Lernmodul mit Lösungen für Aufgaben zum Lerntext: "Physikalische Grundlagen für das Verständnis von Chemie und Biologie"

Roland Heynkes, 11.7.2021

Diese Seite dient der Selbstkontrolle für diejenigen, welche Aufgaben zum Lerntext: "Physikalische Grundlagen für das Verständnis von Chemie und Biologie" selbständig bearbeitet haben und nun ihre Antworten überprüfen wollen.

a1	Nenne die beiden bis jetzt bekannten, völlig unterschiedlichen Arten von Teilchen!
Diese Tabelle zeigt meine Lösungsvorschläge zum Kapitel: "Zwei grundverschiedene Arten von Teilchen".
	Die beiden bis jetzt bekannten, völlig unterschiedlichen Arten von Teilchen sind die auch Photonen genannten Licht-Teilchen und die Atom genannten Materie-Teilchen.
a2	Beschreibe die Eigenschaften, in denen sich die beiden Teilchen-Arten fundamental unterscheiden!
	Die beiden fundamental unterschiedlichen Teilchen-Arten unterscheiden sich in folgenden Eigenschaften: Die auch Photonen genannten Licht-Teilchen haben keine Masse. Deshalb können sie sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und darum können sich beliebig viele Licht-Teilchen genau am selben Platz befinden. Materie-Teilchen haben eine Masse. Deshalb können sie sich selbst im Vakuum nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und es kann sich immer nur eines von ihnen genau am selben Platz befinden.
a3	Erkläre den Namen Atom!
	Der Name Atom bedeutet: "das Unteilbare".
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b1	Erkläre, warum man die Positionen einiger wichtiger chemischer Elemente im Periodensystem kennen sollte!
Diese Tabelle zeigt meine Lösungsvorschläge zum Kapitel: "Atome-Versteher haben es leichter.".
	Wer weiß, was die Eigenschaften der Atome bestimmt, kann meistens relativ leicht aus den Positionen im Periodensystem ablesen, ob bzw. wie Atome mit einander reagieren werden und welche Eigenschaften die Reaktionsprodukte haben werden.
b2	Nenne mit Hilfe des Periodensystems die jeweilige Ordnungszahl und das Atomgewicht von Wasserstoff, Kohlenstoff, Gold, und Silber!
	Im Periodensystem finden sich folgende Ordnungszahlen und Atomgewichte: Wasserstoff (OZ=1 u=1,0079), Kohlenstoff (OZ=6 u=12,0106), Gold (OZ=79 u=196,9666), Silber (OZ=47 u=107,8682)
b3	Übertrage die Legende des Periodensystems sauber und in Farbe in deine Unterlagen!

b4	Nenne den Einheits-Buchstaben mit dem das Atomgewicht (die Masseneinheit m_a) beschrieben wird!
	Das Atomgewicht m_a wird mit dem Einheits-Buchstaben u beschrieben.
b5	Notiere anhand des Periodensystems die Masse (Atomgewicht) von Sauerstoff!
	Die Masse (das Atomgewicht) von Sauerstoff ist 15,999 u.
b6	Berechne mit Hilfe der Beispielrechnung aus dem Video zur Masse von H₂O die Masse eines CO₂-Moleküls!
	Die Masse m_a des CO₂-Moleküls beträgt: 1 x m_a(C) + 2 x m_a(O) = 12,0106 u + 2 x 15,9994 u = 44,0094 u
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c1	Erkläre den Unterschied zwischen raschen Bewegungen von Atomen und Menschen!
Diese Tabelle zeigt meine Lösungsvorschläge zum Kapitel: "Luftwiderstand ist für Atome und Elektronen kein Problem.".
	Rasche Bewegungen von Menschen werden durch den Luftwiderstand ständig abgebremst, während Atome ungebremst durch leeren Raum fliegen, bis sie gegen ein anderes Atom prallen und abrupt die Richtung ändern. Im Gegensatz zu raschen Bewegungen von Menschen erfordern deshalb rasche Bewegungen von Atomen keine ständige Energiezufuhr.
c2	Beschreibe mit nur einem kurzen Satz die Beobachtung von Ernest Rutherford in seinem berühmten Streuungsexperiment!
