Untersuchung der Luft und organische Chemie

Aus Domeyer

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Inhaltsverzeichnis

Woher kommt der Begriff Chemie?

Bedeutung des Begriffes

Robert Boyle

Wir untersuchen die Luft

Die Menge der Ausatemluft

Versuch 1: Wir bestimmen die Menge der Ausatemluft

Mit einem großen Becherglas und mit einem Spirometer

Wirkung von Kohlenstoffdioxid auf Kalkwasser

Wichtige Entdeckungen

Versuche mit Sauerstoff

Die Verbrennung der Luft

Organische Chemie

Von der Pflanze zur Kohle

Chemische Prozesse beim Pflanzenwachstum

Wir betrachten ein Samenkorn, das im Winter in der Erde liegt. Die Erde ist kalt und feucht. Erst mit den wärmenden Sonnenstrahlen im Frühling beginnt die Keimung. Wenn Feuchtigkeit und Wärme zusammen auftreten, setzt der Embryo Pflanzenhormone (Gibberelline) frei. Diese wirken auf die Aleuronschicht, die ihrerseits Stärke abbauende Enzyme freisetzt. Die Stärke des Mehlkörpers wird zu Glukose abgebaut. Die Glukose wird vom Embryo für das Wachstum benötigt. Zunächst schiebt sich die Keimwurzel nach unten und anschließend schieben sich die Keimblätter nach oben. Die Keimblätter erreichen die Erdoberfläche und gelangen damit in das Sonnenlicht.Nun kann das Licht in der Pflanze den Vorgang der Fotosynthese bewirken. Dabei nimmt die Pflanze das Kohlenstoffdioxid (CO2) über die Blätter und das Wasser über die Wurzeln auf. In den Blattgrünkörperchen werden diese beiden Ausgangsstoffe mithilfe des Chlorophylls in Glucose und und Sauerstoff umgewandelt. Dieser Prozess benötigt Energie, der aus dem Sonnenlicht gewonnen wird. Diesen Vorgang beschrieb der Heilbronner Arzt Robert Mayer (1842) wie folgt: "Die Pflanzenwelt bildet ein Reservoir, in welchem die flüchtigen Sonnenstrahlen fixiert und zur Nutznießung geschickt niedergelegt werden."

Die Pflanze nimmt also körperfremder Stoffe aus ihrer Umgebung auf und bildet daraus körpereigene Stoffe. Diesen Vorgang nennt man Assimlation (assimilatio = Angleichung). wir sprechen hier von Kohlenstoffdioxid-Assimilation.

Die Pflanze erzeugt also Glukose. Aus der Glucose baut sie Stärke und Cellulose auf. Die Stärke ist der Energiespeicher der Pflanze. In der Nacht kann die Pflanze keine Glukose bilden, da das Sonnenlicht fehlt. Sie muss die Stärke wieder zu Glukose umwandeln, weil diese für Stoffwechselprozesse benötigt wird. In der Nacht verbraucht die Pflanze Sauerstoff.

Die Glukose wird in gelöster Form durch die gesamte Pflanze transportiert. Von den Blättern zur Frucht, von den Blättern bis in die Wurzeln. Die Glucose wird benötigt um die Gerüstsubstanz Cellulose aufzubauen. Die Cellulose ist eine im Wasser nicht lösliche Substanz. Sie ist in der Baumwolle und im Holz vorhanden.

Überblick über die Zuckerarten (Saccharide)

Einfachzucker (Monosaccaride): Fructose und Glucose
Zweifachzucker (Disaccharide): Saccharose
Mehrfachzucker (Polysaccharide): Stärke, Cellulose

Vom Holz zur Kohle (Inkohlung)

Nach dem Absterben eines Baumes ist das Holz auf dem Erdboden der Zersetzung ausgesetzt. Bodenorganismen ernähren sich von dem Holz. Kellerasseln, Käfer, Bakterien zerlegen es, bis nach einigen Jahren nichts mehr vorhanden ist.

Anders jedoch im Wasser. Wenn ein Baum in sumpfiges Gelände fällt, und von Wasser überdeckt wird, so kann es vorkommen, das im Wasser keinen Sauerstoff vorhanden ist. Dann setzen keine Faulprozesse ein. Der Baumstamm wird in seiner Form erhalten. Wenn nun zahlreiche Bäume auf diesem Wege eingelagert werden und danach das ganze abgedeckt wird, so kann nahe der Oberfläche nach circa 10.000 Jahren daraus Torf entstehen. Torf zeigt noch deutliche Pflanzenspuren. Torf ist bräunlich und wurde früher als Brennmaterial verwendet. Heute wird der Torf in der Bodenverbesserung eingesetzt. Nehmen wir an, ein Torflager senkt sich mit der Erdoberfläche ab und neues Gesteinsmaterial lagert sich darüber. Es vergehen 100.000 Jahre und das Ganze ist mit 100 m Sediment bedeckt. Dann ist aus dem Torf die Braunkohle geworden. Braunkohle ist viel dunkler und schwerer. Sie brennt heißer und länger. Gelegentlich können wir hier Pflanzenspuren entdecken. Insgesamt hat eine starke Verdichtung stattgefunden. Manche Braunkohlelager senkten sich weiter in größerer Tiefe ab. Bei 500-1000 m sind die Voraussetzung, dass nach einer längeren Zeit (100-300 Mio. Jahre), aus der Braunkohle die Steinkohle entsteht. Sie ist schwarz und schwerer als die Braunkohle. Ihre Flamme ist viel heißer. Manche Kohlevorkommen geraten in noch größere Tiefen und werden bei höheren Temperaturen zu Anthrazit umgewandelt. Anthrazit ist eine sehr wertvolle Kohle, die wenig Asche hinterlässt.

