Chemie 1: Atombau und Bindungslehre
Reinstoffe: Halbmetalle
Halbmetalle wie das Silicium stehen in ihren Eigenschaften zwischen den Metallen und den Nichtmetallen.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Gruppen des Periodensystems: Halogene
Halogene (Gruppe VII (sieben)) sind reaktionsfreudige Nichtmetalle, die in der Natur nicht elementar vorkommen. Fluor und Chlor sind bei RT gasförmig, Brom ist flüssig, Iod fest.
Moleküle: Die Molekülstruktur: Molekülgeometrie
INSERT BILD SEITE 77 HEFT 503
Metalle: Legierungen
Mischt (liegert) man flüssige Metalle, können sie beim Abkühlen getrennt kristallisieren oder Mischkristall aus mehreren Atomstorten bilden. Viele Metalle lassen sich in variablen Mengen legieren, ihre Legierungen sind Gemische. Einige bilden Verbindungen mit genau definierter Zusammensetzung und speziellen Eigenschaften.
Metalle: Vorkommen
Mit Ausnahme von Edel- und Halbedelmetallen kommen die Metalle in der Natur nicht elementar (gediegen) vor.
Metalle: Einteilung
Nach Reaktivität: Edelmetalle, z.B.: Au, Ag, Pt unedle Metalle z.B.: Al, Fe, Zn Nach Dichte: Leichtmetalle (ρ < 5 g/cm³), z.B.: Al, Mg, Na Schwermetalle (ρ > 5 g/cm³), z.B.: Fe, Pb, Mn, Ni Nach Atombau: Hauptgruppenmetalle, z.B.: Alkali-, Erdalkalimetalle Nebengruppenmetalle, Übergangsmetalle, z.B.: Fe, Ni, Cu
Modelle zum Atombau: Das Schalenmodell: Schalenmodell
Nach dem Schalenmodell hält sich jedes Elektron eines Atoms bevorzugt im Bereich einer Schale auf. Jede Schale entspricht einer Energiestufe. Die energieärmsten Elektronen sind auf der innersten (K, n = 1), die energiereichsten auf der äussersten Schale (Q, n = 7).
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Salzformeln und -namen: Salze mit Molekül-Ionen
Neben Atom-Ionen können im Ionengitter auch Molekül-Ionen gebunden sein. Mit Ausnahme des Ammonium-Ions (NH₄⁺) handelt es sich dabei um Anioen. In der Salzformel wird die Formel des Molekül-Ions in Klammern gesetzt, wenn sein Index von eins abweicht: (Ca(NO₃)₂.
Modelle zum Atombau: Elementarteilchen - Bausteine der Atome: Neutronen
Neutronen sind ungeladene Elementarteilchen, ihre Masse (ca. 1 u ) ist etwas grösser als die eines Protons.
Das Periodensystem der Elemente: Atombau und Periodensystem: Periodische Eigenschaften
Periodische Eigenschaften nennt man Elementeigenschaften, die sich im PSE gesetzmässig ändern. Die Gesetzmässigkeiten ergeben sich in der Regel aus dem Atombau.
Modelle zum Atombau: Elementarteilchen - Bausteine der Atome: Protonen
Protonen sind positiv geladene Elementarteilchen. Ihre Masse beträgt etwa 1 u, ihre Ladung ist 1+ (eine positive Elementarladung).
Modelle zum Atombau: Nicht alle Kerne sind stabil: Die Radioaktivität: Radioaktive Elemente
Radioaktive Elemente sind instabil. Sie wandeln sich in andere Elemente um und geben dabei spontan Strahlung ab.
Reinstoffe: Definition
Reinstoffe haben eine konstante Zusammensetzung und bestimmte Eigenschaften. Sie können durch (physikalische) Trennverfahren nicht zerlegt werden.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Eigenschaften der Salze: Vorkommen
Salze werden vom Wasser aus den Gesteinen gelöst und in die Meere getragen, wo sie sich im Verlaufe von Jahrmillionen gesammelt haben. Beim Austrocknen flacher Meeresteile entstanden die Salzlager, indem die Salze schichtweise in der Reihenfolge zunehmender Löslichkeit abgelagert wurden.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Elektronenwolken-Modell
- Eine Elektronenwolke (EW) ist der Raum, in dem sich ein Elektron oder ein Elektornenpaar mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält. - Der Atomrumpf ist umgeben von maximal vier Elektronenwolken (für die maximal acht Valenzelektronen eines Atoms). Jede Wolke wird zuerst einfach besetzt. - Da sich die EP abstossen, liegen die EW, die einen Atomrumpf umgeben, möglichst weit auseinander; die Winkel zwischen ihren Achsen sind so gross wie möglich.
Modelle zum Atombau: Der Atomkern: Neutronenzahl
Atome eines Elements können sich ind er Neutronenzahl und damit in der Atommasse unterscheiden: Eine Atomsorte kann aus mehreren Nuklidsorten bestehen.
Modelle zum Atombau: Das Schalenmodell: Atomrumpf
Der Atomrumpf ist das Atom ohne die Valenzelektronen. Die Rumpfladung ist immer positiv und entspricht zahlenmässig der Anzahl der Valenzelektronen.
Modelle zum Atombau: Der Atomkern: Protonenzahl
Alle Atome eines Elements haben dieselbe Protonenzahl, auch Kernladungszahl oder Ordnungszahl genannt. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich immer in der Protonenzahl.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Lösungen von Flüssigkeiten
Als "mischbar" bezeichnet man zwei Flüssigkeiten, wenn sie ein homogenes Gemisch bilden. Der Gehalt wird als Volumenanteil (oft in Vol.-%) angegeben.
Reinstoffe: Analyse
Als Analyse bezeichnet man die Zersetzung einer Verbindung (in die Elemente). Die meisten Analysen verlaufen endotherm. Die erforderliche Energie kann als Wärme (Thermolyse), Strom (Elektrolyse) oder Licht (Fotolyse) zugeführt werden.
Chemische Reaktionen: Energie
Als Energie bezeichnet man die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Verschiedene Energieformen wie Wärme, Licht, chemische, elektrische oder mechanische Energie kkönnen ineinander umgewandelt werden.
Modelle zum Atombau: Das Schalenmodell: Valenzelektronen
Als Valenzelektronen bezeichnet man die Elektronen auf der äussersten Schale. Sie bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Die Elemente einer Hauptgruppe haben dieselbe Valenzelektronenzahl. Diese entspricht der Gruppennummer, ist also nie grösser als acht.
Modelle zum Atombau: Elektrische Ladung und elektrische Kraft: Strom und Spannung
Als elektrischen Strom bezeichnen wir die Wanderung von Ladungsträgern in Leitern. Voraussetzung für das Fliessen eines elektrischen Stroms ist eine Spannung. Anordnungen, die elektrischen Strom liefern, heissen Strom- oder Spannungsquellen.
Reinstoffe: Organische und anorganische
Als organisch bezeichnete man ursprünglich die Verbindungen der Lebewesen, als anorganisch solche der unbelebten Natur. Obwohl durch die Herstellung organischer Verbindungen (Wöhlers Harnstoffsynthese 1828) im Labor bewiesen wurde, dass auch zur Synthese organischer Verbindungen keine spezielle Lebenskraft erforderlich ist, wurde die Unterscheidung beibehalten, weil sich organische Verbindungen in einigen Eigenschaften von anorganischen unterscheiden. Sie "enthalten" Kohlenstoff.
Modelle zum Atombau: Elementarteilchen - Bausteine der Atome: Elementarteilchen
Atome bestehen aus Elementarteilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen.
Modelle zum Atombau: Atome - Gedankendinge oder Realität?: Atommodelle
Atome sind unvorstellbar klein und haben ganz andere Eigenschaften als kleine Stoffklümpchen. Ihr Bau lässt sich nur mithilfe von Modellen beschreiben. Jedes Atommodell kann nur bestimmte Eigenheiten eines Atoms veranschaulichen, sein Interpretationsspielraum darf nicht unzulässig erweitert werden.
