Lehrgang CHEMIE Kapitel 1: Materie, Atombau und Periodensystem

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1 DEFINITION CHEMIE VORBEMERKUNG ZUM BEGRIFF CHEMIE: Im Schulfach Chemie ist es von zentraler Bedeutung den oft sehr undifferenziert und oft negativ behafteten Begriff Chemie klar zu definieren. Erstens ist der Unterschied (als auch die Zusammenhänge) zwischen der Chemie als Bereich der Forschung und Industrie neben der Chemie in allen naturwissenschaftlichen Vorgängen in unserer Umgebung den S&S zu erklären. Zweitens ist die paradoxe Verwendung von Formulierungen wie da ist Chemie drin klar zu stellen. WOMIT BESCHÄFTIGT SICH DIE CHEMIE? Die Wissenschaft Chemie beschäftigt sich mit Stoffen, mit Stoffeigenschaften und mit der Umwandlung von Stoffen. Grob kann man auch zwischen der Analyse und der Synthese unterscheiden: Qualitative Analyse: Um welchen Stoff handelt es sich? Quantitative Analyse: Wie viel Stoff ist enthalten? Synthese: Wie kann ich einen bestimmten Stoff herstellen? Wie kann ich einen Stoff herstellen, bzw. wie muss ein Stoff aussehen, der bestimmte gewünschte Eigenschaften hat? WAS UNTERSCHEIDET DIE BEREICHE CHEMIE UND PHYSIK? Die Unterscheidung gelingt am besten bei der Betrachtung von Vorgängen: Bei chemischen Vorgängen entstehen aus den eingesetzten Stoffen andere Stoffe, welche andere Eigenschaften haben. Auch sind chemische Vorgänge immer mit Energieänderung verbunden. In erster Linie wird Energie aufgewendet um Bindungen zu brechen, bzw. es wird bei der Bindungsbildung Energie freigesetzt. Grundlegend ist auch die Vorstellung, dass bei einem chemischen Vorgang eine gewisse Menge an Atomen (die einzeln oder in Verbindungen vorliegen können) nur umgruppiert wird. Bei physikalischen Vorgängen ändern sich die Stoffe nicht, nur deren Zustand. So sind die nachfolgend besprochenen Trennverfahren alle physikalisch, da die Komponenten nicht verändert sondern nur separiert werden. EINIGE TEILBEREICHE UND ÜBERGREIFENDE BEREICHE DER CHEMIE ALS WISSENSCHAFT: Die Einteilungen in bestimmte Bereiche wird zunehmend schwieriger, da die Übergänge immer fließender werden: Anorganische Chemie Analytische Chemie Physikalische Chemie Organische Chemie Theoretische Chemie Biochemie Medizinische Chemie Pharmazeutische Chemie Technische Chemie Umweltchemie Alle Bereiche der Materialforschung, Nanotechnologie u. ä.

2 MATERIE STOFFEIGENSCHAFTEN AGGREGATSZUSTÄNDE MATERIE:Alles mit Volumen und Masse lässt sich einteilen in REINSTOFFE:Stoffe aus einer Komponente, lässt sich einteilen in o VERBINDUNGEN: - bestehen aus Grundeinheiten mit verschiedenen Atomsorten; - meist Moleküle z.b.: H 2 O, CO 2 o ELEMENTE: - bestehen nur aus einer Atomsorte; z.b.: C, Fe, Ne - manche Elemente kommen als Moleküle vor: O 2, P 4, S 8, - die Elemente sind im Periodensystem aufgelistet GEMISCHE: Stoffe aus mehreren Komponenten, lassen sich einteilen in o o HOMOGENE GEMISCHE: alle Komponenten sind gleichmäßig durchmischt HETEROGENE GEMISCHE: die Komponenten sind nicht gleichmäßig durchmischt STOFFEIGENSCHAFTEN VOLUMEN MASSE DICHTE = MASSE / VOLUMEN TEMPERATUR DRUCK TEILCHENEBENE Ausdehnung eines Stoffes bestimmt von Anzahl und Art der Teilchen Wie viel Teilchen sind in einem bestimmten Raum Bewegung der Teilchen Teilchen treffen auf eine Außenwand ZEICHEN EINHEIT V m 3 oder 1 Liter = 1 dm 3 m kg oder g ρ g/cm 3 oder kg/dm 3 T P C oder K (K = Kelvin) 0 C = 273,15 K 0K = absoluter Nullpunkt Pa = kg/ms 2 (Pa = Pascal) oder 1 bar = Pa ( Normaldruck sind Pa = 1 atm) AGGREGATSZUSTAND FEST (S) FLÜSSIG (L) GASFÖRMIG (G) bestimmtes Volumen, bestimmte Form bestimmtes Volumen, Form von Umgebung und Schwerkraft bestimmt Volumen und Form von Umgebung bestimmt, Teilchen aneinander, geordnet Teilchen aneinander, ungeordnet Teilchen nicht aneinander, ungeordnet

