Chemie

Einführung zu den chemischen Bindungen – Was hält die Atome in Stoffen zusammen?

Die Welt, wie wir sie kennen und erleben, besteht aus einer Vielzahl von Stoffen. Diese Stoffe wiederum bestehen aus Atomen. Doch was führt dazu, dass diese Atome in diesen Stoffen zusammengehalten werden und nicht in ihre Einzelatome zerfallen? Können wir diese Anziehungskräfte genauer beschreiben und gibt es gar unterschiedliche Möglichkeiten für den Zusammenhalt?

Betrachten Sie beispielsweise die Stoffe Wasser, Natriumchlorid (Kochsalz) und Diamant.

Auf den ersten Blick sind visuelle Ähnlichkeiten zu beobachten, wie die kristalline Form oder die Durchsichtigkeit der Stoffe. Betrachtet man aber die Schmelzpunkte, muss man sich die Frage stellen, woher diese grossen Unterschiede in den Anziehungskräften stammen.

Atome sind elektrisch neutral, da sie über gleich viele Elektronen wie Protonen verfügen. Dennoch muss es offenbar Mechanismen geben, die diese zusammenhalten. Auf der Grundlage des Konzepts der Anziehung positiver und negativer Ladung, dem Coulombgesetz, sowie der Elektronegativität werden in diesem Einführungskurs die drei verschiedenen Bindungsmöglichkeiten vorgestellt: die ionische, die metallische und die kovalente Bindung.

Im weiteren Kursverlauf werden die drei Bindungsarten genauer beleuchtet und Vertreter der jeweiligen Stoffklasse mittels Experimenten genauer auf deren Eigenschaften untersucht. Den roten Faden bieten dabei Experimente zur elektrischen Leitfähigkeit, anhand derer die jeweiligen Bindungsarten eingeführt werden sowie die folgende Übersichtsgrafik.
 

Im Mittelpunkt dieses Kurses stehen die chemischen Prozesse, die sowohl dem natürlichen als auch dem anthropogenen Treibhauseffekt zugrunde liegen. Auf welche Weise sorgt der Treibhauseffekt dafür, dass auf der Erde Temperaturen herrschen, die Leben ermöglichen, und welche Prozesse führen gegenwärtig zu einer globalen Erwärmung? Welche Rolle spielen Kohlenstoffdioxid und die Wolken in der Atmosphäre beim Treibhauseffekt – und welche Zusammenhänge werden in den Medien oft falsch dargestellt? Wie können wir die mittlere Temperatur der Erde berechnen und erklären, wie Albedo und Treibhauseffekt diese Temperatur beeinflussen? Welche Mechanismen liegen natürlichen Klimaschwankungen zugrunde – und wie können wir Leugner des anthropogenen Treibhauseffekts vom Einfluss des Menschen auf das Klima überzeugen?

Mit dem Ausstoss grosser Mengen von Treibhausgasen, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid, beeinflussen wir unsere Umwelt auf vielfältige Art und Weise. Wir betrachten den Kohlenstoffkreislauf und suchen Antworten auf die Frage, was genau eine grössere Menge an CO₂ in unserer Atmosphäre alles bewirkt. Was sind die Auswirkungen auf die mittlere Erdtemperatur, auf das Klima der Ozeane und Meeresströmungen? Zum Abschluss wird dargestellt, wie sich verschiedene Argumente von Leugnern des Klimawandels durch experimentelle Belege und Messreihen entkräften lassen.

Inhaltsübersicht

1. Aufnahme und Abgabe von IR-Strahlung bei Treibhausgasen
   
2. Kohlenstoffdioxid-Emissionen. Der Kohlenstoff-Kreislauf der Erde
   
3. Die Auswirkungen des Klimawandels auf die mittlere globale Temperatur
   
4. Die Argumente der Klimawandel-Leugner – und ihre Widerlegung

Diese Unterrichtseinheit wurde an der ETH Zürich vom MINT-Lernzentrum in Zusammenarbeit mit dem Departement für Umweltsystemwissenschaften entwickelt.

Das Themengebiet des Klimawandels ist vielseitig. Nachdem Sie im Kurs zur Chemie des Klimawandels Teil 1 oder dem Kurs Physik des Klimawandels bereits Wichtiges über den Klimawandeln erfahren haben, geht es in diesem Kurs darum, mehr über den Aufbau unserer Atmosphäre und den Zusammenhang mit dem Klimawandel zu erfahren. Dabei widmen wir uns im Speziellen einem Molekül: dem Ozon. Wie ist Ozon aufgebaut und wie wird dieses gebildet? Was versteht man unter einem Ozonloch und wie entstehen solche? Wieso spricht man im Sommer über Ozonbelastung, obwohl uns die Ozonschicht vor gefährlicher Strahlung schützt?

Neben dem Beantworten dieser Fragestellungen, beschäftigen wir uns auch mit einigen Alltagsphänomenen: Können Sie beispielswiese erklären, wieso der Himmel blau erscheint, ein schöner Sonnenuntergang aber in roten und orangen Farbtönen leuchtet? Haben Sie sich schon einmal gefragt, wieso man ab einer gewissen Höhe keine Wolken mehr beobachten kann?

Diese Unterrichtseinheit wurde an der ETH Zürich vom MINT-Lernzentrum in Zusammenarbeit mit dem Departement für Umweltsystemwissenschaften entwickelt.

Inhaltsübersicht

1. Struktur und Eigenschaften des Ozons
2. Aufbau der Erdatmosphäre
   
3. Ozon in der Stratosphäre
   
4. Ozon in der Troposphäre

Welche chemische Reaktion ist dafür verantwortlich, dass in Batterien Elektronen fliessen? Woher kommen die Elektronen einer Batterie – und wohin gehen sie? Warum sind Akkus im Unterschied zu Batterien wiederaufladbar? Und nach welchem Prinzip funktionieren Brennstoffzellen: Ist das ähnlich wie bei Batterien und Akkus – oder ganz anders? Das sind die Fragen, die in diesem Kurs beantwortet werden. Dabei werden wir Gelegenheit haben, mit ungefährlichen Stoffen selbst verschiedene Batterien zu bauen, wie zum Beispiel eine Aluminium-Luft-Batterie:

Zudem werden wir aus Kupfer und Zink eine weitere Batterie bauen: eine moderne Version der klassischen Volta-Säule. Danach untersuchen wir am Beispiel eines wiederaufladbaren Zink-Jod-Akkus die Unterschiede zwischen Batterien und Akkus. Zum Abschluss befassen wir uns mit der Zukunftstechnologie der Brennstoffzellen (Wasserstoff, Methanol) und erklären am Beispiel der Wasserstoff-Brennstoffzelle, welche chemischen Reaktionen ihnen zugrunde liegen.  

Hier findet Ihr einige Experimente, die wir im Kurs durchführen werden:

Wir bauen einen Akku:

Eine Zinkiodid-Lösung kann durch das Anlegen einer elektrischen Spannung in Iod an der einen Elektrode (rötlich-braun, obere Elektrode) und metallisches Zink (silberner Schimmer an Elektrode, untere Elektrode) an der anderen Elektrode aufgespalten werden.

Diese Unterrichtseinheit steht ganz am Anfang des Chemieunterrichts und führt die Schülerinnen und Schüler in die Grundlagen dieses Fachs ein. Sie starten mit dem bekannten Einstiegsexperiment des «Blauen Wunders» und erproben an diesem Beispiel ihre eigenen Vermutungen. Dabei erfahren sie, dass sich die Chemie mit Stoffumwandlungen beschäftigt und unter welchen Voraussetzungen mit Experimenten Hypothesen bestätigt oder widerlegt werden können.

Warum wird die Lösung beim Schütteln blau – und warum entfärbt sie sich nachher wieder?

Im Video weiter unten kannst Du den Prozess beobachten. Die Antwort werden wir im Kurs gemeinsam finden.

Das Konzept des Mols wird am Beispiel der Vorbereitung einer Party mit 24 Personen eingeführt, bei der jede Person ein Sandwich mit einem Ei und einer Olive erhalten soll.

Die Schülerinnen und Schüler verstehen leicht, dass es unpraktisch wäre, mit Gewichtsangaben zum Einkaufen zu gehen und 1 Kilogramm Brot, 1 Kilogramm Eier und 1 Kilogramm Oliven in den Einkaufskorb zu legen. Stattdessen ist es sinnvoller, von allen Zutaten: Brotscheiben, Eiern und Oliven jeweils zwei Dutzend zu besorgen. Die Analogie mit dem Begriff «Dutzend» wird anschliessend genutzt, um die Einheit «Mol» einzuführen: Möchten wir beispielsweise Eisen und Schwefel zu einer Verbindung reagieren lassen, die die gleiche Anzahl Eisen-​ wie Schwefelatome enthält (Eisensulfid), dann müssen wir die gleiche Anzahl beider Atomsorten reagieren lassen. Da 1 Kilogramm Eisen und 1 Kilogramm Schwefel aber nicht die gleiche Anzahl Atome enthalten, helfen uns hier Gewichtsangaben – wie bei der Vorbereitung der Sandwiches – nicht weiter.
Um dieses Problem zu lösen, wird die Einheit «Mol» eingeführt, die wie die Einheit «Dutzend» eine bestimmte Anzahl beschreibt. Der Vorteil dieser Einheit der Stoffmenge besteht darin, dass wir beispielsweise 1 mol Eisenatome und 1 mol Schwefelatome miteinander reagieren lassen können, wenn wir sie zu Eisensulfid verbinden möchten. Von beiden Stoffen liegt dann die gleiche Anzahl von Atomen vor.

Wie bei allen Materialien des MINT-​Lernzentrums kommen auch in dieser Einheit Unterrichtsformen zum Einsatz, die die Schülerinnen und Schüler auf besonders lernwirksame Weise bei der Konstruktion von Wissen unterstützen.

Beispiel:
Im Zusammenhang mit dem Atomismus lernen die Schülerinnen und Schüler, dass Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen, die sich bei flüssigen und gasförmigen Stoffen in ständiger ungeordneter Bewegung befinden. Sie können Phänomene wie die Diffusion oder die Brown’sche Bewegung auf Teilchenebene erklären. Die Einheiten «Mol» und «Molmasse» werden mithilfe der untenstehenden Tabelle nachvollziehbar eingeführt.

Die Schülerinnen und Schüler werden mit vielen Beispielen angeleitet, sich zu überlegen, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit Experimente überhaupt aussagekräftig sind:

Julia und Noah wollen herausfinden, wovon es abhängt, wie lange eine Brausetablette nach dem Hineinwerfen ins Wasser schäumt. Diese drei Dinge könnten einen Einfluss haben:
• Grösse der Brausetablette
• Menge des Wassers im Glas
• Brausetablette in mehrere Stücke aufbrechen
Hier sehen Sie, welche Experimente Julia und Noah gemacht haben:

Können Julia und Noah so herausfinden, wovon es abhängt, wie lange eine Brausetablette nach dem Hineinwerfen in das Wasser schäumt? Oder sollten sie etwas anders machen?

Und hier sind noch ein paar Experimente, die wir gemeinsam durchführen werden: