11. Klasse Heft 1. Maximilian Ernestus September/Oktober Chemie 11. Klasse Heft 1 1

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1 1 GRUNDLAGEN 11. Klasse Heft 1 Maximilian Ernestus September/Oktober 2007 Chemie 11. Klasse Heft 1 1

2 1. Chemische Elemente Elemente haben allgemein folgende Eigenschaften: sie sind nicht weiter zerlegbar individuell/unverwechselbar Teil eines Ganzen In der Chemie sind Elemente Grundstoffe, die sich nicht weiter zerlegen lassen. Jedes chemische Element wird mit einem Symbol abgekürzt, das sich vom Namen (oft auch dem griechischen/lateinischen Namen) ableitet. z.b. N A M E S Y M B O L U R S P R U N G Wasserstoff H Hydrogenium Sauerstoff O Oxygenium Jod I Iod Schwefel S Sulfur Magnesium Mg Magnesia Magnetsein Eisen Fe Ferrum In der Natur kommen Elemente so gut wie nie alleine vor, sondern sehr häufig in Verbindung mit anderen Elementen. D E F I N I T I O N : C H E M I S C H E V E R B I N D U N G Chemische Verbindungen sind reine Stoffe, die aus zwei oder mehr Elementen in einem bestimmten Verhältnis zusammengesetzt sind. Beispiel: H O H 2 O Verhältnis 2 : 1 Wasser Verbindungen lassen sich grundsätzlich in die beteiligten Elemente zerlegen. Chemie 11. Klasse Heft 1 2

3 D E F I N I T I O N : C H E M I S C H E R E A K T I O N Chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungen, bei denen sich aus Ausgangsstoffen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften bilden. Die Stoffumsetzungen sind Immer auch von Energieumsetzungen (Wärme, Licht) begleitet. Chemische Reaktionen sind umkehrbar, das heißt man kann sie unter bestimmten Bedingungen rückgängig machen. 2. Das Teilchenmodell 3. Mischungen und Trennverfahren 4. Grundgesetze chemischer Reaktionen V 1 : R E A K T I O N V O N S C H W E F E L U N D E I S E N Ein fein zermörsertes Gemisch aus Eisenpulver (28g) und Schwefel (16g) wurde in ein Reagenzglas gefüllt und mit einem Korken so verschlossen, dass keine Luft mehr zwischen Korken und Gemisch war. Alles zusammen wog 51g. Das Reagenzglas wurde waagerecht in ein Stativ eingeklemmt und erhitzt. Nach dem ersten Aufglühen wurde der Brenner entfernt und die Reaktion fand von alleine statt. Beobachtung: Es ist eine neue Verbindung entstanden: ein leicht zu zerbröselnder, grauer Feststoff mit völlig neuen Eigenschaften: kein Magnetismus nicht brennbar bei Reaktion mit Salzsäure -> übel-riechendes Faulgas: Schwefelwasserstoff H 2 S Reaktionsgleichung Fe + S -> FeS Eisen + Schwefel -> Eisensulfid A ) G E S E T Z V O N D E R E R H A L T U N G D E R M A S S E ( L A V O I S I E R ) Lavoisier führte chemische Reaktionen durch und wog die eingesetzten Stoffe davor und danach, wobei er sicherstellte, dass kein Reaktionsteilnehmer entweichen konnte. Ergebnis: die Masse blieb immer gleich. Gesetzt von der Erhaltung der Masse: Chemie 11. Klasse Heft 1 3

4 Bei jeder chemischen Reaktion ist die Masse der Ausgangsstoffe (Edukte) gleich der Mass der Produkte. Eine Einschränkung für dieses Gesetzt gibt es seit Albert Einstein 1905 folgenden Zusammenhang erkannte: E = m c 2 Energie = Masse Lichtgeschwindigkeit 2 Das bedeutet, dass bei jeder chemischen Reaktion, bei der Energie frei wird, Masse verloren geht. Allerdings ist dieser Massenverlust in der Regel so gering, dass er auch mit den besten Waagen nicht gemessen werden kann. B ) G E S E T Z D E R K O N S T A N T E N P R O P O R T I O N E N ( L O I S J O S E P H P R O U T ) 28g Eisen (Fe) + 16g Schwefel (S) -> 44g Eisensulfid (FeS) 56g Fe + 32g S -> 88g FeS 100g Fe + 32g S -> 88g FeS; 44g Fe 56g Fe + 50g S -> 88g FeS; 18g S Es ist egal, welche Mengen Fe bzw. S man einsetzt; sie verbinden sich immer in einem bestimmten Massenverhältnis; nämlich 4:7. Nimmt man mehr Schwefel, bleibt Schwefel übrig, nimmt man mehr Eisen, bleibt Eisen übrig. Untersucht man andere Verbindungen, so kann man die gleiche Beobachtungen machen. Für jede Verbindung gibt es ein typisches Massenverhältnis der Elemente, aus der sie aufgebaut sind. Jedes Element hat eine bestimmte Masse. Um Massen zu vergleichen, muss man eine definierte Stoffportion betrachten. Diese definierte Stoffportion ist in der Chemie das Mol. Ein Mol eines Elementes oder einer Verbindung enthält immer eine bestimmte Anzahl von Teilchen und hat eine bestimmte Molmasse, die man in Tabellen nachschlagen kann. Wir können also schreiben: 56g Fe + 32g S -> 88g FeS 1 (mol) Fe + 1 (mol) S -> 1 (mol) FeS (1) Fe + (1) S -> (1) FeS Fe + S -> FeS Chemie 11. Klasse Heft 1 4

5 C ) G E S E T Z D E R M U L T I P L E N P R O P O R T I O N E N Manche Elemente können sich auch in unterschiedlichen Massenverhältnissen verbinden: z.b. 14g Stickstoff (N 2 ) und 16g Sauerstoff (O 2 ) ergeben 30g Stickstoffmonoxid (NO) 14g Stickstoff (N 2 ) und 32g Sauerstoff (O 2 ) ergeben 46g Stickstoffdioxid (NO 2 ) (=Lachgas) Offenbar wird zur Herstellung von Lachgas zwei mal so viel Sauerstoff benötigt wie zur Herstellung von Stickstoffmonoxid. Gesetz der multiplen Proportionen (Dalton 1803) Bilden zwei Elemente mehrere Verbindungen miteinander, so stehen die Gewichtsverhältnisse zueinander im Verhältnis ganzer Zahlen. 5. Die Atomhypothese von Dalton 1) In Lavoiser s Elementbegriff finden mehr Elemente Platz als in dem der Antike. Außerdem berücksichtigt das modernere System die Tatsache, dass ein Element mehrere Aggregatzustände haben kann. 2) a) Jedes Element besteht aus unzerteilbaren Atomen. Die Atome eines Elements haben alle die gleiche Masse. Atome können weder vernichtet noch erzeugt werden. Bei chemischen Reaktionen werden die Atome neu verknüpft. b) Die Anzahl der Atomarten ist gleich mit der Anzahl der verschiedenen Elemente. Chemie 11. Klasse Heft 1 5

6 3) a) Wenn man von einer chemischen Reaktion mit zwei Edukten ausgeht, so kann man beispielsweise sagen, man hat vom ersten Edukt drei Atome mit der Masse x und vom zweiten Edukt vier Atome mit der Masse y. Nun wird immer 3x + 4y = 3x + 4y gelten. Unabhängig von der Größe von x oder y. Die Atome werden ja lediglich neu angeordnet und ändern nicht ihre Masse. b) In der vierten Kernaussage des Daltonischen Atommodells wir erwähnt, dass sich Atome nur in bestimmten Anzahlverhältnissen verknüpfen können. Das bedeutet, die Masse der Atome muss in einem bestimmten Verhältnis vorkommen um sich zu verbinden. Wie groß die Masse ist spielt keine Rolle - ob sie aus drei Atomen oder 10g A- tomen besteht. Die Masse eines einzelnen Atoms ist so gering, dass man sie nicht durch Wiegen bestimmen kann; statt dessen erstellt man einen Zylinder, der die Höhe von einem Atom hat. Man kann aus dessen Volumen und Radius die Höhe errechnen welche dem Durchmesser eines Atoms entspricht. Die atomare Masseneinheit u. 1 u 1, g Jedes Atom eines Elements hat die selbe Masse. Die Atommasse kann man in Tabellen nachlesen. 1 H-Atom wiegt 1u 1 O-Atom wiegt 16u 1 S-Atom wiegt 32u Wenn sich zwei Atome verbinden, entsteht ein Molekül (Bsp.: H 2 O 2 H-Atome und 1 O-Atom verbinden sich zum H2O Molekül). Die Masse eines Moleküls ist gleich der Summe der Atommassen, also ist die Masse des H 2 O Moleküls 18 u. Chemie 11. Klasse Heft 1 6

