Das Elektronenpaar- Abstoßungs-Modell (EPA) unpolare / polare Atombindung. Dipol-Molekül. Beispiele für. zwischenmolekulare Wechselwirkungen

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1 Das Elektronenpaar- Abstoßungs-Modell (EPA) SG 10.1 Elektronenpaare stoßen einander ab, und nehmen daher möglichst großen Abstand zueinander ein. Orbitale nicht bindender Elektronenpaare (EP) nehmen mehr Raum ein als Orbitale bindender EP. SG 10.2 unpolare / polare Atombindung unpolare Atombindung: gleichmäßige Verteilung der Bindungselektronen zwischen beiden Partnern polare Atombindung: ungleichmäßige Verteilung der Bindungselektronen (näher beim elektronegativeren Atom) Dipol-Molekül SG 10.3 Voraussetzung: 1. polare Atombindung(en) 2. getrennte Ladungsschwerpunkte im Molekül SG 10.4 Beispiele für zwischenmolekulare Wechselwirkungen SG 10.5 Dipol/Dipol- Wechselwirkungen Van-der-Waals-Wechselwirkungen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen Wasserstoffbrücken Zwischen (permanenten) Dipol-Molekülen treten zwischenmolekulare Wechselwirkungen (elektrostatische Anziehungskräfte) auf. Solche Wechselwirkungen gibt es auch zwischen Dipol- Molekülen und Ionen.

2 SG 10.6 VAN-DER-WAALS- Wechselwirkungen Zwischen unpolaren Molekülen gibt es schwache Wechselwirkungen, die auf spontan induzierten Dipolen beruhen. Bsp.: zwischen Butan und Butan Wasserstoffbrücken SG 10.7 Zwischen stark positiv polarisierten -Atomen (= -Atome, die an F, l, N oder O gebunden sind) und den freien Elektronenpaaren von (anderen) F, l, N oder O-Atomen SG 10.8 Löslichkeit von Stoffen Salze (aufgebaut aus Ionen) oder polare Stoffe (z. B. Zucker) lösen sich in polaren Lösungsmitteln wie z. B. Wasser unpolare Stoffe, z. B. Fette, lösen sich in unpolaren Lösungsmitteln (z. B. Benzin) Ähnliches löst sich in Ähnlichem SG 10.9 Wassermoleküle umhüllen aufgrund elektrostatischer Anziehungskräfte Ionen beim Lösen von Salzen ydratation SG Besondere Eigenschaften von Wasser hoher Siedepunkt von 100 o größte Dichte bei 4 o Eis schwimmt auf Wasser

3 SG Säuren (nach Brönsted) Säuren sind Protonendonatoren ( + -Donatoren). Bsp: l + 2 O 3 O + + l - l + N 3 N l - (Sie können in Reinform Feststoffe (Bsp. Vitamin ), Flüssigkeiten (Bsp. Schwefelsäure) oder Gase (Bsp. Wasserstoffchlorid) sein.) SG Saure Lösungen Saure Lösungen sind wässrige Lösungen, die hydratisierte Oxonium-Ionen ( 3 O + (aq)) enthalten. (Säurerest-Ionen sind negativ geladene Ionen, die durch die Abspaltung eines oder mehrerer Protonen aus Säure-Molekülen entstehen.) SG Bildung saurer Lösungen Nichtmetalloxid + Wasser Säure Bsp.: O O 2 O 3 Säure + Wasser Oxonium-Ion + Säurerest-Ion Bsp.: l + 2 O 3 O + + l - 2 O O 3 O + + O 3 - SG Salzsäure l Wichtige Säuren Kohlensäure 2 O 3 Schwefelsäure 2 SO 4 Salpetersäure NO 3 Phosphorsäure 3 PO 4 SG Basen (nach Brönsted) Basen sind Protonenakzeptoren. Bsp.: O - + l 2 O + l - N 3 + l N l -

4 SG Laugen und alkalische Lösungen Alkalische (basische) Lösungen sind wässrige Lösungen, die ydroxid-ionen (O - (aq)) enthalten. SG Bildung alkalischer Lösungen Lösen von Metallhydroxiden in Wasser Bsp.: NaO Na + + O - Metalloxid + Wasser Metall-Ionen + ydroxid-ionen Bsp.: ao + 2 O a O - Alkali-/Erdalkalimetalle + Wasser Metall- Ionen + ydroxid-ionen + Wasserstoff Bsp.: 2 Li O 2 Li O SG Wichtige Basen Natronlauge NaO Kalilauge KO Kalklauge a(o) 2 Ammoniak N 3 Indikator SG Indikatoren verändern ihre Farbe in Abhängigkeit des p-werts. - Der Universalindikator zeigt an, wie stark sauer oder basisch eine Lösung ist. sauer neutral basisch Bromthymolblau gelb grün blau Phenolphthalein farblos farblos violett Universal- Indikator rot grün/gelb blau Ampholyte SG können je nach Reaktionspartner - sowohl Protonen aufnehmen als auch Protonen abgeben Bsp.: 2 O + l 3 O + + l - 2 O + N 3 O - + N O + 2 O 3 O + + O - weitere Ampholyte: SO 4 -, O 3 -, N 3

5 Säure/Base- Reaktion SG ist eine Protonenübertragungsreaktion (Protolyse) - laufen nach dem Donator/Akzeptor-Konzept ab - Protonen werden von Säure-Teilchen auf Base- Teilchen übertragen SG Reaktion zwischen Oxonium-Ionen und ydroxid- Ionen. Neutralisation 3 O + (aq) + O - (aq) 2 2 O (l) - gleichzeitig bildet sich eine neutrale Salzlösung Bsp.: NaO (aq) + l (aq) 2 O (l) + Nal (aq) SG Methode zur Ermittlung der Stoffmengenkonzentration Titration - Zutropfen einer Maßlösung ( bekannte Konzentration) in ein definiertes Volumen der zu prüfenden Lösung - Umschlag des Indikators Berechnung SG Maß für den Gehalt einer Lösung an Oxonium- Ionen p-wert p < 7 entspricht einer sauren Lösung p = 7 entspricht absolut reinem Wasser oder einer neutralen Lösung p > 7 entspricht einer alkalischen Lösung (basische Wirkung) SG Stoffmengenkonzentration gibt an, welche Stoffmenge (n) in einem bestimmten Volumen (V) einer Lösung vorhanden ist

6 SG Oxidation/ Reduktion Oxidation: Abgabe von Elektronen Oxidationszahl wird erhöht Reduktion: Aufnahme von Elektronen Oxidationszahl wird erniedrigt Redoxreaktion SG sind Elektronenübertragungsreaktionen - Oxidation und Reduktion laufen gleichzeitig ab - Elektronendonator ist das Reduktionsmittel ( wird selber oxidiert) - Elektronenakzeptor ist das Oxidationsmittel ( wird selber reduziert) Redoxgleichung Oxidationszahl SG SG gesamte Redoxreaktion setzt sich aus Teilgleichungen zusammen - Anzahl der abgegebenen und aufgenommen Elektronen muss gleich sein Bsp.: Oxidation: Fe Fe e - 2 Reduktion: Br e - 2 Br - 3 Redox: 2 Fe (s) + 3 Br 2(g) 2 FeBr 3(s) 1. OZ von Atomen im elementaren Zustand = 0 2. Σ der OZ aller Atome im ungeladenen Molekül = 0 3. a) OZ von Atomionen entspricht der Ladungszahl b) Σ der OZ aller Atome im Molekülion = der Ladungszahl 4. Metallionen haben in Verbindungen IMMER eine positive OZ, in der Regel die auptgruppennummer 5. OZ von Fluor in Verbindungen ist IMMER = -I 6. OZ von Wasserstoff in Verbindungen = +I ( : OZ in Metallwasserstoffverbindungen = -I ) 7. OZ von Sauerstoff in Verbindungen = II ( : OZ bei Peroxiden = -I, in Vbdg. mit Fluor = +II) 8. OZ von alogenen in Verbindungen = -I ( : alogensauerstoffverb.)

7 SG Organische hemie Teilgebiet der hemie, welches sich mit Aufbau, erstellung und Eigenschaften der Verbindungen des Kohlenstoffs beschäftigt. SG Kohlenstoff - 4. auptgruppe 4 Valenzelektronen 4 Bindungen - kann Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen ausbilden - beliebig viele Kohlenstoffatome können miteinander verbunden sein SG Kohlenwasserstoffe - aufgebaut aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen - man unterscheidet folgende Stoffklassen: Alkane (nur Einfachbindungen) Alkene (mit Doppelbindung) Alkine (mit Dreifachbindung) cyclische KW (ringförmig verbunden) SG Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel n 2n+2. Alkane Endung (Suffix): -an Bsp.: Ethan SG omologe Reihe der Alkane Methan 4 Ethan 2 6 Propan 3 8 Butan 4 12 Pentan 5 2 exan 6 14 eptan 7 16 Octan 8 18 Nonan 9 20 Decan 10 22

