Vorlesung Chemie. Gliederung der Vorlesung. Hochschule Landshut. Fakultät für Maschinenbau. Dozenten Prof. Dr. Pettinger

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1 Vorlesung Chemie Fakultät für Maschinenbau Dozenten Prof. Dr. Pettinger Folie Nr. 1 Gliederung der Vorlesung Folie Nr. 2 1

2 Literaturempfehlungen Guido Kickelbick, Chemie für Ingenieure, 2008, Verlag Pearson Studium, 39,95 Tarsilla Gerthsen, Chemie für Maschinenbau, Band 1: Anorganische Chemie für Werkstoffe und Verfahren, 2008, Universitätsverlag Karlsruhe, 39,90 Band 2: Organische Chemie für Kraft- und Schmierstoffe, Polymerchemie für Polymerwerkstoffe, 2008, Universitätsverlag Karlsruhe, 27,70 Basiswissen Schule Chemie Abitur, 2007, Dudenverlag, 22,95 Folie Nr. 3 Hinweise zur Nutzung der Präsentation Diese Unterlagen zur Vorlesung Chemie sind ausschließlich als Unterstützung zur Vorlesung vorgesehen. Diese Unterlagen zur Vorlesung Chemie dürfen nur im Rahmen des Studiums an der verwendet werden. Diese Unterlagen zur Vorlesung Chemie dürfen nicht vervielfältigt werden. Diese Unterlagen zur Vorlesung Chemie dürfen nicht auch nicht auszugsweise ohne die Genehmigung des Autors veröffentlicht werden. Einige Quellenangaben sind noch nicht vervollständigt. Dies wird bei der nächsten Überarbeitung nachgeholt. Für Anregungen, Verbesserungsvorschläge, Kritik oder Hinweise auf Errata ist der Autor dankbar. Folie Nr. 4 2

3 1. Einführung Allgemeines Atomaufbau Periodensystem Bindungsarten Folie Nr Allgemeines Was ist Chemie (Definitionen, Begriffe) Eigenschaften und Stofftrennung Wichtige Naturkonstanten Folie Nr. 6 3

4 Was ist Chemie? Definition: Chemie ist die Naturwissenschaft, die sich mit der Eigenschaft, der Zusammensetzung und der Umwandlung der Elemente und ihrer Verbindungen sowie der daran beteiligten Energie beschäftigt. Folie Nr. 7 Chemie und ihre Teilgebiete Bildquelle: Basiswissen Schule Chemie Abitur, Duden-Verlag Folie Nr. 8 4

5 Welche wichtigen Begriffe gibt es? Moleküle Beispiel: Kohlendioxid CO 2 bestehen aus Protonen (+) bestehen aus Atomkerne Chemische Elemente bestehen aus Atome bestehen aus Neutronen Beispiele: Kohlenstoff C Sauerstoff O Beispiel: Kohlenstoffatom Elektronen (-) Bildquelle: Bildquelle: Folie Nr. 9 Elementhäufigkeiten Folie Nr. 10 5

6 Moleküle und ihre Darstellung Basiswissen Schule Chemie Abitur, Duden-Verlag Folie Nr. 11 Aggregatszustände Fest Flüssig Gasförmig Feststoff: besitzt stabile Form, nimmt definierten Raum ein Flüssigkeit: keine stabile Form, passt sich der Form eines Behältnisses an, füllt ein Behältnis bis zu einem definierten Volumen Gas: verteilt sich gleichmäßig im gesamten Volumen eines Behälters, keine stabile Form In Abhängigkeit von Temperatur und Druck sind alle drei Aggregatszustände bei fast allen Stoffen möglich! Folie Nr. 12 6

7 Was sind Stoffe? Stoffe Reinstoffe bestehen nur aus einem Element oder einer chemischen Verbindung (Molekül) Gemische bestehen aus mindestens zwei Stoffen (auch Stoffgemische, Stoffgemenge) homogen heterogen Gleichartiges Aussehen z.b. Cola (Zucker, Phosphorsäure, Wasser etc.) Unterschiedliches Aussehen z.b. Sand und Eisenteilchen Folie Nr. 13 Eigenschaften und Stofftrennung Folie Nr. 14 7

8 SI-Einheiten Folie Nr. 15 Präfixe für SI-Einheiten n p f a Folie Nr. 16 8

9 Abgeleitete SI-Einheiten (1) Folie Nr. 17 Abgeleitete SI-Einheiten (2) Folie Nr. 18 9

10 Abgeleitete SI-Einheiten (3) Folie Nr. 19 Wichtige Naturkonstanten Folie Nr

11 1.2. Atomaufbau Frühere Atommodelle Chemische Elemente Isotope Quantenmechanisches Atommodell Folie Nr. 21 Rutherfordscher Streuversuch 1909 Sir Ernest Rutherford (neuseel. Physiker, ); Nobelpreisträger für Chemie 1908 α-strahlen (500 nm) Bildquelle: Bildquelle: Ergebnis: Folie Nr

12 Rutherfordscher Atommodell Ø Kern: m Ø Hülle: m Modell: Atom besteht aus einem punktförmigen massereichen, positiv geladenen Kern und einer viel größeren kugelförmigen gleichförmig negativ geladenen Hülle (Elektronen), die die positive Kernladung kompensiert Anzahl der Elektronen entspricht der Kernladungszahl Probleme: Erklärung von Emission und Absorption von Energiequanten (keine Erklärung von Spektrallinien diverser Gase) Warum stürzen die Elektronen nicht in den Kern, obwohl kreisende und damit beschleunigte Ladung nach Maxwell ständig Energie abstrahlt? Langsames in den Kern stürzendes Elektron könnte jede Frequenz abstrahlen unmöglich wegen quantisierter Energieniveaus: E= h f (h Plank sches Wirkungsquantum, f Frequenz) Folie Nr. 23 Der Atomaufbau Beispiel: Kohlenstoffatom Nukleonen Folie Nr

13 Die chemischen Elemente Derzeit 118 Elemente bekannt Gekennzeichnet durch Atomnamen und Symbol Namen und Symbol wird von der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) vergeben Charkterisiert durch Protonenzahl (Kernladungszahl, Ordnungszahl) Z und Massenzahl A Massenzahl A = Z + N (N: Neutronenzahl) A Schreibweise: Symbol z.b. C Z 12 6 Folie Nr. 25 Isotope Atome gleicher Ordnungszahl aber mit unterschiedlicher Massenzahl: z.b. Wasserstoff: Häufigkeit 1 Protium H 99,985 Deuterium H (D) 0,015 %. Tritium H (T) 1* radioaktiv Bildquelle: Folie Nr

14 Atommasse Berechnung z.b. Kohlenstoff-Isotop 12 C: 6 Protonen (1,67261*10-24 g) = 10,03566 *10-24 g 6 Neutronen (1,67492*10-24 g) = 10,04952 *10-24 g 6 Elektronen (0,91094*10-27 g) = 0,00547 *10-24 g Summe: 20,07971 *10-24 g Tatsächliche Masse von 12 C: 19,924 *10-24 g Massendefekt: 20,07971 *10-24 g - 19,924 *10-24 g = 0,15571 *10-24 g E = m * c 2 Massendefekt 1,494 * J/Atom Folie Nr. 27 Massendefekt pro Nukleon Kernfusion Kernspaltung Folie Nr

15 Die chemischen Elemente (Beispiele) Z: Kernladungszahl Folie Nr. 29 Das Bohrsches Atommodell 1913 Niels Bohr (dänischer Physiker ): Bildquelle: Basiswissen Schule Chemie Abitur, Duden-Verlag Folie Nr

