Albrecht-Altdorfer Gymnasium Regensburg

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1 Albrecht-Altdorfer Gymnasium Regensburg Foto: hristoph Goppel Grundwissen hemie Dieses Grundwissen basiert hauptsächlich auf dem hemie-grundwissen des hristoph-jacob-treu Gymnasiums in Lauf, welches im Rahmen des SINUS- Projektes erarbeitet und weiteren Projektgruppen zur Verfügung gestellt wurde. Allen Beteiligten gilt an dieser Stelle ein herzliches DANKESÖN. Zusätzlich wurden Diskussionsergebnisse der Fachschaft hemie des Albrecht- Altdorfer Gymnasiums in die Datei eingearbeitet.

2 1 1 Naturwissenschaftliches Arbeiten 2 2 E Aggregatzustände kleinstes Teilchen 3 3 Einteilung der Stoffe Stoff Reinstoff Gemisch Reinstoff Stoff Mischen Trennen Bei gleichen Bedingungen (Temperatur, Druck): immer gleiche Kenneigenschaften (z.b. Farbe, Geruch, Geschmack, Aggregatzustand, Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte) z.b.: Gold, Wasser, Traubenzucker homogen Stoffgemisch Keine konstanten Kenneigenschaften, die Kenneigenschaften ändern sich mit der Zusammensetzung. heterogen 4 einheitliches Aussehen (z.b. Luft) verschiedene Stoffe erkennbar (z.b. Zigarettenrauch) 4 Einteilung der Stoffe Reinstoff Reinstoff Element Verbindung Atom Element besteht aus nur einer Atomart Molekül z.b. Gold Wasserstoff Au 2 Verbindung besteht aus verschiedenen Atomarten in einem festen, für die Verbindung charakteristischen Zahlenverhältnis z.b. Wasser 2

3 hemische Reaktion 5 hemische Reaktionen sind Stoff- und umwandlungen. Auf Teilchenebene sind sie gekennzeichnet durch: 5 Umgruppierung von Atomen Trennung und Neubildung von chemischen Bindungen erfolgreiche Teilchenzusammenstöße Auf Stoffebene sind sie gekennzeichnet durch: Änderung der Kenneigenschaften z.b wird frei 6 6 Grundtypen chemischer Reaktionen Synthese: A + B z.b.: Wasserstoff Sauerstoff Wasser Analyse: A + B z.b.: Wasser Wasserstoff Sauerstoff Umsetzung: A + B + D z.b.: Wasser Magnesium Wasserstoff Magnesiumoxid 7 7 Nachweisreaktionen Glimmspanprobe Sauerstoff Verbrennung in reinem Sauerstoff ist heftiger als in Luft B: glimmender olzspan glüht auf Knallgasprobe Wasserstoff Wasserstoff in Kontakt mit Sauerstoff explosionsfähig B: typ. pfeifendes Geräusch (Druckwelle) bei Entzündung Kalkwasserprobe Kohlenstoffdioxid Kohlstoffdioxid bildet in Kalkwasser (alciumhydroxid- Lösung) schwer lösliches Salz (alciumcarbonat =Kalk) B: weißliche Trübung 8 8 Innere E i exotherm Der gesamte vorrat im Inneren eines Systems ist dessen innere E i. Einheit : 1 kj (alte Einheit: kcal) abgabe bei einer chemischen Reaktion: exotherme Reaktion (E i < 0). aufnahme bei einer chemischen Reaktion: endotherme Reaktion (E i > 0). endotherm System mit der inneren E i exotherm endotherm andere formen, z.b. Wärme, el. Licht

4 9 9 Die Änderung der inneren eines Systems bei chemischen Reaktionen kann durch ein diagramm dargestellt werden. diagramm exotherme Reaktion E i E 1 Edukt(e) Aktivierungsenergie E A frei werdende Reaktionsenergie ΔE i < 0 E 2 Produkt(e) Reaktionsverlauf Die Änderung der inneren eines Systems bei chemischen Reaktionen kann durch ein diagramm dargestellt werden. diagramm endotherme Reaktion E i E 2 Produkte Aktivierungsenergie E A aufgenommene Reaktionsenergie ΔE i > 0 E 1 Edukte Katalysator 11 Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Aktivierungsenergie herabsetzt (durch einen anderen Reaktionsweg) dadurch die Reaktion beschleunigt und nach der Reaktion unverändert vorliegt. E i E Edukte Aktivierungsenergie E A mit Katalysator Reaktionsverlauf Aktivierungsenergie E A ohne Katalysator frei werdende Reaktionsenergie ΔE i < 0 11 E Produkte 12 Reaktionsverlauf 12 Molekül Teilchen, die aus mindestens zwei Nichtmetall - Atomen bestehen, werden als Moleküle bezeichnet. Moleküle von Elementen bestehen aus gleichartigen Atomen (l 2, 2, N 2, 2 ), Moleküle von Verbindungen aus verschiedenartigen Atomen (N 3, 2, 2, 4 ). Beispiele: Wasserstoffmolekül Sauerstoffmolekül Wassermolekül Kohlenstoffdioxidmolekül

5 Salze Kationen und Anionen 13 1 Atom-Ionen und Molekül-Ionen Kationen Salz Nal Anionen Na + l - N 4l N 4 + a(n 3) 2 l - a 2+ N 3 - N 3-13 Salze: Verbindungen aus Ionen Kationen: positiv geladene Ionen Anionen: negativ geladene Ionen Atom-Ionen z.b.: Na +, a 2+, l - Molekül-Ionen z.b.: N 4 +, S 4 2-, N Verhältnisformel Molekülformel Die Verhältnisformel gibt Art und Zahlenverhältnis der Ionen in einem Salz (Metall- Nichtmetall-Verbindung) an. Die Molekülformel gibt an, aus welchen und aus wie vielen Atomen jeweils ein Molekül (Nichtmetall- Nichtmetall-Verbindung) besteht. Nal af (Wasserstoffperoxidmolekül) 4 10 (Butanmolekül) Atommodelle Modell nach Dalton stufenmodell rbitalmodell (ab / ) 15 Masse -Atom 12u -Atom 1u n=3 n=2 n=1 n=1 16 Daltonsche Atommodell 15 Atom als kompakte Kugel (z.b.: -Atom, -Atom) stufenmodell oder Quantenmodell beschreibt den Aufbau der Atomhülle Elektronen auf stufen verteilt eine stufe kann von maximal 2n 2 Elektronen besetzt werden rbital: Raum um den Atomkern, in welchem ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist. rbitalmodell: beschreibt die Atombindung: jedes rbital kann maximal mit zwei Elektronen besetzt werden Atombindung kommt durch Überlappung zweier einfach besetzter rbitale zustande Molekülorbital 16 Atomhülle: Elektronen e - Atomkern: Neutronen n und Protonen p + Atom A X Z (Lithium) 3 p +, 4 n, 3 e - Kernladungszahl: Z= 3 (= rdnungs-, Elektronen-, Protonenzahl) Nukleonenzahl A: A=7 rel. Atommasse m A: 7 u Neutronenzahl: N = 4 Protonenzahl Z (rdnungszahl) definiert die Atomart. Neutronenzahl N Nukleonenzahl A (Massenzahl) A = Z + N Isotope unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen und haben daher eine unterschiedliche Masse. z.b.: 12 6 und 14 6

6 Edelgasregel (ktettregel) a) Bildung von Ionen Energi e Edelgas-Atome besitzen acht Valenzelektronen. (Ausnahme: elium - 2 Valenzelektronen) Teilchen mit acht/zwei Valenzelektronen sind besonders stabil und somit reaktionsträge. Bei einer chemischen Reaktion können Atome ein Elektronenoktett/-duplett erreichen: Bei der Reaktion von Metall und Nichtmetall entstehen dabei Ionen: Na Na + + 1e - l 2 + 2e - 2 l - Ionen entstehen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen. 18 Wenn Nichtmetallatome miteinander reagieren findet keine Ionenbildung statt, sondern es entsteht eine Atombindung durch gemeinsames Nutzen eines Elektronenpaares. Edelgasregel (ktettregel) b) Bildung von Molekülen Atombindung (kovalente Bindung / Elektronenpaarbindung) bindendes Elektronenpaar nicht bindendes Elektronenpaar Jedes Atom erreicht mit ilfe der zusätzlichen Elektronen des Bindungspartners den stabilen Edelgaszustand (ktett/duplett). Bei einer Doppelbindung (Dreifachbindung) werden zwei (drei) Elektronenpaare gemeinsam genutzt. hemische Bindung Ionenbindung Metallbindung Atombindung Jede chemische Bindung beruht auf der Wechselwirkung (Anziehungs- und Abstoßungskräfte) zwischen positiven und negativen Ladungen. positive Teilchen negative Teilchen Ionenbindung Metallbindung Atombindung Kationen Atomrümpfe Atomkerne Anionen Elektronen(gas) (delokalisierte Elektronen) Bindungselektronen Valenzstrichformel (Strukturformel) Valenzstrichformeln enthalten Striche zur Symbolisierung bindender und nicht bindender Elektronenpaare in Molekülen. Die Valenzstrichformel erlaubt die Andeutung von Bindungswinkeln. Es gilt stets die Edelgasregel. Beispiel Wassermolekül: (-Atom: Elektronenkonfiguration des Neonatoms, gewinkelt -Atom: Elektronenkonfiguration des eliumatoms) Beispiel Kohlenstoffdioxidmolekül: (-Atom: ktett, ülle des Neonatoms -Atom: ktett, ülle des Neonatoms) linear

