2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion...

15
Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 1 2  Vom Kochsalz zur Ionenbindung 2.1  Salz, nicht nur zum Würzen Zu den Aufgaben A1 a) In Lebensmittelmärkten ist oft ein sehr reichhaltiges Angebot an verschiedenen Sorten Kochsalz zu finden. Neben geographischen Hinweisen auf den Ursprungsort (z. B. Bad Reichen- haller Salz, Himalaya-Salz) finden sich Kennzeichnungen, die auf das Gewinnungsverfahren hinweisen, z. B.: – Meersalz, – Siedesalz, – Salz aus Natursole. b) 0,5 g/kg · 70 kg = 35 g 5 g/kg · 70 kg = 350 g Die letale Dosis von Kochsalz für einen Erwachsenen mit einem Körpergewicht von 70 kg variiert zwischen 35 g und 350 g. Dies entspricht 6 - 70 Teelöffeln Kochsalz. A2 Zur Salzgewinnung aus Meerwasser sollte auch Sonnenstrahlung ausreichend zur Verfügung stehen. Dies ist an der Nordsee kaum gegeben. A3 Man geht einen Kompromiss zwischen verschiedenen Zielsetzungen ein. A4 a) Leitungswasser enthält gelöste Mineralien, z. B. gelösten Kalk in Form von Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen, und auch gelöste Luft. Entmineralisiertes Wasser ist reines Wasser, das keine Stoffe gelöst enthält. (Leitungswasser wird hier mit Trinkwasser gleichgesetzt, wie dies im allgemeinen Sprachgebrauch üblich ist.) b) Destilliertes Wasser ist Wasser, das durch das Trennverfahren Destillation, z. B. aus Leitungs- wasser oder Salzwasser, gewonnen werden kann. Hinweis: In der Schule und vielen Laboren wird „entsalztes Wasser“ häufig als destilliertes Wasser bezeichnet, obwohl es nicht durch Destillation, sondern durch Ionenaustausch gewonnen worden ist. Angemessener wäre es von entmineralisiertem oder demineralisiertem Wasser oder deionisier- tem Wasser bzw. von vollentsalztem Wasser oder Deionat zu sprechen. Allerdings können Schülerinnen und Schüler im Anfangsunterricht mit dem Begriff destilliertes Wasser eher eine Vorstellung verknüpfen. Es gibt auch einige Schulen, die ihr entmineralisiertes Wasser durch Destillation gewinnen. A5 Eine isotonische Kochsalzlösung wird in der Medizin bei Infusionen in die Blutbahn einge- setzt. Bei Verwendung von reinem Wasser würden die Blutzellen aufgrund des osmotischen Druckes platzen. Umgekehrt würde eine konzentriertere Salzlösung den Zellen Wasser entziehen und sie so zum Schrumpfen bringen. Die isotonische Kochsalzlösung enthält Natriumchlorid mit einem Massenanteil w von w  (NaCl) = 0,9 %. Anmerkung: Sofern der osmotische Druck nicht aus dem Biologieunterricht bekannt ist, sollte hier eine kurze Erläuterung gegeben werden. Eindrücklich dürfte eine Demonstration mithilfe der Pfeffer’schen Zelle sein. Ein glockenförmiges Gefäß mit Steigrohr ist unten mit einer semipermeablen Mem- bran verschlossen. Sie lässt Wasser-Moleküle, aber keine Salz-Ionen hindurch. Füllt man in das Gefäß eine Salzlösung und stellt es in reines Wasser, so tritt mehr Wasser in das Gefäß ein, als umgekehrt durch die Membran austritt, da pro Zeiteinheit auf die Flächeneinheit in der Salz- lösung weniger Wasser-Moleküle auf die Membran treffen als von der Seite des reinen Wassers. Die Lösung verdünnt sich daher, und im Steigrohr ist ein Anstieg festzustellen, bis der hydrosta- tische Druck den osmotischen Effekt kompensiert. Auf diese Art lässt sich der osmotische Druck messen.

Transcript of 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion...

Page 1: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 1

2  Vom Kochsalz zur Ionenbindung

2.1  Salz, nicht nur zum Würzen

Zu den AufgabenA1 a) In Lebensmittelmärkten ist oft ein sehr reichhaltiges Angebot an verschiedenen Sorten Kochsalz zu finden. Neben geographischen Hinweisen auf den Ursprungsort (z. B. Bad Reichen-haller Salz, Himalaya-Salz) finden sich Kennzeichnungen, die auf das Gewinnungsverfahren hinweisen, z. B.:– Meersalz, – Siedesalz, – Salz aus Natursole.b) 0,5 g/kg · 70 kg = 35 g5 g/kg · 70 kg = 350 gDie letale Dosis von Kochsalz für einen Erwachsenen mit einem Körpergewicht von 70 kg variiert zwischen 35 g und 350 g. Dies entspricht 6 - 70 Teelöffeln Kochsalz.

A2 Zur Salzgewinnung aus Meerwasser sollte auch Sonnenstrahlung ausreichend zur Verfügung stehen. Dies ist an der Nordsee kaum gegeben.

A3 Man geht einen Kompromiss zwischen verschiedenen Zielsetzungen ein.

A4 a) Leitungswasser enthält gelöste Mineralien, z. B. gelösten Kalk in Form von Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen, und auch gelöste Luft. Entmineralisiertes Wasser ist reines Wasser, das keine Stoffe gelöst enthält. (Leitungswasser wird hier mit Trinkwasser gleichgesetzt, wie dies im allgemeinen Sprachgebrauch üblich ist.)b) Destilliertes Wasser ist Wasser, das durch das Trennverfahren Destillation, z. B. aus Leitungs-wasser oder Salzwasser, gewonnen werden kann.

Hinweis: In der Schule und vielen Laboren wird „entsalztes Wasser“ häufig als destilliertes Wasser bezeichnet, obwohl es nicht durch Destillation, sondern durch Ionenaustausch gewonnen worden ist.Angemessener wäre es von entmineralisiertem oder demineralisiertem Wasser oder deionisier-tem Wasser bzw. von vollentsalztem Wasser oder Deionat zu sprechen. Allerdings können Schülerinnen und Schüler im Anfangsunterricht mit dem Begriff destilliertes Wasser eher eine Vorstellung verknüpfen. Es gibt auch einige Schulen, die ihr entmineralisiertes Wasser durch Destillation gewinnen.

A5 Eine isotonische Kochsalzlösung wird in der Medizin bei Infusionen in die Blutbahn einge-setzt. Bei Verwendung von reinem Wasser würden die Blutzellen aufgrund des osmotischen Druckes platzen. Umgekehrt würde eine konzentriertere Salzlösung den Zellen Wasser entziehen und sie so zum Schrumpfen bringen. Die isotonische Kochsalzlösung enthält Natriumchlorid mit einem Massenanteil w von w (NaCl) = 0,9 %.

