Fachschule für f. r Technik. Dipl.FL. D.Strache

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1 Dipl.FL.

2 Chemie Grundlagen Stoffe Eisen, Sauerstoff, Schwefelsäure, Benzin, Luft Reine Stoffe Eisen, Sauerstoff, Schwefelsäure, Benzin Chemische Elemente Eisen, Sauerstoff Chemische Verbindungen Schwefelsäure, Benzin, Zucker Stoffgemische z. B. Luft Metalle Nichtmetalle Anorganische Verbindungen Organische Verbindungen Eisen Sauerstoff Schwefelsäure Benzin Dipl.FL..

3 Chemische Verbindungen Oxide bestehen aus einem Element und Sauerstoff (Kohlendioxid, Kalziumoxid, Aluminiumoxid). Säuren geben positive Wasserstoff-Ionen (Protonen) ab (Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure). Basen Laugen nehmen positiv geladenen Wasserstoff (Protonen) auf (Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Kalziumhydroxid). sind in Wasser gelöste Basen (Natronlauge, Kalilauge, Kalziumhydroxid). Dipl.FL.

4 Chemische Reaktion Bei chemischen Reaktionen werden Stoffe [die Ausgangsstoffe oder Edukte] unter Abgabe oder Aufnahme von Reaktionswärme in andere Stoffe [ Endstoffe oder Produkte] umgewandelt. Aus "Stoff A" (z.b. Kupfer) und "Stoff B" (Schwefel) wird ein neuer "Stoff C. (Kupfersulfid) Dies stellt der Chemiker in einem Reaktionsschema dar: Kupfer + Schwefel Kupfersulfid Dipl.FL.

5 "Kupfer und Schwefel reagieren zu Kupfersulfid Edukte, Reaktionsprozess, Produkt Dipl. Fl.

6 Bei der Reaktion selbst wandeln sich chemische Stoffsysteme in neue Stoffsysteme um. Dabei wird entweder Energie frei (exotherme Reaktion) - HR oder Energie verbraucht (endotherme Reaktion) + HR. Der Reaktionsprozess unterliegt einem Zeitfaktor. Die Änderungen, die dabei in einer bestimmten Zeitspanne auftreten, bezeichnet man als Reaktionsgeschwindigkeit. Damit eine chemische Reaktion überhaupt anläuft, ist in der Regel Aktivierungsenergie oder Das Vorhandensein eines Katalysators notwendig. Dipl. FL.

7 Es existieren verschiedene Typen von Reaktionen. Die Analyse { Stoffzerlegungen } und die Synthese {Stoffvereinigung} Bei der Analyse: Wasser Reaktionstypen ( Umkehrbare Reaktion ) Wasserstoff + Sauerstoff entstehen aus chem. Verbindungen chem. Elemente oder einfachere Verbindungen. Zu dieser Art von Reaktionen gehören die Reduktionen und in der organischen Chemie die Eliminierungsreaktionen. Die Buchstaben in den Beispielen stehen für Atomsorten (ohne Berücksichtigung der Anzahl): Beispiele: Wasser Wasserstoff + Sauerstoff AB A + B oder: Kupferacetat Kupfer + Essigsäure ABCD A + BCD Dipl. FL.

8 Bei Stoffvereinigungen (Synthesen) entstehen aus chemischen Elementen ---- chemische Verbindungen oder aus Verbindungen ---- höhere Verbindungen. Hierzu zählen die Oxidationen, (z.b. die Sulfid Reaktionen ) und in der organischen Chemie die Additionsreaktionen. Beispiele: Kupfer + Schwefel Kupfersulfid A + B AB Kohlenstoffdioxid + Wasser Kohlensäure AB + CB ABC Bei Stoffumsetzungen werden Atome oder Atomgruppen ausgetauscht, z.b. in der anorg. Chemie bei den Redoxreaktionen: Eisenoxid + Aluminium Eisen + Aluminiumoxid B + C A + BC In der organischen Chemie bei den. Substitutionsreaktionen Dipl.FL.

9 Chemische Gesetze Bei chemischen Reaktionen gilt das Gesetz der Erhaltung der Masse. Dieses Gesetz wurde von dem französischen Chemiker Antoine Lavoisier ( ) und dem russischen Naturforscher Michail Wassiljewitsch Lomonossow ( ) formuliert: Das Gesetz der Massenerhaltung Gesetz der Massenerhaltung "Nichts wird bei den Operationen künstlicher oder natürlicher Art geschaffen, und es kann als Axiom angesehen werden, dass bei jeder Operation eine gleiche Quantität Materie vor und nach der Operation existiert". Antoine Lavoisier Dabei berücksichtigten sie allerdings nicht, dass bei einer chemischen Reaktion die Masse auch minimal abnehmen kann, während Energie in die Umgebung abgegeben wird.) Dipl.FL.

10 Der französische Chemiker Joseph Louis Proust ( ) formulierte als erster das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse: der konstanten Massenverhältnisse: Gesetz der konstanten Massenverhältnisse In einer chemischen Verbindung sind die Atome stets in einem bestimmten Massenverhältnis enthalten. Bei einer chemischen Reaktion reagieren die beteiligten Stoffe stets in typischen, konstanten Massenverhältnissen. Joseph Louis Proust Dipl. FL

11 Volumengesetz von Gay-Lussac Der französische Physiker und Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac ( ) formulierte das Volumengesetz: Gase reagieren stets in Volumenverhältnissen kleiner ganzer Zahlen: H 2 und Chlor im Verhältnis 1:1 HCl H 2 und Sauerstoff im Verhältnis 2:1 H 2 O H 2 und Stickstoff im Verhältnis 3:1 (H 3 N) NH 3 Dipl.FL.

12 Satz des Avogadro Der Italiener Amedeo Avogadro ( ) stellte auf der Grundlage dieser Erkenntnisse diese Hypothese auf: In einem bestimmten Gasvolumen sind bei gleichen äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur) immer gleich viele zählbare Einheiten (Teilchen) enthalten, unabhängig um welches Gas es sich handelt. Die als Satz des Avogadro bekannte Aussage besagt, dass in einem Liter Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserdampf gleich viele Wasserstoff-, Stickstoff, Sauerstoff-,Wasser- oder Hexan Moleküle enthalten sind. Dipl.FL.

13 Gleiche Volumina idealer Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl Teilchen oder 1 mol eines jeden idealen Gases besitzt bei gegebener Temperatur und gegebenem Druck dasselbe Volumen. Das bedeutet, dass Unterschiede in der molekularen Struktur (beispielsweise H2, He, H2O, C6H6, keinen Einfluss auf das Volumen haben, solange es sich um ein ideales Gas handelt. Natürlich haben gleiche Volumina unterschiedlicher Gase aber unterschiedliche Massen, weil die Teilchen, aus denen sie bestehen, unterschiedliche Massen haben. Bestimmt man in einem Experiment das Volumen von 2g H2, 28g N2 oder 32g O2, erhält man bei einem Druck von: p = (101,325Pa) 1013,25 mbar und einer Temperatur von T=273,15K oder θ= O o C (Normzustand) jeweils das molare Volumen eines idealen Gases mit 22,414 l/mol ( l.mol -1 ) Umgekehrt kann man auf diese Weise natürlich auch die molare Masse (oder Molmasse) einer Substanz bestimmen. So wiegen 22,414 l Ethen-Gas im Normzustand 28g. Dipl.FL

14 Also beträgt die Molmasse von Ethen 28 gmol -1. Wenn 1mol eines jeden (idealen) Gases dasselbe Volumen besitzt, dann muss das molare Volumen eines jeden Gases gleich viele Moleküle enthalten insgesamt 6, Stück. Diese Zahl heißt Avogadro-Konstante N A =6, mol. Aus der Avogadro-Konstante lässt sich die Loschmidt-Konstante N L ableiten. Sie gibt die Anzahl der Atome oder Moleküle eines idealen Gases pro m 3 an. Loschmidt-Konstante: Dipl.FL

15 Die Stöchiometrie (von gr. Grundstoff und messen ) ist ein grundlegendes mathematisches Hilfsmittel in der Chemie. Mit ihrer Hilfe werden aus der qualitativen Kenntnis der Edukte und Produkte einer Reaktion die tatsächlichen Mengenverhältnisse (Reaktionsgleichung) und Stoffmengen berechnet. In der chemischen Umgangssprache bezeichnet Stöchiometrie nicht die (meist triviale) Berechnung, sondern deren Ergebnis. Die praktische Durchführung einer Reaktion erfolgt häufig unstöchiometrisch, das heißt, dass mindestens ein Edukt im Überschuss eingesetzt wird und daher teilweise erhalten bleibt. Umgangssprachlich: chemisches Rechnen! Dipl.FL

16 Aufstellen von Reaktionsgleichungen Reaktionsgleichungen werden nach der chemischen Zeichensprache in Formelschreibweise angegeben. Dabei gilt: Die Zahl der beteiligten Atome der Ausgangsstoffe entspricht der Zahl der Atome bei den Produkten (nach dem Gesetz der Erhaltung der Masse). Die Reaktionswärme H R wird in kj / mol angegeben (bei Werten <0 wird Energie frei). Wasserstoff + Sauerstoff 2 H 2 + O 2 Wasser 2 H 2 O H R = kj / mol (exotherm) Das Ausgleichen der Gleichung und die Berechnung der Massen und Volumina der beteiligten Stoffe erfolgt mit Hilfe der Stöchiometrie. Dabei dürfen die bei einer Reaktionsgleichung verwendeten chemischen Formeln nicht verändert werden. Es dürfen aber beliebig viele Atome oder Atomverbände verwendet werden (nach dem Gesetz der konstanten Massenverhältnisse). Diese Verhältnisse drücken sich in den ganzen Zahlen vor den chemischen Formeln aus. Zur genauen Ausbeuteberechnung von chemischen Reaktionen werden chemische Einheiten wie die Stoffmenge und die molare Masse benötigt. Dipl.FL

17 Umkehrbarkeit von chemischen Reaktionen Chemische Reaktionen sind prinzipiell auch umkehrbar. So kann aus Wasser durch eine Elektrolyse wieder Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden: Wasser Wasserstoff + Sauerstoff 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 H R = kj/mol (endotherm) Wasserstoff + Sauerstoff Wasser 2 H 2 + O 2 Der Energieumsatz kehrt sich dabei um: Bei der exothermen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff wird Energie frei. Dagegen benötigt man bei der elektrolytischen Zerlegung von Wasser Energie in Form von elektrischen Strom. Verlaufen chemische Reaktionen dagegen in einem geschlossenen System, stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein, so dass Ausgangsstoffe und Produkte in einem bestimmten Mengenverhältnis gleichzeitig vorliegen. Dipl.FL

18 In der Chemie werden Gleichgewichtsreaktionen mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet bei dem jeder Pfeil jeweils nur eine halbe Spitze besitzt. Dieser wird auch als Gleichgewichtspfeil bezeichnet. Die Hin Reaktion verläuft von links nach rechts. Die Rückreaktion von rechts nach links. Ein chemisches Gleichgewicht liegt dann vor, wenn bei einer umkehrbaren chemischen Reaktion Hin- und Rückreaktion mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen. Beispiel: Hin- und Rückreaktionen Ein Molekül Ammoniak und ein Molekül Wasser stehen im Gleichgewicht zu einem Ammonium Ion und einem Hydroxidion. Die quantitative stoffliche Zusammensetzung des Gleichgewichts gehorcht dem Massenwirkungsgesetz. Dipl.FL

19 Zusammenfassung: Gesetz von der Erhaltung der Masse: Bei chem. Reaktionen bleibt die Gesamtmasse aller Stoffe unverändert. Gesetz der konstanten Masseverhältnisse: Das Massenverhältnis der Elemente in einer Verbindung ist immer konstant. Mol: 1 Mol einer Substanz ist jene Menge, die aus 6, mal 1023 Teilchen ( Atom, Molekülen, ) bestehen. Gesetz von Avogadro: Bei Normalbedingungen (Temperatur 0 o C, Druck 1013 mbar hat ein Mol jedes Gases ein Volumen von 22,4 Liter (Molvolumen). Enthalpie: Die bei chem. Reaktionen auftretende Energie wird als Enthalpie bezeichnet. Exotherme Reaktion: Energieabgabe bei der chem. Reaktion ( - HR ) Endotherme Reaktion: Energieaufnahme bei der chem. Reaktion ( + HR ) Aktivierungsenergie: Benötigte Startenergie für die chem. Reaktion. Reaktionsgeschwindigkeit: Sie hängt von den wirksamen Zusammenstößen bei der chem. Reaktion ab. Viele hohe Geschwindigkeit ; wenige geringe Geschwindigkeit Katalysator: Sie setzten die Aktivierungsenergie herab. Dipl.FL.

20 Fragen: chem. Reaktionen Teil 1 1.Welche der folgenden Stoffe sind heterogene Gemenge, homogene Gemenge und welche sind Reinstoffe? Brot, Kochsalz, Kristallzucker, Milch, Wein, und Tinte. 2. Wie können folgende Gemenge getrennt werden: Zucker und Sand b) Wasser und Zucker c ) Alkohol und Wasser 3.Wie kann aus der bei der Müllverbrennung entstehenden Asche der darin enthaltene Eisenschrott abgetrennt werden? 4.Ist die Elektrolyse von Wasser eine exotherme oder eine endotherme Reaktion? Dipl.FL.

21 Fragen: chem. Reaktionen Teil 2 Was bedeuten folgende Formelschreibweisen: HCl, CO 2, H 3 PO 4, 3Fe, 2O 2, 4NH 3 Dipl.FL.

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