Skript zum Repetitorium der Chemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 1 von 199

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2 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 2 von 199 Vorwort Dieses Skript wurde erstellt um Schülerinnen und Schülern der Jahrgangstufe 13 die Vorbereitung auf das Abitur zu erleichtern. Es wurde in Zusammenarbeit mit errn Dr. rer. nat. Klaus Loosen erarbeitet. An dieser Stelle möchte ich mich auch herzlich bei Moritz Küpper für das Korrekturlesen bedanken. Neben dem Skript gibt es im Internet die Möglichkeit in einer Reihe von fachbezogenen Foren Probleme und Aufgabenstellungen zu diskutieren und Kontakt zu studierenden des Faches hemie aufzunehmen. Die Foren stehen Ihnen unter zur Verfügung. Falls Sie Fragen oder Verbesserungsvorschläge bezüglich des Skriptes haben können Sie sich telefonisch oder per an Michael Müller wenden: Michael Müller michael.mueller@rwth-aachen.de Mönchengladbach Nesselrodestraße 145 Tel.: Mobil.: Fax: Impressum: Titel: Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Autor: Michael Müller opyright: Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Skriptes darf ohne schriftliche Genehmigung von hempage.de in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen werden. werden. Printed by hempage.de bei Fragen zu dem Skript wenden Sie sich bitte an: michael.mueller@rwth-aachen.de Das vorliegende Skript wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernimmt der Autor für die Richtigkeit von Angaben, inweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine aftung. Das Skript ist auch als Druckversion erhältlich. Es enthält alle Aufgabenblätter und Texte, welche auch im Internet verfügbar sind. Das Skript ist als Ringheftung erhältlich. Das Skript kann für 20 unter: service@chempage.de bestellt werden. Bitte geben Sie in der Betreffzeile den Vermerk: Skript-Bestellung: Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 - an. Vergessen Sie nicht Ihre Adresse anzugeben.

3 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 3 von 199 Inhaltsverzeichnis Seite I Anorganische und Allgemeine hemie Aufbau der Materie Aggregatzustände Aufbau der Atome Rutherford sches Experiment Milikan-Experiment Atomspektren Radioaktivität Sag mir wie alt du bist 14 - Radiocarbonanalyse Die chemische Bindung und Oktettregel Orbitalmodell VSEPR-Modell Grundlagen der hemie und Gesetzmäßigkeiten Aufbau des Periodensystems und Periodizität Aktivierungsenergie Gesetz von der Erhaltung der Masse Gesetz von den konstanten Massenverhältnissen Gesetz von Gay-Lussac Ideales Gasgesetz Molbegriff Berechnen von Stoffmengen und o Stoffeigenschaften und Reaktivität Physikalische Eigenschaften Reaktionswärme Enthalpie Gibbs-elmholtz-Gleichung und Entropie Redox-Reaktionen Definition des Redoxbegriffs Oxidationszahlen Schema zum Aufstellen von Redox-Gleichungen Das chemische Gleichgewicht Gesetz von Avogadro Massenwirkungsgesetz Temperaturabhängigkeit chemischer Gleichgewichte Druckabhängigkeit chemischer Gleichgewichte Konzentrationsabhängigkeit chemischer Gleichgewichte Reaktionsgeschwindigkeit Einfluss von Katalysatoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit Anwendungsbeispiel: aber-bosch-verfahren Elektrochemie Entstehung von Potentialdifferenzen und galvanische Zellen Standard-Wasserstoff-Zelle Nernst sche Gleichung Elektrolyse Das Leclanché-Element Der Bleiakkumulator Brennstoffzelle Korrosion von Metallen Korrosionsschutz 67

4 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 4 von Säuren und Basen Wasser und seine Besonderheiten Löslichkeit Säuren und Basen Titration Indikatoren Funktionsweise eines p-meters Puffergemische Formelsammlung: Säuren und Basen 84 II Organische hemie Grundlagen Qualitative Organische Analyse Quantitative Organische Analyse Isomerie und Nomenklatur Reaktionsmechanismen Übersicht Reaktionen von Alkanen Oxidation von Alkanen Radikalische Kettenreaktion Reaktionen von alogenalkanen Bimolekulare nucleophile Substitution Monomolekulare nucleophile Substitution Unimolekulare Eliminierung Bimolekulare Eliminierung Reaktionen von Alkoholen Reaktionen von Alkenen Darstellung Elektrophile Addition Exkurs: Ozonolyse Radikalische Addition Diels-Alder-Reaktion Reaktionen von Aromaten Elektrophile aromatische Substitution Veresterung 2.8 Verseifung Friedel-rafts-Alkylierung Stoffgruppen Alkane Alkohole arbonsäuren Fette und Öle Kohlenhydrate hiralität Eigenschaften der Kohlenhydrate Polarimetrie Von der Fischer- zur aworth-projektion Nachweise: ole-, Fehling- und Tollens-Probe 5.0 Kunststoffe

5 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 5 von 199 III Biochemie Einleitung: Die hemie im menschlichen Körper Aminosäuren und Proteine 1.1 Eigenschaften der Aminosäuren 1.2 Struktur von Proteinen Oder: Was Aminosäuren mit Legobausteinen gemeinsam haben? 1.3 Biuret-Nachweis 1.4 Xanthoprotein-Nachweis Enzyme DNA und Nucleinsäuren Proteinbiosynthese 157 V Anhang: Übungsklausuren 158 VI Anhang: Sicherheit 1.0 Sicheres Arbeiten im Labor 2.0 Gefahrensymbole 3.0 R- und S-Sätze 4.0 hemikalienliste 5.0 Erste ilfe im Labor VII Anhang 1.0 Periodensystem der Elemente 2.0 Naturkonstanten 3.0 Umrechnungsfaktoren bei Einheiten 4.0 Standardreduktionspotentiale 5.0 Übersicht: Stoffgruppen 6.0 Formelsammlung 7.0 Spektrum der elektromagnetischen Strahlung VIII Glossar 190 IX Stichwortverzeichnis 194 X Bildquellennachweis 198 XI Literatur 199