Anmerkung:Sofern der osmotische Druck nicht aus dem Biologieunterricht bekannt ist, sollte hier eine kurze Erläuterung gegeben werden. Eindrücklich dürfte eine Demonstration mithilfe der Pfeffer’schen Zelle sein. Ein glockenförmiges Gefäß mit Steigrohr ist unten mit einer semipermeablen Mem-bran verschlossen. Sie lässt Wasser-Moleküle, aber keine Salz-Ionen hindurch. Füllt man in das Gefäß eine Salzlösung und stellt es in reines Wasser, so tritt mehr Wasser in das Gefäß ein, als umgekehrt durch die Membran austritt, da pro Zeiteinheit auf die Flächeneinheit in der Salz-lösung weniger Wasser-Moleküle auf die Membran treffen als von der Seite des reinen Wassers. Die Lösung verdünnt sich daher, und im Steigrohr ist ein Anstieg festzustellen, bis der hydrosta-tische Druck den osmotischen Effekt kompensiert. Auf diese Art lässt sich der osmotische Druck messen.

Page 2: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

2 Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz

A6 Zahnschmelz besteht zu einem großen Teil aus „Hydroxylapatit“, Ca5[OH(PO4)3]. Durch Zahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“, Ca5[F(PO4)3], entsteht. Allerdings laufen chemische Reaktionen an Festkörperoberflächen nur langsam.(Die Benennungen als Apatite sind mineralogische Trivialnamen.)

A7 a) Man betrachtet des Etikett einer Mineralwasserflasche und findet z. B.: Ca2+, Mg2+, Na+, SO4

2–, HCO3–, Cl–.

b) Bei sportlicher Betätigung gehen mit dem Schweiß Mineralsalze verloren. Sie sollen ersetzt werden.

A8 Das Salz liegt im Wasser gelöst vor. Die Filtermaterialien wirken hier wie ein Sieb, durch dessen Poren die Wasserteilchen und die Teilchen des Salzes schlüpfen.

2.3  Industrielle Salzgewinnung

Zu den AufgabenA1 Das Filterpapier wirkt wie ein Sieb. Die Flüssigkeit kann die Filterporen durchdringen, während ungelöste Bestandteile der Suspension wegen ihrer Größe auf dem Filterpapier liegen bleiben.

A2 a) Steinsalz zerkleinern und Wasser zusetzen (Kochsalz herauslösen): Trennung aufgrund der

unterschiedlichen Löslichkeit.b) Filtrieren der Suspension (Abtrennen von unlöslichem Gestein): Trennung aufgrund der Größe

der Filterporen.c) Eindampfen der Salzlösung (Trennen von Wasser und Kochsalz): Trennung aufgrund der

unterschiedlichen Siedetemperaturen der beiden Stoffe.

A3 Verwendung von Kochsalz

Haushalt/Alltag Technik

– zum Würzen– zum Konservieren– als Auftausalz– zum Regenerieren der Entsalzungsteile von

Spülmaschinen

– zur Herstellung von Soda, Natron, Chlor, Natronlauge

– als Auftausalz– als Kühlsole– als Hilfsmittel zum Färben– zum Gerben von Häuten

MedienUnterrichtsfilm „Salzgewinnung: Nutzung deutscher Lagerstätten“, FWU-Nr. 3203191Unterrichtsfilm „Salz im Spätmittelalter“, FWU-Nr. 3203302Unterrichtsvideo „Salz – Entstehung, Gewinnung, Verwendung“, FWU-Nr. 4202774

Weitere Informationenhttp://www.salzwerke.de (01.06.2013); http://www.esco-salt.com (01.06.2013) http://www.quarks.de (Suchen: Salz) (01.06.2013)

Page 3: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 3

2.4  Trinkwasser aus Salzwasser

Zu den VersuchenV1 Bei Apparatur nach B1a kondensiert der Wasserdampf zwar im Glasrohr bzw. im Becherglas, nach kurzer Zeit entweichen aber auch „Wolken“ aus kondensiertem Wasserdampf aus dem Gefäß. Bei Apparatur nach B1b ist die Kühlung wesentlich intensiver, es entweicht kein Wasserdampf mehr.

V2 Das Destillat ist wie die Ausgangslösung farblos und klar, schmeckt aber nicht mehr salzig, sondern fad. Im Destillationskolben scheidet sich an der Gefäßwand ein weißer Stoff ab, Koch-salz.

V3 Bei diesem Experiment ist eine Porzellanschale dem Reagenzglas vorzuziehen. Der Abdampf-prozess kann zügiger vorgenommen werden. Beim Reagenzglas besteht die Gefahr, dass bei ungeduldiger Vorgehensweise siedendes Wasser herausspritzt. Aus der Beobachtung, dass sich an der Wand der Porzellanschale bzw. an der Reagenzglaswand ein weißer Belag abscheidet, kann man schließen, dass Leitungswasser kein Reinstoff, sondern ein Stoffgemisch ist (bestehend aus Wasser und gelösten Mineralsalzen).

Zu den AufgabenA1 Lösungen, Suspensionen und Emulsionen lassen sich trennen, sofern die Siedetemperaturen der Bestandteile genügend weit auseinander liegen. Andernfalls gelingt die Trennung nur unvollständig.

A2

Geschmack Reinstoff/Gemisch Entstehungsweise

Destilliertes Wasser

fade Reinstoff Es kann durch Destillation von Leitungswasser her-gestellt werden.

Meerwasser salzig Stoffgemisch Die Meere sind durch Kondensation von Wasserdampf bei der Abkühlung der Erde vor einigen Milliarden Jahren entstanden. Flüsse wuschen aus dem Gestein Salz aus und transportierten es ins Meer.

Regen-wasser

fade Stoffgemisch Es entsteht durch Verdunsten von Oberflächenwasser (Meere, Seen und Flüsse) und Kondensation des Wasserdampfs in kälteren Luftschichten. Der Regen nimmt Bestandteile der Luft auf (z. B. Kohlenstoff-dioxid, gasförmige Schadstoffe und Stäube).

A3 Gegenstromprinzip: Das Kühlwasser strömt dem zu kühlenden Dampf entgegen. Dadurch trifft der zunächst heiße Dampf auf ein lauwarmes Kühlwasser. Erst weiter unten ist das Kühlwas-ser kälter und kann kurz vor dem Austritt des Kondensats besonders stark kühlend wirken, weil es hier selbst noch die ursprüngliche niedrige Temperatur besitzt.Dieses Verfahren ist effizienter als das umgekehrte Vorgehen, bei dem das Kondensat zum Schluss nur mit einem bereits aufgewärmten Kühlwasser Wärmeaustausch betreiben könnte.

A4 Bei der Kombination von Salzproduktion und Meerwasserentsalzung nutzt man beide Komponenten der Lösung Meerwasser: Das entsalzte Wasser steht als Trinkwasser zur Verfügung, das gewonnene Salz kann als Speisesalz verwendet werden.