8 SG Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel n 2n. Alkene Endung (Suffix): -en Bsp.: Ethen Alkine SG Bindungswinkel 120 Planar Alkine sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel n 2n-2. Endung (Suffix): -in Bsp.: Ethin Bindungswinkel 180 Linear SG Sind nicht kettenförmig, sondern ringförmig aufgebaut. Sie können Einfach- bzw. Mehrfachbindungen haben. yclische KW Nomenklatur (gesättigter Kohlenwasserstoffe) SG Präfix: yclo- Suffix: -an, -en, -in (je nach Bindung) Bsp.: yclohexan - längste Kohlenstoffkette Stammname - vor diesen Namen setzt man die Bezeichnung der Seitenketten (Methyl-, Ethyl-, Propyl- usw.) - gleiche Seitenketten werden durch Zahlwörter (di-, tri-, tetra-, penta- usw.) zusammengefasst - Seitenketten werden alphabetisch angeordnet - -Atome der auptkette werden so durchnummeriert, dass die Verzweigungsstellen möglichst kleine Zahlen erhalten Zahlen werden den Namen der Seitenketten vorangestellt SG Bsp. Nomenklatur (gesättigter Kohlenwasserstoffe) Ethyl-2,3-dimethylheptan

9 Nomenklatur (ungesättigter Kohlenwasserstoffe) SG Doppelbindung erhält die Endung en, mit zwei Doppelbindungen die Endung dien usw. - Dreifachbindung erhalten die Endung in, mit zwei Dreifachbindungen die Endung -diin usw. - auptkette: möglichst viele Mehrfachbindung, Positionsnummer möglichst klein Zahl vor der Endung -en bzw. in gibt den Ausgangspunkt der Doppelbindung an - Verbindungen mit Doppel- und Dreifachbindungen erhält die Doppelbindung die niedrigste Nummer SG Bsp. Nomenklatur (ungesättigter Kohlenwasserstoffe) 4-Methylhex-2-en SG Konstitutions-Isomerie: Moleküle, die bei gleicher Summenformel unterschiedliche Atomverknüpfungen haben. Isomerie Isomerie (Bsp.) radikalische Substitution SG SG E/Z-Isomerie: Die räumliche Anordnung der Substituenten an der Doppelbindung ist verschieden. Stellungsisomerie: Verbindungen, die sich bei gleicher Summenformel nur in der Stellung der funktionellen Gruppe im Molekül unterscheiden. Konstitutions-Isomerie (Butan) (2-Methylpropan) E/Z-Isomerie 3 3 (Z)-But-2-en (E)-But-2-en Stellungsisomerie 3 2 O 3 O O (Ethanol) 2 6 O (Dimethylether) Reaktion zwischen einem Alkan und einem alogen. Die Reaktion verläuft als Radikalkettenreaktion nach drei Reaktionsschritten ab: 1. Startreaktion (Bedingung: Licht) 2. Kettenfortpflanzung oder Kettenreaktion 3. Rekombination oder Abbruchreaktion Substitution: (von lat. substituere ersetzen ) Ersetzen von Atomen, Atomgruppen oder Molekülen

10 SG Radikal Atom oder Atomgruppe mit ungepaartem Elektron sehr reaktionsfreudig, da Edelgaskonfiguration nicht erreicht ist SG elektrophile Addition nukleophile Addition SG Bei dieser Reaktion werden mindestens zwei Moleküle zu einem vereinigt, wobei Mehrfachbindungen aufgespalten werden. Reaktion zwischen ungesättigten KW (Alkene, Alkine) mit alogenen. Addition (lat. addere hinzufügen) An das -Atom der Aldehydgruppe können Teilchen mit Elektronenüberschuss (z.b. in Form einer negativen Partialladung) angelagert werden. Reaktion zwischen einem Alkohol und einem Aldehyd zu einem alb- bzw. Vollacetal. SG nukleophil (griechisch nukleos = Kern, philos = Freund) Treibhauseffekt Durch Treibhausgase hervorgerufene, zusätzlich zum natürlichen Treibhauseffekt auftretende Erwärmung der Troposphäre. Treibhausgase (Bsp.): Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Distickstoffoxid (Lachgas, N 2 O), Methan ( 4 ), Ozon (O 3 ). alogenkohlenwasserstoffe SG Verbindungen, die neben Kohlenstoff und Wasserstoff auch alogenatome enthalten. Bsp.: FKW (Fluor-hlor-Kohlenwasserstoff) Problem: Gasförmige alogenkohlenwasserstoffe können sich sehr lang in der Stratosphäre halten und dort das schützende Ozon in einer Kettenreaktion zerstören