7 Elektronegativität EN polare Atombindung 21 Elektronegativität 21 Eigenschaft der Atome, Bindungselektronen anzuziehen Die EN hängt von der Kernladung und der Größe der Atome ab. Die EN nimmt im PSE von links unten nach rechts oben zum Fluor hin zu Dipol: kein Dipol: + l Zwischenmolekulare Wechselwirkungen Van der Waals WW Dipol-Dipol-WW Wasserstoffbrücken In einer polaren Atombindung zieht der Bindungspartner mit der höheren EN die Bindungselektronen stärker an. Dadurch entstehen Partialladungen. Die Atombindung ist umso polarer, je größer die Elektronegativitätsdifferenz EN ist. van der Waals WW NTG 22 Anziehungskräfte zwischen spontanen und induzierten Dipolen steigen mit zunehmender Kontaktfläche und Molekülmasse wirken zwischen allen Molekülen (auch unpolaren) Dipol-Dipol-WW WW zwischen permanenten Dipol-Molekülen (z.b. l) Wasserstoffbrücken + + sind besonders starke Dipol-Dipol-WW sind bei geringer Molekülgröße die stärksten WW kommen nur bei Wasserstoffverbindungen von Stickstoff, Sauerstoff und Fluor vor. F F 23 Teilchenmasse (Atom-, Molekül-, Ionenmasse) Die Masse eines Teilchens (Atom, Molekül, Ion) kann in der Einheit Gramm g oder in der atomaren Masseneinheit u angegeben werden. Ein u ist definiert als der 12. Teil der Masse eines Kohlenstoffatoms u 1,66 10 g 23 1g 6, u Angabe der Quantität einer Stoffportion durch: Masse m, Volumen V, Teilchenanzahl N, Stoffmenge n Stoffmenge n [n] = 1 mol V( 2) = 1 l n( 2) = 55,56 mol m( 2) = 1000g Wasser (4 o N( ) 2) 3, (Teilchen) 1 Mol ist diejenige Stoffmenge, die aus 6, Teilchen besteht. (Def.: 1 Mol ist die Stoffmenge einer Stoffportion, die aus ebenso vielen Teilchen (Atomen, Molekülen, Ionen) besteht, wie Atome in 12 g des Kohlenstoffatoms 12 enthalten sind) 1 mol entspricht 6, Teilchen

