2. Einheit:

UNTERSUCHUNG VON WASSER UND LUFT

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ZIELE DER HEUTIGEN EINHEIT Am Ende der Einheit Untersuchung von Wasser und Luft..  ..können sie die wesentlichen Bestandteile der Luft mit dem jeweiligen Prozentanteil benennen.  ..können Sie wesentliche Eigenschaften der Gase Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff benennen.  ..sind Sie in der Lage eine allgemeine Reaktionsgleichung zur Verbrennung von Metallen mit Luft zu formulieren.  ..kennen Sie Methoden zum Nachweis von Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser.

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WIEDERHOLUNG: ATOMAUFBAU/ PSE  Protonen  Sitzen im Atomkern

 Positiv geladen  Masse ungefähr 1 unit

Ordnungszahl

 Neutronen

Elementmasse

 Sitzen im Atomkern  Neutrale Teilchen  Masse ungefähr 1 unit

 Elektronen  Befinden sich in Elektronenwolken (Schalen)  Negative Ladung  Fast masselos Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

Valenzelektronen (äußerste Schale) definieren die Hauptgruppe 3 von 32

EXKURS DIE REAKTIONSGLEICHUNG (1)  Hilfe zur Beschreibung einer chemischen Reaktion: Links stehen die Ausgangsstoffe: Edukte

𝐴 𝑔 + 𝐵 𝑙 → 𝐴𝐵 (𝑠) Rechts stehen die Produkte

 Reaktionspfeil  Aggregatzustände in Klammern hinter der Verbindung (g: gasförmig, l: flüssig, s: fest, aq: gelöst)  die Anzahl der individuellen Atome sowie die Ladungen sind links und rechts gleich (gleich viele A links wie rechts) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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WORAUS BESTEHT LUFT?  Hauptbestandteile von Luft: – Stickstoff (N2): – Sauerstoff (O2): – Edelgase (Argon, Helium, ..): – Kohlenstoffdioxid (CO2):

~ 78 % Diese Zahlen sollte man ~ 21 % sich merken! ~1% ~ 0,03 %

http://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Atmung/start/voraus/bildvor/kreiluft.jpg Zugriff: 24.04.2014 16:07

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WORAUS BESTEHT LUFT?

Hauptbestandteile

(übrige) Edelgase

Spurengase

Variable Bestandteile

Bestandteile

Konzentration

Stickstoff (N2) Sauerstoff (O2) Argon (Ar) Kohlenstoffdioxid (CO2)

78,08 % 20,95 % 0,93 % 0;033 % (= 330 ppm)

Neon (Ne) Helium (He) Krypton (Kr) Xenon (Xe)

18 ppm 5 ppm 1 ppm 0,09 ppm

Methan (CH4) Kohlenstoffmonoxid (CO) Wasserstoff (H2) Distickstoffoxid (N2O)

1,5 ppm 0,1 ppm 0,5 ppm 0,25 ppm

Ozon (O3) Schwefeldioxid (SO2) Ammoniak (NH3) Stickstoffdioxid (NO2) Stickstoffmonoxid (NO)

0,02 – 0,2 ppm 0,002 ppm 0,02 ppm 0,003 ppm 0,003 ppm

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STICKSTOFF  Elementsymbol:  

  

 

N Ordnungszahl: 7 rel. Atommasse (g/mol): 14,007 elementare Form: N2 Gehalt in der Luft: 78,09% Dichte (in g/l bei 0 °C): 1,2505 Siedetemperatur: -196 °C Schmelztemperatur: -210 °C wichtige Oxidationszahlen: -3, 0,+5

  weitere Eigenschaften:

http://www.internetchemie.info /chemiewiki/images/e/e9/Sticks toff.png Zugriff: 28.04.2014 16:05

gasförmig, geruchslos, nicht brennbar

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STICKSTOFF: EIGENSCHAFTEN  Stickstoff ist nicht brennbar wie z. B. H2 und unterhält nicht die Verbrennung wie O2 → Er erstickt die Flamme.  Reaktionsträges Gas, das bei Normalbedingungen kaum Verbindungen eingeht  Reaktion mit Wasserstoff (Haber-Bosch-Verfahren) – 𝑁2 𝑔 + 3 𝐻2 𝑔 → 2 𝑁𝐻3 𝑔  Reaktion mit Sauerstoff (unter extremen Bedingungen ≈ 2000°C) – 𝑁2 𝑔 + 𝑂2 𝑔 → 2𝑁𝑂 (𝑔)  Stickstoffatome sind dagegen chemisch sehr aktiv und reagieren mit zahlreichen Elementen. (Stickoxide) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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STICKSTOFF: VERWENDUNG  Herstellung von Ammoniak NH3 (Haber-Bosch-Verfahren)  Herstellung von Salpetersäure HNO3 (Ostwald-Verfahren)

