Elemente und Familien

Vorbemerkung:

 

Der hier skizzierte Unterrichtsgang ist in mehreren Jahren gewachsen als Einstieg in die Anorganische Chemie.

Da nicht an allen Schulen in den verschiedenen Bundesländern die gleichen Voraussetzungen bzw. Hauscurricula vorhanden sind, um genau den gleichen Weg zu gehen, muss eventuell die eine oder andere Passage (s.u.) abgeändert werden.

Als zusätzliche Hilfe zu dem didaktischen Vorschlag findet man über der Darstellung Links zu Hilfen wie Videoclips oder Arbeitsblättern.

 

Inhalt                                                         

Bedeutung der Abkürzungen:   LV Lehrerversuch,     SV Schülerversuch,    IB Informationsblatt,        AB Arbeitsblatt,
                                                       HA Hausaufgabe,       Vi Videofilm,               Co Computerprogramm,  Hy App für Handy

 

 

 

LV

SV

IB

AB

HA

Vi

Co

Hy

1.

Alkalimetalle

 

 

 

 

 

+

 

 

1a

Reaktion von Natrium mit Wasser

+

 

 

 

 

 

 

 

1b

Enthält der 2. Stoff noch Wasserstoff?

+

 

 

 

 

 

 

 

1c

Reaktionen weiterer Alkalimetalle mit Wasser

+

 

 

 

 

 

 

 

1d

Alkalimetalle (Übersicht)

 

 

 

 

 

 

 

 

1e

Exkurs Reaktionsgleichungen

 

 

 

+

+

 

+

+

1f

Beispiele für Alkalimetallverbindungen im Alltag

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Elemente und Periodensystem

 

 

 

 

 

 

 

 

2a

Elemente und Begriffe

 

 

+

+

 

 

+

+

2b

PSE (Periodensystem der Elemente)

 

 

+

+

 

 

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Erdalkalimetalle

 

 

 

 

 

+

 

 

3a

Reaktionen der Erdalkalimetalle mit Wasser

+

+

 

 

 

 

 

 

3b

Erdalkalimetalle (Übersicht)

 

 

 

 

+

 

 

 

3c

Erdalkalimetallverbindungen im Alltag

 

 

 

 

+

 

 

 

3d

Der Kalkkreislauf

 

 

 

 

+

 

 

 

3e

Erhitzen von Salzlösungen mit dem Bunsenbrenner

 

+

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

Halogene

 

 

 

 

 

+

 

 

4a

Herstellung/Eigenschaften von Chlor/Halogene

 

+

 

 

 

 

 

 

4b

Halogene (Übersicht)

 

 

 

+

 

 

 

 

4c

Halogenverbindungen im Alltag

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

Edelgase

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Grundlage für diese Unterrichtseinheit bilden Schüleraufzeichnungen, die zum Teil direkt original übernommen und zum Teil überarbeitet und mit Links auf neuere Unterrichtsmedien ergänzt wurden.

 

Chemische Stoffe und Reaktionen

Unser Lehrer sagt, dass wir bei unserer letzten Unterrichtssequenz „Feuer und Flamme“ viel gelernt haben und er möchte, dass wir unsere Beobachtungen nun auf das Gebiet der Elemente und Verbindungen lenken.


 

 

1. Alkalimetalle

Der Lehrer führt einen Versuch vor. Wir müssen ganz doll aufpassen und alle Beobachtungen stichwortartig aufschreiben, damit wir die anschließend ordnen können. Er sagt: "Ich zeige euch einen neuen Stoff, der heißt Natrium. Dieser soll mit Wasser reagieren. Ihr müsst mindestens 15 verschiedene Beobachtungen aufschreiben!"

 

1a

Reaktion von Natrium mit Wasser

Beobachtungen bei der Durchführung

Vor dem Versuch:

  1. Natrium wird in (unter) Benzin aufbewahrt
  2. Natrium liegt unten in der Flasche
  3. Farbe: grau/rostig
  4. Natrium kann man mit dem Messer schneiden
  5. die Schnittkante ist silbrig
  6. die Schnittfläche läuft an

Der Lehrer gibt das Natrium in eine mit Wasser gefüllte pneumatische Wanne.

  1. es schwimmt auf dem Wasser
  2. es wird kleiner
  3. es wird kugelig
  4. die silbrige Kugel saust auf dem Wasser hin und her
  5. es zischt, sprudelt und dampft um das Natrium
  6. das mit Bromthymolblau angefärbte Wasser war gelb und ist blau geworden

Das Natrium wird auf ein auf dem Wasser schwimmendes Filterpapier gegeben.

  1. eine Flamme ist zu sehen
  2. Flammenfarbe: gelborange
  3. es entsteht ein weißer Rauch
  4. es entsteht eine glühende (weiß-durchsichtige) Kugel
  5. die Kugel zerplatzt

Ein Schüler reibt die frisch gewaschenen Finger in der Lösung.

  1. die Flüssigkeit fühlt sich seifig/laugig an

Auswertung und Deutung (Hausaufgabe)

Natrium ist ein silberglänzendes Metall (4, 5). Der Lehrer sagt: Alkalimetall.

Die Dichte von Natrium ist größer  als die von Benzin und kleiner  als die von Wasser (2, 7).

Natrium reagiert mit Wasser (1, 3, 6, 8).

Bei der Reaktion entsteht Wärme, die bringt das Natrium zum Schmelzen (9, 17).

Bei der Reaktion entsteht ein Gas (11).

Die Kugel wird nach dem Rückstoßprinzip angetrieben (10).

Da sich das Natrium auf dem Papier nicht bewegt, entsteht genügend brennbares Gas (13).

Natrium färbt die Flamme gelborange (14).

Es entsteht ein neuer, fester Stoff (15, 16).

Der neue Stoff löst sich in Wasser und bildet eine Lauge (12, 18).

 

"Überlegt, was für Stoffe wir eingesetzt und welche wir erhalten haben!" Die Ausgangsstoffe sind bekannt; die Reaktionsprodukte jedoch nicht, aber in denen können nur Wasserstoff, Sauerstoff und Natrium chemisch gebunden sein. Das entstehende Gas ist brennbar und kann deshalb eigentlich nur Wasserstoff sein.

 

Vorschlag für ein Reaktionsschema:

Na   +   H2O à

a)         H2    +   Na2O

b)        H2    +   NaOH

Es gibt zwei mögliche Produkte: Natriumoxid (Der Lehrer sagt, die Formel von Natriumoxid ist Na2O) oder Natriumhydroxid NaOH. Das erste enthält keinen Wasserstoff (Na2O) mehr, das zweite enthält noch Wasserstoff (NaOH).

Wenn wir die Produkte mit Natrium reagieren lassen, könnte das Natrium im zweiten Fall den Wasserstoff "austreiben", wie es bei der Reaktion von Natrium mit Wasser geschehen ist.


 

 

1b

Zusatzversuch: Enthält der 2. Stoff, der bei der Reaktion von Na und H2O entsteht, noch Wasserstoff?

 

 

 

 

Prinzip:

Natrium soll mit dem Reaktionsprodukt von Versuch 1a reagieren. Enthält es noch Wasserstoff, so wird dieser ausgetrieben und mit der Knallgasprobe im darüber gestülpten Reagenzglas nachgewiesen.

Material:

Schutzbrille, Bunsenbrenner, Gasanzünder, Reagenzglas, mit Stopfen und Glasröhrchen, Reagenzglas, Stativ, Muffe, Greifklemme

Chemikalien:  

Flüssigkeit aus Versuch 1

Durchführung
und

Beobachtung:

Zunächst müssen wir das Wasser aus der Lösung von Versuch 1a verkochen. Dann mischen wir den übrig gebliebenen festen Stoff mit Na und füllen die Mischung in ein Reagenzglas.

Der Lehrer erwärmt das Reagenzglas vorsichtig mit der Brennerflamme. Es zischt und brodelt und die Knallgasprobe ist positiv. Das "Puii" war aber nur schwach zu hören.

Ergebnis:

Der 2. Stoff aus Versuch 1a enthält noch Wasserstoff - ist also NaOH

 

Gesamtergebnis: Natrium reagiert mit Wasser nach dem Reaktionsschema

Na  +  H2O à H2  +  NaOH

 

1c Reaktionen weiterer Alkalimetalle mit Wasser

Der Lehrer sagt: "Schaut mal auf die Tafel dort an der Wand: Es gibt noch mehr Alkalimetalle: Lithium (Li), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Cäsium (Cs).

