Grundwissen Chemie 8. Jahrgangsstufe NTG

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1 GYMNASIUM HÖCHSTADT A. D. AISCH Naturwissenschaftlich-technologisches und sprachliches Gymnasium Grundwissen Chemie 8. Jahrgangsstufe NTG Chemie ist die Lehre von den Stoffen und den Stoffänderungen. Organische Chemie (= Kohlenstoffchemie) und Anorganik (= restliche Chemie) 1. Stoffe und ihre Eigenschaften Stoffe physikalische Reinstoffe Verbindungen chemische Trennverfahren Elemente Gemische homogen heterogen Trennverfahren Salze molekulare Stoffe Metalle Halbmetalle Nichtmetalle Legierung (klare) Lösung Gasgemisch Suspension (f/l) Emulsion (l/l) Rauch (f/g) Nebel (l/g)

2 2 Reinstoff Gemisch Homogenes Gemisch Heterogenes Gemisch Stoff mit spezifischen Eigenschaften, der durch physikalische Vorgänge nicht weiter zerlegt werden kann. spezifische Eigenschaften: z. B. Farbe, Geruch, Geschmack, Aggregatzustand*, Dichte, Schmelz- und Siedetemperatur Kenneigenschaften: messbare Stoffeigenschaften (z. B. Schmelzund Siedetemperatur), durch die sich Stoffe eindeutig charakterisieren lassen Ein Gemisch kann aufgrund der physikalischen Eigenschaften der einzelnen Stoffe wieder in diese aufgetrennt werden (=Trennmethoden). Aussehen einheitlich (z. B. Salzlösung) Aussehen uneinheitlich (z. B. Marmor) Verbindung Stoffebene Reinstoff, der aus verschiedenen Elementen besteht und durch chemische Vorgänge in diese zerlegt werden kann. Teilchenebene Verband aus verschiedenartigen Teilchen (Atomen, Ionen) Molekül Moleküle sind Atomverbände, die bei Elementen aus gleichartigen Atomen (z. B. H 2 ), bei Verbindungen aus verschiedenartigen Atomen (z. B. H 2 O) bestehen. Element Stoffebene Reinstoff, der durch chemische Vorgänge nicht weiter zerlegt werden kann Teilchenebene Verband aus Teilchen einer Art *Aggregatzustände: Gas sieden kondensieren sublimieren Flüssigkeit resublimieren schmelzen erstarren Feststoff 2. Teilchenmodell Das Teilchenmodell beschreibt den Aufbau der Stoffe aus kleinsten, kugelförmigen Teilchen: Atome: - kleinste Teilchen von Elementen, die nicht ohne weiteres geteilt werden können - der Raum zwischen den Teilchen ist leer - zwischen den sich ständig in Bewegung befindenden Teilchen existieren Anziehungskräfte Moleküle: sind aus Atomen aufgebaut Ionen: sind geladene Teilchen Bei chemischen Reaktionen werden die Teilchen nur umgruppiert. ( Erhaltung der Masse + Energieerhaltung!)

3 3 3. Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen Verhältnisformel/ Formeleinheit: Art und Anzahlverhältnis der Ionen in Salzen (z. B. NaCl, CaCl 2 ) Molekülformeln: Art und Anzahl der Atome in einem Molekül (z. B. H 2 O, Cl 2 ) Wertigkeit: Anzahl der Wasserstoffatome, die ein Atom in einer Verbindung bindet oder ersetzt nötig zum Erstellen von Summen- und Verhältnisformeln ( Indices!) Regeln: H immer +I, O immer -II (Ausnahme H 2 O 2 ), Die Wertigkeit lässt sich aus dem PSE ablesen Hauptgruppennummer I II III IV V VI VII Wertigkeit Oxidationszahl +I +II +III Sonderfall -III -II -I Beispiel: 3 H 2 + N 2 2 NH 3 + Index: zum Erstellen von Summenund Verhältnisformeln Koeffizient: zum Ausgleichen der Stoffbilanz Edukte (=Ausgangsstoffe) Produkte (=Endstoffe) Reaktionsarten: Synthese : Vereinigung von Stoffen zu einer Verbindung: A + B AB Analyse : Zerlegung einer Verbindung: AB A + B Umsetzung : Kombination aus Analyse und Synthese: AB + C AC + B

4 4 4. Grundlagen chemischer Energetik exoenergetische (exotherme) Reaktion: chemische Reaktion, bei der Energie an die Umgebung abgegeben wird ( E<0). endoenergetische (endotherme) Reaktion: zum Ablauf der Reaktion muss von außen ständig Energie zugeführt werden ( E>0) Katalysator: Er beschleunigt chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden (=Definition), indem er die Aktivierungsenergie herabsetzt (=Wirkungsweise). Innere Energie: gesamte in einem ruhenden Körper gespeicherte Energie Reaktionsenergie: Änderung der inneren Energie Aktivierungsenergie: muss zum Starten der Reaktion aufgewendet werden

5 5 5. Atombau und gekürztes PSE Atom: Der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie Atommasse: Masse eines Atoms; sie wird in der atomaren Masseneinheit 1 u (gesprochen: 1unit) angegeben. Atommodelle: - Dalton: massive, unteilbare, kugelförmige Teilchen (siehe Teilchenmodell) - Rutherford: Streuversuch Kern-Hülle-Modell: Atom besteht aus einem Kern (p +, n) und der Elektronenhülle (e - ) - Energiestufenmodell: Aufbau der Elektronenhülle in Energiestufen (entspricht Schalen) Bausteine eines Atoms: Atombaustein Ladung Masse Atomkern Protonen: p oder p + Neutronen: n +1 keine/ neutral 1 u 1 u Atomhülle Elektronen: e oder e ,0005 u Atomkern enthält fast die gesamte Masse eines Atoms, die Atomhülle nimmt fast das gesamte Volumen eines Atoms ein. Symbolschreibweise: Periodensystem 12 6 C NUKLEONENZAHL = NEUTRONENZAHL + PROTONENZAHL ORDNUNGSZAHL = PROTONENZAHL Im Periodensystem der Elemente (PSE) sind die Atomarten so nach steigender Protonenzahl angeordnet, dass die Atome mit gleicher Anzahl der Außenelektronen (Valenzelektronen) untereinander stehen. Die Gruppennummer gibt die Anzahl der Valenzelektronen der Atome an. Die Periodennummer entspricht der jeweiligen Energiestufe (=Anzahl der Schalen). In einer Periode nimmt der Atomradius von links nach rechts ab. In einer Gruppe steigt der Atomradius von oben nach unten.

6 6 Edelgasregel (Oktettregel) Atome können durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen in ihren Atomhüllen die gleiche Anzahl und Anordnung von Elektronen wie die Edelgasatome und damit einen stabilen Zustand erreichen. Dabei entstehen Ionen, die die Edelgaskonfiguration erreicht haben. Ionen sind geladene Teilchen. Ionisierungsenergie: Energie, die zur Abtrennung eines Elektrons aus einem isolierten Atom aufgewendet werden muss. Dabei entsteht ein Kation. 6. Salze, Metalle und molekular gebaute Stoffe 6.1 Salze - bestehen aus Metallkationen und Nichtmetallanionen Elektroneutralität - Bildung: 2 Na + Cl 2 2 Na + Cl - Metall + Nichtmetall Salz (=Ionenverbindung) DONATOR-AKZEPTOR-PRINZIP: Metall gibt Elektron(en) e - an Nichtmetall ab - Aufbau: Ionengitter hochgeordnete Struktur durch elektrostatische Anziehung: Ionenbindung - Eigenschaften: kristallin, spröde, hohe Schmelz- und Siedetemperatur, gute elektrische Leitfähigkeit in wässriger Lösung oder als Salzschmelze 6.2 Metalle - bestehen aus festem Metallgitter aus Atomrümpfen (Metallkationen) und frei beweglichen Elektronen ( Elektronengas): elektrische Anziehung (=Metallbindung) - Eigenschaften: Metallglanz, hohe Schmelz- und Siedetemperatur, plastisch verformbar, leiten den elektrischen Strom und Wärme - Bildung: ZnI 2 Zn + I 2 (Elektrolyse einer Salzlösung) -unedle Metalle: großes Bestreben zur Elektronenabgabe (Bsp. Zn, Mg,.) -edle Metalle: geringes Bestreben zur Elektronenabgabe (Bsp: Ag, Au, )

7 7 6.3 Molekular gebaute Stoffe - Bildung: Reaktion zweier Nichtmetalle (Bsp. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O) - Bindung: durch gemeinsame Elektronenpaare (Atombindung = Kovalente Bindung = Elektronenpaarbindung) - Mehrfachbindung: Ein Atom ist mit einem anderen Atom durch mehrere Elektronenpaare verbunden. - Möglichkeiten der Oktettbildung: Einfachbindung (F 2 ) Doppelbindung (O 2 ) Dreifachbindung (N 2 ) - Darstellung: Molekülformel, Lewisformel/ Valenzstrichformel (Bsp. H 2 O ) Regeln zur Erstellung von Valenzstrichformeln; 1. Einhaltung der Edelgasregel Das H-Atom muss von 2 Elektronen, die übrigen Atome von 8 Elektronen umgeben sein. Ab der 3. Periode gilt die Oktettregel nicht mehr uneingeschränkt. 2. Beachtung der Bindigkeit: In neutralen Molekülen gelten meist folgende Bindigkeiten: C-Atom: vierbindig O-Atom: zweibindig N-Atom: dreibindig Halogenatome: einbindig Das H-Atom ist immer einbindig. In Molekülionen sind andere Bindigkeiten möglich als in neutralen Molekülen. 3. Übereinstimmung der Zahl der Außenelektronen direkt am Atom mit der Zahl der Valenzelektronen dieses Atoms, bei Nicht-Übereinstimmung erhält das Atom eine Formalladung. Die Ionenladung von Molekülionen ergibt sich aus der Summe der Formalladungen.

8 8 - Nachweisreaktionen: Sauerstoff (Glimmspanprobe) Wasserstoff (Knallgasprobe) Kohlenstoffdioxid (Trübung bei der Reaktion mit Kalkwasser) 7. Sicherheitsgerechte Durchführung einfacher Experimente mit Protokollierung und Auswertung Erstellen eines Versuchsprotokolls Bestandteile: Versuchsthema V (Versuch): Geräte/Materialien (Versuchsskizze) und Durchführung B (Beobachtung): Wahrnehmbare Veränderungen E (Ergebnis/ Erklärung): unter anderem Reaktionsgleichungen oder schriftliche Darstellung

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