Gesamtband
Schroedel
Chemie heute – Sekundarbereich I
Gesamtband
Herausgegeben von Wolfgang Asselborn Manfred Jäckel Dr. Karl T. Risch Bernhard Sieve
Bearbeitet von
Wolfgang Asselborn Dr. Sebastian Musli Prof. Dr. Hans-Dieter Barke Horst Oehr
Sophia Bonk Gabriele Pölking
Dr. Bernd Dreßel Ulrike Porombka
Rosemarie Förster Elke Radau-Lambert
Bernd Fredelake Jens Rickers
Dr. Hermann Hammes-Therré Dr. Karl T. Risch Sarah Hentschel Dr. Rolf Schulte-Coerne
Manfred Jäckel Prof. Theophil Schwenk
Norbert Jäckel Bernhard Sieve
Elisabeth Kaundinya Liane Soetebier
Dr. Ulrich Müller Michael Walory
Beratung: Dr. Claudia Hendann, Dr. Peter Seym-Born Dieses Werk ist in Teilen eine Bearbeitung von Chemie heute,
ISBN 978-3-507-86016-2, 978-3-507-86043-8, 978-3-507-86044-5, 978-3-507-86060-5, 978-3-507-88006-1.
© 2013 Bildungshaus Schulbuchverlage
Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH, Braunschweig www.schroedel.de
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Druck A⁵ / Jahr 2015
Alle Drucke der Serie A sind im Unterricht parallel verwendbar.
Redaktion: Dr. Sven Horst, Dr. Mario Puchner, Christiane Gmelin Fotos: Michael Fabian, Hans Tegen
Grafiken: Birgitt Biermann-Schickling, Brigitte Karnath, Karin Mall, Heike Möller, Birgit Schlierf, Beltz Bad Langensalza GmbH Satz: tiff.any GmbH, Berlin
Umschlagsgestaltung: Janssen Kahlert Design & Kommunikation GmbH, Hannover Druck und Bindung: westermann druck GmbH, Braunschweig
ISBN 978-3-507-88009-2
1 Chemie – eine Naturwissenschaft . . . 10
1.1 Was ist Chemie? . . . 11
Übersicht: Naturwissenschaften – von der Beobachtung zur Theorie . . . . 12
Praktikum: Rotkohl oder Blaukraut? . . . 13
Methode: Richtig experimentieren . . . 14
Methode: Richtig protokollieren . . . 15
Übersicht: Sicheres Experimentieren . . . 16
Übersicht: Sicher entsorgen . . . 17
Praktikum: Umgang mit dem Gasbrenner . . . 18
2 Stoffeigenschaften und Teilchenmodell . . . 20
2.1 Stoffe und ihre Eigenschaften . . . 22
2.2 Schmelztemperatur und Siedetemperatur . . . 24
2.3 Dichte . . . 25
Praktikum: Untersuchung von Stoffen – Teil 1 . . . 26
2.4 Wasser löst vieles, aber nicht beliebig viel . . . 28
2.5 Saure und alkalische Lösungen . . . 30
2.6 Nichtwässrige Lösemittel . . . 31
Praktikum: Untersuchung von Stoffen – Teil 2 . . . 32
2.7 Stoffe bestehen aus Teilchen . . . 34
2.8 Der Lösevorgang im Teilchenmodell . . . 36
Praktikum: Teilchenmodell . . . 37
2.9 Ordnungssysteme für Stoffe . . . 38
Methode: Lernen mit Maps . . . 40
Basiswissen: Stoffeigenschaften und Teilchenmodell . . . 41
Training: Stoffeigenschaften und Teilchenmodell . . . 42
3 Mischen und Trennen . . . 44
3.1 Reinstoffe und Gemische . . . 46
Übersicht: Gemische . . . 48
3.2 Trennung von Stoffgemischen – Meerwasserentsalzung . . . 49
Übersicht: Trennverfahren . . . 50
Praktikum: Trennung von Stoffgemischen . . . 52
3.3 Trinkwasseraufbereitung und Abwasserreinigung . . . 54
Basiswissen: Mischen und Trennen . . . 56
Training: Mischen und Trennen . . . 57
