Vorkurs Chemie 19. Oktober 2015 Dr. Helmut Sitzmann, Apl.-Professor für Anorganische Chemie Titelfoto wurde entfernt, dafür wurden Links eingefügt: Materialien zur Vorlesung: https://www.chemie.uni-kl.de/sitzmann/lehre/allgemeine-chemie-fuer-maschinenbauer-und-bauingenieure-ch-v1/ Bzw. www.chemie.uni-kl.de; dort anklicken: AC(Anorganische Chemie); AG Sitzmann; Lehre; Allgemeine Chemie. Youtube-Video zum Thema Atome (Wiederholung vom Montag, 19. 10. 2015) https://www.youtube.com/watch?v=3nge3lrk1s0 Youtube-Video zum Thema Kovalente Bindung (Vorbereitung für Dienstag, 20. 10. 2015) https://www.youtube.com/watch?v=mo4vfqt5v2a Mit wenig Zeitaufwand finden Sie auch entsprechende Beiträge in deutscher Sprache. Wenn Ihnen besonders hilfreiche Links begegnen, bin ich für eine Nennung dankbar: sitzmann@chemie.uni-kl.de
Vorkurs Chemie 19. Oktober 2015 Fünf Tage Fünf Themen Atombau und Periodensystem Chemische Bindung Formelschreibweise und chemische Reaktionen Chemisches Gleichgewicht Elektrochemie Abbildungen gemeinfrei: wikimedia, Ben Mills; Kupfer auf Eisenblech mit Genehmigung (WILEY-VCH)
atomos - unteilbar Demokrit 460 371 v. Chr. Schüler des Leukipp von Milet Griechischer Philosoph Atomistisches Prinzip: Alles ist aus kleinsten Einheiten zusammengesetzt, die nicht weiter unterteilt werden können. Abbildung: Wikimedia, Public Domain
Atomhypothese John Dalton 1766 1844 Bestimmung von Massenverhältnissen chemischer Elemente in chemischen Verbindungen Konstante und multiple Proportionen einfach erklärt: Elemente können sich in unterschiedlichen Verhältnissen miteinander verbinden. Zwischen diesen Verhältnissen besteht ein einfacher Zusammenhang. Beispiel: N 2 O, NO, N 2 O 3, NO 2, N 2 O 5 1803 Atomhypothese Abbildung: Ausschnitt aus einem Gemälde von B. R. Faulkner, Public Domain
Verbindung John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen Prozentanteil Ammoniak N 82.245 H 17.755 Wasser O 88.810 H 11.190 Stickoxid I, Lachgas N 63.648 O 36.352 Stickoxid II O 53.320 N 46.680 Stickoxid III O 63.146 N 36.854 Stickoxid IV O 69.554 N 30.446 Stickoxid V O 74.064 N 25.936
John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen Verbindung Ammoniak N 82.245 H 17.755 Wasser O 88.810 H 11.190 Stickoxid I, Lachgas N 63.648 O 36.352 Stickoxid II O 53.320 N 46.680 Stickoxid III O 63.146 N 36.854 Stickoxid IV O 69.554 N 30.446 Stickoxid V O 74.064 N 25.936 Prozentanteil Massenverhältnis Zahlenwert Bemerkung N/H 4.632 4.632 g Stickstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/H 7.936 7.936 g Sauerstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/N 0.571 Das stickstoffreichste Stickoxid O/N 1.142 2 x 0.571 = 1.142 O/N 1.713 7.936g / 4.632 g = 3 x 0.571 = 1.713 O/N 2.284 4 x 0.571 = 2.284 O/N 2.855 5 x 0.571 = 2.855 L
John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen Joseph Louis Gay-Lussac (1778 1850) + Wasserstoff + Stickstoff Ammoniak + Wasserstoff + Sauerstoff Wasserdampf + Wasserstoff + Chlor Chlorwasserstoff Verbindung Ammoniak NH 3 N 82.245 H 17.755 Wasser H 2 O O 88.810 H 11.190 Lachgas N 2 O N 63.648 O 36.352 Stickstoffmonoxid NO O 53.320 N 46.680 Distickstofftrioxid N 2 O 3 O 63.146 N 36.854 Stickstoffdioxid NO 2 O 69.554 N 30.446 Distickstoffpentoxid O 74.064 N 2 O 5 N 25.936 Prozentanteil Massenverhältnis Zahlenwert Bemerkung N/H 4.632 4.632 g Stickstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/H 7.936 7.936 g Sauerstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/N 0.571 Das stickstoffreichste Stickoxid O/N 1.142 2 x 0.571 = 1.142 O/N 1.713 7.936g / 4.632 g = 3 x 0.571 = 1.713 O/N 2.284 4 x 0.571 = 2.284 O/N 2.855 5 x 0.571 = 2.855 Abbildung: Wikimedia, Public Domain
John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen Joseph Louis Gay-Lussac (1778 1850) Verbindung Ammoniak NH 3 N 82.245 H 17.755 Wasser H 2 O O 88.810 H 11.190 Lachgas N 2 O N 63.648 O 36.352 Stickstoffmonoxid NO O 53.320 N 46.680 Distickstofftrioxid N 2 O 3 O 63.146 N 36.854 Stickstoffdioxid NO 2 O 69.554 N 30.446 Distickstoffpentoxid O 74.064 N 2 O 5 N 25.936 Prozentanteil Massenverhältnis Zahlenwert Bemerkung N/H 4.632 4.632 g Stickstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/H 7.936 7.936 g Sauerstoffatome binden 1 g Wasserstoffatome O/N 0.571 Das stickstoffreichste Stickoxid O/N 1.142 2 x 0.571 = 1.142 O/N 1.713 7.936g / 4.632 g = 3 x 0.571 = 1.713 O/N 2.284 4 x 0.571 = 2.284 O/N 2.855 5 x 0.571 = 2.855 Lorenzo Romano Amadeo Carlo Avogadro (1776 1856): Molekül Hypothese 1811 Abbildung zu L. R. A. C. Avogadro: Wikimedia, Public Domain
