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2026-07-26T18:37:47Z

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= Übergangsmetalle - Chemie =

Übergangsmetalle stehen im mittleren Bereich des [[Periodensystem|Periodensystems]]. Viele bekannte Metalle wie [[Eisen]], [[Kupfer]], [[Chrom]], [[Nickel]], [[Titan]] oder [[Gold]] gehören zu diesem Bereich. Sie prägen unseren Alltag: in Gebäuden, Stromleitungen, Fahrzeugen, Werkzeugen, Schmuck, Batterien und Katalysatoren.

[[Datei:Transition Metals Periodic table.jpg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=T7hxcCi81HY |500|center}}

{{BR}}
= Einleitung =

Übergangsmetalle sind Metalle des '''d-Blocks''' im Periodensystem. Im Schulunterricht werden meist die Elemente der Gruppen 3 bis 12 so bezeichnet. Nach einer strengeren Definition ist ein Übergangselement ein Element, dessen Atom eine unvollständig besetzte d-Unterschale besitzt oder das Ionen mit einer unvollständig besetzten d-Unterschale bilden kann. Deshalb wird die [[Zinkgruppe]] mit Zink, Cadmium und Quecksilber nicht in jeder Darstellung zu den Übergangsmetallen gezählt.

Typisch sind eine gute elektrische Leitfähigkeit, metallischer Glanz, oft hohe Dichten und Schmelztemperaturen, mehrere [[Oxidationszahl|Oxidationsstufen]], farbige Verbindungen, Komplexbildung und katalytische Wirkung. Diese Merkmale hängen eng mit den d-Elektronen zusammen.

[[Datei:First row of transition metals.jpg|700px|rahmenlos|center]]

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== Lage im Periodensystem ==

Der d-Block liegt zwischen dem s-Block links und dem p-Block rechts. In einer Periode werden dabei schrittweise d-Orbitale aufgefüllt. Die erste Übergangsreihe reicht von [[Scandium]] bis [[Zink]]. Besonders häufig begegnen Dir im Chemieunterricht Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer.

{| class="wikitable"
! Reihe
! Beispiele
! Besonderheit
|-
| 4. Periode
| Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn
| 3d-Orbitale werden aufgefüllt
|-
| 5. Periode
| Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd
| 4d-Orbitale werden aufgefüllt
|-
| 6. Periode
| Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg
| 5d-Orbitale werden aufgefüllt
|}

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=F4f7xQ82UXQ |500|center}}

{{BR}}
== Elektronenkonfiguration ==

Die besonderen Eigenschaften der Übergangsmetalle entstehen durch die energetisch nahe beieinanderliegenden s- und d-Orbitale. Beim Eisen lautet eine vereinfachte Elektronenkonfiguration:

<math>\mathrm{Fe:\ [Ar]\ 3d^6\,4s^2}</math>

Bei der Bildung von Kationen werden meist zuerst die Elektronen des äußeren 4s-Orbitals abgegeben:

<math>\mathrm{Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-}</math>

<math>\mathrm{Fe^{2+}:\ [Ar]\ 3d^6}</math>

Da s- und d-Elektronen an Reaktionen beteiligt sein können, treten häufig verschiedene Oxidationsstufen auf.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=kCM2mSb4qIU |500|center}}

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== Typische Eigenschaften ==

{| class="wikitable"
! Eigenschaft
! Erklärung
! Beispiel
|-
| Elektrische Leitfähigkeit
| Bewegliche Elektronen transportieren elektrische Ladung.
| Kupfer in Stromleitungen
|-
| Hohe Festigkeit
| Die Metallbindung ist bei vielen Übergangsmetallen besonders wirksam.
| Eisen in Stahl
|-
| Mehrere Oxidationsstufen
| Unterschiedlich viele s- und d-Elektronen können abgegeben oder an Bindungen beteiligt werden.
| Eisen als Fe(II) und Fe(III)
|-
| Farbige Verbindungen
| Licht kann elektronische Übergänge auslösen; die nicht absorbierten Anteile bestimmen die beobachtete Farbe.
| Kupfer(II)-Lösungen erscheinen häufig blau
|-
| Komplexbildung
| Metall-Ionen können von Liganden umgeben werden.
| Kupfer-Ammin-Komplex
|-
| Katalytische Wirkung
| Metalloberflächen oder Metallkomplexe ermöglichen Reaktionswege mit geringerer Aktivierungsenergie.
| Eisen beim Haber-Bosch-Verfahren
|-
| Magnetisches Verhalten
| Ungepaarte d-Elektronen können magnetische Eigenschaften verursachen.
| Eisen, Cobalt und Nickel
|}

