Chemie-Buch I zum Lehrplan in Rheinland-Pfalz/Chemie - die Wissenschaft von den Stoffen

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Da folgende Thema ist rechtlich fachlich. Es geht um Stoffe und ihre Eigenschaften. Das spielt im Alltag durchaus auch eine Rolle, aber meist müssen wir uns als "Normalo" nicht drum kümmern. Denn die Fachleute wählen zum Beispiel die passenden Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften für einen bestimmten Zweck aus.

Für dich kann die Beachtung der Eigenschaften der Stoffe durchaus auch sinnvoll für deinen Alltag sein. Zu den Eigenschaften gehören natürlich auch solche, die dir gefährlich werden können. Das wollen wir hier aber (noch nicht) ansprechen.

Chemie beschäftigt sich mit Stoffen. Was sind Stoffe aber genau?

Das sind natürlich Stoffe in der Chemie

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... und was ist damit?

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Stoffe sind all die Materialien, aus denen unsere Welt zusammengesetzt ist. Wieviele Stoffe es genau gibt, kann man vermutlich nicht sagen, aber eine wichtige chemische Organisation gibt schon mal mindestens 30 Millionen als Anzahl an.

Am Anfang haben wir schon angesprochen, dass Chemie DIE Wissenschaft der Stoffe ist. Dabei spielen auch deren Eigenschaften eine große Rolle, denn Chemiker erfinden gezielt Stoffe mit bestimmten Eigenschaften, wie man sie haben will. Oder Chemiker nutzen die Eigenschaften, um Stoffe zu indentifizieren.

Der Begriff "Stoff" ist vermutlich für dich noch etwas abstrakt und daher werden wir uns dem Begriff erst einmal nähern, indem wir bestimmte Stoffe betrachten, mit denen wir im Chemie-Labor öfters arbeiten werden.

Die Materialien der Laborgeräte

Warum verwendet man eigentlich für einige Tätigkeiten im Labor bestimmte Geräte nicht? Man könnte einfach sagen, weil sie dafür auch nicht gemacht sind. So sind die Maßangaben auf den Bechergläsern und Erlenmeyerkolben nicht genau genug sondern eher dafür da, eine grobe Einschätzung vornehmen zu können. Manchmal kommt es eben nur darauf an, ob man so ungefähr 100 ml Wasser hat. Ob es dann aber ein wenig mehr oder weniger sind, ist für den normalen Einsatz der Bechergläser nicht wichtig.

Ein anderer Aspekt bei der Auswahl der Geräte ist das Material, aus dem sie bestehen. Hier sind verschiedene Arten von Stoffen im Einsatz, die mit ihren Eigenschaften wichtig für eine sinnvolle Benutzbarkeit sind. Holz ist nun mal brennbar und Glas nicht wirklich biegsam und stabil.

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AKTIVITÄT (PFlicht) - Die Eigenschaften der Materialien der Laborgeräte genauer betrachten

In dieser Aktivität wirst du dich mit den Eigenschaften der Materialien der Laborgeräte genauer beschäftigen. Dabei geht es auch darum, dass du lernst, was man mit bestimmten Geräten nicht machen darf/sollte.

Eigenschaften der Laborgeräte-Materialien Gnome-devel.svg

Okay, mit den Materialien, aus denen die Laborgeräte bestehen, solltest du dich nun auskennen - merke dir die wichtigen Eigenschaften, um die Geräte und dich zu schonen.

Bei den Überlegungen zu den Materialien der Laborgeräte musst du aufpassen, dass du den Begriff "Stoffeigenschaften" richtig einordnest. Denn zum einen haben wir bei den Vor- und Nachteilen der Materialien einige Eigenschaften genannt, die sehr subjektiv sind, also nicht von jedem gleich empfunden werden. Einem Glasmacher fällt die Herstellung eines Glasgerätes leicht, während das einem Schreiner, der auf die Holzverarbeitung spezialisiert ist, damit Probleme haben wird. So muss die Eigenschaft "Kompliziert herzustellen" eher im Vergleich zwischen verschienden Materialien betrachten, wozu nicht nur die Verarbeitung sondern auch die Gewinnung aus den Rohstoffen gehört.

Hier müssen wir also daran denken, dass Stoffeigenschaften immer klar festgelegt werden können müssen und so von jedem eindeutig bestimmt werden können, zum Beispiel mit Hilfe von einem Messinstrument.

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Wie biegsam ist das Material?


Außerdem muss man darauf achten, das man nicht alle Materialien als chemischer Stoff bezeichnet werden können. Zum Beispiel ist das Holz - ein natürliches Material - eben kein reiner Stoff sondern ein Gemisch, dass zum Beispiel auch Wasser enthält und das Lignin. Und je nachdem, welche Sorte Holz man hat, sind dessen Eigenschaften dank verschiedener Anteile und Beimischungen recht unterschiedlich. Das ist für Chemiker zu ungenau. Und das gilt für alle Naturstoffe, weswegen man diese meist in der Chemie nicht als Beispiele nimmt.

Nun aber mal wirklich genauer: was sind chemische Stoffe?

Stoffe im chemischen Sinne

Jetzt wird es kompliziert! Ein chemischer Stoff ist ein Material oder allgemein alles in den Naturwissenschaften, was man man beobachten und untersuchen kann und auch eine Masse besitzt. Raumbereiche, die keine Materie enthalten, bezeichnet man als Vakuum. Elektromagnetische Wellen, wie zum Beispiel Licht, werden ebenfalls nicht zur Materie gezählt. Umgangssprachlich werden chemische Stoffe auch mit dem Wort Substanz bezeichnet, was im Sprachgebrauch der Chemie aber auf Stoffe in fester Form, sogenannte Feststoffe, beschränkt ist. Sonst hat man Flüssigkeiten oder Gase.

Stoffe in der Chemie werden grob unterschieden in Reinstoffe (Elemente oder Verbindungen) und Gemische. Es gibt weitere Unterteilungen, zu denen wir dann später noch kommen werden.

Wichtige Reinstoffe in der Chemie, die du schon kennen wirst, sind z. B. Wasser, Kochsalz (Natriumchlorid), Eisen, Alkohol (Ethanol)

Wichtige Stoffgemische sind zum Beispiel Luft, Salzsäure, Natronlauge (wie auf den Laugenbrezeln), Bronze, uvm.

Jede Stoffportion besitzt eine Masse, hat ein Volumen (also einen Platzbedarf) und besitzt eine innere Energie bzw. Wärmeenergie. Die Form eines Körpers kann auch bei gleichem Stoff (Material) unterschiedlich sein (z. B. Eisendraht, -pulver, -blech, -kugeln, -wolle).


WICHTIGE BEGRIFFE ZU STOFFEN
  • Ein Stoff (genauer Reinstoff) ist etwas, das eine Masse besitzt und dessen Eigenschaften man untersuchen und genau bestimmen kann.
  • Gemische enthalten verschiedene Stoffe und deshalb hängen die Stoffeigenschaften davon ab, wieviel von den einzelnen Bestandteilen enthalten sind. Allerdings kann man es nicht immer erkennen, ob ein Stoff rein oder ein Gemisch ist.
  • Gegenstände haben Eigenschaften, die von ihrer Form abhängen.
  • Stoffklassen sind Gruppen von Stoffen, die ähnliche Eigenschaften haben.
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AUFGABE (PFLICHT) - Übe die neuen Begriffe
  1. Halte die Defintionen für die Begriffe "Stoff", "Gemisch", "Gegenstand" und "Stoffklasse" im Heft fest.
  2. Male die Darstellung für die Unterteilung der Stoffe ins Heft
  3. Erst mal eine einfache Übung: Gemisch oder Reinstoff? - Halte aus den Lösungen des Quizzes je 5 Beispiele für Reinstoffe bzw. Gemische fest.
  4. Ordne in der folgenden Aufgabe Stoffe, Gemische, Gegenstände und Stoffklassen zu. Start der Übung

Stoffeigenschaften

Eine Stoffeigenschaft ist eine, für einen bestimmten Stoff, typische Eigenschaft. Sie kann mit den Sinnen wahrgenommen werden (z. B. der Geruch) oder nur mit Messgeräten erfassbar sein.

In der Chemie unterscheidet man dafür Reinstoffe von Stoffgemischen, denn Reinstoffe haben immer die gleichen Eigenschaften, während bei Stoffgemischen die Eigenschaften von den Mischungsverhältnissen der Komponenten abhängen.

Wie du schon bei den Laborgeräten feststellen konntest, sind die Stoffeigenschaften wichtig für deren Anwendung. Wir werden aber bald noch eine wichtige Bedeutung kennenlernen.


Welche Stoffeigentschaften kennt ihr?