Page 4: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

4 Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz

2.5  Exkurs Destillation und Teilchenmodell

Häufig liest man, die Möglichkeit der Trennung zweier Komponenten einer Lösung durch Destillation sei auf den Unterschied in den Siede temperaturen (der Reinstoffe) zurückzuführen. Dies ist jedoch nicht zufriedenstellend. Die Siedetemperaturen der Reinstoffe sind in der Lösung nicht vorhanden, da die Reinstoffe selbst nicht vorliegen. In der Lösung können nicht zwei Siede- temperaturen präsent sein; sie hat genau eine Siedetemperatur, und diese ist weder die Siede-temperatur des einen noch die des anderen Reinstoffes. Die unterschiedlichen Siedetemperaturen der Reinstoffe können wegen ihres Nichtvorhandenseins nicht die Basis für die Trennbarkeit bilden.Vielmehr hat die Dampfphase (Gasphase) aufgrund des Unter schiedes in den Dampfdrücken eine andere Zusammensetzung als die Flüssigkeit. Dies ermöglicht die Trennung. Die Trennbarkeit einerseits und der Unterschied der Siedetemperaturen andererseits gehen also auf eine gemein-same Ursache zurück, nämlich auf den Unterschied der Dampfdrücke. Dieser wiederum ist hauptsächlich eine Folge des Unterschiedes der zwischenmolekularen Wechselwirkungen.

Besonders ließe sich diese Betrachtungsweise auf die Destillation von Lösungen zweier Flüssig-keiten anwenden. Auch hier wird argumentiert, dass man bei der Destillation die Verschiedenheit der Siedetemperaturen (z. B. von Wasser und Ethanol) ausnutze. Dies könnte die bekannte Fehlvorstellung nähren, dass in der Lösung die Siedetemperaturen beider Komponenten vorhan-den seien, wenn sie sogar die Basis für die Trennung bilden. Nach dieser Fehlvor stellung erreicht man beim Erhitzen irgendwann die Siedetemperatur des Ethanols, dieses siedet dann, das Wasser dagegen noch nicht; und später erreicht man ggf. auch noch die Siedetemperatur des Wassers. Dabei lag oberhalb der Siedetemperatur des Alkohols bereits reines Wasser vor.Faktisch hat aber die Lösung nicht zwei Siedetemperaturen, sondern eine einzige. Diese ist weder die Siedetemperatur des Wassers noch die des Alkohols, sondern eine dritte, die von der Zusam-mensetzung der Mischphase abhängt. Dies steht in gewisser Analogie zu der Tatsache, dass die Lösung auch nur eine Dichte hat, nicht etwa zwei. Entsprechendes gilt für andere Stoffeigenschaf-ten. Die Stoffeigen schaften der Komponenten bleiben in der Lösung nicht unverändert erhalten.

Da die Stoffeigenschaften der Ausgangsstoffe in der Lösung nicht vorliegen, kann auch kaum vom Vorhandensein der Stoffe gesprochen werden. Was soll man sich unter einem Stoff vorstel-len, der seine Stoffeigenschaften nicht hat? Es gibt keinen Stoff in der Lösung, weil es das Teilchenaggregat nicht gibt, welchem die Stoffeigenschaften zukämen. Ein Ausdruck wie „gelöster Stoff“ sollte daher vermieden werden. Entweder liegt der Stoff vor, dann ist er nicht gelöst. Oder es liegt eine Lösung vor, dann ist es nicht der Stoff. Man kann von den Komponenten der Lösung sprechen und auch von gelösten Komponenten, die Komponenten sind dabei durch die Teilchen-arten definiert.

Besonders deutlich wird dieser Sachverhalt beim Betrachten von Feststoffen, die beim Lösen ihre Stoffeigenschaften mindestens weitgehend deshalb verlieren, weil die Stoffeigenschaften (z. B. die Dichte) an die Teilchenanordnung gebunden sind. Beim Lösen geht offenbar die Teilchen-anordnung des Feststoffes verloren und damit zugleich alles, was daran gebunden war, und das heißt: die Stoffeigenschaften wie Dichte, Schmelztemperatur usw. Eine Lösung verfügt nicht mehr über die Stoffeigenschaften, die ihre Komponenten, wenn sie als reine Stoffe vorlägen, hätten oder vor dem Lösen hatten. In der Lösung bleiben Teilchen der Stoffe erhalten, aber nicht die Stoffe. Man sieht auch hier die Wichtigkeit der Unterscheidung von Stoff- und Teilchenebene. Es sind die verschiedenen Dampfdrücke, die dazu führen, dass der Dampf über der Lösung eine andere Zusammen setzung hat als die Flüssigkeit. Die unterschiedlichen Dampfdrücke gibt es durchaus auch über der Mischphase, nur dass die Dampfdrücke noch gemäß dem jeweiligen Anteil der Komponente verringert sind. Die Dampfphase hat so viele Partialdrücke wie Kompo-nenten. Für die Dampfdrücke gilt also, dass ihre Anzahl sich beim Mischen nicht verringert, während sich zum Beispiel die Anzahl der Dichten oder der Siedetemperaturen immer auf 1 ver - ringern muss, egal wie viele Komponenten man löst.

Page 5: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 5

Deshalb liefert der Bezug auf die Dampfdrücke eine einwandfreie und daher auch besser verständliche Erläuterung der Trennbarkeit als das Argumentieren mit nicht vorliegenden Siedetemperaturen.

Wenn also die Dampfphase eine andere Zusammensetzung als die Flüssigkeit hat, muss sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit durch den Abgang der Komponenten in den Dampf ändern; die Flüssigkeit verarmt allmählich an derjenigen Komponente mit dem höheren Dampfdruck. Erst längeres Destillieren würde die Komponente mit dem höheren Dampfdruck weitgehend beseiti-gen. Dabei erhöht sich die Siedetemperatur allmählich aufgrund der sich ändernden Zusammen-setzung des Destillationssumpfes.Für die flüssige Mischphase muss plausibel gemacht werden, dass der Partialdruck einer Komponente im Dampf von der Zusammensetzung der Lösung und dem Partialdruck der reinen Komponente abhängt. Je geringer der Anteil des Ethanols in der Lösung, desto geringer ist der Partialdruck des Ethanols über der Lösung.

Der Zusammenhang der unterschiedlichen Siedetemperaturen mit dem Verhalten der Lösung beim Destillationsvorgang ist also allenfalls folgender: Zwei verschiedene reine Flüssigkeiten haben bei gleicher Temperatur i. A. verschiedene Dampfdrücke. Dies äußert sich auf mehrfache Weise. Bei den reinen Flüssigkeiten bringt der Dampfdruckunterschied mit sich, dass sie verschie-dene Siedetemperaturen haben. Bei Gemischen bewirkt der Unterschied der Dampfdrücke, dass Dampf und Flüssigkeit unterschiedlich zusammengesetzt sind. Hier liegen also mehrere Aus­wirkungen (verschiedene Siedetemperaturen; Trennbarkeit) ein und derselben Ursache vor (verschiedene Dampfdrücke).

Daher ist der Unterschied der Siedetemperaturen nicht die Ursache für die Trennbarkeit, sondern beide haben eine gemeinsame Ursache, und das ist der Unterschied der Dampfdrücke. Dies ist ohne den Begriff des Dampfdrucks kaum darstellbar.Der Hauptgrund dafür, dass immer wieder der Unterschied der Siedetemperaturen als Begrün-dung für die Trennbarkeit herhalten muss, dürfte darin liegen, dass bei heterogenen Gemischen natürlich die Unterschiede der Stoffeigenschaften die Basis für die Trennbar keit der Stoffgemi-sche liefern. Hier ist die Sachlage eben ganz anders und auch viel einfacher: Im heterogenen Gemisch liegen die verschie denen Stoffe mit ihren Stoffeigenschaften ja auch (nebeneinander) vor, im homogenen Gemisch eben nicht. Dieser prinzipielle Unterschied zwischen heterogenen und homo genen Gemischen ist bisher nicht immer genügend berücksichtigt worden.

Die Wichtigkeit des Dampfdruckbegriffs zeigt sich an späterer Stelle noch einmal, wenn über Flammtemperatur und die Entwicklung von Dämpfen über Flüssigkeiten (weit unterhalb der Siedetemperatur) gesprochen wird.

Zu den VersuchenV1 Mit einer Salzlösung mit w  (Natriumchlorid) ≈ 20 % erhält man eine Siedetemperatur von ca. 102,5 °C. Die gesättigte Kochsalzlösung hat eine Siedetemperatur von 108 °C. Beide Angaben gelten für den Normdruck.

V2 Die Temperatur am Kühler, d. h. die der Gasphase, bleibt bei 100 °C, während die Temperatur im Kolben (die der Lösung) während der Destillation durchaus 103 bis 104 °C erreichen kann.

V3 Bei der Destillation verändert sich die Temperatur im Kolben wie auch am Kühler. Die ersten Fraktionen riechen nach Alkohol und sind brennbar. Die Trennung gelingt besser, wenn im Siede- bereich des Alkohols die Temperatur im Kolben nur langsam erhöht wird. Wird „geschwefelter“ Wein zur Destillation verwendet, kann der Geruch des Destillats von dem des Schwefeldioxids überdeckt werden. Hilfreich ist dann ein Zusatz von einem Spatel Calciumcarbonat oder Calcium-hydroxid zu der zu destillierenden Flüssigkeit.

Page 6: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

6 Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz

2.6  Eigenschaften von Kochsalz

Zu den AufgabenA1 Man wiegt ein leeres Becherglas genügender Größe und füllt z. B. 100 ml der Lösung ein. Nach vorsichtigem Eindampfen (ohne Verspritzen), das vor allem zum Schluss sanft vorgenommen wird, wird das Becherglas erneut gewogen. Das (im Beispiel) Zehnfache der Massendifferenz gibt an, wie viel Kochsalz in einem Liter der Lösung enthalten waren.Das Verwenden eines kleineren Volumens der Lösung ist natürlich weniger genau als der Einsatz eines größeren Volumens, dafür aber praktikabler.

A2 a) Ab einer Luftfeuchtigkeit von ca. 75 % zieht Kochsalz Wasser der Umgebung an. Auch andere Verbindungen, wie z. B. Magnesiumchlorid, sind im Speisesalz enthalten. Magnesiumchlorid ist schon bei einer Luftfeuchtigkeit von ca. 33 % hygroskopisch. Einer Verklumpung des Speisesalzes durch die Feuchtigkeit der Umgebung wird durch Zusatz von Rieselhilfen entgegengewirkt.

b) Aluminiumsilicate (E 535, Kaolin) und Aluminiumhydroxid darf Speisesalz als Rieselhilfe zugesetzt werden. Aluminium-Verbindungen stehen in Verdacht, negative Auswirkungen auf das Nervensystem des Menschen zu haben. Beispielsweise wird ein Zusammenhang zwischen einer Anreicherung von Aluminium-Ionen im Gehirn und Demenz von manchen Forschern in Betracht gezogen. Auch andere Krankheiten wie Brustkrebs, Allergien und chronische Störungen unseres Immunsystems sehen verschiedene Wissenschaftler als toxische Wirkung von Aluminium-Ionen.Zusatzinformation: Speisesalz ist nicht die einzige „Aluminium-Ionen-Quelle“ für uns Menschen. Auch durch manche Impfstoffe, Reaktion von sauren oder salzigen Lebensmitteln mit Aluminium-verpackungen, durch Verwendung von aluminiumsalzhaltigen Deos usw. gelangen Aluminium-Ionen in unseren Körper. Dadurch kann eine Anreicherung von Aluminium-Ionen im Körper erfolgen.Filmtipp: Die Akte Aluminium – ein Dokumentarfilm von Bert Ehgartner

2.7  Die Alkalimetalle

Zum VersuchV1 Da die Alkalimetalle heftig mit Wasser reagieren, sind derartige Versuche mit der gebotenen Vorsicht auszuführen. – Es soll vermieden werden, dass sich ein Stück Alkalimetall für längere Zeit an der Glaswandung festsetzt.Bei der Reaktion mit Wasser entwickelt sich Wasserstoff, der sich durch die freiwerdende Reaktionswärme entzünden kann. Die im Wasser zurückbleibenden Hydroxid-Ionen führen zu einer alkalischen Lösung, was an der Indikatorfarbe erkannt werden kann.

Page 7: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 7

Zu den AufgabenA1 a) Die Dichten von Paraffinölen werden mit 0,81 bis 0,89 g/cm3 angegeben. Legt man eine Dichte bis etwa 0,85 g/cm3 zugrunde, kommt nur Lithium in Frage, welches hier aufschwimmt. Bei höherer Dichte des Paraffinöls kommt allenfalls noch Kalium in Betracht.b) Caesium (mit einer Schmelztemperatur von 28 °C) würde in der Hand schmelzen.(Natürlich darf ein solcher Versuch nicht durchgeführt werden.)

A2 Natrium reagiert heftig mit Wasser. Der entstehende Wasserstoff und die starke Tempera-turerhöhung durch die exotherme Reaktion würden den Brand noch vergrößern.Kleinere Natriumbrände kann man durch Überdecken mit trockenem Sand löschen, ebenfalls ist trockener Zement möglich. Technisch wird Metallbrandpulver verwendet, das hauptsächlich aus fein gemahlenem Natriumchlorid besteht.