4 Chemische Reaktionen . . . 58
4.1 Woran man chemische Reaktionen erkennt . . . 60
Praktikum: Chemische Reaktionen im Labor . . . 62
Experimentelle Hausaufgaben: Chemische Reaktionen im Alltag . . . 63
4.2 Chemische Energie und Energieerhaltung . . . 64
Exkurs: Energie – ein Streifzug durch die Physik . . . 65
4.3 Sauerstoff – Reaktionspartner aus der Luft . . . 66
Praktikum: Luft und Verbrennungsvorgänge . . . 68
Praktikum: Untersuchung von Gasen . . . 69
4.4 Luft – ein Gasgemisch wird zerlegt . . . 70
4.5 Atmen und Rosten . . . 72
Exkurs: Vom Feuerstein zum Piezofeuerzeug . . . 73
3
Inhaltsverzeichnis
4.6 Brandentstehung – Brandbekämpfung . . . 74
Praktikum: Brandbekämpfung . . . 76
Basiswissen: Chemische Reaktionen . . . 77
Training: Chemische Reaktionen . . . 78
5 Atome und der Aufbau von Stoffen . . . 80
5.1 Element und Verbindung . . . 82
5.2 Dalton und die Atome . . . 84
Exkurs: Fotoreise in die Welt der Atome . . . 86
Exkurs: Die Teilchenanzahl – unvorstellbar groß . . . 87
Exkurs: Graphit und Diamant – zwei Stoffe, ein Element . . . 87
Übersicht: Teilchenmodell und Atommodell im Vergleich . . . 88
Praktikum: Chemische Grundgesetze . . . 89
5.3 Grundgesetze chemischer Reaktionen . . . 90
5.4 Die Formeln der Chemiker – eine internationale Zeichensprache . . . . 92
5.5 Reaktionsgleichungen – Reaktionen in der Formelsprache . . . 94
5.6 Welche Formel hat Wasser? . . . 96
5.7 Eigenschaften von Wasserstoff . . . 98
Exkurs: Wasserstoff als Energieträger . . . 99
5.8 Atome durchlaufen Stoffkreisläufe . . . 100
Praktikum: Wasser und Wasserstoff . . . 102
Basiswissen: Atome und der Aufbau von Stoffen . . . 103
Training: Atome und der Aufbau von Stoffen . . . 104
6 Vom Erz zum Metall . . . 106
6.1 Metalle – Partner des Fortschritts . . . 108
6.2 Vom Metalloxid zum Metall – eine Reduktion . . . 110
Praktikum: Metalloxide . . . 112
Exkurs: Aus der Geschichte der Metalle . . . 113
6.3 Vom Eisenerz zum Roheisen . . . 114
6.4 Vom Roheisen zum Edelstahl . . . 116
6.5 Recycling von Metallen . . . 118
Basiswissen: Vom Erz zum Metall . . . 119
Training: Vom Erz zum Metall . . . 120
7 Quantitative Beziehungen – klare Verhältnisse . . . 122
7.1 Stoffmenge und molare Masse – wie Chemiker Teilchen zählen . . . 124
7.2 Avogadro und die Gase . . . 126
Exkurs: Gasgesetze . . . 128
7.3 Konzentrationsangaben für Lösungen . . . 129
7.4 Von der Reaktionsgleichung zum Stoffumsatz . . . 130
Methode: Berechnungen – genau, aber nicht zu genau . . . 132
Basiswissen: Quantitative Beziehungen – klare Verhältnisse . . . 133
Training: Quantitative Beziehungen – klare Verhältnisse . . . 134
8 Chemische Verwandtschaften . . . 136
8.1 Natrium – ein ungewöhnliches Metall . . . 138
8.2 Die Elementfamilie der Alkalimetalle . . . 140
8.3 Calcium und seine Verwandten – die Erdalkalimetalle . . . 142
Praktikum: Alkalimetalle und Erdalkalimetalle . . . 144
8.4 Chlor und seine Verwandten – die Halogene . . . 146
8.5 Halogene bilden Salze . . . 148
Praktikum: Halogene . . . 149
8.6 Argon und seine Verwandten – die Edelgase . . . 150
Basiswissen: Chemische Verwandtschaften . . . 151
Training: Chemische Verwandtschaften . . . 152
9 Atombau und Periodensystem . . . 154
9.1 Das Periodensystem der Elemente . . . 156
Exkurs: Der lange Weg zum Periodensystem der Elemente . . . 157
9.2 Atome enthalten Elektronen . . . 158
9.3 Große Forscher – kleinste Teilchen . . . 160
9.4 Modell des Atomkerns . . . 162
Exkurs: Massenspektrometrie . . . 164
Exkurs: Probleme und Gefahren der Kernenergie . . . 165
9.5 Modell der Atomhülle . . . 166
9.6 Atombau und Periodensystem . . . 168
Exkurs: Röntgenstrahlung in der Medizin . . . 170
Basiswissen: Atombau und Periodensystem . . . 171
Training: Atombau und Periodensystem . . . 172
10 Salze – aus Ionen aufgebaut . . . 174
10.1 Salze im Alltag . . . 176
Praktikum: Eigenschaften von Salzen . . . 178
Praktikum: Ein Natriumchloridkristall im Modell . . . 179
10.2 Struktur und Eigenschaften von Salzen . . . 180
10.3 Die Verhältnisformeln salzartiger Stoffe . . . 182
Praktikum: Nachweis von Anionen in wässriger Lösung . . . 184
Exkurs: Nützliche Steine – edle Steine . . . 185
10.4 Bildung von Salzen aus den Elementen . . . 186
10.5 Salzbildung energetisch betrachtet . . . 188
Basiswissen: Salze – aus Ionen aufgebaut . . . 189
Training: Salze – aus Ionen aufgebaut . . . 190
11 Atome im Multipack – Moleküle . . . 192
11.1 Was die Atome in Molekülen zusammenhält . . . 194
11.2 Strukturformeln für Moleküle . . . 196
11.3 Der räumliche Bau von Molekülen – das EPA-Modell . . . 198
11.4 Das Wasser-Molekül – neutral oder geladen? . . . 200
11.5 Wechselwirkungen zwischen Molekülen . . . 202
11.6 Die Wasserstoffbrückenbindung . . . 204
11.7 Stoffe lösen sich in Wasser – eine Betrachtung im Modell . . . 206
Praktikum: Eigenschaften von Wasser . . . 208
11.8 Molekülstruktur und Stoffeigenschaft . . . 209
Übersicht: Chemische Bindungen im Vergleich . . . 210
Basiswissen: Atome im Multipack – Moleküle . . . 211
Training: Atome im Multipack – Moleküle . . . 212
5
12 Saure, alkalische und neutrale Lösungen . . . 214
12.1 Saure und alkalische Lösungen im Alltag . . . 216
12.2 Säuren und saure Lösungen . . . 218
12.3 Vom Nichtmetall zur sauren Lösung . . . 220
Exkurs: Gleich konzentriert – aber unterschiedlich sauer? . . . 221
Praktikum: Saure und alkalische Lösungen . . . 222
12.4 Hydroxide und alkalische Lösungen . . . 224
12.5 Der pH-Wert . . . 226
12.6 Neutralisation – Gegensätze heben sich auf . . . 228
Praktikum: Neutralisation und Salzbildung . . . 230
12.7 Titration – Wie konzentriert ist eine Lösung? . . . 232
Praktikum: Titration . . . 234
Exkurs: Säuren und Basen – Begriffe ändern ihre Bedeutung . . . 235
12.8 Säure-Base-Reaktionen – Protonen auf Wanderschaft . . . 236
Praktikum: Protolyse . . . 238
Basiswissen: Saure, alkalische und neutrale Lösungen . . . 239
Training: Saure, alkalische und neutrale Lösungen . . . 240