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=0bvldHVL_TU |500|center}}

{{BR}}
== Oxidationsstufen ==

Die [[Oxidationszahl]] beschreibt formal, wie Elektronen in einer Verbindung zugeordnet werden. Übergangsmetalle können oft mehrere Oxidationsstufen bilden. Der Name eines Ions oder einer Verbindung wird dann mit einer römischen Zahl ergänzt.

{| class="wikitable"
! Element
! Häufige Oxidationsstufen
! Beispiel
|-
| Eisen
| +2, +3
| Eisen(II)-chlorid und Eisen(III)-chlorid
|-
| Kupfer
| +1, +2
| Kupfer(I)-oxid und Kupfer(II)-oxid
|-
| Chrom
| +2, +3, +6
| Chrom(III)-oxid
|-
| Mangan
| +2, +4, +7
| Mangan(IV)-oxid und Permanganat
|-
| Titan
| +2, +3, +4
| Titan(IV)-oxid
|}

Bei einer Redoxreaktion wird ein Metall oxidiert, wenn es Elektronen abgibt. Ein Metall-Ion wird reduziert, wenn es Elektronen aufnimmt:

<math>\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}</math>

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== Farbige Verbindungen ==

Viele Ionen und Komplexe von Übergangsmetallen sind farbig. Trifft sichtbares Licht auf einen Komplex, können Elektronen Energie aufnehmen und zwischen Energieniveaus wechseln. Bestimmte Wellenlängen werden absorbiert; das verbleibende Licht sehen wir als Farbe. Nicht jede Farbe entsteht ausschließlich durch d-d-Übergänge: Auch Ladungsübertragungen zwischen Metall und Ligand können kräftige Farben erzeugen.

[[Datei:Coloured-transition-metal-solutions.jpg|700px|rahmenlos|center]]

[[Datei:How Transition Metals Show Color.png|700px|rahmenlos|center]]

Die Farbe hängt vom Metall-Ion, seiner Oxidationsstufe und den umgebenden [[Ligand|Liganden]] ab. Deshalb kann dasselbe Element in verschiedenen Verbindungen unterschiedliche Farben zeigen.

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== Komplexe und Liganden ==

Ein [[Komplexchemie|Komplex]] besitzt meist ein Metall-Ion als Zentralteilchen. Darum herum sind Liganden angeordnet. Liganden stellen freie Elektronenpaare für koordinative Bindungen zur Verfügung. Beispiele für Liganden sind Wasser, Ammoniak, Chlorid-Ionen oder Cyanid-Ionen.

Ein vereinfachtes Beispiel ist der tiefblaue Kupfer-Ammin-Komplex:

<math>\mathrm{Cu^{2+} + 4NH_3 \rightleftharpoons [Cu(NH_3)_4]^{2+}}</math>

Die räumliche Anordnung der Liganden beeinflusst Farbe, Reaktivität und magnetisches Verhalten eines Komplexes.

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== Katalyse ==

Ein [[Katalysator]] beschleunigt eine Reaktion, indem er einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie ermöglicht. Er wird im Gesamtprozess nicht verbraucht. Übergangsmetalle sind oft gute Katalysatoren, weil sie verschiedene Oxidationsstufen annehmen, Stoffe an Oberflächen binden und vorübergehend Komplexe bilden können.