2.10  Halogene

Hinweis: Bei der Durchführung der Experimente muss sichergestellt sein, dass keine Gase in den Klassenraum gelangen. Apparaturen müssen deshalb mit einem Filter (z. B. Kohlefilter) ausge-stattet sein, oder die Experimente werden im Abzug ausgeführt. Wenn alle nötigen Sicherheits-vorkehrungen getroffen sind, sind auch Schülerversuche zugelassen (Liste zur Einstufung von Chemikalien gemäß Gefahrstoffverordnung).

Eine besondere Schwierigkeit und oft ungeliebte Tätigkeit stellt die Reinigung der benutzten Apparaturen dar. Die folgenden Vorgehensweisen haben sich bewährt: Nach Abschluss der Experimente wird Aktivkohle (pulverisiert) in die Apparatur gegeben. Dann wird sie für kurze Zeit in den Abzug gestellt, bis Chlor bzw. Brom vollständig adsorbiert sind. Anschließend kann die Reinigung erfolgen, ohne dass Schadstoffe in nennenswertem Maße freigesetzt werden. Die mit Halogenen beladene Aktivkohle wird abfiltriert und der Entsorgung zugeführt. Alternativ kann auch Natriumthiosulfat zugesetzt werden. Es reduziert Chlor-Moleküle zu Chlorid-Ionen. Der Vorteil ist, dass keine Entsorgung eines mit Halogen beladenen Stoffes anfällt; ein Nachteil ist, dass den Schüler (inne)n die ablaufenden komplizierten Redoxreaktionen nur sehr schwer zu erklären sind.

Zu den VersuchenV1 Um in der Apparatur nach B3 das Auftreten eines Überdruckes durch Stau zu vermeiden, darf keine feinpulverige Aktivkohle als Füllung verwendet werden. Die Apparatur wird auch noch für weitere Experimente mit Chlor benötigt.

V2 Die eingebrachten farbigen Gegenstände verlieren ihre Farbe nach kurzer Zeit durch die bleichende Wirkung des Chlors. Diese besteht in einer oxidativen Zerstörung der Farbstoffe.

V3 Die Aktivkohle kann in beträchtlichem Ausmaß Halogene (und anderes) durch Adsorption an der großen Oberfläche aufnehmen. Man erkennt es hier an der Entfärbung im Gasraum.

V4 a) In Wasser ist Iod nur sehr wenig löslich, die Lösung ist leicht bräunlich.b) In Alkohol ist die Löslichkeit gut, die Lösung ist braun.

Page 8: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

8 Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz

Zu den AufgabenA1 Die Berechnung erfolgt für die im Text genannte untere Grenze für die Chlorierung von 1 l Schwimmbadwasser mit 0,3 mg Chlor.

V (Chlor) = m _ r   = 0,0003 g · ml

______ 0,003 g = 0,1 ml

Unter Beachtung der Obergrenze werden also 0,1 ml bis 0,2 ml Chlor (20 °C, 1 013 hPa) benötigt.

A2 Die Eigenschaften der Halogene sind in B5 aufgeführt. Zur Verwendung kann man im Internet leicht eine Auflistung ähnlich der folgenden erhalten. Dabei stößt man allerdings auch leicht auf veraltete oder veraltende Anwendungen (z. B. Silberfotografie).

Verwendung der Halogene

FluorFluoridierung von Trinkwasser, Natriumfluorid in Zahnpasta, „Iodsalz“ mit geringem Fluoridanteil

ChlorDesinfektion von Schwimmbädern und im Sanitärbereich, PVC, Chlorgebleichte Taschentücher, Kochsalz (NaCl), gechlortes Trinkwasser, CKW (Lösungsmittel, Kühlflüssigkeiten), Herstellung von Pestiziden

BromDesinfektion in Krankenhäusern und Arztpraxen (tötet Bakterien), Herstellung von Pestiziden, Arzneimitteln (Beruhigungsmittel), Farben, Feuerlöschmittel, Silberbromid (AgBr in der Silberfoto-grafie)

IodIodtinktur als Desinfektionsmittel, „Iodsalz“, Schilddrüsenbehandlung (Diagnose und Therapie)

A3 Als Alternative zur Behandlung von z. B. Wasser mit Chlor oder Chlordioxid kommt der Einsatz von Ozon, O3, in Betracht. Auch bei der Bleichung von Papier wird Ozon eingesetzt. Seine Erzeu-gung erfordert allerdings Energie, und es sind geeignete Schutzmaßnahmen erforderlich.

A4 Die elementaren Stoffe Fluor, Chlor und Brom sind sehr reaktiv (am meisten das Fluor). Sie gehen also mit vielen anderen potentiellen Reaktionspartnern Reaktionen ein und bilden dabei Halogenverbindungen.

2.11  Halogene sind Salzbildner

Zu den VersuchenV1 Herstellung des zu verwendenden Reagenzglases: Das Glas wird mit einem durchbohrten Stopfen, in dem ein Glasrohr mit aufgestecktem Gummischlauch steckt, verschlossen und von der Seite her in die Flamme gebracht. Das gewünschte Loch entsteht durch Blasen mit dem Mund, wenn das Glas genügend erweicht ist. Das Reagenzglas wird (am besten schon, bevor das Loch geblasen wird) in eine vorher gefertigte Scheibe aus Pappe oder anderem Material gesteckt. Sie dient der Abdeckung des Zylinders.

V2 Zum Erhitzen der Eisenwolle reicht es, sie kurz durch eine Brennerflamme zu schwenken.

V3 Zur Durchführung dieses Experimentes ist ein gut ziehender Abzug unbedingt notwendig.

Page 9: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 9

V4 Die Reaktion von Bromwasser mit Kupferpulver zeigt deutlich, wie stark sich Stoffeigenschaf-ten durch eine chemische Reaktion verändern können. Aus dem gelblichen Bromwasser und dem rötlichen Kupfer wird eine blaue (eventuell hier leicht grünliche) Lösung des Salzes Kupferbromid.

V5 Nach kurzer Zeit setzt eine heftige Reaktion ein. Die abgegebene Wärme führt dazu, dass ein Teil des Iods verdampft und als violettes Gas erscheint.

V6 Ioddampf erzeugt man zweckmäßig dadurch, dass man einige Iodkristalle in einen Stand-zylinder gibt und ihn im Wasserbad erwärmt. Um Vergleichbarkeit zu erzielen, sollten die beiden anderen Standzylinder, die mit Chlor bzw. Brom gefüllt sind, ebenfalls erwärmt werden. Die Kupferfolien überziehen sich schnell mit einer Schicht des entsprechenden Halogenids:CuCl2 gelbbraun, CuBr2 schwarz, CuØ weiß.

V7 Bei den Lösungen mit Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Calciumchlorid fällt nach Zugabe der Silbernitrat-Lösung ein weißer Niederschlag aus. Bei den Lösungen mit Natriumbromid bzw. Kaliumbromid beobachtet man einen weißgelben Niederschlag. Ein gelber Niederschlag ist bei Zugabe der Silbernitrat-Lösung zu den Lösungen von Natriumiodid und Kaliumiodid zu beobach-ten.

