Seminar: Chemische Formeln

Transkript

1 Seminar: Chemische Formeln G. Reibnegger und W. Windischhofer (Teil I zum Thema Hauptgruppenelemente) Ziel des Seminars: Formelschreibweise der wichtigsten anorganischen Verbindungen (Säuren, Basen, Salze). Literatur: Chemie für Mediziner von Helmut Wachter, Arno Hausen, Gilbert Reibnegger Walter de Gruyter Verlag; 8. Auflage

2 Schreiben der Formeln von Salzen: Was ist ein Salz? Salze bestehen aus Ionen, d.h. sie sind aus Kationen (A + ) und Anionen (B ) aufgebaut. Die elektrostatischen Anziehungskräfte, welche die gegensinnig geladenen Ionen zusammenhalten, bezeichnet man als Ionenbeziehung bzw. Ionenbindung (= heteropolare Bindung). Eine Ionenbindung zwischen zwei Elementen kann sich dann ausbilden, wenn die Summe aus Elektronenaffinität und Gitterenergie größer ist als die Ionisierungsenergie, es können sich daher Ionenkristalle bilden.

3 Beispiel: Natriumchlorid (NaCl;Kochsalz) Na + : gibt leicht e ab geringes Ionisierungspotential Cl : nimmt leicht e auf hohe Elektronenaffinität Merke: Elemente mit niedrigem Ionisierungspotential findet man auf der linken Seite des Periodensystems (I. und II. Hauptgruppe). Elemente mit hoher Elektronenaffinität findet man auf der rechten Seite des Periodensystems (VI. und VII. Hauptgruppe). Das bedeutet, dass Elemente der I./II. Hauptgruppe gut geeignet sind mit Elementen der VI./VII. Hauptgruppe Ionenkristalle auszubilden.

4 Wie entsteht ein Salz? Salze entstehen durch Neutralisationsreaktionen aus Säuren und Basen. Säure + Base Salz + Wasser Merke: Salze sind nach außen hin neutral, daher müssen die positiven Ladungen der Kationen die negativen Ladungen der Anionen genau kompensieren. Beispiel 1: Bildung von Natriumchlorid (NaCl) HCl + NaH NaCl + H 2

5 Beispiel 2: Bildung von Natriumcarbonat (Na 2 C 3 ): Natriumcarbonat ist ein Natriumsalz der Kohlensäure. Die Kohlensäure ist eine zweiprotonige (zweibasige) Säure. 1 Mol H 2 C 3 kann daher mit 2 Mol der einsäurigen Base NaH zu Natriumcarbonat reagieren. H 2 C NaH Na 2 C H 2 Beispiel 3: Bildung von Natriumhydrogencarbonat (NaHC 3 ): H 2 C 3 + NaH NaHC 3 + H 2 NaHC 3 kann ein Proton abgeben und daher als Säure fungieren. Allerdings ist die Säurestärke des Hydrogencarbonats wesentlich kleiner als die der Kohlensäure, da von einem Anion ein positiv geladenes Proton schlechter abdissoziiert als von einem neutralen Molekül. Hydrogencarbonat kann aber auch als Base fungieren, da es ein Proton aufnehmen und wiederum Kohlensäure bilden kann. Somit ist NaHC 3 eine amphotere Substanz (= Ampholyt; s. VL Säuren und Basen bzw. SE Puffersysteme).

6 Wichtige Salze in der Medizin: NaHC 3 : Natriumhydrogencarbonat (Natriumbicarbonat; Speisesoda) Mittel gegen Sodbrennen Neutralisation überschüssiger Salzsäure NaHC 3 + HCl NaCl + C 2 + H 2 Behandlung von metabolischer Acidose Bestandteil von Backpulver und Brausepulver Enthärten von Wasser unter Bildung von Carbonaten: Ca H + NaHC 3 CaC 3 + Na + + H + H 2 Na 2 C 3 : Natriumcarbonat (Soda) Lebensmittelzusatz (E 500) Waschmittelzusatz

7 K 2 C 3 : Kaliumcarbonat (Pottasche) Kaliumsalz der Kohlensäure: H 2 C KH K 2 C H 2 Herstellung von Schmierseifen Düngemittel für saure Böden Backpulver CaC 3 : Calciumcarbonat (Kalkstein; Calcit) Calciumsalz der Kohlensäure: H 2 C 3 + Ca(H) 2 CaC H 2 Konkrementbildner (= schwer lösliches, daher steinbildendes Salz s. UE Löslichkeiten; Löslichkeitsprodukt L (CaC3 ) = 4,8 * 109 mol 2 * L 2 )

