Materialaufstellung und Hinweise
Allgemeine Hinweise
Das Experimentiermaterial sollte an festen Plätzen ausliegen. Für einen mobilen Einsatz an den Schülertischen ist die Verwendung von Materialkörbchen, in denen sich das benötigte Material be- findet, empfehlenswert.
Die verwendeten Chemikalien müssen ordnungsgemäß entsorgt werden. Es empfiehlt sich, entspre- chende Sammelbehälter passend gekennzeichnet und gut sichtbar aufzustellen sowie die Lernenden darauf hinzuweisen. Je nach länderspezifischen rechtlichen Vorlagen müssen die Gefährdungsbeurtei- lungen (s. Anhang) entsprechend angepasst werden.
Da sich die Lernenden einen wichtigen Bereich der anorganischen Chemie eigenständig aneignen sollen, empfiehlt sich das Führen eines Labortagebuchs, in dem für jede Station kurze Anmerkun- gen zu folgenden Impulsen notiert werden:
An dieser Station habe ich gelernt, … Mir ist noch nicht klar, …
Mich würde zusätzlich interessieren, …
Das Labortagebuch bleibt in der Schule und kann von der Lehrkraft eingesehen werden. Mögliche Verständnisschwierigkeiten können so zeitnah ausgeräumt und weitere Lerninteressen berücksichtigt werden.
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Anja Dombrowski: Lernzirkel Periodensystem und Atommodell © Auer Verlag Chemische Verwandtschaften
Station 1
Die Alkali- und Erdalkalimetalle (1)
Alle Mitglieder einer Hauptgruppe haben eine wichtige Gemeinsamkeit: Sie haben die gleiche Anzahl von Elektronen in der Außenschale. Die Außenelektronen werden auch als Valenzelek- tronen bezeichnet. Sie bestimmen das chemische Verhalten der Elemente. Daher ist zu erwarten, dass alle Mitglieder einer Hauptgruppe ähnliche chemische Eigenschaften besitzen.
Bei den Elementen der I. und II. Haupt- gruppe kann man das sehr gut beobachten.
In der I. Hauptgruppe stehen die Mitglie- der der Elementfa- milie der Alkalimetalle. Zu ihnen gehören die Elemente Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) und Francium (Fr). Einzige Ausnahme bildet Wasserstoff, der nicht zu den Alkalimetallen zählt. Aber auch Wasserstoff zeigt eine wichtige Eigenschaft der Elemente der I. Hauptgruppe: Er besitzt, wie die anderen Elemente, nur ein Valenzelektron und ist daher sehr reaktionsfreudig. Alkalimetal- le kommen daher in der Natur nicht elementar vor, sondern nur in Form von Verbindungen. Sie reagieren sehr hef-
tig mit Wasser unter Bildung von Laugen.
Die Heftigkeit dieser Reaktion nimmt vom Lithium zum Caesi- um hin zu. Aufgrund
ihrer großen Reaktivität mit Wasser und Sau- erstoff (in der Luft) werden Lithium, Natrium und Kalium unter Paraffin aufbewahrt. Ru- bidium und Caesium werden in Gläser einge- schmolzen. Francium ist ein instabiles, radio- aktives Element.
Alkalimetalle gehö- ren zu den Leichtme- tallen, weil sie eine relativ geringe Dichte (< 2,5 g/cm3) besit- zen. Sie sind sehr
weiche Feststoffe, die man mit einem Messer leicht schneiden kann. (Caesium wird sogar in der Hand, durch die Körpertemperatur, flüssig.) Die frischen Schnittstellen glänzen metallisch.
Dieser Glanz verschwindet aber sehr schnell und wird durch bunt schillernde Farben ersetzt, da die Alkalimetalle an der Luft schnell oxidieren.
Schließlich überziehen sie sich mit einer Oxid- schicht, die die Alkalimetalle dann in einem glanzlosen Grau erscheinen lässt.
