Chemie aktuell Portfolio Isobuten – Herstellung und ... · Chemie aktuell Portfolio 22.02.2002 1 Isobuten – Herstellung und Eigenschaften Versuche V1 Bauen Sie die Vorrichtung

Chemie aktuell Portfolio 22.02.2002

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Isobuten – Herstellung und Eigenschaften

Versuche V1 Bauen Sie die Vorrichtung aus B1 auf. Das insgesamt ca. 40 cm lange Glasrohr können Sie selbst in der Brennerflamme biegen. Beschicken Sie den Erlenmeyerkolben wie in B1 angegeben (Vorsicht!) und bringen Sie das Gemisch* auf der elektrischen Heizplatte (keine Flamme!) zum Sieden. Schließen Sie erst jetzt den Kolbenprober an und haltet Sie das Gemisch so am Sieden, dass die Kondensationsfront noch im Rohr bleibt. Füllen Sie den Kolbenprober mit 100 mL des entstehenden Gases*. Führen sie damit V2 bis V4 durch. V2 Füllen Sie ca. 30 mL des Gases* in ein leeres RG und prüfen Sie es auf Brennbarkeit. Beobachten Sie die Flamme. V3 Drücken Sie ca. 30 ml des Gases* über ein spitzes Glasrohr langsam durch ca. 10 ml Bromwasser*, das sich in einem RG befindet. Stopfen Sie dann zu und schütteln Sie gut durch. Beobachtung? V4 Drücken Sie das restliche Gas* aus dem Kolbenprober über ein trockenes Glasrohr ganz langsam durch ca. 10 mL Heptan, das sich in einem RG. befindet. Beobachtung? Fügen Sie dann 2 mL Bromwasser* hinzu und schütteln Sie gut durch. Beobachtung? Schütteln Sie zum Vergleich auch 10 mL reines Heptan* mit 2 mL Bromwasser*. Auswertung Das Reaktionsprodukt aus V 1: a) Schließen Sie aus der Bromwasserprobe in V2 auf ein strukturelles Merkmal in den Molekülen des hergestellten Gases und formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die Nachweisreaktion. b) Ist die Art der Flamme bei V2 eher mit der Molekülformel C4H10 oder mit C4H8 zu erklären? Erläutern Sie. c) Was schließen Sie aus den Beobachtungen bei V4 über die Löslichkeit des Gases? Erklären Sie den Sachverhalt mithilfe der Formeln von Isobuten und Heptan (B2 und B4, S. 48). Die Apparatur- und die Reaktionsführung in V1: d) Isobuten wird in VI gemäß der folgenden Hinreaktion gebildet: Erläutern Sie, worum es in der Apparatur aus B1 möglich ist, den eingesetzten Alkohol vollständig in die Produkte Isobuten und Wasser zu über führen. e) Welche Rolle spielt die Schwefelsäure? f) Warum muss bei VI darauf geachtet werden, dass die Kondensationsfront der Dämpfe im Steigrohr bleibt? g) Die Apparatur aus B1 wird verschlossen bis zur nächsten Chemiestunde stehen gelassen. Nach Zugabe von 2 Siedesteinchen kann damit erneut Isobuten hergestellt werden. Erklären Sie, wieso das möglich ist. h) Berechnen Sie, wie viele Kolbenprober (Inhalt: V = 100 mL) theoretisch mit Isobuten gefüllt werden können, wenn die gesamte Menge des in VI eingesetzten Alkohols (B1) umgesetzt wird[Hinweis: Dichte von 2-Mehyl-2-propanol:p= 0,77g/cm3]


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Isobuten - eine technische Grundchemikalie

Fachbegriffe Chemisches Gleichgewicht, Prinzip von LE CHATELIER (Prinzip vom kleinsten Zwang)/Dehydratisierung (Dehydratation), Addition, Eliminierung, Steuerung von Reaktionen, Stoffkreislauf

Die kurzkettigen Alkene (Ethen, Propen und Butene) sind wichtige „Zwischenstationen“ auf dem Weg vom Erdöl zu den Anwendungsprodukten. Alkene sind aber weder im Erdöl noch im Erdgas enthalten. Industriell werden sie durch Cracken langkettiger Alkane aus Erdöl hergestellt (S. 47). Dabei- bilden sich stets Gemische, aus denen Ethen (Kp = -104°C) und Propen (Kp = -48 °C) relativ leicht isoliert werden können. Da die Siedetemperaturen der vier Buten-Isomere, des sog. „C4-Schnitts“, sehr eng zusammenliegen (B2), kann das Gemisch durch Destillation nicht aufgetrennt werden. Bei einigen Anwendungen, z.B. bei der Herstellung von Zusatzstoffen für Superbenzin, verzichtet man auf die Trennung der Buten-Isomere und setzt gleich das Isomerengemisch C4H8 ein. Von herausragender Bedeutung unter den 4 Isomeren des Butens ist das 2-Methylpropen (technische Bezeichnung: Isobuten). Weltweit werden jährlich ca. 1000000 Tonnen Isobuten hergestellt und zu Produkten verarbeitet. Isobuten ist daher eine Grundchemikalie in der chemischen Industrie. Das in V1 angewandte Verfahren ist auch in der Technik für die Herstellung von reinem Isobuten von Bedeutung1). Es handelt sich dabei um die Abspaltung von Wasser aus 2-Methyl-2-propanol (technische Bezeichnung: tert.-Butanol). Eine derartige Eliminierung (Abtrennung) von Wasser-Molekülen aus größeren Molekülen bezeichnet man als Dehydratisierung (Dehydratation). Bei der Dehydratisierung von 2-Methyl-2-propanol, aber auch bei der Rückreaktion, der Addition von Wasser an Isobuten wirkt Schwefelsäure als Katalysator. Die Einstellung des in Gleichung (1) formulierten chemischen Gleichgewichts wird also durch Schwefelsäure beschleunigt. Unter den Reaktionsbedingungen in VI kann sich das Gleichgewicht nicht einstellen, weil ein Reaktionsprodukt, das gasförmige Isobuten, fortdauernd aus dem Gemisch entfernt wird. Nach dem Prinzip von LE CHATELIER (Prinzip vom kleinsten Zwang) weicht ein System, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, einem äußeren Zwang dadurch aus, dass sich eine neue Gleichgewichtslage einstellt. In unserem Fall bildet sich das entfernte Produkt Isobuten ständig nach, solange noch Edukt vorhanden ist. Die technische Anlage zur Isobuten-Trennung aus dem Gemisch der Butene arbeitet kontinuierlich (B4). Man setzt das Gemisch der vier isomeren Butene zunächst der säurekatalysierten Addition von Wasser aus. Als Katalysator dient ein kationischer Ionenaustauscher. Er ist im Gegensatz zur Schwefelsäure fest, bildet aber ebenso wie diese in Wasser hydratisierte Wasserstoff-Ionen (H+aq). Isobuten reagiert unter diesen Bedingungen gemäß der Rückreaktion aus (1) zu tert.-Butanol. Die anderen Butene reagieren nicht und werden gasförmig abgeführt. Das tert-Butanol in saurer Lösung wird anschließend durch Erhitzen zu Isobuten und Wasser gespalten. Das Wasser wird in den ersten Reaktor zurückgeführt, es befindet sich also innerhalb der Anlage in einem Stoffkreislauf. Durch dieses Verfahren erhält man sehr reines Isobuten mit einem Reinheitsgrad von ca. 99,98%. Es wird zur Herstellung von Polyisobuten weiterverwendet Folien, mit der Teiche ausgelegt werden, und Luftschläuche für Fahrräder bestehen vorwiegend aus Polyisobuten, das aus Isobuten hergestellt wird

1) In der Industrie wird zur Herstellung von Isobuten entweder aus 2-Methyl-2-propanol (tert-Butanol) Wasser oder aus Methyl-tert.-Butylether MTBE Methanol eliminiert.


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Ermittlung der Valenzstrichformel von Isobuten

Woraus entsteht Isobuten? Alkene können durch säurekatalysierte Eliminierung von Wasser aus Alkanolen, also durch Dehydratisierung hergestellt werden. Aus dem Alkohol-Molekül werden dabei die Hydroxy -Gruppe und ein Wasserstoff-Atom vom benachbarten Kohlenstoff-Atom abgespalten. Die Dehydratisierung von tert-Butanol (2-Methyl-2-propanol) liefert sowohl im Versuch (V1, S. 54) als auch „auf dem Papier" (B2) Isobuten als einziges Alken. Die Valenzstrichformel des Isobuten-Moleküls ist damit bewiesen. Die Methode, den Strukturbeweis eines Moleküls dadurch zu führen, dass man dieses Molekül aus bekannten Molekülen über bekannte Reaktionen herstellt, ist sehr aussagekräftig und zuverlässig.

Die 6 Isomere C4 H8 Es lassen sich 6 Valenzstrichformeln aufschreiben, die der Molekülformel (Summenformel) C4H8 entsprechen. Außer den vier Buten-Isomeren kommen noch zwei weitere Isomere, das Cyclobutan und das Methylcyclopropan dazu (B1). Woher wissen wir nun, dass für Isobuten ausgerechnet die Formel H^C^CCH^ und nicht eine der anderen fünf Formeln aus B1 zutrifft? Wir finden die Antwort, wenn wir experimentelle Ergebnisse heranziehen, die uns Aufschluss darüber geben, „aus was Isobuten entsteht" und „was aus Isobuten wird" (vgl. auch B4).

Was wird aus Isobuten? V1 Ein Glasröhrchen wird mit 6 Kügelchen Palladium-Katalysator (0,5% Pd aufAl203) beschickt, ca. 1 min erhitzt und in die Apparatur aus B3 eingebaut. Über den Dreiwegehahn wird erst der rechte Kolbenprober mit Wasserstoff* gespült und dann mit 40 mL Wasserstoff gefüllt. In der gleichen Weise füllt man 40 mL Isobuten* in den linken Kolbenprober. Man schiebt zuerst den Wasserstoff über den kalten Katalysator, danach schiebt man das Gasgemisch einige Male hm und her. Die Temperatur am Katalysator wird (ggf. mit der Hand) geprüft. Die Volumenveränderung wird festgestellt. Sobald das Volumen konstant, bleibt, drückt man das Gas in ein RG, in dem sich 4 mL Bromwasser* befinden, und schüttelt gut durch. Beobachtung? Zur Kontrolle wird die Bromwasserprobe auch mit Isobuten durchgeführt. Beobachtung? Auswertung a) Nennen und deuten Sie alle Versuchsbeobachtungen aus V1. b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen. c) Welche der Isomeren aus B1 scheiden aufgrund dieser Versuchsergebnisse aus? Begründen Sie.


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Versuche . . V1 Herstellung, Reinigung und Verflüssigung von Isobuten: Bauen Sie die Vorrichtung aus B1 auf. In der Waschflasche befindet sich Ethylenglykol (1, 2-Ethandiol). Die Temperatur in der Eis -Salz-Kältemischung muss unter halb von -7°C liegen. Im Erlenmeyerkolben wird wie in V1 von S.54 Isobuten* erzeugt und über den Kühler abgeleitet; Reste tert.-Butanol* die trotz des Kühlers zusammen mit dem Isobuten entweichen, werden im Ethylenglykol gelöst und zurückgehalten, sodass weitgehend reines Isobuten in die Kühlfalle gelangt. Hier kondensiert es zu flüssigem Isobuten. Nicht kondensiertes Isobuten* wird unter den Abzug oder ins Freie geleitet. Stellen Sie auf diese Weise ca. 5 mL flüssiges Isobuten her. Pipettieren Sie ca. 0,5 ml davon auf ein Uhrglas. Beobachtung? LV2 Vorbereitung des Katalysators: In einem kleinen Erlenmeyerkolben wird eine Spatelspitze (ca. 0,5 g) wasserfreies Aluminiumchlorid* in ca. 15 mL Dichlormethan* gelöst. Der Kolben wird verschlossen. Aluminiumchlorid wirkt in V 3 als Katalysator. V3 Polymerisation: Ersetzen- Sie an der Kühlfalle aus V1, in der sich nun das flüssige Isobuten* befindet, das Einleitungsrohr durch ein Thermometer. Das RG bleibt die ganze Zeit in der Kältemischung. Pipettieren Sie ins flüssige Isobuten ca. 0,5 mL Katalysator-Lösung* aus LV2. Rühren Sie mit dem Schacht des Thermometers vorsichtig um und notieren Sie die Temperatur 5min lang in Abständen von 30 s. Beobachtung? V4 Charakterisierung des Produkts: Gießen Sie den Inhalt* des RG aus V3 (bis auf einen Rest aus ca. 1 mL, den Sie in V5 benötigen) auf ein großes Uhrglas. Beobachtung? Prüfen Sie, wenn keine Verdunstung mehr wahrzunehmen ist, die Masse auf dem Uhrglas mit einem Glasstab Verkleben Sie mit diesem Produkt a) Papier und b) Folien aus Kunststoff. Beobachtung? V5 Charakterisierung des Produkts: Beschleunigen Sie die Verdunstung im RG aus V4, indem Sie es mit der Handfläche erwärmen und schräg bzw. waagerecht halten. Pipettieren Sie dann 1 mL Pentan* ins RG und beobachten Sie die Löslichkeit des nicht verdunsteten Rückstands. Versetzen Sie die Lösung mit 3 mL Bromwasser* und schütteln Sie gut durch. Beobachtung? Führen Sie die Bromwasserprobe auch mit reinem Pentan durch. Beobachtung? V6 Untersuchung von Pflaster-Klebstoff: Lösen Sie im RG. von ca. 8 cm Wundpflaster den Klebstoff mit ca. 10 mL Pentan* ab. Versetzen Sie die Lösung mit Bromwasser*. Beobachtung? Auswertung a) Warum ist die einfache Versuchsvorrichtung aus B1, S. 54, für das in V3 benötigte Isobuten untauglich? Erläutern Sie ausführlich. b) Verläuft die Reaktion bei der Zugabe der Katalysator-Losung in V3 exotherm oder endotherm? Begründen Sie mit experimentellen Fakten. c) Das Produkt aus V3 ist klebrig, löslich in Pentan und entfärbt Bromwasser (V4 und V5) und weist damit Unterschiede und Gemeinsamkeiten um Edukt Isobuten auf. Nennen Sie diese und schließen Sie dann auf strukturelle Merkmale der Moleküle aus dem Produkt (Hinweis: vgl. auch Reaktionsgleichung auf S. 61). d) Wie könnte man den Katalysator, der noch im Produkt aus V3 enthalten ist, entfernen?

Vom Isobuten zum Kleber und zum Kaugummi


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Polymerisation von Isobuten

Die Klebefläche am Wundpflaster, der Kaugummi und viele andere Produkte unseres Alltags enthalten die gleichen oder ganz ähnliche Stoffe wie unser klebriges Reaktionsprodukt aus V3. Es handelt sich dabei um Polymere1 des Isobutens. Sie werden gebildet, indem Isobuten-Moleküle im wahrsten Sinne des Wortes mit sich selbst reagieren Die Polymerisation des Isobutens zu Polyisobuten verläuft exotherm und wird durch Aluminiumchlorid katalysiert: Bei der Polymerisation spaltet die Doppelbindung im Isobuten-Molekül jeweils auf und es werden Bindungen zu anderen Isobuten-Einheiten geknüpft. Das Polymer-Molekül wächst wie eine Kette, bei der nacheinander ein Glied an das andere angebaut wird. Es enthält lediglich eine Doppelbindung an der endständigen Isobuten-Einheit. Die Zahl n der im Polymer-Molekül enthaltenen Monomer2-Einheiten gibt den Polymerisationsgrad an. Ganz gleich, ob im Laborexperiment oder in einem Industriereaktor/ man erhält nie ein Produkt, in dem alle Moleküle den gleichen Polymerisationsgrad haben. Vielmehr ist das Produkt immer ein Gemisch, aus Molekülen mit mehr oder weniger unterschiedlichen Polymerisationsgraden. Der mittlere Polymerisations- grad einer Probe kann experimentell (z.B. durch Viskositätsmessungen) bestimmt werden. Er beeinflusst die Eigenschaften des entsprechenden Produkts ganz erheblich (vgl. Info/ S. 62). Dem klebrigen Reaktionsprodukt aus V3 entspricht ein relativ niedriger mittlerer Polymerisationsgrad n < 100. In der Industrie kann man durch geeignete Steuerung des Reaktionsablaufs gezielt Polyisobuten und andere Polymere mit gewünschten Eigenschaften herstellen (vgl. S. 62). Die so hergestellten Kunststoffe gehören zu den wichtigsten Werkstoffen unserer Zeit (B4 und S. 64-65). Aufgaben A1 Ethen und Propen polymerisieren nach dem gleichen Reaktions-Schema wie Isobuten (allerdings unter anderen Reaktionsbedingungen. Formulieren Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen. Ä2 Die Oligomere3 des Ethens, Propens und Isobutens sind wasserunlös-lich, aber gut löslich in Benzin. Erklären Sie den Sachverhalt. Wie schätzen Sie die Löslichkeit der entsprechenden Polymere mit n > 10000 ein? Begründen Sie Ihre Vermutung und überprüfen Sie sie experimentell. A3 Bei der Verbrennung von Müll aus Polyalkenen wird die Umwelt nicht mehr belastet als bei der Verbrennung von Benzin und Heizöl. Erläutern und begründen Sie diese Aussage. A4 Prüfen Sie Verpackungen und andere Gegenstände auf die Kennzeichnungen „PE“ (Polyethen) und „PP" (Polypropen).