# [[Eisen]]: Katalysator bei der Ammoniaksynthese im Haber-Bosch-Verfahren
# [[Nickel]]: Katalysator bei Hydrierungen
# [[Platin]], [[Palladium]] und [[Rhodium]]: Bestandteile von Fahrzeugkatalysatoren
# [[Mangan(IV)-oxid]]: Katalysator bei verschiedenen Sauerstoffentwicklungen

[[Datei:Catalytic Converter.JPG|500px|rahmenlos|center]]

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== Anwendungen im Alltag ==

{| class="wikitable"
! Übergangsmetall
! Wichtige Eigenschaft
! Anwendung
|-
| Eisen
| fest, preisgünstig, gut legierbar
| Stahl für Gebäude, Fahrzeuge und Maschinen
|-
| Kupfer
| sehr gute elektrische Leitfähigkeit
| Kabel, Motoren und Leiterplatten
|-
| Chrom
| hart und korrosionsbeständig
| Edelstahl und Oberflächenbeschichtung
|-
| Nickel
| korrosionsbeständig und gut legierbar
| Edelstahl, Münzen und Akkumulatoren
|-
| Titan
| hohe Festigkeit bei geringer Dichte
| Flugzeuge, Sportgeräte und Implantate
|-
| Platinmetalle
| katalytisch wirksam und korrosionsbeständig
| Katalysatoren und Labortechnik
|}

[[Datei:Copper wires.JPG|500px|rahmenlos|center]]

[[Datei:18-8 stainless steel fork 2.jpg|500px|rahmenlos|center]]

[[Datei:Chromium (24 Cr).jpg|500px|rahmenlos|center]]

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== Legierungen und Korrosion ==

Eine [[Legierung]] ist ein metallischer Werkstoff aus mindestens zwei Elementen. Stahl besteht überwiegend aus Eisen und Kohlenstoff. Edelstahl enthält zusätzlich häufig Chrom und Nickel. Chrom bildet an der Oberfläche eine dünne, schützende Oxidschicht und verbessert dadurch die Korrosionsbeständigkeit.

[[Korrosion]] ist die unerwünschte Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung. Beim Rosten wird Eisen in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff oxidiert. Stark vereinfacht beginnt der Vorgang mit:

<math>\mathrm{Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-}</math>

Die entstehenden Produkte reagieren weiter zu wasserhaltigen Eisenoxiden. Schutz bieten Lacke, Metallüberzüge, Legierungen oder elektrochemische Verfahren.

[[Datei:Rust on iron.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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== Umwelt, Gesundheit und Recycling ==

Der Abbau von Metallerzen benötigt Energie und greift in Landschaften ein. Recycling senkt häufig den Bedarf an neuen Rohstoffen und spart Energie. Kupfer, Stahl, Nickel und Platinmetalle werden deshalb möglichst zurückgewonnen.

Metall und Metallverbindung sind nicht dasselbe: Elementares Chrom ist ein Werkstoff, während manche Chrom(VI)-Verbindungen stark giftig und krebserzeugend sind. Auch Nickelverbindungen können gesundheitsschädlich sein. Im Experiment gelten Schutzbrille, geeignete Handschuhe, kleine Stoffmengen und die Anweisungen der Lehrkraft.

{{BR}}
== Schulversuch: Eisen und Kupfer(II)-Ionen ==

Ein Eisennagel kann in eine Kupfer(II)-sulfat-Lösung gegeben werden. Auf dem Eisen bildet sich elementares Kupfer, während Eisen-Atome als Eisen(II)-Ionen in Lösung gehen:

<math>\mathrm{Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu}</math>

Teilgleichungen:

<math>\mathrm{Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-}</math>

<math>\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}</math>

Du kannst dabei Farbe, Metallabscheidung und Oberflächenveränderung beobachten. Der Versuch wird nur nach Gefährdungsbeurteilung und unter Aufsicht durchgeführt. Chemikalienreste gehören in die vorgesehenen Sammelbehälter.

