Chemische Grundbegriffe Chemie ist die Lehre von den St
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Allgemeine und anorganische Chemie 1. Inhalte und Aufgaben der Chemie Chemische Grundbegriffe Chemie ist die Lehre von den Stoffen und den stofflichen Veränderungen. Chemische Verbindungen setzen sich aus Elementen zusammen. Sie entstehen durch chemische Reaktionen. Eine chemische Reaktion ist eine Vorgang. Eine chemische Verbindung ist ein Stoff. Bei chemischen Reaktionen entstehen neue Stoffe. PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 1 In der Natur gibt es eine bestimmte Anzahl unterschiedlicher Elemente (Bausteine) aus denen eine Vielzahl an Verbindungen gebildet werden können. Abgekürzt werden Elemente durch ihre Elementsymbole. Das Elementsymbol besteht aus einem oder zwei Buchstaben. Der zweite wird immer klein geschrieben! Element Eisen Elementsymbol Fe Tragen Sie bitte die fehlenden Elementsymbole in die Tabelle ein. Wasserstoff Sauerstoff Stickstoff Kohlenstoff Chlor Natrium Calcium Kennen Sie weitere Elemente und PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 2 Elementsymbole? Element Elementsymbol Element Elementsymbol PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 3 Chemische Verbindungen bestehen aus Elementen. In der Sprache der Chemie lässt sich aus den Namen meist die Zusammensetzung ableiten. Es gibt aber auch Eigennamen/Trivialnamen, die allgemein benutzt werden. Eigenname: Chemischer Name: Kochsalz Natriumchlorid Die Ableitung aus der chemischen Bezeichnung ergibt, dass die Verbindung Chlor Cl und Natrium Na enthält. Die chemische Formel für Kochsalz lautet: NaCl Beim Wasser gibt es nur den Eigennamen. Die (Summen-)formel für Wasser lautet: H2 O PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 4 Die Formel besteht aus zwei Elementsymbolen und einer Zahl: H O für Wasserstoff für Sauerstoff Was besagt jetzt die 2? Warum ist sie tiefgestellt? In einer chemischen Formel gilt die tiefgestellte Zahl für das vorangegangene Element. Sie gibt an, wie oft dieses Element in der Verbindung vorkommt. Also kommt beim Wasser der Wasserstoff 2-mal und der Sauerstoff 1-mal vor. Eine weitere Verbindung ist Ammoniak NH3. Sie besteht aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen. PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 5 Achtung! Immer auf die Groß- und Kleinschreibung der Buchstaben achten! Pb ≠ PB Pb = Blei P = Phosphor B = Bor Blei ≠ Phosphorbor Viele Verbindungen setzen sich aus wiederkehrenden Verbindungsbausteinen auf: Schwefelsäure Blausäure HCN Essigsäure CH3COOH Schweflige Säure Kohlensäure H2CO3 Phosphorsäure H3PO4 Natronlauge Salpetersäure HNO3 Kalilauge Lithiumhydroxid Salpetrige Säure HNO2 Salzsäure HCl PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme H2SO4 H2SO3 NaOH KOH LiOH Seite 6 Nitrat Nitrit Kaliumnitrat Kaliumnitrit Silbernitrat NO3NO2KNO3 KNO2 AgNO3 Ammoniak Ammoniumchlorid Ammoniumsulfat Oxoniumion Hydroxidion NH3 NH4Cl (NH4)2SO4 H3O+ OH- Phosphat PO43Hydrogenphosphat HPO42Dihydrogenphosphat H2PO4- Carbonat Hydrogencarbonat Hydrogensulfit Chromion grün Chromat gelb Dichromat orange Cyanidion CO32HCO3HSO3Cr3+ CrO42Cr2O72CN- Cyankali Kaliumpermanganat Kochsalz Methan Wasserstoffperoxid KCN KMnO4 NaCl CH4 H2O2 PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 7 Schauen Sie sich noch einmal die Verbindungen an. Suchen Sie nach Gleichheiten im Namen, in den Formeln! Versuchen Sie