Chemische Reaktionen - Chemie
Chemische Reaktionen - Chemie
Einleitung
Bei einer chemischen Reaktion werden Ausgangsstoffe in neue Stoffe umgewandelt. Die neuen Stoffe besitzen andere Eigenschaften als die Ausgangsstoffe. Gleichzeitig wird Energie aufgenommen oder abgegeben. Chemische Reaktionen begegnen Dir beim Rosten, Backen, Verbrennen, in Batterien, bei der Fotosynthese und in Deinem Körper.
Das Verbrennen von Magnesium ist eine auffällige chemische Reaktion. Dabei entsteht Magnesiumoxid. Der Versuch gehört wegen des sehr hellen Lichts und der heißen Stoffe ausschließlich in den angeleiteten Chemieunterricht.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du eine chemische Reaktion von einem physikalischen Vorgang unterscheiden, Reaktionsgleichungen lesen, einfache Gleichungen ausgleichen und Energieumsätze erklären. Du kennst außerdem Merkmale chemischer Reaktionen, den Massenerhaltungssatz, die Aktivierungsenergie und wichtige Einflüsse auf die Reaktionsgeschwindigkeit.
Was geschieht bei einer chemischen Reaktion?
Bei einem physikalischen Vorgang ändern sich Form oder Aggregatzustand, aber nicht die Stoffart. Eis schmilzt beispielsweise zu Wasser. Bei einer chemischen Reaktion entstehen dagegen neue Stoffe. Aus Eisen und Sauerstoff kann Rost entstehen; aus Magnesium und Sauerstoff entsteht Magnesiumoxid.
Merksatz: Eine chemische Reaktion ist eine Stoffumwandlung mit einem Energieumsatz.
Farbänderungen können auf eine Reaktion hinweisen. Sie sind aber allein noch kein Beweis. Auch das Mischen von Farbstoffen verändert eine Farbe, ohne dass unbedingt ein neuer Stoff entsteht.
Edukte und Produkte
Die Stoffe vor der Reaktion heißen Edukte. Die Stoffe nach der Reaktion heißen Produkte.
- Edukte → Produkte
Beispiel in Worten:
- Magnesium + Sauerstoff → Magnesiumoxid
Teilchenmodell und Massenerhaltung
Im Teilchenmodell bestehen Stoffe aus Atomen, Molekülen oder Ionen. Bei einer chemischen Reaktion verschwinden die Atome nicht. Sie werden neu angeordnet und bilden andere Teilchenverbände.
Für die Bildung von Wasser gilt:
Links und rechts stehen jeweils vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome. Deshalb ist die Gleichung ausgeglichen.
Gesetz von der Erhaltung der Masse
In einem geschlossenen System ist die Gesamtmasse der Edukte gleich der Gesamtmasse der Produkte. Dieses Prinzip heißt Massenerhaltungssatz.
Wenn bei einer Reaktion ein Gas entweicht, kann die gemessene Masse eines offenen Gefäßes sinken. Das widerspricht der Massenerhaltung nicht: Das Gas gehört zur Gesamtmasse, befindet sich aber nicht mehr im Gefäß.
Die Verbrennung von Methan wird ausgeglichen so dargestellt:
Reaktionsgleichungen ausgleichen
Beim Ausgleichen werden nur die Koeffizienten vor den Formeln verändert. Die tiefgestellten Zahlen in einer Formel dürfen nicht geändert werden, weil sonst ein anderer Stoff beschrieben würde.
Beispiel:
Woran erkennst Du chemische Reaktionen?
Mögliche Beobachtungen sind eine dauerhafte Farbänderung, Gasentwicklung, die Bildung eines Feststoffs, Licht, Wärme oder Abkühlung. Auch ein neuer Geruch kann entstehen. Im Labor riechst Du jedoch niemals direkt an einem Gefäß, sondern arbeitest nur nach Anweisung der Lehrkraft.
Auf einem Kupferdraht scheidet sich Silber ab. Gleichzeitig verändert sich die Lösung. Die Beobachtung zeigt eine Stoffumwandlung.
Beim Rosten reagiert Eisen über mehrere Teilschritte mit Sauerstoff und Wasser. Die entstehenden Rostprodukte besitzen andere Eigenschaften als metallisches Eisen.
