Grundwissen Chemie 9. Jahrgangsstufe Chemisches Element Ein chemisches Element ist ein Reinstoff, der sich durch eine chemische Reaktion nicht mehr in neue Reinstoffe zerlegen lässt. Ein Element besteht aus lauter gleichen Atomen. Elemente können Metalle, Halbmetalle oder Nichtmetalle sein. Chemische Verbindung Ein Reinstoff, der sich durch eine chemische Reaktion in andere Reinstoffe, z.b. in Elemente, zerlegen lässt. Eine Verbindung besteht also aus Molekülen oder Ionen, die aus unterschiedlichen Atomen aufgebaut sind. Reinstoff Reinstoffe lassen sich nicht durch physikalische Trennverfahren in andere Stoffe zerlegen. Sie haben bei gleichen äußeren Bedingungen wie Druck und Temperatur bestimmte, messbare physikalische Kenneigenschaften: Schmelztemperatur ϑm, Siedetemperatur ϑb, Dichte ρ und Härte Heterogene Gemische Gemische aus zwei oder mehreren Reinstoffen, deren Bestandteile mit bloßem Auge oder einfachen optischen Hilfsmitteln unterscheidbar sind. Gemenge (Feststoff mit Feststoff) Suspension (Feststoff mit Flüssigkeit) Emulsion (Flüssigkeit mit Flüssigkeit) Nebel (Flüssigkeit mit Gas) Rauch (Feststoff mit Gas) SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 1 von 14
Homogene Gemische Gemische aus zwei oder mehreren Reinstoffen, deren Bestandteile mit bloßem Auge oder einfachen optischen Hilfsmitteln nicht unterscheidbar sind. Lösung: Feststoff, Flüssigkeit oder Gas in Flüssigkeit Legierung: Feststoff mit Feststoff Gasgemisch: Gas mit Gas Zustand, in dem ein Stoff vorliegt: fest (s), flüssig (l) oder gasförmig (g) Aggregatzustand Chemische Reaktion Quelle: Aggregatzustandsänderung von Wasser Deutsch von Synkizz - Eigenes Werk; Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons - Eine chemische Reaktion ist eine Umgruppierung von Teilchen. Dabei werden Edukte (Ausgangsstoffe) verbraucht und Produkte (Endstoffe) gebildet. Dabei wird auch immer Energie mitumgesetzt. Analyse Zersetzung einer Verbindung (Reinstoff) in zwei oder mehrere neue Reinstoffe AB A + B SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 2 von 14
Synthese Aufbau einer neuen Verbindung aus zwei oder mehreren Elementen: A + B AB Chemische Umsetzung Die Kombination von Analyse und Synthese: aus zwei oder mehreren Reinstoffen entstehen zwei oder mehrere neue Reinstoffe. Dabei werden die Atome der Edukte voneinander getrennt und wieder neu kombiniert. Atome AB+C A + BC oder AB + CD AD + BC Kleinste gleiche Teilchen, in die ein elementarer Stoff zerlegt werden kann; Ein Atom besteht aus Kern (Protonen und Neutronen) und der Atomhülle mit den Elektronen Moleküle SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 3 von 14 Elektrisch neutrale Teilchen, die aus mehreren Atomen zusammengesetzt sind: Element: Aufbau aus gleichartigen Atomen Verbindung: Aufbau aus verschiedenartigen Atomen
Ionen Bausteine der Salze Geladene Teilchen Kationen: Positiv geladene Teilchen Anionen: negativ geladene Teilchen Verhältnisformel Gibt bei salzartigen Verbindungen das Zahlenverhältnis der Ionen in der Verbindung durch den Index an z.b. NaCl, CaCl 2 Molekülformel Gibt bei Molekülen durch den Index die Anzahl der Atome an, die in einem Molekül vorhanden sind z.b. H 2 O, CO 2 Wertigkeit SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 4 von 14 Ist ein formales Hilfsmittel zur Ableitung des Atomzahlenverhältnisses einer chemischen Formel. Gibt an, wie viele Wasserstoffatome ein anderes Atom in einer chemischen Verbindung ersetzen kann. Für die Hauptgruppen I IV gleich der Hauptgruppenzahl, für die Hauptgruppen V VII gleich 8 - Hauptgruppenzahl
kgv-regel zur Ermittlung einer Formel Elementsymbole: C O Wertigkeit: IV II kgv der Wertigkeiten: 4 kgv = Index Wertigkeit Formel: CO2 (Index 1 wird weggelassen) Aufstellen einer Reaktionsgleichung Die Anzahl der Atome muss für jedes Element vor und nach dem Reaktionspfeil gleich sein (Gesetz von der Erhaltung der Masse). Dies wird durch Koeffizienten erreicht. Sie haben die Bedeutung von Faktoren, d.h. sie gelten für alle Atome einer Formel Massenerhaltungssatz Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Masse vor und nach einer Reaktion gleich; d.h. die Gesamtmasse der Reaktionsteilnehmer ändert sich nicht. Der Grund ist, dass die Atome bei einer Reaktion lediglich umgruppiert werden, aber nicht verloren gehen oder aus dem Nichts dazukommen Benennung binärer Verbindungen Das erstgenannte Element wird mit der deutschen Bezeichnung benannt, das zweitgenannte Element mit seinem lateinischen oder griechischen Wortstamm und Endung id. z.b. sulfid, oxid, chlorid, bromid, fluorid, SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 5 von 14
Energieerhaltungssatz Reaktionsenergie Bei einer chemischen Reaktion wird Energie nie verbraucht oder aus dem Nichts neu gebildet, sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt: Energieformen: thermische Energie Lichtenergie kinetische Energie chemische Energie elektrische Energie Der Energieumsatz einer chemischen Reaktion ergibt sich aus der Differenz an innerer Energie ΔEi zwischen Produkten und Edukten. Diese Energiedifferenz heißt Reaktionsenergie. Die innere Energie einer Stoffportion ist nicht direkt messbar! Energiebilanz Chemische Reaktionen, bei denen Energie frei wird, bezeichnet man als exotherm. Δ Ei< 0 Chemische Reaktionen, bei denen Energie zugeführt werden muss, bezeichnet man als endotherm. Δ Ei 0 Aktivierungsenergie E A = Die zum Auslösen einer chemischen Reaktion benötigte Energie SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 6 von 14
Katalysator Stoff, der schon in kleinen Konzentrationen chemische Reaktionen beschleunigt, ohne dabei verbraucht zu werden. Er verringert die Aktivierungsenergie. Energiediagramm einer Reaktion Elementarteilchen Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/file%3aaktivierungsenergiev2.svg Die Bausteine eines Atoms: Atomkern: klein, große Masse Protonen: Symbol p, Masse 1u, Ladung +1 Neutronen: Symbol n, Masse 1u, Ladung 0 Atomhülle: groß, fast keine Masse Elektronen: Symbol: e -, Masse 1/2000 u, Ladung: -1 Isotope die verschiedenen Atomsorten eines Elements: haben gleiche Protonen- und Elektronenzahl (gleiche Ordnungszahl), dadurch gleiches chemisches Verhalten, aber unterschiedliche Neutronenzahl und dadurch unterschiedliche Masse SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 7 von 14
Ionisierungsenergie Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus der äußersten Schale eines isolierten Atoms zu entfernen Ordnungszahl Die Elemente im Periodensystem sind nach steigender Protonenzahl bzw. Masse geordnet. Die Ordnungszahl ist mit der Protonen- bzw. Elektronenzahl eines Atoms identisch. Die Ordnungszahl und die Kernladungszahl sind identisch. Perioden waagerechte Zeilen im Periodensystem Periodennummer gibt die Anzahl der Elektronenschalen der Atome der Elemente an. Gruppen Die Gruppen sind die senkrechten Spalten im Periodensystem: Im gekürzten Periodensystem stimmt die Gruppennummer mit der Zahl der Außenelektronen (Valenzelektronen) überein; in einer Gruppe stehen Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 8 von 14
Elektronenschalen/ Energiestufen Räumliche Anordnung der Elektronen: Die Elektronen bewegen sich in kugelförmigen Schalen, die konzentrisch um den Atomkern angeordnet sind. Die Schalen werden mit den Buchstaben K, L, M usw. bezeichnet. Energiestufe: Jedes Elektron hat, je nach Schalennummer, eine bst. Energiegehalt oder Energiestufe. Je näher die Schale am Atomkern, desto höher ist Ionisierungsenergie für ein Elektron dieser Schale. Hauptquantenzahl Die Energiestufen können statt mit Buchstaben K, L, M usw. auch mit Zahlen, den Hauptquantenzahlen, bezeichnet werden: n = 1,2,3 Auf einer Stufe haben maximal 2n 2 Elektronen Platz. Edelgaskonfiguration Die Atome der Edelgase Neon, Argon Krypton und Xenon haben 8 Elektronen in der äußeren Schale, man spricht von der Edelgaskonfiguration oder Elektronenoktett. Edelgase sind sehr reaktionsträge. (Helium hat nur 2 Valenzelektronen, da es nur eine Elektronenschale besitzt) Oktettregel In Verbindungen nehmen die meisten Atome und Ionen die Edelgaskonfiguration an, d.h. sie erhalten 8 Außenelektronen = Oktettregel SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 9 von 14
Valenzelektronen Elektronen der äußersten Energiestufe eines Atoms. Verantwortlich für das chemische Verhalten der Atome. Anzahl der Valenzelektronen entspricht der Hauptgruppennummer des Periodensystems. Valenzstrichformel Die Bindungen von Atomen und die freien Elektronen in Molekülen werden mit Valenzstrichformeln dargestellt: Zahl der Valenzelektronen = Hauptgruppennummer Durch Ausbildung von Bindungen erreichen die Atome Edelgaskonfiguration: H: 2 e -, alle anderen Atome: Oktett Daher: Anzahl der noch benötigten e - für Oktett = Anzahl der bindenden e - Anzahl der Valenzelektronen Anzahl der bindenden e - = Anzahl der nichtbindenden, freien e - Elektronendonatoren Metalle geben bei Reaktionen mit Nichtmetallen e - ab und werden zu positiv geladenen Kationen Sie sind Elektronendonatoren Elektronenakzeptoren Nichtmetalle nehmen bei der Reaktion mit Metallen e - auf und werden zu Anionen; Sie sind Elektronenakzeptoren SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 10 von 14
Nichtmetalle In der Regel Nichtleiter Nehmen in chemischen Reaktionen e - auf und werden zu Anionen: Elektronenakzeptoren Metalle Verformbare, glänzende Stoffe, die den elektrischen Strom leiten Geben bei chemischen Reaktionen e - ab und werden zu Kationen: Elektronendonatoren Salzbildung Metalle geben bei Reaktion mit Nichtmetallen e - ab und werden zu positiv geladenen Kationen mit Edelgaskonfiguration Nichtmetalle nehmen e - auf und werden zu Anionen mit Edelgaskonfiguration: Zusammen bilden sie Salz Metall + Nichtmetall Salz Ionenbindung Die bei der Salzbildung entstandenen Kationen und Anionen sind regelmäßig im Ionengitter angeordnet und halten sich gegenseitig über nach allen Seiten hin wirkende elektrostatische Anziehungskräfte fest SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 11 von 14
Eigenschaften von Salzen und Salzlösungen Hohe Schmelz- und Siedetemperatur Kristallbildung Spröde: spaltbar durch Krafteinwirkung wg. Abstoßung gleichnamiger Ladungen Salzschmelzen und Salzlösungen elektrisch leitfähig, weil die Ionen frei beweglich sind Metallbindung Atome der Metalle geben Valenzelektronen ab, dadurch entstehen positiv geladene Atomrümpfe, die durch frei bewegliche, delokalisierte e - (Elektronengas) zusammengehalten werden Eigenschaften von Metallen Elektrische Leiter: da e - frei beweglich Wärmeleitfähigkeit: wg. frei beweglichen e - und Atomrümpfen, die Schwingungen gut übertragen können Verformbarkeit: wg. Verschiebbarkeit der Atomrümpfe bei Krafteinwirkung Metallischer Glanz: wg. beweglichen Elektronen Edle und unedle Metalle Je edler das Metall, desto geringer ist seine Reaktivität gegenüber Sauerstoff und verdünnten Säuren; Edle Metalle: Cu, Ag, Au, Pt Unedle Metalle: Na, Mg, Ca, Zn, Fe SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 12 von 14
Elektronenpaarbindung/ Kovalente Bindung/ Atombindung Doppel- und Dreifachbindung Bei der Ausbildung einer kovalenten Bindung überlappen die mit je einem e - besetzten Atomorbitale zweier Atome und bilden ein gemeinsames Molekülorbital (gemeinsame Elektronenwolke). Die beiden Elektronen gelangen dadurch in den Anziehungsbereich beider Atomkerne und bilden ein bindendes Elektronenpaar. Beide Atome erhalten dadurch die Edelgaskonfiguration. Zum Erreichen des Elektronenoktetts müssen bei manchen Molekülen Doppel- oder Dreifachbindungen ausgebildet werden. Je mehr gemeinsame Elektronenpaare zwischen zwei Atomen ausgebildet werden, desto geringer ist der Abstand zwischen den Atomen, desto größer ist die Bindungsenergie, desto stabiler ist die betrachtete Bindung. Atommasse m A Es handelt sich um die durchschnittliche Masse derisotope eines Elements, diese ist dem Periodensystem zu entnehmen Einheit: atomare Masseneinheit [u] Atomare Masseneinheit u Der 12. Teil der Atommasse des Kohlenstoffisotops 12 6 C 1u = 1,66. 10-24 g SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 13 von 14
Molekülmasse m M Masse eines Moleküls Alle Atommassen im Molekül vorhandener Atome werden addiert Einheit: Atomare Masseneinheit [u] Avogadro-Konstante N A Stoffmenge n(x) = 1 mol 6,022. 10 23 Teilchen 6,022. 10 23 mol -1 = NA eines Stoffs enthält Stoffmenge n Die Stoffmenge n(x), die 6,022. 10 23 Teilchen enthält, ist ein Mol. N(x) = N(x)/NA [mol] N(x) ist die Teilchenzahl Molare Masse M Molares Volumen V m Molare Masse: Masse eines Mols eines bst. Stoffs in Gramm M(x) = m(x) /n(x) [g/mol] Molares Volumen: das Volumen eines Mols eines beliebigen Gases bei gleichem Druck und gleicher Temperatur; im Normalzustand: 22,4 l. mol -1 Vm = V(x) / n(x) [l/mol] SG, MuG Grundwissen Chemie 9, Seite 14 von 14