Zu den AufgabenA1 Bei Kaliumbromid, Magnesiumoxid und Calciumchlorid handelt es sich um Salze.

A2 Eine Spatelspitze jedes der drei Salze wird in je einem Reagenzglas in wenig destilliertem Wasser aufgelöst. Zu den drei klaren Lösungen werden je 1 – 2 Tropfen verdünnte Silbernitrat-Lösung gegeben. Es bilden sich jeweils flockige Niederschläge aus den Salzen Silberchlorid (weiß), Silberbromid (weißgelb) und Silberiodid (gelb).

2.12  Elektrische Ladung im Atom

Zu den VersuchenV1 Man kann beobachten, dass sich die beiden Folien abstoßen.

V2 Beim Auflegen der geriebenen Folie auf die Metallplatte des Elektroskops, zeigt dieses einen Zeigerausschlag. Bei der Prüfung mit der Glimmlampe zeigt sich, dass die Folie positiv, das Papier negativ geladen ist.

Zu den AufgabenA1 Die Ladungsart einer Metallkugel (die z. B. mit einem geriebenen Gegenstand aus Kunststoff geladen wurde) lässt sich durch Berührung mit einer Glimmlampe nachweisen. Blitzt der Pol, der die Kugel berührt, auf, so ist diese negativ geladen. Wurde die Kugel positiv aufgeladen, so blitzt der andere Pol auf.

A2 Werden zwei entgegengesetzt geladene, baugleiche Elektroskope durch einen metallischen Leiter verbunden, so gehen jeweils gleiche Zeigerausschläge auf Null zurück.

A3 Schlägt der Zeiger eines Elektroskops durch eine elektrisch geladene Kugel, welche in die Nähe des Elektroskops gebracht wurde, aus, so werden die sich zunächst ausgleichenden positiven und negativen Ladungen der metallischen (isolierten) Bauteile des Elektroskops getrennt. In der Nähe der Kugel entsteht ein Überschuss der Ladung, die der Ladung der Kugel entgegengesetzt ist. Durch die Influenz liegt auf dem feststehenden Stab und dem Zeiger die gleiche Ladungsart vor. Durch Abstoßung kommt es zum Zeigerausschlag.

Page 10: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

10 Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz

A4 Beim glühelektrischen Effekt sendet ein Metalldraht negative Ladung aus. Die negative Ladung des Elektroskops nimmt zu. Der Ausschlag müsste größer werden. (Eine Zunahme des Ausschlags ist durch die geringe Zunahme an Ladung nicht zu beobachten).

2.13  Das Kern-Hülle-Modell

Zu den AufgabenA1 Fußball: 22 cm · 100 000 = 2 200 000 cm = 22 000 m = 22 kmStecknadelkopf: 2 mm · 100 000 = 200 000 mm = 200 m

A2 Da der Durchmesser des Atomkerns nur etwa 1⁄100 000 des Atomdurchmessers beträgt, hätte der Metallstab eine Länge von etwa: 1 m · 1⁄100 000 = 1000 mm : 100 000 = 1⁄100 mm

ZusatzaufgabeDie Masse der Elektronen wird gegenüber der Masse des Atomkerns im Unterricht oft als so klein angesehen, dass die Elektronenmasse vernachlässigt wird.

Ein Mol Elektronen hat die Masse 1 mol · me = 6,022 · 1023 · 9,109 · 10–28 g = 0,5485 · 10–3 g . Da normalerweise grob gerechnet auf ein Proton und ein Neutron zusammen ein Elektron kommt, sind von einem Gramm Materie etwa 0,27 mg den Elektronen zuzurechnen, also 0,27 Promille. So gehen zum Beispiel in 12 g Kohlenstoff etwa 3,3 mg auf das Konto der Elektro-nen. Das liegt durchaus im Bereich des mit üblichen Mitteln Wägbaren. Zwischen der Masse eines Atomkerns und der Masse des Atoms ist also durchaus zu unterscheiden. Der menschliche Körper enthält ungefähr 15 bis 25 g Elektronen.Aufgabe: Jeder Schüler in der Klasse soll ausrechnen, zu welchem Massenanteil er oder sie aus Elektronen besteht und wie groß die Gesamtmasse der Elektronen in seinem/ihrem Körper ist. Man rechnet: me/mp = 1/1836 = 0,545 · 10–3 und nimmt davon noch etwa die Hälfte, um die Neutronen zu berücksichtigen: w = me /(mp + mn) = 0,27 · 10–3. Ferner ist m (Elektronen) = w · m (Körper) .

ZusatzinformationIm Chemieunterricht der Sekundarstufe I beschränken sich die Bauteilchen der Materie auf Proton, Elektron und Neutron. Dass auch die Teilchen, die in der Chemie als die letzten Bausteine der Materie erwähnt werden, zum Teil noch eine weitere Innenstruktur haben, könnte angedeutet werden. Proton und Neutron bauen sich aus Quarks auf, denen Drittelladungen zugeschrieben werden. Das Up-Quark (u) hat die elektrische Ladung +2/3, das Down-Quark (d) die elektrische Ladung –1/3 (jeweils der Elementarladung). Dies bedeutet zum Beispiel, dass man nicht ganz streng behaupten sollte, elektrische Ladungen, die betragsmäßig kleiner als die Elementarladung sind, kämen überhaupt nicht vor. (Sie kommen allerdings frei nicht vor.) Ferner können mit diesen beiden Quarks das Proton und das Neutron dargestellt werden: Das Proton ist ein Zusammen-schluss uud, das Neutron udd.Der Zusammenhalt der Quarks geschieht durch unterschiedliche „Farbladungen“ der starken Wechselwirkung. Die drei Farbladungen stehen in gewisser Analogie zu den beiden elektrischen Ladungen der Coulomb-Wechselwirkung.

2.14  Exkurs Der Rutherford-Versuch

Zum VersuchV1 Man kann beobachten, dass die kleine Kugel auf ihrer Bahn der großen Kugel ausweicht, da beide Kugeln gleichsinnig aufgeladen sind.

Page 11: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 11

Zur AufgabeA1

Aussage Begründung

Die Masse des Atoms ist fast vollständig im Atom-kern vereinigt, dabei beträgt der Kerndurchmesser nur etwa 1/100 000 des Atomdurchmessers.

Der Großteil der α-Teilchen konnte die Goldfolie ungehindert durchdringen.

Der Atomkern ist positiv geladen. Wenige der positiv geladenen α-Teilchen wurden abgelenkt.

2.15  Atomkern und Isotope

Zu den AufgabenA1 Die Anzahlen sind für:

19 9 F A = 19 ; 9 p+ ; 10 n ; 9 e– ;

127 53 Ø A = 127 ; 53 p+ ; 74 n ; 53 e–

197 79 Au A = 197 ; 79 p+ ; 118 n ; 79 e–

A2 Aus 1 1 H (Wasserstoff), 2 1 H (Deuterium) und 3 1 H (Tritium) folgt: Ein Deuterium-Atom unterscheidet sich von einem Wasserstoff-Atom durch ein Neutron im Atomkern. Der Kern des Wasserstoff-Atoms besteht nur aus einem Proton, der des Deuteriums aus einem Proton und einem Neutron.Ein Tritium-Atom unterscheidet sich vom Wasserstoff-Atom durch zwei Neutronen im Atomkern. Der Kern des Wasserstoff-Atoms besteht nur aus einem Proton, der des Tritiums aus einem Proton und zwei Neutronen.

AnmerkungBei Behandlung des Themas „Isotope“ ist zu empfehlen, das Verfahren der Mittelung etwas ausführlicher zu behandeln, als es im Schülerbuch geschehen ist. Das Auftreten der Teilchenzahl­anteile als Faktoren bei den Nuklidmassen bedarf wohl durchaus einer Demonstration an einfachen Beispielen. Man denke etwa daran, dass die mittlere Länge von Bleistiften festgestellt werden soll, wobei die hundert Bleistifte teilweise gleiche Längen haben sollen. Dann läuft die Summation dieser Längen auf eine Multiplikation der Länge mit der Anzahl der Bleistifte hinaus, die diese Länge haben. Diese Anzahl wiederum dividiert durch die Gesamtanzahl ergibt den Anteil. So kommen die Produkte aus Anteil und (hier:) jeweiliger Länge zustande; bei den Atomen sind es Produkte aus Anteil und jeweiliger Atommasse.

Schließlich kann noch einmal zusammengefasst werden, aus welchen Gründen die (mittleren) Atommassen keine ganzzahligen Werte haben:

1. Schon die Massen von Proton und Neutron sind unterschiedlich. Deshalb ist es nicht möglich, eine atomare Einheit so zu wählen, dass auch nur zwei verschiedene Atome zugleich ganzzahlige Massenwerte bekommen. Entsprechendes gilt auch für die Masse von Proton mit Elektron zusammen gegenüber der Masse des Neutrons.2. Der relativistische Massendefekt verhindert die Ganzzahligkeit. (Dies wirkt sich in gewisser Weise schon auf den zuerst genannten Punkt aus: Wenn man ein Neutron als Zusammenschluss von Proton und Elektron auffassen will, kann das Neutron wegen des Massendefekts nicht die Masse haben, die Proton und Elektron in der Summe haben.)3. Die Isotopie kann zu starken Abweichungen von der Ganzzahligkeit führen, sodass im Prinzip aus den mittleren Massen nicht mehr auf die Nuklidmassen zurückgeschlossen werden kann.

Page 12: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

12 Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz

Noch eine weitere Unterscheidung könnte hervorgehoben werden, die im Schülerbuch nicht so prägnant zum Ausdruck kommen kann, die aber einigermaßen konsequent verwirklicht wurde: Zu einer Atomsorte (Element) gehören alle Atome gleicher Kernladungszahl. Innerhalb einer Atomsorte gibt es noch verschiedene Nuklide unterschiedlicher Nukleonenanzahl. C-12 und C-14 sind also zwei Nuclide des Elements Kohlenstoff.

Beim Umgang mit Atommassen kommen ganze Zahlen und rationale Zahlen unterschiedlich starker Rundung vor. Im PSE hinten im Buch steht für die Atommasse des Sauerstoffs der Wert 16,0 u. In der Tabelle „Chemische Elemente“ findet man den Wert 15,9994 u. Die Atommassen, die zum Teil auf acht Dezimalstellen bekannt sind, werden im Unterricht mit zwei oder drei Stellen verwendet.

2.16  Schalenmodell und Periodensystem

Zu den AufgabenA1 a)

Kalium-Atom Calcium-Atom

b)

Iod-Atom

A2 a) Die Atome derselben Hauptgruppe besitzen jeweils dieselbe Anzahl an Außenelektronen.b) Die Atome derselben Periode besitzen jeweils dieselbe Anzahl an besetzten Schalen.

A3 Im Unterschied zu den übrigen Edelgas atomen, die alle acht Außenelektronen besitzen, sind in der Schale des Helium-Atoms nur zwei Elektronen vorhanden. Dies ist allerdings ebenfalls die maximale Anzahl der Elektronen in dieser Schale.

A4 Natrium, Chlor, Calcium, Magnesium und Schwefel sind Elemente, die häufig auf den Etiketten von Mineralwasserflaschen aufgeführt sind.

Page 13: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 13

2.18  Edelgase und Elektronenanordnung

Zu den AufgabenA1 Die Atome, bei denen die äußere Schale mit acht Elektronen besetzt ist, gehen (fast) keine chemischen Verbindungen ein. Bei Metallen wie Gold und Platin führt ein analoges Verhalten dazu, dass sie nicht anlaufen und damit einen mehr oder weniger hässlichen Überzug bekom-men. Dies wird als eine „edle“ Eigenschaft geschätzt. Ähnlich pflegt man die Gase, die sich als wenig reaktionsfähig erweisen, als edel zu bezeichnen.

A2 Xenon-Gasentladungslampen erzeugen ein intensives Licht mit einer Farbzusammensetzung, die der des Sonnenlichts ähnelt. Xenonlampen werden häufig in Autoscheinwerfern eingesetzt.

2.19  Die Bildung von Ionen

Zur AufgabeA1 a) Das Oxid-Ion hat zwei Elektronen mehr als das Sauerstoff-Atom, also 2 und 8 Elektronen in den ersten beiden Schalen. Die Ladung ist –2.b) Das Calcium-Ion hat zwei Elektronen weniger als das Calcium-Atom, also 2, 8 und 8 Elektronen in den ersten drei Schalen. Die Ladung ist +2.

2.20  Das Natriumchlorid-Gitter

Zu den AufgabenA1 Schnittbild durch das Ionengitter

Chlorid-Ion Natrium-Ion

+–+ –

+– +–

+

+–

–+

+–

+–+

+

+

+– +–

+

+

+–+

+– –

+–+

+– –

+–+

+– –

+–

+

+

A2 Na+-Ionen haben 2 besetzte Energiestufen, Chlorid-Ionen dagegen 3, Chlorid-Ionen sind deshalb größer.

AnmerkungDie Aussage, dass im Natriumchloridkristall die größtmögliche Anziehung und die geringst - mögliche Abstoßung vorliegt, kann zum irrigen Eindruck führen, dass hier zwei (unabhängige) Bedingungen im Spiel seien. Tatsächlich ist es aber nur eine: Die potentielle Energie des Kristalls nimmt ein Minimum an. Wie auch in anderen Situationen führen die abstoßenden und die an- ziehenden Kräfte zu einer Art Potentialkurve, deren Minimum eingenommen wird. Die potentielle Energie ist dort minimal und die Gesamtkraft ist Null. Das ist ein einziges Kriterium.

