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- Herausgeber: Dorling Kindersley Verlag
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: Visuelles Wissen
- Sprache: Deutsch
Umfangreiches Chemie-Buch für Schüler*innen Ein anschaulicher Einstieg in die Chemie! Dieses Wissensbuch für Schüler*innen ab 12 Jahren beantwortet die brennendsten Fragen rund um die Welt der Stoffe: Was sind Moleküle? Wie berechnet man Stoffmengen und Volumina von Substanzen? Welche Eigenschaften haben Nanopartikel? 15 Kapitel führen mit klaren Grafiken durch die wichtigsten chemischen Themen – von den verschiedenen Elementen über Metalle und ihre Reaktionen bis hin zu organischen Verbindungen und Aggregatzuständen. Spannendes Chemie-Wissen für Schüler*innen in einem Buch Naturwissenschaften für Schüler*innen so simpel und lebendig wie nie! Die neue DK-Reihe "Visuelles Lexikon" unterstützt Schüler*innen mit ansprechenden Illustrationen und einfachen Erläuterungen beim einfachen und schnellen Verständnis wissenschaftlicher Sachverhalte. Dieses Chemie-Buch ist der perfekte Begleiter für den Schulunterricht, die Hausaufgaben oder für die Prüfungsvorbereitung. • Chemie visuell erklärt: Woraus besteht ein Molekül? Was bedeutet Titration? Wie funktionieren Hydrogele? Klare Erläuterungen, grafische Darstellungen, Formeln und Berechnungen beleuchten selbst komplexe wissenschaftliche Sachverhalte gut verständlich. • Alle wichtigen Themen und Verfahren der Chemie: Anschauliche Doppelseiten erwecken die Wissenschaft zum Leben und erleichtern Schüler*innen den Einstieg in die Materie – von der Kristallisation über das Periodensystem bis zu Nanopartikeln. • Idealer Lernbegleiter: Didaktisch geprüft und an die Terminologie in deutschen Schulen angepasst eignet sich dieses tolle Wissensbuch optimal zum Selbstlernen für Schüler*innen der Sekundarstufen I und II. Die perfekte visuelle Begleitung für den Schulunterricht in Chemie! Dieses umfassende Chemie-Buch macht Wissenschaft für Schüler*innen lebendig.
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Seitenzahl: 319
Veröffentlichungsjahr: 2025
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Selbstlernen
leicht gemacht
visuelles wissen
CHEMIE
DER ANSCHAULICHE EINSTIEG
IN ALLE THEMENBEREICHE
Mani Ramaswamy, Francesco Piscitelli, Bharti Bedi,
Lisa Gillespie, Andrew Macintyre, Jonathan Metcalf
DK London
Lektorat
Michelle Staples, Jessica Tapolcai, Mary Sandberg, Heena Sharma, Sifat Fatima,
Lauren Quinn, Aditya Katyal, Samantha Richiardi, Owen Peyton Jones, Karen Self
Gestaltung und Bildredaktion
Andy Hilliard, Meskerem Berhane
Illustrationen
Herstellung
Gus Scott, Adam Brackenbury
Nigel Saunders, Kat Day, Iain Brand, Anna Claybourne,
Ian Stanbridge, Emily Wren, John Firth
Umschlaggestaltung
Akiko Kato, Sophia MTT
Text und Fachberatung
Redaktionsleitung Dr. Kerstin Schlieker
Herstellungskoordination Claudia Rode
Herstellung Evely Xie
Für die deutsche Ausgabe:
Titel der englischen Originalausgabe:
Supersimple Chemistry
© Dorling Kindersley Limited, London, 2020
Ein Unternehmen der Penguin Random House Group
Alle Rechte vorbehalten
© der deutschsprachigen Ausgabe: 2021
Dorling Kindersley Verlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München
Alle deutschsprachigen Rechte vorbehalten
Deutsche digitale Ausgabe, 2025
Dorling Kindersley Verlag GmbH
Jegliche – auch auszugsweise – Verwertung, Wiedergabe,
Vervielfältigung oder Speicherung, ob elektronisch, mechanisch,
durch Fotokopie oder Aufzeichnung, bedarf der vorherigen
schriftlichen Genehmigung durch den Verlag.
Die automatisierte Analyse des Werkes, um daraus Informationen,
insbesondere über Muster, Trends und Korrelationen gemäß
§ 44b UrhG (Text und Data Mining) zu gewinnen, ist untersagt.
Übersetzung Dr. Roswitha Harrer
Lektorat Dr. André Otto
eISBN 978-3-8310-8453-1
5902-315038-24294-01
www.dk-verlag.de
Hinweis
Die Informationen und Ratschläge in diesem Buch sind von den Autoren und vom Verlag
sorgfältig erwogen und geprüft, dennoch kann eine Garantie nicht übernommen werden.
Eine Haftung der Autoren bzw. des Verlags und seiner Beauftragten für
Personen-, Sach- und Vermögensschäden ist ausgeschlossen.
CHEMIE
visuelles wissen
DER ANSCHAULICHE EINSTIEG
IN ALLE THEMENBEREICHE
Inhalt
Grundlagen
Naturwissenschaftliche
Denk- und Arbeitsweise
10 Vorgehensweise
11 Probleme
12 Risiko
13 Gültigkeit
14 Versuchsvariablen
15 Sicherheit
16 Hilfsmittel
17 Versuchsplanung
18 Daten strukturieren
19 Mathematik
20 Maße und Einheiten
21 Diagramme und Grafiken
22 Schlussfolgerungen
23 Fehler und Unsicherheit
24 Evaluation
26 Atome
27 Geschichtliches
28 Elektronenschalen
29 Elektronenstruktur
30 Elemente
31 Isotope
32 Gemische
33 Verbindungen
34 Formeln
35 Formeln herleiten
36 Gleichungen
37 Ausgleichen
38 Reinsubstanzen
39 Formulierungen
40 Lösungen
41 Reiben und Mahlen
42 Löslichkeit
43 Berechnung der Löslichkeit
44 Chromatographie
46 Filtration
47 Verdampfung
48 Kristallisation
49 Destillation
50 Fraktionierte Destillation im Labor
Elemente
Aggregatzustände
52 Das Periodensystem
54 Geschichte des Periodensystems
55 Wasserstoff
56 Metalle
58 I. Hauptgruppe: Eigenschaften
59 I. Hauptgruppe: Chemische Reaktivität
60 II. Hauptgruppe
61 III. Hauptgruppe
62 Übergangsmetalle
64 Lanthanoide
65 Actinoide
66 Kohlenstoff
67 IV. Hauptgruppe
68 V. Hauptgruppe
69 VI. Hauptgruppe
70 VII. Hauptgruppe
71 VIII. Hauptgruppe
Struktur und Bindung
73 Ionen
74 Ionenbindung
75 Ionen und das Periodensystem
76 Schreibweise für Elektronen
78 Ionenstrukturen
79 Eigenschaften
80 Kovalente Bindung
81 Darstellungsweisen von Bindungen
82 Kleine Moleküle
83 Aufbau und Eigenschaften
84 Polymere
85 Atomgitter
86 Kohlenstoffallotrope
87 Fullerene
88 Metallbindung
89 Legierungen
91 Festkörper
92 Flüssigkeiten
93 Gase
94 Diffusion in Flüssigkeiten
95 Diffusion in Gasen
96 Zustandsänderungen
97 Erwärm- und Abkühlkurven
