Die chemische Reaktion

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2 Die chemische Reaktion Die Chemie beschäftigt sich mit Stoffen und ihren Eigenschaften. Die Dinge in unserer Umwelt bestehen aus vielen verschiedenen Stoffen, die häufig miteinander vermischt sind. Mit Hilfe verschiedener Trennmethoden werden Reinstoffe gewonnen. Die Reinstoffe können charakterisiert werden, aber, wenn es sich um Verbindungen handelt, auch noch weiter zerlegt werden in ihre Elemente. Diesen Vorgang nennt man Analyse. Er ist eine chemische Reaktion.

3 Die Synthese Die Umkehrung der Analyse ist die Synthese. Aus Elementen wird ein neuer Stoff hergestellt. Reagieren Schwefel und Silber miteinander, so entsteht der neue Stoff Silbersulfid. Die Reaktion kann mit Hilfe eines Reaktionsschemas und einer Reaktionsgleichung dargestellt werden. Links des Reaktionspfeils stehen dabei die Edukte, rechts die Produkte. Silber + Schwefel --> Silbersulfid 2Ag + S --> Ag 2 S

4 Merkmale einer chemischen Reaktion Typische Beispiele chemischer Reaktionen sind Verbrennungen. Es sind Reaktionen an denen das Element Sauerstoff (O 2 ) beteiligt ist. Merkmale: - Es entstehen neue Stoffe. - Die Eigenschaften des Sauerstoffes und des Brennstoffes werden verändert. - Es wird Energie umgesetzt. - Die Massen der Stoffe bleiben erhalten.

5 Chemische Reaktion im Teilchenmodell Synthese <----> Analyse Von Silbersulfid

6 Chemische Reaktion und Energie Chemische Stoffe haben einen bestimmten Energiegehalt (innere Energie). Nahrungsmittel sind chemische Stoffe mit hohem Energiegehalt. Abfallprodukte des Stoffwechsels, wie Wasser und CO 2 haben einen niedrigen Energiegehalt. Chemische Reaktionen können entweder zu energieärmeren oder energiereicheren Produkten führen. Dies hängt auch vom Energiegehalt der Edukte ab. Energie Nahrung Wachs Silber + Schwefel CO 2 CO 2 Silbersulfid

7 Exotherm und endotherm und Aktivierungsenergie Damit chemische Reaktionen ablaufen braucht es eine Aktivierung der Stoffe. Dies ist unabhänhig vom energetischen Zustand von Produkten und Edukten. Die notwendige Energie heißt Aktivierungsenergie

8 Massenerhaltung Konstante Massenverhältnisse Stöchiometrie Chemische Reaktionen Vollständigkeit Energetik Geschwindigkeit Gleichgewichtslehre Thermodynamik Kinetik

9 Wie geht es weiter? - Bindungen und Verbindungen - Aus dem PSE picken wir uns verschiedene Elemente heraus und schauen sie etwas genauer an: - Sauerstoff (inkl. Luft, Verbrennung, Abgase, Luftreinigung... auch Gaspraktikum) - Wasserstoff (Energiequelle, metallischer Wasserstoff...) - spezielle Elemente (Die Nichtmetalle C, S, P, N, Si...; einige Metalle; Elemente in unserem Körper) - Stöchiometrie (Was reagiert womit und wie viel davon???) - mögliche weitere Themen FS 2010: evtl. Umweltchemie (Dünger, Boden, saurer Regen...); Industrielle Chemie (Nitrate, Phosphate, Sulfate); Spezialthema zu Molekülen, Salzen (z.b. Lösen, Fällen...) oder Metallen (Legierungen...)

10 Welche Elemente reagieren womit? Welche Verbindungen entstehen dabei? Wie leicht laufen chemische Reaktionen ab? --> PSE und Atombau

11 Atombau und PSE Teilchenmodell (seit 400 v. Chr.) Dalton (1803) Atommodelle Thomson (1903) Rutherford (1911) Alk. Alk. H 2 O Alk. Alk. Alk. H He O H Alle Stoffe sind aus kleinen kugelförmigen Teilchen aufgebaut. Verschiedene Stoffe bestehen aus Teilchen, die sich in Masse und Grösse unterscheiden Elementare Stoffe sind aus kleinen kugelförmigen Teilchen aufgebaut, den Atomen. Verschiedene Atome unterscheiden sich in Masse und Grösse. Atome enthalten Ladungen. Es gibt die negative und die positive Ladung, die sich gegenseitig anziehen. Die negative Ladung ist Beweglich. Ein Teilchen mit negativer Ladung nennt man Elektron. Atome bestehen aus dem Atomkern, der positiv geladen ist. Er ist sehr schwer und sehr klein. Ausserdem besitzen Atome Elektronen, die sich in der Atomhülle um den Kern herum befinden. Einfachste Vorstellung des inneren Aufbaus der Materie; Erklärung des Mischungsversuches Unterscheidung zwischen Elementen und Verbindungen; Erklärung der chemischen Reaktion Erklärung der Elektrostatik Erklärung des Streuversuches

12 Fakten zu den Atommodellen - Atome enthalten Ladungen. - Die negativen Ladungsträger sind beweglich --> Elektronen. - Der Kern enthält fast die gesamte Masse. Er ist positiv geladen --> Protonen. - Die Protonen sind nicht allein für die Masse eines Atoms verantwortlich --> Neutronen. Damit ergibt sich eine erste Erklärung für die Anordnung der Elektronen im PSE (Ordnungszahl Z).

13 Isotope und Ionen Die Zahl an Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt. Die Zahl an Neutronen bestimmt die Art des Isotopes und damit die Radioaktivität. (A...Nukleonenzahl: Protonen und Neutronen zus.) Die Zahl an Elektronen hat ebenfalls einen grossen Einfluss. Sie bestimmt die chemischen Eigenschaften des Element. Fügt man Elektronen einem Atom zu oder nimmt Elektronen weg, so entstehen sog. Ionen. Dazu benötigt man Energie. Die Ionisierungsenergie. A Z X Al

14 Ionisierungsenergie Je mehr Elektronen abgespalten werden, desto grösser die Energie die benötigt wird. Warum? Es sind Sprünge vorhanden.

15 Das Schalenmodell der Elektronenhülle Die Elektronen eines Atoms verteilen sich nicht wild in der Atomhülle. Die Elektronen haben unterschiedlich viel Energie. Man kann die Elektronen auf Schalen verteilen, die sich um den Atomkern schichten. Die Schalen können unterschiedlich viele Elektronen aufnehmen (2xn 2, wobei n die Nummer der Schale ist). Man bezeichnet die Schalen mit den Buchstaben K, L, M, N... für die 1., 2., 3., 4... Schale.

16 Elementarteilchen, Schalen und PSE Die Anzahl Elektronen bestimmt auch die Anzahl Elektronen in der äussersten Schale. Dies sind die Valenzelektronen, sie stimmen mit der Nummer der Hauptgruppe überein und bestimmen das chemische Verhalten.

17 Erweiterung; Kugelwolken Schalen sind Aufenthaltsbereiche für Elektronen mit ähnlicher Energie. Schalen enthalten unterschiedlich viele Elektronen. Je grösser die Schale, desto mehr Elektronen (2xn 2 ). Atome sind stabil, wenn Schalen voll besetzt sind bzw. wenn die Elektronenkonfiguration von Edelgasen erreicht wird. Das chemische Verhalten von Elementen kann gut erklärt werden, wenn man die Elektronen zu Paaren zusammen fasst, die sich in einer kugelförmigen Wolke aufhalten.

18 Kugelwolkenmodell Für das Auffüllen der Kugelwolken gelten folgende Regeln: 1. Ausser in der ersten Schale (eine Wolke) werden zunächst je vier Wolken angelegt. 2. Die Wolken werden mit Elektronen entsprechend der Hauptgruppennummer befüllt. 3. Die Wolken sind zunächst nur einfach besetzt (Abstossung der Elektronen). 4. Ab dem 5. Elektron werden die Wolken auch doppelt besetzt. 5. Besetzte Wolken stossen sich ab --> räumlicher Bau von Verbindungen.

19 Kugelwolkenmodelle Atomkerne Kugelwolken einfach besetzt Kugelwolken doppelt besetzt

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21 Lewis-Schreibweise Aus dem Valzenzstrichformel Kugelwolkenmodell ergibt sich die Lewis- Schreibweise von Atomen. Um das Elementsymbole werden Zeichen für die Elektronen in der äussersten unbesetzten Schale gemacht (Valenzelekztronen). Einfach besetzte Kugelwolken werden mit einem Punkt, doppelt besetzte mit einem Strich gekennzeichnet.

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23 Was bisher geschah... Wir haben die Basics der Chemie wiederholt und an der ein oder anderen Stelle vertieft (Chromatographie, Wasserdampfdestillation, Kugelwolkenmodell, Orbitalmodell...). - Uns fehlt noch die Wiederholung der chemischen Reaktion (zumindest die Theorie). - Für einige von euch ist die Stöchiometrie noch ein unbekanntes Gebiet. - Ich möchte noch ein bisschen durchs PSE stöbern und interessante Elemente anschauen. --> Dann geht es in die Biologie!

24 Was es im PSE so alles zu finden gibt! 1. Interessante Nichtmetalle (C und seine Modifikationen, N als Grundstoff für die Industrie, O der Herr der Verbrennung, Si mit Chips, Silikon und Glas, P zum Düngen, S und seine Modifikationen, H und das Wasser...) 2. Metalle in unserem Körper (Ca für die Knochen, Na im Salz, K als Gegenspieler, Fe im Blut, Mg, Zn und Cu als fleissige Helfer) 3. Lebenswichtige Metalle (Die Spurenelemente Sn, V, Cr, Mn, Mo, Co und Ni) 4. Interessante Metalle (Zr und Ti...) 5. Tödliche Metalle (Be, Pb, Cd, Tl, Sb...) 6. Radioaktive Metalle und künstliche Elemente (U, Pu...)

25 Der Beschuss von Atomkernen mit Neutronen führt nicht nur zur Kernspaltung, sondern, durch β- Zerfall auch zur Bildung von Transuranen.

26 Atomverbände Untersucht man, welche Elemente miteinander reagieren und welche Verbindungen stabil sind, so wird klar, dass alle Elemente die Elektronenkonfiguration eines Edelgases anstreben. Diese ist oft durch 8 Elektronen in der äussersten Schale gekennzeichnet (Oktettregel). Um diesen Zustand zu erreichen, müssen (Valenz)elektronen aus der Hülle abgegeben werden oder aufgenommen werden (Entstehung von Ionen). Eine weitere Möglichkeit ist die gemeinsame Nutzung von Elektronen (Moleküle).

27 Bindungstypen

28 Nichtmetalle haben in ihrer äussersten Schale zu wenige Elektronen. Sie müssen e - aufnehmen. Reagieren sie miteinander, so werden Kugelwolken gemeinsam benutzt. Es entstehen räumlich fixierte bindenden Elektronenpaare. Moleküle

29 Wie kommen die Nichtmetalle vor? - Edelgase: stabile Elektronenkonfiguration --> Vorkommen als Atome - Halogene: 1 Elektron fehlt in äusserster Schale --> Vorkommen als 2-atomige Moleküle (Bsp.: Cl 2 ) mit einer gemeinsamen Elektronenwolke - Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff: 1, 2 bzw. 3 Elektronen fehlen --> Vorkommen als 2-atomige Moleküle (beim O 2 2 gemeinsame Elektronenwolken, beim N 2 3 gemeinsame Elektronenwolken) <O=O>

30 Was ist mit dem Rest? Die restlichen Nichtmetalle sind alle in den höheren Perioden des PSE zu finden. Sie besitzen mehr Elektronenschalen und damit einen grösseren Atomradius. Mehrfachbindungen kommen nicht mehr vor. Um stabile Zustände zu erreichen bilden sich Zusammenschlüsse mehrerer Atome über Einfachbindungen. Dabei gibt es meist mehrere Möglichkeiten (Modifikationen). Bsp.: Kohlenstoff (C) als Diamant mit vier fehlenden Elektronen Bsp.: Schwefel (S) mit zwei fehlenden Elektronen

31 Und weitere Nichtmetalle Phosphor: - drei Elektronen fehlen In der äussersten Schale - kommt in verschiedenen Modifikationen vor - weisser Phosphor ist hochgiftig und an der Luft entzündlich --> Leuchten. - Roter Phosphor ist stabiler und ungiftig. Er ist im der Zündhölzlireibefläche enthalten.