die Unterschiede zu erkennen. Schreiben Sie Ihre Zusammenstellungen einmal auf: PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 8 Bei einigen Verbindungen steht am Ende der Formel noch eine hochgestellte Zahl und ein „+“ oder „-“. Oftmals teilen sich chemische Verbindungen in unterschiedlich geladene Teilchen auf. Die Kombination führt aber immer wieder zu neutralen Teilchen: + Na + Cl - NaCl + Na + Cl - Geladene Teilchen nennen wir Ionen. Die mit positiver Ladung sind Kationen, die mit negativer Ladung sind Anionen. In der Regel haben Elemente oder Verbindungen eine feste Ladung. So gibt es außer dem Element Natrium (ein Metall) in Verbindungen nur das Natrium+ Kation Na . Die Kombination von Ionen -führt zu Verbindungen: + Natrium Na+ und Chlorid Cl - ergeben NaCl Natriumchlorid. Natrium Na und Bromid -Br ergeben NaBr Natriumbromid. + Kalium K+ und Chlorid Cl - ergeben KCl Kaliumchlorid. Kalium K und Bromid Br ergeben KBr Kaliumbromid. PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 9 Welche Ladung ein Teilchen trägt hängt davon ab, mit welchen anderen Teilchen es sich verbindet. Da kann dazu führen, dass die Teilchen/Atome unterschiedliche Ladungen tragen können. Ein erster Blick auf das Periodensystem der Elemente PSE kann aber bereits eine erste Hilfestellung geben: 1. Hauptgruppe: Alle Elemente in der Spalte unter H kommen in Verbindungen als 1+ vor. H selbst meist auch. 2. Hauptgruppe: Alle Elemente in der Spalte unter Be kommen in Verbindungen als 2+ vor. 3. Hauptgruppe: Alle Elemente in der Spalte unter B kommen meist in Verbindungen als 3+ vor. 4. Hauptgruppe: Die Elemente in der Spalte unter C wollen sich meist 4mal verbinden. Teilweise dann auch als 4+. 5. Hauptgruppe: Die Elemente in der Spalte unter N wollen sich meist 3mal verbinden. Teilweise dann auch als 3-. PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 10 6. Hauptgruppe: Die Elemente in der Spalte unter O wollen sich meist 2mal verbinden. Teilweise dann auch als 2-. 7. Hauptgruppe: Die Elemente in der Spalte unter F wollen sich meist 1mal verbinden. Dann als 1-. 8. Hauptgruppe: Die Elemente in der Spalte unter He wollen sich in der Regel nicht binden und kommen als einzelne Atome vor. Alle anderen Elemente: Hier können recht unterschiedliche Neigungen zur Verbindungsbildung vorliegen. Einige lassen sich leicht erlernen. So kommt 3+ das Eisen Fe in seinen Verbindungen 2+ entweder als Fe oder Fe vor. Im späteren Verlauf des Unterrichts werden die Hintergründe für das unterschiedliche Reaktionsverhalten der Elemente betrachtet. PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 11 Handelt es sich um unterschiedlich geladene Ionen, die in einer Verbindung zusammenkommen, so muss solange ausgeglichen werden, bis die Verbindung neutral ist: + - Cl Al + - Cl + - Cl Aluminiumchlorid besteht aus 3+ Aluminium Al und Chlorid Cl : AlCl3 + Al + + + Al + + Aluminiumoxid besteht aus23+ Aluminium Al und Oxid O : Al2O3 O O O - Bestimmen Sie die folgenden Verbindungen. Geben Sie die Summenformel und den Namen an. PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 12 Cl- Br- NO3- CO32- SO42- PO43- Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Al3+ + NH4 PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 13 PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 14 PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 15 1.1 Chemische Reaktionsgleichungen Chemische Abläufe werden in