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Kohlenstoff und seine Oxide 10:51 min

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Transkript Kohlenstoff und seine Oxide

Einen schönen guten Tag und herzlich willkommen zum Video "Die Oxide des Kohlenstoffs". Was ist ein Oxid? Ein Oxid ist eine chemische Verbindung, die aus einem chemischen Element und dem chemischen Element Sauerstoff besteht. Ein Oxid des Kohlenstoffs besteht aus dem chemischen Element Kohlenstoff, repräsentiert durch das chemische Symbol C, und aus dem chemischen Element Sauerstoff, repräsentiert durch das chemische Symbol O. Kohlenstoff finden wir in der Natur in großen Mengen in der Kohle. Sauerstoff ist ein wichtiger Bestandteil unserer Luft. Beide Elemente bilden eine chemische Verbindung, die man als Oxid bezeichnet. Bei der Verbrennung von Kohle mit Luftsauerstoff bildet sich ein Gas. Die Wortgleichung lautet: Kohlenstoff + Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid. Die Formelgleichung lautet: C+O2->CO2. 1 Atom Kohlenstoff + 1 Molekül Sauerstoff -> 1 Molekül Kohlenstoffdioxid. Betrachten wir nun die chemische Verbindung Kohlenstoffdioxid mit der Formel CO2 etwas näher. Zunächst die physikalischen Eigenschaften: Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist schwerer als Luft, etwa um den Faktor 1,5. Kohlenstoffdioxid ist in Wasser schwach löslich. Kohlenstoffdioxid absorbiert die Wärmestrahlung. Diese Eigenschaft führt zum bekannten Treibhauseffekt. Die chemischen Eigenschaften: Kohlenstoffdioxid brennt nicht und fördert die Verbrennung nicht. Kohlenstoffdioxid liefert mit Wasser die unbeständige Kohlensäure. Diese hat die chemische Formel H2CO3. Kohlenstoffdioxid reagiert mit Basen: Ba(OH)2+CO2->BaCO3+H2O. Die Base ist Bariumhydroxid, das wasserlöslich ist. Es bildet sich Bariumcarbonat, welches wasserunlöslich ist. Diese Reaktion dient zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid CO2. Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasser. Diese Reaktion ist nur möglich in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators, des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll. Im Ergebnis dieser Reaktion bildet sich eine chemische Verbindung mit der Summenformel C6H12O6 und Sauerstoff O2 wird frei: 6CO2+6H2O->C6H12O6+6O2. C6H12O6 ist Traubenzucker, die Glucose. Diese Reaktion ist unter dem Namen Fotosynthese gut bekannt. Nachweis von Kohlenstoffdioxid CO2: Der Nachweis ist über die Spanprobe, auch Glimmspanprobe genannt, möglich. Ein Span wird an einem Ende entzündet, die Flamme wird bis zu einem Funken verkleinert, und der glimmende Span wird in eine Probe mit Kohlenstoffdioxid eingetaucht. Der Glimmspan erlischt. Eine zweite Möglichkeit ist die Reaktion mit Barytwasser, die wir bereits schon besprochen haben. Es ist auch die Reaktion mit Kalkwasser möglich. Barytwasser Ba(OH)2 reagiert mit Kohlenstoffdioxid CO2 zu Bariumkarbonat BaCO3, welches als weißer Niederschlag ausfällt. Als Nebenprodukt bildet sich Wasser H2O. Der weiße Niederschlag zeigt an, dass es sich um Kohlenstoffdioxid handelt. Verwendung: Wenn Obst in Lagerräumen von Kohlenstoffdioxid bedeckt wird, bleibt es länger haltbar. Begasung von Pflanzen: Bei der Aufzucht von Pflanzen werden diese mitunter durch Kohlenstoffdioxid begast, um besser zu wachsen. Extraktion von Pflanzen: Mitunter extrahiert man mit warmem Kohlenstoffdioxid Pflanzen, um wichtige Inhaltsstoffe daraus zu isolieren, wie zum Beispiel Koffein, Majoran oder Hopfen. Kohlenstoffdioxid findet in bestimmten Feuerlöschern Verwendung. Vor einigen Jahren gab es Mitteilungen darüber, dass mit Kohlenstoffdioxid, das erwärmt wird, modernes Wäschewaschen stattfinden kann. Herstellung: Im Labor kann man Kohlenstoffdioxid darstellen, indem man zu Kalkstein eine Säure gibt. Es gibt dafür spezielle Gasentwickler. Kalkstein + Salzsäure -> Calciumchlorid + Kohlenstoffdioxid + Wasser. In der Industrie entsteht Kohlenstoffdioxid als Nebenprodukt in Kohlekraftwerken und anderen Wärmekraftwerken. Die Verbrennung der Kohle kann auch vonstattengehen, wenn nur relativ wenig Luft zur Verfügung steht. In einem solchen Fall bildet sich eine außerordentlich giftige und gefährliche chemische Verbindung. Es ist Kohlenstoffmonoxid mit der chemischen Formel CO. Physikalische Eigenschaften des Kohlenstoffmonoxids: Beim Kohlenstoffmonoxid handelt es sich um ein farb- und geruchloses Gas. Dadurch wirkt es, da es ein starkes Blutgift ist, besonders heimtückisch. Es ist auch dadurch gefährlich, da seine Dichte sich nur geringfügig von der Dichte der Luft unterscheidet. Formulieren wir nun die Formelgleichung der Entstehung des Kohlenstoffmonoxids: 2C+O2->2CO. Und in atomarer molekularer Schreibweise: 2 Atome Kohlenstoff + 1 Molekül Sauerstoff -> 2 Molekülen Kohlenstoffmonoxid. Chemische Eigenschaften: Kohlenstoffmonoxid ist brennbar. Die Reaktionsgleichung lautet: 2CO+O2->2CO2. Kohlenstoffmonoxid reagiert mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffmonoxid hat eine reduzierende Wirkung auf Oxide. So kann Kohlenstoffmonoxid zum Beispiel ein Eisenoxid zu reinem Eisen reduzieren. Fe2O3+3CO->2Fe+3CO2. Fe2O3 ist ein Eisenerz mit chemischem Namen Eisen(III)-oxid. Verwendung von Kohlenstoffmonoxid: Früher, bis zur 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts, fand man Kohlenstoffmonoxid als Bestandteil des Stadtgases. Der wichtigste Anwendungszweck des Kohlenstoffmonoxids ist die organische Synthese. Sie dient zur Herstellung vieler organischer Verbindungen. Kohlenstoffmonoxid reagiert zum Beispiel mit Wasser in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators zu Methanol: CO+2H2->CH3OH. CH3OH ist Methanol. Ich hoffe, es war für eine Einführung nicht zu schwer und für die, die schon Bescheid wissen, nicht zu langweilig. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Auf Wiedersehen!

Kohlenstoff und seine Oxide Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kohlenstoff und seine Oxide kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere den Begriff Oxid am Beispiel der Oxide des Kohlenstoffs.

    Tipps

    Der Begriff Oxid kommt vom lateinischen Oxigenium, was Sauerstoff bedeutet.

    Ein Oxid des Kohlenstoffs ist das $CO_2$. Welches gibt es noch?

    Lösung

    Oxide kommen überall in der Natur vor. Sie entstehen aus der Reaktion des Elements mit dem reaktionsfreudigen Sauerstoff. So sind viele Minerale, wie Eisen-, Kupfer-, Chrom- (siehe Bild) oder Aluminiumoxid, Vertreter dieser Stoffklasse.

    Da Kohlenstoff in Form von Kohle oder Erdöl zur Energiegewinnung durch Verbrennung genutzt wird, entsteht eine große Menge seiner Oxide. $CO_2$ ist das mitunter bekannteste Treibhausgas. Dies ist aber nicht nur schlecht. Ohne $CO_2$ wäre unsere Erde wohl immer noch ein Eisplanet.

  • Formuliere die Reaktionsgleichung der Verbrennung von Kohle.

    Tipps

    Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff entsteht $CO_2$.

    Beachte die Stöchiometrie. Es müssen auf der Seite der Ausgangsstoffe genauso viele Atome Kohlenstoff und Sauerstoff vorhanden sein wie auf der Seite der Produkte.

    Lösung

    Die Verbrennung von Kohle wird schon seit Urzeiten zur Energiegewinnung genutzt, um z.B. Metalle zu gewinnen. Auch heute noch wird Kohle in großen Kraftwerken verfeuert, um Strom zu erzeugen.

    Aufgrund des riesigen Energiehungers der Menschheit wird das Verbrennungsprodukt $CO_2$ zu einem immer größeren Problem. Abhilfe könnten neue Methoden des Ackerbaus schaffen, indem Pflanzenkohle in die Erde gebracht und so dauerhaft dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wird (Stichwort Terra Preta).

  • Entscheide, in welchen Stoffen Kohlenstoff enthalten ist.

    Tipps

    Kunststoffe werden oft aus Erdöl gewonnen.

    Sand ist zum größten Teil ein Oxid. Auch in Glas ist dieses Oxid enthalten.

    Lösung

    Das Element Kohlenstoff finden wir in sehr vielen Stoffen, die uns täglich umgeben. So ist $CO_2$ zu ca. 0,04% Bestandteil der Luft, die wir einatmen, und auch in unserer Nahrung ist Kohlenstoff enthalten, den wir zum Aufbau körpereigener Stoffe benötigen.

