Was passiert denn genau?

Transkript

1 Was passiert denn genau? - Bei chemischen Reaktionen entstehen neue Stoffe, mit neuen Eigenschaften. - Im Teilchenmodell stellen wir uns vor, dass Kugelteilchen (Edukte) neu kombiniert werden. - Wenn wir uns über ein chemische Reaktion unterhalten wollen, dann können wir ein Reaktionsschema schreiben, wie z.b. Silber + Schwefel --> Silbersulfid Aber, wie genau sind die Teilchen kombiniert? Wie viel Silber und Schwefel reagiert miteinander? Und wie können wir das ordentlich aufschreiben?

2 Wie verändert sich die Masse? - Zwei gleich schwere Stücke Eisenwolle hängen an einer Waage. Eines davon brennt. - Eine Kerze steht brennend auf einer Waage? - Eine Blitzlichtlampe wird gezündet. - Eine Glühbirne brennt durch. - Silber und Schwefel reagieren in einem Reagenzglas, das am Ende mit einem Luftballon verschlossen ist.

3 Gesetz der Massenerhaltung Bei chemischen Reaktionen (in geschlossenen Systemen) tritt keine Massenänderung ein. Die Gesamtmasse der Produkte ist gleich der Gesamtmasse der Edukte. Antoine Laurent de Lavoisier (Ende des 18. Jhd.) Was bedeutet das im Teilchenmodell?

4 Bleibt etwas übrig? - Synthese von Silbersulfid (oder Eisensulfid) - Probleme: - höhere Kosten - Abfall/ Reinigung - Austesten: Wie viel von Stoff A (z.b. Metall) reagiert mit wie viel von Stoff B (z.b. Schwefel) Wie könnte man dies tun? Denke an das Gesetz zur Erhaltung der Masse. Was müsste man bei der Synthese, was bei der Analyse messen?

5 Synthese: - Edukte wiegen - Produkt wiegen Wie viel mit wie viel? - Differenz ist Masse des überschüssigen Eduktes z.b. 10g Silber + 5g Schwefel --> 11,5g Silbersulfid --> 3,5g Schwefel ist übrig und 1,5g haben reagiert Analyse: - Edukt (Silbersulfid) wiegen - Analyse durchführen (Trennung in Elemente) --> Silberkugel wiegen - Differenz ist Masse des ursprünglich benötigte Schwefels z.b. 23g Silbersulfid --> 20g Silberkugel --> ursprünglich 3g Schwefel haben reagiert.

6 Gesetz der konstanten Massenverhältnisse Die Massenverhältnisse der Elemente, aus denen eine Verbindung entsteht oder in die eine Verbindung zerlegt werden kann, ist konstant. Joseph-Louis Proust (1799)

7 Von den Gesetzen zur Reaktionsgleichung Bisher können wir die Reaktion nur mit Hilfe des Reaktionsschemas Silber + Schwefel --> Silbersulfid beschreiben. Die Ausgangsstoffe sind Reinstoffe, sogar Elemente. Berzelius hat vorgeschlagen, wie man sie vereinfacht bezeichnen könnte (s.bu. S. 62/63). Jetzt können wir schreiben Ag + S --> Silbersulfid --> Aber, wie viele Teilchen Silber reagieren mit wie vielen Teilchen Schwefel???

8 Vereinigung des Teilchenmodells mit den Gesetzen der chemischen Reaktion Aus Versuchen im Labor weiss man, dass eine bestimmte Menge Silber (10g) mit einer bestimmten Menge Schwefel (1,5g) vollständig reagieren. Da die eingesetzten Stoffportionen nach Dalton aus Atomen nur einer Art bestehen, muss man nur noch wissen, wie viele Atome in den Portionen enthalten waren. --> Dazu muss man wissen, wieviel die Atome wiegen.

