2 Der Aufbau der Atome

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1 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 2 Der Aufbau der Atome 2 Der Aufbau der Atome 2.1 Atommodelle Die Materie setzt sich aus einzelnen Atomen zusammen. Ein Atom ist das kleinste Teilchen eines chemischen Elements. Sein Durchmesser liegt in der Grössenordnung von 1/ cm. Selbst kleinste Mengen von Substanz enthalten eine unvorstellbare Zahl von Atomen: 55,85 g Eisen bestehen aus rund Eisenatomen. ( Eisenatome) Mit modernsten Mikroskopen lassen sich Atome trotz ihrer Kleinheit seit rund 25 Jahren sichtbar machen. Die Umrisse eines Atoms lassen sich damit abbilden (Tunnelrastermikroskop). Eine Vorstellung von ihrem inneren Aufbau erhielt man durch zahlreiche Experimente. Unsere Vorstellungen vom Aufbau der Atome sind Modellvorstellungen. Mithilfe geeigneter Modelle, die uns heute zur Verfügung stehen, lassen sich Eigenschaften und Verhalten von Atomen anschaulich darstellen, Gesetzmässigkeiten erklären und Voraussagen bei chemischen Vorgängen machen. 2.2 Aufbau der Atome Übung 1 Abb. Aufbau eines Atoms Abb. 1 Kern- Durchmesser Atom-Durchmesser ca. 1/ mm Verhältnis Atomdurchmesser : Kerndurchmesser... :... Der Atomkern besteht aus Protonen ( Ladung) und aus eutronen (keine Ladung). Der Kern wird von den Elektronen ( Ladung) umkreist. Die Elektronen umkreisen pausenlos den Kern auf 8

2 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 2 Der Aufbau der Atome Den Auswirkungen von elektrostatischen Phänomenen begegnen wir in unterschiedlichen Intensitäten hin und wieder auch im Alltag. Beispiele A Gewitter A Knistern beim Kämmen A Knistern beim Ausziehen von Kleidern, bei Dunkelheit lassen sich sogar gleichzeitig kleine Funken erkennen: ein Gewitter im Kleinformat A Elektrischer Schlag beim Kontakt mit Metallen, beispielsweise bei Türklinken, Autokarosserie A Elektrischer Schlag beim andkontakt zweier Personen usw. In all diesen Situationen hat durch Reibungsvorgänge zwischen bestimmten Materialien eine Anhäufung von Ladung stattgefunden, d. h., durch das Weggehen von Elektronen entstehen zwei entgegengesetzt geladene Körper. Beim Kontakt mit gut leitenden Materialien, vor allem Metallen oder mit entgegengesetzt geladenen Körpern, kann an empfindlichen Körperstellen (insbesondere Fingerspitzen) spürbar der Elektronenstrom wahrgenommen werden, der beim raschen Abfliessen der Elektronen erfolgt. Der elektrische Schlag, der im Alltag dadurch oft markant spürbar wird, ist nicht gefährlich, jedoch lästig. Solche Elektronenschläge wären jedoch verhängnisvoll beim perieren. Die Schuhe des Personals im perationssaal haben im Fersenbereich in der Schuhsohle einen durchgehenden Metallstift eingebaut, wodurch, gekoppelt mit der speziellen Rauminstallation, allenfalls auftretende Elektronenüberschüsse oder Elektronendefizite ständig ausgeglichen werden. 2.5 Das Kugelmodell Das Kugelmodell ist das einfachste Atommodell, es nimmt keine Rücksicht auf den inneren Aufbau eines Atoms. Die Verschiedenartigkeit der Atome (beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff) lässt sich mithilfe von unterschiedlichen Grössen und Farbe darstellen. Egal, ob Wasser fest, flüssig oder gasförmig (Wasserdampf) vorliegt, die einzelnen Wassermoleküle besitzen immer diese Struktur. Beispiel Abb. Das Wassermolekül, 2 Abb. 2 Sauerstoff Wasserstoff Trotz seiner Einfachheit wird das Kugelmodell sehr häufig verwendet. Die räumlichen Verhältnisse einer Verbindung lassen sich damit sehr gut darstellen. 12

3 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 2 Der Aufbau der Atome Sauerstoff-Atom Das Sauerstoff-Atom weist 6 Aussenelektronen auf. Zwei dieser Aussenelektronen sind ungepaart (elltönung), die restlichen 4 Aussenelektronen liegen gepaart vor (dunkle Tönung). Der Kern (rot) besteht aus 8 Protonen und 8 eutronen. Der Atomrumpf besteht aus dem Atomkern (rot) und der innersten Elektronenschale (dunkle Tönung). Abb. Sauerstoff-Atom Abb. 6 Strukturformel: 1. Schale: 1 e -Paar 2. Schale: 2 ungepaarte e 2 e -Paare Atomkern (8 Protonen und 8 eutronen) e -Paar Aufenthaltsbereich ungepaartes Elektron Aufenthaltsbereich Fluor-Atom Das Fluor Atom weist 7 Aussenelektronen auf. Eines dieser Aussenelektronen ist ungepaart (elltönung), die restlichen 6 Aussenelektronen liegen gepaart vor (dunkle Tönung). Der Kern (rot) besteht aus 9 Protonen und 10 eutronen. Der Atomrumpf besteht aus dem Atomkern (rot) und der innersten Elektronenschale (dunkle Tönung). Abb. Fluor-Atom Abb. 7 Strukturformel: F 1. Schale: 1 e -Paar 2. Schale: 1 ungepaartes e 3 e -Paare Atomkern (9 Protonen und 10 eutronen) e -Paar Aufenthaltsbereich ungepaartes Elektron Aufenthaltsbereich 18

4 2 Der Aufbau der Atome 2.8 Das Periodensystem der Elemente Abb. Periodensystem Abb. 8 Aussenschale auptgruppen auptgruppen 1 1 Wasserstoff Lithium Kalium alcium Scandium Titan Vanadium hrom Mangan Eisen obalt ickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton Subl Platzhalter Y Zr b Mo Tc* Ru Rh Pd Ag Rubidium Strontium Yttrium Zirconium iob Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber admium Indium Zinn Antimon Tellur Iod Xenon aesium Barium afnium Tantal Wolfram Rhenium smium Iridium Platin Gold Quecksilber Thallium Blei Bismut Polonium Astat Radon I Li a elium atrium Magnesium Aluminium Silicium Phosphor Schwefel hlor Argon ebengruppen K Rb s Fr* Francium Be Beryllium Mg a Sr Ba Ra* Radium Sc Lanthanoide Actinoide Elementsymbol ame Ti f Rf* V Ta Db* Al Aluminium r W Sg* Mn Re Bh* Fe s s* o Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium assium Meitnerium Ununnilium Unununium Ununbium Ir Mt* *alle uklide radioaktiv Am alle uklide künstlich i Pt Uun* u Au Uuu* Zn d g Uub* 5 III IV V VI VII VIII Periode II Protonenzahl Atommasse in u bei Raumtemperatur fest, flüssig, gasf. Schmelztemperatur Siedetemperatur (gerundet) in Dichte in g/cm3 bei Gasen in g/l (0, 1013 hpa) Elektronegativität Metalle albmetalle ichtmetalle Werte nach Römpp-hemie-Lexikon, 9. Auflage B Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor eon Al Ga Ge In Tl Uut* Ununtrium Si Sn Pb Uuq* P As Sb Bi Uup* S Se Te Po* Uuh* l Br e e Ar Kr Xe Rn* Ununquadium Ununpentium Ununhexium Ununseptium Ununoctium F I At* Uus* Uuo* Actinium Ac Aluminium Al 13 Americium Am Antimon Sb 51 Argon Ar 18 Arsen As 33 Astat At 85 Barium Ba 56 Berkelium Bk Beryllium Be 4 Bismut Bi 83 Blei Pb 82 Bor B 5 Brom Br 35 admium d 48 äsium s 55 alcium a 20 alifornium f er e hlor l 17 hrom r 24 urium m Dysprosium Dy Einsteinium Es Eisen Fe 26 Erbium Er Europium Eu Fermium Fm Fluor F 9 Francium Fr 87 Gadolinium Gd Gallium Ga 31 Germanium Ge 32 Gold Au 79 afnium f 72 elium e 2 olmium o Indium In 49 Iridium Ir 77 Iod I 53 Kalium K 19 Kobalt o 27 Kohlenstoff 6 Krypton Kr 36 Kupfer u 29 Lanthan La Lawrencium Lr Lithium Li 3 Lutetium Lu Magnesium Mg 12 Mangan Mn 25 Mendelevium Md Molybdän Mo 42 atrium a 11 eodym d eon e 10 eptunium p ickel i 28 iob b 41 obelium o smium s 76 Palladium Pd 46 Phosphor P 15 Platin Pt 78 Plutonium Pu Polonium Po 84 Praseodym Pr Promethium Pm Protactinium Pa Quecksilber g 80 Radium Ra 88 Radon Rd 86 Rhenium Re 75 Rhodium Rh 45 Rubidium Rb 37 Ruthenium Ru 44 Samarium Sm Sauerstoff 8 Scandium Sc 21 Schwefel S 16 Selen Se 34 Silber Ag 47 Silicium Si 14 Stickstoff 7 Strontium Sr 38 Tantal Ta 73 Technetium Tc 43 Tellur Te 52 Terbium Tb Thallium Tl 81 Thorium Th Thulium Tm Titan Ti 22 Uran U Vanadium V 23 Wasserstoff 1 Wolfram W 74 Xenon Xe 54 Ytterbium Yb 19

5 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 2 Der Aufbau der Atome Für das Zustandekommen von Verbindungen zwischen zwei und mehr Atomen steht die äusserste Elektronenschale im Vordergrund. Auch im Zusammenhang mit stofflichen Veränderungen bei chemischen Reaktionen ist die äusserste Elektronenschale in der Regel die wichtigste Komponente. Betrachtet man irgendeines der 104 Elemente, so fällt auf, dass auf der äussersten Schale nie mehr als 8 Elektronen vorkommen. Sind 8 Elektronen auf der äussersten Schale vorhanden, wird eine neue Schale angefangen. Daraus ergibt sich ein stetes Wiederholen, eine Periodizität. Elemente mit der gleichen Anzahl Aussenelektronen werden in Gruppen zusammengefasst. Sie zeigen ähnliche stoffliche Eigenschaften. Im Reaktionsverhalten gegenüber anderen Stoffen zeigen die Elemente innerhalb derselben Gruppe keine wesentlichen Unterschiede. eben der Einteilung der Elemente in 8 auptgruppen sind vom atomaren Aufbau her einige metallische Elemente vorhanden, die sich nicht so klar einordnen lassen: Sie werden in ebengruppen zusammengefasst und als Übergangsmetalle bezeichnet. Bezeichnungen der auptgruppen Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 Gruppe 5 Gruppe 6 Gruppe 7 Gruppe 8 Alkalimetalle Erdalkalimetalle Erdmetalle Kohlenstoff-Silicium-Gruppe Stickstoff-Phosphor-Gruppe halkogene alogene Edelgase Jedes Element weist eine charakteristische Anzahl Elektronenschalen auf. Die Elemente mit derselben Anzahl Elektronenschalen sind in einer Periode zusammengefasst. Von Periode zu Periode erhöht sich die Anzahl der Schalen um 1. Das Periodensystem weist insgesamt 7 Perioden auf Elemente und Verbindungen Atome können sich nach bestimmten Gesetzmässigkeiten miteinander verbinden, zu kleineren (z. B. Wasser), oft aber auch zu sehr grossen Gruppen (z. B. Erbsubstanz, DS). hne diese Eigenschaft gäbe es keine Erde und natürlich auch kein Leben. Die Grundstoffe, um Verbindungen bilden zu können, sind die Elemente. Gemäss Definition sind Elemente Stoffe, die aus Atomen derselben Sorte bestehen. Beispiele A Eisen Fe (Ferrum) A eon e A Sauerstoff 2 A Stickstoff 2 20

6 2 Der Aufbau der Atome Wasser dagegen ist kein Element im modernen Sinne, weil es aus unterschiedlichen Elementen besteht und daher eine Verbindung ist. Wasser besteht aus einem Sauerstoff-Atom (, xygenium), das mit 2 Wasserstoffatomen (, ydrogenium) verbunden ist. Abb. 9 2 : Verbindungen bestehen aus Atomen unterschiedlicher Elemente. Traubenzucker (Glucose) ist ebenfalls eine Verbindung. Traubenzucker besteht aus 6 Kohlenstoffatomen (), 12 Wasserstoffatomen () und 6 Sauerstoff-Atomen (). Abb. Vereinfachte Strukturformel von Traubenzucker (Glucose) Abb : 2 Man kennt bis heute mehrere Millionen verschiedene Stoffe, die überwiegende Mehrheit sind Verbindungen, sie bestehen aus verschiedenen Elementen. Ein Element ist definiert durch seine Anzahl Protonen. Eisen ist deshalb Eisen, weil es 26 Protonen aufweist. Es gibt beispielsweise Eisen mit 23 Elektronen, mit 24 Elektronen und mit 26 Elektronen, die Anzahl Protonen ist jedoch in allen 3 Fällen dieselbe. Auch die eutronenzahl, die bei vielen Elementen variiert, ändert nichts an der eindeutigen Zuordnung. Gerade deshalb ist die Protonenzahl massgebend, weil sie bei einem bestimmten Element nie ändert. at ein Element 25 Protonen, dann ist es Mangan, mit 11 Protonen atrium usw. Die Anzahl Protonen bezeichnet man auch als rdnungszahl. Das heisst: Eisen beispielsweise steht an 26. Position im Periodensystem, weil es 26 Protonen im Kern besitzt, Gold an 79. Stelle, weil Gold 79 Protonen im Kern hat. Erstaunlich ist dabei auch, wie bei mengenmässiger Betrachtung gewisse Elemente äusserst gefragt sind, andere weniger. Aber auch diese weniger vorkommenden Elemente sind natürlich im Gefüge der atur absolut unentbehrlich, sie müssen ihren wichtigen Platz in der belebten oder unbelebten Materie einnehmen, sonst bricht das Gefüge auseinander. Dasselbe gilt im technischen Bereich. Beispiele A Zu rund 90 % besteht die Erdrinde aus Wasserstoff, Sauerstoff, Aluminium Al und Silicium Si. A Zu rund 99 % besteht der menschliche Körper aus Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff. 21

