1 1 Naturwissenschaftliches Arbeiten 2 2 Aggregatzustände sieden 3 3 Einteilung der Stoffe: Stoff Reinstoff Mischen Stoffgemisch Reinstoff Stoffgemisch Bei gleichen Bedingungen (Temperatur, Druck): immer gleiche qualitative und quantitative Eigenschaften (z.b. Farbe, Geruch, Geschmack, Aggregatzustand, Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte) Trennen Keine konstanten Eigenschaften; diese ändern sich mit der Zusammensetzung. z.b.: Salzwasser z.b.: Gold, Wasser, Wasserstoff 4 4 Einteilung der Reinstoffe: Reinstoff Element Verbindung Atom Element besteht aus nur einer Atomart Molekül Verbindung besteht aus verschiedenen Atomarten in einem festen, für die Verbindung charakteristischen Zahlenverhältnis Wasser 2O Gold Au Wasserstoff 2 Sie lässt sich durch eine Analyse in Elemente zerlegen.
5 5 Einteilung der Stoffgemische: Stoffgemisch homogenes Stoffgemisch heterogenes Stoffgemisch homogen nur eine Phase: haben ein einheitliches Aussehen (z.b. Luft) heterogen mindestens zwei Phasen: verschiedene Stoffe erkennbar (z.b. Zigarettenrauch) 6 6 Chemische Reaktionen sind Stoff- und umwandlungen. Chemische Reaktion Auf Teilchenebene sind sie gekennzeichnet durch: Umgruppierung von Atomen Umbau von chemischen Bindungen erfolgreiche Teilchenzusammenstöße 2 2 + O 2 2 2 O wird frei 7 7 Synthese: Grundtypen chemischer Reaktionen (stofflich) A + B C z.b.: Wasserstoff Sauerstoff Wasser Umsetzung: A + B C + D Analyse: A A + B z.b.: Wasser Wasserstoff Sauerstoff 8 8 Glimmspanprobe Sauerstoff Verbrennung in reinem Sauerstoff ist heftiger als in Luft glimmender olzspan glüht auf Nachweisreaktionen Knallgasprobe Wasserstoff Wasserstoff in Kontakt mit Sauerstoff explosionsfähig Geräusch (Druckwelle) bei Entzündung Kalkwasserprobe Kohlenstoffdioxid Kohlstoffdioxid bildet in Kalkwasser (Calciumhydroxid-Lösung) schwer lösliches Calciumcarbonat (Kalk) Trübung
9 9 Innere E i Grundtypen chemischer Reaktionen: (energetisch) exotherm endotherm Der gesamte vorrat im Inneren eines Systems ist dessen innere E i. [E i ] = 1 kj (alte Einheit: kcal) abgabe bei einer chemischen Reaktion: exotherme Reaktion (!E i < 0). aufnahme bei einer chemischen Reaktion: endotherme Reaktion (!E i > 0). andere formen, z.b. Wärme, endotherm exotherm System mit der inneren Ei 10 10 Die Änderung der inneren eines Systems bei chemischen Reaktionen kann durch ein diagramm dargestellt werden. z.b. exotherme Reaktion!! diagramm! " Edukte Aktivierungsenergie E A abgegebene ΔE i < 0!! Produkte Reaktionsverlauf 11 11 Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Aktivierungsenergie herabsetzt die Reaktion beschleunigt und nach der Reaktion unverändert vorliegt. Katalysator 12 12 Molekül Teilchen, die aus mindestens zwei Nichtmetall-Atomen bestehen, werden als Moleküle bezeichnet. Moleküle von Elementen bestehen aus gleichartigen Atomen (Cl 2, O 2, N 2, 2 ), Moleküle von Verbindungen aus verschiedenartigen Atomen (N 3, 2 O, CO 2, C 4 ). Wasserstoffmolekül Sauerstoffmolekül Wassermolekül Kohlenstoffdioxidmolekül
13 13 Salze Kationen und Anionen Atom-Ionen und Molekül-Ionen. Salz Kationen NaCl Na + Cl - N 4Cl N 4 + Ca(NO 3) 2 Anionen Cl - Ca 2+ NO 3 - NO 3 - Salze: Verbindungen aus Ionen Kationen: positiv geladene Ionen Anionen: negativ geladene Ionen Atom-Ionen z.b.: Na +, Ca 2+, Cl - Molekül-Ionen z.b.: N 4 +, SO 4 2-, NO 3-14 14 Verhältnisformel Die Verhältnisformel gibt das Zahlenverhältnis der Ionen in einem Salz (Metall-Nichtmetall- Verbindung) an. NaCl CaF 2 Molekülformel Die Molekülformel gibt an, aus wie vielen Atomen jeweils ein Molekül (Nichtmetall- Nichtmetall-Verbindung) besteht. 2 O 2 (Wasserstoffperoxidmolekül) C 4 10 (Butanmolekül) 15 15 Atommodelle Modell nach Dalton stufenmodell Orbitalmodell (ab / ) Masse C-Atom 12u -Atom 1u n=3 n=2 n=1 Daltonsche Atommodell Atom als kompakte Kugel (z.b.: C-Atom, -Atom). stufenmodell oder Quantenmodell beschreibt den Aufbau der Atomhülle Elektronen auf stufen eine stufe kann von maximal 2n 2 Elektronen besetzt werden Orbital: Raum um den Atomkern, in welchem ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist. Orbitalmodell: beschreibt die Atombindung: jedes Orbital fasst maximal zwei Elektronen Atombindung kommt durch Überlappung zweier Orbitale zustande (z.b. Wasser-Molekül). 16 16 Atom A X Z 0 (Lithium) 0 3 p +, 4 n, 3 e - Nukleonenzahl A: A=7 Rel. Atommasse m A: 7 u Ordnungs-, Elektronen-, Protonen-, Kernladungszahl: Z= 3 Atomhülle: Elektronen e - Atomkern: 0 Neutronen n und Protonen p + Protonenzahl Z (Ordnungszahl) definiert die Atomart. Nukleonenzahl A (Massenzahl) A = Z + N
17 17 Edelgasregel (Oktettregel) Entstehung von Ionen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen Na Na + + 1e - E E + Edelgaskonfiguration: Atome erreichen in ihrer höchsten stufe die gleiche Anzahl an Valenzelektronen wie die Edelgas-Atome. Edelgasatome haben acht Valenzelektronen. (Ausnahme: Edelgasatom elium: 2 Valenzelektronen) 18 18 Die Elektronenpaarbindung wird auch als kovalente Bindung oder Atombindung bezeichnet. Chemische Bindungen! Ionenbindung! Metallbindung! Elektronenpaarbindung positive Teilchen negative Teilchen Ionenbindung Metallbindung Kationen Atomrümpfe Atomkerne Anionen Elektronen(gas) El.-paarbindung Bindungselektronen 19 19!"#$%&'(#()**&+,(-.(/ Eine Elektronenpaarbindung kommt durch die gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren zweier Nichtmetallatome zustande. Einfachbindungen und Dreifachbindungen erlauben eine Drehung der Molekülteile gegeneinander. Doppelbindungen lassen keine freie Drehung zu. Einfachbindung Mehrfachbindung Einfachbindung Doppelbindung Dreifachbindung z.b.: C C C = C C C 20 20 Valenzstrichformel = Lewis -Formel (Strukturformel) Valenzstrichformeln enthalten Striche zur Symbolisierung bindender und nicht bindender Elektronenpaare. Die Valenzstrichformel erlaubt die Andeutung von Bindungswinkeln. Es gilt stets die Edelgasregel. Beispiel Wassermolekül Ausbildung einer!"#$%&'()'* ()+,- *.$.&'/0$./ 1)"2.' 3#' 45.6"+#'.': O Beispiel Kohlenstoffdioxidmolekül O C O
