Die Nichtmetalle

Betrachten wir die „andere“ Seite des PSE. Hier finden wir die Elemente „rechts“ der Bor-Astat-Linie.
Die Nichtmetalle sind Atomarten, die Elementsubstanzen aufbauen, die immer etwas „nicht metallisches“ an sich haben. So sind einige gasförmig bei Raumtemperatur oder sie leiten keinen elektrischen Strom, glänzen nicht oder sind schlechte Wärmeleiter. Irgendwas fehlt immer …

Einige Beispiele:

Eigenschaften / VerwendungenKohlenstoffSchwefelPhosphorStickstoff
lateinischer Name/ NamensbedeutungCarboneum /
Holzkohle
Sulfur /
langsam brennen,
schwelen
Phosphorus /lichttragend, leuchtendNitrogenium/
salpeterbildend
Bau –
Struktur der Modifikationen
Riesenmoleküle
Graphit– geschichtet


Diamant – Tetraedrisch dicht gepackter Kristall
8-atomige
räumlich
orientierte
Moleküle


Moleküle
weiß
– tetraedrisch
4-atomige Moleküle


rot/schwarz – gewellte Doppelschichten
2-atomige
Moleküle

Dichte (g/cm³)2.2672.071.821.251
Schmelztemperatur (°C)355011544.2-210.1
Siedetemperatur (°C)4827444.6280-196
Löslichkeit in WasserUnlöslich in WasserUnlöslich in Wasser,Unlöslich in Wasser, Unlöslich in Wasser,
FarbeSchwarz, farblosGelbWeiß, rot, schwarzFarblos
Glanz Diamant – lichtbrechend
Graphit – grau glänzend
nein nein nein
Geruchgeruchlosgeruchlosgeruchlosgeruchlos
Brennbarkeit
an der Luft
nicht brennbarbrennbarbrennbarnicht brennbar
elektrische LeitfähigkeitGraphit – ja
Diamant – nein
neinneinnein
Verformbarkeit in der Kälte neinnein nein ja (gasförmig)
Verwendung Schmuck (Diamant), Elektroden(Graphit), Kohlenstofffasern
Bohr– und Schneidwerkzeuge (Diamant)
Schwefelsäure- und Düngemittelherstellung, Düngemittel, Feuerwerkskörper, FlammenhemmerDüngemittel, Kühlmittel, Ammoniakherstellung
natürliches VorkommenDiamanten- vulkanische Schlote und in Vergesellschaftung mit dem Mineral Kimberlit
(Südafrika)
weltweit
1500 Fundorte
(Polen, Sizilien,…)
weltweit in Form von Mineralien
(Phosphate)
78,1% der Luft

Diese Atomarten bilden individuelle Elementsubstanzen von großer natürlicher, biologischer und technischer Bedeutung !

Beitrag: Kohlenstoff

Beitrag: Schwefel

Beitrag: Wasserstoff

Beitrag: Sauerstoff

Beitrag: Phosphor

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Legierungen

…sind Gemische aus 2 oder mehreren Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist.

Arbeitsblatt Legierungen

Bronze

Die wohl erste bewusst hergestellte und eingesetzte Legierung war Bronze, ein Gemisch aus Kupfer und Zinn.

Bronze ist härter als die beiden Einzelmetalle und kann je nach Kupferanteil von rotbraun bis rotsilbrig gefärbt sein. Damit eröffnete sich die Möglichkeit Schnittwerkzeuge, Alltagsgegenstände und Schmuck von großer Schönheit und Beständigkeit herzustellen.

Die Hochzeit der Benutzung dieser Legierung liegt mehr als 3000 Jahre zurück. Sie wurde die Bronzezeit genannt. In Mitteleuropa war das 2200 Jahre bis 800 vor dem Beginn unserer Zeitrechnung .

Bild von Lathish MV auf Pixabay

Gelangt kein Wasser an die Bronze, so überzieht eine dünne Schicht aus farblosem bis schwarzem Rost die gesamte Figur.

Bild von Couleur auf Pixabay

Wasser jedoch sorgt für die Bildung von weiteren nicht farblosen Substanzen und die bilden eine farbige Schicht (Patina) aus.

Messing

Kupfer färbt auch diese Legierung so charakteristisch. Hier sind goldfarbene Materialen gefragt und beliebt. Allerdings nicht immer bei Leuten, die es ehrlich mit uns meinen. So findet man immer wieder Schmuckstücke, die als „Gold“ angepriesen werden. Dieser Effekt ist jedoch nicht von Dauer und so färbt sich das gute Stück schon nach wenigen Wochen oder Monaten schwarz. Es rostet. Und das tut Gold nicht!

Messing ist eine meist goldfarbene Legierung aus Kupfer und Zink.

