1.1 Chemie in Karlsruhe - Karl Weltzien & Lothar Meyer, Karlsruher Kongress ( ) Periodensystem der Elemente

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1 Chemie Vorkurs Allgemeine Grundlagen 1.1 Chemie in Karlsruhe - Karl Weltzien & Lothar Meyer, Karlsruher Kongress ( ) Periodensystem der Elemente - Fritz Haber, Nobelpreis 1918 Ammoniaksynthese - Hermann Staudinger, Nobelpreis 1953 Begründer der makromolekularen Chemie - Rudolf Criegee Mechanismus der Ozonolyse, Criegee-Intermediat; Criegee-Hörsaal am KIT - Carl Engler / Hans Bunte Erdölchemie/Gaschemie ; Engler-Bunte-Institut (EBI) am KIT 1.2 Grundbegriffe a) Vorsätze für Maßeinheiten Buchstabe Name Zahlenwert Bsp. m Milli 10-3 Menschliches Haar, Papierblattdicke µ Mikro 10-6 Durchmesser Bakterien n Nano 10-9 Wellenlänge des sichtbaren Lichts ( nm) p Piko Atomradius ca. 100 pm = 1 Å (Angström) f Femto Femtosekundenlaser, Atomkern ca. 1 fm a Atto Kürzester Laserpuls ca. 100 fs wichtig für Zeitauflösung b) Einteilung der Materie reine Stoffe Stoffgemische Element oder chem. Verbindung mehrere chem. Verbindungen oder Elemente homogen homogen heterogen

2 Ein Element besteht aus den gleichen Atomen/ Atomsorte Eine chemische Verbindung besteht aus unterschiedlichen Atomen/ Atomsorten Homogene Stoffgemische bestehen aus mehreren reinen Stoffen (Gemisch), welches zu einem einheitlichen (=homogenen) Bereich führt, in dem die bestimmenden physikalischen Parameter und die chemische Zusammensetzung der Materie gleich sind (=Phase) gasförmig Gasgemisch (z.b. Luft) fest Legierung (z.b. Messing) flüssig Lösung (z.b. Salzlösung) Heterogene Stoffgemische bestehen aus mehreren Phasen. gasförmig/flüssig Aerosol (Nebel) gasförmig/fest Aerosol (z.b. Rauch) flüssig/fest Suspension (z.b. Schlamm) flüssig/flüssig Emulsion (z.b. Milch) fest/fest Gemenge (z.b. Salz + Sand) c) (klassische) Aggregatzustände fest resublimieren sublimieren gasförmig flüssig Abkürzungen: fest: f oder s flüssig: fl oder l gasförmig: g oder v ACHTUNG: aq bedeutet in Wasser gelöst, kein Aggregatzustand!

3 d) Kenngrößen/Begriffe Summenformel: z.b. CH 4, Al 2 O 3 ( Angabe der Atomverhältnisse ) Strukturformel/Valenzstrichformel/Lewisformel*: (*genaugenommen kleine Unterschiede zwischen diesen Bezeichnungen) Beispiel: Atommasse (m): Masse eines einzelnen Atoms Einheit: kg, g oder u 1 u = 1, kg Ablesbar aus dem Periodensystem der Elemente (PSE) Bsp: Masse eines H-Atoms: m H = 1 u Masse eines C-Atoms: m C = 12 u Masse eines N-Atoms: m N = 14 u Masse eines O-Atoms: m O = 16 u Molekülmasse (m): Masse eines einzelnen Moleküls. Ergibt sich aus der Summe über die Masse aller Atome in einem Molekül. Einheit: kg, g oder u Bsp.: CH 4 m CH4 = 1 m C + 4 m H = 1 12 u u = 16 u Molekülmassen z.t. bestimmbar durch Massenspektrometrie Teilchenzahl (N): Anzahl der Teilchen/Objekte/Atome Einheit: - 6, Teilchen nennt man ein Mol ( SI-Einheit: mol) 6, Teilchen = 1 mol (Teilchen) Anm.: Teilchen wird normalerweise nicht hingeschrieben. Naturkonstante: N A = 6, Stoffmenge (n): Anzahl der Teilchen (= N) in der Einheit mol angegeben: Bsp.: 1, Eisenatome = Eisenatome 2

4 Molmasse (M): Masse eines Mols einer Verbindung/Atoms bzw. als Frage formuliert: Wie viel wiegt 1 mol, d.h Teilchen, einer Verbindung/Atoms? Einheit: g/mol! " # $%&.! Masse und Stoffmenge lassen sich mit Hilfe Im PSE tabelliert des PSE jederzeit ineinander umrechnen!!! Beispiel: Wasserstoffatom m H = 1 u = 1 1, kg = 1 1, g Wasserstoffatome wiegen 1 1, g M H =,)* + ",- da 0, , =1, gilt: Beispiel Wasser (H 2 O): + = 1,) + ", ",- 1 + ",- ",- (Anm.: bedeutet entspricht) M H2 O = 2 1 g/mol + 16 g/mol = 18 g/mol (Stoffmengen)Konzentration (c): Stoffmenge eines Stoffes in einem bestimmten Volumen V Einheit: mol/l 6= # 7 Hinweis: 1000 L = 1 m³ ; 1 L = dm³ ; 1 ml = 1 cm³ (Massen)Dichte (ρ): Masse eines Stoffes in einem bestimmten Volumen Einheit: g/cm³ 8= " 7 Massenanteil/Massenbruch (ω): Anteil der Masse eines Stoffes j mit der Masse m j an der Gesamtmasse m. Einheit: - 9 : = : = : < < Beispiel CH 4, Massenanteil Wasserstoffatome:

5 9 = > 0,25=25 % Massenprozent Stoffmengenanteil/Molenbruch (x): Anteil der Stoffmenge eines Stoffes j mit der Stoffmenge n j an der Gesamtstoffmenge n i Analog z.b. Volumenprozent e) ideales Gasgesetz p: Druck in Pascal (10 5 Pa = 1 bar) V: Volumen in m³ n: Stoffmenge in mol C : = : = : < < Bsp.: Stoffgemisch aus 1 mol Ethanol und 3 mol Wasser 2 ",- C = D = = 2 =0,75=75 % ",-@2",- > E F= G H I R: allgemeine Gaskonstante: R = 8,314 = k B N ",- J A ; k B = 1, J/K (Boltzmann-Konstante) T: Temperatur in K (273 K = 0 C) 1.3 Atombau Elemente bestehen aus einer Sorte Atomen, welche in einer chemischen Reaktion weder vernichtet noch erzeugt werden können (radioaktive Prozesse ausgenommen) Atome bestehen aus: Protonen (p + ): einfach negativ geladen, m Proton = 1, u Neutronen (n 0 ): keine Ladung, m Neutron = 1, u Elektronen (e - ): einfach negativ geladen, m Elektron = 5, u Atomkern Elektronenhülle e - Elektronenhülle p + n n p e - Atomkern

6 Aufgrund des Aufbaus folgt: Masse des Atoms fast ausschließlich im Atomkern Atomkern ist positiv geladen Größe des Atoms wird durch die Elektronenhülle Elektronenhülle ist negativ Die Chemie wird vorwiegend durch die Elektronenhülle bestimmt Atome sind elektrisch neutral, d.h. Protonenzahl = Elektronenzahl Geladene Atome sind Ionen, positive heißen Kationen ( e - fehlen ), negative heißen Anionen ( e - Überschuss ). Für Ionen gilt: Protonenzahl = Elektronenzahl + Ladung Die vollständige Angabe zu einem Atom erfolgt über das Elementsymbol: Massenzahl = Protonenzahl + Neutronenzahl Ordnungszahl = Protonenzahl VTRRW#STU- DPQ#?#+RSTU-K LLMNO$ Bsp.: 2 X Massenzahl = 13; Ordnungszahl = 6 = Protonenzahl = Elektronenzahl; Neutronenzahl = Massenzahl Protonenzahl = 13-6 = 7 Isotope: Atome gleicher Ordnungszahl jedoch mit unterschiedlicher Massenzahl 2 Bsp.: X X 1.4 Periodensystem (PSE) Anordnung der Atome nach Ordnungszahl in Tabelle Eine Spalte nennt man Gruppe, eine Zeile eine Periode Stoffe ähnlicher Eigenschaften stehen in der Regel untereinander, d.h. in der gleichen Gruppe Insgesamt gibt es 18 Gruppen: 1.: Alkalimetalle, 2.: Erdalkalimetalle,, 17.: Halogene, 18.: Edelgase Verhalten der Atomradien/-größen im PSE: : von links nach rechts im PSE; : von oben nach unten

7 PSE-Richtung Tendenz Ursache wird größer Zusätzliche Schalen/räumliche Ausdehnung wird kleiner Höhere effektive Anziehung zwischen dem Kern und den einzelnen Elektronen (ein Elektron spürt mehr positive Ladung) Bsp.: Lithium ist kleiner als Kalium; Lithium ist größer als Fluor Elektronegativität (EN) Maß für die Fähigkeit eines Atoms in einer chemischen Bindung die Bindungselektronen an sich zu ziehen; Skala von Linus Pauling (Nobelpreis 1954): Fluor erhält den Wert 4,0 und ist das elektronegativste Element. PSE-Richtung Tendenz Ursache wird kleiner Zusätzliche Schalen/räumliche Ausdehnung wird größer Höhere effektive Anziehung zwischen dem Kern und den einzelnen Elektronen (ein Elektron spürt mehr positive Ladung) Detailaufbau des Periodensystems beruht auf dem Orbitalmodell (siehe nächstes Kapitel)