Grundwissen Chemie 9. Jahrgangsstufe

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1 Grundwissen Chemie 9. Jahrgangsstufe 1. Stoffe und Reaktionen Homogene und heterogene Stoffgemische Gemisch: Stoff, der aus mindestens zwei Reinstoffen besteht. Homogen: einzelne Bestandteile nicht erkennbar Gasgemisch z.b. Legierung Reinstoff Element Verbindung Analyse Synthese Umsetzung Heterogen: einzelne Bestandteile erkennbar Reinstoffe sind Stoffe, die man mit physikalischen Methoden nicht mehr trennen kann. Reinstoffe haben klar definierte Eigenschaften, z.b. einen Schmelzund Siedepunkt. Elemente sind Reinstoffe, die sich chemisch nicht mehr weiter zerlegen lassen. Ein Element enthält nur eine Sorte Atome. Folgende Elemente kommen immer zweiatomig vor: H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2 Verbindungen sind Reinstoffe, die aus mehreren Elementen bestehen Eine Analyse (=Zersetzung) ist eine chem. Reaktion, bei der ein Reinstoff in zwei oder mehrere neue Reinstoffe zerlegt wird (ein Edukt, mehrere Produkte) Eine Synthese (=Aufbau) ist eine chem. Reaktion, bei der aus zwei oder mehreren Reinstoffen ein Reinstoff aufgebaut wird (mehrere Edukte, ein Produkt) Eine Umsetzung ist eine chemische Reaktion, bei der aus zwei oder mehreren Reinstoffen zwei oder mehrere Reinstoffe gebildet werden (mehrere Edukte, mehrere Produkte) z.b. Erde, Granit Kohlenstoffdioxid Schmelzpunkt: -56,6 C Kupfer z.b. Salze und Moleküle Wasser (l) Wasserstoff (g) + Sauerstoff (g) 2 H 2 O (l) 2H 2 (g) + O 2 (g) Fluor (g) + Wasserstoff (g) Wasserstofffluorid (g) F 2 (g) + H 2 (g) 2HF (g) Kupfer- Atome Natrium (s) + Wasser (l) Natriumhydroxid (s) + Wasserstoff (g) 2 Na(s) + 2 H 2 O (l) 2 NaOH(s) + H 2 (g) Maria-Ward-Gymnasium Altötting

2 Merkmale chemischer Reaktionen Gesetze chemischer Reaktionen exotherme Reaktion Stoffänderung Energieumsetzung Umkehrbarkeit Massenerhaltung Konstante Proportionen Eine exotherme Reaktion ist eine Reaktion, die unter Energieabgabe (z.b. Wärme, Licht) erfolgt. Die Edukte sind energiereicher als die Produkte. ΔE i < 0 Elektrolyse von Wasser 2 H 2 O (l) 2H 2 (g) + O 2 (g) Aus einer Flüssigkeit werden zwei Gase. Elektrische Energie wird zugeführt Knallgasreaktion: 2H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (l) Masse der Edukte = Masse der Produkte Edukte reagieren immer im gleichen Massenverhältnis zu einem Produkt bzw. mehreren Produkten Reaktionsverlauf endotherme Reaktion Eine endotherme Reaktion ist eine Reaktion, die unter Energieaufnahme erfolgt. Die Reaktion stoppt, sobald keine Energie mehr zugeführt wird. Die Edukte sind energieärmer als die Produkte. ΔE i > 0 Aktivierungsenergie Katalyse Die Energiemenge E A, die zugeführt werden muss, um eine Reaktion in Gang zu setzten Katalysatoren sind Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Bei der Reaktion werden sie nicht verbraucht. Reaktionsverlauf Katalysator 2 H 2 O (l) 2H 2 (g) + O 2 (g) Enzyme im menschlichen Körper wirken als Katalysatoren der biochemischen Prozesse Maria-Ward-Gymnasium Altötting

