Fakultät Mathemathik/Naturwissenschaftensname, Professur für Anorganische Chemie I Brückenkurse Chemie Wintersemester 2015/2016 Atombau und chemische Bindung
Was kann Chemie heute leisten? Kampf gegen noch nicht behandelbare Krankheiten (Krebs, Aids) Kampf gegen den Hunger der Welt (Düngemittel, Pflanzenschutz) Sicherstellung unserer Energieversorgung (alternative Energiequellen) Schonung wertvoller Rohstoffe (Erdöl, Erze, Kohle) Umweltschutz (Recycling, Entgiftung, Stoffkreisläufe) Erhöhung der allgemeinen Lebensqualität (neue Werkstoffe)
Das Haus der Chemie Abgase Abwasser Baustoffe Brennstoffe Korrosion Kühlwasser Gentechnik Stoffwechsel Energietechnik Kernphysik Stoffwechsel Therapie Pharmazie Biologie Physik Medizin Düngemittel Futtermittel Pflanzenschutz Ingenieurwesen Land- und Forstwirtschaft Technische Chemie Lebensmittelchemie ChemischeThermodynamik Radiochemie CHEMIE Polymerchemie Biochemie Anorganische Chemie Physikalische Chemie Organische Chemie Allgemeine Chemie
Die Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen und den stofflichen Veränderungen. Die Physik ist die Wissenschaft von den Zuständen und den Zustandsänderungen. Stoffliche Änderung - Zustandsänderung vorher nachher vorher = nachher 2 Mg (s) + O 2 (g) 2 MgO (s) Glühdraht
Reinstoffe und Stoffgemische Stoffe Reinstoffe chemische Trennverfahren thermische Zersetzung Elektrolyse Stoffgemische physikalische Trennverfahren dekantieren filtrieren destillieren extrahieren Verbindungen Elemente heterogene Stoffgemische homogene Stoffgemische H 2 O Wasserstoff Sauerstoff Granit Milch Luft, Wein Messing
Heterogene Homogene Stoffgemische heterogenes Feststoff- Gemisch: Granit besteht aus Kristallen von Quarz (farblos), Glimmer (schwarz) und Feldspat (rosa-gelb) homogenes Flüssigkeits- Gemisch: Scotch Whisky (7) (6) (5) (4) (3) (2) (1) heterogenes Flüssigkeits- Gemisch: (1) durch Extraktion von Gras grün gefärbtes Chloroform (2) farbloses Glycerin (3) mit Sudanrot gefärbtes Rizinusöl (4) Ethanol-Wasser-Gemisch farblos (5) gelber Lebertran (6) mit Methylenblau blau gefärbtes Methanol (7) Leichtbenzin farblos
Stoffgemisch Chemische Verbindung S - Pulver Fe - Pulver heterogenes Stoffgemisch vermischen chem. Reaktion chemische Verbindung
Atomdefinitionen vor 2000 Jahren DEMOKRIT: gr. von atomos - unteilbar; unteilbarer Urstoff Alle Materie besteht aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome im leeren Raum. 1803 John Dalton: es gibt Stoffe, die nur aus einer Atomsorte bestehen. man nennt sie chemische Elemente (z.b. Gold, Sauerstoff, Eisen) die Atome haben unterschiedliche Massen 1913 Niels Bohr: ein Atom ist ähnlich aufgebaut wie ein Sonnensystem, d.h. um den massereichen Atomkern kreisen in großem Abstand die Elektronen
Atomdefinitionen Das heutige Atombild: Atom besteht aus Atomkern und Atomhülle Kern ist positiv und die Hülle negativ geladen Atomkern trägt fast die gesamte Masse des Atoms aufgebaut aus Protonen und Neutronen fast 2000 mal schwerer als die Elektronen, aus der die Atomhülle besteht Proton hat die positive elektrische Ladung gleicher Wert wie die negative des Elektrons Neutron ist elektrisch neutral Wert der elektrischen Ladung des Protons oder Elektrons = Elementarladung Protonen und Neutronen zusammenfassend = Nukleonen bestehen ihrerseits aus noch kleineren Teilchen, den Quarks
Atomdefinitionen " Ein Atom ist der kleinste Baustein eines chemischen Elements, der ohne Verlust der typischen Eigenschaften dieses Elements nicht mehr geteilt werden kann.
Das Atom Atomkern: sehr klein und schwer (99,8% der Atommasse ist Kernmasse!) positive Elementarladung (+1) Elektronenhülle: negativ geladene Elektronen (-1) bewegen sich um den Kern Teilchen Ladung Masse Proton Neutron Elektron +1 0-1 1,00728u 1,00867u 0,00055u Vergleiche: Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, hätte der Atomkern die Größe eines Marienkäfers. Alle 7 Milliarden Menschen, die z. Zt. auf der Erde leben, würden, wenn ein Mensch so groß wie ein Atom wäre, eine etwa 70 cm lange Kette bilden.
Elementarteilchen Teilchen Neutron Proton Elektron Ladung keine Ladung eine positive Ladung + 1,6021 10-19 Coulomb eine negative Ladung - 1,6021 10-19 Coulomb Masse 1,67 10-24 g (1,00867 u) 1,67 10-24 g (1,00728 u) 9,11 10-28 g (0,00055 u) n + fast gleiche Massen gleich große, entgegengesetzte Ladungen
Das Atom
Isotope...sind Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl
Isotopenzusammensetzung Ord. zahl PSE Element Nuklid bzw. Isotop Masse Isotop/u Natürliche Häufigkeit /% Relative Atommasse /u 1 Wasserstoff 1 H 2 H Deuterium 3 H Tritium 1,007825 2,01410 3,01605 99,984 0,0156 Spuren 1,008 6 Kohlenstoff 12 C 13 C 14 C 12,00000 13,00335 14,0032 98,892 1,108 Spuren 12,011 7 8 Stick-stoff Sauerstoff 14 N 15 N 16 O 17 O 18 O 14,00307 15,00011 15,99491 16,99913 17,99916 99,635 0,365 99,759 0,037 0,204 14,0067 15,9994
Elektronenbahnen und Orbitale Orbital: Raum, der einem Elektron für seinen Aufenthalt zur Verfügung steht
Quantenzahlen n = Hauptquantenzahl bezeichnet die Schalen (1, 2, 3... oder K, L, M...), d.h. Größe des Orbitals l = Nebenquantenzahl charakterisiert Form des Orbitals (s: Kugel, p: Hantel, d: Rossette, f) m l = Magnetquantenzahl gibt Orientierung des Orbitals im Raum an m s = Spinquantenzahl bezeichnet die Spinrichtung (Eigendrehimpuls) des Elektrons
Orbitale
Elektronen in Orbitalen PAULI-Prinzip Elektronen eines Atoms müssen sich in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden die 2 Elektronen eines s-orbitals: antiparalleler Spin von +1/2 und 1/2 HUND sche Regel Orbitale gleicher Energie immer erst mit einem einzelnen e - besetzt, dann mit einem antiparallelen zweiten e - aufgefüllt werden Nach Besetzung des 3p-Orbitals erfolgt aus energetischen Gründen die Besetzung des 4s-Niveaus vor dem 3d-Niveau. Eine Schale kann mit maximal 2n 2 Elektronen besetzt werden. Eine definiert besetzte Elektronenhülle der Atome heißt Elektronenkonfiguration: Li 1s 2 2s 1 oder [He] 2s 1 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 oder [Ne] 3s 1
Elektronenkonfig. der Elemente 1-10 H ungepaarte Elektronen 1 Elektronenkonfiguration 1s 1 He 0 [He] 1s 2 Li 1 1s 2 2s 1 Be 0 1s 2 2s 2 B 1 1s 2 2s 2 2p 1 C 2 1s 2 2s 2 2p 2 N 3 1s 2 2s 2 2p 3 O 2 1s 2 2s 2 2p 4 F 1 1s 2 2s 2 2p 5 Ne 0 1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] 1s 2s 2p
Elektronen in Orbitalen Energetische Reihenfolge der Orbitale s- p- d- f-orbitale HQZ n NQZ l 0 1 2 3 s p d f Q 7s 6s 6p P 5d 5f O 4f 6 P 5 O 6s 5s 6p 5p 5d Energie 5s 4s 5p 4p 4d 3d N M 4 3 N M 4s 3s 4p 4d 4f 3p 3d 3s 2s 3p 2p L 2 L 2s 2p 1s K 1 K 1s
Periodensystem der Elemente
Periodensystem der Elemente
Periodensystem der Elemente 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 3d 4d 5d 6d 2p 3p 4p 5p 6p 4f 5f Hauptgruppenelemente Übergangsmetalle Lanthanoide, Actinoide Edelgase
Üben: Chlor Q Energie 7s 6s 6p 5p P 5d 4d 5f O 4f N Ac-Lr La-Lu [Ne]3s 2 3p 5 5s 4s 3s 2s 1s K 4p 3p 2p L 3d M H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr * Mn Fe Co Ni Cu * Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Das Element im Periodensystem Ordnungszahl Elementname 9 4 F Fluor 18,998 Elektronegativität Atommasse Elementsymbol
Atomradien innerhalb einer Gruppe mit zunehmender Ordnungszahl weiter außen liegende Elektronenschalen besetzt Anziehung auf die Elektronenhülle wird größer innerhalb einer Periode Atomradius ist das Ergebnis von Anziehung der Elektronen durch den Kern einerseits und der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen andererseits
Atomradien Atomradius Atomradius Metalle Nichtmetalle
Ionisierungsenergie...Mindestenergie in ev, die benötigt wird, um aus einem Atom ein Elektron zu entfernen: A A + + e - Energie 2s 2p Energie Energie 2s 2p 1s Li 1s Li +
Ionisierungsenergie...Mindestenergie in ev, die benötigt wird, um aus einem Atom ein Elektron zu entfernen: A A + + e - I II III IV V VI VII VIII 1 2 3 4 5 6 7 H Li Be Na K Rb Cs I nimmt ab Mg Ca Sr Ba Fr Ra He I nimmt zu B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Ga Ge As Se Br Kr In Sn Sb Te I Xe Tl Pb Bi Po At Rn
Ionisierungsenergie Änderung der Ionisierungsenergie im PSE I E ( ev ) 30 25 20 15 10 5 0 H He Li Be B C N Edelgase O F Ne Na Mg Al 0 5 10 15 20 25 Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti Z Alkalimetalle
Ionisierungsenergie Änderung der Ionisierungsenergie im PSE Beryllium Bor Energie 2s 1s 2p 2s 1s 2p Ionisierungsenergie (ev) 30 25 He Ne 20 H N 15 F Be 10 O Mg C 5 Li B Na 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Z = Ordnungszahl
Ionisierungsenergie Änderung der Ionisierungsenergie im PSE Stickstoff Sauerstoff Energie 2s 1s 2p 2s 1s 2p Ionisierungsenergie (ev) 30 25 He Ne 20 H N 15 F Be 10 O Mg C 5 Li B Na 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Z = Ordnungszahl
Ionisierungsenergie Lithium Li + Li 2+ Energie 2s 1s 2p I 1 2s 2p 1s I 2 5,4 ev 75,6 ev 2s 1s 2p Energie Li Li + Li 2+
Ionisierungsenergie Zusammenfassung
Ionisierungsenergie Reaktion der Alkalimetalle mit Wasser Schnittflächen der Alkalimetalle: Reaktivität nimmt zu 2 M + 2 H 2 O 2 MOH + H 2 (M = Li, Na, K)
Elektronenaffinität...Energiebetrag in ev, der für die Anlagerung eines Elektrons an ein Atom frei wird bzw. aufgewendet werden muss A + e - A - A + e - A - + Elektronenaffinität (E A ) Energie 2s 2p -Energie Energie 2s 2p 1s F F - 1s
Elektronenaffinität...Energiebetrag in ev, der für die Anlagerung eines Elektrons an ein Atom frei wird bzw. aufgewendet werden muss A + e - A - A + e - A - + Elektronenaffinität (E A ) 1 2 3 4 5 6 7 I II III IV V VI VII VIII H He Li Be B E A C nimmt N O ab F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra E A nimmt zu
Elektronenaffinität 300 Elektronenaffinität in kj/mol 200 100 0-100 -200-300 -400 0 Be He H 1s 2 2s 2 Li 1s 2 2s 2 2p 3 B C N O 1s 2 2s 2 2p 6 Ne Na Al Mg P Si S Ar F Cl 5 10 15 20 25 Ordnungszahl K Ca Elemente der 2. Periode Elemente der 3. Periode halbbesetztes Orbital vollbesetztes Orbital
Elektronegativität...ist ein Maß für das Bestreben eines Elements, in einer Bindung die Elektronen an sich zu ziehen. Elektronegativitäten zweier unterschiedlicher Atome ~ Polarität der Bindung H O H
Elektronegativität Elektronegativität Elektronegativität H 2,1 Li 1,0 Na 0,9 Be 1,5 Mg 1,2 B 2,0 Al 1,5 C 2,5 Si 1,8 N 3,0 P 2,1 O 3,5 S 2,5 F 4,0 Cl 3,0 K 0,8 Ge 1,8 As 2,0 Se 2,4 Br 2,8 Rb 0,8 Te 2,1 I 2,5
Eigenschaftsänderungen im PSE Zusammenfassung Eigenschaft Atomradius Änderungen innerhalb einer Hauptgruppe Periode Metallcharakter Elektronegativität Elektronenaffinität (Betrag) Ionisierungsenergie