Wichtig: Eine Beobachtung ist ein Hinweis. Um eine Reaktion sicher nachzuweisen, vergleichst Du Stoffeigenschaften der Edukte und Produkte oder führst geeignete Nachweise durch.
Energie bei chemischen Reaktionen
Chemische Reaktionen sind mit Energieänderungen verbunden. Häufig wird Energie als Wärme, Licht oder elektrische Energie übertragen.
Exotherme Reaktionen
Eine exotherme Reaktion gibt Energie an die Umgebung ab. Die Produkte liegen energetisch tiefer als die Edukte. Beispiele sind viele Verbrennungen und die Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff.
.svg)
Endotherme Reaktionen
Eine endotherme Reaktion nimmt Energie aus der Umgebung auf. Die Produkte liegen energetisch höher als die Edukte. Ein Beispiel ist die energieaufnehmende Gesamtreaktion der Fotosynthese.
.svg)
Aktivierungsenergie
Viele Reaktionen beginnen erst, wenn eine Energiebarriere überwunden wird. Diese Startenergie heißt Aktivierungsenergie. Ein Funke kann beispielsweise ein brennbares Gasgemisch zünden. Danach kann die exotherme Reaktion selbstständig weiterlaufen.
Reaktionsgeschwindigkeit und Katalysator
Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell Edukte verbraucht und Produkte gebildet werden. Häufig beschleunigen folgende Veränderungen eine Reaktion: höhere Temperatur, größere Konzentration, größere Oberfläche eines Feststoffs und ein geeigneter Katalysator.
Ein Katalysator eröffnet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Er wird bei der Gesamtreaktion nicht dauerhaft verbraucht und verändert nicht die Energiedifferenz zwischen Edukten und Produkten.
Einfacher Schulversuch zur Reaktionsgeschwindigkeit
Fragestellung: Reagiert eine Brausetablette in warmem Wasser schneller als in kaltem Wasser?
Durchführung: Fülle gleich große Mengen kaltes und warmes Wasser in zwei gleiche Becher. Gib gleichzeitig je eine gleich große Brausetablette hinein und miss die Zeit bis zum Ende der sichtbaren Gasentwicklung. Trage eine Schutzbrille und führe den Versuch auf einer abwischbaren Unterlage durch.
Auswertung: Vergleiche die Zeiten. Erkläre das Ergebnis mit der schnelleren Teilchenbewegung bei höherer Temperatur. Verändere bei einem fairen Vergleich nur die Temperatur.
Wichtige Reaktionstypen
| Reaktionstyp | Kurzbeschreibung | Beispiel |
|---|---|---|
| Synthese | Mehrere Stoffe bilden ein Produkt. | Magnesium und Sauerstoff bilden Magnesiumoxid. |
| Zerlegung | Ein Stoff wird in mehrere Stoffe zerlegt. | Wasser kann durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. |
| Verbrennung | Ein Stoff reagiert mit einem Oxidationsmittel, häufig Sauerstoff. | Methan verbrennt zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. |
| Fällungsreaktion | Aus gelösten Teilchen entsteht ein schwer löslicher Feststoff. | Silberchlorid kann als Niederschlag entstehen. |
| Säure-Base-Reaktion | Protonen werden übertragen. | Salzsäure und Natronlauge reagieren zu Wasser und Natriumchlorid. |
| Redoxreaktion | Elektronen werden übertragen. | Eisen wird oxidiert, während ein anderer Stoff reduziert wird. |
Chemische Reaktionen im Alltag
Beim Backen entstehen durch mehrere Reaktionen neue Geruchs-, Farb- und Geschmacksstoffe. In Batterien liefern Redoxreaktionen elektrische Energie. Pflanzen speichern bei der Fotosynthese Lichtenergie in energiereichen Stoffen. Bei der Zellatmung werden energiereiche Stoffe schrittweise umgesetzt. Korrosion verändert Metalle, während Verbrennungen Brennstoffe in andere Stoffe umwandeln.
Die Bewertung einer Reaktion hängt vom Zusammenhang ab: Verbrennungen liefern nutzbare Energie, können aber auch Schadstoffe und Treibhausgase freisetzen. Chemie hilft dabei, Reaktionen sicherer, energiesparender und ressourcenschonender zu gestalten.