Die Elemente der II. Hauptgruppe zeigen ein sehr ähnliches chemisches Verhalten wie die Alkalimetalle. Allerdings sind ihre Reaktio- nen nicht so heftig wie die der Elemente der I. Hauptgruppe. Da sie in beträchtlichem Maß am Aufbau der Erdkruste beteiligt sind, wer- den sie als Erdalkalimetalle bezeichnet. Zu den Erdalkalimetallen gehören die Elemente Be- ryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und das radioak- tive Radium (Ra).
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Lithium
Kalium
Natrium
I N FO RM AT I O N S S EI T E
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Station 2
Die Reaktivität von Erdalkali- metallen im Vergleich
Calcium und Magnesium sind Erdalkalimetalle. Ihr Reaktionsverhalten gegenüber Wasser ähnelt dem der Alkalimetalle. Sie reagieren aber nicht so heftig wie die Elemente der I. Hauptgruppe. Mit- hilfe des Versuchs könnt ihr untersuchen, wie heftig Magnesium und Calcium mit Wasser reagieren.
Versuch: Reaktivität von Erdalkalimetallen mit Wasser
Vermutung: Kreuzt an.
Magnesium reagiert heftiger mit Wasser. Calcium reagiert heftiger mit Wasser.
Begründung:
Geräte Chemikalien Aufbau
2 Reagenzgläser, 1 durchgebohrter Stopfen mit Gasableitungsrohr, 1 kleines Reagenzglas, Schmirgel- papier, 1 Gasbrenner, 1 Reagenz- glasklammer, 1 Pinzette, Zusatz- blätter
Calciumkörner , Magnesiumband,
Phenolphthaleinlösung , Wasser
Durchführung
a) Füllt ein Reagenzglas zur Hälfte mit Wasser. Gebt ein bis zwei Calcium- körner dazu und verschließt es mit dem Stopfen. Um das entstehende Gas aufzufangen, stülpt nach beendeter Reaktion das kleinere Reagenz- glas senkrecht über die Öffnung des Glasrohrs und löst den Stopfen.
Gebt nun einen Tropfen Phenolphthalein in die Lösung im Reagenzglas.
b) (Evtl. Lehrerversuch!) Nun wird mit dem aufgefangenen Gas die Knallgas- probe durchgeführt. Fragt euren Lehrer, wer diesen Schritt übernehmen darf.
c) Füllt ein weiteres Reagenzglas zur Hälfte mit Wasser. Gebt hier das angeschmirgelte Magnesiumband dazu und verschließt es mit dem Stopfen. Beobachtet den Versuch. Wenn keine sichtbare Veränderung eintritt, gebt einen Tropfen Phenolphthalein dazu und beobachtet erneut.
Wenn wieder keine Veränderung eintritt, erwärmt das geschlossene Rea- genzglas vorsichtig über der Brennerflamme. Um das entstehende Gas aufzufangen, stülpt nach beendeter Reaktion das kleinere Reagenzglas senkrecht über die Öffnung des Glasrohrs und löst den Stopfen.
d) (Evtl. Lehrerversuch!) Nun wird mit dem aufgefangenen Gas die Knallgas- probe durchgeführt. Fragt euren Lehrer, wer diesen Schritt übernehmen darf.
Wasser
Calcium
Beobachtungen: Notiert eure Beobachtungen auf einem Zusatzblatt.
Ergebnis: Wie bei den Alkalimetallen nimmt die Heftigkeit der Reaktion auch bei den Erdalkali- metallen von oben nach unten innerhalb einer Hauptgruppe ___________________ . Calcium steht unter Magnesium, daher reagiert es _______________________________ mit Wasser. Die Pinkfärbung des Indikators Phenolphthalein zeigt an, dass bei der Reaktion eine _______________________________ entsteht. Die beob- achteten deuten auf eine Gasentwicklung hin. Durch die Knallgasprobe
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Station 4
Die Halogene – Allgemeines (1)
Die Elemente der VII. Hauptgruppe bezeich- net man als Halogene. Es handelt sich um die Elemente Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Iod (I) und das radioaktive Astat (At). Alle Halo- gene sind sehr reaktionsfreudig und gehen mit anderen Stoffen sehr leicht Verbindungen ein.
