Anorganische-Chemie. Dr. Stefan Wuttke Butenandstr. 11, Haus E, E

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1 Dr. Stefan Wuttke Butenandstr. 11, Haus E, E stefan.wuttke@cup.uni-muenchen.de Anorganische-Chemie Grundpraktikum für Biologen 2014/2015

2 Wie zählen wir Mengen in der Chemie? Stefan Wuttke # 2

3 Kurze Zusammenfassung Stoffmenge n = m(x) M(X) Konzentration c(x) = n(x) V Übungsaufgaben: Berechnen Sie die molare Masse von Ca(NO 3 ) 2. Wie viele Mol Natriumhydrogencarbonat (NaHCO 3 ) sind in 508 g NaHCO 3 enthalten? Berechnen Sie die Konzentration einer Lösung, die aus 5g Glukose (C 6 H 12 O 6 ) und 100 ml Lösung hergestellt wird. Wie viel Gramm Na 2 SO 4 befinden sich in 15 ml einer 0,50 M Na 2 SO 4 -Lösung? Wie viel Milliliter einer 0,5 M Na 2 SO 4 -Lösung werden benötigt, um 0,038 mol dieses Salzen abzumessen? Stefan Wuttke # 3

4 Molvolumen von Gasen 1 mol (Gas unter Normalbedingungen) hat immer ein molares Volumen von 22,4 l/mol. Stefan Wuttke # 4

5 Oktettregel Atome sind im Allgemeinen bestrebt, 8 Außenelektronen zu besitzen. Das entspricht dem Elektronenoktett in der Außenschale eines Edelgas-Atoms. besonders günstiger Elektronenzustand Stefan Wuttke # 5

6 Lewis-Strukturformel Beispiel Wasser 1. Summieren Sie die Valenzelektronen aller Atome. 2. Schreiben Sie die Symbole der Atome auf, um zu zeigen, welches Atom mit welchem verknüpft ist, und verbinden Sie sie mit einer Einfachbindung (ein Strich, der für zwei Elektronen steht). 3. Vervollständigen Sie die Oktette um alle an das Zentralatom gebundenen Atome. 4. Platzieren Sie jedes übrig gebliebene Elektron am Zentralatom. 5. Wenn nicht genug Elektronen vorhanden sind, um dem Zentralatom ein Oktett zu geben, versuchen Sie es mit Mehrfachbindungen. Beispiele: Cl 2 PCl 3 CO 2 N 2 H 2 N-CO-NH 2 Stefan Wuttke # 6

7 Periodensystem der Elemente Stefan Wuttke # 7

8 Mesomerie - Resonanzformeln Beschreibt das Phänomen, dass sich für eine Verbindung verschiedene äquivalente Lewis-Formeln aufstellen lassen. Ozonmolekül - O 3 O O + + O - - O O O Die eigentliche Anordnung der Elektronen in Molekülen wie O 3 muss als eine Mischung der Resonanzformeln betrachtet werden. Stefan Wuttke # 8

9 Resonanz in der organischen Chemie Benzol Die sechs π-elektronen sind über den gesamten Ring delokalisert. Verbindungen mit delokalisierten π-elektronen sind in der Regel energetisch günstiger und damit stabiler als solche mit lokalisierten Mehrfachbindungen. Stefan Wuttke # 9

10 Chemische Gleichungen Chemische Reaktionen können durch chemische Gleichungen präzise beschrieben werden. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Reaktanten reagieren zu Produkte H 2 (g) H 2 O(l) NaCl(s) Ausgleichen: CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O Stefan Wuttke # 10

11 Chemische Gleichungen Übungsaufgabe: Der wichtigste kommerzielle Vorgang, um N 2 aus der Luft in stickstoffhaltige Verbindungen umzuwandeln, basiert auf der Reaktion von N 2 und H 2 zu Ammoniak: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Wie viel Mol NH 3 können aus 3 mol N 2 und 6 mol H 2 gebildet werden? Stefan Wuttke # 11

12 Chemische Gleichungen Übungsaufgabe: Berechnen Sie die Masse der Kupferportion, die aus 5 g schwarzem Kupferoxid durch Reduktion mit Wasserstoff hergestellt werden kann. Stefan Wuttke # 12

13 Chemisches Gleichgewicht Der Zustand, in welchem sich die Konzentrationen aller Reaktanten und Produkte in einem geschlossenen System nicht mehr zeitlich ändern, heißt chemisches Gleichgewicht. Stefan Wuttke # 13

14 Massenwirkungsgesetz a A + b B Hinreaktion Rückreaktion d D + e E Hinreaktion = Rückreaktion Gleichgewichtskonstante K = D d E e A a B b für Lösungen K c = cd c e D E c a c b A B für Gasreaktionen K p = pd p e D E p a p b A B Stefan Wuttke # 14

15 Massenwirkungsgesetz K = Produkte Reaktanten K >> 1 Reaktanten Produkte K << 1 Reaktanten Produkte K = 1 Reaktanten Produkte Stefan Wuttke # 15

16 Massenwirkungsgesetz Übungsaufgabe: Die Reaktion von N 2 mit O 2 zur Bildung von NO könnte als ein Weg zur Fixierung von Stickstoff betrachtet werden: N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO(g) Der Wert für die Gleichgewichtskonstante für diese Reaktion bei 25 C ist K c = mol/l. Beantworten Sie, ob es realistisch ist, Stickstoff durch die Bildung von NO bei 25 C zu fixieren. Stefan Wuttke # 16

17 Massenwirkungsgesetz Übungsaufgabe: Bei der Reaktion von 5 mol Essigsäure und 3 mol Ethanol bei 25 C sind bis zur Einstellung des chemischen Gleichgewichts 2,43 mol Essigsäureethylester und 2,43 mol Wasser entstanden. Wie groß ist die Gleichgewichtskonstante K c? Stefan Wuttke # 17

18 Chemische Gleichungen Übungsaufgabe: Der wichtigste kommerzielle Vorgang, um N 2 aus der Luft in stickstoffhaltige Verbindungen umzuwandeln, basiert auf der Reaktion von N 2 und H 2 zu Ammoniak: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Wie viel Mol NH 3 können aus 3 ml N 2 und 6 mol H 2 gebildet werden? Verschieden von: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Stefan Wuttke # 18

19 Das Prinzip des kleinsten Zwangs Wird auf ein sich im chemischen Gleichgewicht befindendes stoffliches System ein Zwang ausgeübt, dann weicht dieses System dem Zwang so aus, dass die Wirkung des Zwanges verringert wird. [Le Châtelier und Braun] Stefan Wuttke # 19

20 Einfluss von Temperaturänderungen auf das chemische Gleichgewicht 2 NO 2 N 2 O 4 R H = -59 kj mol c(n 2 O 4 ) c(no 2 ) Temperaturerhöhung ist ein äußerer Zwang. Für endotherme Reaktionen: Erhöhung von T führt dazu, dass K größer wird. Für exotherme Reaktionen: Erhöhung von T führt dazu, dass K kleiner wird. Temperatur Stefan Wuttke # 20

21 Einfluss von Druckeränderungen auf das chemische Gleichgewicht 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) c(n 2 O 4 ) c(no 2 ) Druckerhöhung ist ein äußerer Zwang. Druckerhöhung: Die Reaktion, die unter Volumenabnahme verläuft wird begünstigt. Druckerniedrigung: Die Reaktion, die unter Volumenzunahme verläuft wird begünstigt Druck Stefan Wuttke # 21

22 Einfluss von Konzentrationsänderungen auf das chemische Gleichgewicht 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) Wenn ein chemisches System sich im Gleichgewicht befindet und wir eine Substanz (entweder einen Reaktanten oder ein Produkt) zugeben, verschiebt sich die Reaktion derart, dass das Gleichgewicht durch Verbrauch eines Teils der zugegebenen Substanz wieder eingestellt wird. Umgekehrt bewegt sich durch Entzug einer Substanz die Reaktion in der Richtung, die mehr von dieser Substanz bildet. Stefan Wuttke # 22

23 Kinetik - Thermodynamik Kinetik zeitlicher Ablauf chemischer Reaktionen Thermodynamik - Energieänderungen chemischer Reaktionen Stefan Wuttke # 23

24 Übungsaufgaben Das folgende Diagramm stellt ein Gleichgewichtsgemisch dar, dass für eine Reaktion der Art A + B AB erzeugt wird. Wenn das Volumen 1 Liter ist, ist K größer oder kleiner als 1? A B A-B A-B A-B A A-B A-B A-B A A-B A-B B Stefan Wuttke # 24