98 Zustandssymbole und Reaktionen
Nanowissenschaften und
intelligente Materialien
100 Nanopartikel
101 Eigenschaften von Nanopartikeln
102 Risiken von Nanopartikeln
103 Thermochrome und photochrome Pigmente
104 Formgedächtnismaterialien
105 Hydrogele
Quantitative Chemie
Chemie der Säuren
107 Relative Formelmasse
108 Rechnen mit Massenprozenten
109 Mol
110 Rechnen mit Mol
111 Erhaltung der Masse
112 Massenänderung
113 Mol und Gleichung
114 Rechnen mit Massen
115 Limitierendes Edukt
116 Berechnung der Masse in Reaktionen
117 Das Gasvolumen
118 Empirische Formeln
119 Versuch: Reagierende Massen
120 Berechnung der reagierenden Masse
121 Kristallwasser
122 Berechnung des Kristallwassers
123 Konzentration
124 Titration
125 Atomökonomie
126 Vorteile von Atomökonomie
127 Ausbeute
128 100 % Ausbeute
130 Die pH-Skala
132 Säuren
133 Basen
134 Indikatoren
135 Neutralisation
136 Titration
137 Starke und schwache Säuren
138 Verdünnte und konzentrierte Säuren
139 Reaktionen mit Basen
140 Reaktionen mit Metallcarbonaten
141 Herstellung von unlöslichen Salzen
142 Lösliche Salze
Metalle und ihre Reaktionen
144 Die Reaktivitätsreihe
145 Reaktion mit Säuren
146 Reaktion mit Wasser
147 Reaktion mit Wasserdampf
148 Metallherstellung durch Kohlenstoff
149 Redoxreaktionen
150 Verdrängungsreaktion bei der
7. Hauptgruppe
151 Ionengleichungen
152 Verdrängungsreaktion bei Metallen
153 Elektrolyse
154 Abscheidung von Metallen
155 Halbgleichungen
156 Industrielle Aluminiumherstellung
157 Elektrolyse von Wasser
158 Experimentelle Elektrolyse
159 Elektrolyse von wässrigen Lösungen
160 Galvanisierung
Energetische Veränderungen
162 Chemische Reaktionen
163 Verbrennung
164 Oxidation
165 Thermische Zersetzung
166 Exotherme Reaktionen
167 Endotherme Reaktionen
168 Kalorimetrie in Lösung
169 Kalorimetrie bei Verbrennung
170 Exothermes Reaktionsprofil
171 Endothermes Reaktionsprofil
172 Berechnung der Energieänderung
173 Einfache Batteriezelle
174 Galvanische Zelle
175 Batterien
176 Brennstoffzelle
177 Zellreaktionen
Geschwindigkeit
und Gleichgewicht
179 Reaktionsgeschwindigkeit
180 Stoßtheorie
181 Temperaturabhängigkeit
182 Konzentrationsabhängigkeit
183 Oberflächenabhängigkeit
184 Katalytische Wirkung
185 Darstellung als Graph
186 Messung des Gasvolumens
187 Veränderung der Masse
188 Bestimmung durch einen Niederschlag
189 Einfluss der Säurekonzentration
190 Berechnung der Geschwindigkeit
191 Reversible Reaktionen
192 Gleichgewicht
193 Energieübertragung im Gleichgewicht
194 Gleichgewicht und Temperatur
195 Gleichgewicht und Druck
196 Gleichgewicht und Konzentration
Organische Chemie
198 Organische Verbindungen
199 Organische Verbindungen: Namen
200 Kohlenwasserstoffe
201 Eigenschaften der Alkane
202 Verbrennung von Kohlenwasserstoffen
203 Erdöl
204 Fraktionierte Destillation
206 Cracken
207 Paraffincracken
208 Alkene
209 Additionsreaktionen
210 Isomere
211 Verbrennung von Alkenen
212 Nachweis von Alkenen
213 Additionspolymere
214 Darstellung von Additionspolymeren
215 Alkohole
216 Eigenschaften der Alkohole
217 Ethanol
218 Herstellung von Ethanol
219 Carbonsäuren
220 Reaktionen mit Carbonsäuren
221 Ester
222 Kondensationspolymere
223 Polyester und Polyamide
224 DNA
225 Proteine
226 Kohlenhydrate
227 Hydrolyse von Polymeren
Chemische Analytik
Gebrauch von Ressourcen
229 Nachweis von Sauerstoff
230 Nachweis von Kohlenstoffdioxid
231 Nachweis von Wasserstoff
232 Kationennachweise: Flammenprobe
233 Kationennachweise: Fällungsreaktionen
234 Anionennachweise: Carbonate und Sulfate
235 Anionennachweise: Halogenide und Nitrate
236 Chlornachweis
237 Wassernachweis
238 Flammenemissionsspektroskopie
239 Interpretation von Linienspektren
Chemie der Erde
241 Aufbau der Erde
242 Plattentektonik
243 Gesteine
244 Kreislauf der Gesteine
245 Atmosphäre
246 Sauerstoffmessung
247 Kohlenstoffzyklus
248 Der Treibhauseffekt
249 Menschliche Aktivität
250 Globale Erwärmung
251 Kohlenstoff-Fußabdruck
252 CO2
-Sequestrierung
253 Kernenergie
254 Verschmutzung
255 Umweltprobleme
256 Saurer Regen
258 Keramik
259 Verbundwerkstoffe
260 Synthetische Polymere
261 Herstellung von Polymeren
262 Legierungen
263 Nachhaltigkeit
264 Korrosion
265 Korrosionsschutz
266 Endliche Ressourcen
267 Erneuerbare Ressourcen
268 Recycling
269 Lebenszyklusanalyse
270 Trinkwasser
271 Meerwasser
272 Abwasser
273 Abwasserbehandlung
274 Ammoniaksynthese
275 Reaktionsablauf
276 Düngemittel
277 Produktion von Dünger
278 Glossar
282 Register
288 Danksagung
Naturwissen-
schaftliche
Denk- und
Arbeitsweise
10 Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Vorgehensweise
Wissenschaftler möchten anhand von Fakten
erklären, wie und warum Dinge passieren – ob
und wie zum Beispiel zwei Elemente miteinander
reagieren oder Atome eine Bindung eingehen.
Dafür gehen sie logisch und schrittweise vor. Diese
naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
wird in allen Naturwissenschaften angewendet, in
der Chemie, der Physik und der Biologie.
Wissenschaftler unter-
suchen etwas, das sie
nicht verstehen.
Die Ergebnisse werden
in einer Fachzeit-
schrift veröffentlicht.
Auch die Medien
verbreiten die Ergeb-
nisse, häufig aber
unter bestimmten
Blickwinkeln.
9. Veröffentlichen
1. Beobachtung
Auf einen Blick
✓ Wissenschaftler haben eine über-
prüfbare Idee, eine Hypothese.
✓ Wissenschaftler sagen voraus, was
bei einem Experiment passiert.
✓ Bestätigt das Experiment die
Hypothese, gilt sie als wahrer
Sachverhalt.
✓ Wissenschaftler veröffentlichen ihre
Entdeckungen, doch die Medien
können dazu in anderer Form auch
eigene Theorien verbreiten.
2. Hypothese aufstellen
Wissenschaftler for-
mulieren zu ihrer
Beobachtung eine
Frage.
?
8. Versuch über-
arbeiten
7. Begutachtung
Andere Wissen-
schaftler entschei-
den, ob die Daten
ihrer Meinung nach
die Frage beantworten.
6. Schlussfolge-
rungen ziehen
Wissenschaftler
entscheiden, ob
die Daten die
Frage beant-
worten (siehe
Seite 22).
5. Daten sammeln
Wissenschaftler
sammeln experi-
mentelle Daten, um die
Hypothese zu stützen.
Beantworten die
Daten die Frage
nicht, können die
Wissenschaftler das
Experiment etwas ver-
ändert wiederholen, um den
Grund herauszufinden.
3. Voraussage
Wissenschaftler
sagen eine mög-
liche Antwort
voraus.
4. Versuch
planen
Wissenschaftler
planen Experimente, mit
denen sie ihre Hypothese
überprüfen wollen (siehe
Seite 17).
Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Probleme
Die Wissenschaft kann unser Leben verbessern, von
neuen Formen der Energiegewinnung bis zum medizini-
schen Fortschritt. Daneben können aber auch unvor-
hergesehene neue Probleme auftreten. Diese Probleme
müssen wir erkennen, um die gesamten Auswirkungen
einer wissenschaftlichen Entdeckung zu erfassen.
Bau von Staudämmen
Staudämme sollen neben anderen Vorteilen einen
einfachen Zugang zu Wasser verschaffen. Sie werfen
aber auch unerwartet neue Probleme auf.
Auf einen Blick
✓ Wissenschaftliche Entdeckungen kön-
nen unerwartet Probleme aufwerfen.
✓ Diese Probleme müssen von den betrof-
fenen Menschen verstanden werden.
✓ Die Wissenschaft kann moralische Fra-
gen aufwerfen, auf die sie keine Antwort
geben kann.
11
Schneidet der Damm eine Ortschaft ab,
können sich die Menschen dort persönlich
isoliert fühlen.
Stauseen überfluten Natur- und
Kulturlandschaften und greifen
dadurch in die Natur ein – das ist
ein Umweltproblem.
Die hohen Kosten für den
Bau des Staudamms sind
ein wirtschaftliches Risiko
für Staat und Regierung.
Wenn Straßen umgeleitet und Gemein-
den geteilt werden, können soziale
Probleme entstehen.
Ethische Probleme in der Wissenschaft
Die Wissenschaft versucht, Antworten zu
geben, aber es gibt Fragen, die von der
Wissenschaft nicht beantwortet werden
können. Einige wissenschaftliche Entwicklun-
gen werfen ethische Fragen auf – ob etwas
richtig oder falsch ist. Zum Beispiel können
genetische Eingriffe Krankheiten heilen, aber
nach Ansicht vieler ist ein derartiger Eingriff in
das Leben nicht zulässig.
Neues Gen
Normal funk-
tionierende
Zelle
Staudämme unterbrechen Fischwan-
derungsrouten und können somit die
Flussfischerei beeinträchtigen.
Zelle mit
fehlerhaftem Gen
Neues Gen unterdrückt
das fehlerhafte Gen.
12 Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Risiko
Wissenschaftliche Entdeckungen können Gefah-
ren hervorrufen oder Schaden anrichten – das
wissenschaftliche Risiko. Als Maß für das wissen-
schaftliche Risiko einer Entdeckung gilt die Wahr-
scheinlichkeit und die Schwere von negativen
Auswirkungen. Bei Giftstoffen ist das Risiko klar,
aber Produkte mit neuen Inhaltsstoffen lassen sich
oft nur schwer auf ihr Risiko einschätzen.
Auf einen Blick
✓ Gefahrstoffe können Menschen und
der Umwelt Schaden zufügen.
✓ Wie hoch die Wahrscheinlichkeit für
einen solchen Schaden ist, wird als
Risiko bezeichnet.
✓ Wie riskant eine wissenschaftliche
Entdeckung für Mensch und Umwelt
ist, wird jeweils einzeln beurteilt.
Sauerstoff Wasserstoff
Inhaltsstoffe in Sonnencremes
Einige Sonnencremes enthalten in ihrer
Formulierung (siehe Seite 39) den künst-
lichen Wirkstoff Octinoxat. Er blockiert
die schädliche Strahlung der Sonne, ist
aber auch selbst ein Schadstoff.
Kohlenstoff
Das Molekül Octinoxat ist
eine lange Kette.
Octinoxat als Risikosubstanz
Der Inhaltsstoff Octinoxat von Sonnen-
cremes birgt große Risiken für Mensch
und Umwelt. Wie neue Studien
zeigten, beeinträchtigt Octinoxat die
Hormonproduktion der Schilddrüse
und bleicht Korallen aus, wenn es von
der Haut ins Meer gelangt. Das schä-
digt die Umwelt.
Schilddrüse
Gesunde Koralle
Schlieren aus Sonnencreme
Gebleichte Koralle
Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Gültigkeit
Wissenschaftler sind misstrauisch,
wenn ein Experiment bei der Wieder-
holung ein anderes Ergebnis bringt
oder wenn andere Wissenschaftler
es gar nicht durchführen können.
Ist ein Experiment wiederholbar und
reproduzierbar und beantworten die
Ergebnisse die Hypothese, gilt es als
gültig.
Auf einen Blick
✓ Ein Experiment ist wiederholbar, wenn die gleiche Person es
mit den gleichen Hilfsmitteln wiederholen kann und dabei
zu den gleichen Ergebnissen kommt.
✓ Ein Experiment ist reproduzierbar, wenn andere Menschen
es mit den gleichen Geräten durchführen können und dabei
zu den gleichen Ergebnissen kommen.
✓ Wenn ein Experiment wiederholbar und reproduzierbar ist
und die Ergebnisse die Hypothese beantworten, gilt es als
validiert und gültig.
Erster Versuch
Wiederholbar
Wenn die gleiche Person das
Experiment mit den gleichen
Hilfsmitteln erneut durchführt und
dabei ähnliche Ergebnisse beob-
achtet, ist es wiederholbar.
Reproduzierbar
Wenn eine andere Person das
Experiment mit anderen Hilfs-
mitteln durchführt und zu ähn-
lichen Ergebnissen kommt, ist es
reproduzierbar.
Gleiches Ergebnis?
Wenn das Experiment wiederholt
und reproduziert ist und gleiche
Ergebnisse liefert, wird es als
gültig anerkannt.
Präzision
Mit den verwendeten Hilfsmitteln müssen
Mengen präzise messbar sein. Pipetten
haben deutliche Messabstände von 1 ml
(bei Messzylindern sind es 5 ml) und
gewährleisten dadurch, dass stets die
gleiche Menge abgemessen wird. Dadurch
kann eine Wiederholung des Versuchs das
gleiche Ergebnis bringen.
genau
genaue
Messung
ungenaue
Messung
Zweiter Versuch
13
30 ml
30 ml
12/13/14
12/13/14
ungenau
14 Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Versuchsvariablen
Wenn Wissenschaftler mit einem Experiment eine
Hypothese überprüfen, beobachten sie, was mit einer
Messgröße geschieht, während sie eine andere ver-
ändern. Um die gegenseitigen Einflüsse zu verstehen,
lassen sie einige Größen konstant, andere verändern
sie. Die Messgrößen werden Variablen genannt. Für
jeden Versuch müssen sie bestimmt werden.
Auf einen Blick
✓ Variablen sind Messgrößen, von
denen das Ergebnis des Experiments
abhängt.
✓ Die unabhängige Variable wird vom
Experimentator während des Versuchs
verändert.
✓ Die abhängige Variable wird gemessen,
während die unabhängige Variable
verändert wird.
Beispiele für Variablen
Bei diesem einfachen Experi-
ment reagieren Salzsäure und
Eisensulfid zu Schwefelwasser-
stoff. Es gibt eine unabhän-
gige, eine abhängige und eine
Kontrollvariable.