11 SG Alkohole (Alkanole) sind Kohlenwasserstoffe mit ydroxy-gruppe(n) (-O) mit der allgemeinen Summenformel n 2n+1 O. Alkohole Endung (Suffix): -ol Bsp.: Ethanol Bsp.: Ethandiol O O O prim., sek. und tert. Alkohole SG prim. Alkohol: -Atom an dem die ydroxy-gruppe gebunden ist mit max. 1 -Atom verbunden sek. Alkohol: -Atom,an dem die ydroxy-gruppe gebunden ist mit 2 -Atomen verbunden tert. Alkohol: -Atom an dem die ydroxy-gruppe gebunden ist mit 3 -Atomen verbunden O 3 O O 3 Oxidation prim., sek. und tert. Alkohole SG prim. Alk. Aldehyden arbonsäuren sek. Alkohole Ketonen X tert. Alkohole X Aldehyde SG Aldehyde (Alkanale) sind Kohlenwasserstoffe mit Aldehyd-Gruppe (-O) mit der allgemeinen Summenformel R-O. Endung (Suffix): -al Bsp.: Ethanal 3 O SG Aldehydnachweis Fehling sche Probe: - Kupfersulfat (blau) Kupfer(I)-oxid (ziegelroter Nd.) Silberspiegelprobe (Tollens sche Probe): - gelöste Silberionen werden zu Silber reduziert Silberspiegel am Reagenzglas

12 Ketone SG Ketone (Alkanone) sind Kohlenwasserstoffe mit Keto- (Oxo-)Gruppe (-O--) mit der allgemeinen Summenformel R 1 O R 2. Endung (Suffix): -on Bsp.: Propanon O 3 3 arbonsäuren SG arbonsäuren (Alkansäuren) sind Kohlenwasserstoffe mit arboxyl-gruppe(n) (-OO) mit der allgemeinen Summenformel R-OO. Endung (Suffix): -säure Bsp.: Ethansäure 3 O O Ester SG Veresterung: arbonsäure + Alkohol Ester + Wasser O funktionelle Gruppe: R 1 Nomenklatur: Name der Säure + Name des Alkylrests des Alkohols + Endung -ester O R 2 Benennung funktioneller Gruppen SG Kondensationsreaktion/ ydrolyse SG Kondensationsreaktion: Vereinigung zwischen Molekülen unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (meist Wasser) zu einem größeren Molekül. ydrolyse: Spaltung eines Moleküls unter gleichzeitiger Aufnahme eines Wassermoleküls.

13 SG chemisches Gleichgewicht Stoffebene: Es ist kein Stoffumsatz mehr zu beobachten. Gleichgewichtsreaktion SG Es stehen in- und Rückreaktion miteinander im chemischen Gleichgewicht. Es werden pro Zeiteinheit genau so viele Moleküle gespalten wie gebildet. Bsp.: - Verwendung des Gleichgewichtspfeils: Fettmoleküle SG werden gebildet aus Glycerin (Propantriol) und drei Fettsäuren (langkettige arbonsäuren) - sind Esterverbindungen Tricarbonsäureglycerinester allg. Aufbau: SG Verseifung alkalische Fetthydrolyse Fett + Lauge Glycerin + Seife Seife: Alkali- bzw. Erdalkalisalze der Fettsäuren Kohlenhydrate SG Kohlenhydrate sind aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff zusammengesetzt. Anabolismus Fotosynthese Katabolismus Zellatmung (Innere Atmung)

14 SG Stärke Stärke: verzweigtes Polysaccharid das aus mehreren hundert bis zehntausend α-glucose-molekülen besteht Nachweis mit Iod-Kaliumiodid-Lösung intensive Blaufärbung Aminosäuren SG Stoffklasse organischer Verbindungen mit mindestens einer arboxylgruppe ( OO) und einer Aminogruppe ( N 2 ). Allg. Aufbau: N 2 OO R Aminosäureketten bilden Proteine. SG Eine Peptidbindung ( N O ) ist eine Bindung zwischen der arboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe einer zweiten Aminosäure. Peptidbindung Zwei Aminosäuren können unter Wasserabspaltung zu einem Dipeptid kondensieren. 3 O 3 O 3 2 N O 2 N O O 3 O N N 2 O O