Deshalb kommen die Halogene in der Natur in der Regel nicht elementar vor. Vor allem die Reaktion der Halogene mit Metallen verläuft oft spektakulär, weil sie stark exotherm ist.
Das Wort „Halogen” leitet sich aus dem Grie- chischen ab und bedeutet so viel wie „Salz- bildner”. Dies kann man darauf zurückführen, dass alle Halogene mit Metallen Verbindungen bilden die zur Stoffgruppe der Salze gehören:
Halogensalze (Halogenide).
Ein gutes Beispiel dafür ist das aus dem tägli- chen Gebrauch bekannte Kochsalz. Chemisch gesehen ist Kochsalz eine Verbindung aus Natrium und Chlor. Der chemische Name für Kochsalz lautet Natriumchlorid und hat die Formel NaCl.
Man kann Natriumchlorid in einer stark exo- thermen Reaktion aus den Elementen Natrium und Chlor herstellen.
Natrium + Chlor ➞ Natriumchlorid 2 Na + Cl2 ➞ 2 NaCl
Allgemein:
Metall + Halogen ➞ Metallhalogenid
Die Benennung von Metallhalogeniden folgt diesem Schema:
Name des Metalls + Name des Halogens + -id als Endung
Beispiel: Reagiert das Metall Calcium mit Brom so entsteht Calciumbromid.
In elementarer Form bestehen Halogene nicht aus Atomen, son- dern aus zweiatomigen Molekü- len. Daher schreibt man in Reak- tionsgleichungen immer F2, Cl2, Br2 oder I2.
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Aufgabe 1
Ergänze mithilfe deines Chemiebuchs die Tabelle.
Halogen Molekül- formel
Atommasse
(in u) Farbe Aggregat- zustand
Schmelz- temperatur
(in °C)
Siede- temperatur
(in °C)
Dichte bei 20 °C (in g/cm3) Fluor
Chlor
Brom
Iod
INFORMATIONSSEITE
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Station 5
Die Halogene im Alltag (2)
Aufgabe 1
Beschreibe, wie sich die Reaktivität der Halogene von Fluor bis Iod verändert.
Aufgabe 2
Auf einer Zahncremeverpackung ist die Aufschrift „Enthält Fluor für gesunde Zähne“ zu lesen.
a) Beschreibe, warum das aus chemischer Sicht nicht stimmt.
b) Mache einen Vorschlag für eine fachlich korrekte Aufschrift.
Aufgabe 3
Halogenverbindungen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Schreibe unter jedes Bild, welches Halogen (in Form einer Halogenverbindung) genutzt wird.
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Station 6
Sublimation von Iod (2)
Versuch 2: Iod hilft Detektiven
Material Chemikalien
1 Petrischale mit Glasdeckel, 1 Spatel,
1 Filterpapier, Abzug, Zusatzblätter Iodkristalle (zerrieben) Sicherheitshinweise
Die Dämpfe, die bei diesem Versuch entstehen, sind giftig! Führt Versuchsteil b nur unter dem Abzug durch!
Durchführung
a) Ein Gruppenmitglied drückt seine Fingerkuppen fest auf das Filterpapier. Legt das Papier in die Petrischale. (Für ein besseres Ergebnis hat euer Lehrer möglicherweise Iodkristalle zerkleinert.) Gebt eine Spatelspitze feine Iodkristalle neben das Filterpapier in die Petrischale. Verschließt die Petrischale mit dem Glasdeckel. Beobachtet das Geschehen mindestens 15 Minuten.
b) Nehmt (unter dem Abzug!) den Glasdeckel nach ungefähr 25 Minuten wieder ab. Stellt die Pet- rischale offen in den Abzug. Beobachtet was geschieht und notiert eure Ergebnisse.
Beobachtungen: Notiert eure Beobachtungen auf einem Zusatzblatt.
Aufgabe
Ergänzt die Lücken. Verwendet dazu die folgenden Begriffe in den Erklärungen:
diffundiert – entfärben – festen – offen – sublimiert – violette.