 Herstellung von anderen Stickstoffverbindungen  Stickstoff wird als chemisch sehr träges Füllgas in

Brennstoffbehältern und Glühlampen benutzt  Als Schutzgas bei chemischen Reaktionen

 Ist wesentlicher Bestandteil von Stickstoffdüngemittel

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SAUERSTOFF  Elementsymbol:  

  

  



O Ordnungszahl: 8 rel. Atommasse (g/mol): 15,9994 elementare Form: O2 Gehalt in der Luft: 20,95 % Dichte (in g/l bei 0 °C): 1,429 http://www.internetchemie.info/ chemiewiki/images/a/a3/Sauerst off.png Zugriff: 8.04.2014 16:05 Siedetemperatur: -183 °C Schmelztemperatur: -219 °C wichtige Oxidationszahlen: -2, -1, 0 weitere Eigenschaften: gasförmig, geruchslos, unterstützt die Verbrennung

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SAUERSTOFF: EIGENSCHAFTEN  Sauerstoff unterstützt die Verbrennung, je höher die Sauerstoffkonzentration, umso heftiger die Verbrennungen. (brandfördernd)  Verbrennt mit den meisten Elementen unter Feuer- und Lichterscheinungen zu Oxiden (exotherme Reaktionen) – Sauerstoff reagiert u.a. mit den meisten Metallen – Ausnahme: Edelmetalle, z.B. Silber und Gold

 bildet Knallgas (Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch) – 𝑂2 𝑔 + 2 𝐻2 𝑔 → 2 𝐻2 𝑂 𝑔 – Knallgasprobe (s. Versuch 2.1.) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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SAUERSTOFF: GEWINNUNG IM LABOR  Elektrolyse von Wasser im Hoffmann‘schen WasserZersetzungsapparat  Es entsteht Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis von 2:1

 2 𝐻2 𝑂 𝑙 → 2 𝐻2 𝑔 + 𝑂2 (𝑔)  Siehe Block 10 (15.01.2016) – Lohnt sich im Hinterkopf zu behalten

M. Tausch, M. Von Wachtendonk: Chemie 1., Sek.1-Buch, C.C Buchners Verlag Bamberg 1996, S. 76 B3

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SAUERSTOFF: NACHWEIS  Die Glimmspanprobe Ein glimmender Holzspan wird in ein Reagenzglas , welches mit Sauerstoff gefüllt ist eingeführt → Entflammen zeigt Sauerstoff an

 Siehe Block 10 (15.01.2016) – Lohnt sich im Hinterkopf zu behalten

www.seilnacht.tuttlingen.com Zugriff: 24.04.2014

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SAUERSTOFF: VERWENDUNG  In der Technik überall, wo Verbrennungsvorgänge bei hohen Temperaturen durchgeführt werden sollen. – Beispiele: Schweißen, Hochofen, Stahlgewinnung, Raketenantrieb

 Sauerstoff kommt in grauen Stahlflaschen mit weißem Kragen in den Handel.

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VERBRENNUNGSWÄRME Bei einer Verbrennung wird Energie in Form von Licht und Wärme freigesetzt. Beispiele:  Schwefel in Sauerstoff 𝑆 𝑠 + 𝑂2 𝑔 → 𝑆𝑂2 (𝑔)  Eisen mit Sauerstoff 2 𝐹𝑒 𝑠 + 𝑂2 𝑔 → 2 𝐹𝑒𝑂 (𝑠)  Magnesium mit Sauerstoff 2 𝑀𝑔 𝑠 + 𝑂2 𝑔 → 2 𝑀𝑔𝑂 𝑠  Zink mit Sauerstoff 2 𝑍𝑛 𝑠 + 𝑂2 𝑔 → 2 𝑍𝑛𝑂 𝑠  Aluminium mit Sauerstoff 4 𝐴𝑙 𝑠 + 3 𝑂2 𝑔 → 2 𝐴𝑙2 𝑂3 𝑠 Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

www.seilnacht.tuttlingen.com Zugriff: 24.04.2014 16:05

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WASSERSTOFF  Elementsymbol:  

