Kapitel 4: Chemische. Woher stammen die chemischen Symbole?

Transkript

1 Kapitel 4: Chemische Symbole Woher stammen die chemischen Symbole? Das sind die Anfangsbuchstaben (manchmal auch die ersten beiden Anfangsbuchstaben) der lateinischen oder griechischen Namen der Elemente. Daher gibt es so viele Symbole wie es Elementnamen gibt. Welche chemischen Symbole haben die folgenden Elemente? Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff, Aluminium, Helium, Zink, Blei...? H ist das Symbol von Wasserstoff, weil dieses Hydrogenium heißt. C ist das Symbol von Kohlenstoff, weil dieses Carbonium heißt. N ist das Symbol von Stickstoff, weil dieses Nitrogenium heißt. S ist das Symbol von Schwefel, weil dieses Sulfur heißt. O ist das Symbol von Sauerstoff, weil dieses Oxygenium heißt Al ist das Symbol von Aluminium (das ist der lateinische Name! ) He ist das Symbol von Helium (auch das ist lateinisch) Zn ist das Symbol von Zink, weil dieses Zincium heißt Pb ist das Symbol von Blei, weil dieses Plumbum heißt. Was bedeutet ein chemisches Symbol Beispiel: Das Symbol S Wenn wir das Symbol als Etikett auf einer Flasche finden (linkes Bild), dann bedeutet es die Abkürzung des Elementnamens. In der Flasche ist also Schwefel. Wenn wir dagegen über die kleinsten Teilchen etwas aussagen wollen (rechtes Bild), dann bedeutet das Symbol S "ein Atom des Elements Schwefel".

2 Was bedeutet 7 S? Dies bedeutet "7 einzelne Atome des Elements Schwefel" Hinweis: 7 "Schwefel" (also als Abkürzung des Elementnamens) ergibt keinen Sinn! Was bedeutet O + 2 H in Worten? Ein Atom des Elements Sauerstoff und zwei einzelne Atome des Elements Wasserstoff. Wie stellt man folgendes Teilchen mit den chemischen Symbolen dar? Das sind zwei miteinander verbundene Sauerstoffatome. Man schreibt O2 (rote Kugel = Sauerstoffatom) Die Schreibweise 2 O bedeutet dagegen "zwei einzelne, nicht miteinander verbundene Sauerstoffatome" Ein Molekül aus zwei Wasserstoffatomen (violette Kugeln), die mit einem Sauerstoffatom verbunden sind. Das ist dann das Wassermolekül Was ist H2O? H20 ist die Formel des Wassermoleküls. Die Formel gibt immer den Aufbau von einem Molekül des Stoffes an.

3 Was bedeutet 3 H2O? Das sind drei einzelne Wassermoleküle! Traubenzucker (Glucose) hat ein Molekül, dessen Formel C6H12O6 lautet. Wie viele Atome von jedem Element sind notwendig, um fünf Glucosemoleküle zu bilden? In fünf Glucosemolekülen sind 5 * 6 = 30 Kohlenstoffatome enthalten und 5 * 12 = 60 Wasserstoffatome und 5 * 6 = 30 Sauerstoffatome. Es sind dann auch logischerweise 30 Kohlenstoffatome und 60 Wasserstoffatome und 30 Sauerstoffatome notwendig! Ein Wassermolekül enthält 2 H und 1 O. Also Wie viele Atome von jedem Element braucht man, um 10 Wassermoleküle zu bilden? Wie viele Sauerstoffmoleküle und Wasserstoffmoleküle müssen dann reagieren, um diese fünf Wassermoleküle zu bilden? benötigt man 20 H und 10 O für zehn Wassermoleküle. Da Sauerstoffmoleküle aus zwei Sauerstoffatomen und Wasserstoffmoleküle aus zwei Wasserstoffatomen bestehen, braucht man dann 10 H2 (10 Wasserstoffmoleküle bestehen ja aus 20 Wasserstoffatomen) und 5 O2 (fünf Sauerstoffmoleküle bestehen ja aus 10 Sauerstoffatomen.)