9 Einstieg: Massenspektrometer - Probe verdampft - Atome/ Moleküle ionisiert: z.b. Ne + e - --> Ne + + 2e - (z.t. auch Bruchstücke erzeugt) - Beschleunigung und Bündelung - Ablenkung im Magnetfeld (abhängig von der Ionenmasse)

10 Wo waren wir? - Bei Reaktionen in geschlossenen Systemen geht keine Masse (kein Teilchen) verloren. - Bei vollständiger Reaktion reagieren Elemente mit konstantem Massenverhältnis (alle Teilchen werden verbraucht und sind neu angeordnet). - Unter Annahme des Atommodells von John Dalton bestehen die eingesetzten Stoffportionen aus einer bestimmten fixen Anzahl von Teilchen/ Atomen. - Atome sind zu klein, um sie zu sehen oder zu zählen und man kann sie auch nicht einzeln wiegen. Aber durch Vergleich der Massenverhältnisse bei Reaktionen, kann man entscheiden wie schwer sie im Vergleich mit anderen sind.

11 Bsp. Wasserherstellung?!? - Bei der Verbrennung von Wasserstoff (H) mit Sauerstoff (O) entsteht Wasser (H 2 O). - Bei vollständiger Reaktion reagieren 2l H mit 1l O (durch Experiment bestimmt; s. nächste Folie) - Verkleinert man die Volumina der Gase, so dass nur noch je ein Teilchen hinein passen, so kann man sagen 2 Teilchen W. reagieren mit 1 Teilchen S. - Durch wiegen der Volumina kann man das Massenverhältnis der Reaktion bzw. das Massenverhältnis der Teilchen bestimmen. - Führt man mehrere solcher Reaktionen durch ergibt sich eine Reihenfolge der Teilchenmassen.

12 2l Wasserstoff wiegen 0,168g 1l Sauerstoff wiegen 1,33g --> Massenverhältnis der R. 1:8 Da aber vom H 2 Teilchen reagieren, muss man rechnen m(h)/m(o) = 0,084g/1,33g = 1g/16g --> Ein O.-Teilchen ist 16x schwerer als ein H- Teilchen

13 ...und weiter geht s - John Dalton hat durch solche Vergleiche herausgefunden, dass Wasserstoff die leichtesten Atome besitzt. Er hat dem Wasserstoffatom die Masse 1u gegeben (u ist die atomare Masseneinheit). - Durch Vergleich ergibt sich z.b. m (Sauerstoffatom) = 16u - Heutzutage kann man die Masse von Teilchen und Atomen bestimmen. Ein Wasserstoffatom wiegt 1,66x10-24 g. Das ist fast nichts!!! - In 1g Wasserstoff sind damit 6x10 23 Teilchen enthalten. Diese große Zahl ist die sogenannte Avogadro-Zahl oder Loschmidt-Zahl.

14 Zählen durch wiegen Wenn man weiss, wie viel die kleinste Einheit einer Sache wiegt, kann man durch wiegen einer grossen Menge, die Stückzahl bestimmen. Wenn man weiss, dass zwei Geldrollen die gleiche Zahl an Geldstücken enthalten, kann man durch Vergleich der Massen das Verhältnis der Massen der Geldstücke bestimmen.

15 Avogadro- Zahl In 1g Wasserstoff sind mehr Teilchen enthalten, als es Buchstaben in allen Büchern gibt, die in dieser Schule vorhanden sind. Und im nächsten Gramm nochmals so viel...

16 Und wieder anschaulicher... - Kennt man die Masse der eingesetzten Edukte einer Reaktion (in g) und die Masse des einzelnen Atoms (in u), kann man berechnen, wie viele Teilchen miteinander reagieren. (Teilchenzahl N = m(stoff A)/m(Teilchen von Stoff A)) - Reagieren 10g Silber mit 1,5g Schwefel, so bedeutet dies, dass je zwei Teilchen Silber mit einem Teilchen Schwefel reagieren. (s. Tafel) - Für Silbersulfid kann man schreiben Ag 2 S. - Setzt man das Teilchenverhältnis in die Formel ein, so erhält man die Verhältnisformel. Sie könnte für Silbersulfid auch Ag 4 S 2 oder Ag 16 S 8 heißen. - Die Kombination mit den kleinsten Zahlen nennt man Formeleinheit. - Diese Formel gibt man bei der Stoffklasse der Salze an.

