Donator - Akzeptor Struktur - Eigenschaften. Gleichgewicht. Donator - Akzeptor Struktur - Eigenschaften. Gleichgewicht

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1 1 1 Naturwissenschaftliches Arbeiten 2 2 Aggregatzustände sieden 3 3 Einteilung der Stoffe: Stoff Stoff Reinstoff Stoffgemisch Reinstoff Bei gleichen Bedingungen (Temperatur, Druck): immer gleiche qualitative und quantitative Eigenschaften (z.b. Farbe, Geruch, Geschmack, Aggregatzustand, Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte) z.b.: Gold, Wasser, Wasserstoff Mischen Trennen Stoffgemisch Keine konstanten Eigenschaften; diese ändern sich mit der Zusammensetzung. z.b.: Salzwasser 4 4 Einteilung der Stoffe: Reinstoff Reinstoff Element Verbindung Atom Element besteht aus nur einer Atomart Molekül Verbindung besteht aus verschiedenen Atomarten in einem festen, für die Verbindung charakteristischen Zahlenverhältnis Wasser H 2 Gold Au Wasserstoff H 2 Sie lässt sich durch eine Analyse in Elemente zerlegen.

2 5 5 Einteilung der Stoffe: Stoffgemisch homogenes Stoffgemisch heterogenes Stoffgemisch homogen nur eine Phase: haben ein einheitliches Aussehen (z.b. Luft) heterogen mindestens zwei Phasen: verschiedene Stoffe erkennbar (z.b. Zigarettenrauch) 6 6 Chemische Reaktionen sind Stoff- und umwandlungen. Chemische Reaktion Auf Teilchenebene sind sie gekennzeichnet durch: Umgruppierung von Atomen Umbau von chemischen Bindungen erfolgreiche Teilchenzusammenstöße 2 H H 2 wird frei 7 7 Synthese: Grundtypen chemischer Reaktionen A + B C z.b.: Wasserstoff Sauerstoff Wasser Analyse: C A + B z.b.: Wasser Wasserstoff Sauerstoff 8 8 Glimmspanprobe Sauerstoff Verbrennung in reinem Sauerstoff ist heftiger als in Luft glimmender Holzspan glüht auf Nachweisreaktionen Knallgasprobe Wasserstoff Wasserstoff in Kontakt mit Sauerstoff explosionsfähig Geräusch (Druckwelle) bei Entzündung Kalkwasserprobe Kohlenstoffdioxid Kohlstoffdioxid bildet in Kalkwasser (Calciumhydroxid-Lösung) schwer lösliches Calciumcarbonat (Kalk) Trübung

3 9 9 Der gesamte vorrat im Inneren eines Systems ist dessen innere E i. [E i ] = 1 kj (alte Einheit: kcal) Innere E i exotherm abgabe bei einer chemischen Reaktion: exotherme Reaktion ( E i < 0). aufnahme bei einer chemischen Reaktion: endotherme Reaktion ( E i > 0). endotherm andere formen, z.b. Wärme, endotherm exotherm System mit der inneren Ei Die Änderung der inneren eines Systems bei chemischen Reaktionen kann durch ein diagramm dargestellt werden. z.b. exotherme Reaktion E i diagramm E 1 Edukte Aktivierungsenergie E A abgegebene ΔE i < 0 E 2 Produkte Reaktionsverlauf Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Aktivierungsenergie herabsetzt die Reaktion beschleunigt und nach der Reaktion unverändert vorliegt. Katalysator Molekül Teilchen, die aus mindestens zwei Nichtmetall-Atomen bestehen, werden als Moleküle bezeichnet. Moleküle von Elementen bestehen aus gleichartigen Atomen (Cl 2, 2, N 2, H 2 ), Moleküle von Verbindungen aus verschiedenartigen Atomen (NH 3, H 2, C 2, CH 4 ). Wasserstoffmolekül Sauerstoffmolekül Wassermolekül Kohlenstoffdioxidmolekül

4 13 13 Salze Kationen und Anionen Atom-Ionen und Molekül-Ionen. Salz Kationen NaCl Na + Cl - NH 4Cl NH 4 + Ca(N 3) 2 Anionen Cl - Ca 2+ N 3 - N 3 - Salze: Verbindungen aus Ionen Kationen: positiv geladene Ionen Anionen: negativ geladene Ionen Atom-Ionen z.b.: Na +, Ca 2+, Cl - Molekül-Ionen z.b.: NH 4 +, S 4 2-, N Verhältnisformel Die Verhältnisformel gibt das Zahlenverhältnis der Ionen in einem Salz (Metall-Nichtmetall- Verbindung) an. NaCl CaF 2 Molekülformel Die Molekülformel gibt an, aus wie vielen Atomen jeweils ein Molekül (Nichtmetall- Nichtmetall-Verbindung) besteht. H 2 2 (Wasserstoffperoxidmolekül) C 4 H 10 (Butanmolekül) Atommodelle Modell nach Dalton stufenmodell rbitalmodell (ab / ) Masse C-Atom 12u H-Atom 1u n=3 n=2 n=1 Daltonsche Atommodell Atom als kompakte Kugel (z.b.: C-Atom, H-Atom). stufenmodell oder Quantenmodell beschreibt den Aufbau der Atomhülle Elektronen auf stufen eine stufe kann von maximal 2n 2 Elektronen besetzt werden rbital: Raum um den Atomkern, in welchem ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist. rbitalmodell: beschreibt die Atombindung: jedes rbital fasst maximal zwei Elektronen Atombindung kommt durch Überlappung zweier rbitale zustande (z.b. Wasser-Molekül) Atom A X Z (Lithium) 3 p +, 4 n, 3 e - Nukleonenzahl A: A=7 Rel. Atommasse m A: 7 u rdnungs-, Elektronen-, Protonen-, Kernladungszahl: Z= 3 Atomhülle: Elektronen e - Atomkern: Neutronen n und Protonen p + Protonenzahl Z (rdnungszahl) definiert die Atomart. Nukleonenzahl A (Massenzahl) A = Z + N

5 17 17 Edelgasregel (ktettregel) Entstehung von Ionen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen Ausbildung einer Atombindung durch gemeinsames Nutzen von Elektronen Na Na + + 1e - E Edelgaskonfiguration: Atome erreichen in ihrer höchsten stufe die gleiche Anzahl an Valenzelektronen wie die Edelgas-Atome. Edelgasatome haben acht Valenzelektronen. (Ausnahme: Edelgasatom Helium: 2 Valenzelektronen) E Chemische Bindung Ionenbindung Metallbindung Atombindung Jede chemische Bindung beruht auf der Wechselwirkung (Anziehungs- und Abstoßungskräfte) zwischen positiven und negativen Ladungen. positive Teilchen negative Teilchen Ionenbindung Metallbindung Atombindung Kationen Atomrümpfe Atomkerne Anionen Elektronen(gas) Bindungselektronen Atombindung Eine Atombindung kommt durch die Überlappung von Atomorbitalen zustande. Einfachbindungen und Dreifachbindungen erlauben eine Drehung der Molekülteile gegeneinander. Doppelbindungen lassen keine freie Drehung zu. Einfachbindung Mehrfachbindung Einfachbindung Doppelbindung Dreifachbindung z.b.: C C C = C C C Valenzstrichformeln enthalten Striche zur Symbolisierung bindender und nicht bindender Elektronenpaare. Die Valenzstrichformel erlaubt die Andeutung von Bindungswinkeln. Es gilt stets die Edelgasregel. Valenzstrichformel (Strukturformel) Beispiel Wassermolekül (-Atom: ktett, Hülle des Neonatoms, H-Atom: Duplett, Hülle des Heliumatoms) H H Beispiel Kohlenstoffdioxidmolekül (C-Atom: ktett, Hülle des Neonatoms -Atom: ktett, Hülle des Neonatoms) C

6 21 21 Teilchenmasse (Atom-, Molekül-, Ionenmasse) Die Masse eines Teilchens (Atom, Molekül, Ion) kann in der Einheit Gramm g oder in der atomaren Masseneinheit u angegeben werden. Ein u ist definiert als der 12. Teil der Masse eines Kohlenstoffatoms 12 C. 1u = 1, g 1g = 6, u Angabe der Quantität einer Stoffportion durch: Masse m, Volumen V, Teilchenanzahl N, Stoffmenge n Stoffmenge n [n] = 1 mol V (H 2) = 1 l m (H 2) = 1000g Wasser (4 o C) n (H 2) = 55,5 mol N (H 2) = 3,34*10 25 (Teilchen) Die Stoffmenge n ist der Teilchenanzahl N proportional. 1 Mol ist die Stoffmenge einer Stoffportion, die aus ebenso vielen Teilchen (Atomen, Molekülen, Ionen) besteht, wie Atome in 12 g des Kohlenstoffatoms 12 C enthalten sind. 1 mol entspricht 6, Teilchen Zusammenhang zwischen Quantitäts- und Umrechnungsgrößen m n = n Stoffmenge [mol] M m Masse [g] V n = m A Atomare Masse Vm M Molare Masse [ g / mol ] N V Volumen [l] n = N A V m Molares Volumen (Gase: 22,4 l / mol ) n = c V N Teilchenanzahl m N A Avogadrokonstante (6, mol -1 ) N = m c Konzentration [ mol / l ] A Elektronegativität EN Elektronegativität Eigenschaft der Atome, Bindungselektronen anzuziehen Die Atombindung ist umso polarer, je größer die Elektronegativitätsdifferenz EN ist. Die EN hängt von der Kernladung und der Größe der Atome ab:

7 25 25 Intermolekulare Wechselwirkungen Van der Waals WW Dipol-Dipol-WW Wasserstoffbrücken van der Waals WW Anziehungskräfte zwischen spontanen und induzierten Dipolen steigen mit zunehmender Kontaktfläche und Molekülmasse wirken zwischen allen Molekülen (auch unpolaren) Dipol-Dipol-WW WW zwischen permanenten Dipol-Molekülen (z.b. HCl) Wasserstoffbrücken sind bei geringer Molekülgröße die stärksten WW kommen bei Wasserstoffverbindungen des Stickstoffs, des Sauerstoffs und des Fluors vor (NH 3, H 2, HF) Säure: Protonendonator Säure - saure Lösung neutrale Lösung Base basische / alkalische Lösung Saure Lösungen enthalten mehr xonium- als Hydroxidionen: n (H 3 + ) > n (H - ) Neutrale Lösungen enthalten gleich viel Teilchen beider Ionensorten: n (H 3 + ) = n (H - ) Base: Protonenakzeptor Alkalische Lösungen enthalten mehr Hydroxid- als xoniumionen: n (H 3 + ) < n (H - ) Wichtige Säuren Säure Säure-Anion Salzsäure HCl Chlorid Cl - in Urinsteinentferner Salpetersäure HN 3 Nitrat - N 3 in Dünger Schwefelsäure H 2 S 4 Sulfat 2- S 4 in Autobatterien; im sauren Regen Kohlensäure H 2 C 3 Carbonat 2- C 3 in Erfrischungsgetränken Phosphorsäure H 3 P 4 Phosphat 3- P 4 in geringen Mengen in Cola enthalten Wichtige Basen Natriumhydroxid NaH in Rohrreiniger, Laugengebäck Kaliumhydroxid KH zum Abbeizen Calciumhydroxid Ca(H) 2 C 2 -Nachweis, Kalkmörtel Lsg.: Natronlauge Lsg.: Kalilauge Lsg.: Kalkwasser

8 29 29 Protonenübergang von xonium-ionen auf Hydroxid-Ionen unter Wasserbildung: Neutralisation H H - 2 H 2 Bei der Reaktion äquivalenter Mengen einer starken Säure mit einer starken Base bildet sich eine neutrale Lösung (ph=7). Säure + Base Wasser + Salz z.b. HCl + NaH H 2 + NaCl Quantitatives Verfahren zur Säure-Base-Titration Bestimmung einer unbekannten Konzentration eines gelösten Stoffes (z.b. Säure) durch schrittweise Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration (Titer-Lösung, z.b. Lauge) bis zum Äquivalenzpunkt ÄP (zu erkennen an der Änderung der Indikatorfarbe). Am ÄP gilt für die Titration von Säuren und Basen: n (Säure) = n (Base) n = c V Ein Maß für die xoniumionen-konzentration ist der ph-wert: ph = - lg {c(h 3 + )} ph-wert ph-skala; Färbung mit Universalindikatorlösung: Salzsäure, c=1mol/l Cola destilliertes Wasser Natronlauge, c= 1 mol/l xidation: Abgabe von Elektronen (xidationszahl steigt) Reduktion: Aufnahme von Elektronen (xidationszahl sinkt) xidation und Reduktion xidationsmittel: nimmt Elektronen auf und wird dabei selbst reduziert Reduktionsmittel: gibt Elektronen ab und wird dabei selbst oxidiert

9 33 33 Elektrolyse Batterie (galvanisches Element) Elektrolyse: Redox-Reaktion wird durch Zufuhr von elektrischer erzwungen Galvanisches Element: Redox-Reaktion setzt elektrische frei Elektrolyse Galvanisches Element ZnI 2 Zn + I 2 E i >0 Zn + I 2 ZnI 2 E i <0 erzwungen freiwillig Fast alle chemischen Reaktionen können als Donator- Akzeptor-Reaktionen beschrieben werden. Donator-Akzeptor-Reaktion Protolyse-Reaktion Redox-Reaktion Protolyse-Reaktion: Protonen werden übertragen Redox-Reaktion: Elektronen werden übertragen Donator Akzeptor Protolyse-Reaktion Säure Base Redox-Reaktion Reduktionsmittel xidationsmittel Die funktionellen Gruppen bestimmen das Reaktionsverhalten der organischen Verbindungen. Alkohole Carbonyle H Funktionelle Gruppen Hydroxygruppe C Carbonylgruppe funktionelle Gruppen Carbonsäuren Amine H C H N H Carboxygruppe Aminogruppe Isomerie gleiche Summenformel, aber verschiedene Verbindungen Isomerie Konstitutionsisomerie unterschiedliche Verknüpfung der Atome z.b.: Stereoisomerie Unterschiedliche Anordnung der Atome im Raum z.b.: Butan 2-Methylpropan E-/Z-Isomerie an Doppelbindungen

10 37 37 Elektrophil - Nukleophil (Donator-Akzeptor-Prinzip) Das Prinzip der Donator-Akzeptor-Reaktionen kann auf Elektronenpaare angewendet werden. Nukleophile Teilchen mit freien Elektronenpaaren reagieren stets mit elektrophilen Teilchen, welche zusätzliche Bindungen ausbilden können. rganische Reaktionsmechanismen werden oft nach dem kleineren Teilchen benannt, z.b. elektrophile Addition. Die Begriffe Nukleophil und Elektrophil gehören aber zusammen wie z.b. Säure und Base rganische Verbindungen mit Einfachbindungen (Alkane, Alkohole, Halogenalkane) haben die Tendenz zu Substitutionsreaktionen: rganische Reaktionstypen I I I I I H - C C - H + Br 2 H - C C - Br + HBr I I I I rganische Verbindungen mit Mehrfachbindungen (Alkene, Carbonyle) gehen tendenziell Additionsreaktionen ein: l l l l C = C + Br 2 - C C - l l l l Br Br rganische Reaktionstypen II Kondensationsreaktion: zwei Moleküle verbinden sich miteinander unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z.b. H 2 ) Hydrolyse: Spaltung einer Verbindung durch Reaktion mit Wasser Kondensation Hydrolyse Carbonsäure + Alkohol Ester + Wasser Biomoleküle: Monosaccharide sind entweder Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone z.b.: Kohlenhydrate I Traubenzucker (Glucose) Fruchtzucker (Fructose)

11 41 41 Disaccharide und Polysaccharide Biomoleküle: Kohlenhydrate II Monosaccharide werden durch glycosidische Bindungen zu Disacchariden oder Polysacchariden verknüpft. Disaccharide (z.b. Maltose, Saccharose) Polysaccharide (z.b. Stärke, Cellulose, Glykogen) Saccharose Cellulose Biomoleküle: Aminosäuren (2-Aminocarbonsäuren) Amino- Gruppe Rest Carboxyo- Gruppe Proteine Proteine Aminosäuren durch Peptidbindungen zu Ketten verknüpft Peptidgruppe Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren Biomoleküle: Fette Veresterung Hydrolyse Glycerin Fettsäuren Fett Wasser 44 44

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13 Alkohole H Hydroxygruppe Carbonyle C Carbonylgruppe funktionelle Gruppen Carbonsäuren C H Carboxygruppe Amine H N H Aminogruppe E i E i E 1 Edukte Aktivierungsenergie E A abgegebene ΔE i < 0 E 1 Edukte Aktivierungsenergie E A ohne Katalysator mit Katalysator abgegebene ΔE i < 0 E 2 Produkte E 2 Produkte Reaktionsverlauf Reaktionsverlauf