Bild von Christoph Schütz auf Pixabay
Bild von pasja1000 auf Pixabay
Bild von Steve Buissinne auf Pixabay

Eisenlegierungen – Stahl

Die ersten Eisenlegierung – so zeigen die frühesten Funde- enthielten immer wieder Nickel als 2. Komponente. So kann davon ausgegangen werden, dass die Menschen diesen metallischen Werkstoff an der Erdoberfläche fanden und formten. Die Sumerer – ein frühes Handelsvolk aus dem Mittelmeerraum- nannten das Eisen das „Himmelsmetall“.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/24/Iron_sickle%2C_torc_and_adze.JPG

Erst die selbst gewonnenen Eisenlegierungen sind Stähle, da sie durch die Verwendung von mit Kohle und Holz betriebenen Öfen das Element Kohlenstoff in das Eisen einschleusten. Eine Legierung aus zumindest Eisen und Kohlenstoff heißt Stahl.

Bild von Pexels auf Pixabay

Über die Stahlherstellung erfahren wir an anderer Stelle mehr … Hier!

Eine Liste von Legierung findest du bei:

https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Liste_der_Legierungen
(entspricht der Wikipedia -Liste)

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Das chemische Praktikum

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Siehe auch Arbeitsmaterial Klasse 10

Praktikumseinführung —Ablauf und Regeln

Praktikum I

Charakter einer Lösung , Wiederholung Ionennachweise (Chlorid/Sulfat)

Inhalt des ersten Versuches im Praktikum ist die Identifikation des Charakters einer Lösung. Lösungen können „Sauer“, „Basisch“ oder „Neutral“ sein und das ist vom Vorhandensein eines Überschusses an Wasserstoffionen oder Hydroxidionen abhängig. Diesen Überschuss zeigen Indikatoren wie der Universalindikator UNITEST an.

Auffrischung nötig? Hier gibt es Hilfe zu den „Ionennachweisen

Protokoll: Praktikum-Experiment 1 — Ionennachweise I . Die Indikatorreaktion

Der Indikator weist das Vorhandensein zweier Ionen nach.
Das Wasserstoffion ( H+) der Säuren und das Hydroxidion (OH) der Basen

Praktikum II

Ionennachweise – Identifizieren von Stoffen

Treffen in einer Lösung Ionenarten aufeinander, die ein unlösliches oder schwerlösliches Salz bilden, so verbinden diese sich sofort zu einem starken Ionengitter, welches man erst als Trübung der Lösung erkennt und später bei stärkerem Wachstum der Gitter als Flocken, die zu Boden sinken, wahrnimmt.

Dies wird Fällungsreaktion genannt und ist eine anerkannte Nachweismethode für Ionen.
Wir kennen die Nachweise für Chloridionen und Sulfationen.

Auffrischung nötig? Den theoretischen Hintergrund hierfür findest Du hier!

Protokoll: Praktikum-Experiment 2 — Ionennachweise II (sh. Klasse 9)

Der Chloridionen-Nachweis:

Silberionen bilden mit Chloridionen ein schwerlösliches Salz (Silberchlorid).

Ag+  + Cl ——> AgCl \( \downarrow \)
(der Pfeil nach unten zeigt an, dass der Stoff „ausfällt“ also eine Trübung oder einen Bodensatz verursacht)

Der Sulfationen-Nachweis:

Mit Sulfationen…
und Bariumionen verhält es sich ebenso. Aus diese beiden Ionen bilden starke Anziehungskräfte, die das Wasser nicht überwinden kann. Somit ist auch Bariumsulfat schwer löslich und bildet beobachtbare Niederschläge.

\( Ba^{2+} + SO_4^{2-} \longrightarrow BaSO_4 \downarrow \)

Praktikum III

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Gruppenreaktionen – Die Bildung von Säuren und Basen

Metalle und Nichtmetalle reagieren unterschiedlich stark mit Sauerstoff . so kommt es bei den Metallen zum typischen „Rosten“. Auch die Nichtmetalle zeigen diese Reaktion mit Sauerstoff. Allerding ist „Rost“ für die Produkte ein eher untypischer Name. Stoffe, die als Produkte einer Reaktion mit Sauerstoff entstehen, nennt man „Oxide“. Und diese Oxide reagieren mit Wasser. Diese Reaktion ist Gegenstand des dritten Versuches.

Auffrischung nötig? Hier gibt es Hilfe!

Praktikum-Experiment 3 — Gruppenreaktionen ( Me/MeO)

Die Reaktion von Metallen/Metalloxiden mit Wasser und die Reaktion von Nichtmetallen/Nichtmetalloxiden mit Wasser führen zur Bildung von Basen und Säuren.

Metalloxide + Wasser

Nichtmetalle + Wasser

Beispiel: Schwefel

Schwefel verbrennt zu Schwefeldioxid. Dieses stechend riechende Gas wird im Erlenmeyerkolben mit Unitestwasser eingeschlossen. Das sich lösende Gas bewirkt eine Reaktion in Wasser. Der Indikator signalisiert eine Säurebildung!