8 25 25 Zusammenhang zwischen Quantitäts- und Umrechnungsgrößen m Mn m n M N m n N m A V V m n c V A n m m A Stoffmenge [mol] Masse [g] Atommasse [u] M Molare Masse [ V V m Volumen [L] g mol ] Molares Volumen (Gase: 24,5 l mol ) N Teilchenanzahl N A Avogadrokonstante (6, mol ) c Konzentration [ mol l ] Säure - saure Lösung neutrale Lösung Base basische / alkalische Lösung Säure: Protonendonator Saure Lösungen entstehen aus der Reaktion einer Säure mit 2 enthalten mehr xonium- als ydroxidionen(beispiel: Salzsäure) n ( 3 + ) > n ( - ) Neutrale Lösungen enthalten gleich viel Teilchen beider Ionensorten: n ( 3 + ) = n ( - ) Base: Protonenakzeptor Alkalische Lösungen entstehen aus der Reaktion einer Base mit 2 enthalten mehr ydroxid- als xoniumionen:(beispiel: N 3) n ( 3 + ) < n ( - ) Wichtige Säuren Wichtige Laugen hlorwasserstoff Lösung: Salzsäure Magensäure 28 Säure l l aq Säure-Anion hlorid l -- Salpetersäure N 3 Nitrat N 3 - zur Düngerherstellung, Sprengstoffherstellung Schwefelsäure 2S 4 Sulfat S 4 2- in Autobatterien; im sauren Regen Kohlensäure 2 3 arbonat 3 2- in Erfrischungsgetränken Phosphorsäure 3P 4 Phosphat 3- P 4 in geringen Mengen in ola enthalten 28 Ist die wässrige Lösung von Natronlauge Natriumhydroxid Na in Rohrreiniger, Laugengebäck Kalilauge Kaliumhydroxid K zum Abbeizen Kalkwasser alciumhydroxid a() 2 2-Nachweis, Kalkmörtel Ammoniakwasser Ammoniak (N 3 ) Pferdemist, aarfarbe, Riechsalz

9 29 71 Einer Protolyse ist eine chemische Reaktion, bei der Protonen übertragen werden. 29 Protolyse Neutralisation Bei einer Neutralisation findet ein Protonenübergang von xonium-ionen auf ydroxid-ionen unter Wasserbildung statt: Bei der Reaktion äquivalenter Mengen einer starken Säure mit einer starken Base bildet sich eine neutrale Lösung (p=7). Säure + Base z.b.: l + Na Salz + Wasser Nal + 2 Säure-Base-Titration 30 Quantitatives Verfahren zur Bestimmung einer unbekannten Konzentration eines gelösten Stoffes (z.b. Säure) durch schrittweise Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration (Maßlösung, z.b. Lauge) bis zum Äquivalenzpunkt ÄP (zu erkennen an der Änderung der Indikatorfarbe). Bürette Am ÄP gilt für die Titration von Säuren und Basen: n( 3 + ) = n( - ) 30 zu bestimmende Säurekonzentration p - Wert Der p-wert ist ein Maß für die xoniumionen-konzentration einer wässrigen Lösung. p = - lg {c( 3 + )} Daher ist der p-wert auch ein Maß für den sauren, neutralen oder basischen harakter einer wässrigen Lösung. es gilt: saure Lösung: p < 7 neutrale Lösung: p = 7 basische Lösung: p > 7 p-skala; Färbung mit Universalindikatorlösung: Salzsäure, c 1 mol l 32 ola destilliertes Wasser Natronlauge mol c 1 l 32 xidation und Reduktion xidation: Reduktion: Abgabe von Elektronen (xidationszahl steigt) Aufnahme von Elektronen (xidationszahl sinkt) xidationsmittel: nimmt Elektronen auf und wird dabei selbst reduziert Reduktionsmittel: gibt Elektronen ab und wird dabei selbst oxidiert Redoxreaktion: chemische Reaktion, bei der Elektronen übertragen werden.

10 Elektrolyse Batterie (galvanisches Element) Elektrolyse: Redox-Reaktion wird durch Zufuhr von elektrischer erzwungen Galvanisches Element: Redox-Reaktion setzt elektrische frei. Elektrolyse Galvanisches Element ZnI 2 Zn + I 2 E i > 0 Zn + I 2 ZnI 2 E i < 0 erzwungen freiwillig Prinzip Fast alle chemischen Reaktionen können als Donator- Akzeptor-Reaktionen beschrieben werden. Protolyse-Reaktion: Protonen werden übertragen Redox-Reaktion: Elektronen werden übertragen Protolyse-Reaktion Redox-Reaktion Protolyse- Reaktion Donator Säure Akzeptor Base Redox - Reaktion Reduktionsmittel xidationsmittel omologe Reihe omologe Reihe: Reihe von chemisch verwandten Verbindungen, bei denen jedes Molekül eine 2 - Gruppe (Methylengruppe) mehr aufweist als das vorhergehende Molekül. Beispiel Alkane: Methan exan Ethan eptan Propan ctan Butan Nonan Pentan Decan Allgemeine Summenformeln: omologe Reihe der Alkane: n 2n+2 omologe Reihe der Alkene: n 2n omologe Reihe der Alkine: n 2n-2 Funktionelle Gruppen Die funktionellen Gruppen bestimmen das Reaktionsverhalten der organischen Verbindungen. Alkene Doppelbindung Alkohole ydroxygruppe arbonylverbindungen (Aldehyde und Ketone) arbonylgruppe 36 funktionelle Gruppen Alkine Dreifachbindung arbonsäuren Ester Amine N arboxygruppe Esterbindung Aminogruppe

11 37 37 Isomerie Isomerie gleiche Summenformel, aber verschiedene Verbindungen Gerüstisomerie unterschiedliche Verknüpfung der Atome z.b.: Stereoisomerie Unterschiedliche Anordnung der Atome im Raum z.b.: E/Z - Isomerie an Doppelbindungen Das Prinzip der -Reaktionen kann auch auf Elektronenpaare angewendet werden. Elektrophil - Nukleophil (-Prinzip) Elektrophile Teilchen haben ein Elektronendefizit, sind also positiv geladen oder polarisiert. Nucleophile Teilchen haben einen Elektronenüberschuss, sind also negativ geladen oder polarisiert. Sie haben immer mindestens ein freies Elektronenpaar rganische Reaktionsmechanismen werden oft nach dem angreifenden Teilchen benannt, z.b. elektrophile Addition rganische Reaktionstypen I rganische Verbindungen mit Einfachbindungen (Alkane, Alkohole, alogenalkane) haben die Tendenz zu Substitutionsreaktionen: 39 Zum Beispiel: Radikalische Substitution bei den Alkanen Lichtenergie + Br Br Br + Br 9 rganische Verbindungen mit Mehrfachbindungen (Alkene, arbonyle) gehen tendenziell Additionsreaktionen ein: Zum Beispiel: elektrophile Addition bei den Alkenen rganische Reaktionstypen II 40 + Br Br Br Br Kondensationsreaktion: zwei Moleküle verbinden sich miteinander unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z.b. 2 ) ydrolyse: 40 Spaltung einer Verbindung durch Reaktion mit Wasser R 1 + R 2 arbonsäure + Alkohol Kondensation R 1 R ydrolyse Ester + Wasser

12 41 41 Redoxverhalten der organischen Sauerstoffverbindungen Nachweisreaktionen für Aldehyde Fehlingsche Probe: Eine alkalische wässrige Lösung von Kupfer-(II)-sulfat wird bei vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu rotem Kupfer(I)-oxid (u 2) reduziert (ziegelroter Niederschlag). Ketone reagieren nicht. Silberspiegelprobe ier werden Silber(I)-Ionen einer ammoniakalischen Silbernitratlösung (Tollens Reagens) bei vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu metallischem Silber (Silberspiegel) reduziert. Ketone reagieren nicht Monosaccharide sind entweder Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone. 9 Biomoleküle Kohlenhydrate I Zum Beispiel: Glucose (Traubenzucker) Fructose (Fruchtzucker) Biomoleküle Kohlenhydrate II 44 Disaccharide und Polysaccharide 44 Monosaccharide werden (unter Wasserabspaltung) durch glycosidische Bindungen zu Disacchariden oder Polysacchariden verknüpft. Disaccharide (z.b. Maltose, Saccharose): Saccharose Polysaccharide (z.b. Stärke, ellulose): ellulose

13 45 45 Biomoleküle Aminosäuren Aminosäuren (2-Aminocarbonsäuren; -Aminocarbonsäuren) Aminogruppe arboxygruppe 2 N R Rest Proteine: Aminosäuren werden durch Kondensationsreaktionen zu Ketten verknüpft. Dabei entstehen Peptidbindungen. Biomoleküle Proteine Peptidgruppe Primärstruktur: Reihenfolge der AS-Bausteine (AS-Sequenz), Sekundärstruktur: Räumliche Struktur, die durch Wasserstoffbrücken zwischen Peptidgruppen bewirkt wird; meist -elix oder -Faltblatt. Tertiärstruktur: Räumliche Anordnung der elix- bzw. Faltblattstruktur Quartärstruktur: Räumliche Anordnung mehrerer Polypeptid-Ketten im Gesamtprotein. 47 Fette sind Ester aus Glycerin (Propantriol) und Fettsäuren. Biomoleküle Fette Ölsäure Buttersäure Stearinsäure Glycerin Fettsäuren Fett Wasser

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