Entdeckung des Elektrons J. J. Thomson 1856 1940 entdeckte 1897 in der Kathodenstrahlröhre das Elektron und erhielt 1906 den Nobelpreis Abbildungen: J. J. Thomson: Wikimedia, Public Domain; Kathodenstrahlröhre: Science Museum London, Creative Commons License
Entdeckung des Neutrons James Chadwick 1891 1974 entdeckte 1932 das Neutron Nobelpreis 1935 Foto: Public domain; Grafik: NASA, gemeinfrei (Neutronenstern mit rotem Riesen, fiktiv)
Bestandteile des Atoms Elementarteilchen als Bestandteile der Atome elektrische Ladung Proton p+ 1.67261x10-24 g 1.0072 1.6x10-19 C 1 Neutron N 1.67492x10-24 g 1.0086 0 0 Elektron e - 0.91096x10-27 g 0.0005-1.6x10-19 C -1 Proton Elektron Neutron Name Symbol Ruhemasse Atommasseneinheiten Elementarladungen Ich bin positiv Ich bin negativ Mir ist das egal Smileys: Pixabay (freie Nutzung ohne Bildnachweis)
Das Atom Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Er enthält fast die gesamte Atommasse, (ca. 99.8%) Der Kernradius ist 10-5 bis 10-4 Atomradius Daraus resultiert eine Kerndichte von ca. 1.41 x 10 14 g/cm 3 (Fe) Jean Baptiste Dumas (1800 1884) bestimmte sehr genau die Atommasse von 22 Elementen Zahl der Protonen im Kern: Zahl der Kernteilchen (Nucleonen): Zwei Protonen im Kern, Ordnungszahl 2: Vier Kernteilchen, Massenzahl 4, Symbol: Ordnungszahl Massenzahl Helium 4 He Zeichnung: www.chemistry.about.com; Public Domain; Foto Dumas: Public Domain, Grafik zum Atomdurchmesser: Cweiske; GNU license, darf frei verwendet werden
Das Atom Ernest Rutherford (1871 1937) erkannte, dass Atome einen unerhört dichten Kern enthalten und ansonsten aus leerem Raum bestehen. Nucleonen Zahl der Kernteilchen (Nucleonen): Zahl der Protonen im Kern: Massenzahl Ordnungszahl Beispiel oben: Zwei Protonen im Kern, Ordnungszahl 2: Helium Vier Kernteilchen, Massenzahl 4, Symbol 4 He Man kennt auch Heliumkerne, die nur ein Neutron enthalten: 3 He 4 He und 3 He sind Isotope 3 He und 3 H sind Isobare 1 1 H 2 1H 3 1H Isotope 40 18 Ar 40 40 19K 20 Ca Isobare Geldscheinfoto: Bank of New Zealand, Public Domain, Grafik: www.chemistry.about.com; Public Domain; Zeichnung: darf nur ohne Nennung des Urhebers weiterverwendet werden
Elektronenverteilung in einem Chlorwasserstoff-Molekül Erwin Schrödinger (1887 1961) beschrieb Elektronen als Welle. Weil sich chemische Phänomene in der Elektronenhülle der Atome abspielen, müssen wir uns näher mit der Struktur der Elektronenschalen befassen. Grafik: http://www.uni-koeln.de/math-nat-fak/didaktiken/chemie/uvm_projekt/modul_3/bigpic_hcl_4.htm; urheberrechtlich geschützt Foto von Erwin Schrödinger aus dem Jahr der Verleihung des Nobelpreises 1933: Public Domain
Das Spektrum des Wasserstoffatoms Diskrete Energieniveaus Scharfe Spektrallinien Energieaufnahme: Lichtabsorption Energieabgabe: Lichtemission Abbildung eines Spektrums bitte selbst aufrufen, z. B. hier: http://voer.edu.vn/m/bohrs-theory-of-the-hydrogen-atom/62b1becc
Periodensystem der Elemente
Elektronegativität Fähigkeit eines Atoms - Eigene Elektronen festzuhalten und - Elektronen anderer Atome anzuziehen
Erste Ionisierungsenergie der Elemente der Ordnungszahlen 1-103 Auf der senkrechten Achse ist die Energie in Elektronenvolt aufgetragen, die zur Entfernung eines Elektrons aus einem neutralen Atom benötigt wird. Die Balken im Diagramm entsprechen den Elementen mit den Ordnungszahlen 1 (Wasserstoff) bis 103 (Lawrencium). Ein hoher Energiebetrag wird dann benötigt, wenn das betreffende Element über eine sehr stabile Elektronenschale verfügt.
Die Strukturierung der Elektronenhülle der Atome
Schalenstruktur der Atome Die innerste Elektronenschale bietet Platz für zwei Elektronen. Weiter außen gelegene Schalen können mehr Elektronen aufnehmen. Die Kapazität der n. Schale für Elektronen beträgt 2n 2. Die Schalen sind in Unterschalen gegliedert, welche mit den Buchstaben s, p, d und f bezeichnet werden. Diese Bezeichnungen stammen aus der Spektroskopie, wo die entsprechenden Absorptionsbanden als sharp, principal, diffuse oder fundamental bezeichnet wurden.