7 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 3 Reine Stoffe und Gemische sehr ähnlich sind oder ob sie sich in Grösse und Ladung stark, aber gegenläufig unterscheiden. So kann beispielsweise ein grosser, stark geladener Stoff genauso schnell wandern wie ein kleiner, aber nur schwach geladener. Das obere Teilchen ist zwar kleiner, dafür ist das untere stärker geladen: Beide wandern gleich schnell. Abb. Zwei verschiedene Stoffe wandern gleich schnell Abb Reine Stoffe Reine Stoffe können Verbindungen oder Elemente sein, sie enthalten keine Fremdstoffe, z. B. destilliertes Wasser, reiner Alkohol, Traubenzucker, Kupfer, Sauerstoff usw Verbindungen und Elemente Verbindungen bestehen aus unterschiedlichen Elementen. Beispielsweise Wasser = 2 besteht aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff. Die Formel teilt uns auch mit, dass pro 1 Wassermolekül 2 -Atome und 1 -Atom vorhanden sind. Traubenzucker = besteht aus den Elementen Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Die Formel teilt uns auch mit, dass pro 1 Traubenzuckermolekül 6 -Atome, 12 -Atome und 6 -Atome vorhanden sind. Gemäss Definition sind Elemente Stoffe, die aus Atomen derselben Sorte bestehen. Beispiele A Eisen Fe (Ferrum) A eon e A Sauerstoff 2 A Stickstoff Analyse reiner Stoffe Mittels Analysen können die an Verbindungen beteiligten Elemente bestimmt werden. Werden aus einfachen Grundstoffen Verbindungen hergestellt, so spricht man von einer Synthese. Beim Reagieren von atrium mit hlor bildet sich die Verbindung atriumchlorid = Kochsalz. Möchte man wissen, aus welchen Bausteinen ein reiner Stoff besteht, dann muss dieser dazu chemisch analysiert werden. Solche Verfahren sind meistens ebenfalls recht aufwendig. 36

8 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 4 Die chemische Bindung Abb. Abb. 27 Verband von Kupfer-Atomen Delokalisierte Elektronen: egative Ladung Kern Atom-Rumpf = Kern Schalen 13: Positive Ladung Abb. Ausschnitt aus einem Verband von Metallatomen Abb. 28 Atomkern Atomrumpf Delokalisierte Elektronen Zusammenfassung A A A A A A A ktettprinzip: Alle Atome haben das Bestreben, über acht bzw. zwei Elektronen auf ihrer äussersten Elektronenschale zu verfügen, ähnlich den ausserordentlich reaktionsträgen und daher stabilen Edelgasen. Dadurch erreichen auch die Atome der Gruppen 17 eine höhere Stabilität. Dieser Zustand wird bei den Elementen der Gruppen 17 nur dadurch erreicht, indem sich gleichartige oder unterschiedliche Atome miteinander verbinden. Die Metalle erreichen den stabilen Zustand durch Abgabe der Elektronen auf ihrer äussersten Elektronenschale. ichtmetalle erreichen das ktett durch Elektronenaufnahme durch Ausbildung von Elektronenpaaren mit gleichartigen oder fremdem ichtmetallatomen. Metalle erreichen den stabilen Zustand durch Elektronenabgabe. Durch die Elektronenaufnahme bzw. Elektronenabgabe entstehen positiv und negativ geladene Teilchen. Sie werden als Ionen bezeichnet. Die entgegengesetzt geladenen Ionen ziehen sich gegenseitig an. Rund 90 % aller bekannten Verbindungen (mehrere Millionen verschiedene Stoffe sind bekannt) gehorchen der ktettregel. Verbindungen zwischen ichtmetallen werden als Moleküle bezeichnet, Verbindungen zwischen Metall-Ionen und ichtmetall-ionen als Ionenverbindungen bzw. als Salze. 52

9 4 Die chemische Bindung Aufgaben Lösen Sie die folgenden Aufgaben mithilfe des Periodensystems Aufgabe 13 Zeichnen Sie ein Kaliumatom und ein Kalium-Ion auf. Alles beschriften. A] mit dem Bohr-Modell B] mit der Strukturformel = Elektronenstrichformel Aufgabe 14 Zeichnen Sie ein Fluoratom, ein Fluormolekül und ein Fluorid-Ion auf. Alles beschriften. A] mit dem Bohr-Modell B] mit der Strukturformel = Elektronenstrichformel Aufgabe 15 A] Zeichnen Sie mit der Strukturformel = Elektronenstrichformel ein Magnesiumatom und ein Magnesium-Ion auf. B] Zeichnen Sie mit dem Bohrmodell und der Strukturformel = Elektronenstrichformel ein Sauerstoffatom und ein xid-ion (xygenium = Sauerstoff) auf. Alles beschriften. ] Schreiben Sie mit der Strukturformel = Elektronenstrichformel und der Summenformel molekularen Sauerstoff auf. Aufgabe 16 Aufgabe 17 Aufgabe 18 Welche Gemeinsamkeiten weisen ein atrium-ion und ein eonatom auf? Welche Gemeinsamkeiten weisen ein Fluorid-Ion und ein eonatom auf? Wie viele Elektronen fehlen den nachfolgenden Atomen zum ktett: Schwefel, Iod, Xenon, Brom, Sauerstoff. Aufgabe 19 Wie viele Elektronen geben die folgenden Atome ab, um das ktett zu erreichen: Lithium, Beryllium, alcium, Rubidium, Eisen, Kupfer, Silber, Quecksilber. Aufgabe 20 Stellen Sie die folgenden Moleküle mit der Strukturformel = Elektronenstrichformel dar: A] hlorwasserstoff l B] Fluorwasserstoff F ] Kohlenstoffdioxid 2 D] Schwefelwasserstoff 2 S 53

10 6 Redoxreaktionen 6.4 Beispiel für Redoxreaktionen Übung 15 Magnesium Sauerstoff Magnesiumoxid 2 Mg 2 2 Mg Mg hemische Reaktionen, die als Endprodukt eine sauerstoffhaltige Verbindung ergeben, werden traditionell als xidationsvorgänge bezeichnet (xygenium lateinisch = Sauerstoff). Wir betrachten dieselbe chemische Reaktion noch einmal, dazu verwenden wir diesmal die Strukturformelschreibweise: Mg Mg Wärme Aktivierungsenergie Damit die chemische Reaktion stattfinden kann, müssen wir durch Wärmezufuhr die Atome und Moleküle in einen angeregten Zustand überführen. Dabei wird der Sauerstoff in seine Atome zerlegt, der Zusammenhalt zwischen den Mg-Atomen wird gleichzeitig gelockert, da durch die Wärmezufuhr die Atome in stärkere Schwingung versetzt werden. Abb. 29 Mg Mg Mg Mg Magnesium gibt nun seine Aussenelektronen dem Sauerstoff ab. Die zweite Schale des Magnesiums wird zur Aussenschale mit 8 Elektronen und erfüllt dadurch das ktett. Wir können auch sagen: Durch die Elektronenabgabe geht Magnesium in eine stabile, energiearme Form über. Sauerstoff erhält durch die Aufnahme von 2 Elektronen ebenfalls eine Aussenschale mit 8 Elektronen, das ktett wird hier auch erfüllt. Somit erreicht auch Sauerstoff eine stabilere Form. Bei dieser Reaktion gibt Magnesium Elektronen ab, wir sagen daher: Magnesium wird zu Mg 2 oxidiert. Sauerstoff nimmt Elektronen auf, wir sagen daher: Sauerstoff wird zu 2 reduziert. xidationsmittel/reduktionsmittel xidationsmittel ist der Sauerstoff. hne Sauerstoff (oder ein anderes ichtmetall) könnte Magnesium seine Elektronen nicht abgeben und dabei zu Mg 2 oxidieren. Sauerstoff ist das Mittel, um Mg zu oxidieren. Reduktionsmittel ist das Magnesium. hne die Aussenelektronen des Magnesiums könnte Sauerstoff nicht zum 2 reduziert werden. Magnesium ist das Mittel, um Sauerstoff zu reduzieren. 59

11 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 6 Redoxreaktionen 6.5 Weiteres Beispiel für Redoxreaktionen Übung 16 atrium hlor atriumchlorid 2 a l 2 2 a l 2 al Wir betrachten dieselbe chemische Reaktion noch einmal, dazu verwenden wir diesmal die Strukturformelschreibweise: a a I I Wärme Aktivierungsenergie Damit die chemische Reaktion stattfinden kann, müssen wir durch Wärmezufuhr die Atome und Moleküle in einen angeregten Zustand überführen. Dabei wird das hlor in die Atome zerlegt, der Zusammenhalt zwischen den a-atomen wird gleichzeitig gelockert, da durch die Wärmezufuhr die Atome in stärkere Schwingung versetzt werden. Abb. 30 a a I I a I I a atrium gibt nun sein Aussenelektron dem hlor ab. Die zweite Schale des atriums wird zur Aussenschale mit 8 Elektronen und erfüllt dadurch das ktett. Wir können auch sagen: Durch die Elektronenabgabe geht atrium in eine stabile, energiearme Form über. hlor erhält durch die Aufnahme von 1 Elektron ebenfalls eine Aussenschale mit 8 Elektronen, das ktett wird hier auch erfüllt. Somit erreicht auch hlor eine stabile Form. Bei dieser Reaktion gibt atrium Elektronen ab, wir sagen daher: atrium wird zu a oxidiert. hlor nimmt Elektronen auf, wir sagen daher: hlor wird zu l reduziert. xidationsmittel/reduktionsmittel xidationsmittel ist das hlor. hne hlor könnte atrium seine Elektronen nicht abgeben und dabei zu a oxidieren. hlor ist das Mittel, um atrium zu oxidieren. Reduktionsmittel ist das atrium. hne die Aussenelektronen des atriums könnte hlor nicht zum l reduziert werden. atrium ist das Mittel, um hlor zu reduzieren. 60

12 7 Wasserstoffbrücken und Elektronegativität 7 Wasserstoffbrücken und Elektronegativität 7.1 Moleküle aus denselben Atomen In einem Molekül, das aus Atomen des gleichen Elements aufgebaut ist, beispielsweise hlor I 2, Wasserstoff 2 usw., üben beide Atomkerne die gleiche Anziehungskraft auf das bindende Elektronenpaar aus. Man sagt, die Bindung ist symmetrisch. 7.2 Moleküle aus verschiedenen Atomen Sind an der Bindung Atome verschiedener Elemente beteiligt, dann wird das bindende Elektronenpaar von den beiden Atomkernen verschieden stark angezogen. Im l-molekül (hlorwasserstoff) ist das bindende Elektronenpaar näher zum hlor hin verlagert, das hloratom hat ein grösseres Bestreben die bindenden Elektronen zu sich herüberzuziehen als das Wasserstoffatom. Das gemeinsame Elektronenpaar ist deshalb zum hlor hin verschoben. Ursache dafür ist die starke Kernladung (positiv), die in einem relativ geringen Abstand zum bindenden Elektronenpaar steht. och ausgeprägter ist die anziehende Wirkung auf das gemeinsame Elektronenpaar beim Fluorwasserstoff F. Die positive Ladung im Fluorkern ist zwar deutlich geringer verglichen mit dem hlorkern, dagegen ist die Distanz zwischen dem Fluorkern und dem bindenden Elektronenpaar geringer. Eine grobe Einschätzung, wie stark bindende Elektronenpaare bei Molekülen aus verschiedenen Atomen verlagert werden, liefert beim Periodensystem ( Kap. 2.8, S. 19) die Angabe Elektronegativität. Beispiel Vergleich zwischen Fluorwasserstoff (F) und hlorwasserstoff (l) Fluorwasserstoff (F): Fluor (F) ist das Element mit dem grössten Elektronegativitätswert von 4,0. hlor (l) weist eine Elektronegativität von 3,0 auf, der Wasserstoff () 2,1. Je grösser der Unterschied der Elektronegativitätswerte zwischen zwei benachbarten Atomen, umso stärker werden bindende Elektronenpaare zum Element mit dem grösseren Elektronegativitätswert hin verlagert. A A A Beim Fluorwasserstoff (F) wird das bindende Elektronenpaar sehr stark zum Fluor hin verlagert. Fluor hat einen Elektronegativitätswert von 4,0, Wasserstoff hat einen Elektronegativitätswert von 2,1. Die Differenz beträgt somit 1,9. Beim hlorwasserstoff (l) wird das gemeinsame Elektronenpaar weniger stark zum hlor hin verlagert als bei der Verbindung F. hlor (l) hat einen Elektronegativitätswert von 3,0. Wasserstoff () hat einen Elektronegativitätswert von 2,1. Die Differenz ist mit 0,9 deutlich geringer bei l als bei F. Auf diese Weise erhält das hlor bei der Verbindung l bzw. das Fluor bei der Verbindung F eine schwache negative Ladung, das Wasserstoffatom eine schwache positive Ladung. Man sagt: A A Das hlor- bzw. Fluoratom ist negativ polarisiert. Der Wasserstoff ist positiv polarisiert. 71

13 8 Säure-Basen-Reaktionen 8 Säure-Basen-Reaktionen 8.1 Einleitung Saure wässrige Lösungen Etliche saure wässrige Lösungen sind uns aus dem Alltag vertraut: Sie lassen sich geschmacklich von übrigen wässrigen ahrungsmitteln mit unserer Zunge identifizieren. Zahlreiche alltägliche Lebensmittel empfinden wir als sauer, wie beispielsweise Beispiele A Essig A Zitronensaft A saurer Most usw. Saure wässrige Lösungen werden häufig auch im technischen Bereich verwendet, vor allem in der chemischen Industrie und im Laborbereich. So auch etwa bei der erstellung von gewissen synthetischen Farbstoffen, verschiedenen Kunststoffen, Dünger usw Alkalische wässrige Lösungen Basische oder alkalische wässrige Lösungen kommen seltener vor. Ihre Identifikation im Bereich aushalt erfolgt meistens über den Tastsinn (Finger). Alkalische wässrige Lösungen fühlen sich seifig an. Alkalische wässrige Lösungen werden ebenfalls häufig im technischen Bereich verwendet, etwa bei der erstellung von Mörtel, in der Papierindustrie, erstellung von Aluminium, Rohrreiniger usw Ätzende Eigenschaften, Säure-Basen-Indikatoren Das Überprüfen mit der Zunge oder mit den Fingern ist bei technischen sauren bzw. alkalischen Lösungen wegen ihrer ätzenden Wirkung nicht möglich. Spezifische Stoffe, sogenannte Säure- Basen-Indikatoren (Indikatoren = Anzeiger) geben durch Farbänderung Auskunft darüber, ob eine unbekannte Lösung sauer, neutral oder alkalisch ist. Mit einem p-meter, wie in jedem Labor zu finden, lassen sich wässrige Lösungen ebenfalls überprüfen, ob diese sauer, neutral oder alkalisch sind. Dieser zeigt den p-wert auf Zehntel genau an Vorsichtsmassnahmen beim Umgang mit sauren bzw. alkalisch wirkenden Stoffen Saure bzw. alkalische/basische wässrige Lösungen weisen ätzende Eigenschaften auf, das bedeutet, dass sie tierisches wie pflanzliches Gewebe zerstören. Gefährlich ist insbesondere der Kontakt dieser Stoffe mit den Augen. Aus dem Alltag kennen wir solche Situationen: Gelangt Essig (sauer) oder Seife (alkalisch) ins Auge, ist der Schmerz erheblich, rasches Spülen mit Wasser mindert die Konzentration dieser aggressiven Stoffe, somit wird das Auge dadurch nicht beeinträchtigt. öhere Konzentrationen erfordern minutenlanges, stetes Spülen mit kaltem Wasser bzw. im Laborbereich mit sogenannten Augenduschen sowie fachärztliche ilfe. 77

14 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 8 Säure-Basen-Reaktionen Beim antieren mit starken Säuren bzw. Basen unbedingt Schutzbrille verwenden! Beim Verdünnen von Säuren muss immer die Säure dem Wasser beigegeben werden, nicht umgekehrt! Beim inzufügen von Säure zu Wasser wird die dabei auftretende Reaktionswärme rasch verteilt. Bei umgekehrtem Vorgehen passiert dasselbe, wie wenn heissem Öl Wasser beigefügt wird: eisse Öltropfen bzw. Wassertropfen spritzen augenblicklich weg. Wird Wasser zu Säure hinzugefügt, spritzt die Säure augenblicklich in alle Richtungen, weil die Reaktionswärme nicht rasch genug auf das Wasser verteilt werden kann. «Erst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure» 8.2 Säure-Basen-Reaktionen: Begriffe Saure wässrige Lösungen Saure wässrige Lösungen enthalten einen Überschuss an ydronium-ionen, 3 -Ionen. Der achweis im Labor oder technischen Betrieben erfolgt in allen Fällen mit Säure-Basen-Indikatoren oder mit dem p-meter. Säure-Basen-Indikatoren kommen in zwei Varianten vor: flüssig oder als Papierstreifchen, die mit Indikator versehen sind. Dabei kommt es in beiden Fällen augenblicklich zu einer charakteristischen Verfärbung. Mit sogenannten Universalindikatoren erhält man sofort Auskunft darüber, ob die unbekannte wässrige Lösung sauer, alkalisch oder neutral ist. 23 Tropfen Indikator bzw. Testsubstanz genügen Alkalische/basische wässrige Lösungen = Laugen Alkalische wässrige Lösungen enthalten einen Überschuss an ydroxid-ionen, -Ionen. Der achweis erfolgt ebenfalls mit Säure-Basen-Indikatoren oder mit dem p-meter Säure Eine Säure ist ein -Ionen-Spender. Da ein -Ion nur aus einem Proton besteht, sagt man auch: Eine Säure ist ein Protonenspender. -Ionen sind nicht beständige Ionen, wie etwa atrium-ionen (a -Ionen) oder hlorid-ionen (l -Ionen), sondern treten nur ganz kurzfristig (Bruchteile einer Sekunde) beim Reagieren einer Base mit einer Säure auf Base Eine Base ist ein -Ionen-Empfänger bzw. Protonenempfänger. 8.3 Säure-Basen-Reaktionen: Prinzipieller Ablauf Bei Säure-Basen-Reaktionen reagiert eine Säure mit einer Base. Dabei gibt die Säure ein bzw. mehrere Protonen bzw. -Ionen ab, die Base nimmt das Proton / die Protonen auf. Das Wechseln dieser Protonen hat Veränderungen der stofflichen Eigenschaften zur Folge. 78

15 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 8 Säure-Basen-Reaktionen Beispiele hlorwasserstoff und Wasser hlorwasserstoff Wasser Abb. 35 hlorid-ion ydronium-ion Abb. 36 I I I Säure 2 Base Abb. 37 l 3 saure, wässrige Lösung hlorwasserstoff und atriumhydroxid hlorwasserstoff atriumhydroxid hlorwasserstoff atriumhydroxid Abb. 38 atrium-ion hlorid-ion Wasser Abb. 39 atriumchlorid Wasser Abb. 40 I Säure I a a I a Base Abb. 41 a l al 2 eutralisationsreaktion Ammoniak und Wasser Ammoniak Wasser Ammoniak Wasser Abb. 42 Ammonium-Ion ydroxid-ion Abb. 43 Ammoniumhydroxid Abb Base 2 Säure Abb alkalische, wässrige Lösung Kohlensäure und Wasser Kohlensäure Wasser Abb. 46 arbonat-ion ydronium-ionen Abb Säure 2 2 Base Abb saure, wässrige Lösung 80

16 8 Säure-Basen-Reaktionen Schwefelsäure und Wasser Schwefelsäure Wasser 2 S Säure Base Abb. 49 Sulfat-Ion ydronium-ionen Abb S saure, wässrige Lösung Kohlensäure und Kaliumhydroxid Kohlensäure Kaliumhydroxid Abb. 51 Kaliumcarbonat Wasser Abb. 52 K K K K K K K Säure Base eutralisationsreaktion Kohlensäure und alciumhydroxid Kohlensäure alciumhydroxid Abb. 53 alciumcarbonat Wasser Abb. 54 a 2 a a 2 ( Abb. 55 ) 2 a Säure Base Abb. 56 a 3 eutralisationsreaktion

17 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 8 Säure-Basen-Reaktionen Aluminiumhydroxid und hlorwasserstoff Aluminiumhydroxid hlorwasserstoff Abb. 57 Aluminiumchlorid Wasser Abb. 58 I I Al 3 I Al 3 I I I Al 3 ( ) 3 3 l Base Säure Abb. 60 Abb. 59 Al 3 l 3 All eutralisationsreaktion 8.5 Der p-wert Der p-wert ist ein Mass für die Konzentration an ydronium-ionen, 3 -Ionen, in einer wässrigen Lösung. Eigentlich müsste daher anstelle des beim Begriff p-wert die Bezeichnung 3 stehen, da wie schon erwähnt, -Ionen nicht frei vorkommen. Man hat herausgefunden dass auch x-fach destilliertes Wasser, das so gut wie keine Mineralanteile aufweist, elektrischen Strom leitet. Die elektrische Leitfähigkeit bei wässrigen Lösungen ist umso grösser, je mehr frei bewegliche Ionen sich darin befinden, umgekehrt nimmt die Leitfähigkeit ab, je weniger frei bewegliche Ionen Wasser aufweist. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass Wasser ohne Mineralien den Strom dennoch etwas leitet, weil Wassermoleküle mit Wassermolekülen reagieren, allerdings in äusserst geringen Mengen, indem das eine Wassermolekül als Säure, das andere als Base wirkt. Dabei bilden sich 3 -Ionen und -Ionen. Wie wir gesehen haben, ist Wasser ein Ampholyt, kann also als Säure wie als Base wirken, je nach Reaktionspartner. Wasser und Wasser Wasser Wasser Abb. 61 ydroxid-ion ydronium-ion 2 Säure 2 Base Abb Die Menge der Wassermoleküle, bei denen dieser Vorgang stattfindet, ist äusserst gering. 82

18 8 Säure-Basen-Reaktionen Zur Illustration eine Skizze. Der folgende Würfel enthält Liter Wasser. Welche Kantenlänge muss ein Würfel aufweisen (Angaben in Meter), der diese Menge Wasser fassen kann? Abb. Wie kommt es zum p-wert? Abb Mol 3 0 = 19,014 g Mol = 16,998 g 3 0 = 21,55 m = Liter Wasser V = m 3 Wasser B = 21,55 m L = 21,55 m In diesen 10 Millionen Liter = Liter = 10 7 Liter Wasser befinden sich 1 Mol 3 - Ionen und ebenso 1 Mol -Ionen. In Gramm ausgedrückt sind dies rund 19 g 3 -Ionen bzw. 17 g -Ionen, gleichmässig verteilt in Liter Wasser. Wie viele Mol 3 -Ionen sind in 1 Liter Wasser enthalten? 10 7 Liter Wasser enthalten 1 Mol 3 -Ionen Zweisatzrechnung: 1 Liter Wasser enthalten 0, Mol 3 -Ionen = 10 7 Mol 3 -Ionen Der Logarithmus von 10 7 ist 7. p-wert von Wasser Diesen Wert multiplizieren wir mit 1 und erhalten so den p-wert von Wasser, p 7. Wasser hat den p-wert 7, weil in 1 Liter Wasser 10 7 Mol 3 -Ionen = 0, Mol 3 -Ionen enthalten sind. Gibt man zu Wasser eine Säure, nimmt die Konzentration an 3 -Ionen zu. Gibt man zu Wasser eine Base, nimmt die Konzentration an 3 -Ionen ab. Die p-skala umfasst die p-werte von 1 bis 14: A saure wässrige Lösungen weisen einen p-wert zwischen p 1 und 7 auf, A alkalische wässrige Lösungen einen p-wert zwischen 7 und 14. A p 7: Die wässrige Lösung ist neutral, d. h. darin befinden sich gleich viele 3 0 -Ionen wie -Ionen, nämlich 10 7 Mol/Liter. 83

19 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 8 Säure-Basen-Reaktionen 8.7 p-werte unterschiedlicher Stoffe in unserem Alltag Abb. Unterschiedliche p-werte Abb. 73 Substanz p-wert Art Batteriesäure < 1 Magensäure (nüchterner Magen) Zitronensaft 1,01,5 2,4 ola Essig Fruchtsaft der Schattenmorelle rangen- und Apfelsaft Wein Saure Milch Bier Saurer Regen Kaffee Tee autoberfläche des Menschen Regen (natürlicher iederschlag) Mineralwasser Milch Wasser (je nach ärte) 2,03,0 2,5 2,7 3,5 4,0 4,5 4,55,0 < 5,0 5,0 5,5 5,5 5,6 6,0 6,5 6,08,5 sauer sauer bis alkalisch Menschlicher Speichel Reines Wasser Blut Meerwasser Pankreassaft (Darmsaft) 6,57,4 7,0 7,4 7,58,4 8,3 sauer bis alkalisch neutral Seife 9,010,0 aushalts-ammoniak 11,5 alkalisch Bleichmittel Beton atronlauge 12,5 12,6 13,514 88

20 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 8 Säure-Basen-Reaktionen Abb. Menge 3 -Ionen in Gramm pro 1 Liter wässriger Lösung in Abhängigkeit vom p-wert, Intervall Zehntel p-einheiten bzw. ganze p-einheiten Abb ,8 Menge ydronium-ionen in Gramm pro 1 Liter wässeriger Lösung 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0, p-wert 92

21 9 hemisches Rechnen / Stöchiometrie 9.5 Molarität Begriffserklärung Eine 1-molare Lösung enthält 1 mol gelösten Stoff in 1 Liter Lösung. inweis Beispiele Meistens handelt es sich um wässrige Lösungen. Die im Wasser gelösten Stoffe können vor dem Mischen mit Wasser flüssig oder fest sein. Feste Stoffe müssen vollständig gelöst vorliegen. Wir stellen 1 Liter 1 m (molare) Kochsalzlösung her. Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Schritt 4 Schritt 5 Berechnen der Masse von 1 mol al 58,44 g 58,44 g al abwiegen. 58,44 g al in ein geeichtes 1 Liter Glasgefäss geben. Rund 700 ml Wasser (Raumtemperatur, 20 ) dazugeben und Kochsalz vollständig auflösen. Unter stetem Rühren langsam Wasser bis zur 1-Liter-Marke dazugeben. Wir haben nun eine eindeutig definierte atriumchloridlösung: In 1 Liter 1 m Kochsalzlösung sind 1 Mol = 58,44 g al enthalten bzw al-salzteilchen. Wir entnehmen obiger Lösung 100 ml. Darin sind 5,844 g al enthalten bzw al- Salzteilchen. Die Konzentration hat sich dabei nicht verändert, die Lösung ist immer noch 1 molar. Wir stellen 100 ml 0,2 m (molare) Traubenzuckerlösung her. Die Summenformel für Traubenzucker = Glucose lautet: Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Schritt 4 Schritt 5 Schritt 6 Berechnen der Masse von 1 mol ,096 g Berechnen der Traubenzuckermenge. Da nur 100 ml Lösung hergestellt werden, ist 10 weniger Traubenzucker notwendig. Zudem soll die Lösung 0,2 molar sein, somit verringert sich die Traubenzuckermenge nochmals um das 5-Fache. Somit dividieren wir 180,096 g durch 50. Wir erhalten 3,602 g Traubenzucker 3,602 g Traubenzucker abwiegen. 3,602 g Traubenzucker in ein geeichtes 100 ml Glasgefäss geben. Rund 70 ml Wasser (Raumtemperatur, 20 ) dazugeben und Traubenzucker vollständig auflösen. Unter stetem Rühren Wasser bis zur 100 ml Marke dazugeben. Wir haben nun eine eindeutig definierte Traubenzuckerlösung: 100 ml 0,2 m Traubenzuckerlösung. Darin sind 3,602 g Traubenzucker bzw. 1, Traubenzuckermoleküle enthalten. Wir wollen aus den 100 ml 0,2 m (molarer) Traubenzuckerlösung 1 Liter 0,02 m Traubenzuckerlösung herstellen. Wir geben obige Traubenzuckerlösung in ein 1-Liter-Glasgefäss und unter stetem Rühren fügen wir langsam Wasser bis zur 1-Liter-Marke hinzu. In diesem Liter Traubenzuckerlösung sind immer noch 3,602 g Traubenzucker enthalten. Die Konzentration ist nun 10 geringer, also 0,02 m (0,02 molar), da die Menge an Lösung verzehnfacht wurde. 99

22 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 11 Radioaktive Strahlung Für Personen, die mit ionisierender Strahlung arbeiten, z. B. Röntgenärzte oder Röntgenassistenten gibt es besondere Vorschriften. Sie dürfen pro Jahr höchstens eine wirksame Energiedosis von 0,05 J/kg aufnehmen. Bei allen anderen Personen ist die Dosis, die zur natürlichen Strahlenbelastung hinzukommen darf, auf 0,001 5 J/kg begrenzt. Um Strahlenbelastung zu überwachen, müssen die betreffenden Personen während der Arbeit ständig ein Dosimeter tragen. In ihm befindet sich Filmmaterial, das mit zunehmender Energiedosis immer schwärzer wird. In regelmässigen zeitlichen Abständen müssen die Dosimeter der entsprechenden Kontrollstelle zugestellt werden. Das BAG (Bundesamt für Gesundheit) führt das Zentrale Dosisregister (ZDR), in dem die Ergebnisse der Dosimetrie jeder beruflich strahlenexponierten Person seit 1989 registriert werden. Bei Röntgenuntersuchungen bekommt man eine Bleischürze umgehängt, um die nicht zu untersuchenden Körperteile vor Strahlung zu schützen. Die Röntgenassistenten verlassen während der Röntgenaufnahme den Raum, sie würden sonst im Laufe der Zeit eine unzulässig hohe Energiedosis aufnehmen. In Kernkraftwerken müssen Arbeiter bei bestimmten Arbeiten Schutzanzüge tragen, samt Gasmaske. Diese sollen die Aufnahme von radioaktiven Substanzen in den Körper (insbesondere durch Einatmen) verhindern. Vor -Strahlung können diese Anzüge nicht schützen. In Anlagen, in denen viel mit radioaktiven Stoffen gearbeitet wird, sind weitere technische ilfen vorhanden. Durch Wände und Bleiglas geschützt, wird mithilfe von fernbedienten Greifern gearbeitet Strahlenschäden Die schädliche Wirkung radioaktiver Strahlung ist schon seit Becquerel (1896) bekannt. Durch ein Radiumpräparat, das er 2 Wochen lang in seiner Westentasche trug, wurde eine sehr schwer abheilende geschwürartige Wunde hervorgerufen. Das Ausmass und die Vielfalt der Schädigungen durch radioaktive Strahlung ist seit dem Atombombenabwurf über Japan (Zweiter Weltkrieg) nach und nach erschreckend deutlich geworden. Ebenso zeigt der Reaktorunfall 1986 in Tschernobyl und März 2011 in Fukushima (Japan), dass die körperlichen Schäden bei den betroffenen Menschen nach wie vor erheblich sind. Röntgenstrahlung und radioaktive Strahlung bezeichnet man als ionisierende Strahlungen, weil sie Atome ionisieren können. Durch ionisierende Strahlung kann es zu körperlichen Schäden kommen. Ionisierung bei Eiweissmolekülen beispielsweise hat zur Folge, dass sich die Form der Eiweisse verändert. Dadurch kann ein solch verändertes Eiweiss seine Aufgabe im Körper nicht mehr erbringen (siehe Enzyme, Kap. 12). Die nach aussen erkennbaren Symptome sind Mattigkeit, Unwohlsein, autschädigungen, aarausfall etc.. Zudem ergeben sich Veränderungen des Blutbilds, insbesondere Abnahme der weissen Blutkörperchen und dadurch erhöhte Anfälligkeit gegenüber Infekten aller Art. Ein grosses Problem der Schädigungen liegt darin, dass sie häufig erst nach Wochen, Monaten oder Jahren auftreten, bei genetischen Schäden zeigen sie sich oft erst bei der nächsten Generation. 110

23 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 12 Katalysatoren, Enzyme 12.6 Bausteine der Eiweisse: Aminosäuren Abb Aminogruppe Säuregruppe Restgruppe Glycin (Gly) Alanin (Ala) Valin (Val) Leucin (Leu) Isoleucin (Ileu) Phenylalanin (Phe) Tyrosin (Tyr) Tryptophan (Try) Asparaginsäure (Asp) Asparagin (Asn) Glutaminsäure (Glu) Glutamin (Gln) S 2 S 3 Serin (Ser) Threonin (Thr) ystein (ys) Methionin (Met) Prolin (Pro) istidin (is) Arginin (Arg) Lysin (Lys) 118

24 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 12 Katalysatoren, Enzyme Überblick: Mineralstoffe Tab. Mengenelemente Menge im Körper Mengenelemente Empfohlene Zufuhr Wirkung alcium-ion a 2 > 1000 g 1 g Erregbarkeit von erven und Muskeln, Blutgerinnung, Aktivität von Enzymen, Durchlässigkeit der Zellwände, Baustein für Knochen und Zähne Phosphat (P 3 4 ) 700 g 0,7 g Bestandteil energiereicher P-Verbindungen, Baustein von Knochen, Zähnen und Zellen Magnesium 25 g 0,35 g Enzymaktivator, (Mg) Mg 2 Erregbarkeit von erven und Muskeln atrium (a) a Schätzwert für eine minimale Zufuhr Kalium (K) K Schätzwert für eine minimale Zufuhr hlorid (l) l Schätzwert für eine minimale Zufuhr 100 g 0,55 g Regelung des osmotischen Drucks, Erregbarkeit von erven und Muskeln, Regulierung des Wasserhaushalts 140 g 2 g Regelung des osmotischen Drucks, Erregbarkeit von erven und Muskelzellen 80 g 0,83 g Regelung des osmotischen Drucks, Magensäurebildung Vorkommen in Lebensmitteln Milch, Milchprodukte Eigelb, Gemüse, üsse, Mineralwasser Milch, Milchprodukte, Innereien, Fleisch, Fisch, Eigelb, ülsenfrüchte, üsse Gemüse, Kartoffeln, üsse, ülsenfrüchte Kochsalz, Fleisch, Fisch, Käse, Wurstwaren usw. Pflanzliche Lebensmittel, Kartoffeln, ülsenfrüchte, bst, üsse, aturreis, Bananen Kochsalz, kochsalzreiche Lebensmittel Auswirkungen eines Mangels Verminderte alciumeinlagerung in die Knochen, steoporose, Krämpfe nicht bekannt Krämpfe der Skelettmuskulatur und der Arterienmuskulatur Absinken des Blutdrucks. Störungen in der Reizleitung, Zittern Schwäche der Skelettmuskulatur bis zu Funktionsstörungen des erzens Schwierigkeiten bei der Eiweissverdauung im Magen 120

25 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 13 Kohlenwasserstoffe Tab. omologe Reihe der Alkane, Beispiele ame Summenformel Strukturformel Aggregatszustand bei Raumtemperatur Methan 4 gasförmig Ethan 2 6 gasförmig Vereinfacht: 3 3 Propan 3 8 gasförmig Vereinfacht: Butan 4 10 gasförmig Pentan 5 12 flüssig exan 6 14 flüssig Bis sind die weiteren Alkane dieser Reihe flüssig, ab sind die Alkane fest. Die Molekülmasse erhöht sich mit dem inzukommen von weiteren 2 -Gruppen, dadurch ist bei grösseren Molekülen mehr Wärme erforderlich, um diese Stoffe zu verflüssigen bzw. in den gasförmigen Zustand überzuführen. Zur omenklatur: Penta, exa, epta usw. sind griechische Zahlwörter. Ab 5 12 (Pentan) werden griechische Zahlwörter, entsprechend ihrer Anzahl -Atome, für die Benennung der Alkane verwendet. omologe Reihe der Alkane ame Summenformel ame Summenformel Methan 4 eptan 7 16 Ethan 2 6 ktan 8 18 Propan 3 8 onan 9 20 Butan 4 10 Dekan

26 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 13 Kohlenwasserstoffe Additionsreaktionen Beispiel Bromanlagerung an Ethen Ethen Brom 1,2-Dibromethan Br Br Br Br Summenformelschreibweise: 2 4 Br Br 2 Das Beispiel zeigt, dass das eine Elektronenpaar der --Doppelbindung aufgebrochen wird, gleichzeitig auch das bindende Elektronenpaar des Brommoleküls. Das Endprodukt dieser Reaktion ist gesättigtes 1,2-Dibromethan. Das Anlagern von Brom bezeichnet man als Bromierung. Entsprechend reagieren andere ungesättigte kohlenstoffhaltige Verbindungen mit Brom. Brom kann daher verwendet werden, um --Doppelbindungen nachzuweisen. Beispiel Wasserstoffanlagerung an Propen Propen Wasserstoff Propan Summenformelschreibweise: Das Beispiel zeigt, dass wiederum das eine Elektronenpaar der --Doppelbindung aufgebrochen wird, gleichzeitig auch das bindende Elektronenpaar des Wasserstoffmoleküls. Das Endprodukt dieser Reaktion ist gesättigtes Propan. Das Anlagern von Wasserstoff bezeichnet man als ydrierung Polymerisation Alkene haben die Fähigkeit zur Polymerisation. Darunter versteht man ein Aneinanderlagern von ungesättigten Molekülen zu Makromolekülen. Begriffserklärung Makro, (griechisch) = lang, gross Poly, (griechisch) = viel 130

27 13 Kohlenwasserstoffe Isomere bei Alkoholen Vom Propanol an gibt es Isomere. Die Position der -Gruppe ist massgebend für die Benennung der Alkohole. Die ummer des -Atoms, das die -Gruppe trägt, wird vor die Endung «ol» gesetzt. Beim Propanol gibt es 2 Isomere: Beispiel Propan-1-ol 3 7 Strukturformel mit -Atomen: vereinfachte Strukturformel: Beispiel Propan-2-ol 3 7 Strukturformel mit -Atomen: vereinfachte Strukturformel: Primärer, sekundärer, tertiärer Alkohol Aufgrund der Position der -Gruppe im Alkoholmolekül unterscheidet man primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole. Beispiel Primärer Alkohol: Ethanol 2 5 Das -Atom, das mit der -Gruppe verbunden ist, ist höchstens mit einem -Atom verbunden. Strukturformel mit -Atomen: 2 1 Strukturformel ohne -Atome: 2 1 Beispiel Sekundärer Alkohol: Propan-2-ol 3 7 Das -Atom, das mit der -Gruppe verbunden ist, ist mit zwei weiteren -Atomen verbunden. Strukturformel mit -Atomen: Strukturformel ohne -Atome: 133

28 hemie Vorkurs öhere Fachschulen für Gesundheitsberufe 13 Kohlenwasserstoffe Beispiel Tertiärer Alkohol: 2-Methylpropan-2-ol 3 7 Das -Atom, das mit der -Gruppe verbunden ist, ist mit drei weiteren -Atomen verbunden. Strukturformel mit -Atomen: Strukturformel ohne -Atome: Eigenschaften von Alkoholen Alkohole mit 13 -Atomen sind bei Raumtemperatur farblose Flüssigkeiten, zwischen 4 und 11 -Atomen werden sie zunehmend dickflüssiger, ab 12 -Atomen sind Alkohole fest. Die -Gruppe ist polar (siehe Elektronegativität Kap. 7), dadurch erhält das Sauerstoffatom eine leicht negative Ladung, der Wasserstoff eine leicht positive Ladung. Ethanolmoleküle bilden untereinander Wasserstoffbrücken (-Brücken) aus. Um die Kräfte der -Brücken zu überwinden, sind daher höhere Temperaturen erforderlich, um Alkohole zu verflüssigen bzw. um die entsprechenden Alkohole zu verdampfen. Methanol, Ethanol und Propanol sind in Wasser gut löslich, da sie in der Lage sind mit Wasser -Brücken zu bilden. öhere Alkohole lösen sich in Wasser nicht, der polare Einfluss der hydrophilen -Gruppe nimmt bei längerer Kettenlänge ab. Alle Alkohole sind giftig. Vor allem Methanol weist eine hohe Giftigkeit auf, die tödliche Dosis beträgt 428 mg/kg Körpergewicht. Geringere Mengen können zu Erblindung, oft auch zu Lähmungserscheinungen führen. Ethanol kommt in alkoholischen Getränken vor. Schon in geringen Mengen konsumiert verringert er die Leistungsfähigkeit. Fortgesetzter Alkoholmissbrauch führt zu schweren körperlichen Schäden. Ethanol gewinnt man durch alkoholische Gärung. In der Regel werden efepilze verwendet, die in sauerstoffloser Umgebung (anaerob) Traubenzucker zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abbauen. Traubenzucker Ethanol Kohlenstoffdioxid Summenformelschreibweise: Mithilfe eines Katalysators kann Ethanol technisch aus Wasser und Ethen hergestellt werden. Ethanol wird für viele weitere Zwecke gebraucht: in der Kosmetik, für pharmazeutische Präparate, als Lösungsmittel für Farbstoffe, als Treibstoff für Autos (Biotreibstoff), als aushaltsreiniger; schliesslich in der Medizin wegen seiner keimtötenden Wirkung. 134