17 Silbersulfidsynthese

18 ...und wieder zum Wasser - Lässt man Wasserstoff mit Sauerstoff bei > 100 C reagieren, so entsteht gasförmiges Wasser (Dampf). Wir wissen, dass 2 Teilchen Wasserstoff (H) mit 1 Teilchen Sauerstoff (O) reagieren. 2H + O --> H 2 O - Aus 2l Wasserstoff und 1l Sauerstoff entstehen 2l Wasserdampf. - Verringert man das Volumen der Gase, bis ins den Gasraum nur noch ein Teilchen passt, dann kann man sagen, 2 Teilchen Wasserstoff reagieren mit einem Teilchen Sauerstoff zu 2 Teilchen Wasser.

19 -!!! Das geht nur dann, wenn Sauerstoff ein 2er-Teilchen ist. - Da 2 Teilchen Wasserstoff mit 1 Teilchen Sauerstoff reagieren, muss auch Wasserstoff aus 2er-Teilchen bestehen. - Diese Gase sind schon in elementarer Form Verbindungen aus denselben Atomen (Nichtmetalle) --> Moleküle (H 2 und O 2 ) - Im festen Zustand nehmen diese Moleküle die festen Plätze ein. Daher kann man keine kleinere Formeleinheit feststellen (man darf nicht schreiben H und O) und behält die Schreibweise bei --> Molekülformel (man sagt auch Summenformel)

20 Einstieg: Einheiten - Messgrössen besitzen Einheiten (z.b. [m] = g). - Für sehr grosse Messbereiche nutzt man Einheitengruppen (z.b. mg < g < kg...) mit 10er oder 1000er Abstufungen. - Für häufig gebrauchte Werte kann es Spezialeinheiten geben (z.b. 500g = 1 Pfund; 100 Pfund = 1 Zentner = 50kg) - Für manche Messgrössen gibt es verschiedene Einheiten (z.b. [T] = C, F, K), welche in einander umgerechnet werden können (z.b. 1u = 1, g). - Auch Anzahlen können durch Einheiten zusammengefasst werden (z.b. 12 Stück = 1 Dutzend; 10 Eier = 1 Schachtel; = 1mol)

21 Reaktionsgleichung 1. 20g Silber reagieren mit 3g Schwefel vollständig. Massenverhältnis: m(ag)/m(s) = 20: Teilchen Silber reagieren mit 1 Teilchen Schwefel vollständig (berechnet aus N = m(stoffport.)/ m(atom)). Teilchenverhältnis: N(Ag)/N(S) = 2:1 2Ag + S --> Ag 2 S (Verhältnisformel; Formeleinheit) Was wir noch nicht können ist, aus einer Reaktionsgleichung abzulesen, wie viel von den Edukten einer chemischen Reaktion wir abwiegen müssen.

22 Reaktionsgleichung II Aus der Reaktionsgleichung 2Ag + S --> Ag 2 S kann man das Teilchenverhältnis ablesen. N(Ag)/ N(S) = 2:1 Da man einzelne Teilchen nicht auf die Waage legen kann, fasst man viele, viele, viele, viele zusammen. Aber wie viele machen denn Sinn? 10, 50, 10000, ??? Man macht sich die Masse eines Teilchens zu Nutze, die ja bereits im PSE verzeichnet ist.

23 Stoffmenge und Molmasse Um die Massenzahl im PSE nutzen zu können, aber die gebräuchliche Einheit Gramm (g), um also Teilchen auf der Waage wiegen zu können, müssen viele Teilchen zusammen gefasst werden. 1 u = 1,66x10-24 g UND nach N = m(stoff A) / m(teilchen Stoff A) = 1g/1,66x10-24 g = 6x10 23 In 1g Wasserstoff sind 6x10 23 Teilchen enthalten. Das ist die Avogadrozahl. Diese grosse Anzahl an Teilchen fasst man zusammen und sagt dies sei 1 Mol Man sagt die Stoffmenge n = 1mol enthalten 6x10 23 Teilchen. Und man sagt 1mol wiegen 1g, also ist die Molmasse M = 1g/mol.

