Grundwissen 9. Klasse Chemie (WSG+SG) Stoffebene. Teilchenebene. Reinstoffe. Kenneigenschaften von Reinstoffen

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1 Grundwissen 9. Klasse Chemie (WSG+SG) Stoffebene Teilchenebene = Makroskopische (sichtbare) Ebene Betrachtung einer Stoffportion mit den erkennbaren und messbaren Eigenschaften Sie ermöglicht Aussagen über Stoffeigenschaften (Qualität) Stoffportionen (Quantität) = Submikroskopische Ebene Betrachtung der kleinsten Teilchen eines Stoffes: Atome, Moleküle, Ionen Stoffeigenschaften lassen sich auf dieser Ebene erklären. 1. Stoffe und Reaktionen Reinstoffe Stoffe die bei gleichen Bedingungen bestimmte konstante Kenneigenschaften (z.b. Farbe, Geruch, Siede- und Schmelztemperatur, ) besitzen Stoffe, die aus gleichen Teilchen bestehen. Kenneigenschaften von Reinstoffen Qualitative Eigenschaften: Geruch, Geschmack, Glanz, Härte, Farbe, Aggregatzustand Quantitative Eigenschaften: Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte, Löslichkeit, Wärme- und elektrische Leitfähigkeit

2 Stoffgemische Gemisch, das aus mehreren Reinstoffen zusammengesetzt ist. Heterogen: Die Bestandteile sind erkennbar Homogen: Die Bestandteile sind selbst mit dem Mikroskop nicht erkennbar Gemisch aus verschiedenen Teilchenarten. Trennung von Stoffgemischen Chemische Verbindung Chemisches Element Stoffgemische lassen sich durch physikalische Trennverfahren in Reinstoffe auftrennen. Physikalische Trennmethoden beruhen auf Unterschieden in einer Kenneigenschaft der Reinstoffe eines Stoffgemisches. Destillieren (Siedetemperatur); Sedimentieren (Dichte), Filtrieren (Teilchengröße),. Reinstoffe, die sich durch chemische Reaktion in mehrere Stoffe zerlegen lassen, und durch Synthese aus den Elementen aufbauen lassen. Verband aus Teilchen (Atome, Ionen) unterschiedlicher Art. Reinstoffe, die sich durch eine chemische Reaktion nicht zerlegen lassen. Atome eines Elementes besitzen die gleiche Protonenzahl.

3 2. Chemische Reaktionen Chemische Reaktion Vorgang, bei dem aus Ausgangsstoffen (Edukte) andere Stoffe (Produkte) mit anderen Stoffeigenschaften entstehen Umgruppierung von Teilchen Immer mit Energieumsatz verbunden! Analyse Zerlegung eines Reinstoffes in andere Reinstoffe, im einfachsten Fall wird eine Verbindung in zwei Elemente zerlegt. AB A + B Synthese Aufbau eines Reinstoffes aus anderen Reinstoffen, im einfachsten Fall wird eine Verbindung aus zwei Elementen aufgebaut. A + B AB Umsetzung Einfach Umsetzung: Analyse und Synthese finden gleichzeitig statt. Doppelte Umsetzung: AB + C A + BC Kombination zweier Analysen und zweier Synthesen AB + CD AC + BD Reaktionsgleichung Eine Reaktionsgleichung ist die qualitative und quantitative Darstellung einer chemischen Reaktion mithilfe von chemischen Formeln. Edukte Produkte = Ausgangsstoffe Reaktionspfeil = Endstoffe

4 Chemische Formel Wertigkeit Innere Energie E i Reaktionsenergie E i Kurzschreibweise für eine chemische Verbindung. Koeffizient Formel 3 H 2 O Die Molekülformel gibt die genaue Zusammensetzung eines Moleküls an. Die Verhältnisformel eines Salzes gibt an, in welchem Anzahlverhältnis die Ionenarten in der Verbindung enthalten sind. Die Wertigkeit eines Elements ist die Zahl der Wasserstoffatome, die ein Atom dieses Elements binden oder ersetzen kann. I. Hauptgruppe I Sauerstoff in Oxiden II II. Hauptgruppe II Sauerstoff in Peroxiden I III: Hauptgruppe III Schwefel in Sulfiden II IV. Hauptgruppe IV Halogene in Halogeniden I Zahl in Klammer gibt die Wertigkeit des davorstehenden Elements an: Bsp.: Eisen(III)oxid --> Eisen hat Wertigkeit III Energieinhalt der Teilchen. Elementsymbole Index (=Anzahl der Teilchen) Jedes Teilchen besitzt eine bestimmten Energieinhalt, der als innere Energie E i bezeichnet wird. Dieser Energieinhalt ist nicht direkt messbar. Deshalb Betrachtung der Änderung der inneren Energie bei chemischen Reaktionen. E i = E i (Produkte) - E i (Edukte) Reaktionen bei denen Energie freigesetzt wird. E i < O, da E i (Produkte) < E i (Edukte) Exotherme Reaktion Reaktionen bei denen von außen zugeführte Energie aufgenommen und gespeichert wird. E i > O, da E i (Produkte) > E i (Edukte) Endotherme Reaktion