{{BR}}
== Zusammenfassung ==

Übergangsmetalle liegen im d-Block des Periodensystems. Ihre d-Elektronen ermöglichen verschiedene Oxidationsstufen, farbige Verbindungen, Komplexbildung, Magnetismus und katalytische Wirkung. Eisen, Kupfer, Chrom, Nickel, Titan und Platinmetalle sind für Technik und Alltag besonders wichtig. Gleichzeitig müssen Gewinnung, Recycling, Korrosion und die mögliche Giftigkeit einzelner Metallverbindungen berücksichtigt werden.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Wo liegen die Übergangsmetalle im Periodensystem?'''
(Im d-Block)
(!Im Edelgasblock)
(!Nur in der ersten Gruppe)
(!Nur unterhalb des Periodensystems)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Elektronen prägen viele besondere Eigenschaften der Übergangsmetalle?'''
(d-Elektronen)
(!Nur Kernneutronen)
(!Ausschließlich 1s-Elektronen)
(!Gammaquanten)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Eigenschaft ist für viele Übergangsmetalle typisch?'''
(Mehrere Oxidationsstufen)
(!Keine elektrische Leitfähigkeit)
(!Immer gasförmiger Zustand)
(!Vollständige Reaktionsträgheit)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welches Metall wird häufig für elektrische Leitungen verwendet?'''
(Kupfer)
(!Helium)
(!Schwefel)
(!Neon)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Metalle sind wichtige Bestandteile vieler Fahrzeugkatalysatoren?'''
(Platinmetalle)
(!Alkalimetalle)
(!Edelgase)
(!Halogene)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was befindet sich im Zentrum vieler Komplexe?'''
(Ein Metall-Ion)
(!Ein Photon)
(!Ein Neutronenstern)
(!Ein Kunststoffmolekül)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Oxidationsstufen sind bei Eisen besonders häufig?'''
(Plus zwei und plus drei)
(!Nur plus sieben)
(!Nur minus zwei)
(!Immer null)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum erscheinen viele Übergangsmetallverbindungen farbig?'''
(Sie absorbieren bestimmte Anteile des sichtbaren Lichts)
(!Sie erzeugen immer eigenes Sonnenlicht)
(!Sie bestehen nur aus Farbstoffmolekülen)
(!Sie reflektieren jede Wellenlänge vollständig)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was bewirkt ein Katalysator?'''
(Er ermöglicht einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie)
(!Er erhöht immer die Gleichgewichtskonstante)
(!Er wird vollständig verbraucht)
(!Er stoppt jede chemische Reaktion)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Maßnahme schont Metallrohstoffe?'''
(Recycling)
(!Einmalige Nutzung)
(!Vermischung mit Restmüll)
(!Verzicht auf Stofftrennung)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Eisen || Stahlherstellung
|-
| Kupfer || Stromleitung
|-
| Chrom || Korrosionsschutz
|-
| Titan || Leichtbau
|-
| Platin || Fahrzeugkatalysator
|-
| Ligand || Bindungspartner im Komplex
|-
| Oxidation || Elektronenabgabe
|-
| Reduktion || Elektronenaufnahme
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Thema
|-
| '''d-Block'''
| Lage der Übergangsmetalle
|-
| '''Kupfer'''
| elektrische Leitungen
|-
| '''Chrom'''
| Schutz in Edelstahl
|-
| '''Ligand'''
| Partner am Zentralteilchen
|-
| '''Katalysator'''
| geringere Aktivierungsenergie
|-
| '''Recycling'''
| Rückgewinnung von Rohstoffen

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Kupfer || Welches Übergangsmetall wird oft für Stromkabel verwendet?
|-
| Ligand || Wie heißt ein Bindungspartner am Zentralteilchen eines Komplexes?
|-
| Chrom || Welches Metall verbessert häufig die Korrosionsbeständigkeit von Stahl?
|-
| Katalyse || Wie heißt die Beschleunigung einer Reaktion durch einen Katalysator?
|-
| Oxidation || Wie heißt eine Reaktion mit Elektronenabgabe?
|-
| Recycling || Wie heißt die Rückgewinnung von Wertstoffen?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Übergangsmetalle+-+Chemie </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Übergangsmetalle liegen im { d-Block } des Periodensystems. Ihre besonderen Eigenschaften hängen eng mit den { d-Elektronen } zusammen. Viele dieser Metalle können mehrere { Oxidationsstufen } bilden. Ein Metall-Ion mit Liganden bildet einen { Komplex }. Farbige Verbindungen absorbieren bestimmte Anteile des sichtbaren { Lichts }. Kupfer eignet sich wegen seiner hohen elektrischen { Leitfähigkeit } für Kabel. Chrom verbessert in vielen Legierungen die { Korrosionsbeständigkeit }. Ein Katalysator senkt die benötigte { Aktivierungsenergie }. Bei einer Oxidation werden { Elektronen } abgegeben. Die Rückgewinnung von Metallen heißt { Recycling }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===
# [[Metall-Steckbrief]]: Erstelle einen Steckbrief zu Eisen, Kupfer, Chrom oder Titan mit Symbol, Ordnungszahl, Eigenschaften und Anwendungen.
# [[Alltagsforschung]]: Fotografiere fünf Gegenstände aus Metall und begründe, welche Übergangsmetalle oder Legierungen enthalten sein könnten.
# [[Farben der Ionen]]: Gestalte eine Farbkarte mit typischen Farben ausgewählter Übergangsmetall-Ionen und kennzeichne Unsicherheiten.
# [[Begriffsnetz]]: Verbinde die Begriffe d-Block, Oxidationsstufe, Komplex, Ligand und Katalysator in einem beschrifteten Schaubild.