21 21 Teilchenmasse (Atom-, Molekül-, Ionenmasse) Die Masse eines Teilchens (Atom, Molekül, Ion) kann in der Einheit Gramm g oder in der atomaren Masseneinheit u angegeben werden. Ein u ist historisch definiert als der 12. Teil der Masse eines Kohlenstoffatoms 12 C. 1u = 1,66 10-24 g 1g = 6,022 10 23 u 22 22 Stoffmenge n [n] = 1 mol Die Stoffmenge gibt die Packungseinheit an Teilchen an. Eine Packung entspricht einem Mol. Die Packung 1 Mol enthält immer 6,022 10 23 Teilchen (Atome, Ionen oder Moleküle). 23 23 Wichtige Rechenformeln m n = n Stoffmenge [mol] M m Masse [g] V n = m A Atomare Masse Vm M Molare Masse [ g / mol ] N V Volumen [l] n = N A V m Molares Volumen (Gase: 22,4 l / mol ) n = c V N Teilchenanzahl m N A Avogadrokonstante (6,022 10 23 mol -1 ) N = m c Konzentration [ mol / l ] A 24 24 Elektronegativität EN Elektronegativität! Die Fähigkeit eines Atoms, Bindungselektronen anzuziehen! Die Atombindung ist umso polarer, je größer die Elektronegativitätsdifferenz! EN ist.! Die EN steht im PSE:
25 25 Wechselwirkungen zwischen Teilchen! Van der Waals WW! Dipol-Dipol-WW! Wasserstoffbrücken van der Waals WW! Anziehungskräfte zwischen spontanen und induzierten Dipolen! steigen mit zunehmender Kontaktfläche und Atom-/ Molekülmasse! wirken zwischen vor allem zwischen Molekülen (unpolaren) Dipol-Dipol-WW! WW zwischen permanenten Dipol-Molekülen (z.b. Cl)!"##$%#&'(()%*+,$- #.-/ #pezielle 0.1'230.1'23!!! sind bei geringer Molekülgröße die stärksten WW kommen bei Wasserstoffverbindungen des Stickstoffs, des Sauerstoffs und des Fluors vor (N 3, 2 O, F) 26 26 Säure: Protonendonator Säure - saure Lösung neutrale Lösung Base basische / alkalische Lösung Saure Lösungen enthalten mehr Oxonium- als ydroxidionen: n ( 3 O + ) > n (O - ) Neutrale Lösungen enthalten gleich viel Teilchen beider Ionensorten: n ( 3 O + ) = n (O - ) Base: Protonenakzeptor Alkalische Lösungen enthalten mehr ydroxid- als Oxoniumionen: n ( 3 O + ) < n (O - ) 27 27 Wichtige Säuren (Molekülionen) Säure Säure-Anion /Rest Salzsäure Cl Chlorid Cl - in Urinsteinentferner Salpetersäure ( NO )! Nitrat - NO 3! zur Düngerherstellung Schwefelsäure 2 ( SO! ) Sulfat 2- SO 4 in Autobatterien; im sauren Regen Kohlensäure 2 ( CO 3 ) Carbonat 2- CO 3 in Erfrischungsgetränken Phosphorsäure 3 ( PO! ) Phosphat 3- PO 4 in geringen Mengen in Cola enthalten 28 28 Wichtige Basen Natriumhydroxid Na(O) in Rohrreiniger, Laugengebäck Kaliumhydroxid K(O) zur Seifenherstellung Calciumhydroxid Ca(O) 2 CO 2 -Nachweis, Kalkmörtel Lsg.: Natronlauge Lsg.: Kalilauge Lsg.: Kalkwasser
29 29 Protonenübergang von Oxonium-Ionen auf ydroxid-ionen unter Wasserbildung: Neutralisation 3 O + + O - 2 2 O Bei der Reaktion äquivalenter Mengen einer starken Säure mit einer starken Base bildet sich eine neutrale Lösung (p=7). Säure + Base Wasser + Salz z.b. Cl + Na(O) 2 O + NaCl 30 30 Quantitatives Verfahren zur Säure-Base-Titration Bestimmung einer unbekannten Konzentration eines gelösten Stoffes (z.b. Säure) durch schrittweise Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration (Titer-Lösung, z.b. Lauge) bis zum Äquivalenzpunkt ÄP (zu erkennen an der Änderung der Indikatorfarbe). Am ÄP gilt für die Titration von Säuren und Basen: n (Säure) = n (Base) n = c V 31 31 Ein Maß für die Oxoniumionen-Konzentration ist der p-wert: p = - lg {c( 3O + )} p-wert p-skala; Färbung mit Universalindikatorlösung: Salzsäure, c=1mol/l Cola destilliertes Wasser Natronlauge, c= 1 mol/l 32 32 Oxidation: Abgabe von Elektronen (Oxidationszahl steigt) Reduktion: Aufnahme von Elektronen (Oxidationszahl sinkt) Oxidation und Reduktion Oxidationsmittel: nimmt Elektronen auf und wird dabei selbst reduziert Reduktionsmittel: gibt Elektronen ab und wird dabei selbst oxidiert
33 33 Elektrolyse Batterie (galvanisches Element) Elektrolyse: Redox-Reaktion wird durch Zufuhr von elektrischer erzwungen Galvanisches Element: Redox-Reaktion setzt elektrische frei Elektrolyse Galvanisches Element ZnI 2 Zn + I 2 E i >0 Zn + I 2 ZnI 2 E i <0 erzwungen freiwillig 34 34 Fast alle chemischen Reaktionen können als Donator- Akzeptor-Reaktionen beschrieben werden. Donator-Akzeptor-Reaktion Protolyse-Reaktion Redox-Reaktion Protolyse-Reaktion: Protonen werden übertragen Redox-Reaktion: Elektronen werden übertragen Protolyse-Reaktion Redox-Reaktion Donator Säure (Protonendonator) Akzeptor Base (Protonenakzeptor) Reduktionsmittel Oxidationsmittel (Elektronendonator) (Elektronenakzeptor) 35 35 Funktionelle Gruppen Die funktionellen Gruppen bestimmen das Reaktionsverhalten der organischen Verbindungen. Alkohole O ydroxygruppe Carbonsäuren O C O Carboxygruppe funktionelle Gruppen Carbonyle O C R Carbonylgruppe Amine N Aminogruppe Aldehyde R= Ketone R=C 36 36 Isomerie gleiche Summenformel, aber verschiedene Verbindungen Isomerie Konstitutionsisomerie unterschiedliche Verknüpfung der Atome z.b.: Konfigurationsisomerie z.b.: Butan 2-Methylpropan E-/Z-Isomerie an Doppelbindungen
37 37 Elektrophil - Nukleophil!" #$%&'()$% *%)$+(%, suchen Teilchen eine positive Ladung bzw. Teilladung und können deshalb an ein elektophiles Teilchen binden. Umgekehrtes gilt für elektrophile Teilchen. 38 38 Organische Reaktionstypen I Organische Verbindungen mit Einfachbindungen (Alkane, Alkohole, alogenalkane) haben die Tendenz zu Substitutionsreaktionen: I I I I -C C- + Br 2 - C C - Br + Br I I I I Organische Verbindungen mit Mehrfachbindungen (z.b.alkene) gehen tendenziell!""#$#%&'()*+$#%&)& ein: Br l l l l C = C + Br 2 - C C - l l l l 39 39 Organische Reaktionstypen II Kondensationsreaktion: zwei Moleküle verbinden sich miteinander unter Abspaltung von Wasser. ydrolyse: Spaltung einer Verbindung durch Reaktion mit Wasser Kondensation ydrolyse Carbonsäure + Alkohol Ester + Wasser 40 40 Biomoleküle: Monosaccharide sind entweder Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone z.b.: Kohlenhydrate I offenkettig ringförmig offenkettig ringförmig Traubenzucker (Glucose) Fruchtzucker (Fructose)
41 41 Disaccharide und Polysaccharide Biomoleküle: Kohlenhydrate II Monosaccharide werden durch glycosidische Bindungen zu Disacchariden oder Polysacchariden verknüpft. Disaccharide (z.b. Maltose, Saccharose) Polysaccharide (z.b. Stärke, Cellulose, Glykogen) Saccharose Cellulose 42 42 Biomoleküle: Aminosäuren (2-Aminocarbonsäuren) Amino- Gruppe Rest Carboxyo- Gruppe Proteine Proteine Aminosäuren durch Peptidbindungen zu Ketten verknüpft Peptidgruppe 43 43 Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren Biomoleküle: Fette Veresterung ydrolyse Glycerin Fettsäuren Fett Wasser 44 44