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Endspurt Vorklinik
Chemie
4., aktualisierte Auflage
144 Abbildungen
Georg Thieme Verlag
Stuttgart • New York
Der Inhalt dieses Werkes basiert in Teilen auf dem Kurzlehrbuch Chemie von Gisela Boeck, erschienen im Georg Thieme Verlag.
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Entwicklungen unterworfen. Forschung und klinische Erfahrung erweitern unsere Erkenntnisse, insbesondere was Behandlung und medikamentöse Therapie anbelangt. Soweit in diesem Werk eine Dosierung oder eine Applikation erwähnt wird, darf der Leser zwar darauf
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1. Auflage 2011
2. Auflage 2013
3. Auflage 2015
© 2011, 2017 Georg Thieme Verlag KG
Rüdigerstr. 14
70469 Stuttgart
Deutschland
www.thieme.de
Printed in Germany
Zeichnungen: Ruth Hammelehle, Kirchheim/Teck; Wolfgang Zettlmeier,
Barbing; Fa. willscript Dr. Wilhelm Kuhn, Tübingen
Umschlaggestaltung: Thieme Verlagsgruppe
Satz: L42 AG, Berlin
Druck: AZ Druck und Datentechnik GmbH, Kempten
ISBN 978-3-13-240991-0
Auch erhältlich als E-Book:
eISBN (PDF) 978-3-13-241016-9
eISBN (epub) 978-3-13-241017-6
123456
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3
Auf zum Endspurt!
Das Physikum naht, und „richtige“ Bücher scheinen alle zu dick?
Dann laufen Sie mit unseren Endspurtskripten in die Zielgerade
ein! Kurz und knapp finden Sie hier schwerpunktmäßig die Inhalte, auf die das IMPP mit seinen Physikumsfragen zwischen
Frühjahr 2006 und Herbst 2016 abzielte. Doch beschränkt haben
wir uns darauf nicht, denn schließlich überlegt sich das IMPP immer neue Fragen, und auch das Mündliche will bestanden werden.
Ganz herzlichen Dank an alle Leser, die uns wieder geduldig
auf inhaltliche Mängel hingewiesen haben. Durch ihre Hilfe sind
unsere Skripten jetzt noch weiter verbessert worden.
Festgehalten haben wir wieder an dem bewährten Aufbau unserer Hefte:
Lernpakete. Sie stellen in unseren Skripten eine Lerneinheit dar.
Wenn Sie ein Lernpaket pro Tag durcharbeiten, bringt Sie unser
Zeitplan in 70 Tagen zum Physikum – und zwar einschließlich
zwei Wochen Zeit zum Wiederholen mit 1 Skript pro Tag. Da das
Lerntempo sehr unterschiedlich und auch abhängig vom bereits
vorhandenen Wissen ist, können unsere Lernpakete nur ein Vorschlag sein. Vielleicht kommen Sie auch schneller oder eben
etwas langsamer voran. Zum individuellen Planen finden Sie unseren Lernkalender unter www.thieme.de/endspurt.
Prüfungsrelevante Inhalte. Inhalte, zu denen das IMPP seit
Frühjahr 2010 Fragen gestellt hat, sind im Text gelb hervorgehoben. Wenn Sie nur diese Inhalte lernen, sind Sie für die Beantwortung der Altfragen gut gewappnet.
FAZIT – DAS MÜSSEN SIE WISSEN
– Die Fazitkästen sind zum Wiederholen der Altfragen-Inhalte
gedacht – oder für die ganz Eiligen unter Ihnen. Sie listen die
gelb markierten Antworten des vorangehenden Abschnitts
noch einmal ohne die Zwischentexte auf.
– Die Anzahl der ! zeigt an, wie häufig der Inhalt zwischen Frühjahr 2010 und Herbst 2016 vom IMPP gefragt wurde:
– ! Hierzu gab es seit 2010 eine Frage.
– !! Dieser Sachverhalt wurde zwei- oder dreimal gefragt.
– !!! Zu diesem Thema stellte das IMPP vier oder mehr Fragen.
Lerntipps und Co. Weitere Unterstützung beim Lernen bieten
Ihnen unsere Lerntipps, Rechenbeispiele und Apropos-Texte.
LERNTIPP
In diesen Kästen finden Sie Hinweise darauf, welche Inhalte auch
mündlich besonders gern gefragt werden, welche Tücken in bestimmten IMPP-Fragen auf Sie warten oder wie Sie sich manche
Fakten besser merken können.
RECHENBEISPIEL
In einigen Fächern können Sie mit richtig gelösten Rechenaufgaben viele
Punkte ergattern. Damit dies gelingt, finden Sie Übungen zu Rechenaufgaben, wie auch das IMPP sie stellt. Natürlich ist auch der Lösungsweg detailliert angegeben.
Die Apropos-Texte sind unser Motivationsschub für Sie. Hier finden Sie
spannendes Zusatzwissen, so dass Sie sich die „Warum muss ich das eigentlich Lernen?“-Frage hoffentlich nur selten stellen.
Kreuzen mit examen online. Auf viamedici.thieme.de im Bereich „Kreuzen“ sind Prüfungssitzungen zusammengestellt, die
exakt auf die jeweiligen Lernpakete zugeschnitten sind. So können Sie nach jedem Lernpaket direkt prüfen, ob Sie den Inhalt
verstanden und behalten haben. Viele Unis stellen ihren Studierenden einen kostenlosen Zugang bereit – erkundigen Sie sich!
Das Verzeichnis der teilnehmenden Universitäten finden Sie
ebenfalls auf viamedici.thieme.de. Sollte Ihre Uni nicht dabei
sein, können Sie natürlich auch privat einen Zugang erwerben. In
den Lernpaketen werden übrigens ab Frühjahr 2017 die neuen
Examensfragen ergänzt, damit Ihnen keine Frage entgeht!
Fehlerteufel. Viele Augen sehen mehr! Sollten Ihre Augen in unseren Skripten etwas entdecken, das nicht richtig ist, freuen wir
uns über jeden Hinweis! Schicken Sie Ihre Fehlermeldung bitte
an [email protected] oder benutzen Sie den Link auf www.
thieme.de/endspurt. Wir werden sie in einem Erratum sammeln
und unter „Aktualisierungen“ auf www.thieme.de/endspurt online stellen. Und sollten Ihnen unsere Hefte gefallen: Lob ist natürlich ebenso willkommen ☺.
Alles Gute für Ihr Physikum wünscht Ihnen
Ihr Endspurt-Team
Endspurt – Chemie
Mit diesem Heft können Sie sich die wichtigsten Grundlagen der
Chemie aneignen. Sie lernen alles, was Sie über chemische Bindungen, Reaktionen und Gleichgewichte wissen müssen. Die Biokatalyse ist dabei ausgespart, sie ist ein Thema der Biochemie
und wird deshalb im Biochemie-Skript 2 behandelt. In den Lernpaketen 2 und 3 finden Sie außerdem Inhalte zur organischen
Chemie, zu Naturstoffchemie und zu Biomaterialien.
4
Inhaltsverzeichnis
LERNPAKET 2
Chemie
Grundlagen der organischen Chemie. . . . . . . . .
Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bindungsverhältnisse am Kohlenstoffatom. . . . . . . . . . .
Einteilung und Nomenklatur organischer Verbindungen
Stereochemie organischer Verbindungen . . . . . . . . . . .
Konstitutionsisomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stereoisomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Organisch-chemische Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . .
© Nick Rowe/PhotoDisc
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
LERNPAKET 1
1
Allgemeine Grundlagen und chemische
Bindung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Einteilung der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Atombau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektronenhülle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Periodensystem der Elemente (PSE) . . . . . . . . . . . . . . . .
Chemische Bindung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Chemische Reaktionen und chemisches
Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
Stöchiometrie chemischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . .
Thermodynamik chemischer Reaktionen . . . . . . . . . . . .
Kinetik chemischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt. . . . . . . . . . . . . . . . .
Säuren und Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Komplexbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Oxidation und Reduktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Heterogene Gleichgewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
6
8
9
12
16
16
19
22
24
25
30
32
36
38
38
38
41
46
46
47
51
LERNPAKET 3
4
Stoffklassen der organischen Chemie . . . . . . . .
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Alkohole, Phenole, Ether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thiole (Thioalkohole, R–S–H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thioether (R1–S–R2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Amine (R–NH2, R1–NH–R2, R1–N(R3)–R2). . . . . . . . . . . .
Aldehyde (R–COH) und Ketone (R1–C(= O)–R2) . . . . . . .
Carbonsäuren (R–COOH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Carbonsäurederivate (R1–C(= O)R2 oder R–C(= O)X) . . .
Heterozyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Chemie wichtiger Naturstoffklassen . . . . . . . . .
5.1
5.2
5.3
5.4
Aminosäuren, Peptide, Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kohlenhydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lipide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nucleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
54
56
60
61
61
63
66
68
69
72
72
77
83
86
6
Biomaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1
6.2
6.3
6.4
Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Metalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Keramische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
89
89
89
90
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
L E R NPAK E T 1
5
© Nick Rowe/PhotoDisc
Chemie
L E R NPAK E T 1
1
Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung
1.1
Einteilung der Materie
1.1.1 Elemente
Materie besteht aus unveränderlichen, einfachsten Grundstoffen,
die man als Elemente bezeichnet. Chemische Elemente bestehen
aus kleinen, elektrisch neutralen, mit chemischen Mitteln nicht
weiter zerlegbaren Teilchen, den Atomen. Heute sind mehr als
118 Elemente bekannt, 88 kommen in fassbarer Menge in der
Natur vor. Stoffe, die aus nur einer Atomart bestehen, nennt man
auch Elementsubstanzen (z. B. H2).
1.1.2 Verbindungen
Chemische Verbindungen sind aus verschiedenen Atomarten
aufgebaut und lassen sich in Elementsubstanzen zerlegen. Man
unterscheidet Molekül- und Ionenverbindungen:
▪ Molekülverbindungen: Kleinste Baueinheit ist das Molekül,
ein Teilchen, in dem zwei oder mehrere Atome fest miteinander verbunden sind (z. B. H2O, C2H5OH).
▪ Ionenverbindungen: bestehen aus Ionen (z. B. NaCl, KBr); Ionen entstehen durch Elektronenaufnahme oder Elektronenabgabe aus den Atomen.
1.1.3 Stoffe
Aggregatzustände. Physiologisch sind drei Aggregatzustände
bedeutsam:
▪ fest: Zustand höchster Ordnung; die Beweglichkeit der Teilchen ist eingeschränkt; feste Materie hat eine stabile äußere
Form und ein definiertes Volumen;
▪ flüssig: Materie hat keine stabile Form, aber ein definiertes Volumen; die Beweglichkeit der Teilchen ist größer als im festen
Zustand der Materie;
▪ gasförmig: Stoffe füllen den zur Verfügung stehenden Raum
vollständig aus, da sich die Teilchen bewegen; Gase haben kein
stabiles Volumen und keine stabile Form:
– reale Gase: Teilchen treten in Wechselwirkung; haben ein
Eigenvolumen; liegen unter physiologischen Bedingungen
vor;
– ideale Gase: Gasmoleküle oder Atome bewegen sich regellos
und üben keine Wechselwirkung aufeinander aus.
Zwischen den einzelnen Aggregatzuständen sind Übergänge
(Phasenumwandlungen) in Abhängigkeit von Temperatur und
Druck möglich. Wichtige Charakteristika der Stoffe sind ihre
Schmelz- und Siedepunkte. Ein Phasendiagramm ist ein Dia-
Chemie | 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung
B
7,37
MPa
Feststoff
Fluid
K
Flüssigkeit
Druck
6
518
kPa
APROPOS
Aerosole werden zur Inhalationstherapie verwendet, z. B. bei Asthma
bronchiale oder Angina pectoris. Man unterscheidet Dosieraerosole (Medikament in Treibgas gelöst) und Trockenaerosole (Medikament in Pulverform). Diese Therapieform eignet sich daher in erster Linie zur Behandlung
von Erkrankungen im Oropharynx und von Erkrankungen der Bronchien
oder Alveolen. Dadurch, dass die Medikamente direkt am Zielorgan, d. h.
in den tiefen Atemwegen, deponiert werden, entfaltet die Substanz keine
nennenswerte Wirkung bzw. Nebenwirkung in anderen Organen.
T
Dampf
101,3
kPa
S
A
– 78,5 – 56,6
Temperatur/°C
31,0
Abb. 1.1 Phasendiagramm für Kohlendioxid. Die Kurve AT stellt die
Dampfdruckkurve von gefrorenem CO2 dar. Ein Punkt auf dieser Kurve gibt
eine Temperatur und einen Druck an, bei dem Feststoff und Dampf
miteinander im Gleichgewicht stehen. S ist der Siedepunkt von Kohlendioxid (–78,5 °C) bei Normaldruck (101,3 kPa). Da flüssiges CO2 nur bei
Drücken über 518 kPa existieren kann, geht es bei –78,5 °C und
Normaldruck direkt in die gasförmige Phase über. Die Kurve TK ist die
Dampfdruckkurve von flüssigem Kohlendioxid. Ein Punkt der Kurve gibt
eine Temperatur und einen Druck an, bei denen Flüssigkeit und Dampf im
Gleichgewicht stehen. Und die Kurve BT stellt die Schmelzpunktkurve dar
und entspricht den Gleichgewichtsbedingungen zwischen Festkörper und
Flüssigkeit. Bei Drücken und Temperaturen oberhalb des kritischen
Punktes K gibt es keinen Unterschied mehr zwischen Flüssigkeit und
Dampf und die Grenzfläche zwischen ihnen verschwindet. Dieser Zustand
wird fluid genannt. [nach Mortimer, Müller, Chemie, Thieme, 2014]
gramm, von dem man den Druck und die Temperatur ablesen
kann, unter denen der betreffende Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist (Abb. 1.1).
Reine Stoffe und Stoffgemische. Sowohl Elemente (Elementsubstanzen) als auch Molekül- und Ionenverbindungen sind reine
Stoffe, d. h., sie besitzen eine definierte Zusammensetzung und
konstante physikalische Eigenschaften. Gemische bestehen dagegen aus mehreren reinen Stoffen in unterschiedlichen Verhältnissen. Sie werden unterteilt in:
▪ homogene Gemische: erscheinen einheitlich; Stoffe in nur
einem Aggregatzustand; es kann sich um Gasmischungen, Lösungen und Legierungen handeln;
▪ heterogene Gemische: bestehen erkennbar aus unterschiedlichen Teilen; entweder reine Stoffe, die in verschiedenen Aggregatzuständen nebeneinander vorliegen, oder mehrere reine
Stoffe, die sich nicht ineinander lösen.
Für einige heterogene Gemische haben sich spezielle Bezeichnungen eingebürgert (Tab. 1.1).
In der Thermodynamik spricht man häufig von Phasen eines Systems anstelle eines Gemisches. Die Phase ist ein Stoffsystem, das
nach außen einheitlich aussieht und in genau einem Aggregatzustand vorliegt. Ein homogenes System besteht aus einer, ein
heterogenes System aus mehreren Phasen.
Eine Lösung ist ein homogenes Gemisch aus mindestens zwei
Komponenten gleichen oder ursprünglich verschiedenen Aggregatzustandes. Die im Überschuss vorhandene Komponente bezeichnet man als Lösungsmittel, die anderen Komponenten als
gelöste Stoffe.
1.2
Atombau
1.2.1 Aufbau eines Atoms
Stoffliche Materie besteht aus Atomen. Diese Atome lassen sich
physikalisch weiter in Elementarteilchen spalten. Heute sind einige Hundert Elementarteilchen bekannt, von denen uns aber
nur die drei wichtigsten Bestandteile des annähernd kugelförmigen Atoms interessieren:
▪ Proton: Bestandteil des Atomkerns; trägt eine positive Ladung
(+e)
▪ Neutron: Bestandteil des Atomkerns; elektrisch neutral
▪ Elektron: Bestandteil der Atomhülle; trägt eine negative Ladung (–e)
Protonen und Neutronen besitzen annähernd die gleiche Masse,
das Elektron nur ca. 1/1800 davon. Für Massenangaben nutzt
man die atomare Masseneinheit. Sie ist definiert als 1/12 der
Masse eines Atoms des Kohlenstoffnuklids 126 C (zum Begriff Nuklid s. u.) und beträgt: 1 u = 1,66 057 · 10–27 kg.
Die Masse eines Atoms 126 C muss also 12 u betragen!
Ein Atom wird durch zwei Zahlen vor dem Elementsymbol
vollständig charakterisiert: Massenzahl und Ordnungszahl. Beide
werden häufig vor dem Elementsymbol mitangegeben (Abb. 1.2).
Ein so eindeutig charakterisiertes Atom wird auch als Nuklid bezeichnet.
▪ Ordnungszahl (= Kernladungszahl oder Protonenzahl): Sie entspricht der Summe der Protonen im Atomkern und wird
durch die tiefgestellte Ziffer dargestellt.
▪ Nukleonenzahl (= Massenzahl): Sie ist die Gesamtzahl der Nukleonen, also der Protonen und Neutronen, und wird duch die
hochgestellte Ziffer dargestellt. Sie entspricht etwa der Atom-
Tab. 1.1 Einteilung der heterogenen Gemische.
Aggregatzustände
Name
Beispiele
fest-fest
Gemenge, Konglomerat
Ostseesand1
fest-flüssig
Aufschlämmung, Suspension
Penicillinsuspensionen
flüssig-flüssig
Emulsion
Cremes
fest-gasförmig
Aerosol
Rauch, Inhalationspräparate
flüssig-gasförmig
Aerosol
Nebel (z. B. Wasser in Luft), Inhalationspräparate
1Ostseesand
enthält Siliciumdioxid und andere anorganische und organische Bestandteile.
1
H
1
18
O
8
23
Na
11
123
I
53
Nukleonenzahl
Elementsymbol
Ordnungszahl
Abb. 1.2 Eindeutig charakterisiertes Atom (= Nuklid). Sauerstoff (188 O)
enthält acht Protonen und zehn Neutronen, Iod (123
53 I) enthält 53 Protonen
und 70 Neutronen.
masse in der atomaren Masseneinheit u (die Masse der Elektronen wird vernachlässigt).
