Chemie-Zusammenfassung_e - IMME 2000 ::: Industriemeister

Chemie
Chemie ist wenn es stinkt und kracht...die alkoholische Gäärung, alscho die Gäärung desch Allohols isch die alloholische Gäärung.
Aber was ist Chemie wirklich?
Chemie umfasst die Lehre der kleinsten Teile, der Atome (aus dem Griechischen: unteilbar), ihren Aufbau, die Reaktion diese Elemente untereinander und die
Analytische Zerlegung aller Materie in ihre Bestandteile (Moleküle). Sie erklärt im Modell das Entstehen und die Zusammensetzung der Materialien, sie ist
Grundlage zur Schaffung neuer Werkstoffe - kurz: Sie befasst sich mit dem mikroskopischen, nicht sichtbaren Mikrokosmos.
Chemie ist eine Naturwissenschaft, die in ihrem Umfang für Laien nicht oder nur schwer zu begreifen ist. Allerdings sind grundlegende Gesetzmässigkeiten
durchaus auch für Laien nütig - und sei es nur, damit es nicht kracht und stinkt...
Atom
Atommodell nach Bohr
Der Physiker und Chemiker Bohr (1885 - 1962) war als einer der ersten Wissenschaftler in der Lage, den Aufbau und die Zusammensetzung von Atomen im
Modell nachzuweisen und entwickelte 1913 sein Atommodell auf Grundlage der Vorstellungen E. Rutherfords und der Quantentheorie von Max Planck, das in
Grundzügen auch heute noch Gültigkeit hat:
Seine Theorie basierte nicht mehr auf dem Atom als solches, da er erkannte, daß dieses durchaus teilbar ist.
Er unterteilte in seinem Modell das Atom in den Kern (bestehend aus Neutronen und Protonen), wo die Masse konzentriert ist und den Kern umkreisende
negativ geladene Teilchen, sog. Elektronen, die die Hülle darstellen. Die Bahnen dieser Elektronen waren nach seiner Theorie berechenbar.
Das Atom wird also von Elektronen in einer Bahn ähnlich der der Planeten um die Sonne umkreist. Dabei ist die Anzahl der Elektronen
insgesamt abhängig von der Anzahl der Protonen im Kern - sie ist gleich. Die Anzahl der Elektronen verteilt sich nach Bohr auf
verschiedene Hüllen, die nach der Formel 2n² mit Elektronen besetzt werden. Allerdings liegen auf der äusseren (bei Edelgasen), bzw.
vorletzten Hülle maximal 8 Elektronen. Dieses Oktagene Verhalten lässt sich mit dem Bestreben erklären, das ein Atom/Molekül
Edelgaskonfiguration erreichen will. Aus diesem Ansatz lässt sich das Priodensystem und das Zustandekommen Chemischer Bindungen
erklären.
Das Periodensystem
Das Periodensystem wurde entwickelt, um die bekannten Atome in eine logische Ordnung zu bringen. Als Ordnungszahl verwandten die Entwickler dabei die
Anzahl der Protonen im Kern des Atoms (Beispiel Wasserstoff (H), 1 Proton, 1 Neutron, 1 Elektron Ordnungszahl 1). Die Anzahl der freien (Valenz-)elektronen
ergaben die Einteilung in die acht Hauptgruppen I bis VIII. Die Anzahl der (Elektronen-) Schalen ist aus der Zeile zu erkennen: 1te Zeile - 1 Schale, 2te Zeile - 2
Schalen, usw. Zudem wurden gleichzeitig die Massezahlen ( Protonen + Neutronen) mit in die Tabelle aufgenommen.
Erweitertes Periodensystem
Gruppe →1
2
3
4
(CAS)
II A
III B
IV B V B
IA
5
6
7
8
9
10
11
VI B VII B VIII B VIII B VIII B I B
12
13
14
15
II B
III A
IV A V A
16
17
18
VI A VII A VIII A
Schale
↓
Periode ↓
1
H
1
2
Li
3 Be 4
B
5
C
6
N
7
O
8
3
Na
11
Mg
12
Al
13
Si
14
P
15
4
K
19
Ca
20
Sc 21
Ti
22
V 23
Cr
24
Mn
25
Fe
26
Co
27
Ni
28
Cu
29
Zn
30
Ga 31
Ge
32
5
Rb
37
Sr
38
Y
39
Zr
40
Nb
41
Mo
42
Tc
43
Ru
44
Rh
45
Pd
46
Ag
47
Cd
48
In 49
6
Cs
55
Ba
56
La*
Hf
72
Ta
73
W
74
Re
75
Os
76
Ir
Pt
78
Au
79
Hg
80
Tl 81
7
Fr
87
Ra
88
Ac**
Rf
104
Db
105
Sg
106
Bh
107
Hs
108
Mt
109
Ds
110
Rg
111
La:
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
(*6)
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
(*7)
AC:
89
Th
90
Pa
91
U
92
Np
93
Pu
94
Am
95
Cm
96
Bk
97
Cf
98
Es
99
Fm
100
Md
101
No
102
Lr
103
77
He
2
K
F
9
Ne
10
L
S
16
Cl
17
Ar
18
M
As
33
Se
34
Br
35
Kr
36
N
Sn
50
Sb
51
Te
52
I
53
Xe
54
O
Pb
82
Bi
83
Po
84
At
85
Rn
86
P
Q
Nichtmetalle:
sonstige Nichtmetalle
H
Formelzeichen:
steht für die Bezeichung des Elementes
1
Ordnungszahl:
gibt Anzahl der Protonen im Kern an (und indirekt
auch die Anzahl der Elektronen)
Halogene
Edelgase
Metalle:
Periode:
Alkalimetalle
Gruppe:
Erdalkalimetalle
Halbmetalle
Schale
Übergangsmetalle
Metalle
Anzahl der Schalen, die mit Elektronen gefüllt werden
Alle Elemente einer Gruppe besitzen die gleiche Anzahl an
Valenzelektronen und haben daher ähnliche chemische
Eigenschaften, Es gibt 8 Hauptgruppen(1,2 und 13 bis 18) und 10
