Die Ordnung der Stoffe

Zum Abschluss des Chemiekurses soll das erlangte Wissen auch verfügbar gemacht werden. Dazu ist es nötig, Analogien und Systematik aufzuzeigen. Die Gebiete Stoffe, Stoffgruppen, Reaktionen und technische Prozesse müssen für die Prüfung verfügbar sein. Das chemische Praktikum liefert eine gute praktische Vorbereitung auf die Prüfung.

Im Folgenden ein paar Anregungen zur Vorgehensweise:

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Die Ordnung der Stoffe

Bei der Ordnung des Gelernten sollte man Stoffe nach folgenden Kriterien einteilen können…

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Stoffe nach ihren Eigenschaften oder ihren Verwendungsmöglichkeiten einzuteilen, ist Sache desjenigen, der diese Einteilung vornehmen will. Eine allgemeine Einteilung nach diesen Kriterien kann es nicht geben.

Stoffe stellen die Gesamtheit der Materie dar, die uns umgibt.
Wir unterscheiden zunächst nur reine und gemischte Stoffe.

Für jeden Unterpunkt des Schemas lassen sich gesonderte Übersichten anfertigen. Denke zum Beispiel nur an das Schema, mit dem der Naturwissenschaftler arbeitet, um „Elemente“ genauer zu systematisieren, das PSE.

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Hydroxide – Basen

Transportkennzeichen NaOH

Die Gruppe der Hydroxide wird durch ihren wichtigsten Vertreter – das Natriumhydroxid – bestimmt. Es sind salzähnliche Stoffe – Ionensubstanzen – , die das Hydroxidion \( (OH^- ) \) enthalten. Gut wasserlösliche Basen wie NaOH oder KOH bilden starke, ätzende Laugen, die den Indikator UNITEST blau färben. Des weiteren wären Ätzkali (Calciumhydroxid), Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid zu nennen, die von medizinischer und bautechnischer Bedeutung sind.

Gebildet werden die Basen (Hydroxide) durch die Reaktion von Metalloxiden mit Wasser.

\( Metalloxid + Wasser –> Metallhydroxid \)

Kaliumhydroxid (KOH) ist Hauptbestandteil von Reinigern für Oberflächen aus Edelstahl in Großküchen oder Anhaftungen und Verkrustungen an Grills und Backöfen. Die Fähigkeit organische Stoffe anzugreifen wird hier ausgenutzt. Das hygroskopische, weiße, feste und sehr gut wasserlösliche Kaliumhydroxid dient weiterhin zur Herstellung von Schmierseifen und Flüssigseifen.

Das weiße, schlecht lösliche Bariumhydroxid \( Ba(OH)_2 \) diente bis ins 18. Jahrhundert zur Herstellung von Eis. Seine Reaktion mit Wasser ist stark endotherm. Das ermöglichte eine Lagerung von Lebensmitteln auch in Gegenden, die ohne den obligatorischen Eiskeller der damaligen Zeit auskommen mussten. Bis heute hingegen nutzt man Bariumhydroxid als Zusatzstoff bei der Herstellung von optischem Glas . Dort sorgt für veränderte Strahlungsdurchlässe in TV-Glasscheiben, Sonnenbrillen und Fensterscheiben. und Im Labor des Chemikers dient es als Barytwasser zum qualitativen Nachweis von Kohlendioxid und Carbonaten.

Magnesiumhydroxid \( Mg(OH)_2 \) kommt in der Natur als Mineral Brucit vor. und wird vorallem zur Herstellung von Magnesiumoxid verwendet. In der Medizin findet es als Mittel zur Neutralisation von überschüssiger Magensäure und als leichtes Abführmittel Anwendung. Speiseöl wird es zur Entfernung von Schwefeldioxid zugesetzt. In der Abwassertechnik ist es ein Flockungsmittel. Als Lebensmittelzusatzstoff E 528 wird es Kakaoprodukten zugemischt. Es dient hier als Säureregulator und Aufschlussmittel,

Aluminiumhydroxid \( Al(OH)_3 \) ist das weltweit bedeutendste Flammschutzmittel, es zeigt hierbei eine sehr gute Rauchgasunterdrückung bei niedriger Dichte. Bei über 200°C wird aus dem Mineral Wassser abgespalten. Das feste, weiße und schlecht wasserlösliche salzartige Substrat wird in der Natur im Mineral Bauxit AlO(OH) als Gibbsit, Bayerit und Nordstrandit gefunden. 95% des Bauxits werden jedoch zur Aluminiumproduktion benutzt. Aluminiumhydroxid wird weiterhin zur Ummantelung des Minerals Titanoxid benutzt, welches in Sonnenschutzcremes eingesetzt wird, als Mittel zur Bekämpfung überschüssiger Magensäure, initiiert den Gewebsreiz als Bestandteil von Impfstoffen und darf dort in der EU zu 1250 µg in einer Dosis enthalten sein.

1933 wurde Calciumhydroxid \( Ca(OH)_2 \) als Mineral gefunden und erhielt den Namen Portlandit, wegen seiner Ähnlichkeit zum synthetisch erzeugten Portlandzement. Das Mineral ist selten zu finden und hat deshalb bergbautechnisch keine Bedeutung. Man stellt den dringend benötigten Löschkalk, so heißt die Base, durch das Kalklöschen nach dem Kalkbrennen aus dem dabei entstehenden Produkt Branntkalk CaO her. Das Calciumhydroxid wird nämlich hauptsächlich zur Herstellung von Mörtel verwendet. Wie auch Magnesium- oder Aluminiumhydroxid wird Calciumhydroxid als Mittel gegen überschüssige Magensäure eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete sind die Zahnmedizin, wo es zur Desinfektion und zur Anregung der Dentinbildung eingesetzt wird. Als Säureregulator in der Lebensmittelindustrie (E 526) und es entfernt als Atemkalk das Kohlendioxid aus Narkose- und Atemgeräten.