Durch die Erhitzung und den von oben auflastenden Druck nimmt der Kohlenstoffanteil immer mehr zu. Leichter flüchtige Bestandteile entschwinden. Gelegentlich sind sie jedoch im Bergwerk noch vorhanden und werden als Grubengas bezeichnet.

Die Braunkohle- und die Steinkohlevorkommen sind in Deutschland enorm. Der Abbau von Braunkohle ist jedoch wegen der Landschaftsveränderung und der Freisetzung von Kohlenstoffdioxid problematisch. Der Abbau von Steinkohle lohnt sich oft nicht mehr, da Steinkohle aus Übersee in der Regel günstiger ist.

Gelegentlich kann es vorkommen, dass Kohlenstoff in sehr große Tiefen gelangt. Bei etwa 10-20 km Tiefe bildet sich Graphit. Graphit ist ein Mineral, das undurchsichtig und sehr weich ist.

Gelangt der Kohlenstoff in noch größere Tiefen (über 80 km) so kann er eine andere Modifikation einnehmen: Es entsteht der Diamant. Diamant ist lichtdurchlässig und sehr hart.

Die trockene Destillation von Braunkohle

Schulversuch...

Ähnlich wie im Schulversuch wurde früher das Stadtgas im Gaswerk aus Kohle hergestellt.

Vom Zucker zum Ether

Die alkoholische Gärung

In den reifen Früchten liegen verschiedene Zucker in hohen Konzentrationen vor. Glucose dient verschiedensten Organismen als Energielieferant für den Stoffwechsel also für die Ernährung. Auch einfache Organismen wie beispielseise Hefe kann Stoffwechsel mit Hilfe von Glucose betreiben. In Gegenwart von Sauerstoff wird Glucose in Kohlenstoffdioxid und Wasser zerlegt. Ist hingegen kein Sauerstoff vorhanden, kann die Hefe auch auf anderem Weg die Glucose verwerten: Es erfolgt die alkoholische Gärung:

Glucose --> Alkohol (Ethanol) + Kohlenstoffdioxid

Verschiedene Seiten geben hier interessante Informationen:

Seilnacht und Wikipedia

Im Schulversuch führen wir die Gärung in einem Rundkolben mit Bäckerhefe und Rosinen in warmem Wasser durch. Nach 2 Tagen ist die Gärung abgeschlossen und die Hefe stellt ihre Tätigkeit ein.

Schnapsbrennen

Die Maische des Rosinenweins füllen wir in einen Rundkolben. Dieser wird an einen Liebigkühler angeschlossen. Durch den Kühler leiten wir einen geringen Wasserstrom. Nun wird die Maische bis zum Sieden erhitzt. Bei 78°C beginnt der Ethanol zu verdampfen und die Dämpfe werden in den Kühler übergeleitet. Hier kondensieren die Ethanoldämpfe und das Kondensat wird am Ende des Kühlers in einer Vorlage aufgefangen.

Umfangreiches Material zum Brennen findet man hier.

Wirkung des Aklohols auf den Menschen

Wir haben uns mit dem Thema im Unterricht befasst. Hierzu gibt es Filmmaterial:

Film Nr. 1, zu welchem es auch Material gibt, zeigt Ausschnitte aus Film Nr. 2, von dem der Abschnitt 14:30 - 21:30 besonders interessant ist. Der Film Nr.3 behandelt die Wirkung des Alkohols auf Tier und Mensch.

Versuche mit Ethanol

Versuche mit Ethanol können auch von Schülern durchgeführt werden. Die Anleitung kann man hier herunterladen.

Übungsblätter und Klassenarbeiten

Test mit Lösungen aus der ersten Epochenwoche

Fragen und Antworten zum Lernen

Übung macht den Meister! Frühere Klassenarbeiten:

Aus dem Jahr 2004: Arbeit mit Antworten

Aus dem Jahr 2013: Arbeit ohne Antworten

Aus dem Jahr 2014: Gruppe A mit Antworten und Gruppe B mit Antworten

Persönliche Werkzeuge