3 2. Teilchenstruktur der Materie Atom Teilchen Symbol Ladung Atommasseneinheit u Proton (Kern) p + positiv 1u Neutron (Kern) n neutral 1u Elektron (Hülle) e - negativ u Ionen Moleküle Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen Atome sind nach außen neutral Geladene Teilchen: Kationen = positiv geladen, wandern zur negativ geladenen Elektrode (z.b. Na + ) Anionen = negativ geladen, wandern zur positiv geladenen Elektrode (z.b. Cl - ) Teilchen aus mindestens zwei Atomen (gleicher oder verschiedener Elemente) H 2 O O 2 Isotope Atome des gleichen Elements, die sich in ihrer Neutronenzahl und damit in ihrer Atommasse unterscheiden. Wasserstoff-Isotope Aufbau der Atomhülle Elektronen besitzen bestimmte Energieniveaus (Energiestufen). Je weiter die Elektronen vom Kern entfernt sind, desto weniger stark werden sie vom Atomkern angezogen, desto reaktionsfreudiger sind sie. Energieniveauschema von Magnesium Energie n=3 n=2 n=1 Elektronen konfiguration Edelgasregel Valenzelektronen Anordnung der Elektronen in der Atomhülle: Eine Schalen kann maximal 2. n 2 Elektronen aufnehmen. n = Schale = Hauptquantenzahl = Periode. Ein stabiler Zustand, der von allen Atomen angestrebt wird durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen ( Ionenbildung) bzw. Bildung von Elektronenpaaren bei chem. Reaktionen. Elektronen auf der äußersten Schale, sind für das Reaktionsverhalten verantwortlich. Elektronenkonfiguration Magnesiumatom: Einfache Schreibweise: Valenzelektronen = Elektronenoktett (bzw. 2 in der ersten Schale = Elektronenduplett) Anzahl der Valenzelektronen = Hauptgruppe (im gekürzten PSE) Maria-Ward-Gymnasium Altötting

4 3. Chemische Bindungen Ionenbindung Bindung zwischen Metall-Kationen und Nichtmetall-Anionen Zusammenhalt durch elektrostatische Anziehungskräfte NaCl Kochsalz Salze Gitterenergie Stoffgruppe, die aus Kationen und Anionen aufgebaut sind, Anziehungskraft eines Ions wirkt in alle 3 Raumrichtungen, daher bilden Kationen und Anionen Ionengitter. Die Energie, die notwendig ist, um die Ionen vollständig aus dem Ionengitter freizusetzen Kochsalz, Marmor, Backpulver Lösevorgang oder Schmelzen Eigenschaften von Salzen Die Energie, die bei der Bildung eines Ionengitters aus freien Ionen frei wird Hohe Schmelz und Siedetemperatur Häufig gute Löslichkeit in Wasser Elektrische Leitfähigkeit in Lösungen und Schmelzen Sprödigkeit Kristallisation z.b. Taschenwärmer Ionen lassen sich nur bei hohen Temperaturen trennen Wassermoleküle drängen zwischen die Ionen Ionen sind beweglich Ionengitter zerspringt, durch Abstoßung gleich geladener Teilchen Verhältnisformel Bildung von Ionen Gibt das Zahlenverhältnis der beteiligten Ionen im Ionengitter an. Ionen und ihre Namen: Kationen Name des Atoms Anionen Name des Atoms mit Endung -id" Molekülanionen und Molekülkationen sind besondere Ionen mit eigenen Namen: Elementare Metalle reagieren mit Nichtmetallen. Sie geben zur Erreichung der Edelgaskonfiguration Elektronen ab. Metalle sind Elektronengeber = Elektronendonatoren CaCl 2 Bedeutet: Calciumkationen Ca 2+ und Chloridanionen Cl - verbinden sich im Ionengitter im Verhältnis 1 : 2 CO 3 2- OH - 2- SO 4 - NO 3 + NH 4 Calciumchlorid Carbonat-Anion Hydroxid-Anion Sulfat-Anion Nitrat-Anion Ammonium-Kation Calcium reagiert mit Sauerstoff zu Calciumoxid: Teilgleichungen der Elektronenabgabe: Ca Ca e - 2 Teilgleichung der Elektronenaufnahme: O 2 + 4e - 2 O 2- Nichtmetall-Elemente reagieren mit Metallen als Elektronenakzeptoren. Sie nehmen zur Erreichung der Edelgaskonfiguration Elektronen auf : Gesamtgleichung: 2Ca + O 2 2 Ca O 2-2Ca + O 2 2 CaO Verhältnisformel aus den Ionen Maria-Ward-Gymnasium