5 Aktivierungsenergie Energie, die zur Auslösung einer Reaktion zugeführt werden muss. Energie, die Atome bzw. Moleküle in einen aktivierten Zustand versetzt, ohne den eine chemische Reaktion nicht möglich ist. Katalysator Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt. die Aktivierungsenergie herabsetzt. letztendlich aus der Reaktion unverändert hervorgeht. Massenerhaltungssatz Bei chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe erhalten. Σm(Edukte) = Σm(Produkte) Bei chemischen Reaktionen findet eine Umgruppierung von Teilchen statt. Die Atome und somit deren Masse bleiben erhalten.

6 3. Atombau Atom Kleinsten Bausteine der Materie. Sie sind mit chemischen Mitteln nicht zu trennen. Alle Atome eines Elements besitzen die gleiche Anzahl an Protonen. Kern Hülle Modell positiv geladener winziger Atomkern, in dem fast die gesamte Atommasse konzentriert ist. Große negativ geladene und nahezu massefreie Atomhülle ein. Elementarteilchen Bausteine der Atome: Protonen (p + ) Im Atomkern (Nukleonen) Neutronen (n) Elektronen (e - ) in der Atomhülle A Z X Kennzeichnung einer Atomart Atommasse A: Massenzahl (Anzahl Nukleonen) Z: Ordnungs- / Kernladungszahl (Anzahl Protonen) Ein Element besteht aus Atomen mit gleicher Protonenzahl. Im Atom entspricht die Protonenzahl der Elektronenzahl. Ionen entstehen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen Masse eines Atoms. Sie setzt sich aus der Masse der beteiligten Elementarteilchen zusammen. Da die Masse der Elektronen vernachlässigbar klein ist, ergibt sich die Atommasse aus der Masse der Nukleonen. m(p + ) = m(n) = 1u Bsp.: m(o) = 8. 1u u = 16u

7 Isotope Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen. gleiches Element, da gleiche Protonenzahl unterschiedliche Atommasse Ionisierungsenergie Mindestenergie, die benötigt wird um ein Elektron vollständig aus dem Atom (Anziehungsbereich des Kerns) zu entfernen. Atomhülle Elektronenkonfiguration Valenzelektronen Aufenthaltsraum der Elektronen. Je weiter die Elektronen vom Kern entfernt sind, desto energiereicher sind sie. Den Elektronen sind bestimmte Energiestufen zugeteilt. Die räumliche Darstellung der Hauptenergiestufen ergibt den Aufenthaltsraum der Elektronen. Die Hauptenergiestufen werden von innen nach außen mit n = 1, 2, 3, bezeichnet. Verteilung der Elektronen auf die Energiestufen eines Atoms. Maximale Besetzung einer Hauptenergiestufe n: 2n 2 Die Elektronen werden aufsteigend, beginnend mit der niedrigsten Energie, verteilt. Bsp.: Na: Elektronenzahl Hauptquantenzahl n Elektronen des äußersten besetzten Energieniveaus eines Atoms. Die Anzahl der Valenzelektronen des Elements entspricht der Hauptgruppennummer Die Elektronen des äußersten Energieniveaus sind entscheidend für das chemische Verhalten der Atome.

8 Valenzstrichschreibweise Schreibweise, bei der einzelne Elektronen als Punkte, Elektronenpaare als Striche an den vier Seiten des Elementsymbols dargestellt werden. Bsp.: Na Al N O Cl Dabei werden die ersten vier Elektronen als Einzelektronen eingetragen. Erst wenn alle vier Seiten einzeln besetzt sind, erfolgt Elektronenpaarung. Edelgaskonfiguration Elektronenbesetzung wie bei einem Edelgas. besonders stabil 8 Valenzelektronen (Elektronenoktett) Ausnahme: He - Atom 2 Valenzelektronen (Elektronenduplett) Periodensystem Anordnung der Elemente nach steigender Protonenzahl in einer Weise, dass Atomsorten mit gleicher Valenzelektronenzahl untereinander stehen. senkrechte Spalten: Hauptgruppen gleiche Valenzelektronenzahl ähnliche chemische Eigenschaften waagrechte Zeilen: Perioden Valenzelektronen auf gleicher Energiestufe Stellung von Metallen, Halbmetallen und Nichtmetallen Metalle Nichtmetalle

