Vorkurs Chemie

Vorkurs Chemie
16. Oktober 2017
Dr. Helmut Sitzmann, Apl.-Professor für Anorganische Chemie
Prof. Dr. Helmut Sitzmann
Vorkurs Chemie
16. Oktober 2017
Fünf Tage – Fünf Themen
Atombau und Periodensystem
Chemische Bindung
Formelschreibweise und chemische Reaktionen
Chemisches Gleichgewicht
Elektrochemie
Abbildungen gemeinfrei: wikimedia, Ben Mills
atomos - unteilbar
Demokrit
460 – 371 v. Chr.
Schüler des Leukipp von Milet
Griechischer Philosoph
Atomistisches Prinzip:
Alles ist aus kleinsten Einheiten zusammengesetzt,
die nicht weiter unterteilt werden können.
Abbildung: Wikimedia, Public Domain
Atomhypothese
John Dalton
1766 – 1844
Bestimmung von Massenverhältnissen
chemischer Elemente in chemischen Verbindungen
Konstante und multiple Proportionen einfach erklärt:
Elemente können sich in unterschiedlichen Verhältnissen miteinander verbinden. Zwischen diesen Verhältnissen besteht ein einfacher Zusammenhang.
Beispiel: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5
1803 Atomhypothese
Abbildung: Ausschnitt aus einem Gemälde von B. R. Faulkner, Public Domain
John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen
Verbindung
Prozentanteil
Ammoniak
N 82.245
H 17.755
Wasser
O 88.810
H 11.190
Stickoxid I, Lachgas
N 63.648
O 36.352
Stickoxid II
O 53.320
N 46.680
Stickoxid III
O 63.146
N 36.854
Stickoxid IV
O 69.554
N 30.446
Stickoxid V
O 74.064
N 25.936
John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen
L
Verbindung
Prozentanteil
Massen- Zahlen- Bemerkung
verhältnis wert
Ammoniak
N 82.245
H 17.755
N/H
4.632
4.632 g Stickstoffatome binden
1 g Wasserstoffatome
Wasser
O 88.810
H 11.190
O/H
7.936
7.936 g Sauerstoffatome binden
1 g Wasserstoffatome
Stickoxid I, Lachgas
N 63.648
O 36.352
O/N
0.571
Das stickstoffreichste Stickoxid
0.571 g O bindet 1 g N
Stickoxid II
O 53.320
N 46.680
O/N
1.142
2 x 0.571 = 1.142
1.142 g O bindet 1 g N
Stickoxid III
O 63.146
N 36.854
O/N
1.713
7.936g / 4.632 g =
3 x 0.571 = 1.713
Stickoxid IV
O 69.554
N 30.446
O/N
2.284
4 x 0.571 = 2.284
2.284 g O bindet 1 g N
Stickoxid V
O 74.064
N 25.936
O/N
2.855
5 x 0.571 = 2.855
2.855 g O bindet 1 g N
John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen
Joseph Louis Gay-Lussac (1778 – 1850)
Verbindung
Prozentanteil
Ammoniak NH3
N 82.245
H 17.755
N/H
4.632
4.632 g Stickstoffatome binden
1 g Wasserstoffatome
Wasser H2O
O 88.810
H 11.190
O/H
7.936
7.936 g Sauerstoffatome binden
1 g Wasserstoffatome
Lachgas N2O
N 63.648
O 36.352
O/N
0.571
Das stickstoffreichste Stickoxid
Stickstoffmonoxid NO
O 53.320
N 46.680
O/N
1.142
2 x 0.571 = 1.142
Distickstofftrioxid N2O3
O 63.146
N 36.854
O/N
1.713
7.936g / 4.632 g =
3 x 0.571 = 1.713
Stickstoffdioxid NO2
O 69.554
N 30.446
O/N
2.284
4 x 0.571 = 2.284
Distickstoffpentoxid
N2O5
O 74.064
N 25.936
O/N
2.855
5 x 0.571 = 2.855
+
Wasserstoff + Stickstoff → Ammoniak
+
Wasserstoff + Sauerstoff → Wasserdampf
Massen- Zahlen- Bemerkung
verhältnis wert
+
Wasserstoff + Chlor → Chlorwasserstoff
Abbildung: Wikimedia, Public Domain
John Dalton: Rechenbeispiel zu den multiplen Proportionen
Joseph Louis Gay-Lussac (1778 – 1850)
Verbindung
Prozentanteil
Ammoniak NH3
N 82.245
H 17.755
N/H
4.632
4.632 g Stickstoffatome binden
1 g Wasserstoffatome
Wasser H2O
O 88.810
H 11.190
O/H
7.936
7.936 g Sauerstoffatome binden
1 g Wasserstoffatome
Lachgas N2O
N 63.648
O 36.352
O/N
0.571
Das stickstoffreichste Stickoxid
Stickstoffmonoxid NO
O 53.320
N 46.680
O/N
1.142
2 x 0.571 = 1.142
Distickstofftrioxid N2O3
O 63.146
N 36.854
O/N
1.713
7.936g / 4.632 g =
3 x 0.571 = 1.713
Stickstoffdioxid NO2
O 69.554
N 30.446
O/N
2.284
4 x 0.571 = 2.284
Distickstoffpentoxid
N2O5
O 74.064
N 25.936
O/N
2.855
5 x 0.571 = 2.855
Lorenzo Romano Amadeo Carlo Avogadro
(1776 – 1856): Molekül – Hypothese 1811
Massen- Zahlen- Bemerkung
verhältnis wert
Abbildung zu L. R. A. C. Avogadro: Wikimedia, Public Domain
Entdeckung des Elektrons
J. J. Thomson
1856 – 1940
entdeckte 1897 in der Kathodenstrahlröhre das Elektron
und erhielt 1906 den Nobelpreis
Abbildungen: J. J. Thomson: Wikimedia, Public Domain; Kathodenstrahlröhre: Science Museum London, Creative Commons License
Entdeckung des Neutrons
James Chadwick
1891 – 1974
entdeckte 1932 das Neutron
Nobelpreis 1935
Foto: Public domain; Grafik: NASA, gemeinfrei (Neutronenstern mit rotem Riesen, fiktiv)
Bestandteile des Atoms
Elementarteilchen als Bestandteile der Atome
Name
Symbol
Ruhemasse
Atommasseneinheiten
elektrische
Ladung
Elementarladungen
Proton
p+
1.67261x10-24 g
1.0072
1.6x10-19 C
1
Neutron N
1.67492x10-24 g
1.0086
0
0
Elektron e-
0.91096x10-27 g
0.0005
-1.6x10-19 C
-1
Proton
Elektron
Neutron
Ich bin positiv
Ich bin negativ
Mir ist das egal
Smileys: Pixabay (freie Nutzung ohne Bildnachweis)
Das Atom
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen.
Er enthält fast die gesamte Atommasse, (ca. 99.8%)
Der Kernradius ist 10-5 bis 10-4  Atomradius
Daraus resultiert eine Kerndichte von ca. 1.41 x 1014 g/cm3 (Fe)
Jean Baptiste Dumas (1800 – 1884)
bestimmte sehr genau die Atommasse von 22 Elementen
Zahl der Protonen im Kern:
Zahl der Kernteilchen (Nucleonen):
Ordnungszahl
Massenzahl
Zwei Protonen im Kern, Ordnungszahl 2:
Vier Kernteilchen, Massenzahl 4, Symbol:
Helium
4He
Zeichnung: www.chemistry.about.com; Public Domain; Foto Dumas: Public Domain, Grafik zum Atomdurchmesser: Cweiske; GNU license, darf frei verwendet werden
Das Atom
Nucleonen
Ernest Rutherford (1871 – 1937) erkannte,
dass Atome einen unerhört dichten Kern
enthalten und ansonsten aus leerem Raum
bestehen.
Zahl der Kernteilchen (Nucleonen):
Zahl der Protonen im Kern:
Massenzahl
Ordnungszahl
Beispiel oben: Zwei Protonen im Kern, Ordnungszahl 2: Helium
Vier Kernteilchen, Massenzahl 4, Symbol 4He
Man kennt auch Heliumkerne, die nur ein Neutron enthalten: 3He
4He und 3He sind Isotope
3He und 3H sind Isobare
1
1
H
2
1
H 31H
Isotope
40
18
Ar
40
19
K
40
20
Ca
Isobare
Geldscheinfoto: Bank of New Zealand, Public Domain, Grafik: www.chemistry.about.com; Public Domain; Zeichnung: darf nur ohne Nennung des Urhebers weiterverwendet werden
Elektronenverteilung in einem Chlorwasserstoff-Molekül
Erwin Schrödinger (1887 – 1961)
beschrieb Elektronen als Welle.
Weil sich chemische Phänomene in der Elektronenhülle
der Atome abspielen, müssen wir uns näher mit der
Struktur der Elektronenschalen befassen.
Grafik: http://www.uni-koeln.de/math-nat-fak/didaktiken/chemie/uvm_projekt/modul_3/bigpic_hcl_4.htm; urheberrechtlich geschützt
Foto von Erwin Schrödinger aus dem Jahr der Verleihung des Nobelpreises 1933: Public Domain
Das Spektrum des Wasserstoffatoms
Diskrete Energieniveaus
Scharfe Spektrallinien
Energieaufnahme: Lichtabsorption
Energieabgabe:
Lichtemission
Abbildung eines Spektrums bitte selbst aufrufen, z. B. hier:
http://voer.edu.vn/m/bohrs-theory-of-the-hydrogen-atom/62b1becc
Periodensystem
der
Elemente
Periodensystem der Elemente
Elektronegativität
Fähigkeit eines Atoms
- Eigene Elektronen festzuhalten … und …
- Elektronen anderer Atome anzuziehen
Die Elektronegativität nimmt zu
Erste Ionisierungsenergie der Elemente der Ordnungszahlen 1 - 103
Auf der senkrechten Achse ist die Energie in Elektronenvolt aufgetragen,
die zur Entfernung eines Elektrons aus einem neutralen Atom benötigt wird.
Die Balken im Diagramm entsprechen den Elementen mit den Ordnungszahlen
1 (Wasserstoff) bis 103 (Lawrencium).
Ein hoher Energiebetrag wird dann benötigt, wenn das betreffende Element
über eine sehr stabile Elektronenschale verfügt.
Die Strukturierung der Elektronenhülle der Atome
Schalenstruktur der Atome
Die innerste Elektronenschale
bietet Platz für zwei Elektronen.
Weiter außen gelegene Schalen
können mehr Elektronen
aufnehmen.
Die Kapazität der n. Schale für
Elektronen beträgt 2n2.
Die Schalen sind in Unterschalen
gegliedert, welche mit den
Buchstaben s, p, d und f bezeichnet werden. Diese Bezeichnungen stammen aus der Spektroskopie, wo die entsprechenden
Absorptionsbanden als sharp,
principal, diffuse oder fundamental bezeichnet wurden.