1 polys (gr) = viel und meros (gr) =Teil 2 monos (gr) = allein, einzig und meros (gr) = Teil 3 oligos (gr) = einige, wenige und meros (gr) = Teil

Fachbegriffe Polymer, Poly merisation, Polymerisations-grad n, Monomer, Oligomer, Polyisobuten, Polyethen, Polypropen


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Vom Laborversuch zur Industrieanlage

INFO Das Kernstück der Industrieanlage für die Herstellung von Polyisobuten ist ein Durchflussreaktor (B3) Das in Hexan gelöste Isobuten und der Katalysator (Bortrifluorid BF3) werden kontinuierlich eingeleitet. Die Polymer-Lösung, in der auch der Katalysator enthalten ist, wird in einem weiteren Reaktor mit Wasser ausgewaschen, wobei das Bortrifluorid in Form von Hydraten in die wässrige Phase geht1. Es wird anschließend daraus abdestilliert und in den Polymerisationsreaktor zurückgeführt. Die organische Phase wird ebenfalls durch Destillation aufgetrennt. Das Hexan und das nicht polymerisierte Isobuten (Restmonomer) werden einem erneuten Durchlauf durch den Polymerisations-Reaktor zugeführt. Insgesamt fließt also in die Anlage ständig Isobuten ein und Polyisobuten tritt aus. Das Lösemittel, der Katalysator und das Prozesswasser werden in der Anlage recycelt, lediglich kleine Verluste müssen gegebenenfalls ausgeglichen werden.

• Führt man die Polymerisation bei -20°C bis -30°C durch, so erhält man öliges niedermolekulares Polymer (10<n<50)

• Bei tieferer Temperatur und höheren Konzentrationen des Monomers in der Lösung erhält man klebrige Produkte (50 < n < l 000)

• Um elastisches, hochmolekulares Polyisobuten (n > l 000) zu erhalten, arbeitet man in flüssigem Ethen als Lösemittel (Kp = -103,7°C)

• Durch Zusatz von 1 % bis 3 % Isopren (2-Methyl-butadien) erhält man Butylkautschuk mit einer exzellenten Luftundurchlässigkeit

Vergleich: Laborversuch – Industrieanlage a) Stellen Sie eine Liste mit Ähnlichkeiten und Unterschieden zwischen der Herstellung von Polyisobuten im Laborversuch (B l und S. 60) und in der Industrieanlage (B3) auf. Verwenden Sie dabei folgende Begriffe: Edukt, Katalysator, Temperatur, Lösemittel, wesentliche Teile der Apparatur bzw. Anlage, kontinuierliches oder diskontinuierliches Verfahren, Recycling (Stoffkreisläufe) von Chemikalien, Steuerungsmöglichkeilen für die Reaktion(en). b) Beurteilen Sie die Auswirkung einer kontinuierlich arbeitenden Industrieanlage mit Recycling von Materialien (prozessintegrierten Stoffkreisläufen) auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage und auf die Umweltbelastung durch die Produktion in dieser Anlage.


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Polyelektrolyte im Haargel

5.3 Polyelektrolyte im Haargel Für die Stabilität von Haargel ist unter anderem auch ein Kunststoff verantwortlich, ein sogenanntes Polyelektrolyt. Als Polyelektrolyte werden wasserlösliche ionische Polymere bezeichnet, die anionisch aus Polysäuren (z.B. Poly-carbonsäuren), kationisch aus Polybasen (z. B. Polyvinylammoniumchlorid) entstehen oder neutral sind (Polyampholyte oder Polysalze). Ein Beispiel für natürliche Polyelektrolyte sind Polysaccharide mit ionischen Gruppen wie Carrageen, aber auch Proteine und langkettige Polyphosphate zählen dazu. Lösungen synthetischer Polyelektrolyte sind meist dickflüssiger als Lösungen nichtionisierter Polymere und leiten den elektrischen Strom. Eine Auswahl der vielfältigen Einsatzgebiete für die Verwendung dieser Makromoleküle stellen Ionenaustauscher, Haarkosmetika und Bodenverbesserungs- und Verdickungsmittel dar [20]. Im Falle der in Haarbehandlungsmitteln enthaltenden Polyelektrolyte handelt es sich meist um ein Derivat der Polyacrylsäure. Ein solches Makromolekül, in ungelöstem Zustand aufgewickelt wie ein Knäuel, besitzt Gruppen, die in wässriger Lösung mit den Wassermolekülen reagieren: Es bilden sich Hydroxonium-Ionen, am Polymermolekül entstehen viele negativ geladene Gruppen. Diese stoßen sich gegenseitig ab: Die einzelne Kette streckt sich also in wässriger Lösung aus und beansprucht deswegen mehr Platz - die Lösung wird zähflüssiger (Abb. 7 und 8). Durchführung des Experiments: Verflüssigung von Haargel Chemikalien und Geräte: l Tube Haargel (Polykur), Kochsalz, destilliertes Wasser, 2Uhrgläschen Durchführung: Auf jedes der Uhrgläschen wird etwas Haargel gegeben. Dann streut man auf die eine Probe so viel Kochsalz, bis eine sichtbare Veränderung eintritt. Auf die andere gibt man vorsichtig etwas destilliertes Wasser. Beobachtung: Wird das Gel mit destilliertem Wasser versetzt, so ändert sich dessen Konsistenz nicht: Es bleibt fest. Gibt man aber Kochsalz hinzu, so beginnt das Gel zu zerlaufen. Bei weiterer Salzzugabe wird es gänzlich flüssig. Erklärung: Gibt man zu dieser dickflüssigen Polyelektrolyt-Lösung ein Salz (z. B. Kochsalz), so heben die positiv geladenen Natrium-Ionen die negativen Ladungen an der Polyelektrolytkette auf. Das so elektrisch neutralisierte Molekül wickelt sich wieder zu einem Knäuel auf und benötigt nicht mehr soviel Raum: Das Gel verflüssigt sich.

Schema eines ungeladenen Elektrolyt-Moleküls

Schema eines in wässriger Lösung geladenen Polyelektrolyt-Moleküls

Veränderung bei Zugabe von Salz


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Zündholz und Feuerzeug, Feuerwerkskörper und Knallkörper

Was sind Sicherheitszündhölzer? Zündhölzer, auch „Streichhölzer" genannt, sind Holzstäbchen, die durch Reiben des Zündkopfes entzündet werden. Das erste Streichholz wurde 1829 erfunden. Sein Zündkopf bestand aus einem Stoff, der beim Reiben leicht Sauerstoff abgibt; außerdem enthielt er eine schwefelhaltige, brennbare Verbindung. Darauf beruht der alte Name „Schwefelhölzer66. Als Reibfläche diente Sandpapier. Eine andere Erfindung verwendete im Zündkopf weißen Phosphor. Ein solches Zündholz konnte durch Reiben überall zur Entzündung gebracht werden, da weißer Phosphor wegen seiner niedrigen Entzündungstemperatur (60° C) alleine durch die Reibungswärme gezündet wird. Es hatte aber einen gewaltigen Nachteil: Weißer Phosphor ist sehr giftig. Das Verschlucken eines einzigen Zündkopfes führt zum Tode. Phosphorhölzer verloren deshalb bald ihre Bedeutung, denn 1845. erfanden in Schweden der Chemiker Pasch und 1848 in Deutschland der Chemiker Boettger das erste Sicherheitszündholz. Es enthält im Zündkopf einen Stoff, der leicht Sauerstoff abgibt (Kaliumchlorat), und einen leicht brennbaren Stoff (Antimonsulfid), außerdem noch Farbstoffe und Bindemittel. Beim Reiben auf der Reibfläche der Zündholzschachtel wird der Zündkopf entzündet. Damit das sicher funktioniert, enthält diese Reibfläche leicht entzündlichen roten Phosphor, Glaspulver und Bindemittel. Roter Phosphor ist im Gegensatz zum weißen Phosphor ungiftig. Doch wegen seiner höheren Entzündungstemperatur (400° C) muss der Zündkopf einen Stoff enthalten, der durch Abgabe von Sauerstoff die Entzündung fördert. Die Holzstäbchen sind mit Stoffen behandelt, die ein Nachglimmen nach dem Löschen der Flamme verhindern. Ein solches Zündholz gilt als „Sicherheitszündholz66. Al Erkläre das Anzünden eines Streichholzes unter Verwendung der im vorigen Kapitel erarbeiteten Begriffe. A2 Erkläre die Namen: Sicherheitszündholz, Schwefelholz und Streichholz. V1 Ein ausgeglühtes Magnesiastäbchen oder ein Platindraht wird in verschiedene Natriumsalze getaucht und in die nicht leuchtende Gasflamme geführt. V2 Der vorige Versuch wird mit Lithium-, Kalium-, Rubidium- und Cäsiumsalzen wiederholt.