	Im berühmten Streuungsexperiment von Ernest Rutherford konnten die meisten auf eine dünne Goldfolie geschossenen Alphateilchen konnten die Folie ungehindert durchdringen.
c3	Fasse in nur einem Satz zusammen, welche wichtige Erkenntnis das Streuungsexperiment von Sir Ernest Rutherford lieferte!
	Das Streuungsexperiment von Sir Ernest Rutherford lieferte die wichtige Erkenntnis, dass die Atomhülle eines Atoms fast nur aus leerem Raum besteht, in dem die Elektronen nicht abgebremst werden.
c4	Nenne den Durchmesser, den ein Atom hätte, wenn der Durchmesser seines Atomkern 1 Millimeter wäre!
	Wenn der Durchmesser eines Atomkerns 1 Millimeter wäre, dann betrüge der Durchmesser des gesamten Atoms 100 Meter.
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d1	Erkläre, warum beim Zusammenprall zweier Atome ihre kinetischen Energien (Bewegungsenergien) nur umverteilt werden!
Diese Tabelle zeigt meine Lösungsvorschläge zum Kapitel: "Atome haben auch keine Knautschzone.".
	Beim Zusammenprall zweier Atome werden ihre kinetischen Energien nur umverteilt, weil sie vollkommen elastisch (ohne bleibende Verformung) voneinander abprallen, sodass keine kinetische Energie verloren geht.
d2	Erkläre, auf welche Weise chemische Reaktionen zu Temperaturänderungen führen!
	Chemische Reaktionen führen zu Temperaturänderungen, wenn dabei die in den chemischen Bindungen steckende chemische Energie insgesamt zu- oder abnimmt. Denn dann muss diese Energie irgendwo herkommen oder bleiben. Die kinetische Energie der beteiligten Teilchen ist die einzige Möglichkeit, Energie aufzunehmen oder abzugeben. Und wenn sich danach die Teilchen langsamer oder schneller bewegen, bedeutet das nichts anderes als eine Absenkung oder Erhöhung der Temperatur.
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e1	Definiere mit Hilfe des Kapitels: "Temperatur und Wärme" die Begriffe Temperatur und Wärme!
Diese Tabelle zeigt meine Lösungsvorschläge zum Kapitel: "Temperatur und Wärme"
	Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der die Atome und Moleküle in Gasen herumfliegen oder in Festkörpern schwingen. Wärme ist eine Energie-Menge, die von etwas Heißerem auf etwas Kühleres übertragen wird.
e2	Entwickle eine Hypothese (Versuche zu erklären), auf welche Weise die Moleküle heißer Luft die Haut erwärmen (Wärme übertragen)!
	Die Moleküle heißer Luft bewegen sich sehr schnell und prallen ständig gegen die viel langsamer schwingenden Moleküle der Haut. Dabei werden die Haut-Moleküle angestoßen und beschleunigt, während die Luft-Moleküle dabei abgebremst werden. Das bedeutet, dass die Luft abkühlt und die Haut wärmer wird. Und das bedeutet, dass Wärme von der Luft auf die Haut übertragen wird.
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f1	Nenne verschiedene Energieformen!
Diese Tabelle zeigt meine Lösungsvorschläge zum Kapitel: "grundlegendes zum Thema Energie".
	Der Lerntext erwähnt die Energieformen: chemische Energie, Strahlungsenergie, potentielle Energie (Energie der Lage), kinetische Energie (Bewegungsenergie), elektrische Energie, Kernbindungsenergie und Wärmeenergie.
f2	Erkläre, was mit den oft benutzten Begriffen, Energieverlust, Energieerzeugung und Energieverbrauch nicht stimmt!
	Die oft benutzten Begriffe, Energieverlust, Energieerzeugung und Energieverbrauch sind physikalisch nicht korrekt, weil Energie weder neu geschaffen noch vernichtet werden können. Bei jeder Energieumwandlung bleibt die Energie vollständig erhalten und wechselt lediglich in eine andere Energieform.
f3	Nenne die im Lerntext beschriebenen Energie-Umwandlungen!
	Wir wandeln die chemische Energie aus unserer Nahrung in Bewegungsenergie und Wärme um. Batterien wandeln bei Bedarf chemische in elektrische Energie und Wärme um. Grüne Pflanzen wandeln Strahlungsenergie in chemische Energie und Wärme um.
f4	Definiere den Begriff Energiefluss!
	Energiefluss heißt die Weitergabe von Energie über eine Kette von Energiewandlern.
f5	Beschreibe einen Energiefluss!
	Ein Beispiel für einen Energiefluss beschreibt der Lerntext. Als erster Energiewandler wandelt eine Kartoffel die Strahlungsenergie des Sonnenlichts um in die chemische Energie der Stärke. Oberflächlich betrachtet geht dabei ein Teil der nutzbaren Energie verloren, weil dabei auch scheinbar nicht mehr nutzbare Wärme entsteht. Der zweite Energiewandler ist ein Mensch, der die chemische Energie der Kartoffel-Stärke unter anderem in Bewegungsenergie und Wärme umwandelt. Der dritte Energiewandler ist ein Dynamo, der beim Radfahren einen kleinen Teil der Bewegungsenergie in elektrische Energie und Wärme umwandelt. Der vierte Energiewandler ist schließlich das Leuchtmittel (Glühbirnchen oder LED), welches die elektrische Energie in Strahlungsenergie und Wärme umwandelt.
f6	Erkläre den Begriff Energieentwertung!
	Bei jeder Energieumwandlung wird ein Teil der Energie in Wärmeenergie umgewandelt, die von Lebewesen höchstens noch zum Aufwärmen genutzt werden kann. Daher endet jeder biologische Energiefluss in Wärmeenergie und deshalb spricht man von einer Energieentwertung.
f7	Erkläre den Unterschied zwischen sogenannten erneuerbaren Energien und fossilen Brennstoffen!
	Die sogenannten fossilen Brennstoffe Torf, Kohle, Öl und Gas entstanden vor mehr als Zehntausend Jahren aus abgestorbenen Lebewesen. Wir verbrauchen fossile Brennstoffe in sehr viel größeren Mengen, als nachgebildet werden können. Deswegen werden die Vorräte früher oder später praktisch aufgebraucht sein. Im Gegensatz dazu werden die sogenannten erneuerbaren Energien ständig von der Sonne nachgeliefert. Die Strahlungsenergie der Sonne erzeugt den Wind, treibt den Wasserkreislauf an und wird von Pflanzen zur Erzeugung von Holz und anderer Biomasse genutzt. Die Energien von Sonne, Wind, fließendem Wasser und Biomasse werden uns daher praktisch ewig in ausreichender Menge für die Umwandlung in elektrische und chemische Energie zur Verfügung stehen.
f8	Nenne zwei mögliche Formen der Energieeinsparung!
	Man kann den Verbrauch nutzbarer Energie senken, indem man beispielsweise mit niedrigeren Raumtemperaturen oder Geschwindigkeiten auf ihre Nutzung verzichtet oder indem man die Energie mit sparsameren Geräten (z.B. LED-Lampen anstatt Glühlampen) oder besser isolierten Gebäuden effizienter nutzt.
f9	Definiere den Wirkungsgrad der Energie!
	Wirkungsgrad einer Energie-Umwandlung oder eines Gerätes heißt das Verhältnis der für den geplanten Zweck genutzten zur eingesetzten Energie.
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g1	Erkläre, warum sich Elektronen nicht zwischen den Elektronenschalen aufhalten können!
Diese Tabelle zeigt meine Lösungsvorschläge zum Kapitel: "In der Welt der winzigen Atome treten Quanteneffekte auf.".
	Elektronen können sich nicht zwischen den Elektronenschalen aufhalten, weil sie nur ganz bestimmte Energiemengen aufnehmen oder abgeben können.
g2	Erkläre, warum man sich Elektronen als stehende Wellen vorstellt!
	Man stellt sich Elektronen als stehende Wellen vor, weil um Atomkerne kreisende elektrisch geladene Elektronen durch die Erzeugung von Magnetfeldern Energie verlieren und in ihre Atomkerne stürzen würden.
g3	Beschreibe, welche Eigenschaften die kleinsten Mengen von Materie und Energie gemeinsam haben!
	Die Quanten genannten kleinsten Einheiten von Materie und Energie besitzen gleichzeitig Teilchen- und Wellencharakter.
g4	Berechne die Lichtgeschwindigkeit in km/h (Kilometer pro Stunde)!
	Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ungefähr 3 mal 10¹⁰ cm pro Sekunde. Das sind 3 mal 10⁸ Meter pro Sekunde oder 3 mal 10⁵ Kilometer pro Sekunde oder 300.000 Kilometer pro Sekunde oder gut 1 Milliarde Kilometer pro Stunde.
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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0