Grundwissen Chemie - 9. Jahrgangsstufe

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1 1. Betrachtungsebenen: Stoffebene Teilchenebene Charakteristisch für die Denkweise der Chemie sind zwei Betrachtungsebenen Stoffportion: Reinstoff: Beobachtungen an Stoffportionen und Reaktionen (Fakten, Phänomene) Deutung der Fakten/Phänomene durch die Vorstellung von der Existenz kleinster Teilchen und Teilchenverbände Dinge werden bestimmt durch Stofflichkeit, Quantität und Form. Wird von der Stofflichkeit abgesehen, spricht man von Körpern, wird von der Form abgesehen, spricht man von Stoffportionen Stoffportionen liegen als Teilchenverbände vor: Hier sind von Bedeutung die Art der Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen) die Anordnung der Teilchen (Struktur) und der Zusammenhalt der Teilchen (chemische Bindung) Reinstoffe haben bei gleichen Bedingungen (Temperatur, Druck) bestimmte quantitative und qualitative Eigenschaften (z.b. Farbe, Geruch, Geschmack, Aggregatszustand, Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte) Die Eigenschaften der Reinstoffe können durch Wechselwirkungen der Teilchen eines Verbandes untereinander und mit ihrer Umgebung gedeutet werden Chemisches Element: Ein Element ist ein Reinstoff, der sich mit chemischen Mitteln nicht weiter zerlegen lässt Ein Element ist ein Verband aus Teilchen einer einzigen Atomart, d.h. Atome mit gleicher Protonenzahl Chemische Verbindung: Eine Verbindung ist ein Reinstoff, der sich in Elemente zerlegen lässt Eine Verbindung ist ein Verband aus Teilchen (Atomen, Ionen), der sich mindestens in zwei Elemente zerlegen lässt 2. Die chemische Reaktion Analyse: Synthese: Umsetzung: Chemische Reaktionen sind Stoff- und Energieumwandlungen Chemische Reaktionen sind gekennzeichnet durch Umordnung und Veränderung von Teilchen Umbau von chemischen Bindungen Bei der Analyse entstehen aus einem Edukt zwei oder mehrere Produkte Bei der Synthese entsteht aus zwei oder mehr Edukten ein Produkt Die Umsetzung ist eine Kopplung von Analyse und Synthese, d. h. bei der Umsetzung entstehen aus zwei oder mehr Edukten zwei oder mehr Produkte Reaktionsgleichung: Die Reaktionsgleichung gibt an, welche Teilchen in welchem kleinstmöglichen Teilchenzahlverhältnis miteinander reagieren Beispiel: CH O 2 CO H 2O bedeutet: 1

2 Methan-Moleküle und Sauerstoffmoleküle reagieren im Anzahlverhältnis 1:2 zu Kohlenstoffdioxid-Molekülen und Wasser-Molekülen im Anzahlverhältnis 1:2 3. Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen Energie E: Energie ist die Fähigkeit eines Systems, Arbeit, Wärme oder Licht abzugeben [E] = 1 J Innere Energie E i: Der gesamte Energievorrat im Inneren eines Systems [E i] = 1 J Reaktionsenergie: Der Energieumsatz einer chemischen Reaktion ergibt sich aus der Differenz an Innerer Energie zwischen Produkten und Edukten. Diese Energiedifferenz heißt Reaktionsenergie. Exotherme Reaktion: Wird bei einer chemischen Reaktion Wärme abgegeben, so bezeichnet man diese Reaktion als exotherm. Q< 0; [Q] = 1 J Endotherme Reaktion: Wird bei einer chemischen Reaktion Wärme zugeführt, so bezeichnet man diese Reaktion als endotherm Q > 0; [Q] = 1 J Aktivierungsenergie: Die Aktivierungsenergie ist der Energiebetrag, der benötigt wird, um Stoffe in einen reaktionsbereiten Zustand zu versetzen oder die Energie, die zu Beginn einer Reaktion zugeführt werden muss, um diese in Gang zu bringen. Katalysator: Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion herabsetzt und sie dadurch beschleunigt. Er wird dabei selbst nicht verbraucht. 4. Atombau Das Atom ist das kleinste Teilchen eines Elementes Elementarteilchen: Elektron Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen Proton Protonen sind positiv geladene Elementarteilchen Neutron Neutronen sind nicht geladene Elementarteilchen Die Elektronen bilden die Atomhülle, die Protonen und Neutronen den Atomkern Die Protonenzahl definiert die Atomart Die Nukleonenzahl A ist die Summe aus der Protonenzahl Z und der Neutronenzahl N A = N + Z Teilchenmasse: Die Masse eines Teilchens (Atom, Molekül, Ion) kann in der Einheit Gramm oder in der atomaren Masseneinheit u angegeben werden Atomare Masseneinheit: 1 u ist definiert als der 12. Teil der Masse eines Atoms des Kohlenstoffnuklids 12 C Energiestufenmodell der Atomhülle: Die Atomhülle ist in Energiestufen gegliedert. Die Energiestufen werden mit den Buchstaben K, L, M,..., Q oder der Hauptquantenzahl n = 1, 2, 3,..., 7 gekennzeichnet. Die Formel Z emax = 2 n 2 drückt die maximale Elektronenzahl pro Energiestufe aus Ionisierungsenergie: Die Energie, die aufgewendet werden muss, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen 2