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Materialien: Fleckensalz (Inhaltsangaben z.B.: über 30 % Bleichmittel auf Sauerstoffbasis = Natriumpercarbonat, weitere Inhalts Stoffe: Soda), Mangan-(II)-chlorid, Soda, Mineralwasser Durchführung: Kohlensäurehaltiges Mineralwasser wird in zwei Schnappdeckelgläser gefüllt, beiden Proben wird ein Spatellöffel voll Mangan-(II)-chlorid zugesetzt, das Salz durch Schütteln gelöst. Dann fügt man der einen Lösung zwei bis drei Spatellöffel an Soda, der anderen die gleiche Menge der Fleckensalze hinzu und schüttelt um. Beobachtungen: Nach dem Zusatz von Soda kann je nach Calciumgehalt des Mineralwassers eine schwache weiße Trübung auftreten. Nach dem Zusatz des Fleckensalzes entsteht eine gelbbraune Trübung, nach einiger Zeit setzen sich braune Flocken z.T. auch auf der Wasseroberfläche ab. Erläuterungen: Bei Anwesenheit von Sauerstoff werden die Mangan(II)-Ionen zu Mangan(IV)oxid-Hydrat oxidiert. Diese Reaktion wird in der klassischen Wasseranalytik zur Fixierung und Bestimmung des gelösten Sauerstoffs im Wasser nach Winkler angewendet. Die Lösung mit Soda wird als Blindlösung betrachtet.

Mn2+ + 2 OH- + 1/2 02 ? MnO(OH)2

Oxidative Bleichmittel - Nachweis von Sauerstoff

Wirkung von Fleckenmitteln auf natürliche Farbstoffe

Materialien: Rotkohlsaft (Reagenz A), Fruchtsäfte, Wäscheentfärber mit Natriumdithionit (reduktives Bleichmittel), Fleckensalz mit Bleichmittel auf Sauerstoffbasis (Natriumpercarbonat) Durchführung: Verdünntem Rotkohlsaft oder ebenfalls verdünnten Frucht- oder auch Gemüsesäften wird jeweils in einem Schnappdeckelglas ein Spatellöffel voll Entfärber bzw. Fleckensalz (auf 5 ml) zugesetzt. Die Feststoffe werden durch Schütteln gelöst, die Farbveränderungen (auch in Abhängigkeit von der Zeit) beobachtet. Beobachtungen: Beim Rotkohlsaft tritt nach Zusatz des Fleckensalzes (mit Soda und Natriumpercarbonat) eine Blaufärbung auf. Das Reduktionsmittel Natriumdithionit führt zu einer weitgehenden Entfärbung bzw. schwach gelben Farbe. Erläuterungen: Anthocyane werden leichter reduziert als oxidiert (Einzelheiten s. Lehrbücher der Organischen Chemie).


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Sanitärreiniger - Aktivsäure, Phosphorsäure oder Maleinsäure

Materialien: Reiniger für Sanitär-Keramik: Inhaltsstoffe (gemäß EG-Empfehlung) unter 5 %nichtionische Tenside, Phosphorsäure, Farbstoffe, Duftstoffe. Kalkreiniger: Inhaltsstoffe (Angaben gemäß EU-Empfehlung) weniger als 5 % nichtionische Tenside. Weitere Inhaltsstoffe: Maleinsäure, Färb- und Duftstoffe. WC-Reiniger Pulver, Inhaltsstoffe (gemäß EU-Empfehlung): Unter 5 % anionische Tenside. Weitere Inhaltsstoffe: Aktivsäure, anorganische Salze, Cellulose, Parfümöl, Farbstoff. - (Aktivsäure steht für Citronensäure!) - 0,2 %ige Kaliumpermanganat-Lösung Durchführung: Die aufgeführten Reinigungsmittel werden auf folgende Weise untersucht. In einem Schnappdeckelglas wird jeweils l bis 2 cm hoch Kaliumpermanganat-Lösung eingefüllt und mit einigen Tropfen bzw. einem Spatellöffel voll Reiniger versetzt. Beobachtungen: Das WC-Reiniger Pulver und der Null-Null WC-Reiniger zeigen mit Permanganat keine Reaktion, der Kalkreiniger entfärbt sofort, beim Reiniger für Sanitär-Keramik tritt langsam eine Farbveränderung nach gelb bis pink auf. Erläuterungen: Die Maleinsäure als ungesättigte Dicarbonsäure [(Z)-2-Buten- l,4-disäure] ist stereoisomer mit der Fumarsäure, in die sie thermisch und katalytisch umgelagert werden kann. Sie lässt sich mit Permanganat oxidieren.

Natriumhydrogensulfat im WC-Reiniger

Materialien: Null-Null WC-Reiniger. Inhaltsstoffdeklaration - (gem. EU-Empfehlung): unter 5 % anionische Tenside. Weitere Inhaltsstoffe: Natriumhydrogensulfat, Salze und Parfümöl. Rotkohlsaft (Reagenz A), Kalkwasser (Reagenz D) Durchführung: In ein halb mit Wasser gefülltes Schnappdeckelglas wird ein kleiner Spatellöffel voll Pulver gegeben und der Lösungsvorgang aus der Nähe betrachtet. Am Ende des Vorgangs fügt man zur Lösung einige Tropfen Rotkohlsaft hinzu. In einem weiteren Glas wird ein Spatellöffel voll Pulver in einige Milliliter des Kalkwassers gegeben und ebenfalls die Auflösung beobachtet. Beobachtungen: Der WC-Reiniger enthält die aufgeführten Inhaltsstoffe in unterschiedlichen Partikelformen, als Perlen und amorphe pulverige Teilchen. Beim Lösungsvorgang beobachtet man das Aufsteigen von Gasblasen an die Oberfläche, mit denen Perlen vom Boden mitgerissen werden und wieder herabfallen. Der Rotkohlsaft färbt sich hellrot. Beim Lösen in Kalkwasser tritt eine Trübung auf. Erläuterungen: Offensichtlich enthält der Reiniger Soda, aus dem infolge des sauer reagierenden Natriumhydrogensulfats Kohlenstoffdioxid in Form der Gasblasen freigesetzt wird. Der Überschuss an KHSO4 bedingt die saure Reaktion der Lösung. Das Kalkwasser wird vor allem durch das gebildete Calciumcarbonat getrübt, das sich zum Teil aufgrund des Überschusses an Hydrogensulfat wieder löst.


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Säure/Base-Gemische im Zahnprothesen-Reiniger

Materialien: Zahnprothesen-Reiniger (Inhalts Stoffe: Potassium, Monopersulfat, Sodium Bicarbonate, Sodium Sulfate, Citric Acid, Sodium Carbonate, Malic Acid, PEG-150, Tetrasodium EDTA, Sulphamic Acid, Flavour, Sodium Perborate, Tetraacetylethylendiamine, Sodium Dodecyl Benzene Sutfonate, PTFE) [Sulphamic Acid: Sulfamidsäure = Amidoschwefelsäure HO-SO2-NH2 Rotkohlsaft (Reagenz A) Durchführung: In einem Becherglas wird zu verdünntem (neutralem, d.h. blauen) Rotkohlsaft ein Spatellöffel voll zerkleinerter Reinigungs-Tablette gegeben. Gasentwicklung und Farbveränderungen werden beobachtet. (Anregungen zu weiteren Versuchen: Analog dem Experiment 108 lassen sich auch in diesem Reiniger die Sauerstoff- liefernden Substanzen nachweisen.) Beobachtungen: Unter starker Gasentwicklung tritt zunächst langsam eine Rotfärbung ein. Am Ende der Reaktion hat sich die Lösung wieder blau gefärbt.(siehe Farbtafel, Bild 21). Erläuterungen: Die Erklärung ergibt sich aus der Zusammensetzung die Reinigungstablette. Zunächst überwiegt die Wirkung der sich rasch lösenden Säuren (Citronensäure, Maleinsäure und Amidoschwefelsäure). Nach der Freisetzung von Kohlenstoffdioxid aus den Salzen Carbonat und Hydrogencarbonat und von Sauerstoff aus dem Monopersulfat und dem Perborat ist die Lösung dann annähernd neutral. An diesem einfachen Experiment lässt sich der Verlauf des Reinigungsvorganges visuell gut verfolgen. (Anionen-Analyse siehe Abbildung 21.)


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Zur Kontroverse Fachsystematik versus Alltagschemie stellt Just [10] fest: „Alltagschemie arbeitet mit chemischen Stoffen oder Prozessen des Alltags. Alltagsorientierter Chemieunterricht meint dagegen mehr, nämlich den Chemieunterricht - soweit dies sinnvoll möglich ist - durchgängig auf den Alltag hin auszurichten". Christen [11] antwortet darauf: „Meine Feststellung ,Die Alltags- oder Umweltchemie stellt keine Alternative zur Fachsystematik dar' meint genau das, was Herr Just nachher schreibt: Entweder orientiert sich der CU an der Wissenschaft ,Chemie' (am Fach!) oder eben am Alltagsbezug. Und da bleibe ich bei meiner Meinung: das Fach Chemie soll als Leitlinie für den Unterrichtsaufbau dienen".

