Einstieg in die Chemie

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Was ist eigentlich Chemie?

    Chemistry Laboratory (6990209646).jpg     Wenn du überlegst, was du dir unter einem Chemiker so vorstellst, wirst du vielleicht bei einem solchen Bild, wie das links, sofort zustimmen ... das sieht nach einem Chemiker aus, oder?    


Die Frage, was Chemie eigentlich genau ist, wirkt im ersten Moment ganz einfach. Ein Chemiker oder ein Chemielehrer sollte sie doch ohne weiteres beantworten können! Aber leider ist die Antwort auf diese Frage alles andere als klar. Und trotzdem versuchen wir, ein wenig Licht in das Dunkel zu bringen. Ein berühmter Chemiker soll einmal folgendes gesagt haben:

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Chemie

  • ist die Wissenschaft der Stoffe
  • ihres Aufbaus
  • ihrer Eigenschaften
  • und der Reaktionen, welche sie in andere Stoffe umwandeln.

Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Linus Pauling , Nobelpreis für Chemie 1954


Die Wissenschaft Chemie beschäftigt sich also ganz grundlegend mit all den Dingen, die uns umgeben. Woraus bestehen diese Dinge? Welche Eigenschaften haben sie - und warum? Wie kann ich Stoffe ineinander umwandeln, also zum Beispiel aus Sand Glas erzeugen?

Was machen Chemiker?

Chemie spielt in vielen Bereichen des Alltags eine herausragende Rolle:


Chemiker können gezielt neue Stoffe "erfinden".
  • In der Materialwissenschaft werden z.B. Kunststoffe mit bestimmten benötigten Eigenschaften hergestellt. Wegen drohender Erdölknappheit, muss man sich überlegen, wie man Kunststoffe aus Naturstoffen herstellen kann. Auch die Entsorgung und das Recycling sind dabei wichtig.
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Das sogenannte Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Aerogel  ist besonders leicht aber trotzdem stabil. Ein 2,5 kg schwerer Ziegel wird hier von einem 2 g schweren Stück Aerogel getragen. Thermoplastische Polyurethane sind neue, gut federnde und gut wieder verwertbare Materialien für die Sohlen von Sportschuhe. Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Graphen  ist ein "neuer" Wunderstoff, von dem man sich viel verspricht. Nur eine Lage von Kohlenstoff-Atomen sind besonders gut leitfähig. An Anwendungen forscht man noch.


Chemiker forschen an den Batterien von morgen.
  • Ein wichtiger Punkt im Alltag ist die Energie. Energie muss gespeichert werden, die mit Hilfe von Sonne und Wind produziert wird. Das kann in Form von energiereichen Stoffen geschehen, wenn etwa aus Wasser das brennbare Gas Wasserstoff produziert wird. Oder in Form von Batterien, bei denen es zum Beispiel für Elektroautos darum geht, dass die Akkus lange halten und schnell geladen werden können.
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Fuel cell NASA p48600ac.jpg
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Der durch Solar- oder Windenergie produzierte Wasserstoff kann zwar direkt als Brennstoff verwendet werden, ... aber als Methan-Gas lässt er sich besser transportieren. Oder man produziert die Flüssigkeit Methanol, die sich wie Benzin tanken lässt. Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Redox-Flow-Batterie  sind relativ neu. Man lädt sie nicht auf, sondern tauscht den Elektrolyten aus, um wieder Energie zu haben.


Chemiker analysieren die Umwelt auf Gifte oder die Reinheit wichtiger Stoffe.
  • Die Analyse der Umwelt ist wichtig, denn die Chemiker kennen Methoden um Gifte und die Zusammensetzung von Stoffen bestimmen zu können. Dies spielt bei der Kontrolle von Lebensmitteln (auch Wasser) und etwa Arzneimittel eine große Rolle.
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Einfache Handversuche kann man verwenden, um schnell das Vorhandensein von Stoffen nachzuweisen. Diese einfache Chromatographie, kann man auch zu Hause durchführen. In größeren Laboren verwendet man allerdings eher Geräte, wie diese Gaschromatographen.
Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 1

Lies im Schulbuch die Seite 13 und beantworte schriftlich im Heft die Aufgaben 1-3. Überschrift bitte darüber schreiben!!


Laborgeräte

Damit du Experimentieranleitungen nutzen kannst, musst du die Namen der Geräte kennen, die dort genannt werden. Du musst die Namen der Geräte auswendig lernen und auch aufgrund des verwendeten Material verstehen, für was man ein Gerät verwenden kann und für was nicht.

Die Namen der Geräte

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 2

Nutze im Buch die Seite 7, um das Arbeitsblatt (Anschauen oder Herunterladen) so weit wie möglich auszufüllen. Die restlichen Namen werden im Unterricht geklärt.


Eine ausführliche Liste liefert der Wikipedia-Artikel Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Laborgerät .

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 3

Kennst du die Namen der Laborgeräte? Übe sie hier beim Zuordnungsquiz.