Die Menge an Salzsäure stellt die
unabhängige Variable dar.
✓ Kontrollvariablen sind Größen, die
während des Versuchs möglichst
gleich bleiben.
Kontrollversuche
Manches kann nicht in jedem Versuch
völlig gleich sein. So sind die Raumtem-
peratur und der Luftdruck nicht immer
gleich. Kontrollversuche sind Wiederho-
lungsexperimente, bei denen nichts ver-
ändert wird. Durch Kontrollversuche lässt
sich erkennen, welchen Einfluss Größen
haben, die nicht beeinflussbar sind.
Die Schwefelwasser-
stoffmenge ist die
abhängige Variable.
Die Menge an
Eisensulfid ist die
Kontrollvariable.
Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Sicherheit
Um Unfälle zu vermeiden, ist sicheres Arbeiten
unabdingbar. Säuren oder heiße Substanzen
können Verätzungen oder Verbrennungen verur-
sachen. Mit der hier gezeigten Schutzausrüstung
lässt sich sicherer experimentieren.
Augenschutz
Auf einen Blick
✓ Experimente können gefährlich sein.
✓ Die Ausrüstung und die Arbeitsweise
sollten so geplant werden, dass die
Versuche so sicher wie möglich durch-
geführt werden.
15
Eine Schutzbrille schützt
bei chemischen Reaktionen
die Augen vor Spritzern und
kleinen Teilchen.
Körperschutz
Ein Schutzkittel schützt den Kör-
per vor schädlichen Substanzen.
Handschutz
Handschuhe schützen
die Haut vor ätzenden
Substanzen.
Sicheres Erhitzen
In Wasserbädern werden
Substanzen durch Ein-
tauchen in heißes Wasser
erwärmt. Das ist sicherer
und sparsamer als über
der offenen Flamme eines
Bunsenbrenners.
Gefährliche Chemikalien
Brandschutz
Hitzebeständige
Unterlagen verhindern
die Entstehung von
Bränden im Labor.
Einige chemische Stoffe sind gefährlich.
Warnhinweise auf den Flaschen zeigen an,
um welche Gefahr es sich handelt.
Entzündlich
Hitzebeständige Unterlage
Ätzend
Giftig
16 Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Hilfsmittel
Die richtigen Hilfsmittel sind notwendig, um
bei chemischen Experimenten zuverlässige
Ergebnisse zu erhalten.
Versuchsausstattung
Bechergläser, Reagenzgläser, Siebnetz,
Dreifußstativ, hitzebeständige Unter-
lagen und Bunsenbrenner sind gängige
Hilfsmittel für chemische Versuche.
In einem Becher-
glas werden
Substanzen sicher
erhitzt.
In einem Rea-
genzglas werden
Substanzen sicher
aufbewahrt.
Auf einen Blick
✓ Es ist wichtig, jedes Hilfsmittel in seiner
Funktion zu verstehen.
✓ Es ist wichtig, jedes Hilfsmittel zeichnerisch
vereinfacht darstellen zu können.
Ein Siebnetz verteilt die Hitze
des Bunsenbrenners.
Mit der Flamme
eines Bunsen-
brenners werden
Substanzen erhitzt.
Ein Dreifußständer
hält eine Substanz
von der Flamme
fern.
Eine hitzebeständige Unterlage
erschwert die Ausbreitung von
Bränden
Hilfsmittel zeichnerisch darstellen
In Prüfungen wird manchmal verlangt, einen Versuch zu zeichnen.
Hier sind einfache Zeichensymbole für die Hilfsmittel dargestellt.
Siebnetz
Dreifuß-
ständer
Becherglas
Reagenzglas
Feuerfeste
Unterlage
Bunsenbrenner
Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Versuchsplanung
Jede Phase eines Experiments muss sorgfältig
Auf einen Blick
geplant werden. Das kann die Durchführung eines
Schulversuchs sein, oder der Versuchsablauf wird
in einem Test abgefragt. Jedes chemische Experi-
ment ist anders, besteht aber immer aus sechs
gemeinsamen Phasen. Eine wichtige Aufgabe in
den Phasen ist oft die Auswahl der Variablen.
✓ Experimente erfordern Planung und
umfassen in der Regel sechs Phasen.
✓ Die unabhängige und die abhängige
Variable und die Kontrollvariablen werden
sorgfältig ausgewählt.
Neutralisierung
17
Bei diesem Experiment wird Natrium-
hydroxid mit Salzsäure versetzt. Dabei
wird die Temperatur gemessen.
1. Auswahl der abhängigen
Variablen. In diesem Versuch
ist es die Temperatur.
3. Die benötigten Hilfs-
mittel zusammenstellen oder
be schrei ben. Hier sind es die
auf Seite 168
beschrie-
benen
Geräte.
2. Auswahl der unabhän-
gigen Variablen. In diesem
Versuch ist es die zugeführte
Menge an Salzsäure.
5. Eine Wiederholung des
Experiments planen, um
dessen Wiederholbarkeit
sicherzustellen.
6. Ent-
scheiden, ob
ein Kontrollversuch durchgeführt
werden soll (siehe Seite 14).
4.
Auswahl der
Kontrollvariablen. Hier sind
es die Konzentration und
die Zusammensetzung der
Lösung.
18 Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Daten strukturieren
Die Informationen, die bei einem Experiment gesam-
melt werden, nennt man Daten. Meist sind es Zahlen-
werte aus Messungen, wie z. B. das Volumen einer
aufgefangenen Flüssigkeit. Die Daten werden mit den
Hilfsmitteln erfasst. Durch Erfassung der Daten in
Tabellenform werden sie besser verständlich.
Auf einen Blick
✓ Daten sind Informationen, die wäh-
rend des Versuchs gesammelt werden.
✓ Daten werden durch Tabellierung
übersichtlich und besser lesbar.
✓ Das Ergebnis errechnet sich aus dem
Mittelwert des Datensatzes.
Ausreißer sind Daten, die sich stark
von den übrigen Daten und dem
Mittelwert unterscheiden.
Ein Datenbereich, der sich
stark vom Rest unterschei-
det, ist fehlerhaft.
Datensatz 1 Datensatz 2 Datensatz 3 Datensatz 4
22
21
22
22
20
21
22
21
Für das Ergebnis wird der Mittelwert
aus dem Datensatz berechnet. Aus-
reißer werden nicht berücksichtigt.
27
21
22
22
35
34
35
35
Signifikante Ziffern
Einige Zahlen aus dem Datensatz
weisen möglicherweise mehrere Nach-
kommastellen auf, z. B. 24,823. In einer
Prüfung kann verlangt werden, auf die
Anzahl signifikanter Ziffern zu runden.
In diesem Beispiel wäre die Antwort 25.
Diese Zahl besteht aus
fünf signifikanten Ziffern.
24,823
1
2
3 4 5
25
1
2
Diese Zahl besteht aus
zwei signifikanten Ziffern.
Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Mathematik
Manchmal kommt in der Chemie etwas einfa-
che Mathematik vor. Dafür lohnt es sich, seine
Kenntnisse von einfachen Rechenoperationen
wie Multiplizieren und Dividieren aufzufrischen.
Gleichungen umstellen
Das Ergebnis einer Formel ist der gesuchte Wert. Durch
Umstellen der Formel definiert man etwas anderes als
unbekannt und berechnet es.
Das Formel-
ergebnis ist die
Fläche.
Teilen durch die Höhe
ergibt die Breite als neues
Formelergebnis.
Fläche
Höhe
Neues Formelergebnis
ist die Breite.