6 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 6 von 199 I Anorganische und Allgemeine hemie 1.0 Aufbau der Materie 1.1 Aggregatzustände Substanzen können in drei verschiedenen Aggregatzuständen auftreten: fest, flüssig und gasförmig. Dabei bestimmen die jeweiligen herrschenden äußeren Bedingungen, welchen Aggregatzustand eine Substanz gerade einnimmt. Zu den bestimmenden äußeren Bedingungen zählen der Druck und die Temperatur. So tritt Wasser beispielsweise bei einem Druck von 1013 hpa und einer Temperatur von 20 als Flüssigkeit auf, bei 0 ist es fest und bei 100 ist es gasförmig. Der Aggregatzustand einer Substanz ergibt sich im Wesentlichen aus den Wechselwirkungen zweier Kräfte, die auf seine kleinsten Teilchen wirken. a) Jedes Teilchen übt auf alle anderen Teilchen in seiner Umgebung eine Anziehungskraft aus. Diese Anziehungskraft ist groß bei geringen Abständen der Teilchen, und nimmt mit zunehmender Distanz zwischen den Teilchen ab. b) Des Weiteren weisen die kleinsten Teilchen einer Substanz eine Eigenbewegung auf. Aus der Masse eines Teilchens und seiner Geschwindigkeit lässt sich seine Bewegungsenergie, oder auch kinetische Energie genannt, ermitteln. Bei festen Substanzen wie Eis überwiegen bei Temperaturen unter 0 die Anziehungskräfte und der Aggregatzustand ist fest. Bei steigender Temperatur nimmt jedoch die Bewegungsenergie der Teilchen zu. Bei einer Temperatur von 0 ist die kinetische Energie der Teilchen schon sehr groß und das Eis geht in den flüssigen Zustand über. Es überwiegen jedoch noch die Anziehungskräfte und die Teilchen liegen relativ dicht beieinander, können jedoch gegeneinander verschoben werden. Bei einer Temperatur von 100 ist die kinetische Energie der Wasserteilchen so groß, dass sie sich unabhängig von einander frei bewegen können. In einem Gas sind die Abstände zwischen den einzelnen Teilchen sehr groß, sodass Anziehungskräfte nur noch eine geringe Rolle spielen. Presst man ein Gas zusammen (komprimieren), verringern sich die Abstände der Teilchen. Kühlt man ein Gas ab, so vermindern sich die Geschwindigkeit und damit die Bewegungsenergie der Teilchen. In beiden Fällen nimmt die Wirksamkeit der Anziehungskräfte immer mehr zu. Bei einem bestimmten Druck oder einer bestimmten Temperatur verlieren die Teilchen sprunghaft einen Teil ihrer kinetischen Energie. Jetzt können sich die Teilchen zwar immer noch regellos durcheinander bewegen, aber sie können sich wegen der gegenseitigen Anziehungskräfte nicht mehr beliebig voneinander entfernen. Der Stoff ist in den flüssigen Zustand übergegangen. Die dabei frei gewordene Energie bezeichnet man als Kondensationswärme. Anhand des Beispiels von Flüssiggasen lässt sich die Abhängigkeit des Aggregatzustands vom Druck und der Temperatur gut erkennen. Wird beispielsweise Butangas kräftig zusammengepresst, so wird es bei einem Druck von 3039 hpa flüssig. Bei diesem Druck kann es in geschlossenen Behältern bei Zimmertemperatur flüssig gehalten werden. Bei einem Druck von 1013 hpa liegt der Siedepunkt des Gases bei 0,65. Beim Abkühlen eines flüssigen Stoffes wird die Bewegungsenergie der Teilchen weiter herabgesetzt. Ab einer bestimmten Temperatur verlieren die Teilchen unter dem Einfluss der Anziehungskräfte nochmals sprunghaft kinetische Energie. Die Bewegungsenergie reicht nun nicht mehr aus, um die Anziehungskräfte zu überwinden. Die kleinsten Teilchen haben dabei ihre freie Beweglichkeit verloren und haben sich in einem Gitter angeordnet. Sie können nun noch eine Pendelbewegung um ihren

7 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 7 von 199 jeweiligen Gitterplatz vollführen. Der Stoff ist nun in den festen Aggregatzustand übergegangen und die dabei frei werdende Energie wird als Erstarrungswärme bezeichnet. In festem Eisen lagern sich die Metallatome in einer dichten Kugelpackung zusammen. Die Teilchen sind in einem Atomverband und jedes Atom weist eine bestimmte Anzahl von Nachbarn auf. Beim Erhitzen von festem Kupfer geht es bei einer bestimmten Temperatur unter Aufnahme der Schmelzwärme in den flüssigen Zustand und später unter Aufnahme der Siede- oder Verdampfungswärme in den gasförmigen Zustand über. Einige Stoffe sind jedoch in der Lage direkt vom festen Zustand in den gasförmigen Zustand überzugehen. Man bezeichnet den Vorgang als Sublimation. Der Umgekehrte Vorgang wird Resublimation genannt. Ein Beispiel für derartige Substanzen ist das Jod. Verdunstung. Besonders schnelle (=heiße) Teilchen können eine Flüssigkeit auch unterhalb der Siedetemperatur verlassen. Dabei kühlt sich die Flüssigkeit ab, da in der Flüssigkeit die weniger energiereichen Teilchen zurückbleiben. Die verdunsteten Teilchen sind nach allen Seiten hin frei beweglich und können so den Flüssigkeitsbehälter verlassen. Durch Energieaufnahme aus der Umwelt kann so allmählich die gesamte Flüssigkeit verdampfen. Aus diesem Grund verdunstet auch das Wasser aus dem Wasserglas auf der Fensterbank nach einigen Tagen.

8 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 8 von 199 Aufgabe: 1. andelt es sich bei den folgenden Vorgängen um chemische Reaktionen oder physikalische Phänomene? a) Schmelzen von Eisen b) Gefrieren von Wasser bei 0 c) Eisen rostet an feuchter Luft d) Gas wird durch hohen Druck verflüssigt e) Zucker löst sich in heißem Wasser f) Kerze brennt ab 2. Nennen Sie den jeweiligen physikalischen oder chemischen Vorgang: a) Eine Parfümflasche geht zu Bruch und der Parfümduft verteilt sich im Raum. b) Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff und es entsteht Wasser. 3. Nennen Sie jeweils eine Möglichkeit die folgenden Verbindungen oder Elemente nachzuweisen. a) Wasserstoff b) Kohlenstoffdioxid 4. Beschreiben Sie kurz die relevanten Beobachtungen bei der Reaktion von Wasser mit alcium (in Anwesenheit des Indikators Phenolphthalein). 5. Schwefel verbrennt an der Luft und bildet Schwefeldioxid. Stellen Sie eine Wortgleichung sowie eine Symbolgleichung für die Reaktion auf. 6. In einem chemischen Experiment reagieren 6g Kohlenstoff mit 16g Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. a) Stellen Sie ein Reaktionssymbol auf. b) Wie viel Gramm Kohlenstoffdioxid erhalten Sie bei vollständiger Reaktion? c) Welches Gesetz findet hier Anwendung? 7. Auf einer genauen Waage wird ein Knäuel Eisenwolle gewogen. Anschließen wird es angezündet und es glüht für einige Sekunden. Nach der Reaktion wird erneut gewogen. Was zeigt die Waage an? Warum?

