung 5. Die Energie bei chemischen Reaktionen 6. Arbeiten mit Stoﬀen in der Chemie CHEMIE-NEWS: Stoﬀe und ihre Veränderung

93 95 101 105 109 115 119 123 125 129

ANHANG Experimentieren leicht gemacht Experimente beobachten Chemisches Lexikon Periodensystem der Elemente Formel-Quiz Stichwortverzeichnis Bildquellen

131 145 155 156 157 158 160

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KOHLENSTOFF – GRUNDLAGE DES LEBENS 19. Das Element Kohlenstoff 20. Kohlenwasserstoffe 21. Fossile Rohstoffquellen: Erdöl und Erdgas 22. Erdöl ist ein Gemisch zahlreicher Stoffe 23. Kunststoffe aus Erdöl 24. Die Chemie der Nahrung 25. Umwandlung von Nahrungsmitteln 26. Chemie bringt Sauberkeit 27. Genussmittel und Suchtmittel CHEMIE-NEWS: Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Stoﬀ: Material, aus dem ein Gegenstand besteht Wie nennt man den Stoﬀ, der sich beim Verbrennen von Holz bildet?

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Sicherlich hast du schon einmal angezündet. Zündholz ein Zunächst hast du ein Stückchen Holz in der Hand. Nachdem es verbrannt ist, sieht es allerdings ganz anders aus. Das Holz hat sich in einen schwarzen Stoﬀ verwandelt, den du zwischen den Fingern zerreiben kannst.

1. WAS IST CHEMIE?

Während des Verbrennens hat sich der Stoﬀ, aus dem das Zündholz besteht – das Holz –, verändert.

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Die Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit Stoffen und ihrer Veränderung beschäftigt.

Im Gegensatz dazu beschäftigt die Physik sich mit Vorgängen, bei denen Stoﬀe sich nicht verändern. Denke z. B. daran, was geschieht, wenn du das Zündholz fallen lässt. Die Physik beschreibt das Fallen, die kinetische Energie, die das Zündholz dabei erlangt, und was geschieht, wenn es beim Aufprallen zerbricht. Das Holz des Zündholzes verändert sich dabei aber nicht.

Wie hat sich die Wissenschaft der Chemie entwickelt?

Vorläufer der Chemie war die Alchemie. Die Alchemisten versuchten, Gold herzustellen. Auch wenn ihnen das nicht glückte, machten sie zahlreiche Entdeckungen. Denn sie waren die Ersten, die sich mit den Stoﬀen, unterschiedlichen deren Eigenschaften und den Möglichkeiten, diese zu verändern, auseinandersetzten.

Wann lebten die ersten Alchemisten? Die ersten Alchemisten in Europa arbeiteten zu Beginn der Neuzeit etwa ab dem 14. Jh. Jedoch gab es bereits im antiken Ägypten und Griechenland Gelehrte, die sich mit chemischen Experimenten beschäftigten. Auch aus China sind seit etwa 2 000 Jahren Alchemisten bekannt.

Alchemist in seinem Labor

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Neben der Suche nach Gold beschäftigten sich die Alchemisten auch mit der Herstellung von Arzneimitteln. Allerdings hatte jeder Alchemist dafür seine eigenen Rezepte und Methoden. Gegen Ende des 18. Jh. entstand die Chemie als Wissenschaft. Damals begann man, Messgeräte wie Waagen bei chemischen Experimenten einzusetzen. Damit konnte genau festgehalten werden, wie Experimente abliefen, sodass sie auch von anderen wiederholt werden konnten. Der französische Wissenschaftler Antoine Laurent de Lavoisier gilt als einer der Begründer der modernen Chemie.

Der griechische Wissenschaftler Demokrit beschäftigte sich mit Stoﬀen und ihrer Zusammensetzung. Er vermutete, dass die Welt aus kleinsten Teilchen zusammengesetzt sein müsse, die er Atome nannte.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Was bedeutet Pharmazie noch? In vielen Ländern steht der Begriﬀ „Pharmazie“ in unterschiedlichen Schreibweisen nicht nur für Arzneimittel, sondern auch für die Apotheke, in der sie verkauft werden. Achte also darauf, wenn du im Ausland medizinische Hilfe benötigst!

Einteilung der Chemie

Die Chemie wird heute in diese drei großen Bereiche eingeteilt: Anorganische Chemie

Organische Chemie

Diese setzt sich mit den Stoﬀen auseinander, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. Der Kohlenstoﬀ hat in der anorganischen Chemie jedoch nur geringe Bedeutung.

Kohlenstoff ist in diesem Bereich der wichtigste Stoff. In Verbindung mit anderen Stoffen spielt er in vielen Bereichen unseres Lebens eine wichtige Rolle.

• • • • •

• Erdöl und Erdölprodukte • Kunststoﬀe • Aufbau der Stoﬀe, aus denen Lebewesen bestehen

Biochemie

Diese beschäftigt sich mit Stoﬀwechselvorgängen in lebenden Organismen. Weiters zählt auch die Biotechnologie zu diesem Bereich.

gasförmige Stoﬀe wie Luft *) Wasser Säuren und Basen *) Salze und Mineralien alle Metalle und ihre Eigenschaften

• • • •

Vorgänge in Zellen Leitung von Reizen in Nerven Wirkung von Medikamenten Energiegewinnung aus der Nahrung

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Wie riecht der Chemiker/ die Chemikerin?

Die Herstellung von Arzneimitteln, mit der sich die Alchemisten beschäftigten, stellt heute eine eigene Wissenschaft dar: die Pharmazie. Aus den anderen Forschungsbereichen der Alchemie hat sich die heutige Chemie entwickelt.

Pharmazie: leitet sich vom griechischen Wort „pharmacon“ (Heilmittel, Gift, Zaubermittel) her

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*) Gase sowie Säuren und Basen spielen auch in der organischen Chemie eine Rolle, sofern in ihnen Kohlenstoﬀ vorkommt. Diese drei Bereiche beschäftigen sich jeweils mit speziellen Schwerpunkten der Chemie. Für die Unterscheidung der Bereiche spielt Kohlenstoﬀ eine wichtige Rolle.

FALSCH: Das Gesicht darf nicht über der Öﬀnung des Gefäßes sein.

Welche Fragen stellt sich der Chemiker/die Chemikerin? Um die Zusammensetzung eines Stoffes zu bestimmen, möchte der Chemiker oder die Chemikerin wissen, … ƒ welchen Aggregatzustand der Stoff bei welcher Temperatur hat. ƒ welche physikalische Eigenschaften wie Farbe, Dichte oder elektrische Leitfähigkeit der Stoff hat. ƒ welchen Geruch der Stoff hat. ƒ ob dieser Stoff aus anderen Stoffen zusammengesetzt ist und wie die Zusammensetzung aussieht. Einige dieser Eigenschaften wie Farbe oder Geruch können sehr einfach bestimmt werden, andere wie die Dichte werden mithilfe von physikalischen Messungen ermittelt. Aber um die Zusammensetzung eines Stoffes zu ermitteln, benötigt der Chemiker oder die Chemikerin besondere Untersuchungsmethoden. Mit deren Hilfe erforscht man, welche Stoffe beteiligt sind und wie viel von jedem dieser Stoffe vorhanden ist.

Oly RICHTIG: Das Gefäß wird vom Gesicht weg gehalten und mit der Hand der Geruch zu sich geholt.

Analyse: Untersuchung, bei der etwas in seine Bestandteile zerlegt wird; kommt vom griechischen Wort „lyse“ = Zerlegung, Trennung

Die Zusammensetzung eines Stoﬀes lässt sich durch eine chemische Analyse feststellen.

Chemiker bei der Analyse

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Womit arbeitet der Chemiker/die Chemikerin?

Reagenzglasständer

Reagenzglaskluppe

Warum sind viele Geräte in der Chemie aus Glas? Glas ist ein Material, das von Chemikalien kaum angegriﬀen wird. Außerdem ist es sehr hitzebeständig und leicht zu reinigen.

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Reagenzglas (Eprouvette)

Für Experimente benötigt man in der Chemie eine besondere Ausstattung:

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Chemikalien: Stoﬀe, die in der Chemie eingesetzt werden

Becherglas

Rundkolben

Trichter

Dreibein mit Drahtnetz

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Bunsenbrenner

Erlenmeyerkolben

Pipette mit Ball

Spritzflasche

Standzylinder

Sicherlich hast du im Fernsehen schon einmal ein Chemielabor gesehen. Welche Geräte waren dort zu erkennen?

Gummistopfen

Porzellanschale

Ball: hier p hohle Gummikugel; beim Zusammendrücken entsteht ein Überdruck, mit dem die Flüssigkeit aus der Pipette gepresst wird; beim Loslassen entsteht ein Unterdruck, mit dem Flüssigkeit in die Pipette gesaugt wird

Destillierkolben

Zusätzlich zu den hier abgebildeten Geräten braucht man bei chemischen Experimenten auch noch Glasstäbe zum Umrühren, Zangen, Messlöﬀel, Glasrohre und Gummischläuche, Glaswannen, Waagen, Aufbewahrungsflaschen und Mörser. Für ganz spezielle Experimente werden auch noch zahlreiche andere Geräte eingesetzt.

Mörser: dient zum Zerkleinern („Zerreiben“) von Stoﬀen

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung Worauf muss der Chemiker/die Chemikerin achten?

Piktogramm: Bildzeichen

Auf vielen Behältern finden sich Gefahrenpiktogramme, die auf die Gefährlichkeit des Inhalts hinweisen:

Giftig: Gesundheitsschäden beim Einatmen, Verschlucken oder Aufnehmen durch die Haut

Explosionsgefährlich: Stoﬀ kann unter bestimmten Bedingungen explodieren.

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Welche dieser Gefahrenpiktogramme hast du schon gesehen? Sieh bei dir zu Hause nach, welche Zeichen du auf Reinigungsmitteln findest!

Das Arbeiten mit Chemikalien ist nicht ungefährlich. Viele Stoﬀe, mit denen man in der Chemie in Berührung kommt, können zu schweren gesundheitlichen Schäden führen. Daher muss jeder Behälter, in dem Chemikalien aufbewahrt werden, gekennzeichnet sein. Es muss immer klar sein, was sich darin befindet.

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Wie sollte man Chemikalien aufbewahren? Fülle nie Chemikalien in andere Gefäße (z. B. Mineralwasserflaschen) um! Sie müssen in beschrifteten, verschlossenen Behältern und für Kinder unerreichbar aufbewahrt werden. Gefährliche Stoﬀe gehören in den Giftschrank!

Entzündlich: Stoﬀ kann sich unter Umständen selbst entzünden; von Feuer fernhalten.

Verhalten bei Unfällen:

• Spüle gefährliche Chemikalien sofort mit viel Wasser ab! • Sind Chemikalien in die Augen gelangt, spüle das Auge unter fließendem Wasser aus! • Suche unverzüglich einen Arzt/eine Ärztin auf!

Die Chemie beschäftigt sich mit Stoﬀen und ihrer Veränderung. Man gliedert sie in die Anorganische Chemie, die Organische Chemie und die Biochemie. Manche Chemikalien sind gefährlich. Gefahrenpiktogramme informieren über die Gefahr.

Ätzend: Bei Berührung kann es zur Zerstörung von Körpergewebe kommen.

Gesundheitsschädlich: Schäden bei Aufnahme in den Körper (auch durch Dämpfe)

Achte beim Arbeiten mit Chemikalien immer auf die Gefahrensymbole auf den Verpackungen!

Chemikalien dürfen auch Reizend: Bei Kontakt mit der Umweltgefährlich: nicht einfach weggeworfen Haut oder mit Schleimhäuten kann Wenn diese Stoﬀe in die werden, sondern müssen es zu Reizungen und Umwelt gelangen, kann das fachgerecht entsorgt Entzündungen kommen. Ökosystem geschädigt werden. Achte aber auch im werden. Haushalt auf gefährliche Chemikalien! Auf vielen Reinigungsmitteln, die du in jedem Supermarkt kaufen kannst, findest du solche Gefahrensymbole.

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Überlege! Warum sollte ein Arbeitsmantel aus Naturfasern hergestellt sein?

Brandfördernd: Stoﬀe sind selbst nicht brennbar, fördern aber Brände.

Schütze dich beim Arbeiten mit Chemikalien! Geeignete Arbeitskleidung schützt bei der Arbeit:

ƒ Arbeitsmantel (aus Naturfasern) ƒ Schutzbrille ƒ Handschuhe

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Was ist Chemie? – Ergänze den folgenden Satz! %%

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Chemie ist die Wissenschaft, ____________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________

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2) Gefahrenpiktogramme – Welches Piktogramm gehört zu welchem Stoff? Ordne mit Pfeilen richtig zu! %% Dieser Stoff ist zwar selbst nicht brennbar, allerdings kann seine Anwesenheit dazu führen, dass andere Stoffe rascher brennen.

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Dieser Stoﬀ kann Gesundheitsschäden verursachen. Er darf weder eingeatmet noch verschluckt werden. Auch bei Aufnahme über die Haut können Schäden auftreten.

Beim Umgang mit diesem Stoﬀ ist Vorsicht geboten. Kommt er mit der Haut oder mit Schleimhäuten in Kontakt, so kann es zu Reizungen und Entzündungen kommen.

Dieser Stoﬀ ist gefährlich für die Umwelt. Gelangt er ins Grundwasser oder in den Boden, so kann das zu Schädigungen des Ökosystems führen.

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Dieser Stoﬀ ist sehr gefährlich. Unter bestimmten Bedingungen kann es zu einer Explosion kommen.

Dieser Stoﬀ sollte nicht auf die Haut gelangen. Bei Berührung kann es zu einer Zerstörung von Körpergewebe kommen.

Dieser Stoﬀ darf nicht in die Nähe von Feuer gelangen. Unter Umständen kann er sich sogar selbst entzünden.

Dieser Stoﬀ darf nicht in den Körper gelangen, sonst können Schäden auftreten. Auch die Dämpfe dieses Stoﬀes können Schäden im Körper verursachen.

10 Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Bereiche der Chemie – Was gehört wohin? Schreibe die Begriﬀe aus dem Kästchen in die richtigen Spalten der Tabelle! %%%

Reizleitung © Eiweiß © Luft © Benzin © Eisen © Biotechnologie © Medikamente © Erdöl © Schwefelsäure © Zellvorgänge © Wasser © Kunststoﬀe

Biochemie

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Organische Chemie

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Anorganische Chemie

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4) Physik oder Chemie – Schreibe zu den Bildern „C“, wenn es sich um einen chemischen Vorgang handelt, und „P“, wenn es ein Vorgang aus der Physik ist! %%%

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

2. ATOME – DIE KLEINSTEN BESTANDTEILE DER NATUR

Was sind Isotope? Kerne von Atomen desselben Elements können eine unterschiedliche Anzahl von elektrisch nicht geladenen Neutronen enthalten. Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen bezeichnet man als Isotope.

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Betrachte dieses Bild! Wenn man einen festen Körper wie Kohle zerkleinert, erhält man Kohlenstaub. Dieser besteht aus vielen winzigen Kohlestückchen. Wenn man diese Kohlestückchen z. B. in einem Mörser weiter zerreibt, werden die Stückchen immer kleiner. Wie lange kann man die Kohlestückchen immer weiter zerkleinern?

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Bereits in der Antike erkannte der Wissenschaftler Demokrit, dass es nicht möglich sein kann, einen Körper immer weiter zu zerteilen. Er behauptete, irgendwann würde man zu kleinsten Teilchen kommen, die nicht mehr weiter zerteilt werden können. Er nannte diese Teilchen „atomos“, was auf Griechisch „das Unzerteilbare“ bedeutet. Erst im 19. Jh. war es möglich, Demokrits Behauptung auch zu beweisen. Heute weiß man, dass alle Materie aus Atomen aufgebaut ist.

Wie ist ein Atom aufgebaut?

Demokrits Behauptung war nicht ganz richtig. Das Atom ist nicht das kleinste Teilchen, sondern setzt sich aus noch kleineren Teilchen zusammen. Jedes Atom besteht aus einem Kern, der elektrisch positiv geladen ist, und einer elektrisch negativ geladenen Hülle.

Was hast du in Physik schon über das Elektron gehört? Wo spielt es eine wichtige Rolle?

Der Kern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut, die Hülle besteht aus Elektronen.

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Die Zahl der positiv geladenen Protonen im Kern legt fest, wie viele negativ geladene Elektronen sich in der Hülle befinden. Nach außen hin ist ein Atom elektrisch neutral, da sich die Ladungen von Protonen und Elektronen aufheben. Betrachte diese beiden Bilder! Links siehst du ein Atom, das im Kern lediglich 1 Proton besitzt. In der Hülle findet sich 1 Elektron. Daneben siehst du ein Atom mit 2 Protonen und 2 Neutronen im Kern und 2 Elektronen in der Hülle.

Diese beiden Atome haben völlig unterschiedliche Eigenschaften. Das linke Atom bezeichnet man als Wasserstoﬀ-Atom (Symbol: H), das rechte ist ein Helium-Atom (He). Diese beiden Atomsorten sind unterschiedliche chemische Elemente. Neben diesen beiden kennt man heute noch mehr als 100 solche Elemente. Alle diese Elemente haben unterschiedliche Eigenschaften. Die Materie ist aus diesen Elementen aufgebaut.

Was ist Radioaktivität? Die Kerne mancher Isotope können zerfallen und geben dabei Strahlung ab. Diese Isotope bezeichnet man als radioaktiv.

Symbol: hier p Abkürzung für die Bezeichnung eines chemischen Elements

Mehr über den Aufbau von Atomen wirst du in Physik lernen.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung Ordnung der Elemente – das Periodensystem

Die Elektronen eines Atoms haben nicht alle den gleichen Abstand zum Atomkern. Sie sind in „Schalen“ angeordnet. Die einzelnen Schalen bieten unterschiedlich vielen Elektronen Platz. Die innerste Schale kann nur 2 Elektronen aufnehmen. Die nächste Schale bietet Platz für 8 Elektronen. Je weiter außen die Schalen liegen, desto mehr Elektronen können sie aufnehmen. Diese Schalen geben uns die Möglichkeit, die Elemente nach sogenannten Perioden zu ordnen: 1. Gruppe

13. Gruppe

14. Gruppe

16. Gruppe

17. Gruppe

18. Gruppe

H Wasserstoﬀ 4

Lithium

Beryllium

(Lithium)

Helium (Helium)

Bor

Kohlenstoﬀ

Stickstoﬀ

Sauerstoﬀ

Fluor

Neon

(Beryllium)

(Bor)

(Carbon)

(Nitrogenium)

(Oxygenium)

(Fluor)

(Neon)

Natrium

Magnesium

Aluminium

Silizium

Phosphor

Schwefel

Chlor

Argon

(Natrium)

(Magnesium)

(Aluminium)

(Silicium)

(Phosphor)

(Sulfur)

(Chlor)

(Argon)

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1. Periode

15. Gruppe

(Hydrogenium)

3. Periode

Metalle und Halbmetalle Die meisten Elemente des Periodensystems sind Metalle. Diese sind – bis auf Quecksilber – bei Raumtemperatur fest und leiten den elektrischen Strom. Halbmetalle ähneln zwar den Metallen, weisen jedoch nicht alle Eigenschaften der Metalle auf.

2. Gruppe

2. Periode

Das Schwefel-Atom besitzt 2 Elektronen in der innersten und 8 Elektronen in der zweiten Schale. In der dritten Schale befinden sich 6 Elektronen.

Metalle

Halbmetalle

Nichtmetalle

Diese Anordnung der Elemente in einer Tabelle, deren Zeilen die Perioden darstellen, nennt man Periodensystem. 1. Periode: Die beiden Elemente H und He besitzen nur Elektronen in der innersten Schale. Diese beiden Elemente bilden die 1. Periode. 2. Periode: „Größere“ Elemente haben auch in der zweiten Schale Elektronen. Die Elemente Li, Be, B, C, N, O, F und Ne bilden gemeinsam die 2. Periode. Von links nach rechts nimmt die Zahl der Elektronen in der zweiten Schale um jeweils 1 Elektron zu.

Welche Metalle kennst du? Welche Nichtmetalle fallen dir ein?

3. Periode: Sobald die zweite Schale voll ist, wird bei Na begonnen, die dritte Schale zu füllen. Diese Elemente bilden gemeinsam die 3. Periode. Das gesamte Periodensystem, das du auf S. 156 dieses Buches findest, umfasst 7 Perioden. Anordnung der Elektronen

Ordnungszahl Im Periodensystem sind die Elemente der 1 Reihe nach durchnummeriert. Diese Symbol Nummern entsprechen der Anzahl vom deutscher Name Wasserstoﬀ Protonen im Kern und damit der Gesamtzahl (Hydrogenium) wissenschaftlicher Name von Elektronen in allen Schalen der Hülle. Da die Elemente anhand dieser Zahl „geordnet“ werden, bezeichnet man sie als „Ordnungszahl“. Neben der Ordnungszahl findest du im Periodensystem noch andere Informationen über die Elemente.

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Was ist die Massenzahl? Die Massenzahl gibt an, wie viele Kernteilchen sich im Atomkern befinden. Sie ist die Summe aus der Anzahl der Protonen (= Ordnungszahl) und der Anzahl der Neutronen. Sie ist bei Isotopen desselben Elements, die dieselbe Ordnungszahl haben, unterschiedlich.

Betrachte die Elemente Li und Na! Diese haben eine wesentliche Gemeinsamkeit: Sie besitzen jeweils 1 Elektron in der äußersten Schale. Das bewirkt, dass sie auch ähnliche Eigenschaften besitzen. Daher werden die Elemente, die in der Tabelle des Periodensystems untereinander stehen und damit jeweils gleich viele Elektronen in der äußersten Schale haben, in sogenannte Gruppen zusammengefasst.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

18. G/8. HG 17. G/7. HG 16. G/6. HG 15. G/5. HG 14. G/4. HG 13. G/3. HG 12. G 11. G 10. G 9. G 8. G 7. G 6. G 5. G 4. G 3. G

Perioden

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Betrachte die Abbildung! Als Hauptgruppen werden jene Gruppen bezeichnet, die als erstes Element bereits ein Element der 1. oder 2. Periode besitzen. Die Gruppen, die im Periodensystem erst „weiter unten“ ab der 4. Periode beginnen, sind in der Abbildung blau markiert. Diese Gruppen werden als Nebengruppen bezeichnet.

2. P. 3. P. 4. P. 5. P. 6. P. 7. P.

Gruppen

Die Spalten in der Tabelle werden als Gruppen (G) des Periodensystems bezeichnet. Es gibt 8 Hauptgruppen (HG), 1. P. die in der Abbildung rot markiert sind.

2. G/2. HG 1. G/1. HG

Die Gruppen im Periodensystem

Lanthanoide Actinoide

Hauptgruppen (HG)

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Zusätzlich gibt es ab der 6. Periode noch weitere Elemente. Diese werden im Nebengruppen Periodensystem allerdings nicht als eigene Spalten dargestellt, da sonst die Lanthanoide/Actinoide Tabelle sehr breit werden würde. Diese beiden Bereiche in der 6. und 7. Periode, die in der Abbildung gelb markiert sind, werden als Lanthanoide und Actinoide bezeichnet. Im Periodensystem werden sie als eigene Zeilen unterhalb dargestellt.

Die chemische Bedeutung der Gruppen

In den Hauptgruppen stehen Elemente mit der gleichen Anzahl von Elektronen in der äußersten Schale, die ähnliche chemische Eigenschaften aufweisen, untereinander. So sind z. B. alle Elemente der 1. Hauptgruppe mit Ausnahme des Wasserstoﬀs sehr weiche Metalle. Die Hauptgruppen haben eigene Namen. So heißen die Elemente der 1. Hauptgruppe Alkalimetalle, die der 7. Halogene und die der 8. Edelgase.

Warum sind Edelgase so edel?

Edelgase gehen kaum chemische Bindungen ein. Diese Eigenschaft der Edelgase kann durch den Aufbau ihrer Elektronenhülle erklärt werden. Mit Ausnahme von He, das zwei Elektronen in der äußersten Schale besitzt, haben Edelgase in ihrer äußersten Schale acht Elektronen.

Eine genaue Darstellung des Periodensystems ﬁndest du auf S. 156 im Anhang.

Wer „erfand“ das Periodensystem? Der russische Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendelejew ordnete im Jahr 1869 die damals bekannten chemischen Elemente nach ihren Eigenschaften. Er nannte die von ihm gefundene Ordnung „periodische Gesetzmäßigkeit“. Unabhängig von Mendelejew kam der deutsche Chemiker Lothar Meyer einige Monate später zu denselben Erkenntnissen.

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Die Fähigkeit, sich mit anderen Atomen zu verbinden, hängt vom Aufbau der Elektronenschalen ab. Vor allem die Elektronen in der äußersten Schale sind von besonderer Bedeutung. Diese nennt man Valenzelektronen. Die Elektronen in der äußersten Schale eines Edelgases sind jedoch sehr fest gebunden und können nur schwer abgegeben werden. Daher können sie sich kaum mit anderen Elementen verbinden.

Luftschiﬀe sind meist mit dem Edelgas Helium gefüllt.

Die Materie ist aus Atomen aufgebaut. Es gibt mehr als 100 verschiedene Elemente, die im Periodensystem geordnet sind. In der Chemie ist der Aufbau der Elektronenhülle entscheidend.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

3. ATOME VERBINDEN SICH

Doch was ist Wasser?

Auch Wasser besteht aus kleinsten Teilchen. Ein „Wasserteilchen“ ist jedoch kein chemisches Element. Vielmehr Modell eines Wassermoleküls: setzt es sich aus Atomen von unterschiedlichen Atome werden als Kügelchen chemischen Elementen zusammen. Wenn du diese dargestellt Abbildung betrachtest, siehst du, wie ein Wasserteilchen aufgebaut ist. Die rote Kugel steht für ein Sauerstoﬀatom, die beiden blauen Kugeln für 2 Wasserstoﬀatome. Gemeinsam ergeben sie ein Molekül: das Wassermolekül.

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Molekül: leitet sich vom lateinischen Wort „molecula“ für „kleine Masse“ ab

Vielleicht hast du schon einmal den Begriﬀ H2O (sprich: Ha-Zwei-O) gehört. Dieser Begriﬀ kennzeichnet Wasser.

Was hält die Atome im Molekül zusammen?

Alle Atome bestehen aus einem Kern und einer Elektronenhülle. Für Atome ist es am günstigsten, wenn ihre äußerste Elektronenschale so aufgebaut ist wie die eines Edelgases. Das Sauerstoﬀatom hat 2 Elektronen in der inneren und 6 Elektronen in der äußeren Schale. In der äußeren Schale fehlen also 2 Elektronen auf die Anzahl von 8. Durch 2 weitere Elektronen könnte es diese Zahl erreichen.

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Was ist die Edelgaskonfiguration? Edelgase besitzen in ihrer äußersten Schale die maximale Anzahl von Elektronen. Der Sauerstoﬀ erreicht durch die 2 Elektronen des Wasserstoﬀs ebenfalls diese Anzahl. Daher bezeichnet man die Elektronenanordnung eines Atoms, das gemeinsam mit Elektronen anderer Atome diese maximale Anzahl erreicht, als Edelgaskonfiguration.

Konfiguration: Anordnung

Dasselbe gilt für das Wasserstoffatom, für das es am günstigsten ist, wenn es 2 Elektronen besitzt. Ihm fehlt also 1 Elektron für eine aufgefüllte äußerste Elektronenschale. Wenn du die nebenstehende Abbildung betrachtest, siehst du, dass die beiden Elektronen der beiden Wasserstoffatome dem Sauerstoffatom zur günstigsten Anzahl verhelfen. Umgekehrt verhilft ein Elektron des Sauerstoffatoms dem Wasserstoffatom zu seiner günstigsten Anzahl.

Die Elektronen, die an der Bindung beteiligt sind, befinden sich zwischen den Atomkernen. Mit ihrer negativen elektrischen Ladung erzeugen sie eine Anziehungskraft auf die positiv geladenen Kerne, die dadurch zusammengehalten werden.

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Ein Molekül besteht aus zwei oder mehr Atomen.

Die Atombindung oder Elektronenpaarbindung

H H

Die Atome in den Molekülen werden durch die Anziehungskraft zwischen den Elektronenpaaren und den Atomkernen zusammengehalten. Diese Art, wie Atome aneinander gebunden werden, nennt man daher Elektronenpaarbindung. Sie tritt häufig auch zwischen Atomen desselben chemischen Elements auf.

Abgesehen von den Edelgasen treten gasförmige Elemente nicht als einzelne Atome, sondern als Moleküle auf. Beim Wasserstoﬀ, dem Element, das nur ein einziges Elektron besitzt, befinden sich die einzelnen Elektronen der beiden Atome zwischen den Kernen. Sie bilden das Wasserstoﬀmolekül H2.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Struktur- und Summenformel

Andererseits lautet die Bezeichnung für das Wasserstoﬀmolekül H2. Diese gibt an, wie viele Atome jedes Elements in Summe in einem Molekül enthalten sind. Daher bezeichnet man sie als Summenformel.

Was sind Molekülmodelle? Ein Molekülmodell erleichtert es, sich den Aufbau eines Moleküls vorzustellen. Das Modell des Wassermoleküls auf S. 14 nennt man „Kalottenmodell“. In ihm ist zu sehen, wie sich Elektronenschalen bei der Bindung überlagern.

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Mehrfachbindungen

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Wie der Wasserstoff ist auch der Sauerstoff ein Gas, das in Form von Molekülen auftritt. Allerdings sind bei jedem Sauerstoffatom 2 Elektronen an der Bindung beteiligt. Da die Bindung durch 2 Elektronenpaare erfolgt, spricht man von Doppelbindung.

Struktur: Aufbau

Beim Wasserstoﬀmolekül stehen 2 Wasserstoﬀatome nebeneinander, die durch ein gemeinsames Elektronenpaar miteinander verbunden sind. Schreibt man die Symbole der beiden Atome nebeneinander und ersetzt das Elektronenpaar durch einen Strich, dann erhält man die Strukturformel des H2-Moleküls. Diese zeigt dir den Aufbau des Moleküls.

Kalotte: Teil einer Kugel

Bei Stickstoﬀ sind sogar drei Elektronen pro Atom an der Bindung beteiligt. Daher spricht man beim N2-Molekül von einer Dreifachbindung.

Die Ionenbindung

Sicherlich kennst du Kochsalz. Dabei handelt es sich um einen Stoﬀ, der aus den Elementen Natrium (Na) und Chlor (Cl) aufgebaut ist.

H–H Strukturformel des H2-Moleküls

H2 Summenformel des H2-Moleküls

Wodurch werden Na und Cl im Kochsalz zusammengehalten? Natrium besitzt ein einzelnes Valenzelektron, Chlor hat sieben. Kommen die beiden Atome miteinander in Kontakt, dann gibt Natrium sein Valenzelektron vollständig ab. Dadurch wird es zu einem positiv geladenen Ion. Das abgegebene Elektron wird von Chlor aufgenommen, das zu einem negativen Ion wird. Zwischen den unterschiedlich geladenen Ionen herrscht eine anziehende Kraft. Diese führt dazu, dass sich die Ionen in einem regelmäßigen Gitter anordnen. Dieses Gitter bezeichnet man als Ionenkristall. Die Summenformel von Kochsalz ist NaCl.

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Nach der Abgabe seines einzelnen Valenzelektrons besitzt das Natriumatom in seiner äußersten Schale regelmäßige Anordnung der Ionen 8 Elektronen. Das entspricht der in einem Kristall Edelgaskonfiguration. Das Chloratom füllt seine aus 7 Elektronen bestehende äußerste Schale auf und erreicht ebenfalls diese Konfiguration. Ionenkristalle werden häufig aus Metall- und Nichtmetallionen gebildet. Ionenbindungen treten zwischen elektrisch unterschiedlich geladenen Ionen auf.

Aufbau des Stickstoﬀmoleküls N2

17+

Na-Atom

Cl-Atom

11+

17+

Na+-Ion

Cl–-Ion

Übertragung eines Elektrons

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung Die Metallbindung

Welche Metalle kennst du? Welche Eigenschaften sind dir sonst noch aufgefallen?

Auch Metalle besitzen ein regelmäßiges Gitter. Allerdings beruht die Kraft, welche die Atome zusammenhält, nicht auf der elektrischen Anziehung zwischen geladenen Ionen. Wie ist das Metallgitter aufgebaut?

Metalle besitzen Valenzelektronen, die nur sehr schwach gebunden sind. Diese können sehr leicht abgegeben werden. Dadurch entstehen Ionen, die man Atomrümpfe nennt und die dadurch die Edelgaskonfiguration erreichen. Die abgegebenen Elektronen bleiben jedoch nicht in der Nähe der Atomrümpfe, sondern können sich frei im gesamten Metallgitter bewegen. Sie wirken durch ihre negative Ladung wie ein Klebstoﬀ, der die positiven Atomrümpfe zusammenhält.

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Warum sind Metalle leicht verformbar? Metalle bestehen meist aus vielen winzigen Metallkristallen. Beim Verformen gleiten diese Kristalle aneinander vorbei. Je höher die Temperatur ist, desto geringer ist die Kraft, die dazu erforderlich ist.

mp eV

Die positiv geladenen Atomrümpfe werden bei der Metallbindung durch freie Elektronen zusammengehalten.

Wasser (Eis): Elektronenpaarbindung

Die freien Elektronen zwischen den Atomrümpfen sorgen für eine gute elektrische Leitfähigkeit, da sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung die Elektronen leicht bewegen können. Auch die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallen ist auf die freien Elektronen zurückzuführen.

Bindungen im Überblick

Salz: Ionenbindung

Elektronenpaarbindung

Ionenbindung

Metallbindung

gemeinsame Elektronenpaare zwischen den Atomen

Anziehung zwischen Ionen

Anziehung zwischen Atomrümpfen und freien Elektronen

Valenzelektronen:

paarweise zwischen Atomen

Elektronenübertragung

als freie Elektronen im gesamten Gitter

fester Zustand:

Molekülgitter

Ionengitter

Metallgitter

Eigenschaften:

niedrige Schmelzund Siedetemperatur

hohe Schmelz- und Siedetemperatur

Nichtleiter

Leiter

spröde

verformbar

Kupfer: Metallbindung

spröde: wenig verformbar, zerbricht bei Kraftanwendung

Oly

Bindung durch:

Die Bindung zwischen Atomen erfolgt durch die Valenzelektronen. Durch die Atom- oder Elektronenpaarbindung entstehen Moleküle. Bei der Ionenbindung und der Metallbindung kommt es zu einer regelmäßigen Anordnung der Atome in einem Gitter.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung 17

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

16 Ordnungszahl: ______ fest

Metall

flüssig

3 Periode: ____

Halbmetall

radioaktiv

Phosphor Name:_______________

Ordnungszahl: ______

flüssig

gasförmig

Nichtmetall

nein

Name:_______________ Ordnungszahl: ______ fest

Metall

Symbol: _____ Periode: ____

Halbmetall

radioaktiv

Name:_______________

Ordnungszahl: ______ fest

Metall

flüssig

gasförmig

radioaktiv

Nichtmetall

nein

Symbol: _____

5 Periode: ____

Halbmetall ja

flüssig

Symbol: _____

6 Periode: ____

Halbmetall

radioaktiv

gasförmig

Nichtmetall

Name:_______________

88 Ordnungszahl: ______ fest

mp eV

fest

S Symbol: _____

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Schwefel Name:_______________

1) Elemente des Periodensystems – In diesen Steckbriefen einiger Elemente fehlen manche Angaben. Vervollständige sie, indem du die fehlenden Merkmale so wie im ersten Steckbrief ergänzt oder ankreuzt! %%% Tipp: Das Periodensystem auf S. 156 hilft dir bei deiner Aufgabe.

Metall

flüssig ja

Name:_______________ Ordnungszahl: ______

nein

fest

Metall

nein

Periode: ____

gasförmig

Nichtmetall

nein

Symbol: _____

3 Periode: ____

Halbmetall

radioaktiv

2) Atome-Ionen-Moleküle – Streiche den falschen Begriﬀ durch! %%

flüssig

Nichtmetall

Symbol: _____

Halbmetall

radioaktiv

gasförmig

Nichtmetall

nein

Alle Stoffe sind aus Neutronen/Atomen aufgebaut. Ionen/Isotope entstehen aus Protonen/Atomen durch

Oly

Abgabe oder Aufnahme von Elektronen. Ein Atomkern/Molekül besteht aus zwei oder mehreren Atomen/Elektronen.

3) Edelgase – Kreuze in dieser Liste die Edelgase an! %%

Lithium

Arsen

Krypton

Nickel

Radon

Sauerstoff

Chlor

Neon

Tantal

Helium

Quecksilber

Fluor

Chrom

Eisen

Schwefel

Gold

Argon

Gallium

Xenon

Polonium

18 Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

4) Hauptgruppen – Lies zuerst die Informationstexte über einige der Hauptgruppen des Periodensystems! Dann kreuze an, zu welcher Hauptgruppe (HG) die Aussagen passen! Die richtig angekreuzten Buchstaben ergeben von unten nach oben ein Lösungswort. %%%

Halogene Bei den Elementen der 7. Hauptgruppe handelt es sich um gasförmige oder leicht flüchtige Nichtmetalle, die in Wasser löslich sind. Im gasförmigen Zustand sind sie farbig. Da in der äußersten Elektronenschale nur ein Elektron zum Erreichen der Edelgaskonfiguration fehlt, sind sie sehr reaktionsfreudig und bilden mit Metallen Salze.

Alkalimetalle Mit Ausnahme von Wasserstoﬀ werden die Elemente der 1. Hauptgruppe als Alkalimetalle bezeichnet. Dabei handelt es sich um leichte Metalle, die so weich sind, dass man sie mit einem Messer schneiden kann. Teilweise reagieren sie mit Wasser und Luft sehr heftig und geben dabei viel Wärme ab. Manche können sich an Luft sogar selbst entzünden.

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Edelgase Die äußersten Elektronenschalen der Elemente der 8. Hauptgruppe sind vollständig mit Elektronen besetzt. Daher reagieren sie auch kaum mit anderen Elementen. Bei diesen Elementen handelt es sich um Gase, deren Atome auch miteinander keine Moleküle bilden, sondern die atomar vorkommen.

mp eV

reagieren: aufgrund eines äußeren Einflusses eine Handlung vornehmen

1. HG 7. HG

8. HG

Sie reagieren kaum mit anderen Elementen.

Im gasförmigen Zustand sind sie farbig.

Sie sind so weich, dass man sie mit dem Messer schneiden kann.

Sie besitzen eine abgeschlossene äußerste Elektronenschale.

Manche der Elemente können sich an der Luft selbst entzünden.

Sie sind gasförmig und kommen atomar vor.

Mit Ausnahme von Wasserstoff nennt man sie Alkalimetalle.

Mit Metallen bilden sie Salze.

LÖSUNGSWORT:

Im festen Zustand bildet sich ein Ionengitter.

Die Bindung erfolgt durch gemeinsame Elektronenpaare zwischen den Atomen.

Im festen Zustand bildet sich ein Molekülgitter.

Die Valenzelektronen bewegen sich als freie Elektronen im gesamten Gitter.

Die Bindung erfolgt durch die Anziehung zwischen positiv geladenen Atomrümpfen und negativ geladenen freien Elektronen.

Die Valenzelektronen befinden sich paarweise zwischen den Atomen.

Im festen Zustand bildet sich ein Metallgitter.

Die Bindung erfolgt durch gegenseitige Anziehung von elektrisch geladenen Ionen.

Oly

5) chemische Bindung – Kreuze hinter jedem Satz an, ob die Aussage auf die Elektronenpaarbindung (E), die Ionenbindung (I) oder die Metallbindung (M) zutriﬀt! %%

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

4. VOM ATOM ZUR CHEMISCHEN VERBINDUNG

Der Rost, der sich an der Oberfläche des Nagels bildet, kann abgekratzt werden. So entsteht feiner brauner Staub. Dieser ist nicht magnetisch. Was geschieht, wenn ein Nagel rostet?

Betrachte zunächst den Nagel! Da er aus Eisen besteht, ist er magnetisch.

Eigenschaften

Nagel aus Eisen

Eisen: • fest • metallischer Glanz • elektrisch leitfähig • magnetisch

Sauerstoﬀ: • gasförmig • farblos • geruchlos

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Sicherlich kennst du Eisen, wie es z. B. als Material für Nägel verwendet wird. Wenn ein Nagel lange Zeit im Freien liegt, dann verändert sich seine Oberfläche. Er wird rostig.

rostiger Nagel

mp eV

Eisen ist ein Reinstoff. Es besteht aus einer einzigen Sorte von Teilchen, nämlich aus Eisenatomen. Eisen hat bestimmte Eigenschaften. So sind Gegenstände aus Eisen magnetisch. Rost Der Rost ist jedoch nicht mehr magnetisch. Beim Rosten hat sich also das Eisen verändert. Gemeinsam mit dem Sauerstoff der Luft, der ebenfalls ein Reinstoff ist, ist ein neuer Stoff entstanden: der Rost.

Rost: • fest • braune Farbe • nicht magnetisch

R Es entsteht ein neuer Stoff.

Die chemische Reaktion

Die Eisen- und Sauerstoffatome reagieren miteinander. Dabei entsteht ein neuer Stoff. Diesen Vorgang nennt man eine chemische Reaktion. Der neu entstandene Stoff ist eine chemische Verbindung aus den chemischen Elementen Eisen und Sauerstoff. Bei einer chemischen Reaktion entstehen aus den Ausgangsstoffen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften.

Die meisten Stoﬀe bestehen aus chemischen Verbindungen. Salz besteht aus den chemischen Elementen Natrium (Na) und Chlor (Cl).

Oly

Die Stoffe, die vor einer chemischen Reaktion vorhanden sind, nennt man Ausgangsstoffe. Nach der Reaktion liegt ein so genannter Endstoff oder ein Endprodukt vor. Die Eigenschaften des Endprodukts sind anders als die Eigenschaften der Ausgangsstoffe.

Die Reaktionsgleichung

Versuch

Erinnere dich an das Wassermolekül. Dieses entsteht durch eine chemische Reaktion von Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ, seine Summenformel ist H2O.

Führt das Experiment „Welcher Stoff verkohlt“ auf S. 135 durch!

Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff kommen in Form von Molekülen nämlich als H2 und O2 vor. Bei der chemischen Reaktion, die zur Bildung von Wasser führt, verbinden sich zwei Wasserstoffmoleküle mit einem Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen.

Welche anderen chemischen Reaktionen kennst du?

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung Diese Reaktion kann so dargestellt werden:

Die Formelschreibweise in der Chemie:

Ausgangsstoﬀe

Endstoﬀ Reaktionspfeil

Diese Darstellung einer chemischen Reaktion nennt man Reaktionsgleichung. Sie gibt an, welche Stoﬀe bei einer Reaktion miteinander reagieren und welcher Stoﬀ daraus entsteht.

2H2 + O2 p 2H2O

Betrachte diese Reaktionsgleichung genauer! Auf der linken Seite stehen insgesamt 4 Wasserstoff- und 2 Sauerstoffatome. Auf der rechten Seite der Gleichung findest du dieselbe Anzahl von Atomen. Man benötigt daher 2 Wasserstoffmoleküle und 1 Sauerstoffmolekül, um 2 H2O-Moleküle zu erhalten.

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Ist eine Reaktionsgleichung eine Gleichung? Eine Reaktionsgleichung ist keine „Gleichung“, wie du sie aus der Mathematik kennst, da auf beiden Seiten nicht das „Gleiche“ steht. Daher verwendet man auch kein „Gleichheitszeichen“, sondern einen Pfeil.

Stoffe, die an einer Reaktion beteiligt sind, werden in einer Reaktionsgleichung immer mit ihren Summenformeln (z. B. H2O) dargestellt. Im Fall des Wassers stehen auf der linken Seite der Reaktionsgleichung die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff, auf der rechten Seiten stehen 2 Wassermoleküle. Sehr oft sind jedoch auch die Ausgangsstoffe einer Reaktion Moleküle, die aus mehreren Elementen bestehen.

Die Wertigkeit in der Reaktionsgleichung

2H2 + O2 p 2H2O 2

Erinnere dich! An der chemischen Bindung sind nur die äußersten Elektronen eines Atoms, die Valenzelektronen, beteiligt. Von ihnen hängt ab, mit wie vielen anderen Atomen sich ein Atom verbinden kann.

mp eV

HAtom

O-Atom

Die Wertigkeit gibt an, wie viele Atombindungen ein Atom in einem Molekül eingeht. Sauerstoff im Wassermolekül ist zweiwertig, da er mit zwei Wasserstoffatomen eine Bindung eingeht. Dabei bindet er das Elektron des Wasserstoffatoms in seine Hülle ein. Da er im gebundenen Zustand Elektronen mit negativer Ladung aufnimmt, sagt man, Sauerstoff ist zweiwertig negativ.

–

Umgekehrt verbindet sich Wasserstoff mit einem Sauerstoffatom. Er gibt dabei ein Elektron an die gemeinsame Bindung ab. Wasserstoff ist daher einwertig positiv. Bei einer Reaktion heben sich die Wertigkeiten auf, damit sich ein neutrales Molekül bildet.

Mit der Wertigkeit zur richtigen Summenformel Anhand der Wertigkeiten der an einer Reaktion beteiligten Elemente kann man sich überlegen, wie die Summenformel des Endstoﬀes aussieht:

Oly

1. Koeﬃzient: Dieser ist eine großgeschriebene Zahl, die in einer Reaktionsgleichung vor einem Elementsymbol oder einer Summenformel steht. Er gibt an, wie viele Atome bzw. Moleküle beteiligt sind. 2. Tiefgestellter Index: Dieser gibt in einer Summenformel die Anzahl der Atome eines Elements an. 3. Reaktionspfeil: Dieser gibt an, in welche Richtung die Reaktion verläuft. 4. Tritt als Index oder Koeﬃzient die Zahl „1“ auf, wird diese nicht angegeben.

Wasserstoﬀ (H): kommt in Form von H2-Molekülen vor, 1-wertig positiv

Was ist NH3? NH3 oder Ammoniak ist ein stechend riechendes giftiges Gas. Es ist ein wichtiger Grundstoﬀ für die Herstellung von Stickstoﬀverbindungen.

Stickstoﬀ (N): kommt in Form von N2-Molekülen vor, in seiner äußersten Elektronenschale befinden sich 5 Elektronen, sie kann daher noch 3 weitere Elektronen aufnehmen, Stickstoﬀ ist daher 3-wertig negativ.

H2- und N2-Moleküle reagieren zu NH3-Molekülen. In diesem Molekül liegen 1 N-Atom und 3 H-Atome vor. Damit sich dieses Molekül bilden kann, braucht man daher 1 N2- und 3 H2-Moleküle. Reaktionsgleichung:

N2 + 3H2

2NH3

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Welche chemischen Reaktionen bewirken das Rosten?

Was kann bei chemischen Reaktionen geschehen?

Welche Wertigkeit hat Eisen? In unterschiedlichen chemischen Verbindungen können unterschiedlich viele Elektronen des Eisenatoms an der Bindung beteiligt sein. In FeO gibt Eisen 2 Elektronen ab, daher ist es 2-wertig, in Fe2O3 gibt es jedoch 3 Elektronen ab und ist daher 3-wertig.

Beim Rosten laufen mehrere Reaktionen ab, bei denen sich die Eisenatome mit dem Sauerstoﬀ der Luft verbinden. Damit diese Reaktionen erfolgen, muss auch noch Wasser vorhanden sein. Dabei entstehen Verbindungen aus Eisen und Sauerstoﬀ, die man Eisenoxide nennt. Eines davon ist das Eisen(III)-oxid (Fe2O3), das auch für die rötliche Farbe von Rost verantwortlich ist.

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Bei einer chemischen Reaktion verändern sich Stoffe. Dabei können mehrere beobachtbare Effekte auftreten. Häufig treten mehrere dieser Effekte gleichzeitig auf, manchmal beobachtet man aber auch nur einen davon.

mp eV

LEUCHTERSCHEINUNGEN: Bei vielen chemischen Reaktionen wie Verbrennungen entstehen sehr hohe Temperaturen. Dabei wird Licht abgegeben. Manchmal erfolgt die Reaktion so rasch, dass ein sehr kurzer, aber intensiver Blitz auftritt.

GASENTWICKLUNG: Häufig bilden sich aus festen oder flüssigen Ausgangsstoﬀen gasförmige Endstoﬀe. So entsteht bei der Verbrennung von Schwefel ein stechend riechendes Gas. Häufig können Gase – so wie beim Verbrennen von Schwefel – anhand ihres Geruchs wahrgenommen werden, doch Vorsicht: Gase können auch giftig sein! In einer Flüssigkeit sind Gase als Bläschen zu beobachten. Heftige Reaktionen führen dazu, dass die Flüssigkeit zu sprudeln und zu schäumen beginnt. DAMPFENTWICKLUNG: Dämpfe entstehen beim Erhitzen von Flüssigkeiten oder Festkörpern. Einige Dämpfe kann man riechen.

WÄRME: Bei vielen chemischen Reaktionen wird Wärme frei. Denke daran: Auch jedes Verbrennen ist eine chemische Reaktion.

Dämpfe bei einer chemischen Reaktion

Oly

FARBÄNDERUNGEN: Sehr oft hat der Endstoff eine andere Farbe als die Ausgangsstoffe. So verfärbt sich Holz beim Verbrennen von braun zu schwarz. GERÄUSCHENTWICKLUNG: Rasch ablaufende Reaktionen versetzen die Luft in der Umgebung so stark in Schwingung, dass Geräusche zu hören sind. Manche Reaktionen – wie die von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser – erfolgen so schnell, dass man sogar einen lauten Knall hört. Daher nennt man diese Reaktion auch „Knallgasreaktion“.

Beim Verbrennen von Holz treten gleichzeitig Leuchterscheinungen, Wärme, brennende Gase sowie eine Farbänderung auf.

Gasentwicklung, die zum Schäumen führt

Versuch Führt die Experimente „Backpulver im Schnappglas“ auf S. 135 und „Lichterscheinungen beim Verbrennen von Magnesium“ auf S. 145 durch!

Welche dieser Eﬀekte hast du selbst schon beobachtet? Sammelt Beispiele und sprecht in der Klasse darüber!

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung Trennung von Gemengen und Gemischen

Gemenge und Gemische bestehen aus mehreren verschiedenen Stoffen. Von diesen reagieren einige miteinander und bilden einen neuen Stoff, während andere unverändert bleiben. Um den neu gebildeten Stoff von den unveränderten Ausgangsstoffen zu trennen, kennt man in der Chemie mehrere Verfahren. Besondere Eigenschaften eines Stoffes: Aus einem Gemenge, das Eisen enthält, kann dieses mit einem Magneten herausgeholt werden. Man kann auch die unterschiedliche Dichte von Stoffen nutzen. Manche Stoffe schwimmen an der Wasseroberfläche, während andere untergehen.

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Gemenge oder Gemisch? Ein Gemenge besteht aus kleinen festen Teilchen. Von einem Gemisch spricht man bei Gasen oder Flüssigkeiten, bei denen sich die Atome oder Moleküle vollständig mischen können.

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Sedimentation, Zentrifugieren: In einer Flüssigkeit sinken Teilchen mit höherer Dichte nach unten. Daher bilden sich in einem Gemenge in einer Flüssigkeit Schichten aus den unterschiedlichen Stoﬀen. Beim Sedimentieren setzen sich die Teilchen aufgrund der Schwerkraft am Boden ab. Beim Zentrifugieren wird die Flüssigkeit in Drehung versetzt. Die Fliehkraft beschleunigt das Absetzen der schwereren Teilchen.

Zentrifugieren einer Flüssigkeit

Filtration: Gießt man eine Flüssigkeit, in der sich feste Teilchen befinden, in einen Filter, so fließt die Flüssigkeit durch die feinen Öffnungen des Filters ab. Die festen Teilchen bleiben im Filter zurück. So können Flüssigkeiten gereinigt werden. Extraktion: Manche Stoffe können in einer Flüssigkeit wie Wasser gelöst werden, andere jedoch nicht. Durch anschließende Filtration können so die unlöslichen Stoffe entfernt werden.

Versuch

Führt die Experimente „Wasserentschmutzung“ und „Cola entfärben“ auf S. 136/137 durch!

Oly

Gemenge und Gemische bestehen aus mehreren Reinstoffen. Bei einer chemischen Reaktion entsteht aus mehreren Ausgangsstoffen ein Endstoff. Dieser ist ein neuer Stoff. Eine chemische Reaktion wird durch die Reaktionsgleichung beschrieben. Die Wertigkeit eines Elements gibt an, wie viele Elektronen bei einer chemischen Reaktion beteiligt sind.

Destillation: Wird ein Gemisch aus zwei Flüssigkeiten erwärmt, so verdampfen beide Flüssigkeiten. Hat eine der Flüssigkeiten eine niedrigere Siedetemperatur als die andere, so verdampft von dieser Flüssigkeit eine größere Menge als von der anderen. Leitet man den so entstandenen Dampf durch ein gekühltes Rohr, so kondensiert der Dampf und es bildet sich Flüssigkeit. Diese ist wiederum ein Gemisch aus den beiden ursprünglichen Flüssigkeiten, allerdings ist der Anteil der Flüssigkeit mit der niederen Siedetemperatur höher als zuvor.

Chromatografie: Dieses Verfahren nutzt die Tatsache, dass sich unterschiedliche Stoﬀe unterschiedlich gut in einer Flüssigkeit lösen. So kann man z. B. feststellen, dass die Farbe eines Filzstiftes aus mehreren Einzelfarben zusammengesetzt ist. Taucht man das Ende eines Streifens aus Filterpapier, auf dem man einen Farbpunkt angebracht hat, in Wasser, so wird das Wasser im Papier nach oben gesogen. Die am leichtesten löslichen Farbanteile werden am raschesten gelöst und wandern rascher in die Höhe als andere.

Destillieren

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung 23

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Reaktionsgleichungen – Ergänze in diesen Reaktionsgleichungen die Koeﬃzienten! %%%%

a) ____ Cu + ____ O2 → ____ Cu2O

b) ____ Cu + ____ S → ____ Cu2S

d) ____ Al + ____ S → ____ Al2S3

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c) ____ C + ____ O2 → ____ CO

e) ____ Fe + ____ O2 → ____ Fe2O3

f) ____ B + ____ O2 → ____ B2O3

2) Reinstoff oder Gemenge? – Entscheide und trage in die Kreise neben den Bildern „R“ für Reinstoﬀ oder „G“ für Gemenge ein! %%%

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Kochsalz

Gold

Erde

Nebel

Sauerstoff

Wasser

Fruchtsalat

Oly

Eisen

Sand Milch

24 Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Trennverfahren – Welche Trennverfahren sollen jeweils zum Einsatz kommen? Setze die entsprechenden Nummern in die Kreise! %%% Destillation Besondere Eigenschaft Sedimentation Filtration

Um die Bestandteile meiner Bodenprobe herauszufinden, habe ich die Erde mit Wasser gemischt und geschüttelt. Jetzt warte ich ab, welche Schichten sich bilden.

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Beim Brauen von Bier muss ich nach der Lagerung die unerwünschten Stoffe aus der Flüssigkeit entfernen.

1. 2. 3. 4.

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Beim Vergären ist in der Obstmaische Alkohol entstanden. Um den Alkohol zu bekommen, muss ich die Maische jetzt brennen.

In meinem Sparschwein habe ich neben Münzen auch viele Knöpfe aus Holz gefunden. Wie kann ich die jetzt trennen?

4) Reaktionen im Haushalt – Welche Eﬀekte treten bei diesen Reaktionen auf? Kreuze richtig an! %%% ACHTUNG: Es können auch mehrere Antworten richtig sein.

Oly

Geräuschentwicklung

Farbänderung

Wärme

Dampfentwicklung

Gasentwicklung

Leuchterscheinung

Brausetablette

Wunderkerze

Karamellisieren von Zucker

Gasflamme

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

5. DIE ENERGIE BEI CHEMISCHEN REAKTIONEN Was genau geschieht dabei?

Die Aktivierungsenergie

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Zunächst musst du ein Zündholz anzünden. Mit der Flamme näherst du dich dem Docht der Kerze. Nach einiger Zeit beginnt der Docht zu brennen. Dann kannst du das Zündholz entfernen und die Kerze brennt weiter.

Docht: Faden, in dem eine Flüssigkeit – bei der Kerze das flüssige Wachs – nach oben gesogen wird, damit sie verbrennen kann

Sicherlich hast du schon einmal eine Kerze angezündet.

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Das Verbrennen von Wachs ist eine chemische Reaktion, bei der zahlreiche Wachsmoleküle mit Sauerstoff reagieren. Wachs besteht zum Großteil aus Kohlenstoff, der zu Kohlenstoffdioxid (CO2) umgewandelt wird. Damit diese Reaktion beginnen kann, muss jedoch Energie zugeführt werden. Diese Energie liefert die Flamme des Zündholzes.

C + O2 + EA

CO2 + EF

Verbrennen von Kohlenstoﬀ: Es wird mehr Energie frei, als man zuvor zuführen muss (EA < EF).

Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die erforderlich ist, damit eine chemische Reaktion beginnt.

Sobald die Kerze dann brennt, ist diese Aktivierungsenergie nicht mehr notwendig und man kann das Zündholz entfernen. Was geschieht, wenn die Kerze brennt?

Sobald die Reaktion begonnen hat, wird Energie frei. Du spürst sie als Wärme, wenn du deine Hand über die Flamme hältst.

Die exotherme Reaktion

Wie kann Aktivierungsenergie zugeführt werden? Aktivierungsenergie kann in Form von Wärme, Lichtenergie, elektrischer Energie oder auch als kinetische Energie in Form eines Schlages oder einer Erschütterung zugeführt werden.

Beim Anzünden einer Kerze muss man also zunächst Energie hineinstecken. Sobald die Reaktion begonnen hat, wird mehr Energie freigesetzt, als man als Aktivierungsenergie aufgebracht hat. So eine Reaktion nennt man exotherme Reaktion.

Oly

Bei einer exothermen Reaktion wird Energie z. B. in Form von Wärme freigesetzt. Es wird mehr Energie frei, als in Form von Aktivierungsenergie aufgebracht werden muss.

Die Energie bei einer exothermen Reaktion kannst du dir so vorstellen, wie wenn du eine Kugel über einen Hügel rollst. Zunächst musst du Energie aufwenden, um sie auf den Hügel hinauf zu rollen. Sobald du den höchsten Punkt erreicht hast, rollt sie von selbst auf der anderen Seite hinunter. Der Höhenunterschied ist beim Hinaufrollen geringer als beim Hinunterrollen. Daher gewinnst du mehr Energie, als du zuerst hineingesteckt hast.

exotherm: setzt sich aus den griechischen Wörtern exo (= außerhalb) und thermos (= warm) zusammen Welche exotherme Reaktionen kennst du?

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung Die endotherme Reaktion

Bei einer endothermen Reaktion muss ständig Energie z. B. in Form von Wärme zugeführt werden. Die Reaktionsenergie ist kleiner als die Aktivierungsenergie.

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Warum soll man Medikamente im Kühlschrank aufbewahren? Bei vielen Medikamenten reicht die bei Raumtemperatur vorhandene Wärme aus, um chemische Reaktionen und dadurch Veränderungen der Medikamente hervorzurufen. Dadurch können diese gesundheitliche Schäden hervorrufen. Die geringere Temperatur im Kühlschrank verlangsamt diese Reaktionen, sodass sie länger haltbar sind.

Beim Umwandeln von „normalem“ Zucker in karamellisierten Zucker wird zwar Energie freigesetzt. Diese ist jedoch geringer als die Energie, die man aufbringen muss, um die Reaktion in Gang zu setzen. So eine Reaktion nennt man endotherme Reaktion.

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endotherm: setzt sich aus den griechischen Wörtern endo (= hinein) und thermos (= warm) zusammen

Hast du schon einmal karamellisierten Zucker hergestellt? Wenn du weißen Kristallzucker in einer Pfanne erhitzt, wird er flüssig und ändert seine Farbe. Beim Erhitzen kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der sich die Zuckermoleküle verändern. Das Karamellisieren ist jedoch eine Reaktion, bei der ständig Energie zugeführt werden muss. Nimmt man die Pfanne vom Herd, dann kommt die Reaktion zum Erliegen.

Auch eine endotherme Reaktion kannst du dir anhand eines Hügels und einer Kugel vorstellen. In diesem Fall ist jedoch der Höhenunterschied beim Hinaufrollen größer als der beim Hinunterrollen.

Temperatur und Wärme bei chemischen Reaktionen Die Temperatur spielt bei chemischen Reaktionen eine wesentliche Rolle. Die meisten Reaktionen laufen umso rascher ab, je höher die Temperatur ist.

Versuch

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen

Oly

Führt die Experimente „Zucker karamellisieren“ und „Bringe Zucker zum Brennen“ auf S. 138 durch!

Je höher die Temperatur ist, desto mehr Wärmeenergie ist in der Umgebungsluft enthalten. Bei manchen chemischen Reaktionen ist die Aktivierungsenergie so niedrig, dass bereits die bei Raumtemperatur vorhandene Wärmeenergie für das Beginnen einer Reaktion ausreicht. So kommt es beispielsweise bei Weißem Phosphor bei Raumtemperatur zur Selbstentzündung. Er muss daher unter Wasser aufbewahrt werden, damit kein Sauerstoﬀ dazu kommt.

Katalysator: leitet sich vom griechischen Wort „katalysis“ (= Auflösung) ab

Sicherlich hast du schon einmal vom Katalysator in einem Fahrzeug gehört. Bei vielen chemischen Reaktionen bewirkt ein zusätzlicher Stoﬀ, dass die Aktivierungsenergie verringert wird. Dadurch kann die Reaktion leichter und schneller ablaufen. Einen solchen Stoﬀ nennt man Katalysator. Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion unterstützt, ohne dabei verbraucht zu werden.

Der Katalysator im Auspuff eines Fahrzeugs besteht aus einem Keramikkörper mit vielen feinen Kanälen, die mit dem Edelmetall Platin beschichtet sind. Er bewirkt, dass gesundheitsschädliche Schadstoffe in unschädliche Stoffe umgewandelt werden.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Synthese und „Lyse“

Wo werden diese Verfahren angewandt? Nicht alle Verfahren können im Chemieunterricht vorgeführt werden. In chemischen Labors und in der Industrie sind sie jedoch sehr wichtig, um zahlreiche Stoﬀe unseres täglichen Lebens herzustellen.

Die Herstellung eines chemischen Stoffes aus einfacheren Ausgangsstoffen bezeichnet man als Synthese. Sicherlich kennst du aus dem Biologieunterricht den Begriff Fotosynthese. Dieser kennzeichnet einen Vorgang, bei dem mit Hilfe von Lichtenergie Nährstoffe in Pflanzen erzeugt werden.

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Das Gegenteil der Synthese ist die „Lyse“. Darunter versteht man das Zerlegen einer chemischen Verbindung in einfachere Stoffe oder in chemische Elemente. Jedoch wird der Begriff „Lyse“ nie alleine verwendet. Er steht immer in Zusammenhang mit einem anderen Begriff, der die Art der Zerlegung genauer beschreibt.

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Analyse: Bei der Analyse wird ein chemischer Stoﬀ mit verschiedenen Verfahren in seine einzelnen Bestandteile zerlegt. Dabei wird die chemische Zusammensetzung eines Stoﬀes untersucht. Chemiker/innen stellen bei der Analyse fest, welche Elemente und wie viele Atome eines jeden Elements die Verbindung enthält.

Elektrolyse: Stoffe werden mit Hilfe des elektrischen Stroms in ihre Bestandteile zerlegt. So kann elektrische Energie z. B. dazu genutzt werden, um Wasser in gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Fotolyse: Ein Molekül wird gespalten, indem man es mit Licht bestrahlt. Mit der Fotolyse kann festgestellt werden, wie groß die Bindungsenergie in einem Molekül ist. Dieses wird mit Licht von unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt. Man stellt fest, bei welcher Wellenlänge es zur Spaltung kommt. Da man die Energie eines Lichtstrahls aufgrund seiner Wellenlänge sehr genau kennt, kann so bestimmt werden, welche Energie zum Spalten erforderlich ist.

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Hydrolyse: Hydor ist das griechische Wort für Wasser. Bei der Hydrolyse dient Wasser zur Aufspaltung einer Verbindung. Dabei bindet sich ein H-Atom des Wassers an einen Teil der Verbindung, während sich die restliche OH-Gruppe an den anderen Teil heftet. Das bewirkt, dass sich die beiden Teile voneinander trennen.

Katalyse: Die Katalyse ist die Aufspaltung eines chemischen Stoﬀes – aber auch die Bildung eines neuen Stoﬀes – mit Hilfe eines Katalysators. Besonders wichtig ist die Katalyse in der Biochemie und bei der Nahrungsmittelherstellung. Die Katalysatoren, die bei biologischen Vorgängen eine Rolle spielen, nennt man Enzyme.

chemische Industrie Welche Produkte der chemischen Industrie spielen in deinem Leben eine Bedeutung?

Die Aktivierungsenergie ist erforderlich, um eine chemische Reaktion in Gang zu setzen. Bei einer Reaktion wird Energie frei oder wird benötigt. Man unterscheidet exotherme und endotherme Reaktionen. Ein Katalysator beschleunigt eine chemische Reaktion, ohne dabei verbraucht zu werden.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

6. ARBEITEN MIT STOFFEN IN DER CHEMIE

Manche Stoﬀe, mit denen ein Chemiker oder eine Chemikerin zu tun hat, sind gefährlich oder toxisch. Daher muss man sehr vorsichtig mit ihnen umgehen.

toxisch: giftig

Kennzeichnung chemischer Stoﬀe

Wenn man im Fachhandel chemische Stoﬀe einkauft, dann sind diese mit einem Etikett gekennzeichnet. Auf diesem Etikett müssen bestimmte Angaben vorhanden sein: Nennmenge

Gefahrenpiktogramme Gefahrenhinweise Signalwort

Methanol (Lösungsmittel) (Index-Nr.: 603-001-00-X)

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Name und Indexnummer

GEFAHR

Sicherheitshinweise

Lieferant

Inhalt: 10 Liter

Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar. Giftig beim Verschlucken. Giftig bei Augenkontakt. Giftig beim Einatmen. Schädigt die Augen – Erblindungsgefahr.

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Was sind Gefahrensymbole? Bis 2017 dürfen anstelle der Gefahrenpiktogramme noch Gefahrensymbole verwendet werden. Diese sehen ähnlich aus wie die Piktogramme. Allerdings bestehen sie aus orangen Quadraten mit schwarzen Symbolen. Die Piktogramme für „Reizend“ und „Gesundheitsschädlich“ sind neu. Sie ersetzen das alte allgemeine Symbol für gefährliche Stoﬀe.

Vor Hitze/Funken/oﬀener Flamme/heißen Oberflächen fernhalten. Nicht Rauchen. An einem gut belüfteten Ort lagern. Behälter dicht verschlossen halten. Schutzhandschuhe/Schutzkleidung tragen. Bei Berührung mit der Haut: Mit reichlich Seife waschen. Bei Verschlucken: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt rufen. Unter Verschluss lagern. Musterfirma

Musterstraße 11

1111 Musterstadt

Tel: +43 (0) 1234-56789

GEFAHRENPIKTOGRAMM: Die Symbole stehen für die Art der Gefahr, die von einem Stoﬀ ausgeht. Es können auch mehrere Piktogramme auf einem Etikett angebracht sein. Wie diese Piktogramme aussehen und was sie bedeuten, hast du schon in Kapitel 1 erfahren.

Aus dem allgemeinen Gefahrensymbol werden die Piktogramme für „Reizend“ und „Gesundheitsschädlich“.

SIGNALWORT: Als zusätzlicher Hinweis auf die Gefährlichkeit eines Stoﬀes kann „Achtung“ oder „Gefahr“ auf dem Etikett stehen.

GEFAHRENHINWEISE: Diese weisen darauf hin, welche Art von Gefahr von einem Stoﬀ ausgeht. Wie diese Gefahrenhinweise formuliert werden müssen, ist per Gesetz vorgegeben.

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SICHERHEITSHINWEISE: Auch bei diesen Hinweisen ist gesetzlich geregelt, wie sie formuliert werden müssen. Sie geben Information darüber, welche Maßnahmen man ergreifen muss, falls es mit diesem Stoﬀ zu Problemen kommt.

Auf zahlreichen Haushaltsreinigern finden sich ebenfalls Etiketten mit Warnhinweisen. Sieh bei dir zu Hause nach, was auf diesen Etiketten geschrieben steht!

Zusätzlich zu den Angaben auf dem Etikett gibt es für jeden gefährlichen Stoff ein Sicherheitsdatenblatt. Auf diesem sind zusätzliche Informationen über den Stoff, über die Gefährdung, die von ihm ausgeht, sowie über den Umgang mit diesem Stoff angegeben.

Eigene Kennzeichnung Wird ein chemischer Stoﬀ aus seiner Originalverpackung in einen anderen Behälter umgefüllt, so muss auf diesem ein eigenes Etikett angebracht werden. Es muss auf jeden Fall immer klar ersichtlich sein, was in welchem Behälter enthalten ist.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Lagerung von Chemikalien

Stoffe müssen in geeigneten Behältern gelagert werden. Diese können aus Glas, Kunststoff oder Metall sein. Für jeden Stoff muss das geeignete Gefäß gewählt werden, damit es zu keiner Reaktion zwischen dem Stoff und dem Behälter kommen kann und dieser z. B. aufgelöst wird. Die Behälter müssen immer gut verschlossen sein. Sonst können Dämpfe entweichen, die mit den Dämpfen aus anderen Behältern reagieren. Dabei könnten explosive, feuergefährliche oder giftige Substanzen entstehen.

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ƒ Sie müssen gekennzeichnet sein. ƒ Sie müssen versperrbar sein. Unbefugte dürfen keinen Zugang zu diesen Stoﬀen haben. ƒ Es muss eine ins Freie führende Entlüftung vorhanden sein, damit Dämpfe aus undichten Behältern abgeleitet werden.

Fülle niemals Chemikalien in Getränkeflaschen! Verwende immer geeignete Chemikalienflaschen!

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Die Behälter mit Chemikalien müssen in geeigneten Schränken gelagert werden. Für diese gilt:

Chemikalienschränke sind meist aus Metall. Manche Stoﬀe müssen innerhalb eines Schrankes noch zusätzlich in speziellen Schutzbehältern gelagert werden.

Häufig geben die Sicherheitshinweise auf dem Etikett Auskunft darüber, wie der betreﬀende Stoﬀ zu lagern ist.

Entsorgung von Chemikalien

Chemikalien dürfen auf keinen Fall einfach weggeworfen oder in den Abfluss geleert werden! Sie müssen gesammelt und fachgerecht entsorgt werden. In Schulen gibt es Sammelbehälter, in die Stoﬀe, die bei chemischen Experimenten anfallen, geleert werden.

Warum dürfen Chemikalien nicht in Getränkeflaschen aufbewahrt werden?

Unbefugte: Personen, die für etwas keine Erlaubnis haben

Wozu könnten diese zusätzlichen Schutzbehälter dienen?

Wo gibt es bei dir in der Nähe Problemstoﬀsammelstellen?

Oly

Gefährliche Stoﬀe im Haushalt, nicht mehr benötigte Reinigungsmittel und alte Medikamente müssen an Problemstoﬀsammelstellen abgegeben werden.

Vorsichtiges Arbeiten bei chemischen Versuchen

Achte beim Durchführen eines Versuches immer darauf, dass die Dosierung der Ausgangsstoﬀe genau eingehalten wird! Lies dir die Versuchsanleitung genau durch und halte dich an die Angaben! Falls du mit sauren oder basischen Lösungen arbeiten willst, achte auch auf die Konzentration. Falls du für deine Versuche verdünnte saure oder basische Lösungen herstellst, schreib die Konzentration auf das Etikett des Gefäßes, in dem du diese aufbewahrst. Selbst erstelltes Etikett auf einer Flasche mit verdünnter Salzsäure

Dosierung: Abmessen der richtigen Menge

Konzentration: Menge eines Stoﬀes, der in einem anderen enthalten ist

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung Schütze dich vor Gefahren …

Notrufnummer der Vergiftungsinformationszentrale:

Arbeitsmantel: Dieser schützt deine Kleidung und deine Haut vor chemischen Substanzen.

Mundschutz: Er verhindert, dass Chemikalien in den Mund gelangen.

Handschuhe: Diese schützen die Haut vor Kontakt mit gefährlichen Stoﬀen.

Halte stets Feuerlöschmittel bereit! Ein Eimer mit Sand, ein Feuerlöscher und eine Löschdecke sollten immer griﬀbereit sein.

mp eV

01-406 43 43

Schutzbrille: Diese verhindert, dass Chemikalien in die Augen gelangen.

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Wer hilft bei Vergiftungen? Bei Verdacht auf eine Vergiftung kann die Vergiftungsinformationszentrale am raschesten helfen. Rund um die Uhr geben Ärzte Ratschläge für die ersten Maßnahmen.

Die richtige Kleidung schützt bei chemischen Versuchen.

Lass dich beim Arbeiten nicht ablenken! Konzentriere dich auf deinen Versuch! So kannst du gefährliche Situationen am besten vermeiden. Personen, die nicht am Versuch mitwirken, müssen einen Sicherheitsabstand von zumindest 2 m halten.

… und reagiere bei Unfällen richtig!

Not-Aus-Taste

Notrufnummern:

Rufe sofort den Notarzt oder die Rettung! Bereite den Arbeitsplatz richtig vor! ƒ Bereite die Stoffe, die du für deinen Versuch benötigst, vor! Lege nur die Menge der Stoffe in Reichweite, die du wirklich brauchst! ƒ Bereite die Gefäße und Hilfsmittel vor und halte sie griffbereit! ƒ Schütze den Arbeitstisch! Verwende eine feuerfeste Unterlage! Am günstigsten ist eine Unterlage aus Keramik. ƒ Sorge für eine gute Belüftung! Dämpfe, die entstehen könnten, müssen möglichst rasch abziehen können.

Oly

Rettung: 144 Ärztefunkdienst: 141 Feuerwehr: 122 Europäische Notrufnummer: 112

ƒ Betätige sofort die Not-Aus-Taste! Diese unterbricht sofort die Gaszufuhr zum Bunsenbrenner und den elektrischen Strom. ƒ Wenn Chemikalien auf die Haut oder ins Auge gelangen, spüle diese sofort unter fließendem Wasser ab! ƒ Falls kleine Mengen von Chemikalien in den Mund kommen, spüle diesen ebenfalls mit viel Wasser aus! ƒ Solltest du Chemikalien verschluckt haben, trinke kein Wasser! Dieses könnte die möglichen Schäden vergrößern.

Chemikalien müssen mit einem Etikett gekennzeichnet sein. Chemikalien müssen richtig gelagert und entsorgt werden. Richtige Kleidung schützt bei Versuchen.

Arbeitsplatz mit Abzug: Eine Glasscheibe kann nach unten gezogen werden und schützt vor Spritzern. Entstehende Dämpfe werden von einem Ventilator abgesaugt.

Chemie: Stoffe und ihre Veränderung 31

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

A) Wozu ist die Aktivierungsenergie erforderlich? um den Giftschrank zu öﬀnen um eine chemische Reaktion zu beginnen um das Labor zu heizen um einen Automotor zu starten

C) Was geschieht bei einer exothermen Reaktion? Energie wird freigesetzt. Man muss ständig Energie zuführen. Sauerstoﬀ wird freigesetzt. Das Experiment klappt nicht.

L O F I

Energie im Kernreaktor Energie zum Abreagieren Energie in einem Handyakku Energie, die bei der Reaktion frei wird

D) Was geschieht bei einer endothermen Reaktion? K S C T

Es kommt zu einer Explosion. Gase bilden sich. Energie muss ständig zugeführt werden. Es ist Kühlung erforderlich.

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E V B H

B) Was ist die Reaktionsenergie?

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U H S A

1) Reaktionsquiz – Beantworte die folgenden Fragen, indem du den Buchstaben bei der richtigen Antwort einkreist! So erhältst du ein Lösungswort, das dich schon länger beschäftigt! %%%

F) Was ist eine Synthese?

E) Was bewirkt ein Katalysator? P M G Y

Er senkt die Temperatur. Er beschleunigt eine chemische Reaktion. Er saugt entstehende Dämpfe ab. Er beleuchtet den Experimentiertisch.

E R A F

Herstellung eines chemischen Stoﬀes Messen der Konzentration Trennung eines Gemenges Bestimmen der Zusammensetzung

LÖSUNGSWORT:

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2) Reaktionen in Bildern – Finde heraus, welche Art von Reaktion durch diese Abbildungen dargestellt wird! %%

endotherme Reaktion

exotherme Reaktion

32 Chemie: Stoffe und ihre Veränderung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Lysen – Setze die richtigen Überschriften aus dem Kästchen zu den Beschreibungen! %%%

Hydrolyse © Elektrolyse © Synthese © Katalyse © Fotolyse © Analyse

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Das Ziel dieser Untersuchung ist es, die chemische Zusammensetzung eines Stoﬀes herauszufinden. Dazu stehen mehrere unterschiedliche Verfahren zur Verfügung.

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Es kommt vor allem auf die Stromstärke an, damit Wasser rasch zerlegt wird. An einer Elektrode bildet sich Wasserstoﬀ- an der anderen Sauerstoﬀgas. Doch Achtung! Ein Gemisch der beiden Gase ist explosiv.

Wasser bewirkt, dass der Stoff getrennt wird. Das Wasserstoffatom des Wassers bindet sich an einen Teil des Stoffes, während sich die OH-Gruppe an den anderen heftet. So wird der Stoff aufgespaltet.

Die Energiemenge, die zum Aufspalten zugeführt wird, muss mindestens so groß sein wie die Bindungsenergie im Molekül. Durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge kann das erreicht werden.

Zwei oder mehr Stoﬀe oder Atome werden zur Reaktion gebracht und bilden einen neuen Stoﬀ. Chemiker und Chemikerinnen beherrschen zahlreiche „Tricks“, um die gewünschten Reaktionen hervorzurufen.

Um eine Verbindung aufzuspalten, wird ein zusätzlicher Stoﬀ eingebracht. Dieser senkt die Aktivierungsenergie. Dadurch erleichtert er die Reaktion, wird dabei jedoch nicht verbraucht.

4) Vorbereitungen – Du bereitest dich gewissenhaft auf ein chemisches Experiment vor. Welche deiner Vorbereitungsarbeiten sind richtig, welche falsch? Kreuze an! %%

richtig falsch

Ich ziehe eine warme Jacke an.

Oly

Ich stelle einen Eimer mit Sand bereit.

Ich stelle so viele Chemikalien wie möglich bereit, damit dann später die, die ich tatsächlich brauche, auf jeden Fall zur Hand sind. Ich rieche an allen Flaschen im Giftschrank, bis ich die richtigen gefunden habe. Ich aktiviere die Freisprechfunktion meines Handys, um meinem Freund während des Experiments erzählen zu können, was ich gerade mache. Ich lege eine feuerfeste Unterlage auf den Arbeitstisch.

Ich sehe mir die Sicherheits- und Gefahrenhinweise auf den Verpackungen der Chemikalien an, die ich verwenden will. Ich sehe mir auf YouTube an, wie das Experiment ablaufen soll.

Ich lese mir die Versuchsanleitung genau durch.

CHEMIE-NEWS: Stoffe und ihre Veränderung Noch eine „Lyse“: Die Dialyse

Die Portugiesische Galeere ist eine Quallenart, die an der Meeresoberfläche lebt. Sie besitzt als „Segel“ eine mit Gas gefüllte Blase, die sie bei Bedarf aufblasen kann. Mit dieser Blase lässt sie sich vom Wind treiben. Das Ungewöhnliche daran: Das Gas, mit dem die Blase gefüllt wird, besteht zu ca. 1,5 % aus dem Edelgas Argon. Das andere Ende der Portugiesischen Galeere ist gefährlich. An ihren bis zu 50 m langen Fangarmen sitzen Nesselzellen, die bei Berührung ein Gift abgeben. So fängt die Qualle ihre Beutetiere. Das Gift ist auch für Menschen gefährlich.

Was tun, wenn die Niere eines Menschen nicht mehr richtig funktioniert? Die moderne Medizintechnik stellt eine Lösung bereit: die Dialyse. Patienten, deren Nieren die Schadstoffe nicht mehr aus dem Blut filtern können, müssen sich alle 2 Tage einer Dialyse unterziehen. Dabei wird das Blut aus dem Körper entnommen, außerhalb des Körpers gereinigt und anschließend in den Körper zurückgeleitet.

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Dieses Tier schwimmt mit Argon

WITZ DER WOCHE:

Neues Element auf der Sonne entdeckt

Zwei Neutronen wollen in ein Restaurant gehen. Da hält sie ein Kellner an der Tür auf und sagt: „Tut mir leid, Zutritt nur für geladene Gäste.“

1868, Indien: Während einer Sonnenfinsternis entdeckte der französische Astronom Jules Janssen im Spektrum des Sonnenlichts dunkle Linien, die auf ein bisher unbekanntes Element hinwiesen. Es wurde nach dem griechischen Wort für Sonne „Helium“ genannt. Erst 15 Jahre später fand man Helium auch auf der Erde. Heute gewinnt man dieses Edelgas aus einigen Erdgasquellen in den USA, die bis zu 15 % Helium enthalten.

Nobelpreismedaille aufgelöst

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Nachdem die Nationalsozialisten in Deutschland die Macht übernommen hatten, hatten zwei deutsche Nobelpreisträger ihre goldenen Medaillen nach Kopenhagen geschickt, um zu verhindern, dass sie den Nazis in die Hände fielen. Als die Nazis auch Dänemark einnahmen, lösten Chemiker die Medaillien kurzerhand in Königswasser auf. Königswasser ist eine Mischung aus Salz- und Salpetersäure und die einzige Säure, die Gold löst. Nach dem Ende des 2. Weltkriegs gewann man das Gold wieder aus der Säure und übergab es der Schwedischen Akademie der Wissenschaften. Diese stellte daraus wieder zwei Medaillen her und gab sie den deutschen Preisträgern zurück. Goldene Nobelpreismedaille

Helium ist leichter als Luft. Daher steigen mit Helium gefüllte Ballons auf.

Buchtipps Ekkehard Unger: Auweia Chemie! (Erlebnis Wissenschaft) (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004). Andrea Heering: Jule und der Schrecken der Chemie (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013). Sam Kean, Stephan Gebauer: Treffen sich zwei Elemente …: Verblüffende Geschichten aus der Welt der Chemie (Fischer Taschenbuch, 2013).

CHEMIE-NEWS: Stoffe und ihre Veränderung Chemie in ferner Vergangenheit

Nitroglyzerin: Eine sehr gefährliche Chemikalie

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Nitroglyzerin ist eine farbund geruchlose Flüssigkeit, deren Aktivierungsenergie so gering ist, dass sie schon bei leichten Erschütterungen in gasförmige Stoffe zerfällt. Das Volumen der entstehenden Stoffe ist wesentlich größer als das der Flüssigkeit, sodass bei der Reaktion das Gefäß, in dem sich das Nitroglyzerin befindet, gesprengt wird. Da die Reaktion extrem rasch abläuft, spricht man von einer Explosion. Der schwedische Chemiker Alfred Nobel fand im Jahr 1866 eine Möglichkeit, die Gefährlichkeit von Nitroglyzerin zu vermindern. Er mischte das Nitroglyzerin mit Kieselgur, einer weißlichen, pulverförmigen Substanz. So erfand er den Dynamit Sprengstoff Dynamit.

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ƒ Bereits von 1,5 Mio. Jahren nutzten unsere Vorfahren das Feuer. ƒ Schon in der Steinzeit war bekannt, wie man Fette und Öle gewinnen kann. Auch kannte man schon verschiedene Verfahren, um Lebensmittel haltbar zu machen. ƒ Vor 20 000 Jahren stellten Menschen Keramik her. ƒ Seit vielen tausend Jahren kennt man die alkoholische Gärung zum Herstellen von Bier und Wein. ƒ Vor etwa 7 000 Jahren lernten die Menschen, wie man aus Kupfererzen Kupfermetall gewinnen kann. ƒ Seit ca. 3 500 Jahren kennt man die Glasherstellung.

Verkehrsexperten warnen: Gefahr durch eindunkelnde Brillen!

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Egal ob kurzoder weitsichtig, viele Brillenträger verwenden sie im Sommer: Brillen, deren Gläser dunkler werden, sobald Licht darauf fällt. Wie geht das? Eine silberhaltige Verbindung im Glas zersetzt sich bei Lichteinfall und verwandelt die Brille in eine Sonnenbrille. Ohne Licht kehrt die Verbindung wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Was für Brillenträger sehr praktisch klingt, kann im Autoverkehr jedoch gefährlich sein. Fährt ein Fahrer mit so einer Brille bei Sonnenschein in einen Tunnel, ist er mit seiner „Sonnenbrille“ fast blind, da die Brille einige Zeit braucht, um wieder durchsichtig zu werden. Abnehmen kann er sie jedoch nicht, da er dann erst recht nichts sieht – schließlich ist er ja kurzoder weitsichtig. Solche Brillen haben schon häufig zu schweren Unfällen in Tunneln geführt.

Chemie und Physik in der Küche: die Molekularküche Obwohl man seit langem weiß, dass sich beim Kochen und Backen die Stoffe, aus denen Lebensmittel bestehen, verändern, begannen sich erst in den 1950er-Jahren Wissenschaftler/innen für das Kochen zu interessieren. In den Melonenkaviar 1980er-Jahren entstand dann die „Molekularküche“ als neue Art des Kochens. Die neuen Erkenntnisse über die Vorgänge beim Kochen führten zu gänzlich neuen Speisen. So stellen z. B. Molekularköche Kaviar aus Melonen her.

Hast du das gewusst?

ƒ Der schwedische Chemiker Alfred Nobel wurde durch die Erfindung des Dynamits sehr reich. Er legte in seinem Testament fest, dass aus seinem Vermögen jährlich ein Preis für hervorragende Leistungen in Physik, Chemie, Medizin, Literatur und Bemühungen um den Frieden vergeben werden soll.

ƒ Neben einer Urkunde und einer goldenen Medaille erhalten die Nobelpreisträger auch jeweils ca. 900 000 Euro als Preisgeld. ƒ Nitroglyzerin ist nicht nur ein Sprengstoff. Bei Einnahme wirkt es gefäßerweiternd. Daher wird es auch als Medikament bei einigen Herzerkrankungen eingesetzt.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

7. DIE LUFT – EIN GASGEMISCH Erinnere dich an den Physikunterricht! Welche physikalischen Eigenschaften hat Luft? Wie groß ist ihre Masse?

Sicherlich hast du im Biologieunterricht schon gelernt, dass alle Tiere zum Leben Sauerstoff benötigen. Diesen erhalten sie aus der Luft. Aber die Luft besteht auch noch aus anderen Gasen. Sie ist ein Gasgemisch, das zum Großteil aus Stickstoff und Sauerstoff besteht.

Stickstoﬀ

Woher stammt der Name des Stickstoffs? Stellt man eine brennende Kerze in ein abgeschlossenes Gefäß, so erlischt sie nach einiger Zeit. Sobald der Sauerstoffanteil der Luft verbraucht ist, bleibt nur noch Stickstoff übrig. Dieser „erstickt“ die Flamme.

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Etwa 78 % des Luftvolumens macht Stickstoff aus. Das Symbol des chemischen Elements Stickstoff ist „N“. Dieses steht für den wissenschaftlichen Namen „Nitrogenium“. Stickstoff hat die Ordnungszahl 7 und ist ein Element der 5. Hauptgruppe des Periodensystems. Es ist ein geruch- und farbloses Gas, das nur sehr schwer chemische Bindungen eingeht. In der Luft kommt es in Form von N2-Molekülen vor.

flüssiger Stickstoﬀ

Sauerstoﬀ

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Da Stickstoff kaum mit anderen Elementen reagiert, wird er häufig als Schutzgas verwendet. So wird beim Verpacken von Lebensmitteln häufig die Luft abgesaugt und durch reinen Stickstoff ersetzt. Ohne Sauerstoff sind die Lebensmittel länger haltbar.

Der Siedepunkt von Stickstoff liegt bei –196 °C. Bei dieser Temperatur wird er flüssig. Flüssiger Stickstoff wird als Kühlmittel verwendet. So sind bei dieser Temperatur z. B. Samen oder Proben von Lebewesen fast unbeschränkt haltbar. Flüssiger Stickstoff wird in speziellen Isoliergefäßen aufbewahrt und sieht ähnlich aus wie Wasser.

Achtung beim Umgang mit flüssigem Stickstoﬀ! Flüssiger Stickstoﬀ auf der Haut kann zu Erfrierungen führen.

Sauerstoﬀ hat das chemische Symbol „O“ (Oxygenium). Er hat die Ordnungszahl 8 und steht in der 6. Hauptgruppe. Auch Sauerstoﬀ ist ein geruch- und farbloses Gas, das in Form von O2-Molekülen vorkommt. Sein Anteil an der Luft beträgt etwa 21 %.

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Der Siedepunkt von Sauerstoff liegt bei –183 °C. Da beim Abkühlen von Luft zunächst Sauerstoff flüssig wird und erst bei einer tieferen Temperatur Stickstoff, können durch langsames Abkühlen von Luft die beiden Gase voneinander getrennt werden.

Wie nennt man das Trennverfahren, bei dem unterschiedliche Siedepunkte eine Rolle spielen?

konstant: gleichbleibend

Bei Atemproblemen kann Sauerstoﬀ über eine Sauerstoﬀmaske zugeführt werden.

Sonstige Bestandteile der Luft

Neben Stickstoff und Sauerstoff enthält die Luft noch geringe Anteile an anderen Gasen. Das Edelgas Argon hat einen Anteil von ca. 0,9 %. Zusätzlich gibt es noch Spuren anderer Edelgase wie Helium, Neon und Xenon. Kohlenstoffdioxid (CO2) kommt mit etwa 0,04 % vor. Eine besondere Rolle nimmt Wasserdampf ein. Sein Anteil in der Luft ist nicht konstant.

Versuch Führt das Experiment „Nachweis von CO2“ auf S. 145 durch!

Luft und Wasser bestimmen unser Leben Die Bedeutung des Sauerstoﬀs Betrachte diese Reaktionsgleichung!

C + O2 → CO2

Diese Gleichung beschreibt die Verbrennung von Kohlenstoff, wie er beispielsweise in Steinkohle vorkommt. Für die Verbrennung ist Sauerstoff erforderlich. Bei dieser Reaktion entsteht Kohlenstoffdioxid. Sauerstoff steht in der 16. Gruppe des Periodensystems. In der äußersten Schale befinden sich 6 Elektronen. Er kann sehr leicht 2 weitere Elektronen aufnehmen. Dadurch geht Sauerstoff mit Kohlenstoff eine chemische Verbindung ein. Das Kohlenstoffatom gibt dabei an jedes der beiden Sauerstoffatome 2 Elektronen ab. Den Vorgang, bei dem Elektronen abgegeben werden, nennt man Oxidation. Kohlenstoff wird oxidiert.

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Was bedeutet das „di“ in Kohlenstoffdioxid? Die Silbe „di“ gibt an, dass zwei Kohlenstoffatome vorhanden sind. „tri“ bedeutet drei und „mono“ bedeutet eins. „mono“ wird jedoch meist weggelassen und nur dort verwendet, wo ähnliche Stoffe unterschieden werden sollen. So versteht man unter Kohlenstoffmonoxid den Stoff CO.

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Bei einer Oxidation werden ein oder mehrere Elektronen abgegeben.

Häufig erfolgen Oxidationen sehr rasch unter Abgabe von Energie. In diesem Fall spricht man von einer Verbrennung. Auch ein Lagerfeuer ist ein Oxidationsvorgang. Der Kohlenstoﬀ im Holz reagiert dabei mit dem Sauerstoﬀ der Luft.

Oxidationen gibt es überall

Kupferoxid wird durch Erhitzen mit Wasserstoﬀ zu Kupfer.

Viele Oxidationen erfolgen jedoch ohne sichtbare Flammen. So reagiert Eisen mit Sauerstoff zu „Rost“. Auch im Inneren deines Körpers laufen ständig Oxidationsprozesse ab. Die Nährstoffmoleküle in der Nahrung reagieren in den Zellen des Körpers mit Sauerstoffmolekülen, die du bei der Atmung aufnimmst. Dabei wird Energie frei, die du zum Leben benötigst. Das entstehende CO2 atmest du über die Lunge wieder aus.

Rost an einem alten Auto

Reduktion – die Umkehrung der Oxidation

Erhitzt man Kupferoxid (CuO) gemeinsam mit Wasserstoﬀ, so bleibt im Gefäß reines Kupfer zurück. An der Gefäßwand bilden sich Wassertröpfchen.

Oly

Gibt es auch Oxidationen ohne Sauerstoﬀ? Von einer Oxidation spricht man immer dann, wenn Elektronen abgegeben werden. Bei der Reaktion von Natrium und Chlor zu NaCl (Kochsalz) gibt das Natriumatom ein Elektron ab, es wird oxidiert. Das Chloratom nimmt ein Elektron auf, es wird reduziert.

Was geschieht bei dieser Reaktion? Dem Kupferoxid wird Sauerstoﬀ entzogen. Dieser bildet mit einem Wasserstoﬀmolekül ein Wassermolekül. Die Reaktionsgleichung lautet:

CuO + H2 → Cu + H2O

Bei dieser Reaktion nimmt Kupfer Elektronen auf – es wird reduziert. Bei einer Reduktion werden ein oder mehrere Elektronen aufgenommen.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben Reduktions-Oxidations-Reaktionen: Redoxreaktionen Oxidation (Elektronenabgabe) +2 –2 Cu

0 H H

+1 –2 +1 H H O

Reduktion (Elektronenaufnahme)

Was ist Brandschutz? Es soll erreicht werden, dass ein Brand gar nicht erst entstehen oder sich nicht ausbreiten kann: ƒ Verwendung von schwer entflammbaren Materialien ƒ Brandschutztüren, die feuerfest sind und sich selbst schließen ƒ richtiges Anbringen von Feuerlöschern, diese müssen regelmäßig überprüft werden ƒ regelmäßiges Durchführen von Brandschutzübungen

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Bei einer Redoxreaktion laufen Reduktion und Oxidation gleichzeitig ab.

Bei einer Redoxreaktion werden Elektronen übertragen, in diesem Fall vom Wasserstoﬀ auf Kupfer. Viele chemische Reaktionen sind Redoxreaktionen.

Brände – rasche Oxidationen

Im gebundenen Zustand gibt das Kupferatom 2 Elektronen an das Sauerstoﬀatom ab. Kupfer ist zweiwertig positiv, Sauerstoﬀ zweiwertig negativ. Nach der Redoxreaktion ist das Kupferatom neutral.

Betrachte die Reaktionsgleichung auf der vorigen Seite! Bei dieser Reaktion nimmt Kupfer Elektronen auf, es wird reduziert. Wasserstoﬀ gibt Elektronen ab, er wird oxidiert.

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Zahlreiche Stoﬀe wie Holz, Papier, Erdgas oder Öle können bei einer ausreichend hohen Temperatur und bei Anwesenheit von Sauerstoﬀ sehr rasch oxidieren – sie brennen. Ein Brand ist eine exotherme Reaktion. Damit ein Brand entsteht, müssen also 3 Voraussetzungen gegeben sein:

ƒ Brennbares Material ƒ Aktivierungsenergie (Entzündungstemperatur, diese ist bei jedem Stoﬀ unterschiedlich hoch) ƒ Sauerstoﬀ

Um einen Brand zu löschen, muss man dafür sorgen, dass zumindest eine dieser Voraussetzungen nicht mehr gegeben ist: BRENNBARES MATERIAL: Falls es nach dem Ausbrechen eines Brandes noch möglich ist, muss brennbares Material in der Umgebung entfernt werden. Beim Brand einer Gasleitung muss die Gasleitung abgedreht werden. AKTIVIERUNGSENERGIE: Das brennende Material muss unter die Entzündungstemperatur gekühlt werden. Das kann mit Hilfe von Wasser erfolgen. SAUERSTOFF: Wird die Sauerstoffzufuhr unterbunden, erlischt der Brand. Bei kleineren Bränden kann dies mit einer Decke erreicht werden. Manche Feuerlöscher enthalten auch Gase wie Stickstoff oder CO2, die den Sauerstoff vom Brand fernhalten.

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Feuerlöschen – aber richtig

Nicht jeder Brand darf mit Wasser gelöscht werden. So brennen Flüssigkeiten wie Öle sogar noch heftiger, wenn Wasser dazu kommt. Auch brennende Elektrogeräte dürfen nicht mit Wasser in Berührung kommen, da zusätzlich Kurzschlüsse entstehen können. Auf Feuerlöschern ist angegeben, wie sie zu bedienen sind und welche Brände damit gelöscht werden dürfen. Sie sind mit speziellen Löschmitteln gefüllt. Fragt nach, wie bei euch in der Schule ein Feueralarm ausgelöst werden kann!

Notrufnummer der Feuerwehr:

122

Was kannst du tun, wenn bei dir zu Hause in der Küche eine Pfanne mit Öl brennt? Diskutiert darüber in der Klasse!

Luft und Wasser bestimmen unser Leben Schadstoﬀe belasten die Luft

Smog: Das Wort setzt sich aus „Smoke“ (Rauch) und „Fog“ (Nebel) zusammen; Abgaswolke über einer Stadt

Industrieabgase

STICKSTOFFOXIDE: Diese entstehen bei Verbrennungsvorgängen bei hohen Temperaturen, wie sie etwa in Automotoren auftreten. Sie reizen die Atemwege, fördern die Smogbildung und tragen zum Treibhauseﬀekt bei.

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Treibhauseﬀekt: Durch Gase in der Atmosphäre wird die Wärme zurückgehalten und es kommt zu einer Erwärmung.

Neben den Gasen, aus denen sich die Luft normalerweise zusammensetzt, gelangen auch zahlreiche andere Gase in die Atmosphäre, die schädliche Auswirkungen haben. Diese Gase stammen zum Großteil aus dem Straßenverkehr, der Industrie oder aus der Landwirtschaft.

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OZON (O3): Diese spezielle Form des Sauerstoﬀs entsteht aus O2. Auf der Erdoberfläche bildet es sich aus Stickoxiden sowie bei Gewitter und reizt die Atemwege. In den hohen Schichten der Atmosphäre entsteht es durch die intensive Sonnenbestrahlung. Diese „Ozonschicht“ schützt die Erdoberfläche vor UV-Strahlung. Finde heraus, wo in Österreich die höchsten Schadstoﬀbelastungen auftreten (Internet)! Begründe, warum diese Gebiete besonders gefährdet sind!

MIK: maximale ImmissionsKonzentration

Immission: Schadstoﬀe in der Luft

KOHLENSTOFFDIOXID (CO2): Neben dem natürlich vorkommenden CO2 gelangen durch das Verbrennen von Erdöl, Erdgas und Kohle große Mengen von CO2 zusätzlich in die Luft. Dieses CO2 trägt zum Treibhauseﬀekt bei.

KOHLENSTOFFMONOXID (CO): Dieses farbund geruchlose Gas entsteht unter anderem bei Verbrennungsvorgängen. Es ist sehr giftig und kann bei hohen Konzentrationen zum Ersticken führen. Auch im Haushalt kann es sich bilden, wenn z. B. Gasheizungen nicht richtig eingestellt sind. SCHWEFELVERBINDUNGEN (SO2 und H2S): Diese Gase stammen aus Industrieanlangen und vom Verbrennen von fossilen Brennstoffen. Sie gehen mit Wasser chemische Verbindungen ein und kommen als „saurer Regen“ auf die Erdoberfläche. Dieser schädigt die Pflanzen und den Boden. Zusätzlich gelangen durch Abgase aus Verkehr, Industrie und Haushalt noch zahlreiche andere Schadstoffe in die Luft. Manche davon tragen zum Treibhauseffekt bei und schädigen die Ozonschicht der Erde.

Durch Abgasfilter in der Industrie und in Kraftwerken sowie durch Katalysatoren in den Auspuﬀanlagen von Fahrzeugen können die Schadstoﬀmengen verringert werden.

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Luft ist ein Gasgemisch, das vor allem aus Stickstoff und Sauerstoff besteht. Bei der Oxidation werden Elektronen abgegeben, bei der Reduktion aufgenommen. Bei Redoxreaktionen werden Elektronen zwischen den Reaktionspartnern übertragen. Die Luft wird durch Schadstoffe belastet.

geschädigte Ozonschicht („Ozonloch“) über der Antarktis

Schadstoﬀbelastung und Maßnahmen

Die Konzentration von Schadstoﬀen in der Luft wird in mg/m3 angegeben. In Österreich wird die Schadstoﬀbelastung ständig überwacht. Per Gesetz sind Grenzwerte festgelegt, die nicht überschritten werden dürfen. Werden diese MIK-Werte überschritten, werden Warnungen an die Bevölkerung sowie Empfehlungen ausgegeben, wie sich die Menschen verhalten sollen.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben 39

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Die Redoxreaktion – In diesem Merktext über Redoxreaktionen fehlen einige Begriﬀe. Setze die richtigen Begriﬀe aus dem Kästchen ein! %%%

Elektronen © abgegeben © Oxidation © Reduktion © Oxidationsmittel

Elektronenabgabe

Elektronenaufnahme

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Bei Redoxreaktionen laufen Reduktion und __________________ gleichzeitig ab. Dabei werden __________________ übertragen. Die _____________________ ist die Teilreaktion, bei der Elektronen aufgenommen werden, bei der Oxidation werden Elektronen

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______________________. Als Reduktionsmittel bezeichnet man den Stoff, der bei der Reaktion Elektronen abgibt (A). Das _____________________________________ ist der Stoff, der Elektronen aufnimmt (B). Betrachte die Reaktion auf S. 37! Welcher Stoff ist in dieser Reaktion das Reduktionsmittel, welcher das Oxidationsmittel? Kreuze richtig an! Reduktionsmittel:

Kupfer Sauerstoﬀ Wasserstoﬀ

Oxidationsmittel:

Kupfer Sauerstoﬀ Wasserstoﬀ

2) Verschiedene Redoxreaktionen – Hier lernst du einige Reaktionen kennen. Ringle den Ausgangsstoﬀ, der reduziert wird, rot und den, der oxidiert wird, blau ein! %%%%

Thermitreaktion:

2 Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2 Fe

Diese Reaktion läuft unter starker Wärmeentwicklung ab. Die Mischung aus Aluminium und Eisenoxid nennt man Thermit. Es wird z. B. dazu verwendet, um Eisenbahnschienen zusammenzuschweißen. Thermit wird aber auch in Brandbomben eingesetzt.

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Zuckerverbrennung:

C6H12O6 + 6 O2 → 6CO2 + 6 H2O

Eine ähnliche Reaktion liefert deinem Körper Energie. Diese wird aus Zucker gewonnen, der mit dem eingeatmeten Sauerstoﬀ reagiert.

Hochofenprozess:

Fe2O3 + 3 CO → 3 CO2 + 2 Fe

Mit dieser Reaktion wird in einem Hochofen aus Eisenerz das Metall Eisen gewonnen.

40 Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Die Ozonschicht der Erde – Lies diesen Text und trag in die Kreise der Grafik die richtigen Zahlen ein! %%%%

mp eV

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Von der Sonne gelangt ständig energiereiche UV-Strahlung zur Erde (1). Die Strahlung wird von O2-Molekülen aufgenommen. Die Strahlungsenergie bewirkt, dass O2-Moleküle in einzelne Atome zerfallen (2). Die einzelnen Atome verbinden sich mit anderen O2-Molekülen und bilden dreiatomigen Sauerstoff: das Ozon (3). Auch O3 nimmt UV-Strahlung auf und zerfällt wieder in O2 und ein Sauerstoffatom (4). Einzelne Atome können jedoch auch mit Ozon reagieren. Dabei entstehen zwei O2-Moleküle (5). Ozon wird ständig neu gebildet und zerfällt wieder. Es entsteht ein Gleichgewicht, bei dem die Zahl der Ozon-Moleküle in der Atmosphäre gleich bleibt. Schadstoffe, die z. B. Chlor oder Brom enthalten, stören aber das Gleichgewicht. Auch sie zerfallen durch die UV-Strahlung. Die Bruchstücke fangen einzelne Sauerstoffatome ein und binden sie an sich (6). Treffen sie auf ein weiteres Sauerstoffatom, geben sie diese ab und es entsteht wieder O2 (7). So wird die Bildung von Ozon verhindert.

4) Der Treibhauseffekt – Diese Grafik zeigt die Ursachen für Treibhausgase. Betrachte sie und kreuze anschließend richtig an! %%% Stand 2011

2000 = 100 150

Raumwärme und sonstige Kleinverbraucher: 13 %

Transport: 26 %

120 100

Industrie: 30 %

Landwirtschaft: 9%

Energieerzeugung: 17 %

Sonstige: 5 %

Insgesamt 82,8 Mio. t

75 50 25 0

2000

2002

2004

2006

2008

2010

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Quelle: Umweltbundesamt (2013)

richtig falsch

Der Ausstoß von Treibhausgasen durch den Verkehr hat seit 2000 zugenommen. Der größte Beitrag zu Treibhausgasen kommt von der Energieerzeugung.

Die Menge der Treibhausgase, die beim Heizen von Wohnungen frei werden, hat zugenommen. Die Treibhausgasemissionen durch die Landwirtschaft sind ungefähr gleich geblieben. Mehr als die Hälfte der Treibhausgase kommt aus nur zwei Quellen.

Die Industrie gibt am meisten Treibhausgase ab.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Wasser ist eine chemische Verbindung, ohne die Leben auf der Erde nicht möglich wäre. Wir selbst, so wie alle anderen Lebewesen auch, bestehen zum Großteil aus Wasser.

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Wie kann man feststellen, wie Wasser aufgebaut ist?

8. WASSER – EINE BESONDERE CHEMISCHE VERBINDUNG

Die Chemielehrerin Frau Professor Lang führt in der 4A den Hofmannschen Zersetzungsapparat vor. Dieser enthält ein U-förmiges Glasrohr, das mit verdünnter Schwefelsäure gefüllt ist. In beiden Teilen des Rohrs befindet sich jeweils eine Elektrode. Sie schließt die Elektroden an eine Spannungsquelle mit Gleichstrom an.

Reaktionsgleichung:

2H2O → 2 H2 + O2

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Nachdem Frau Professor Lang die Spannungsquelle eingeschaltet hat, steigen in beiden Teilen des Glasrohrs Gasbläschen auf. Nach einiger Zeit wird die Flüssigkeit in den oberen Bereichen der Rohre verdrängt und der Flüssigkeitsspiegel in ihnen sinkt. Auf einer Seite sinkt er doppelt so rasch wie auf der anderen.

Prinzip der Zerlegung von Wasser

Hofmannscher Zersetzungsapparat

Nachdem Frau Professor Lang den Strom abgeschaltet hat, nimmt sie eine Eprouvette. Sie hält diese mit der Öffnung nach unten über das Ventil am oberen Ende des Geräts, unter dem sich mehr Gas gebildet hat. Dann öffnet sie das Ventil und lässt das Gas in die Eprouvette strömen. Mit ihrem Daumen verschließt sie die Öffnung und trägt die Eprouvette zu einer Kerze. Dort dreht sie die Eprouvette um, hält die Öffnung zur Flamme und nimmt den Daumen weg. Plötzlich ist ein Pfeifen zu hören.

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Anschließend befestigt die Chemielehrerin einen Gummischlauch am anderen Ventil des Apparats. Sie führt diesen in eine Eprouvette, deren Öﬀnung nach oben weist, und öﬀnet das Ventil. Dann zündet sie an der Kerze einen Holzspan an. Nachdem der Span zu brennen begonnen hat, löscht sie ihn wieder, sodass er nur noch glimmt. Frau Professor Lang taucht den Glimmspan in die Eprouvette. Augenblicklich beginnt das Holz wieder zu brennen. Welche beiden Gase sind entstanden?

Das erste Gas, das die Lehrerin untersucht hat, verbrennt, sobald es mit Luft und einer Flamme in Berührung kommt. Beim Verbrennen entsteht ein Pfeifton. Diese sogenannte „Knallgasprobe“ ist der Nachweis für das Gas Wasserstoﬀ.

Das andere Gas bewirkt, dass ein glimmender Span zu brennen beginnt. Diese „Glimmspanprobe“ ist der Nachweis für das Gas Sauerstoﬀ.

Woher kommt der Name Knallgasprobe? Werden Wasserstoff und Sauerstoff vermischt, bevor man das Gas entzündet, hört man einen Knall. Das Gasgemisch verbrennt sehr rasch – es explodiert. Bei der Knallgasprobe wird Wasserstoff nicht mit Sauerstoff vermischt. Daher verbrennt er langsamer und man hört nur ein Pfeifen.

glimmen: glühen, verbrennen ohne Flamme

Versuch Führe das Experiment „Zersetzung von Wasser“ auf S. 146 durch!

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Warum schwimmt Eis auf dem Wasser? Beim Gefrieren ordnen sich die Wasser-Dipole in Kristalle mit sechszähliger Symmetrie an. Diese Anordnung braucht mehr Platz als die frei beweglichen Moleküle. Seine Dichte ist also geringer.

Wie du bereits weißt, ist die chemische Formel von Wasser H2O. In jedem Wassermolekül sind zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom enthalten. Beim Zerlegen von Wasser entsteht daher doppelt so viel Wasserstoffgas wie Sauerstoffgas. Welches Gas bildet sich bei welchem Pol der Stromquelle?

H2O ist immer zu einem kleinen Teil in H3O+-Ionen und OH–-Ionen aufgespalten. Die H3O+-Ionen wandern zum negativen Pol der Stromquelle, nehmen dort ein Elektron auf und geben Wasserstoﬀ ab. Umgekehrt wandern die OH–-Ionen zum positiven Pol. Dort geben sie ein Elektron ab. Zwei Ionen verbinden sich zu H2O und ein Sauerstoﬀatom bleibt über.

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Diese Zerlegung von Wasser in seine Bestandteile mit Hilfe des elektrischen Stroms nennt man Elektrolyse.

Die Knallgasreaktion

mp eV

Frau Professor Lang hat das Wasserstoffgas mit Hilfe der Knallgasprobe nachgewiesen. Dabei kommt es zur umgekehrten Reaktion wie bei der Elektrolyse. Wasserstoffgas verbindet sich mit Sauerstoffgas und Wasser wird wieder gebildet. Dafür ist aber die Wärme der Kerzenflamme als Aktivierungsenergie erforderlich. Die darauf folgende Knallgasreaktion ist exotherm. Sie erfolgt sehr rasch und es wird sehr viel Wärmeenergie abgegeben.

Das Wassermolekül

frei bewegliche H2O-Moleküle

Wasser kann durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Wasserstoff wird durch die Knallgasprobe nachgewiesen, Sauerstoff durch die Glimmspanprobe. Das H2O-Molekül ist ein Dipol.

+ HAtom

HAtom

O-Atom

–

Die elektrische Ladung ist im H2O-Molekül ungleichmäßig verteilt, sodass im Molekül unterschiedlich geladene Pole entstehen. Da das H2O-Molekül 2 solche Pole besitzt, bezeichnet man es auch als Dipol-Molekül.

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H2O-Moleküle als Eis sind regelmäßig angeordnet.

Aufgrund der Anordnung der Elektronen im Sauerstoffatom binden sich die beiden Wasserstoffatome an einer Seite an das Sauerstoffatom. Die Abbildung zeigt dir die geometrische Anordnung der Atome. Da die Wasserstoffatome bei der Bindung ihre Elektronen abgeben, sind sie im gebundenen Zustand positiv geladen. Daher ist das H2O-Molekül an einer Seite positiv und an der anderen negativ geladen.

Diese ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Ladungen in einem H2O-Molekül führt dazu, dass sich mehrere Moleküle aneinander binden können. Ist die Temperatur niedrig genug, entstehen so regelmäßige Kristalle, die an Schneeflocken besonders gut zu sehen sind. Der regelmäßige Aufbau einer Schneeflocke entsteht aufgrund der sechszähligen Symmetrie der Eiskristalle.

Manchmal ist es günstiger, die chemische Formel für Wasser nicht als H2O, sondern als HOH anzuschreiben. Diese Darstellung entspricht dem Aufbau des Moleküls und es ist anhand der Formel leichter zu sehen, wie sich Wasser bei chemischen Reaktionen verhält.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

9. DIE EIGENSCHAFTEN DES WASSERS

Hast du schon einmal festgestellt, dass Wasser nicht immer gleich schmeckt? So schmeckt Mineralwasser anders als frisches Quellwasser oder Leitungswasser. Meerwasser hat einen salzigen Geschmack, sodass dir übel wird, wenn du es trinkst. Die reinste Form des Wassers ist destilliertes Wasser. Dieses Wasser erhält man, wenn man Wasser erhitzt und dadurch Wasserdampf erzeugt. Kühlt man den Wasserdampf ab, wird das Wasser wieder flüssig.

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kühlen

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erhitzen Destilliertes Wasser ist destilliertes chemisch reines Wasser. Wasser Es ist geruchlos und geschmacklos, da die Stoﬀe, die ihm Geschmack verleihen, beim Destillieren im ursprünglichen Gefäß zurückbleiben.

Ist das Calcium im Wasser wichtig für Lebewesen? Das Calcium, aus dem unsere Knochen bestehen, nehmen wir unter anderem mit dem Trinkwasser zu uns. Auch bei vielen Vorgängen im Inneren unseres Körpers spielt Calcium eine große Rolle.

Wie gelangen diese Stoffe ins Wasser?

Wasser als Lösungsmittel

Wenn du Kochsalz in einen Topf mit Wasser schüttest, siehst du zunächst noch die Salzkörnchen. Nach einiger Zeit sind diese Körnchen jedoch verschwunden. Das Salz hat sich im Wasser aufgelöst. Beim Lösen werden die Ionen an der Oberfläche des Salzkristalls von Hüllen aus Wassermolekülen umgeben. So können sie sich frei im Wasser bewegen.

Je wärmer das Wasser ist, desto schneller lösen sich feste Stoﬀe wie Salz. In warmem Wasser kann auch mehr Salz gelöst werden als in kaltem. Ist so viel Salz gelöst, dass kein weiteres mehr gelöst werden kann, spricht man von einer gesättigten Lösung.

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Stoﬀe, deren Moleküle elektrische Pole aufweisen, lösen sich ebenfalls gut in Wasser. Auch deren Moleküle werden von Wassermolekülen eingehüllt, wobei die negativen Pole der Wassermoleküle die positiven Pole der Moleküle des Stoﬀes umgeben und umgekehrt.

Wenn es regnet, löst sich im Regenwasser CO2 aus der Atmosphäre. Das Regenwasser enthält daher Kohlensäure (H2CO3). Sickert dieses Regenwasser durch Gestein, das Kalk (CaCO3) enthält, werden Calciumionen gelöst. Das Wasser, das aus einer Quelle sprudelt, enthält daher Calciumionen. Wird dieses Wasser erhitzt oder verdunstet es, so bildet sich wieder Kalk, der als harte weißliche Schicht zurückbleibt. Diese kann enge Stellen in Wasserleitungen verstopfen.

Kalkablagerungen an einem Wasserhahn

Versuch Führt das Experiment „Weiches oder hartes Wasser“ auf S. 139 durch!

sickern: langsames Hindurchfließen einer Flüssigkeit

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Saline: Anlage zum Gewinnen von Salz aus Meerwasser

In Salinen wird Meersalz gewonnen, indem man das Wasser durch die Sonne verdunsten lässt.

SPURENELEMENTE: Das Wasser löst Ionen verschiedener Elemente wie Eisen, Natrium, Kalium, Schwefel oder Iod aus dem Boden und den Gesteinen. Diese Elemente sind nur in geringen Spuren im Wasser enthalten. Deshalb werden sie als „Spurenelemente“ bezeichnet. Sie gelangen ebenfalls ins Trinkwasser. Viele davon haben für Lebewesen eine große Bedeutung. So wird das Eisen, das mit dem Wasser und der Nahrung aufgenommen wird, in die roten Blutkörperchen eingebaut und dient zum Transport von Sauerstoﬀ im Blut.

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Wie viel Salz ist im Meerwasser enthalten? Der Salzgehalt der Ozeane beträgt im Durchschnitt 3,5 %. Das bedeutet, dass in jedem Liter Meerwasser 35 g Salz gelöst sind. Das Schwarze Meer hat einen Salzgehalt von nur 1,7 %, das Tote Meer hingegen von fast 30 %.

Mit dem Wasser der Flüsse gelangen die Salze ins Meer. Dort verdunstet das Wasser und die Salze bleiben im Meerwasser zurück. Im Meer haben sich seit vielen Millionen Jahren Salze angesammelt. Daher ist im Meer die Salzkonzentration wesentlich höher als in Süßwasser.

auswaschen: etwas mit einer Flüssigkeit entfernen

SALZE: Du weißt, dass sich Kochsalz (NaCl) in Wasser löst. Neben dem Kochsalz gibt es aber noch zahlreiche andere Salze. Viele dieser Salze sind in Wasser löslich. Da in der Natur viele unterschiedliche Salze vorkommen, werden diese durch das Regenwasser ausgewaschen und gelangen in Flüsse und Seen, aber auch in unser Trinkwasser.

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GASE: Auch Gase können in Wasser gelöst werden. Anders als Feststoffe lösen sich Gase umso besser, je kälter das Wasser ist. In Wasser gelöster Sauerstoff ist lebensnotwendig für die dort lebenden Tiere. Diese nehmen mit ihren Kiemen den Sauerstoff aus dem Wasser auf. Kohlenstoffdioxid bildet gemeinsam mit Wasser „Kohlensäure“. Wenn CO2 durch Regen aus der Luft gewaschen wird, entsteht natürliche Kohlensäure. Diese bewirkt, dass Wasser Kalkgesteine lösen kann. Kohlensäure, die du in vielen Getränken findest, wird jedoch beim Abfüllen der Getränke beigemischt.

Destilliertes Wasser ist chemisch reines Wasser. In Wasser können Gase und Feststoﬀe wie Kalk, Salze und Spurenelemente gelöst sein.

Kohlensäure in Bier

Das Wasser mancher Quellen enthält besonders viele Spurenelemente, die aus den in Gesteinen enthaltenen Mineralien herausgelöst worden sind. Solches Quellwasser kann unter der Bezeichnung „Mineralwasser“ gekauft werden. Das Wasser mancher Quellen enthält auch einen hohen Anteil an Kohlensäure. Meist wird jedoch beim Abfüllen Kohlensäure hinzugegeben.

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Brunnwaldquelle im Riedingtal (Sbg)

Mineralwasser

Die Kohlensäure im Wasser bewirkt, dass auf der Zunge zusätzliche Geschmacksnerven angeregt werden. Außerdem entweicht im Mund das gasförmige CO2 und transportiert Geschmackstoﬀe in die Nase. Daher schmecken Mineralwasser, aber auch viele andere Getränke, mit Kohlensäure anders als ohne. Der Geschmack des Wassers hängt davon ab, welche Stoﬀe in welchen Mengen enthalten sind.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben 45

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Wasser und Trennverfahren – Setze die richtigen Überschriften aus dem Kästchen ein! %%

Verdampfen © Destillation © Filtern © Elektrolyse

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Stark verschmutztes Wasser wird durch Papier mit feinen Poren geleitet. Das Wasser tritt durch die Poren, während die Schmutzteilchen im Papier hängen bleiben.

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Um chemisch reines Wasser zu erhalten, wird Wasser erhitzt. Der entstehende Wasserdampf wird durch Kühlen kondensiert.

Mit Hilfe von elektrischem Strom kann Wasser in seine gasförmigen Bestandteile aufgespaltet werden.

Um das in Meerwasser gelöste Salz zu gewinnen, wird das Wasser in flache Becken geleitet.

2) Gase in Wasser – Lies die Texte und setze ein, um welches Gas es sich jeweils handelt! %%%

Jeder kennt den typischen Geruch in Schwimmbädern. Dieser stammt von Gas, das im Wasser gelöst ist. Das Wasser enthält ca. 0,5 mg/l dieses Gases. Es wird benötigt, damit das Wasser desinfiziert wird und sich keine Algen bilden.

O2 © CO2 © Cl2

Bei diesem Gas handelt es sich um ____________

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Dieses Gas wird von Pflanzen abgegeben. Es löst sich im Wasser. Fische können es mit ihren Kiemen aus dem Wasser aufnehmen. Bei diesem Gas handelt es sich um ____________

Dieses Gas wird häufig Trinkwasser zugesetzt. Es bewirkt, dass das Wasser „prickelnd“ schmeckt. Das Gas verstärkt aber auch den Geschmack des Wassers, da es beim Trinken aus dem Wasser entweicht und Geschmackstoffe auch in die Nase befördert. Bei diesem Gas handelt es sich um ____________

46 Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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3) Der Wasserkreislauf – Setze die richtigen Zahlen in die Kreise der Abbildung ein! %%

1 Ein Teil des Niederschlagswassers dringt in

2 Wasser ist in Form von Wasserdampf in der

den Boden ein und bildet dort das Grundwasser. Teilweise fließt es aber auch an der Erdoberfläche ab. Über Bäche und Flüsse gelangt es schließlich in das Meer.

Atmosphäre enthalten. Ist mehr Wasserdampf vorhanden als in der Luft gelöst werden kann, kondensiert das Wasser zu winzigen Tröpfchen und es bilden sich Wolken.

Die Wärme der Sonne bewirkt, dass an der Meeresoberfläche Wasser verdunstet. Der Wasserdampf steigt auf und gelangt in die Atmosphäre.

An die Wassertröpfchen, aus denen die Wolken bestehen, lagert sich weiteres Wasser an. Werden die Tröpfchen zu groß, fallen sie als Niederschlag auf die Erde.

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4) Sauer- und Wasserstoff – Welche dieser Eigenschaften treffen auf Sauerstoff zu und welche auf Wasserstoff? Kreuze richtig an! %%% ACHTUNG: Manche Eigenschaften treffen auf beide zu.

Wasserstoff

Sauerstoff

Bei der Elektrolyse bildet er sich am negativen Pol. Er ist einer der Hauptbestandteile von Luft. Bei der Elektrolyse bildet er sich am positiven Pol. Er wird mit der Glimmspanprobe nachgwiesen. Er ist das leichteste Element. Er ist gasförmig.

Er kommt in Form von Molekülen vor.

Er wird mit der Knallgasprobe nachgewiesen.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

10. WASSER IST LEBEN

Wasser auf der Erde

Süßwasser 3 %

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Der Großteil der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt. Das Wasser der Ozeane ist Salzwasser, das für uns als Trinkwasser nicht nutzbar ist. Aber auch vom Süßwasser steht uns nur ein sehr geringer Anteil als Trinkwasser zur Verfügung.

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Aber auch für Lebewesen, die nicht im Wasser leben, ist Wasser lebensnotwendig. Die Zellen, aus denen alle Organismen aufgebaut sind, bestehen zum Großteil aus Wasser. Daher sind alle Lebewesen und damit auch der Mensch davon abhängig, dass Wasser in ausreichender Menge und Qualität zur Verfügung steht.

Leben ohne Wasser ist nicht möglich. Für viele Lebewesen wie Fische ist das Wasser ihr Lebensraum. Diese dienen wiederum landlebenden Tieren als Nahrung. Auch viele Menschen sind auf Nahrung aus dem Wasser angewiesen.

Salzwasser 97 %

Dieses Trinkwasser ist auf der Erde sehr ungleichmäßig verteilt. Einige Länder verfügen über ausreichend Trinkwasser, während in anderen Ländern kaum genügend Wasser für Menschen und Tiere zur Verfügung steht.

Wasser auf der Erde

Oberﬂächenwasser 0,3 %

Flüsse 2 %

Grundwasser 30,1 %

Sümpfe 11 %

Gletscher und Eiskappen 68,7 %

Seen 87 %

Süßwasser

Oberflächenwasser

Ein Teil des Oberflächenwassers und des Meerwassers verdunstet. Es gelangt als Wasserdampf in die Atmosphäre, von wo es als Niederschlagswasser wieder auf die Erdoberfläche gelangt. Ein Teil des Niederschlagswassers ist in Form von Eis an den Polen, in den Gletschern sowie im Dauerfrostboden gebunden. Welche Arten von Süßwasser gibt es?

künstliche Bewässerung der Felder

ƒ Grundwasser: Der Großteil des Niederschlagswassers versickert im Boden.

Welche Länder haben zu wenig Trinkwasser? Recherchiere im Internet!

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ƒ Niederschlagswasser: Dieses kommt in Form von Regen, Schnee oder Nebel auf die Erdoberfläche.

ƒ Quellwasser: An manchen Stellen tritt das Grundwasser wieder an die Oberfläche. Diese Stellen bezeichnet man als Quellen. ƒ Oberflächenwasser: Ein Teil des Niederschlagswassers sowie das Quellwasser fließt an der Oberfläche ab. Es bildet Flüsse und Seen, bevor es ins Meer gelangt. Auf der Erde gibt es zwar ausreichend Trinkwasser. Doch seine ungleichmäßige Verteilung ist eine der Ursachen für Armut und Not in manchen Teilen der Welt.

Dauerfrostboden: Boden, der während des ganzen Jahres gefroren ist Wie hängen Wassermangel und Armut zusammen? Diskutiert darüber in der Klasse!

Luft und Wasser bestimmen unser Leben Wasser in Österreich

Wasser aus Grundwasser

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Wenn das Niederschlagswasser im Boden versickert, löst es Stoffe aus den Bodenschichten, durch die es fließt. Sobald das Wasser auf eine wasserundurchlässige Schicht stößt, fließt es unterirdisch ab. Dabei führt es diese Stoffe über weite Strecken mit. Auch Schadstoffe können im Grundwasser gelöst sein. Diese haben einerseits natürlichen Ursprung wie die Abbauprodukte von Tieren und Pflanzen, andererseits stammen sie aber auch vom Menschen. So gelangen Dünge- und Spritzmittel aus der Landwirtschaft, die großflächig auf den Feldern ausgebracht werden, sowie Giftstoffe aus im Freien abgelagertem Müll in das Grundwasser.

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Saurer Regen im Grundwasser Luftschadstoﬀe werden im Niederschlagswasser gelöst und bilden mit dem Wasser saure Lösungen. Mit den Niederschlägen gelangen diese in den Boden. So belastet der „saure Regen“ das Grundwasser zusätzlich.

In unserem Land gibt es besonders viel Trinkwasser. Nur etwa 1 % des vorhandenen Wassers wird aber auch genutzt. Etwa die Hälfte des Trinkwassers in Österreich stammt aus Quellwasser, die andere Hälfte wird aus Grundwasser gewonnen. Oberflächenwasser wird bei uns kaum genutzt, obwohl die Wasserqualität in den meisten österreichischen Seen so gut ist, dass ihr Wasser als Trinkwasser geeignet ist.

Wenn du schon einmal eine „Wilde Mülldeponie“ gesehen hast, berichte in der Klasse darüber!

wilde Mülldeponie

Müll darf in Österreich nur auf Mülldeponien gelagert werden. Diese Deponien sind so angelegt, dass keine Schadstoﬀe ins Grundwasser gelangen können. Bei „Wilden Mülldeponien“ gibt es keinen Schutz des Grundwassers. Sie sind in Österreich verboten.

Schadstoﬀe im Wasser

Welche Mikroorganismen hast du im Biologieunterricht kennengelernt?

BIOLOGISCH ABBAUBARE SCHADSTOFFE: Darunter versteht man Stoffe, die durch Lebewesen zersetzt werden können. Die meisten Stoffe, die natürlichen Ursprung haben, zählen zu diesen Schadstoffen. Aber auch manche Kunststoffe können in Gewässern abgebaut werden.

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Die Gewässergüteklasse gibt an, wie verschmutzt ein Gewässer ist.

Gewässer sind in der Lage, sich teilweise selbst zu reinigen. Dies gelingt durch Mikroorganismen, die manche Schadstoffe abbauen können. Andere Schadstoffe können jedoch auf diese Weise nicht entfernt werden. Deshalb unterscheidet man zwei Arten von Schadstoffen:

I II III IV V

nicht beeinträchtigt mäßig beeinträchtigt stark beeinträchtigt extrem beeinträchtigt ökologisch zerstört

In Österreich haben ca. 90 % der Fließgewässer Güteklasse I oder II.

Damit Schadstoffe biologisch abgebaut werden können, dürfen sie nur in sehr geringer Konzentration vorkommen. Dabei spielt der im Wasser gelöste Sauerstoff eine wichtige Rolle. Es muss genügend davon vorhanden sein, damit die abbauenden Organismen leben und sich vermehren können. Sobald die Schadstoffmenge zu groß ist, können sich Gewässer nicht mehr selbst reinigen. In kalten rasch fließenden Gewässern ist jedoch viel Sauerstoff gelöst. Daher können sie Schadstoffe gut abbauen. BIOLOGISCH NICHT ABBAUBARE SCHADSTOFFE: Darunter fallen die meisten Erdölprodukte, aber auch manche Metallionen. Diese verbleiben im Wasser und landen letztendlich in den Meeren.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Maßnahmen zur Reinigung des Wassers

Was geschieht in einer Kläranlage?

In Haushalten und in der Industrie fallen große Mengen an verunreinigten Abwässern an. In Kläranlagen werden diese jedoch gereinigt, bevor sie in die Gewässer eingeleitet werden.

7. Faultürme

ungeklärtes Abwasser Erste Reinigungsstufe mechanische Abwasserreinigung

1. Rechen

2. Sandfang 3. Ölabscheider

6. Nachklärbecken

Zweite Reinigungsstufe Mikroorganismen biologische Abwasserreinigung

Rechen: Damit werden grobe Verunreinigungen entfernt. Sandfang: Kleine Festkörper wie Sand setzen sich ab. Ölabscheider: An der Oberfläche schwimmende Fette und Öle werden entfernt. Vorklärbecken: Stoﬀe wie Fäkalien und Papier werden abgeschieden und gesondert entsorgt. 5. Belebungsbecken: Luft wird zugeführt. Bakterien und andere Mikroorganismen bauen die im Wasser enthaltenen Schadstoﬀe ab und vermehren sich dabei. 6. Nachklärbecken: Mikroorganismen setzen sich als Schlamm ab. Dieser wird teilweise ins Belebungsbecken zurückgeführt. Der Großteil gelangt in den Faulturm. Das gereinigte Wasser wird in ein Gewässer eingeleitet. 7. Faulturm: Der Schlamm wird durch Bakterien in Faulschlamm und brennbares Faulgas umgewandelt. Den Faulschlamm trocknet man und verwendet ihn als Dünger.

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1. 2. 3. 4.

Schlammbehandlung und -beseitigung

Schlamm

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4. Vorklärbecken 5. Belebungsbecken

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Gasbehälter

Häufig befinden sich im Abwasser Giftstoﬀe, die nicht abgebaut werden können. Diese werden durch Zugabe von Chemikalien im Belebungsbecken abgeschieden. Sie bleiben im Faulschlamm zurück. In diesem Fall kann der Faulschlamm nicht als Dünger verwendet werden. Er wird getrocknet und verbrannt.

gereinigtes Wasser

Fäkalien: Ausscheidungen von Lebewesen

Abwässer, die ungeklärt in Gewässer geleitet werden, belasten die Umwelt sehr stark.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben Maßnahmen zur Reinhaltung des Wassers

In Österreich regelt das Wasserrechtsgesetz, welche Maßnahmen zum Schutz der Gewässer durchgeführt werden müssen. Dieses Gesetz gibt es seit 1959 und es wird laufend angepasst. Zusätzlich ist genau geregelt, welche Dünge- und Spritzmittel in der Landwirtschaft verwendet werden dürfen.

Hinweistafel zum Schutz des Gebietes, aus dem das Wasser der 1. Wiener Hochquellenwasserleitung stammt

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Gebiete, die für die Trinkwasserversorgung wichtig sind, werden besonders geschützt. Sie sind als Wasserschutzgebiete gekennzeichnet. In diesen Gebieten gelten strenge Vorschriften für die Verwendung von Dünge- und Reinigungsmitteln sowie für die Tierhaltung.

Dein Beitrag zum Wasserschutz

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Woher beziehst du dein Trinkwasser? Frage nach, ob es für dieses Gebiet besonderen Schutz gibt!

Verwende im Freien keine Chemikalien! Wenn du in einem See oder Fluss badest, verzichte auf Seife oder Haarshampoo! Achte beim Eincremen mit Sonnenöl darauf, dass das Öl in deine Haut einzieht, bevor du ins Wasser gehst! Auch beim Reinigen deines Fahrrads oder des Autos deiner Eltern darf das Reinigungswasser nicht in den Boden gelangen.

Wie kannst du sonst noch zum Schutz des Wassers beitragen? Sammelt Ideen in der Klasse!

Lade im Freien keinen Müll ab! Durch den Regen können daraus Schadstoﬀe ins Grundwasser gelangen. Nimm nach einem Picknick oder einem Campingausflug deine Abfälle mit nach Hause und entsorge sie dort richtig!

Verwende keine Gifte im Garten! Wenn Schädlinge in so großer Zahl auftreten, dass sie zu einem Problem werden, sollten Gifte nur vom Fachmann eingesetzt werden. Auch Kunstdünger sollte so sparsam wie möglich verwendet werden. Dünge mit natürlichen Mitteln!

Verunreinige das Wasser möglichst wenig! Beim Verwenden von Shampoo oder Seife gelangen diese Stoﬀe ins Abwasser. Auch Reinigungsmittel und Waschmittel im Haushalt verschmutzen das Wasser. Verwende daher möglichst wenig davon, oder benutze natürliche oder biologisch abbaubare Reinigungsmittel! Achte beim Reinigen des Geschirrs darauf, dass möglichst wenig Öl und Fett ins Waschwasser gelangen! Gieße keine Chemikalien in den Abfluss!

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Nur ein kleiner Teil des weltweit vorkommenden Wassers ist Trinkwasser. Manche Schadstoﬀe im Wasser können von Mikroorganismen abgebaut werden. Verschmutztes Wasser wird in einer Kläranlage gereinigt. WICHTIG: Jeder kann zum Schutz des Wassers beitragen.

Gehe sparsam mit Wasser um! So kannst du duschen, anstatt ein Vollbad zu nehmen. Benutze auch bei der WC-Spülung die Spartaste und lass den Wasserhahn nicht unnötig laufen!

Luft und Wasser bestimmen unser Leben 51

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Giftstoffe in der Nahrungskette – Lies diesen Artikel über den Giftstoﬀ PCB und beantworte anschließend die Fragen! %%%

Polychlorierte Diphenyle (PCB)

PCB-Gehalt in (Angaben in ppm):

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PCB ist krebserregend und gehört zum „Dreckigen Dutzend“. Dabei handelt es sich um zwölf Giftstoffe, die im Jahr 2001 sogar weltweit verboten wurden. Trotzdem findet sich PCB auch heute noch überall auf der Welt. In elektrischen Bauteilen, in Hydraulikflüssigkeit, in Lacken und in Isoliermitteln wurde früher PCB verwendet. Da man es vor seinem Verbot häufig eingesetzt hatte, finden sich auch heute noch PCB-haltige Materialien in vielen Gebäuden. Dieser Stoff wird schon bei bloßem Hautkontakt vom Körper aufgenommen. Da PCB nicht mehr ausgeschieden wird, sammelt es sich im Fettgewebe an. So nimmt der PCB-Gehalt entlang der Nahrungskette zu.

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Meerwasser Sediment Plankton Fische Seevögel Meeressäuger

Manchmal wird in der Landwirtschaft zu viel Düngemittel verwendet.

Insgesamt steigt die Menge an organischem Material an, das auf den Boden sinkt.

Mikroorganismen bauen dieses organische Material ab.

Dieses gelangt mit dem Regen in das Grundwasser und in Flüsse und Seen.

In der Folge nimmt auch die Anzahl an Pflanzenfressern stark zu.

Der Sauerstoffgehalt in den Gewässern nimmt ab.

0,000 002 0,01 10 19 110 160

a) Wann wurde PCB verboten?

1997

2001

2012

b) Wo sammelt sich PCB im Körper an?

im Fettgewebe

in der Leber

im Gehirn

c) Warum ist PCB so gefährlich?

es wird nicht mehr ausgeschieden

es ist in geringer Dosierung giftig

d) Warum ist der PCB-Gehalt in Fischen viel höher als der im Meerwasser? ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ 2) Überdüngung schadet Gewässern – Bring die Sätze in die richtige Reihenfolge, dann ergeben die Buchstaben davor ein Lösungswort, das mit dem Abbauprozess in Kläranlagen zu tun hat ! %%% I

In den Gewässern vermehren sich so Wasserpflanzen und Algen. Dadurch verschwinden viele Pflanzen und Fische aus den Gewässern.

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Dabei verbrauchen sie sehr viel Sauerstoff.

LÖSUNGSWORT:

52 Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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Ich will die Kalkablagerungen von den Badezimmerﬂiesen entfernen. Dazu verwende ich

3) Natürliche Reinigungsmittel – Tante Fanny verwendete früher sogenannte „Hausmittel“ zum Reinigen anstelle von Chemikalien. Lies zuerst ihre Aufzeichnungen und finde so heraus, welche Alternativen es zu Putz- und Reinigungsmitteln gibt! %%%

_________________________

Meine Fenster müssen geputzt werden. Dazu verwende ich

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_________________________

Mein WC muss gereinigt werden. Ich verwende dazu

Meine Möbel sollen glänzen. Ich verwende dazu

_________________________

mische drei Teile Olivenöl mit einem Teil Essig und reibe die Mischung mit einem sauberen Tuch auf die Möbel. Zum Entkalken eignen sich hervorragend Zitronensaft und Orangenschalen. Bei starker Verkalkung tropfe ich etwas Zitronensaft auf den Kalk, lasse ihn einwirken und wische ihn anschließend ab. Dünne Kalkschichten kann man aber auch ganz einfach mit der Innenseite einer Orangenschale abwischen.

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Zum Reinigen meiner Toilettenschüssel verwende ich Bachpulver. Ich verteile das Backpulver in der Schüssel, lasse es einige Stunden lang einwirken und bürste es dann ab. Fenster und Spiegel mache ich ganz einfach mit Essigwasser sauber. Ich gebe dazu etwas Essig ins Wasser und trage die Flüssigkeit auf das Glas auf. Danach reibe ich es mit einem trockenen Tuch sauber. Anstelle von Holzpolitur benutze ich lieber Olivenöl und Essig. Ich

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Sicherlich hast du schon einmal den Saft einer Zitrone gekostet. Dieser schmeckt „sauer“. Diese Geschmacksempfindung ist auf eine Substanz zurückzuführen, die im Zitronensaft enthalten ist: die Zitronensäure.

11. SÄUREN UND BASEN

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Eine andere Säure, die du vielleicht kennst, ist die Essigsäure, die in Essig enthalten ist. Chemisch reine Essigsäure ist eine farblose, stechend riechende Flüssigkeit, die unterhalb von 17 °C fest wird. Reine Essigsäure ist ein schlechter elektrischer Leiter. Gibt man jedoch Wasser dazu, entsteht aus der Essigsäure eine Lösung, die ein sehr guter elektrischer Leiter ist.

Hast du schon einmal Zitronensaft in dein Auge bekommen? Der Schmerz, den du spürst, entsteht durch die reizende Wirkung der Säure.

Warum leitet die Lösung elektrischen Strom?

Versuch

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In Wasser spaltet sich Essigsäure zu Ionen auf. Diese elektrisch geladenen Teilchen bewirken dann die Leitfähigkeit.

Manche Säuren sind ätzend, das bedeutet, dass andere Stoﬀe von diesen Säuren zersetzt werden können. Andere Säuren sind reizend. Der Kontakt mit diesen Säuren kann zu Entzündungen führen. Für unseren Organismus kann diese Eigenschaft von Säuren sehr gefährlich sein, und zwar, wenn Säuren auf die Haut oder gar ins Auge gelangen. Das kann schwere Verletzungen, so genannte Verätzungen, hervorrufen. In welche Ionen wird eine Säure aufgespaltet?

Die Teilchen von Säuren sind in der Lage, Wasserstoﬀ-Ionen (H+) abzugeben. Diese sind für die typischen Eigenschaften einer Säure verantwortlich. Säuren sind chemische Verbindungen, deren Teilchen Wasserstoff-Ionen abgeben können.

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Eine andere Säure ist die Salzsäure. Sie ist eine saure Lösung, bei der gasförmiger Chlorwasserstoﬀ (HCl) in Wasser gelöst ist. In dieser sauren Lösung zerfällt das HCl in H+-Ionen und Cl–-Ionen. Das Cl–-Ion bezeichnet man als „Säurerest“. H+ -Ion

HCI

Was ist eine saure Lösung? So wie Salzsäure liegen auch zahlreiche andere Säuren als saure Lösungen vor. So entsteht z. B. durch Lösung von Kohlenstoﬀdioxid (CO2) in Wasser Kohlensäure.

So verdünnt man Säuren richtig!

• •

Säurerest

H+ + Cl–

Führt die Experimente „Ei ohne Schale“ auf S. 139 und „Die schäumende Muschel“ auf S. 147 durch!

• Salzsäure greift den Kalk einer Muschelschale an.

Im Wasser kann unterschiedlich viel HCl gelöst sein. Je mehr HCl gelöst ist, desto höher ist die Konzentration der Salzsäure. Je höher die Konzentration aber ist, desto ätzender ist die Säure. Durch Beigabe von destilliertem Wasser kann eine Säure jedoch verdünnt werden.

• •

Gieße niemals Wasser in konzentrierte Säure! Gib zunächst destilliertes Wasser in ein Gefäß! Tropfe dann vorsichtig die hoch konzentrierte Säure ins Wasser! Rühre dabei ständig um! Willst du die verdünnte Säure aufheben, schreibe die Konzentration auf das Etikett.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

•

Spüle die verätzte Stelle sofort mit viel Wasser ab! • Gelangen ätzende Stoﬀe in das Auge, spüle das Auge unter fließendem Wasser aus! • Streiche keine Brandsalbe auf die verätzte Stelle! • Rufe den Notarzt oder die Rettung! Notrufnummern: 144 oder 112

KOHLENSÄURE: Löst sich das Gas Kohlenstoﬀdioxid (CO2) in Wasser, reagiert ein Teil davon zu Kohlensäure. Diese hat die Formel H2CO3. Kohlensäure wird vielen Getränken zugesetzt und bewirkt, dass diese sprudeln.

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

In dieser Formel siehst du das Symbol ⇌. Dieses kennzeichnet eine sogenannte Gleichgewichtsreaktion. Das bedeutet, dass aus CO2 und H2O ständig neues H2CO3 ensteht. Dieses spaltet sich aber auch gleichzeitig wieder in CO2 und H2O auf. In der Lösung ist dadurch immer gleichviel H2CO3 vorhanden. SCHWEFLIGE SÄURE: Beim Verbrennen von Schwefel entsteht das giftige Gas Schwefeldioxid (SO2). Löst sich dieses in Wasser, entsteht Schweflige Säure (H2SO3). SO2, das beim Verbrennen fossiler Brennstoﬀe entsteht, verbindet sich mit Regenwasser zu „saurem Regen“.

SO2 + H2O ⇌ H2SO3

SCHWEFELSÄURE: H2SO4 ist eine ölige, hygroskopische Flüssigkeit. Sie ist eine der stärksten Säuren und sehr ätzend. Autobatterien enthalten als Elektrolyt 37%-ige Schwefelsäure.

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hygroskopisch: kennzeichnet die Eigenschaft von Stoﬀen, Wasser aus der Umgebung anzuziehen und zu binden

Andere Säuren und saure Lösungen

Sofortmaßnahmen bei Verätzungen!

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SALPETERSÄURE: HNO3 ist eine stechend riechende stark ätzende Flüssigkeit, die zur Herstellung von Düngemitteln, Farbstoﬀen und Sprengstoﬀen werwendet wird.

Versuch

Führt das Experiment „Reaktion von Schwefelsäure mit Zucker“ auf S. 147 durch!

Basen und Laugen

Natrium ist ein Alkalimetall, das in vielen chemischen Verbindungen vorkommt. Kommt ein Natriumstück mit Wasser in Kontakt, setzt eine heftige Reaktion ein. Dabei entsteht Natronlauge. Was ist Natronlauge?

Natronlauge ist die wässrige Lösung von Natriumhydroxid (NaOH). NaOH in seiner reinen Form ist ein weißer geruchloser Stoﬀ, den man in Form von kleinen Tabletten zu kaufen bekommt. Es ist eine Verbindung, die aus Na+- und OH–-Ionen besteht. Beim Lösen in Wasser werden die OH–-Ionen frei, die dann ätzend wirken und die Baseneigenschaften ausmachen.

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Was ist Magensäure? Die Magensäure ist ein Bestandteil des Magensaftes. Sie ist stark verdünnte Salzsäure, welche die Nahrungsmittel aufspaltet. So ermöglicht sie deren Verdauung. Außerdem tötet sie Krankheitskeime ab, die du mit der Nahrung zu dir nimmst.

PHOSPHORSÄURE: H3PO4 wird zur Herstellung von Dünge- und Waschmitteln verwendet. In geringer Konzentration wird sie in der Lebensmittelindustrie als Konservierungsmittel oder als Säuerungsmittel in Cola-Getränken eingesetzt.

konservieren: haltbar machen Säuerungsmittel: Stoﬀ, der Lebensmitteln einen sauren Geschmack verleiht

In welcher chemischen Verbindung hast du Natrium schon kennengelernt?

Das OH–-Ion wird auch HydroxidIon genannt. Da es sehr leicht mit anderen Stoﬀen reagiert, sind Basen ätzend. Das Hydroxid-Ion kann ein H+-Ion aufnehmen.

Na+ -Ion

NaOH

OH– -Ion

Na+ + OH–

Basen sind chemische Verbindungen, deren Teilchen Wasserstoff-Ionen aufnehmen können.

Die Lösung einer Base in Wasser nennt man basische Lösung oder Lauge.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Andere Basen und basische Lösungen Wie viel Ammoniak löst sich in Wasser? Bei 0 °C kann 1 l Wasser fast 1 200 l gasförmiges Ammoniak lösen.

KALIUMHYDROXID: KOH ist stark ätzend und wird zur Herstellung von Seifen und Farbstoﬀen verwendet. Die wässrige Lösung von KOH nennt man Kalilauge. CALCIUMHYDROXID (Löschkalk): Ca(OH)2 ist ein weißes Pulver. Calcium steht in der 2. Hauptgruppe des Periodensystems und ist daher zweiwertig positiv. Daher kann es zwei negative Hydroxid-Ionen binden, die es im Wasser abgibt. Es wird zur Herstellung von Kalkmörtel beim Hausbau verwendet. NATRIUMCARBONAT (Waschsoda): Na2CO3 löst sich in Wasser. Dabei bilden sich Na+- und CO32–-Ionen.

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⇌

Die CO32–-Ionen reagieren mit den Wassermolekülen:

CO32– + H2O

HCO3– + OH–

Natriumcarbonat ist Bestandteil vieler Reinigungsmittel und Waschpulver, da es in wässriger Lösung Fett und andere Schmutzteilchen angreift.

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NATRIUMHYDROGENCARBONAT (Natron, Speisesoda): NaHCO3 ist ein weißes Pulver. In Wasser löst es sich und bildet HCO3 -Ionen. Dabei wird gasförmiges CO2 abgegeben. Daher wird es in Brausepulver verwendet. –

HCO3 + H2O ⇌ H2O + CO2 + OH –

–

Die feinen Löcher im Kuchen entstehen durch das CO2 aus dem Backpulver.

Bei einer Temperatur oberhalb von 50 °C zerfällt NaHCO3 zu Natriumcarbonat (Na2CO3). Bei diesem Vorgang wird ebenfalls CO2 freigesetzt. Natron wird als Backpulver verwendet, da beim Backen das CO2 kleine Bläschen bildet, die den Teig auflockern.

2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O

AMMONIAK: NH3 ist ein stechend riechendes, giftiges Gas, das sich gut in Wasser löst. Dabei entstehen NH4+-Ionen. Es bindet ein H+-Ion des Wassermoleküls an sich, sodass die OH-Gruppe übrig bleibt.

NH3 + H2O

⇌ NH4+ + OH–

Ammoniak wird zur Herstellung von Kunstdünger verwendet.

Auch der Saft des Rotkrauts (Blaukrauts) ändert seine Farbe. Links: sauer, rechts: basisch

Auch viele Reinigungsmittel, die du im Haushalt verwendest, bilden mit Wasser basische Lösungen.

Oly

Säure oder Base?

Wenn du Zitronensaft in ein Glas mit schwarzem Tee gibst, wird die Flüssigkeit heller. Was geschieht im Tee? Die Zitronensäure reagiert mit dem Farbstoﬀ im Tee. Dieser ändert dadurch seine Farbe.

Diese Reaktion mit Farbstoffen wird dazu verwendet, um festzustellen, ob eine Lösung sauer oder basisch ist. Ein besonderer Farbstoff ist der Lackmus. Wird der Farbstoff in Wasser gegeben, erscheint das Wasser violett. Gibt man eine Säure dazu, verfärbt er sich rot. Wird eine Base hinzugefügt, wird die Lösung blau.

Versuch Führt die Experimente „Indikator aus Rotkraut“ und „Trockeneis“ auf S. 148/149 und „Tee mit Zitrone“ auf S. 140 durch!

Luft und Wasser bestimmen unser Leben Indikatoren Farbstoﬀe, die je nach Säure- oder Basengehalt ihre Farbe ändern, nennt man Indikatoren.

pH: Abkürzung für lat. „pondus Hydrogenii“ = Gewicht des Wasserstoﬀs

ƒ Im Lackmuspapier ist der Lackmus-Farbstoﬀ enthalten. Lackmuspapier gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen. Rotes Lackmuspapier ist zusätzlich mit einer Säure getränkt. Gibt man eine Base dazu, verfärbt es sich blau. Blaues Lackmuspapier ist mit einer Base getränkt, es verfärbt sich mit einer Säure rot.

Indikatorstäbchen: Mit ihnen kann der pH-Wert genauer bestimmt werden.

ƒ Ein Universalindikator ist ein Papierstreifen, der mit einer Mischung von Indikatoren behandelt ist. An der Farbänderung kann man nicht nur ablesen, ob es sich um eine saure oder basische Lösung handelt, sondern auch, welchen pH-Wert sie hat.

Bildung des Oxoniumions aus Wasser

Universalindikator

Eigenschaften von Säuren und Basen

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H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH-

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ƒ Phenolphthalein ist farblos. In einer basischen Lösung verfärbt es sich rosa.

In wässriger Lösung geben Säuren H+-Ionen und Basen OH–-Ionen ab. Diese Ionen reagieren leicht mit anderen Stoﬀen, sodass sie diese zersetzen können. Die Ionen bewirken auch, dass Säuren und Basen elektrisch leitfähig sind.

Der pH-Wert

Der pH-Wert gibt an, ob eine Lösung sauer oder basisch ist. Um diesen festzustellen, bestimmt man die Konzentration der H3O+-Ionen (Oxonium-Ionen). In Wasser sind immer H3O+- und OH–-Ionen enthalten. In einer Säure ist die Konzentration von H3O+-Ionen höher als in Wasser, in Basen ist sie geringer.

ph-Wert: 0 – 7: sauer 7: neutral 7 – 14: basisch

Der pH-Wert ist ein Maß für die Konzentration der H3O+-Ionen.

Der „neutrale“ Wert von reinem Wasser ist als pH-Wert von 7 festgelegt. Saure Lösungen haben einen pH-Wert zwischen 0 und 7, basische Lösungen einen pH-Wert zwischen 7 und 14. Hier siehst du einige pH-Werte:

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saure Lösungen

Säuren können H -Ionen an Reaktionspartner abgeben. Basen bilden in wässriger Lösung OH–-Ionen. Säuren und Basen können mit Indikatoren nachgewiesen werden. Der ph-Wert gibt an, ob eine Lösung sauer oder basisch ist.

basische Lösungen

Salzsäure

reines Wasser

Magensäure

Meerwasser

Zitronensaft

Handwaschseife

Cola

Waschmittel

Wein

Ammoniak

Tee, Kaﬀee

Bleichmittel

Mineralwasser

Beton

reines Wasser

Natronlauge

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

12. SALZE

Wie du im vorigen Kapitel gelernt hast, können Säuren H+-Ionen abgeben und haben einen pH-Wert, der kleiner als 7 ist. Basen können H+-Ionen aufnehmen und haben einen pH-Wert, der größer ist als 7. Dieses ist der neutrale Wert. Was passiert, wenn man eine Säure und eine Base mischt? NaOH

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Konzentrierte Salzsäure (HCl) hat einen sehr kleinen pH-Wert. Der pH-Wert von konzentrierter Natronlauge (NaOH) liegt bei 14. Gibt man NaOH in HCl, dann verändert sich der pH-Wert, bis er sich schließlich dem pH-Wert von 7 annähert. Der pH-Wert ändert sich also beim Mischen auf den „neutralen“ Wert. Es erfolgt eine Neutralisation.

Was ist Sodbrennen? Sodbrennen tritt auf, wenn Magensäure in die Speiseröhre gelangt und diese reizt. Durch Einnehmen von Speisesoda (NaHCO3) bildet sich eine Base, die die Magensäure neutralisiert.

HCI + Indikator

1. Säure mit Indikator 2. gibt man eine Base hinzu, wird die Farbe heller 3. und nähert sich dem neutralen Wert.

Welchen Indikator könnte man für den Nachweis der Neutralisation verwenden?

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Für die Eigenschaften einer Säure ist das H+-Ion verantwortlich, für die einer Base das OH–-Ion. Beim Mischen verbinden sich die beiden Ionen zu neutralem Wasser.

Na OH + H Cl

→

Na+ + H2O + Cl–

Nach dem Mischen bleibt also Wasser über, in dem positive Natriumionen und negative Chlorionen enthalten sind. Was geschieht mit diesen Ionen?

Wenn du die Flüssigkeit erhitzt, verdampft das Wasser. Zurück bleibt ein weißes Pulver. Bei diesem Pulver handelt es sich um Natriumchlorid (NaCl), das du unter der Bezeichnung „Kochsalz“ kennst.

Versuch Führt die Experimente „Herstellen von Kochsalz“ auf S. 148 und „Mittel gegen Sodbrennen“ auf S. 140 durch!

Salze in der Chemie

In der Chemie versteht man unter „Salz“ jedoch nicht nur das Kochsalz. Wenn man statt der Natronlauge Kalilauge (KOH) verwendet, entsteht Kaliumchlorid (KCl). Für den Chemiker oder die Chemikerin ist auch dieser Stoﬀ ein Salz.

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Häufig bestehen Salze aus Metall-Ionen und dem Säurerest der beteiligten Säure. Dieser kann jedoch auch aus mehr als einem Atom bestehen. Der Säurerest der Schwefelsäure (H2SO4) ist das doppelt negativ geladene SO42–-Ion. Mischt man Natronlauge mit Schwefelsäure, so entsteht Natriumsulfat, das auch unter den Bezeichnungen Glaubersalz oder Karlsbader Salz bekannt ist. Dieses hat die Formel Na2SO4. Salze bilden Kristallgitter. In diesen ordnen sich die negativ und positiv geladenen Ionen regelmäßig an. So ein Kristallgitter bezeichnet man als Ionengitter.

Ionengitter

Wofür verwendet man Kaliumchlorid? KCl wird in der Lebensmittelindustrie als Geschmacksverstärker eingesetzt. KCl senkt den Schmelzpunkt von Wasser stark ab. Daher wird es auch als Streusalz verwendet. Wird eine größere Menge von KCl ins Blut injiziert, kann dies zum Herzstillstand führen. Deshalb wird KCl auch zum Einschläfern von Tieren genutzt.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben Die Säure gibt dem Salz den Namen

Du kennst schon die Namen Natriumchlorid für NaCl und Kaliumchlorid für KCl. Beide entstehen durch eine Reaktion mit Salzsäure und haben „chlorid“ im Namen. Chlorid ist der Name des Ions des Säurerests der Salzsäure. Ganz allgemein gilt:

Der Name eines Salzes setzt sich aus dem Metall und dem Ion des Säurerests zusammen.

Salze der Salzsäure – Chloride: Chlor bildet mit zahlreichen Metallen Salze, die sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie werden daher für viele verschiedene Zwecke verwendet. So wird z. B. Aluminiumchlorid (AlCl3) zur Herstellung von Deodorants verwendet, welche die Schweißbildung verringern.

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Schwerer Fehler der Werbung! Wenn du hörst, dass in einem Putzmittel „Salmiak“ enthalten wäre, dann ist das falsch. Salmiak (NH4Cl) ist ein Chlorid, das für sehr viele Zwecke eingesetzt wird – nur nicht als Putzmittel. Hier wird „Salmiakgeist“ benutzt. Dabei handelt es sich um eine wässrige Lösung des Ammoniaks (NH3).

Salze der Kohlensäure – Carbonate: Carbonate kommen in großen Mengen in der Natur vor. So besteht Kalkgestein aus Calciumcarbonat (CaCO3). Ein weiteres Salz der Kohlensäure ist das Kaliumcarbonat (K2CO3), das als „Pottasche“ in der Glasherstellung verwendet wird.

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Deodorant: Körperpflegemittel, das Körpergeruch bekämpft; wird meist nur „Deo“ genannt

Salze der Schwefligen Säure – Sulfite: Diese Stoﬀe werden häufig in der Lebensmittelindustrie als Konservierungsmittel verwendet. Salze der Schwefelsäure – Sulfate: Sulfate haben große wirtschaftliche Bedeutung. So ist Calciumsulfat (CaSO4), das auch als Gips bezeichnet wird, ein wichtiger Grundstoﬀ für die Bauindustrie.

Natriumsulfat (Na2SO4 = Glaubersalz, Karlsbader Salz) wird in der Glas-, Textil- und Farbindustrie verwendet. Kupfersulfat (CuSO4) wurde früher in der Landwirtschaft häufig als Spritzmittel gegen Pilzerkrankungen eingesetzt.

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Salze als Umweltproblem Nitrate und Phosphate werden als Wasch- bzw. Düngemittel in großen Mengen eingesetzt. Sie gelangen ins Ab- und Grundwasser und stellen ein großes Problem für die Lebewesen im Wasser dar.

Beim Mischen von Säuren und Basen erfolgt eine Neutralisation. Salze werden nach dem Metall und dem Säurerest bezeichnet.

Kupfersulfatkristall

Salze der Salpetersäure – Nitrate: Diese spielen in der Natur eine wichtige Rolle, da sie Stickstoﬄieferanten für Pflanzen sind. Vor allem Kaliumnitrat (KNO3 = Salpeter) und Natriumnitrat (NaNO3 = Chilesalpeter) werden zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Außerdem finden sie häufig in der Lebensmittelindustrie als Konservierungsmittel Anwendung.

Düngemittel enthalten Nitrate

Salze der Phosphorsäure – Phosphate: Vor allem Kaliumphosphat (K3PO4) und Natriumphosphat (Na3PO4) werden in großen Mengen hergestellt. Sie sind in vielen Wasch- und Düngemitteln enthalten.

Luft und Wasser bestimmen unser Leben 59

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Schwefel und „saurer Regen“ – Lies zunächst den Informationstext über den sauren Regen und vervollständige dann die Reaktionsgleichungen! %%%%

INFORMATION * INFORMATION * INFORMATION

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Fossile Brennstoffe wie Kohle oder Heizöl enthalten Schwefel. Beim Verbrennen entsteht daraus Schwefeldioxid. Aus Rauchfängen und Auspuffanlagen gelangt dieses Gas in die Luft. Mit dem in der Atmosphäre enthaltenen Wasser reagiert Schwefeldioxid zu Schwefliger Säure. Mit dem Luftsauerstoff entsteht daraus in einem weiteren Reaktionsschritt Schwefelsäure. Diese löst sich im Wasser von Regentropfen und Nebel und lässt den pH-Wert des Wassers auf unter 5,5 sinken. Gelangt der saure Regen auf die Erdoberfläche, führt er zu einer Versäuerung des Bodens und zum Absterben der Wurzeln von Pflanzen. Neben Schwefelsäure tragen in geringerem Umfang auch noch andere Säuren zum sauren Regen bei.

Reaktionsgleichungen:

______

mp eV

Verbrennen von Schwefel:

Bildung von Schwefliger Säure:

Bildung von Schwefelsäure:

SO2

2 H2SO3

_______

SO2

→ → →

___________

2) Säuren und ihre Salze – Finde die zusammenpassenden Kästchen, dann ergeben die Buchstaben ein Lösungswort aus diesem Kapitel! %%

Carbonate (1) Sulfate (3)

Sulﬁte (2)

Nitrate (4)

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Salze der Phosphorsäure (E) Salze der Salzsäure (N)

Salze der Kohlensäure (S)

Salze der Schweﬂigen Säure (Ä) Salze der Schwefelsäure (U) Salze der Salpetersäure (R)

Chloride (6)

Phosphate (5)

LÖSUNGSWORT:

60 Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Salze und ihre Verwendung – Ordne die Bezeichnungen richtig zu! %%%

Nitrat © Chlorid © Sulfit © Carbonat © Sulfat

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AgCl ist ein lichtempfindlicher Stoff. Bei Lichteinfall zerfällt er in Silber und Chlor. AgCl wird daher zur Beschichtung von lichtempfindlichen Filmen verwendet. Dieser Stoff ist ein _________________________

mp eV

AgNO3 ist der Albtraum aller Bankräuber. Damit werden nämlich spezielle Geldscheine in Banken behandelt. Fassen Diebe diese Scheine an, gelangt es bei Berührung auf die Haut und kann nicht mehr abgewaschen werden. AgNO3 ist ein _________________________

Magnesit (MgCO3) hat einen Schmelzpunkt von etwa 3 000 °C. Daher ist es ein wichtiger Rohstoff zum Herstellen von feuerfesten Ziegeln, mit denen Brennöfen ausgekleidet werden. Magnesit ist ein _________________________

Na2SO3 dient als Lebensmittelzusatzstoff unter der Bezeichnung E221 als Konservierungsmittel z. B. für Trockenfrüchte. In der Textilindustrie wird es als Bleichmittel verwendet. Na2SO3 ist ein ______________________

Al2(SO4)3 wird unter anderem bei der Papierherstellung, bei der Trinkwasseraufbereitung oder beim Färben von Stoffen eingesetzt. Es ist aber auch Bestandteil von Feuerlöschmitteln.

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Al2(SO4)3 ist ein ________________________

4) Chloride und Geografie – Beantworte die Fragen! %%% In Österreich ist ein ganzes Bundesland nach einem Chlorid benannt. Um welches Bundesland handelt es sich? __________________________________________________

__________________________________________________

Wie lautet die chemische Formel dieses Chlorids?

Luft und Wasser bestimmen unser Leben

13. DER WASSERSTOFF reaktiv: leicht eine chemische Reaktion eingehend

Eigenschaften des Wasserstoﬀs

naszierend: von lat. „nasci“ = zur Welt kommen, geboren werden

Wasserstoff (H) ist das leichteste chemische Element. Es ist das Element, welches im Weltall am häufigsten vorkommt. Auch auf der Erde ist Wasserstoff allgegenwärtig. Gemeinsam mit Sauerstoff bildet er Wasser. Aber auch in sehr vielen anderen chemischen Verbindungen ist Wasserstoff enthalten.

H–H

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Wasserstoff ist ein farbund geruchloses Gas. Es kommt immer in Form von H2-Molekülen vor. Einzelne Einfachbindung zwischen Wasserstoffatome sind sehr reaktiv. Sie existieren nur sehr zwei H-Atomen kurze Zeit, unmittelbar nachdem sie in einer chemischen Reaktion aus anderen Stoffen freigesetzt worden sind. Dieser atomare Wasserstoff, der auch „naszierender Wasserstoff“ genannt wird, kann für chemische Reaktionen genutzt werden, die mit H2-Molekülen nicht möglich sind.

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Wasserstoff wird in der chemischen Industrie als Grundstoff für viele Produkte verwendet. Jährlich werden davon etwa 30 Mio. Tonnen benötigt. Eine wichtige Anwendung ist das Haber-Bosch-Verfahren, bei dem aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt wird. Dieses wird dann zu Düngemitteln weiterverarbeitet.

Wasserstoﬀ kommt in der Natur nicht in reiner Form vor. Bevor er für chemische Reaktionen genutzt werden kann, muss er daher aus chemischen Verbindungen gewonnen werden.

verdünnte Salzsäure Zink

Das Metall Zink löst sich in verdünnter Salzsäure auf. Dabei entsteht Wasserstoﬀ:

2 HCl + Zn → H2 + ZnCl2

Herstellung von Wasserstoﬀ

Ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoﬀ hast du schon kennengelernt. Im Hofmannschen Zersetzungsapparat wird elektrischer Strom verwendet, um Wasser zu spalten. Das Verfahren zur Zerlegung mit Hilfe des elektrischen Stroms nennt man Elektrolyse. Moderne Elektrolyseverfahren erreichen einen Wirkungsgrad von über 80 %. Das bedeutet, dass pro kWh eingesetzter elektrischer Energie so viel Wasserstoﬀ entsteht, dass bei dessen Verbrennung Energie von etwa 0,8 kWh frei wird.

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Um Wasserstoff direkt aus Wasser zu gewinnen, ist sehr viel Energie erforderlich. Daher werden zur Herstellung von Wasserstoff in großen Mengen meist andere Verfahren eingesetzt. Weltweit wird ein Großteil des Wasserstoffs aus Erdgas und Erdöl hergestellt. Allerdings wird dabei auch das klimaschädliche Gas CO2 freigesetzt.

Alternativ kann Wasserstoﬀ auch aus Biomasse gewonnen werden. Diese Verfahren sind jedoch noch nicht so weit entwickelt, dass sie sich für die Produktion von Wasserstoﬀ in großen Mengen eignen.

Hofmannscher Zersetzungsapparat

Mit welcher Probe kann man Wasserstoﬀ, der bei einer chemischen Reaktion frei wird, nachweisen? Mit welcher Probe weist man Sauerstoﬀ nach?

Versuch Führt das Experiment „Wasserstoffgewinnung“ auf S. 149 durch!

Wirkungsgrad: gibt an, welcher Anteil der eingesetzten Energie genutzt werden kann.

Bei welchen elektrischen Polen des Hofmannschen Zersetzungsapparates bilden sich Wasser- und Sauerstoﬀ?

Luft und Wasser bestimmen unser Leben Wasserstoff als Energieträger Bei der Synthese von Wasser wird sehr viel Energie freigesetzt. Aus 1 kg Wasserstoff kann beim Verbrennen dreimal so viel Energie gewonnen werden wie aus 1 kg Benzin. Allerdings gibt es bei der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger einige Besonderheiten.

Energieträger: Stoﬀ, dessen Energiegehalt genutzt werden kann

HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF: Elektrische Energie kann nicht direkt gespeichert werden. Allerdings kann diese Energieform in der Elektrolyse eingesetzt werden, um Wasserstoﬀ zu erzeugen. In Form von Wasserstoﬀ kann also elektrische Energie gespeichert werden.

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LAGERUNG UND TRANSPORT VON WASSERSTOFF: Wasserstoff alleine kann nicht brennen. Erst gemeinsam mit dem Sauerstoff der Luft ergibt sich ein explosives Gas, das Knallgas. Daher ist Wasserstoff ein sehr gefährlicher Stoff. Er muss entweder in Stahlflaschen unter hohem Druck oder in flüssiger Form bei sehr tiefen Temperaturen von ca. -250 °C gelagert und transportiert werden.

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ENERGIEGEWINNUNG AUS WASSERSTOFF: Die Reaktion beim Verbrennen von Wasserstoff ist sehr heftig. Wasserstoff kann in Verbrennungsmotoren, die ähnlich aufgebaut sind wie Benzinmotoren, zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet werden. Allerdings sind die Probleme beim Tanken von Wasserstoff sowie beim sicheren Speichern im Fahrzeug so groß, dass es noch kaum mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge gibt.

Stahlflaschen mit Wasserstoﬀ sind rot gekennzeichnet.

Die Brennstoﬀzelle

In einer Brennstoffzelle reagieren ebenfalls Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle zu Wasser. Allerdings kommt es dabei zu keiner Explosion. Vielmehr erfolgt die Reaktion langsam und bei niedrigen Temperaturen. Dabei entsteht direkt elektrische Energie.

Membran: dünne Schicht oder Folie

H+

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Auf der Wasserstoff-Seite der Brennstoffzelle wird der Wasserstoff ionisiert:

Wasserstoﬀ ist ein farbund geruchloses Gas, das in vielen Verfahren der chemischen Industrie verwendet wird. Es kann als Brennstoﬀ zur Energiegewinnung genutzt werden.

O2 (Luft)

Membran

Brennstoﬀzelle

Die Brennstoﬀzelle enthält eine spezielle Membran, die ausschließlich H+-Ionen durchlässt. Auf beiden Seiten dieser Membran befindet sich eine Elektrode, die gleichzeitig als Katalysator wirkt.

H2O

2 H2 → 4 H+ + 4 e –

Die H+-Ionen dringen durch die Membran und reagieren auf der anderen Seite mit dem Sauerstoﬀ der Luft:

O2 + 4 H+ + 4 e – → 2 H2O

Über einen elektrischen Leiter, welcher die beiden Elektroden verbindet, fließen die Elektronen von der Wasserstoﬀ- zur Sauerstoﬀ-Seite. Dabei entsteht elektrischer Strom.

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Die Brennstoffzelle – Kreuze richtig an! %%%

Luft und Wasser bestimmen unser Leben 63

Was geschieht mit den Wasserstoffatomen auf der Wasserstoff-Seite der Brennstoffzelle? sie werden oxidiert

sie werden ionisiert

Wo fließen die Elektronen?

Wo fließen die H+-Ionen? durch den Leiter

durch die Membran

durch die Luft

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durch den Leiter

sie werden reduziert

durch die Membran

durch die Luft

Was entsteht auf der Sauerstoﬀ-Seite der Brennstoﬀzelle? Luft

Ammoniak

Wasser

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2) Verwendung von Wasserstoff – Wähle die richtigen Überschriften für diese Karteikarten aus und setze sie ein! %%

Kühlen mit Wasserstoff © Metallgewinnung © Fliegen mit Wasserstoff © H2 als Energieträger © Düngemittel und Sprengstoff © Benzin aus Wasserstoff

Mit Hilfe von Wasserstoff können aus Kohle Benzin und Diesel hergestellt werden. Dieses Verfahren ist heute noch zu teuer. Doch mit steigenden Preisen für Erdöl könnte sich das in Zukunft ändern.

Wasserstoff ist in der Lage, Metalloxide zu reduzieren. Dadurch entstehen Wasser und eben das Metall. Auf diese Weise können aus Erzen besonders reine Metalle erzeugt werden.

Mit dem Haber-Bosch-Verfahren werden Wasserstoff und Stickstoff in Ammoniak übergeführt. Diese chemische Verbindung ist die Grundlage für die Herstellung von Düngemitteln aber auch von Sprengstoffen.

Wasserstoff hat eine sehr hohe Wärmekapazität. Daher eignet er sich auch als Kühlmittel. Er wird vor allem in besonders rasch drehenden Turbinen in Kraftwerken eingesetzt, da dort die Kühlung mit Flüssigkeiten schwierig ist.

Wasserstoff ist das leichteste Gas. Daher eignet es sich als Füllgas für Ballons und Luftschiffe. Leider ist es auch brennbar. Daher wird für diese Zwecke meist das Edelgas Helium verwendet.

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Als Treibstoff für Raketen wird Wasserstoff schon seit langem eingesetzt. In Zukunft soll er jedoch auch vermehrt für den Antrieb von Kraftfahrzeugen Verwendung finden.

64 Luft und Wasser bestimmen unser Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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10 11

3) Das Luft- und Wasserkreuzworträtsel – Löse dieses Rätsel! %%%

9 9

senkrecht: 1. Reaktion mit Sauerstoff 2. rasche Oxidation 4. Base 6. trinkbares Wasser 8. Mischen von Säure und Base 9. wandelt Wasserstoff in Strom um 12. Aufspalten von Wasser 14. Nachweismittel für Säuren und Basen 16. drei Sauerstoffatome

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waagrecht: 3. Wasser mit vielen Spurenelementen 5. Wasser unter der Erdoberfläche 7. regelmäßige Anordnung von Salzbestandteilen 10. Nachweis von Sauerstoff 11. Eisenoxid 13. Einrichtung zur Wasserreinigung 15. Hauptbestandteil der Luft 17. Bestandteil von Fruchtsäften 18. anderer Name für Sauerstoff 19. Edelgas, das in der Atmosphäre vorkommt 20. Nachweis von Wasserstoff

CHEMIE-NEWS: Luft und Wasser

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Jährlich verliert unsere Atmosphäre ca. 100 000 t an Masse. Das kommt daher, dass leichte Gase in den obersten Schichten unserer Lufthülle auf Nimmerwiedersehen ins All verschwinden. Aber auch in der Vergangenheit der Erde hat sich die Atmosphäre immer wieder verändert. Gleich nach der Entstehung der Erde bestand sie vorwiegend aus Wasserstoff und Helium. Später enthielt sie ca. 80 % Wasserdampf sowie Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff. Nachdem sich die Ozeane gebildet hatten, war ihr Hauptbestandteil Stickstoff. Der Sauerstoff kam erst dazu, als Lebewesen begannen, Fotosynthese zu betreiben.

Luft entweicht in das Weltall

Iod im Speisesalz gegen Kropf

Süßwasser aus dem Meer

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Wasser gibt es genug auf der Welt, wenn da das Salz im Meer nicht wäre. Entfernt man aber das Salz aus dem Meerwasser, dann erhält man Wasser, das getrunken und zum Bewässern in der Landwirtschaft verwendet werden kann. Weltweit gibt es zahlreiche Anlagen, die genau das machen. Meerwasserentsalzungsanlagen verschlingen zwar sehr viel Energie – immerhin muss das Wasser auf hohe Temperaturen erhitzt werden – lösen aber in vielen Ländern das Problem der Trinkwasserversorgung.

In manchen Gebieten Österreichs gibt es Böden, die kaum Iod enthalten. Daher fehlt dieses chemische Element auch im Trinkwasser. Iodmangel führt zu einer Vergrößerung der Schilddrüse, die man als „Kropf“ erkennen kann. Seitdem bei uns aber dem Speisesalz geringe Mengen Iod zugesetzt werden, treten diese Erkrankungen kaum noch auf.

WITZ DER WOCHE

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Meerwasserentsalzungsanlage auf den Kanarischen Inseln (Spanien)

Im Unterricht behandelt der Chemielehrer und Basen. „I Säuren n diese Säure w erde ich jetzt Münze werfen eine . Was meint d u, Kevin, wird sich auflösen?“ sie , fragt er einen Schüler. „Nein“, erwid ert Kevin. „Und warum n icht?“, will der Lehrer wissen „Wenn sie sich . auflösen würd e, würden Sie die Münze nicht h ineinwerfen.“

Hast du das gewusst?

ƒ Es gibt auch Oxidationsreaktionen ohne Sauerstoff. Ganz allgemein versteht man unter einer Oxidation eine Reaktion, bei der ein Partner ein Elektron abgibt. So gibt z. B. bei der Bildung von NaCl das Natriumatom ein Elektron ab.

ƒ Etwa 1,4 % des gesamten Energieverbrauchs auf der Welt entfallen auf das Haber-BoschVerfahren, mit dem aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt wird. ƒ Flusssäure (HF) ist eine farblose, stechend riechende Flüssigkeit, die sogar Glas ätzt.

CHEMIE-NEWS: Luft und Wasser

Chemie-News: Herr Professor, wie sehen Sie die Zukunft des Wasserstoffs?

Eine andere Möglichkeit ist die, das Gas zu verflüssigen. Allerdings muss es dazu auf -252 °C abgekühlt werden. Fällt dann die Kühlung aus, wird der Wasserstoff wieder gasförmig und kann explodieren. Gibt es noch andere Möglichkeiten?

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Prof. Hydrogenius: Wasserstoff wird in Zukunft eine wichtige Rolle als Energieträger spielen.

Interview mit dem Wasserstoffexperten Prof. Hydrogenius

Was sind die größten Probleme dabei?

Der Transport und die Lagerung von Wasserstoff sind problematisch. Immerhin ist dieses Gas leicht entzündlich und bildet mit Luft ein hochexplosives Gemisch.

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Welche Möglichkeiten gibt es dafür? Die übliche Methode ist die, Wasserstoff unter hohem Druck in Stahlflaschen zu füllen. Allerdings tritt das Gas bei Beschädigung der Flasche aus und wird dann gefährlich.

Man kann Wasserstoff auch als Metallhydrid speichern. Dabei handelt es sich um spezielle Legierungen, die Wasserstoffmoleküle in ihr Kristallgitter einbauen können. In einem cm³ Metallhydrid können mehr Wasserstoffatome enthalten sein als in 1 cm³ flüssigem Wasserstoff. Metallhydride sind unempfindlich gegen Luft und Wasser und geben den Wasserstoff wieder ab, wenn man sie erwärmt. Auf diese Weise kann Wasserstoff sicher transportiert und gespeichert werden. Wir danken für das Gespräch.

Kobaltsalz als Geheimtinte

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Kobaltchlorid (CoCl2) hat einige sehr interessante Eigenschaften: Ist es trocken, ist es blau. Sobald es jedoch Feuchtigkeit aufnimmt, wechselt seine Farbe zu rosa. Daher wird es eingesetzt, um Feuchtigkeit anzuzeigen. Dieser Eigenschaft ist es aber auch zu verdanken, dass sich Kobaltsalz für das Schreiben geheimer Nachrichten eignet. Löst man es in Wasser, kann man mit der rosaroten Flüssigkeit Nachrichten verfassen, die auf dem Papier nicht zu sehen sind. Erwärmt man dann das Papier, wird das Wasser, das in den Kristallen eingelagert ist, entfernt und die Schrift wird in blauer Farbe wieder sichtbar. Nach einiger Zeit, wenn das Salz dann Feuchtigkeit aus der Luft aufgenommen hat, verblasst diese Schrift wieder.

CoCl2 trocken

CoCl2 feucht

Buchtipps Georg Schwedt: Noch mehr Experimente mit Supermarktprodukten: Das Periodensystem als Wegweiser (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009). Mark Benecke: Das knallt dem Frosch die Locken weg: Experimente für kleine und große Forscher (Oetinger 2012). Hugh Aldersey-Williams: Das wilde Leben der Elemente: Wie Chemie Geschichte gemacht hat (Deutscher Taschenbuch Verlag, 2013).

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

14. METALLE SIND WICHTIGE ROHSTOFFE

Wo kommen die Metalle her?

abbauen: hier p Gesteine abtransportieren

Was sind Leichtmetalle? Metalle, deren Dichte geringer als 5 g/cm³ ist, bezeichnet man als „Leichtmetalle“. Dazu zählen Aluminium, Magnesium oder Titan. Alle anderen Metalle werden „Schwermetalle“ genannt.

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In der Natur kommen Metalle in Form von Metallverbindungen in sogenannten Lagerstätten vor. Dabei handelt es sich um bestimmte Gesteinsschichten, die große Mengen eines bestimmten Metalls enthalten. Der Anteil des Metalls im Gestein ist sehr unterschiedlich. Ist er hoch genug, dann wird es in dieser Lagerstätte abgebaut.

Metalle sind Rohstoﬀe, die in zahlreichen Bereichen Verwendung finden. Kein Fahrzeug und kein technisches Gerät wäre ohne Metalle vorstellbar. Aber auch kein Haus könnte heute ohne Metalle gebaut werden.

Am Erzberg in der Steiermark wird Eisenerz abgebaut.

Die meisten Metalle kommen nicht in ihrer reinen Form vor. Sie treten in Gesteinen in Form von chemischen Verbindungen auf. Solche metallhaltige Gesteine nennt man Erze.

natürlich vorkommender Goldklumpen (Nugget)

Für jedes Erz gibt es spezielle Verfahren, um das Metall auf chemischem Wege zu gewinnen. Das reine Metall steht dann für die weitere Verarbeitung zur Verfügung.

Manche Metalle gehen kaum chemische Verbindungen ein. Deshalb kommen sie auch in der Natur in reiner Form vor. Diese Metalle bezeichnte man als „Edelmetalle“. Dazu zählen Gold, Silber und Platin.

polieren: glätten, zum Glänzen bringen walzen: mit einer Rolle bearbeiten und glätten hämmern: mit einem Hammer bearbeiten

Eigenschaften von Metallen

Alle Metalle weisen einige typische gemeinsame Eigenschaften auf:

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ƒ Aggregatzustand: Mit Ausnahme von Quecksilber sind alle Metalle bei Raumtemperatur fest. ƒ Glanz: Metalle reflektieren Licht. Ihre polierte Oberfläche wirkt wie ein Spiegel. Diese Eigenschaft nennt man „metallischer Glanz“. Abgesehen von Gold und Kupfer haben Metalle eine silbrig-graue Farbe. ƒ Elektrische Leitfähigkeit: In allen Metallen sind die Atome in Form eines Metallgitters angeordnet. Die freien Elektronen bewirken, dass alle Metalle elektrische Leiter sind. ƒ Verformbarkeit: Metalle lassen sich verformen. Durch mechanische Bearbeitung wie Walzen oder Hämmern können sie in eine beliebige Form gebracht werden. Je höher die Temperatur ist, desto leichter lassen sie sich verformen. Manche Metalle wie Aluminium oder Gold lassen sich zu sehr dünnen Folien verarbeiten.

Blattgold wird zum Vergolden (hier ein Bilderrahmen) verwendet. Blattgold: dünne Goldfolie; kann so dünn hergestellt werden, dass sie nur 1/10 000 mm dick ist

Rohstoffe und ihre Verarbeitung Aus Erz wird Eisen Eisen ist das Metall, von dem weltweit die größten Mengen gewonnen und verwendet werden. Es ist in verschiedenen Eisenerzen enthalten. Der Eisenanteil in Eisenerz kann bis zu 70 % betragen. Meist tritt es in Form von Oxiden, also chemischer Verbindungen mit Sauerstoﬀ, auf. Um metallisches Eisen zu erzeugen, wird das Eisenerz im Hochofen verhüttet.

verhütten: gewinnen von Metallen

Der Hochofen

beschicken: Material nachfüllen

2. Beschickung: Eisenerz, Koks und Zuschlagstoﬀe werden über ein Förderband zur Gicht, dem oberen Teil des Hochofens, befördert. 3. Trocken- und Vorwärmzone: Im oberen Teil werden Erz, Koks und Zuschläge durch aufsteigendes heißes Gas vorgewärmt und getrocknet. 4. Reduktionszone: Bei 500 bis 900 °C wird Eisenoxid durch CO und Kohlenstoﬀ reduziert. Das entstehende Eisen ist noch fest.

1. Gichtgas

2. Beschickung

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1. Gichtgas: Dieses besteht zum Großteil aus Stickstoff. Es enthält aber auch große Mengen brennbarer Gase wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff und Methan. Es wird zum Erhitzen der Heißluft verwendet.

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Eisenerz

Hochöfen sind bis zu 75 m hoch und haben einen Durchmesser von etwa 15 m. Sie werden von oben mit einer Mischung aus Eisenerz, Koks und Zuschlagstoffen beschickt. Koks wird aus Kohle gewonnen. Es handelt sich dabei um fast reinen Kohlenstoff. Zuschlagstoffe wie Kalk senken die Schmelztemperatur des Eisens und binden unerwünschte Bestandteile des Erzes. Im Hochofen nimmt die Temperatur von oben nach unten zu.

Förderband

200°C

3. Trocken- und Vorwärmzone

4. Reduktionszone

400 °C 800 °C

1 000 °C

5. Kohlungszone: Zwischen 1 100 und 1 200 °C entsteht ein Eisen-Kohlenstoﬀ-Gemisch.

9. Heißluft

5. Kohlungszone

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6. Schmelzzone: In der eingeblasenen heißen Luft verbrennt der Koks. Das Eisen-KohlenstoﬀGemisch schmilzt und sickert nach unten. Darüber schwimmt die leichtere Schlacke, die aus den Resten des Gesteins und der Zuschlagstoﬀe besteht.

6. Schmelzzone

1 800 °C

7. Roheisen

7. Roheisen: Alle zwei bis drei Stunden wird das flüssige Eisen abgelassen. Es enthält 3 – 4 % Kohlenstoﬀ. 8. Schlacke: Diese wird ebenfalls abgelassen. Sie wird als Grundstoﬀ für die Bauindustrie verwendet.

9. Heißluft: Von unten wird heiße Luft eingeblasen. Diese wird zuvor in einer eigenen Anlage durch das Verbrennen der Gichtgase auf bis zu 1 300 °C erhitzt.

8. Schlac

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Aus Eisen wird Stahl

Das im Hochofen gewonnene Roheisen enthält 3 – 4 % Kohlenstoﬀ. Durch diesen hohen Kohlenstoﬀgehalt ist dieses Eisen sehr spröde und hart. Es kann zwar nicht verformt werden, kann aber doch als flüssiges Eisen in Formen gegossen werden. Dieses Eisen nennt man „Gusseisen“.

Konverter: Umwandler

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Gusseisen eignet sich nicht als Rohstoff für Werkzeuge und Maschinen. Dafür benötigt man Stahl. Stahl ist Eisen mit einem Kohlenstoffanteil von weniger als 2 %. Ein gewisser Anteil an Kohlenstoff im Stahl ist 2. Sauerstofflanze notwendig, da dieser dem Eisen Härte verleiht. Um aus dem Roheisen aus dem Hochofen Stahl zu erzeugen, muss ein Teil des Kohlenstoffs entfernt werden. Dies erfolgt mit Hilfe des LD-Verfahrens.

LD: Linz-Donawitz; dieses Verfahren wurde in den Stahlwerken in Linz (OÖ) und in Donawitz (Stmk) entwickelt und in den 1950er-Jahren erstmals eingesetzt.

mp eV

Bei diesem Verfahren wird das flüssige Eisen aus dem Hochofen in einen Konverter (1) gefüllt. 4. Schlacke Durch eine Sauerstofflanze (2) wird von oben reiner Sauerstoff auf das flüssige Eisen (3) geblasen. Dadurch wird das flüssige Eisen in 3. flüssiges Eisen Bewegung versetzt und der darin enthaltene 1. Konverter Kohlenstoff oxidiert zu CO2. Zusätzlich wird noch Schrott in den Konverter gegeben, um die Schmelze zu kühlen. Weiters gibt man Kalk (CaCO3) bei, der die Bildung von Schlacke fördert. Die noch vorhandenen Verunreinigungen des Roheisens werden in der Schlacke (4) gebunden.

Durch die Beigabe von zusätzlichen Metallen in den Konverter können die Eigenschaften des Stahls verändert werden. So erhält man durch die Zugabe von Nickel und Chrom rostfreien Stahl.

Kupfer (Cu)

Kupfer hat eine rotgoldene Farbe. Es ist ein sehr guter Leiter für Wärme. Daher wird Kupfer überall dort eingesetzt, wo eine gute Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist. So werden Heizungsrohre und Heizkessel häufig aus diesem Metall erzeugt. Aus ihm werden auch Kochgefäße hergestellt. Allerdings muss in diesem Fall die Innenfläche mit einem anderen Metall beschichtet werden, da reines Kupfer mit Säuren in Lebensmitteln reagiert und so giftiger Grünspan ensteht.

Sauerstoﬄanze: Rohr mit doppelter Wand, in der zur Kühlung Wasser fließt und durch das Sauerstoﬀ geblasen wird

Was geschieht beim Rosten? Rost hat ein größeres Volumen als das Eisen selbst, daher springt der Rost ab und tiefer liegende Eisenteile sind ebenfalls der Luft ausgesetzt. Gegenstände aus Eisen können daher „durchrosten“.

Schmelze: geschmolzene Stoﬀe

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Kupfer wird häufig für Dächer verwendet. An der Luft reagiert die Oberfläche von Kupfer mit in der Atmosphäre enthaltenen Säuren und bildet ebenfalls eine grüne Schicht, die man Patina nennt.

Auch die elektrische Leitfähigkeit ist in Kupfer sehr hoch. Daher werden elektrische Leitungen fast ausschließlich aus Kupfer hergestellt. Reines Kupfer ist sehr weich. Legiert man Kupfer mit Zink, entsteht Messing. Durch Legierung von Kupfer mit Zinn entsteht Bronze. Beide Legierungen sind härter als reines Kupfer.

legieren: mischen von zwei oder mehr Metallen; dadurch entsteht eine Legierung

Kupferdach der Wiener Karlskirche

Rohstoffe und ihre Verarbeitung Aluminium (Al) – ein Leichtmetall

Felge: Rad eines Fahrzeugs ohne Gummireifen

Felge aus Aluminium

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Aluminium ist ein grau glänzendes Metall, das eine hohe Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom hat. Aufgrund seines geringen Gewichts wird es daher häufig als Material für Hochspannungsleitungen eingesetzt. An der Oberfläche bildet sich durch Kontakt mit dem Sauerstoff der Luft eine OxidSchicht. Diese ist sehr hart. Da sie fest mit dem darunterliegenden Aluminium verbunden bleibt, bildet sie eine Schutzschicht für das weichere Metall. So eine Oxid-Schicht kann auch künstlich erzeugt werden. Dazu wird das Aluminium in ein Säurebad getaucht. Zwischen dem Aluminium und dem Gefäß wird eine Gleichspannung angelegt. Dabei wird Sauerstoff abgespaltet, der sich an der Oberfläche mit dem Aluminium verbindet. Dem Säurebad können auch Farbstoffe beigegeben werden. Dadurch wird die Oxidschicht eingefärbt. Dieses Verfahren nennt man „Eloxieren“.

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Wie umweltschädigend ist die Aluminiumherstellung? Die Schmelzflusselektrolyse benötigt sehr viel elektrischen Strom. Außerdem wird dabei sehr viel Kohlenstoﬀdioxid freigesetzt, das zum Treibhauseﬀekt beiträgt. Durch Wiederverwenden von Aluminium können ca. 90 % der Energie eingespart werden. Auch du kannst einen Beitrag zum Umweltschutz leisten, indem du Getränkedosen richtig entsorgst!

Aluminium ist ein sehr leichtes, aber dennoch festes Metall. Daher lassen sich daraus Gegenstände und Maschinenteile herstellen, die bei geringem Gewicht eine hohe Festigkeit haben. Aluminium kann auch gut mit anderen Metallen legiert werden. So entstehen zahlreiche unterschiedliche Werkstoﬀe, die unter anderem im Fahrzeug- und Flugzeugbau verwendet werden.

Aluminium ist nach Sauerstoﬀ und Silizium das dritthäufigste Element in der Erdkruste. Allerdings kommt es nur in Form von chemischen Verbindungen vor. Aluminium wird aus dem Aluminiumerz Bauxit gewonnen. Aus diesem gewinnt man zunächst Aluminiumoxid (Al2O3). Anschließend wird in einem aufwändigen Verfahren, der Schmelzflusselektrolyse, das Aluminiumoxid zu Aluminium reduziert.

U=5V I = 300 kA

Aluminium

1. Zunächst wird das Mineral Kryolith in einer Wanne aus Grafit erhitzt und zum Schmelzen gebracht. 2. Aluminiumoxid wird zugegeben. Abgase Durch das Kryolith sinkt die Schmelztemperatur von über 2 000 °C auf auf ca. 950 °C. 3. In die Schmelze werden dicke Grafit-Elektroden Grafit-Stäbe getaucht. Zwischen diesen Stäben und der Wanne wird eine Gleichspannung von ca. 5 V mit einer Stromstärke von mehr als 300 000 A angelegt. 4. Durch Elektrolyse wird das Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze Aluminiumoxid zersetzt. Das flüssige 950 °C Aluminium setzt sich in der Wanne flüssiges Aluminium ab. Der freiwerdende Sauerstoff reagiert mit den Grafit-Stäben zu CO und CO2. Die Stäbe werden dabei verbraucht. Elektrode Grafit-Wanne

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Grafit: Mineral, das aus reinem Kohlenstoﬀ besteht

Verschiedenfarbig eloxierte Haken

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Weitere wichtige Metalle gediegen: chemisch rein vorkommend

GOLD (Au): Gold ist ein Edelmetall, das in der Natur gediegen vorkommt. Es reagiert nur mit wenigen anderen Stoﬀen, daher wird es in der Elektronikindustrie eingesetzt, um elektrische Kontakte vor Korrosion zu schützen. Gold ist das Metall, das auch in kaltem Zustand am dehnbarsten ist. Daher kann man es zu dünnen Folien, dem Blattgold, verformen. Weltweit werden pro Jahr etwa 3 000 t Gold gefördert. Ungefähr 85 % davon werden zu Schmuck verarbeitet, 12 % benötigt die Industrie. Der Rest wird zur Herstellung von Münzen verwendet oder wird als Barren in vergoldeter Stecker Banken aufbewahrt.

Korrosion: Reaktion eines Stoﬀes mit seiner Umgebung Wozu bewahren Banken Gold auf?

Wissenswertes über Gold: ƒ Rotgold ist eine Legierung von Gold mit Kupfer. ƒ Weißgold ist eine Legierung von Gold mit Palladium oder Silber. ƒ Die Reinheit von Gold wird in Karat angegeben. Reines Gold hat 24 Karat. Je geringer die Karat-Zahl ist, desto weniger Gold ist in einer Legierung enthalten. ƒ Jeder Gegenstand aus Gold muss mit einem Stempel, der Punzierung, versehen sein. Dieser gibt an, wie hoch der Goldgehalt ist.

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SILBER (Ag): Silber ist der beste elektrische Leiter. Daher wird es häufig in der Elektroindustrie verwendet. Da einige Silberverbindungen lichtempfindlich sind, werden sie aber auch zur Herstellung von Filmen verwendet. Aber auch zu Schmuck wird Silber verarbeitet.

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PLATIN (Pt): Das Edelmetall Platin ist wertvoller als Gold. In der Chemie ist es vor allem als Katalysator von Bedeutung. So enthält z. B. der Katalysator im Auspuﬀ eines Autos 1 bis 3 g dieses Metalls. ZINN (Sn): Dieses Metall wird häufig verwendet, um Eisenblech zu beschichten. Das beschichtete Blech nennt man „Weißblech“. An der Oberfläche des Zinns bildet sich eine sehr widerstandsfähige Oxidschicht, die das Blech schützt. Aus Weißblech werden unter anderem Konservendosen hergestellt.

Konservendose aus Weißblech

Lötzinn ist eine Legierung mit anderen Metallen wie Kupfer, Silber oder Blei. Es hat einen niedrigen Schmelzpunkt und wird beim Löten zum Verbinden von Metallen verwendet. Gemeinsam mit Kupfer bildet Zinn die Legierung Bronze.

Löten

ZINK (Zn): Auch Zink wird zum Beschichten von Eisen und Stahl verwendet. In den meisten handelsüblichen Batterien ist Zink gemeinsam mit Kohlenstoﬀ enthalten. Es ist Bestandteil der Legierung Messing.

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BLEI (Pb): Blei ist ein sehr schweres, weiches Metall. Es wird z. B. zur Herstellung von Gewichten verwendet, die den Auftrieb beim Tauchen ausgleichen. Es wird aber auch zum Abschirmen von ionisierender Strahlung und in den Blei-Akkumulatoren in Autos verwendet.

TITAN (Ti): Dieses Leichtmetall ist sehr hart und korrosionsbeständig. Aus diesem Metall bzw. aus Legierungen, die dieses Metall enthalten, lassen sich sehr leichte, aber dennoch feste Bauteile herstellen. So wird es z. B. für Fahrradrahmen oder in der Luftfahrt eingesetzt.

Metalle und Gesundheit

Manche Metalle wie Blei (Pb), Cadmium (Cd) oder Quecksilber (Hg) sind giftig. Gelangen sie in den Körper, können sie sich in manchen Organen ansammeln und Krankheiten hervorrufen.

besonders leichte Schraube aus Titan

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Magnesiastäbchen: Stäbchen aus gepresstem Magnesiumoxid; sind sehr hitzebeständig

Nachweis von Metallen in chemischen Verbindungen Metalle kommen in zahlreichen chemischen Verbindungen vor. Mit der Flammenfärbung kann man feststellen, welches Metall in einer Verbindung enthalten ist.

Dazu wird ein Platindraht oder ein Magnesiastäbchen in die Verbindung getaucht. Anschließend hält man die Probe in die bläuliche Flamme eines Bunsenbrenners. Die in der Probe enthaltenen Metallionen verfärben die Flamme. Flammenfärbung: von links nach rechts: • Natrium (gelb) • Kalium (violett) • Calcium (ziegelrot) • Kupfer (blau-grün) • Lithium (karminrot)

Versuch

Silizium – ein Halbmetall

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Welche Farben kann Quarz haben? Ionen anderer Elemente in Quarz können unterschiedliche Farben hervorbringen. Amethyst ist Quarz mit eingelagerten Eisenionen. Er erscheint violett.

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Führt das Experiment „Flammenfärbung“ auf S. 141 durch!

15 % der Masse der Erde macht Silizium (Si) aus. Ein Großteil der Erdkruste besteht aus Silikaten, also chemischen Verbindungen von Silizium mit Sauerstoﬀ. Du hast sicherlich schon Silikate in der Hand gehabt. Viele Gesteine wie Granit bestehen aus Silikaten. Bergkristall besteht aus Quarz. Dieses ist reines SiO2.

Bergkristall

Um reines Silizium zu gewinnen, wird SiO2 aus Quarzsand mit Kohlenstoﬀ bei ca. 2 000 °C reduziert:

SiO2 + 2 C → Si + 2 CO

Quarzsand: heller Sand, der aus Quarzkörnern besteht

Das so gewonnene Silizium kann Stahllegierungen zugesetzt werden. Es verhindert, dass Stahl korrodiert. Silizium ist der wichtigste Grundstoﬀ für die Computerindustrie. Es ist ein Halbleiter. Das bedeutet, dass es Strom nur unter gewissen Bedingungen leitet. Aus Silizium lassen sich elektronische Halbleiterelemente wie Dioden oder Transistoren herstellen. Jeder Computer-Chip besteht aus diesem Material. Für die Chipherstellung muss Silizium sehr rein und monokristallin sein. Monokristallin bedeutet, dass der gesamte Chip aus einem einzigen Kristall besteht. Dazu taucht man ein kleines Stück Silizium in eine Siliziumschmelze und zieht es dann ganz langsam heraus. Dabei ordnen sich die Atome regelmäßig an und bilden einen riesigen Einkristall. Aus diesem werden dann dünne Scheiben, die man Wafer nennt, geschnitten. Aus diesen Wafern stellt man Chips her.

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In welchem Zusammenhang hast du schon von Halbleitern gehört?

Metalle sind wichtige Rohstoﬀe. Sie kommen meist als Erze vor. Eisen wird im Hochofen gewonnen, Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse. Metallionen in chemischen Verbindungen können durch Flammenfärbung nachgewiesen werden.

Si-Einkristalle und Wafer

Rohstoffe und ihre Verarbeitung 73

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Eigenschaften von Metallen – Kreuze an, welche dieser Eigenschaften auf Metalle zutreﬀen, dann erhältst du als Lösungswort von hinten nach vorne gelesen den Namen eines Metalls! %%% Mit Ausnahme von Quecksilber sind Metalle bei Zimmertemperatur flüssig.

Die Atome von Metallen bilden ein Metallgitter, in dem sich die Elektronen frei bewegen.

Metalle oxidieren an Luft und bilden Grünspan.

Metalle sind leichter als 5 g/cm³.

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Die Oberfläche von polierten Metallen reflektiert das Licht und wirkt wie ein Spiegel.

Metalle sind spröde und zerbrechen, wenn man mit dem Hammer darauf schlägt.

Metalle sind gute elektrische Leiter.

K C

Die meisten Metalle kommen in der Natur in reiner Form vor.

Mit Ausnahme von Quecksilber sind Metalle bei Zimmertemperatur fest.

Die meisten Metalle sind elektrische Isolatoren.

Metalle haben den typischen metallischen Glanz.

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Durch mechanische Bearbeitung können Metalle verformt werden.

LÖSUNGSWORT:

2) Der Hochofen – Was geschieht bei welcher Temperatur? Schreibe die richtigen Temperaturbereiche in die freien Kästchen! %%

Ein EisenKohlenstoff-Gemisch bildet sich.

°C 0 0 4 00 –

0° 0 3 1

Luft wird durch das Verbrennen der Gichtgase erhitzt.

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Koks verbrennt und das Eisen-KohlenstoffGemisch schmilzt.

Erz, Koks und Zuschläge werden durch aufsteigendes heißes Gas vorgewärmt.

Eisenoxid wird reduziert.

1100

– 120

0 °C

1800 °C 00 9 – 0 50

°C

74 Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Rund um Metalle – Ordne die Begriﬀe im Kästchen richtig in die Tabelle ein! %%%

Schmelzflusselektrolyse © Kupfer © Grünspan © Hochofen © Aluminium © Linz-Donawitz © Eisen © Erz © Bauxit

Verbindung mit Metall

Verfahren zur Metallgewinnung

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Metall

Ich bin sehr leicht, aber dennoch sehr hart. Mit mir lassen sich sehr widerstandsfähige Stähle herstellen. Das hat allerdings seinen Preis. Stahl, in dem ich enthalten bin, ist ca. 200mal so teuer wie normaler Stahl.

Ich bin eines der wenigen Metalle, die in der Natur gediegen vorkommen. Aufgrund meines schönen Glanzes wurde ich schon immer gerne als Schmuckmetall verwendet. Pro Jahr werden von mir etwa 3 000 t gefördert.

Eigentlich bin ich gar kein Metall, sondern gehöre zu den Halbmetallen. Die Masse der Erde besteht zu ca. 15 % aus mir. Ich werde aus Quarzsand gewonnen und spiele eine wichtige Rolle in der Computerindustrie.

Ich bin das dritthäufigste Element in der Erdkruste. Um mich aus Bauxit zu gewinnen, ist sehr viel elektrischer Strom erforderlich. Ich bin sehr leicht, aber dennoch sehr fest. Da ich leicht mit anderen Metallen legiert werden kann, bin ich Bestandteil vieler Werkstoﬀe.

Ich bin das schwerste nicht radioaktive Metall. Allerdings biete ich guten Schutz vor ionisierender Strahlung. Ich bin sehr weich und habe eine sehr niedrige Schmelztemperatur. Auch wenn es der Name vermuten lässt, bin ich in Schreibgeräten nicht enthalten.

Oly

Meine Farbe ist eigentlich keine typische „Metallfarbe“. Werde ich der Witterung ausgesetzt, werde ich grün. Ich leite den elektrischen Strom besonders gut, weshalb die meisten Kabel aus mir bestehen. Ich bin aber auch Bestandteil von Messing und Bronze.

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4) Wer bin ich? – Hier siehst du die Steckbriefe einiger Metalle. Finde heraus, um welches Metall es sich jeweils handelt, und schreib den Namen auf die freie Linie! %%%%

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Sicherlich hast du schon einmal mit Ton gearbeitet. Ton ist ein Material, das sich leicht formen lässt. Nach dem Trocknen wird der Ton hart. Er ist jedoch nicht wasserbeständig. Um ihn haltbar zu machen, muss er gebrannt werden. Was ist eigentlich Ton?

Woher hat Keramik ihre Farbe? Gebrannter Ton ist porös und saugt Wasser auf. Zur Versiegelung der Oberfläche kann eine Glasur aufgebracht werden. Dabei handelt es sich um eine Mischung verschiedener Mineralien, die beim Brennen miteinander verschmelzen. Die Glasur kann unterschiedliche Farben haben und kann noch zusätzlich mit speziellen Farben bemalt werden. Durch neuerliches Brennen wird die Farbe haltbar.

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Ton entsteht bei der Verwitterung von Silikatgesteinen. Meist ist er mit anderen Materialien wie Sand vermischt. Ton für die Herstellung von Gefäßen wird dort aus dem Boden gewonnen, wo er sehr rein vorkommt.

15. GRUNDSTOFFE FÜR DIE BAUINDUSTRIE

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Die Gesteinskörnchen in Ton sind sehr klein. Sie haben einen Durchmesser von rund 2 µm. Gemeinsam mit Wasser bilden sie eine weiche, formbare Masse. Was geschieht beim Brennen?

Wird der getrocknete Ton erhitzt, verdampft das restliche Wasser. Bei hohen Temperaturen von bis zu 1 400 °C schmelzen die Silikatkristalle. Sie bilden beim Abkühlen an den Grenzen zwischen den Körnchen, aus denen der Ton besteht, neue Kristalle. Diese halten die Körnchen zusammen. Das neu entstandene Material wird Keramik genannt. Es ist hart und wasserfest.

gebrannte Keramik

Porzellan

Porzellan ist eine besondere Form der Keramik. Das Ausgangsmaterial dafür ist eine Mischung aus den Silikaten Kaolin, Feldspat und Quarz. Die Korngröße der Teilchen ist geringer als bei Ton. Aus Porzellan wird vor allem feines Essgeschirr hergestellt. In der Elektrotechnik spielt Porzellan als Isolator eine große Rolle. So sind die Hüllen von Schmelzsicherungen in einem Sicherungskasten aus Porzellan.

Aus Lehm werden Ziegel

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Lehm ist eine natürliche Ablagerung von Sand und feineren Materialien, die unter anderem auch Ton enthält. Er kommt in großen Mengen vor und wird schon seit Jahrtausenden als Baumaterial genutzt.

Heute werden aus ihm Ziegel hergestellt. Der Lehm wird in Formen gegossen, getrocknet und anschließend gebrannt. Ziegel werden zum Hausbau verwendet. Je nachdem, wofür sie verwendet werden, können Ziegel sehr unterschiedlich aussehen.

Welche Berufe kennst du, die sich mit Keramik beschäftigen?

Schmelzsicherung

Form: hier p Hülle, in die etwas gegossen werden kann

Rohstoffe und ihre Verarbeitung Gips – ein schnell härtender Baustoﬀ

Wird Gips auf ca. 110 °C erhitzt, geht ein Großteil des Kristallwassers verloren. Man spricht dann von „gebranntem Gips“. Dieser wird zu feinem Pulver zermahlen und kann in jedem Baumarkt gekauft werden. Verrührt man das weiße Gipspulver mit Wasser, entsteht zunächst eine dickflüssige Paste. Der Gips nimmt das Wasser als Kristallwasser wieder auf. Dabei bilden sich Gipskristalle. Deshalb wird der Gips innerhalb weniger Minuten hart und muss rasch verarbeitet werden.

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Wozu wird Gips verwendet? Mit Gips kann man Risse und Spalten in Wänden beseitigen. Platten aus Gipskarton eignen sich zum Errichten von Wänden im Inneren von Gebäuden. Will man Gips im Freien verwenden, muss man seine Oberfläche vor Wasser schützen. Als „Stuck“ dient er zum Verzieren von Wänden und Decken.

Gips kommt als Mineral sehr häufig vor. Chemisch gesehen handelt es sich bei Gips um Calciumsulfat (CaSO4). Allerdings besitzt Gips eine Besonderheit. In seinem Kristallgitter sind Wassermoleküle eingebaut. Daher lautet seine Formel CaSO4 • 2H2O. Dieses Wasser, das im Gipskristall gebunden ist, nennt man Kristallwasser.

Verarbeitung von Gips

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Kalk bildet Gebirge

Kalk ist die umgangssprachliche Bezeichnung für Calciumcarbonat (CaCO3). Dieses ist ein Salz der Kohlensäure. Kalk ist eine der am weitesten verbreiteten chemischen Verbindungen auf der Erde. So bestehen viele Gebirge aus Kalk.

schroﬀ: spitz, mit scharfen Kanten

Tropfstein: Wenn Wassertropfen an der Höhlendecke verdunsten, bleibt der gelöste Kalk zurück. Mit der Zeit bilden sich Kalkzapfen, die Tropfsteine.

Doline: kreisförmige Senke, die durch den Einsturz einer darunterliegenden Höhle entstanden ist

Wie kommt der Kalk ins Kalkgestein?

Viele Lebewesen sind in der Lage, Calcium-Ionen aus ihrer Umgebung aufzunehmen und aus diesen Kalk zu bilden. Deine Knochen und Zähne sowie die Schalen von Muscheln, Schnecken und Korallen bestehen aus diesem harten Material. Aber auch viele im Wasser lebende Mikroorganismen lagern Kalk in ihre Schalen ein.

Sterben diese Lebewesen ab, sinken ihre harten aus Kalk bestehenden Teile auf den Meeresgrund und bilden dort dicke Schichten von Ablagerungen. Mit der Zeit wird aus diesen Schichten Kalkstein, der bei der Gebirgsbildung an die Erdoberfläche kommt. Kalk wird durch Säuren gelöst. Auch die Kohlensäure, die sich aus dem CO2 der Luft und Regenwasser bildet, greift Kalk an, sodass dieser verwittert. Duch Kohlensäureverwitterung entstehen in Kalkgebirgen sogenannte Karsterscheinungen.

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Karsterscheinungen:

schroﬀe Landschaftsformen (Dachsteinmassiv, OÖ/Sbg/Stmk)

Tropfsteinhöhle (Grasslhöhle, Stmk)

Doline (Mexiko)

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Kalkstein ist ein sehr hartes, widerstandsfähiges Material. Daher wurden viele Bauwerke aus Kalksteinblöcken errichtet, die man in Steinbrüchen aus dem Berg geschnitten hatte. Die Blöcke wurden jedoch nicht einfach übereinander geschichtet. Um sie vor dem Verrutschen zu sichern und um Lücken zwischen ihnen aufzufüllen, verwendete man ebenfalls Kalk.

Aus Kalk wird Mörtel wird Kalk

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Wird Kalkstein auf eine Temperatur von über 900 °C erhitzt, so wird von den CaCO3-Molekülen Kohlenstoﬀdioxid abgespaltet und es bleibt Calciumoxid (CaO) zurück.

Kalk als Baumaterial

Kalksteinbruch bei Villach (Ktn)

CaCO3 → CaO + CO2

Was ist Marmor? Gelangt Kalkstein in tiefere Schichten der Erdkruste, so wandelt er sich unter dem hohen Druck und der hohen Temperatur in Marmor um.

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Dieses bezeichnet man als „Branntkalk“, da dieser Stoﬀ beim Brennen von Kalkstein entsteht. Vor der weiteren Verarbeitung muss er „gelöscht“ werden. Dazu wird er mit Wasser verrührt. Es entsteht Calciumhydroxid (Ca(OH)2).

CaO + H2O → Ca(OH)2

Die Reaktion beim Löschen verläuft sehr heftig. Dabei wird eine große Wärmemenge abgegeben, welche die Flüssigkeit zum Brodeln bringen kann. Da der entstehende „Löschkalk“ basisch und sehr ätzend ist und bei Kontakt mit den Augen zum Erblinden führen kann, muss man beim Löschen sehr vorsichtig sein. Mischt man Löschkalk mit Sand, entsteht Mörtel. Dieser kann zum Verbinden von Ziegeln verwendet werden. Das Calciumhydroxid reagiert mit dem Kohlenstoﬀdioxid der Luft und es entsteht wieder Kalk (CaCO3). Bei diesem Prozess wird Wasser abgegeben.

Versuch Führt das Experiment „Kalk brennen und löschen“ auf S. 150 durch!

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Die entstehenden Kalkkristalle verbinden die Sandkörner.

brodeln: Gasblasen bilden

CaCO3

Kalkkreislauf

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Kalk

Kalkstein

CaCO3

Löschkalk

shärten Au

CaCO3 → CaO + CO2

Löschen

Ca(OH)2

Brennen

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Branntkalk CaO

CaO + H2O → Ca(OH)2

Rohstoffe und ihre Verarbeitung Beton – ein vielseitiger Baustoﬀ Sicher hast du schon Bauwerke aus Beton gesehen. Dieser Baustoﬀ wird heute auf fast allen Baustellen eingesetzt.

Schotter: Mischung aus Steinen, Kies

Doch was ist Beton?

Beton ist eine Mischung aus Zement und Sand oder Schotter. Der Zement dient dabei als Bindemittel.

Zement – eine Stoﬀmischung

Anders als Kalkmörtel benötigt Beton zum Aushärten keine Luft. Vielmehr kommt es zu einer chemischen Reaktion mit Wasser. Die dabei entstehenden feinen nadelförmigen Kristalle verhaken sich untereinander und sorgen so für eine feste Verbindung der Bestandteile. Beton härtet daher auch unter Wasser aus.

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Staumauer in Kaprun (Sbg) aus Stahlbeton

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Zement wird aus Kalkstein, Ton und Gips hergestellt. Zunächst werden Kalkstein und Ton zerkleinert und bei ca. 1 450 °C gebrannt. Der dabei entstehende Zementklinker wird auf etwa 200 °C abgekühlt und gemeinsam mit Gips zu einem feinen grauen Pulver zermahlen. Dieses kann anschließend mit Wasser und Sand bzw. Schotter zu Beton vermischt werden.

Stahl macht Beton noch fester

Versuch

Führt das Experiment „Kristallgarten“ auf S. 151 durch!

Beton kann zwar sehr große Druckkräfte aufnehmen, allerdings hält er nur sehr geringe Zugkräfte aus. Gebäude, die aus Beton errichtet worden sind, würden daher bei Erschütterungen sehr leicht Risse bekommen. Um die Festigkeit von Beton zu erhöhen, werden daher meist Stahlgitter oder Stahlstäbe in den Beton eingegossen. Beton mit einer solchen Stahlverstärkung nennt man Stahlbeton.

Herstellung von Stahlbeton

Wo hast du schon Bauwerke aus Beton gesehen?

Mit Stahlbeton lassen sich auch Bauwerke wie Brücken oder Hochhäuser errichten.

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Abbinden von Baustoﬀen:

Bei Baustoﬀen wie Ton, Gips, Kalkmörtel und Beton sorgen verschiedene chemische Prozesse dafür, dass Kristalle entstehen. Diese sorgen für die Festigkeit des Materials. Bei Stahlbeton wird diese durch Stahlgitter oder -stäbe noch erhöht.

Baustoﬀ

braucht

Vorgang

Ton

Temperatur

Silikatkristalle schmelzen bei 1 400 °C und bilden beim Erstarren neue Kristalle.

Gips

Wasser

nimmt Kristallwasser auf und bildet Gipskristalle.

Kalk

Luft

Calciumhydroxid bildet mit Kohlenstoﬀdioxid Calciumcarbonatkristalle.

Zement

Wasser

Bei chemischer Reaktion mit Wasser entstehen nadelförmige Kristalle.

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

16. AUS SILIKATEN WIRD GLAS

Glas ist ein Material, das sehr vielseitig eingesetzt wird. Du kennst es in Form von Fensterscheiben oder als Flaschen und Trinkgefäße. Glas ist ein sehr alter Werkstoﬀ, bereits vor 3 500 Jahren wurden in Ägypten Gefäße daraus hergestellt.

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Das Auﬀälligste an Glas ist, dass es Licht durchlässt. Auch manche natürlich vorkommende Kristalle wie der Quarz (SiO2) sind lichtdurchlässig. Quarzsand besteht aus winzigen Quarzkristallen. Jeder einzelne Kristall ist durchsichtig, insgesamt wirkt der Sand jedoch weiß.

Quarzsand

Kann man aus Quarz Glas herstellen?

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Quarzsand schmilzt bei ca. 1 700 °C. Flüssiges Quarz kann in Formen gegossen werden und bleibt nach dem Erstarren durchsichtig. Auf diese Weise wird Quarzglas hergestellt. Allerdings wird reiner Quarz aufgrund der hohen Schmelztemperatur kaum zur Glasherstellung verwendet. Gibt man zum Quarzsand jedoch als Flussmittel Metalloxid-Pulver hinzu, sinkt die Schmelztemperatur sehr stark ab. Durch Beigabe von Soda (Na2CO3) schmilzt das Gemisch bereits bei 1 400 °C.

Nachdem das so entstandene Glas erstarrt ist, hat es sich verändert. Das Abkühlen der Schmelze erfolgt sehr rasch, sodass sich keine Quarzkristalle bilden könnten. Im Glas sind die SiO2-Moleküle ungleichmäßig verteilt und mit den Metallatomen vermischt. Je nachdem, welche Zusatzstoﬀe dem Quarz beigegeben werden, entstehen unterschiedliche Glassorten: Zusatzstoﬀ Keine (reiner Quarz) Kalk (CaCO3) Soda (Na2CO3)

Eigenschaften / Verwendung

Quarzglas

hohe Temperaturbeständigkeit / Hochtemperaturlampen, hitzebeständige Laborgeräte

Kalknatronglas

hohe Wärmeausdehnung / Trinkgläser, Flaschen, Fenster

Bleiglas

hoher Brechungsindex, hohe Dichte / wertvolle Trinkgläser, Schmuck

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Bleioxid (PbO)

Glassorte

Bortrioxid (B2O3)

Borsilikatglas

widerstandsfähig gegen Chemikalien, temperaturbeständig / feuerfestes Geschirr, Laborgeräte

„Normales“ Glas ist Kalknatronglas. Es macht etwa 90 % der weltweiten Glasproduktion aus. Sobald die Bestandteile zu Glas verschmolzen sind, hat dieses einen wesentlich geringeren Schmelzpunkt von ca. 900 °C. Daher kann es anschließend sehr leicht wieder geschmolzen und verarbeitet werden.