3 5. Ordnung der Elemente im gekürzten PSE Periodensystem: Im Periodensystem der Atomarten, im sogenannten Periodensystem der Elemente (PSE) sind die Atomarten nach steigender Protonenzahl angeordnet. Die Atome mit gleicher Anzahl der Außenelektronen (Valenzelektronen) stehen untereinander. Die Gruppennummer im PSE gibt die Anzahl der Außenelektronen der entsprechenden Atomarten an. Die Periodennummer gibt die Anzahl der durch die Hauptquantenzahl n charakterisierten Hauptenergiestufen an, auf denen die Elektronen der betreffenden Atomart angeordnet sind. Elektronenformel: Elektronenformeln haben als Zeichen Punkte für die in den Atomen vorhandenen Valenzelektronen. Beispiel: Na. : Cl : Edelgasregel: 6. Salze Ionenbindung Atome könne durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen in ihren Atomhüllen die gleiche Anzahl und Anordnung von Elektronen wie die Edelgas-Atome erreichen. Man spricht dann von Edelgaskonfiguration : : Salz: Ionen: Kation: Anion: Ionenbindung: Ionengitter: Salze bestehen aus Kationen und Anionen. Das Anzahlverhältnis der Ionen in einem Salz ist durch die Verhältnisformel gegeben. Salze sind nach außen stets elektrisch neutral. Ionen sind elektrisch geladene Atome Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion Ein Anion ist ein negativ geladenes Ion Die chemische Bindung, die im Ionengitter eines Salzes als Anziehungskraft zwischen Kationen und Anionen wirkt, heißt Ionenbindung In einem Ionengitter sind die Kationen und Anionen regelmäßig in allen drei Raumrichtungen angeordnet Verhältnisformel: Die Verhältnisformel gibt das Ionenzahlverhältnis im Salz an, z.b. CaCl 2 7. Molekular gebaute Stoffe Moleküle: Molekülformel: Moleküle sind Atomverbände, die bei Elementen aus gleichartigen Atomen, bei Verbindungen aus verschiedenartigen Atomen bestehen Die Molekülformel gibt an, wie viele Atome im Molekül vorhanden sind. Beispiel: H 2O, C 6H 12O 6 Valenzelektronen: Die Elektronen in der jeweils äußeren Energiestufe nennt man Außenelektronen oder Valenzelektronen. Sie sind an der Ausbildung von chemischen Bindungen beteiligt Valenzstrichformel: Die Valenzstrichformel enthält Striche zur Symbolisierung bindender und nichtbindender Elektronenpaare. z.b. H H, O = O Elektronenpaarbindung (Einfach- und Mehrfachbindung): Die Elektronenpaarbindung ist 3

4 8. Metalle Metallbindung Metallische Bindung: gleichbedeutend mit der Ausbildung eines gemeinsamen Elektronenpaars zwischen zwei Atomen. In einer Einfachbindung liegt ein Bindungselektronenpaar, in einer Doppelbindung liegen zwei und in einer Dreifachbindung drei Bindungselektronenpaare vor - unedle Metalle: unedle Metalle geben ihre Außenelektronen leicht an z. B. Nichtmetalle ab - edle Metalle: edle Metalle reagieren nicht mit Nichtmetallen, d.h. sie geben ihre Außenelektronen nicht ab Metallcharakter: Die unterschiedlich ausgeprägte Fähigkeit der Metall-Atome, Elektronen abzugeben, wird durch den Metallcharakter ausgedrückt 9. Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen Stoffmengen Mol: Für die Angabe der Quantität einer Stoffportion stehen folgende Größen zur Verfügung: Masse m Volumen V Teilchenanzahl N Stoffmenge n Die Stoffmenge ist der Teichenanzahl proportional 1 Mol (Zeichen 1 mol) ist die Stoffmenge einer Stoffportion, die aus ebenso vielen Teilchen (Atomen, Molekülen, Ionen) besteht, wie Atome in 12 g des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind Teilchenanzahl N: Die Teilchenanzahl gibt die Anzahl der Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen) in einer Stoffportion an Avogadro-Konstante N A: Die Avogadro-Konstante (Loschmidtsche Zahl) ist der Quotient aus der Teilchenanzahl einer Stoffportion und der Stoffmenge dieser Stoffportion: N A(X) = ; [N A] = Die Avogadro-Konstante hat für alle Stoffe den gleichen Wert: N A = 6, Molare Masse M: Die molare Masse ist der Quotient aus der Masse einer Stoffportion und der Stoffmenge dieser Stoffportion: M(X) = ; [M] = 1 Die molare Masse ist abhängig von der Stoffart, Der Zahlenwert der Teilchenmasse ist gleich dem Zahlenwert der molaren Masse Molares Volumen V m: Das molare Volumen ist der Quotient aus dem Volumen einer Stoffportion und der Stoffmenge dieser Stoffportion: V m(x) = ; [V m] = 1 Das molare Volumen ist von der Stoffart und wie das Volumen von Druck 4

5 und Temperatur abhängig. Molares Normvolumen V mn: Das molare Normvolumen ist der Quotient aus dem Normvolumen V n einer Stoffportion und der Stoffmenge dieser Stoffportion: V mn(x) = Für gasförmige Stoffportionen ist das molare Normvolumen unabhängig von der Stoffart und beträgt: V mn = 22, 4 Quantitäts- und Umrechnungsgrößen: m m a N ρ M N A V V m n 5