Aluminium im Körperspray

Materialien: Körperspray (mit der Angabe „Aluminium Chlorohydrate" unter „Ingredients"), Soda, Rotkohlsaft (Reagenz A) Durchführung: Nach dem Schütteln der Dose wird in zwei Schnappdeckelgläser so viel an Spray gesprüht, dass der Glasboden mit Flüssigkeit bedeckt ist, die bis zu einer Füllhöhe von 2 cm mit Wasser verdünnt wird. In das erste Glas tropft man etwas Rotkohlsaft, in das zweite Glas gibt man einen Spatellöffel voll Soda und schüttelt um. (Anregungen für weitere Versuche: Auf die gleiche Weise lassen sich auch Deodorantien ohne Aluminiumsalze sowie auch sogenannte Deo-Roll-On-Produkte untersuchen. Aluminiumsulfat ist z.B. auch in Rasiersteinen(-stiften), ebenso in Preshave-Rasierwässern enthalten.) - Beobachtungen: Beim Einsprühen in die Gläser werden sie merklich kalt, die Treibgase blasen die Duftstoffe weitgehend aus und am Glasboden scheidet sich langsam eine trübe Flüssigkeit ab. Nach dem Verdünnen erhält man eine schwach milchig getrübte Flüssigkeit. Rotkohlsaft färbt sich zunächst rot, dann langsam violett bis blau. Nach dem Zusatz von Soda entsteht ein weißer Niederschlag. Außerdem beobachtet man ölige Tröpfchen (Parfümöle). Erläuterungen: De(s)odorantien enthalten außer Treibgasen häufig Aluminiumsalze und auch Kieselsäure. Die Al-Salze hydrolysieren und ergeben eine schwach basische Reaktion. Die entstehende Salzsäure wird durch andere Spray-Inhaltsstoffe jedoch gebunden. Nach dem Zusatz von Soda fallen basische Salze bzw. das Hydroxid aus, soweit sie nicht bereits durch die Hydrolyse gebildet werden.

Fachliche Schwerpunkte – Fachsystematik versus Alltagschemie


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Dieser Disput zieht sich durch die gesamte chemiedidaktische Literatur - er wird auch im Abschnitt „Vermittlungsprozesse" noch tiefergehend reflektiert. Um die fachliche Seite des Themas besser kennen zu lernen, werden im Folgenden einige Aspekte vorgestellt. Alltagsphänomene und Chemie: Der Chemieunterricht kann Schülern und Schülerinnen dazu verhelfen, fachliche Aspekte zu erarbeiten, die bisher zur Erklärung von Alltagsphänomenen nicht zur Verfügung standen. Insbesondere ist es möglich, Alltagsphänomene ihrer „Verpackung" zu entkleiden und in chemische Vorgänge zu „übersetzen". Einige Beispiele:

Wechselseitige fachliche Beziehungen: Im Chemieunterricht können auch die wechselseitigen Beziehungen zwischen chemischer Erkenntnis, technologischem Fortschritt und individuellen Lebensgewohnheiten reflektiert und in der historischen Entwicklung verfolgt werden. Beispiele: Fachliche Interpretationen, Experimente: Legt man die Übersicht von Pfeifer, Häusler und Lutz [4] zu den Erfahrungsbereichen von Jugendlichen zu Grunde (vgl. Abb. 8.1), so sind gemäß der Übersicht eine Vielzahl von Sachverhalten und diesbezüglichen Alltagschemikalien zu reflektieren: Sie seien im Folgenden an Beispielen vorgestellt und die Wirkung der Substanzen mit Reaktionssymbolen skizziert. Dazu wird jeweils angegeben, ob Redoxreaktionen (RR), Säure-Base-Reaktionen (SBR) oder Komplexreaktionen (KR) zu. Grunde liegen, welcher „Verpackung" sich entsprechend „ein Phänomen entkleiden lässt". Experimente hinsichtlich der diskutierten Alltagschemikalien ergänzen oftmals anschaulich die sachlichen Ausführungen: Sie werden im Text skizziert und am Schluss des Kapitels ausführlich beschrieben. 1. Hygiene: Beispiel „Badezimmerchemikalien"

Abflussreiniger „NaOH/Al-Typ" (V8.1): Dieser Reiniger soll durch die stark alkalische Reaktion organische Stoffe zersetzen und Verstopfungen in Wasch- oder WC-Becken beseitigen. Durch die Beimengung von Aluminiumspänen ist eine Reaktion mit Wasser zu Wasserstoff beabsichtigt -, ein Wirbeleffekt tritt ein und erhöht die Wirkung:

• Kaffeekochen Extraktion • Fleck entfernen Löslichkeit • Waschen Emulgieren und Dispergieren • Tintenkiller Redoxreaktion • Schwarz-Weiß-Fotografie Redoxreaktion, Komplexreaktion • Silberputzen Redoxreaktion • Brausetabletten Säure-Base-Reaktion • Backpulver Säure-Base-Reaktion • Entkalker Säure-Base-Reaktion • Maurermörtel Säure-Base-Reaktion • Backofenspray Verseifung, Löslichkeit

• Seifen, Waschmittel und Kosmetik, • Konservierung von Lebensmitteln, • Düngung und Schädlingsbekämpfung, • Arzneimittel und Pharmaka, etc.


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Al(s) + 3 H2O + OH- (aq) ? [AlOH4]- (aq) + 3/2 H2 (g) (RR, KR)

Wasserstoff ist im ersten Augenblick als Gas nachweisbar, „nascierende" H-Atome reagieren allerdings mit Nitrat-Ionen des Natriumnitrats, das aus Sicherheitsgründen beigefügt wird:

8 {H}(aq) + N03- (aq) ? NH3 (aq, g) + OH- (aq) + 2 H2O (RR) WC-Reiniger „HSO4-Typ" (V8.2): Dieser Reiniger enthält festes Natriumhydrogensulfat, das mit Wasser stark sauer reagiert und Kalkreste von Leitungswasser-Spritzern umsetzt: .

NaHS04(s) + H2O ? Na+ (aq) + H3O+(aq) + SO42- (aq) (SBR)

CaC03(s) + 2 H3O+ (aq) ? Ca2+(aq) + 3 H2O + CO2(aq, g) (SBR)

Sanitärreiniger „HOCl/Cl-Typ" (V8.3): Diese auch Bleichlauge genannte Lösung bildet atomaren - nascierenden - Sauerstoff und vermag so zu bleichen bzw. keimtötend zu wirken:

HOCl(aq) + H2O ? H3O+(aq) + Cl-(aq) + {O}(aq) (SBR, RR) Bei Erhöhung der Säurekonzentration wird gelöstes und gasförmiges Chlor gebildet; wegen der Giftigkeit freien Chlors wird vor einem Zusammengeben dieses Reinigers mit einem sauren Reiniger - etwa Natriumhydrogensulfat - auf dem Etikett gewarnt:

HOCl(aq) + Cl-(aq) + H3O+(aq) ? Cl2(aq, g) + 2 H2O (SBR, RR)

2. Körperpflege: Beispiel „Deodorantien" Deodorant „Al3+-Typ" (V8.4): Einige Deodorant-Substanzen - etwa das „Antitranspirant Hydrofugal" - reagieren auf der Grundlage von Aluminiumchlorid-Hexahydrat. Sowohl die saure Reaktion als auch die Anwesenheit von Aluminium-Ionen wirken keimtötend: {[AlH2O)3+(Cl-)3}(s) + H2O ? H3O+(aq) + [Al(H20)5OH]2+(aq) + 3 Cl-(aq) (SBR, KR)

3. Gesundheit: Beispiel „Mineral-Tabletten" Mineraltabletten „Ca2+- und Mg2+-Typ" (V8.5): Calcium- und Magnesiumpräparate werden sowohl als Kautabletten als auch als Brausetabletten angeboten. Letztere enthalten die Carbonate im


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Gemisch mit Citronensäure-Kristallen (verkürzt: HCit-Moleküle). Bei der Reaktion entweicht sprudelnd gasförmiges Kohlenstoffdioxid, wirksame Ca2+(aq)- bzw. Mg2+(aq)-Ionen werden frei:

MgCO3(s) + 2 HCit(s) - aq ? Mg2+(aq) + 2 Cit-(aq) + H2O + CO2(aq, g) (SBR)