  

  



H Ordnungszahl: 1 rel. Atommasse (g/mol): 1,008 elementare Form: H2 Gehalt in der Luft: 0,5 ppm Dichte (in g/l bei 0 °C): 0,08988 http://www.internetchemie.i nfo/chemiewiki/images/1/14 Siedetemperatur: -252,76 °C /Wasserstoff.png Zugriff: 2804-2014 16:06 Schmelztemperatur: -259,14 °C wichtige Oxidationszahlen: -1, 0, 1 weitere Eigenschaften: gasförmig, geruchslos, brennbar

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WASSERSTOFF: VORKOMMEN  Häufigstes Element im Weltall  große Planeten wie Jupiter und Saturn sowie die meisten Fixsterne und Galaxien bestehen überwiegend aus Wasserstoff  Sonne erzeugt ihre Energie durch Kernverschmelzung von Wasserstoffatomen  0,88 % in der Erdhülle  in gebundener Form in zahlreichen Verbindungen wie Wasser, Eiweißen, Kohlenwasserstoffen, Kohlenhydrate, Säuren etc.

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WASSERSTOFF: EIGENSCHAFTEN  Stabilste Form des Wasserstoffs ist das Molekül H2.  Löslichkeit von H2 in Wasser ist gering (21 ml H2/l Wasser). – In Platin und besonders Palladium löslich.

 14,4 mal leichter als Luft; diffundiert leicht durch poröse Trennwände.  wichtigste Eigenschaft Brennbarkeit: verbrennt mit Sauerstoff zu Wasser.  Bildet mit Sauerstoff ein Knallgas, das bei Entzündung explodiert.

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WASSERSTOFF: HERSTELLUNG  Im Labor: – Elektrolyse von Wasser 2 𝐻2 𝑂 (𝑙) → 𝑂2 𝑔 + 2 𝐻2 (𝑔) – Säure + unedle Metalle z.B. Zinkperlen in Salzsäure 𝑍𝑛 𝑠 + 2 𝐻𝐶𝑙 𝑎𝑞 → 𝑍𝑛2+ 𝑎𝑞 + 2 𝐶𝑙 − 𝑎𝑞 + 𝐻2 (𝑔)

 In der Technik: – Umsetzung von Methan mit Wasserdampf 𝐶𝐻4 𝑔 + 𝐻2 𝑂 𝑔 → 3 𝐻2 𝑔 + 𝐶𝑂 (𝑔)

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WASSERSTOFF: REAKTIONEN  Knallgas 𝑂2 𝑔 + 2 𝐻2 𝑔 → 2 𝐻2 𝑂 𝑔 → 2:1 ist am effektivsten

 Verbrennung mit Sauerstoff 𝑂2 𝑔 + 2 𝐻2 𝑔 → 2 𝐻2 𝑂 𝑔

 Gleiche Reaktion ABER LANGSAMER!!

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WASSER: STECKBRIEF        

Chemische Formel H2O, Molekulargewicht 18,015 g/mol klare, farb- und geruchlose Flüssigkeit. Siedepunkt 100 °C, Gefrierpunkt 0°C Bei 4 °C hat Wasser die größte Dichte (1,0000 g/mL) Das Wasser-Molekül hat eine gewinkelte Struktur (Dipol) Hohe Verdampfungswärme ca. 2,26 kJ/g (40,7 kJ/mol). Viele Gase werden in Wasser „physikalisch“ gelöst, d.h. ohne zu reagieren (z.B. CO2, O2, N2, H2).  Wasserhärte

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WASSER  Etwa 3/4 der Erdoberfläche sind von Wasser der Ozeane und kontinentalen Wasserläufen bedeckt.  Tierische und pflanzliche Substanzen bestehen zum größten Teil aus Wasser, manche Gemüsesorten bis zu 90 %  Der menschliche Körper besteht zu 60 bis 70% aus Wasser.  Die Atmosphäre kann bis zu 4% Wasser als Luftfeuchtigkeit aufnehmen.