Da Atome nach außen hin neutral sind, muss die Ladung des
Atomkerns durch die Ladung der Elektronen in der Atomhülle
ausgeglichen werden. Die Zahl der Protonen muss daher mit der
Zahl der Elektronen übereinstimmen. Weichen Elektronenzahl
und Protonenzahl voneinander ab, liegen Ionen vor.
LERNTIPP
In der Prüfung werden Sie vielleicht mit dem Symbol eines Nuklids
konfrontiert. Sie sollten dann Ordnungs- und Massenzahl zuordnen
können und auch wissen, was sie bedeuten. Eine kleine Übersicht:
– Ordnungszahl = Kernladungszahl = Protonenzahl im Atomkern = Elektronenzahl in der Atomhülle
– Nukleonenzahl = Massenzahl = Protonenzahl + Neutronenzahl
1.2.2 Isotope
Ein chemisches Element besteht aus Atomen mit gleicher Protonenzahl, die Neutronenzahl kann aber unterschiedlich sein.
Nuklide eines chemischen Elements, die die gleiche Ordnungszahl, aber eine unterschiedliche Neutronenzahl bzw. Atommasse
besitzen, bezeichnet man als Isotope. 11 H (Protium), 21 H (Deuterium) und 31 H (Tritium) sind die Nuklide oder natürlichen Isotope
des Elements Wasserstoff. Protium hat eine relative Atommasse
von etwa 1, Deuterium von etwa 2 und Tritium von etwa 3. Die
Isotope eines Elements besitzen gleiche chemische Eigenschaften.
Die meisten Elemente sind Mischelemente, sie enthalten
mehrere Isotope, die in unterschiedlicher Häufigkeit vorkommen. Reinelemente bestehen dagegen in ihrem natürlichen Vorkommen nur aus einer Nuklidsorte.
Die Atommasse eines Elements ergibt sich aus den Atommassen der Isotope, die entsprechend ihrer natürlichen Häufigkeit
berücksichtigt werden. Da es sich um sehr kleine Zahlen handelt,
bezieht man sich auf 1/12 der Masse des Nuklids 126 C und spricht
deshalb von der relativen Atommasse.
1.2.3 Radioisotope
Es gibt stabile und instabile Isotope. Instabile Atomkerne gehen
durch Abgabe von sog. radioaktiver Strahlung in einen stabilen
Zustand über. Sie werden als Radioisotope oder Radionuklide
bezeichnet. Die Eigenschaft der Eigenstrahlung wird als Radioaktivität bezeichnet.
Strahlungsarten. Der Atomkern von natürlichen radioaktiven
Nukliden kann vier Strahlungsarten emittieren:
▪ α-Strahlen: positiv geladene 42 He-Kerne.
▪ β–-Strahlen: Elektronen, die im Atomkern durch den Zerfall
eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron entstehen.
▪ β+-Strahlen: Positronen, die im Atomkern durch die Umwandlung eines Protons in ein Neutron entstehen. Positronen haben
dieselbe Masse wie ein Elektron, tragen jedoch eine positive
Ladung.
▪ γ-Strahlen: energiereiche elektromagnetische Strahlung mit
kurzer Wellenlänge.
APROPOS
Der Einsatz von Positronenstrahlern gewinnt in der Nuklearmedizin an
Bedeutung. Sie werden z. B. bei der Positronenemissionstomografie (PET)
zum Nachweis von Stoffwechselstörungen des Gehirns eingesetzt.
Reichweite und Durchdringungsfähigkeit der Strahlungen. Sie
nehmen in der Reihenfolge α → β → γ stark zu. α-Strahlen werden z. B. durch eine 0,05 mm dicke Aluminiumfolie oder durch
ein Blatt Papier zurückgehalten. Zum Schutz vor β-Strahlen ist
eine 0,5 mm dicke Aluminiumfolie nötig. Vor γ-Strahlen schützen
nur dicke Bleiplatten.
Kernreaktionsgleichungen. Kernprozesse können mithilfe von
Kernreaktionsgleichungen formuliert werden:
222
4
▪ α-Zerfall: 226
88 Ra ! 86 Rn þ 2 He
198
198
▪ β -Zerfall: 79 Au ! 80 Hg þ þ10 e
▪ β+-Zerfall: 137 N !136 C þ þ10 e
Die Summe der Massenzahlen und die Summe der Ordnungszahlen
müssen auf beiden Seiten einer Kernreaktionsgleichung gleich sein.
Das Isotop 136 C des Kohlenstoffatoms ist ein stabiles Isotop
und wird im C 13-Atemtest (S. 69) verwendet.
APROPOS
Die beim β–-Zerfall emittierten Elektronen stammen nicht aus der Elektronenhülle, sondern aus dem Kern. Im Kern wird ein Neutron in ein Proton
und ein Elektron umgewandelt, das Elektron wird aus dem Kern herausgeschleudert, während das Proton im Kern verbleibt. Dadurch erhöht sich
die Ordnungszahl um 1.
Halbwertszeit. Radioaktive Elemente haben eine begrenzte Lebensdauer. Man definiert die Halbwertszeit (t1/2) als diejenige
Zeit, in der genau die Hälfte einer bestimmten Zahl radioaktiver
Isotope zerfallen ist. Einige natürliche und künstliche Radioisotope, die in der biochemischen und medizinischen Forschung
eine große Rolle spielen, sind in Tab. 1.2 aufgeführt.
FAZIT – DAS MÜSSEN SIE WISSEN
– ! Wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt erhöht sich die
Ordnungszahl um 1 und die Massenzahl bleibt gleich.
– !! Ordnungszahl: Summe der Protonen im Atomkern; die Zahl der
Protonen stimmt mit der Zahl der Elektronen im Atom überein.
– !! Isotope haben die gleiche Ordnungszahl, aber eine unterschiedliche Neutronenzahl bzw. Atommasse. Deuterium besitzt
beispielsweise eine relative Atommasse von etwa 2.
– !! Beispiel für einen β+-Zerfall: 137 N !136 C þ þ10 e
– ! Das Isotop 136 C des Kohlenstoffatoms ist ein stabiles Isotop.
Tab. 1.2 Beispiele für medizinisch relevante Radioisotope.
Radioisotop
Halbwertszeit
Strahlung
Anwendung
14
6C
5 730 Jahre
β
Altersbestimmung
32
15 P
14,4 Tage
β
Strahlentherapie (metabolisch)
60
27 Co
6,2 Jahre
β, γ
Strahlentherapie (extern)
99m
43 Tc
6 Stunden
γ
Szintigrafie
123
53 I
13 Stunden
γ
Szintigrafie
131
53 I
8,4 Tage
β, γ
Diagnostik und Therapie der
Schilddrüse (metabolisch)
153
62 Sm
1,9 Tage
β, γ
Strahlentherapie (metabolisch)
192
77 Ir
74 Tage
β
Strahlentherapie
222
86 Rn
3,8 Tage
α
Bade- und Trinkkuren
226
88 Ra
1660 Jahre
α
Strahlentherapie
7
L E R NPAK E T 1
1.2 Atombau
Chemie | 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung
1.3
Elektronenhülle
1.3.1 Orbitale
Die wellenmechanische Beschreibung des Elektrons entspricht
der Vorstellung einer über das Atom verteilten Elektronenwolke.
Deren Gestalt gibt den Raum an, in dem sich das Elektron mit
größter Wahrscheinlichkeit aufhält. Abb. 1.3a und b zeigen die
Elektronenwolke des Wasserstoffatoms im Grundzustand: Sie ist
kugelsymmetrisch. An den Stellen mit großer Aufenthaltswahrscheinlichkeit hat die Ladungswolke eine größere Dichte (blaue
Punkte). Die Ladungswolke hat nach außen keine scharfen Grenzen. Man wählt willkürliche Grenzflächen (z. B. eine Kugel, die
mit 90 %iger Wahrscheinlichkeit die Ladung des Elektrons enthält). Mit einer gewissen, wenn auch geringen Wahrscheinlichkeit, hält sich das Elektron aber auch außerhalb der Kugel auf.
Die räumliche Ladungsverteilung lässt sich rechnerisch durch
Wellenfunktionen ermitteln, die man Orbitale nennt. Für die Elemente, die in der Biochemie vorkommen, spielen die sog. s-, pund d-Orbitale eine Rolle.
Das Quadrat der Wellenfunktionen ist ein Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons in der Elektronenwolke. Abb. 1.3b und c zeigt die räumliche Darstellung der sund p-Orbitale, genauer gesagt die Bereiche, in denen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit größer als 90 % ist.
Ladungswolke des
Wasserstoffelektrons
a
Ladungswolke des Wasserstoffelektrons als Kugel, in
der sich das Elektron mit
90%iger Wahrscheinlichkeit
befindet
b
z
z
y
x
px-Funktion
c
y
x
x
pz-Funktion
py-Funktion
Abb. 1.3 Ladungswolken und Orbitale. a Ladungswolke des Wasserstoffelektrons. b Ladungswolke, in der sich das Wasserstoffelektron mit
90 %iger Wahrscheinlichkeit befindet (s-Orbital). c Räumliche Darstellung
der p-Orbitale.
1.3.2 Quantenzahlen
Es sind also immer nur bestimmte Elektronenzustände erlaubt.
Diese Quantelung ist an bestimmte Zahlen gebunden, die Quantenzahlen.
▪ Hauptquantenzahl: Die Hauptquantenzahl n bestimmt die
möglichen Energieniveaus. Dafür verwendet man auch den
Begriff „Schale“, die mit den großen Buchstaben K, L, M, N bezeichnet werden. Die Energiewerte nehmen in dieser Reihenfolge zu. Durch die Hauptquantenzahl können immer 2 n2
Elektronen beschrieben werden.
▪ Nebenquantenzahl: Die Nebenquantenzahl l nimmt Werte
zwischen (n–1) und 0 an, sie beschreibt die Gestalt der Orbitale. Wenn l = 0 ist, handelt es sich um ein kugelsymmetrisches
s-Orbital. p-Orbitale sind durch l = 1 charakterisiert. Man bezeichnet gelegentlich die energetisch äquivalenten Sätze der
s-, p- und d-Orbitale als Unterschalen.
▪ Magnetquantenzahl: Auch die räumliche Orientierung der Orbitale ist gequantelt. Sie wird durch die Magnetquantenzahl m
beschrieben, die die ganzzahligen Werte von –l über 0 bis + l
annehmen kann.
▪ Spinquantenzahl: Die Spinquantenzahl (spin engl. drehen)
kann die Werte + 1/2 und –1/2 annehmen, sie beschreibt die
Eigenrotation des Elektrons.
z
y
n=4
4s
n=3
Energiezunahme
8
3s
n=2
4px
4py
4pz
3dxy
3dyz
3dz2
3px
3py
3pz
2px
2py
2pz
3dxz
3dx2 -y 2
2s
n=1
1s
Abb. 1.4 Energieniveauschema für ein Atom mit sechs Elektronen.
Die Verteilung der Elektronen wird auch als Elektronenkonfiguration bezeichnet. Die Unterschalen werden mit den Symbolen
1s, 2s, 2p usw. bezeichnet und die Hochzahlen geben an, wie viele Elektronen die jeweilige Unterschale besetzen, wobei sich die
Elektronen in ihrer Spinquantenzahl unterscheiden müssen. Beachten Sie, dass das 4s-Orbital energetisch unter dem 3d-Orbital
liegt und daher zuerst besetzt werden muss. Einige Beispiele sind
in Tab. 1.3 aufgeführt.
1.3.3 Elektronenkonfiguration
LERNTIPP
Die energetische Abstufung der einzelnen Orbitale und die Verteilung von Elektronen sind in Abb. 1.4 dargestellt. Bei der Aufteilung der Elektronen auf die Orbitale ist Folgendes zu beachten:
▪ Man beginnt mit den Zuständen niedrigster Energie.
▪ Zwei Elektronen dürfen nicht in allen vier Quantenzahlen
übereinstimmen (Pauli-Prinzip).
▪ Bei energetisch gleichen Orbitalen werden diese zuerst mit je
einem Elektron besetzt, bevor mit dem zweiten Elektron aufgefüllt wird (Hund-Regel).
In einigen Prüfungsfragen wird Ihnen die Ordnungszahl eines bestimmten Elements genannt, aus der Sie die richtigen Schlüsse
ziehen sollen. Sie sollten wissen, dass die Ordnungszahl der Anzahl
der Elektronen in der Atomhülle entspricht, und Sie sollten daraus
dann auf die Elektronenkonfiguration schließen können.
Die Orbitale mit der höchsten Hauptquantenzahl fasst man auch
zur sog. Außenschale zusammen. Die entsprechenden Elektronen heißen Außen- oder Valenzelektronen.
1.4.1 Einteilung des Periodensystems
1s
Gruppen. In den senkrechten Spalten sind ähnliche Elemente
mit analoger Elektronenkonfiguration und chemisch ähnlichen
Eigenschaften zu Gruppen zusammengefasst. Ihnen hat man wegen der vergleichbaren Eigenschaften Namen gegeben (Chalkogene = Erzbildner, Halogene = Salzbildner, Edelgase = sehr reaktionsträge Elemente usw.). Die Atome einer Gruppe haben die
gleiche Anzahl von Valenzelektronen.
2s 2p
3s 3p 3d
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f …
6s … … … …
Abb. 1.5 Reihenfolge der Besetzung der Schalen mit Elektronen.
Tab. 1.3 Elektronenkonfiguration verschiedener Elemente.
Anzahl der Element Elektronenkonfiguration
Elektronen
5
B
1s2 2s2 2p1 oder genauer 1s2 2s2 2px1
6
C
1s2 2s2 2p2 oder genauer 1s2 2s2 2px1 2py1
15
P
1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 oder genauer 1s2 2s2
2p6 3s2 3px1 3py1 3pz1
20
Ca
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
21
Sc
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 oder 1s2 2s2 2p6
3s2 3p6 3d1 4s2
25
Mn
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2
APROPOS
Für die Elemente der Hauptgruppen (Abb. 1.6) ist die Zahl der Valenzelektronen gleich der Gruppennummer in der herkömmlichen Zählweise mit
römischen Ziffern. Wie man an den Beispielen in Tab. 1.3 sehen kann, besitzt das Boratom drei Valenz- oder Außenelektronen, das Kohlenstoffatom
vier und das Phosphoratom fünf.
LERNTIPP
Üben Sie die Verteilung der Elektronen und die Angabe der Elektronenkonfiguration. Sie wird zwar nicht häufig gefragt, ist aber
für das Verständnis des Periodensystems wichtig und hilft auch,
die Entstehung chemischer Bindungen nachzuvollziehen. Beachten Sie, dass das 4s-Orbital energetisch günstiger ist als die 3d-Orbitale usw.
Abb. 1.5 hilft Ihnen bei der Elektronenverteilung. Füllen Sie die
Schalen dem Verlauf der einzelnen Pfeile folgend von rechts oben
nach links unten auf.
1.4
Periodensystem der Elemente (PSE)
LERNTIPP
Sie müssen die Gesetzmäßigkeiten im Periodensystem kennen,
um die Eigenschaften und Reaktionen von Elementen bzw. Stoffen
zu verstehen. Diese Gesetzmäßigkeiten erschließen sich Ihnen am
besten, wenn Sie die Elektronenkonfiguration (s. o.) gut beherrschen.
APROPOS
Zur Nummerierung der Gruppen sind mehrere Bezeichnungen im Gebrauch. Die neue Nummerierung mit arabischen Ziffern von 1 bis 18
wird von der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)
empfohlen. Die alte Kennzeichnung nummeriert mit römischen Ziffern
von I bis VIII. Dabei stellt die Gruppennummer einen Zusammenhang mit
der Anzahl der Valenzelektronen her. Haupt- und Nebengruppenelemente
werden durch die Buchstaben A und B getrennt.
Bei den Hauptgruppenelementen werden die s- und p-Orbitale
besetzt. Die übrigen Orbitale sind leer oder vollständig gefüllt.
Bei den Atomen von Nebengruppenelementen erfolgt die Auffüllung von d- und f-Orbitalen.
Perioden. Die waagerechten Reihen nennt man Perioden, in denen die Ordnungszahl immer um 1 zunimmt (d. h., die Protonenzahl erhöht sich um 1). Innerhalb der Periode ändern sich die Eigenschaften der Elemente.
Die Eigenschaften der Elemente
▪ Atomradius:
– nimmt innerhalb einer Periode von links nach rechts ab; Ursache ist die Zunahme der positiven und negativen Ladungen innerhalb der Periode, die zu einer stärkeren elektrostatischen Wechselwirkung zwischen Elektronen und Protonen
führt und das Atom "zusammenzieht";
– innerhalb einer Gruppe nimmt der Atomradius von oben
nach unten zu, da weitere Orbitale einen größeren Kernabstand haben.
▪ Elektronenaffinität ist die Energie, die frei wird, wenn ein
Elektron aus dem Unendlichen in das tiefste freie Orbital eingebaut wird. Dabei entsteht ein Anion. Diese Energie
– nimmt innerhalb der Periode von links nach rechts zu,
– nimmt innerhalb der Gruppe von oben nach unten ab.
▪ Ionisierungsenergie ist die Energie, die man benötigt, um ein
Elektron aus dem höchsten besetzten Orbital eines Atoms zu
reißen. Sie
– nimmt innerhalb der Periode von links nach rechts zu,
– nimmt innerhalb der Gruppe von oben nach unten ab.
▪ Elektronegativität bezieht sich auf Verschiebungen der Elektronendichte in kovalenten Bindungen (S. 13); sie ist nicht elementspezifisch, sondern hängt vom Bindungszustand und
vom Bindungspartner ab. Die im PSE angegebenen Elektronegativitätswerte beziehen sich auch auf bestimmte kovalente
Bindungen. Die Elektronegativität
– nimmt innerhalb der Periode von links nach rechts zu,
– nimmt innerhalb der Gruppe von oben nach unten (mit zunehmender Ordnungszahl) ab.
Aus diesen Zusammenhängen leitet man Aussagen zur höchstmöglichen Oxidationszahl (S. 32) und zum Metall- und Nichtmetallcharakter ab (Abb. 1.6).
9
L E R NPAK E T 1
1.4 Periodensystem der Elemente (PSE)