4 Eine Reaktionsgleichung gibt das Zahlenverhältnis der miteinander reagierenden Atome der Ausgangsstoffe an! Beispiel: Es reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff 10 H O 2 ---> 10 H 2 0 Was gibt eine Reaktionsgleichung an? Weil hier nur das Zahlenverhältnis angegeben wird (in Wirklichkeit reagieren ja Milliarden Atome miteinander), kann man auch Bruchzahlen schreiben. (Alles durch 10 dividiert) H 2 + ½ O 2 > H 2 0 Ein halbes Sauerstoffmolekül ist ja gleichbedeutend mit einem einzigen Sauerstoffatom ½ O 2 ist 1 O Die beiden Reaktionsgleichungen zeigen: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren immer im Verhältnis 2 : 1 miteinander! (Im ersten Fall ist das 10 : 5 und im zweiten Fall ist das 1 : 0,5 - das ist immer 2 : 1) Bei einer Reaktionsgleichung muss man immer darauf achten, dass links und rechts vom Reaktionspfeil von jedem Element gleich viele Atome vorhanden sind. Es können ja keine Atome neu hinzukommen und keine einfach verschwinden! Was besagt der Satz der Erhaltung Die Gesamtmasse der Ausgangsstoffe ist genau so groß wie die Masse der bei der Reaktion entstehenden Stoffe. der Masse?

5 Wie kann man beweisen, dass die Masse bei einer chemischen Reaktion unverändert bleibt? Man wiegt das verschlossene Gefäß mit dem darin befindlichen Kupfer und dem Sauerstoff ab. Erhitzt man dann stark, so dass sich das Kupfer mit dem Sauerstoff zum Kupferoxid verbindet und wiegt dann erneut ab, so stellt man fest: Die Waage zeigt genau dasselbe an! Die Reaktionsgleichung gibt ein bestimmtes Zahlenverhältnis an, mit dem die Atome miteinander reagieren. - Wie kann man beweisen, dass Stoffe nur in einem bestimmten Zahlenverhältnis miteinander reagieren? Das ist das, was das Gesetz der konstanten (gleich- bleibenden) Massenverhältnisse aussagt. Man mischt 40 ml Wasserstoff und lässt sie mit 40 ml Sauerstoff reagieren. Was stellt man fest? Nimmt man die gleichen Mengen Zink und Schwefel, mischt sie und lässt sie dann reagieren, so erfolgt diese Reaktion viel weniger heftig, wie wenn man doppelt so viel Zink wie Schwefel nimmt. Nach dem Gesetz der konstanten Massenverhältnisse braucht man also doppelt wo viel Zink wie Schwefel. Das Verhältnis ist 2 : 1 Es bleiben 20 ml Sauerstoff übrig. Da Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2 : 1 reagieren, reagieren 40 ml Wasserstoff nur mit 20 ml Sauerstoff. Sind aber 40 ml Sauerstoff vorhanden, so bleiben 20 ml davon übrig. Sie werden nicht für die Reaktion gebraucht. Was stellt man fest, wenn man 60 ml Wasserstoff mit 10 ml Sauerstoff reagieren lässt? Es bleiben 40 ml Wasserstoff übrig, da die 10 ml Sauerstoff nur mit 20 ml Wasserstoff reagiert haben.

6 Was versteht man unter der "Wertigkeit" eines Elements? Das ist eine Zahl, mit der man berechnen kann, mit wie vielen Atomen eines anderen Elements sich ein Atom dieses Elements verbindet. Die Wertigkeitszahl schreibt man mit römischen Ziffern. (I, II, III, IV...) Die Wertigkeit von Phosphor P ist fünf (V). Die Wertigkeit von Sauerstoff O ist zwei (II). Wie berechnet man, wie viele Atome man von jedem Element für ein Molekül der Verbindung "Phosphoroxid" braucht? Das kleinste gemeinsame Vielfache (kgv) der beiden Zahlen V und II ist 10. Teilt man nun dieses kgv=10 durch die Wertigkeit vom Phosphor, so erhält man die Anzahl der benötigten Phosphoratome. 10 : 5 = 2. Man braucht also zwei Phosphoratome. Teilt man das kgv = 10 durch die Wertigkeit von Sauerstoff, so erhält man die Anzahl der benötigten Sauerstoffatome. 10 : 2 = 5. Man braucht also fünf Sauerstoffatome. Die Formel von Phosphoroxid ist also P2O5 Stickstoff N hat die Wertigkeit III. Wasserstoff hat die Wertigkeit I. - Wie lautet die Formel der Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff? - Diese Verbindung ist das stechend riechende Ammoniakgas, das bei der Zersetzung von Harnstoff und Eiweiß frei wird. Es ist auch in vielen Reinigungsmitteln enthalten und wird beim Haarefärben verwendet! Wie lautet die Reaktionsgleichung der Bildung von Ammoniakgas aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff? Das kgv ist in diesem Fall kgv = 3 Für den Stickstoff gilt 3 : 3 = 1 Man braucht 1 Stickstoffatom Für Wasserstoff gilt 3 : 1 = 3 Man braucht 3 Wasserstoffatome Die Formel von Ammoniakgas ist also N1H3 oder NH3 1.) Erste Überlegung: Formel von Ammoniakgas ist NH3 2.) Zweite Überlegung: Man braucht für ein Molekül 1 N und 3 H 3.) Dritte Überlegung: N und H sind Gase, es gibt von diesen also keine einzelnen Atome, sondern nur zweiatomige Moleküle. Es muss als N2 und 3 H2 heißen. 4.) Vierte Überlegung: Wenn man aber 2 Stickstoffatome und 3 *2 = 6 Wasserstoffatome hat, dann kann man nicht nur ein Ammoniakmolekül bilden, sondern gleich zwei, als 2 NH3 Nach vier Überlegungsschritten haben wir die Reaktionsgleichung (Viererschrittmethode) Sie lautet N2 + 3 H2 ---> 2 NH3

7 Was ist die Maßeinheit für die Masse der Atome? Das ist die Atommasseneinheit oder "unit" (u) 1 u ist die Masse von einem Wasserstoffatom. Dieses hat man als Maß gewählt, weil Wasserstoffatome die leichtesten Atome überhaupt sind. Ein Kohlenstoffatom ist 12 mal so schwer wie ein Wasserstoffatom. Seine Atommasse ist also 12 u. Ein Sauerstoffatom hat 16 u und ein Stickstoffatom 14 u. Welche Masse hat ein Wassermolekül? Ein Wassermolekül hat die Formel H20. Es sind darin 2 Wasserstoffatome (also 2 * 1 u = 2 u) und ein Sauerstoffatom (16 u). Das ergibt als Summe 18 u. Die Molekülmasse eines Wassermoleküls ist also 18 u, was bedeutet, das Wasser 18 mal so schwer wie Wasserstoffgas ist. a) Der Umrechnungsfaktor ist g * 1000 ergibt 3 kg Wie heißt der Umrechnungsfaktor von... a) g in kg b) u in g? b) der Umrechnungsfaktor ist kurz als NA 23 geschrieben. (= 6,023 * 10 ) NA = Numero Avogadro - nach dem Italiener Avogadro benannt 16 u * NA = 16 g NA Atome eines Elements ist 1 Mol dieses Elements Wie nennt man die Masse von NA Atomen eines Elements oder NA Molekülen einer Verbindung? Beispiel: NA Atome Sauerstoff haben die Masse 16 g. Das ist 1 Mol Sauerstoff. NA Moleküle einer Verbindung sind 1 Mol dieser Verbindung Beispiel: NA Wassermoleküle haben die Masse 18 g. Das ist 1 Mol Wasser.

8 Wie viel Sauerstoff benötigt man zum Verbrennen von 60 g reinem Kohlenstoff? Berechne dies? Kohlenstoffdioxid entsteht und das ist CO2. Eines dieser Moleküle besteht aus 1 C (12 u) und zwei Sauerstoffatomen (2 * 16 u = 32 u). Das CO2 Molekül hat als eine Molekülmasse von 44 u. In einem Mol Kohlendioxid, also in 44 g Kohlendioxid, sind dann 32 g Sauerstoff enthalten und 12 g Kohlenstoff. Wenn man für 12 g Kohlenstoff 32 g Sauerstoff braucht, dann braucht man für fünfmal so viel Kohlenstoff (5 *12 g = 60 g) eben auch fünfmal so viel Sauerstoff, also 5 *32 g = 160 g. Antwort: 60 g reiner Kohlenstoff verbrennen mit 160 g Sauerstoff vollständig zu Kohlendioxid.