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Kohlenwasserstoffe

Chemische Verbindungen, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen bilden die große Gruppe der Kohlenwasserstoffe (KW). Zu dieser Gruppe gehören ca. 2,5 Millionen bekannte Verbindungen. Sie sind in der Kohlenstoffchemie – der organischen Chemie – beheimatet, die von Antoine Laurent de Lavoisier  erstmals beschrieben und von Justus von Liebig und Friedrich Wöhler begründet wurde.

Die große Vielfalt der Kohlenstoffchemie beruht auf der 4-Bindigkeit des Kohlenstoffs. Kohlenstoff kann mit 4 weiteren Atomen eine Verbindung eingehen.

Er bildet ketten- und ringförmige und auch kombinierte Moleküle aus.

Hier das Modell von Methan \( CH_4 \) dem einfachsten Kohlenwasserstoff. Seine Moleküle bestehen nur aus einem Kohlenstoffatom, an das 4 Wasserstoffatome gebunden sind.

Kettenförmige Moleküle kommen beispielsweise im Erdöl vor und können dort über 80 Kohlenstoffatome in einer Reihe aufweisen. Die Bindungswinkel aus dem Methan bleiben erhalten, so entstehen diese seltsamen Kohlenstoffskelette.

Dieser Stoff heißt Tetradekan und gehört zu den höheren Alkanen.

Ringförmige Strukturen findet man natürlich im Erdöl, aber auch in Alltagschemikalien wie Traubenzucker oder unserem Haushaltszucker sind so komplexe Moleküle zu finden.


Das ist das Molekül des Traubenzuckers ( \( C_6 H_{12} O_6 ) \). Die roten Kugeln stellen die Sauerstoffatome dar.
Die Besonderheit ist das Sauerstoffatom als Teil des Kohlenstoffringes.

Die Modelle kann man bei www.molview.org erstellen.

Alle Tiere und Pflanzen bilden solche Stoffe, die wir als Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette, Aromastoffe, Düfte oder Enzyme kennen. In der Erdkruste finden wir Erdöl und Erdgas die „fossilen Kohlenwasserstoffe“. Das sind Stoffgemische aus vielen Kohlenwasserstoffen, deren Bestandteile wir zum Beispiel als Benzin oder Diesel nutzen. Aber auch Medikamente, Kunststoffe und viele weitere Produkte werden aus dem „flüssigen Gold“ -wie das Erdöl genannt wird- hergestellt.

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Neutralisation

Hier wird Natronlauge (NaOH) in Wasser gegeben. Dazu kommt dann Salzsäure(HCl). Die Ionen verteilen sich im Wasser und beginnen sich umzulagern. Es entsteht aus den Ionen der Base \( (OH^-) \)und den Ionen der Säure\( (H^+) \)… nur Wasser.

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Die allgemeine Gleichung der Neutralisation lautet:

\( Säure + Base –> Salz + Wasser \)

Die Simulation findet man bei www.javalab.org
Hier Klicken!

Anwendung der Neutralisation:

Unser Abwasser enthält unter den vielen störenden Inhaltsstoffen auch Säuren oder Basen, die es verunreinigen.
Um diese Bestandteile unschädlich zu machen, muss der pH-Wert verändert werden. Dies geschieht in Neutralisationsbecken im Klärwerk. Dort wird der pH-Wert elektronisch bestimmt und danach das jeweilige Gegenmittel zur Erreichung eines pH-Wertes von 6,8 zugegeben.

In Aquarien leben Tiere und Pflanzen in einer künstlichen Umgebung. Hier muss von Zeit zu Zeit nachgeholfen werden, das Gleichgewicht zu schaffen und schädliche Ansammlungen von Stoffen (Säuren) zu beseitigen. Nahrungsreste, abgestorbene Pflanzenteile und Exkremente der Fische sind hier zu nennen. Fische brauchen ein sauberes Wasser. Mittel, die den pH-Wert heben oder senken helfen dem Aquarianer.

Sodbrennen

Sodbrennen ist ein Schmerz, der durch aufsteigende, ätzende Magensäure vom Magen in die Speiseröhre verursacht wird. Das wird auch durch übermäßiges, fett- oder zuckerreiches Essen verursacht.
Bekämpft wird der Schmerz mit einem Mittel, welches Magnesiumhydroxid oder Aluminiumhydroxid enthält. Diese Stoffe neutralisieren die Magensäure.

Kalken

Pflanzen verbrauchen die Mineralien im Boden und produzieren wie andere Bodenlebewesen bei ihrem Zerfall Säuren, die der Bodenqualität schaden. Also muss von Zeit zu Zeit die Bodenqualität durch Düngung - also Mineraliengabe- und durch Korrektur des pH-Wertes des Bodens verbessert werden. Kalk (Calciumhydroxid) wird hier großflächig aufgebracht. Auch Teiche und Rasenstücke werden so behandelt.

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Arbeitsblätter zur Neutralisation:

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