Sammelt in Gruppen - in die ihr im Unterricht eingeteilt werdet - gemeinsam Stoffeigenschaften. Öffnet dann bitte nur den einen Link, der zu eurer Gruppe gehört.

WICHTIG: Löscht nicht die Einträge von anderen Schülern (höchstens Rechtschreibefehler korrigieren)! Wenn ihr einige zusammen habt, sortiert die Eigenschaften.

So könnte man sortieren:

  • Physikalische Stoffeigenschaften ... die man meist durch Messgeräte bestimmen kann.
  • Chemische Stoffeigenschaften ... wo es um das Verhalten des Stoffes in chemischen Reaktionen geht.
  • Physiologische Eigenschaften ... Stoffeigenschaften bei denen es um Wahrnehmbarkeit oder die Auswirkungen auf die Umgebung geht.


BEGRIFF Stoffeigenschaft

Eine Stoffeigenschaft ist eine für einen bestimmten Reinstoff typische Eigenschaft. Sie kann mit den Sinnen wahrgenommen werden oder nur mit Messgeräten erfassbar sein.

Eine Stoffeigenschaft hängt nicht ab ...

  • von der Form (spitz, gebogen)
  • von der Menge (schwer, leicht, groß, klein)
  • von persönlichem Befinden oder Vorlieben (schwer herzustellen, schön, ...)
  • von der Art der Gewinnung (nachwachsender Rohstoff, schwer herzustellen, ...)
  • von den Bedingungen der Umgebung, wie zum Beispiel der Temperatur (fest, weich, hart, ...)


Wenn man die von euch genannten Eigenschaften etwas sortiert und fachlicher formuliert, dann haben wir das da bisher:


Physikalische Stoffeigenschaften Chemische Eigenschaften Physiologische Eigenschaften

Werte, welche durch Messung und Experimente bestimmt werden.

Verhalten in chemischen Reaktionen.

Wahrnehmungen oder Auswirkungen auf die Umgebung

  • Stromleitfähigkeit
  • Wärmeleitfähigkeit
  • Schmelz- bzw. Siedetemperatur
  • Dichte (Masse pro Volumeneinheit)
    • hohe Dichte: Blei, Gold, Quecksilber, ...
    • geringe Dichte: Magnesium, Holz, Gase, ...
  • Verformbarkeit
    • spröde, elastisch, verformbar
  • Härte (nur bei Feststoffen)
  • Farbe
    • Spezialfall: Transparenz
  • Viskosität (dick- oder dünnflüssig)
  • Reaktion mit Luftsauerstoff
    • schnell: Brennbarkeit
    • langsam: Korrosion (bei Eisen das Rosten)
  • Verhalten beim Erhitzen
    • z.B. Verkohlen wie bei Zucker, nur schmelzen, Ei wird fest, ...
  • giftig/ungiftig für einen bestimmten Organismus
    • faulen = Mikroorganismen können es verdauen/verarbeiten
  • Geruch


AUFGABE X
  1. Halte das rote Kästchen im Heft mit der Überschrift "Stoffeigenschaften" fest.
  2. Bearbeite das Zuordnungs-Quiz mit den Stoffeigenschaften und halte die weiteren Eigenschaften daraus mit der Tabelle oben fest.
TIPP: Der Artikel Liste von Stoffeigenschaften liefert ein paar kurze Informationen zu den Stoffeigenschaften.


AKTIVITÄT(PFLICHT) - Was bedeuten die Stoffeigenschaften?

Nachdem wir eine Liste von Stoffeigenschaften haben ... ist dir auch bewusst, was diese Begriffe bedeuten? Jeder Schüler der Klasse bekommt eine Stoffeigenschaft zugelost und soll dann kurz beschreiben, was diese Stoffeigenschaften bedeutet.

Was bedeuten die verschiedenen Stoffeigenschaften?


AKTIVITÄT(PFLICHT) - Experimente zur Bestimmung einiger Stoffeigenschaften

Einige der nun hoffentlich bekannten Stoffeigenschaften sind experimentell sehr leicht zu bestimmen. Das kannst du in dieser Aktivität durchführen. Du solltest mindestens ein Experiment durchführen, falls Zeit ist kannst du auch mehr durchführen.