Auch die anderen Alkalimetalle werden unter Petroleum aufbewahrt.

Ø  Lithium reagiert viel schlapper als Natrium. Mit Li auf dem Filterpapier entsteht auch keine Flamme.

Li  +  H2O à H2  +  LiOH  (Lithiumhydroxid)

Ø  Bei Kalium (der Lehrer ist jetzt viel vorsichtiger) reagiert alles viel toller - man benötigt gar kein Filterpapier, es reagiert heftiger und es entsteht beim Sprudeln eine fahlviolette Flamme.

K  +  H2O à H2  +  KOH  (Kaliumhydroxid)

Ø  Wir schauen auf die Periodentafel an der Wand und fordern unseren Lehrer auf, es mit Rubidium zu versuchen. Dieser will aber dazu keinen Versuch machen. Stattdessen zeigt er uns die tollen Reaktionen von Rubidium und Caesium leider nur im Video - Film

Rb  +  H2O à H2  +  RbOH  (Rubidiumhydroxid)

Cs  +  H2O à H2  +  CsOH  (Caesiumhydroxid)

 


 

 

1d Alkalimetalle (Übersicht)

 

 

Wir erkennen gewisse Gesetzmäßigkeiten in der "Familie" der Alkalimetalle.

 

1e Exkurs Reaktionsgleichungen

 

Bisher haben wir meist Reaktionsschemata benutzt. Unser Lehrer hat aber häufig das Wort "Reaktionsgleichung" benutzt.

 

Er sagt: Eine Reaktionsgleichung ist ein Reaktionsschema bei dem rechts und links die Anzahl der kleinsten Teilchen eines Elementes und damit der beteiligten Massen gleich sind.

 

Er lässt uns am Computerprogramm "Reaktionsgleichungen" üben. Bei dem sind kleine Waagen, die helfen, beide Seiten gleich zu machen. Man darf nur Teilchen erweitern! Teilchen durchschneiden gilt nicht.

 

X303

Gleichun-gen

W07b

bzw.

W07bl

 

 

 

Die Reaktion der Alkalimetalle mit Wasser lautet also beschrieben: (AM steht für Alkalimetall)

Reaktionsschema:            AM  +    H2O à H2  +    AMOH

Reaktionsgleichung:       2 AM  + 2 H2O  =   H2  + 2 AMOH

 

Einer von uns fragt: "Was heißt eigentlich Alkali?" Daraufhin rennt unser Lehrer in den Nebenraum und holt seinen Kollegen. Der krickelt etwas an die Tafel von rechts nach links und sagt: "Das ist Altarabisch, heißt
 'al-qaya' - auf Deutsch: die 'Pflanzenasche'"

 

1f Beispiele für Alkalimetallverbindungen im Alltag (Hausaufgabe)

 

 

V04a

Alkalimetalle

V04b

Erdalkalimetalle

V04c

Halogene

V04d

Edelgase

 

2. Elemente und Periodensystem

 

2a Elemente, Namen, Zahlsilben

Damit mit man sich mit anderen Naturwissenschaftlern unterhalten kann, muss man einige Vokabeln können: Die Namen und Symbole der wichtigsten 50 Elemente (Unser PSE  = Periodensystem der Elemente enthält ein paar mehr) sowie einige chemische und physikalische Größen.

 

 V01

Elemente, Namen, Zahl-silben

W01

gleicher Zettel  wie V01 - mit Lücken

X306
Elemente- Quiz

 

Auch:

X305a AK-Riddle -Fragen:

 50 Elemente

 

 

2b. Das Periodensystem

 

Man kann die Leistung der beiden Chemiker Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer (1869) nur bestaunen. Sie haben die so unterschiedlichen Elemente in ein System gebracht, indem sie die Stoffe nach ähnlichen Eigenschaften geordnet haben. So konnten sie sogar Aussagen machen über Elemente, die noch gar nicht bekannt waren.

 

Wir bekommen ein 'verkürztes' Periodensystem ausgeteilt, welches uns in der Mittelstufe begleiten soll.