9 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 9 von Aufbau der Atome Ein Atom ist das kleinste Teilchen, welches auf chemischem Wege nicht weiter geteilt werden (griech.: atomos = das Unteilbare) kann. Ein Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle. Im Atomkern befinden sich die positiv geladenen Protonen und die neutralen Neutronen. Der Atomkern macht den auptteil des Gewichts eines Atoms aus. Um den Atomkern befindet sich die Atomhülle. In ihr bewegen sich die negativen Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Atomkern herum. Da die Elektronen der Atomhülle und die Protonen des Atomkerns gegensätzlich geladen sind, ziehen sie sich gegenseitig an. Damit die Elektronen nicht in den positiv geladenen Atomkern stürzen, müssen sie sich in einer charakteristischen Geschwindigkeit um den Atomkern bewegen. Die elektrostatischen Anziehungskräfte, die auf das Elektron einwirken, werden durch die Fliehkraft der Elektronen kompensiert (ausgeglichen). Das hier beschriebene Atommodell wurde von Ernest Rutherford 1911 veröffentlicht und von seinem Schüler Niels Bohr weiter ausgebaut. Alle zusammengesetzten Atomkerne enthalten sowohl Protonen als auch Neutronen (eine Ausnahme stellt das Wasserstoffatom dar, welches lediglich ein Proton als Atomkern besitzt). Da Atome nach außen hin elektrischneutral sind, muss die Anzahl an positiven Ladungen im Atomkern gleich der Anzahl an Elektronen in der Atomhülle sein. Der Durchmesser eines Atomkerns macht nur ein zehntausendstel des Atomdurchmessers aus, er macht jedoch den auptteil des Atomgewichts aus. Bau des Atomkerns Die Atomkerne (Atomkern = Nukleus) der Elemente bestehen alle aus den gleichen Kernbausteinen, den so genannten Nukleonen. Man unterscheidet zwischen den positiv geladenen Protonen und den elektrischneutralen Neutronen. Im Periodensystem der Elemente wird die Anzahl an Protonen durch die Kernladungszahl oder Ordnungszahl angegeben. Atome des gleichen Atoms weisen stets dieselbe Anzahl an Protonen (dieselbe Ordnungszahl) auf. Die Kernladungszahl gibt aus Gründen der Elektroneutralität der Atome auch die Anzahl der Elektronen an. Die Masse eines Neutrons entspricht fast der Masse eines Protons. Das negativ geladene Elektron hingegen besitzt nur 1/1837 der Masse eines Protons. Folglich tragen Elektronen kaum zur Gesamtmasse eines Atoms bei. Die Masse eines Atoms ist somit fast ausschließlich im Atomkern lokalisiert. Die Gesamtzahl der Kernbausteine (Summe aus Protonen und Neutronen) wird deshalb auch als Massenzahl bezeichnet. Element Symbol Massenzahl Anzahl der Neutronen Wasserstoff 1 0 elium e 4 2 Lithium Li 7 4 Kohlenstoff 12 6 Stickstoff N 14 7 Sauerstoff O 16 8 Natrium Na Aluminium Al Wie aus der Tabelle zu entnehmen ist, unterscheiden sich die Massenzahlen immer durch ganze Zahlen. Betrachtet man jedoch das Periodensystem der Elemente, so stellt man fest, dass hier Massenzahlen mit mehreren Nachkommastellen angegeben sind. Der Grund dafür sind die Isotope der jeweiligen Elemente.

10 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 10 von 199 Untersuchungen haben ergeben, dass die meisten Elemente in verschiedenen Arten auftreten. Dabei unterscheidet sich nur die Massenzahl und somit die Anzahl der Neutronen. Man bezeichnet Elemente, welche die gleiche Ordnungszahl aufweisen jedoch unterschiedliche Massenzahlen (und somit eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen besitzen) als Isotope. Im Periodensystem wird nun eine relative Massenzahl angegeben. Damit ist gemeint, dass alle bekannten Isotope prozentual zu ihrer äufigkeit in der Massenzahl berücksichtig werden. Beispielsweise setzt sich der Kohlenstoff aus 98,9% 12, 1,1% 13 und in Spuren aus 14 Atomen zusammen. Die daraus resultierende Masse für ein Kohlenstoffatom ist 12,0170u. Die Atommasseneinheit bezieht sich auf 1/12 der Masse des 12 -Atoms. Bau der Atomhülle Die Atomhülle wird von den Elektronen gebildet, welche sich auf bestimmten Bahnen um den Atomkern bewegen. Die Elektronen können sich dabei nicht in jedem beliebigen Abstand zum Atomkern bewegen sondern umkreisen den Atomkern auf so genannten Schalen. Dabei entspricht eine Schale einer bestimmten Energiestufe. In eine bestimmte Energiestufe können jeweils nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufgenommen werden. Die maximale Anzahl an Elektronen für eine Energiestufe ist durch 2n² gegeben. Dabei steht n für die Nummer der von Innen nach Außen gezählten Elektronenschalen. Im Periodensystem werden die Schalen auch mit K, L, M, N, O usw. Schale bezeichnet. An einer chemischen Reaktion nehmen im Allgemeinen nur die Elektronen der äußersten Schale teil (Valenzelektronen). Die Anzahl an Valenzelektronen kann rechnerisch bestimmt werden. Aufgabe: 1. Nennen Sie die Bausteine des Atomkerns. 2. Wo befinden sich in einem Atom die Elektronen? 3. Warum sind Atome nach Außen hin neutral? 4. Was bezeichnet man als Nukleonen? 5. Was gibt die Ordnungszahl eines Atoms an? Geht man beispielsweise vom Brom mit der Kernladungszahl 35 aus, so besitzt das Atom 35 Protonen und damit auch 35 Elektronen. Füllt man diese 35 Elektronen in die Schalen des Atoms, so können in der ersten Schale 2 1² = 2 Elektronen untergebracht werden. Es bleiben somit noch 33 Elektronen für die anderen Schalen. In der zweiten Schale finden 2 2² = 8 Elektronen Platz. Nach dem Besetzen der zweiten Schale bleiben somit noch 25 Elektronen über. In der dritten Elektronenschale können 2 3² = 18 Elektronen untergebracht werden und es bleiben somit noch 7 Elektronen für die vierte Elektronenschale über. Brom besitzt somit 7 Valenzelektronen. 6. Ein Atom besitzt die Ordnungszahl 6 und die Atommasse 12u. Um welches chemische Element handelt es sich? 7. Ein Atom besitzt 8 Protonen und 8 Neutronen. Wie viele Elektronen besitzt es?, Welche Ordnungszahl und Atommasse besitzt es?, Um welches chemische Element handelt es sich? 8. Erklären Sie den Begriff Isotop. 9. Die Atommasse von hlor ist 35,453u. Erklären Sie warum die Atommasse so stark von einer glatten Zahl abweicht.

11 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 11 von Rutherford scher Streuversuch Im Jahre 1911 beschrieb der Naturwissenschaftler Ernest Rutherford ein Experiment zur Untersuchung des Atomaufbaus. Dabei beschoss er eine 0,004mm dicke Goldfolie mit α-strahlen (elium-kerne). Dasselbe führte er mit einer Silber- und einer Kupferfolie durch. Rutherford stellte fest, dass der größte Teil der α-teilchen geradlinig durch die Folie hindurch flog. Einige wurden seitwärts abgelenkt, beziehungsweise zur Strahlenquelle zurück geworfen. Aus diesen Beobachtungen schloss er folgende Annahmen: 1. In der Mitte eines Atoms befindet sich ein Atomkern, indem nahezu die gesamte Atommasse sowie die positive Ladung eines Atoms konzentriert ist. Nach der heutigen Vorstellung besteht der Atomkern aus Neutronen und Protonen. Dabei sind die Protonen die Träger der positiven Ladung und sie machen zusammen mit den Neutronen nahezu die gesamte Masse eines Atoms aus. Trotz der gleichsinnigen Ladung und der daraus resultierenden Abstoßung werden die Protonen im Kern zusammen gehalten. Der Grund dafür ist die starke Kernkraft die den Atomkern zusammen hält. Dies ist eine fundamentale Kraftwirkung in der Natur, die stärker als die elektrostatische Abstoßung ist, aber nur eine geringe Reichweite besitzt. 2. Die Elektronen eines Atoms nehmen fast das gesamte Volumen eines Atoms ein. Sie befinden sich außerhalb des Atomkerns und umkreisen diesen in schnellen Bewegungen. Damit ein Atom insgesamt nach Außen neutral ist, müssen die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen sein. Der Durchmesser eines Atomkerns ist sehr gering und liegt in einer Größenordnung von etwa m (ein Femtometer). Der Durchmesser eines Atoms beträgt 100 bis 400 pm (1 Picometer = m) und ist somit mehr als mal größer als der Atomkern. Der größte Teil eines Atoms ist somit leerer Raum. Damit lässt sich auch erklären, warum die meisten α-teilchen die Folie ungehindert durchfliegen konnten. Die kleinen, leichten Elektronen können die wesentlich schwereren α-teilchen nicht ablenken. Nur wenn ein α-teilchen in die Nähe des Atomkerns gerät, wird es abgestoßen und von seinem geraden Weg abgebracht. In den seltenen Fällen eines direkten Zusammenstoßes von α- Teilchen mit einem Atomkern wird das α-teilchen zurückgeworfen. Stabile Atomkerne enthalten in der Regel genauso viele bis 1 ½ mal so viele Neutronen wie Protonen.

