Chemie
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08.10.2012 Basisschulung Chemie Grundlagen Chemie Referentin: Carmen Noehl Tel.: 488 216-1 [email protected] Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I: Wenn’s knallt und stinkt… Was ist Chemie? Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Was ist Chemie? Was bedeutet der Begriff Chemie? Historische Entwicklung Teilgebiete der Chemie Allgemeine Chemie - Elemente (Atomaufbau) - Periodensystem - Moleküle - Reaktionen Chemie im Alltag Öffentlichkeit: "Chemie ist alles, was nicht natürlich ist." Historiker: „Chyma (gr.) = Metallguss“ Naturwissenschaftler: „Lehre von Aufbau, Eigenschaften und Umwandlung von Substanzen* “ * Historische Entwicklung = Elemente + Verbindungen Historische Entwicklung Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Antike (600-300 v. Chr.): Praktisches Wissen über Stoffumwandlungsprozesse Töpferei, Metallguss, Brauen, Backen, Färben, Heilmittel Naturphilosophische Ansätze Theorie der 4 Erdelemente, aus denen alle Stoffe bestehen 1 08.10.2012 Historische Entwicklung Historische Entwicklung Moderne Chemie (seit 1790): Aus der griechischen Theorie und den alten Handwerkskünsten entwickelte sich in Alexandrien die Alchimie Metallveredlung Arzneimittel / Lebenselexir Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Mittelalter (bis 1650 n. Chr.): Im Spätherbst 1895, entdeckte der Würzburger Professor Wilhelm Conrad Röntgen "eine neue Art von Strahlen". benutzte als erster eine Waage, um chemische Erscheinungen zu erklären formulierte als erster das 1. Grundgesetz der Chemie = Erhaltung der Massen Alfred Nobel erfand wirkungsvolle Sprengstoffe für friedliche und militärische Zwecke. Teilbereiche Chemie heute Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Andere berühmte Chemiker Louis Pasteur erforschte die Rolle der Mikroorganismen und entdeckte die Möglichkeit, diese durch ERHITZEN abzutöten und dadurch Lebensmittel haltbar zu machen, zu konservieren bzw. zu pasteurisieren. Chemiker angesehen: Andere berühmte Chemiker Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Andere berühmte Chemiker Antoine Lavoisier wird als erster 2 08.10.2012 Wichtigste Teilbereiche Chemische Industrie zählt heute zu den wichtigsten Industriezweigen und ist bedeutender Wirtschaftszweig wichtigste Erzeugnisse sind u. a. Grundchemikalien, Düngemittel, Kunststoffe, Lacke, Pharmaprodukte, Pestizide… Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Chemie heute untersucht kohlenstoffhaltige Verbindungen, die NICHT von Lebewesen hergestellt werden Biologie + Medizin: Arzneimittel, Lebensmittel, Konservierungsstoffe… Petrochemie: Kunststoffe, Reinigungsmittel, Farben/ Lacke… Grenzbereich zwischen Physik und Chemie Thermodynamik, Elektrochemie, Technik (Akkus, Katalysatoren…) Anorganische Chemie (Salze, Metalle…) Physikalische Chemie (Akkus, Katalysatoren…) behandelt Elemente des Periodensystems, die nicht ausschliesslich aus Kohlenstoffketten bestehen + deren Verbindungen Salze, Metalle + deren Verbindungen (Legierungen) Schaffung neuer Werkstoffe mit speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften Biochemie Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Physikalische Chemie beschäftigt sich mit den grundlegenden Phänomenen der Chemie Organische Chemie (Medizin, Lebensmittel…) Anorganische Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Organische Chemie Im Laufe der Zeit hat sich die Chemie in verschiedene Fachgebiete verzweigt: befasst sich mit Stoffwechselvorgängen, Genetik Grenzbereich zur Biologie Überschneidung mit Disziplinen Pharmazeutische und Medizinische Chemie 3 08.10.2012 Allgemeine Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Allgemeine Chemie Grundlagen der Chemie, die in fast allen Teilbereichen von Bedeutung sind Elemente = Atome + Aufbau Periodensystem der Elemente (PSE) Chemische Bindung (Moleküle) Chemische Reaktionen (Industrie + Alltag) Elemente = Atome Schon gehört ? Element (ATOM) = kleinste Einheit, in die sich Materie mit chemischen oder mechanischen Mitteln zerlegen lässt. Die Erde besteht zu 90 % aus 5 Elementen: Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Definition: Im PSE sind sind alle bekannten Elemente aufgeführt derzeit 118 Elemente Forschung neue Elemente entdeckt Jedes Element hat einen Namen Element-Kürzel besteht aus einem oder zwei Buchstaben (bei neueren Elementen auch drei). Symbol Anteil Sauerstoff O 49,9 % 2. Silicium Si 25,9 % 3. Aluminium Al 7,5 % 4. Eisen Fe 4,7 % 5. Calcium Ca 3,7 % 90.8 % Atomaufbau Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Periodensystem der Elemente (PSE) Element 1. 4 08.10.2012 Atomaufbau Atomkern = positive Protonen + gleiche Anzahl neutraler Neutronen Atomhülle = negative Elektronen, die sich auf verschiedenen Energieniveaus (=Schalen) kreisförmig um Atomkern bewegen Immer gleich viele Elektronen in der Hülle wie Protonen / Neutronen im Kern. Einfachstes Element = Wasserstoff (H) 1 Elektron kreist auf 1 Schale um den Atomkern (1P+1N) Ordnungszahl Elementsymbol Elementname Rel. Atommasse 6 C Kohlenstoff 12.01 Fe O Hg Feste Elemente Gasförmige Elemente Flüssige Elemente (20 °) Radioaktive Elemente Hg 80 Feste Elemente Von den gasförmigen Elementen sind 6 Edelgase, davon 1 Element zusätzlich auch radioaktiv (Radon Rn). Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie N7 Br 35 Von den chemischen Elementen sind bei Raumtemperatur * nur Quecksilber und Brom flüssig. 11 gasförmige Elemente Ne 10 8 Elektronen kreisen auf 2 Schalen um den Atomkern (8P+8N) 2 flüssige Elemente Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Periodensystem der Elemente Auflistung der Elemente nach steigender Protonenzahl und chemischer Ähnlichkeit Schon komplizierter: = Sauerstoffatom (O) Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Atomaufbau S 16 Li 3 Alle anderen Elemente sind feste Stoffe, bzw. Metalle. 5 08.10.2012 I VIII II III IV V PSE Perioden VI VII Perioden horizontale Reihen: Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Nebengruppen gibt Anzahl der Schalen (=Perioden) an in 1. Periode alle Elemente mit nur 1 Schale (K-Schale) H; He In 2. Periode alle Elemente mit 2 Schalen (K- und L-Schale) Li bis Ne, usw… Insgesamt 6 Schalen: K – L – M – N – O - P VIII I Innere Schale: max. 2 Elektronen alle anderen Schalen: Je max. 8 Elektronen Insgesamt 6 Schalen: K–L–M–N–O–P II III IV V VI VII Nebengruppen Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Schalenmodell Untergruppen Beispiel Schwefel (S): 16 Elektronen PSE Hauptgruppen PSE Hauptgruppen Elementfamilien mit chem. ähnlichen Elementen: Gruppe I : Elemente mit 1 Elektron auf äußeren Schale Wasserstoff bis Fancium Gruppe II: Elemente mit 2 Elektronen auf äusseren Schale … Gruppe VIII: Elemente mit 8 Elektronen auf äusseren Schale (= Edelgase) Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Hauptgruppen vertikale Spalten: HG I HG II HG III HG IV HG V HG VI HG VII HG VIII Alkalimetalle Erdalkalimetalle Erdmetalle Kohlenstoff – Sillicium-Gruppe Stickstoff- Phosphor-Gruppe Chalkogene Halogene Edelgase Eigenschaften der Elemente werden durch die Elektronenzahl auf der äußeren Schale bestimmt. 6 08.10.2012 Ordnungszahl bestimmen Edelgase Elemente der Hauptgruppe VIII Heliumatom (He) = Edelgas K-Schale 1. Reihe (Periode) = 1 Schale 1. HG = max. 1 Elektron aussen Insgesamt also: 1 Elektron K-Schale Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Wasserstoffatom (H) Besonderheit Edelgase 1. Reihe (Periode) = 1 Schale 8. HG = max. 8 Elektronen aussen Insgesamt also: 2 Elektronen Nur Edelgase kommen in Natur als Einzelatome vor! Edelgase haben auf der äußeren Schale maximal mögliche Elektronenzahl = stabilste Konfiguration alle Elemente streben « ideale » Edelgaskonfiguration an müssen sich mit anderen Elementen verbinden, also Elektronen abgeben, aufnehmen oder teilen. Chemische Verbindung (Moleküle) Moleküle Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Definition: Alle Elemente (außer Edelgase) kommen in Natur in größeren Einheiten vor (z. B. als Moleküle) Anzahl der Atome = tiefgestellte Zahl Beispiele: Wasserstoff = H2 Sauerstoff = O2 Ozon = O3 Wasser = H2O 2 oder mehrere Atome sind fest miteinander verknüpft Chemische Verbindungen Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Moleküle Moleküle = kleinste Teile, die eine chemische Verbindung darstellen. Alle Stoffe bestehen aus relativ wenigen Bausteinsorten, d. h. aus 80-100 Elementen 7 08.10.2012 Schon gehört ? Chemische Verbindungen • • • Hauptsächlich: O, C, H, N Weitere Elemente: Ca, Cl, P, K, S, Na, Mg 10 Spurenelemente: Fe, F,I, … Diese Elemente verbinden sich zu Wasser (60%), Proteinen, Lipiden, Kohlenhydraten, Mineralstoffen, Aminosäuren, DNA, etc. = Moleküle Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Der Mensch besteht aus ca. 21 Elementen: Durch Kombination entstehen mehrere Millionen unterschiedliche Verbindungen (z.B. Wasser, Sand, Pflanzen- u. Tiergewebe, Kunststoffe…) Art der Zusammensetzung bestimmt chemische und physikalische Eigenschaften Chemie = umfangreiche Wissenschaft Elektronen können durch elektromagnetische Wechselwirkung an mehrere Atome gebunden sein so entstehen chemische Verbindungen Wasserstoffatom (H) Sauerstoffatom (O) Wasserstoffatom (H) Chemische Reaktionen Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie 2011 Weiterbildung RC-Personal Wie entstehen Moleküle? Definition: Bei einer chemischen Reaktion werden Elektronen übertragen. Verbindungen werden gelöst und neue geknüpft . chemische Reaktion beinhaltet immer eine Stoffumwandlung + B AB Die Chemische Reaktion Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Chemische Reaktionen A • aus Elementen werden Verbindungen • aus chemischen Verbindungen werden höhere Verbindungen • Reaktionen werden begleitet von - Wärmezufuhr (endotherme Reaktion) oder - Freisetzung von Wärme (exotherme Reaktion). 8 08.10.2012 Bekannte chemische Reaktionen Der Ablauf chemischer Reaktionen wird als Reaktionsgleichung dargestellt – sie beschreibt: Ausgangsstoffe einer Reaktion (Edukte) Endprodukte einer Reaktion (Produkte) Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Reaktionsgleichungen Knallgasreaktion: Korrosion: 2 H2 + O2 2H2O (Wasser) 4Fe + 3O2 2Fe2O3 (Eisenoxid) Reaktionsgleichung Reaktionsgleichung 2H2 Eisenoxid (Korrosion) + O2 Edukte: - Sauerstoff liegt immer molekular vor O2 - Wasserstoff H2 2H2O Endprodukt: - Wasser Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Wasser + 4 Fe 3 O2 Edukte: - Eisen Fe - Sauerstoff O2 2Fe2O3 Endprodukt: - Eisenoxid Die Chemische Reaktion Reaktionsgleichung – 2 Produkte Fe + S → FeS Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Kein echtes Gleichheitszeichen benutzt, weil: 1) Die neu entstandenen Stoffe verfügen über andere spezifische Eigenschaften, wie z. B. 2) Farbe Geruch Dichte Viskosität Siedepunkt Der Pfeil deutet die Richtung an, in der sich der Vorgang abspielt. 9 08.10.2012 Chemische Reaktionen im Alltag Basisschulung Teil I - Chemie Basisschulung Teil I - Chemie Chemische Reaktionen im Alltag finden z. B. beim Kochen, Backen, Braten statt komplexe Stoffumwandlungen führen zum typischen Aroma von Speisen finden auch in unserem Körper statt Nahrung wird bei körpereigenen Abbauvorgängen chemisch in Bestandteile zerlegt und in Energie umgewandelt Analyse Basisschulung Teil I - Chemie oft in eingeschränktem Sinn als Abkürzung für „Produkt der chemischen Industrie“ chemische Reinigung ist eigentlich physikalischer Vorgang Lösen der Verunreinigung Putzen ohne Chemie wie z. B. Kalkentfernung ist chemischer Vorgang, bei dem Kalk durch Säure umgewandelt wird in Calciumsalze und CO2 I Basisschulung Teil I - Chemie « Chemie » im Sprachgebrauch AB A + B VIII II III IV V VI VII Basisschulung Teil I - Chemie Nebengruppen 10