Experimente zur Bestimmung einiger Stoffeigenschaften


Nutzung der Stoffeigenschaften zur Identifizierung eines unbekannte Stoffes

BOOOM! .... kennst du den Bomb-Bag? Das ist ein Scherzartikel, den man in Spielwarengeschäften oder auch auf dem Jahrmarkt bekommt. Weil ich nicht wusste, wie sie funktionieren und die Rückseite mit der Anleitung überklebt war, dachte ich, dass man die Tütchen vielleicht aufmachen muss.

Doch kaum hatte ich das Tütchen angeschnitten, rieselte ein weißes Pulver heraus. Okay ... da ich ja vorsichtig bei unbekannten Stoffen bin, legte ich die Tüte erst einmal in ein Gefäß und schaute mir dann den Inhalt genauer an. Ein unbekanntes weißes Pulver ... ob das wohl gefährlich ist? Allerdings waren auf der Tüte keine Gefahrensymbole zu sehen, also konnte es ja nicht so gefährlich sein!

Mein Sohn erklärte mir dann, dass man da einfach draufdrücken muss. Da wir noch einen zweiten "BombBag" hatten wurde der draußen getestet. Man drückt drauf, die Tüte bläht sich auf und dann platzt sie mit einem lauten Knall.

Nun ist klar, was da passiert. Wenn man drückt, platzt das kleine Beutelchen mit der roten Flüssigkeit vermutlich. Und diese scheint mit dem weißen Pulver dann den ganzen Vorgang zu starten.

Forscher wie ich bin, suchte ich im Internet, nach dem Inhalt dieser Tütchen, fand aber nichts dazu. Es gab auch gar keinen Wikipedia-Eintrag. Hmmm, vielleicht wollen die Herstellen nicht ihr Geheimnis verraten, denn wenn das Pulver eher ungefährlich ist, könnte es sich um eine harmlose Chemikalien handeln, die man vielleicht sogar im Haushalt hat und dann könnte man sich die Bomb-Bags ja selber bauen!?


Vielleicht hilft da die Chemie weiter?

Wie du schon ganz am Anfang gelernt hast, nutzen Chemiker Stoff-Eigenschaften, um unbekannte Stoffe zu identifizieren. Und jeder Stoff hat eine eigene Kombination an Eigenschaften, durch die man ihn von anderen Stoffen unterscheiden kann.


ZUR ERINNERUNG Eindeutige Eigenschaftskombination
Jeder Reinstoff zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination von Stoffeigenschaften aus, anhand derer er identifiziert werden kann. Zwei Stoffe können nicht in allen Eigenschaften gleich sein.

Warum versuchen wir also nicht mal, ob wir herausfinden können, um welche Stoff es sich da handelt?

Und genau das sollst du in deiner Gruppe nun auch gleich machen. Hoffentlich erinnerst du dich noch an die Namen der Geräte und wie man damit umgeht, denn nun wird es ernst! Eure erste qualitative Analyse!!!

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BEGRIFF Qualitative Analyse
Bei einer Analyse nutzt man Stoffeigenschaften, um Stoffe zu identifizieren.

Untersuchung eines unbekannten, weißen Feststoffs

AUFGABE 1 - Identifikation eines unbekannte, weißen pulverförmigen Feststoffs

Gegeben ist ein unbekannter weißer Feststoff, der pulverförmig ist. Es kommen fünf verschiedene Stoffe in Frage, die wir kennen. Das sind:

  • Vitamin C
  • Natron
  • Kartoffelstärke
  • Zucker
  • Salz
  • Gips
Aufgabenstellung: Überlege dir Eigenschaften, mit denen du diese Stoffe unterscheiden könntest. Finde also jeweils typische Eigenschaften.


AKTIVITÄT (PFLICHT) - Experimente zur Untersuchung des (noch) unbekannten, weißen Feststoffes

Welche Experimente ihr in eurer Gruppe durchführen sollt, wird auf der folgenden Unterseite beschrieben:

Experimente zur Identifizierung eines weißen Feststoffes


AUFGABE 2 - Alternative Vorgehensweise zur Untersuchung des weißen Feststoffes

Schau dir das Schaubild an, mit dem ein Fachmann die Untersuchung des unbekannten durchführen würde.

Beispiel Fließdiagramm Analyse weißer Feststoff.svg

Aufgabenstellung:

  • Erklärt, was dieses Schaubild bedeutet und wie man es verstehen muss.
  • Warum ist die Vorgehensweise, die dieses Schaubild beschreibt, praktischer als unsere Vorgehensweise?