Page 14: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

14 Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz

Bei der Gleichgewichtssituation in einem zweiatomigen Molekül spricht man auch nicht davon, dass die Bindungslänge durch zwei Bedingungen festgelegt sei: größtmögliche Anziehung und kleinstmögliche Abstoßung. Tatsächlich gibt es nur eine Bedingung: insgesamt gar keine Anziehung oder Abstoßung. Es wäre auch schlecht gewesen, wenn zwei Kriterien hätten erfüllt werden müssen. Sie hätten einander widersprechen können, indem sie überhaupt nicht gemein-sam erfüllbar sind. Oder sie hätten zu einem Kompromiss zusammengebracht werden müssen, jedenfalls so, dass schließlich eine Bedingung resultiert. Genau das leistet das Minimum der Potentialkurve, allgemeiner: der Potential (hyper)fläche.Leider ist dies für Schülerinnen und Schüler nicht leicht darstellbar, weil hier viele Ionen im Spiel sind (gewissermaßen unendlich viele). Daher ist im Schülerbuch eine einfache Darstellungsweise gewählt worden.

A3 Bei der Auswahl der Kugeln sollte das Verhältnis der Ionenradien beachtet werden, denn der Sinn dieses Modells liegt auch darin, dass die Raumerfüllung verdeutlicht wird.

2.22  Eigenschaften von Ionenverbindungen

Zu den AufgabenA1 Meerwasser enthält sehr viele gelöste Salze, also Ionen, die den elektrischen Strom leiten. Auch Badewasser enthält die Ionen gelöster Salze, z.B. Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen, die den elektrischen Strom leiten. Wenn dem Badewasser Salze, Seifen oder Tenside zugegeben werden, nimmt die elektrische Leitfähigkeit noch zu, da die Ionenkonzentration, z. B. Natrium-Ionen, Seifenanionen, anionische Tenside, erhöht wird.

A2 Bei den Alkalihalogeniden kann ein Einfluss der Ionenradien auf die Schmelztemperaturen erkannt werden: Je größer die Kationen (bei gleichem Anion) sind, desto niedriger ist die Schmelztemperatur. Ebenso ist sie niedriger, wenn das Anion (bei gleichem Kation) größer ist. Bei größerem Abstand der Ladungsschwerpunkte ist die Anziehung geringer.Die Erdalkalioxide haben viel höhere Schmelztemperaturen, weil hier zweifach geladene Kationen und zweifach geladene Anionen vorliegen. Auch hier sieht man, dass ein größeres Kation zu einer niedrigeren Schmelztemperatur führt.

A3 Im Korund Al2O3 liegen Al3+- und O2– -Ionen vor. Die starke Anziehungskraft zwischen hoch geladenen Ionen führt zu großer Härte und hoher Schmelztemperatur.

A4 Lithiumfluorid, Lithiumchlorid, Lithiumbromid, Lithiumiodid, Rubidiumfluorid, Rubidium-chlorid, Rubidiumbromid usw.Magnesiumoxid, Magnesiumsulfid usw.Calciumfluorid, Calciumchlorid, Calciumbromid usw.Im Prinzip können alle aufgeführten Kationen mit allen Anionen kombiniert werden.

A5 Innerhalb einer Gruppe des Periodensystems nehmen die Ionenradien von oben nach unten zu. Dies haben sie mit den Atomradien gemeinsam. Der Grund ist, dass bei einem Schritt nach unten im PSE jeweils eine weitere Schale hinzukommt. Obwohl die gesamte Elektronenhülle wegen der stärkeren Kernanziehung etwas zusammenschrumpft, überwiegt der Effekt, der aus der Erhöhung der Schalenanzahl stammt.Innerhalb einer Periode nimmt bei einem Schritt nach rechts der Ionenradius ab. Hier wirkt sich die verstärkte Kernanziehung aus, ohne dass die Anzahl der Schalen größer würde. Die Elektro-nenanzahl ist z. B. bei den Ionen O2– und F– gleich, aber die Elektronenhülle im Fluorid-Ion unterliegt einer stärkeren Anziehung durch den etwas höher geladenen Kern.

Page 15: 2 Vom Kochsalz zur Ionenbindung - KlettZahnpasta, die Natriumfluorid enthält, soll das Hydroxid-Ion durch das Fluorid-Ion ersetzt werden, wodurch der noch härtere „Fluorapatit“,

2  Vom Kochsalz  zur   Ionenbindung

Elemente Chemie Arbeitsbuch 1 | Rheinland-Pfalz 15

2.23  Formeln von Ionenverbindungen

Zu den AufgabenA1 a) Hier gibt es – ähnlich wie in A4 von Kap. 2.22 – viele Kombinationsmöglichkeiten. Einige Beispiel seien genannt. Natriumchlorid, Kaliumbromid, Rubidiumiodid; Magnesiumchlorid, Calciumoxid, Barium sulfid.b) Na+, Cl– führen zu NaCl, K+, Br– führen zu KBr, Rb+, I– führen zu RbI; Mg2+, Cl– führen zu MgCl2, Ca2+, O2– führen zu CaO, Ba2+, S2– führen zu BaS.

AnmerkungIm Zusammenhang mit dem Ermitteln von Verhältnisformeln wird den Schülerinnen und Schülern manchmal eine Prozedur beigebracht, die das gesuchte Verhältnis über das kleinste gemeinsame Vielfache („kgV“) der Ionenladungszahlen herausbringt. In einem mehrstufigen Algorithmus trainieren sich die Schüler/-innen das Herausfinden des richtigen Zahlenverhältnisses an. Das ist zwar im Prinzip richtig, aber unnötig kompliziert. Da hier nur kleine Ladungszahlen auftreten, ist es leicht zu erkennen, wie man die Bedingung erfüllen kann, dass die Anzahl der positiven und die Anzahl der negativen Ladungen gleich sein müssen.

A2

+ + + + + + (Das Magnesium-Ion ist zweifach positiv geladen: Mg2+)

– – – – – – (Das Nitrid-Ion ist dreifach negativ geladen: N3–)Die Verhältnisformel von Magnesiumnitrid ist Mg3N2.

A3 a) Das Caesium-Ion ist von acht Chorid-Ionen umgeben, und das Chlorid-Ion ist von acht Caesium-Ionen umgeben.b) Es ergibt sich die Verhältnisformel CsCl. (Man schreibt dafür manchmal auch CsCl8/8, um die Koordinationszahlen anzugeben.)

Das Caesiumchlorid hat also ein anderes Kristallgitter als das Natriumchlorid.

A4 Aus der Verhältnisformel Ag2S allein kann zunächst nur ersehen werden, dass die Ladung des Sulfid-Ions betragsmäßig doppelt so groß wie die des Silber-Ions sein muss. Da das Sulfid-Ion S2– bekannt ist, ergibt sich für das Silber-Ion Ag+.