Materie ist die Gesamtheit aller Stoffe: Energie bei chemischen Reaktionen:

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1 A Stoffbegriff / Materie / Energie Materie ist die Gesamtheit aller Stoffe: Jeder Stoff füllt einen Raum V (Einheit: m³) aus Jeder Stoff besitzt eine Masse m (Einheit: kg) Dichte = Masse / Volumen Gewicht = Erdanziehung der Masse! Chemischer Stoffbegriff: Stoff ist ein sehr allgemeinen Begriff für alles, was uns umgibt, und dem wir einen Namen geben können: Holz, Eisen und Plastik Energie bei chemischen Reaktionen: Wärme-, elektrische oder Strahlungsenergie Bewegungs- (kinetische) oder potentielle Energie (innere Energie) Chemische Energie (Enthalpie) - exotherm / endotherm

2 A Untersuchung der Stoffe Stoffe haben unterschiedliche, kennzeichnende (spezifische) Eigenschaften: Aggregatzustand: Luft ist gasförmig, Wasser ist flüssig, Eisen ist fest Dichte: Eisen 7,873 g/cm3, Aluminium 2,702 g/cm3 Schmelzpunkt (unter Normdruck) Siedepunkt (unter Normdruck) Kristallform: z.b. Würfelform

3 A Untersuchung der Stoffe kennzeichnende (spezifische) Eigenschaften: Aggregatzustand, Dichte Schmelzpunkt, Siedepunkt Kristallform Farbe Löslichkeit: z.b. löslich in Wasser elektrische Leitfähigkeit: Leiter, Halbleiter, Nichtleiter unspezifische Eigenschaften: Masse, Gewicht Volumen Temperatur

4 A.1.2 Aggregatzustände Materie in 4 physikalischen Zuständen: gasförmig flüssig fest Plasma: Stoffteilchen in Bruchstücken Energiezufuhr bzw. Energieabgabe (gleiche Energiemenge): g Schmelz- / Kristallisationswärme Verdampfungs- / Kondensationswärme Sublimations- / Resublimationswärme Umwandlungswärmen: abhängig ggvon p und T beim Phasenübergang

5 A.1.2 Aggregatzustände: Phasendiagramm (p,t) 374,1 C 220,5 bar

6 gasförmig Gasatome/-moleküle im Raum frei beweglich Gase füllen jeden Raum vollständig aus kein bestimmtes Volumen keine e bestimmte te Gestalt t Teilchen weit voneinander entfernt: praktisch keine Kräfte (ideales Gas) fast keine Kräfte (reales Gas) Gasgemenge in jedem Verhältnis homogen Kompressibilität: durch Druck kompressibel.

7 gasförmig Bewegte Teilchen stoßen gegen Gefäßwände, ä Druck p (Einheiten: Pa, bar), den Gasmenge auf Behälter ausübt, ist vom Volumen des Behälters und von der Temperatur abhängig. allgemeines Gasgesetz (ideales Gas): pv= p.v nrt n.r.t (R = 8,3143 J K -1 mol -1 ) William Thomson (Lord Kelvin): absoluter Nullpunkt bei 0 K K = C + 273,15

8 Aggregatzustand: flüssig Flüssigkeiten besitzen bei Normbedingungen t = 0 C und p = 1,01325 bar [Normluftdruck] definiertes Volumen, aber keine bestimmte Gestalt. schwache Anziehungskräfte (Kohäsion), bewegliche Teilchen Oberflächenspannung: durch Kohäsion werden Teilchen an der Oberfläche nur in das Innere der Flüssigkeit angezogen Kugel Verdampfen einer Flüssigkeit: Bewegungsenergie > Kohäsion: Teilchen verlassen Flüssigkeit Energieverlust Temp. sinkt (Verdunstungskälte) Flüssigkeit verdampft bei RT

9 Aggregatzustand: flüssig Dampfdruck einer Flüssigkeit: im geschlossenen Behälter Verdampfen der Flüssigkeit (temperaturabhängig) Kondensation des Dampfes (abhängig von Dampfkonzentration) Dampfdruck = Druck des Dampfes, der sich im Gleichgewicht mit einer Flüssigkeit befindet Konstante Temperatur konst. Dampfdruck Siedepunkt Kp: Dampfdruck der Flüssigkeit = Luftdruck

10 Aggregatzustand: flüssig Dampfdruckkurve:

11 A.1.2 Aggregatzustand: fest Festkörper bei Normbedingungen g ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Gestalt. sehr starke Anziehungskräfte zwischen Teilchen: Gitterstruktur (Raumgitter, Kristallgitter) Modifikationen: verschiedene Kristallgitter desselben Stoffes! amorphe Stoffe keine feste Struktur

12 A.1.2 Aggregatzustand: fest Schwingungen g und Rotationen (Drehungen): abhängig gg von Gitterkräften, Masse, Temperatur Zufuhr von Wärmeenergie: Bewegungen der Teilchen nehmen zu bis Gitter zusammenbricht Schmelzpunkt Sh Schmelzpunkt geringfügig füi vom Druck abhängig: Volumensänderung beim Schmelzen? Sublimieren: fest gasförmig (Vakuum!)

13 Kristallgitter octagonal triklin hexagonal kubisch tetragonal rhombisch monoklin

14 2-Schichten-Kugeln

15 Hexagonal dichteste Packung

16 Def: Reinstoffe sind Stoffe, die durch übliche physikalische Verfahren nicht in verschiedenartige Stoffe zerlegt werden können. Sie haben spezifische physikalische und chemische h Eigenschaften: Eigenschaften von Reinstoffen: Schmelz- und Siedetemperatur Farbe, Geruch, Geschmack Beispiele für Reinstoffe: Zucker, Salz, Eisen, Gold, reines Wasser Reinstoffe Reinstoffe, da Eigenschaften dieser verunreinigten Stoffe (z.b. reines Wasser) fast konstant sind

17 Def: Stoffgemenge bestehen aus zwei oder mehreren Stoffen, die ihre eigenen spezifischen Eigenschaften behalten. Gemenge können durch physikalische Methoden wieder in diese Bestandteile getrennt werden. Zusammensetzung und Eigenschaften eines Gemenges sind veränderlich! Eigenschaften von Gemengen: Schmelz- und Siedebereiche von Zusammensetzung abhängig Farbe, Geruch, Geschmack von Zusammensetzung abhängig Beispiele für Gemenge: Zucker, Salz, Quecksilber, Eisen, Gold, Silber, reines Wasser, feiner Sand.

18 (in)homogene Stoffgemenge optisch nicht unterscheidbar homogene Gemenge mit Auge / Mikroskop unterscheidbar inhomogene Gemenge

19 Phasen Bezeichnung Beispiele fest fest (Gemenge) Granit, Schießpulver, Kantwurst fest - flüssig Suspension Töpferton, Kalkmilchsuspension fest - gasförmig (fester) Schaum Montageschaum, Schwamm flüssig - flüssig Emulsion Milch, Suppe, Ölabscheider flüssig - gasförmig Aerosole: Seifenschaum Salzsäurenebel, Schaum bzw. Nebel Mineralwasser gasförmig-fest Rauch Tabakrauch, Staub Beispiele homogener Gemische: Kochsalz in Wasser gelöst Mischung aus Alkohol und Wasser Luft (Gase bilden wegen Diffusion immer homogene Mischungen!)

20 Woraus bestehen Reinstoffe? Def: Elemente sind chemische Grundstoffe. Sie können weder durch übliche physikalische noch durch chemische Verfahren in andere Stoffe zerlegt werden. ca. 100 chemische Elemente Def: Verbindungen bestehen aus mindestens zwei chemischen Elementen. Sie sind durch chemische Vorgänge (Synthesen) entstanden und können nur chemisch getrennt werden (Analysen).

21 A.1 Zusammenfassung