Untersuchung einer unbekannten Flüssigkeit

Nachdem wir nun geklärt haben, welches Pulver in dem Bomb-Bag enthalten ist können wir uns an die Untersuchung der Flüssigkeit machen. Die rote Farbe kommt mit Sicherheit von einem zugesetzten Farbstoff. Das heißt, wir können diese Eigenschaft nicht für die Identifizierung nutzen. Die meisten reinen Flüssigkeiten sind klar und durchsichtig.

Da diese Flüssigkeit, wie auch das Pulver, nicht giftig sein darf, wird es also eine sehr alltägliche Flüssigkeit sein. Was könnte das sein? Und kann man diese Flüssigkeiten unterscheiden?


AUFGABE 3 - Untersuchung von einer unbekannten Flüssigkeit

Gegeben ist eine klare Flüssigkeit. Es kommen vier verschiedene Flüssigkeiten in Frage, die wir kennen. Das sind:

  • destilliertes Wasser
  • Essig
  • Kochsalz-Lösung
  • Brennspiritus
Aufgabenstellung: Informiere dich über typische Eigenschaften der genannten Stoffe.


AUFGABE 4 - Aufstellung eines Fließdiagramms für die Identifizierung der unbekannten Flüssigkeit

Aufgabenstellung: Nutzt nun die von euch gefundenen Stoffeigenschaften der vier Flüssigkeiten, um ähnlich wie im gezeigten Fließdiagramm zu den weißen Feststoffen, eine Schema zur Unterscheidung der vier Flüssigkeiten und damit zur Identifizierung der Flüssigkeit im Bomb-Bag.

Nutzt dabei die üblichen Diagramm-Bestandteile, die im folgenden Bild gezeigt werden.

Fließdiagramm Bedestandteile.png
WICHTIG: Üblicherweise nutzt man nur Untersuchungen, bei denen es zwei mögliche Ergebnisse gibt, wie "Ja" oder "Nein".


AKTIVITÄT (ERGÄNZUNG) - Darstellung des Untersuchungsschemas am Computer

Nachdem ihr überlegt habt, wie man eine unbekannte Flüssigkeit identifizieren kann könntet ihr das nun am PC darstellen. Dazu eignet sich besonders ein Vektorgrafik-Programm. Wenn du willst, kann du lernen, wie man es bedient.

Nutzung eines Vektorgrafik-Programms zur Darstellung des Untersuchungsschemas

Ein Bomb-Bag selber herstellen

Nachdem wir nun herausbekommen haben, was in einem Bomb-Bag ist, sollte noch einmal kurz geklärt werden, was da passiert, damit sich der Bomb-Bag aufbläht und dann platzt.

Das Natron-Pulver reagiert auf eine beliebige Säuren durch Bildung von Kohlendioxid. Das ist das Gas, das die Tüte aufbläht. Das Platzen kommt daher, dass der Druck im Bag zu groß wird und dann platzt die Tüte an einer Seite auf, was den Krach erzeugt.

Du brauchst:

  • Eine Außen-Tüte, in der das Natron-Pulver kommt
  • Eine kleinere Innentüte, in der der eine saure Lösung kommt.
  • Diese innere Tüte musst du kaputtmachen können, damit die saure Lösung an das Natron-Pulver kommen kann.

Ein alternativer Aufbau ist die Verwendung von nur einer Tüte:

  • Unten füllst du das Natron-Pulver hinein, dann verschließt du die Tüte sicher, z.B. mit einem Clip, so dass oben noch Platz für die saure Lösung ist.
  • Gib über den unteren Clip die saure Lösung und verschließe dies nun wiederum mit einem Clip.
  • Um die saure Lösung zu dem Natron-Pulver gelangen zu lassen entfernst du nun den "unteren" Clip.


Natron gibt es übrigens in normalen Geschäften zu kaufen! Und als sauer Lösung kann man Essig oder noch besser Essig-Essenz verwenden, da man dann davon wenige braucht.

Hier Bilder von unserem Versuch selber einen Bomb-Bag herzustellen, mit der "Ein-Tüten-Methode":

 

Das Prinzip funktionierte schon, aber im ersten Versuch war die Tüte zu groß, bei weiteren Versuchen, war die Tüte nicht dicht genug, so dass das Gas am Clip austrat.

Wenn ihr Lust habt, probiert es selber mal aus. Wer es schafft, kann es ja mal filmen und uns zeigen.