Es entsteht schweflige Säure!

…und nun noch Kohlendioxid und Wasser (mit Indikator)

In diesem Versuch verwendet der Durchführende „Bromthymolblau“,
einen Indikator mit der folgenden Zuordnung pH-Wert —> Farbskala:

Bromthymol färbt Leitungswasser blau. Das Einleiten von Kohlendioxid bewirkt eine Farbänderung nach grün —> gelb.

Praktikum IV

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Die Neutralisation

Die Reaktion von Säuren mit Basen wird als Neutralisation bezeichnet. Beim Zusammentreffen der Ionen dieser Stoffe finden charakteristische Teilchenumlagerungen statt, die zu den Produkten Salz und Wasser führen. Die typischen Eigenschaften der Ausgangsstoffe verschwinden bei der Reaktion. Diese Reaktionen verlaufen exotherm.

Auffrischung nötig? Hier gibt es Hilfe!

Praktikum-Experiment 4 — Neutralisation (sh. Klasse 9)

ACHTUNG! Nicht nachmachen!
Wir arbeiten tropfenweise und unter ständigem Rühren!

Praktikum V

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Kohlendioxid – Herstellung und Nachweis

Kohlenstoffdioxid oder kurz Kohlendioxid wird von uns durch das Atmen produziert. Unsere Ausatemluft enthält 4% des Gases. Kohlendioxid ist inzwischen zu 0,04% in der Luft enthalten. Die chemischen Reaktionen von Kohlendioxid wie die Herstellung von \( CO_2 \) durch das Spalten eines Carbonates und der Nachweis des Gases (auch in der Ausatemluft) sind Gegenstand dieses Praktikums.

Auffrischung nötig? Hier gibt es Hilfe zu „Carbonat und Herstellung von \( CO_2 \) “ und dem „Nachweis von Kohlendioxid„!

Praktikum-Experiment 5 — Reaktion der Säuren / CO2 – Nachweis

Wir unterscheiden den Nachweis von in Carbonaten gebundenem Kohlendioxid und gasförmigem Kohlendioxid.

Nachweis in der Atemluft mit Barytwasser Ba(OH)2

Nachweis in den Salzen der Kohlensäure (Carbonate) durch CO2-Austreibung mit stärkeren Säuren und Einleitung in Barytwasser Ba(OH)2 oder Kalkwasser Ca(OH)2

Praktikum VI

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Wasserstoff Herstellung und Nachweis

Wasserstoff ist das häufigste Element des Universums. Diese Atome bilden Moleküle der Formel \( H_2 \). Wasserstoff ist in vielen Verbindungen (Wasser, Säuren, Basen, Kohlenwasserstoffen,…) enthalten und kann aus diesen gewonnen werden. Gegenstand dieses Praktikums ist die Herstellung von Wasserstoff aus einer Säure und sein Nachweis durch die Knallgasprobe.

Praktikum-Experiment 6 — Reaktion der Säuren II / H2 – Nachweis

Herstellen von Wasserstoff

Nachweis von Wasserstoff

Praktikum VII

Nährstoffnachweise

Die Nähstoffe wurden im Lernbereich 1 der Klasse 10 umfangreich besprochen. Die Nachweise für Glucose, Stärke, Eiweiß und Fett sollen hier wiederholt werden.

Auffrischung nötig? Hier gibt es Hilfe!

Praktikum-Experiment 7 — Lebensmitteluntersuchung / Nährstoffnachweise

Glucose

Stärke

Fett

Eiweiß

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Säuren – Bildung / Entstehung (enthält Learningapps)

Der saure Geschmack war wohl das erste, was der Mensch mit Säuren in Verbindung brachte. Die Herstellung stark ätzender Supersäuren lag da noch in weiter Ferne. Aber schon vor einigen Jahrhunderten war findigen Geistern die Herstellung von Säuren im Laboratorium bekannt.
Aus dem 8. Jahrhundert stammen die ersten Aufzeichnungen für die Produktion von „Vitriolöl“ – Schwefelsäure – aus Sulfaten, den Salzen der Schwefelsäure, den Vitriolen. Daher stammt auch der Name des Verfahrens. Das Vitriolverfahren lieferte mit hohem Materialaufwand und immensen Energiekosten in sogenannten Galeerenöfen bis ins 18. Jahrhundert Schwefelsäure. Dabei spalten Sulfate bei starker Erwärmung Schwefeltrioxid ab, welches mit Wasser Schwefelsäure ergibt.
$$ \mathrm{SO_3 + H_2O \longrightarrow H_2SO_4} $$

Ein Nichtmetalloxid reagiert mit Wasser zu einer Säure!

Nichtmetalloxid + Wasser ———> Säure!

Das klappt auch mit den Oxiden von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor.
So entstehen die mineralischen Säuren Kohlensäure H2CO3, Salpetersäure HNO3 und Phosphorsäure H3PO4.

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