Vorkurs Chemie 17. Oktober 2016 Dr. Helmut Sitzmann, Apl.-Professor für Anorganische Chemie. Prof. Dr. Helmut Sitzmann

Transkript

1 Vorkurs Chemie 17. Oktober 2016 Dr. Helmut Sitzmann, Apl.-Professor für Anorganische Chemie Prof. Dr. Helmut Sitzmann

2 Vorkurs Chemie 19. Oktober 2015 Fünf Tage Fünf Themen Atombau und Periodensystem Chemische Bindung Formelschreibweise und chemische Reaktionen Chemisches Gleichgewicht Elektrochemie Abbildungen gemeinfrei: wikimedia, Ben Mills

3 atomos - unteilbar Demokrit v. Chr. Schüler des Leukipp von Milet Griechischer Philosoph Atomistisches Prinzip: Alles ist aus kleinsten Einheiten zusammengesetzt, die nicht weiter unterteilt werden können. Abbildung: Wikimedia, Public Domain

4 Atomhypothese John Dalton Bestimmung von Massenverhältnissen chemischer Elemente in chemischen Verbindungen Konstante und multiple Proportionen einfach erklärt: Elemente können sich in unterschiedlichen Verhältnissen miteinander verbinden. Zwischen diesen Verhältnissen besteht ein einfacher Zusammenhang. Beispiel: N 2 O, NO, N 2 O 3, NO 2, N 2 O Atomhypothese Abbildung: Ausschnitt aus einem Gemälde von B. R. Faulkner, Public Domain

5 Verbindung John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen Prozentanteil Ammoniak N H Wasser O H Stickoxid I, Lachgas N O Stickoxid II O N Stickoxid III O N Stickoxid IV O N Stickoxid V O N

6 John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen Verbindung Ammoniak N H Wasser O H Stickoxid I, Lachgas N O Stickoxid II O N Stickoxid III O N Stickoxid IV O N Stickoxid V O N Prozentanteil Massenverhältnis Zahlenwert Bemerkung N/H g Stickstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/H g Sauerstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/N Das stickstoffreichste Stickoxid O/N x = O/N g / g = 3 x = O/N x = O/N x = L

7 John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen Joseph Louis Gay-Lussac ( ) + Wasserstoff + Stickstoff Ammoniak + Wasserstoff + Sauerstoff Wasserdampf + Wasserstoff + Chlor Chlorwasserstoff Verbindung Ammoniak NH 3 N H Wasser H 2 O O H Lachgas N 2 O N O Stickstoffmonoxid NO O N Distickstofftrioxid N 2 O 3 O N Stickstoffdioxid NO 2 O N Distickstoffpentoxid O N 2 O 5 N Prozentanteil Massenverhältnis Zahlenwert Bemerkung N/H g Stickstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/H g Sauerstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/N Das stickstoffreichste Stickoxid O/N x = O/N g / g = 3 x = O/N x = O/N x = Abbildung: Wikimedia, Public Domain

8 John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen Joseph Louis Gay-Lussac ( ) Verbindung Ammoniak NH 3 N H Wasser H 2 O O H Lachgas N 2 O N O Stickstoffmonoxid NO O N Distickstofftrioxid N 2 O 3 O N Stickstoffdioxid NO 2 O N Distickstoffpentoxid O N 2 O 5 N Prozentanteil Massenverhältnis Zahlenwert Bemerkung N/H g Stickstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/H g Sauerstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/N Das stickstoffreichste Stickoxid O/N x = O/N g / g = 3 x = O/N x = O/N x = Lorenzo Romano Amadeo Carlo Avogadro ( ): Molekül Hypothese 1811 Abbildung zu L. R. A. C. Avogadro: Wikimedia, Public Domain

9 Entdeckung des Elektrons J. J. Thomson entdeckte 1897 in der Kathodenstrahlröhre das Elektron und erhielt 1906 den Nobelpreis Abbildungen: J. J. Thomson: Wikimedia, Public Domain; Kathodenstrahlröhre: Science Museum London, Creative Commons License

10 Entdeckung des Neutrons James Chadwick entdeckte 1932 das Neutron Nobelpreis 1935 Foto: Public domain; Grafik: NASA, gemeinfrei (Neutronenstern mit rotem Riesen, fiktiv)

11 Bestandteile des Atoms Elementarteilchen als Bestandteile der Atome elektrische Ladung Proton p x10-24 g x10-19 C 1 Neutron N x10-24 g Elektron e x10-27 g x10-19 C -1 Proton Elektron Neutron Name Symbol Ruhemasse Atommasseneinheiten Elementarladungen Ich bin positiv Ich bin negativ Mir ist das egal Smileys: Pixabay (freie Nutzung ohne Bildnachweis)

12 Das Atom Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Er enthält fast die gesamte Atommasse, (ca. 99.8%) Der Kernradius ist 10-5 bis 10-4 Atomradius Daraus resultiert eine Kerndichte von ca x g/cm 3 (Fe) Jean Baptiste Dumas ( ) bestimmte sehr genau die Atommasse von 22 Elementen Zahl der Protonen im Kern: Zahl der Kernteilchen (Nucleonen): Zwei Protonen im Kern, Ordnungszahl 2: Vier Kernteilchen, Massenzahl 4, Symbol: Ordnungszahl Massenzahl Helium 4 He Zeichnung: Public Domain; Foto Dumas: Public Domain, Grafik zum Atomdurchmesser: Cweiske; GNU license, darf frei verwendet werden

13 Das Atom Ernest Rutherford ( ) erkannte, dass Atome einen unerhört dichten Kern enthalten und ansonsten aus leerem Raum bestehen. Nucleonen Zahl der Kernteilchen (Nucleonen): Zahl der Protonen im Kern: Massenzahl Ordnungszahl Beispiel oben: Zwei Protonen im Kern, Ordnungszahl 2: Helium Vier Kernteilchen, Massenzahl 4, Symbol 4 He Man kennt auch Heliumkerne, die nur ein Neutron enthalten: 3 He 4 He und 3 He sind Isotope 3 He und 3 H sind Isobare 1 1 H 2 1H 3 1H Isotope Ar K 20 Ca Isobare Geldscheinfoto: Bank of New Zealand, Public Domain, Grafik: Public Domain; Zeichnung: darf nur ohne Nennung des Urhebers weiterverwendet werden

14

15 Elektronenverteilung in einem Chlorwasserstoff-Molekül Erwin Schrödinger ( ) beschrieb Elektronen als Welle. Weil sich chemische Phänomene in der Elektronenhülle der Atome abspielen, müssen wir uns näher mit der Struktur der Elektronenschalen befassen. Grafik: urheberrechtlich geschützt Foto von Erwin Schrödinger aus dem Jahr der Verleihung des Nobelpreises 1933: Public Domain

16 Das Spektrum des Wasserstoffatoms Diskrete Energieniveaus Scharfe Spektrallinien Energieaufnahme: Lichtabsorption Energieabgabe: Lichtemission Abbildung eines Spektrums bitte selbst aufrufen, z. B. hier:

17 Periodensystem der Elemente

18 Elektronegativität Fähigkeit eines Atoms - Eigene Elektronen festzuhalten und - Elektronen anderer Atome anzuziehen

19 Erste Ionisierungsenergie der Elemente der Ordnungszahlen Auf der senkrechten Achse ist die Energie in Elektronenvolt aufgetragen, die zur Entfernung eines Elektrons aus einem neutralen Atom benötigt wird. Die Balken im Diagramm entsprechen den Elementen mit den Ordnungszahlen 1 (Wasserstoff) bis 103 (Lawrencium). Ein hoher Energiebetrag wird dann benötigt, wenn das betreffende Element über eine sehr stabile Elektronenschale verfügt.

20 Die Strukturierung der Elektronenhülle der Atome

21 Schalenstruktur der Atome Die innerste Elektronenschale bietet Platz für zwei Elektronen. Weiter außen gelegene Schalen können mehr Elektronen aufnehmen. Die Kapazität der n. Schale für Elektronen beträgt 2n 2. Die Schalen sind in Unterschalen gegliedert, welche mit den Buchstaben s, p, d und f bezeichnet werden. Diese Bezeichnungen stammen aus der Spektroskopie, wo die entsprechenden Absorptionsbanden als sharp, principal, diffuse oder fundamental bezeichnet wurden.