 

 V04

Ver-

kürztes Perioden-system

W04

zum Ausfüllen (eigenes Perioden-system)

  X207

 PSE- Datenbank

Alle wichtigen Eigenschaften eines Elements

Aber auch:

Elemente Quiz (PSE): Element und Position im PSE zuordnen

 

 


 

 

3. Erdalkalimetalle

 

Der Lehrer sagt: "Schaut mal auf die Tafel dort an der Wand. Neben den Alkalimetallen sind die Erdalkalimetalle: Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba).

 

3a Reaktionen der Erdalkalimetalle mit Wasser

Strontium und Barium werden unter Petroleum aufbewahrt. Der Lehrer lässt uns die Versuche von Magnesium und Calcium mit Wasser machen, denn da kann nicht viel passieren.

Ø  Magnesium reagiert noch viel schlapper als Lithium. Auf dem Filterpapier entsteht auch keine Flamme.

Ø  Auch Calcium reagiert nur schwach. Es entsteht eine milchige Flüssigkeit. Die kennen wir aber schon vom Kalkreislauf: Es ist ungelöster "Löschkalk".

                                      Ca  + 2 H2O à H2  +  Ca(OH)2  (Calciumhydroxid)

Ø   Nur Strontium und Barium reagieren heftiger.

 

3b Erdalkalimetalle (Übersicht)

 

 

Wir erkennen wieder Gesetzmäßigkeiten in der "Familie der Erdalkalimetalle".

 

3c Erdalkalimetallverbindungen im Alltag (Hausaufgabe)

 

 

 

3d Der Kalkkreislauf

Denkt an unsere Reihe: Wir erhitzen Marmorkies - Wiederholung aus der Klasse 7.

 

Brennen:              Kalk          Brandkalk + Kohlenstoffdioxid

                               CaCO3                                                       CaO + CO2

 

Löschen:               Brandkalk + Wasser à Löschkalk

                                CaO           +   H2O     à   Ca(OH)2

 

Abbinden:            Löschkalk + Kohlenstoffdioxid  à Kalk    +   Wasser

                               Ca(OH)2       +            CO2                     à CaCO3  +     H2O

 

 

Zum Schluss dieser Reihe machen wir eine Serie von Versuchen (Wir halten die Salze der Alkali- und Erdalkalimetalle bzw. sprühen deren Lösungen in die Flamme). Vorher macht uns der Lehrer noch mit dem Spektroskop vertraut. Es ist sehr erstaunlich, dass wir beim Licht unserer Leuchtstoffröhren einzelne starke Linien sehen können. Die eigentlichen Versuche werden im Stationenlernen durchgeführt.

 

 

3e

Erhitzen von Salzlösungen mit dem Bunsenbrenner

B04a

 

 

 

Ergebnis:

Man kann die einzelnen Elemente aufgrund ihres Linienspektrums eindeutig identifizieren

 

 

4. Halogene

Wir lernen nun eine Reihe ganz anderer Elemente kennen: Die Halogene Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br) und Iod(I).

 

4a

Herstellung/Eigenschaften von Chlor

A10

In einer "sicheren" (geschlossenen) Apparatur wird Chlor aus Kaliumpermanganat und Salzsäure hergestellt. Die Wirkung des Chlors auf farbige Blätter und die der Aktivkohle werden getestet.

Alternativ kann die „stille Reaktion“ mit elementarem Natrium beobachtet werden.

Es werden HMT‐Teile der Fa. Zinsser eingesetzt. Man kann auch AKSÜS‐Teile verwenden.

Die eine Hälfte der Klasse beobachtet die Bleichwirkung, die zweite das Wachsen der weißen Natriumchloridkristalle

 

Die tollsten Reaktionen der Halogene sehen wir aber leider wieder nur als Video - Film, z.B. die Reaktion von Fluor mit Schokolade oder die von Fluor mit Wasserstoff im Freiluftlabor.

 

 

4b Halogene (Übersicht)

 

 

 

4c Halogenverbindungen im Alltag (Hausaufgabe)

 

 


 

 

5. Edelgase

Die Edelgase sind sehr langweilig, da sie (fast) keine chemischen Reaktionen eingehen.

 

                Helium (He)

                Neon (Ne)

                Argon (Ar)

                Krypton (Kr)

                Xenon (Xe)

 

                "Keine chemischen Reaktionen"

                Verwendung in Leuchtstoffröhren, Lasern etc.