Moleküle: Die Molekülstruktur: Dipole
Bei Molekülen mit polaren Bindungen entscheidet die Molekülgestalt, ob das Molekül ein Dipol ist oder nicht. Dipol-Moleküle haben einen positiven und einen negativen Pol. Dies trifft zu, wenn die Bindungen polar sind und wenn der Schwerpunkt der positiven Teilladungen nicht mit dem der negativen zusammenfällt.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Chemische Eigenschaften: Chemische Vorgänge
Bei chemischen Vorgängen verändert sich die Hülle der Atome, die Atomkerne bleiben unverändert. Atome können Elektronen aufnehmen oder abgeben, wodurch Ionen entstehen. Die chemischen Eigenschaften der Elemente werden also bestimmt durch die Bereitschaft ihrer Atome, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben.
Chemische Reaktionen: Stoffumwandlung
Bei chemischen Vorgängen werden Stoffe umgewandelt: Ausgangsstoffe (Edukte) reagieren in einem bestimmten Massenverhältnis zu Endstoffen (Produkten). Da Produkte und Edukte verschiedene Stoffe sind, unterscheiden sie sich in ihren Eigenschaften.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Gemeinsame Elektronenwolke
Bei der Bildung einer Atombindung "verschmelzen" zwei einfach besetzte Elektronenwolken von zwei Atomen zu einer doppelt besetzten Wole. Diese wird auch als bindende oder gemeinsame Wolke bezeichnet. Sie ist der Raum, in dem sich das gemeinsame, bindende Elektronenpaar mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Chemische Eigenschaften: Ionenbildung
Bei der Reaktion eines Metalls mit einem Nichtmetall entsteht ein Salz. Die Metall-Atome geben ihr(e) Valenzelektron(en) ab und werden dabei zu positiven Ionen, die Nichtmetall-Atome nehmen Elektronen auf, sie ergänzen ihre Aussenschale auf acht und werden dadurch zu negativ geladenen Ionen. Entscheidend für das chemische Verhalten eines Elements ist also die Zahl und die Anziehung der Valenzelektronen im Atom.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Reaktionen zwischen Metallen und Nichtmetallen: Spaltung der Atomverbände
Bei der Reaktion eines Metalls mit einem Nichtmetall müssen die Metall-Atome aus dem Metallgitter gelöst und die Nichtmetall-Moleküle in Atome gespalten werden.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Ionenladungen, Ionenradien und Gitterkräfte: Metall-Ionen
Bei der Reaktion mit einem Nichtmetall geben die Atome der Hauptgruppenmetalle in der Regel alle VE ab. Ihre Ionen besitzen eine Schale weniger als die Atome, und die Ladungszahl entspricht der Valenzelektronenzahl und damit der Gruppennummer, z.B. Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺.
Moleküle: Reaktionen von zwei Nichtmetallen: Reaktionen von Nichtmetallen
Bei der Reaktion von zwei Nichtmetallen müssen ihre Moleküle durch Zufuhr der entsprechenden Bindungsenergie in Atome (Radikale) gespalten werden. Die Atome der beiden Elemente verbinden sich dann durch die BIldung gemeinsamer Elektronenpaare zu Molekülen, wobei die entsprechenden Bindungsenergien frei werden.
Modelle zum Atombau: Nicht alle Kerne sind stabil: Die Radioaktivität: Kernzerfall
Bei einem Zerfall wandelt sich ein Atomkern durch Abspaltung eines Teilchen in einen anderen Kern um.
Chemische Reaktionen: Energieumsatz
Bei jeder chemischen Reaktion wird Energie umgesetzt. Der Energieumsatz führt oft zu wahrnehmbaren Erscheinungen wir Temperaturänderungen oder Lichtabgabe. Weil sich die innere Energie der Ausgangsstoffe von derjenigen der Endstoffe unterscheidet, wird innere Energie in andere Energieformen umgewandelt und abgegeben (oder umgekehrt).
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Salzlösungen: Lösungsvorgang
Beim Lösen eines Salzes werden die Ionen von Wasser-Dipolen umhüllt (hydratisiert) und dadurch aus dem Gitter gelöst. Das Ionengitter zerfällt, die hydratisierten Ionen verteilen sich durch Diffusion gleichmässig im Lösungsmittel. Der Lösungsvorgang ist exotherm, wenn die frei werdende Hydrationsenergie die aufzuwendende Gitterenergie übertrifft. Wird bei der Hydration weniger Energie frei, als zur Trennung der Ionen aufgewendet werden muss, verläuft der Lösungsvorgang endotherm.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Lösungsvorgang
Beim Lösen eines festen Stoffs werden seine Tielchen von den Lösungsmittel-Teilchen umhüllt und dadurch von ihren Nachbarn im Gitter weggedrängt, aus dem Gitter gelöst.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Bindungswert
Der Bindungswert ist die Zahl der gemeinsamen Elektronenpaare, an denen sich ein Nichtmetall-Atom beteiligt. Er entspricht nach der Oktettregel der Zahl der Valenzelektronen, die ihm zum Oktett fehlen.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Unpolare Bindungen
Bindungen zwischen Atomen mit gleicher EN sind symmetrisch und damit unpolar, weil die beiden Atomrümpfe die Bindungselektronen gleich stark anziehen. Die Bindungen in den Element-Molekülen sind unpolar.
Moleküle: Molekulare Verbindungen: Kohlenstoffdioxid: Bedeutung
CO₂ entsteht bei der Reaktion organischer Verbindungen mit Sauerstoff sowohl bei Verbrennungen als auch bei der langsamen Oxidation in den Zellen von Lebewesen (Zellatmung). Die grünen Pflanzen stellen mit Hilfe von Lichtenergie aus CO₂ und Wasser Traubenzucker und Sauerstoff her (Fotosynthese). Sie schaffen damit die Grundlage für die Ernährung und die Atmung aller Lebewesen. Weil durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zusätzliches CO₂ in die Luft gelangt, steigt der Anteil des CO₂ in der Luft. Die daraus resultierende Verstärkung des Treibhauseffekts führt zu gravierenden Veränderungen des Klimas.
Das Periodensystem der Elemente: Das moderne Periodensystem der Elemente (PSE): Gruppen
Chemisch verwandte Elemente stehen in einer Gruppe untereinander. Die Gruppenzugehörigkeit eines Elements und seine Stellung innerhalb einer Gruppe ermöglichen Aussagen über viele seiner chemischen Reaktionen und über die Art der Verbindungen, die es mit Elementen anderer Gruppen eingeht. Das System hat acht Hauptgruppen und 10-24 Nebengruppen (Übergangsmetalle). Diese stehen in den Perioden vier bis sechs zwischen der zweiten und dritten Hauptgruppe.
Moleküle: Reaktionen von zwei Nichtmetallen: Energieumsatz
Da die Bindungen in den Produkt-Molekülen meist polar sind, wird bei ihrer Bildung in der Regel mehr Energie frei, als zur Trennung der unpolaren Bindungen in den Element-Molekülen aufgewendet werden muss. Die Synthese der meisten molekularen Verbindungen verläuft darum exotherm.
Modelle zum Atombau: Das Kern-Hülle-Modell: Das Kern-Hülle-Modell
Das Atommodell von Rutherford besagt: - Ein atom besteht aus einem positiv geladenen Kern, der alle Protonen (und Neutronen) enthält, und den negativ geladenen Elektronen der Atomhülle, die den Kern umkreisen. - Die Zahl der Elektronen und die Zahl der Protonen sind gleich, somit ist das Atom elektrisch neutral. - Der Atomkern beinhaltet praktisch die gesamte Masse des Atoms, seine Ladung entspricht der Protonenzahl.
Moleküle: Die Molekülstruktur: EPA-Modell
Das Elektronenabstossungs-Modell ermöglicht Voraussagen über die Gestalt der Moleküle mithilfe der folgenden Regeln: - Die Anordnung der Elektronenpaare (bzw. ihrer Wolken) bestimmt die Gestalt des Moleküls, sie ergibt sich primär aus der Abstossung zwischen den Elektronen. - Bindende und freie EP (bzw. ihre Wolken) sind in einem Molekül so um die Atomrümpfe angeordnet, dass sie möglichst grosse Entfernung voneinander haben. - Die Elektronenwolken der freien EP sind grösser als die der bindenden. - Die EP von Mehrfachbindungen wirken auf benachbarte Elektronen wie ein EP.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse: Massenverhältnisse
Das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse besagt: Bei einer chemischen Reaktion reagieren die Ausgangsstoffe immer in einem bestimmten Massenverhältnis.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Gesetz von der Erhaltung der Masse: Massenerhaltung
Das Gesetz von der Erhaltung der Masse besagt: Bei chemischen Vorgängen kann eine Änderung der Gesamtmasse der Reaktionsteilnehmer festgestellt werden.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Die Zusammensetzung von Verbindungen: Massenverhältnis
Das Massenverhältnis der gebundenen Elemente lässt sich mithilfe der Atommassen aus dem Atomzahlenverhältnis (gegeben durch die Formel) berechnen.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Eigenschaften der Salze: Leitfähigkeit
Den elektrischen Strom leiten Salze nur im flüssigen und im gelösten Zustand. Salzlösungen und Salzschmelzen enthalten frei bewegliche Ionen. Die positiven Kationen wandern nur negativen Kathode, die negativen Anionen zur positiven Anode.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Bindungswinkel
Der Bindungswinkel ist der Winkel zwischen den Achsen der bindenden Elektronenwolken, die von einem Atom ausgehen. Im Kugel-Stab-Modell wird er durch den Winkel zwischen den Stäbchen dargestellt. Der Bindungswinkel ist abhängig von der Zahl der Bindungen un der nicht bindenden EP (EPA-Modell).
Stoffe und ihre Eigenschaften: Gehalt
Der Gehalt ist der Anteil des gelösten Stoffs in der Lösung in Prozenten. Massenanteil = Masse des gelösten Stoffs (in g) x 100 % ---------------------------------- = % Masse der Lösung (in g) Einheit: % Volumenanteil = Volumen des gelösten Stoffs (in L) x 100 % ----------------------------------- = Vol.-% Volumen der Lösung (in L)
Moleküle: Die Molekülstruktur: Namen
Der Name einer binären Molekülverbindung wird gebildet aus den Namen der beiden Elemente und der Endung -id. Für das zweite Element wird oft eine aus dem lateinischen Namen abgeleitete Bezeichnung verwendet (O: oxid, S: sulfid, H: hydrid). Durch griechische Zahlwörter (mono, di, tri, tetra, penta, hexa) vor den Elementnamen wird angegeben, wie viele Atome der betreffenden Sorte in einem Molekül gebunden sind. INSERT BILD SEITE 75 HEFT 503
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Salzformeln und -namen: Salznamen
Der Name eines Salzes besteht aus dem Namen des Metalls, gefolgt von der Bezeichnung für das Anion. Diese hat bei einfachen Nichtmetall-Ionen (Atom-Ionen) die Endung -id und wird oft aus der lateinischen Bezeichnung abgeleitet, z.B. Sulfid, Oxid. Molekül-Ionen haben Trivialnamen mit den Endungen -it, -at, selten -id, z.B. Sulfit, Nitrat, Hydroxid. Bei Salzen von Metallen, die unterschiedliche Ionen bilden können, wird die Ladungszahl des Metall-Ions als römische Ziffer in Klammern, gefolgt von einem Bindestrich, in den Namen eingeschoben, z.B. Cu₂O, Kupfer(I)-oxid (gesprochen: Kupfer-eins-oxid).
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Gruppen des Periodensystems: Alkalimetalle
Die Alkalimetalle (Gruppe I) sind sehr reaktionsfreudige Metalle mit geringer Härte, kleiner Dichte und tiefer Schmelz- und Siedetemperatur.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Daltons Atomhypothese: Atomhypothese
Die Annahme, Materie bestehe aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Teilchen, ist schon über 2'500 Jahre alt und hat entscheidend zum Verständnis vieler Vorgänge beigetragen. Sie war ursprünglich eine philosophische Spekulation und wurde erst im 19. Jahrhundert zu einer durch Experimente und Beobachtungen gestützten Theorie.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Chemische Eigenschaften: Ionisierungsenergie
Die Anziehung der VE durch den Atomrumpf und damit die Höhe der Ionisierungsenergie nimmt in der Periode nach rechts zu (weil die Rumpfladung zunimmt) und innerhalb der Gruppe nach unten ab (weil der Atomradius zunimmt).
Das Periodensystem der Elemente: Atombau und Periodensystem: Periodennummer = Schalenzahl
Die Atome der Elemente einer Periode haben dieselbe Schalenzahl. Sie unterscheiden in der VE-Zahl und sind chemisch nicht miteinander verwandt.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Physikalische Eigenschaften: Nichtmetalle
Die Atome der Nichtmetalle bilden meist Moleküle. Weil die Kräfte zwischen den Molekülen schwächer sind als die Kräfte zwischen den Metall-Atomen im Metallgitter, haben die meisten Nichtmetalle tiefere Schmelz- und Siedetemperaturen als die Metalle.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Ionenladungen, Ionenradien und Gitterkräfte: Übergangsmetall-Ionen
Die Atome der meisten Übergangsmetalle können auch Elektronen von der zweitäussersten Schale abgeben und so, je nach Bedingungen und Reaktionspartner, Ionen mit unterschiedlichen Ladungen bilden, z.B. Fe²⁺, Fe³⁺.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Bindende EP
Die Atome eines Moleküls sind durch gemeinsame Elektronenpaare gebunden. Ein gemeinsames EP hält sich bevorzugt zwischen den Kernen der gebundenen Atome auf und bindet diese durch die gegenseitige elektrostatische Anziehung.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Die Masse von Atomen und Molekülen: Atommasse
Die Atommasse (𝑚A) ist die Masse eines Atoms in u. Bei Mischelementen ist sie der gewichtete Mittelwert der Massen der natürlichen Nuklide (Atom mit einer bestimmten Protonen- und Neutronenzahl; Im Symbol wird die Nukleonenzahl angegeben (⁴⁰K oder K-40)). Die atomare Masseinheit u ist definiert als ein Zwölftel der Masse des C-12-Nuklids: 1 u = ¹/₁₂ 𝑚A(C-12). Für die Umrechnung der Masseinheiten gilt: 1 g = 6.02 x 10²³ u.
Das Periodensystem der Elemente: Atombau und Periodensystem: Atomradien
Die Atomradien nehmen im PSE in der Gruppe nach unten zu, weil die Schalenzahl steigt.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Daltons Atomhypothese: Daltons Hypothese (7 Punkte)
Die Aussagen der Atomhypothese Daltons sind: - Atome sind die kleinsten Bausteine der Elemente. Sie sind unveränderlich und unzerstörbar. - Bei chemischen Vorgängen trennen und bilden sich Atom-Verbände. - Jedes Element besteht aus einer bestimmten Sorte von Atomen. - Atome eines Elements sind gleich. - Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihrer Masse. - Bei chemischen Vorgängen bleibt die Masse der Reaktionsteilnehmer unverändert, weil die Atome erhalten bleiben. Durch die Umgruppierung der Atome ändert sich ihre Masse nicht. - Die Elemente reagieren in einem bestimmten Massenverhältnis miteinander, weil sich ihre Atome in einem bestimmten Zahlenverhältnis verbinden.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Bindung
Die Bindung der Atome eines Moleküls beruht auf der Anziehung zwischen den Kernen und den Bindungselektronen, die sich bevorzugt zwischen den gebundenen Kernen aufhalten. Wenn zwei Atome gebunden sind, muss Energie aufgewendet werden, um den Abstand ihrer Kerne zu verändern. Die Bindungslänge ist der Abstand, den die Atomzentren beim Erreichen des Energieminimums haben.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Bindungsenergie
Die Bindungsenergie ist die Energie, die bei der Bildung einer Atombindung frei wird bzw. zu ihrer Spaltung aufgewendet werden muss. Die Einheit ist Kilojoule durch Mol (kJ/mol). Je höher die Bindungsenergie, umso energieärmer sind die Moleküle bzw. die Stoffe. Die Bindungsenergie ist umso höher, je grösser die Zahl gemeinsamer Elektronenpaare, je kürzer die Bindung und je polarer die Bindung ist.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Bindungslänge
Die Bindungslänge ist der Abstand zwischen den Zentren der gebundenen Atome. Sie ist die Summe der kovalenten Radien. Der kovalente Radius ist der halbe Abstand zwischen den Zentren von zwei miteinander verbundenen gleichartigen Atomen.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Dichte
Die Dichte ist die Masse einer Stoffportion mit einem Volumen von 1 cm³. Dichte = Masse (in g) ---------- = g/cm³ Volumen (in cm³) 𝜌 = m - = g/cm³ V Einheit: g/cm³ Weil sich mit der Temperatur das Volumen eines Stoffs, nicht aber seine Masse ändert, ist die Dichte von der Temperatur abhängig.
Moleküle: Molekulare Verbindungen: Wasser: Dichteanomalie
Die Dichte von Wasser erreicht seltsamerweise bei 4 ℃ ein Maximum. Zudem hat Eis bei 0 ℃ eine geringere Dichte als flüssiges Wasser in der gleichen Temperatur, weil im Molekülgitter des Eises die Wasser-Moleküle so angeordnet sind, dass ihre Abstände etwas grösser sind als im flüssigen Wasser.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Elektronegativität
Die Elektronegativität (EN) ist die Fähigkeit gebundener Atome, die bindenden Elektronen anzuziehen. Als Mass verwenden wir die Skala von Linus Pauling, in der dem elektronegativsten Element Fluor der Wert 4.0, dem Lithium der 1.0 zugeordnet wird. Die EN ist umso höher, je kleiner das Atom und je höher seine Rumpfladung ist.
Modelle zum Atombau: Elektrische Ladung und elektrische Kraft: Elementarladung
Die Elementarladung ist die kleinstmögliche Ladungsmenge. Sie beträgt 1.602 · 10⁻¹⁹ C.
Das Periodensystem der Elemente: Das moderne Periodensystem der Elemente (PSE): Ordnungsprinzip
Die Elemente werden nach steigender Protonenzahl geordnet.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Die Zusammensetzung von Verbindungen: Verbindungs-Formel
Die Formel einer Verbindung setzt sich zusammen aus den Symbolen der gebundenen Elemente und den tiefgestellten Indices für das Atomzahlenverhältnis. Der Index steht immer hinter dem Symbol, auf das er sich bezieht. Der INdex 1 wird nicht geschrieben, z.B.: H₂O, NH₃, P₂O₅.
Moleküle: Die Molekülstruktur: Molekülgestalt
Die Gestalt der Moleküle kann auch experimentell ermittelt werden. Aus den durch Messungen gewonnen Daten wurden Modelle (z.B. EPA-Modell) abgeleitet, welche die (theoretische) Herleitung der räumlichen Struktur anderer Moleküle ermöglichen.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Ionenladungen, Ionenradien und Gitterkräfte: Gitterkräfte
Die Gitterkräfte im Ionengitter sind umso grösser, je höher die Ladungen der Ionen und je kleiner die Abstände ihrer Zentren sind. Die Abstände sind von den Ionenradien abhängig.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Gruppen des Periodensystems: (Allgemein)
Die Gruppen mit viel (7 oder 8) oder wenig (1 oder 2) Valenzelektronen sind in ihren Eigenschaften am einheitlichsten.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Chemische Eigenschaften: Stellung im PSE
Die Gruppenzugehörigkeit eines Elements und seine Stellung innerhalb der Gruppe ermöglichen Aussagen über viele seiner chemischen Reaktionen und über die Art der Verbindungen, die es mit Elementen anderer Gruppen bilden.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Chemische Eigenschaften: Halbmetalle
Die Halbmetalle stehen in ihren Eigenschaften und im Periodensystem an der Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen. Die Grenze verläuft im PSE vom obersten Element der dritten Gruppe diagonal nach rechts unten zum untersten Element der siebten Gruppe.
Reinstoffe: Synthese
Die Herstellung einer Verbindung (aus den Elementen) bezeichnet man als Synthese.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Konzentration
Die Konzentration bezieht sich auf das Volumen der Lösung. Massenkonzentration = Masse ds gelösten Stoffs (in g) -------------------------- Volumen der Lösung (in L) Einheit: g - L bzw g/L
Stoffe und ihre Eigenschaften: Kristallform
Die Kristalle eines Stoffs stimmen in gewissen Formmerkmalen überein, ihre Grösse ist variabel. Die meisten Feststoffe sind kristallin.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Luft
Die Luft ist ein Gemisch. Ihre Hauptbestandteile sind die Elemente Stickstoff ( 78 Vol.-%), Sauerstoff (21 Vol.-%) und Argon (1 Vol.-%). In der Luft schweben auch winzige, unsichtbare Flüssigkeitstropfen (Aerosole) und Staubteilchen.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Löslichkeit
Die Löslichkeit ist die Masse eines Stoffs, die sich in einer bestimmten Portion (meist 100 g) Lösungsmittel bei einer festgelegten Temperatur maximal löst. Die Löslichkeit nimmt bei den meisten Feststoffen mit steigender Temperatur zu, bei Gasen ab.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Die Masse von Atomen und Molekülen: Molekülmasse (𝑚M)
Die Masse eines Moleküls ist die Summe der Massen aller gebundenen Atome, z.B. 𝑚A (H₂O) = 2 x 𝑚A(H) + 𝑚A(O)
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Reaktionen zwischen Metallen und Nichtmetallen: Ionenbildung
Die Metall-Atome geben ihre wenigen Valenzelektronen an die Nichtmetall-Atome ab und werden dabei zu positiven Ionen (Kationen). Aus den Nichtmetall-Atomen entstehen durch die Elektronenaufnahme Ionen mit negativer Ladung (Anioen).
Metalle: Metallgitter
Die Metalle bilden im festen Zustand ein Metallgitter, in dem die Atome sehr dicht gepackt sind (dichteste Kugelpackungen). Die Atomrümpfe werden zusammengehalten von Valenzelektronen, die sich freio zwischen ihnen bewegen.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Die Zusammensetzung von Verbindungen: Verbindungs-Namen
Die Namen binärer Verbindungen werden aus den Elementnamen abgeleitet und mit der Endung -id versehen. Wenn nötig, weist eine lateinische Zählsilbe auf das Atomzahlenverhältnis hin, z.B.: Schwefeldioxid SO₂.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Ionenladungen, Ionenradien und Gitterkräfte: Nichtmetall-Ionen
Die Nichtmetall-Ionen ergänzen ihre Valenzschale auf acht, ihre Ionen besitzen Edelgaskonfiguration. Für Nichtmetall-Ionen (ausser H⁻) gilt: Ionenladung = Gruppennummer minus acht, z.B. Cl⁻, O²⁻, P³⁻.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Normbedingungen (NB)
Die Normbedingungen, unter denen die physikalischen Eigenschaften "normalerweise" gemessen werden, sind: - Temperatur: 0 ℃ - Druck: 1'013 hPa (= 1.013 bar = 1 Atmosphäre).
Modelle zum Atombau: Der Atomkern: Kernkraft
Die Nukleonen (Protonen und Neutronen) werden im Kern durch die "starke Kernkraft" zusammengehalten. Sie ist unabhängig von der Ladung der Teilchen und wirkt vor allem zwischen direkt benachbarten Nukleonen.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Oktettregel
Die Oktettregel besagt: Die Atome der zweiten Periode erreichen in Molekülen die Edelgaskonfiguration, d.h., der Atomrumpf der gebundenen Atome ist von acht Elektronen umgeben. Die Oktettregel gilt (mit zahlreichen Ausnahmen) auch für Nichtmetall-Atome höherer Perioden. Wasserstoff-Atome erreichen ein Elektronenduplett.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Reaktionen zwischen Metallen und Nichtmetallen: Energiebilanz
Die Salzbildung verläuft exotherm, weil die Gitterenergie, die bei der BIldung des Ionengitters frei wird, grösser ist als die Summe aller vorher aufgewendeteten Energie. Zu diesen gehören: - Die Subliminationsenergie, um die Metall-Atome aus dem Gitter zu lösen - die Bindungsenergie, um die Moleküle des Nichtmetalls zu spalten, und - die Ionisierungsenergie, um die Metall-Atome durch Abspaltung der VE zu ionisieren
Moleküle: Molekulare Verbindungen: Wasser: Synthese
Die Synthese von Wasser durch Verbrennung von Wasserstoff verläuft stark exotherm, weil bei der Bildung der polaren O-H-Bindungen wesentlich mehr Energie frei wird, als zur Trennung der unpolaren Bindungen H-H und O=O aufgewendet werden muss.
Moleküle: Zwischenmolekulare Kräfte: Van-der-Waals-Kräfte
Die Van-der-Waals-Kräfte wirken zwischen allen Molekülarten. Sie sind die Folge der asymmetrischen Elektronenverteilung, die in Atomen der Molekülen durch die Bewegung der Elektronen temporär auftritt (momentane Dipole). Die Van-der-Waals-Kräfte sind bei kleinen Molekülen schwächer als Dipol-Dipol-Kräfte und Wasserstoffbrücken. Sie sind umso stärker, je grösser die Molekülmasse bzw. die Moleküloberfläche ist.
Modelle zum Atombau: Das Schalenmodell: Schalen-Besetzung
Die Verteilung der Elektronen auf die Schalen folgt dem Prinzip des Energieminimums: Die energieärmeren, inneren Schalen werden zuerst gefüllt. Schalen mit mehr als acht Valenzelektronen werden zuerst nur mit acht Elektronen besetzt, dann kommen zwei Elektronen auf die nächste Schale, und erst danach (bei den Übergangsmetallen) wird die innere Schale weiter aufgefüllt. Darum ist die maximale Zahl von Valenzelektronen acht.
Modelle zum Atombau: Die Energie der Elektronen: e⁻-Konfiguration
Die Verteilung der Elektronen eines Atoms oder Ions auf die maximal sieben verschiedenen Energiestufen.
Das Periodensystem der Elemente: Das moderne Periodensystem der Elemente (PSE): Perioden
Die Zeilen (waagrecht) des Systems heissen Perioden. Jede Periode (mit Ausnahme der ersten und letzten) beginnt mit einem Alkalimetall und endet mit einem Edelgas. Die Zahl der Elemente einer Periode ist je nach Periodennummer verschieden. INSERT PAGE 65 BILD HEFT 502
Moleküle: Zwischenmolekulare Kräfte: Defintion, Bedeutung
Die Zwischenmolekularen Kräfte wirken zwischen den Molekülen von molekularen Stoffen, im festen und im flüssigen Zustand. Sie bestimmen weitgehened die physikalischen Eigenschaften molekularer Stoffe. Da die zwischenmolekularen Kräfte in der Regel deutlich schwächer sind als die Atombindungen in den Molekülen, bleiben kleine Moleküle beim Schmelzen und Verdampfen molekularer Stoffe meist unverändert. Nur grosse, wenig stabile Moleküle zersetzen sich schon unterhalb der Schmelztemperatur des Stoffs (z.B. Zucker). Weil die Kräfte zwischen kleinen Molekülen relativ schwach sind, haben viele molekulare Stoffe tiefe Schmelz- und Siedetemperaturen.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Diffusion
Die gelösten Teilchen verteilen sich durch ihre EIgenbewegung im Lösungsmittel. Diese Diffusion führt zu einer gleichmässigen Verteilung des gelösten Stoffs.
Modelle zum Atombau: Das Schalenmodell: Z = 2n²
Die maximale Elektronenzahl Z einer Schale kann aus der Schalennummer n berechnet werden nach der Formel Z = 2n².
Reinstoffe: Metalle
Die meisten Elemente gehören zu den Metallen. Typische Eigenschaften der Metalle sind: - Leitfähigkeit für Strom und Wärme - Hohe Dichte - Hohe Schmelz- und Siedetemperatur - Metallglanz und Duktilität (Verbiegbarkeit) Mit Ausnahme des Quecksilbers sind (bei NB) alle Metalle fest. Beispiele: Aluminium, Eisen, Kupfer, Gold, Silber, Platin, Zink, Zinn.
Reinstoffe: Vorkommen
Die meisten Elemente kommen nicht elementar, sondern in Verbindungen vor. Sie können durch chemische Vorgänge aus ihren Verbindungen gewonnen werden.
Reinstoffe: Nichtmetalle
Die meisten Nichtmetalle sind Elemente mit relativ niederer Schmelz- und Siedetemperatur, kleiner Dichte und geringer Leitfähigkeit für Strom und Wärme. Von den 17 Nichtmetallen sind 11 gasförmig, 5 fest und 1 flüssig (bei NB). Beispiele: Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Helium.
Moleküle: Grundbegriffe: Molekulargrösse
Die meisten anorganischen Moleküle bestehen aus weniger als einem Dutzend Atomen. Die Riesenmoleküle von organischen Stoffen wie z.B. Eiweissen, Kohlenhydraten und Kunststoffen können aus tausenden von Atomen aufgebaut sein.
Moleküle: Grundbegriffe: Molekülgitter
Die meisten molekularen Stoffe bilden im festen Zustand ein Molekülgitter. In diesem sind die Moleküle regelmässig geordnet und durch die Gitterkräfte (zwischenmolekulare Kräfte) an ihren Platz gebunden. Beim Schmelzen geht die regelmässige Anordnung verloren, die zwischenmolekularen Kräfte nehmen ab, wirken aber auch im flüssigen Zustand noch.
Metalle: Metallische Bindung
Die metallische Bindung beruht auf der elektrostatischen Anziehung zwischen den positiven Atomrümpfen und den Elektronen zwischen ihnen. Sie ist umso stärker, je kleiner der Atomradius und je grösser die Zahl der Bindungselektronen (pro Atom) ist.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Physikalische Eigenschaften: (Allgemein)
Die physikalischen Eigenschafgten der Elemente werden hauptsächlich durch die Anordnung der Teilchen und die Kräfte zwischen den Teilchen bestimmt.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Eigenschaften
Die physikalischen Stoffeigenschaften lassen sich messen oder beobachten, ohne dass sich der Stoff umwandelt. Wichtige physikalische Eigenschaften sind: - Schmelz- & Siedetemperatur - Glanz - Farbe - Geruch - Dichte - Härte - Verformbarkeit - Leitfähigkeit für Strom und Wärme - Löslichkeit in einem bestimmten Lösungsmittel - Kristallform
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Reaktionen zwischen Metallen und Nichtmetallen: Gitterbildung
Die positiven Metall-Kationen und die negativen Nichtmetall-Anionen ziehen sich gegenseitig an und bilden ein Ionengitter, in dem sich jedes Ion mit einer bestimmten Anzahl (Koordinationszahl) entgegengesetzt geladener Ionen umgibt. Durch die Bildung des Ionengitters entstehen Salzkristalle.
Modelle zum Atombau: Nicht alle Kerne sind stabil: Die Radioaktivität: Strahlung
Die von einem radioaktiven Stoff ausgehende Strahlung durchdringt auch feste Stoffe und schwärzt Fotoplatten. Sie kann aus Helium-Kernen (α-Strahlen) oder aus Elektronen (β-Strahlen) bestehen und ist von einer energiereichen, elektromagnetischen Strahlung (ɣ-Strahlen) begleitet.
