Vorlesung 1 - TU Chemnitz

Allgemeine Chemie 1
Skript
Allgemeine und Anorganische Chemie
Inhaltsverzeichnis:
1. Atome............................................................................................................................................3
A Elektronen ................................................................................................................................3
B Protonen....................................................................................................................................4
C Neutronen .................................................................................................................................5
D Aufbau von Atomen .................................................................................................................5
E Isotope.......................................................................................................................................6
F Radioaktivität ............................................................................................................................6
2. Stöchiometrie..............................................................................................................................11
A Moleküle.................................................................................................................................11
B Ionen .......................................................................................................................................12
C Empirische Formel .................................................................................................................12
D Avogadro – Zahl.....................................................................................................................12
3. Elektronen/ Atommodelle ...........................................................................................................13
A Elektromagnetische Strahlung................................................................................................13
B Welle – Teilchen Dualismus...................................................................................................16
C Wellenfunktion .......................................................................................................................17
D Quantenzahlen und Orbitale...................................................................................................20
E Elektronenstruktur von Atomen mit mehr als einem Elektron ...............................................23
F Das Periodensystem ................................................................................................................26
4. Chemische Bindungen ................................................................................................................31
A Ionische Bindung....................................................................................................................31
B Kovalente Bindung, Lewis Formeln.......................................................................................32
C Ausnahmen der Oktettregel ....................................................................................................34
D Vergleich ................................................................................................................................35
E Dissoziationsenergie ...............................................................................................................36
5. Räumliche und elektronische Struktur von Molekülen...............................................................37
A VSEPR-Modell.......................................................................................................................37
B Valence-Bond (VB) – Theorie ...............................................................................................42
C Hybridorbitale.........................................................................................................................44
D Molekülorbitale ......................................................................................................................44
6. Gase............................................................................................................................................47
A Druck ......................................................................................................................................48
B Gesetz von Boyle....................................................................................................................48
C Gesetz von Gay-Lussac ..........................................................................................................48
D Ideales Gasgesetz ...................................................................................................................49
E Daltonsches Gesetz für Partialdrücke .....................................................................................50
F Reale Gase...............................................................................................................................51
Allgemeine Chemie 2
7. Flüssigkeiten...............................................................................................................................52
A Intermolekulare Kräfte ...........................................................................................................52
B Wasserstoffbrückenbindung ...................................................................................................55
C Struktur von Flüssigkeiten......................................................................................................57
8. Festkörper ..................................................................................................................................58
A Amorphe Festkörper...............................................................................................................59
B Ionenkristalle ..........................................................................................................................59
C Metallkristalle.........................................................................................................................60
D Molekülkristalle und Vernetzte Festkörper............................................................................61
9. Thermodynamik – 1. Hauptsatz..................................................................................................62
A Begriffe...................................................................................................................................62
B Reversible und Irreversible Vorgänge ....................................................................................63
C Wärme ....................................................................................................................................64
D Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ...................................................................................65
E Enthalpie .................................................................................................................................66
F Standardbildungsenthalpien ....................................................................................................67
10. Thermodynamik – 2. und 3. Hauptsatz.....................................................................................68
A Spontane Prozesse ..................................................................................................................68
B Entropie und freie Enthalpie G (Gibbssche freie Energie).....................................................68
11. Lösungen ..................................................................................................................................70
A Auflösungsprozess..................................................................................................................70
B Lösungsenthalpie ....................................................................................................................71
C Prinzip des kleinsten Zwangs .................................................................................................72
D Konzentration von Lösungen .................................................................................................72
12. Das chemische Gleichgewicht..................................................................................................72
A Die Gleichgewichtskonstante .................................................................................................74
B Thermodynamik und Gleichgewicht ......................................................................................76
13. Säuren und Basen.....................................................................................................................77
A Definition nach Brønstedt-Lowry ..........................................................................................77
B Lewis-Säuren/Basen ...............................................................................................................79
C pH-Wert ..................................................................................................................................80
D Starke und schwache Säuren und Basen ................................................................................82
14. Redoxreaktionen.......................................................................................................................85
A Oxidationszahlen (OZ) ...........................................................................................................86
B Redoxreaktionen.....................................................................................................................87
15. Reaktionskinetik .......................................................................................................................88
A Momentane Geschwindigkeit + Konzentrationsabhängigkeit ...............................................89
B Zeitabhängigkeit der Konzentration .......................................................................................90
Allgemeine Chemie 3
1. Atome
•
gr. atomos = unteilbar
•
heute: Atome sind teilbar, aber das fällt in die Physik
John Dalton (1766 - 1844):
•
Jedes Element besteht aus kleinsten, nicht teilbaren Teilchen.
•
Alle Atome eines Elements sind gleich. Alle Atome von verschiedenen Elementen
sind verschieden.
•
Bei chemischen Reaktionen werden Atome verbunden oder getrennt. Es werden
keine Atome zerstört oder umgewandelt.
•
Eine chemische Verbindung resultiert aus der Verknüpfung von Atomen jeweils der
gleichen Sorte in einem festen Mengenverhältnis.
⇒ Gesetz der Erhaltung der Masse:
Die Summe der Masse der Reaktanden ist gleich der Summe der Masse der Produkte.
„Teilen“ von Atomen (Atome bestehen aus subatomaren Teilchen)
Elektronen, e-
Protonen (2 up und
2 down Quarks)
A Elektronen
•
negative Ladung:
e ≡ 1,6022 ⋅10 −19 C
e … elementare Ladung
•
sehr geringe Masse:
m = 9,1094 ⋅ 10− 28 g ≡ 0,0055 u
Neutronen (1 up und
1 down Quarks)
Allgemeine Chemie
•
Erzeugung:
Vakuum
_
_
_
_
+
Anode
Kathode
Kathodenstrahl
Abbildung 1: Elektronenerzeugung mit Hilfe eines Kathodenstrahls
B Protonen
•
Ladung:
q = +1e
•
Masse:
m = 1,6726 ⋅ 10− 24 g ≈ 1,07276 u
•
Erzeugung:
Vakuum
e-
⋅H
+
Kanalstrahl
_
Kathode
+
Anode
Abbildung 2: Erzeugung von Protonen
4
Allgemeine Chemie
C Neutronen
•
keine Ladung
•
Masse:
m = 1,6749 ⋅10 −24 g
D Aufbau von Atomen
.
Radius Kern ≈ 1 fm = 10 -15 m
Radius Atom ≈ 100 - 400 pm = 100 - 400 ⋅ 10 -12 m
•
Kerne bestehen (mit Ausnahme von 11 H ) aus Protonen und Neutronen
•
Anzahl der Elektronen entspricht der Anzahl der Protonen
⇒ Ladung eines Atoms ist neutral: q = 0, wenn q ≠ 0, dann Ionen
A
Z
Atomsymbol
z.B.
35
17
Cl
Ladung
A
Z AtomsymbolAnzahl
z.B.
37
17
Cl −
Z… Anzahl der Protonen; Kernladungszahl,
Ordnungszahl
A… Anzahl der Neutronen + Z; Kernmasse
5
Allgemeine Chemie 6
E Isotope
Gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen , aber unterschiedliche Anzahl von Neutronen
⇒ gleiche chemische Eigenschaften, aber unterschiedliche Masse
Bsp.: Urananreicherung
235
U Anteil von 0,7 %
238
U → kommt in UF6 vor
F Radioaktivität
1896 entdeckt von Henri Becquerel
Name der
Art der Strahlung
Strahlung
1.
α - Strahlung
2.
β - Strahlung
3.
γ - Strahlung
4.*
Positron
Strahlung
Geschwindigkeit
Teilchenstrahlung
( He ⇒ α − Teilchen )
4
2
Teilchenstrahlung
(e
−
⇒ β − Teilchen
)
elektromagnetische
Strahlen (Photonen)
–
β+ (Positron)
1
1
6.* n - Strahlung
n Neutron
Abschirmung
v < 10% c
Papier, Haut
v < 90% c
3 mm Aluminium
v=c
v < 90% c
H − Kern, Proton
5.* p - Strahlung
Reichweite/
v < 10% c
v < 10% c
*4. – 6. sind besondere Strahlungsarten, die seltener auftreten
Tabelle 1: Strahlungsarten
mehrere cm Blei, 1 m
Beton
3 mm Aluminium