Das Material der Laborgeräte

Die meisten Laborgeräte bestehen aus den folgenden Materialien:

  • Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Holz  - Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Eisen  - Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Glas  - Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Plastik  ... leider sind die Wikipedia-Artikel recht kompliziert zu lesen!

Dabei ist die Auswahl nicht willkürlich, denn man verwendet natürlich das Material für ein Gerät, dass am besten zu den Anforderungen passt. Oder man hat verschiedene Varianten aus verschiedenen Materialien: gerade Plastik wird gerne verwendet, wenn etwas nicht zu viel beansprucht wird, aber leicht und billig sein soll.

Welche Vor- und Nachteile diese Materialien genauer haben, sollst du in den folgenden Quizzen entdecken. Dabei kannst du überprüfen, ob du dich schon gut auskennst!

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 4

Ordne die Vor- und Nachteile des jeweiligen Stoffe richtig zu und halte das richtige Ergebnis als Tabelle im Heft fest.


ACHTUNG Kontrolle.png
ACHTUNG, Kontrolle!! - Zeigen Sie Ihre Kenntnisse zu den Laborgeräte-Materialien vor!

Beweise dein Können und versuche die Millionen-Frage zu knacken! Hier geht es zum Quiz
 

  


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

Das sind natürlich Stoffe in der Chemie ... 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.

Bisher haben wir uns, bei der Betrachtung der Laborgeräte, mit vier Materialien beschäftigt. Nicht alle davon kann man aber als chemischen Stoff bezeichnen. Und zwar 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 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

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, das im Sprachgebrauch der Chemie aber auf Stoffe in fester Form, sog. 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).


Merke dir folgendes:
  • 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.


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 5
  1. Erst mal eine einfache Übung: Gemisch oder Reinstoff?
  2. 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 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.

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 6

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.


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


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 7
  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.


ACHTUNG Kontrolle.png
ACHTUNG, Kontrolle!! - Zeigen Sie Ihre Kenntnisse zu den neuen Gefahrensymbolen vor!

Probiere es aus!? Verstehst du schon die Begriffe und die gefährlichen Eigenschaften dieser Stoffe? Probiere es im Zuordnungs-Quiz aus! 
 

  


Nutzung der Stoffeigenschaften zur identifizierung eines unbekannte Stoffes

Vergleich mit 5 weißen, pulverförmigen Feststoffen

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

  • Vitamin C
  • Natron
  • Backpulver
  • Zucker
  • Salz
Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 8

Überlege dir Eigenschaften, mit denen du diese Stoffe unterscheiden könntest. Finde also jeweils typische Eigenschaften.


Kennenlernen des Bunsenbrenners

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 9

Beschrifte das ausgeteilte Arbeitsblatt, um die Bestandteile des Bunsenbrenners kennenzulernen. Nutze dazu das Buch auf Seite 18 - V1.


Die verschiedenen Brenner-Arten auch von innen:

Beschriftung-Bunsenbrenner-mit-Hebel.svg Beschriftung-Teclubrenner-mit-Drehregler.svg
Bunsenbrenner mit Hebel
Teclubrenner mit Drehregler


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 10

Zünde entsprechend der Anleitungen auf dem Arbeitsblatt und dem Buch (S. 18 - V 1) den Bunsenbrenner an. Jeder sollte das mindestens zweimal gemacht haben.


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 11

Untersuche die Flamme mit und ohne Luftzufuhr: Halte das Magnesiastäbchen in die verschiedenen Flammen.


Warum dieser Unterschied mit und ohne Luft?

Aufbau-innen-Teclubrenner-mit-Drehregler.svg


Experimente zur Untersuchung des (noch) unbekannten, weißen Feststoffes

Sicherheitsinformationen für Experimente
Schutzbrille verwenden Ein Schutzbrille muss verwendet werden.

An Materialien wird benötigt:

  • x saubere Reagenzgläser
  • 1 schmutziges Reagenzglas
  • Reagenzglasständer, Reagenzglashalter
  • Gummistopfen, Spatel

Die folgenden Experimente sollen durchgeführt werden. Zu jedem Experiment gibt es auf einer Unterseite vertiefende Informationen

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VERSUCH: 1. Verhalten beim Erhitzen

Durchführung: Holt euch ein gebrauchtes Reagenzglas vom Lehrertisch. Gebt mit einem Spatel nicht mehr als 1 cm eures Stoffes in das gebrauchte Reagenzglas und erhitzt es über dem Bunsenbrenner. Achtet auf die besprochenenen Sicherheitsmaßnahmen. Erhitzt wie auch beim Wasser erst vorsichtig und wenn nichts passiert stärker. Allerdings muss das Reagenzglas nicht geschmolzen werden, um sagen zu können, dass der Stoff sich beim Erhitzen nicht verändert.

Entsorgung: Versucht nach dem Abkühlen den Inhalt auszuschütten. Wenn das geht und Reste im Reagenzglas übrig bleiben, bitte gut mit Wasser und einer Bürste ausspülen. Kann der Inhalt nicht entfernt werden, bitte das Reagenzglas vorzeigen, damit ich entscheiden kann, ob es sinnvoll ist, es wegzuwerfen.


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VERSUCH: 2. Wasserlöslichkeit
Anschließend an dieses Experiment kann das Experiment Nr. 3 durchgeführt werden!

Durchführung: Füllt das Reagenzglas halbvoll mit Wasser. Gebt eine kleinere Menge (ewta 0,5 cm auf dem Spatel) eures Stoffes in das Wasser und schüttelt unter Verwendung des Gummistopfens. Überprüft, ob sich alles gelöst hat, oder ob noch Bodensatz vorhanden ist. Beobachtung: Nutzt die Begriffe löslich, unlöslich, Bodensatz zusammen mit Mengenangaben (wieviel Spatelspitzen), um die Löslichkeit zu beschreiben.

Entsorgung: Die Lösung kann für Experiment 2 verwendet werden.


Versuche.png
VERSUCH: 3. pH-Wert der Lösung
Das Experiment sollte immer nach dem Experiment Nr. 2 durchgeführt werden! Führt deshalb erst Nr. 2 durch und dann Nr. 3. Bringt also diese Anleitung erst noch einmal zurück, wenn ihr Nr. 2 noch nicht durchgeführt habt.

Durchführung: Holt euch ein weiteres sauberes Reagenzglas, gebt soviel destilliertes Wasser wie im anderen Reagenzglas aus Experiment Nr. 2 hinein. Stellt die beiden Reagenzgläser nebeneinander in den Reagenzglasständer. Gebt nun vom sogenannte Universalindiktor in die Reagenzgläser, und zwar in beide gleich viele Tropfen. Die Farbe des Wasser dienst als Vergleichslösung, um die Färbung der Lösung beurteilen zu können. Ist die Farbe der Lösung ...

  • wie beim Wasser, ist die Lösung neutral.
  • rötlich, so ist die Lösung sauer.
  • bläulich, so ist die Lösung alkalisch

Entsorgung: In den Abfluss gießen, Reagenzgläser und Waschbecken gut mit Wasser ausspülen.


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VERSUCH: 4. Betrachtung unter dem Mikroskop

Durchführung: Gebt ganz wenige Körnchen eures Stoffes auf eines der gelben Scheiben und stellt dann die Mikroskop-Kamera darüber eventuell kann man an dem großen, silbernen Drehrad an der Kamera das Bild etwas schärfer stellen. Beschreibt, was ihr seht:

  • Kann man an verschiedenen Körnchen immer wieder die gleiche Form erkennen und haben die Körnchen glatte Flächen, so hat man Kristalle.
  • Ist die Oberfläche dagegen uneben und unregelmäßig, so sind das amorphe Körnchen.

Entsorgung: Kann weiter verwendet werden. Falls sich das Pulver über dem Tisch verteilt, bitte aufkehren und wegwerfen.

Kristalle sind Körper, die aufgrund einer regelmäßigen Anordnung der kleinsten Teilchen glatte Flächen aufweisen


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VERSUCH: 5. Verhalten bei Zugabe von Säure

Durchführung: Gebt etwa 0,5 cm eures Stoffes in ein sauberes Reagenzglas. Holt euch mit einem anderen Reagenzglas etwa 2 cm der Essigessenz (konzentrierter Essig), das ist unsere Säure. Gebt dann die Säure auf euren Stoff und beobachtet was passiert. Schwimmt der Stoff nur auf der Säure oder geht er unter? Oder bilden sich Bläschen, sobald die Säure mit eurem Stoff zusammenkommt.

Entsorgung: Ins Waschbecken ausgießen und gut ausspülen. Eventuell mit einer Bürste Reste eures Stoffes entfernen.


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VERSUCH: 6. Sonstige Beobachtungen

Haltet alles fest, was euch sonst noch an dem Stoff auffällt. Denkt aber daran, dass ihr hier keine Spekulationen äußert, sondern möglichst neutral festhaltet, was wahrgenommen wird.


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.


Wir nutzen Stoffeigenschaften daher, um Stoffe zu identifizieren.



Fließschema zu Untersuchungen erstellen

Beispiel für 4 klare Flüssigkeiten

Fliessschema-Beispiel klare Flüssigkeiten.png

Aus was bestehen wir ... und die Stoffe

Bisher haben wir die Stoffe und deren Eigenschaften betrachtet. Aber warum gibt es eigentlich verschiedene Stoffe mit verschiedene Eigenschaften? Um dahinter zu kommen, fangen wir mit einem überraschenden Experiment an, dass du zu Hause auch nachmachen kannst, denn man braucht nur recht alltägliche Stoffe, aber eine Möglichkeit zum genauen Messen von Volumen.

Zauberei ... es verschwindet etwas

Versuche.png
VERSUCH:
Jeweils 50 ml und dann mischen.
Durchführung: Man misst in zwei Messzylindern jeweils 50 ml Wasser und 50 ml reinen Alkohol ab. Dann gibt man beide Flüssigkeiten zusammen und bestimmt das neue Volumen.


Nun, das Ergebnis verwundert die meisten und es wird vermutet, ob vielleicht etwas verschüttet wurde. Aber auch wenn man alles wiegen würde, so wäre nichts verschwunden.

Was das ist, die Materie, aus dem wir und alles um uns herum besteht, hat die Naturphilosophen schon vor 3000 Jahren beschäftigt.

Das Teilchenmodell gibt eine Erklärungsmöglichkeit

Die Forschung ist inzwischen soweit, dass sie ziemlich genau dieses Phänomen erklären kann. Tatsächlich ist es ein wenig komplizierter, aber vereinfacht ließe sich das Ergebnis erklären, wenn man davon ausgeht, dass beide Stoffe aus sehr kleinen Teilchen aufgebaut sind. Ist eines der Teilchen größer als das andere, so wird bei der Mischung Platz frei, denn die kleinen Teilchen nehmen Platz ein, der vorher unbesetzt war.

TeilchenmodellMischung2.PNG
     
TeilchenmodellMischung3.PNG
     
TeilchenmodellMischung1.PNG
Hier sind die Stoffe unvermischt und durch eine Trennwand von einander getrennt. Man sieht deutlich, dass bei dem Stoff mit den größeren Teilchen größere Zwischenräume leer sind.       Der Mischvorgang ist bei begrenztem Raum zu langsam, weshalb den Teilchen mehr Platz gegeben wird und die Geschwindigkeit erhöht wird.       Nachdem die Geschwindigkeit wieder reduziert wurde sieht man, dass das Gemisch wesentlich weniger Platz einnimmt, als die Einzelstoffe vorher. Die großen Teilchen sind verteilt in den kleinen und diese ordnen sich eng an die großen Teilchen an. Es gibt keine größere Lücken wie vorher.

Diesen Vorgang wurde in einem Simulationsprogramm für Teilchen durchgeführt. Wie es abgelaufen ist kannst du dir noch einmal ausführlich in einem UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Film (ohne Ton) anschauen.


Das Teilchenmodell früher und heute

Bereits vor etwa 2500 Jahren postulierte Demokrit Wie sein Lehrer Leukipp – und in Abweichung von dessen Lehrer Parmenides – dass die gesamte Natur aus kleinsten, unteilbaren Einheiten, den Atomen, zusammengesetzt sei. Davor galt die verbreitete Hypothese der unendlich fortsetzbaren Teilbarkeit der Materie. Zwar konnte um 1800 herum durch genaue Wägungen

Die Teilchen, aus denen unsere Materie aufgebaut ist, sind so klein, dass man sie mit keinem Mikroskop wirklich sehen kann. Bilder wie die folgenden sind Computer-Darstellungen, die aufgrund von Messungen in Elektronen- oder Rasterelektronenmikroskopen möglich sind. Solche Elektronenmikroskope erlauben trotzdem einen gewissen Einblick in die Welt der Teilchen, denn sie können die Anordnung der kleinsten Teilchen deutlich machen, ebenso wie Größenunterschiede, wenn man verschiedene Teilchen in der Probe hat.


Hier sieht man eine Elektronenmikroskop-
aufnahme eines Gold-Kristalls.
    
Die Oberfläche von Graphit.
1 nm =\frac{1}{1.000.000.000}m
   Wie ein Rastertunnel-Mikroskop die Oberfläche abtastet ("rastert").
Im Bild sehen die Kugeln zwar Goldfarben aus, aber diese Darstellung wurde vom Computer erzeugt.
   Graphite ambient STM.jpg   


Grundregeln zum Teilchenmodell:
  • Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen und zwischen den Teilchen ist leerer Raum.
  • Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich in Größe und Masse.
  • Alle Teilchen sind ständig in Bewegung. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen.
  • Zwischen den Teilchen gibt es Anziehungskräfte, die bei verschiedenen Stoffen unterschiedlich stark ist.


WICHTIG: Man muss sich bewusst sein, dass das Teilchenmodell nur ein Hilfsmittel ist, den Aufbau der Materie und das Verhalten der Stoffe zu verstehen. Viele Dinge können damit nicht erklärt werden. Für uns reicht es aber im Moment, dieses einfache Teilchenmodell zu verwenden, mit dem wir dann auch verschiedene Aggregatzustände und die typischen Eigenschaften der Stoffe in einem bestimmten Aggregatzustand erklären können.


Häufig auftretende Fehler:

  • Die Eigenschaften eines Stoffes ergeben sich erst aus der Anhäufung von mehreren Teilchen. Die Anziehung der Teilchen untereinander ist natürlich auch bei zwei Teilchen vorhanden.
  • So hat ein kleinstes Teilchen keine Farbe. Die Farbe in den Elektronenmikroskop-Aufnahmen sind vom Computer erzeugt! Ein Farbeindruck entsteht dadurch, das ein Teil des weißen Licht durch den Gegenstand, den wir betrachten, verschluckt wird (Absorption). Das sichtbare Restlicht ergibt den Farbeindruck eines Gegenstandes (siehe Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Remission ). Und einzelne Teilchen können kein Licht zurückwerfen, da sie zu klein sind.

Teilchenmodell anwenden und verstehen lernen

Es ist sicherlich schwer, etwas zu verstehen, was man ja eigentlich nicht sehen kann. Das Teilchenmodell kann aber in Simulationsprogrammen nachgestellt werden. Man kann dabei die Teilchen und deren Eigenschaften sowie die Eigenschaften der Umgebung festlegen. Als Hilfe zum Verstehen des Teilchenmodells nun ein paar Videos, zu denen es Kontrollfragen gibt. Frage nach, falls du Fragen falsch beantwortest und auch nicht verstehen kannst, warum es falsch ist.


      Schau dir den Film einmal an, bevor du die Fragen bearbeitest!

Schau dir die Teilchen an. Welche der drei Teilchen-Arten ziehen sich untereinander am stärksten an? (!Teilchen 1) (Teilchen 2) (!Teilchen 3)

Welche Farbe hat der Stoff, in dem die Teilchen 3 enthalten sind? (!Gelb) (!Rot) (Kann man nicht sagen!)

Müssen die Teilchen hier im Modell unterschiedlich groß sein? (Nein, denn es ist ja nur ein Modell, mit dem ich einige Eigenschaften verdeutlichen kann.) (!Ja, denn bei verschiedenen Stoffen hat man andere Teilchen) (!Die Größe der Teilchen ist sowieso nicht festgelegt und daher muss man hier auch nicht auf die Größe achten.)


Wenn wir einen warmen Gegenstand anfassen, spüren wir an unserer Hand ... (die Reibung der Teilchen.) (!die Temperatur der Teilchen.) (!das der Stoff eine hohe Schmelztemperatur hat.)

Wie kommt es, dass warmes Wasser seine Wärme an das Metall abgibt, dass ins Wasser eintaucht? (Die schnellen Wasserteilchen stoßen an die Metallteilchen an.) (!Das warme Wasser lässt das Metall schmelzen,, wodurch es warm wird.)

Die Schieberegler-Skala geht nur bis 5 K, wobei das K für die Temperatureinheit Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Kelvin  steht. Man sagt, bei 0 K ist der absolute Nullpunkt und es gibt keine tieferen Temperaturen. Wie lässt sich das mit dem Teilchenmodell erklären? (!Es gibt keine Kühlgeräte, die stark genug sind.) (!Das ist eine physikalische Konstante und damit festgelegt.) (Bei 0 K stehen die Teilchen still. Langsamer geht nicht.)

Teilchenmodell und Temperatur

Was wir in den zwei Videos gesehen haben und was durch die dazugehörigen Tests schon angesprochen wurde, wir nun noch mal in einem Lückentext betrachtet.

Die Bewegung der Teilchen ist eine Art von Energie (kinetische Energie), die der Stoff in sich aufnehmen kann. Die von außen zugeführte Energie lässt die Teilchen deshalb schneller bewegen. Umgekehrt, wenn eine Stoff abgekühlt wird, geben die Teilchen ihre Bewegungsenergie an die Umgebung weiter, indem sie andere Teilchen anstoßen und selber dabei langsamer werden. Der Verlust an Geschwindigkeit bedeutet einen Verlust an Energie und damit Wärme.

Dass die Teilchen sich bei einem heißen Stoff schneller bewegen, können wir mit der Hand spüren. Die schnelle Bewegung der Teilchen erzeugt Reibungswärme, die wir an der Hand fühlen. Bei einer kalten Oberfläche ist es eher umgekehrt. Die Teilchen in unser 37°C warmen Hand können die Teilchen des Stoffes in Bewegung bringen, wordurch dieser eine höhere Temperatur hat.

Wenn die Temperatur eines Stoffes mit der Geschwindigkeit der Teilchen zusammenhängt, dann ist es auch klar, warum man sagt, dass es einen absoluten Nullpunkt gibt. Denn wenn ein Stoff immer mehr abgekühlt wird, wird ja damit auch die Bewegung der Teilchen langsamer. Diese Abkühlung kann nur soweit gehen, bis die Teilchen (zumindest theoretisch) still stehen. Dies soll bei -273°C, oder auch 0 K der Fall sein.

Viele Teilchen bei unterschiedlichen Temperaturen

Beobachtet man viele Teilchen auf einmal, so hat die Änderung der Geschwindigkeit auf jedes einzelne Teilchen den gleichen Effekt, wie auf ein einzelnes Teilchen, dass alleine ist. Allerdings sieht das Ganze dann etwas anders aus:

Hinweis: Das die Teilchen nach unten fallen, bzw. sich eher weiter unten aufhalten hat damit zu tun, dass eine Schwerkraft simuliert wird. Wenn die ausgeschaltet wäre, würden auch langsame oder zusammenhängende Teilchen nicht "unten" liegen sondern herumschweben. Die Position der Teilchen hat also eher einen geringere Bedeutung.


Es fällt auf, dass es beim Aussehen der Teilchenmenge deutliche Unterschiede gibt. Man kann im Grunde genommen drei verschiedene Arten der Anordnung der Teilchen festhalten.


FilmBild-Teilchenmodell fest.png
          
FilmBild-Teilchenmodell flüssig.png
          
FilmBild-Teilchenmodell gasförmig.png
Bei sehr niedrigen Temperaturen ist die Bewegung der Teilchen sehr langsam. Die Teilchen sind ganz nah beieinander, haben eine feste Position und bewegen sich nur wenig an ihrer Stelle. Dies ist möglich, weil wegen der langsamen Geschwindigkeit, die Anziehung zwischen den einzelnen Teilchen gut wirken kann. Ein Film, bei dem man Teilchen in Bewegung sieht findest du UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg hier.            Bei mittleren Temperaturen sind die Teilchen zwar auch recht eng beeinander, sind aber nicht - wie bei sehr niedrigen Temperaturen - fest an einer Stelle. Sie bewegen sich in aneinander vorbei, hin und wieder kann ein Teilchen mal die Gruppe verlassen. Da die Geschwindigkeit nicht so hoch wie bei den gasförmigen Soffen ist, kann die Anziehung zwischen den Teilchen etwas wirken, wodurch sie sich meist nicht voneinander entfernen können. Ein Film, bei dem man Teilchen in Bewegung sieht findest du UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg hier.            Bei sehr hohen Temperaturen sind die Teilchen sehr schnell. Sie ziehen sich natürlich immer noch an, aber wegen der schnellen Bewegung kann die Anziehung kaum wirken. So sind die Teilchen weit im Raum verteilt. Ein Film, bei dem man Teilchen in Bewegung sieht findest du UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg hier.


Da diese drei Teilchen-Anordnungen von der Temperatur abhängen sollte es dir klar sein, dass wir hier sehen, wie die Teilchen bei Stoffen in unterschiedlichen Aggregatzuständen angeordnet sind. Das wollen wir uns noch etwas genauer anschauen und dann auch noch schriftlich festhalten.

Aggregatzustände im Teilchenmodell

Die drei Aggregatzustände haben wir schon behandelt. Wir wollen nun das Teilchenmodell auf sie anwenden und verstehen, wie die Existenz und die schon genannten Eigenschaften der kleinsten Teilchen die typischen Eigenschaften von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen erklärbar machen.

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 12

Dazu vorab eine Übung, wo es um Stoffeigenschaften geht. Du findest unten einige Eigenschaften genannt, die du dem jeweiligen Aggregatzustand zuordnen sollst. Versuche die Eigenschaft richtig zuzuordnen. Diese Informationen sollen später bei der Aufgabe 3 in einer Tabelle festgehalten werden. Du kannst nach Abschluss dieser Übung schon anfangen, in die erste Spalte die zugeordneten Informationen in Stichworten beim jeweiligen Aggregatzustand festzuhalten.


Stoffe in festen Zustand Das Volumen ist unveränderlich und ein Zusammendrücken ist nicht möglich. Die Form des Stoffes ist unverändert, und er passt sich nicht an die Form eines Gefäßes an. Der Stoff ist schwer verformbar Der Stoff ist schwer teilbar.
Stoffe in flüssigen Zustand Das Volumen ist so gut wie nicht veränderlich, denn in einer geschlossenen Sprite kann man den Stoff quasi nicht zusammendrücken. Die Form ist veränderlich und der Stoff passt sich an die Form des Gefäßes an. Der Stoff ist leicht teilbar.
Stoffe in gasförmigen Zustand Das Volumen ist veränderlich, denn in einer geschlossenen Spritze kann man den Stoff zusammendrücken. Die Form ist veränderlich, denn der Stoff füllt ein Gefäß, gleich welcher Form, komplett aus. Der Stoff verteilt sich von alleine im Raum.

Nun geht es darum, wie man die Eigenschaften mit Hilfe des Teilchenmodell erklären kann.

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 13

Ordne im Lückentext zu der jeweiligen Stoff-Eigenschaft eine Begründung mit Hilfe des Teilchenmodell zu. Als Anregung solltest du dir noch einmal die drei Bilder mit den orangenen Teilchen anschauen und die Beschreibung dazu durchlesen.


Erklärung der Eigenschaften von festen Stoffen:

  • Das Volumen ist unveränderlich und ein Zusammendrücken ist nicht möglich, weil die Teilchen schon ganz eng beieinander sind und nicht näher zusammenrücken können.
  • Die Form des Stoffes ist unveränderbar, und er passt sich nicht an die Form eines Gefäßes an, da sich die Teilchen so stark anziehen können, dass sie immer an ihrer festen Position bleiben.
  • Der Stoff ist schwer verformbar, denn aufgrund der großen Anziehung zwischen den Teilchen, bleiben sie an ihren Positionen und sind nicht verrückbar.
  • Der Stoff ist schwer teilbar, da sich die Teilchen stark anziehen und man sie nur schwer trennen kann.

Erklärung der Eigenschaften von flüssigen Stoffen:

  • Das Volumen ist so gut wie nicht veränderlich, denn in einer geschlossenen Spritze kann man den Stoff quasi nicht zusammendrücken, weil die Teilchen schon so eng beieinander sind, dass man sie so gut wie nicht weiter zusammendrücken kann.
  • Die Form ist veränderlich und der Stoff passt sich an die Form des Gefäßes an, denn die Teilchen sind zwar nah beieinander und ziehen sich an, aber sie sind untereinander beweglich und halten nicht ihre Position.
  • Der Stoff ist leicht teilbar, da die Anziehung der Teilchen nicht so stark ist, als das dies eine Trennung verhindern kann.

Erklärung der Eigenschaften von gasförmigen Stoffen:

  • Das Volumen ist veränderlich, denn in einer geschlossenen Spritze kann man den Stoff zusammendrücken, was möglich ist, da die Teilchen normalerweise recht weit auseinander sind und man den Abstand verringern kann.
  • Die Form ist veränderlich und der Stoff füllt ein Gefäß, gleich welcher Form, komplett aus, was man damit erklären kann, dass zwischen Teilchen kaum Anziehungskräfte herrschen und sie sich deshalb überall hin verteilen können.
  • Der Stoff verteilt sich von alleine im Raum, wenn er nicht eingeschlossen ist, was man damit erklären kann, dass zwischen Teilchen kaum Anziehungskräfte herrschen und sie sich deshalb überall hin bewegen können.
Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 14

Nutze die leere Tabelle (odt, pdf und halte die Informationen aus den Übungen 1 und 2 fest.

  • In der ersten Spalte "Stoffebene" soll beschrieben werden, wie sich der Stoff von außen betrachtet verhält. Dazu kannst du die Ergebnisse von Aufgabe 1 verwenden. Es reicht, wenn du die Eigenschaften stichwortartig festhälst.
  • In der zweiten Spalte "Teilchenebene" wird darauf eingegeben, wie die Teilchen im jeweiligen Aggregatzustand angeordnet sind. Statt allerdings die langen Sätze aus Aufgabe zwei aufzuschreiben, solltest du Beschreibung bei den orangenen Teilchenbildern eventuell noch ein wenig zusammenfassen.
  • Ergänzt in der zweiten Spalte jeweils das passende Bild im Teilchenmodell([1],[2],[3])


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 15

Auf dem Arbeitsblatt (pdf oder odt) sind einige Eigenschaften beschrieben, die nicht nur mit den Aggregatzuständen zu tun haben. Auch andere Eigenschaften von Stoffen lassen sich mit dem Teilchenmodell erklären.

Nutze den freien Bereich in der Mitte, um den Satzanfang mit der Begründung zu verbinden.)


In der Übung sind einige Dinge angesprochen worden, die du dir noch einmal in einem Film oder einer Animation anschauen kannst.

  • Diffusion: Darunter versteht man einen natürlich ablaufenden Prozess, der mit der Zeit die vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe durch die gleichmäßige Verteilung der beteiligten Teilchen bewirkt.
Ein UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg englischer Film zeigt sehr ausführlich den Diffusions-Vorgang bei verschiedenen Gasen. Es wird auch gezeigt, wie sich unterschiedliche Temperaturen sich auf die Geschwindigkeit der Diffusion auswirken.
  • Brown'sche Bewegung: Dabei handelt es sich um die Beobachtung des schottischen Botanikers Robert Brown im Jahr 1827, der unter dem Mikroskop beobachtete, wie Pollen in einem Wassertropfen unregelmäßig zuckende Bewegungen machten.
In einem UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Video wird diese Bewegung gezeigt und dies im Teilchenmodell verdeutlicht.
  • Siedetemperatur: Da sich beim Sieden, also dem Übergang von flüssig zu gasförmig, die Teilchen eines Stoffes voneinander trennen müssen, ist die Stärke der Anziehung der Teilchen untereinander von wesentlicher Bedeutung. Teilchen mit starker Anziehung bedeuten für den Stoff, dass er eine hohe Siedetemperatur haben muss.
In dem UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Video werden drei verschiedene Stoffe gezeigt, bei denen sich die Teilchen verschieden stark anziehen. Das führt dazu, dass die drei Stoffe bei mittleren Temperaturen fest, flüssig bzw. gasförmig sind. Aber auch der Feststoff wird bei höherer Temperatur flüssig.
  • Verdunstung: Wasser hat eine Siedetemperatur von 100°C. Trotzdem verschwindet es auch bei Temperaturen um 20°C in recht kurzer Zeit. Der Grund ist der, dass die Wasserteilchen sich zwar sehr stark anziehen, aber sehr leicht sind.
In einem Simulationsivdeo siehst du zwei Teilchen, die die gleiche Anziehung haben, aber unterschiedlich schwer sind. DIe leichten Teilchen fliegen, wenn sie man aus Versehen die Menge verlassen, weiter als die schweren Teilchen.
  • Löslichkeit: Stoffe, die man auflöst verschwinden scheinbar. Als Feststoff sind ja viele Teilchen eng beieinander. Nur deshalb kann man den Stoff überhaupt sehen. Im Wasser dagegen sind die Teilchen des Feststoffes voneinander getrennt und im Wasser verteilt. Da die einzelnen Teilchen zu klein sind, sieht amn sie nicht mehr.
In einem Video wird der Lösungsvorgang simuliert.

Stoffe verändern sich - chemische Reaktionen

Wir haben die Eigenschaften von Stoffen untersucht und diese Stoffeigenschaften genutzt, um sie zu unterscheiden.

Es kann aber vorkommen, dass ein Stoff sich verändert, das er neue Eigenschaften bekommt. Das kann langsam gehen oder schnell:

  • Eisen rostet mit der Zeit, es ist eine sehr langsame Veränderung, die unspektakulär ist.
  • Magnesium verbrennt, wenn man es anzündet mit heller Flamme. Es bleibt ein weißes Pulver zurück.
Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 16

Überlege, warum wir davon ausgehen können, dass hier jeweils neue Stoffe entstanden sind.


Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang bei dem Ausgangsstoffe verschwinden und neue Stoffe erscheinen. Dies kann man anhand der Eigenschaften erkennen.


Chemische Reaktionen sind meist mit einem Umsatz an Energie verbunden. Es wird Energie frei oder man muss Energie hinzufügen.


Zusammenfassung: Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang bei dem es zu einem Umsatz von Stoffen und Energie kommt.


Dies soll noch einmal erklärt werden:

  • Stoffumsatz: In diesem Fall bedeutet das, das die Ausgangsstoffe scheinbar verschwinden und dann stattdessen der neue Stoff vorhanden ist. Die Ausgangsstoffe werden also bei der chemischen Reaktion verbraucht.
  • Energieumsatz: Dies kann unterschiedlich sein. Im Beispiel von bei der Verbrennung Magnesium heißt es, dass die Reaktion unter Energieabgabe stattfindet, auch wenn man am Anfang erhitzen muss, bis die Reaktion startet. Bei anderen Reaktionen muss man dauerhaft erhitzen, damit die Reaktion stattfindet. Beim Rosten von Eisen ist es eine sehr langsame Reaktion bei der auch Energie frei wird. Da die Reaktion aber langsam ist, merkt man keine Erwärmung.
Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 17

Fallen dir aus dem Alltag und im Haushalt chemische Reaktionen ein. Überlege jeweils und halte fest:

  • Welches sind die Ausgangsstoffe und was die Endstoffe? Welche Eigenschaften haben sich geändert?
  • Musste der Ausgangsstoff/die Ausgangsstoffe die ganze Zeit erwärmt werden oder wird Energie (Wärme, Licht) frei?


Was müsste bei einer chemischen Reaktion im Teilchenmodell passieren?

Nach unseren bisherigen Vorstellungen ist es so, dass ein neuer Stoff auch neue Teilchen haben muss. Denn die Teilchen für jeden Stoff sind anderes die die der anderen Stoffe. Man könnte sich also vorstellen, das beim Anzünden des Magnesiums das passiert, was im folgenden Film zu sehen ist ...

Was ist gegeben?

  • Zunächst einmal sieht man die rosa-farbenen Kugeln, die eng und einigermaßen geordnet beieinander liegen. Das soll hier der Feststoff, also das Magnesium, sein.
  • Herum schwebend sind da noch die hellblauen Teilchen, welche die Teilchen vom Sauerstoff darstellen sollen.

Für die chemische Reaktion treffen sie auf einandern. Schau dir einmal an, was dann passiert:


Chemische Reaktionen im Atommodell

WICHTIGE BEGRIFFE:
  • Element: Stoff, der nur eine Sorte von Atomen enthält.
  • Atom: Einzelnes Atom/Teilchen, dass in chemischen Reaktionen nicht weiter zerlegt werden kann. Es gibt soviele Atomsorten wie es Elemente gibt.
  • Molekül: Kleinstes Teilchen, dass aus mehreren Atomen besteht, egal ob gleiche oder verschiedene. Es kann in chemischen Reaktionen zerlegt werden.
  • Verbindung: Stoff, der mindestens zwei Sorten von Atomen enthält.


Chemische Reaktion im Atommodell: Es findet bei einer chemischen Reaktion nur eine Umlagerung von Atomen statt. Atome werden bei chemischen Reaktionen weder neu erzeugt noch gehen sie verloren.


Atomsymbol = Ein oder zwei Buchstaben, mit der man ein bestimmtes Element bzw. ein Atom dieses Elementes beschreiben kann. Enthält ein Symbol zwei Buchstaben, so ist der zweite Buchstabe immer klein.


Chemische Reaktionen verschieden darstellen

Folgende Übungen stehen zur Verfügung: