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Inhaltsverzeichnis

1. Kurzer Abriss zur Geschichte der Chemie; Übersicht

4000 v. Chr.	Metallherstellung in Ägypten
3000 v. Chr. - 1000 v. Chr.	Herstellung von Legierungen, Ton, Steingut, Glas, Porzellan (in China)
1000 v. Chr. - 500 v. Chr.	Herstellung von Gold, Silber, Eisen auch in Vorderasien und Europa Wein, Bier, Essig, Salben, Seifen, Öle, Milch, Quark, Papyrus, Farben, erste Medikamente
	Griechenland: 4 Urstoffe (Feuer, Wasser, Luft und Erde), Demokrit und Leukipp vermuteten das Atom. Entwicklung der Medizin
250 v. Chr. - 400 n. Chr.	Entwicklung der mystischen Alchemie, Vereinigung von Religion, Astrologie und Magie in Ägypten.
	Ausbreitung des Islam, islamische Wissenschaftler
1085 n. Chr.	erstes Chemiebuch (Gerhard von Cremona)
1193 – 1280	Albertus Magnus (Köln), Thomas von Aquin
1210 – 1292	Roger Bacon, führt das Experiment ein
1300 – 1600	Alchimisten, z.B. Paracelsus, mit fundierter wissenschaftlicher Ausbildung. Die Kirche verdammt die Lehre vom Atom (Demokrit, Leukipp).
	Durch den Buchdruck steigt der Papierbedarf, Papiermühlen am Rhein. Schießpulver, Alkoholdestillation, Fürsten beschäftigten z.T. Alchimisten.
1700 – 1800	Europäisches Porzellan, Lavoisier führt genaue Messungen bei Verbrennungsprozessen durch und gibt (zusammen mit anderen) die ersten reinen Elemente an: Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel, Phosphor. Massenerhaltungsgesetz, Gesetz der konstanten Proportionen, Berzelius entwickelt die chemische Symbolschreibweise (Summenformeln, Strukturformeln)
1800 – 1850	Dalton beschreibt Elemente und Atome mit Gewichtsangaben; erste Tabelle über Atomgewichte
	Satz von Avogadro (gleiche Volumina von Gasen enthalten gleich viele Teilchen)
1850 – 1900	Mendelejew und Meyer entwickeln das Periodensystem
	Becquerel entdeckt, dass Uransalz fotografische Platten schwärzt, Entdeckung der Radioaktivität (Curie) Rutherford prägt die Begriffe Alpha-, Beta- und Gammastrahlung
	Bunsen und Kirchhoff entwickeln die Spektralanalyse
	Synthetische Farbstoffe
	Kekulé erkennt, dass der Kohlenstoff vier Valenzelektronen hat, Grundlage der Organischen Chemie
	Entdeckung des Elektrons
	Pasteur verbessert medizinische Anwendungen
1900 – 1925	de Broglie, Schrödinger, Heisenberg entdecken den Dualismus von Teilchen und Welle; Bohr‘sches Atommodell, Pauli-Prinzip, Hahn und Meitner entdecken die Kernspaltung
	Rutherford entdeckt das Proton
1925 - 1950	Chadwick und Anderson entdecken das Neutron und das Positron
	erste künstliche Herstellung von Isotopen
	erste vollsynthetische Kunststoffe, Entwicklung der industriellen Chemie
1977	durch Raumsonden erster Nachweis organischer Substanzen außerhalb der Erde

2. Die chemische Formelschreibweise

Im 18. Jahrhundert entwickelte der schwedische Mediziner und Chemiker Berzelius die heute international gebräuchliche Kurzschreibweise für Elemente und Verbindungen. Ausgehend von der Epoche wird verständlich, warum viele Elemente mit der Abkürzung ihres lateinischen oder griechischen Namens aufgeführt werden. So stehen z.B. die Symbole

O	(Oxygenium)	für	Sauerstoff
N	(Nitrogenium)	für	Stickstoff
Pb	(Plumbum)	für	Blei
Fe	(Ferrum)	für	Eisen

usw. Insgesamt gibt es heute (2013) 118 verschiedene Symbole, welche allesamt chemische Elemente symbolisieren.

Elemente sind chemisch reine Stoffe, bei denen alle Teilchen der gleichen Sorte angehören. Beim Element Eisen sind z.B. alle darin enthaltenen Teilchen Eisen – Teilchen mit dem chemischen Symbol Fe. Alle Eisen – Teilchen haben die gleichen Eigenschaften. Sie können mit chemischen Mitteln nicht weiter in kleinere Bestandteile zerlegt werden.

Bei der Formelschreibweise gibt es Elemente, deren Name mit nur einem Buchstaben abgekürzt wird, z.B. H für Wasserstoff. Dieser Buchstabe wird groß geschrieben. Andere Elemente werden mit zwei Buchstaben abgekürzt, um sie auseinander halten zu können. So gibt es das Symbol P für Phosphor und z.B. Pb (s.o.) für das Blei. Erst in den letzten Jahren in aufwändigen Verfahren künstlich hergestellte, radioaktive Elemente werden zum Teil „übergangsweise“ bis zur endgültigen Namensgebung auch mit drei Buchstaben abgekürzt. Immer, wenn ein Element mit mehr als einem Buchstaben abgekürzt wird, werden der erste Buchstabe groß und der oder die nachfolgenden Buchstaben klein geschrieben. Kleine Buchstaben in Formeln gehören also stets zum voranstehenden Großbuchstaben.

Zum Elementsymbol gehören auch kleine, tiefgestellte Zahlen. Dieser sog. „Index“ (pl. = Indices) gibt an, wie viele Teilchen dieser Sorte in einer Verbindung enthalten sind. Der Index wird erst ab der Zahl 2 aufwärts geschrieben. Ist also nur ein Atom einer Sorte in einem Molekül vorhanden (oder tritt das Atom allein auf) so wird kein Index „1“ verwendet, sondern nur das Elementsymbol allein geschrieben. Wie viele Atome eines Elements mit wie vielen Atomen eines anderen Elements in einem Molekül verbunden sein können, orientiert sich an Wertigkeitsregeln, welche weiter hinten erläutert werden.

Einzelne Teilchen eines Elements werden „Atome“ genannt. Verbinden sich mehrere Atome (mindestens zwei!) der gleichen oder auch unterschiedlicher Sorte, so wird das sich ergebende, zusammengesetzte Teilchen „Molekül“ genannt.

Besteht ein Molekül aus mehreren Atomsorten, so werden diese einfach aneinander geschrieben (Summenformel).Hierfür gibt es bestimmte Regeln, welche weiter hinten noch erläutert werden:

Na	einzelnes Natriumatom
O₂	Sauerstoffmolekül, bestehend aus zwei Sauerstoffatomen
FeO	Eisenoxidmolekül, bestehend aus einem Eisenatom und einem Sauerstoffatom
H₂SO₄	Schwefelsäuremolekül, bestehend aus zwei Wasserstoffatomen, einem Schwefelatom und vier Sauerstoffatomen
CH₄	Methanmolekül, bestehend aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen

3. Das Periodensystem der Elemente

Der russische Wissenschaftler Mendelejew und zeitgleich in Deutschland der Arzt und Chemiker Lothar Meyer erkannten 1869, dass man die seinerzeit bekannten Elemente in ein System aus Zeilen und Spalten schreiben konnte. In einer Spalte untereinander standen dabei solche Elemente, die bestimmte gleiche Eigenschaften hatten. Da Atommassen schon seit 1805 bekannt waren, zeigte sich, dass bei richtiger Anordnung der Spalten nebeneinander die Masse der Elemente in den Zeilen von links nach rechts zunahm. Dies war freilich noch ungenau, und erst fünfzig Jahre später mit der Entdeckung des Aufbaus des Atomkerns wurde klar, dass der Platz im Periodensystem bestimmt war durch die Zahl der Protonen im Atomkern. So ist die Ordnungszahl, die Nummerierung, welche im Periodensystem fortlaufend von links nach rechts jeweils um den Wert 1 ansteigt und gewissermaßen die „Hausnummer“ des Elements angibt, gleichzeitig die Zahl seiner Protonen im Atomkern. Das Element mit der Ordnungszahl 1, der Wasserstoff, hat also 1 Proton in seinem Atomkern. Das Element mit der Ordnungszahl 50, das Zinn, hat folglich 50 Protonen im Atomkern, usw. Da kurz nach der Entdeckung des Protons auch das Neutron gefunden wurde und deren Massen als nahezu gleich bestimmt wurden, konnte von der Massezahl eines Elements nun auf die genaue Zusammensetzung eines Atomkerns dieser Sorte geschlossen werden.

Hat ein Element also die Massezahl 19 und die Ordnungszahl 9, so ergibt sich die Neutronenzahl zu 10. Der Atomkern besteht also aus 9 Protonen (Ordnungszahl) und 10 Neutronen. Zum Ausgleich der positiven Kernladung, welche durch die jeweils einfach positiv geladenen Protonen entsteht, hat das Atom eine Hülle aus je einfach negativ geladenen Elektronen. Die Zahl der Elektronen ist gleich groß wie die Zahl der Protonen. Da die Elektronen im Vergleich zu den Protonen und Neutronen extrem leicht sind, spielen Sie bei Betrachtungen der Massezahl keine Rolle. Die Elektronenhülle ist wichtig in der Chemie, da in ihr chemische Verbindungen stattfinden. Atomkerne sind an chemischen Reaktionen nicht beteiligt.

Im Periodensystem sind Elemente mit ähnlichen Eigenschaften zu Gruppen innerhalb einer Spalte zusammengefasst. Folgende Namen sind gebräuchlich:

1. Hauptgruppe	Alkalimetalle
2. Hauptgruppe	Erdalkalimetalle
6. Hauptgruppe	Chalkogene („Erzbildner“)
7. Hauptgruppe	Halogene („Salzbildner“)
8. Hauptgruppe	Edelgase

Die Hauptgruppe entspricht hierbei im Periodensystem der Spalte mit der entsprechenden Spaltenüberschrift.

4. Chemische Gleichungen

Reagieren Atome oder Moleküle miteinander, so wird eine Reaktionsgleichung unter Verwendung der chemischen Formelzeichen aus dem Periodensystem geschrieben. Anders als bei einer mathematischen Gleichung wird hier lediglich kein Gleichheitszeichen verwendet sondern ein Pfeil, welcher den Verlauf von den eingesetzten Stoffen (Edukten) hin zu den Reaktionsergebnissen (Produkten) weist.

Eisen und Schwefel reagieren miteinander unter Bildung eines neuen Stoffes, des Eisensulfids. Zu Beginn lagen Eisen und Schwefel getrennt voneinander vor, es wurden Eisenpulver und Schwefelpulver zusammen in ein Gefäß gegeben, durchmischt und erhitzt. Wenn genügend Wärme zugeführt wurde, reagieren die beiden Stoffe miteinander. In diesem Beispiel wäre dies erkennbar durch ein Glühen, welches in dem Gemisch plötzlich entsteht. Das Reaktionsprodukt, Eisensulfid, sieht erkennbar anders aus als das Gemisch der beiden Ausgangsstoffe.

Von einer chemischen „Gleichung“ wird gesprochen, weil die Summe der Atome auf der linken und auf der rechten Seite des Pfeils gleich ist. Ist dies beim Schreiben der Gleichung zunächst nicht der Fall, muss die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Teilchen geändert werden, bis die Gleichheitsbedingung erfüllt ist.

Hier ist noch auszugleichen, da auf der linken Seite je zwei Teile Wasserstoff und Sauerstoff eingesetzt werden, auf der rechten Seite beim Reaktionsprodukt (H₂O, Wasser) aber nur zwei Wasserstoffteilchen und ein (!) Sauerstoffteilchen verbraucht werden. Lösung:

Die groß geschriebene Zahl vor dem Symbol für Wasserstoff und auch vor dem Symbol des Reaktionsprodukts Wasser (H₂O) wird Vorzahl genannt. Vorzahlen sind von den Indices zu unterscheiden, sie beziehen sich auf das gesamte danach genannte Molekül.

Im vorstehenden Beispiel reagieren zwei Wasserstoffteilchen (die jeweils aus zwei Wasserstoffatomen bestehen) mit einem Sauerstoffmolekül (welches aus zwei Sauerstoffatomen besteht). Die Vorzahl „1“ vor dem Sauerstoffmolekül wird nicht geschrieben. Insgesamt reagieren also vier Wasserstoffatome mit zwei Sauerstoffatomen. In einem Wassermolekül (auf der rechten Seite der Gleichung) sind zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom enthalten. Zwei Wassermoleküle (Vorzahl „2“) enthalten in der Summe also auch wieder vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome.

Die Gleichheitsbedingung für die linke und die rechte Seite der Reaktionsgleichung ist also erfüllt. Wie viele Atome eines Elements mit wie vielen Atomen eines anderen Elements in einem Molekül verbunden sein können (warum es also „H₂O“ heißt und nicht nur „HO“ oder „HO₂“), orientiert sich an Wertigkeitsregeln, welche nachfolgend erläutert werden.

5. Wertigkeiten

Im Periodensystem der Elemente stehen solche Elemente in einer Spalte untereinander, welche ähnliche Eigenschaften haben. Zu diesen Eigenschaften gehört auch die sog. „Wertigkeit“. Die Wertigkeit gibt an, wie viele Bindungen ein Atom zu anderen Atomen eingehen kann.

Bildlich dargestellt, kann man sich die Wertigkeit als Anzahl von „Ärmchen“ vorstellen, mit welchen sich ein Atom mit einem oder mehreren anderen Atomen zu einem Molekül verbinden kann. So hat ein Atom eines „einwertigen“ Elements nur ein Ärmchen, ein Atom eines „zweiwertigen“ Elements hat zwei Ärmchen, usw.

Wir betrachten zunächst nur die Hauptgruppen des Periodensystems. Hierbei gelten folgende Regeln:

1. Hauptgruppe	1 – wertig
2. Hautgruppe	2 – wertig
3. Hauptgruppe	3 – wertig
4. Hauptgruppe	4 – wertig
5. Hauptgruppe	3 – wertig
6. Hauptgruppe	2 – wertig
7. Hauptgruppe	1 – wertig
8. Hauptgruppe	0 – wertig

Hinweis: bei der Angabe der Wertigkeiten handelt es sich um Regelfälle, auf deren Betrachtung wir uns hier beschränken. Insbesondere in den Hauptgruppen 5 bis 7 können auch andere Wertigkeiten auftreten.

Die Elemente der ersten Hauptgruppe, die Alkalimetalle (und der Wasserstoff), sind also alle einwertig, haben also nur ein „Ärmchen“, mit welchem sie Verbindungen zu anderen Atomen eingehen können. In der Folge der Hauptgruppen nimmt die Wertigkeit bis zur vierten Hauptgruppe zu und dann wieder ab. So sind auch die Elemente der siebenten Hauptgruppe, der Halogene, alle einwertig. Die Elemente der achten Hauptgruppe, der Edelgase, sind nullwertig, d.h., dass sie keine „Ärmchen“ haben, keine Reaktionen eingehen und keine Moleküle bilden. Die Edelgase kommen nur als einzelne Atome vor.

Mit dieser Tabelle kann nun leicht bestimmt werden, wie Moleküle sich genauer zusammensetzen. Aus der Grundschulmathematik ist das „kleinste gemeinsame Vielfache“ (kgV) bekannt, also die kleinste Zahl, die sowohl durch eine wie auch durch eine zweite Zahl teilbar ist. Bsp: das kgV der Zahlen 2 und 4 ist 4, da die Zahl 4 einmal in die 4 geht und die Zahl 2 zweimal in die 4 geht. Das kgV der Zahlen 2 und 5 ist 10.

Hier nun muss bei Verbindungen das kgV der Wertigkeiten der beteiligten Elemente gebildet werden. Das vorher vorgestellte Wassermolekül H₂O setzt sich wie folgt zusammen:

H	- erste Hauptgruppe, 1-wertig (ein Ärmchen)
O	- sechste Hauptgruppe, 2-wertig (zwei Ärmchen)

Das Sauerstoffatom (oben, schraffiert) hat zwei Ärmchen und kann mit jedem davon ein Wasserstoffatom (kariert dargestellt, mit je einem Ärmchen) festhalten.

Zwei Wasserstoffatome innerhalb eines Moleküls werden mit dem Index „2“ dargestellt, ein Sauerstoffatom ohne Index (bzw. mit dem „gedachten“ Index „1“). Die Summenformel der Verbindung lautet also „H₂O“.

Übungsaufgaben:

1. Suchen Sie die Elemente im Periodensystem und geben Sie die Wertigkeiten an von K, Ca, F, Al, P, S, C, Ar, B, O, Cl,

2. Geben Sie unter Beachtung der Wertigkeit die richtigen Summenformeln folgender Verbindungen an:
a.) Aluminium und Sauerstoff
b.) Wasserstoff und Chlor
c.) Wasserstoff und Schwefel
d.) Kohlenstoff und Sauerstoff
e.) Phosphor und Chlor
f.) Stickstoff und Wasserstoff

3. Erstellen Sie die Reaktionsgleichungen für folgende Reaktionen:
a.) Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff (O₂)
b.) Calcium reagiert mit Chlor (Cl₂)
c.) Magnesium reagiert mit Sauerstoff (O₂)
d.) Silicium reagiert mit Brom (Br₂)
e.) Kalium reagiert mit Sauerstoff (O₂)

6. Vorkommen von Elementen

Sie haben in den vorigen Kapiteln bemerkt, dass einzelne Elemente immer in der Schreibweise O₂ , H₂, usw. dargestellt wurden. Der Grund hierfür, nicht einfach „O“ oder „H“, etc., zu schreiben, liegt darin, dass diese Elemente in der Natur, d.h. unter normalen Druck- und Temperaturverhältnissen, stets als Molekül mit zwei Atomen derselben Art vorkommen. Hiervon ist nur eine geringe Zahl an Elementen betroffen. Diese sind:

H₂	Wasserstoff
N₂	Stickstoff
O₂	Sauerstoff

F₂	Fluor
Cl₂	Chlor
Br₂	Brom
I₂	Jod
At₂	Astat

Die Elemente ab der Ordnungszahl 93 (Neptunium) kommen nicht naturbedingt auf der Erde vor, diese können vielmehr nur künstlich in aufwändigen kernphysikalischen Prozessen hergestellt werden. Diese sind daher, wie hier das Uus₂, für chemische Fragestellungen in der Regel eher ohne Bedeutung.

