Grundwissen Chemie 9. Jahrgangsstufe

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1 Grundwissen Chemie 9. Jahrgangsstufe 1. Stoffe und Reaktionen Gemisch: Stoff, der aus mindestens zwei Reinstoffen besteht. Homogen: einzelne Bestandteile nicht erkennbar Gasgemisch z.b. Legierung Reinstoff Heterogen: einzelne Bestandteile erkennbar Reinstoffe sind Stoffe, die man mit physikalischen Methoden nicht mehr trennen kann. Reinstoffe haben klar definierte Eigenschaften, z.b. einen Schmelzund Siedepunkt. z.b. Erde, Granit Wasserstoff Element Verbindung Analyse Elemente sind Reinstoffe, die sich chemisch nicht mehr weiter zerlegen lassen. Ein Element enthält nur eine Sorte Atome. Folgende Elemente kommen immer zweiatomig vor: H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2 Verbindungen sind Reinstoffe, die aus mehreren Elementen bestehen Eine Analyse (=Zersetzung) ist eine chem. Reaktion, bei der ein Reinstoff in zwei oder mehrere neue Reinstoffe zerlegt wird (ein Edukt, mehrere Produkte) Schmelzpunkt:-259 C Siedepunkt:-252 C Kupfer z.b. Salze und Moleküle Homogene und heterogene Stoffgemische Kupfer- Atome Wasser (l) Wasserstoff (g) + Sauerstoff (g) 2 H 2 O (l) 2H 2 (g) + O 2 (g) Synthese Umsetzung Eine Synthese (=Aufbau) ist eine chem. Reaktion, bei der aus zwei oder mehreren Reinstoffen ein Reinstoff aufgebaut wird (mehrere Edukte, ein Produkt) Eine Umsetzung ist eine chemische Reaktion, bei der aus zwei oder mehreren Reinstoffen zwei oder mehrere Reinstoffe gebildet werden (mehrere Edukte, mehrere Produkte) Fluor (g) + Wasserstoff (g) Wasserstofffluorid (g) F 2 (g) + H 2 (g) 2HF (g) Natrium (s) + Wasser (l) Natriumhydroxid (s) + Wasserstoff (g) Na (s) + H 2 O (l) NaOH (s) + H 2 (g) Maria-Ward-Gymnasium Altötting

2 Merkmale chemischer Reaktionen exotherme Reaktion 1. Stoffänderung 2. Energieumsetzung 3. Reaktionen sind prinzipiell umkehrbar 4. Massenerhaltung Eine exotherme Reaktion ist eine Reaktion, die unter Energieabgabe (z.b. Wärme, Licht) erfolgt. Die Edukte sind energiereicher als die Produkte, Reaktion wird durch Aktivierungsenergie in Gang gebracht. ΔE < 0 endotherme Reaktion Eine endotherme Reaktion ist eine Reaktion, die unter Energieaufnahme erfolgt. Die Reaktion kommt zum Erliegen, sobald keine Energie mehr zugeführt wird. Die Edukte sind energieärmer als die Produkte. ΔE > 0 Katalyse Aktivierungsenergie Katalysatoren sind Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Bei der Reaktion werden sie aber nicht verbraucht. Katalysator Wasserstoff (g) + Sauerstoff (g) > Wasser (l) Katalysator H 2 (g) + O 2 (g) > H 2 O (l) Enzyme im menschlichen Körper wirken als Katalysatoren der biochem. Prozesse Die Energiemenge, die zugeführt werden muss, um eine Reaktion in Gang zu setzten 2. Teilchenstruktur der Materie Atom Teilchen Symbol Ladung Atommasseneinheit u Proton p + positiv 1u Neutron n neutral 1u Elektron e - negativ 5*10-4 u Ionen Moleküle Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen in der Hülle Geladene Teilchen: Kationen = positiv geladen, wandern zur negativ geladenen Elektrode (z.b. Na + ) Anionen = negativ geladen, wandern zur positiv geladenen Elektrode (z.b. Cl - ) Teilchen aus mindestens zwei Atomen (gleicher oder verschiedener Elemente) H 2 O O 2 Maria-Ward-Gymnasium Altötting

3 Isotope Aufbau der Atomhülle Atome des gleichen Elements, die sich in ihrer Neutronenzahl und damit in ihrer Atommasse unterscheiden. Elektronen besitzen bestimmte Energieniveaus (Energiestufen). Je weiter die Elektronen vom Kern entfernt sind, desto energiereicher sind sie. Wasserstoff-Isotope 1 H 2 H 3 H Energieniveauschema von Natrium E - e e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - n = 3 n = 2 n = 1 Anordnung der Elektronen in der Atomhülle, Besetzung der Schalen: mit Formel 2. n 2, n = Hauptquantenzahl (Periode). Ein stabiler Zustand, der von allen Atomen angestrebt wird durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen ( Ionenbildung) bzw. Bildung von Elektronenpaaren bei chem. Reaktionen. 8 Valenzelektronen = Elektronenoktett (bzw. 2 in der ersten Schale = Elektronenduplett) Elektronenkonfiguration Edelgasregel Valenzelektronen Elektronen auf der äußersten Schale, sind für das Reaktionsverhalten verantwortlich. Anzahl der Valenzelektronen = Hauptgruppe (im gekürzten PSE) Maria-Ward-Gymnasium Altötting

4 3. Chemische Bindungen Ionenbindung Salze Gitterenergie Eigenschaften von Salzen Bindung zwischen Metall-Kationen (positiv geladen) und Nichtmetall-Anionen (negativ geladen) Der Zusammenhalt erfolgt durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den entgegengesetzt geladenen Ionen. Stoffgruppe, die aus Kationen und Anionen Kochsalz, Marmor, Backpulver aufgebaut sind, Anziehungskraft eines Ions wirkt in alle 3 Raumrichtungen, daher bilden Kationen und Anionen Ionengitter. Die Energie, die notwendig ist, um die Ionen vollständig aus dem Ionengitter freizusetzen Lösevorgang oder Schmelzen - endotherm Die Energie, die bei der Bildung eines Ionengitters aus freien Ionen frei wird Kristallisation z.b. Taschenwärmer - exotherm hohe Schmelz und Siedetemperatur Ionen lassen sich nur bei hohen Temperaturen trennen Verhältnisformel elektrische Leitfähigkeit in Lösungen und Schmelzen Sprödigkeit gibt das Zahlenverhältnis der beteiligten Ionen im Ionengitter an. Ionen und ihre Namen: Kationen Name des Atoms Anionen Name des Atoms mit Endung -id" Ionen sind beweglich Ionengitter zerspringt, durch Abstoßung gleich geladener Teilchen CaCl 2 Bedeutet: Calciumkationen Ca 2+ und Chloridanionen Cl - verbinden sich im Ionengitter im Verhältnis 1 : 2 Calciumchlorid Bildung von Ionen CO 3 2- Molekülanionen und Molekülkationen sind besondere Ionen mit eigenen Namen: OH - Elementare Metalle reagieren mit Nichtmetallen als Elektronendonatoren = Elektronengeber. Sie geben zur Erreichung der Edelgaskonfiguration Elektronen ab: 2- SO 4 - NO 3 + NH 4 Carbonat-Anion Hydroxid-Anion Sulfat-Anion Nitrat-Anion Ammonium-Kation Calcium reagiert mit Sauerstoff zu Calciumoxid: Teilgleichungen der Elektronenabgabe: Ca Ca e - 2 Nichtmetall-Elemente reagieren mit Metallen als Elektronenakzeptoren. Sie nehmen zur Erreichung der Edelgaskonfiguration Elektronen auf : Teilgleichung der Elektronenaufnahme: O 2 + 4e - 2 O 2- Gesamtgleichung: 2Ca + O 2 2 Ca O 2-2Ca + O 2 2 CaO Verhältnisformel aus den Ionen Maria-Ward-Gymnasium

5 Elektronenpaarbindung Bindung zwischen Nichtmetall und Nichtmetall. Stickstoff: N 2 Wasser: H 2 O Zusammenhalt durch Bildung gemeinsamer Elektronenpaare Jeder Bindungspartner erreicht dadurch formal die Edelgaskonfiguration nicht bindende Elektronenpaare bindende Elektronenpaare Molekülformel gibt das Zahlenverhältnis der beteiligten Atome an N 2 zwei Stickstoffatome H 2 O ein Sauerstoffatom, zwei Wasserstoffatome Metallbindung positiv geladenen Atomrümpfe werden durch bewegliche Elektronen (Elektronengas) zusammengehalten. Eigenschaften von Metallen gute Wärmeleitfähigkeit, gute elektrischen Leitfähigkeit, gute Verformbarkeit, metallischer Glanz (jeweils durch frei bewegliche Elektronen) Maria-Ward-Gymnasium

6 4. Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen Ein Mol Die Stoffmenge n eines beliebigen Stoffes, die aus 6, Teilchen dieses Stoffes besteht. Vergleich: 1 Dutzend besteht aus 12 Teilen N = N A n N = Teilchenzahl N A = 6,022 x = Avogadro-Konstante 1/mol n = Stoffmenge [mol] Die molare Masse Masse von 1 mol Teilchen Entspricht dem Zahlenwert der Massenzahl und kann somit aus dem Periodensystem abgelesen werden: M = m/n M(H 2 O) = = 18 g/mol M = molare Masse [g/mol] m = Masse [g] n = Stoffmenge [mol] Das molare Volumen 1 mol eines beliebigen Gases nimmt bei Normalbedingung immer ein Volumen von 22,4 l ein. V m = V/n V m = molares Volumen [l/mol] V = Volumen des Gases [l] n = Stoffmenge [mol] Maria-Ward-Gymnasium

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