13 Redoxreaktionen – Konkurrenz um Elektronen . . . 242
13.1 Metalle – die Struktur bestimmt die Eigenschaften . . . 244
Exkurs: Metallgitter . . . 245
13.2 Redoxreaktionen – Elektronen auf Wanderschaft . . . 246
13.3 Wer oxidiert wen? – edle und unedle Metalle . . . 248
Praktikum: Elektronen auf Wanderschaft . . . 249
Methode: Aufstellen von Redoxgleichungen . . . 250
Übersicht: Das Donator-Akzeptor-Konzept . . . 251
13.4 Korrosion – ungewollte Redoxreaktionen . . . 252
13.5 Kampf der Korrosion! . . . 254
Praktikum: Korrosion und Korrosionsschutz . . . 256
13.6 Aluminium – widerstandsfähig durch Eloxieren . . . 257
Praktikum: Eloxieren von Aluminium . . . 257
13.7 Elektrisch mobil – Batterien und Akkumulatoren . . . 258
Praktikum: Batterien selbst gebaut . . . 260
Übersicht: Für jeden Zweck die richtige Batterie . . . 261
13.8 Brennstoffzelle – alter Hut oder Zunkunftsvision? . . . 262
Basiswissen: Redoxreaktionen – Konkurrenz um Elektronen . . . 263
Training: Redoxreaktionen – Konkurrenz um Elektronen . . . 264
14 Chemie und Technik . . . 266
14.1 Reaktionsgeschwindigkeit . . . 268
14.2 Katalyse . . . 270
14.3 Vom Schwefel zur Schwefelsäure . . . 272
14.4 Reaktionen der Schwefelsäure . . . 274
Exkurs: Entschwefelung – Sieg über den sauren Regen . . . 275
Exkurs: Sulfate – Salze der Schwefelsäure . . . 276
Praktikum: Sulfate . . . 277
14.5 Vom Rohphosphat zur Phosphorsäure . . . 278
Praktikum: Phosphate . . . 279
14.6 Vom Stickstoff zum Ammoniak . . . 280
14.7 Vom Ammoniak zur Salpetersäure . . . 282
Praktikum: Ammoniak und Salpetersäure . . . 283
14.8 Der Stickstoffkreislauf . . . 284
14.9 Düngemittel – Chemie in der Landwirtschaft . . . 285
14.10 Vom Kohlenstoff zur Kohlensäure . . . 286
14.11 Carbonate in der Natur . . . 288
14.12 Baustoffe chemisch betrachtet – Mörtel . . . 290
Praktikum: Rund um den Kalk . . . 291
14.13 Der Kohlenstoffkreislauf – mehr als ein Kreislauf . . . 292
Basiswissen: Chemie und Technik . . . 294
Training: Chemie und Technik . . . 296
15 Chemie der Kohlenwasserstoffe . . . 298
15.1 Methan – Kohlenwasserstoff Nummer Eins . . . 300
15.2 Alkane – eine homologe Reihe . . . 302
Übersicht: Formeln der Alkane . . . 303
Praktikum: Biogas . . . 304
Übersicht: Alkane und ihre Nomenklatur . . . 305
15.3 Feuerzeuggas – was ist das? . . . 306
15.4 Isomerie bei Alkanen . . . 307
15.5 Van-der-Waals-Bindungen und Stoffeigenschaften . . . 308
Praktikum: Van-der-Waals-Bindungen . . . 309
15.6 Reaktionen der Alkane . . . 310
Exkurs: Die radikalische Substitution . . . 312
Praktikum: Gesättigte Kohlenwasserstoffe . . . 313
15.7 Organische Halogenverbindungen – Segen und Fluch . . . 314
15.8 Alkene und Alkine . . . 316
Praktikum: Alkene . . . 318
Exkurs: Aromatische Kohlenwasserstoffe . . . 319
15.9 Fossile Brennstoffe . . . 320
15.10 Gewinnung und Aufbereitung von Erdöl und Erdgas . . . 322
15.11 Kraftstoffe aus Erdöl . . . 324
Exkurs: Auto-Abgaskatalysator . . . 326
Praktikum: Kraftstoffe . . . 327