Anders als man vielleicht glauben mag, sind fast alle Elemente im Periodensystem Metalle. Denkt man sich eine diagonale Linie vom Bor (3. Hauptgruppe, ganz oben) zum Astat (7. Hauptgruppe unten), so sind sämtliche links dieser Linie (1. und 2. Hauptgruppe, alle Nebengruppenelemente, ferner ab der 3. Hauptgruppe die unter der gedachten Linie befindlichen Elemente) stehenden Elemente Metalle. Die auf oder unmittelbar um diese Linie angeordneten Elemente sind Halbmetalle und die weiter rechts (bis hin zu den Edelgasen in der 8. Hauptgruppe) befindlichen Elemente sind Nichtmetalle. Die Metalle kommen meistenteils als Erze in Gesteinen vor, seltener in reiner, „gediegener“ Form (z.B. Silber, Gold). Die Gase kommen als Bestandteile der Luft in der Erdatmosphäre vor. Der Anteil der Edelgase ist dabei sehr gering.

Bei Zimmertemperatur und normalem Luftdruck sind fast alle Elemente in festem Zustand, lediglich Brom und Quecksilber sind flüssig. Gasförmig sind Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Chlor und die Edelgase Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon (und theoretisch das künstlich hergestellte Ununoctium).

7. Die Aggregatzustände

Sie wissen, dass Wasser bei Zimmertemperatur und normalen Druckverhältnissen flüssig ist. Kühlt man Wasser ab, so erhält man Eis. Erhitzt man Wasser hingegen bis zum Siedepunkt, so erhält man Wasserdampf. Diese Erkenntnis gilt auch für die meisten anderen Stoffe. Der eine Zustand kann in den anderen überführt werden. Weniger bekannt ist in unseren Breiten, dass ein Gas (z.B. Wasserdampf) auch unmittelbar wieder in einen festen Zustand (Eiskristalle) überführt werden kann. In sehr kalten Gegenden, z.B. an den Polarkreisen, ist es aber bekannt, dass kochendes Wasser und Wasserdampf im Freien als kleine Eiskristalle auf den Boden rieseln.

In festem Zustand haben die Atome ihre festen Plätze, z.B. in einem Stück Metall oder in einem Eiswürfel. Als Folge der nur mäßigen Umgebungstemperatur (z.B. Zimmertemperatur) bewegen sie sich nur wenig um ihren Platz herum. In flüssigem Zustand sind diese festen Plätze aufgelöst. Kleine Verbände von Atomen oder Molekülen lösen sich wie Bruchstücke aus dem vormals festen Verband, bewegen sich ungleich stärker und brechen bei weiterem Erhitzen immer weiter auseinander, bis beim Siedepunkt nur noch einzelne Atome (oder in obigem Beispiel Wassermoleküle) vorliegen, welche sich sehr intensiv bewegen und aus der Flüssigkeit verdampfen.

Da ein Stoff alle Aggregatzustände annehmen kann, unterscheiden diese sich nur durch den Energiegehalt des Stoffes zum jew. Zeitpunkt (Eis – flüssiges Wasser – Wasserdampf). Der Energiegehalt drückt sich aus durch die Temperatur und die Temperatur wiederum ist ein Maß für die Bewegung der Atome oder Moleküle. Bei hohem Energiegehalt (hoher Temperatur) liegt ein Stoff eher gasförmig vor (z.B. Wasserdampf), bei niedrigem Energiegehalt (niedriger Temperatur) eher fest (z.B. Eis).

Als weiterer Aggregatzustand ist heute auch das „Plasma“ bekannt. Ein Plasma ist ein Gas, dessen Bestandteile teilweise oder vollständig in Ionenform vorliegen, also Elektronen aus ihrer Hülle in den freien Raum hinein abgegeben haben. Da ein Plasma nur unter sehr speziellen Bedingungen auf der Erde (z.B. in Blitzen) vorkommen bzw. nur unter sehr aufwändigen physikalischen Bedingungen künstlich erzeugt werden kann, ist es an dieser Stelle nicht von Bedeutung.

8. Analyse und Synthese

In einem Versuch wird rotes Quecksilberoxid (HgO) in ein Reagenzglas gegeben. Das Reagenzglas ist verschlossen mit einem durchbohrten Korken, durch welchen ein Glasrohr in das Reagenzglas ragt. Das Glasrohr ist auf der anderen Seite gebogen und ragt in ein offenes, mit Wasser gefülltes Gefäß (pneumatische Wanne). Dort ist das Glasrohr zu einer nach oben ragenden Spitze ausgezogen, welche in ein umgestülptes, wassergefülltes Reagenzglas mündet.

Das Quecksilberoxid wird über einem Bunsenbrenner erhitzt. Bereits nach kurzer Zeit kann man an der Innenwand des Reagenzglases eine Niederschlag von Quecksilber („Quecksilberspiegel“) feststellen. Durch die Spitze des ausgezogenen Glasrohres entweichen Blasen in das umgestülpte, wassergefüllte Reagenzglas und verdrängen dort das Wasser. Führt man in dieses Reagenzglas (mit der Öffnung nach unten gehalten) einen glimmenden Holzspan ein (sog. „Fidibus“), so beginnt dieser heftig aufzuflammen.

Quecksilberoxid wird durch Zufuhr von Energie (Wärme) in seine Bestandteile Quecksilber und Sauerstoff zerlegt. Diesen Vorgang der Zerlegung eines Stoffes in seine Bestandteile nennt man Analyse.

In Kapitel 4 wurde die Reaktion von Eisen und Schwefel beschrieben. Hier wurde aus zwei Ausgangsstoffen, den Edukten, ein neuer Stoff, das Produkt geschaffen. Den Vorgang des Stoffaufbaus nennt man Synthese.

Übungsaufgaben:

1. Überlegen Sie, in welchen Arten das Element Eisen auf der Erde vorkommt und notieren Sie Beispiele.

3. Was geschieht, wenn man ein Gemenge aus Eisenpulver und Schwefelpulver erhitzt?

14. Formulieren Sie folgende Reaktionsgleichungen:
a.) Schwefel reagiert mit Sauerstoff
b.) Aluminium reagiert mit Sauerstoff
c.) Natrium reagiert mit Chlor
d.) Magnesium reagiert mit Fluor
e.) Kohlenstoff reagiert mit Wasserstoff

16. Wie setzen sich die Atomkerne der Elemente zusammen mit der Ordnungszahl
a.) 1
b.) 2
c.) 6
d.) 9
e.) 12
f.) 17
g.) 37

9. Die Brown’sche Molekularbewegung

In Kapitel 7 wurde erläutert, dass die Aggregatzustände abhängig sind vom Energiegehalt eines Stoffes und damit von seiner Temperatur. Die Temperatur ist wiederum ein Maß für die Bewegung der Teilchen eines Stoffes; - ist die Temperatur gering, so bewegen sie sich nur wenig. Ist die Temperatur hoch, so bewegen sie sich stark.

In einem Versuch wird ein Trichter in einen mit Wasser gefüllten Standzylinder getaucht. Die obere Öffnung des Trichters ist mit einem Wattestopfen verschlossen, auf welche etwas kristallines Kaliumpermanganat (KMnO₄) gegeben wird. Anschließend lässt man einige Tropfen Wasser auf die Kristalle tropfen.

Das Kaliumpermanganat (dunkelviolett) löst sich in den Wassertropfen und gelangt durch die Watte in das Trichterrohr. In einer dunkelvioletten Spur fällt es im Standzylinder nach unten und setzt sich auf dem Boden ab.

Anschließend entfernt man den Trichter, sodass kein weiteres Kaliumpermanganat mehr nachströmen kann. Entgegen der Erwartung, dass sich eine dicke, violette Schicht auf dem Boden des Standzylinders absetzt, verteilt sich der Farbstoff nach und nach einheitlich über den gesamten Inhalt.