5 Elektronenpaarbindung Bindung zwischen Nichtmetall und Nichtmetall. Stickstoff: N 2 Wasser: H 2 O Zusammenhalt durch Bildung gemeinsamer Elektronenpaare Jeder Bindungspartner erreicht dadurch formal die Edelgaskonfiguration nicht bindende Elektronenpaare bindende Elektronenpaare Molekülformel : Summenformel Lewisformel Metallbindung gibt die Anzahl der beteiligten Atome im Molekül an zeigt die bindenden und nichtbindenden Elektronenpaare und den räumlichen Bau positiv geladenen Atomrümpfe werden durch bewegliche Elektronen (Elektronengas) zusammengehalten. N 2 zwei Stickstoffatome H 2 O ein Sauerstoffatom, zwei Wasserstoffatome Eigenschaften von Metallen gute Wärmeleitfähigkeit, gute elektrischen Leitfähigkeit, gute Verformbarkeit, metallischer Glanz (jeweils durch frei bewegliche Elektronen) Maria-Ward-Gymnasium

6 4. Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen Ein Mol Die Stoffmenge n eines beliebigen Stoffes, die aus 6, Teilchen dieses Stoffes besteht. Vergleich: 1 Dutzend besteht aus 12 Teilen 1Mol besteht aus 6, Teilchen N = N A n N = Teilchenzahl N A = 6,022 x = Avogadro-Konstante 1/mol n = Stoffmenge [mol] Die molare Masse Masse von 1 mol Teilchen Entspricht dem Zahlenwert der Massenzahl und kann somit aus dem Periodensystem abgelesen werden: M(H 2 O) = = 18 g/mol M = m/n M = molare Masse [g/mol] m = Masse [g] n = Stoffmenge [mol] Das molare Volumen 1 mol eines beliebigen Gases nimmt bei Normbedingung immer ein Volumen von 22,4 l ein. V m = V/n V m = molares Volumen [l/mol] V = Volumen des Gases [l] n = Stoffmenge [mol] Beispielrechnung: Wie viele Liter Sauerstoff braucht ein Mensch, damit er 20g Traubenzucker (C 6 H 12 O 6 ) in seinem Stoffwechsel vollständig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid verbrennen kann? Es gilt der Normzustand. 1. Reaktionsgleichung aufstellen und Koeffizienten richtig stellen: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O Bedeutet Ein Zuckermolekül reagiert mit 6 Sauerstoffmolekülen zu 6 Kohlenstoffdioxidmolekülen und 6 Wassermolekülen Bedeutet auch: Ein mol Zucker reagiert mit 6 mol Sauerstoff zu 6 mol Kohlenstoffdioxid und 6 mol Wasser 2. Gegeben: m (C 6 H 12 O 6 ) = 20 g Gesucht: V(O 2 ) 3. Über das Stoffmengenverhältnis zur Lösung: Umformen: n (C 6 H 12 O 6 ) 6 = n(o 2 ) 1 Formeln für n einsetzen: Ausrechnen: Um 20 g Traubenzucker zu verbrennen benötigt ein Mensch ca. 15 l Sauerstoff. Maria-Ward-Gymnasium