12 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 12 von Milikan-Experiment Milikan führte 1909 die erste genaue Messung der Ladung eines Elektrons durch. Dazu erzeugte er Elektronen durch das Einwirken von Röntgenstrahlen auf Luft. Kleine Öltröpfchen nehmen die freiwerdenden Elektronen auf. Anschließend sinken die Öltropfen zwischen zwei waagerecht angeordneten Platten ab. Anhand der Sinkgeschwindigkeit kann die Masse der Tropfen bestimmt werden. Die beiden Platten sind elektrisch geladen, wobei die positiv geladene Platte über der negativ geladenen Platte positioniert ist. Die angeschlossene Spannung wird so gewählt, dass die Tropfen in der Schwebe gehalten werden. Nun lässt sich aus der anliegenden Spannung und der bestimmten Masse eines Öltropfens die Ladung des Tropfens berechnen. Jedes Öltröpfchen kann mehrere Elektronen aufnehmen, somit ist in allen Fällen die Ladung ein ganzes Vielfaches der Ladung des Elektrons. Der Wert e wird als Elementarladung bezeichnet. Das Elektron ist negativ geladen und seine Masse kann aus den Werten e/m und e berechnet werden. Ladung des Elektrons: q = -e = 1, Masse des Elektrons: m = 9, g 1.5 Atomspektren Lässt man einen Lichtstrahl durch ein Prisma laufen, so stellt man fest, dass der Lichtstrahl abgelenkt wird. Dabei ist die Ablenkung des Lichtstrahls abhängig von der Wellenlänge. Je kleiner die Wellenlänge, desto größer ist die Ablenkung. Weißes Licht ist polychromatisch, das heißt es enthält alle Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs. Durch ein Prisma wird der weiße Lichtstrahl zu einem Streifen gedehnt, der als kontinuierliches Spektrum bezeichnet wird. In diesem Spektrum sind die Farben des weißen Lichts aufgefächert und man sieht die Farben des Regenbogens, die ohne scharfe Grenzen ineinander übergehen. Beim Erhitzen von Gasen oder Dämpfen chemischer Verbindungen mit einer Flamme kommt es zu einem Leuchten. Leitet man das abgestrahlte Licht nun durch ein Prisma so wird ein Linienspektrum sichtbar. Dieses Spektrum besteht aus scharf begrenzten, farbigen Linien, wobei jede einer eigenen definierten Wellenlänge entspricht. Jedes zum Leuchten angeregte Element zeigt ein eigenes, charakteristisches Licht. Die Frequenz, die den Linien im sichtbaren Bereich des Spektrums von Wasserstoff entspricht, erfüllt folgende Gleichung: c ν = = 3, s n = 3, 4, 5, 2 2 λ 2 n Diese Gleichung wurde aufgrund von experimentellen Ergebnissen von J.J. Balmer (1885) aufgestellt.

13 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 13 von Radioaktivität Entdeckung der Radioaktivität Der französische Physiker Antoine enri Becquerel entdeckte die Radioaktivität als erster. Bei seinen Untersuchungen zum Zusammenhang von Fluoreszenz und Röntgenstrahlung bei verschiedenen Uranverbindungen im Jahre 1896 stellte er fest, dass eine bisher unbekannte Strahlung von den verwendeten Uranerzen ausging. Die Strahlung war in der Lage eine Fotoplatte zu schwärzen. Nach näheren Untersuchungen stellte Becquerel fest, das eine unsichtbare und energiereiche Strahlung vom Uran ausging. In den folgenden Jahren führten Marie urie, eine Schülerin Becquerels, und ihr Mann Pierre urie weitere Versuche zur Untersuchung dieser ungewöhnlichen Strahlung durch. Die beiden Wissenschaftler verwandten für ihre Untersuchungen ein stärker strahlendes Uranerz, die Uranpechblende. Im Jahre 1898 isolierte Marie urie die Elemente Radium und Polonium aus dem Erz. Sie war es auch die den Begriff Radioaktivität (von lat. radiare = strahlen) prägte. Einige Jahre später konnte Pierre urie durch Ablenkungsversuche im Magnetfeld nachweisen, dass natürliche radioaktive Strahlung nicht einheitlich ist. Später stellte man fest, dass sich die Strahlen in α-strahlung, β-strahlung und γ-strahlung unterscheiden lassen stellten die beiden Wissenschaftler Rutherford und Soddy die ypothese auf, dass radioaktive Strahlung auf den radioaktiven Zerfall von Atomkernen zurückzuführen sei. Bei der Reaktion wird radioaktive Strahlung frei und es bilden sich Atome eines anderen Elements. Der Energieumsatz eines solchen radioaktiven Zerfalls ist sehr viel größer als bei chemischen Reaktionen. Gemessen wird die freigesetzte Energie in Elektronenvolt (ev). Dabei entspricht ein Elektronenvolt der kinetischen Energie, welche ein Teilchen mit der Ladung 1e im Vakuum aufnimmt, wenn es eine Spannung von 1Volt durchläuft. E kin = q U = 1e 1V = 1, J Die bei einem radioaktiven Zerfall freiwerdende Energie ist abhängig von der Art des Zerfalls. So liegt die Energie von α-strahlung, β-strahlung und γ-strahlung zwischen 1keV und 10MeV. Im Vergleich dazu liegt die Energie die bei der Knallgasreaktion freiwird bei 3eV pro Wassermolekül. Nachweis von radioaktiver Strahlung: Der direkte Nachweis von radioaktiver Strahlung ist nicht möglich. Allerdings kann man die Wirkung der Strahlung messen und nachweisen. So lassen sich die radioaktiven Strahlungen zum Beispiel in einer Wilson schen Nebelkammer sichtbar machen. Der Apparat besteht aus einer Kammer, in der sich übersättigter Wasserdampf befindet. Wasserdampf kondensiert unter Nebelbildung wenn sich Kondensationskerne innerhalb der Kammer befinden. Die von Alpha- und Betastrahlen durch Stoß gebildeten Ionen wirken als Kondensationskerne. An diesen Teilchen lagern sich Wasser-Moleküle an und bilden winzige Tropfen. Der Weg der Alpha- und Betateilchen wird nun als Kondensstreifen sichtbar. Ein Messgerät für die radioaktive Strahlung ist das Geiger-Müller- Zählrohr. Es besteht aus einem mit Argon gefüllten Metallrohr. Der Druck des Gases beträgt 100hPa. In der Längsachse des Zählrohrs befindet sich ein dünner, positiv geladener Draht. Durch ein Glimmerfenster treten die radioaktiven Strahlen in das Zählrohr ein und ionisieren durch Anstoßen die Edelgas-Atome. Die dabei freigesetzten Elektronen werden vom positiven Draht angezogen. Auf ihrem Weg zum Draht werden weitere Elektronen durch das Anstoßen an andere Argon-Atome freigesetzt. Es entsteht eine Kettenreaktion. Wenn nun die Elektronen-Lawine den Draht erreicht, fließt kurzzeitig ein elektrischer Strom. Dieser Stromfluss wird verstärkt und kann dann durch