8 Na 2 S 4 * 10 H 2 : Natriumsulfat (Glaubersalz) Bildung durch vollständige Neutralisation von Schwefelsäure mit Natronlauge: H 2 S NaH Na 2 S H 2 mildes Laxans (Abführmittel) kristallwasserfreies Na 2 S 4 ist stark hygroskopisch und wird im Laborbereich zur Entwässerung von organischen Lösungsmitteln verwendet MgS 4 * 7 H 2 : Magnesiumsulfat (Bittersalz) mildes Laxans (Abführmittel) kristallwasserfreies MgS 4 ist stark hygroskopisch und wird im Laborbereich zur Entwässerung von organischen Lösungsmitteln verwendet BaS 4 : Bariumsulfat (Schwerspat) z. B.: H 2 S 4 + Ba(H) 2 BaS H 2 Röntgenkontrastmittel; obwohl Ba 2+ Ionen sehr toxisch sind, kann BaS 4 auf Grund seines extrem niedrigen Löslichkeitsproduktes als Röntgenkontrastmittel verwendet werden ( s. SE Löslichkeiten) Weißpigment in Farben

9 CaS 4 * 2 H 2 : Calciumsulfat (Gips) Ca 3 (P 4 ) 2 : Calciumphosphat (Apatit) Konkrementbildner (= schwer lösliches, daher steinbildendes Salz s. UE Löslichkeiten; Löslichkeitsprodukt L (Ca3 (P 4 ) 2 ) = 1,0 * 1025 mol 5 * L 5 ) MgNH 4 P 4 : Magnesiumammoniumphosphat (Struvit) Konkrementbildner (= schwer lösliches, daher steinbildendes Salz s. UE Löslichkeiten; Löslichkeitsprodukt L (MgNH4 P 4 ) = 3 * 1013 mol 3 * L 3 ) CaC 2 4 : Calciumoxalat Salz der xalsäure Konkrementbildner (= schwer lösliches, daher steinbildendes Salz s. UE Löslichkeiten; Löslichkeitsprodukt L (CaC2 4 ) = 1,8 * 109 mol 2 * L 2 )

10 Ca 5 (P 4 ) 3 H: Hydroxylapatit Bildet die Grundlage der Knochensubstanz: 40% der Knochensubstanz 70% im Zahnbein (Dentin) 95% im Zahnschmelz (das härteste Material im menschlichen Körper); Zahnschmelz kann in saurem Milieu (phwert < 5) gelöst werden, wodurch es zu Demineralisierung kommt (z.b. durch bakterielle Säuren). Ca 5 (P 4 ) 3 H + H Ca P H 2 Ca 5 (P 4 ) 3 F: Fluorapatit Die Demineralisierung von Zahnschmelz kann mittels Substitution des HydroxylIons im Hydroxylapatit durch ein FluoridIon verhindert werden (z.b. Fluoridzusatz in Zahnpasta, Kochsalz). Dabei entsteht Ca 5 (P 4 ) 3 F, welches in saurem Milieu ein wesentlich niedrigeres Löslichkeitsprodukt aufweist als Hydroxylapatit.

11 Wichtige anorganische Säuren und ihre konjugierten Basen Formel Name Base Salz HN 3 Salpetersäure N 3 Nitrat HN 2 Salpetrige Säure N 2 Nitrit H 2 S 4 Schwefelsäure HS 4 Hydrogensulfat 2 S 4 Sulfat H 2 S 3 Schwefelige Säure HS 3 Hydrogensulfit 2 S 3 Sulfit H 2 S Schwefelwasserstoff(säure) HS Hydrogensufid S 2 Sulfid H 3 P 4 Phosphorsäure H 2 P 4 Dihydrogenphosphat 2 HP 4 Hydrogenphosphat 3 P 4 Phosphat H 2 C 3 Kohlensäure HC 3 Hydrogencarbonat 2 C 3 Carbonat HCl Salzsäure Cl Chlorid HCl Unterchlorige Säure Cl Hypochlorid HCl 2 Chlorige Säure Cl 2 Chlorit HCl 3 Chlorsäure Cl 3 Chlorat HCl 4 Perchlorsäure Cl 4 Perchlorat HF Flusssäure F Fluorid HCN Blausäure (Cyanwasserstoffsäure) CN Cyanid

12 Wichtige anorganische Basen und ihre konjugierten Säuren Formel Name Säure Salz NH 3 Ammoniak + NH 4 Ammonium NaH Natriumhydroxid ( Natronlauge ) H 2 Wasser KH Kaliumhydroxid ( Kalilauge ) H 2 Wasser Ca(H) 2 Calciumhydroxid H 2 Wasser Ba(H) 2 Bariumhydroxid H 2 Wasser Al(H) 3 Aluminiumhydroxid H 2 Wasser Merke: Grundsätzlich werden in der Summenformel zuerst Kationen (A + ), dann erst Anionen (B ) angeführt z.b. NaCl ClNa NaH HNa HN 3 N 3 H