Nebengruppen (3 bis 12).
Benennung der Schalen eines Atoms, die mit Elektronen gefüllt
sind ab der 2ten Schale unterteilen sich diese in Unterschalen,
die äußerste dieser Unterschalen gibt die Anzahl der
Valenzelektronen wieder.
K
L
M
N
O
P
Q
max e
2
8
8
18
18
32
32
Lantanoide
Summe e
2
10
18
36
54
86
118
Actinoide
Unterschalen1s
2s2p 3s3p 4s3d4p5s4d56
6s4f5d6p
7s5f6d7p
Anzahl e
2+6
2+14+10+6
Sonderelemente
2
2+10+6
Aus diesem System lässt sich das Verhalten eines Elementes und mögliche Bindungen direkt ablesen:
Beispielsweise wird ein links stehendes Element (z.B. Wasserstoff) sich ein rechtsstehendes Element (z.B. Sauerstoff) suchen, um eine Verbindung einzugehen
( Ergebnis: Wasser H2O) Dabei ist auch die Anzahl des jeweiligen Elementes in der Verbindung abzuleiten. Zu den Bindungsarten kommen wir später.
Grundlegende Begriffe der Chemie
Analyse
Analyse - Synthese - Mischung - Verbindung
Analyse: Auseinandernehmen eines Stoffes, Zerlegen in Bestandteile
dabei unterscheidet man zwischen:
1. Mechanischer Analyse (Siebung, Filterung, Sortieren, Extraktion), die bei Mischungen zum Erfolg führen, und
2. Chemischer Analyse (Destilation, Schmelzung, Kathalysierte Reaktion, Extraktion) die bei Verbindungen zum Erfolg führt.
Synthese
Synthese: Verbinden / Verschmelzen von Stoffen zu einem Neuen, d.h. Synthese zweier Stoffe erzeugt einen neuen Stoff, der durch einfache mechanische
Analyse nicht mehr zu den Ausgangsstoffen gefürt werden kann. Diese Stoffe nennt man chemische Verbindungen.
Beispiele: Herstellung von syntetischen Farbstoffen
Herstellung von Kunstfasern (Nylon, Perlon)
Herstellung von Gummi (Buna)
Herstellung von Kunststoffen (Zellulose, PVC, Polymere)
chemischer Vorgang: Verbrennung(Oxidation) Korrosion (Oxidation) alkoholische Gärung, Elektrolyse, Synthese eines neuen Stoffes
physikalischer Vorgang: Verformung, Temperaturänderung und damit Änderung des Aggregatzustandes (Fest- Flüssig-Gasförmig), Energiezuführung oder
Entzug (Akku), Mischen - Änderung der äußeren Eigenschaften ohne die Stoffe selbst zu verändern - "leicht" reversibel (rückführbar)
Extraktion: herauslösen von Bestandteilen eines Stoffes durch Lösungsmittel - z.B. Kaffeekochen
Chemische Bindungsarten
Atome bilden in der Natur Moleküle, d.h. sie kommen selten atomar (also in ihrer reinen Form) vor. Moleküle sind also zusammengesetzte Atome, deren
Verbindung in unterschiedlicher Form und Stabilität vorliegt. Man unterscheidet drei Bindungsarten:
1. Ionenbindung Metalle und Nichtmetalle bilden über die gemeinsame Nutzung ihrer Valenzelektronen ein Molekül. Diese Verbindung nennt man Salze
oder Salzkristalle:
Beispiel: Na und Cl -> NaCl Natriumchlorid (Kochsalz)
Feste und stabile, bipolare (+ - ) Bindung mit hohem Schmelzpunkt.
2. Atombindung Nur Nichtmetalle gehen diese Bindungsart ein. Sie entsteht über eine Elektronenpaabindung, d.h. sie teilen sich gemeinsam paarweise
freie Elektronen.
Beispiel: H + H -> H2 (Wasserstoffgas) O+O -> O2 (Sauerstoffgas)
Diese Verbindungen sind nicht besonders stabil und besitzen einen niedrigen Schmelzpunkt
3. Metallbindungen Wie der Name schon sagt: Metalle gehen diese Bindungsart ein. Sie bilden ein sog. Metallgitter, bei dem die Atome ihre freien
Elektronen als Elektronengas ungebunden zwischen den Atomkernen belassen. Die starken Coulombkräfte sorgen für eine starke, stabile Bindung mit
hohem Schmelzpunkt. Weitere Eigenschaft: hohe elektrische Leitfähigkeit (Wegen der freien Elektronen)
Oxidation
Oxidation ist ein chemischer Prozess, bei dem das oxidierte Element (meist) Sauerstoff aufnimmt und dabei Elektronen an den Oxidanten (Oxidationsmittel)
abgibt.
Einige Oxidationsmittel: Wasserstoffperoxid H2O2 , Kaliumpermanganat KmnO4, Salpeter KNO3
Reduktion
Reduktion ist die entgegengesetzte Reaktion zur Oxidation, d.h. Sauerstoff wird einer Verbindung entzogen und Elektronen werden aufgenommen.
Einige Reduktionsmittel: Wasserstoff H2, Natrium Na, Kohlenstoff C
Somit ist logischerweise jede Oxidation mit einer Reduktion des Oxidanten verbunden! Daher nennt man diesen Prozess auch Redoxreaktion.
Basen / Laugen
Laugen sind chemische Verbindungen die durch Einleiten von Wasserlöslichen Metalloxiden (z.B. K2O = Kaliumoxid) in Wasser, oder der Reaktion unedler
Metalle mit Wasser (Na = Natrium) entstehen.
Charakteristisch für Laugen sind die dabei entstehenden OH - Gruppen, die stark reaktiv sind.