14 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 14 von 199 einen Zähler registriert werden oder über einen Lautsprecher hörbar gemacht werden. Die Auflösung des Geiger-Müller-Zählrohrs liegt bei 0,1µs. Die Wilson sche Nebelkammer sowie das Geiger-Müller-Zählrohr sind für Gammastrahlen unempfindlich und können diese somit nicht registrieren. Um Gammastrahlen zu messen benutzt man so genannte Szintillationszähler. Dabei werden Natriumiodid-Kristalle durch die auftreffende Gammastrahlung angeregt. Beim zurückfallen der Elektronen auf ihr vorheriges Niveau wird Energie in Form von Licht frei, das dann gemessen wird. Alphastrahlen sind schnelle eliumkerne welche aus zwei Protonen (p) und zwei Neutronen (n) bestehen. Die α-teilchen sind zweifach positiv geladen. Beispiele für α-strahler sind das Uran-238. Dieses zerfällt unter Abgabe eines eliumkerns zu Thorium-234. Betastrahlen sind sehr schnelle Elektronen. Diese Elektronen stammen allerdings nicht aus der Atomhülle, sondern aus dem Kern. Diese Elektronen entstehen bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Diese Reaktion läuft zum Beispiel beim Thorium-234 ab. Dabei wandelt sich ein Neutron des Kerns (90p, 144n) in ein Proton um. Aus dem Thorium-234 wird dann unter Abgabe eines β-teilchens das Protactinium-234 (91p, 143n). Gammastrahlen sind sehr kurzwellige, elektromagnetische Strahlungen, die mit der Röntgenstrahlung vergleichbar sind. Sie entstehen häufig begleitend beim α-zerfall oder β-zerfall. Sie treten auf, wenn trotz des Ausschleuderns eines Teilchens noch überschüssige Energie vorhanden ist. Außerdem gibt es noch die Neutronenstrahlung. Sie ist zwar keine radioaktive Zerfallsreaktion, aber sie spielt eine große Rolle bei der Atomspaltung in Kernkraftwerken. Sie besteht aus Neutronen welche aus dem Kern eines Elements geschleudert werden. Die meisten Atomkerne, die bei einem radioaktiven Zerfall entstehen sind selber radioaktiv. Der Zerfall schreitet dann solange weiter bis sich ein stabiler Atomkern gebildet hat. Diese Kaskade bezeichnet man auch als Zerfallsreihe. harakteristisch für alle radioaktiven Elemente ist die albwertszeit τ. Damit ist der Zeitraum gemeint, in dem die älfte der ursprünglich vorhandenen Atome zerfallen ist. Die albwertszeit der verschiedenen Radioisotope kann zwischen Bruchteilen einer Sekunde und Millionen von Jahren liegen. Die Zerfallsgesetze: Eine sehr bedeutende Größe eines radioaktiven Präparats ist seine Aktivität A, also die Anzahl von Zerfällen pro Sekunde. Die Aktivität ist proportional zur vorhandenen Teilchenzahl. Der entsprechende Proportionalitätsfaktor k wird als Zerfallskonstante bezeichnet. Somit ist dieser Faktor ein Maß für die äufigkeit der Zerfälle innerhalb einer Sekunde. Dieser Faktor lässt sich durch Integration von den zerfallenden Teilchen N und der Gesamtteilchenzahl N ermitteln. Der radioaktive Zerfall ist somit vergleichbar mit einer chemischen Reaktion erster Ordnung. Dabei nimmt die Anzahl der Teilchen nach einer e-funktion ab. Die Zerfallskonstante ist allerdings nur ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls und ist ebenso wie die albwertszeit abhängig vom Druck und der Temperatur. Strahlenbelastung und Strahlenschäden: Radioaktivität gab es immer schon auf der Erde. Eine gewisse Grundstrahlung ist also normal. Sie setzt sich aus der kosmischen und terrestrischen Strahlung zusammen. Außerdem kommt noch eine zivilisatorisch bedingte Strahlungsexposition hinzu. Die durchschnittliche Gesamtbelastung in einem Jahr liegt bei etwa 3,5mSv. Die kosmische Strahlung die aus dem Weltall zur Erde gelangt besteht primär aus Protonen. Allerdings entstehen in der äußeren Erdatmosphäre durch Kernreaktionen als Sekundärstrahlung auch Gammastrahlen, Neutronen und Elektronen. Durch diese Reaktion entsteht das radioaktive Kohlenstoffisotop -14 und das Wasserstoff Radioisotop -3. Die entstehende Strahlung wird jedoch

15 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 15 von 199 zum Teil von der Atmosphäre absorbiert. Somit ist die Intensität der Strahlung von der öhenlage abhängig. Die terrestrische Strahlung stammt von den Radionukliden innerhalb der Erdkruste. Beispiele für Radioisotope der Erdkruste sind das K-40 oder das Rn-222. Die Intensität der Strahlung hängt von der Zusammensetzung des Bodens ab und ist somit nicht auf der gesamten Erde gleich hoch. Die durchschnittliche Strahlenbelastung durch terrestrische Strahlung liegt bei 0,5mSv pro Jahr. In Brasilien liegt die terrestrische Strahlenbelastung sogar bei 200mSv im Jahr. Die zivilisatorisch bedingte Strahlenbelastung ist auf Röntgenstrahluntersuchungen zurückzuführen. Der Anteil an Strahlenbelastung durch Forschungen und kerntechnische Anlagen ist derzeit minimal. Strahlenwirkung: Radioaktivität wirkt bei allen Lebewesen auf drei unterschiedlichen Ebenen: der physikalischen, der chemischen und der biologischen Ebene. Eine sehr hohe Strahlendosis führt zu einer starken Temperaturerhöhung. Diese hat zur Folge, dass das Zellinnere zerstört wird und der Organismus innerhalb kürzester Zeit stirbt. Aus Erfahrungen von Strahlenunfällen sowie Atombombenabwürfen weiß man, dass eine Belastung von 7Sv innerhalb von wenigen Tagen zum Tode führt. Eine geringe Äquivalentdosis kann auf chemischen Weg zu Spätschäden führen. Beispiele dafür sind Leukämie und andere Krebserkrankungen. Man rechnet bei Leukämie von einer Latenzzeit von bis zu 12 Jahren. Die Ursachen dafür könnten das Ionisieren der Moleküle und das Bilden von Radikalen sein, die anschließend mit den Makromolekülen reagieren und deren Wirkungsweise verändern. Genetische defekte treten dann auf wenn es zu Veränderungen der Desoxyribonukleinsäure (DNA) der Keimzellen kommt. Ein Großteil der durch die Strahlen verursachten Schäden können zwar repariert werden, trotzdem sind Mutationen nicht auszuschließen. Strahlenschutz: Der Strahlenschutz richtet sich nach der Strahlenart. andelt es sich bei der Strahlung um Gammastrahlen ist ein Schutz nur schwer möglich. Man kann sich vor Gammastrahlen beispielsweise mit einer dickeren Schicht Blei schützen. Dies wird bei der Röntgenuntersuchung beim Arzt auch als Schutzmaßnahme umgesetzt. Es ist allerdings nicht möglich sich gänzlich gegen die Gammastrahlung zu Schützen, da sie nur durch die Bleischicht abgeschwächt wird, aber nicht gestoppt wird. Ähnliche Wirkungen wie die Bleischicht haben Meter dicke Wände aus Beton, Eisen oder Wasserbecken. Bei Alphastrahlungen ist eine Betonwand oder eine Bleischicht übertrieben. Sie kann schon mit einem dünnen Blatt Papier abgeschirmt werden. Betateilchen hingegen sind wesentlich kleiner als Alphateilchen und können somit auch ein einfaches Blatt Papier durchdringen. Um sich vor Betastrahlung zu schützen ist schon eine dicke Kupferfolie notwendig. Besonders tückisch ist jedoch die Neutronenstrahlung. Neutronen sind zwar viel größer als die Elektronen der Betastrahlen, sie sind aber in der Lage beim Auftreffen auf das Abschirmmaterial, das Abschirmmaterial selber radioaktiv zu machen. Dies kann aber durch die Wahl der richtigen Abschirmmaterialien verhindert werden. So verwendet man in der Realität häufig Meterdicke Wasserbecken und Betonmauern um sich vor den Auswirkungen der Neutronenstrahlung in einem Kernkraftwerk zu schützen.