O Si

Struktur von Quarz: Tetraeder (jedes Sauerstoﬀatom ist mit zwei Siliziumatomen verbunden)

Flussmittel: Stoﬀ, der den Schmelzpunkt herabsetzt; bewirkt, dass der Stoﬀ bei einer niedrigeren Temperatur „fließt“

Überlegt gemeinsam! Wo überall wird Glas verwendet?

Wiederverwenden von Glas Altglas wird als wertvoller Rohstoﬀ aufgeschmolzen und erneut verarbeitet. Zum Aufschmelzen braucht man wesentlich weniger Energie als zum Herstellen von neuem Glas. Daher trägt das Sammeln von Altglas dazu bei, sowohl Rohstoﬀe als auch Energie zu sparen.

Rohstoffe und ihre Verarbeitung Wie entsteht buntes Glas?

Kobaltoxid färbt Glas blau. Chromoxid färbt Glas grün. Eisenoxid färbt Glas braun. Nickel- oder Manganoxid färbt Glas violett. Kohlenstoﬀ oder Schwefel färbt Glas gelb. Kupferoxid oder Gold färbt Glas rot.

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ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Durch Zugabe von weiteren Stoﬀen in die Schmelze kann Glas gefärbt werden:

Eigenschaften von Glas

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Im zähflüssigen Zustand kann Glas leicht bearbeitet werden.

Bei Glas gibt es keine fixe Erstarrungstemperatur. Das heißt, dass es beim Erstarren von flüssigem Glas keine Temperatur gibt, bei der es fest wird. Beim Abkühlen wird flüssiges Glas immer zähflüssiger, bis es schließlich wie ein fester Körper erscheint. Diese Besonderheit von Glas ist darauf zurückzuführen, dass Glas keine Kristallstruktur besitzt. Die Anordnung seiner Teilchen ist selbst im festen Zustand ähnlich wie in der Schmelze. Daher bezeichnet man festes Glas auch als „unterkühlte Schmelze“. Glas ist sehr hart. Bei Raumtemperatur ist es spröde und bricht leicht. Je nach Glassorte dehnt es sich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus. Daher kann normales Glas bei raschen Temperaturänderungen leicht springen. Glas ist auch wasser- und luftundurchlässig und leitet den elektrischen Strom nicht.

Versuch

Führt das Experiment „Herstellen einer Glasdüse“ auf S. 150 durch!

MILCHGLAS: Durch verschiedene Verfahren wird eine raue Oberfläche erzeugt. Dies bewirkt, dass das Licht nicht ungehindert hindurchtreten kann, sondern in alle Richtungen gestreut wird. Es wird in Fenstern verwendet, durch die zwar Licht fallen soll, die jedoch nicht durchsichtig sein sollen. Scheibe aus Milchglas

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Wo hast du schon verschiedene Glassorten kennen gelernt? Wo hast du schon einmal Panzerglas gesehen? Wofür dient es?

Besondere Gläser

Glas besteht aus Quarz, dem Metalloxide zugesetzt worden sind, um den Schmelzpunkt zu verringern. Glas wird beim Erhitzen zähflüssig und kann so leicht verarbeitet werden. Es gibt viele verschiedene Glassorten.

VERBUNDGLAS: Kunststoﬀfolien und dünne Glasschichten werden miteinander verklebt. Bricht das Glas, hält die Folie die Splitter zusammen. Die Windschutzscheiben von Autos bestehen aus Verbundglas. So entstehen bei einem Unfall keine gefährlichen Glassplitter. Manchmal wird auch ein Netz aus Metalldrähten in das Glas eingegossen, weil dieses Metallgeflecht die Festigkeit des Glases erhöht. PANZERGLAS: Dieses ist Verbundglas, das aus sehr vielen Schichten aufgebaut ist. Somit ist es besonders widerstandsfähig.

PHOTOTROPE GLÄSER: Diese enthalten Silberverbindungen, die sich bei starkem Lichteinfall verändern und das Glas dünkler werden lassen. Fällt kein Licht mehr ein, wird das Glas wieder durchsichtig. Solche Gläser werden z. B. in Brillen verwendet, die bei starkem Sonnenlicht zu Sonnenbrillen werden.

Rohstoffe und ihre Verarbeitung 81

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1. Kristalle bilden sich

3. Reaktion mit Wasser

11. Gipskristalle wird hergestellt aus: Ton

2. Silikatkristalle schmelzen

wird zu Baustoﬀ durch:

mp eV

Gips

5. Kalkstein

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7. Erhitzen

1) Baustoffe – Beweise dein Wissen über die unterschiedlichen Baustoﬀe, indem du die Zahlen der farbigen Kästchen richtig in die Tabelle setzt! %%%% Achtung: Manche Zahlen kommen mehrmals vor.

härtet aus durch:

dabei geschieht:

Kalk

Zement

4. Verwittertes Silikatgestein

8. Aufnahme von Kristallwasser

6. Kalkstein, Ton, Gips

9. Wasser wird abgegeben

10. Mischen mit Wasser

12. Reaktion mit CO2

2) Analyse mit Kalkwasser – Lies zunächst den Infotext und stelle danach die Reaktionsgleichung auf! %%%%

Oly

Info * Info * Info * Info * Info * Info

Kalkwasser kann verwendet werden, um CO2 nachzuweisen. Um Kalkwasser herzustellen, rührt man ein wenig Branntkalk in Wasser ein. Dabei bildet sich eine wässrige

Calciumhydroxid-Lösung. Diese Flüssigkeit wird gefiltert, sodass sie klar wird. Leitet man ein CO2-haltiges Gas durch klares Kalkwasser, kommt es zu einer Reaktion des

CO2 mit dem gelösten Calciumhydroxid. Dabei entsteht Calciumcarbonat, das zu einer Trübung des Kalkwassers führt.

Reaktionsgleichung: ______________ + _________

→ ____________ + ____________

82 Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Glas für alle Fälle – Hilf diesen Personen, das richtige Glas zu finden! %% Tipp: Die Glassorten im Kästchen helfen dir dabei.

Klaus, Juwelier: Ich würde gerne einen Glasstein einsetzen, der besonders schön funkelt.

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Julia, Ärztin: Was soll ich nur machen, damit man von außen nicht in mein Badezimmer sehen kann?

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Quarzglas © Kalknatronglas © Bleiglas © Verbundglas © Milchglas © Phototropes Glas

Gerhard, Chemiker: Was mache ich bloß, damit die Gläser beim Erhitzen nicht zerspringen?

Dein Tipp: __________________________________

Oly

Kim, Lehrerin: Ich möchte nicht immer die Brille wechseln, wenn ich bei starker Sonnenstrahlung ins Freie gehe.

Dein Tipp: __________________________________

Carina, Journalistin: Ich werde hier eine neue Fensterscheibe einsetzen müssen.

Dein Tipp: __________________________________

Murat, Textilhändler: Ich brauche eine Schaufensterscheibe, die meinen Laden besser vor Einbrechern schützt.

Dein Tipp: __________________________________

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

17. DIE CHEMISCHE INDUSTRIE

Chemische Vorgänge spielen in der Geschichte der Menschheit eine große Rolle. Bereits vor tausenden von Jahren wurden Erze abgebaut, um daraus Metalle zu gewinnen. Die Anfertigung von Keramikgefäßen aus Ton ist eine Technologie, die man schon lange kennt, ebenso wie die Herstellung von Seife, Käse oder Alkohol. Jedoch wurden bis ins 18. Jh. solche Produkte nur in kleinen Mengen angefertigt.

BASF: Badische Anilin- & SodaFabrik Anilin: Grundstoﬀ für die Herstellung von Farben

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Im Jahr 1746 wurde in England die erste chemische Fabrik in Betrieb genommen. In ihr wurden große Mengen von Schwefelsäure hergestellt. Anfang des 19. Jh. folgten dann Fabriken für Soda, das für die Produktion von Glas benötigt wurde. Ab diesem Zeitpunkt entwickelte sich die chemische Industrie rasch weiter. Immer neue Verfahren zur Herstellung neuer chemischer Verbindungen wurden entdeckt und Fabriken zu deren Produktion errichtet.

die deutsche Chemiefabrik BASF, 1881

Mit der Industriellen Revolution entwickelte sich auch die chemische Industrie rasch weiter. Die heutige chemische Industrie stellt Produkte für viele unterschiedliche Anwendungsbereiche her.

Die chemische Grundstoﬃndustrie

Viele chemische Elemente oder Verbindungen werden in großen Mengen benötigt, um daraus andere Verbindungen herzustellen. Von diesen „Grundchemikalien“ werden in großen Industriebetrieben jedes Jahr Millionen von Tonnen produziert. Diese werden dann über weite Strecken zu anderen Betrieben der chemischen Industrie transportiert.

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Die Grundchemikalien, von denen weltweit die größten Mengen benötigt werden, sind Chlor (Cl2), Natronlauge (NaOH), Schwefelsäure (H2SO4), Ammoniak (NH3), Salzsäure (HCl) und Natriumcarbonat (Na2CO3).

Die Welt wird bunt: die Farbstoﬃndustrie

Vor der Industriellen Revolution kannte man nur natürlich vorkommende Farbpigmente wie Purpur oder Sepia. Ein Schwerpunkt der chemischen Industrie war zu Beginn die Herstellung von synthetischen Farbstoﬀen. Heute werden diese chemische Verbindungen von großen Industriebetrieben produziert, die auch zahlreiche andere Produkte herstellen. Tintenfisch, stößt bei Gefahr eine „Tintenwolke“ aus

Wie werden Chemikalien transportiert? Sie werden vor allem in Tanklastwägen oder in Eisenbahnwaggons transportiert. Auf diesen muss zu erkennen sein, welche Chemikalie in ihnen enthalten ist. So wissen bei einem Unfall die Rettungskräfte, wie sie vorzugehen haben und wie die Bevölkerung vor Schäden geschützt werden kann.

Immer wieder kommt es zu Unfällen beim Transport von Chemikalien. Recherchiere im Internet über solche Unfälle! Welche Chemikalien waren beteiligt und welche Schäden sind entstanden? Pigment: Stoff, der anderen Stoffen Farbe verleiht Purpur: roter Farbstoff, der aus der Purpurschnecke gewonnen wird Sepia: braun-schwarzer Farbstoff des Tintenfisches; wird auch als Malfarbe oder zum Färben von Teigwaren verwendet synthetisch: künstliche hergestellt

Rohstoffe und ihre Verarbeitung Chemie für die Körperhygiene: die Waschmittelindustrie

Seifenherstellung aus Fett

Heutige Wasch- und Reinigungsmittel sind aus vielen Bestandteilen zusammengesetzt. Diese dienen dazu, die Oberflächenspannung von Wasser herabzusetzen oder eine besondere Art von Schaum zu bilden. Auch Geruchsstoﬀe werden beigesetzt, um z. B. nach dem Haarewaschen „gut zu riechen“. Weltweit werden jedes Jahr mehr als 20 Mio. Tonnen Waschmittel produziert.

Chemie für die Landwirtschaft: die Düngemittelindustrie Pflanzen benötigen für ihr Wachstum Stickstoﬀ, den sie jedoch nicht direkt aus der Luft gewinnen können. Sie benötigen ihn in Form von Nitraten. Diese wurden früher in Form von Mist auf den Feldern ausgebracht.

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Was geschieht mit den Wasch- und Reinigungsmitteln? Diese chemischen Verbindungen gelangen zum Großteil ins Abwasser. Sie belasten die Umwelt und müssen in Kläranlagen wieder aus dem Abwasser entfernt werden. Daher sollte man solche Stoﬀe möglichst sparsam einsetzen.

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Massenartikel: Produkt, das von einem großen Teil der Bevölkerung gekauft wird

Früher kannte man nur Seife als Waschmittel. Diese war allerdings sehr teuer. Mit der Herstellung von Soda in großen Mengen, mit dem Öle und Fette in Seife umgewandelt werden können, wurde Seife zu einem Massenartikel.

Mist: organische Abfälle wie Ausscheidungen von Tieren oder Pflanzenreste

nachwachsende Rohstoﬀe: Rohstoﬀe, die aus Tieren oder Pflanzen gewonnen werden

Kunstdünger wird ausgebracht.

Anfang des 20. Jh. wurden jedoch Verfahren entwickelt, die die Herstellung der StickstoﬀVerbindung Ammoniak möglich machten. Aus dieser chemischen Verbindung konnten in der Folge Düngemittel künstlich hergestellt werden, die die Feldpflanzen mit Nitraten versorgten. Heute werden mehr als 100 Mio. Tonnen Stickstoﬀdünger jährlich verwendet.

Chemie als Pflanzenschutz: Pestizide und Herbizide Vor allem in der Landwirtschaft kommen zahlreiche Chemikalien zum Einsatz. Diese… ƒ töten unerwünschte Pflanzen („Unkraut“) ab. ƒ bekämpfen unerwünschte Tiere („Schädlinge“). ƒ verhindern das Ausbreiten von Pilzen.

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Durch den Einsatz dieser Stoﬀe soll der Ertrag gesteigert werden. Weltweit werden dazu in der Landwirtschaft jährlich Chemikalien im Wert von ca. 40 Milliarden Euro eingesetzt.

Die chemische Industrie erzeugt zahlreiche Produkte, die wir täglich benötigen. Zur chemischen Industrie zählen die Grundstoffindustrie, die Farbstoffindustrie, die Waschmittelindustrie, die Düngemittelindustrie, die Pharmaindustrie sowie die Kunststoffindustrie.

Chemie für die Gesundheit: die Pharmaindustrie

Zahlreiche unterschiedliche Verfahren dienen zur Herstellung von chemischen Verbindungen, mit denen Krankheiten behandelt werden können. Die pharmazeutische Industrie erzeugt jährlich Produkte im Wert von mehr als 700 Milliarden Euro.

Erzeugung neuer Stoﬀe: die Kunststoﬃndustrie

Mithilfe chemischer Verfahren können Stoffe hergestellt werden, die es in der Natur nicht gibt. Für die Herstellung vieler dieser Stoffe wird Erdöl benötigt. In den letzten Jahren kommen jedoch auch vermehrt nachwachsende Rohstoffe zum Einsatz.

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

18. ROHSTOFFE UND IHRE WIEDERVERWENDUNG

Für die Herstellung von Gegenständen des täglichen Lebens sind zahlreiche unterschiedliche Rohstoﬀe erforderlich. Diese werden aus natürlichen Vorkommen gewonnen. Für deren Gewinnung und Verarbeitung ist viel Energie notwendig. Häufig wird dabei die Umwelt beeinträchtigt und es fallen umweltschädliche Abfälle an.

Österreich war eines der ersten Länder, in denen die Trennung von Abfall konsequent umgesetzt wurde. So wird bei uns heute ein großer Teil der Altstoﬀe wieder verwendet. Auf diese Weise können große Mengen an Energie und Rohstoﬀen eingespart werden.

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Altmetalle als wertvolle Rohstoﬀe

Wie entsorgt man große Metallteile? In den meisten Ortschaften und Städten gibt es Sammelstellen, zu denen auch größere Mengen an Metallabfällen oder Maschinen gebracht werden können.

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Irgendwann landet jeder dieser Gegenstände im Müll und muss entsorgt werden. Jedoch ist Müll nicht wertlos. Viele der Rohstoﬀe können aus dem Müll wiedergewonnen werden. Auf diese Weise können die natürlichen Ressourcen und die Umwelt geschont werden.

konsequent: zielgerichtet

Wie du schon gehört hast, ist für das Gewinnen von Metallen aus Erzen viel Energie erforderlich. Gerade Metalle können jedoch sehr leicht wiederverwendet werden. Nach dem Einschmelzen eines Stückes Eisen können daraus neue Eisenprodukte hergestellt werden. Wie genau funktioniert die Altmetallsammlung?

Sicherlich hast du schon Sammelbehälter für Altmetall gesehen. Gegenstände aus Metall, die du nicht mehr benötigst, können dort entsorgt werden. Auch wenn du nicht weißt, aus welchem Metall diese Gegenstände sind, kannst du sie in den Sammelbehälter werfen.

Wo gibt es bei dir in der Nähe eine Sammelstelle für Altmetall? Erkundige dich!

Was gehört in die Altmetallsammlung? ƒ Konservendosen ƒ Metallfolien ƒ Kochgeschirr ƒ Werkzeug ƒ Kabel, Drähte ƒ Getränkedosen ƒ Armaturen ƒ Rohre ƒ Metallverschlüsse

Der Sammelbehälter wird regelmäßig entleert. Sein Inhalt wird anschließend sortiert:

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ƒ Mit einem Magneten werden Gegenstände aus Eisen ausgesondert. Das Eisen gelangt in ein Stahlwerk, wo es dem Roheisen beigemengt und erneut aufgeschmolzen wird. Aus dem so erzeugten Stahl werden z. B. Teile von Eisenbahnen und Fahrzeugen oder Stahlgitter für Stahlbeton hergestellt. ƒ Das Aluminium wird ebenfalls eingeschmolzen. Zum Einschmelzen und erneuten Verwenden von altem Aluminium sind nur etwa 5 % der Energie erforderlich, die man zum Gewinnen von neuem Aluminium benötigen würde. Etwa ein Drittel des in Österreich produzierten Aluminiums stammt aus Altmetall.

ƒ Besonders wertvolle Rohstoﬀe sind Buntmetalle. Dazu zählen Kupfer, Nickel, Blei, Zinn, Zink aber auch die Legierungen Messing oder Bronze. Diese werden ebenfalls eingeschmolzen und erneut zur Herstellung von Geräten verwendet. In Österreich werden etwa 90 % des Kupfers recycled.

Was gehört NICHT in die Altmetallsammlung? ƒ Lack- und Spraydosen ƒ Farb- und Öldosen ƒ Elektrogeräte ƒ Große Metallteile

Magnet in einem Recyclingcenter

Buntmetalle: Metalle, die so wie Kupfer farbig sind oder farbige Legierungen wie Messing oder Bronze bilden

Rohstoffe und ihre Verarbeitung Neue Flaschen aus altem Glas

Wo gibt es bei dir in der Nähe eine Sammelstelle für Altglas? Erkundige dich!

So wie Metalle kann auch Glas wieder eingeschmolzen werden, um neue Glasprodukte daraus zu erzeugen. Bei Glas muss jedoch darauf geachtet werden, weißes Glas von buntem Glas zu trennen. Denn nur aus weißem Glas kann wieder weißes Glas hergestellt werden. Da Glas mehrmals eingeschmolzen werden kann, durchläuft es immer wieder einen Kreislauf:

1 Glas wird in Altglas-

behältern gesammelt. Dabei werden Weiß- und Buntglas getrennt.

9 Die Glasscherben

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werden aufgeschmolzen, daraus entstehen neue Produkte aus Glas.

2 Auf einem Förderband werden mit Magneten eisenhaltige Fremdkörper wie Verschlüsse entfernt.

8 Die Glasscherben

7 Nach einer

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werden gereinigt.

händischen Nachsortierung werden nochmals eisenhaltige Fremdkörper mit einem Magneten entfernt.

3 Anschließend werden händisch größere Fremdkörper aussortiert.

4 In einem „Brecher“ wird das Glas zerkleinert. Die Scherben sind dann kleiner als 15 mm.

6 Die Glassplitter werden durch-

leuchtet. Lichtundurchlässige Fremdkörper wie Aluminium oder Keramik werden automatisch aussortiert.

5 Durch einen Luftstrom werden Fremdkörper, die leichter als Glas sind, abgesaugt.

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Flaschen aus weißem Glas bestehen zu ca. 60 % aus Altglas. Grüne Glasflaschen sogar zu 95 %. Durch das gesammelte Altglas können österreichweit ca. 250 000 Tonnen an Quarzsand und anderen Ausgangsstoﬀen eingespart werden.

Was gehört in die Altglassammlung?

ACHTUNG: Glas muss in Weiß- und Buntglas getrennt werden! Auch leicht gefärbtes Glas zählt zum Buntglas!

ƒ Einwegflaschen und Konservengläser ƒ Kondensmilch- und Limonadenflaschen ƒ Glasbehälter ƒ Wein- und Spirituosenflaschen

Was gehört NICHT in die Altglassammlung? ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Schraubverschlüsse, Kapseln, Korken Keramik, Porzellan Kunststoﬀflaschen Spiegel- und Fensterglas Glühbirnen Kristallglas

Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Bauschutt wird wieder verwendet

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Aber auch das restliche Material kann erneut beim Errichten von Bauwerken verwendet werden. Es wird von der Baustelle in eine sogenannte Brechanlage transportiert. Dort wird das Material zerkleinert. Bei diesem Vorgang können auch die Eisenteile aus Stahlbeton gewonnen werden. Je nachdem, aus welchen Materialien das Abbruchmaterial besteht, kann es für verschiedene Zwecke verwerdent werden.

Estrich: fester Untergrund, auf dem ein Bodenbelag verlegt werden kann

Beim Abbruch von Häusern, Brücken oder Straßen fallen große Mengen an Abfall an. Bereits beim Abbruch muss darauf geachtet werden, dass wertvolle Materialien wie das Kupfer der Elektroleitungen oder andere im Bauwerk verwendeten Metalle von anderem Abbruchmaterial getrennt werden.

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ZIEGEL: Zerkleinerte Ziegel werden dem Lehm beigemengt, aus dem neue Ziegel hergestellt werden. Bei der Herstellung von Beton verringern sie den Bedarf an Sand und Schotter. Solcher Beton wird z. B. zum Herstellen eines Estrichs verwendet.

BETON: Zerkleinerter Beton kann anstelle des Schotters ebenfalls bei der Betonproduktion verwendet werden. Er wird in Künetten auch als Füllmaterial beim Verlegen von Leitungen und Rohren in der Erde genutzt. Ein weiteres Einsatzgebiet von recycletem Beton ist der Straßenbau. Dort wird zunächst eine Schicht aus Schotter aufgeschüttet, bevor der eigentliche Straßenbelag aus Asphalt, Beton oder Pflastersteinen aufgebracht wird. Zerkleinerter Beton kann den Schotter ersetzen.

Recycle-Beton im Straßenbau

NATURSTEIN: Dieser kann entweder direkt verwendet oder zu Schotter verarbeitet werden.

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ASPHALT: Asphalt ist eine Mischung aus Bitumen und Schotter. In heißem Zustand ist Asphalt zähflüssig und kann als Straßenbelag aufgetragen werden. In kaltem Zustand ist er dann hart.

Beim Erneuern von Straßenbelag fallen große Mengen an zerkleinertem Asphalt an. Dieser kann bei der Erzeugung von neuem Asphalt beigemischt oder anstelle des Schotters unterhalb der Fahrbahn eingesetzt werden.

Aufbringen von Asphalt

Verlegen eines Estrichs Künette: Graben, in dem Leitungen und Rohre verlegt werden

Wie wird ein Gebäude abgerissen? ƒ Bewegliche Gegenstände wie Möbel werden entfernt. ƒ Heizungsanlagen, Fenster und sanitäre Anlagen (Badewannen, Waschbecken) werden abgebaut. ƒ Das Haus selbst wird abgebrochen. ƒ Große Eisenteile und Holz werden gesondert entsorgt. ƒ Der restliche Bauschutt kommt in die Brechanlage. Dort werden die restlichen Metalle wiedergewonnen.

Wenn du schon einmal beim Abbruch eines Hauses zugesehen hast, berichte darüber! Bitumen: zähflüssige aus Erdöl hergestellte Masse

Rohstoffe und ihre Verarbeitung Aus Papier wird wieder Papier

Führt das Experiment „Recyclingpapier“ auf S. 142 durch!

Zunächst wird das Papier zerkleinert und mit Wasser vermischt. Danach werden die Farbstoﬀe, mit denen das Papier bedruckt ist, entfernt. Anschließend kann aus dem Papierbrei neues Papier hergestellt werden. Zeitungspapier und Karton bestehen fast ausschließlich aus Altpapier. Auch Kopierpapier und WC-Papier werden vorwiegend aus recyletem Papier erzeugt.

Was gehört ins Altpapier?

Was gehört NICHT ins Altpapier?

ƒ ƒ ƒ ƒ

ƒ Verbundwerkstoﬀe wie Milch- und Getränkepackerl ƒ verschmutztes oder fettiges Papier ƒ beschichtete Kartonverpackungen

Zeitungen und Zeitschriften Bücher und Hefte Schreibpapier unbeschichteter Karton

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Palette: Plattform zum Lagern und Transportieren von Waren

Versuch

Auch Altpapier ist ein wertvoller Rohstoﬀ. Aus ihm wird wiederum Papier hergestellt. Der Energie- und Wasseraufwand dazu ist geringer als der zur Produktion von neuem Papier aus natürlichen Rohstoﬀen wie Holz.

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Verbundwerkstoﬀe: hier p Verpackungsmaterial, das aus mehreren Schichten besteht

Kunststoﬀe als Rohstoﬀe

Die meisten Kunststoffe werden aus Erdöl erzeugt. Durch spezielle Verfahren können Kunststoffabfälle wieder so zerlegt werden, dass Bestandteile des Erdöls daraus entstehen. Kunststoffe haben einen hohen Heizwert. Verschmutzte Kunststoffe werden daher auch verbrannt, um aus ihnen Wärmeenergie zu gewinnen. In österreichischen Gemeinden werden Kunststoffe gesammelt, um sie erneut zu verwenden. Allerdings gibt es von Gemeinde zu Gemeinde Unterschiede, was in den „gelben Sack“ oder die „gelbe Tonne“ gehört.

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Recycling in Österreich ƒ Ca. 70 % des in Österreich verbrauchten Papiers werden gesammelt. Das entspricht einer Menge von ca. 1,2 Mio. t pro Jahr. ƒ Bei uns werden jährlich mehr als 200 000 t Kunststoﬀe wiederverwertet. Würde man diese Menge neu produzieren, würde man dazu 200 Mio. Liter Erdöl benötigen.

Aus Kunststoffabfällen können wieder Produkte aus Kunststoff hergestellt werden. Es gibt jedoch zahlreiche unterschiedliche Sorten von Kunststoffen. Die Kunstoffabfälle, die gesammelt werden, sind daher meist eine Mischung aus vielen Sorten. Oft sind sie auch noch unterschiedlich gefärbt, sodass der daraus gewonnene Kunststoff eine geringere Qualität hat. Aus diesem werden z. B. Lärmschutzwände oder Paletten hergestellt.

Erkundige dich, wie bei dir der Kunstoffmüll getrennt werden soll!

Getrennt gesammelt werden müssen auch …

Die Wiederverwendung von Rohstoffen spart Energie und schont die Umwelt. Wichtige Quellen für Rohstoffe sind Metalle, Glas, Bauschutt, Papier, Kunststoffe, Batterien, Textilien und Elektrogeräte.

ƒ Batterien: Aus ihnen können einzelne Bestandteile wiederverwendet werden. ƒ Textilien: Diese werden zur Produktion von neuen Textilien oder von Dämmmaterialien genutzt. ƒ Elektrogeräte: Diese enthalten zahlreiche wertvolle Stoﬀe. Müllsammelstellen nehmen diese Dinge entgegen und führen sie der weiteren Verwertung zu.

Rohstoffe und ihre Verarbeitung 89

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Chemische Industrie – Welches Produkt wird von welchem Zweig der chemischen Industrie hergestellt? Ordne mit Pfeilen zu! %%

Farbstofﬁndustrie

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Grundstofﬁndustrie

Waschmittelindustrie

Düngemittelindustrie

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Pharmaindustrie

Kunststofﬁndustrie

2) Mülltrennung – Kreuze zuerst an, was in welchen Sammelbehälter gehört! Die Buchstaben ergeben dann ein Lösungswort, das uns alle betriﬀt! %%%

Altpapier

Altglas

Altmetall

Restmüll

Getränkedose

PET-Flasche

Porzellan

Weinflasche

Kochgeschirr

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Kunststoﬀ

Putzmittelflasche

Milchpackerl

Spiegel

Heft

Farbdose

Zeitung

Plastiksackerl

LÖSUNGSWORT:

90 Rohstoffe und ihre Verarbeitung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

In einem „Brecher“ wird das Glas zerkleinert. Glas wird in Altglasbehältern gesammelt.

Die Glasscherben werden aufgeschmolzen.

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Die Glasscherben werden händisch nachsortiert.

3) Der Glaskreislauf – Hier sind die einzelnen Abschnitte des Glaskreislaufs durcheinandergekommen. Bringe sie in die richtige Reihenfolge, indem du die Zahlen von 1 bis 9 einsetzt! %%%

Magnete entfernen eisenhaltige Fremdkörper.

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Die Glasscherben werden gereinigt. Die Glasscherben werden durchleuchtet. Leichte Fremdkörper werden abgesaugt.

Große Fremdkörper werden per Hand aussortiert.

4) Die Kunststoffsortieranlage – Lies diesen Text und entscheide, an welche Stelle der Satz im Kästchen gehört! Kreuze die entsprechende Stelle an! %%%

Magnetische Metalle werden mit Magneten entfernt, andere Metalle werden aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit erkannt und ausgeworfen.

Kunststoﬀsortieranlage

Nach der Anlieferung wird der Kunststoffabfall gleichmäßig auf einem

Mit einem „Staubsauger“ werden Plastikfolien abgesaugt.

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Eimer entfernt.

Zunächst werden nicht verwertbare Teile wie Kanister oder

Metalle aussortiert. gedrückt.

Als nächstes werden

Im Perforator werden die verbliebenen Kunststoffflaschen angestochen und flach

Dadurch können auch Flüssigkeiten in den Flaschen ablaufen.

Sortierstation werden die Flaschen mit Licht bestrahlt. welchem Material jede Flasche besteht.

In der automatischen

Am reflektierten Licht kann erkannt werden, aus

Computergesteuerte Druckluftdüsen blasen die einzelnen

Flaschen vom Förderband und in Sammelboxen für das jeweilige Material.

Sobald eine Sammelbox voll

ist, wird ihr Inhalt zu einem Ballen gepresst und zur weiteren Verarbeitung gebracht.

Förderband verteilt.

CHEMIE-NEWS: Rohstoffe und ihre Verarbeitung

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Höhle der Kristalle, Person im Vordergrund als Größenvergleich

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Seit 1828 werden in der Nähe der mexikanischen Stadt Naica Blei, Zink und andere Metalle abgebaut. Doch berühmt wurde dieses Bergwerk im Jahr 2000. In einer Tiefe von 290 m fanden Bergarbeiter eine natürliche Höhle mit ca. 30 m Durchmesser, die zahlreiche riesige Gipskristalle enthält. Sie sind bis zu 14 m lang und bis zu 50 t schwer. Diese Kristalle sind die größten, die weltweit bekannt sind.

Die Höhle der Kristalle

Einwegspiegel: Gibt es die? Spiegel, die Licht in eine Richtung durchlassen, es in die andere jedoch reflektieren, gibt es nicht. Wenn man jedoch Glas sehr dünn mit Metalloxid beschichtet, lässt es einen Teil des Lichts durch, während ein Teil reflektiert wird – allerdings in beide Richtungen. Damit so ein Spiegel wie ein Einwegspiegel wirkt, muss es auf einer Seite viel heller sein als auf der anderen. Von der hellen Seite wirkt er dann wie ein „echter“ Spiegel, während er von der anderen Seite wie ein Fenster aussieht.

Bleiglasfenster sind nicht aus Bleiglas!

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Früher war es nicht möglich, große Fensterscheiben herzustellen. Um ein ganzes Fenster mit Glas zu versehen, musste man dieses daher aus vielen kleinen Glasstücken zusammensetzen. Die einzelnen Stücke wurden mit weichem Blei verbunden. Häufig verwendete man verschiedenfarbige Glasstücke, die zu Mustern angeordnet wurden. In Kirchen wurden die einzelnen Glasscheiben auch bemalt. Solche zusammengesetzte Fenster nennt man „Bleiglasfenster“, auch wenn die einzelnen Scheiben nicht aus Bleiglas, sondern aus Kalknatronglas bestehen.

Buchtipps Edgar Wawra, Helmut Dolznig, Ernst Müllner: Chemie verstehen (UTB, Stuttgart, 2009). Theodore Gray: Die Elemente: Bausteine unserer Welt (Komet Verlag GmbH, 2013). Robert Winston: Die aufregende Welt der Moleküle: So spannend kann Chemie sein (Dorling Kindersley, 2014). Thomas Wurm: Chemie für Einsteiger und Durchsteiger (Verdammt Clever!) (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012).

CHEMIE-NEWS: Rohstoffe und ihre Verarbeitung Gefahren durch die Chemieindustrie

Das Geheimnis der Spiegelerzeugung: Bei Verrat drohte die Todesstrafe

10. Juli 1976, Seveso (Italien): In Seveso, ca. 20 km nördlich von Mailand, ereignet sich ein schweres Unglück. Dabei treten große Mengen einer giftigen Substanz aus und werden durch den Wind weit verbreitet. Tausende Tiere sterben und viele Menschen erkranken. Es dauert Jahre, bis die Giftstoffe wieder entfernt werden können. Zahlreiche Gebäude rund um Seveso sind so sehr mit Gift belastet, dass sie abgerissen werden müssen.

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In der Antike stellte man Spiegel her, indem man Metallscheiben so lange polierte, bis sie völlig eben waren und das Licht reflektierten. Vor ca. 500 Jahren entdeckte man dann in Venedig, wie man Spiegel aus Glas herstellen konnte, das man mit Metallen beschichtete. Dieses Verfahren wurde lange geheim gehalten. Spiegelherstellern wurde unter Androhung der Todesstrafe verboten, dieses Geheimnis zu verraten.

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Römischer Spiegel aus Silber, ca. 2 000 Jahre alt

3. Dezember 1983, Bhopal (Indien): Mehrere Tonnen hochgiftiger Stoffe gelangen in die Atmosphäre und verseuchen ein riesiges Gebiet. Die genaue Zahl der Opfer ist nicht bekannt. Man schätzt, dass bis zu 25 000 Menschen durch das Gift starben und bis zu 500 000 verletzt wurden.

Chemische Industrie als Wirtschaftsmotor Die Entwicklung der weltweiten Wirtschaft verläuft nicht gleichmäßig. Immer wieder gibt es Zeiten, in denen sie sich besser entwickelt als in anderen. Die wirtschaftliche Entwicklung ist also ein ständiges Auf und Ab. Diese Schwankungen nennt man Wirtschaftszyklen. Neben kurzfristigen Schwankungen, die z. B. von Kriegen verursacht werden, gibt es auch sehr langfristige Wirtschaftszyklen, die jeweils 50 bis 60 Jahre dauern. Im Jahr 1926 erkannte der russische

Wirtschaftswissenschaftler Nikolai Kondratjew, dass jeder dieser Zyklen mit der Entwicklung neuer Technologien verbunden ist. Nach ihm nennt man diese Zyklen „Kondratjew-Zyklen“. Zwei von ihnen sind eng mit der chemischen Industrie verknüpft. Zu Beginn des 20. Jh. sorgte sie für einen starken Wirtschaftsaufschwung. Gegen Mitte des 20. Jh. war sie mit der Entwicklung von Kunststoffen, die aus Erdöl hergestellt werden, für den nächsten Zyklus mitverantwortlich.

Langfristige Wirtschaftszyklen und ihre Auslöser Dampfmaschine Eisenbahn Stahl

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Wasserkraft Textilien Eisen

1785

1845

Chemische Industrie Elektrizität Verbrennungsmotor

1900

Kunststoﬀe Elektronik Luftfahrt

1950

Digitale Netzwerke Software Neue Medien

1990

2020

Hast du das gewusst?

ƒ Zement hat ein „Ablaufdatum“. Er ist für ca. 3 bis 6 Monate haltbar, dann bewirkt die Luftfeuchtigkeit, dass er hart wird. ƒ Der Name „Zement“ leitet sich vom römischen Begriff „opus caementitium“ (opus: Werk; caementitium: Zuschlagstoff) her. Dieser auch als „römischer Beton“ bezeichnete Baustoff

bestand aus gebranntem Kalk, Sand, Wasser und Ziegelmehl. Viele der römischen Bauwerke, die bis heute erhalten sind, sind mit diesem Baustoff errichtet worden. ƒ Im Mittelalter ging das Wissen um den Beton verloren. In der Neuzeit wurde der Beton erst im Jahr 1755 wiederentdeckt.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

19. DAS ELEMENT KOHLENSTOFF

Wenn man den Begriff „Kohlenstoff“ hört, denkt man meist an Kohle. Tatsächliche enthält Kohle einen sehr hohen Anteil an Kohlenstoff (C). Wie ist Kohle entstanden?

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Bei der Inkohlung, also der Umwandlung von organischem Material in Kohle, unterscheidet man mehrere Phasen.

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Je höher der Kohlenstoﬀgehalt von Kohle ist, desto höher ist ihr Heizwert beim Verbrennen. Kohle wird vor allem im Tagbau abgebaut. Jährlich werden etwa 1 Mrd. Tonnen Braunkohle und 5,5 Mrd. Tonnen Steinkohle gefördert. Kohle wird jedoch nicht nur als Heizmaterial verwendet. Auch bei der Erzeugung von Eisen aus Eisenerzen spielt Kohle eine wichtige Rolle.

1. Vertorfung: Pilze und Bakterien wandeln die Bestandteile um, aus denen die Pflanzen bestehen. Auf diese Weise entsteht in Mooren aus Moospflanzen Torf. Der Kohlenstoffgehalt von Torf beträgt bis zu 60 %. 2. Braunkohle: Durch Ablagerung von Sedimenten über dem Torf wird dieser zusammengepresst. Der Wassergehalt nimmt ab und der Kohlenstoffgehalt nimmt zu. In Braunkohle beträgt er bis zu 70 %. 3. Steinkohle: Bei zunehmender Temperatur in tieferen Erdschichten wird der Wassergehalt weiter reduziert. Der Kohlenstoffgehalt steigt auf über 70 % an. Anthrazit ist Steinkohle mit besonders hohem Kohlenstoffgehalt. Er liegt bei über 90 %.

Reiner Kohlenstoﬀ: Grafit

Grafit ist Kohlenstoﬀ in Reinform. Er ist schwarz, sehr weich und ein guter elektrischer Leiter. An manchen Orten kommt Grafit natürlich vor. Auch in Österreich wird Grafit gefördert. In den 1960er-Jahren war Österreich mit 100 000 Tonnen pro Jahr sogar der zweitgrößte Grafitproduzent weltweit.

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In Grafit binden sich Kohlenstoﬀatome so aneinander, dass sie eine Schicht von regelmäßigen Sechsecken bilden. Die einzelnen Schichten sind untereinander nur sehr schwach aneinander gebunden und gleiten leicht aneinander ab.

Schichtaufbau von Grafit

Vor vielen Mio. Jahren existierten auf der Erdoberfläche riesige Wälder. Diese versanken in sumpfigem Boden. Im Laufe der Zeit ist aus dem Material dieser Pflanzen Kohle entstanden.

Die Mine der meisten Bleistifte besteht aus Grafit. Beim Schreiben lösen sich einzelne Schichten und bleiben am Papier haften. Grafit wird heute meist künstlich hergestellt. Dazu werden kohlenstoﬀhaltige Stoﬀe wie Kohle oder Erdöl verkokt.

Tagbau: Bergwerk, in dem etwas direkt an der Erdoberfläche abgebaut wird

Was sind Koks und Holzkohle? Kohle wird auf über 1 000 °C erhitzt. Beim Verkoken werden die flüchtigen Bestandteile entfernt, sodass fast reiner Kohlenstoﬀ, der Koks, übrig bleibt. Die dabei entstehenden Gase können zum Heizen verwendet werden. Holzkohle entsteht, wenn Holz unter Luftabschluss auf 275 °C erhitzt wird. Holzkohle besteht zu etwa 90 % aus Kohlenstoﬀ.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Kohlenstoﬀ ist das härteste Material der Welt

Umwandlung von Grafit zu Diamant

Gerät Kohlenstoﬀ ins Erdinnere, so ist er in einer Tiefe zwischen 150 und 660 km sehr hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt. Bei diesen Bedingungen kommt es zu einer Veränderung der Kristallstruktur. Ein neues Mineral ensteht: der Diamant.

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Durch die Umwandlung von Grafit zu Diamant kommt es zu einer Veränderung der Eigenschaften. Diamant ist nicht schwarz sondern durchsichtig. Das zuvor sehr weiche Grafit wird zur härtesten natürlich vorkommenden Substanz. Auch die elektrischen Eigenschaften ändern sich. Diamant leitet den elektrischen Strom nicht. Eine Eigenschaft bleibt jedoch erhalten: Sowohl Grafit als auch Diamant können verbrennen und werden dabei zu Kohlenstoﬀdioxid. Wo findet man Diamanten?

Nach ihrer Entstehung im Erdinneren gelangen Diamanten bei Vulkanausbrüchen an die Oberfläche. Das aus der erstarrten Lava gebildete Gestein schließt die Diamanten ein. Da dieses Gestein weicher ist, verwittert es auch rascher. Die Diamanten bleiben zurück und werden durch Regenwasser abtransportiert. Daher findet man Diamanten nur in der Nähe von alten Vulkanen. in Gestein eingeschlossener Diamant Diamanten werden in vielen Ländern Afrikas, in Russland, in Kanada, in Brasilien und in Australien gefördert.

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Wozu verwendet man Diamanten? Da Diamant das härteste Mineral ist, wird es zum Schleifen oder Bohren harter Materialien verwendet. Diamant hat einen besonders hohen Brechungsindex. Wenn Licht auf einen geschliﬀenen Diamanten, den man Brillant nennt, fällt, läßt ihn dies besonders schön funkeln. Diese Eigenschaft macht ihn zu einem begehrten Schmuckstein. Da reine Diamanten ohne störende Verunreinigungen sehr selten sind, gehören Diamanten zu den teuersten Edelsteinen.

geschliﬀene Diamanten: Brillanten

Die Härte von Mineralien

Zu Beginn des 19. Jh. entwickelte der Wissenschaftler Carl Friedrich Christian Mohs in Graz eine Methode, um die Härte von Mineralien zu ermitteln. Er legte zehn verschiedene Mineralien mit unterschiedlicher Härte fest, denen er die Härtestufen von 1 bis 10 zuordnete. Die Härte jedes anderen Minerals kann durch die Ritzprobe festgestellt werden. Beim Ritzen kratzt man mit einem Mineral über das andere. Das härtere hinterlässt einen Kratzer auf dem weicheren.

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Wo hast du den Begriﬀ „Karat“ schon gehört? Was wird noch in Karat angegeben?

Die Masse von Diamanten und anderen Edelsteinen wird in Karat angegeben. Ein Karat entspricht einer Masse von 0,2 g.

Kohle entsteht durch Inkohlung von Pflanzen und enthält einen hohen Anteil an Kohlenstoﬀ (C). Grafit ist reiner Kohlenstoﬀ. Durch eine Veränderung der Kristallstruktur entsteht aus Grafit Diamant.

Mineralien mit einer Härte von 1 bis 2 gelten als weich, von 3 bis 5 als mittelhart und darüber als hart.

Mohssche Härteskala: Härte

Mineral

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Talk Gips Kalkspat Flussspat Apatit Feldspat Quarz Topas Korund Diamant

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

20. KOHLENWASSERSTOFFE

Kohlenstoff ist ein vierwertiges Element. Ein Kohlenstoffatom kann also mit vier anderen Atomen eine Bindung eingehen. Eine der einfachsten Verbindungen, die Kohlenstoff eingeht, ist das Methan. In dieser Verbindung sind vier Wasserstoffatome durch Elektronenpaarbindung an ein Kohlenstoffatom gebunden.

Methan, der einfachste Kohlenwasserstoﬀ

Methan ist leicht entzündlich.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

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Methan (CH4) ist ein farbund geruchloses Gas, das mit dem Sauerstoﬀ der Luft leicht reagiert. Es ist leicht entzündlich und verbrennt mit bläulicher Flamme. Dabei entstehen CO2 und Wasserdampf.

Methanmodell

Das Methanmolekül ist wie ein Tetraeder aufgebaut. In der Mitte des Tetraeders befindet sich das Kohlenstoffatom, die vier Wasserstoffatome liegen an den Ecken des Tetraeders. Auf diese Weise haben die Wasserstoffatome den größtmöglichen Abstand voneinander.

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bläuliche Gasflamme

Bei der Darstellung des Methans wird jedoch meist die räumliche Struktur des Moleküls nicht berücksichtigt. Man zeichnet die einzelnen Atome so, als ob sie in einer Ebene liegen würden.

Strukturformel von Methan

Methan entsteht, wenn Bestandteile von Lebewesen, die Kohlenstoﬀ enthalten, unter Luftabschluss zersetzt werden. So bildet es sich in Sümpfen oder Mülldeponien, aber auch beim Verdauen in den Mägen von Tieren. Erdgas besteht vorwiegend aus Methan. Es wird zum Großteil als Brennmaterial für das Heizen oder Kochen verwendet. Ein geringer Teil des weltweit geförderten Methangases wird auch in der chemischen Industrie zu anderen Produkten verarbeitet.

Was sind „Schlagende Wetter“? Bergleute verstehen unter „Wetter“ Gase, die sich in Bergwerken befinden. Beträgt der Methangehalt zwischen 5 und 15 %, wird es gefährlich. Dann kann es zur Explosion der Gase kommen. Dann spricht man von „Schlagendem Wetter“.

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Methan entsteht jedoch auch bei der Umwandlung von Pflanzen zu Kohle. Daher ist häufig auch in Kohlebergwerken Methangas zu finden. Dort wird es „Grubengas“ genannt. Da es gemeinsam mit Luft ein hochexplosives Gemisch ergibt, treten immer wieder schwere Unfälle in Bergwerken auf. Bei Grubenlampen werden die heißen Verbrennungsgase durch ein Drahtgitter gekühlt. So kann austretendes Methangas nicht entzündet werden.

Methan hat einen Siedepunkt von -162 °C. Sein Schmelzpunkt liegt bei -182 °C. Methangas ist leichter als Luft und wird mit einem Druck von 200 bar in Stahlflaschen abgefüllt. Um z. B. auf Schiﬀen große Mengen von Methan zu transportieren, wird dieses jedoch auf unter -162 °C gekühlt und so verflüssigt.

Versuch Führt das Experiment „Steinkohlenteer“ auf S. 152 durch!

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Kohlenstoﬀ bildet Ketten

Mehrere Kohlenstoffatome können eine Kette bilden, deren freie Bindungen von Wasserstoffatomen besetzt sind. Man spricht daher von einem Kettenmolekül. Den aus drei Kohlenstoffatomen gebildeten Kohlenwasserstoff nennt man Propan, den aus vier gebildeten Butan. Die Namen der Kohlenwasserstoffe mit noch mehr Kohlenstoffatomen leiten sich von den griechischen Zahlen ab (pente = 5, hex = 6, hepta = 7, okto = 8). Die Namen, Summen- und Strukturformeln sowie die Schmelz- und Siedetemperaturen der wichtigsten Kohlenwasserstoffe findest du in dieser Tabelle:

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Was ist Flüssiggas? Gaskartuschen, wie sie in Campingkochern oder Lötlampen verwendet werden, sind mit Propan, Butan oder einer Mischung dieser Gase gefüllt. Sie stehen unter Druck und sind bei ca. 10 bar flüssig. Flüssiggas wird auch zum Beheizen von Häusern oder zum Betrieb von Autos verwendet. Das Gas in Feuerzeugen ist reines Butan, da es einen höheren Siedepunkt hat und daher der Druck nicht so hoch ist.

Propan und Butan sind schwerer als Luft!

Name und Summenformel

Schmelztemperatur

Siedetemperatur

Methan CH4

- 182 °C

- 162 °C

Ethan C2H6

- 183 °C

- 89 °C

Propan C3H8

- 188 °C

- 42 °C

Butan C4H10

- 138 °C

- 1°C

Pentan C5H12

- 130 °C

36 °C

Hexan C6H14

- 95 °C

69 °C

Heptan C7H16

- 90 °C

98 °C

Oktan C8H18

- 57 °C

126 °C

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In geschlossenen Räumen kann sich das Gas am Boden ansammeln und eine explosive Mischung bilden. Wenn man Flüssiggas z. B. aus einem Campingkocher verwendet, muss man besonders auf die Sicherheit achten.

Warum ist es in vielen Tiefgaragen verboten, mit einem Auto, das mit Flüssiggas betrieben wird, einzufahren?

Strukturformel von Ethan

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Ethanmodell

Beim Methanmolekül sind die vier „Bindungsarme“ mit Wasserstoffatomen besetzt. Es ist jedoch auch möglich, dass einer der Bindungsarme zu einem weiteren Kohlenstoffatom führt. In diesem Fall sind zwei Kohlenstoffatome aneinander gebunden. Zusätzlich bleibt Platz für sechs Wasserstoffatome. Diese chemische Verbindung nennt man Ethan, ihre Summenformel ist C2H6.

Strukturformel

Es gibt auch noch Kohlenwasserstoffe, die wesentlich mehr Kohlenstoffatome enthalten als Oktan. Je länger das Kettenmolekül ist, desto höher sind die Schmelzund die Siedetemperatur des Stoffes.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

Alkane, Alkene und Alkine

Die Kohlenwasserstoﬀe, die du bisher kennengelernt hast, sind als einfache Ketten aufgebaut. Ihre Namen enden jeweils auf die Silbe „-an“. Diese Gruppe der Kohlenwasserstoﬀe nennt man Alkane.

Ausgelaufenes Erdöl schwimmt an der Wasseroberfläche.

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Bei Kohlenwasserstoffmolekülen kann innerhalb der Kohlenstoffkette auch eine Doppelbindung vorliegen. Kohlenwasserstoffe mit solchen Molekülketten nennt man Alkene. Durch eine Doppelbindung ändert sich der Name des Kohlenwasserstoffes. Er erhält die neue Endung„-en“. So wird also z. B. aus dem Ethan das Ethen. Die doppelte Elektronenpaarbindung macht Alkene zu sehr reaktiven Stoffen. Daher werden sie als Grundstoffe für die chemische Industrie eingesetzt.

Ethen (C2H4)

Wofür verwendet man Ethen? Ethen – häufig auch Ethylen genannt – ist ein farbloses, brennbares und süßlich riechendes Gas. Es dient zur Herstellung von Polyethen (PE), einem wichtigen Kunststoﬀ. Polyethen ist mit einem Anteil von ca. 30 % der weltweit am meisten produzierte Kunststoﬀ.

Ethin (C2H2)

Zwischen den Kohlenstoﬀatomen in Kohlenwasserstoﬀketten sind auch Dreifachbindungen möglich. Solche Verbindungen erhalten die Endung„-in“, gemeinsam bilden sie die Gruppe der Alkine. Das wichtigste Alkin ist das Ethin, das auch unter dem Namen Acetylen bekannt ist. Da bei seiner Verbrennung sehr hohe Temperaturen entstehen, wird es zum Schneiden und Schweißen verwendet.

Kunststoﬀbeutel aus PE

Schneiden von Stahl mit Acetylen (Ethin)

Recycling-Code: Zeichen, das auf Produkten aus Kunststoﬀ angebracht ist; Nummer gibt an, wie das Material wiederverwendet werden kann

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Ethan (C2H6)

Modell von Ethen

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Jedes zusätzliche Kohlenstoffatom erhöht die Anzahl der Wasserstoffatome im Kettenmolekül um zwei. Die allgemeine Formel von Alkanen lautet daher CnH2n+2. Im Allgemeinen sind sie sehr reaktionsträge, allerdings reagieren sie leicht mit Sauerstoff. Sie sind brennbar und sind sehr gute Lösungsmittel für Fette. Sie haben eine geringere Dichte als Wasser und schwimmen daher an der Wasseroberfläche, ohne sich mit Wasser zu vermischen.

Bei Alkanmolekülen sind sämtliche möglichen Bindungen mit Wasserstoffatomen besetzt. Daher werden Alkane als „gesättigte Kohlenwasserstoffe“ bezeichnet. Gibt es innerhalb der Kohlenstoffkette Mehrfachbindungen, wird die Zahl der Wasserstoffatome geringer. Man nennt daher Alkene und Alkine „ungesättigte Kohlenwasserstoffe“.

Viele ungesättigte Kohlenwasserstoﬀe haben selbst keine große Bedeutung, sind aber wichtige Ausgangsstoﬀe für die Herstellung anderer chemischer Verbindungen.

Recycling-Code für PE

Sieh auf Verpackungen aus Kunststoﬀ nach, welche Recycling-Codes darauf sind!

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Kohlenstoﬀ bildet Ringe

Schließlich hatte Kekulé einen Traum. Darin tanzten Kohlenstoff- und Wasserstoffatome vor seinen Augen. Plötzlich erschien ihm eine Schlange, die sich in den eigenen Schwanz biss. Da erkannte Kekulé, dass in Benzen die Kohlenstoffatome keine Kette, sondern einen Ring bilden: den Benzenring. In Benzenmolekülen bilden sechs Kohlenstoffatome einen Ring. Zwei der vier Valenzelektronen verbinden jedes Kohlenstoffatome mit seinen beiden Nachbarn. Ein drittes Elektron bindet ein Wasserstoffatom. Die Strukturformel von Benzen verbleibenden Elektronen aller sechs Kohlenstoffatome können keinem einzelnen Kohlenstoffatom zugeordnet werden. Gemeinsam verstärken sie die Bindungen im Benzenring. Die Summenformel von Benzen ist C6H6.

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aromatisch: würzig duftend

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August Kekulé (1829 – 1896)

Häufig wird der Benzenring in vereinfachter Form dargestellt.

Ein Bestandteil von Erdöl ist Benzen (Benzol), das auch in Motorenbenzin enthalten ist. Es wurde bereits im 17. Jh. entdeckt, allerdings wusste man nicht, wie dessen Moleküle aufgebaut sind. Der deutsche Chemiker August Kekulé beschäftigte sich lange mit Kohlenwasserstoﬀen, allerdings gelang es ihm zunächst nicht, die Struktur von Benzen zu erklären.

Benzen ist ein wichtiger Ausgangsstoﬀ für die Herstellung vieler Kunststoﬀe. Es ist aber krebserregend. Auch seine Dämpfe sind giftig, wenn sie eingeatmet werden.

Auch Zigarettenrauch enthält giftiges Benzen.

Strukturformel von Naphthalin

Ein anderer aromatischer Kohlenwasserstoﬀ ist Naphthalin. Dieses ist in Mottenkugeln enthalten, weil der Geruch von Naphthalin Insekten fernhält.

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Kohlenstoff- und Wasserstoffatome können gemeinsam lange Kettenmoleküle bilden, die Kohlenwasserstoffe (KW). Alkane sind gesättigte KW, Alkene und Alkine ungesättigte KW. Ringförmig aufgebaute KW wie das Benzen bezeichnet man als aromatische KW. Die organische Chemie beschäftigt sich mit Kohlenwasserstoffen.

An einen Benzenring können anstelle von Wasserstoffatomen auch andere Atome oder Moleküle angelagert sein. Ebenso können mehrere Benzenringe aneinandergereiht oder durch mehrwertige Atome miteinander verbunden sein. So entstehen Kohlenwasserstoffe, die häufig einen aromatischen Duft verströmen. Daher nennt man diese Gruppe von chemischen Verbindungen „aromatische Kohlenwasserstoffe“.

Mottenkugeln

Kohlenwasserstoﬀe bilden die Grundlage der organischen Chemie

Die Kohlenstoffketten bilden ein Gerüst, an das anstelle von H-Atomen auch zahlreiche andere Atome oder Moleküle gebunden sein können. So entsteht eine sehr große Gruppe verschiedener Stoffe. Viele dieser Stoffe spielen beim Aufbau von organischem Material eine wichtige Rolle. Daher nennt man den Teilbereich der Chemie, der sich mit Kohlenwasserstoffen beschäftigt, „organische Chemie“.

Derzeit kennt man etwa 50 Millionen organische Verbindungen und täglich kommen zahlreiche neue dazu.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 99

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Der Steinkohlenteer – In diesem Merktext über die Destillation von Steinkohle fehlen einige Wörter. Setze diese aus dem Kästchen richtig ein! %%%

Destillation © Kohle © Luftabschluss © Kohlenwasserstoﬀen © Koks © CO-Gehalts

Erhitzt man Steinkohle unter __________________________ auf ca. 800 °C, dann zersetzt sich die ___________ . Dabei

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Kokereigas

entsteht Kokereigas, das zum Großteil aus Wasserstoff, Methan, Stickstoff und Kohlenstoffmonoxid besteht. Es

Steinkohle

ist brennbar und wurde früher als „Stadtgas“ zum Beheizen von Wohnungen verwendet. Aufgrund des

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____________________ ist es jedoch giftig. Bei der hohen Temperatur gibt die Kohle eine Substanz ab, die beim

Steinkohlenteer

Abkühlen als zähflüssige schwarze Masse kondensiert.

Dies ist Steinkohlenteer, welcher eine Mischung aus mehreren tausend verschiedenen __________________________________ ist. Er kann als Holzschutzmittel verwendet werden, kann jedoch auch zur Behandlung mancher Krankheiten wie Schuppenflechte oder Neurodermitis eingesetzt werden. Steinkohlenteer kann durch _________________________ in seine Bestandteile zerlegt werden. Die dabei entstehenden Produkte ähneln denen, die aus Erdöl gewonnen werden.

Etwa 80 % der Kohle bleiben übrig. Dieser Rest ist _____________, der als Heizmaterial verwendet werden kann.

2) Die Mohssche Härteskala – Auf dieser Gedenktafel für den Mineralogen Friedrich Mohs in Wien sind die Mineralien abgebildet, nach denen er die Härteskala eingeteilt hat. Benenne diese Mineralien! %%%

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10.

100 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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3) Kohlenwasserstoffe – Hier sind die Strukturformeln mehrerer Kohlenwasserstoﬀe abgebildet. Setze die Namen unter die Abbildungen! %%

4) Inkohlung – Ordne die Beschreibungen den Bildern zu, indem du die Zahlen richtig einträgst! %%% Diese Kohlensorte hat den höchsten Kohlenstoffanteil. Er liegt bei über 90 %.

An dieser Kohlensorte sind häufig noch die Fasern der Pflanzen zu sehen, aus denen sie entstanden ist. Sie hat einen Kohlenstoffanteil von bis zu 70 %.

Dieser Brennstoff entsteht in Mooren aus Moospflanzen. Nach dem Abbau muss er noch getrocknet werden.

Mit einem Kohlenstoffanteil von über 70 % hat diese Kohlensorte einen sehr hohen Heizwert.

Wird Holz unter Luftabschluss auf 275 °C erhitzt, entsteht dieser Brennstoff. Er besteht zu ca. 90 % aus Kohlenstoff.

3. Anthrazit

1. Koks

2. Holzkohle

4. Torf

5. Braunkohle

6. Steinkohle

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Durch Erhitzen von Steinkohle auf über 1 000 °C entsteht dieser Brennstoff. Er besteht aus fast reinem Kohlenstoff.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 101

21. FOSSILE ROHSTOFFQUELLEN: ERDÖL UND ERDGAS

Erdöl

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Dabei wurde das organische Material in langkettige feste Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Ab ca. 60 °C setzte eine Aufspaltung dieser Ketten in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe ein. Je höher die Temperatur war, desto mehr gasförmige Kohlenwasserstoffe bildeten sich. Daher gibt es heute Lagerstätten, in denen es vorwiegend Erdgas gibt und andere, in denen man fast nur Erdöl findet.

Erdöl und Erdgas für immer? Experten schätzen, dass die heute bekannten Vorkommen an Erdöl und Erdgas bei gleichbleibendem Verbrauch noch 50 bis 100 Jahre reichen werden. Allerdings entdeckt man immer wieder neue Vorkommen.

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Erdöl und Erdgas sind die Überreste von Kleinlebewesen, die vor vielen Mio. Jahren im Meer gelebt haben. Nachdem sie abgestorben waren, sanken sie auf den Meeresboden. Dort lagerten sie sich in dicken Schichten ab und wurden von Sedimenten bedeckt. Durch Absinken des Meeresbodens gelangten diese Schichten anschließend tiefer in die Erdkruste. Druck und Temperatur stiegen an.

Gebiete, in denen es Erdöl oder Erdgas geben könnte

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Bekannte Erdöl- und Erdgasvorkommen je dunkler, desto ergiebiger

Wo überall auf der Welt heute Erdöl und Erdgas gefunden werden, siehst du auf dieser Karte. Weltweit werden jährlich etwa 4 Milliarden Tonnen Erdöl gefördert. Die drei Länder, in denen am meisten gefördert wird, sind Saudiarabien, Russland und die USA. Die jährliche Fördermenge von Erdgas beträgt ca. 3 300 Mrd. m³. Dieses stammt vor allem aus Russland und den USA. Auch in Österreich findet man Erdöl und Erdgas. Mit rund 1 Mio. Tonnen Erdöl und knapp 2 Mrd. m³ Erdgas kann sich Österreich bei Öl zu etwa 10% und bei Gas zu etwa 20 % selbst versorgen. Der Großteil von Öl und Gas muss aber importiert werden.

Erdöl und Erdgas auch in Österreich In NÖ werden Öl und Gas im Wiener Becken und im Weinviertel gefördert. Weiters gibt es Vorkommen im Alpenvorland in OÖ und Salzburg.

102 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Auﬃnden von Erdöl und Erdgas

Wie werden Schwingungen erzeugt? Zum Erzeugen von Schwingungen wird eine schwere Stahlplatte auf den Boden gepresst und rasch hintereinander angehoben und wieder fallen gelassen. Manchmal werden die Schwingungen auch durch Sprengungen erzeugt.

Die Erdkruste besteht meist aus zahlreichen Gesteinsschichten. Geologen und Geologinnen stellen mit Hilfe von seismischen Verfahren fest, wie die Erdkruste aufgebaut ist. Dazu erzeugen sie Schwingungen an der Erdoberfläche. Diese werden an den Grenzen zwischen Schwingungserzeugung Messwagen den einzelnen Schichten teilGeofone weise reflektiert. Mit speziellen Mikrofonen, den Geofonen, fangen sie die reflektierten Schwingungen auf. Anhand der Zeit, die zwischen dem Erzeugen und dem Auﬀangen der Schwingungen vergangen ist, Erdöl kann dann der Schichtaufbau ermittelt werden.

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seismisch: durch Erderschütterungen verursacht

Aufgrund ihrer Erfahrung können GeologInnen feststellen, in welchen Gesteinsschichten Erdöl oder Erdgas enthalten sein könnte. Mit einem Bohrturm wird anschließend ein Loch bis zu dieser Gesteinsschicht gebohrt.

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Dazu wird ein Bohrmeißel (1) verwendet, der sich an einem Gestänge (2) befindet, dessen Durchmesser geringer ist als der des Bohrlochs. Das Gestänge wird durch einen Motor (3) in Drehung versetzt (4) und dreht so den Bohrmeißel. Es besteht aus zahlreichen einzelnen Rohren, sodass es immer wieder verlängert werden kann, je tiefer die Bohrung wird. Mit einem Flaschenzug (5) kann das Gestänge mit dem Bohrmeißel aus dem Bohrloch gezogen werden, wenn der Meißel ausgetauscht werden muss. Auf diese Weise können Bohrungen bis in eine Tiefe von mehreren km vorgenommen werden.

Bohrmeißel

Das Gestänge besteht aus einem Rohr, durch das eine Flüssigkeit zur Kühlung und zum Abtransport des zerkleinerten Gesteins geleitet wird. Diese Flüssigkeit wird durch eine Pumpe (6) in das Gestänge gedrückt und steigt seitlich des Gestänges wieder an die Oberfläche. Die Flüssigkeit wird gereinigt (7) und erneut verwendet.

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Der Bohrmeißel besteht aus mehreren sich drehenden gezackten Rädern aus 7 besonders hartem Material. Meist sind die Räder auch mit Diamanten besetzt.

Bohrinsel

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Soll eine Ölbohrung im Meer erfolgen, so wird der Bohrturm auf einer Plattform montiert. So eine Plattform nennt man „Bohrinsel“. Im seichten Wasser steht die Bohrinsel direkt am Meeresgrund. Im tiefen Wasser schwimmt sie und wird mit starken Stahlseilen am Meeresboden verankert, damit sie immer an der gleichen Stelle steht und nicht abgetrieben wird.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 103 Fördern von Erdöl Meist kommen Erdöl und Erdgas gemeinsam in einer Lagerstätte vor. Das Gas steht unter einem hohen Druck. Dieser Druck sorgt dafür, dass das Erdöl nach oben gepresst wird. Es sprudelt also zunächst von selbst aus dem Bohrloch.

Mit der Zeit lässt der Druck in der Lagerstätte nach. Sobald der Druck zu gering geworden ist, um das Erdöl nach oben zu befördern, muss eine Pumpe installiert werden.

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Ein Motor (1) bewegt einen Hebel (2), an dessen Ende die Kolbenstange (3) befestigt ist. Diese führt im Bohrloch bis zur Erdölschicht. Dort befindet sich die eigentliche Pumpe (4). Bewegt sich die Pumpe nach unten, fließt durch ein geöﬀnetes Ventil (5) Öl durch die Pumpe hindurch. Bei der Aufwärtsbewegung schließt sich das Ventil und das Öl im Bohrloch wird nach oben gehoben. Im unteren Teil des Bohrlochs entsteht dadurch ein Unterdruck. Dieser bewirkt, dass durch die Bohrungen in einem Rohr (6), das den unteren Teil des Bohrlochs auskleidet, Öl nachströmt.

Mit Hilfe von Pumpen können bis zu 50 % des vorhandenen Erdöls aus der Tiefe geholt werden. Um noch mehr Erdöl zu gewinnen, kann Wasser unter hohem Druck in die Lagerstätte gepresst werden.

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Erdölpumpe im Weinviertel (NÖ)

Ölsande

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An vielen Orten der Erde wurde durch den Druck im Erdinneren Erdöl an die Oberfläche gepresst. Dort verdampften die leicht flüchtigen Bestandteile des Erdöls und die langkettigen Kohlenwasserstoﬀe blieben im Oberflächengestein zurück. Diese Gesteine werden als „Ölsande“ bezeichnet. Sie können abgebaut werden, um aus ihnen Erdöl zu gewinnen. Man schätzt, dass etwa 2/3 der weltweiten Erdölreserven in Ölsanden enthalten sind.

Fördern von Erdgas

Ölsand

Im Allgemeinen steht Erdgas im Erdinneren unter hohem Druck. Daher tritt es von selbst aus, sobald eine Erdgaslagerstätte angebohrt worden ist. Es wird dann in Rohrleitungen vom Bohrloch wegtransportiert. Große Mengen an Erdgas sind jedoch in Gesteinen gebunden und stehen nicht unter Druck. Dieses Gas wird „Schiefergas“ genannt. Um Schiefergas fördern zu können, muss eine Mischung von Wasser, Sand und speziellen Chemikalien unter hohem Druck in das Gestein gepresst werden. Dieses Verfahren wird „Fracking“ genannt und kann zu Belastungen für die Umwelt führen. Daher wird Schiefergas in Österreich nicht gefördert, obwohl es große Lagerstätten davon gibt.

Was geschieht beim Fracking? Der Begriﬀ „Fracking“ leitet sich vom englischen Wort „to fracture“ (aufbrechen, aufreißen) ab. Durch dieses Verfahren entstehen feine Risse im Gestein, durch die das Gas hindurchströmen kann.

Recherchiere im Internet, wo überall Schiefergas gefördert wird! Wo gibt es in Österreich solche Vorkommen?

104 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Transport von Erdgas

Woraus besteht Erdgas? Erdgas besteht zum Großteil aus Methan mit geringen Anteilen von Ethan, Propan und Butan. Weiters enthält es Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf.

Die natürlichen Lagerstätten von Erdöl und Erdgas sind meist weit von den Orten entfernt, an denen es benötigt wird. Daher müssen sie nach dem Fördern über weite Strecken transportiert werden. Erdgas wird direkt in Pipelines geleitet, in denen es unter einem hohem Druck von bis zu 200 bar von den Lagerstätten wegtransportiert wird. Das Erdgas, das in Österreich gebraucht wird, stammt zum Großteil aus Russland.

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Pipeline: setzt sich aus den beiden englischen Wörtern „pipe“ (= Rohr) und „line“ (= Linie oder Leitung) zusammen

Bei Baumgarten an der March (NÖ) endet eine der wichtigsten aus Russland kommenden Pipelines. Hier spaltet sich die Leitung in mehrere kleinere Pipelines auf, mit denen etwa 1/3 Westeuropas mit Erdgas versorgt wird.

Gaspipeline in Bau

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Um Erdgas über Meere zu transportieren, wird es meist abgekühlt und verflüssigt und auf spezielle Tankschiﬀe verladen. Raﬃnerie: Fabrik, in der Erdöl weiterverarbeitet wird

Transport von Erdöl

Das Gefieder einer Ente wird nach einer Ölpest gereinigt.

Öltanker beim Beladen

Ölpest: Unfall, bei dem große Mengen Erdöl auslaufen.

Auch Erdöl wird durch Pipelines geleitet. Häufig enden die Rohrleitungen in Häfen, wo das Erdöl auf Schiﬀe verladen wird. Diese befördern das Erdöl in andere Häfen, wo es wieder in Pipelines gepumpt wird. Das Öl, das in Österreich benötigt wird, wird durch die „Transalpine Ölleitung“ befördert. Diese beginnt im Hafen von Triest (Italien) und führt bis nach Karlsruhe (Deutschland). An der italienisch-österreichischen Grenze zweigt die „Adria-WienPipeline“ ab, die das Öl zur Raﬃnerie in Schwechat (NÖ) befördert. Dort wird es weiterverarbeitet.

Gefahren beim Fördern und Transport von Erdöl

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Manche in Erdöl enthaltene Bestandteile sind sehr giftig. Daher können schwere Umweltschäden die Folge sein, wenn Erdöl aus einer beschädigten Pipeline oder einem Tanker ausläuft.

Erdöl und Erdgas wurden aus abgestorbenen Lebewesen gebildet. Sie werden mit seismischen Verfahren aufgefunden. Zur Förderung benötigt man Bohrtürme und Pumpen. Transportiert werden sie durch Pipelines und mit Tankern.

Immer wieder kommt es zu schweren Unglücksfällen, bei denen große Meeresgebiete durch Erdöl verunreinigt werden. Diese Unglücksfälle haben dramatische Auswirkung auf die Tier- und Pflanzenwelt. Da Erdöl nur sehr schwer wieder entfernt werden kann, ist oft auf Jahre hinaus der Lebensraum dieser Tiere und Pflanzen zerstört. Reinigungsarbeiten nach einem Tankerunglück

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 105

22. ERDÖL IST EIN GEMISCH ZAHLREICHER STOFFE

Flüssiges Erdöl besteht aus zahlreichen unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen. Um Erdöl z. B. für den Antrieb eines Autos nutzen zu können, müssen die darin enthaltenen Kohlenwasserstoffe getrennt werden. Dies geschieht in einer Raffinierie. Wie trennt man Erdöl in seine Bestandteile?

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Wie du in Kapitel 20 gelernt hast, ist die Siedetemperatur umso höher, je mehr Kohlenstoﬀatome eine Kette enthält. Diese Eigenschaft der Kohlenwasserstoﬀe macht man sich zunutze, um Erdöl durch Destillieren in seine Bestandteile zu trennen.

Raﬃnerie Schwechat Seit 1960 wird in Schwechat Erdöl verarbeitet. Jährlich werden von mehr als 700 MitarbeiterInnen aus 9,6 Mio. t Erdöl 8,2 Mio. t Erdölprodukte erzeugt. Ca. 40 % davon macht Diesel und 20 % Benzin aus.

Die Methode zum Trennen der Erdölbestandteile nennt man fraktionierte Destillation. Da die Siedetemperaturen einzelner Kohlenwasserstoffe sehr nahe beieinander liegen, erhält man bei der Destillation keine Reinstoffe sondern Gemische vieler ähnlicher Kohlenwasserstoffe. Diese Gemische nennt man Fraktionen.

20 °C

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Das Erdöl wird in einem Rohr durch einen Ofen (1) geleitet, auf ca. 400 °C erhitzt und strömt in den Fraktionierturm. Die schweren Bestandteile bleiben flüssig und werden vom Boden des Turms abgeleitet. Die leichteren Bestandteile sind bei dieser Temperatur gasförmig und steigen im Turm auf. Der Turm wird durch mehrere Glockenböden (2) in Stockwerke unterteilt. Die Temperatur nimmt von Stockwerk zu Stockwerk ab. In jedem Glockenboden befinden sich Öﬀnungen (3), durch die Rohre führen, auf denen glockenförmige Deckel (4) sitzen. Das Gas strömt die Glocken entlang und kühlt dabei ab, wobei einige Bestandteile des Dampfes kondensieren und flüssig werden. Die flüssige Fraktion wird seitlich abgeleitet (5). Der verbliebene Dampf steigt in das nächste kühlere Stockwerk auf.

150 °C

5 Leichtbenzine

200 °C Kerosin Petroleum

300 °C

Diesel, Heizöl

Rohöl

370 °C Schweröle

400 °C

Die schweren Flüssigkeiten am Boden des Fraktionierturms werden durch Vakuumdestillation in einem zweiten Fraktionierturm getrennt. Durch den verminderten Druck sinkt die Siedetemperatur, sodass auch Teile der schweren Flüssigkeit verdampfen und auf gleiche Weise in Schmieröl, Paraﬃn und Bitumen getrennt werden können.

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Flüssiggas

Erhitzt man die schweren Flüssigkeiten auf 450 bis 800 °C, werden die langen Kohlenstoﬀketten zu leichteren Kohlenwasserstoﬀen aufgespaltet. Auf diese Weise kann die Ausbeute an leichten Erdölbestandteilen erhöht werden. Dieses Verfahren nennt man Cracken.

Schmieröle, Paraﬃne, Wachse, Bitumen, Teer

106 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Die Erdölfraktionen

imprägnieren: wasserdicht machen

ausflocken: in einer Flüssigkeit feste Klumpen bilden

SCHWERÖL: In großen Motoren wie den von Schiffen wird Schweröl als Treibstoff eingesetzt. Es ist sehr zähflüssig. Daher muss es vor der Verwendung als Treibstoff erwärmt werden, da es bei höheren Temperaturen dünnflüssiger wird.

In der Raﬃnerie werden die Bestandteile von Erdöl getrennt. Im Fraktionierturm erfolgt die fraktionierte Destillation. Die einzelnen Fraktionen haben unterschiedliche Anwendungsgebiete.

Schweröl

DIESEL/HEIZÖL: Die Zusammensetzung von Diesel und Heizöl ist sehr ähnlich. Um Diesel von Heizöl unterscheiden zu können, wird bei uns Heizöl gefärbt. Diesel wird in Dieselmotoren als Treibstoﬀ eingesetzt. Bei tiefen Temperaturen werden manche Bestandteile von Diesel fest und flocken aus. Dadurch kann die Treibstoﬄeitung verstopft werden. Daher wird an Tankstellen im Winter spezieller „Winterdiesel“ verkauft, der eine andere Zusammensetzung hat. Diesel ist nur schwer entzündlich.

KEROSIN/PETROLEUM: Kerosin wird als Treibstoﬀ von Düsenflugzeugen eingesetzt. Petroleum ist etwas schwerer als Kerosin und wird in Petroleumlampen verwendet.

BENZIN: Benzin wird vor allem als Treibstoﬀ für Automotoren verwendet. Die Mischung von Benzindämpfen und Luft ist hochexplosiv. Im Zylinder eines Motors wird das Benzin-Luft-Gemisch sehr stark verdichtet, bevor es gezündet wird.

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Wenn deine Eltern ein benzinbetriebenes Auto besitzen, frag sie, welchen Treibstoﬀ sie tanken!

Teelichter aus Paraﬃn

SCHMIERÖL: Dieses wird eingesetzt, um die Reibung zwischen beweglichen Teilen einer Maschine zu verringern. So ist es in Automotoren unbedingt erforderlich.

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Warum wird Heizöl gefärbt? Da Diesel höher besteuert ist als Heizöl, ist er auch teurer. Wenn man das billigere Heizöl tankt, macht man sich strafbar, weil die zusätzliche Diesel-Steuer nicht bezahlt wird. Deshalb wird zur Unterscheidung Heizöl gefärbt.

PARAFFIN: Dieses ist ein weißlicher, weicher, wachsartiger Feststoff. Paraffin ist brennbar und wird häufig zur Herstellung von Kerzen oder als Brennmaterial in Öllampen verwendet. Mit Paraffin imprägnierte Oberflächen sind wasserabweisend. Auch als Grundstoff für die Herstellung zahlreicher Kosmetikprodukte wird es angewandt.

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Bitumen muss beim Aufbringen durch Hitze formbar gemacht werden.

BITUMEN: Diese Mischung aus Kohlenwasserstoﬀen mit sehr langen Kohlenstoﬀketten wird im Straßenbau als Bestandteil von Asphalt oder zum Isolieren von Gebäuden eingesetzt.

Motor und Treibstoﬀ müssen sehr genau aufeinander abgestimmt sein. Daher gibt es an Tankstellen unterschiedliche Benzinsorten.

LEICHTBENZIN: Dieses wird vor allem als Lösungsmittel eingesetzt. Vielleicht kennst du es als „Fleckenbenzin“.

unterschiedliche Benzinsorten an einer Tankstelle

FLÜSSIGGAS: Die leichtesten Bestandteile von Erdöl sind Propan und Butan, die auch im Erdgas vorkommen.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 107

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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Das CO2 der Atmosphäre wird von Pflanzen aufgenommen, die mittels Fotosynthese daraus organische Verbindungen herstellen (1). Dabei geben sie Sauerstoff ab. In der Nacht, wenn keine Fotosynthese stattfindet, geben Pflanzen wieder CO2 an die Atmosphäre ab (2). Tiere ernähren sich von Pflanzen. Sie bauen die organischen Verbindungen ab und geben bei der Atmung CO2 ab (3). Abgestorbene Tiere und Pflanzen werden von Mikroorganismen zersetzt, die dabei ebenfalls CO2 abgeben (4). Auch im Meer bildet sich beim Abbau von organischem Material CO2. Dieses wird zunächst im Meerwasser gelöst und an der Oberfläche an die Atmosphäre abgegeben (5). Mit den Überresten von Lebewesen gelangt Kohlenstoff auch ins Erdinnere. Der in Sedimenten gebundene Kohlenstoff gelangt durch Vulkanausbrüche wieder in die Luft (6). Die Überreste von Lebewesen werden aber auch zu Kohle, Erdöl und Erdgas (7). Diese werden gefördert und zur Energiegewinnung verbrannt (8). Dabei wird CO2 frei (9). Dieses reichert sich in der Lufthülle der Erde an.

1) Der Kohlenstoffzyklus – Hier erfährst du, wie der Kohlenstoﬀ auf der Erde immer wieder in unterschiedliche chemische Verbindungen eingebaut wird. Setze die Zahlen aus dem Text in die passenden Kreise der Abbildung ein! %%%

2) Die Erdölwirtschaft – Ordne die Begriﬀe im Kästchen in der Tabelle richtig zu! %%%

Tankschiﬀe © Schiefergas © Gesteinsschichten © Erdölpumpe © Destillation © Raﬃnerie © Bohrturm © Geofon © verflüssigen © hoher Druck © Bohrmeißel © Ölsande © Fracking © Pipeline © Bohrinsel

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Auffinden von Erdöl und Erdgas

Fördern von Erdöl und Erdgas

Transport und Verarbeitung von Erdöl und Erdgas

108 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

3) Erdöl und Erdgas – Löse dieses Kreuzworträtsel! %%%% 1

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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senkrecht: 1 spezielles Mikrofon 3 Wasserfahrzeug zum Öl- und Gastransport 4 ölhaltige Oberflächengesteine 5 Ölfördergebiet in Österreich 6 Erdölfraktion, die in Lampen verwendet wird 9 Unglück, bei dem Erdöl ausläuft 11 in Gestein gebundenes Erdgas 12 Erdölfraktion, welche die Reibung verringert 14 Fabrik zur Erdölverarbeitung 15 Bohrturm im Meer 16 Rohrleitung

waagrecht: 2 Erdölfraktion, die im Straßenbau eingesetzt wird 7 Ablagerungen 8 Verfahren zum Fördern von Schiefergas 10 Erdölfraktion zum Antreiben von Autos 13 Anlage zum Trennen der Erdölbestandteile 16 Erdölfraktion, die zu Kerzen verarbeitet wird 17 leichteste Erdölfraktion 18 Gerät zum Erschließen einer Förderstätte 19 Teil eines Fraktionierturms

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 109

poly: Griechisch „polys“ = viele

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Sicherlich kennst du Produkte, die aus Kunststoﬀen hergestellt sind. Betrachte die beiden hier abgebildeten Gegenstände. Beide bestehen aus Kunstoﬀ. Ihre Eigenschaften sind jedoch sehr unterschiedlich. Das Material der Müllsäcke ist weich und biegsam, während das Material des Kugelschreibers hart und spröde ist.

23. KUNSTSTOFFE AUS ERDÖL

Was haben die unterschiedlichen Kunststoffe gemeinsam?

Alle Kunststoﬀe bestehen aus riesigen kettenförmigen Molekülen, die man „Makromoleküle“ nennt. Diese sind aus vielen einzelnen gleichartigen Bausteinen zusammengesetzt. Die einzelnen Bausteine nennt man „Monomere“, die Makromoleküle „Polymere“.

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Kunststoffe bestehen aus Polymeren, die aus Monomeren aufgebaut sind.

Wie wird aus Monomeren ein Polymer?

Müllsäcke werden aus PE-LD (low density – geringe Dichte) hergestellt. Dieses besteht aus stark verzweigten Polymerketten.

Betrachte das Ethenmolekül. In diesem sind zwei Kohlenstoffatome durch Doppelbindung miteinander verbunden. Wird Ethen erhitzt, kann durch geeignete Katalysatoren die Doppelbindung aufgebrochen werden. Durch die freien Valenzelektronen können sich mehrere Ethenmoleküle aneinander binden. Dadurch entsteht Polyethen (PE), eine sehr lange Kette von Kohlenstoffatomen, die mit Wasserstoffatomen gesättigt sind.

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Den Vorgang, bei dem sich Monomere zu Polymeren anordnen, nennt man Polymerisation.

Aus Ethen (Monomer) wird Polyethen (Polymer).

An manchen Stellen des Poymers können weitere Ketten abzweigen, die man Seitenketten nennt.

Waschmittelflaschen bestehen aus PE-HD (high density – hohe Dichte). Dieses besteht aus schwach verzweigten Polymerketten.

Anziehende Kräfte zwischen den Polymermolekülen führen zu einer Vernetzung. Das bedeutet, dass die Molekülketten eine netzförmige Struktur bilden.

Polykondensation

Auch bei der Polykondensation bilden sich Kettenmoleküle. Allerdings entstehen bei diesem Vorgang Nebenprodukte. Dabei handelt es sich meist um Wasser, das während der Reaktion entfernt werden muss. Das Material, aus dem PET-Flaschen bestehen, wird durch Polykondensation hergestellt.

Versuch Führt das Experiment „Nylonfaden“ auf S. 151 durch!

110 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Viele Kohlenwasserstoﬀe bilden Polymere

Polymere lassen sich nicht nur aus Ethen, sondern auch aus zahlreichen anderen Kohlenwasserstoﬀ-Monomeren bilden. Unabhängig davon, woraus diese Polymere aufgebaut sind, teilt man sie in drei Gruppen ein.

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1. Plastomere (Thermoplaste): Kunststoﬀe wie PE, die aus langen geradlinigen Molekülen bestehen, können nach dem Erwärmen beliebig verformt werden. Nach dem Abkühlen behalten sie diese Form bei. Solche Kunststoﬀe sind weich. Man bezeichnet sie als Thermoplaste. Einige weitere Beispiele für Thermoplaste sind: ƒ Polypropen (PP): Fahrradhelme, Becher für Milchprodukte ƒ Polyamid (PA): Angelschnüre, Borsten für Zahnbürsten ƒ Polyethylenterephthalat (PET): Getränkeflaschen, Folien ƒ Polystyren (PS): Styropor ƒ Polyvinylchlorid (PVC): Rohre, Bodenbeläge, Kreditkarten, Isoliermaterial für Elektrokabel ƒ Polycarbonat (PC): durchsichtig, Brillengläser, Autoscheinwerfer

2. Duromere (Duroplaste): Diese härten aus, indem sich die Polymerketten untereinander vernetzen. Nach dem Aushärten können sie nicht mehr verformt werden. Meist sind Duroplaste hart und spröde. Kunstharze wie Epoxidharz sind Duroplaste. Solche Kunstharze werden auch in 3D-Druckern eingesetzt.

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Was ist Styropor? Styropor besteht zu 98 % aus Luft und zu 2 % aus Polystyren (PS). Bei der Herstellung werden PS-Kügelchen mit Wasserdampf erwärmt. Dadurch dehnt sich ein Gas, das in den PS-Kügelchen eingeschlossen ist, aus und die Kügelchen wachsen auf das 50-fache Volumen an.

Lebensmittelverpackung aus Styropor

weitmaschig: große Abstände zwischen den einzelnen Fäden eines Netzes

3D-Drucker „druckt“ eine Vase.

3. Elastomere: Die Polymerketten von Elastomeren bilden weitmaschige Gitter. Bei Belastung können sich die Ketten verschieben, nehmen danach aber wieder die ursprüngliche Form an. Sie sind also elastisch. Sie werden als Material für Autoreifen, Gummibänder oder in Haushaltsschwämmen und Schaumstoﬀen eingesetzt.

Aus Pflanzensäften wird Gummi

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Gummi ist ein Elastomer. Den Grundstoﬀ, aus dem man Gummi herstellt, gewinnt man aus der Rinde des Kautschukbaums. Nachdem die Rinde eingeritzt worden ist, sondert sie einen milchig-weißen Saft ab, der in Gefäßen gesammelt wird. Diesen Saft nennt man Milchsaft oder Latex. Naturkautschuk

Haushaltsschwämme

Überlege dir verschiedene Gegenstände aus Kunststoﬀ! Versuche dann, diese den drei Gruppen zuzuordnen!

Milchsaft (Latex)

Unmittelbar danach wird der Saft mit Ammoniak versetzt und getrocknet. So entsteht Naturkautschuk, der zu flachen Bahnen ausgewalzt wird.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 111

Im Milchsaft des Kautschukbaums sind Monomere enthalten, die sich beim Trocknen zu Polymeren verbinden. Naturkautschuk verformt sich unter Krafteinwirkung und kehrt nicht mehr vollständig in seine Ursprungsform zurück. Um aus Naturkautschuk elastischen Gummi herzustellen, muss er vulkanisiert werden. Dazu wird er mit Schwefel vermischt und erhitzt. Durch diese Behandlung kommt es zur Vernetzung der Polymere.

Aus Gummi werden Autoreifen 5 4 3

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Der Gummi der Lauﬄäche (1), in die das Profil geschnitten wird, muss hart und widerstandsfähig sein. Daher werden diesem Gummi Zusatzstoﬀe wie Ruß beigemischt. Der Gummi der Seitenwände (2) muss hingegen weich und elastisch sein, um Stöße abzufedern.

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Autoreifen sind aus zahlreichen verschiedenen Materialien aufgebaut.

Wodurch unterscheiden sich Winter- und Sommerreifen? Durch die Zugabe von Zusatzstoﬀen kann man Gummi mit verschiedenen Eigenschaften herstellen. Der Gummi von Sommerreifen würde bei tiefen Temperaturen spröde werden. Daher wird bei Winterreifen eine andere Gummisorte verwendet.

Der Gummi wird auf einen Unterbau (3) aus mehreren Gewebeschichten aus 6 Kunst- und Naturfasern aufgebracht. 2 Unterhalb der Lauﬄäche sind zusätzlich ein Stahlgeflecht (4) und weitere Gewebeschichten (5) eingegossen, die die Stabilität des Reifens erhöhen. Im Wulst führt ein Stahlkern (6) rund um den Reifen, der für einen besseren Halt auf der Felge sorgt.

verdrillen: einzelne Fäden umeinander wickeln Kokon: Gehäuse aus Fasern, das den Schmetterling beim Verpuppen schützt

Naturfasern findet man nicht nur in Autoreifen

Pflanzen bilden in ihren Stängeln oder Stämmen Fasern, die der Mensch schon seit Jahrtausenden nutzt. So werden bis zu 90 cm lange Fasern aus der Flachspflanze zur Herstellung von Leinen verwendet. Die einzelnen Fasern sind jedoch zu kurz und zu dünn, um sie zur Herstellung von Textilien verwenden zu können. Beim Spinnen werden viele einzelne Fasern zu langen Fäden verdrillt. Diese Fäden werden schließlich zu Stoﬀbahnen verwebt. Leinen ist ein Stoﬀ, der auf der Haut nicht kratzt und viel Feuchtigkeit aufnehmen kann. Allerdings knittert Leinen sehr leicht. Seidenspinner mit Kokon

Weitere Beispiele für Naturfasern sind …

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ƒ Baumwolle: Die Fasern werden aus den Samenhaaren der Baumwollpflanze gewonnen. ƒ Wolle: Zur Herstellung von Wolle nutzt man die Haare von Tieren, vor allem von Schafen. ƒ Seide: Die Raupe der Schmetterlingsart Seidenspinner bildet vor dem Verpuppen einen Kokon aus langen Fasern. Diese werden zur Herstellung von Seide verwendet. ƒ Asbest: Das Mineral Asbest bildet lange fadenförmige Kristalle, die zu Fäden versponnen werden können.

Baumwolle

Asbest

Wie gefährlich ist Asbest? Die Asbestfasern können in kleine Stücke zerbrechen. Wird dieser Asbeststaub eingeatmet, kann er Lungenkrebs verursachen. Früher wurde Asbest häufig als feuerfester Baustoﬀ beim Hausbau verwendet. Heute ist das verboten.

112 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Aus natürlichen Rohstoﬀen wird Viskose

Führt das Experiment „Textilfasern“ auf S. 141 durch!

Handelsname: Name, unter dem etwas gekauft werden kann

Zellulose wird durch Zugabe von Natronlauge (NaOH) und Schwefelkohlenstoﬀ (CS2) in eine zähflüssige Masse umgewandelt. Diese wird durch feine Düsen in ein Schwefelsäurebad gepresst. Dadurch erfolgt eine Polymerisation der Zellulosemoleküle und es entstehen lange feine Fasern. Die Viskosefasern können zu Fäden versponnen werden.

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Versuch

Die Zellwände von Pflanzenzellen enthalten einen besonderen Stoﬀ: die Zellulose. Dabei handelt es sich um Fasern, die dem Holz Festigkeit und Stabilität geben. Durch die Behandlung mit Basen kann die Zellulose aus dem Holz herausgelöst werden.

Aus Viskose lassen sich Kleidungsstücke herstellen, die pflegeleicht und angenehm zu tragen sind.

Kunstfasern aus Kohlenwasserstoﬀen

Nähfäden aus Viskose

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Viele aus Kohlenstoﬀketten aufgebaute Polymere können auch zu feinen Fasern verarbeitet werden. Meist sind sie unter eigenen Handelsnamen bekannt. Die daraus hergestellten Stoﬀe und Kleidungsstücke haben sehr unterschiedliche Eigenschaften.

Backformen aus Silikon sind sehr hitzebeständig. Da sie elastisch sind, kann der Kuchen sehr leicht herausgelöst werden.

Im Etikett eines Kleidungsstücks ist angegeben, woraus es besteht. Seht nach, woraus eure Kleidung besteht!

Polymer

Handelsname

Eigenschaften / Verwendung

Polyester

Trevira

Polyamid Aramid

Nylon, Perlon Kevlar

Polyacrylnitril Polytetrafluorethylen

Dralon Teflon, Gore-Tex Elasthan, Spandex, Lycra

reiß- und scheuerfest, nimmt kaum Feuchtigkeit auf / Textilien elastisch, knittert wenig / Strümpfe hohe Reißfestigkeit / Schutzbekleidung, schusssichere Westen ähnlich wie Wolle / Textilien temperaturbeständig / Pfannen wasserabweisend / Regenkleidung dehnbar / Badebekleidung, Strümpfe

Polyurethan

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Aus Kunstfasern hergestellte Kleidungsstücke sind häufig pflegeleichter als solche aus Naturfasern. Allerdings sind sie oft nicht so temperaturbeständig. Manche schmelzen bei hohen Temperaturen und brennen sich in die Haut ein.

Kunststoffe sind aus Makromolekülen aufgebaut, die man Polymere nennt. Diese entstehen aus Monomeren. Bei Kunststoffen unterscheidet man Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Aus vielen Kunststoffen können auch Fasern hergestellt werden.

Polymere aus Silizium

Silizium steht in derselben Hauptgruppe des Periodensystems wie Kohlenstoﬀ. Daher hat es auch ähnliche Eigenschaften. So gibt es auch Siliziumverbindungen, die als Monomere die Grundlage für Polymerketten bilden können. Sicherlich kennst du Silikon. Dieses ist ein Elastomer. Bei Kontakt mit Luft vernetzen sich die Polymerketten und bilden eine elastische, wasserdichte Masse.

Silikon zum Abdichten von Fugen

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 113

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Kunststoff-Quiz – Kreuze die richtigen Antworten an, dann ergeben die Buchstaben einen wichtigen Begriﬀ aus diesem Kapitel! %% Was versteht man unter Polymerisation? die Anordnung von Monomeren zu Polymeren - U

Womit wird Gummi vulkanisiert? mit Phosphor - S

das Weichwerden von Kunststoﬀen - L

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mit Magnesium - B

die Umwandlung von Ethen in Ethin - I

mit Schwefel - K

Welches Element kann keine Polymere bilden? Lithium - N

aus Minimolekülen - D

aus Makromolekülen - S

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Kohlenstoﬀ - J

Woraus bestehen alle Kunstfasern?

Silizium - L

aus Mikromolekülen - A

Was ist keine Naturfaser?

Woraus sind Polymere aufgebaut? aus Monografien - R

Seide - Z

aus Monopolen - F

Teflon - S

aus Monomeren - T

Asbest - V

Zu welcher Gruppe von Kunststoﬀen gehört Polystyren? zu den Duromeren - P

Was sind Plastomere?

elastische Kunststoﬀe - M

zu den Elastomeren - H

harte Kunststoﬀe - K

zu den Plastomeren - O

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weiche Kunststoﬀe - T

Aus welcher Kunstfaser stellt man schusssichere Westen her? aus Dralon - C

Woraus wird Viskose hergestellt? aus Zellulose - F

aus Trevira - R

aus Erdöl - E

aus Kevlar - F

aus Tierhaaren - A

LÖSUNGSWORT:

114 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

2) Verbrennen von Kunststoffen – Lara bereitet ein Referat zu diesem Thema vor. Dabei sind ihr fünf Fehler unterlaufen. Finde diese, streiche die Fehler durch und schreibe die richtigen Wörter darüber! %%%

Das Verbrennen von Kunststoffen, die meist aus Kohlensauerstoffen bestehen,

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kann sehr gefährlich sein. Es entstehen nämlich nicht nur Kohlenstofftrioxid und Wasser, sondern auch zahlreiche andere Stoffe, von denen viele giftig sind. In Polyvinylchlorid (PVC) ist neben Kohlenstoff und Wasserstoff auch

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das Element Fluor enthalten. Nicht nur dieses Element selbst, sondern auch zahlreiche Verbrennungsprodukte, die es enthalten, sind hochgiftig. So können Dioxine entstehen, die schwere gesundheitliche Schäden hervorrufen können. Naturstoffe dürfen daher nicht selbst verbrannt werden, sondern man muss sie entsorgen. In Müllverbrennungsanlagen werden sie bei wesentlich niedrigeren Temperaturen verbrannt. Dadurch können viele der Giftstoffe gar nicht erst entstehen. Zusätzlich sorgen Abgasfilteranlagen dafür, dass schädliche Stoffe nicht in die Atmosphäre gelangen.

Für Kunstfasern:

Gegen Kunstfasern:

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3) Kunstfasern – Bildet Gruppen und sammelt Argumente, die für und gegen die Verwendung von Kunstfasern sprechen! %%%%

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 115

24. DIE CHEMIE DER NAHRUNG

Wie du schon gehört hast, werden Kohlenwasserstoﬀe aus Erdöl und Erdgas gewonnen. Weiters hast du gehört, dass diese die Reste von Lebewesen sind, die vor langer Zeit gelebt haben. Aber wie gelangt der Kohlenstoff in die Lebewesen?

Pflanzen sind in der Lage, Sonnenenergie zu nutzen, um mit ihrer Hilfe organisches Material aufzubauen. Diesen Vorgang nennt man Fotosynthese. Als Ausgangsstoﬀe dienen den Pflanzen dazu Kohlenstoﬀdioxid (CO2) und Wasser (H2O). Die Reaktion, die bei der Fotosynthese abläuft, ist:

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6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Zuckerrohr

Den Stoﬀ, der dabei entstanden ist, C6H12O6, kennst du unter dem Namen „Zucker“. Es handelt sich dabei um „Einfachzucker“.

Zuckerrüben

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Bei der Fotosynthese entstehen aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Zucker und Sauerstoff.

Es gibt mehrere verschiedene Arten von Einfachzuckern oder „Monosacchariden“, die dieselbe Summenformel aber eine unterschiedliche Anordnung der Atome in den Molekülen aufweisen. Die wichtigsten Monosaccharide sind Fruchtzucker (Fructose) und Traubenzucker (Glucose). In vielen Pflanzen wird aus je einem Fructose- und einem Glucosemolekül ein Saccharosemolekül gebildet. Dabei wird Wasser abgespaltet. Saccharose ist ein „Zweifachzucker“ oder „Disaccharid“. Es ist die Form von Zucker, die am häufigsten genutzt wird. Saccharose wird aus Zuckerrüben oder Zuckerrohr gewonnen.

CH2OH

Glucose

CH2OH

Saccharose

CH2OH

H 2O

CH2OH

Die Moleküle des Einfachzuckers Traubenzucker H OH gelangen bei der Verdauung direkt ins Blut. Dort steht die in ihnen enthaltene Energie unmittelbar zur Verfügung. Nehmen wir hingegen Zweifachzucker wie Rübenzucker zu uns, so müssen dessen Moleküle zunächst bei der Verdauung in Einfachzucker aufgespaltet werden, bevor sie ins Blut gelangen können.

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Fructose

CH2OH

Wie gewinnt man Zucker aus der Zuckerrübe?

Die Zuckerrübe wird gereinigt und zerkleinert. Mit heißem Wasser wird dann die Saccharose herausgelöst. Die so entstehende Flüssigkeit wird mit gelöschtem Kalk und CO2 von anderen in der Rübe enthaltenen Stoﬀen befreit. Anschließend wird der Zuckersaft erhitzt, sodass das darin enthaltene Wasser verdampft und der Zucker sich in Form von Kristallen ablagert. Zucker in seiner reinen Form ist weiß. Braunen Zucker erhält man, wenn der zuckerhaltige Saft vor dem Verdampfen nicht gereinigt wird. Brauner Zucker ist nicht gesünder als weißer. Beide sind gleichwertig.

Versuch Führt das Experiment „Messung des Zuckergehalts“ auf S. 142 durch!

116 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Aus Zucker wird Stärke

Mono-, Di- und Polysaccharide bilden gemeinsam die Nährstoﬀgruppe der Kohlenhydrate. Wenn wir diese zu uns nehmen, werde sie bei der Verdauung zu Glucose zerlegt. Unser Blut verteilt die einzelnen Moleküle im ganzen Körper. In den Zellen wird daraus Energie gewonnen. Ein Teil der Glucose wird jedoch auch in unserem Körper gespeichert. Dazu werden die Glucosemoleküle wieder zu Kettenmolekülen kombiniert.

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Aufbau von Amylose

In Pflanzenzellen werden aus Glucosemolekülen lange Kettenmoleküle, die „Vielfachzucker“ oder „Polysaccharide“, gebildet. Diese bezeichnet man als Stärke. Sie dienen der Pflanze als Energievorrat. Manche Pflanzen wie Getreide, Hülsenfrüchte oder Kartoﬀeln speichern Weizenmehl besteht aus besonders viel Stärke. Pflanzliche Stärke ist für bis zu 75 % aus Stärke. uns ein wichtiges Nahrungsmittel. Sie besteht aus Amylose (unverzweigt, schraubenförmige Anordnung der Glucosemoleküle) und aus Amylopektin (verzweigte Anordnung von bis zu 12 000 Glucosemolekülen).

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Erinnere dich an den Biologieunterricht! Welche Pflanzen gehören zu den Hülsenfrüchten?

Aufbau von Amylopektin

„Die Verdauung beginnt im Mund.“ Wenn du Brot lange kaust, schmeckt es süß. Bereits der Speichel spaltet Polysaccaride in Monosaccaride auf.

Was ist Zellulose?

Aufbau der Zellulose

Versuch

Nachweis von Zucker und Stärke

Fehlingsche Probe: Um Zucker nachzuweisen, benötigt man zwei Flüssigkeiten: Die hellblaue „Fehlingsche Lösung I“ und die farblose „Fehlingsche Lösung II“. Mischt man diese zu gleichen Teilen, entsteht eine bläuliche Flüssigkeit. Wird eine zuckerhaltige Substanz hinzugegeben und die Flüssigkeit erwärmt, bildet sich ein rötlich-brauner Niederschlag.

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Führt die Experimente „Nachweis von Zucker“ und „Stärkefolie“ auf S. 152/153 und „Nachweis von Stärke“ auf S. 143 durch!

Auch Zellulose ist ein Polysaccharid und besteht aus bis zu 10 000 Glucose-Bausteinen. Zellulose ist Bestandteil der Zellwände von Pflanzen. Sie ist aus unverzweigten geraden Ketten aufgebaut. Zwischen den Ketten herrschen anziehende Kräfte, die auf die unterschiedliche Verteilung der elektrischen Ladungen in den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zurückzuführen ist. Daher lagern sich die Ketten aneinander an und bilden so reißfeste Fasern. Im Gegensatz zu Stärke können wir Zellulose aber nicht verdauen. Zellulose ist jedoch ein wichtiger Grundstoff für die Papierherstellung.

Welche Eigenschaften haben Kohlenhydrate? Zucker löst sich gut in Wasser. Stärke ist ein geschmackloses weißes Pulver, das sich nur schwer in kaltem Wasser löst. Zellulose ist in Wasser überhaupt nicht löslich.

Zucker erhitzen

Zuckernachweis

Iodprobe: Stärke wird mit einer iodhaltigen Lösung nachgewiesen. Träufelt man die bräunliche Lösung z. B. auf die Schnittfläche einer Kartoﬀel, dann verfärbt sich die Kartoﬀel an dieser Stelle dunkel. Stärkenachweis

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 117 Wir bestehen aus Proteinen

Protein: leitet sich vom griechischen Wort „protos“ für „Erster“ ab

Hast du dir schon einmal überlegt, was geschieht, wenn man ein Ei kocht? Das zuvor dickflüssige Innere wird dabei fest. Woraus besteht ein Ei?

Eier bestehen vor allem aus Wasser und Eiweiß. Eiweiße oder Proteine sind Kettenmoleküle, die aus bis zu mehreren tausend Einzelbausteinen zusammengesetzt sind. Diese Bausteine nennt man Aminosäuren.

Versuch

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Führt die Experimente „Gerinnung von Eiweiß“ auf S. 143 und „Eiweißnachweis“ auf S. 153 durch!

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Aminosäuren sind organische Verbindungen, die als funktionelle Gruppen eine Aminogruppe (NH2) sowie eine Carboxygruppe (COOH) besitzen. Zwischen den beiden Gruppen befindet sich ein Kohlenstoﬀatom, an das ein Wasserstoﬀatom sowie eine Seitenkette (R) gebunden sind. Lebewesen sind aus 23 unterschiedlichen Aminosäuren aufgebaut, deren Seitenketten sich voneinander unterscheiden. An der Bildung von Kettenmolekülen sind ausschließlich die Amino- und die Carboxygruppe beteiligt. Bei der Reaktion, die zur Bildung von Proteinen führt, wird Wasser abgespaltet. H

Aus den einzelnen Aminosäuren lassen sich unzählige verschiedene Proteine aufbauen. Sie finden sich in allen Zellen deines Körpers aber auch in Haaren oder Fingernägeln. Dein Körper kann jedoch nicht alle Aminosäuren selbst herstellen. Acht der Aminosäuren müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Diese bezeichnet man als „essentielle Aminosäuren“.

Was geschieht beim Kochen mit den Proteinen?

essentiell: wichtig

Bei hohen Temperaturen werden diese Knäuel und Strukturen zerstört. Es entstehen neue Bindungen. Das führt dazu, dass die Proteine, die zuvor frei beweglich waren, netzartige Strukturen bilden. Das zuvor dickflüssige Eiklar und der Dotter werden fest. Diesen Vorgang nennt man Gerinnung.

Eiklar: durchsichtiger, heller Bestandteil des Eis

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Proteinmoleküle können verschiedene Strukturen ausbilden. Sie sind gefaltet oder bilden Spiralen, die zu Knäueln geformt sind.

Modell des in Weizen vorkommenden Proteins Gliadin (hellblau: C, dunkelblau: N, rot: O, orange: H)

Vitamine und Mineralstoﬀe

Neben den essentiellen Aminosäuren benötigt dein Körper auch noch andere Stoﬀe, die mit der Nahrung zugeführt werden müssen. Vitamine

Mineralstoﬀe

Dabei handelt es sich um organische Verbindungen, die der menschliche Körper nicht selbst herstellen kann. Manche Vitamine können jedoch von Tieren produziert werden.

Dies sind anorganische Stoﬀe wie Natrium, Eisen, Kalium, Calcium, Phosphor, Schwefel, Iod und Fluor, die dein Körper benötigt. Sie sind einerseits zum Aufbau von Aminosäuren notwendig, andererseits werden sie z. B. für die Reizleitung in Nerven gebraucht.

Was sind funktionelle Gruppen? Eine funktionelle Gruppe ist eine bestimmte Anordnung von Atomen in organischen Molekülen, die die Eigenschaften der Verbindungen bestimmt, die sie enthalten. Die COOH-Gruppe ist die funktionelle Gruppe der Carbonsäuren, zu der auch die Aminosäuren gehören.

118 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

H H

O O

H H

O O

Glycerin H H

Versuch

Rapsfeld mit Rapspflanze

Pflanzen speichern Öle vor allem in ihren Samen. So werden pflanzliche Öle vorwiegend aus den Samen von Sonnenblumen, Mais, Raps, Oliven, Kürbissen oder Nüssen gewonnen. Tierische Fette stammen entweder wie Schmalz aus dem Fettgewebe von Tieren oder wie Butter aus den Fettbestandteilen von Milch. In ihrem Aufbau sind sie jedoch sehr ähnlich. Sie bestehen aus Verbindungen zwischen jeweils einem Glycerinmolekül und drei Fettsäuren. Diese besitzen eine Carboxygruppe (COOH), gehören also zu den Carbonsäuren. Die COOH-Gruppe ist an eine Kohlenwasserstoﬀkette gebunden.

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Pflanzen und Tiere benötigen Fette und Öle als Energiespeicher. Fette sind bei Raumtemperatur fest, während Öle bei dieser Temperatur flüssig sind. Man unterscheidet pflanzliche und tierische Fette und Öle.

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Wie entstehen Fette? Glycerin (C3H8O3) ist ein Alkohol. Er enthält 3 OH-Gruppen. Diese reagieren mit den COOHGruppen der Fettsäuren. Dabei wird H2O abgegeben. Mehr über Alkohole erfährst du im nächsten Kapitel.

Fette und Öle

Führt das Experiment „Löslichkeit von Speiseöl“ auf S. 144 durch!

Eine einfache Fettsäure ist die Capronsäure, die unter anderem im H C C C C C C Fett der Milch vorkommt. Fettsäuren H H H H H O H unterscheiden sich anhand ihrer Capronsäure Kohlenwasserstoﬀkette, die sehr lang sein kann und bis zu 30 Kohlenstoﬀatome enthalten kann. In der Kette können auch Doppelbindungen vorkommen. Solche Fettsäuren bezeichnet man als „ungesättigte Fettsäuren“. Enthalten sie keine Doppelbindungen, spricht man von „gesättigten Fettsäuren“. H

Fette und Öle sind wichtige Bestandteile unserer Ernährung. Je kürzer die Ketten sind, desto leichter verdaulich sind sie. Zudem sind ungesättigte Fettsäuren gesünder als gesättigte.