Diesen Vorgang gleichmäßiger räumlicher Verteilung von Teilchen in einer Flüssigkeit oder in einem Gas nennen wir Diffusion. Diffusion ist eine Folge der Brown’schen Molekularbewegung, welcher alle Teilchen in einer Flüssigkeit oder in einem Gas unterworfen sind. Die Stärke der Brown’schen Molekularbewegung ist abhängig von der Temperatur. Bei niedriger Temperatur ist sie geringer, bei höherer Temperatur ist sie stärker. Die Brown’sche Molekularbewegung wurde 1827 vom schottischen Botaniker Robert Brown (wieder-)entdeckt, nachdem schon ca. 50 Jahre zuvor ähnliche Beobachtungen gemacht wurden.

10. Wasserstoff – Sauerstoff – Wasser

In einem Versuch wird Wasserstoff aus einer Gasflasche in einen umgestülpten Glaszylinder (Wasserstoffgas ist leichter als Luft!) geleitet. Nähert man eine brennende Kerze dem unteren Gefäßrand, so hört man einen leisen Knall. Bringt man die Kerze ins Innere des Zylinders, so erlischt sie. Im abgedunkelten Raum erkennt man am unteren Rand des Zylinders eine fahlblaue Flamme. Zieht man die erloschene Kerze wieder aus dem Zylinder heraus, so entzündet sie sich wieder an dieser Flamme.

Der Wasserstoff verbrennt am unteren Behälterrand. Dabei reagiert er mit dem Sauerstoff der Luft. Für eine Verbrennung ist immer Sauerstoff erforderlich.

In einem weiteren Versuch werden eine Wasserstoff- und eine Sauerstoff- Gasflasche an einen Brenner angeschlossen. Das Gasgemisch wird entzündet und reagiert mit einem Knall. Am Ende der Flamme wird das Reaktionsprodukt in einem umgestülpten Becherglas aufgefangen. An den Wänden des Becherglases bilden sich Tropfen, Wasserdampf kondensiert hier zu Wasser.

Es wurde bereits dargestellt, dass sowohl Wasserstoff wie auch Sauerstoff zu den Elementen gehören, welche molekular vorkommen (siehe Kap. 6). Eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff, sei es durch fortlaufende Zumischung aus Gasflaschen oder auch ein Gasgemisch in einem Gefäß, heißt Knallgas. Entzündet man die Mischung, reagieren Wasserstoff und Sauerstoff explosionsartig miteinander, hierbei wird – je nach Mischungsverhältnis – ein sehr lauter Knall erzeugt.

Diese Gleichung wäre im Prinzip links und rechts des Pfeils ausgeglichen. Da als Reaktionsprodukt jedoch kein einzelnes Sauerstoffatom gebildet wird (sondern lediglich Wasser), muss ein weiteres Wasserstoffmolekül eingesetzt werden:

Zwei Wasserstoffmoleküle reagieren mit einem Sauerstoffmolekül unter Bildung von zwei Wassermolekülen.

In einem Versuch wird Wasser in einem Erlenmeyer-kolben erhitzt. Der Wasserdampf wird über Magnesium-pulver geleitet. Am Ende der Reaktionsstrecke kann man Wasserstoff nachweisen.

In ein Reagenzglas gibt man nassen Seesand und überschichtet diesen mit Zinkpulver (Zn). Beim Erhitzen nimmt der entstehende Wasserdampf seinen Weg durch das Zinkpulver und reagiert hierbei mit diesem. Auch hier kann Wasserstoff als Reaktionsprodukt nachgewiesen werden.

Wasserstoffgas strömt durch eine Waschflasche mit Schwefelsäure (H₂SO₄), in der es von evtl. Feuchtigkeitsresten befreit wird. Das trockene Gas wird in ein Röhrchen mit schwarzem Kupferoxid (CuO) geleitet. Bereits nach kurzer Zeit erkennt man, dass Teile des schwarzen CuO zu rötlichem, metallischen Kupfer (Cu) geworden sind. Gleichzeitig bildet sich am Glas ein Beschlag von kondensierendem Wasserdampf. Der übrige Wasserstoff kann entzündet werden.