3 AGGREGATSZUSTANDSÜBERGÄNGE Die Temperatur dieser Übergänge hängt hauptsächlich von der Masse und der Anziehung der Teilchen ab. Während der Übergänge (sl, sg, lg) bleibt die Temperatur (bei Reinstoffen) konstant, da die zugeführte Energie nicht zum Erwärmen, sondern zum Ändern des Aggregates verwendet wird bzw. bei den Übergängen (gl, gs, ls) bleibt die Temperatur konstant, da die abgeführte Energie nicht aus der Abkühlung, sondern aus der freiwerdenden Energie bei der Aggregatszustandsänderung stammt. Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen Teilchenmodell: Zwischen den Teilchen ist leerer Raum Die Teilchen sind ständig in Bewegung Zwischen den Teilchen herrschen Anziehungskräfte geringer Reichweite SCHMELZEN (ERSTARREN) SIEDEN (KONDENSIEREN) SUBLIMIEREN (RESUBLIMIEREN) Temperaturzufuhr (vermehrte Bewegung der Teilchen) führt dazu, dass die Anziehungskräfte der Teilchen nicht mehr ausreichen um eine geordnete Struktur aufrecht zu erhalten Temperaturzufuhr (vermehrte Bewegung der Teilchen) führt dazu, dass immer mehr Teilchen die Flüssigkeit in die Gasphase verlassen, ( das ist der Dampfdruck)wenn der Dampfdruck gleich dem Außendruck ist, siedet die Flüssigkeit Temperaturzufuhr (vermehrte Bewegung der Teilchen) führt dazu, dass die Anziehungskräfte der Teilchen nicht mehr ausreichen um eine geordnete Struktur aufrecht zu erhalten, die Anziehungskräfte und Masse der Teilchen sind dabei so klein, dass die Teilchen sofort in die Gasphase übergehen nahezu Druckunabhängig, da beim Schmelzen kaum Volumensänderung stattfindet Außendruck hat starken Einfluss auf Siedetemperatur, da starke Volumensänderung beim Sieden von Flüssig nach Gasförmig Außendruck hat starken Einfluss auf Sublimationstemperatur, da starke Volumensänderungbeim Sublimieren von Fest nach Gasförmig Druck PHASENDIAGRAMM Bei einem Phasendiagramm werden die Aggregatszustände eines Stoffes in Abhängigkeit von Druck und Temperatur angegeben: fest * flüssig gasförmig *Tripelpunkt: hier treffen die drei Aggregatszustände (ebenso wie die Siedepunktskurve, die Sublimationskurve und die Schmelzkurve) aufeinander Temperatur