{{BR}}
=== Standard ===
# [[Korrosionsexperiment]]: Plane einen Vergleich, bei dem Eisennägel unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt werden, und formuliere eine begründete Erwartung.
# [[Legierungsvergleich]]: Vergleiche Stahl, Edelstahl und eine Titanlegierung nach Zusammensetzung, Eigenschaften und Verwendung.
# [[Katalysator-Erklärvideo]]: Produziere ein zweiminütiges Video, das die Wirkung eines Katalysators mit einem Energieprofil erklärt.
# [[Redoxprotokoll]]: Dokumentiere den Versuch mit Eisen und Kupfer(II)-Ionen durch Beobachtung, Deutung, Reaktionsgleichung und Entsorgungshinweis.

{{BR}}
=== Schwer ===
# [[Komplexmodell]]: Baue Modelle für zwei verschiedene Komplexgeometrien und erkläre den Einfluss der Ligandenanordnung.
# [[Rohstoffanalyse]]: Untersuche die Lieferkette eines Übergangsmetalls und bewerte ökologische sowie soziale Folgen.
# [[Recyclingkonzept]]: Entwickle für Deine Schule ein Sammel- und Informationskonzept für metallhaltige Elektrogeräte.
# [[Fachdebatte]]: Diskutiere anhand der d-Unterschalen-Definition, ob Zink zu den Übergangsmetallen gezählt werden sollte.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Struktur und Eigenschaft]]: Erkläre, wie die Elektronenkonfiguration eines Übergangsmetalls mit mehreren Oxidationsstufen zusammenhängt.
# [[Farbe und Komplex]]: Begründe, warum ein Wechsel des Liganden die Farbe eines Metallkomplexes verändern kann.
# [[Werkstoffwahl]]: Entscheide, ob Kupfer, Edelstahl oder Titan für ein leichtes, korrosionsbeständiges Bauteil geeignet ist, und begründe Deine Wahl.
# [[Katalyse im Alltag]]: Erkläre, weshalb Platinmetalle im Fahrzeugkatalysator eingesetzt werden und warum Recycling dort besonders wichtig ist.
# [[Redoxtransfer]]: Übertrage das Prinzip der Eisen-Kupfer-Reaktion auf ein anderes Metallpaar und formuliere eine prüfbare Vorhersage.
# [[Nachhaltigkeitsurteil]]: Bewerte eine Maßnahme zur Verringerung des Metallverbrauchs unter ökologischen, technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
# die Lage der Übergangsmetalle im Periodensystem erklärst,
# die Rolle der d-Elektronen beschreibst,
# Oxidationsstufen sicher deutest,
# Redoxgleichungen mit Elektronenübertragung formulierst,
# Farbigkeit, Komplexbildung und Katalyse auf Teilchenebene erklärst,
# Anwendungen mit Stoffeigenschaften begründest,
# Risiken ausgewählter Metallverbindungen unterscheidest,
# Recycling und Rohstoffgewinnung sachlich bewertest.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Übergangsmetalle </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Übergangsmetalle - Chemie]]'''
# [[Periodensystem]]
# [[Elektronenkonfiguration]]
# [[Oxidationszahl]]
# [[Redoxreaktion]]
# [[Komplexchemie]]
# [[Ligand]]
# [[Katalyse]]
# [[Metallbindung]]
# [[Legierung]]
# [[Korrosion]]
# [[Recycling]]
|}

[[Kategorie:Chemie]]
[[Kategorie:Anorganische Chemie]]
[[Kategorie:Periodensystem]]
[[Kategorie:Metalle]]
[[Kategorie:Redoxreaktion]]
[[Kategorie:Klasse 8-10]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]
[[Kategorie:Sekundarstufe II]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Übergangsmetalle - Chemie - Versionsgeschichte

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