Auf einen Blick
✓ Das Umstellen von Gleichungen sollte
bekannt sein.
✓ Prozentrechnen sollte bekannt sein.
✓ Verhältnisrechnungen sollten bekannt
sein.
19
Prozentualen Anteil berechnen
Der prozentuale Anteil drückt aus, wie hoch
ein Wert im Verhältnis zum Grundwert ist, der
als 100 % festgelegt wird. Zur Berechnung wird
dieser Wert durch den Grundwert geteilt und
dann mit 100 multipliziert.
Natrium hat die relative Atom-
masse 23. Ein Teilchen Natrium-
carbonat hat zwei Natriumatome.
23 multipliziert mit 2 ergibt 46.
Die relative Masse aller Atome
der Verbindung Natriumcarbonat
zusammen beträgt 106.
Verhältnis berechnen
Das Verhältnis ist eine Zahl, die einen Wert relativ zu einem
anderen angibt. In diesem Beispiel ist das Verhältnis die
Anzahl von Wasserstoffatomen in einem Ammoniakmolekül
zur Anzahl in einem Wasserstoffmolekül.
NH3 : H2
Ein Ammoniak-
molekül enthält drei
Wasserstoffatome.
3 : 2
Ein Molekül Wasser-
stoff enthält zwei
Wasserstoffatome.
46
106
Masseprozentsatz
von Natrium in
Natriumcarbonat.
90.
+/−
%
√
C
AC
÷
7 8 9 ×
MR
M− M+
0
1
4 5 6
2 3
−
+
20 Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Maße und
Auf einen Blick
Einheiten
Standardmaße und -einheiten gewährleisten, dass
überall gleich gemessen wird und jeder die gesammel-
ten Daten verstehen und vergleichen kann. Eine Ein-
heit entspricht einem Messschritt für eine Messgröße.
Hier sind einige Maße und Einheiten aufgeführt.
Masse
Die Masse wird
auf einer Waage in
Gramm oder Kilo-
gramm bestimmt.
Maß
Masse
Volumen
Mit Messbechern
wird das Volumen
von Flüssigkeiten
in Kubikzentime-
tern oder Kubik-
metern bestimmt.
Maß
Volumen
Kubikzentimeter (cm3
Einheit
)
Kubikmeter (m3
)
Gramm (g)
Einheit
Kilogramm (kg)
Länge
✓ Einheiten helfen bei der Messung
verschiedener Größen.
✓ Durch die Verwendung gleicher Ein-
heiten können Wissenschaftler Daten
miteinander vergleichen.
✓ Die Messgeräte messen die Größen in
verschiedenen Einheiten.
Längen werden mit einem
Maßband oder Lineal in
Zentimetern oder Metern
gemessen.
Maß
Länge
Einheit
Zentimeter (cm)
Zeit
Stoppuhren oder
Timer geben die Zeit in
Sekunden, Minuten oder
Stunden an.
Maß
Zeit
Einheit
Sekunde (s)
Einheiten umrechnen
Mol
Molmengen werden in
bestimmten Mess-
bechern bestimmt.
Ein Mol erfasst Masse
und Volumen einer
Substanz (siehe
Seite 109).
Maß
Stoffmenge
Grundeinheit
Mol (mol)
Die Größenordnungen von Einheiten können durch einen
Umrechnungsfaktor ineinander umgerechnet werden.
∙1000
g
mm
m3
mol/dm3
:1000
kg
m
dm3
mol/cm3
Minute (min)
Meter (m)
00:00
00:00
Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Diagramme
Auf einen Blick
und Grafiken
Häufig sagen die Daten allein noch zu wenig
über den Befund aus. Diagramme und
Grafiken ermöglichen eine visuelle Darstel-
lung. Je nach Datensorte eignen sich dazu
bestimmte Grafiken besser als andere.
Säulendiagramm
Säulendiagramme
eignen sich für Daten,
die Kategorien reprä-
sentieren (Schuhgröße,
Augenfarbe, relative
Atommassen von
Elementen).
✓ Diagramme und Grafiken bieten eine klare, visuelle
Art der Datendarstellung
✓ Säulendiagramme eignen sich für Daten, die Kate-
gorien repräsentieren.
✓ Kurvendiagramme eignen sich für Daten, die
Variablen mit kontinuierlicher Veränderung
repräsentieren.
21
20
16
12
8
4
0
Jede Säule
steht für ein
chemisches
Element.
Kohlen-
stoff
Bor
Elemente
Sauerstoff
Kurvendiagramme
Kurvendiagramme
eignen sich für kontinu-
ierliche Daten (z. B einen
zeitlichen Verlauf). Hier
sehen wir, wie sich das
Volumen einer Flüssigkeit
über die Zeit verändert.
In diesem Kurvendia-
gramm ist eine positive
Korrelation zu sehen,
d. h. ein Anstieg von links
nach rechts.
30
20
10
Für einen linearen
Maßstab eignet sich
kariertes Papier.
0
2
4
6
Zeit
8
10
Die Daten werden in
das Diagramm einge-
tragen und mit einer
Linie verbunden.
Volumen der Flüssigkeit (cm3
)
Relative Atommasse (u)
22 Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Schlussfolgerungen
Aus den Daten lässt sich oft eine klare Aussage darü-
ber treffen, was bei dem Experiment passiert ist – die
Schlussfolgerung. Dazu helfen Muster in den Daten,
wie z. B. eine stärkere Verdampfung bei höherer Tem-
peratur. Den Grund für das Muster kennt man aber
noch nicht. Dafür muss man eindeutig belegen, dass
die Hypothese unterstützt wird.
Hypothese
Für diesen Flammentest lautet die Hypothese: Ein
Metall färbt die Flamme des Bunsenbrenners gelb.
Unterstützung der
Hypothese
Die Flamme ist in Gegen-
wart eines Metalls gelb
geworden. Die Schluss-
folgerung unterstützt die
Hypothese.
Keine Unterstützung der
Hypothese
Die Flamme ist nicht gelb
geworden. Die Schluss-
folgerung unterstützt die
Hypothese nicht.
Auf einen Blick
✓ Es ist wichtig, aus den Daten eindeu-
tige Schlussfolgerungen zu ziehen.
✓ Man darf nur das kommentieren, was
die Daten zeigen, und nicht, warum
sie es zeigen könnten.
✓ Ein Muster in den Daten bedeutet
noch nicht, dass man die Ursache
dafür gefunden hat.
Was eine Schluss-
folgerung nicht sagt
Variable 2
Man kann zwar den Schluss
ziehen, dass sich die Flamme
in Gegenwart eines Metalls
gelb färbt, aber warum das so
ist, lässt sich nicht erkennen.
Dazu müsste man weitere
Experimente machen.
?
Variable 1
Die Beziehung zwischen
zwei Variablen kann zufäl-
lig sein – es gibt keinen
gegenseitigen Einfluss.
Variable 1
Variable 2
Die Beziehung zwischen
zwei Variablen kann durch
eine unbekannte dritte
Variable beeinflusst sein.
Variable 1
Aus den Daten geht her-
vor, dass eine Variable die
andere direkt beeinflusst.
Variable 2
Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise 23
Fehler und
Auf einen Blick
Unsicherheit
Daten haben immer eine gewisse Unsicherheit.
Die Unsicherheit gibt an, mit welcher Genauig-
keit die Daten gewonnen werden konnten. Zwei
Fehlerquellen beeinflussen die Unsicherheit:
Messungenauigkeit (quantitativer Fehler) und
schlechte Planung (qualitativer Fehler).