4 TRENNVERFAHREN Die Trennung von Gemischen ist ein physikalischer Vorgang (die Stoffe werden nicht verändert) Um zwei Stoffe voneinander zu trennen, nützt man den Unterschied den sie in einer Stoffeigenschaft haben. Das kann z.b. die Dichte, der Siedepunkt, die Teilchengröße oder ähnliches sein. VERFAHREN SIEBEN FILTRIEREN DESTILLIEREN (EINDAMPFEN) ZENTRIFUGIEREN SEDIMENTIEREN STOFFEIGENSCHAFT (AGGREGATE) Teilchengröße (s)-(s) Teilchengröße (s)-(l), (s)-(g) Siedepunkte (l)-(l), (l)-gelöst, (s)-(l) Dichte über Zentrifugalkraft (l)-(l) (Emulsionen) (s)-(l) (Suspensionen) Dichte über Gravitation (l)-(l) (Emulsionen = feine Verteilung zweier Flüssigkeiten) (s)-(l) (Suspensionen = feine Verteilung eines Festkörpers in einer Flüssigkeit) BEISPIELE (ANMERKUNGEN) Kieswerk Kaffeefilter, Rauchgasfilter Schnapsdestillation, Erdöldestillation Blutplasma Absetzbecken im Klärwerk (Beispiel Emulsion: Milch: Fetttröpfchen in Wasser) (Beispiel Suspension: Blut: feste Blutbestandteile im Blutplasma) An Sedimentieren oder Zentrifugieren schließt sich üblicherweise das ADSORPTION (= AN EINE OBERFLÄCHE ANLAGERN) Dekantieren an ( = das Abgießen der überstehenden Flüssigkeit) Haftungseigenschaften Dunstabzüge mit Aktivkohle (s)-(g) (Rauch), (l)-(g) (Aerosol) EXTRAHIEREN Löslichkeit (s,l)-(s,l) CHROMATOGRAPHIEREN Löslichkeit (in der bewegten Phase) Adsorption (Haftung an der Oberfläche) (s,l,g)-(s,l,g) Tee kochen Dünnschichtchromatographie

5 ATOMBAU HISTORISCHES: Demokrit: (400 v. Chr.) Materie besteht aus kleinsten Teilchen (das Atom) Robert Boyle: (1661) Ein Element ist eine Substanz, die nicht in einfachere Substanzen zerteilt werden kann. John Dalton: (1806) Atomtheorie o alle Atome eines Elements sind gleich o unterschiedliche Elemente haben unterschiedliche Atome o Atome sind nicht teilbar oder umwandelbar o Verbindungen bestehen aus verschiedenen Elementen, wobei deren Atome in kleinen ganzzahligen Verhältnissen stehen Amadeo Avogadro: (1811) Moleküle können auch aus gleichen Atomen bestehen Jöns Berzelius: (1813) Buchstaben als Atomsymbole Joseph John Thomson: (1897) Elektronen und Protonen, deren Massenverhältniss, Kuchenmodell : Elektronen wie Rosinen im positiven Teig Ernest Rutherford: (1911) (Streuversuch siehe unten) o Atome bestehen aus hauptsächlich leerem Raum o Kleiner, sehr schwerer Kern o Kern positiv geladen o Elektronen im Raum um den Kern o mit Henry Mosely (1914): Neutronen im Kern GRUNDLEGENDES ZUM ATOMBAU: Die Materie ist aus Atomen aufgebaut. Die verschiedenen Atomsorten sind im Periodensystem aufgeführt. Atome bestehen aus einem Kern (mit Protonen und Neutronen) und einer Hülle (mit Elektronen) Ein Kohlenstoffatom z.b. hat einen Durchmesser von 0, m und eine Masse von 1, g. Ladung Masse Durchmesser (ca.) Massen- Verhältnis (ca.) KERN m Protonen p +1 1, g Neutronen n 0 1, g Verhältnis Durchmesser (ca.) HÜLLE m Elektronen e , g STREUVERSUCH NACH ERNEST RUTHERFORD ( ) Ernest Rutherford beschoss eine sehr dünne Goldfolie (ca Atome) mit α-teilchen (positiv geladene Teilchen). Das Ergebnis war, dass hast alle Teilchen ungehindert passierten, wenige wurden abgelenkt und selten kam es zu einer Reflexion zurück. Daraus schloss Rutherford, dass Atome aus einem sehr kleinen positiv geladenen Atomkern umgeben von fast leerem Raum bestehen müssen.