Reaktionsgleichungen dargestellt. Sind die Elemente als Grundstoffe dabei, so werden diese in der Regel einfach als Elementsymbol angeführt. Nur in folgenden Fällen werden die Elemente als Zweiereinheiten/Dimere eingebracht: H2 , N2 , O2 , F2 , Cl2 , Br2 , I2 Ausgangsstoffe Edukte A + B Reaktion Reaktionspfeil → Endstoffe Produkte C + D Normalerweise wird bei Reaktionsgleichungen die jeweilige Summenformel der Substanz eingesetzt. Es kommt aber auch vor, das Moleküle oder Molekülteile als Strukturformel dargestellt werden, um so die Veränderung im Molekül genauer aufzuzeigen. PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 16 Insbesondere in der organischen Chemie wird diese Form der Schreibweise benutzt. Der Reaktionspfeil gibt die Richtung der ablaufenden Reaktion an. Chemische Reaktionen laufen immer in bestimmten, ganzzahligen Mengenverhältnissen ab. Die Anzahl der Atome einer Art muss auf der linken und rechten Seite der Reaktionsgleichung stets gleich groß sein. Atome können nicht verschwinden. (Ausnahme: Radioaktiver Zerfall, aber auch hier müssen die Massen insgesamt erhalten bleiben.) Die Zahlen vor den Summenformeln geben ihre Anzahl bei der Reaktion an und werden als stöchiometrische Faktoren bezeichnet. Sollte ein Bruch auftreten sind alle beteiligten Stoffe mit einer Zahl zu multiplizieren, so dass wieder nur ganze Zahlen auftreten. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 17 H + O → H2 O In dieser Gleichung passt etwas nicht. 1. Wasserstoff kommt rechts 2-mal vor. 2. Wasserstoff und Sauerstoff sind Elemente, die als Dimere vorkommen. H2 + O2 → H2 O Auch so steht links und rechts nicht die gleiche Anzahl der Elemente. 2 H2 + O2 → 2 H2 O Links und rechts sind 4 Wasserstoffe und 2 Sauerstoffe. Jetzt passt die Gleichung. Stellen Sie folgende Reaktionsgleichungen auf: PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 18 Natrium und Chlor reagieren zu Natriumchlorid Sauerstoff und Kohlenstoff reagieren zu Kohlenstoffdioixd (di=2) Calcium (wird 2+) reagiert mit Brom (wird zu 1-) zu Calciumbromid Stickstoff und Wasserstoff reagieren zu Ammoniak Wasserstoff und Jod reagieren zu Jodwasserstoff Aluminium und Fluor reagieren zu Aluminiumfluorid PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 19 1.2 Atom- und Molmasse Jedes Atom hat sein eigenes Gewicht, seine eigene Masse. Die Einheit der Massenzahl bezieht sich entweder auf ein einzelnes Atom (absolute Atommasse, Einheit u) oder auf eine definierte gleich große Anzahl gleicher Atomen (relative Atommasse, Einheit Gramm g). Da man Atome nicht einzeln wiegen kann, ist die Anwendung in Gramm g für uns gebräuchlich. Wie ist die Beziehung zwischen einem Atom gewogen in u und vielen Atomen gewogen in g? Es ist eine definierte Teilchenzahl, die als Avogadro- oder LoschmidtZahl bezeichnet wird. Sie beträgt 6,022 x 1023. Wann immer man diese Teilchenzahl antrifft, spricht man von 1 Mol. 6,022 x 1023 Natriumatome = 1 Mol Natrium 3,011 x 1023 Natriumatome = ½ Mol Natrium PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 20 Für ein bestimmtes Molekül ergibt sich die Masse (Molmasse) aus der Summe der einzelnen Atommassen mit der Einheit Gramm. Will man bestimmte Stoffportionen angeben, so ist dies in der Einheit "g" oder "mol" möglich: Wasser besteht aus Wasserstoff H und Sauerstoff O, die Atommassen betragen H = 1 g und O = 16 g. Für Wasser H2O ergibt sich somit die Molmasse von 18 g (=1+1+16). Wenn nun 0,75 mol Wasser benötigt werden entspricht dies 0,75x18 g = 13,5 g. 0,75 mol H2O = 13,5 g Bsp.: Wasserstoff und Chlor reagieren zu Chlorwasserstoff. Zur Reaktion stehen 35,5 g Chlor zur Verfügung. Wieviel Wasserstoff wird benötigt und wieviel Chlorwasserstoff entsteht? PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 21 H + Cl → HCl Die Reaktionsgleichung ist so falsch, weil Chlor und Wasserstoff nicht atomar vorkommen. H2 + Cl2 → HCl Die Anzahl der Atome ist links und rechts unterschiedlich. H2 + Cl2 → 2 HCl 35,5 g Molmassen: M(H2) = 2 g/mol (= 2 x 1), M(Cl2) = 71 g/mol (= 2 x 35,5), M(HCl) = 36,5 g/mol (= 35,5 + 1) H2 1 mol 0,5 mol 1g Cl2 → 1 mol 35,5 g = 0,5 mol 0,5 mol 35,5 g + 2 HCl 2 mol 1 mol 36,5 g PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 22 Berechnen Sie zu den bereits bekannten Reaktionsgleichungen die Molmassen: (Die Atommassen entnehmen Sie dem PSE) Natrium und Chlor reagieren zu Natriumchlorid Sauerstoff und Kohlenstoff reagieren zu Kohlenstoffdioixd (di=2) Stickstoff und Wasserstoff reagieren zu Ammoniak Wasserstoff und Jod reagieren zu Jodwasserstoff Aluminium und Fluor reagieren zu Aluminiumfluorid PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 23 Reaktionsgleichungen: (Die Moleküle/Summenformeln sind richtig) 1 H2 + O2 → H2O 2 Mg + O2 → MgO 3 Al + O2 → Al2O3 4 Cu + O2 → Cu2O H2O2 → H2O + O2 5 6 H2O + Mg → MgO + H2 7 CuO + H2 → Cu + H2O 8 Cu2O + H2 → Cu + H2O 9 N2 + H2 → NH3 PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 24 Grundbegriffe (Definitionen) Absolute Atommasse Gibt die Masse eines einzelnen Atoms im Vergleich zum 12. Teil des Masse eines Atoms des C-Isotops 612C an. Die Masseneinheit ist u. Relative Atommasse Gibt die Masse einer Atomart im Vergleich zum 12. Teil des Masse eines Mols des C-Isotops 612C an. Die Masseneinheit ist g. Mol Das Mol ist die Bezeichnung für eine bestimmte Stoffmenge. 1 Mol = 6,022 x 1023 Teilchen Relative Molekülmasse Gibt die Masse eines Moleküls an und ergibt sich als Summe der relativen Atommassen der am Molekül beteiligten Atome. Die Masseneinheit ist g. Molmasse PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 25 Ist die Masse eines Mols Teilchen. Einheit g/mol. Molarität M Die Stoffmengenkonzentration als Anzahl Mole, die in 1 Liter Lösung enthalten sind. Einheit mol/l. 1 M = 1 molar - Eine 0,5 molare Kochsalzlösung enthält wie viel Kochsalz? - Eine 1 M Calciumsulfatlösung enthält wie viel Calciumsulfat? PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 26 1.3 Säuren und Laugen Säuren und Laugen sind wichtige Lösemittel in der Chemie. Die genaue Wirkungsweise und Einteilung der Substanzen erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt. Hier eine erste Einteilung für das Labor: + Säuren sind Substanzen, die H abgeben. Basen/Laugen sind Substanzen, die OH abgeben. Der pH-Wert ist ein Maß für Säuren und Laugen. sauer: pH kleiner 7 neutral: pH gleich 7 alkalisch: pH größer 7 Einige Säuren und Laugen wurden bereits weiter vorne genannt, weitere finden Sie zum Ende des Kapitels 5.2 Geben Sie für die folgenden Säuren und Laugen jeweils die Zerfallsreaktion an: PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 27 Salzsäure Schwefelsäure Salpetersäure Phosphorsäure „Kohlensäure“ Flusssäure Ameisensäure Essigsäure Natronlauge Kalilauge Ammoniumhydroxid PTA-Fachschule Westfalen-Lippe e.V. Zweigstelle Paderborn , Allgemeine und anorganische Chemie, Dr. Dülme Seite 28