15.12 Energie aus nachwachsenden Rohstoffen . . . 328
Exkurs: Umweltprobleme und Lösungsansätze . . . 330
15.13 Energie aus Sonnenlicht . . . 331
15.14 Treibhauseffekt und Erderwärmung . . . 332
Basiswissen: Chemie der Kohlenwasserstoffe . . . 334
Training: Chemie der Kohlenwasserstoffe . . . 336
16 Organische Sauerstoffverbindungen . . . 340
16.1 Ethanol – der bekannteste Alkohol . . . 342
16.2 Alkohol macht süchtig . . . 344
16.3 Alkanole – eine homologe Reihe . . . 346
16.4 Molekülstruktur und Stoffeigenschaften der Alkanole . . . 348
Übersicht: Alkanole . . . 349
16.5 Mehrwertige Alkohole . . . 350
Praktikum: Alkohole . . . 351
16.6 Aldehyde und Ketone . . . 352
Praktikum: Oxidationsprodukte der Alkohole . . . 354
Exkurs: Redoxreaktion und Oxidationszahl . . . 356
16.7 Carbonsäuren . . . 358
7
16.8 Molekülstruktur und Stoffeigenschaften der Alkansäuren . . . 360
Exkurs: Carbonsäuren mit mehreren funktionellen Gruppen . . . 361
Exkurs: Organische Säuren – Zusatzstoffe in Lebensmitteln . . . 362
Praktikum: Carbonsäureester . . . 363
16.9 Ester – Produkte aus Alkoholen und Säuren . . . 364
Basiswissen: Organische Sauerstoffverbindungen . . . 366
Training: Organische Sauerstoffverbindungen . . . 368
17 Chemie rund um die Nährstoffe . . . 370
17.1 Lebensmittel haben es in sich . . . 372
17.2 Fette – chemisch betrachtet . . . 374
17.3 Fette in unserer Nahrung . . . 376
17.4 Vom Fett zur Seife . . . 377
Praktikum: Seifen . . . 378
17.5 Wie wäscht Seife? . . . 379
17.6 Kohlenhydrate – chemisch betrachtet . . . 380
17.7 Stärke und Cellulose – nachwachsende Rohstoffe . . . 382
17.8 Kohlenhydrate in unserer Nahrung . . . 384
17.9 Vom Holz zum Papier . . . 385
Praktikum: Kohlenhydrate . . . 386
Praktikum: Eiweißstoffe . . . 387
17.10 Eiweiße – chemisch betrachtet . . . 388
17.11 Eiweiße in unserer Nahrung . . . 390
Basiswissen: Chemie rund um die Nährstoffe . . . 391
Training: Chemie rund um die Nährstoffe . . . 392
18 Kunststoffe . . . 394
18.1 Die Struktur bestimmt die Eigenschaft . . . 396
Praktikum: Kunststoffe . . . 398
18.2 Polymerisation und Polykondensation . . . 400
18.3 Biokunststoffe und Recycling . . . 402
Basiswissen: Kunststoffe . . . 404
Training: Kunststoffe . . . 405
Anhang . . . 406
Lösungen: Teste dich . . . 406
Gefahrenhinweise und Sicherheitshinweise (H- und P-Sätze) . . . 428
Stoffliste . . . 431
Tabellen . . . 437
Kleines Lexikon der Chemie . . . 438
Stichwortverzeichnis . . . 441 Hinweis: Zu den rot markierten Aufgaben finden Sie im Lösungsheft gestufte Hilfen als Kopiervorlagen.
① Dreifuß
② Tondreieck
③ Stehkolben
④ Erlenmeyerkolben
⑤ Messzylinder
⑥ Standzylinder
⑦ Spritzflasche
⑧ Waage
⑨ Trichter
⑩ Kolbenprober
⑪ Drahtnetz
⑫ Reagenzglasständer
⑬ Reagenzglas mit Ansatzrohr
⑭Stopfen
⑮ Reagenzglas
⑯ Schutzbrille
⑰ Doppelmuffe
⑱ Stativklemme
⑲ Stativ
⑳ Thermometer
Messpipette Vollpipette Gasbrenner Reagenzglas-
klammer Tropfpipette Tiegelzange Becherglas Spatel Glasstab
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