9 4. Salze Entstehung und Bau der Salze Verbindung die durch Reaktion aus Metallen und Nichtmetallen entsteht. Das Metall wirkt als Elektronendonator und gibt seine Valenzelektronen ab, so dass es die Edelgaskonfiguration erreicht. Bildung eines Metallkations Das Nichtmetall ist ein Elektronenakzeptor und nimmt Elektronen auf, so dass es die Edelgaskonfiguration erreicht. Bildung eines Nichtmetallanions Negativ geladene Teilchen: Anionen Ionen Positiv geladene Teilchen: Kationen Ionenbindung und Ionengitter Sie beruht auf elektrostatischen Anziehungskräften zwischen Kationen und Anionen. Diese sind im Ionengitter regelmäßig angeordnet. Eigenschaften der Salze Sprödigkeit: leicht spaltbar aufgrund der Abstoßung gleich geladener benachbarter Ionen. Elektrische Leitfähigkeit: Nur in Schmelzen und Lösungen sind die Ionen frei beweglich. Hohe Schmelzpunkte

10 5. Metalle Metallbindung Elektronengasmodell: Im Metall hat jedes Atom seine Valenzelektronen abgegeben. Diese sind als Elektronengas frei beweglich zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen. Das Elektronengas bewirkt den Zusammenhalt der positiven Atomrümpfe. Eigenschaften der Metalle Metallischer Glanz: Gleichmäßige Lichtreflexion an regelmäßiger Oberfläche Verformbarkeit: Atomrümpfe im Gitter lassen sich leicht im Elektronengas verschieben. Wärmeleitfähigkeit: Übertragung der Zitterbewegungen der Atomrümpfe und der Elektronen. Elektrische Leitfähigkeit: Elektronengas ist leicht verschiebbar

11 6. Moleküle und Atombindung Atombindung (Elektronenpaarbindung; kovalente Bindung) Bindungsarten und Bindungslänge Valenzstrichformel von Molekülen Chemische Verknüpfung zwischen Nichtmetallatomen. Jedes Atomsteuert zur Bindung 1 Elektron bei. Atome teilen sich Elektronenpaare. Jedes Atom erreicht damit Edelgaszustand Gemeinsame Elektronenhülle. Valenzschreibweise: Cl Cl Einfach-, Doppel- und Dreichfachbindungen In einer Einfachbindung liegt ein Elektronenpaar vor, in einer Doppelbindung liegen zwei und in einer Dreifachbindung drei bindende Elektronenpaare vor. Der Abstand zwischen den beiden an einer Atombindung beteiligten Atomkerne ist die Bindungslänge s. s(einfach) > s(doppelt) > s(dreifach) Bindende und Nichtbindende Elektronenpaare werden durch Striche symbolisiert. Aufstellen von Valenzstrichformeln: 1. Summe der vorhandenen Valenzelektronen: VE 2. Summe der zum Oktett benötigten VE: OE 3. Bindende Elektronen: BE = OE VE --> Bindende Elektronenpaare = BE : 2 4. Nichtbindende Elektronenpaare: (VE BE):2

12 7. Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen Masse von Atomen Die relative Atommasse gibt an, wie groß die Masse eines Atoms im Vergleich zu der Masse des Kohlenstoffisotops 12 C ist. Atomare Masseneinheit: 1u = 1/12 m A ( 12 C) Atom-, Molekül- und Formelmassen Stoffmenge n Atommasse: Mittelwert über alle natürlichen Isotope Molekülmasse: Addition der Atommassen aller Atome die ein Molekül bilden m(a a B b ) = a. m a (A) + b. m a (B) Formelmasse: Addition der Atommassen aller Atome die eine Formeleinheit bilden Die Menge eines Stoffes, die eine Teilchenanzahl N von genau 6, (=Avogadro-Konstante N A ) aufweist, wurde als Stoffmenge n = 1 mol festgelegt. n = N NA Molare Masse M Molares Volumen V M Die molare Masse M eines Stoffes (Einheit: g/mol) ist die Masse eines Mols, also die Masse von 6, Teilchen, des bestimmten Stoffes. Die molare Masse M wird mit Hilfe des PSE ermittelt! M = m n Das molare Volumen V M eines Gases ist das Volumen, das 1 mol des Gases bei Normbedingungen (0 C, 1013 mbar Druck) einnimmt. Das molare Volumen ist für alle idealen Gase gleich groß. V M = n m = 22,4 l mol

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