Sicherheit im Chemieunterricht
Trage bei Experimenten eine Schutzbrille, beachte Gefahrstoffsymbole und arbeite nach der Versuchsanweisung. Chemikalien werden nicht probiert. Gefäße werden nicht eigenmächtig verschlossen oder erhitzt. Verbrennungsversuche, konzentrierte Säuren und Laugen sowie unbekannte Stoffgemische gehören ausschließlich in die Betreuung einer Fachlehrkraft.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was kennzeichnet eine chemische Reaktion? (Es entstehen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften) (!Nur die Form eines Stoffes ändert sich) (!Nur der Aggregatzustand ändert sich) (!Alle Teilchen verschwinden)
Wie heißen die Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion? (Edukte) (!Produkte) (!Katalysatoren) (!Niederschläge)
Wie heißen die neu entstandenen Stoffe? (Produkte) (!Edukte) (!Elemente) (!Lösungsmittel)
Was geschieht mit den Atomen bei einer chemischen Reaktion? (Sie werden neu angeordnet) (!Sie werden vollständig vernichtet) (!Sie verlieren grundsätzlich ihre Masse) (!Sie werden immer zu Elektronen)
Was gilt in einem geschlossenen System? (Die Gesamtmasse bleibt erhalten) (!Die Produktmasse ist immer kleiner) (!Die Eduktmasse verdoppelt sich) (!Die Masse hängt nur von der Temperatur ab)
Welche Gleichung ist für die Bildung von Magnesiumoxid ausgeglichen? (2 Mg plus O2 reagiert zu 2 MgO) (!Mg plus O2 reagiert zu MgO) (!Mg plus 2 O reagiert zu MgO) (!2 Mg plus 2 O2 reagiert zu MgO)
Was beschreibt eine exotherme Reaktion? (Sie gibt Energie an die Umgebung ab) (!Sie bildet grundsätzlich ein Gas) (!Sie nimmt immer Licht auf) (!Sie läuft ohne Aktivierungsenergie ab)
Was ist Aktivierungsenergie? (Die Energiebarriere am Beginn einer Reaktion) (!Die Masse aller Produkte) (!Die Farbe eines Katalysators) (!Die Anzahl der Edukte)
Wie wirkt ein Katalysator? (Er senkt die notwendige Aktivierungsenergie) (!Er erhöht die Masse der Produkte) (!Er wird immer vollständig verbraucht) (!Er verhindert jede Rückreaktion)
Welcher Vorgang ist keine chemische Reaktion? (Das Schmelzen von Eis) (!Das Rosten von Eisen) (!Das Verbrennen von Magnesium) (!Die Bildung eines Niederschlags)
Memory
| Edukt | Ausgangsstoff |
| Produkt | Endstoff |
| Exotherm | Energieabgabe |
| Endotherm | Energieaufnahme |
| Katalysator | Reaktionsbeschleuniger |
| Fällung | Niederschlagsbildung |
| Massenerhaltung | gleiche Gesamtmasse |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Edukte | Ausgangsstoffe |
| Produkte | neu entstandene Stoffe |
| Exotherm | gibt Energie ab |
| Endotherm | nimmt Energie auf |
| Katalysator | senkt die Aktivierungsenergie |
Kreuzworträtsel
| Edukte | Wie heißen die Ausgangsstoffe einer Reaktion? |
| Produkte | Wie heißen die neu entstandenen Stoffe? |
| Katalysator | Welcher Stoff beschleunigt eine Reaktion, ohne dauerhaft verbraucht zu werden? |
| Oxidation | Wie heißt eine Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt? |
| Fällung | Wie heißt die Bildung eines schwer löslichen Feststoffs aus einer Lösung? |
| Aktivierungsenergie | Wie heißt die Energiebarriere am Reaktionsbeginn? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Reaktionstagebuch: Suche in Deinem Alltag vier vermutete chemische Reaktionen. Beschreibe jeweils Beobachtung, Edukte und mögliche Produkte.
- Teilchenmodell: Zeichne die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff als Teilchenbild. Prüfe, ob die Anzahl jeder Atomsorte erhalten bleibt.
- Reaktionsmerkmale: Gestalte ein Lernplakat zu Farbänderung, Gasentwicklung, Niederschlag und Energieumsatz. Ergänze zu jedem Merkmal ein Beispiel.