Öle bilden mit Wasser Emulsionen

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Durch Fotosynthese entsteht Einfachzucker. Der Zucker der Zuckerrübe ist ein Zweifachzucker. Stärke ist ein Vielfachzucker. Zucker, Stärke und Zellulose sind Kohlenhydrate. Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Essentielle Aminosäuren, Vitamine und Mineralstoﬀe müssen mit der Nahrung zugeführt werden. Tierische und pflanzliche Fette und Öle bestehen aus Fettsäuren.

Fette und Öle sind leichter als Wasser. Daher schwimmen sie an der Oberfläche. Sie sind im Wasser nicht löslich. Schüttelt man ein Öl-Wasser-Gemisch, dann bilden sich im Wasser winzige Tröpfchen von Öl. So eine Mischung nennt man Emulsion. Lässt man die Emulsion längere Zeit stehen, setzt sich das Öl wieder an der Oberfläche ab.

Margarine und Butter

Öl schwimmt auf dem Wasser

Aus Ölen kann Margarine hergestellt werden. Dazu werden mit Hilfe von Katalysatoren die Doppelbindungen in den Fettsäuren aufgebrochen und zusätzliche H-Atome angelagert. Dies bewirkt, dass die Schmelztemperatur des Öls ansteigt und es fest wird. Butter wird aus Milch hergestellt. Lässt man diese eine Zeit lang stehen, setzt sich an der Oberfläche Rahm ab. Dieser ist eine Emulsion aus winzigen Fetttröpfchen in Milch. Durch kräftiges Rühren, das „Butterschlagen“, werden die Tröpfchen aufgebrochen und das Fett tritt aus. Die Fetttröpfchen verkleben sich und schließen die Milchreste ein. Die so entstandene Butter ist fest.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 119

25. UMWANDLUNG VON NAHRUNGSMITTELN

Was geschieht mit dem Fruchtsaft?

Hast du schon einmal ein Glas mit frisch gepresstem Fruchtsaft länger stehen gelassen? Nach einigen Tagen entstehen Gasbläschen, die an der Oberfläche Schaum bilden.

Versuch

Führt das Experiment „Alkohol herstellen“ auf S. 154 durch!

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Frisch gepresster Fruchsaft enthält zahlreiche Mikroorganismen. Der Zucker im Fruchtsaft dient ihnen als Nahrung. Sobald der Sauerstoﬀ in der Flüssigkeit verbraucht ist, ändern manche der Mikroorganismen ihren Stoﬀwechsel. Sie wandeln dann den Zucker in CO2 und Alkohol um und gewinnen daraus Energie für ihre Lebensvorgänge. Das CO2 bildet die Bläschen, die man beobachtet. Der Alkohol ist hingegen flüssig und verbleibt im Fruchtsaft.

Die alkoholische Gärung

Gärender Fruchtsaft

Hefepilze: Gruppe von einzelligen Pilzen

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Die Umwandlung von Zucker in Alkohol bezeichnet man als alkoholische Gärung. Für sie sind vorwiegend Hefepilze verantwortlich. Die Reaktionsgleichung der alkoholischen Gärung lautet:

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

Den so entstandenen Alkohol nennt man Ethanol (C2H5OH), da das Molekül zwei Kohlenstoffatome enthält und daher an Ethan erinnert. Ein anderer Alkohol ist Methanol (CH3OH). Der Name eines Alkohols setzt sich aus dem Namen des Kohlenwasserstoffs mit derselben Anzahl an Kohlenstoffatomen und der Endsilbe„-ol“ zusammen. Ethanol kann aus allen zucker- oder stärkehältigen Pflanzen gewonnen werden. Die alkoholische Gärung liefert einen Alkoholgehalt von ca. 12 %. Danach sterben die Hefepilze ab. Durch Destillation können Flüssigkeitsgemische mit einem höheren Alkoholanteil hergestellt werden.

Eigenschaften und Verwendung von Alkoholen

Typisch für alle Alkohole ist die funktionelle Gruppe -OH oder Hydroxygruppe. Diese darf jedoch nicht mit dem OH–-Ion von Basen verwechselt werden, da sie bei Alkoholen fest an das Molekül gebunden ist und nicht abgespaltet werden kann.

Oly

Die OH-Gruppe bewirkt, dass sich Alkohole mit nur wenigen Kohlenstoﬀatomen gut in Wasser lösen. Ebenso ist sie die Ursache dafür, dass Alkohole gute Lösungsmittel sind. Daher verwendet man sie gerne als Reinigungsmittel. Ebenso werden sie in Parfüms eingesetzt, um die Duftstoﬀe zu lösen. Sie sind brennbar. Als Biosprit wird Ethanol auch zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt. Manche Alkohole sind giftig. Methanol ist ab 1 g pro kg Körpergewicht tödlich. Geringere Mengen führen zum Erblinden.

Auch Ethanol ist giftig. In geringen Mengen wirkt es jedoch berauschend. Daher wird es schon seit Jahrtausenden als Genussmittel verwendet.

Traubensaft vergärt in Fässern zu Wein.

Strukturformel von Ethanol

Was sind mehrwertige Alkohole? Die Wertigkeit gibt an, wie viele OH-Gruppen ein Alkohol hat. Ethanol hat eine OH-Gruppe und ist daher einwertig. Ein anderer Alkohol, den du schon kennen gelernt hast, ist das Glycerin. Es wird auch Glycerol oder Propantriol genannt. Das „tri“ in Propantriol gibt an, dass es drei OH-Gruppen hat und daher dreiwertig ist.

Genussmittel: Lebensmittel, das wegen seiner anregenden Wirkung oder seines Geschmacks konsumiert wird (z. B. Wein, Bier, Kaﬀee, Schokolade)

120 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Aus Wein wird Essig

C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O

Essigsäuremoleküle enthalten die Carboxygruppe (COOH). Essigsäure ist eine farblose, stechend riechende Flüssigkeit, die bei 16,5 °C erstarrt. Sie bildet eisartige Kristalle, weshalb sie auch „Eisessig“ genannt wird.

Gemüse (z. B. Gurken) wird durch Essig haltbar gemacht.

Essig ist eine Lösung von 5 – 10 % Essigsäure in Wasser und wird zum Würzen von Speisen aber auch als Konservierungs- oder Putzmittel verwendet. Essig kann aus allen alkoholhältigen Flüssigkeiten hergestellt werden. Häufig sind noch Geschmackstoﬀe der Ausgangsstoﬀe vorhanden. So wird häufig Wein- oder Apfelessig zum Würzen eingesetzt.

Aus Alkoholen und Säuren werden Ester

Reagiert Ethanol mit Essigsäure, so entsteht eine farblose Flüssigkeit, die nach Klebstoﬀ riecht und ein gutes Lösungsmittel ist. Diese Flüssigkeit nennt man Essigsäureethylester (C4H8O2).

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Kann man aus sauer gewordener Milch Käse herstellen? Bei handelsüblicher Milch wurden die Milchsäurebakterien durch Erhitzen abgetötet. Wird diese Milch sauer, sind dafür andere Mikroorganismen verantwortlich. Diese erzeugen nicht nur Milchsäure, sondern auch Giftstoﬀe, die Übelkeit hervorrufen können. Daher darf sauer gewordene Milch nicht mehr verwendet werden.

Aromastoﬀ: Stoﬀ, der Lebensmitteln Geschmack oder Geruch verleiht

Lässt man Wein längere Zeit an der Luft stehen, setzt ein weiterer Gärungsprozess ein. Dabei verwandeln Bakterien mit Hilfe von Sauerstoﬀ den Alkohol in Essigsäure (CH3COOH).

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Fette werden aus Fettsäuren und Glycerin gebildet. Zu welcher Gruppe von Verbindungen gehören sie daher?

Welche Milchprodukte kennst du sonst noch?

H O

H C

H H

O H

H O C

H H

H C

H H

H O H

Bei der Bildung von Ester wird Wasser abgespaltet.

Ester entstehen ganz allgemein, wenn ein Alkohol mit einer Säure reagiert. Viele Ester haben einen typischen Geruch. So stammt z. B. der Geruch vieler Obstsorten von Estern, die in ihnen enthalten sind. Künstlich hergestellte Ester werden häufig zur Erzeugung von kosmetischen Produkten und als Aromastoﬀe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Wachse sind Ester, die aus langkettigen Alkoholen und langkettigen Fettsäuren gebildet werden. So zählt auch das Bienenwachs zu den Estern.

Glücklicherweise wird Milch sauer

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Zucker wird durch Gärung von Hefepilzen in Alkohol umgewandelt. Bakterien erzeugen aus Alkohol Essigsäure. Alkohole und Fettsäuren reagieren zu Estern. Milch gerinnt durch Milchsäure, die von Milchsäurebakterien erzeugt wird, oder durch Enzyme. Aus geronnener Milch kann Topfen oder Käse hergestellt werden.

Auch Milch wird chemisch verändert, wenn sie einige Zeit stehen bleibt. Für diese Veränderung sind Milchsäurebakterien verantwortlich. Sie erzeugen Milchsäure, die das Eiweiß in der Milch – das Kasein – gerinnen lässt. Wenn das passiert, sagen wir: Die Milch wird sauer. Die geronnenen Eiweißstoﬀe werden von der verbliebenen Flüssigkeit, der Molke, getrennt. Aus ihnen kann Topfen oder Käse hergestellt werden. Milch kann auch gerinnen, ohne dass Milchsäure dafür verantwortlich ist. Mit Hilfe von Biokatalysatoren kann ebenfalls das Gerinnen von Milch herbeigeführt werden. Solche Biokatalysatoren nennt man Enzyme oder Fermente. Für die Milchgerinnung wird das Enzym Lab verwendet, das auch im Magen von jungen Rindern vorkommt. Käseherstellung aus geronnener Milch

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 121

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

besteht aus jeweils einem Molekül Glucose und Fructose. Sie ist als Energiespeicher in vielen Pflanzen enthalten und wird von uns gewonnen, um Speisen zu süßen.

Fructose (Fruchtzucker) kommt

Galaktose (Schleimzucker) ist

vor allem in Kernobst (Äpfel, Birnen) und in Beeren vor. Er wird im Darm langsamer aufgenommen als Glucose.

Bestandteil der Milch. Ihr Name leitet sich von den Schleimhäuten her, in denen dieser Zucker ebenfalls vorkommt.

Lactose (Milchzucker) kommt in

Maltose (Malzzucker) besteht aus

Milch vor und besteht aus jeweils einem Molekül Glucose und Galaktose. Zum Verdauen ist ein Enzym nötig, das von den meisten Erwachsenen nicht mehr gebildet wird. Sie können daher Lactose nicht aufnehmen.

zwei Glucosemolekülen. Es bildet sich beim Abbau von Stärke und kommt z. B. in Cerealien, Nudeln oder Kartoﬀeln vor.

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Zweifachzucker

Saccharose (Rüben- oder Rohrzucker)

Glucose (Traubenzucker) kommt in der Natur nicht in reiner Form, sondern nur als Bestandteil von Mehrfachzuckern vor. Im Handel erhältlicher Traubenzucker wird künstlich hergestellt und wird im Darm sehr schnell aufgenommen.

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Einfachzucker

1) So viel Zucker! – Lies die Beschreibungen der verschiedenen Zuckerarten und kreuze anschließend an, welcher Zucker in welchen Lebensmitteln vorkommt! %%%% ACHTUNG: In manchen der Lebensmittel können auch mehrere Zuckerarten vorkommen!

Glucose

Fructose

Galaktose

Saccharose

Lactose

Maltose

Apfelkuchen Kartoffelpüree Topfenschnitte Beerenmüsli Käse Milchschokolade Spaghetti frisch gepresster Apfelsaft

2) Was ist was? – Ordne richtig zu, indem du mit dem Lineal Linien ziehst! %%% Stärke

Alkohol

ungesättigte Fettsäuren

Polysaccharid

tierische Stärke

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Doppelbindung

Käse

winzige Öltröpfchen in einer Flüssigkeit

Kohlenhydrate

COOH

Ester

Alkohol + Säure

Carboxygruppe

Milchsäurebakterien

Aminosäuren

OH-Gruppe

Zuckerrübe

Disaccharid

Emulsion

Proteine

Glykogen

Mono-, Di- und Polysaccharide

122 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Stärke – Betrachte die beiden Grafiken und finde danach heraus, welche der Aussagen richtig und welche falsch sind! So erhältst du das Lösungswort! %%% Weltweite Stärkeproduktion 72,7 Mio. t (2011) Weizen: 5,6

Verwendung von Stärke

Maniok: 10,6

übrige Lebensmittel: 29 %

Kartoﬀeln: 2,6 Mais: 53,2

Süßwaren/ Getränke: 31 %

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Sonstige: 0,7

Papier/ Karton: 25 %

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chem. Industrie: 15 %

Richtig Falsch A E N S Z T K Y M U H E

Die meiste Stärke weltweit wird aus Kartoffeln gewonnen.

Etwa ¼ der Stärke wird zur Produktion von Papier und Karton benötigt. Mais ist der wichtigste Stärkelieferant.

Die chemische Industrie verbraucht die größte Menge an Stärke.

Mehr als die Hälfte der Stärke wird in der Lebensmittelindustrie verwendet. Weizen ist ein wichtigerer Stärkelieferant als Maniok.

LÖSUNGSWORT:

4) Konservieren von Lebensmitteln – Hier sind einige Methoden aufgeführt, mit denen Lebensmittel haltbar gemacht werden können. Finde zu jeder Methode ein Lebensmittel, das auf diese Weise konserviert wird! %%%%

Kandieren: Der Zuckergehalt wird auf über 70 % erhöht und der Wasser-

gehalt wird verringert. Dazu kocht man die Lebensmittel mehrmals in einer Zuckerlösung.

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Dörren: Durch Trocknen an der Luft wird der Wassergehalt verringert.

Räuchern: Die eingesalzenen Lebensmittel werden für längere Zeit dem Rauch eines Holzfeuers ausgesetzt. Der Wassergehalt wird dadurch verringert.

Tiefkühlen: Bei tiefen Temperaturen können sich Bakterien und andere Mikroorganismen, die die Lebensmittel zersetzen könnten, nicht vermehren. Einlegen in Alkohol oder Essig: Die Mikroorganismen werden durch Sauerstoffentzug: Die Luft wird abgesaugt oder durch ein anderes Gas ersetzt. Ohne Sauerstoﬀ können Mikroorganismen keinen Schaden anrichten.

den Alkohol bzw. den Essig abgetötet.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 123

26. CHEMIE BRINGT SAUBERKEIT Konsistenz: Beschaﬀenheit eines Materials

Erinnere dich an die Reaktion von Säuren mit Basen! Wenn du z. B. Salzsäure (HCl) mit Natronlauge (NaOH) mischt, entsteht ein Salz: Das Kochsalz (NaCl). Auch Fettsäuren können mit Basen reagieren und Salze bilden. Diese Salze kennst du sicherlich. Man nennt sie Seifen. Um Seifen herzustellen, werden tierische oder pflanzliche Fette mit Natron- oder Kalilauge (KOH) gekocht. Dieser Vorgang wird als Verseifung bezeichnet.

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Warum wäscht Seife bei warmem Wasser besser? Je wärmer das Wasser ist, desto leichter löst sich die Seife. Außerdem schmilzt das im Schmutz enthaltene Fett und wird weich.

Seifenherstellung aus Fett

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Wird bei der Herstellung NaOH verwendet, entstehen feste Seifen. Mit KOH bilden sich flüssige Seifen. Die Konsistenz einer Seife hängt davon ab, wie lang die Kettenmoleküle der Fettsäuren zuvor waren.

Wasser

Wäscht du deine Hände mit warmem Wasser und Seife, lässt sich auch hartnäckiger Schmutz entfernen. Auch zum Waschen von Wäsche wird Seife verwendet.

Fett

Die Wirkung von Seife

Beim Verseifen erfolgt eine Umwandlung der Carboxygruppe (COOH) der Fettsäuren. Anstatt des H+-Ions wird ein Na+- oder K+-Ion angelagert. Wie andere Salze auch löst sich Seife in Wasser. Dabei wird das Na+-Ion Seife im Kristallgitter abgespaltet. H H H H H H H H H H H O H

O–Na+

O–

Das zurückbleibende Seifenanion besteht aus zwei Teilen: Der langen Kohlenwasserstoﬀkette und der negativ geladenen Carboxylatgruppe (COO–).

von Seifenanionen eingeschlossenes Fetttröpfchen

Luft

Wasser Seifenanionen an der Wasseroberfläche

Seifenanion in Wasser

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Die beiden Teile des Seifenanions haben unterschiedliche Eigenschaften. Die Kohlenwasserstoﬀketten sind wasserabweisend („hydrophob“), lösen sich jedoch leicht in Fett. Die COO–-Gruppe ist wasseranziehend („hydrophil“). In Wasser binden sich daher die Ketten an Fetttröpfchen, während die COO–-Gruppe in das umgebende Wasser ragt. Fetttröpfchen werden so vollständig von Seifenanionen eingehüllt. So wird fetthaltiger Schmutz von Oberflächen abgelöst. Die von Seifenanionen eingeschlossenen Fetttröpfchen bilden mit Wasser eine Emulsion.

Seife an der Wasseroberfläche

An der Wasseroberfläche ordnen sich die Seifenanionen so an, dass die COO–-Gruppen ins Wasser reichen und die Ketten nach außen ragen. Dabei wird die Oberflächenspannung des Wassers herabgesetzt. So kann es auch unter Schmutzteilchen kriechen, die an Gegenständen wie deinen Händen oder an Stoﬀfasern haften. Stoﬀe, die die Oberflächenspannung von Wasser herabsetzen, nennt man Tenside.

Versuch Führt die Experimente „Badesalz“ auf S. 144 und „Seife herstellen“ auf S. 154 durch!

Was hast du in Physik schon über die Oberflächenspannung gelernt?

124 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Wasserhärte und Seife

Moderne Waschmittel

Wasser, das aus der Wasserleitung kommt, enthält immer eine gewisse Menge an Calcium- und Magnesium-Ionen, die bei der Verwitterung von Gesteinen freiwerden. Diese bilden mit Seife schwer lösliche Salze, die sich auf Oberflächen als weißlicher Niederschlag ablagern. Hartes Wasser, also Wasser, das sehr viele solche Ionen enthält, verringert so die reinigende Wirkung von Seife. Weiches Wasser enthält weniger Ionen. Je weicher Wasser ist, desto größer ist die Waschkraft von Seife.

Betrachte doch einmal ein Waschpulver, welches du zum Wäschewaschen verwendest.

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Wie misst man die Wasserhärte? Es gibt Messstreifen, mit denen du selbst die Härte bestimmen kannst. Je nach Wasserhärte verfärben sich die Streifen unterschiedlich. Ist das Wasser, das aus deiner Leitung kommt, zu hart, solltest du zusätzliche Enthärter verwenden.

Woraus bestehen Waschmittel?

Moderne Waschmittel enthalten keine Seife. Sie sind aus mehreren Stoﬀen zusammengesetzt, die unterschiedliche Aufgaben haben und gemeinsam die Waschwirkung erzielen.

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TENSIDE: Diese setzen die Oberflächenspannung des Wassers herab und lösen Fettund Schmutzteilchen. Im Gegensatz zu Seife werden sie meist nicht aus natürlichen Fetten, sondern aus Erdöl hergestellt.

Messstreifen zur Wasserhärtebestimmung

fluoreszierend: bei Lichteinfall selbst Licht abgebend

ENTHÄRTER: Diese ersetzen die Ca+-Ionen im Wasser durch Na+-Ionen. Dadurch wird die Bildung von Kalkablagerungen verringert. BLEICHMITTEL: Diese entfernen durch Oxidation Farbstoﬀe.

In welchen Reinigungsmitteln, die du regelmäßig verwendest, kommen noch Tenside vor?

Chemische Reinigung

Manche Textilfasern werden durch Wasser beschädigt. Deswegen muss man bei der Reinigung anstelle von Wasser andere Lösungsmittel einsetzen. Auf was du bei der Reinigung achten musst, zeigt dir das Pflegeetikett, mit dem jedes Wäschestück versehen ist. Auf diesem sind verschiedene Symbole abgebildet. Sie geben an, aus welchen Fasern das betreﬀende Kleidungsstück besteht und wie es gereingt werden kann, ohne es zu beschädigen.

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Diskutiert in der Klasse! Welche Vor- und Nachteile haben Körperpflegemittel und Kosmetika?

SONSTIGE STOFFE: Organische Bestandteile wie Eiweiß in Milchflecken werden durch Enzyme abgebaut. Optische Aufheller sind fluoreszierende Substanzen, die die Stoﬀfasern überziehen und so den Farbeindruck der Wäsche verändern. Duftstoﬀe geben der Wäsche einen frischen Geruch. Weichspüler verhindern, dass sich beim Trocknen die Textilfasern verbinden und sich dadurch die Wäsche hart anfühlt.

Seifen sind Salze von Fettsäuren. Ihre Moleküle schließen Fetttröpfchen ein. Sie setzten die Oberflächenspannung von Wasser herab. Moderne Waschmittel bestehen aus vielen unterschiedlichen Stoﬀen.

Zu viel Sauberkeit kann auch schädlich sein

Pflegeetikett

Reinigungsmittel, die du auch für die Körperpflege benutzt, sowie Kosmetika können Allergien und Hautreizungen hervorrufen. Außerdem solltest du immer daran denken, dass diese Mittel aus zahlreichen unterschiedlichen natürlichen und künstlich hergestellten Stoﬀen bestehen. Diese benötigen zu ihrer Herstellung Rohstoﬀe und Energie. Ein Großteil davon gelangt ins Abwasser und kann so die Umwelt belasten. Daher solltest du sie sparsam einsetzen.

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 125

27. GENUSSMITTEL UND SUCHTMITTEL

Was sind eigentlich Nahrungsmittel? Was darf in Österreichs Geschäften als Lebensmittel verkauft werden? Wie dürfen landwirtschaftliche Produkte behandelt werden und welche Konservierungsmittel sind bei uns erlaubt? Alle diese Fragen behandelt das österreichische Lebensmittel- und Verbraucherschutzgesetz.

Ist Schokolade ein Genussmittel? Auch der Kakao, der in Schokolade enthalten ist, hat eine anregende Wirkung. Allerdings wird Schokolade auch wegen des Nährwerts gegessen. Daher zählt man sie zu den Lebensmitteln.

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Die Grundlage für das österreichische Lebensmittelgesetz ist das Lebensmittelrecht der EU. Es stellt sicher, dass alle Produkte, die im Handel und in der Gastronomie zu kaufen sind, überprüft sind. Kann ich alles, was man kaufen kann, unbedenklich konsumieren?

Nein, nicht alles darf bedenkenlos konsumiert werden. Viele im Handel erhältliche Produkte enthalten Stoﬀe, die gesundheitsschädlich sein können, auch wenn deren Konsum erlaubt ist. Man bezeichnet solche Produkte als Genussmittel.

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Genussmittel sind Stoffe, die man nicht zu sich nimmt, um satt zu werden. Sie werden konsumiert, weil sie eine anregende Wirkung haben. Dazu zählen: KAFFEE: Dieses Getränk enthält Koffein, welches das Gehirn und die Nerven beeinflusst. Koffein steigert die Konzentrationsfähigkeit und wirkt gegen Müdigkeit. Es hat jedoch auch Einfluss auf den Blutdruck und kann daher in großen Mengen Gesundheitsschäden hervorrufen.

Kaﬀeestrauch mit Bohnen

TEE: Auch dieses Getränk enthält Koffein. Als Wirkstoff im Tee wird es jedoch häufig als Tein bezeichnet. Nur Tee, der aus Blättern des TeeStrauchs hergestellt wird, enthält Koffein. Früchtetees enthalten diesen Wirkstoff nicht.

Die Früchte des Kakaobaumes enthalten die Kakaobohnen.

Teestrauch

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ALKOHOL (ETHANOL): Obwohl Ethanol giftig ist, kann der Mensch geringe Mengen davon zu sich nehmen. Ethanol beeinflusst unser Gehirn. Zunächst wirkt Alkohol anregend. Doch schon geringe Mengen bewirken, dass das Sehvermögen beeinflusst wird und Denk- und Orientierungsstörungen auftreten, die bis zur Bewusstlosigkeit führen können. Alkohol wird im Blut gelöst. Bei einem Alkoholgehalt von mehr als 0,5 Promille (‰) darf man in Österreich kein Fahrzeug mehr lenken. Ein Alkoholgehalt von 4 bis 5 ‰ ist tödlich.

NIKOTIN: Dieser Stoﬀ wird beim Rauchen von Zigaretten inhaliert und gelangt unmittelbar ins Gehirn. Er fördert die Ausschüttung des Hormons Adrenalin und beschleunigt den Herzschlag. Kurzfristig steigert Nikotin die Aufmerksamkeit sowie die Gedächtnisleistung. Die Blätter der Tabakpflanze enthalten Nikotin.

Welche schädliche Wirkung hat Alkohol auf Organe des Körpers? Sprecht im Biologieunterricht darüber!

Promille: ein Tausendstel

126 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Aus Genussmitteln werden Suchtmittel

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Viele Menschen gewöhnen sich so an die Wirkung, dass sie sich ohne die betreﬀenden Genussmittel nicht mehr wohl fühlen. Sie sind dann von diesen Mitteln abhängig. In diesem Fall spricht man von Sucht. Es gibt zwei Arten von Abhängigkeit: Psychische Abhängigkeit

Physische Abhängigkeit

Man glaubt, diesen Stoff regelmäßig zu benötigen. Wenn man jedoch wirklich will, kann man jederzeit aufhören, diesen Stoff zu sich zu nehmen. Zu diesen Stoffen zählt das Koffein.

Der Körper hat sich so sehr an den Stoff gewöhnt, dass er mit Krankheitssymptomen reagiert, wenn der Stoff nicht mehr aufgenommen wird. Man spricht von „Entzugserscheinungen“. Zu diesen Stoffen zählen Nikotin und Alkohol.

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Was sind Schnüffelstoffe? Die Dämpfe von Benzin oder Lösungsmitteln, die in Klebstoffen enthalten sind, können ebenfalls süchtig machen. Sie werden eingeatmet und wirken sehr rasch. Auch wenn diese Stoffe überall gekauft werden können, sind die Gesundheitsschäden beim Einatmen enorm und können tödlich sein. Sie können zu schweren Schädigungen des Gehirns und der Lunge führen.

Genussmittel haben – zumindest bei Einnahme von geringen Mengen – eine anregende Wirkung. Viele Menschen empfinden diese Wirkung als angenehm und wollen sie immer wieder spüren. Daher nehmen sie manche Genussmittel immer wieder zu sich. Häufig nimmt die Wirkung jedoch ab, wenn man Genussmittel sehr häufig einnimmt. Daher muss man größere Mengen zu sich nehmen, um die gleiche Wirkung zu erzielen.

Es gibt viele andere Stoﬀe, die das Gehirn und die Wahrnehmung beeinflussen und die süchtig machen. Anders als die Genussmittel dürfen diese Stoﬀe jedoch nicht verkauft werden. Man bezeichnet sie als illegale Drogen.

Entzug: Abgewöhnen

illegal: ungesetzlich, verboten

BIOGENE DROGEN: Diese Drogen werden, so wie Nikotin, direkt aus Lebewesen gewonnen. So stammen Kokain aus dem Kokastrauch, Marihuana oder Cannabis aus der Hanfplanze oder Opium aus dem Schlafmohn. Auch aus manchen Pilzarten können Drogen gewonnen werden. HALBSYNTHETISCHE DROGEN: Durch chemische Verfahren können aus biogenen Drogen andere Wirkstoﬀe hergestellt werden. Ein Beispiel dafür ist Heroin, das aus chemisch verändertem Opium besteht. SYNTHETISCHE DROGEN: Diese Drogen werden künstlich hergestellt. Die Anzahl der Stoﬀe, die zu dieser Gruppe gehören, ist sehr groß. Die bekanntesten sind LSD, Extasy und Crystal Meth.

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ACHTUNG:

Genuss- und Suchtmittel haben anregende Wirkung. Sie können Gesundheitsschäden hervorrufen, die bis zum Tod führen. Man kann auf sie süchtig werden. Neben legalen Suchtmitteln gibt es auch illegale: die Drogen.

Bei vielen Drogen führt bereits das einmalige Einnehmen zur Abhängigkeit. Von der Sucht wieder loszukommen, ist oft sehr schwierig. Der Entzug ist ein sehr langwieriger und schmerzhafter Vorgang. Ist Drogenkonsum wirklich cool? Veränderung nach 3 Monaten Crystal Meth

Kohlenstoff – Grundlage des Lebens 127

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Nicht waschen

Handwäsche

Trocknen erlaubt

Trocknen bei niedriger Temp.

Nicht trocknen

Bleichen erlaubt

Bügeln erlaubt

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Bügeln bei hoher Temp.

Bleichen mit Sauerstoﬀ

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Waschen bei 40 °C

1) Wäschesymbole – Nimm dir fünf Minuten Zeit und präge dir diese Wäschesymbole ein! %%

Nicht bügeln

Professionelle Reinigung

Reinigen mit Kohlenwasserstoﬄösungsmittel

Nicht bleichen

Bügeln bei niedriger Temp.

Bügeln bei mittlerer Temp.

Reinigen mit Perchlorethylen

Professionelle Nassreinigung

2) Richtige Wäschepflege – Decke die Wäschesymbole von Übung 1) ab! Entscheide, wie man die Wäschestücke mit diesen Etiketten richtig pflegt! %%% 30 °C 40 °C ja nein ja nein ja nein professionell

60 °C 90 °C nein Hand Sauerstoﬀ niedrige Temperatur niedrige T. mittlere T. KW-Lösungsm. Perchlorethylen

hohe T. nass

Waschen: Bleichen: Trocknen: Bügeln: Reinigen:

30 °C 40 °C ja nein ja nein ja nein professionell

60 °C 90 °C nein Hand Sauerstoﬀ niedrige Temperatur niedrige T. mittlere T. KW-Lösungsm. Perchlorethylen

hohe T. nass

Waschen: Bleichen: Trocknen: Bügeln: Reinigen:

30 °C 40 °C ja nein ja nein ja nein professionell

60 °C 90 °C nein Hand Sauerstoﬀ niedrige Temperatur niedrige T. mittlere T. KW-Lösungsm. Perchlorethylen

hohe T. nass

Waschen: Bleichen: Trocknen: Bügeln: Reinigen:

30 °C 40 °C ja nein ja nein ja nein professionell

60 °C 90 °C nein Hand Sauerstoﬀ niedrige Temperatur niedrige T. mittlere T. KW-Lösungsm. Perchlorethylen

hohe T. nass

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Waschen: Bleichen: Trocknen: Bügeln: Reinigen:

128 Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Kaffee – von der Bohne bis zur Tasse – Ordne diese Textabschnitte der Reihe nach, dann ergeben die Buchstaben ein Lösungswort! %%

N Die Kaﬀeebohnen werden

O Die Früchte bestehen aus dem Kern –

gemahlen. Wie fein man sie mahlt, hängt davon ab, wie der Kaﬀee zubereitet werden soll.

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der Kaﬀeebohne – sowie dem Fruchtfleisch. Vor der Weiterverarbeitung muss das Fruchtfleisch entfernt werden.

H Die Bohnen werden bei bis zu 550 °C geröstet. Die Rösttemperatur und die Röstzeit entscheiden darüber, wie der Kaﬀee später schmecken wird.

B Die Früchte des Kaﬀeestrauches

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E Das Kaﬀeepulver wird mit heißem

werden geerntet. Da die Früchte nicht gleichzeitig reif werden, werden immer nur die reifen Früchte gepflückt. Die Ernte dauert daher bis zu 12 Wochen.

Wasser zubereitet. Das Wasser kann langsam durch das Pulver rinnen (Filterkaﬀee) oder mit hohem Druck hindurchgepresst werden (Espresso). Das Pulver kann auch gemeinsam mit dem Wasser gekocht werden (Türkischer Kaﬀee).

LÖSUNGSWORT:

4) Drogenprobleme – Welche Probleme können Drogen in verschiedenen Situationen verursachen? Schreibe in Stichworten auf, was dir dazu einfällt! %%

In der Familie:

Im täglichen Leben:

Im Beruf:

5) Sag „Nein“ zu Drogen! – Bildet Gruppen und gestaltet ein Plakat zum Thema „NEIN zu Drogen“! Verwendet dazu die Stichworte aus Übung 4! %%%

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In der Schule:

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CHEMIE-NEWS: Kohlenstoff – Grundlage des Lebens Fossile Brennstoffe brennen weltweit!

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Bereits in der Antike kannte man die Chimaira an der türkischen Südküste in der Nähe von Antalya. Das an diesem Ort austretende Methan hat sich entzündet – und brennt heute noch. Weltweit gibt es zahlreiche Stellen, an denen unterirdische Lagerstätten brennen: ƒ Im Jahr 1668 geriet im deutschen Ort Dudweiler im Saarland eine Kohlelagerstätte in Brand. Sie brennt noch heute und ist als „Brennender Berg“ eine Touristenattraktion. ƒ Auch in Australien gibt es einen „Burning Mountain“. Dort brennt bereits seit ca. 6 000 Jahren ein Kohlelager. ƒ In China fallen in mehreren Bergwerken jährlich 10 bis 20 Mio. t Kohle den Flammen zum Opfer. ƒ Auch Torf gerät immer wieder in Brand. So kam es 1997/98 in Indonesien zum Brand eines Torfgebietes. Zehn Monate lang brannte eine Fläche von 10 Mio. ha. Die dabei freigesetzte Menge an CO2 entsprach einem Drittel des weltweiten CO2-Ausstoßes.

Diamanten aus der Fabrik!

2 300 Jahre alte dänische Moorleiche, 1950 gefunden

Moore konservieren Tote!

Dänemark, 1950: Beim Abbau von Torf wurde ein unbekannter Toter gefunden. Aufgrund des Zustands der Leiche wurde angenommen, dass er erst kurz zuvor zu Tode gekommen war. Umso überraschter war man, als sich herausstellte, dass der Mann bereits vor 2 300 Jahren verstorben war. Der sauerstoffarme saure Boden in Mooren bewirkt, dass Lebewesen, die im Moor versinken, erstaunlich gut erhalten bleiben. Immer wieder findet man beim Abbau von Torf solche „Moorleichen“.

Diamanten werden in Tiefen zwischen 150 und 660 km bei Temperaturen von ca. 1300 °C gebildet und kommen gemeinsam mit vulkanischen Gesteinen an die Erdoberfläche. Seit mehr als 50 Jahren ist man jedoch in der Lage, die Entstehungsbedingungen von Diamanten auch künstlich zu schaffen. Grafit wird bei 1500 °C mit einem Druck von ca. 60 000 bar zusammengepresst. Dabei wandelt sich das Kristallgitter von Grafit in das des Diamanten um.

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Künstlich hergestellte Diamanten

Hast du das gewusst?

ƒ Zirkon (ZrSiO4) ist ein Mineral, das Kristalle bildet, die Diamanten zum Verwechseln ähnlich sehen. Nur ein Fachmann kann einen Zirkon von einem echten Diamanten unterscheiden. ƒ Jährlich kommt es zu tödlichen Unfällen in Weinkellern. Das beim Vergären von Traubensaft zu Wein entstehende CO2 ist schwerer als Luft und sammelt sich daher im Keller. Betritt man den Keller, kann das zum Ersticken führen. ƒ Um eine gleichmäßige Verbrennung des

Treibstoffs in Ottomotoren zu erreichen, wurden dem Benzin früher Bleiverbindungen zugesetzt. Da diese gesundheitsschädlich sind, gibt es seit 2000 ein EU-weites Verbot und man fährt in Europa „bleifrei“. ƒ Manche Erdgasquellen enthalten bis zu 16 % Helium. Dieses ist durch radioaktive Zerfälle in der Erdkruste entstanden und hat sich in Erdgaslagerstätten angesammelt. Helium wird aus diesen Gasquellen gewonnen.

130 CHEMIE-NEWS: Kohlenstoff – Grundlage des Lebens

Kein Element kann in so vielen verschiedenen Formen auftreten wie Kohlenstoff: • In Grafit bildet es Schichten, in denen die Kohlenstoffatome in regelmäßigen Sechsecken angeordnet sind. • Im Diamant sind die Kohlenstoffatome in regelmäßigen Tetraedern angeordnet. • Als Fulleren bilden die Kohlenstoffatome hohle Kugeln. • In Graphen bilden die Kohlenstoffatome eine ebene Schicht von Sechsecken. Graphen ist nur eine Atomlage dick. • Kohlenstoffnanoröhren sind nur wenige nm dick und ca. 125mal reißfester als Stahl.

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Löscharbeiten an der „Deepwater Horizon“

Am 20. April 2010 ereignete sich auf der Ölbohrplattform „Deepwater Horizon“ im Golf von Mexiko eine Explosion. In der Folge traten rund 670 000 t Erdöl aus, was zu einer der größten Umweltkatastrophen in der Geschichte der Erdölförderung führte.

Kohlenstoff – ein vielseitiges Element

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Ölpest im Golf von Mexiko

Fulleren – ein Fußball aus Kohlenstoff

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1985 gelang es erstmals, ein aus 60 C-Atomen bestehendes Molekül herzustellen. Es hat eine kugelförmige Struktur und sieht wie ein Fußball aus. Man gab ihm den Namen „Fulleren“ zu Ehren des amerikanischen Architekten Richard Buckminster Fuller, der Kuppeln entworfen hat, die ähnlich aussehen. Manchmal wird es auch „Bucky-Ball“ genannt. Welche Eigenschaften Fulleren hat und wofür man es verwenden kann, ist noch nicht ganz geklärt. Weltweit beschäftigen sich zahlreiche WissenschaftlerInnen mit diesen Fragen.

Buchtipps

John Emsley: Fritten, Fett und Faltencreme: Noch mehr Chemie im Alltag (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009). Georg Schwedt: Experimente rund ums Kochen, Braten, Backen (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2010). Klaus Roth: Chemische Leckerbissen (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2014).

Graphen

Nanoröhre

Ölpest in Alaska Am 24. März 1989 lief der amerikanische Erdöl-tanker „Exxon Valdez“ vor der Küste von Alaska auf Grund. Aus seinen Tanks liefen 37 000 t Erdöl aus. Die Umweltschäden, die durch das Erdöl verursacht worden sind, sind bis heute nicht ganz behoben.

Reinigungsarbeiten nach dem Tankerunglück

Kurz zum Schluss Die Früchte mancher Bäume in Afrika fallen zu Boden und beginnen zu gären. Dabei entsteht Alkohol. Tiere, die diese Früchte fressen, wanken dann betrunken durch die Steppe, bis sie umfallen.

Experimentieren leicht gemacht 131

Ebenso wichtig wie das Experiment selbst ist das Protokoll. In diesem wird schriftlich festgehalten, wie das Experiment abläuft und welche Ergebnisse es liefert. Sollte ein Experiment ein unerwartetes Ergebnis bringen, kannst du anhand des Protokolls später nachvollziehen, wie es dazu gekommen ist.

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In der Chemie wirst du viele Experimente beobachten oder auch selbst durchführen. Experimente sind wichtig, um zu erkennen, wie und unter welchen Bedingungen sich z. B. neue chemische Verbindungen herstellen lassen. Hier erfährst du, wie ein Experiment ablaufen sollte.

Wie führe ich ein Experiment durch und verfasse ein Protokoll?

Ein Protokoll sollte eine feste Struktur haben. Es ist aus fünf Abschnitten aufgebaut:

1. Aufgabenstellung/Titel

ƒ Mit jedem Experiment in der Chemie soll das Verhalten eines Stoﬀes oder seine Reaktion mit anderen Stoﬀen untersucht werden. D Überlege dir daher, was du genau untersuchen willst, und gib deinem Experiment einen Titel!

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2. Materialien

ƒ Für jedes Experiment benötigst du Geräte, Hilfsmittel und Chemikalien. D Führe in deinem Protokoll an, was du für dein Experiment verwendest!

3. Durchführung des Experiments

D Baue dein Experiment auf und führe es durch! D Falls du ein Experiment anhand einer Experimentieranleitung durchführst, halte dich dabei genau an die vorgegebenen Schritte! Beachte genau die Angaben, welche Mengen welcher Stoﬀe du verwenden sollst! Nur so erzielst du das gewünschte Ergebnis.

4. Beobachtungen

ƒ Bei Experimenten gibt es viel zu beobachten. Die Temperatur kann sich verändern, es kann ein Farbumschlag erfolgen, Dämpfe können entstehen, usw. D Halte in deinem Protokoll fest, was du während des Experiments beobachtet hast!

5. Auswertung der Ergebnisse

D Finde Erklärungen für deine Beobachtungen! ƒ Berücksichtige dabei, was du im Chemieunterricht gelernt hast, und lies noch einmal in deinem Chemiebuch nach, wenn du dir nicht sicher bist!

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Wie soll ein Protokoll aussehen?

Obwohl jedes Experiment anders abläuft und daher auch jedes Protokoll ein wenig anders aussehen wird, gibt es bestimmte Punkte, die jedes Protokoll enthalten muss. Auf der nächsten Seite findest du eine Vorlage, wie ein Protokoll aussehen könnte.

132 Experimentieren leicht gemacht

Titel: Gib deinem Experiment einen Namen!

Name: Gib an, wer das Experiment durchgeführt hat!

Datum und Uhrzeit

Es können auch mehrere Namen sein.

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Material und Geräte: Gib an, was du alles für dein Experiment verwendet hast!

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Aufbau: Beschreibe, wie du dein Experiment aufgebaut hast! Fertige eine Skizze an!

Durchführung: Beschreibe, was du während des Experiments getan hast! Wenn du während des Experiments etwas stufenweise veränderst oder eine Chemikalie tropfenweise zugibst, fertige eine Tabelle an!

Beobachtungen: Beschreibe, was du beobachtet hast!

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Du kannst die Ergebnisse auch in die Tabelle bei „Durchführung“ eintragen oder eine eigene Tabelle erstellen.

Auswertung: Beschreibe, wie die Ergebnisse zustande gekommen sind!

Dein Lehrbuch kann dir dabei helfen.

Sammle deine Protokolle in einer Mappe! Du kannst sie auch in dein Portfolio aufnehmen.

Experimentieren leicht gemacht 133

Experimentieren macht Spaß. Damit dabei keine Unfälle passieren und du oder deine MitschülerInnen nicht verletzt werden, müssen einige Regeln unbedingt beachtet werden:

ƒ Gehe mit den Versuchsgeräten vorsichtig um! Viele Gegenstände sind aus Glas. Sollte trotz aller Vorsicht einer davon zu Bruch gehen, entferne sofort die Scherben!

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ƒ Ergreife die erforderlichen Schutzmaßnahmen! Wenn nötig, trage eine Schutzbrille und einen Arbeitsmantel!

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ƒ Ein Versuch sollte immer nur von einer/einem aus einer Gruppe durchgeführt werden. Währenddessen beobachten alle anderen und verhalten sich dabei ruhig.

Richtiges Verhalten bei Experimenten

ƒ Kosten verboten! Chemikalien sind oft gesundheitsschädlich und daher gefährlich.

ƒ Wasche dir nach den Experimenten besonders gut die Hände! Berühre während du experimentierst weder Augen noch Mund! Essen und Trinken während eines Experiments sind nicht erlaubt. ƒ Achte darauf, dass nichts verschüttet wird! Chemikalien können deine Haut schädigen, aber auch Kleider zersetzen.

ƒ Halte dich an die Versuchsanweisungen und mache keine „Privatexperimente“! ƒ Trage unbedingt eine Schutzbrille, wenn das in der Versuchsbeschreibung empfohlen wird! ƒ Versuchsgeräte müssen sehr gut gereinigt werden. Unerwünschte Rückstände können zu heftigen Reaktionen führen. ƒ Nach Beendigung der Experimente hinterlasse deinen Arbeitsplatz sauber und ordentlich!

Mache dich vor einem Experiment mit dem „Not-Aus“ vertraut. Dabei handelt es sich um einen großen roten Knopf, der die Strom- und Gaszufuhr sofort unterbricht. Solche Not-Aus-Knöpfe sind auf jedem Experimentiertisch angebracht, zusätzlich gibt es sie auch noch für den gesamten Chemiesaal. Drücke diesen Knopf nicht nur dann, wenn dir selbst ein Unglück geschieht, sondern auch dann, wenn deine Mitschüler/innen oder dein Lehrer/deine Lehrerin in Gefahr sind.

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Mache dich auch mit den Brandschutzmaßnahmen vertraut. Zum Löschen eines Feuers gibt es einen Feuerlöscher. Außerdem sollten eine Brandschutzdecke sowie ein Eimer mit Sand vorhanden sein. Zur Ausstattung eines Chemiesaals gehört auch ein Erste-Hilfe-Schrank. Sieh nach, wo sich dieser befindet, damit du ihn im Notfall rasch findest! Sollten Chemikalien auf die Haut oder gar in die Augen gelangen, spüle diese sofort mit viel Wasser ab! Verwende keine Salben oder andere Medikamente! Verständige sofort deinen Lehrer/deine Lehrerin! Dieser/Diese kann die Gefahr abschätzen, die von der betreﬀenden Chemikalie ausgeht und wird – wenn notwendig – die Rettung oder den Notarzt verständigen. Um möglichst rasch helfen zu können, solltest du wissen, um welche Chemikalien es sich gehandelt hat. Schreib daher sicherheitshalber sofort den Namen des Stoﬀes auf ein Blatt Papier.

134 Experimentieren leicht gemacht

Arbeiten mit dem Bunsenbrenner

Im Chemieunterricht werden oft Versuche durchgeführt, bei denen Stoﬀe erhitzt werden müssen. Dazu verwendet man im Allgemeinen einen Bunsenbrenner. Für einen gefahrlosen Umgang mit diesem Gerät müssen bestimmte Regeln eingehalten werden. Vorbereitung ƒ Platziere den Bunsenbrenner kippsicher auf einer feuerfesten Unterlage! ƒ Schließe dann den Gasschlauch des Brenners an die Gasleitung des Tisches an! ƒ Setze eine Schutzbrille auf!

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Längere Haare müssen mit einem Haarband zusammengehalten werden. Beuge dich mit dem Kopf niemals über den Bunsenbrenner! WICHTIG: Zur Sicherheit muss ein Eimer mit Sand bereitstehen.

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Inbetriebnahme ƒ Zünde ein Streichholz an und öffne nacheinander zuerst das Gasventil am Bunsenbrenner und dann das Ventil der Gaszuleitung! Nähere dich mit dem brennenden Streichholz der Öffnung des Bunsenbrenners! Achte darauf, dass du das Streichholz von unten langsam nach oben zum ausströmenden Gas führst! Nähere dich nie von oben dem ausströmenden Gas – VERLETZUNGSGEFAHR! ƒ Die Höhe der Gasflamme des Bunsenbrenners wird mit der Gasregulierungsschraube geregelt. ƒ Nun öffne die Luftzufuhr, bis du eine blaue Flamme erhältst. gelblich leuchtende Flamme

blaue Flamme

Brennerrohr

Luftzufuhr

Gasdüse

Gasregulierung

Luftzufuhr geschlossen

Luft

Gas

Luftzufuhr geöﬀnet

Oly

Lasse den Bunsenbrenner niemals unbeaufsichtigt! Achte darauf, dass du mit deinen Händen oder anderen Gegenständen (z. B. weite Kleidung) nie in die Flamme gelangst! Sobald du deinen Versuch beendet hast, schließe sofort das Gaszuleitungsventil am Experimentiertisch!

Vorschriften für das Erhitzen von Stoffen ƒ Es dürfen stets nur feuerfeste Laborgefäße benutzt werden. ƒ Falls der Stoff in einem Reagenzglas erhitzt wird, wird dieses mit einer Reagenzglaskluppe am oberen Ende gehalten. Die Öffnung darf nie auf dich oder andere Personen gerichtet sein. Gehe stets nach der Versuchsanleitung vor. Beim Erhitzen wird das Reagenzglas immer vorsichtig hin und her geschwenkt, sodass der Inhalt gleichmäßig erwärmt wird.

Experimentieren leicht gemacht 135

Welcher Stoff verkohlt?

Du brauchst: Salz * Zucker * Zitronensäure * Tiegelzange * Alu-Folie * kleiner Plastiklöffel * Teelicht * Zündhölzer * feuerfeste Unterlage

Salz

Zucker

erl

Anleitung: ƒ Forme zuerst aus der Alu-Folie 3 Schüsselchen! ƒ Gib dann der Reihe nach Salz, Zucker und Zitronensäure mit dem Plastiklöffel in jeweils ein Schüsselchen! ƒ Greife nun der Reihe nach die Schüsselchen mit der Tiegelzange und halte sie über das brennende Teelicht! ƒ Beobachte, was mit den einzelnen Stoffen geschieht, und verfasse ein Protokoll! 1 Kreuze an, welcher der Stoffe verkohlt, also einen schwarzen Rückstand hinterlässt! Zitronensäure

mp eV

2 Welche dieser Aussagen ist richtig? Kreuze an!

Zucker ist eine chemische Verbindung, die Kohlenstoff enthält. Beim Erhitzen zerfällt diese Verbindung und der Kohlenstoff bleibt zurück. Salz verändert beim Erhitzen seine Farbe und wird schwarz.

Zitronensäure nimmt beim Erhitzen Kohlenstoff aus der Luft auf.

Backpulver im Schnappglas

Du brauchst: Backpulver * Kunststoffkapsel eines Überraschungseis * Essig * Pipette * Wanne

Oly

Anleitung: ƒ Schütte das Backpulver (ca. ½ Päckchen) in die Kapsel! ƒ Sauge den Essig in die Pipette! Gib ca. 5 Tropfen Essig dazu! ƒ Schließe den Deckel! Schüttle die Kapsel und lege sie in die Wanne! ƒ Tritt einige Schritte zurück und beobachte, was geschieht! 1 Was geschieht in der Kapsel? Erkläre den Vorgang! (Tipp: Wenn du nicht weiterweißt, sieh auf S. 21 nach!)

136 Experimentieren leicht gemacht Wasserentschmutzung

Du brauchst: Gefäße * Wasser * Steinchen * Gartenerde * Sand * Kochsalz * Tinte

Stelle zunächst dein „Schmutzwasser“ her. Schütte Steinchen, Erde, Sand, Salz und Tinte ins Wasser und rühre um!

a) stehen lassen und abgießen

mp eV

2 Wie nennt man dieses Trennverfahren?

erl

Anleitung: ƒ Lass dein Schmutzwasser einige Zeit stehen! 1 Was geschieht, wenn das Wasser stehen bleibt?

ƒ Dann gieße vorsichtig einen Teil des Wassers in ein anderes Gefäß! 3 Was kannst du beobachten?

4 Wie sieht dein Wasser jetzt aus?

ƒ Gehe mit diesem Wasser weiter zu Schritt b)!

b) Filtrieren

Oly

Du brauchst: Trichter * Filterpapier mit verschiedenen Porengrößen Anleitung: ƒ Falte zuerst das Filterpapier mit den größten Poren und lege damit den Trichter aus! ƒ Gieße dann das Schmutzwasser in den Trichter! 5 Was geschieht dabei?

ƒ Wiederhole diesen Vorgang und verwende dazu Filterpapier mit kleineren Poren! 6 Wie sieht das Wasser am Ende aus?

ƒ Gehe mit diesem Wasser weiter zu Schritt c)!

Experimentieren leicht gemacht 137

c) Adsorbieren

Du brauchst: Aktivkohletabletten * Trichter * Filterpapier Anleitung: ƒ Gib nun Aktivkohletabletten in das Wasser und schüttle das Gefäß! ƒ Gieße dann das Schmutzwasser in den Trichter mit Filterpapier! 7 Wie sieht das Wasser jetzt aus?

erl

Aktivkohle besteht aus Kohlenstoff und weist eine schwammartige Struktur mit einer großen Oberfläche auf. An dieser werden Schadstoffe, aber auch Farbstoffe, gebunden. Diesen Vorgang nennt man Adsorption.

ƒ Wiederhole diesen Vorgang einige Male! 8 Welche Verschmutzungen könnten noch im Wasser vorhanden sein?

mp eV

ƒ Gehe mit deinem Schmutzwasser weiter zu Schritt d)!

d) Destillieren

Du brauchst: Destillationsapparat

Anleitung:

ƒ Destilliere dein Schmutzwasser! 9 Wie hat sich das Wasser dadurch verändert?

10 Durch welches Verfahren könnte der Rest, der nach Schritt a) übrig geblieben ist, noch getrennt werden?

Cola entfärben

Oly

Du brauchst: 2 Gläser * Cola * Aktivkohle (in Pulverform) * Löffel * Trichter * Filterpapier Anleitung: ƒ Schütte Cola in das Glas und gib so viel Aktivkohle dazu, dass eine dicke, schwarze Masse entsteht! ƒ Lass nun das Glas 15 – 20 min stehen und rühre gelegentlich um! ƒ Lege dann den Trichter mit Filterpapier aus und schütte die Masse hinein! ƒ Fange die Flüssigkeit in einem anderen Glas auf! 1 Koste die Flüssigkeit! Wie schmeckt sie?

2 Was ist mit dem Cola geschehen?

138 Experimentieren leicht gemacht Zucker karamellisieren

Du brauchst: Kristallzucker * Porzellanschale * Bunsenbrenner * Dreibein mit Gitternetz * Rührstab

erl

Anleitung: ƒ Entzünde zuerst den Bunsenbrenner und stelle das Dreibein mit dem Gitternetz darüber! ƒ Platziere anschließend die mit Zucker gefüllte Schale auf dem Gitternetz! ƒ Rühre nun den Zucker gleichmäßig um! 1 Was beobachtest du?

2 Wie nennt man die Art von Reaktionen, die hier auftritt? endotherme Reaktion

mp eV

3 Ergänze die fehlenden Begriffe!

exotherme Reaktion

Bei einer _______________________ Reaktion muss ständig Energie zugeführt werden. Die ______________________________ ist kleiner als die ___________________________.

Bringe Zucker zum Brennen

Du brauchst: Würfelzucker * Tiegelzange * Asche (z. B. Zigarettenasche) * Bunsenbrenner * Zündhölzer

Oly

Anleitung: ƒ Halte den Würfelzucker mit der Tiegelzange über die Flamme des Bunsenbrenners und versuche ihn anzuzünden! ƒ Reibe dann ein weiteres Stück Würfelzucker mit Asche ein! ƒ Halte nun dieses Stück Würfelzucker ebenfalls mit der Tiegelzange über die Flamme des Bunsenbrenners! 1 Beobachte, was geschieht, und verfasse ein Protokoll! 2 Welche Funktion hat die Asche bei dieser chemischen Reaktion? Sie erhöht die Temperatur der Flamme. Sie wirkt als Katalysator.