16 Bohrsches Atommodell - Grundlagen 1 Die Elektronen befinden sich in Schalen K,L,M,N.., d.h. auf diskreten Bahnen Die Anzahl der Elektronen beträgt pro Schale maximal 2n² und entspricht der Anzahl der Elemente in einer Periode Elektron hat die geringste Energie auf der K- Schale Basiswissen Schule Chemie Abitur, Duden-Verlag Folie Nr. 31 Bohrsches Atommodell - Grundlagen 2 Wenn sich das Elektron beim Wasserstoffatom auf der innersten Bahn befindet und die geringste Energie hat, befindet sich das Atom im Grundzustand Zufuhr von Energie Elektron kann in weiter entfernte Bahn springen (höherer Energiezustand, angeregter Zustand) Zurückfallen in den Grundzustand definierter Energiebetrag wird frei: E= h c/λ (λ Wellenlänge des emittierten Lichts) Folie Nr

17 Bohrsches Atommodell - Grundlagen 3 Erklärung der Wasserstoff-Spektrallinien mit Hilfe des Bohr schen Atommodells Folie Nr. 33 Quantenmechanisches Atommodell Grundlage: Welle-Teilchen-Dualismus Max Planck: E = h ν (ν Frequenz der Strahlung) Albert Einstein: E = m c² (m Masse des bewegten Teilchens, c Lichtgeschwindigkeit) c = ν λ (λ Wellenlänge der Strahlung) Louis de Broglie: λ = h/m c bzw. λ = h/m v für v c (v Geschwindigkeit des Teilchens) Bildquelle: Folie Nr

18 Welle-Teilchen-Dualismus Elementarteilchen können - je nach Untersuchungsbedingungen als Korpuskel (Teilchen) oder Welle wirken Heisenbergsche Unschärferelation (Werner Heisenberg 1926): Je genauer die Wellenlänge eines Elektrons erfasst wird, desto ungenauer ist ihm ein bestimmter Ort zuzuordnen. Es ist daher unmöglich den Impuls und den Aufenthaltsort eines Elektrons gleichzeitig zu bestimmen: Verknüpfung von Ort x und Impuls (mv): x (mv) h/(4 π) Aussagen über genauen Aufenthaltsort von Elektronen in Atomen und damit die Zuweisung von Elektronenbahnen nicht möglich! Folie Nr. 35 Schrödinger-Gleichung Erwin Schrödinger ( ): Elektron als stehende Welle (1923) Berechnung von Wellenfunktionen für Elektronen in Atomen Differentialgleichung 2. Ordnung für stehende Kugelwelle: Herleitung: H.R. Christen, Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie δ ² Ψ δ ² Ψ δ ² Ψ 8π ² m ( E V ) Ψ = 0 δx² δy² δz² h² Ψ Schwingungsamplitude E Gesamtenergie V potentielle Energie Ψ² = Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons M Masse des Elektrons x,y,z Koordinaten im Raum Orbital (Raum) als Konvention: 90%-ige Wahrscheinlichkeit, dass sich das Elektron in diesem Raum aufhält Beschreibt das Verhalten von Mikropartikeln vollständig Folie Nr

19 Orbitale und Quantenzahlen Basiswissen Schule Chemie Abitur, Duden-Verlag Folie Nr. 37 Beziehung zw. Quantenzahlen 7 Folie Nr

20 Orientierung der Orbitale im Raum Folie Nr. 39 Elektronenzahl in Orbitalen Folie Nr

21 Orbitalbesetzung Energetische Abfolge der Orbitale Merkschema Folie Nr. 41 Hund sche Regel Friedrich Hund (deutscher Physiker ): Bei der Besetzung von energiegleichen Orbitalen müssen zuerst alle mit je einem Elektron besetzt werden. Erst dann dürfen sie auch mit einem zweiten Elektron besetzt werden. Beispiel: Kohlenstoff-Atom: Falsch Kernladungszahl 6 6 Elektronen Richtig Energie 2p 2s Energie 2p 2s 1s 1s Folie Nr

22 Beispiele Elektronenkonfiguration Folie Nr