- Brausetablette: Vergleiche unter Aufsicht die Reaktion einer Brausetablette in kaltem und warmem Wasser. Miss die Reaktionszeit und notiere Dein Ergebnis.
Standard
- Reaktionsgleichung: Baue mit verschiedenfarbigen Knetkugeln Modelle für die Reaktion von Magnesium und Sauerstoff. Leite daraus die ausgeglichene Gleichung ab.
- Versuchsprotokoll: Plane einen sicheren Schulversuch, mit dem eine Gasentwicklung beobachtet werden kann. Formuliere Fragestellung, Material, Durchführung, Beobachtung und Auswertung.
- Interview: Befrage eine Chemielehrkraft, Laborantin oder einen Laboranten dazu, wie chemische Reaktionen im Beruf kontrolliert werden. Fasse die Antworten zusammen.
- Medienanalyse: Wähle eines der eingebetteten Videos. Prüfe, welche Fachbegriffe erklärt werden, welche Modelle genutzt werden und wo zusätzliche Erklärungen nötig wären.
Schwer
- Reaktionsgeschwindigkeit: Entwickle einen fairen Versuch zum Einfluss der Oberfläche. Vergleiche eine ganze und eine zerkleinerte Brausetablette bei sonst gleichen Bedingungen.
- Energiediagramm: Zeichne für eine exotherme Reaktion ein Energiediagramm mit und ohne Katalysator. Erkläre, was sich ändert und was gleich bleibt.
- Stoffkreislauf: Vergleiche Verbrennung, Zellatmung und Fotosynthese hinsichtlich Edukten, Produkten und Energieübertragung. Stelle die Zusammenhänge in einem Schaubild dar.
- Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Erklärvideo zur Frage, warum beim Ausgleichen einer Reaktionsgleichung keine tiefgestellten Zahlen verändert werden dürfen. Nutze selbst erstellte oder korrekt lizenzierte Medien.
|
|
Lernkontrolle
- Stoffumwandlung beurteilen: Erkläre, warum das Schmelzen von Zucker und das Karamellisieren nicht gleich bewertet werden. Nutze Stoffeigenschaften und Teilchenmodell.
- Massenerhaltung anwenden: In einem offenen Gefäß entsteht bei einer Reaktion ein Gas und die gemessene Masse sinkt. Erkläre, warum der Massenerhaltungssatz trotzdem gilt und wie der Versuch verbessert werden kann.
- Reaktionsgeschwindigkeit vergleichen: Magnesiumband und Magnesiumpulver reagieren unter gleichen Bedingungen unterschiedlich schnell. Begründe den Unterschied mit der Oberfläche und dem Teilchenmodell.
- Katalyse erklären: Vergleiche zwei Energiediagramme einer Reaktion mit und ohne Katalysator. Erkläre die Unterschiede bei Aktivierungsenergie, Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsenergie.
- Reaktionsgleichung prüfen: Untersuche die Gleichung H2 + O2 → H2O. Zeige den Fehler und gleiche sie aus, ohne die Stoffformeln zu verändern.
- Beobachtungen bewerten: Eine Lösung wird beim Mischen kälter und bleibt klar. Entwickle zwei mögliche Erklärungen und beschreibe, welche weiteren Untersuchungen eine chemische Reaktion nachweisen könnten.
Lernnachweis
Für einen erfolgreichen Lernnachweis ist wichtig, dass Du:
- chemische Reaktionen von physikalischen Vorgängen begründet unterscheidest,
- Edukte und Produkte sicher benennst,
- Reaktionsgleichungen mit dem Teilchenmodell deutest und einfache Gleichungen ausgleichst,
- den Massenerhaltungssatz auf offene und geschlossene Systeme anwendest,
- exotherme und endotherme Reaktionen anhand von Energieübertragungen vergleichst,
- Aktivierungsenergie und Katalysator mit einem Energiediagramm erklärst,
- Einflüsse auf die Reaktionsgeschwindigkeit planst und experimentell überprüfst,
- Beobachtungen aus Experimenten sicher dokumentierst und fachlich auswertest.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
aiMOOC-Projekte
Schulfach+
|
|
aiMOOCs
aiMOOC Projekte
|
|
THE MONKEY DANCE
|
|
|