7 6. Stoffmenge und Teilchenzahl M E R K E : 1. Ein Mol eines Stoffes enthält immer Teilchen. 2. Die Atommasse bzw. Molekülmasse ist zahlenmäßig der selbe Wert wie die Masse (in Gramm) eines Moles. Beispiel zu 2.: Atommasse Schwefel (S): 32 u -> 1 Mol Schwefel wiegt 32 Gramm Atommasse Eisen (Fe): 56 u -> 1 Mol Eisen wiegt 56 Gramm Atommasse H 2 : 2u -> 1 Mol H 2 wiegt 2 Gramm Jedes dieser Mole enthält Teilchen. W A S S A G T E I N E C H E M I S C H E R E A K T I O N A U S? Fe + S -> FeS qualitative Aussage: Eisen reagiert mit Schwefel zu Eisensulfid. quantitative Aussage: 1mol Fe + 1mol S -> 1mol FeS Fe-Atome S-Atome -> FeS 32g S + 56g Fe -> 88g FeS Fe und S verbinden sich in FeS im Teilchenverhältnis 1:1 Chemie 11. Klasse Heft 1 7

8 Na + H 2 O -> NaOH + ½ H 2 qualitative Aussage: Natrium reagiert mit Wasser zu Natriumhydroxid. quantitative Aussage: 2mol Na + 2mol H 2 O -> 2mol NaOH + H Na H 2 O -> NaOH H 2 46g Na + 36g H 2 O -> 80g NaOH + 2g H 2 Mg + 2HCl -> MgCl 2 + H 2 qualitative Aussage: Magnesium reagiert mit Salzsäure zu Magnesiumchlorid und Wasserstoff quantitative Aussage: 1mol Mg + 2mol HCl -> 1mol MgCl 2 + H Mg-Atome HCl-Moleküle -> MgCl 2 Moleküle H 2 46g Na + 36g H 2 O -> 80g NaOH + 2g H 2 1mol Fe 2 O 3 und 1mol Aluminium reagieren miteinander zu 1mol Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) und 1mol Fe. a) Wie lautet die Reaktionsgleichung? Fe 2 O 3 + 2Al -> Al 2 O 3 + 2Fe b) Wie viel Gramm der Edukte müssen jeweils eingesetzt werden, wenn die Edukte vollständig miteinander reagieren sollen? 160g Fe 2 O g Al -> 102g Al 2 O g Fe Chemie 11. Klasse Heft 1 8

9 7. Das Gesetz von AVOGADRO ( ) Wenn man die Spaltung bzw. Synthese von Wasserstoff betrachtet kann man feststellen, dass H 2 und O 2 immer im Volumenverhältnis 2:1 entstehen bzw. zu Wasser reagieren. Interessanterweise entspricht das Atomanzahl-Verhältnis in der Verbindung Wasser genau diesem Volumenverhältnis von 2:1 (H 2 O 1 ). Wenn man die Synthese von Wasser bei > 100 C durchführt, liegt das entstehende Wasser gasförmig (als Wasserdampf) vor. Man kann dessen Volumen bestimmen und kommt zu folgendem Ergebnis: 2 Liter H Liter O 2 -> 2 Liter H 2 O Wenn man über das Gewicht dieser Gase nun deren Teilchen bestimmt, stellt man folgendes fest: Sie reagieren im Molverhältnis: 2mol H 2 + 1mol O 2 -> 2mol H 2 O (als Wasserdampf) Daraus lässt sich folgern, dass gleiche Volumina gasförmiger Stoffe bei gleichem Druck und gleicher Temperatur gleich viele Teilchen enthalten. = Gesetz von AVOGADRO Ein Mol eines gasförmigen Stoffes nimmt unter Normalbedingungen ein Volumen von 2,4l ein; man nennt dies auch das Molvolumen. 1) 2mol Wasserstoff (H 2 ) und 1mol O 2 reagieren zu 2mol Wasser. Wie viel Liter Gas reagieren miteinander? Wie viel Liter Wasserdampf entstehen? 2H 2 + O 2 -> 2H 2 O 44,8l + 22,4l -> 44,8l 2) 1000 ml Wasser wiegen 1000g.Wie viel mal so groß ist das Volumen von Wasserdampf im Vergleich zu flüssigem Wasser? 1mol fl. H 2 O wiegt 18g -> 18ml H2O (flüssig) 1mol gasf. H 2 O -> 22400ml H2O (gasf.) Das Volumen von Wasserdampf ist 1200 Mal so groß wie das von flüssigem Wasser. Chemie 11. Klasse Heft 1 9

10 3) Welches Volumen nehmen 32g gasförmiger Schwefel ein? Es handelt sich um 1mol Schwefel, da seine Atommasse 32u ist. 32g Schwefel Gas nehmen ein Volumen von 22,4l ein. 8. Das Periodensystem der Elemente (PSE) Chemie 11. Klasse Heft 1 10