Moleküle: Zwischenmolekulare Kräfte: Dipol-Dipol-Kräfte
Dipol-Dipol-Kräfte sind Kräfte zwischen Dipol-Molekülen. Ihre Stärke ist von der Molekülgestalt und von der Polarität der Bindungen (EN-Unterschied) abhängig.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Gruppen des Periodensystems: Edelgase
Edelgase (Gruppe VIII (acht)) sind reaktionsträge Nichtmetalle. Sie sind bei RT gasförmig.
Modelle zum Atombau: Elektrische Ladung und elektrische Kraft: Ladungen
Ein Körper kann elektrisch positiv oder negativ geladen sein. Körper mit gleichartigen Ladungen stossen sich ab, ungleichartig geladene ziehen sich an.
Moleküle: Grundbegriffe: Moleküle
Ein Molekül ist ein Teilchen aus mehreren Atomen, die durch Atombindungen (Elektronenpaarbindungen, kovalente Bindungen) zu einer Einheit gebunden sind.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Stoffportion
Eine Stoffportion hat eine bestimmte Masse.
Chemische Reaktionen: Reaktionsgleichung
Eine chemische Reaktion kann durch eine Reaktionsgleichung beschrieben werden: Edukte ---> Produkte Der Reaktionspfeil bedeutet: reagieren zu.
Modelle zum Atombau: Elektrische Ladung und elektrische Kraft: Ladungsmenge
Elektrische Ladungen können unterschiedlich gross sein. Die Ladungsmenge wird in Coulomb gemessen.
Modelle zum Atombau: Die Energie der Elektronen: Abspaltung von e⁻
Elektronen lassen sich durch Zufuhr von Energie vom Atom abspalten. Dabei entstehen Ionen mit positiver Ladung. Die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron abzuspalten, heisst Ionisierungsenergie.
Modelle zum Atombau: Elementarteilchen - Bausteine der Atome: Die Elektronen
Elektronen sind Elementarteilchen mit einer Masse von ca. 1/2000 u und der Ladung 1- (eine negative ELementarladung = -1.602 · 10⁻¹⁹ C.
Das Periodensystem der Elemente: Atombau und Periodensystem: Gruppennummer = Valenzelektronenzahl
Elemente einer Hauptgruppe sind chemisch ähnlich, ihre Atome stimmen in der Valenzelektronenzahl überein: Sie entspricht der Gruppennummer. Die Atome der Nebengruppenelemente, auch Übergangsmetalle genannt, haben meist zwei Valenzelektronen. Sie unterscheiden sich in der Anzahl der Elektronen auf inneren Schalen.
Das Periodensystem der Elemente: Die Verwandtschaft der Elemente: Verwandtschaft
Elemente lassen sich nach der Ähnlichkeit ihres chemischen Verhaltens in Elementgruppen einordnen, z.B. Alkalimetalle, Halogene, Edelgase.
Reinstoffe: Elemente
Elemente sind Reinstoffe, die sich nicht in mehrere Stoffe zerrsetzen und nicht ineinander umwandeln lassen. Sie sind die Grundstoffe, aus denen alle Verbindungen entstehen. Ein Element besteht aus gleichartigen Atomen. Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich; es gibt also ebenso viele Atomsorten wie Elemente (ca. 100). Die Atome eines Elements können mit chemischen Methoden nicht in Atome eines anderen Elements umgewandelt werden.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Gruppen des Periodensystems: Erdalkalimetalle
Erdalkalimetalle (Gruppe II) sind reaktionsfreudige Metalle, mit kleiner Dichte und tiefer schmelz- und Siedetemperatur.
Modelle zum Atombau: Das Schalenmodell: Edelgaskonfiguration
Extrem hoch sind die Ionisierungsenergien der Edelgase. Ihre Atome haben acht (bzw. He zwei) Elektronen auf der Aussenschale.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Gasgemische
Gase durchmischen sich aufgrund der Eigenbewegung der Teilchen (Diffusion).
Stoffgemische und ihre Trennung: Eigenschaften
Gemische bestehen aus mehreren Reinstoffen. Ihre Zusammensetzung kann sich verändern, ohne dass sich die Komponenten veränderkn. Ihre Eigenschaften sind vom Mischungsverhältnis abhängig. In heterogenen Gemischen bleiben die Eigenschaften der Komponenten erhalten.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Trennmethoden
Gemische lassen sich durch Fraktionierungsmethoden in Reinstoffe trennen. Diese bleiben unverändert.
Moleküle: Molekulare Verbindungen: Kohlenstoffdioxid: Molekülbau
Im CO₂-Molekül ist das Kohlenstoff-Atom mit den beiden Sauerstoff-Atomen durch je eine Doppelbindung gebunden. Die Bindungen sind polar, das Molekül ist aber kein Dipol, denn es ist linear gebaut. Zwischen den Molekülen wirken nur die relativ schwachen Van-der-Waals-Kräfte: Kohlenstoffdioxid ist darum bei NB gasförmig.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Eigenschaften der Salze: Eigenschaften und Gitterbau
Im Ionengitter wirken ähnlich starke Gitterkräfte wie im Metallgitter. Salze haben darum ähnliche Härten und Schmelztemperaturen wie Metalle. Sie sind aber im Gegensatz zu diesen spröde. Weil die Verschiebung von Gitterebenen durch hohen Druck Ionen gleicher Ladung nebeneinander bringt, fällt das Gitter auseinander, der Kristall zerspringt. Schmelztemperatur und Härte nehmen mit den Gitterkräften zu, sind also umso höher, je grösser die Ionenladungen und je kleiner die Ionenradien sind. Salze mit sehr hohen Gitterkräften haben diamantartige Eigenschaften (wasserunlöslich, sehr hart, hohe Schmelztemperatur), z.B. Al₂O₃.
Modelle zum Atombau: Atome - Gedankendinge oder Realität?: Atomtheorie
Im Verlauf des 19. Jahrhunderts wurde die Hypothese, Materie bestehe aus kleinsten unteilbaren Atomen, zu einer durch Experimente und Beobachtungen gestützten Theorie. Heute kann man Atome mithilfe geeigneter Geräte nachweisen, vermessen und sogar "sichtbar" machen. Die Möglichkeit, Atome zu spalten oder miteinander zu verschmelzen, hat das 20. Jahrhundert mitgeprägt. Ihre Folgen sind noch heute unabsehbar.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Ionenladungen, Ionenradien und Gitterkräfte: Symbol
In der Formel eines Ions wird das Ladungszeichen rechts oben neben das Symbol des Elements gesetzt. Weicht die Zahl der Ladungen von eins ab, wird sie als arabische Ziffer vor das Ladungszeichen geschrieben, z.B. Na⁺, Al³⁺, O²⁻.
Moleküle: Die Molekülstruktur: Molekülformel
In der Molekülformel stehen die Symbole der gebundenen Atome, gefolgt von einem tiefgestellten Index für die Anzahl der betreffenden Atome in einem Molekül, sofern diese von eins abweicht. Für Moleküle, die der Oktettregel folgen, kann die Formel aus den Bindungswerten der beteiligten Atome berechnet werden, z.B.: In der Formel steht das Symbol des Elements mit der höheren EN meist hinten, die Symbole der Elemente der IV. und der V. Gruppe stehen immer vorn.
Moleküle: Die Molekülstruktur: Struktur-, Lewis- oder Strichformel
In der Strukturformel werden neben den Elementsymbolen, die hier für den Atomrumpf stehen, die Valenzelektronen durch Striche (Elektronenpaare) und Punkte (einsame Elektronen) dargestellt. Durch die Strukturformel, auch Lewis-Formel oder Strichformel genannt, können die Bindungsverhältnisse in Molekülen beschrieben werden. Die Striche für die bindenden Elektronenpaare stehen wie Bindestriche zwischen den Symbolen.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Physikalische Eigenschaften: Metalle
In festen Metallen bilden die Atome ein Metallgitter, dessen Eigenschaften die typischen Metalleigenschaften wie Leitfähigkeit und Verformbarkeit erklären.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Ionenladungen, Ionenradien und Gitterkräfte: Molekül-Ionen
Ionen können aus mehreren, kovalent gebundenen Atomen bestehen, z.B. SO₄²⁻, NO₃⁻. Für die Ladung solcher Molekül-Ionen gilt: Ionenladung = Zahl der VE aller Atome - 2 · (Zahl der EP des Molekül-Ions)
Modelle zum Atombau: Elementarteilchen - Bausteine der Atome: Ionen
Ionen sind geladene Teilchen. Die Ionenladung wird als arabische Zahl mit dem entsprechenden Ladungszeichen rechts oben neben das Symbol geschrieben. Bei Ionen ist die Zahl der Protonen nicht gleich gross wie die der Elektronen.
Modelle zum Atombau: Der Atomkern: Isotope
Isotope Nuklide haben gleiche Protonen-, aber unterschiedliche Neutronenzahl. Sie unterscheiden sich nicht in ihrem chemischen Verhalten, aber in ihrer Masse.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Polare Bindungen, Partialladungen
Ist die Anziehung der Bindungspartner auf die gemeinsame Elektornen verschieden Stark, sind diese zum elektronegativeren Atom hin verschoben, die Bindung ist polar. Das elektronegativere trägt eine negative (δ-), sein Partner eine positive (δ+) Teilladung (Partialladung). Die Bindungspolarität ist umso höher, je grösser der EN-Unterschied der Bindungspartner ist.
Modelle zum Atombau: Die Energie der Elektronen: Energie der e⁻
Je energiereicher ein Elektron ist, umso weniger Energie ist zu seiner Abspaltung erforderlich. Die Elektronen eines Atoms unterscheiden sich in ihrer Energie.
Chemische Reaktionen: Energiegehalt
Jede Stoffportion hat eine bestimmte innere Energie (chemische Energie). Sie ist von der Stoffart und von der Masse abhängig.
Chemische Grundgesetze und Daltons Atomhypothese: Die Zusammensetzung von Verbindungen: Verbindungen
Jede Verbindung hat eine konstante Zusammensetzung. Wenn zwei Elemente verschiedene Verbindungen bilden, unterscheiden sich diese im Atomzahlen- und damit im Massenverhältnis der Elemente.
Modelle zum Atombau: Die Energie der Elektronen: Energiestufen
Jedes Elektron lässt sich einer bestimmten Energiestufe zuordnen. Elektronen verschiedener Energiestufen unterscheiden sich in ihrer Energie, Elektronen derselben Energiestufe haben vergleichbare Energien.
Reinstoffe: Elementsymbole
Jedes Element hat einen Namen und ein Symbol aus einem oder zwei Buchstaben.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Kristallbildung
Kristalle bilden sich beim Erstarren einer Flüssigkeit, beim Eindampfen einer Lösung und beim Abkühlen einer gesättigten Lösung eines festen Stoffs.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Kristalle
Kristalle sind feste Körper, die von regelmässig angeordeneten, ebenen Flächen begrenzt sind. Sie sind die sichtbare Folge der regelmässigen Teilchenanordnung im Gitter.
Modelle zum Atombau: Elektrische Ladung und elektrische Kraft: Elektrische Kraft
Körper mit entgegengesetzter Ladung ziehen sich an, Körper mit gleichen Ladungen stossen sich ab. Die elektrische Kraft zwischen zwei Ladungen ist umso grösser, je näher beieinander und je höher die Ladungen sind. Sie ist nach dem Coulomb-Gesetz direkt proportional zum Produkt der beiden Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands. F = k · (Q₁ · Q₂ / r²) Q₁ & Q₂: Ladungsmengen, r: Abstand k: Konstante, abhängig vom Material zwischen den Ladungen
Metalle: Reaktionsfreudigkeit
Metalle reagieren umso besser, je leichter ihre Atome ihr(e) VE abgeben. Die dazu aufzuwendende Ionisierungsenergie ist umso geringer, je kleiner die Rumpfladung und je grösser die Schalenzahl (und damit der Atomradius) ist. Die Alkalimetalle sind die reaktvisten Metalle.
Metalle: Stellung im PSE
Metalle stehen im PSE links unter der Linie der Halbmetalle von Bor zu Astat.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Lösungen 2
Lösungen fester Stoffe sind durch Eindampfen oder einfache Destillation trennbar. Flüssigkeitsgemische lassen sich durch Fraktionierte Destillation trennen, wenn sich die Komponenten in der Siedetemperatur deutlich unterscheiden. Bei der Chromatografie basiert die Trennung auf der unterschiedlichen Verteilung der Komponenten zwischen einem Träger (z.B. Papier) und einem Lösungsmittel.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Lösungen 1
Lösungen sind homogene Gemische fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe in einem flüssigen Lösungsmittel. Beim Lösen eines Stoffs verteilen sich seine Teilchen zwischen den Teilchen des Lösungsmittels. Die Eigenschaften von Lösungen sind von der Zusammensetzung abhängig. Diese kann durch Gehaltsangaben (z.B. in Prozent) oder durch Konzentrationsangaben (z.B. Massenkonzentration) ausgedrückt werden.
Das Periodensystem der Elemente: Das System der Elemente von Mendelejew und Meyer: Periodizität
Mendelejew und Meyer erkannten das Gesetz der Periodizität: Ordnet man die Elemente nach steigender Atommasse, treten chemisch ähnliche in bestimmten Abständen auf.
Metalle: Chemische Eigenschaften
Metall-Atome geben bei der Reaktion mit Nichtmetallen ihre wenigen Valenzelektronen ab und werden so zu positiv geladenen Metall-Ionen.
Metalle: Atombau
Metall-Atome haben i. A. weniger als vier Valenzelektronen und entsprechend kleine Rumpfladungen. Die Ionisierungsenergien sind darum kleiner als bei den Nichtmetallen.
Periodensystem und Eigenschaften der Elemente: Chemische Eigenschaften: Metalle
Metall-Atome haben weniger VE und geben diese wegen ihrer geringeren Rumpfladung leichter ab als Nichtmetall-Atome. Elemente mit weniger als vier Valenzelektronen sind Metalle mit Ausnahme des Halbmetalls Bor. Die metallischen Eigenschaften sind umso deutlicher, je kleiner die Rumpfladung und je grösser der Atomradius. Sie nehmen also in der Periode nach rechts ab und in der Gruppe nach unten zu.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Salzformeln und -namen: Verhältnisformel
Salzformeln sind Verhältnisformeln. Die Indices nennen das Zahlenverhältnis der Ionen im Ionengitter. So ist in AlCl₃ die Zahl der Chlorid-Ionen dreimal so gross wie die Zahl der Aluminium-Ionen. In der Formel eines Salzes steht das Symbol des Kations vor dem des Anions, z.B. NaCl. Die Summe der positiven und der negativen Ladungen (Index · Ladung des Kations + Index · Ladung des Anions) ist null, z.B. Al₂O₃: 2 · (3+) + 3 · (2-) = 0
Chemische Reaktionen: Endotherm
Sind die Produkte energiereicher als die Edukte, verläuft die Reaktion endotherm: Energie muss z.B. als Wärme zugeführt werden.
Chemische Reaktionen: Exotherm
Sind die Produkte energieärmer als die Edukte, ist die Reaktion exotherm: Innere Energie wird z.B. in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Teilenmodell
Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen, die sich ständig bewegen. Ihre Geschwindigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu. Die Kräfte und die Abstände zwischen den Teilchen sind abhängig vom Aggregatszustand.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Stoff - Gegenstand
Stoffe erkennen wir an ihren Eigenschaften. Stoffeigenschaften sind von Grösse und Gestalt der Gegenstände unabhängig und bei festgelegten Bedingungen (Druck, Temperatur) konstant.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Aggregatszustand
Stoffe können je nach Temperatur und Druck im festen (s), flüssigen (l) oder gasförmigen (g) Zustand vorliegen.
Moleküle: Grundbegriffe: Molekulare Stoffe
Stoffe, die bei NB aus Molekülen bestehen, nennt man molekulare Stoffe. Zu ihnen gehören die Nichtmetalle und die Verbindungen mehrerer Nichtmetalle. Molekulare Stoffe mit kleinen Molekülen haben in der Regel tiefe Schmelz- und Siedetemperaturen, weil die Kräfte zwischen den Molekülen relativ schwach sind.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Heterogene Gemische
Suspensionen können durch Filtration, Emulsionen im Scheidetrichter, Gemenge durch Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel getrennt werden.
Metalle: Physikalische Eigenschaften
Typische physikalische Eigenschaften der Metalle sind: gute Leitfähigkeit für Strom und Wärme, Verformbarkeit und Metallglanz. Viele Metalle haben hohe Schmelz- und Siedetemperatur, grosse Dichte und hohe Härte.
Chemische Reaktionen: Aktivierungsenergie
Um Stoffe zur Reaktion zu bringen, müssen sie durch Zufuhr von Energie aktiviert werden (Aktivierungsenergie).
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Salzlösungen: Löslichkeit
Unter der Löslichkeit eines Salzes verstehen wir die Masse, die sich bei einer bestimmten Temperatur in einer festgelegten Masse (meist 100 g) Wasser löst. Sie nimmt mit steigender Temperatur i.A. zu. Die Löslichkeit eines Salzes ist umso höher, je kleiner seine Gitterkräfte sind, d.h., je kleiner die Ionenladungen und je grösser die Ionenradien sind.
Reinstoffe: Verbindungen
Verbindungen sind Reinstoffe, die sich durch chemische Reaktionen in Elemente zersetzen lassen. Sie haben im Gegensatz zu den Gemischen eine bestimmte Zusammensetzung und konstante Eigenschaften. Verbindungen können durch Synthesen aus den Elementen entstehen und durch Analysen in diese zersetzt werden. Die Elementeigenschaften sind in der Verbindung nicht feststellbar. Die Atome der Elemente bilden bei der Synthese die Teilchen der Verbindung, z.B. Moleküle. Diese lassen sich auch wieder in die Atome spalten.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Salzlösungen: Kristallisation
Verdampt das Wasser einer Salzlösung, nimmt die Konzentration zu, bis die Lösung gesättigt ist. Beim weiteren Eindampfen oder beim Abkühlen kristallisiert ein Teil des Salzes aus. Die Ionen bilden ein Ionengitter.
Moleküle: Molekulare Verbindungen: Wasser: Eigenschaften
Viele Besonderheiten des Wassers (relativ hohe Siede- und Schmelztemperatur, hohe Verdampfungswärme, grosse Oberflächenspannung) sind Folgen der Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen. Die Fähigkeit des Wassers, viele Salze zu lösen, ergibt sich aus dem Dipolcharakter der Wasser-Moleküle.
Metalle: Eigenschaften und Gitterbau
Viele Eigenschaften der Metalle ergeben sich aus dem Bau des Metallgitters: - Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Folge der verschiebbaren Elektronen. - Die Verformbarkeit ist eine Folge der Verschiebbarkeit der Gitterebenen. - Eine hohe Härte und hohe Schmelz- und Siedetemperaturen resultieren aus der starken Bindung der Metall-Atome im Metallgitter (starke Gitterkräfte).
Moleküle: Die Molekülstruktur: Struktur und Formel
Viele Eigenschaften molekularer Stoffe sind von der Struktur ihrer Moleküle abhängig. Zur vollständigen Beschreibung der Molekülstruktur gehören: - Zahl und Art der gebundenen Atome, beschrieben durch die Molekülformel. - Die Art der Bindungen (welche Atome sind wie gebunden?), beschrieben durch die Strukturformel. - Die Molekülgestalt, beschrieben durch Bindungswinkel und Bindungslängen, kann durch Molekülmodelle dargestellt werden.
Moleküle: Molekulare Verbindungen: Wasser: Bedeutung
Wasser ist die wichtigste molekulare Verbindung auf der Erde. Sie spielt in den Lebewesen und in der unbelebten Natur eine zentrale Rolle als Lösungs- und Transportmittel und ist an vielen Reaktionen beteiligt. Unzählige natürliche und künstliche Vorgänge finden in wässrigen Lösungen statt.
Moleküle: Zwischenmolekulare Kräfte: Wasserstoffbrücken
Wasserstoffbrücken sind elektrostatische Kräfte zwischen H-Atomen, die an F-, O- oder N-Atome gebunden sind, un den freien EP dieser Atome in benachbarten Molekülen.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Ionenladungen, Ionenradien und Gitterkräfte: Ionenradien
Weil die Kationen eine Schale weniger besitzen als die Metall-Atome, sind ihre Radien kleiner als die Atomradien. Bei den Nichtmetallen sind die Ionenradien etwa gleich gross wie die Radien der ungebundenen Atome.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Ionenladungen, Ionenradien und Gitterkräfte: Ionengitter
Weil ihre Ladungen nach allen Seiten wirken, bilden die Ionen dreidimensionale Verbände, die als Ionengitter bezeichnet werden. Die Zahl der Ionen, die sich zu einem Kristall zusammenfinden, ist nicht festgelegt, von den Bedingungen abhängig und immer sehr hoch. Kristalle, die mit blossem Auge erkennbar sind, bestehen aus mindestens 10¹⁸ Ionen.
Ionenbildung, Ionenbindung und Salze: Salzlösungen: Eigenschaften von Salzlösungen
Wässrige Salzlösungen haben eine höhere Dichte, eine höhere Siede- und eine tiefere Schmelztemperatur als Wasser. Sie leiten den elektrischen Strom. Die Unterschiede zum Wasser nehmen mit der Konzentration der Ionen zu.
Modelle zum Atombau: Der Atomkern: Nuklidsymbol
Zur Charakterisierung eines Nuklids muss neben der Protonenzahl auch die Gesamtzahl der Nukleonen angegeben werden. Sie wird dem Symbol oder Namen nachgestellt oder zusammen mit der Protonenzahl dem Symbol vorangestellt:
Moleküle: Die Molekülstruktur: Molekülmodelle
Zur Darstellung und Veranschaulichung der Molekülgestalt verwendet man Molekülmodelle wie das Kalotten- oder das Kugel-Stab-Modell oder Keilstrichformeln. Im Kalotten-Modell werden die Atome durch Kalotten unterschiedlicher Grösse dargestellt. Im Kugel-Stab-Modell werden die Atomrümpfe durch Kugeln, die bindenden Elektronenpaare durch Stäbchen dargestellt. In der Keilstrichformel stehen Striche für Bindungen in der Zeichenebene, Keile bzw. gestrichelte Keile für BIndungen, die nach vorne bzw. hinten gerichtet sind. Die Grösse und die Gestalt der Moleküle ist massgebend für die Art und die Stärke der zwischenmolekularen Kräfte und damit für viele physikalische Stoffeigenschaften.
Moleküle: Die Atombindung - Elektronenpaarbindung - kovalente Bindung: Einfach, Doppel- und Dreifachbindungen
Zwei Nichtmetall-Atome können durch eine Atombindung gebunden sein. Nach der Zahl der bindenden Elektronenpaare unterscheidet man Einfach-, Doppe- und Dreifachbindungen. Eine Doppelbindung ist kürzer und stärker als eine Einfachbindung zwischen den gleichen Atomen. Ihre Bindungsenergie ist aber weniger als doppelt so gross, weil sich die beiden bindenden EP abstossen. Durch die Abstossung sind die beiden EW der Doppelbindungen bananenförmig gekrümmt. Entsprechendes gilt für die Dreifachbindung.
Stoffe und ihre Eigenschaften: Zustandsänderungen
Änderungen des Aggregatszustands sind mit Energieumsatz verbunden: Schmelzenm Verdampfen (bzw. Verdunsten) und Sublimieren "verbrauchen" Wärme, Kondensieren, Erstarren und Resublimieren geben Wärme frei.