6 zunehmende Energie Lehrgang CHEMIE (Quelle: DIE ELEKTRONENHÜLLE ATOMMODELL NACH NIELS BOHR ( ) Bei diesem Atommodell bewegen sich die Elektronen auf Kugelschalen um den Kern. Die Elektronen können dabei nur ganz bestimmte Abstände zum Kern einnehmen. Die inneren Schalen (genauer: die Elektronen der inneren Schalen) haben weniger Energie. Pro Schale haben maximal 2n 2 Elektronen Platz. Wobei n die Schalennummer ist. Atome mit mehreren Elektronen füllen zuerst die erste Schale voll, dann die zweite usw. Bohr sches Atommodell der Hülle von neutralem Natrium. Um ein Elektron in eine höhere Schale zu bewegen benötigt man Energie. Wenn das Elektron wieder zurückfällt wird Energie meist in Form von Licht (=elektromagnetische Welle) abgegeben. Diese Energie entspricht dem Energieunterschied der Schalen. Über diese Energien lassen sich die Elemente identifizieren (Linienspektrum) Energieeinteilung der Schalen: 1. Schale max. 2 Elektronen 2. Schale max. 8 Elektronen 3. Schale max. 18 Elektronen 4. Schale max. 32 Elektronen

7 zunehmende Energie Lehrgang CHEMIE ORBITALMODELL DER ATOME Beim Orbitalmodell der Elektronenhülle bewegen sich die Elektronen nicht auf Schalen um den Kern, sondern nehmen ganz bestimmt Räume um den Kern ein. Es gibt somit negativ geladene Räume im Atom, sogenannte Orbitale. Ein Orbital besteht aus maximal 2 Elektronen diese müssen allerdings eine unterschiedliche Eigenrotation ( Spin ) haben. Gewisse Orbitalgruppen werden auch hier zu Schalen und Unterschalen zusammengefasst. Der Begriff Schale und Unterschale hat hier aber nur eine energetisch einteilende Funktion, keine räumliche. Die erste Schale besteht aus einem einzigen Orbital: dem 1s-Orbital (kugelförmig) 1s Orbital: Die zweite Schale besteht aus einem 2s-Orbital (kugelförmig) und drei 2p-Orbitalen (hantelförmig) Die Orbitale der zweiten Schale: 2s 2p x 2p y 2p z Energieeinteilung der Schalen: Schalen 1. Schale die erste Schale hat nur eine Unterschale: 2. Schale die zweite Schale hat zwei Unterschalen: Unterschalen (Anzahl entspricht der Schalennummer: 1, 2, 3, 4 ) 1s die erste Unterschale (s)hat nur ein Orbital: 2s Orbitale (Anzahl: s hat 1; p hat 3, d hat 5, f hat 7 Orbitale) ein 1s-Orbital 1s ein 2s-Orbital: 2s 2p die zweite Unterschale hat drei Orbitale: drei 2p-Orbitale: 2p x 2p y 2p z 3. Schale 3s ein 3s-Orbital: 3s 3p drei 3p-Orbitale: 3p x 3p y 3p z 3d fünf 3d-Orbitale Energieeinteilung der Schalen (andere Darstellung): Ein Kästchen steht für ein Orbital Auffallend ist, dass das erste Orbital der 4. Schale (4s)energetisch niedriger ist, als das letzte der 3. Schale (3d).

