Skript - Metalle

Einführung

Mit Hilfe dieses Skriptes sollt ihr euch das Thema Metalle selbstständig erarbeiten. Selbstständig bedeutet wirklich SELBST und STÄNDIG.

Der Unterricht im klassischen Sinne hat aufgehört. Ihr könnt euer eigenes Tempo bestimmen und eigene Partner suchen. Sollte die Lehrkraft nicht da sein, habt ihr nun immer das Material um selbstständig zu arbeiten.

Die Lehrkraft soll dabei als Berater und Helfer zur Seite stehen. Wenn du Fragen hast oder auf Probleme stößt, die du weder allein noch im Team lösen kannst, dann frag nach!

Für jedes Kapitel dieser Reihe ist angegeben, wie du vorgehen solltest. Die Vorüberlegungen sollen dir helfen Wissen zu reaktivieren oder Wissenslücken zu schließen. Wenn du dich an die vorgegebenen Vorgehensweisen hältst, sollte es keine Probleme geben.

Vielleicht fragst du dich jetzt, warum die Lehrkraft so faul sein darf und du jetzt alles "allein" machen musst. Der Grund ist recht einfach: die Lehrkraft haben alles bereits so vorbereitet, dass du dich intensiv mit einem Thema beschäftigen kannst. Dadurch bleibt es besser in deinem Gedächtnis. Du lernst effektiver die Inhalte, verbesserst dein eigenes Zeitmanagement und analysierst deine eigenen Fähig- und Fertigkeiten.

Symbole im Skript

In diesen Texten findst du Erklärungen und Hintergründe!
Die Quellen findest du in den Fußnoten. Diese Quellen können auch als Testvorbereitung helfen.
Übrigens, nicht alle Quellen sind Wikipedia. Aber es ist eine nützliche und in Chemie akzeptierte Quelle.
Bild: Information by dDara from the Noun Project

An diesen Stellen sollst du dein Wissen auffrischen!
Du solltest die entsprechenden Themen schon vorher im (Chemie-)Unterricht behandelt haben.
Falls nicht, arbeitest du deine Wissenslücken bitte selbstständig auf.
Bild: Arrow by Aleksandr Vector from the Noun Project

Es soll keine Langeweile aufkommen.
Wenn du mit den Aufträgen bereits fertig bist, während deine Gruppe noch arbeitet, kannst du dich hier noch weiter in das Thema einarbeiten.
Bild: thunder by Pascal Heß from the Noun Project

Dieses Symbol weißt immer auf eine Durchführung für ein Experiment hin.
Bild: Chemistry by Eucalyp from the Noun Project

Das Zeitsymbol soll dir zeigen, wie lange du für das jeweilige Kapitel brauchen solltest.
Diese Zeitangabe dient aber nur als Orientierung. Am Ende musst du nur die Planung der Lehrkraft und deine eigene Zeitplanung beachten.
Bild: clock by Mr. Minuvi from the Noun Project

Bewertung

Die Bewertung im Semester erfolgt anhand von:

Tests
Protokollen
Mitarbeit im Unterricht bei der Sicherung und Diskussion von Inhalten
ggf. gesammelte Unterschriften pro Kapitel (nach Abspraache mit der Lehrkraft)

Auf Grund unvorhergesehener Umstände (z.B. Pandemie) kann sich diese Liste auch ändern.

Metallherstellung

Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Menschheit war sicherlich die Entstehung der Metallherstellung am Ende der Steinzeit. Die Werkzeuge (und Waffen), die sich so herstellen ließen, waren den Faustkeilen und Steinwerkzeugen überlegen. Aber die Herstellung war ein schwieriger Prozess, wie man im Experiment schnell merkt.

Am Ende dieses Kapitel sollst du ... :

den Herstellungsprozess von Kupfer aus Malachit beschreiben und erklären können.

Vorgehensweise:

Führe die Experimente als Gruppe durch.
Beachte die genauen Arbeitsaufträge für jedes Experiment bzgl. der Abgabe von Protokollen.

clock by Mr. Minuvi from the Noun Project

180min

Kupferherstellung in der Steinzeit

Mit dem Fund des Ötzis haben Wissenschaftler sehr viel über das Leben in der Steinzeit erfahren. Auch für Chemiker ist dieser Fund interessant, da der Ötzi bereits einige Metallwerkzeuge bei sich trug.

Auftrag: Untersuche und erkläre, wie die Menschen in der späten Steinzeit Metall hergestellt haben.

Bearbeite alle Aufgaben und führe das Experiment durch. Schreibe ein ausführliches Protokoll. Diesmal brauchst du eine Hypothese. Diese wird nach dem Arbeitsauftrag in das Protokoll eingefügt.
Das Protokoll wird bewertet. Es wird ein Protokoll pro Gruppe abgegeben.
Für die Hypothese: Lies den Infotext zum Ötzi und stelle die Wortgleichung für die Herstellung von Kupfer auf. Vermute, welche (chemischen) Probleme die Herstellung von reinem Kupfer behindern können.
Führe das Experiment durch und protokolliere deine Beobachtungen.
Beantworte die folgenden Fragen als Teil der Auswertung:

Erläutere mit Hilfe einer Wortgleichung was beim Rösten von Malachit passiert.
Stelle die ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Reaktion von Kupfer(II)-oxid mit Kohlenstoff (Holzkohle/Aktivkohle) auf. Nutze dazu auch die obige Wortgleichung und das LEGO-Modell. Solltest du hier Hilfe benötigen, kannst du die Lehrkraft fragen.
Vermute, wie man die Ausbeute an reinem Kupfer erhöhen könnte. Welche Verbesserungen könnten die Steinzeitmenschen entwickelt haben.
Erläutere, warum es sich bei der Reaktion von Kupfer(II)-oxid mit Kohlenstoff um eine Redox-Reaktion handelt.

Der Ötzi, ist eine Gletschermumie aus der späten Jungsteinzeit bzw. Kupfersteinzeit, die 1991 in den Ötztaler Alpen (Südtirol) gefunden wurde. Das mitgeführte \textbf{Kupferbeil} [...] besteht zu 99\% aus Kupfer, das laut neuesten Analysen aus [...] Erz (Kupferoxide) in einer Reaktion mit Kohle gewonnen wurde. Quelle (angepasst)[Stand: 29.11.2020]

Gib einige Malachitbröckchen in ein Reagenzglas und erhitzt (röste) es über der Brennerflamme bis die Umfärbung von grün nach schwarz vollständig ist. Du hast jetzt Kupfer(II)-oxid hergestellt. Gib anschließend Holzkohlepulver oder Aktivkohle hinzu, rühre gut um und erhitzt erneut bis zum Glühen. Prüfe ob sich rötliche Metallstückchen gebildet haben. Sollte sich beim Rösten von Malachit nicht genug Kupfer(II)-oxid gebildet haben, kannst du auch frisches Kupfer(II)-oxid von der Lehrkraft bekommen. Quelle (angepasst)[Stand: 17.05.2024]

Metallherstellung mit anderen Metallen

Kupfer kann man auch mit Hilfe anderer Metalle herstellen. Dabei ist es wichtig zu wissen, was der Unterschied zwischen edlen und unedlen Metallen ist.

Auftrag: Untersuche und erkläre, wie man Metalle durch eine Reaktion mit unedlen Metallen herstellen kann.

Das Protokoll wird bewertet. Es wird ein Protokoll pro Gruppe abgegeben.
Führe as Experiment durch und protokolliere deine Beobachtungen.
Beantworte die folgenden Fragen als Teil der Auswertung:

Für die Recherche ist ein digitales Gerät pro Gruppe erlaubt.
Stelle die Wortgleichung für die Reaktion von Kupfer(II)-oxid mit Eisen auf.
Stelle die ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Reaktion von Kupfer(II)-oxid mit Eisen auf. Nutze dazu auch die obige Wortgleichung und das LEGO-Modell. Solltest du hier Hilfe benötigen, kannst du die Lehrkraft fragen.
Erkläre, warum es sich bei der Reaktion um eine Redox-Reaktion handelt.
Erkläre, warum Eisen den Sauerstoff aufnimmt. Erkläre dabei die folgenden Begriffe: edles Metall, unedeles Metall, Sauerstoffaffinität. Beziehe dich bei deinen Erklärungen zur Redox-Reaktion immer auf den Entzug bzw. die Zugabe von Sauerstoff (Achtung: keine Spannungsreihe!).
Um die Klimakrise abzuwenden, müssen wir so wenig CO₂ wie möglich produzieren. Wir brauchen aber auch Kupfer. Dann können wir doch in Zukunft Kupfer anstatt mit Kohle mit Eisen herstellen. Bewerte diese Idee. Analysiere dafür die folgenden Aspekte:

Wie wird Eisen hergestellt?
Spart man bei der Produktion von Kupfer mit Eisen CO₂?
Wie stellt man aktuell Kupfer großindustriell her? Lohnt sich da ein Wechsel?

In Zukunft soll Kupfer mit Hilfe von (grünem) Wasserstoff hergestellt werden. Erläutere mit Hilfe einer Wortgleichung, wie man Kupfer(II)-oxid mit Wasserstoff in einer Redox-Reaktion reagieren lassen könnte. Welches Abfallprodukt entsteht? Erkläre, welchen umwelttechnischen Vorteil dieses Verfahren hätte.

Es werden 1,6 g schwarzes Kupferoxidpulver (Kupfer(II)-oxid) und 0,8 g Eisenpulver in einem Mörser gegeben und zerkleinert. Anschließend wird die Mischung mit Hilfe von Filterpapier in ein feuerfestes Reagenzglas gegeben. Das Reagenzglas wird mit Hilfe einer Reagenzglasklammer über den Bunsenbrenner gehalten, um den Inhalt des Reagenzglases bis zum ersten Aufglühen zu erhitzen. Sofort nach dem 1. Glühen wird das Reagenzglas aus der Flamme entfernt. Nach dem Abküheln prüft man, ob sich rötliche Metallstückchen gebildet haben.

Eigenschaften der Metalle

Die Herstellung und Nutzung von Metallen war für den Menschen einer der wichtigsten Entwicklungsschritte in seiner Entwicklung. Aber was macht ein Metall nun so besonders? Was unterscheidet Metalle von Steinen oder Holz?

Am Ende dieses Kapitel sollst du ... :

die Eigenschaften von Metallen beschreiben können.
die Eigenschaften von Metallen mit Hilfe der Metallbindung und des Elektronengasmodells erläutern können.

Vorgehensweise:

Führe die Experimente als Gruppe durch.
Beachte die genauen Arbeitsaufträge für jedes Experiment.
Bearbeite alle Arbeitsaufträge erst einmal allein und vergleiche dann ggf. mit den Mitschüler:innen.

90min

Die Eigenschaften der Metalle

Metalle sind eine ziemlich große Stoffgruppe und kommen in allen Farben und Formen vor. Aber welche Eigenschaften definieren ein Metall?

Auftrag: Untersuche mit verschiedenen Experimenten die Eigenschaften der Metalle.

Bearbeite alle Aufgaben und führe das Experiment durch. Schreibe ein einfaches Protokoll, mit dem du später lernen kannst.
Lies die Durchführung. Führe das Experiment durch und protokolliere deine Beobachtungen.
Beantworte die folgenden Fragen als Teil der Auswertung:

Erläutere, wie Metalle auf der Teilchenebene aufgebaut sind. Gehe dabei auch auf die Begriffe Metallbindung, Metall-Ion und Elektronengas ein.
Erläutere, wie vor alle die Biegbarkeit und die elektrische Leitfähigkeit durch die Metallbindung ermöglicht werden.

Beschreibe Farbe und Glanz einiger Metalle. Vergleiche dazu mehrere Metalle, die deine Lehrkraft im Chemieraum hat.
Untersuche die Wärmeleitfähigkeit einiger Metalle. Vergleiche die Wärmeleitfähigkeit der Metalle mit Holz oder Plastik. Du brauchst ein Becherglas mit heißem Wasser. Erhitze das Becherglas mit einer Kerze, so kühlt das Wasser während des Versuchs nicht aus. Lege nun ein längliches Stück Metall in die Tasse und beobachte, was passiert. Wiederhole das Experiment mit einem Holzstäbchen oder Plastikstäbchen.
Untersuche die elektrische Leitfähigkeit einiger Metalle. Frage deine Lehrkraft dazu nach einem Leitfähigkeitsmesser.
Untersuche die Biegbarkeit einiger Metalle. Vergleiche dazu mehrere Metalle, die deine Lehrkraft im Chemieraum hat. Vergleiche die Biegsamkeit mit anderen Stoffen wie Holz, Stein und/oder Salz.

Die Reaktion der Metalle mit Sauerstoff

Metalle sind in vielen Orten verbaut und daher auch den Elementen ausgesetzt. Daher lohnt es sich, die Reaktion

Auftrag: Untersuche mit verschiedenen Experimenten die Reaktion von Metallen mit Sauerstoff.

Bearbeite alle Aufgaben und führe das Experiment durch. Schreibe ein einfaches Protokoll, mit dem du später lernen kannst.
Für dieses Protokoll sollst du eine kurze Hypothese aufstellen. Beantworte dazu die folgenden Fragen:

Nenne die Bedingungen für Feuer.
Vermute, wie ein Eisennagel und Eisenpulver in einer Flamme reagieren werden.

Lies die Durchführung. Führe das Experiment durch und protokolliere deine Beobachtungen.
Beantworte die folgenden Fragen als Teil der Auswertung:

Erkläre, wie der Zerteilungsgrad eine Verbrennung beeinflussen kann.
Erkläre, warum das Pulver anders reagiert als die Bleche.
Formuliere für die Verbrennung einiger Metalle die ausgeglichene Reaktionsgleichung.
Erkläre, warum die Metalle verschieden in der Flamme reagieren. Geh dabei auf den Begriff Sauerstoffaffinität ein.
Recherchiere und erkläre, wie sich Edelmetalle von anderen Metallen unterscheiden. Geh dabei nur auf die Reaktion mit Sauerstoff ein.

Verbrenne einen Metalldraht oder ein Metallblech in einer Kerze und notiere deine Beobachtungen. Den zweiten Teil musst du mit einer Lehrkraft zusammen durchführen: ein Gummigebläse wird gemäß Anleitung mit einem Glasrohr verbunden. Man gibt jeweils eine Portion Metallpulver in die freie Öffnung des Glasrohres und bläst das Pulver direkt in die nicht leuchtende Flamme des Gasbrenners. So verfährt man nacheinander nach jeweiliger Reinigung des Glasrohres mit allen Metallen. Quelle hier.