Auswahl der Hilfsmittel
Quantitative Fehler lassen
sich mit Hilfsmitteln ver-
meiden, die eine höhere
Genauigkeit bei der
Messung haben. Diese
Messgenauigkeit wird Auf-
lösung genannt. Soll man
zum Beispiel Flüssigkeiten
von einigen Millilitern
Volumen abmessen,
hilft eine Pipette mit
einer Auflösung von
1-ml-Messschritten.
✓ Die Unsicherheit ist ein Maß dafür, wie viele Fehler
ein Ergebnis enthält.
✓ Quantitative Fehler (numerische Fehler) und quali-
tative Fehler (nicht-numerische Fehler)
tragen zur Unsicherheit bei.
✓ Die Unsicherheit in den Ergebnissen kann mit der
unten stehenden Formel bestimmt werden.
Diese Pipette
misst Flüssig-
keiten in
Diese Pipette
misst Flüssig-
keiten in
10-ml-Schritten
ab und wäre für
den Versuch zu
ungenau.
2-ml-Schritten
ab und ist
immer noch zu
ungenau.
Diese Pipette
misst Flüs-
sigkeiten in
1-ml-Schritten ab.
Ihre Genauigkeit
reicht aus.
10 ml
2 ml
1 ml
Zufällige Fehler vermeiden
Man kann aus Versehen Flüssig-
keiten ungenau abmessen, vor
allem bei sehr kleinen Volumina.
Das bedeutet, dass bei jeder
Messung das Ergebnis etwas
anders ausfällt. Dieser Fehler ist
unvermeidlich.
Formel für die Messunsicherheit
1ml
Unsicherheit
Erster Versuch
1ml
Messbereich
2
Unsicherheit berücksichtigen
Wenn man 1 ml Flüssigkeit mit einem Messzy-
linder abmisst, kann der Bereich der möglichen
Werte irgendwo zwischen 1,5 und 0,5 ml liegen.
Das wird mit der Formel berücksichtigt.
± 0,5
Zweiter Versuch
1,5 − 0,5
2
24 Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise
Evaluation
Das Nachdenken über einen Versuch hilft, die
Gründe für einen möglichen Misserfolg zu finden
und Verbesserungsvorschläge zu machen. Die
Evaluation erfolgt in sechs Stufen, aus denen
jeweils Folgeexperimente hervorgehen können.
1. Den Versuch auf seine
Gültigkeit und Aussage-
kraft bewerten
(siehe Seite 13)
6. Vorhersagen für Folge-
experimente machen
2. Bewerten, ob die Ergeb-
nisse eine Schlussfolgerung
erlauben (siehe
Seite 22)
Auf einen Blick
✓ Eine Evaluation kann erklären, wie
man den Versuch verbessern kann.
✓ Nach abgeschlossener Evaluation
können Folgeexperimente durchge-
führt werden.
Evaluation
Für die Evaluation des Ver-
suchs geht man diese sechs
Punkte nacheinander durch.
5. Verbes-
3. Den
Versuch
serungsvorschläge
formulieren
4. Die Schlussfolgerung
mit den Informationen
aus den vorangegangenen
Schritten auf mögliche Ver-
änderungen prüfen
auf anormale Ergebnisse
prüfen und überlegen,
warum das so sein konnte
?
Grundlagen
26 Grundlagen
Atome
Alles im Universum ist aus Atomen aufgebaut. Atome bil-
den die kleinsten Einheiten aller Elemente (siehe Seite 30),
aus denen die Materie besteht, wie z. B. Gold, Kohlenstoff
und Sauerstoff. Die Atomgrößen unterscheiden sich etwas,
betragen aber typischerweise ein Zehnmillionstel Millime-
ter. Ein Papier ist etwa eine Million Atome dick.
Atomaufbau
Alle Atome bestehen aus sub-
atomaren Teilchen, die Protonen,
Neutronen und Elektronen genannt
werden. Jedes Atom hat einen Kern
in der Mitte, um den Elektronen
kreisen.
Der Atomkern besteht aus
Protonen und Neutronen
und ist 1/100 000 mal so
groß wie das ganze Atom.
Elektronen
umkreisen den
Atomkern.
Proton
Auf einen Blick
✓ Materie besteht aus Atomen.
✓ Atome sind unvorstellbar klein.
✓ Atome setzen sich aus noch kleineren
Teilchen zusammen, die Protonen,
Neutronen und Elektronen genannt
werden.
Elektronenschalen
0,1 nm
Radius
Neutron
Was ist in einem Atom?
Protonen und Neutronen haben
die gleiche Masse, und zusam-
men bilden sie die Gesamt-
masse des Atoms. Elektronen
sind viel leichter, kleiner und
fast masselos. Protonen haben
eine positive, Elektronen eine
negative und Neutronen keine
elektrische Ladung.
Proton
Neutron
Elektron
Ladung
+1
0
−1
Masse
1
1
ca. 0,001
Die Ladungen und
Massen sind relativ
zueinander angegeben.
Sie stellen keine exakte
Messung dar.
Grundlagen 27
Geschichtliches
Im 5. Jh. v. Chr. glaubte der griechische Philosoph
Demokrit, dass alle Materie aus winzigen Teilchen
besteht, die er Atome nannte. Im Jahr 1803 folgerte der
britische Chemiker John Dalton aus der Reaktion ver-
schiedener Gase, dass jedes Element aus einer anderen
Atomsorte bestehen muss.
Wandel der Atommodelle
Wissenschaftler stellten zum Atombau verschie-
dene Modelle auf, die andere Wissenschaftler
später überarbeiteten und verfeinerten.
1. Kugelmodell
Das erste Atommodell wurde 1803 von
John Dalton erdacht. Dalton schlug
feste Teilchen vor, die sich nicht mehr in
kleinere Teilchen zerlegen lassen.
Das Goldfolienexperiment
Im Jahr 1909 unternahm der neuseeländische
Wissenschaftler Ernest Rutherford ein Experiment,
bei dem er winzige positiv geladene Alphateilchen
auf eine Goldfolie schoss. Die Ergebnisse zeigten,
dass es in der Mitte der Atome einen positiv gela-
denen Kern geben muss.
Goldfolie
Der positiv geladene
Kern stößt wegen der
gleichen Ladung positiv
geladene Teilchen ab.
Goldatom
Ein Strahl positiv gelade-
ner Teilchen geht durch
einige Atombereiche
direkt hindurch.
Auf einen Blick
✓ Der Begriff „Atom“ stammt aus der
griechischen Antike um ca. 500 v. Chr.
✓ Die Vorstellungen über Art und Auf-
bau von Atomen haben sich im Laufe
der Zeit verändert.
✓ Wissenschaftler wie John Dalton,
J. J. Thomson, Ernest Rutherford,
Niels Bohr, James Chadwick und viele
andere trugen zum Verständnis über
Atome bei.
2. Puddingmodell
J. J. Thomson entdeckte 1897 die
Elektronen. Sein Modell ist ein Pudding-
modell mit negativ geladenen Elektronen
in einer positiv geladenen Kernmasse.
Eine Alphaquelle strahlt po-
sitiv geladene Teilchen aus.
3. Modell mit Atomkern
Ernest Rutherford schlug als Atommo-
dell einen positiven Kern im Zentrum
einer Wolke aus verstreuten Elektronen
vor. Später entdeckte er das Proton als
Träger der positiven Ladung im Kern.
Rand des Atoms
Winziges negativ
geladenes Elektron
Ein Strahl positiv gela-
dener Teilchen wird vom
positiv geladenen Kern
abgelenkt.
4. Modernes Modell
Niels Bohr fand heraus, dass die
Elektronen den Kern auf Bahnen
umkreisen. Später entdeckte James
Chadwick neutrale (ladungslose)
Neutronen im Kern. Daraus ging das
heute gültige Atommodell hervor.
28 Grundlagen
Elektronenschalen
Elektronen sind kleine Teilchen eines Atoms. Sie
umkreisen den Atomkern auf Bahnen, die Schalen
genannt werden. Kleine Atome mit wenigen Elek-
tronen besitzen nur eine oder zwei Schalen, größere
Atome wie Radium müssen ihre vielen Elektronen in
mehr Schalen unterbringen. Die Schalen werden als
Ringe um den Atomkern dargestellt.
Regeln für die Elektronenschalen
Bei Atomen mit bis zu 20 Elektronen
wie den Aluminiumatomen (13) kann
jede Schale Elektronen bis zu einer
bestimmten Anzahl aufnehmen.
Elektron
Die erste Schale
kann bis zu
zwei Elektronen
aufnehmen.
Auf einen Blick
✓ Elektronen umkreisen den Atomkern
in Schalen.
✓ Jede Schale kann eine festgelegte
maximale Anzahl von Elektronen
aufnehmen.
✓ Atome füllen zuerst die inneren,
dann die äußeren Schalen auf.
Die zweite Schale
kann bis zu
acht Elektronen
aufnehmen.
Proton
Neutron
Die dritte Schale
kann bis zu acht-
zehn Elektronen
aufnehmen.
Grundlagen 29
Elektronenstruktur
Die Elektronenstruktur eines Atoms lässt sich
mithilfe der Angaben im Periodensystem (siehe
Seite 52–53) herausfinden. Wissenschaftler
zeichnen die Elektronenstruktur (siehe Seite 28)
oder schreiben die Anzahl der Elektronen in jeder
Schale auf – zum Beispiel: 2, 8, 3.
Methode eins: mithilfe der Ordnungszahl
Zur Bestimmung der Elektronenstruktur sucht man die
Ordnungszahl heraus (die Gesamtanzahl von Protonen
bzw. Elektronen im Atom) und verteilt dann die Elektro-
nen nach den Regeln von Seite 28 auf die Schalen.
Aluminium
Al
13
1. Die Ordnungszahl
steht über dem Element-
symbol. Von Aluminium
lautet sie 13.
Auf einen Blick
✓ Die Elektronenstruktur eines Atoms
beschreibt die Anzahl der Elektronen
in jeder Schale.
✓ Die Elektronenstruktur eines Atoms
lässt sich anhand der Anzahl der Elek-
tronen und Schalen herausfinden.
✓ Für die ersten 20 Elemente gibt es
zwei Methoden, um die Elektronen-
struktur herauszufinden
2. Nach den Regeln
für Elektronenschalen
(Seite 28) sind 13 Elek tro-
nen auf drei Schalen zu
verteilen.
3. Die Elektronenstruktur
von Aluminium lautet:
2, 8, 3.
Methode zwei: mithilfe der Periode und Hauptgruppe
Die Periodenzahl ist gleich der Anzahl der Elektronen-
schalen eines Atoms. Die Gruppenzahl ist gleich der
Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale.
1. Aluminium
liegt in der
3. Periode. Es
hat drei Schalen.
I
1
Wasserstoff
H
1
II
2
3
4
Li
3
Lithium
Na
11
Natrium
K
19
Kalium
Be
4
Beryllium
Mg
12
Magnesium
Ca
20
Calcium
III
B
5
Bor
Al
13
Aluminium
IV
C
6
Kohlenstoff
Si
14
Silicium
V
N
7
Stickstoff
P
15
Phosphor
VI
O
8
Sauerstoff
S
16
Schwefel
VII
F
9
Fluor
Cl
17
Chlor
2. Aluminium liegt in
der 3. Hauptgruppe. In
der äußersten Schale
hat es drei Elektronen.
3. Die beiden inneren
Schalen von Aluminium
sind voll besetzt, weil
immer von innen nach
außen aufgefüllt wird.
4. Bei zwei Elektronen in der innersten
und drei Elektronen in der äußersten
Schale bleiben für die mittlere Schale
acht Elektronen. Daher lautet die Elek-
tronenstruktur von Aluminium 2, 8, 3.
VIII
He
2
Helium
Ne
10
Neon
Ar
18
Argon
30 Grundlagen
Elemente
Elemente sind Reinstoffe und können nicht
mehr in andere Stoffe zerlegt werden. Jedes
Element hat ganz bestimmte physikalische
und chemische Eigenschaften. Die Anzahl
an Protonen in einem Atom ist die Ordnungs-
zahl. Diese bestimmt das Element.
Das Innere von Elementen
Ein reines Element enthält
nur eine Atomsorte.
Auf einen Blick
✓ Elemente enthalten eine Atomsorte.
✓ Die Anzahl an Protonen im Atomkern
bestimmt das Element.
✓ Bislang wurden 118 verschiedene
Elemente entdeckt.
Reines Europium
enthält nur
Europiumatome.
Osmium
Reines Osmium
enthält nur
Osmiumatome.
Reines Gold enthält
nur Goldatome.
Europium
Das Periodensystem
Wissenschaftler ordnen alle
Elemente in einem Diagramm
an, das Periodensystem
genannt wird. Die Reihen-
folge ist die Ordnungszahl,
und die Gruppen, die hier
farblich unterschieden werden,
umfassen die Elemente mit
ähnlichen Eigenschaften. Mehr
über das Periodensystem steht
auf den Seiten 52–53.
Gold
Jedes Quadrat
entspricht
einem Element.
Grundlagen 31
Isotope
Isotope sind Atomsorten eines Elements. Isotope
haben immer die gleiche Anzahl Protonen, nicht
aber die gleiche Anzahl Neutronen. So bestehen die
meisten Magnesiumatome aus 12 Protonen, 12 Neu-
tronen und 12 Elektronen. Einige Magnesiumatome
haben jedoch mehr Neutronen. Sie sind ebenfalls
Magnesiumatome, bilden jedoch ein anderes Isotop.
Isotope von Magnesium
Magnesium hat drei stabile Isotope, Magnesium-24,
Magnesium-25 und Magnesium-26. Den Anteil dieser
Isotope auf der Erde nennt man Häufigkeit. Sie wird in
Prozent angegeben.
Auf einen Blick
✓ Isotope sind Atomsorten von Elementen.
✓ Die Anzahl der Neutronen im Atomkern
bestimmt das Isotop.
✓ Ein Element kann mehrere Isotope
haben.
✓ Der Isotopenname ist einfach der Ele-
mentname, gefolgt von der Gesamtzahl
der Protonen und Neutronen.
Magnesium-24 hat
12 Neutronen im Kern
und eine Häufigkeit
von 79 %.
Atommassen
Mit dieser Formel lässt sich die
relative Atommasse (Ar
) eines
Elements berechnen. Kennt
man die Isotope des Elements
sowie deren Massenzahl
(Gesamtzahl der Protonen und
Neutronen) und Häufigkeit,
erhält man aus der durch-
schnittlichen Masse aller Iso-
tope seine relative Atommasse.
Formel für die relative Atommasse:
Isotop 1
Ar
Isotop 2
100 %
Die Summe aller Häufigkeiten
beträgt immer 100 %.
Magnesium-25 hat
13 Neutronen im Kern
und eine Häufigkeit
von 10 %.
Magnesium-26 hat
14 Neutronen im Kern
und eine Häufigkeit
von 11 %.
Magnesium
32 Grundlagen
Gemische
Manchmal kann man Elemente zusam-
menbringen, ohne dass sie zu neuen
Produkten reagieren. Ein solcher Stoff,
bestehend aus zwei oder mehr Elementen
oder Verbindungen, wird Gemisch genannt.
So ist zum Beispiel Luft ein Gemisch aus
Sauerstoff, Stickstoff und anderen Gasen.
Eisen-Schwefel-Gemisch
Beim Vermischen reagieren Schwefelpul-
ver und Eisenspäne nicht miteinander. Mit
einem Magneten können sie leicht wieder
voneinander getrennt werden.
Auf einen Blick
✓ Ein Gemisch besteht aus zwei oder mehr ver-
schiedenen Elementen oder Verbindungen.
✓ Gemische enthalten Elemente und / oder
Verbindungen, die nicht chemisch miteinander
verknüpft sind.
✓ Die Elemente oder Verbindungen in einem Gemisch
behalten ihre ursprünglichen Eigenschaften.
✓ Elemente können aus einem Gemisch ohne
chemische Reaktion wieder getrennt werden.
Eisen
Schwefel
Eisen-Schwefel-
Gemisch
Atome in Mischungen
Da die verschiedenen Ele-
mente nicht chemisch mit-
einander verbunden sind,
bilden ihre Atome in der
Mischung keine regelmä-
ßigen Muster oder Formen
aus. Ihre Verteilung in der
Mischung ist zufällig.
S
S
Fe
Fe
Fe
Fe
Eisenatom (Fe)
Fe
Fe
S
S
S
S
S
S
S
S
Schwefelatom (S)
S
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
S
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
S
S
S
S
S
Grundlagen 33
Verbindungen
Verschiedene Elemente können mit-
einander reagieren und dabei eine
neue Struktur ausbilden, die Ver-
bindung genannt wird. Die meisten
Stoffe um uns herum sind chemische
Verbindungen.
Eisen-Schwefel-Verbindung
Die Elemente Eisen und Schwefel
reagieren miteinander zu einer Verbin-
dung. Eisen ist magnetisch, Schwefel
gelb. Die Eisen-Schwefel-Verbindung
ist weder magnetisch noch gelb.
Auf einen Blick
✓ Die meisten Elemente bilden durch eine
Reaktion Verbindungen.
✓ Verbindungen bestehen aus Atomen mehrerer
Elemente, die durch chemische Bindung mit-
einander verknüpft sind.
✓ Eine Verbindung hat andere Eigenschaften als
die Elemente, aus denen sie besteht.
✓ Elemente in Verbindungen können nur durch
chemische Reaktionen wieder voneinander
getrennt werden.
Eisen und Schwefel
reagieren miteinander.
Eisen
Schwefel
Eisen-Schwefel-
Verbindung
Atome in Verbindungen
Wenn Atome sich chemisch
miteinander verbinden, ent-
steht eine neue Struktur mit
neuen physikalischen und
chemischen Eigenschaften. In
Pyrit zum Beispiel haben sich
Eisen- und Schwefelatome zu
einer regelmäßigen dreidimen-
sionalen Anordnung verknüpft.
Fe
S
Fe
S
Schwefel-
atom (S)
Fe
S
S
Fe
S
Fe
S
Fe
Fe
S
Fe
S
Fe
S
S
Fe
S
Fe
S
Fe
Fe
S
Fe
S
Fe
S
S
Fe
S
Fe
S
Fe
Fe
S
Fe
S
Fe
S
S
Fe
S
Fe
S
Fe
Eisen atom
(Fe)
34 Grundlagen
Formeln
Aus welchen Elementen eine Verbindung besteht,
lässt sich einfach und schnell durch ihre Formel
herausfinden. Formeln können Wörter, Element-
symbole (siehe Seite 53) und manchmal Zahlen
enthalten. Es gibt mehrere Arten von Formeln.
Siliciumdioxid hat unter anderem diese vier:
Der ausgeschriebene Name
Anstelle des Symbols wird der Name
aller Elemente in der Verbindung voll-
ständig ausgeschrieben.
Siliciumdioxid
Si ist das
Symbol für
Silicium.
Atomdarstellung
Auf einen Blick
✓ Formeln geben an, aus welchen Ele-
menten eine Verbindung besteht.
✓ Es gibt mehrere Arten von Formeln.
Diese vier sind besonders wichtig:
Name, Summenformel, Atomdarstel-
lung und Strukturformel.
Summenformel
Für jedes Element wird das Element-
symbol aufgeschrieben. Zwischen
den Symbolen ist kein Leerraum.
SiO2
O ist das
Symbol für
Sauerstoff.
Symbol und Umriss für jedes
Atom stellen dar, aus was die
Verbindung besteht.
Strukturformel
Ein Bindestrich zwischen den
Symbolen beschreibt die Bindung
zwischen den Atomen.
O
Si O
Sauerstoffatom
Gängige Formeln
Mit diesen gängigen chemi-
schen Verbindungen sollte
man sich vertraut machen.
Neben dem Symbol steht
oft eine kleine Zahl. Sie gibt
an, wie viele Atome dieses
Elements sich in einem
Molekül der Verbindung
befinden.
Kohlenstoffdioxid
Ammoniak
Wasser
Methan
CO2
NH3
H2
0
CH4
Kohlenstoffmonoxid
Salzsäure
Calciumchlorid
Schwefelsäure
CO
HCl
CaCl2
H2SO4
In einem Mole-
kül Calciumchlo-
rid befinden sich
zwei Chloratome.
O – Si – O
Der Bindestrich stellt die Bin-
dung zwischen dem Silicium-
und dem Sauerstoffatom dar.
Grundlagen 35
Formeln herleiten
Atome bilden untereinander Bindungen aus
und füllen dadurch ihre Elektronenschalen auf.
Jedes Atom hat eine Wertigkeit (manchmal auch
Valenz genannt), die angibt, wie viele Elektro-
nen es hinzugewinnt, verliert oder gemeinsam
benutzt, wenn es sich mit einem oder mehreren
anderen Atomen verbindet.
Wertigkeiten
Elemente in der gleichen Hauptgruppe im Perioden-
system haben die gleiche Wertigkeit. Für Verbindungen
wie z. B. Wasser kann die Formel anhand dieser Tabelle
mithilfe einer einfachen Methode bestimmt werden.
Haupt-
gruppe
I
Wertigkeit 1
Zum Beispiel:
H+
Schreibe für Wasser-
stoff die Wertigkeit klein
oben rechts an das
Elementsymbol.
1. Wasserstoff (H) liegt in der I. Haupt-
gruppe und hat die Wertigkeit 1. Es
verliert ein Elektron und wird dadurch
einfach positiv geladen. Die „Eins“
wird nicht geschrieben, aber das
kleine Plus für die positive Ladung.
Übergangsmetalle
Die Übergangsmetalle (siehe die Seiten 62–63)
stehen im mittleren Teil des Periodensystems
zwischen der zweiten und dritten Hauptgruppe.
Es sind Nebengruppenelemente, die mehrere
Wertigkeiten unabhängig von ihrer Position
im Periodensystem haben können. Eisen (Fe)
kann zum Beispiel zwei- oder dreiwertig sein,
was in römischen Ziffern notiert wird: Eisen II
und Eisen III.
Eine Lösung aus
Eisen(II)-chlorid
ist klar.
Eine Lösung aus
Eisen(III)-chlorid ist
bernsteinfarben.
Eisen II
Eisen III