Erklärung des Versuchs:
Iod liegt im ____________________________ Zustand in Form von kleinen, dunkelvioletten Kristallen vor. Bereits bei Zimmertemperatur geht Iod teilweise in den gasförmigen Zustand über, es __________________________ . Das Gas färbt die Umgebung bräunlich. Das Iodgas löst sich besonders gut in den fetthaltigen Finger- abdrücken. Das Papier und das Fett ______________________________ sich wieder. Nimmt man den Glasdeckel von der Petrischale ab, so __________________________ das Iod wieder in die Umgebungsluft (und den Abzug).
Erklärung des Sicherheitshinweises:
Beim Erhitzen von Iod entstehen _______________________________ Dämpfe, die giftig sind und die Atemwege reizen. Daher muss das Reagenzglas im Versuch 1 immer verschlossen bleiben und Versuch 2b im Abzug durchgeführt werden. Aus diesem Grund wird Iod nicht _______________________________ gelagert, son- dern muss in dicht schließenden braunen Glasflaschen aufbewahrt werden.
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Aufgabe 1
Nenne sechs gemeinsamen Eigenschaften von Edelgasen.
Aufgabe 2
Ergänze die Tabelle mithilfe deines Chemiebuchs.
Eigenschaften Helium Neon Argon Krypton Xenon Radon Siedetemperatur
Dichte
Aufgabe 3
Begründe, mithilfe der Siedetemperaturen (aus Aufgabe 2), warum alle Edelgase bei Zimmertempe- ratur gasförmig sind.
Aufgabe 4
In der Technik werden Edelgase durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gewonnen. Flüssige Luft hat eine Temperatur von ca. -190 °C. Gib an, in welcher Reihenfolge man die Edelgase bei der fraktionierten Destillation in flüssiger Luft auffangen kann.
Aufgabe 5
Im Jahr 1962 wurde eine unerwartete Entdeckung gemacht. Forscher konnten eine Xenonverbindung nachweisen. Inzwischen sind mehrere Xenonverbindungen bekannt, an denen meisten das Element Fluor beteiligt ist.
a) Begründe, warum die Entdeckung einer Xenonverbindung die chemische Fachwelt damals so erstaunt hat.
b) Begründe, warum ausgerechnet das Element Fluor an den Xenonverbindungen beteiligt ist.
Aufgabe 6
Gib an, welche Eigenschaften Helium zu einem geeigneten Füllgas von Heißluftballonen machen.
Aufgabe 7
Beschreibe mithilfe des Schalenmodells, wodurch sich ein Heliumatom von den Atomen aller anderen Edelgase unterscheidet.
Station 8
Die Edelgase (2)
Hinweis: Beantworte die Aufgaben auf einem Zusatzblatt.
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Anja Dombrowski: Lernzirkel Periodensystem und Atommodell © Auer Verlag Chemische Verwandtschaften 1. Nenne alle Mitglieder der Elementfamilie der Edelgase. (3 Punkte)
2. Gib an, welche chemische Bedeutung das Wort „edel“ im Familiennamen der (2 Punkte) Edelgase hat.
3. Beschreibe, welche Gemeinsamkeit die Edelgasatome bei der Verteilung ihrer (1 Punkt) Elektronen haben.
4. Gib an, welches der folgenden Elemente nicht zu den Alkalimetallen gehört: (1 Punkt) Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Strontium, Caesium.
5. Nenne drei gemeinsame Eigenschaften der Alkalimetalle. (3 Punkte)
6. Ergänze den folgenden Satz: Die Reaktivität der Alkalimetalle nimmt innerhalb (1 Punkt) einer Hauptgruppe von oben nach unten _______________________________ .
7. Begründe, warum Natrium und Kalium in Paraffin aufbewahrt werden. (1 Punkt)
8. Beschreibe zwei Eigenschaften, in denen sich Alkalimetalle und Erdalkalimetalle (2 Punkte) ähnlich sind.
9. Beurteile kurz die Aussage eines Mineralwasserherstellers, der mit einem niedrigen (2 Punkte) Natriumgehalt und hohen Magnesiumgehalt in seinem Wasser wirbt.