Da sie dunkler als der Zucker ist, nimmt sie mehr Wärme der Flamme auf.

Experimentieren leicht gemacht 139

Du brauchst: 2 Gläser mit Deckel (z. B. Marmeladegläser) * Leitungswasser * destilliertes Wasser * Seifenflocken

Weiches oder hartes Wasser

erl

Anleitung: ƒ Fülle in eines der Gläser Leitungswasser und in das andere destilliertes Wasser! ƒ Gib dann in beide Gläser die gleiche Menge an Seifenflocken! ƒ Verschließe nun die Gläser und schüttle sie, bis sich die Seifenflocken aufgelöst haben! 1 Beobachte und beschreibe, wie sich die beiden Flüssigkeiten voneinander unterscheiden!

mp eV

2 Was sind die Ursachen für deine Beobachtung? Kreuze richtig an! Destilliertes Wasser ist weicher als Leitungswasser.

Das Leitungswasser war kälter als das destillierte Wasser. Leitungswasser enthält Calcium-Ionen.

Die Ionenkonzentration in destilliertem Wasser ist höher. Die Calcium-Ionen behindern die Schaumbildung.

Ei ohne Schale

Du brauchst: ein rohes Hühnerei * Essig * Becherglas * Löffel

Oly

Anleitung: ƒ Lege das Ei in das Becherglas und fülle es mit Essig auf! ƒ Beobachte, was mit dem Ei geschieht! ƒ Lass das Ei einige Tage im Essig liegen, bevor du es vorsichtig mit dem Löffel herausnimmst! 1 Beschreibe, wie sich das Ei verändert hat!

2 Was ist die Ursache für die Veränderung? Streiche die falschen Wörter durch! Die Schale des Eis enthält Zucker/Kalk/Eisen. Essig enthält Salzsäure/Schwefelsäure/Essigsäure. Diese greift die Schale an und löst den Kalk/lagert Kohlenstoff ab/erwärmt das Ei.

140 Experimentieren leicht gemacht

Du brauchst: 2 Tassen mit schwarzem Tee * Zitrone

erl

Anleitung: ƒ Tropfe Zitronensaft in eine der beiden Teeschalen! 1 Was beobachtest du?

Tee mit Zitrone

mp eV

2 Finde eine Erklärung für deine Beobachtung! (Tipp: Wenn du nicht weiterweißt, sieh auf S. 55 nach.)

Mittel gegen Sodbrennen

Speisesoda

Du brauchst: Glasgefäß * flüssiger Lackmus * Wasser * Essig * Speisesoda * Rührstab

Anleitung: ƒ Fülle zuerst Wasser in das Glasgefäß und gib etwas Essig dazu! ƒ Gib nun den flüssigen Lackmus dazu und rühre mit dem Rührstab um! 1 Was beobachtest du?

ƒ Schütte pulverförmiges Speisesoda in kleinen Mengen dazu und rühre erneut um!

Essig + Indikator

Oly

2 Beschreibe deine Beobachtung!

3 Was geschieht dabei? (Tipp: Wenn du nicht weiterweißt, sieh auf S. 57 nach.)

4 Wie nennt man diese Reaktion?

5 Was geschieht, wenn du wieder Essig dazugibst?

Experimentieren leicht gemacht 141

Flammenfärbung

Du brauchst: Bunsenbrenner * 3 Magnesiastäbchen * Wasser * Natriumchlorid (Kochsalz) * Kaliumcarbonat (Pottasche) * Calciumsulfat (Gips)

erl

Anleitung: ƒ Entzünde den Bunsenbrenner! ƒ Befeuchte nun ein Magnesiastäbchen und tauche es in eines der Salze, sodass ein wenig davon am Stäbchen kleben bleibt! ƒ Halte dann das Stäbchen mit dem Salz in die Flamme des Bunsenbrenners! 1 Was beobachtest du?

mp eV

ƒ Wiederhole das Experiment mit den anderen Salzen! 2 Verfasse anschließend ein Protokoll, in dem du festhältst, welches Salz welches Ergebnis bringt! Tipp: Du kannst dieses Experiment auch noch mit weiteren Salzen durchführen. Halte diese Ergebnisse ebenfalls im Protokoll fest!

Textilfasern

Du brauchst: Kerze * Tiegelzange * feuerfeste Unterlage * verschiedene Textilfasern (von zu Hause mitbringen) Anleitung: ƒ Entzünde die Kerze und stelle sie auf die feuerfeste Unterlage! ƒ Nimm eine Faser mit der Tiegelzange und halte sie kurz in die Kerzenflamme! ƒ Beobachte, wie sich die Faser in der Flamme verhält! Achte dabei darauf, ob sie leicht oder schwer entflammt, ob sie rasch oder langsam verbrennt, welche Geräusche oder Gerüche dabei entstehen und wie die Verbrennungsrückstände aussehen! 1 Führe ein Protokoll, in dem du einträgst, woraus deine Fasern bestehen! Verwende dazu die unten stehende Tabelle! Wenn du deine Fasern aus einem Kleidungsstück genommen hast, vergleiche dein Ergebnis mit den Angaben am Etikett des Kleidungsstücks! ACHTUNG: Sollte dein Ergebnis nicht eindeutig sein, denke daran, dass viele Textilien aus einer Mischung verschiedener Fasern bestehen können!

Oly

Verhalten beim Brennen

Faser

entflammt leicht; verbrennt rasch mit heller Flamme; riecht nach verbranntem Papier; hellgraue, leichte Asche, die sich von der Faser löst

Fasern, die aus Zellulose bestehen (z. B. Leinen, Baumwolle, Viskose)

schwer entflammbar; verbrennt langsam mit zischendem Geräusch; riecht nach verbrannten Haaren; hinterlässt eine schwarze, kohlenartige Masse

Fasern aus tierischen Haaren (z. B. Schafwolle)

schmilzt und zieht sich dabei von der Flamme zurück; bildet Schmelzperle; wird diese erneut in die Flamme gehalten, verbrennt sie zu einer hellen, glasartigen Masse, die beim Abkühlen erhärtet; süßlicher Geruch

Polyester

entflammt; schmilzt und zieht sich dabei zusammen; es entsteht eine dunkle rasch erhärtende Schmelze; stechender Geruch (Achtung: die Dämpfe sind schädlich → Raum lüften)

Polyacryl

142 Experimentieren leicht gemacht Recyclingpapier

Du brauchst: alte Zeitungen * flache Wanne * Rührer* Holzleisten * engmaschiges Gitter (Fliegengitter) * Nägel und Schrauben * saugfähige Tücher * Holzplatten * Gewichte * Wäscheleine * Wäscheklammern

mp eV

erl

Anleitung: ƒ Stelle zuerst einen Schöpfrahmen her! Fertige dazu aus den Leisten einen rechteckigen Rahmen an und bespanne ihn mit dem Fliegengitter! Der Schöpfrahmen muss kleiner als die Wanne sein. ƒ Stelle deinen Papierbrei her! Zerreiße dazu die alten Zeitungen in möglichst kleine Stücke und lass sie in der Wanne mit Wasser einige Tage stehen! Verarbeite sie anschließend mit einem Rührer zu einem dickflüssigen Brei! ƒ Ziehe den Rahmen durch den Papierbrei! Auf dem Rahmen soll eine dünne gleichmäßige Schicht zurückbleiben. ƒ Kippe dann den Rahmen um und lege die Schicht aus Papierbrei auf ein trockenes Tuch! Lege ein anderes Tuch darauf und beschwere es mit der Holzplatte und den Gewichten! ƒ Sobald die Tücher den Großteil des Wassers aufgenommen haben, nimm das Blatt Papier und hänge es zum Trocknen auf der Wäscheleine auf! Hinweis: So eine Wanne, aus der der Papierbrei geschöpft wird, nennt man „Bütte“. Auf diese Weise hergestelltes Papier heißt daher „Büttenpapier“. Auch heute noch wird mit dieser Methode Papier hergestellt. Es handelt sich dabei um sehr hochwertiges Papier, das z. B. Künstler und Künstlerinnen für die Herstellung ihrer Bilder verwenden.

Messung des Zuckergehalts

Du brauchst: Obst (3 bis 4 unterschiedliche Sorten) * großes Becherglas * 3 bis 4 kleinere Bechergläser * Teller * Gabel * Wasser * Trichter * Filterpapier * Waage * Glukoseteststäbchen

Oly

Anleitung: ƒ Wieg der Reihe nach von jeder Obstsorte genau 10 g ab! ƒ Zerdrücke die Obststücke einer Sorte auf dem Teller mit der Gabel! ƒ Gib dann das zerdrückte Obst in das große Becherglas und schütte 100 ml Wasser dazu! Rühre mit der Gabel um! ƒ Lege das Filterpapier in den Trichter und schütte den Inhalt des Becherglases hinein! Lass die Flüssigkeit in eines der kleinen Bechergläser rinnen! ƒ Wiederhole den Vorgang mit den anderen Obstsorten! Wasche zwischen zwei Obstsorten die Geräte, die du verwendet hast, ab! ƒ Tauche in jedes der kleinen Bechergläser einen Glukoseteststab*)! 1 Beobachte, wie sich die Glukoseteststäbchen in den einzelnen Flüssigkeiten verfärben, und verfasse ein Protokoll! 2 Wieso kommt es zu einer unterschiedlichen Verfärbung der Glukoseteststäbchen?

*) Glukoseteststäbchen können in jeder Apotheke gekauft werden. Sie dienen zum Nachweis von Zucker in Blut oder im Urin.

Experimentieren leicht gemacht 143

Nachweis von Stärke

Du brauchst: mehrere Bechergläser * Pipette * Löffel * Iodtinktur * stärkehaltige Produkte (z. B. Mehl, Nudeln, Kartoffel, Reis) * Wasser * Bunsenbrenner * Dreibein mit Gitter * Sieb

mp eV

erl

Anleitung: ƒ Gib die Produkte (die Kartoffel musst du zuvor in kleine Stücke schneiden) jeweils in ein Becherglas und gieße Wasser dazu! ƒ Stelle nun der Reihe nach die Bechergläser auf das Dreibein und erhitze sie mit dem Bunsenbrenner! ƒ Nimm die Bechergläser und gieße ihre Inhalte durch das Sieb in weitere Bechergläser! Kennzeichne die Gläser, sodass du auch später noch weißt, welche Produkte sie enthalten haben! ƒ Gib dann in jede der Flüssigkeiten 5 – 10 Tropfen der Iodtinktur! 1 Verfasse zum Schluss ein Protokoll! 2 Was geschieht mit der Flüssigkeit?

3 Erkläre deine Beobachtung!

Gerinnung von Eiweiß

Du brauchst: mehrere Bechergläser * Milch * Apfelsaft * Sojamilch * Wasser * Ei * Zitronensaft

Oly

Anleitung: ƒ Gieße Milch, Apfelsaft, Sojamilch und Wasser jeweils in ein Becherglas! Trenne dann das Ei in Dotter und Eiklar und gib die beiden ebenfalls in Bechergläser! ƒ Tropfe in jedes der Bechergläser einige Tropfen Zitronensaft! Schwenke dann das Glas, damit sich die Flüssigkeiten gut vermischen! 1 Verfasse ein Protokoll! 2 In welchen Bechergläsern kommt es zu einer Veränderung? Milch

Apfelsaft

Sojamilch

Wasser

Eiklar

Eidotter

3 Was enthalten alle Flüssigkeiten, bei denen es zu einer Veränderung kommt?

4 Wie nennt man diese Form der Veränderung?

5 Was wird dabei gebildet?

144 Experimentieren leicht gemacht

Du brauchst: 2 Reagenzgläser mit Gummistopfen * Reagenzglasständer * Speiseöl * Reinigungsbenzin * Wasser * Pipette

mp eV

erl

Anleitung: ƒ Fülle jeweils ca. 2 cm hoch Speiseöl in die Reagenzgläser! ƒ Tropfe in eines davon 10 Tropfen Wasser, in das andere 10 Tropfen Reinigungsbenzin! ƒ Verschließe die Reagenzgläser, schüttle sie und stelle sie in den Reagenzglasständer! ƒ Beobachte die Gläser einige Minuten lang! 1 Was geschieht in den Reagenzgläsern?

Löslichkeit von Speiseöl

2 Erkläre deine Beobachtungen!

Badesalz

Du brauchst: Soda (Natriumcarbonat) * Parfum * Mörser mit Stößel * Lebensmittelfarbe * Schüssel * Rührstab * Glas mit Verschluss

Oly

Anleitung: ƒ Zerkleinere zuerst das Soda im Mörser und schütte es in die Schüssel! ƒ Gib dann einige Tropfen Parfum hinzu und verrühre es! ƒ Anschließend füge einige Tropfen Lebensmittelfarbe hinzu und verrühre die Masse erneut, bis sie eine gleichmäßige Farbe hat! ƒ Fülle dein Badesalz in das Glas und verschließe es! Du kannst dieses Badesalz bei deinem nächsten Vollbad verwenden.

Experimente beobachten 145

Experimente zeigen chemische Vorgänge

Viele chemische Experimente erfordern sehr viel Erfahrung. Ihre Durchführung ist manchmal sehr schwierig oder dauert lange. Häufig werden auch gefährliche Stoﬀe eingesetzt und es können heftige Reaktionen auftreten.

Lichterscheinung beim Verbrennen von Magnesium Man braucht: Magnesiumband * Tiegelzange * Bunsenbrenner * Schutzbrille

erl

Durchführung: ƒ Ein Magnesiumband wird mit der Tiegelzange in die Flamme des Bunsenbrenners gehalten. 1 Womit reagiert das Magnesium? Kreuze an! mit dem in der Luft enthaltenen Wasserdampf mit dem Sauerstoff der Luft mit dem Stickstoff der Luft

mp eV

2 Was zeigt sich bei dieser Reaktion

3 Magnesium ist ein …

Metall.

Halbmetall.

Nichtmetall.

(Achtung: Bei diesem Experiment sollt man nicht direkt in die Flamme schauen!)

Nachweis von CO2

Man braucht: Kalkwasser * Eprouvette * dünnes Glasrohr (Strohhalm)

Durchführung: ƒ Die Eprouvette wird etwa zur Hälfte mit Kalkwasser gefüllt. ƒ Das Glasrohr wird in die Eprouvette gesteckt, sodass seine Öffnung in die Flüssigkeit taucht. ƒ Durch das Glasrohr wird Atemluft hineingeblasen. 1 Was ist zu beobachten?

Oly

2 Erkläre deine Beobachtung, indem du die Lücken füllst!

_____________________ wird hergestellt, indem man gelöschten Kalk (Calciumhydroxid) in Wasser gibt. Dabei löst sich dieser teilweise im Wasser. Der restliche ____________ wird durch Filtrieren entfernt. Wird Kohlenstoﬀdioxid durch das Kalkwasser geleitet, kommt es zu einer ________________ zwischen dem Calciumhydroxid und CO2. Dabei entsteht Calciumcarbonat, welches zu einer ________________ des klaren

Kalkwassers führt. Mit Hilfe von Kalkwasser kann daher das Gas CO2 nachgewiesen werden.

146 Experimente beobachten Zersetzung von Wasser

Man braucht: Hofmannscher Zersetzungsapparat (mit verdünnter Schwefelsäure gefüllt) * Stromquelle (Gleichspannung, 12V) * 2 Verbindungskabel * 2 Eprouvetten * Kerze * Holzspan

erl

Durchführung: ƒ Der Hofmannsche Zersetzungsapparat wird an die Stromquelle angeschlossen. 1 Was kannst du beobachten?

mp eV

ƒ An der Säule des Apparates, an der mehr Gas entstanden ist, wird das Gas entnommen. Dazu wird eine Eprouvette mit der Öffnung nach unten über die Düse gehalten und das Ventil geöffnet. ƒ Diese Eprouvette wird mit dem Daumen verschlossen und in die Nähe der brennenden Kerze gehalten. Dann wird der Daumen weggezogen. 2 Was kannst du beobachten?

3 Wie nennt man diesen Nachweis eines Gases?

4 Welches Gas kann damit nachgewiesen werden?

ƒ Anschließend wird das Gas an der anderen Säule des Apparates entnommen. Dazu wird die Eprovette mit der Öffnung nach oben gehalten und das Gas mit einem Gummischlauch hineingeleitet. ƒ An der Kerzenflamme wird der Holzspan entzündet und dann ausgeblasen, sodass er nur noch leicht glimmt. Dieser glimmende Holzspan wird in die Eprouvette gesteckt. 5 Was kannst du beobachten?

6 Wie nennt man diesen Nachweis eines Gases?

Oly

7 Welches Gas kann damit nachgewiesen werden?

8 Warum ist im Hofmannschen Zersetzungsapparat mehr Wasserstoff als Sauerstoff entstanden?

9 Schreibe die Reaktionsgleichung des Vorganges im Zersetzungsapparat an!

Experimente beobachten 147

Man braucht: Muschelschale (Schneckenhaus) * verdünnte Salzsäure (z. B. 10 %) * Pipette * Glasschale

Die schäumende Muschel

erl

Durchführung: ƒ Die Muschelschale wird in das Glasgefäß gelegt. ƒ Mit der Pipette wird etwas Salzsäure aufgenommen und auf die Muschelschale getropft. 1 Was kannst du beobachten?

2 Beschreibe den Vorgang, indem du die Begriffe richtig in den Lückentext einsetzt!

__________, seine chemische Formel ist CaCO3,

reagiert mit ____________________ (HCl).

mp eV

Die Reaktionsgleichung lautet: CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + H2O + CO2

Das CO2, das bei dieser Reaktion entsteht, ist ___________________ und erzeugt die Bläschen, die als Schaum zu beobachten sind.

Reaktion von Schwefelsäure mit Zucker

Man braucht: Staubzucker * konzentrierte Schwefelsäure (96 %) * Reagenzglas * Pipette Durchführung: ƒ Staubzucker wird ca. 2 cm hoch in ein Reagenzglas gefüllt. ƒ Mit einer Pipette werden 2 bis 3 Tropfen Schwefelsäure dazugetropft. 1 Was geschieht?

2 Beschreibe deine Beobachtung!

Oly

3 Beschreibe den Vorgang, indem du die Wörter richtig einsetzt!

Zucker besteht aus Kohlenstoff, ___________________ und Sauerstoff. Die Schwefelsäure entzieht dem Zucker Wasser- und Sauerstoff, sodass nur noch der schwarze ____________________ übrigbleibt. Die dabei freiwerdenden ___________ führen zunächst zur ___________________________. Sie führen auch dazu, dass der „Kohlenstoffschwamm“ das gesamte Reagenzglas ausfüllt, da sie im festen Kohlenstoff zahlreiche winzige _____________________ bilden.

148 Experimente beobachten Herstellen von Kochsalz

Man braucht: verdünnte Salzsäure * verdünnte Natronlauge * Gefäß * Indikator * Bunsenbrenner * Dreibein mit Gitternetz

2 Was ist bei dieser Reaktion entstanden?

erl

Durchführung: ƒ Unter ständigem Rühren wird tropfenweise Natronlauge in Salzsäure gegeben, bis der neutrale Wert erreicht ist (Kontrolle mit Indikator). ƒ Die Flüssigkeit wird über dem Bunsenbrenner so lange erhitzt, bis die Flüssigkeit verdampft ist. 1 Was kannst du beobachten?

mp eV

3 Was kannst du beobachten, wenn du das Ergebnis dieser Reaktion unter dem Mikroskop betrachtest?

Indikator aus Rotkraut*)

Man braucht: frisches Rotkraut * Wasser * Topf * Bunsenbrenner * Dreibein mit Gitternetz * Sieb * Schüssel * mehrere Bechergläser * Zitronensaft * Essig * Apfelsaft * Backpulver * Speisesoda

Durchführung: Geschnittenes Rotkraut ƒ 2 bis 3 Blätter Rotkraut werden klein geschnitten und in Wasser ca. 15 min gekocht. Die Farbstoffe aus dem Rotkraut lösen sich beim Kochen und verfärben das Wasser violett. Rotkrautsaft ƒ Der Inhalt des Topfes wird durch ein Sieb in eine Schüssel gegossen. ƒ Jeweils 2 Esslöffel Zitronensaft, Essig, Apfelsaft und Leitungswasser werden in Bechergläser gefüllt. Die Bechergläser werden beschriftet. ƒ In weitere Bechergläser gibt man jeweils einen Teelöffel Backpulver und Speissoda. ƒ Die Bechergläser werden mit dem Saft des Rotkrauts aus der Schüssel aufgefüllt.

Oly

1 Was beobachtest du? Kreuze an! rötlich

Zitronensaft Essig

Apfelsaft

Backpulver

Speisesoda

Leitungswasser

*) Häufig wird Rotkraut auch Blaukraut genannt.

violett

grünlich

sauer

basisch

neutral

Experimente beobachten 149

Trockeneis

Man braucht: Trockeneis * Seifenflocken * Rührstab * Bechergläser * verschiedene flüssige Indikatoren (z. B. Lackmus, Phenolphthalein, Bromthymolblau) * Tiegelzange * destilliertes Wasser

2 Was schließt du daraus?

erl

Durchführung: ƒ In die Bechergläser wird destilliertes Wasser gefüllt. Anschließend werden jeweils einige Seifenflocken zugegeben und umgerührt. ƒ In jedes Becherglas wird ein anderer Indikator gegeben. Trockeneis ist gefrorenes, also festes Kohlenstoﬀdioxid. In Wasser erzeugt es Nebel. 1 Was kannst du beobachten?

mp eV

ƒ Mit der Tiegelzange wird in jedes Becherglas ein Stück Trockeneis gelegt. 3 Was kannst du beobachten?

4 Was schließt du daraus?

Wasserstoffgewinnung

verdünnte Salzsäure

5 Finde eine Erklärung für das Beobachtete!

Oly

Man braucht: Erlenmeyerkolben * passender Stopfen mit Durchführung sowie zweifach gebogenem seitlichem Glasrohr * Tropftrichter * Glaswanne mit Wasser * Eprouvette * Zinkplättchen * verdünnte Salzsäure Durchführung: ƒ Die Experimentieranordnung wird – so wie in nebenstehender Skizze – aufgebaut. ƒ In den Erlenmeyerkolben werden die Zinkplättchen geschüttet und durch Zink den Tropftrichter tropfenweise verdünnte Salzsäure hinzugegeben. ƒ Die mit Wasser gefüllte Eprouvette wird über das freie Ende des Glasrohres gehalten. 1 Was kannst du beobachten?

ƒ Die Eprouvette wird abgenommen und die Knallgasprobe wird durchgeführt. 2 Um welches Gas handelt es sich?

3 Vervollständige die Reaktionsgleichung!

Zn + 2 HCl → ______ + __________

150 Experimente beobachten Kalk brennen und löschen

Man braucht: Stück Marmor * Waage * Tiegelzange * Bunsenbrenner * destilliertes Wasser * Pipette

2 Was ist entstanden?

erl

Durchführung: ƒ Zunächst wird das Stück Marmor gewogen. Die Masse wird notiert. ƒ Mit der Tiegelzange wird das Marmorstück einige Minuten über die Flamme des Bunsenbrenners gehalten. ƒ Nach dem Abkühlen wird das Stück neuerlich gewogen. 1 Wie hat sich die Masse verändert?

mp eV

ƒ Das Marmorstück wird auf eine feuerfeste Unterlage gelegt. Dann wird Wasser darauf getropft. 3 Was kannst du beobachten?

4 Was ist dabei entstanden?

ƒ Die Flüssigkeit, die sich bildet, wird mit Indikatorpapier untersucht. 5 Was zeigt die Verfärbung des Indikatorpapiers an? Streiche das Falsche durch!

Die Flüssigkeit ist sauer / basisch.

Herstellen einer „Glasdüse“

Man braucht: dünnes Glasrohr * Bunsenbrenner

Oly

Durchführung: ƒ Das Glasrohr wird an beiden Enden über die Flamme des Bunsenbrenners gehalten. ƒ Sobald das Glas zu schmelzen beginnt, werden die beiden Enden langsam auseinander gezogen. ƒ Die beiden Rohrstücke sind an ihren Enden verschmolzen. Sie sind geschlossen und bilden eine Spitze. ƒ Mit einer Zange kann die Spitze abgezwickt werden. Dadurch entsteht eine Düse mit sehr kleinem Querschnitt.

Experimente beobachten 151

Kristallgarten

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Man braucht: Natronwasserglas (Na4SiO4) * destilliertes Wasser * wasserlösliche Metallsalze (z. B. Calciumchlorid, Kobaltchlorid, Eisen-III-chlorid, Kupferchlorid) * Glas (wird nach dem Experiment weggeworfen) * Pinzette Durchführung: ƒ Das Glas wird zu etwa einem Drittel mit Natronwasserglas gefüllt. ƒ Anschließend wird es mit etwa der gleichen Menge destillierten Wassers verdünnt. ƒ Mit der Pinzette werden einige Körner der Metallsalze vorsichtig auf den Boden des Glases gelegt. 1 Beobachte, was im Glas geschieht! ACHTUNG: Werde nicht ungeduldig, der Vorgang kann einige Zeit dauern!

2 Erkläre deine Beobachtung, indem du die fehlenden Begriffe richtig einsetzt!

mp eV

Aus dem Kristall beginnt sich _____________________ zu lösen. Die freigesetzten Metallionen reagieren mit dem __________________ zu schwer löslichem Metallsilikat. Dieses legt sich wie ein schützendes Häutchen rund um den Kristall. Von außen kann Wasser durch das _________________ dringen. Jedoch können von innen keine _________________________ passieren. Dadurch steigt der Druck und das Häutchen bläht sich auf, bis es an einer Stelle _________. An dieser Stelle fließt ein wenig der Metallsalz-Lösung nach außen und ein neues Häutchen bildet sich. Durch kleine ___________________, die sich ebenfalls bilden, entsteht ein Auftrieb, der bewirkt, dass die mit ____________________ gefüllten Häutchen nach oben wachsen.

Nylonfaden

Oly

Man braucht: Adipinsäurechlorid (C6H8O2Cl2) * Hexamethylendiamin (C6H12N2) * Petrolether * Natriumcarbonat (Na2CO3) * Phenolphthalein-Lösung (C20H14O4) * destilliertes Wasser * 2 Bechergläser * Pinzette * Glasstab Durchführung: ƒ 2 g Adipinsäurechlorid werden in 50 ml Petrolether gelöst. ƒ Im zweiten Becherglas löst man 3 g Hexamethylendiamin in 50 ml Wasser und gibt 0,5 g Natriumcarbonat hinzu. Anschließend werden einige Tropfen Phenolphthalein-Lösung beigegeben. ƒ Die Hexamethylendiamin-Lösung wird mit der Adipinsäurechloridlösung überschichtet. ƒ Mit der Pinzette wird der Film, der sich an der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten bildet, herausgezogen. Er kann über einen Stab gewickelt werden. 1 Kreuze die richtige Erklärung für den beobachteten Vorgang an! Durch die auftretende Hitze werden die Doppelbindungen in Ethen aufgebrochen. An der Grenzfläche entstehen durch Polykondensation Kettenmoleküle. Hexamethylendiamin wird durch Adipinsäurechlorid vulkanisiert.

152 Experimente beobachten Steinkohlenteer

Kokereigas

Man braucht: Glaswanne mit Wasser * Bunsenbrenner * 2 feuerfeste Eprouvetten * 2 Stopfen mit Durchführung * T-Rohr aus Glas * Stativ (zum Fixieren) * Steinkohle

Steinkohle

Steinkohlenteer

erl

Durchführung: ƒ Steinkohle wird in eine Eprouvette gefüllt. ƒ Die beiden Eprouvetten, das Glasrohr sowie die Glaswanne werden so wie in der Skizze ersichtlich, angeordnet. ƒ Um das senkrechte Glasrohr zu fixieren, wird dieses in einem Stativ eingespannt. ƒ Der Bunsenbrenner wird entzündet und seine Flamme unter die Steinkohle geschoben. 1 Was beobachtest du?

mp eV

ƒ Eine Flamme wird kurz an das offene Ende des Rohrs gehalten. 2 Was kannst du beobachten?

3 Was kannst du aus deinen Beobachtungen schließen? Kreuze die beiden richtigen Aussagen an! Die Steinkohle wird durch die Wärme in mehrere Bestandteile zerlegt. Das aus Steinkohle gewonnene Kokereigas wurde früher zum Beheizen von Wohnungen verwendet. Die gasförmigen Bestandteile sind leicht entzündlich. Die Wärme bewirkt, dass die langkettigen Kohlenwasserstoﬀe der Steinkohle in kürzere Kettenmoleküle aufgespaltet werden.

Nachweis von Zucker

Man braucht: Man braucht: Fehlingsche Lösung I * Fehlingsche Lösung II * 2 Eprouvetten * Bunsenbrenner * Fruchtsaft * Pipette

Oly

Durchführung: ƒ In eine Eprouvette wird ein wenig Fruchtsaft gefüllt. ƒ In die andere Eprouvette werden mit Hilfe der Pipette die gleichen Mengen der beiden Fehlingschen Lösungen gefüllt und durch Schütteln gemischt. ƒ Die Mischung der beiden Lösungen wird in die Eprouvette mit dem Fruchtsaft geschüttet. ƒ Diese Eprouvette wird über der Flamme des Bunsenbrenners erwärmt. 1 Was kannst du beobachten?

2 Wie lautet deine Schlussfolgerung?

erhitzen

Experimente beobachten 153

Stärkefolie

Man braucht: Waage * lösliche Stärke * Kartoffelmehl * destilliertes Wasser * Glycerin * Lebensmittelfarbe * feuerfestes Gefäß * Rührstab * Dreibein mit Gitternetz * Bunsenbrenner * Tiegelzange * Kunststoffplatte

erl

Durchführung: ƒ 3,5 g Stärke, 2 g Kartoffelmehl, 3 ml Glyceri, 50 ml destilliertes Wasser sowie einige Tropfen Lebensmittelfarbe werden im Gefäß verrührt. ƒ Diese Mischung wird unter stetigem Rühren zum Sieden gebracht. Es soll eine gleichmäßige Masse ohne Klumpen entstehen. ƒ Die Masse wird auf die Kunststoffplatte gegossen. ƒ Nach dem Trocknen (dieser Vorgang kann einige Stunden dauern) kann die Folie vorsichtig abgezogen werden. 1 Was geschieht bei diesem Experiment? Lies diesen Text und markiere die wesentlichen Inhalte! Pflanzliche Stärke besteht zu 70 – 80 % aus Amylopektin und zu 20 – 30 % aus Amylose. Amylopektin besteht aus verzweigten Ketten von Glukosemolekülen, während die Ketten von Amylose keine

mp eV

Verzweigungen aufweisen. Die Amylose-Ketten bilden einen Film, dessen Festigkeit durch die verzweigten Amylopektin-Ketten erhöht wird. Beim Trocknen würde eine spröde Folie entstehen, die leicht zerbricht. Daher wird Glycerin als „Weichmacher“ hinzugefügt. Dieses verhindert, dass sich aus den Stärkemolekülen spröde Kristalle bilden. Außerdem ist es hygroskopisch, bindet also Feuchtigkeit. Dadurch bleibt die Stärke auch nach dem Trocknen weich und geschmeidig. Folien aus Stärke werden immer häufiger als Verpackungsmaterial eingesetzt. Sie werden aus nachwachsenden Rohstoﬀen hergestellt und sind biologisch abbaubar, belasten also die Umwelt nicht.

Eiweißnachweis

Man braucht: verschiedene feste Lebensmittel (z. B. Fleisch, Wurst, Käse, Fisch, Topfen, Apfel, Gurke, Brot) * feuerfeste Gefäße * Dreibein mit Gitternetz * Bunsenbrenner * 3 %ige Natronlauge * Fehlingsche Lösung I (oder 7 %ige Kupfersulfatlösung) * Eprouvetten in Eprouvettenständer * Pipette * Etiketten

Oly

Durchführung: ƒ Die Lebensmittel werden jeweils zerkleinert und in einem feuerfesten Gefäß mit Natronlauge aufgekocht. ƒ Nach dem Abkühlen werden von den Flüssigkeiten mit Pipetten jeweils 5 ml entnommen und in Eprouvetten gefüllt. ƒ Die Eprouvetten werden beschriftet. ƒ Jeder Eprouvette werden einige Tropfen Fehlingsche Lösung I zugegeben. 1 Was beobachtest du?

ƒ Mit dieser Reaktion, die auch Biuretreaktion genannt wird, kann Eiweiß nachgewiesen werden. 2 Was schließt du aus deiner Beobachtung?

154 Experimente beobachten Alkohol herstellen

Man braucht: Destillierkolben * Zucker * Wasser * Hefe (Germ) * Destillierapparat (wenn vorhanden mit Heizung) * Bunsenbrenner * Dreibein mit Gitternetz

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Durchführung: ƒ Zucker und Wasser werden miteinander verrührt, bis sich der Zucker aufgelöst hat. ƒ Anschließend wird die Hefe ebenfalls in die Flüssigkeit gerührt. ƒ Die Flüssigkeit bleibt einige Tage abgedeckt stehen. 1 Was beobachtest du? Setze richtig ein!

Die Hefepilze wandeln den _____________ im Wasser in _____________ um. Dabei entsteht ______, das Bläschen in der Flüssigkeit bildet. ƒ Die Flüssigkeit wird destilliert. Dabei gewinnt man eine klare Flüssigkeit. 2 Woraus besteht diese Flüssigkeit zum Großteil? Salzsäure

Alkohol

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Wasser

3 Wie nennt man das Trennverfahren, das hier angewandt wird?

4 Wie kann die Flüssigkeit, die entstanden ist, nachgewiesen werden?

Seife herstellen

Man braucht: 2 ml Speiseöl * 100 ml destilliertes Wasser * 15 g Soda * Gefäß * Bunsenbrenner * Dreibein mit Gitter

Oly

Durchführung und Erklärung: ƒ Speiseöl, Wasser und Soda werden im Gefäß zum Kochen gebracht. Da die Mischung beim Kochen spritzen oder schäumen kann, sollte dabei eine Schutzbrille getragen werden. ƒ Sobald die Flüssigkeit milchig trübe wird und Blasen wirft, ist Seife entstanden. ƒ Die Fettsäuren und das basische Soda haben miteinander reagiert. Die dabei entstandenen Salze sind die Seife. ƒ Die entstandene Seife kann in eine Zündholzschachtel gefüllt werden. Die Schachtel wird nach dem Erstarren der Seife entfernt. So erhält man ein Stück Seife.

Chemisches Lexikon 155

chemisch – deutsch

AlCl3 C10H8 C2H2 C2H4 C2H5OH C2H6 C3H8 C3H8COO C3H8O3 C4H10 C5H12 C6H12O6

Aluminiumchlorid Naphthalin Ethin, Acetylen Ethen Ethanol Ethan Propan Essigsäureethylester Glycerin Butan Pentan Einfachzucker (Fructose, Glucose) Hexan C6H14 Benzen (Benzol) C6H6 Heptan C7H16 Oktan C8H18 Calciumhydroxid, Ca(OH)2 Löschkalk Kalk, CalciumCaCO3 carbonat CaO Calciumoxid, Branntkalk Calciumsulfat, Gips CaSO4 CH3COOH Essigsäure Methanol CH3OH Methan CH4

Oly NaHCO3

CO CO2 CoCl2 COO COOH CS2 CuSO4 FeS H2CO3 H 2O H2S H2SO3 H2SO4 H3PO4 HCl K2CO3

Kohlenmonoxid Kohlenstoffdioxid Kobaltchlorid Carboxylatgruppe Carboxygruppe Schwefelkohlenstoff Kupfersulfat Schwefeleisen Kohlensäure Wasser Schwefelwasserstoff Schweflige Säure Schwefelsäure Phosphorsäure Salzsäure Kaliumcarbonat, Pottasche Kaliumphosphat Kaliumchlorid Kaliumnitrat, Salpeter Kalilauge, Kaliumhydroxid Magnesit Magnesiumoxid Natriumcarbonat, Waschsoda Natriumsulfat, Glaubersalz, Karlsbader Salz Natriumphosphat Kochsalz, Natriumchlorid Natriumhydrogencarbonat, Natron, Speisesoda Natriumnitrat, Chilesalpeter Natronlauge Aminogruppe Ammoniak Salpetersäure Ozon Quarz Schwefeldioxid

C2H2 AlCl3 NH2 NH3 C6H6 CaO C4H10 CaCO3 Ca(OH)2 CaO CaSO4 COOH COO NaNO3 C6H12O6 CH3COOH C3H8COO C2H6 C2H5OH C2H4 C2H2 C6H12O6 CaSO4 Na2SO4 C6H12O6 C3H8O3 C7H16 C6H14 KOH K2CO3 KCl KOH KNO3 K3PO4 CaCO3 Na2SO4 CoCl2 NaCl CO H2CO3 CO2 CuSO4 Ca(OH)2 MgCO3 MgO CH4 CH3OH C10H8 Na2CO3 NaCl

NaNO3 Na3PO4 Na2SO4 NaHCO3 NaOH C8H18 O3 C5H12 H3PO4 K2CO3 C3H8 SiO2 KNO3 NHO3 HCl SO2 FeS CS2 H2SO4 H 2S H2SO3 NaHCO3 Na2CO3 H 2O

mp eV

Acetylen Aluminiumchlorid Aminogruppe Ammoniak Benzen (Benzol) Branntkalk Butan Calciumcarbonat Calciumhydroxid Calciumoxid Calciumsulfat Carboxygruppe Carboxylatgruppe Chilesalpeter Einfachzucker Essigsäure Essigsäureethylester Ethan Ethanol Ethen Ethin Fructose Gips Glaubersalz Glucose Glycerin Heptan Hexan Kalilauge Kaliumcarbonat Kaliumchlorid Kaliumhydroxid Kaliumnitrat Kaliumphosphat Kalk Karlsbader Salz Kobaltchlorid Kochsalz Kohlenmonoxid Kohlensäure Kohlenstoﬀdioxid Kupfersulfat Löschkalk Magnesit Magnesiumoxid Methan Methanol Naphthalin Natriumcarbonat Natriumchlorid Natriumhydrogencarbonat

Natriumnitrat Natriumphosphat Natriumsulfat Natron Natronlauge Oktan Ozon Pentan Phosphorsäure Pottasche Propan Quarz Salpeter Salpetersäure Salzsäure Schwefeldioxid Schwefeleisen Schwefelkohlenstoﬀ Schwefelsäure Schwefelwasserstoﬀ Schweflige Säure Speisesoda Waschsoda Wasser

erl

deutsch – chemisch

K3PO4 KCl KNO3 KOH

MgCO3 MgO Na2CO3 Na2SO4

Na3PO4 NaCl NaHCO3

NaNO3 NaOH NH2 NH3 NHO3 O3 SiO2 SO2

Anmerkung: Für manche chemische Fachbegriﬀe gibt es unterschiedliche Schreibweisen. So wird statt „Carbonat“ manchmal auch „Karbonat“ oder anstelle von „Calcium“ „Kalzium“ geschrieben. In diesem Buch wird jedoch die Schreibweise mit „c“ verwendet.

(Wolfram)

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Oly 1. Gruppe

2. Gruppe

3. Gruppe

4. Gruppe

5. Gruppe

6. Gruppe

7. Gruppe

8. Gruppe

9. Gruppe

10. Gruppe

11. Gruppe

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12. Gruppe

13. Gruppe

14. Gruppe

15. Gruppe

16. Gruppe

Iod

17. Gruppe

18. Gruppe

156 Periodensystem der Elemente

Formel-Quiz 157

Formel-Quiz

Hier kannst du überprüfen, wie gut du dir die Reaktionsgleichungen aus diesem Buch gemerkt hast. Zu jeder Reaktionsgleichung auf dieser Seite gibt es eine kurze Beschreibung der jeweiligen Reaktion. Finde die zusammenpassenden Paare und schreibe die Buchstaben, die bei den Gleichungen stehen, zu den richtigen Ziﬀern am Ende der Seite! So erhältst du einen Lösungssatz.

E. CuO + H2 → Cu + H2O

5. Knallgasreaktion

1. Ammoniaksynthese

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3. Reduktion von Kupferoxid

2. Oxidation von Kohlenstoﬀ

I. 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O 6. Bildung von Schwefliger Säure

C. N2 + 3H2 → 2NH3

S. NaOH + HCl → Na+ + H2O + Cl–

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Z. CaCO3 → CaO + CO2

12. Reduktion von Quarzsand

G. 2H2SO3 + O2 → 2 H2SO4

E. Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

10. Bildung von Schwefelsäure

T. C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O

7. Erhitzen von Backpulver

15. Aushärten von Kalk

L. CaO + H2O → Ca(OH)2

14. Löschen von Kalk

13. Brennen von Kalk

16. Verbrennen von Methan

17. Fotosynthese

11. Lösen von Zink

H. C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

I. 2H2 + O2 → 2H2O

T. S + O2 → SO2

N. SiO2 + 2C → Si + 2CO

E. SO2 + H2O ⇌ H2SO3

19. Bildung von Essigsäure

8. Neutralisation

9. Verbrennen von Schwefel

18. alkoholische Gärung

A. 2HCl + Zn → H2 + ZnCl2

Oly

M. 2H2O → 2H2 + O2

H. C + O2 → CO2

C. 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

4. Elektrolyse von Wasser

I. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

158 Register REGISTER Abgas: 38, 70

Erdöl: 38, 61, 84, 88, 93, 97, 101, 105, 109, 124, 130 Erz: 34, 39, 63, 67, 70, 83, 93 Essig: 52, 53, 120 Ester: 120 Estrich: 87 Ethan: 96, 104, 119 Ethanol: 119, 125 Ethen: 97, 109, 151 exotherme Reaktion: 25, 37, 42 Extraktion: 22

Gusseisen: 69

Haber-Bosch-Verfahren: 61, 65

erl

Halbmetall: 12, 72 Halogene: 13 Hauptgruppe: 13, 18, 35,55, 112 Hefe: 119 Herbizid: 84 Hochofen: 39, 68 Hofmannscher Carbonat: 58 Zersetzungsapparat: 41, 61 Carboxygruppe: 117, 123 Holzkohle: 93, 100 Carboxylatgruppe: 123 Farbstoff: 54, 55, 70, 83, 88, 124 Hydrolyse: 27 chemische Industrie: 27, 83, 92 Fehlingsche Probe: 116 Chlorid: 58 Ferment: 120 Index: 20, 28, 79, 94 Chromatografie: 22 Fette: 34, 49, 84, 97, 118, 120, Indikator: 56, 57 Cracken: 105 123, 124 Inkohlung: 93 Fettsäure: 118, 120, 123 Iodprobe: 116 Destillation: 22, 99, 105, 119 Feuer: 8, 34, 36, 37 Ion: 15, 53, 57, 58, 119, 123 Dialyse: 33 Filtration: 22 Ionenbindung: 15 Diamant: 94, 102, 129, 130 Flüssiggas: 96, 105, 106 Ionengitter: 16, 57 Diesel: 63, 106 Flussmittel: 79 Isotop: 11 Dipol: 42 Fotolyse: 27, Dosierung: 29, 51 Fotosynthese: 27, 65, 107, 115 Kaffee: 56, 119, 125 Droge: 126 Fracking: 103 Kalk: 43, 44, 53, 55, 58, 68, 76, Düngemittel: 51, 54, 58, 61, 84 Fructose: 115 78, 79, 92, 115, 124 Duromer: 110 Fulleren: 130 Karat: 71, 94 funktionelle Gruppen: 117, 119 Karsterscheinungen: 76 Edelgas: 13, 14, 18, 33, 35 Katalysator: 26, 38, 62, 71, 109, Edelgaskonfiguration: 14, 15, 16 Gärung: 34, 119 118, 120 Edelmetall: 26, 71 Gasgemisch: 35, 41 Katalyse: 27 Einwegspiegel: 91 Gefahrenhinweis: 28 Kautschuk: 110 Eisen: 19, 21, 36, 44, 68, 71, 85, Gemenge: 22 Kekulé, August: 98 93, 117 Gemisch: 22, 35, 68, 79, 95, 105, Kennzeichnung: 28 Eiweiß: 117, 120, 124, 153 118 Keramik: 26, 30, 34, 75, 83 Elastomer: 110 Genussmittel: 119, 125 Kerosin: 106 Backpulver: 21, 52, 55, 135, 148 elektrischer Leiter: 16, 53, 62, 67, Gerinnung: 117 Kettenmolekül: 96, 109, 116, Base: 6, 53, 57, 112, 119, 123 71, 93 Gichtgas: 68 117, 123 Baumwolle: 111, 141 Gips: 58, 76, 78, 91, 94 Kläranlage: 49, 84 Elektrolyse: 27, 42, 61, 70 Bauschutt: 87 Elektron: 11, 14, 16, 20, 36, 42, Glas: 7, 29, 34, 58, 65, 79, 83, 86, Knallgasprobe: 41 Benzen: 98 62, 67, 98 Kochsalz: 15, 19, 36, 43, 44, 65, 91, 92 Benzin: 62, 98, 105, 106, 126, Elektronenhülle: 13 Glimmspanprobe: 41 123 129 Elektronenpaar: 14, 95 Glockenboden: 105 Koeffizient: 20 Beschickung: 68 Elektronenpaarbindung: 14, 95 Glucose: 115 Kohle: 11, 38, 68, 93, 95, 107, Beton: 56, 78, 85, 87, 92 Elektronenschale (Schale): 12, Glycerin: 118 129 Biochemie: 6, 27 14, 20, 36 Gold: 5, 33, 67, 71, 80 Kohlenhydrate: 116 Emulsion: 118, 123 Grafit: 70, 93, 129, 130 Kohlensäure: 44, 53, 54, 58, 76 Biokatalysator: 120 endotherme Reaktion: 26 Graphen: 130 Koks: 68, 93, 100 Biomasse: 61 Bitumen: 87, 105, 106 Endstoff: 19, 21 Grundwasser: 9, 46, 47, 48, 50, Konverter: 69 Konzentration: 29, 38, 44, 48, 53, Blattgold: 67, 71 Energie: 25, 36, 42, 61, 65, 70, 85, 58 56 Blei: 71, 79, 85, 91, 129 115, 118, 119 Grünspan: 69 Korrosion: 71 Bleichmittel: 56, 60, 124 Enthärter: 124 Gruppe (Periodensystem): 12, Bleiglas: 79, 91 Enzym: 27, 120, 124 13, 35, 36, 55, 112 Bohrturm: 102 Erdgas: 33, 37, 61, 95, 101, 115 Gummi: 110

Oly

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Aktivierungsenergie: 25, 32, 34, 37, 42 Alchemie: 5 Alkalimetalle: 13, 18, 54 Alkane: 97 Alkene: 97 Alkine: 97 Alkohol: 24, 34, 83, 118, 119, 120, 125, 130, 154 Aluminium: 39, 67, 70, 85 Aminogruppe: 117 Aminosäure: 117 Ammoniak: 20, 55, 58, 61, 65, 83, 84, 110 Analyse: 6, 27 anorganische Chemie: 6 Anthrazit: 93, 100 Arbeitskleidung: 8 Arbeitsplatz: 30, 133 aromatische Kohlenwasserstoﬀe: 98 Arzneimittel: 5 Asbest: 111 Asphalt: 87, 106 Atom: 11, 14, 19, 40, 42, 57, 67, 72, 79, 93, 95, 98, 105, 115, 117, 130 Atombindung: 14, 20 Atomkern (Kern): 12, 14 ätzend: 8, 53, 77 Ausgangsstoﬀ: 19, 27, 29, 39, 86, 97, 115

Brand: 8, 37, 129, 133 Brandschutz: 37, 133 Branntkalk: 77, 81 Braunkohle: 93, 100 Brennstoﬀzelle: 62 Bronze: 69, 71, 85 Buntmetall: 85 Butan: 96, 104, 106 Butter: 118

Öle: 34, 37, 49, 84, 118 Ölpest: 104, 130 Ölsande: 103 Ordnungszahl: 12, 35 organische Chemie: 6, 98 Oxidation: 36, 65, 124 Oxidationsmittel: 39 Ozon: 38, 40

Panzerglas: 80

Magensäure: 54, 56, 57

Papier: 22, 37, 49, 88, 93, 116, 142 Paraﬃn: 105, 106 Patina: 69 Periode: 12 Periodensystem: 12, 35, 36, 55, 112 Pestizid: 84 Petroleum: 105, 106 Pharmaindustrie: 84 Pharmazie: 6 Phosphate: 58 phototrop: 80 pH-Wert: 56, 57 Piktogramm: 8, 28 Pipeline: 104 Plastomere: 110 Platin: 26, 67, 71 Polyethen: 97, 109 Polykondensation: 109 Polymer: 109 Porzellan: 7, 75, 86 Propan: 96, 104 Proteine: 117 Proton: 11

Oly

Makromolekül: 109 Margarine: 118 Medikament: 6, 26, 29, 34, 133 Meerwasser: 43, 44, 51, 56, 65, 107 Mehrfachbindung: 15, 97 Messing: 69, 71, 85 Metall: 12, 13, 15, 16, 29, 48, 57, 67, 79, 83, 85, 87, 92 Metallgitter: 16, 67 Methan: 68, 95, 104, 129 Methanol: 28, 119 Mikroorganismen: 48, 76, 119 Milch: 118, 120, 124 Milchglas: 80 Milchsäure: 120 Mineralstoﬀe: 117 Mineralwasser: 43, 44, 56 Mohssche Härteskala: 94, 99 Molekül: 14, 19, 27, 35, 42, 61, 95, 98, 109, 110, 115, 119 Molekülgitter: 16 Monomer: 109 Mörtel: 55, 77

Suchtmittel: 125 Sulfate: 57, 58, 76 Sulfite: 58 Summenformel: 15, 19, 96, 98, 115 Süßwasser: 44, 47, 65 Symbol: 8, 11, 15, 20, 28, 35, 54, 124 Synthese: 27, 62

Saccharose: 115

Salz: 15, 19, 36, 43, 44, 57, Salze: 57, 76, 123, 124 Salzsäure: 29, 53, 56, 57, 61, 83, 123 Salzwasser: 47 Samen: 35, 111, 118 Sauerstoff: 14, 19, 25, 35, 36, 37, 38, 41, 44, 48, 61, 62, 65, 68, 72, 95, 115, 119 Sauerstofflanze: 69 Säure: 6, 29, 33, 53, 57, 69, 76, 117, 120, 123 Säurerest: 53, 57 Schadstoffe: 26, 33, 38, 48 Schiefergas: 103 Schlacke: 68, 69 Schmelze: 69, 80 Schmelzflusselektrolyse: 70 Schmieröl: 105, 106 Schwermetall: 67 Schweröl: 105, 106 Sedimentation: 22 Seide: 111 Seife: 50, 55, 56, 83, 123 Siedepunkt: 35, 95 Signalwort: 28 Silber: 60, 67, 71, 80, 92 Silikat: 72, 75, 79 Silikon: 112 Silizium: 70, 72, 79, 112 Smog: 38 Soda: 55, 57, 79, 83, 84 Spiegel: 67, 86, 91, 92 Spurenelemente: 44 Stahl: 69, 71, 72, 78, 85, 87, 92, 111, 130 Stärke: 116 Steinkohle: 36, 93, 99, 100 Stickstoff: 15, 20, 35, 38, 58, 61, 65, 68, 84, 104 Stoff: 5, 8, 15, 19, 22, 26, 29, 54, 57, 77, 79, 83, 112, 115, 120, 126 Strukturformel: 15, 95, 96, 98, 119

mp eV

Lagerstätte: 67, 101, 103, 129 LD-Verfahren: 69 Lehm: 75, 87 Leichtmetall: 67, 70 Leinen: 111 Löschkalk: 55, 77 Lösungsmittel: 28, 43, 119, 120, 124, 126 Luft: 19, 35, 38, 41, 44, 62, 65, 68, 69, 76, 84, 95, 106, 110, 112, 120, 123, 129

Oberflächenwasser: 47

Redoxreaktion: 37 Reduktion: 36, 68 Reduktionsmittel: 39 Reinstoﬀ: 19, 105 reizend: 8, 28, 53 Rohstoﬀ: 67, 69, 79, 84, 85, 88, 101 Rost: 19, 21, 36, 69

Lackmus: 55

Neutron: 11, 33 Niederschlagswasser: 46, 47 Nikotin: 125, 126 Nitrate: 58, 84 Nitroglyzerin: 34 Nobelpreis: 33, 34

Tee: 55, 56, 125

Teer: 99, 105 Tenside: 123, 124 Tetraeder: 79, 95, 130 Titan: 67, 71 Ton: 75, 78, 83 Torf: 93, 100, 129 Treibhauseﬀekt: 38, 70 Trinkwasser: 43, 44, 47, 50, 65

erl

Kristall: 15, 26, 42, 57, 66, 72, 75, 77, 79, 91, 94, 111, 115, 120, 123, 129 Kristallgitter: 57, 66, 76, 123, 129 Kristallwasser: 76 Kunststoﬀ: 6, 29, 48, 80, 88, 92, 97, 109 Kunststoﬃndustrie: 84 Kupfer: 16, 34, 36, 67, 69, 71, 72, 85, 87

Quarz: 72, 75, 79, 94 Quellwasser: 43, 44, 47

Radioaktivität: 11 Raﬃnerie: 104, 105 Rahm: 118 Naphthalin: 98 Reaktion (chemische): 19, 25 Natronlauge: 54, 56, 57, 83, 112, Reaktionsgleichung: 19 123 Reaktionspfeil: 20 Nebengruppe: 13

Valenzelektron: 13, 15, 20, 98, 109 Verbundglas: 80 verdunsten: 44, 76 Vernetzung: 109, 111 Viskose: 112 Vitamine: 117 vulkanisieren: 111

Wachse: 105, 120 Waschmittel: 50, 54, 56, 84, 124 Wasser: 6, 14, 19, 22, 27, 41, 43, 47, 53, 57, 61 Wasserhärte: 124 Wertigkeit: 20, 119 Wirkungsgrad: 61 Wolle: 111

Zellulose: 112, 116 Zement: 78, 92 zentrifugieren: 22 Zink: 61, 69, 71, 85, 91 Zinn: 69, 71, 85 Zucker: 26, 39, 115, 119

160 Bildquellen BILDQUELLEN:

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