Laugen färben Lackmuspapier blau

Laugen sind basisch / alkalisch

Beim Verdampfen von Laugen entstehen Metallhydroxide

Diese Zerfallen beim Lösen in Wasser zu Metallionen und Hydroxionen

Beispiele: NaOH (Natronlauge) KOH (Kalilauge)
Säuren
Säuren sind chemische Verbindungen, bei denen die Wasserstoffatome derart angelagert sind, dass sie dieser Verbindung leicht entzogen werden können
(Dissoziation - Entzug von Wasserstoff). Auf dieser Eigenschaft beruht die Säurecharakteristik dieser Chemischen Verbindungen.
Ihre Säurewirkung entfalten diese Verbindungen erst durch Einleitung in oder Kontakt mit Wasser. Daher ist auch leicht zu erklären, warum Schleimhäute
besonders durch Säuren angegriffen werden können.

Säuren färben Lackmuspapier rot

Säuren reagieren stark und sauer

Säurewirkung durch positive Wasserstoffionen H+

Ätzwirkung bei Metallen, Haut und Schleimhäuten

Redundante (dissoziative) Wirkung

Beispiele: Kohlensäure H2CO3 ( schwache, natürliche Säure)
Phosphorsäure H3PO4 ( mittelstarke Säure)
Salzsäure HCl ( starke Säure(gas))
Salpetersäure HNO3 ( starke Säure)
Schwefelsäure H2SO4 ( sehr starke natürliche Säure)

Einteilung in organische (Kohlenstoffverbindung) und anorganische (-ide) Säuren
Neutralisation und chemische Reaktionsgleichung
Neutralisation
nennt man die Verbindung von Säuren und Basen (Laugen) zu Salz und Wasser.
Also entsteht Wasser durch die Reaktion der OH - Gruppe der Lauge (-hydroxid) mit den Wasserstoffionen H+ der Säure - das Metall der Lauge reagiert mit der
negativ geladenen Oxidationsgruppe der Säure - es entsteht Salz.
Beispiel: Natronlauge und Salzsäure werden zusammengeleitet, die beiden Stoffe ragieren zu Wasser und Kochsalz
NaOH + HCl => Na+ OH - + H+ + CL- => NaCL + H2O
Zur Erklärung: das hochgestellte + bedeutet eine positive Ladung des Ions durch Verlust eine Elektrons, das hochgestellte Minus die negative Ladung des Ions
durch Überschuss eines Elektrons.
Reaktionsgleichung
Chemische Reaktionsgleichungen erklären die Zusammensetzung und mengenmässige Relation der Ausgangsstoffe und des Produktes einer Reaktion.
Wir nehmen als Beispiel die Neutralisation von Natronlauge und Schwefelsäure
NaOH + H2SO4 = Na SO4 + H2O
=> Na+ + OH- + 2H+ + SO4(2-) = Na SO4 + H2O
Wir sehen, dass beide Seiten nicht gleich sind, da 2 H nicht mit einer OH-Gruppe zu H2O reagieren kann. es müssen wenigstens 2 OH - Gruppen sein
Ausserdem benötigt die SO4-Gruppe wenigstens zwei positive Ionen zum Aufbau einer neutralen Bindung also z.B. 2 Na+ ! Daraus folgt dann, dass die
Reaktionsgleichung wie folgt aussehen muss:
2 NaOH + H2 SO4 = NaSO4 + 2 H2O
Allgemein ausgedrückt bedeutet dies, dass die Summe der Einzelelemente auf der linken Seite gleich der Summe der Elemente auf der rechten Seite sein
muss!
Also:
A + B = C + D => xA + B = C +xD => A+xB = xC + D
Die Linke Seite dieser Gleichung enthält die Ausgangsstoffe, die rechte die Reaktionsprodukte
Organische und Anorganische Chemie
Aus der Geschichte der Chemie, die als Wissenschaft erst spät den Absprung von der mysthifizierenden Alchemie des Mittelalters schaffte, erwuchs der
Versuch, Chemie in natürliche und unnatürliche Chemie zu teilen
Letzlich ist die Unterscheidung zwischen organischer (natürlicher) und anorganischer Chemie an das Vorkommen von Kohlenstoff in der Verbindung geknüpft wenngleich die Übergänge fliessend und nicht klar getrennt werden.
Organische Chemie
Diese wird auch Kohlenstoffchemie genannt Wie aus dem Namen bereits hervorgeht befasst sich diese Teil der Chemie mit allen Verbindungen, die Kohlenstoff
in freier oder gebundenenr Form enthällt. Als wichtigstes Teilgebeit ist hier die Biochemie zu nennen, die sich mit den Vorgängen in den Pflanzen, der
sogenannten Fotolyse und Fotosynthese( Umwandlung von CO 2 in Zucker und Sauerstoff ) befasst.
Organische Verbindung:
Kohlenwasserstoffverbindungen wie z.B. Zucker, Stärke, Mehl, Kohlendioxide, Kohlensäure, Kristalle, Bernstein, Diamant, Kohle, Erdöl, usw...
können lange Ketten von Molekülen bilden - sogenannte Makromoleküle
Schweflige Kohlenstoffverbindungen, Aminosäuren sind Beispiele.
Folgend eine tabellarische Auflistung der organischen Verbindungen
Name
Atomanordnung
Allgemeine Formel
Vertreter der Gruppe
Kohlenwasserstoffe
Alkane
C-C (Einfachbindung)
Cn H2n+2
Methan CH4,
Ethan C2H6
Alkene
C=C (Doppelbindung)
CnH2n
Ethen C2H4 ,
Propen C3H6
Alkine
C=C (Dreifacbindung)
CnH2n-2
Ethin C2H2 ,
Propin
Aromatische Kohlenwasserstoffe
Benzolringe
Benzol, Tuluol, Naphtalin
Sauerstoffhaltige Verbindungen
Alkohole
Hydroxylgruppen(-OH)
Cn-H2n+1OH
Methanol CH3OH
Ethanol CH3CH2OH
Name
Atomanordnung
Allgemeine Formel
Vertreter der Gruppe
Aldehyde
Aldehydgruppe
Methanal
Ketone
Carbonylgruppe
Aceton
Carbonsäuren
Carboxylgruppe
Ethansäure
Ester
Estergruppe
Butansäureesther
Ether
Diethylether
Stickstoffhaltige Verbindung
Amine
-NH2
Harnstoff
Aminosäuren
Aminoethansäure
Nitroverbindungen
Trinitroglycerinsäure
Nitrile
Blausäure
Schwefelhaltige Verbindung
Thiole
-SH
Methanthiol
Sulfonsäuren
-SO3H
Tuluololslfonsäure
Anorganische Chemie
Diese beschäftigt sich mit allen nichtbiologischen und künstlich hergestellten, synthetischen Stoffen. Obgleich die Produktion sogenannter Polymeride,
Polystyrole und Polychloride hierzu zählen, sind in diesen Kunststoffen durchaus Kohlenstoffatome vorhanden ( Erdöl als Rohstoff ist letztlich ja nichts anderes
als Überbleibsel von Pflanzen ) und zählen wieder zur organischen Chemie... Hier sind die Grenzen also fließend.
Darstellung der Atome und Moleküle
In der Chemie werden Atome, Moleküle und Verbindungen meist nicht bildlich (sieh Atommodell), sondern in Summen oder Strukturschreibweise mit den
Bezeichnungsbuchstaben der einzelnen Elemente dargestellt
Anhand des Wasserstoffes (H) und Sauerstoffs (O) verbildlichen wir diese unterschiedliche Schreibweise:
H .. H, :O::O:
Elektronenschreibweise
H-H, O=O
Elektronenpaarschreibweise"Strukturformel"(Die nicht beteiligten Elektronen werden "vergessen")
H2 , O 2
Molekulearschreibweise "Summenformel"
H-O-H
Wasser : Summenformel H2 + O2 = 2 H2O
O=C=O
Kohlendioxid: C + O2 = CO2
Na - OH
Natriumhydroxid (Natronlauge): Na + OH = NaOH
Zucker oder Glucose = C6H12O6
Es ist also ersichtlich, dass die Strukturformel eher Aufschluss über das Aussehen eines Moleküls gibt als die Summenformel.
Kunststoffe
Kunststoffe haben heutzutage eine große Bedeutung in der Industrie, in der Medizin und weiten Teilen des privaten Lebens. Kaum etwas hat die
Pridukzionsweise und das Aussehen von Gebrauchsgütern so revolutioniert wie die durch die chemische Industrie erzeugten Kunststoffe.
Kunsstoffe lassen sich grundsätzlich in drei Typen unterteilen:
1. Duroplaste: engmaschig vernetzte Makromoleküle. Sie sind weitgehends stabil in ihrem Temperaturverhalten, d.h. sie ändern ihre mechanischen und
chemischen Eigenschaften nur unwesentlich. Sie sind daher nicht formbar und nicht schweißbar
2. Thermoplaste: fadenförmige nicht verkettete Makromoleküle. Sie haben bei Raumtemparatur durch ihre Verknäuelung eine relativ hohe Stabilität, die
durch Erwärmung allerdings abnimmt. Sie lassen sich somit leicht formen und schweißen
3. Elastomere: weitmaschig vernetzte Makromoleküle. Sie können mechanischen Einwirkungen flexibel widerstehen, d.h. sie dehnen und verformen sich
unter mechanischer Belastung, ohne ihre Form nachhaltig zu verändern - Somit sind Sie nicht formbar und nicht schweißbar.
Allen Kunststoffen gemein sind folgende typische Eigenschaften:
Positive Eigenschaften
negative Merkmale

geringe Dichte

geringe Wärmebeständigkeit

variable mechanische Eigenschaften

zum Teil leicht brennbar

elektrisch nicht leitend (Isolation)

niedrige Schmelzpunkte

Korrosionsbeständig

biologisch nich abbaubar

gut form- und bearbeitbar

z.T. resistent gegen Lösungsmittel


leicht einzufärben
Wärme und Kälteisolierend
Verarbeitung von Kunststoffen
Kunststoffe herzustellen ist Sache derChemischen Industrie - Doch Kunststoffe selbst sind ohne praktischen Nutzen, d.h. erst ihre Verarbeitung macht sie zu
Gebrauchsgegenständen
Es gibt verschiedene Arbeitsmethoden um die pulverförmigen oder als Granulat angelieferten Rohkunststoffe zu verarbeiten:
Bei thermoplasten Kunststoffen :
1. Spritzgießen: (Gehäuse und Formteile)
2. Extrudieren: (Profile, Rohre)
3. Blasen: (Folien)
4. Blasformen: (Flaschen, große Hohlgefäße, Behälter)
Duroplaste: meist durch Formpressen
Elastomere: meist durch Gießen