16 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 16 von 199 Aufgabe: 1. Wie nennt man Atome, die ohne Einwirkung von außen Strahlen aussenden? ionisiert radioaktiv elektrisch geladen 2. Woraus bestehen Alpha-Teilchen? 2 Protonen 2 Neutronen 2 Neutronen und 2 Protonen 3. In welche Teilchen kann ein Neutron zerfallen? 2 Elektronen 1 Proton und ein Elektron 2 Protonen 4. Was sind Beta-Teilchen? Protonen Elektronen Neutronen 5. Gammastrahlen sind elektromagnetische Wellen. Wie werden sie vom radioaktiven Atom (Kern) ausgesandt? In einzelnen Energieportionen (Quanten) Als fortlaufender (kontinuierlicher) Energiestrom Als elektrische Entladung 6. Die albwertszeit gibt die Zeit an, in der: die älfte, ein Viertel, ein Zehntel Der zu Beginn vorhandenen radioaktiven Atome zerfallen sind. 7. Zu Beginn eines Versuchs sind Atome radioaktiv. Wie viele Atome sind nach Ablauf zweier albwertszeiten insgesamt zerfallen? Atome Atome Atome 8. Was wird durch die Aktivität angegeben? Anzahl der Kernumwandlungen Anzahl der Kernumwandlungen pro Zeit Anzahl der Kernumwandlungen pro Masse 9. In welcher Einheit wird die Radioaktivität gemessen? Ampere (A) Joule (J) Becquerel (Bq)

17 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 17 von Sag mir wie alt du bist 14 - Radiocarbonanalyse Die Radiocarbonmethode ist eine Methode zur Alterbestimmung von Fossilien. Man kann mit dieser Methode das Alter von bis zu Jahre alten Funden bestimmen. Die Methode beruht auf der Tatsache, dass die Erdatmosphäre einen geringen Anteil an 14 - Kohlenstoff enthält. Dieser entsteht durch die Kernreaktion von 14 N-Stickstoffatomen mit Neutronen aus der kosmischen Strahlung. Trifft ein Neutron auf ein 14 N-Stickstoffatom, so schlägt es ein Proton aus dem Atom und verbleibt selbst im Atomkern. Da ein Proton gegen ein Neutron ausgetauscht wurde und diese Kernbausteine nahezu gleich schwer sind, ändert sich an der Gesamtatommasse nichts. Jedoch verändert sich die Kernladungszahl, da ein positives Proton entfernt wurde. Man erhält somit aus einem 14 N-Sticktoffatom ein 14 -Kohlenstoffatom. 14 -Kohlenstoff ist radioaktiv und besitzt eine albwertszeit von 5730 Jahren. 14 -Kohlenstoff zerfällt über einen β-zerfall. Dabei zerfällt ein Neutron in ein Proton und ein Elektron. Es verändert sich wiederum nicht die Atommasse, aber die Ladungszahl des Atoms und man erhält wieder 14 N-Stickstoff. In den oberen Erdatmosphären wird der radioaktive Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid (O 2 ) oxidiert. Dieses Gas kann bei der Photosynthese von Pflanzen aufgenommen werden. Der 14 - Kohlenstoffgehalt in den Pflanzen entspricht dem 14 -Gehalt der Erdatmosphäre. Die Pflanzen werden von Tieren gefressen und somit entspricht auch der 14 -Gehalt in Tieren dem der Erdatmosphäre, da zerfallener 14 -Kohlenstoff wieder durch Aufnahme von neuem 14 -Kohlenstoff ausgeglichen werden kann. Der 14 -Gehalt in der Atmosphäre, Pflanzen und Tieren bleibt nun solange konstant, bis die Pflanze oder das Tier stirbt. Nach dem Tod (des Tieres oder Pflanze) wird kein 14 -Kohlenstoff mehr aufgenommen und der 14 -Kohlenstoffanteil nimmt durch den β-zerfall kontinuierlich ab. Man kann somit anhand des noch verbliebenen 14 -Kohlenstoffgehaltes (und bei bekannter albwertszeit des 14 -Kohlenstoffs) auf das Alter des Fossils zurückrechnen

18 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 18 von Die chemische Bindung und Oktettregel In der Natur tauchen die meisten chemischen Elemente in Verbindungen auf. Ebenso können die elementar vorliegenden Elemente als Moleküle aus gleichen Atomen auftreten. Eine Ausnahme bildet die 8. auptgruppe (Gruppe 18) des Periodensystems die Edelgase. Sie kommen in der Natur ausschließlich atomar vor. Die Edelgase weisen eine Reaktionsträgheit auf, welche sich bei keiner zweiten Elementgruppe im Periodensystem finden lässt. Der Grund dafür ist in der besonderen Elektronenkonfiguration der Atome zu finden. Alle Edelgase, mit Ausnahme des eliums (nur 2 Elektronen), besitzen alle Edelgase 8 Elektronen in ihrer Valenzschale. Diese besondere Konfiguration der Elektronen bezeichnet man auch als Elektronenoktett. Die Elemente der anderen Gruppen weisen nur unvollständig gefüllte Valenzschalen auf. Dies führt dazu, dass die Elemente gerne Reaktionen mit anderen Elementen eingehen. Ziel einer chemischen Reaktion ist es (in den meisten Fällen) das Elektronenoktett zu erreichen, um somit in einen besonders günstigen elektronischen Zustand zu gelangen. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Einige Elemente gehen Ionenbindungen ein, bei denen Elektronen von einem Atom auf das andere Atom übertragen werden. Bei anderen Elementen bilden sich so genannte Elektronenpaarbindungen aus, bei denen sich zwei Atome die gemeinsamen Elektronen teilen. Eine weitere Form ist die Metallbindung, bei der Elektronen abgegeben werden, um so eine stabile Elektronenanordnung zu erreichen. Auch einige elementar auftauchende Elemente bilden Atomverbände aus, wie beispielsweise O 2, N 2, S 8 oder gediegen auftauchende Edelmetalle wie Silber oder Gold. Edelgase hingegen bestehen nur aus einzelnen Atomen und sind aufgrund ihrer besonderen Elektronenkonfiguration sehr reaktionsträge. hemische Verbindungen aus Edelgasen können nur unter drastischen Bedingungen im Labor dargestellt werden. Erst seit dem Jahr 1962 sind Verbindungen der Edelgase bekannt, wie beispielsweise XePtF 6, XeF 2 oder XeO 3. Bei den Edelgasen ist die Valenzschale außer beim elium mit 8 Elektronen besetzt. Bei den anderen Elementen ergibt sich die Anzahl an Valenzelektronen aus ihrer Stellung im Periodensystem der Elemente. Demnach besitzen die Elemente der ersten auptgruppe ein Valenzelektron, die Elemente der zweiten auptgruppe zwei Elektronen. Der Trend setzt sich bis zur 8. auptgruppe durch. Ionenbindung Elemente mit wenigen Valenzelektronen können durch Elektronenabgabe in die Oktettkonfiguration übergehen. Dabei wird die nächstinnere Schale zur Valenzschale. Bei der Abgabe von Elektronen aus der Valenzschale wird das Atom positiv geladen, da nun eine Gegenladung in der Atomhülle zum positiv geladenen Atomkern fehlt. Ein positiv geladenes Teilchen wird als Kation bezeichnet. Die Abgabe eines Elektrons ist jedoch nur möglich wenn ein anderes Atom, das negativ geladene Elektron aufnimmt und somit selbst negativ geladen wird. Für die Aufnahme von Elektronen eignen sich besonders Atome denen nur wenige Elektronen zum Erreichen des Oktetts fehlen (also die Elemente die im PSE rechts stehen). Ein so entstandenes negatives Teilchen wird als Anion bezeichnet.

19 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 19 von 199 Bei der Aufnahme oder Abgabe von Elektronen verändern sich auch die Atomradien. Das positive Kation wird einen kleineren Radius als das vorhergehende Atom aufweisen, da die Kernladung die verblieben Elektronen stärker an sich zieht und somit die Elektronenhülle kleiner wird. Bei Anionen ist das Gegenteil der Fall aufgrund des Elektronenüberschuss es übt die Kernladung eine geringere Anziehungskraft auf die Elektronen aus. Elemente die im PSE weit links stehen (wie beispielsweise Natrium und alcium) können leicht ohne großen Energieverlust Elektronen abgeben. Die Energie die zur Abspaltung der Elektronen vom Atom benötigt wird, wird als Ionisierungsenergie bezeichnet. Bei der Aufnahme von Elektronen hingegen wird Energie freigesetzt. Bei der Aufnahme mehrerer Elektronen wird beim zweiten und dritten Elektron Energie verbraucht, da die Aufnahme von weiteren Elektronen aufgrund der elektrostatischen Abstoßung erschwert ist. Der Energiebetrag, der bei der Aufnahme eines Elektrons frei oder verbraucht wird, wird als Elektronenaffinität bezeichnet. Da sich positive und negative Ladungen gegenseitig anziehen, bilden Ionen charakteristische Gitter. Die Anziehungskräfte sind ungerichtet und wirken daher in alle Raumrichtungen gleich, so dass sich eine negative Ladung mit möglichst vielen positiven Ladungen in einem bestimmten Abstand umgeben wird. Der Abstand sowie die Anzahl der jeweiligen Gegenladung sind charakteristisch. Im Falle des Natriumchlorids umgibt sich jedes Natriumkation mit 6 hloridionen und jedes dieser 6 hloridionen ist wiederum von 6 Natriumionen umgeben. Es bildet sich somit ein Ionengitter aus. Bei der Bildung eines solchen Ionengitters wird Energie freigesetzt. Um das Gitter wieder zu zerstören muss eben diese freigesetzte Energie aufgewendet werden. Man bezeichnet diese Energie auch als Gitterenergie. hemische Reaktionen bei denen das Produkt ein Ionengitter ausbilden kann, verlaufen stets starke exotherm. Elektronenpaarbindung Außer der Ionenbindung kann die Oktettregel jedoch auch durch das gemeinsame Nutzen von so genannten Elektronenpaaren erreicht werden. Dabei steuern die Bindungspartner jeweils die älfte der benötigten Elektronen bei. Die an einer Bindung beteiligten Atome bilden eine Elektronenwolke aus, in denen die Bindungselektronen sich aufhalten können. Bei der Bildung dieser Elektronenwolke wird meist Energie freigesetzt und das Molekül geht in einen energetisch günstigeren, niedrigeren Zustand über. Aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativitäten der Elemente können Moleküle auch polarisiert sein. Dabei ist die Elektronenwolke in Richtung des elektronegativeren Bindungspartnern verschoben. Abb.: hlormolekül: Die Abb.: hlorwasserstoff: Die Abb.: Wassermolekül: Die Elektronendichte ist über das Elektronendichte ist zum Elektronendichte ist zum Molekül gleichmäßig verteilt. hloratom hin verschoben. Sauerstoffatom hin verschoben

20 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 20 von 199 Mit ilfe des Elektronengasmodells lassen sich die typischen Metalleigenschaften erklären: gute Elektrische Leitfähigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, gute Verformbarkeit, Undurchsichtigkeit Metallbindung Alle Metalle besitzen nur wenige Elektronen auf ihrer äußeren Schale. Werden nun zwei verschiedene Metalle miteinander kombiniert, so kann das Elektronenoktett weder durch Übertragen von Elektronen, noch durch die Bildung von Elektronenpaarbindungen erreicht werden. Eine stabile Konfiguration wird nur erreicht wenn die Metallatome ihre Außenelektronen ganz abgeben. Die positiven Atomrümpfe bilden einen Gitterverband, der durch die freien negativen Elektronen zusammengehalten wird. Ähnlich wie bei einem Ionengitter bildet sich ein Metallgitter aus positiven Ionen, welche durch die in den Zwischenräumen frei verschiebbaren Elektronen zusammengehalten wird. Man stellt sich vor, dass die Metallatomrümpfe von einem Elektronengas umspült werden. Man spricht auch von dem Elektronengasmodell. Aufgabe: 1. Welche Bindungsarten unterscheidet man? 2. Wovon hängt der Bindungstyp einer Verbindung ab? 3. Nennen Sie, ein Beispiel für ein Molekül mit Dipol (außer Wasser). 4. Begründen Sie warum das Wassermolekül einen Dipol darstellt. 5. Erklären Sie die Begriffe: a) Anion b) Kation c) Ionisierungsenergie d) Elektronenaffinität 6. Nennen Sie Verbindungen die unpolare Elektronenpaarbindungen enthalten.

21 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 21 von Orbitalmodell Im Jahre 1924 stellte Louis de Broglie die These des Welle- Teilchen- Dualismus auf. Demnach sei ein Elektron nicht nur als ein kleines um den Atomkern rotierendes Teilchen, sondern es besitzt ebenso Eigenschaften einer stehenden Welle erkannte Werner eisenberg den harakter eines Elektrons als Teilchen sowie als Welle. Er stellte fest, dass man nie den Ort und die Geschwindigkeit eines Elektrons gleichzeitig bestimmen kann. Diese Theorie wird als eisenberg sche Unschärferelation bezeichnet. Schon ein Jahr zuvor stellte Erwin Schrödinger die Wellengleichung, aus der sich für ein Elektron des Wasserstoffatoms die verschiedenen Energiestufen und Aufenthaltswahrscheinlichkeiten ergeben. Des Weiteren lassen sich die Quantenzahlen, die die unterschiedlichen Energieniveaus des Elektrons beschreiben, berechnen. Merke: Atomorbitale sind Aufenthaltswahrscheinlichkeitsräume der Elektronen. Das energieärmste Niveau eines Elektrons des Wasserstoffatoms ist ein kugelsymmetrisches Orbital mit der Quantenzahl n = 1. Ein Orbital ist prinzipiell unendlich groß, jedoch ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons des energieärmsten Zustandes in einem kugelförmigen Gebilde um den Atomkern am höchsten (90%). Deswegen ist es auch möglich, Orbitale zeichnerisch darzustellen. Die auptquantenzahl n= 2 ergibt nach Schrödinger vier verschiedene Orbitale: ein 2s- Orbital und drei 2p- Orbitale (2p x, 2p y und 2p z - Orbital). Kern am höchsten. Das 2s- Orbital ist ebenso wie das 1s- Orbital kugelförmig, jedoch ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen im 2s- Orbital weiter vom Die drei 2p- Orbitale sind energiegleich. Sie sind hantelförmig, wobei der Atomkern zwischen den beiden antelhälften liegt. Da die verschiedenen p- Orbitale senkrecht aufeinander stehen, lassen sie sich in ein Koordinatensystem einbeschreiben und werden dem entsprechend als px-, py und pz- Orbital bezeichnet.

22 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 22 von 199 Die auptquantenzahl n = 3 besitzt nach Schrödinger ein s- Orbital, drei p- Orbitale und fünf d- Orbitale (rosettenförmig). Für die auptquantenzahl n = 4 ergeben sich nach Schrödinger 16 verschiedene Orbitale: ein 4s- Orbital, drei 4p- Orbitale, fünf 4d- Orbitale und sieben 4f- Orbitale (doppelrosettenförmig). Da die d- und f- Orbitale jedoch für die organische hemie unbedeutend sind, werden diese hier nicht weiter erläutert. Für die Besetzung der Orbitale mit Elektronen ergeben sich folgende Regeln: 1. Energieprinzip: Zuerst werden die energieärmsten Orbitale besetzt. Dies erfolgt in der nachstehenden Reihenfolge. 2. und sche Regel: Energiegleiche Orbitale werden zunächst einfach besetzt. 3. Pauli- Prinzip: Jedes Orbital kann maximal mit 2 Elektronen besetzt werden Was ist nach dem Orbitalmodell eine Atombindung? Eine Atombindung ist im Sinne der Orbitaltheorie eine Überlappung von Orbitalen verschiedener Atome, zwischen denen sich eine Bindung ausbildet. Mit Überlappung meint man, dass die Elektronen zweier Atome teilweise den gleichen Aufenthaltsraum besitzen, indem sie mit hoher Wahrscheinlichkeit anzutreffen sind. Je größer der gemeinsame Aufenthaltsraum ist, desto stärker ist auch die Atombindung. Das durch die Überlappung zweier Orbitale entstandene Orbital wird als Molekül- Orbital bezeichnet. Überlappen zwei Atom- Orbitale so, dass ihr Molekül- Orbital rotationssymmetrisch zur Kern- Kern- Achse der Bindungspartner ist, so bezeichnet man diese Atombindung als σ-bindung.

23 Skript zum Repetitorium der hemie für die Jahrgangsstufe 13 Seite 23 von 199 ybridisierung Als ybridisieren bezeichnet man das Vermischen energieungleicher Zustände zu energiegleichen Zuständen. Im Folgenden werden die unterschiedlichen Formen der ybridisierung am Beispiel der ybridisierung von Kohlenstoff erläutert. Die sp³- ybridisierung Der Kohlenstoff ist ein Element der vierten auptgruppe und besitzt die Kernladungszahl 6, somit müsste er zweibindig sein. Die einfachste Kohlenstoffverbindung wäre demnach das 2. Tatsächlich aber ist der Kohlenstoff in der Lage vier Atombindungen auszubilden. Es stellt sich die Frage, wie sich diese Vierbindigkeit mit ilfe des Orbitalmodells erklären lässt? Wenn eines der beiden 2s- Elektronen in das leere 2p- Orbital umgelagert werden könnte, so wäre eine Vierbindigkeit des Kohlenstoffatoms denkbar. Jedoch wäre es unmöglich gleiche Winkel zwischen den Wasserstoffatomen im Methan zu erreichen. Experimentell stellte man jedoch fest, dass das Methan- Molekül tetraedrisch aufgebaut ist, das heißt alle Winkel im Methan haben eine Größe von 109,28. Es stellt sich die Frage, wie man die experimentellen Beobachtungen mit dem Orbitalmodell vereinbaren kann? Die Antwort ist einfach. Durch Vermischen der 2s und 2p Orbitalen, kann ein Zustand erreicht werden, in dem die Energie aller Orbitale gleich ist. Diesen Vermischungsvorgang nennt man ybridisierung. Mit der ybridisierung sind die Bindungseigenschaften des Kohlenstoffatoms zu erklären. Da bei dieser ybridisierung ein 2s und drei 2p- Orbitale vermischt wurden, bezeichnet man die vier entstehende gleichwertigen Orbitale als sp 3 - Orbitale. Die sp 2 - ybridisierung Zuvor wurde erläutert wie die Vierbindigkeit des Kohlenstoffatoms zustande kommt. Das Kohlenstoffatom ist jedoch auch noch in der Lage Doppelbindungen mit anderen Kohlenstoffatomen, Sauerstoffatomen und Stickstoffatomen auszubilden. Als Beispiel für die Ausbildung von Doppelbindungen werden im Folgenden die Bindungseigenschaften des Ethens betrachtet. Ethen ist ein planares Molekül mit einer =- Doppelbindung. Alle Winkel der Bindungen betragen 120 und die Bindungslänge hat sich im vergleich zur -- Einfachbindung deutlich verkürzt (jedoch nicht halbiert). Ein Kohlenstoffatom, welches eine Doppelbindung eingeht ist sp²- hybridisiert. Dabei vermischen sich das 2s und zwei 2p- Orbitale zu drei energiegleichen 2sp²- Orbitalen, welche planar in einer Ebene liegen. Das dritte 2p- Orbital hat sich energetisch nicht verändert und steht senkrecht auf der Ebene der drei 2sp²- Orbitale. Im Ethen liegen beide Kohlenstoffatome sp²- hybridisiert vor. Somit liegen sechs 2sp²- ybridorbitale in einer Ebene vor. Zwischen den beiden Kohlenstoffatomen liegt eine σ- Bindung vor, die durch eine Überlappung von zwei sp²- Orbitalen zustande kommt. Die anderen vier sp²- Orbitale der beiden Kohlenstoffatome bilden die σ- Bindungen zu den Wasserstoffatomen des Ethen- Moleküls aus. Die beiden 2p- Orbitale der Kohlenstoffatome des Ethens stehen senkrecht auf der Molekülebene. Die zweite Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen bildet sich durch die Überlappung der beiden 2p- Orbitale. Dabei bildet sich ein Molekülorbital oberhalb und unterhalb der σ- Bindung aus. Diese Bindung bezeichnet man als π- Bindung.