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2.1. DARSTELLUNG VON WASSER AUS WASSERSTOFF Demoversuch  Wasserstoff wird kontrolliert verbrannt – Knallgasprobe – Flammenfarbe  Produkt wird mit weißem Kupfersulfat überprüft (Wasserteststreifen) – Farbumschlag weiß → blau

 Reaktionsgleichung  Wasserstoff + Sauerstoff → Wasser

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2.2. VERBRENNUNG VON METALLEN  Metalle brennen mit unterschiedlichen Farben  Verbrennungsreaktion ist unterschiedlich heftig  Stärke hängt ab von – Element (Magnesium reaktiv, Zink wenig reaktiv) – Zerteilungsgrad (Band, Granalie, Pulver) – Sauerstoffgehalt (je mehr Sauerstoff desto heftiger)

 Verbrennungsprodukte reagieren mit Wasser sauer oder basisch:

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2.2. METALLOXIDE IN WASSER  Alkalisch (basisch) → Indikatorpapier blau Beispiele: Magnesium: 𝑀𝑔𝑂 𝑠 + 𝐻2 𝑂 𝑙 → 𝑀𝑔 𝑂𝐻 Zink:

𝑍𝑛𝑂 𝑠 + 𝐻2 𝑂 𝑙 → 𝑍𝑛 𝑂𝐻

2

2

𝑎𝑞

𝑎𝑞

 sauer → Indikatorpapier rot Beispiele: Aluminium: 2 𝐴𝑙 3+ 𝑎𝑞 + 12 𝐻2 𝑂 𝑙 → 2 [𝐴𝑙(𝐻2 𝑂)6 ]3+ (𝑎𝑞) + 2 𝐻2 𝑂 𝑙 → 2 [𝐴𝑙𝑂𝐻(𝐻2 𝑂)5 ]2+ 𝑎𝑞 + 2 𝐻3 𝑂+ (𝑎𝑞) sauer Eisen: 2 𝐹𝑒 2+ 𝑠 + 12 𝐻2 𝑂 𝑙 → 2 [𝐹𝑒(𝐻2 𝑂)6 ]2+ (𝑎𝑞) + 2 𝐻2 𝑂 𝑙 → 2 [𝐹𝑒𝑂𝐻(𝐻2 𝑂)5 ]+ 𝑎𝑞 + 2 𝐻3 𝑂+ 𝑎𝑞 sauer Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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2.3. LUFTZUSAMMENSETZUNG In einer geschlossenen Apparatur wird mit einem bestimmten Volumen Luft Eisenwolle verbrannt  Der enthaltene Sauerstoff wird verbraucht  Die restlichen Luftbestandteile reagieren nicht  Aus der Differenz lässt sich der Sauerstoffanteil in der Luft bestimmen  Luft die keinen Sauerstoff mehr enthält, unterhält die Verbrennung nicht

M. Tausch, M. Von Wachtendonk: Chemie 1., Sek.1-Buch, C.C Buchners Verlag Bamberg 1996, S. 42 B2

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2.4. REAKTION VON MAGNESIUM MIT WASSERDAMPF  Magnesium brennt unter Wasser – Sauerstoff aus dem Wassermolekül

 Es entsteht Wasserstoff und Magnesiumoxid  Magnesium brennt mit heller Flamme  Wasserstoff kann mit Knallgasprobe 1. nachgewiesen werden  Versuch zeigt, dass Metalle nicht mit Wasser gelöscht werden können → Sand, (Kohlenstoffdioxid) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

2.

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2.5. KUPFERBRIEF Je nachdem in welchem Verhältnis ein Metall und Sauerstoff miteinander reagieren, können unterschiedliche Oxide gebildet werden  Die Oxide unterscheiden sich in der Oxidationszahl des Metalls  Die Oxide haben unterschiedliche Farben  Kupfer(I): rot

4 𝐶𝑢 𝑠 + 𝑂2 𝑔 → 2 𝐶𝑢2 𝑂 (𝑠)  Kupfer(II): schwarz

2 𝐶𝑢 𝑠 + 𝑂2 𝑔 → 2 𝐶𝑢𝑂 (𝑠)  Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, kann keine Reaktion stattfinden. Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

http://www.rsahrensboek.lernnetz.de/chemie/ni/ni07.jpg Zugriff: 28.04.2014 16:00

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