8 IONEN Ionen sind geladene Teilchen. Atome sind über ihre Protonenanzahl (= Ordnungszahl ) definiert. So ist ein Element mit 9 Protonen immer Fluor,unabhängig davon wie viel Neutronen und Elektronen es besitzt. Wenn ein neutrales Atom (Anzahl Elektronen = Anzahl Protonen) Elektronen aufnimmt, entsteht ein negatives Teilchen; wenn es Elektronen abgibt ein positives. In der Chemie werden immer nur die Atomhüllen (Elektronen) verändert, nie die Kerne!!! Kationen sind positiv (mehr Protonen als Elektronen) Anionen sind negativ (mehr Elektronen als Protonen) Beispiel: Wenn ein neutrales Magnesiumatom (besteht aus 12 Protonen, 12 Elektronen und 12 Neutronen) zwei Elektronen abgibt entsteht ein zweifachpositives Magnesiumion: Mg 2+. Es gibt auch Ionen, die aus mehreren Atomen bestehen. Wichtig: Je nachdem ob ein Element ungeladen oder als Ion vorliegt, kann es völlig unterschiedliche Eigenschaften haben: Natrium1+ im Kochsalz der Suppe ist völlig ungefährlich; ungeladenes Natrium ist ein sehr gefährliches Metall, welches bei Berührung mit Wasser brennt! ISOTOPE Wenn Atome eines Elements verschiedene Neutronenanzahlen haben, spricht man von Isotopen. So gibt es z.b. ein Wasserstoffisotop mit keinem Neutron ( ), eines mit einem Neutron (, schwerer Wasserstoff oder Deuterium ) und eines mit zwei Neutronen (, superschwerer Wasserstoff oder Tritium ). SCHREIBWEISEN IN DER CHEMIE Atome oder eine Atomsorte (= Element) werden mit einem Großbuchstaben C (für Kohlenstoff) oder mit einem Groß- und einem Kleinbuchstaben Ne(für Neon)angegeben Im Periodensystem wird mit einer meist vorgestellten Tiefzahl die Anzahl der Protonen angegeben (Ordnungszahl) (im neutralen Atom ist die Protonenzahl = Elektronenzahl) mit einer meist vorgestellten Hochzahl die Anzahl der Protonen und Neutronen angegeben (Massenzahl) (Fluor hat 9 Protonen, 19 9 = 10 Neutronen, und 9 Elektronen wenn es ungeladen ist) Wenn ein Stoff aus Molekülen besteht (eine Verbindung ) (Moleküle sind kleinste Einheiten einer Verbindung, in welchen bestimmte Atome immer gleich verknüpft sind) wird eine Summenformel angegeben, die die Art der Atome und deren Anzahl im Molekül als Index angibt H 2 O (das Wasser-Molekül besteht aus zwei H-Atomen und einem O-Atom) Wenn ein Stoff aus einer gleichmäßigen Verteilung an Ionen oder Atomen besteht, wird das Verhältnis dieser Teilchen angegeben. CaCl 2 (Calciumchlorid ist ein Stoff, der Calciumionen und Chlorionen im Verhältnis 1:2 enthält)

9 DAS PERIODENSYSTEM HISTORISCHES: Die Grundlagen für das heutige Periodensystem wurden von Dimitri Mendelejew ( ) und Lothar Meyer ( ) gelegt. Henry Mosely (1914) konnte die Ladung der Kerne feststellen und erkannte die Korrelation der Kernladung mit der Position im Periodensystem. AUFBAU DES PERIODENSYSTEMS: Das Periodensystem gibt an, aus welchen Elementen die Materie aufgebaut ist. Geordnet (und definiert) sind die Elemente nach der Protonenzahl. Der Aufbau des Periodensystems spiegelt in erster Linie die Elektronenhülle der Atome wieder, weist aber auch auf Ähnlichkeiten und Tendenzen in den waagrechten Reihen (Perioden) wie z. B. Schalenanzahl und den senkrechten Reihen (Gruppen)wie z.b.: Ionenbildung hin. Angegeben wird bei jedem Element außer seinem Symbol auch die Ordnungszahl (=Protonenzahl) als vorgestellte Tiefzahl und die Massenzahl (=Summe aus Protonen und Neutronen) als vorgestellt Hochzahl. Die Massenzahl kann auch keine ganze Zahl sein, wenn das Element mehrere stabile Isotope besitzt: Chlor besteht zu 75% aus dem Isotop und zu 25 % aus dem Isotop. Daraus ergibt sich die Masse im Periodensystem mit 35 x 0, x 0,25 = 35,453. ALLGEMEINE BEGRIFFE IM PERIODENSYSTEM: