Grundwissen Chemie 10. Klasse SG

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1 Grundwissen hemie 10. Klasse SG Molekülstruktur und Stoffeigenschaften Elektronegativität - Abkürzung: EN - relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms, in einer chemischen Bindung das Bindungselektronenpaar an sich zu ziehen Dipol-Molekül - elektrische Ladung im Molekül ist aufgrund unterschiedlicher EN nicht symmetrisch verteilt auf einer Seite positiver Ladungsüberschuss (δ + ) auf einer Seite negativer Ladungsüberschuss (δ - ) Dipol-Molekül Bsp.: kein Dipol-Molekül Dipol/Dipol- Wechselwirkungen Zwischen Dipol-Molekülen treten zwischenmolekulare Wechselwirkungen auf. Solche Wechselwirkungen gibt es auch zwischen Dipol- Molekülen und Ionen.

2 VAN-DER- WAALS- Wechselwirkungen Zwischen unpolaren Molekülen gibt es schwache Wechselwirkungen, die auf spontan induzierten Dipolen beruhen. Bsp.: zwischen Butan und Butan Wasserstoffbrückenbindung In einer Wasserstoffbrücke ziehen die freien Elektronenpaare der stark elektronegativen Fluor-, Sauerstoff- oder Stickstoff-Atome ein polar gebundenes Wasserstoff-Atom eines weiteren Moleküls an. Elektronenpaar- Abstoßungs-Modell (EPA) 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.

3 Protonenübergänge Säuren (Brönsted) Säuren können in Reinform Feststoffe (Bsp. Vitamin ), Flüssigkeiten (Bsp. Schwefelsäure) oder Gase (Bsp. Wasserstoffchlorid) sein. Säuren sind Protonendonatoren ( + -Donatoren). Säuren mit Säurerestionen Säure Säurerestion Salzsäure l hlorid l - salpetrige Säure NO 2 Nitrit - NO 2 Salpetersäure NO 3 Nitrat NO 3 - schweflige Säure 2 SO 3 Sulfit SO 3 2- Schwefelsäure 2 SO 4 Sulfat SO 4 2- Kohlensäure 2 O 3 arbonat O 3 2- Phosphorsäure 3 PO 4 Phosphat PO 4 3- Saure Lösungen Saure Lösungen sind wässrige Lösungen, die Oxonium-Ionen ( 3 O + (aq)) enthalten. Säurerest-Ionen sind negativ geladene Ionen, die durch die Abspaltung eines oder mehrerer Protonen aus Säure-Molekülen entstehen. Bildung saurer Lösungen Nichtmetalloxid + Wasser Säure Bsp.: O O 2 O 3 2 O O 3 O + + O 3 - Säure + Wasser Oxonium-Ion + Säurerest-Ion Bsp.: l + 2 O 3 O + + l -

4 Laugen (Basen) und alkalische Lösungen Laugen (Basen) sind Feststoffe. Es sind Ionenverbindungen aus positiven Metall-Ionen und negativen ydroxid-ionen (O - ). Alkalische (basische) Lösungen sind wässrige Lösungen die ydroxid-ionen (O - (aq)) enthalten. Bildung alkalischer Lösungen Metallhydroxid Metall-Ionen + ydroxid- Ionen 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 Basen (Brönsted) Basen sind Protonenakzeptoren. Bsp.: O - + l 2 O + l - N 3 + l N l - Basen/ Laugen Lauge Natronlauge Kalilauge NaO KO Kalkwasser a(o) 2 Ammoniak N 3 Ammoniakwasser N 4 O

5 - können sowohl Protonen aufnehmen als auch Protonen abgeben Ampholyte 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 Säure/Base- Reaktion - ist eine Protonenübertragungsreaktion (Protolyse) - laufen nach dem Donator/Akzeptor-Konzept ab - Protonen werden von Säure-Teilchen auf Base- Teilchen übertragen Neutralisation Reaktion zwischen Oxonium-Ionen und ydroxid- Ionen. 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) - ist ein 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)

6 Indikator - Indikatoren verändern die 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 alkalische Lösung + saure Lösung Salzlösung + Wasser Metall + Nichtmetall Salz Metall + saure Lösung Salzlösung + Wasserstoff Metalloxid + saure Lösung Salzlösung + Wasser Metallhydroxid + saure Lösung Salzlösung + Wasser Salzbildungsreaktionen Stoffmengenkonzentration - ist der Quotient aus der Stoffmenge n des gelösten Stoffes und dem Volumen V der Lösung - Formelzeichen: c Einheit: Titration - Methode zur Ermittlung der Stoffmengenkonzentration - Zutropfen einer Maßlösung ( bekannte Konzentration) in ein definiertes Volumen der zu prüfenden Lösung - Umschlag des Indikators

7 Elektronenübergänge Redoxreaktion - sind Elektronenübertragungsreaktionen - Oxidation und Reduktion laufen gleichzeitig ab - Elektronendonator ist das Reduktionsmittel ( wird selber oxidiert) - Elektronenakzeptor ist das Oxidationsmittel ( wird selber reduziert) Redoxgleichung - 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) Oxidationszahl 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.) In der Redoxreihe sind die Metalle entsprechend der Stärke ihres Reduktionsvermögens geordnet. Redoxreihe - Unedle Metalle sind starke Reduktionsmittel werden leicht oxidiert (Bsp.: Li, K, Na, Mg, Al, Zn ) - Edle Metalle sind schwache Reduktionsmittel werden nur schwer oxidiert (Bsp.: u, Ag, g, Pt, Au )

8 Oxidation/ Reduktion Oxidation: Abgabe von Elektronen Oxidationszahl wird erhöht Reduktion: Aufnahme von Elektronen Oxidationszahl wird erniedrigt Merkhilfe: Wasserstoff wird vom Sauerstoff oxidiert O I 2 O -II Oxidationsmittel Teilchen, das andere Teilchen oxidieren kann und dabei selbst reduziert wird Elektronenakzeptor z.b. KMnO 4, NO 3 -, r 2 O 7 2- Reduktionsmittel Teilchen, das andere Teilchen reduzieren kann und dabei selbst oxidiert wird Elektronendonator z.b. 2, Mg, Zn

9 Reaktionsverhalten organischer Verbindungen

10 Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel n 2n+2. Alkane Endung (Suffix): -an Bsp.: Ethan omologe Reihe der Alkane 1 Methan 2 Ethan 3 Propan 4 Butan 5 Pentan 6 exan 7 eptan 8 Octan 9 Nonan 10 Decan Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel n 2n. Alkene Endung (Suffix): -en Bsp.: Ethen Alkine Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel n 2n-2. Endung (Suffix): -in Bsp.: Ethin

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12 Sind nicht kettenförmig, sondern ringförmig aufgebaut. Sie können Einfach- bzw. Mehrfachbindungen haben. yclische KW Nomenklatur (gesättigter Kohlenwasserstoffe) 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 3 Bsp. Nomenklatur (gesättigter Kohlenwasserstoffe) Ethyl-2,3-dimethylheptan Nomenklatur (ungesättigter Kohlenwasserstoffe) - Doppelbindung erhält die Endung en, mit zwei Doppelbindungen die Endung dien usw.. - Dreifachbindung erhalten die Endung in, mit zwei Dreifachbindungen die Endung -diin usw. - die auptkette muss die Mehrfachbindung enthalten, die möglichst am Kettenanfang liegen soll Zahl vor der Endung -en bzw. in gibt den Ausgangspunkt der Doppelbindung an - Verbindungen mit Doppel- und Dreifachbindungen erhält die Doppelbindung die niedrigste Nummer

13 4-Methylhex-2-en Bsp. Nomenklatur (ungesättigter Kohlenwasserstoffe) Isomerie Isomerie (Bsp.) radikalische Substitution Konstitution: Moleküle, die bei gleicher Summenformel unterschiedliche Atomverknüpfungen haben. E-Z-Isomerie (trans-cis-): 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 unterschieden. Konstitution (Butan) (2-Methylpropan) E/Z-Isomerie (Z)-But-2-en (E)-But-2-en Stellungsisomerie O O 3 8 O (Propan-1-ol) O (Propan-2-ol) Reaktion zwischen einem Alkan (gesättigte Kohlenwasserstoffe) und einem alogen. Die Reaktion verläuft als Radikalkettenreaktion nach drei Reaktionsschritten ab: 1. Startreaktion 2. Kettenfortpflanzung oder Kettenreaktion 3. Rekombination oder Abbruchreaktion Substitution: (von lat. substituere ersetzen ) Ersetzen von Atomen, Atomgruppen oder Molekülen

14 elektrophile Addition Bei dieser Reaktion werden mindestens zwei Moleküle zu einem vereinigt, wobei eine Mehrfachbindungen aufgespalten werden. Reaktion zwischen ungesättigten KW (Alkene, Alkine) mit alogenen. Addition (lat. addere hinzufügen) nukleophile Addition 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. nukleophil (griechisch nukleos = Kern, philos = Freund) 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 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 -Atom verbunden tert. Alkohol: -Atom an dem die ydroxy-gruppe gebunden ist mit 3 -Atom verbunden O 3 O O 3

15 Oxidation prim., sek. und tert. Alkohole prim. Alk. Aldehyden arbonsäuren sek. Alkohole Ketonen X tert. Alkohole X Aldehyde Aldehyde (Alkanale) sind Kohlenwasserstoffe mit Aldehyd-Gruppe (-O) mit der allgemeinen Summenformel n 2n+1 O. Endung (Suffix): -al Bsp.: Ethanal 3 O Aldehydnachweis Fehling sche Probe: - Kupfersulfat (blau) Kupfer(I)-oxid (ziegelroter Nd.) Silberspiegelprobe (Tollens sche Probe): - gelöste Silberionen werden zu Silber reduziert Silberspiegel am Reagenzglas Ketone Ketone (Alkanone) sind Kohlenwasserstoffe mit Keto-(Oxo-)Gruppe (-O--) mit der allgemeinen Summenformel n 2n+1 O m 2m+1. Endung (Suffix): -on Bsp.: Propanon O 3 3

16 arbonsäuren arbonsäuren (Alkansäuren) sind Kohlenwasserstoffe mit arboxyl-gruppe(n) (-OO) mit der allgemeinen Summenformel n 2n+1 OO. Endung (Suffix): -säure Bsp.: Ethansäure 3 O O Ester Veresterung: arbonsäure + Alkohol Ester + Wasser O funktionelle Gruppe: R 1 O R 2 Nomenklatur: Name der Säure + Name des Alkylrests des Alkohols + Endung -ester - zunehmende Priorität bei der Benennung funkt. Gruppen Allg. Strukturformel Gleichgewichtsreaktion Präfix- -suffix Alkohol R-O ydroxy- -ol Keton R-O--R Oxo- -on Aldehyd R-O Formyl- -al arbonsäure R-OO arboxy- -säure Ester R-O-O-R -ester Es stehen in- und Rückreaktion miteinander im chemischen Gleichgewicht. - Verwendung des Gleichgewichtspfeils: Bsp.: chemisches Gleichgewicht: Es werden pro Zeiteinheit genau so viele Moleküle gespalten wie gebildet. Daher ist auf der Stoffebene kein Stoffumsatz mehr zu beobachten.

17 Kohlenhydrate sind aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff zusammengesetzt. Kohlenhydrate Anabolismus Fotosynthese Katabolismus Zellatmung (Innere Atmung) Aminosäuren Stoffklasse organischer Verbindungen mit mindestens einer arboxylgruppe ( OO) und einer Aminogruppe ( N 2 ). Allg. Aufbau: N 2 OO R Aminosäureketten bilden Proteine. 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