    Die organische Chemie wird auch als Kohlenstoffchemie bezeichnet. Kohlenstoff ist in der Lage, lange Ketten und Verzweigungen mit sich selbst zu formen. Daher ist es unter anderem geeignet für große Polymere. Kunststoffe werden daher oft aus Erdölprodukten hergestellt. So kann man z.B. eine Gießkanne daraus formen.

    Speisesalz ist chemisch betrachtet Natriumchlorid und Sand besteht größtenteils aus Siliciumdioxid. Beide Stoffe enthalten also keinen Kohlenstoff.

  • Bestimme die Eigenschaften folgender Verbindungen.

    Tipps

    Modifikationen meint verschiedene Erscheinungsformen desselben Stoffes.

    Kohlenstoff kann maximal eine Oxidationszahl von +4 erreichen. Somit kann er nicht mehr als 2 Sauerstoffatome binden. $CO_2$ ist also das Produkt einer vollständigen Verbrennung.

    Lösung

    Kohlenstoff ist ein Feststoff. In der Modifikation von Graphit ist er schwarz. Kohlenstoff besitzt aber auch die Modifikation von Diamant. Dies ist die härteste bekannte Substanz und hat optisch nichts mit Graphit zu tun. Die Modifikationen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften. So ist Graphit ein elektrischer Leiter, während Diamant den Strom nicht leitet.

    Bei einer unvollständigen Verbrennung entsteht unter anderem Kohlenstoffmonoxid $CO$. Wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist, entsteht diese Verbindung. Sie ist äußerst toxisch, da sie von den roten Blutkörperchen besser gebunden wird als Sauerstoff. Bei einer hohen Konzentration dieses Gases in der Luft ist eine Erstickung die Folge. Da $CO$ noch ein Sauerstoffatom aufnehmen kann, wirkt es reduzierend, es kann also noch Elektronen aufnehmen.

    $CO_2$ ist in unserer Ausatemluft vermehrt enthalten. Durch Pflanzen wird es in den lebenswichtigen Sauerstoff und nicht weniger wichtige Pflanzeneingene Stoffe, wie Zucker, umgewandelt. $CO_2$ ist somit ein sehr wichtiger Teil des Kohlenstoffkreislaufs in der Natur. Es ist Produkt der vollständigen Verbrennung von $C$ und damit nicht mehr brennbar.

  • Nenne Möglichkeiten des Nachweises für Kohlenstoffdioxid.

    Tipps

    Mit der Fehling- und der Silberspiegelprobe weist man reduzierende Wirkungen nach, z.B. von Zuckern.

    $CO_2$ erstickt Flammen. Daher wird es auch in Feuerlöschern eingesetzt.

    Lösung

    Mit Silbernitrat kann man schwerlösliche Halogenide ausfällen. Es dient also zum Nachweis von Chlorid-, Bromid- und Iodid-Ionen.

    Die reduzierende Wirkung von Zuckern macht man sich beim Nachweis mit der Fehlingprobe und der Silberspiegelprobe zu Nutze.

    Die Spanprobe liefert ein positives Ergebnis auf $CO_2$, wenn die glühende Spitze erlischt. Der Nachweis mit Barytwasser ist eine Fällungsreaktion. Es bildet sich das schwerlösliche Bariumcarbonat $BaCO_3$. Dieses ist als weißer Niederschlag mit dem Auge gut zu erkennen. Lässt sich dieses durch ein paar Tropfen Schwefelsäure wieder auflösen, liegt $BaCO_3$ vor, ansonsten $BaSO_3$ und damit wurde $SO_2$ eingeleitet.

  • Formuliere die Protolysereaktion der Kohlensäure.

    Tipps

    Im ersten Schritt entsteht die Kohlensäure, wie du ganz oben im Bild siehst.

    In der zweiten Reaktion gibt die Kohlensäure ein Proton ($H^+$) an das Wasser ab.

    Lösung

    Du siehst hier die allgemeine Reaktionsgleichung für die Reaktion einer Säure mit Wasser. Diese geht auf Brönsted zurück.

    $HA$ ist die Säure. Sie trägt ein Proton. Der Wasserstoff gibt bei der Abspaltung sein Elektron ab und besteht demnach nur noch aus einem Proton. Das Wasser nimmt dieses Proton auf und es entsteht ein Hydronium-Ion (auch Oxonium-Ion genannt).

    Von der Säure bleibt das Säurerest-Ion zurück. In diesem Fall ist es das Carbonat-Ion ${CO_3}^{2-}$.