4. Ernährung: Beispiel „Speisesalze" Speisesalz „Iod-Typ" (V8.6): In heutigen Speisesalzen sind neben dem eigentlichen Natriumchlorid häufig Mineralsalze in kleinen Konzentrationen enthalten, etwa Calciumcarbonat, Natriumphosphat oder Natriumiodat („Iodsalz"). Sie dienen nicht nur als ergänzende Nährsalze (Förderung und Erhaltung der Zähne), sondern auch als technisches Mittel, um die Rieselfähigkeit zu verbessern. Säuert man Iodsalz-Lösung an und gibt Kaliumiodid-Lösung hinzu, so tritt eine braunfarbene Iod-Lösung auf. Ist die Braunfärbung nicht zu erkennen, so vermag Stärkelösung kleinste Iod-Konzentrationen durch die bekannte blaue Färbung anzuzeigen: I03- (aq) + 5 I-(aq) + 6 H+(aq) ? 3 I2 (aq, braun) + 3 H2O (RR) 5. Haushalt: Beispiel „Backmittel" Backpulver „Natron-Typ" (V8.7): Zum Backen von Brot und Kuchen wird meistens Backpulver verwendet. Es hat die Aufgabe, in der Hitze ein Gas zu entwickeln, das den Teig mit Hohlräumen versieht und die lockere Brotstruktur erzeugt. In den meisten Fällen verwendet man Natriumhydrogencarbonat („Natron") und feste Säuren. Das Gas Kohlenstoffdioxid bildet sich: NaHCO3(s) + HCit(s) - aq ? Na+(aq) + Cit-(aq) + H2O + CO2(aq, g) (SBR) Backpulver „Hirschhornsalz-Typ" (V8.8): Wird ein Ammoniumsalz („Hirschhornsalz") eingesetzt, so entsteht- neben Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf - auch Ammoniak. In diesem Fall darf nur Flachgebäck hergestellt werden, damit das gebildete Ammoniak entweichen kann: (NH4)2CO3(s) ? 2 NH3(g) + H2O (g) + CO2 (g) (SBR)

6. Wohnen: Beispiel „Brennstoffe für die Heizung"

Nahezu alle Wohnungen werden durch fossile Brennstoffe beheizt. Man verbrennt entweder Braunkohle oder Steinkohle in Kamin oder Ofen, man heizt mit Erdgas aus der Erdgasleitung oder mit Propan bzw. Heizöl aus Vorratsbehältern im Haus. In allen Fällen kontrolliert der Schornsteinfeger in bestimmten Zeitabständen sowohl Gehalte an Ruß, Kohlenstoffmonoxid und


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Kohlenstoffdioxid als auch Abgastemperaturen und Abgasverluste, um möglichst eine optimale und damit umweltschonende Verbrennung zu gewährleisten:

C (s) + O2 (g) ? CO2(g) ?H = -393 kJ/mol (RR) CH4(g)+202(g)? C02(g)+2H20(g) ?H =-890U/mol (RR)

7. Kleidung: Beispiel „Textilentfärber" Textilentfärber „Dithionit-Typ" (V8.9): Zum Entfernen von Flecken oder zum Entfärben von Textilien wird vielfach Natriumdithionit als „Reduktionsbleiche" verwendet. Die alkalische Lösung bildet nascierenden Wasserstoff, der Sauerstoffverbindungen (beispielsweise Farbstoffe oder Tinten) zerstört:

Na2S2O4(s) + 2 OH-(aq) + H2O ?

? 2 Na+(aq) + SO42-(aq) + SO3

2-(aq) + 4{H} (RR)

8. Freizeit: Beispiel „Schwarz-Weiß-Fotografie" Entwickler „Hydrochinon-Typ" (V8.1O): Die Farbfotografie ist sehr komplex zu beschreiben, während die Schwarz-Weiß-Fotografie relativ einfach durch Reaktionen des auf dem Fotopapier aufgetragenen Silberbromids zu kennzeichnen ist. Das Belichten führt zu unsichtbaren Silber-Keimen, das Entwickeln mit alkalischer Hydrochinon-Lösung erzeugt an diesen Stellen sichtbare Mengen an feinverteiltem Silber und dadurch schwarz gefärbte Flächen auf dem Fotopapier:

2 Ag+Br- ? Licht ? 2 Ag(s, Silberkeim) + Br2 (in AgBr) (RR)

2 Ag+Br-(s) + (C6H4)(OH)2(aq) + 2 OH-(aq) ?

? 2 Ag + (C6H4)02(aq) + 2 H2O + 2 Br-(aq) (KK)

Fixierer „ Thiosulfat-Typ" (V8.11): Das Fixieren ist erforderlich, weil nach dem Entwickeln unbelichtetes Silberbromid auf dem Fotopapier haften und nachschwatzen würde. Es wird herausgelöst durch Komplexbildung mit Hilfe von Natriumthiosulfat-Lösung:

AgBr (s, unbelichtet) + 2 S2O32-(aq) ? [Ag(S2O3)2]3+(aq) + Br-(aq) (KR)


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9. Arbeitswelt: Beispiel „Metallverarbeitung" Ätzchemikalie „Fe3+-Typ" (V8.12): Zur Herstellung von Leiterplatten für elektronische Bauteile werden mit Kupfer beschichtete Kunststoffplatten verwendet. Um bestimmte Leiterbahnen für den Stromfluss zu erzeugen, schützt man entsprechende Linien auf der Platte durch Wachs und bringt die restliche Kupferschicht in Lösung. Ein Weg ist der Einsatz von Eisen(III)-chlorid-Lösung:

Cu (s) + 2 Fe3+(aq) ? Cu2 (aq) + 2 Fe2+(aq) (RR)

10. Energieversorgung: Beispiel „Akkumulatoren" Akkumulator „Typ Pb/PbO2" (V8.13): Akkumulatoren vermögen Strom zu liefern und sich wieder aufladen zu lassen. Der bekannteste ist der „Bleiakku" im Auto. Er stellt die elektrische Energie zur Verfügung, um den Anlasser zu starten, der wiederum den Motor laufen lässt. Die Elektroden bestehen im geladenen Zustand aus metallenem Blei bzw. aus rotbraunem Bleidioxid:

Minus-Pol: Pb(s) ? Pb2+ [PbS04] + 2e- (RR)

Plus-Pol: PbO2(s) + 4 H+(aq) + 2e- ? Pb2+ (PbSO4) + 2 H2O (RR)

Akkumulator „Typ Cd/Ni": Zur Energieversorgung im Haushalt sind Nickel-Cadmium-Zellen gebräuchlich, die mit einem Ladegerät wieder aufgeladen werden können und somit den Abfall an üblichen Batterien vermindern. Die Elektroden bestehen im geladenen Zustand aus fein verteiltem Cadmium (Minuspol) und festem Nickel(III)oxid-Hydroxid:

Minuspol: Cd(s) + 2 OH-(aq) ? Cd(OH)2(s) + 2 e- (RR)

Pluspol: 2 NiOOH(s) + 2 H2O + 2 e- ? 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-(aq) (RR) 11. Baumaßnahmen: Beispiel „Abbinden von Mörtel"

Blitzzement „Ca(OH)2Typ" (V8.14): Der Kalk des Maurers wird chemisch als Calciumhydroxid bezeichnet, er kann durch das sogenannte „Löschen" von Branntkalk - chemisch gesehen Calciumoxid - hergestellt werden. Beim Abbinden des Maurerkalks findet die Reaktion mit Kohlenstoffdioxid zu Calciumcarbonat statt - je nach Wandstärken und Temperatur dauert es Monate oder Jahre, bis das Abbinden beendet ist: .

CaO (s) + H2O ? Ca(OH)2(s) . (SBR) Ca(OH)2(s,aq) + CO2(aq, g) ? CaCO3(s) + H2O (SBR)


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Zerstörung durch sauren Regen: Calciumcarbonat (etwa im Naturgestein von Bauwerken) wird durch „Sauren Regen" angegriffen und zu Kristallwasser-haltigem Gips umgesetzt. Da sich dabei das Volumen vergrößert, verwittert das Naturgestein oberflächlich sehr stark:

CaCO (s) + 2 H3O+(aq) + S042-(aq)? CaSO4*2 H2O(s) + H2O + CO2(g) (SBR)

12. Dienstleistung: Beispiel „Brandbekämpfung" Feuerlöschmodell „Typ Nasslöscher"(V8.15): Es gibt verschiedene Feuerlöschertypen, die meisten arbeiten auf der Basis von komprimiertem Kohlenstoffdioxid. Legt die Feuerwehr zur Vorsorge auf der Landebahn eines Flugplatzes einen Schaumteppich, so verbirgt sich dahinter die Reaktion von festem Aluminium- und Natriumhydrogencarbonat mit dem Löschwasser, das ein geeignetes Schaummittel enthält:

Al3+(s) + 6 H2O ? [Al(H20)50H]2+(aq) + H+(aq) (SBR, KR)

HCO3- + H+(aq) ? H2O + CO2(aq, g) (SBR)

13. Verkehrswesen: Beispiel „Alkoholtests" Alcotest „Chromat -Typ" (V8.16): Zur Kontrolle des Blutalkoholgehaltes von Autofahrern im Straßenverkehr benutzt die Polizei Prüfröhrchen und Testgeräte auf der Basis der Infrarotspektroskopie. Die Prüfröhrchen dienen zur ersten Abschätzung des Alkoholgehaltes in der Atemluft, zur genaueren Bestimmung die Infrarotgeräte. Das Teströhrchen enthält gelbe Kaliumchromat-Kristalle gemischt mit Natriumhydrogensulfat. In Gegenwart von feuchtem Alkoholdampf der Atemluft findet eine Reduktion zu grünfarbenen Chrom(III)-Verbindungen, also ein Farbwechsel von gelb nach grün statt:

2Cr042-(aq) + 2H+(aq) ? Cr207

2-(aq) + H20 (SBR) 3 CH3CH2OH(g) + Cr207

2-(aq) + 8 H+(aq) ?

? 3 CH3CHO(aq)+2Cr3+(aq) + 7 H2O (RR)


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14. Produktion: Beispiel „Düngemittel" Neben den natürlichen Düngemitteln (Mist, Gülle) gibt es Mineraldünger. Sie werden zum einen aus Salzlagern unter der Erde gewonnen: Kalium-, Calcium- und Magnesiumsalze, Nitrate, Phosphate, u. a. m. Zum anderen werden Nitrate und Ammoniumsalze künstlich durch die Haber-Bosch-Synthese und anschließende Reaktionen produziert:

N2(g) +3 H2(g) ? 2 NH3(g, l) (RR) 2 NH3(g) + 31/2O2(g) ? 2 N02(g) + 3 H2O (RR) 4 N02(g) +2 H20 + O2(g) ? 4 HN03(aq) (RR) NH3(aq) + HNO3(aq) ? NH4NO3(aq) (SBR)

Unlösliches Calciumphosphat oberirdischer Lagerstätten setzt man mit reiner Schwefelsäure zu löslichen Dihydrogenphosphaten um, die erst dann zu Düngezwecken geeignet sind:

Ca3(P04)2(s) + 2 H2SO4(l) ? 2 CaSO4(s) + Ca(H2PO4)2(s) (SBR) 15. Luft: Beispiel „Smog" Bei einer Inversionswetterlage liegt eine warme Luftschicht wie ein Deckel auf der kalten Luft am Boden. Die Luftschichten mischen sich nicht ausreichend, Gase wie Schwefeldioxid, Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid, Ruß und Staub (smoke and fog: Smog) können nicht entweichen. Sie belasten dadurch die Luft und folglich das Atmen erheblich. Stickoxide entstehen vornehmlich durch die Reaktion der Luft im heißen, hochtourig laufenden Automotor:

N2 (g) + O2(g) ? 2 NO(g) (RR) 2NO(g) + O2(g) ? 2NO2(g,braun) (RR)

Funktioniert der Abgaskatalysator des Autos, so reduziert fein verteiltes Platinpulver als Katalysatormaterial auf dem Keramikkörper den Anteil an Stickoxiden und Kohlenstoffmonoxid erheblich:

NO(g) + CO(g) ? ½ N2(g) + C02(g) (RR)


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16. Wasser: Beispiel „Trinkwasser" Um Trinkwasser zu entkeimen, setzt man entweder Chlor oder Ozon ein - in beiden Fällen oxidiert nascierender Sauerstoff die enthaltenen organischen Verunreinigungen:

Cl2(aq) + H2O ? 2 H+(aq) + 2 Cl-(aq) + {O} (RR)

O3(aq) ? O2(aq) + {O} (RR) 17. Boden: Beispiel „Bodenversauerung" Saurer Regen bildet sich durch Industrie- und Autoabgase in der Luft: Tröpfchen von Salzsäure-, Schwefelsäure- oder Salpetersäure-Lösung entstehen und verursachen beim Abregnen eine Versauerung der Böden. Das hat zum einen zur Folge, dass Feinwurzeln geschädigt, Carbonate von Nährsalzen gelöst und ausgewaschen werden. Zum anderen können feste Aluminiumsalze, in denen AI '''-Ionen gebunden und damit unschädlich vorliegen, gelöst werden und schädigen in dieser Form Bäume und Pflanzen („Waldsterben"): A1(OH)3(s) + 3 H+(aq) ? Al3+(aq) + 3 H2O

„Der Begriff Alltagschemie schließt alle chemischen Vorgänge und die davon berührten Substanzen und Materialien ein, die für uns im Alltag eine Rolle spielen. Daraus würde sich jedoch eine unüberschaubare Fülle von Stoffgebieten ergeben, die den individuellen Interessenlagen entsprechend noch differenziert werden müssten. Es ist daher klar, dass ein alltagsbezogener Chemieunterricht im unreflektierten Sinne keine Alternative zu einem klar strukturierten, verständlichen Fachunterricht sein kann. Andererseits sind größte Anstrengungen nötig, um die immer wieder festgestellte Kluft zwischen Chemieunterricht und Alltagswelt zu überbrücken, also Strategien zu entwickeln, wie Alltagswelt und beziehungsvolles Lernen zusammengeführt werden". Lutz und Pfeifer [12] haben diese Forderungen formuliert und in vielen Publikationen ihre Lösungsvorschläge angeboten. Welche Strategien zur Zusammenführung von Chemie und Alltag für den Chemieunterricht möglich sind, ist zu diskutieren. Davor wird eine Vielfalt von Methoden vorgestellt, mit denen Vermittlungsprozesse zur Alltagschemie realisiert werden können.

Vermittlungsprozesse - Fachsystematik plus Alltagschemie


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Methoden zu Vermittlungsprozessen: Die Vermittlung zwischen Alltag und Chemie kann im Chemieunterricht auf vielfältige Weise geschehen und damit zur Methoden Vielfalt beitragen.

• Lernen durch aktives Handeln oder Experimentieren im handlungsorientierten Unterricht: o Wasser- oder Bodenproben entnehmen und analysieren (etwa durch Einsatz der

Aquamerck-Kästen), verschiedene Mörtelgemische herstellen und testen, u. ä. • Exkursionen zu außerschulischen Lernorten:

o Besuch der regionalen Kläranlage, des Betriebes zur Trinkwasseraufbereitung, der Müllverarbeitung und Recycling-Station, Vorbereitung und Durchführung von Interviews, von Fotoreportagen, von Ausstellungsplakaten, u. ä.

• Lernen durch Vorträge und Diskussionen mit außerschulischen Fachleuten: o Einladung von Feuerwehrmann, Lebensmittelkontrolleur, Malermeister oder

Techniker aus der Industrie. Exkursionen in entsprechende Betriebe. • Lernen mit audiovisuellen Medien oder auf multimedialen Wegen:

o Beschaffung der Materialien durch die Lernenden, kritische Durchsicht Interpretation und Neuordnung, Entwicklung und Vorführung selbst gestalteter Materialien durch die Schülerinnen und Schüler.

• Lernen durch Rollenspiele zu Themen, die im Experimentalunterricht nicht behandelt werden können etwa die Frage „Fleisch oder Körner?" [13]:

o Es werden die angegebenen Rollentexte verteilt, von den Jugendlichen gespielt und im anschließenden Gespräch problematisiert.

• Lernen im Projektunterricht oder auch im projektorientierten Unterricht [14]: o Für ein Projekt „Wasser und Umwelt" [15], dessen Anlass der Besuch einer

Kläranlage war, werden Themen verabredet, von Projektgruppen bearbeitet, diesbezügliche Plakate entworfen, vorgetragen und ausgestellt. . '

Schulbücher und Alltagschemie: Zu allen Zeiten haben sich Schulbuchautoren bemüht, die in Richtlinien und Lehrplänen vorgegebenen Unterrichtsthemen durch Bezuge zu Alltag und Umwelt zu bereichern. Beginnt man mit Themen ohne Alltagsbezug und sucht bei der Schulbuchanalyse Themen mit immer größer werdendem Ausmaß an Alltagsbezügen, so erhält man am Beispiel des Schulbuches „Chemie heute“[16] folgende Ergebnisse (Seitenzahlen in Klammern) : • Unterrichtsthemen ohne Alltagsbezug:

o Chemische Grundgesetze, Gasgesetze , Dalton'sches Atommodell, Atombau und Chemische Bindung

• Alltagsbezug zur Motivation am Anfang eines Themas: o „Chemische Reaktionen“: brennendes Streichholz, sich auflösende Brausetablette (49),

„ Luft Verbrennung": Gartengrill - Anzünden, Qualmbildung, Glut (63), o „Wasser": Wasservorräte, Wasserverbrauch, Wasser-Kreislauf, Trinkwasser (97), o „Säuren“: Haushaltsessig, Milchsäure, Citronensäure (213).

• Alltagsbezug zur Wiederholung oder Vertiefung am Ende von Unterrichtsthemen: o „Stofftrennung": Wiederverwertung von Altautos, Recycling (45), o „Redoxreaktionen": Eisen aus Eisenerz, Hochofenprozess (89), o „Alkali- und Erdalkalimetalle": Magnesium im Flugzeugbau, für Blitzlichtlampen (145)

• Alltagsbezug durch Exkurse im Chemieunterricht: o Trinkwasser aus Meerwasser (39) Vom Bleistift zum Graphitstift (56), So funktioniert

ein Streichholz (72), Verbrennungen - vom TÜV kontrolliert (75), Brandbekämpfung (79), Kläranlage (101), Raketentreibstoff Wasserstoff (111), Salz gegen Eis (128), Magnesium sorgte für das rechte Licht '(145), Die Leuchtspur der Elemente (l47), Karies - ein Säureanschlag auf die Zähne (147), Bleichen mit Chlor - eine Gefahr für die


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Umwelt (S. 148), Fluor - ein extremes Element (155), Halogenlampen (155), Edelgase sorgen für edles Licht (157), Helium - gegen Tiefenrausch und Taucherkrankheit (157), Blitze an der Tankstelle verboten (164), Natrium aus Steinsalz (167), Gold aus Abfall (167), Marie Curie entdeckt die Radioaktivität (169), Radioaktive Isotope (172), Otto Hahn und die Kernspaltung (173), Batterien und Akkus (190), Citronensäure - ein Produkt der Biotechnologie (213), Sodbrennen (221), Weiches Wasser für den Haushalt (229), Tropfsteinhöhlen (229), Haushaltschemikalien (230)


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Zum Thema „Organische Säuren“ Wir verschaffen uns einen Überblick

Wir informieren uns über • die Gründe, weshalb organische Säuren

interessant für Medizin und Technik sind • die Rolle, die organische Säuren bei

chemischen Abläufen in Lebewesen spielen • die Erfolgsstory des Aspirins • die vielfältige Verwendung organischer

Säuren im Haushalt und in der Nahrungsmittelindustrie

• Gemeinsamkeiten zwischen Estern und Kunststoffen oder Lacken

Wir erörtern

• ob Citronensäure aus Pilzkulturen nur ein minderwertiger Ersatz ist

• ob Ester als Lösemittel die Umwelt immer stärker belasten müssen

Wir untersuchen • wie sich organische Säuren nachweisen

lassen und wie sie mit anderen Stoffen reagieren

• wie man die Konzentration von Haushaltsessig ermittelt

• wie Ester aufgebaut sind • wie man aus Citronensäure einen Kunsts toff

herstellen kann Wir lernen verstehen

• was organische Säuren von anorganischen Säuren unterscheidet

• warum organische Säuren so viele verschiedene Eigenschaften haben

• wie Aspirin aufgebaut ist • dass auch Vitamin C eine organische Säure

ist

Organische Säuren ( Carbonsäuren) – eng ve rwandt und doch so verschieden!


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4 Sven meint: „Es schadet nichts, wenn man einen Liter Säure mit dem pH-Wert 1 in den Ausguss kippt und ein wenig mit Wasser nachspült." Wie viel Liter Wasser könnten mit dieser Säure so verunreinigt werden, dass es auf Fische tödlich wirkt? 5 Die Blüten der Platterbsen sind zunächst rot, später blau. Wenn man die blauen Blüten auf einen Ameisenhaufen wirft, beko mmen sie rote Tupfen. Versuche, dies zu erklären 6 Es werden 100ml Natronlauge (pH-Wert 10) mit Wasser auf 101 verdünnt. Welchen pH-Wert ergibt das?

Wie man den pH-Wert einer Lösung bestimmen kann

Aufgaben

1 Welche Reaktion, zeigt der Universalindikator bei Essigsäure oder Zitronensäure? 2 Katrin behauptet: „Ich kann die pH-Wert-Skala auch anders bestimmen: Ich nehme 1 ml Vergleichslösung und schütte sie zu 9 ml Wasser. So erhalte ich den pH-Wert 2. Die 10ml schütte ich zu 90ml Wasser und erhalte den pH-Wert 3. Die 100 ml schütte ich dann in 900 ml Wasser usw." Was meinst du dazu? 3 Magensaft kann den pH-Wert 1, Zitronensaft den pH-Wert 2 haben. Wie stark müsste man den Magensaft verdünnen, damit er den gleichen pH-Wert wie der Zitronensaft hat?

Bestimmte Farbstoffe verändern bei Zugabe einer sauren oder alkalischen Lösung ihre Farbe. Sie zeigen also Säuren oder Hydroxidlösungen (Laugen) an. Man nennt sie deshalb Indikatoren (lat. indicator: Anzeiger). Einige davon hast du früher schon kennengelernt. Der Universalindikator ist ein Gemisch aus verschiedenen Farbstoffen. Zum Experimentieren kann man ihn in flüssiger Form verwenden, oder man nimmt die mit dem Farbstoffgemisch getränkten Papierstreifen. Auf der Verpackung des Universalindikators ist meist eine Farbskala wie in Bild 2 aufgedruckt. Vergleicht man die Indikatorfärbung mit dieser Farbskala/kann man erkennen, wie stark sauer bzw. wie stark alkalisch die untersuchte Lösung wirkt. Jeder Farbe auf der Skala ist eine Zahl zugeordnet. Sie wird pH-Wert genannt. Die pH-Wert -Skala reicht von 1 bis 14 (im Bild jedoch nur bis 11). Bei pH 7 reagiert die untersuchte Lösung weder sauer noch alkalisch. Sie ist neutral.

Mit zunehmendem Säuregrad nimmt der pH-Wert ab. Eine Lösung mit dem pH-Wert 1 ist stark sauer. Ist der pH-Wert größer als 7, so reagiert die untersuchte Lösung alkalisch. Bei pH 14 ist sie stark alkalisch. Die pH-Wert-Skala lässt sich anhand eines Versuches bestimmen. Wenn man genau 1 ml einer sauren Vergleichslösung mit dem pH-Wert 1 mit Wasser auf genau 10 ml verdünnt, so hat die Flüssigkeit danach den pH-Wert 2. Verdünnt man 1 ml derselben Vergleichslösung mit Wasser auf genau 100 ml, so zeigt sie danach den pH-Wert 3 usw. (Bild). Der pH-Wert einer sauren Lösung steigt stets um eine Stufe an, wenn man die Lösung jeweils auf das Zehnfache verdünnt. Der pH-Wert wird häufig auch mit einem pH-Meter gemessen. (Ein solches Gerät hast du vielleicht früher schon einmal kennengelernt.)Dabei zeigt das Gerät den pH-Wert entweder direkt an (Digitalanzeige), oder man liest ihn an einer Zahlenskala ab. Dieses Messverfahren ist genauer als der Farbenvergleich mit der Farbskala.


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Auch Laugen sind gefährlich

Aus einer Gebrauchsanweisung für Rohrreiniger: Bei Rohrverstopfung alles Wasser aus dem Becken entfernen. Einen Esslöffel Rohrreiniger langsam in den Abfluss schütten, und eine Tasse kaltes Wasser nachgießen. Rohrreiniger eine halbe Stunde wirken lassen, dann Kaltwasserhahn vorsichtig aufdrehen. Sollte das Wasser nicht ungehindert abfließen, Vorgang wiederholen. Vorher alles stehende Wasser entfernen. Dabei keine Aluminiumgefäße benutzen. Enthält: 56% Natriumhydroxid sowie Aluminium und Salze. Verursacht schwere Verätzungen. Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen. Von Nahrungsmitteln, Getränken und Futter-mitteln fernhalten! Augen schützen und geeignete Schutzhandschuhe tragen! Beschmutzte Kleider sofort ausziehen! Flasche fest verschlossen halten! Keinesfalls Wasser hineingießen! Bei Spritzer in die Au- gen oder auf die Haut sofort mit Wasser auswaschen! Nach versehentlichem Einnehmen sofort große Mengen Wasser trinken, sofort Arzt aufsuchen und Packung mitnehmen! Verschüttetes Produkt sofort zusammenkehren und mit viel Wasser im Spülbecken wegspülen! Keinesfalls in den Papierkorb oder Abfalleimer werfen! Gegenstände, die mit dem Rohrreiniger in Berührung gekommen sind, gründlich spülen!

Viele Menschen sind beim Umgang mit Säuren vorsichtig, bei Laugen aber meistens recht sorglos. Dabei greifen sogar verdünnte und vor allem erhitzte Laugen die Haut, die Haare und überhaupt sämtliche Körperzellen an: Laugen wirken ätzend. Verätzungen verursachen schmerzhafte Wunden und hinterlassen in den meisten Fällen hässliche Narben. Insbesondere Spritzer auf die Hornhaut des Auges sind äußerst gefährlich. Die Hornhaut kann so stark geschädigt werden, dass der Verletzte erblindet. Eine besondere Eigenschaft der Laugen ruft immer wieder Unfälle hervor: Wenn Laugen erwärmt werden, beginnen sie häufig, schlagartig zu sieden. Das ist besonders bei einem schmalen Gefäß (Reagenzglas) gefährlich. Sie können dabei aus dem Glas herausspritzen Auch kleinere Laugentröpfchen, die in der Öffnung von Spritzflaschen hängen bleiben, bilden eine Gefahr: Sie können beim Anheben der Flasche unbemerkt verspritzen. Deshalb sollten folgende Hinweise unbedingt beachtet werden:

• Auch bei einfachen Versuchen mit Laugen eine Schutzbrille tragen! • Laugen möglichst nicht bis zum Sieden erhitzen! • Flaschen mit Laugen (oder Säuren) immer unterhalb der Augenhöhe aufbewahren! Das gilt

auch für ätzende Reinigungsmittel im Haushalt. • Rohrreiniger zeigen die wesentlichen Laugeneigenschaften. Beim Umgang damit müssen

deshalb die Warnhinweise auf den Dosen oder Packungen unbedingt beachtet werden.

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