24 Stoffmengenverhältnis Wieder zurück zur Reaktionsgleichung 2Ag + S --> Ag 2 S Es gilt also Teilchen Silber reagieren mit 1 Teilchen Schwefel aber auch 2 mal 6x10 23 Teilchen Silber reagieren mit 6x10 23 Teilchen Schwefel Und damit 2 mol Silber reagieren mit 1 mol Schwefel zu 1 mol Silbersulfid. Stoffmengenverhältnis: n(ag)/n(s) = 2:1

25 Einstieg: Welche Verhältnisse? 1. Welche Information kannst du erhalten, wenn du im Labor eine Reaktion so lange ausprobierst, bis die Edukte vollständig in Produkte umgesetzt werden? 2. Welche Information kannst du aus der Molekülformel C 2 H 6 ablesen und welche aus der Verhältnisformel Fe 2 O 3? 3. Welche Information steckt in der Reaktionsgleichung 2H 2 + O 2 --> 2H 2 O? 4. Wie unterscheidet sich die Info aus der Formel Li 2 O von der Info aus der Gleichung der Synthese 4Li + O 2 --> 2Li 2 O

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27 Fülle folgende Tabelle aus! Name Formel Masse m Stoffmenge n Molmasse M Teilchenzahl N Atom- /Molekülmasse in u Kohlenstoff 12g NaCl 2 mol 16g/mol 18x10 23 Wasser 6x10 24 Ag 2 S 46g 2,5mol 32g/mol

28 Gase und was an ihnen besonders ist... - Kann man das Volumen eines Gases in einer Spritze oder in einem Luftballon verändern? - Was passiert beim Erhitzen mit dem Volumen des Gases? - Was meinst du, wie verhalten sich verschiedene Gase beim Erhitzen? - Wie kann man berechnen, wie viele Teilchen eines Gases sich in einer Spritze befinden? - Was meinst du, sind es bei verschiedenen Gasen gleich viele Teilchen oder unterschiedlich viele?

29 Satz von Avogadro Durch wiegen einer Gasportion und mit Hilfe der Atom- bzw. Molekülmassen, kann die Teilchenzahl bzw. die Stoffmenge der Gase bestimmt werden. Die Gasportionen (in den Spritzen) wiegen folgendes: m(h 2 ) = 2,7mg m(co 2 ) = 59,3mg Berechne die Teilchenzahl! N = m (Gasportion) / m (Gasteilchen) n = m (Gasportion) / M (Gas) N = n * N A = m * N A / M Was fällt dir auf?

30 Satz von Avogadro Gleiche Volumina verschiedener Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck, gleich viele Teilchen. Unter Standardbedingungen von T = 0 C und p = 1013mbar beträgt das Volumen eines Mols jeden Gases 22,4 l. Das Molvolumen V m ist gleich 22,4 l/mol.

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33 ...zurück zum Wasser

34 ...zurück zum Wasser - Zwei Volumenteile Wasserstoff reagierten mit einem Volumenteil Sauerstoff vollständig. - Nach Avogadro sind in gleichen Volumina gleich viele Teilchen enthalten. Mann kann also sagen, es reagieren zwei Teilchen Wasserstoff mit einem Teilchen Sauerstoff oder 2 mol Wasserstoff mit 1 mol Sauerstoff. - Bei 100 C wurde klar, dass wieder zwei Volumenteile Wasser entstehen, die also ihrerseits gleich viele Teilchen enthalten, wie die Sauerstoffvolumina. Dies geht nur, wenn O 2 -Moleküle vorliegen.

35 Volumengesetz von Gay- Lussac Wenn bei chemischen Reaktionen das Teilchenverhältnis mit kleinen ganzen Zahlen ausgedrückt werden kann 2H 2 + O 2 --> 2 H 2 O N(H 2 )/N(O 2 ) = 2:1 und für Gase gilt, dass gleich viele Teilchen jedes Gases, bei gleichem Druck und gleicher Temperatur gleiche Volumina einnehmen, dann gilt: Bei chemischen Reaktionen stehen die Volumina der Gasportionen im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen.