Grundwissen Chemie 10. Klasse SG Elektro

Grundwissen Chemie 10. Klasse SG
Molekülstruktur und Stoffeigenschaften
Elektronegativität
- Abkürzung: EN
- relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms, in
einer chemischen Bindung das
Bindungselektronenpaar an sich zu ziehen
- elektrische Ladung im Molekül ist aufgrund
unterschiedlicher EN nicht symmetrisch verteilt
→ auf einer Seite positiver Ladungsüberschuss (δ+)
→ auf einer Seite negativer Ladungsüberschuss (δ-)
Dipol-Molekül
Bsp.:
Dipol-Molekül
kein Dipol-Molekül
Zwischen Dipol-Molekülen treten
zwischenmolekulare Wechselwirkungen auf. Solche
Wechselwirkungen gibt es auch zwischen DipolMolekülen und Ionen.
Dipol/DipolWechselwirkungen
VAN-DERWAALSWechselwirkungen
Wasserstoffbrückenbindung
Zwischen unpolaren Molekülen gibt es schwache
Wechselwirkungen, die auf spontan induzierten
Dipolen beruhen.
H
Bsp.: zwischen Butan
und Butan
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
In einer Wasserstoffbrücke ziehen die freien
Elektronenpaare der stark elektronegativen Fluor-,
Sauerstoff- oder Stickstoff-Atome ein polar
gebundenes Wasserstoff-Atom eines weiteren
Moleküls an.
Elektronenpaare stoßen einander ab, und nehmen
daher möglichst großen Abstand zueinander ein.
ElektronenpaarAbstoßungs-Modell
(EPA)
Orbitale nicht bindender Elektronenpaare (EP)
nehmen mehr Raum ein als Orbitale bindender EP.
Protonenübergänge
Säuren
Säuren können in Reinform Feststoffe
(Bsp. Vitamin C), Flüssigkeiten (Bsp. Schwefelsäure)
oder Gase (Bsp. Wasserstoffchlorid) sein.
(Brönsted)
Säuren sind Protonendonatoren (H+-Donatoren).
Säuren mit
Säurerestionen
Saure Lösungen
Bildung saurer
Lösungen
Säure
Salzsäure
salpetrige Säure
Salpetersäure
schweflige Säure
Schwefelsäure
Kohlensäure
Phosphorsäure
HCl
HNO2
HNO3
H2SO3
H2SO4
H2CO3
H3PO4
Säurerestion
Chlorid
ClNitrit
NO2Nitrat
NO3Sulfit
SO32Sulfat
SO42Carbonat CO32Phosphat PO43-
Saure Lösungen sind wässrige Lösungen, die
Oxonium-Ionen (H3O+(aq)) enthalten.
Säurerest-Ionen sind negativ geladene Ionen, die
durch die Abspaltung eines oder mehrerer Protonen
aus Säure-Molekülen entstehen.
Nichtmetalloxid + Wasser → Säure
Bsp.: CO2 + H2O → H2CO3
→ H2CO3 + H2O → H3O+ + HCO3Säure + Wasser → Oxonium-Ion + Säurerest-Ion
Bsp.: HCl + H2O → H3O+ + Cl-
Laugen (Basen)
und alkalische
Lösungen
Laugen (Basen) sind Feststoffe. Es sind
Ionenverbindungen aus positiven Metall-Ionen und
negativen Hydroxid-Ionen (OH-).
Alkalische (basische) Lösungen sind wässrige
Lösungen die Hydroxid-Ionen (OH-(aq)) enthalten.
Metallhydroxid
Metall-Ionen + HydroxidIonen
Bsp.: NaOH
Bildung alkalischer
Lösungen
Na+ + OH-
Metalloxid + Wasser → Metall-Ionen + HydroxidIonen
Bsp.: CaO + H2O → Ca2+ + 2 OHAlkali-/Erdalkalimetalle + Wasser → Metall-Ionen +
Hydroxid-Ionen + Wasserstoff
Bsp.: 2 Li + 2 H2O → 2 Li+ + 2 OH- + H2
Basen
(Brönsted)
Basen/
Laugen
Basen sind Protonenakzeptoren.
Bsp.: OH- + HCl → H2O + ClNH3 + HCl → NH4+ + Cl-
Lauge
Natronlauge
Kalilauge
Kalkwasser
Ammoniak
Ammoniakwasser
NaOH
KOH
Ca(OH)2
NH3
NH4OH
- können sowohl Protonen aufnehmen als auch
Protonen abgeben
Ampholyte
Bsp.: H2O + HCl → H3O+ + ClH2O + NH3 → OH- + NH4+
H2O + H2O → H3O+ + OHweitere Ampholyte: HSO4-, HCO3-, NH3…
- ist eine Protonenübertragungsreaktion (Protolyse)
Säure/BaseReaktion
Neutralisation
- laufen nach dem Donator/Akzeptor-Konzept ab
- Protonen werden von Säure-Teilchen auf BaseTeilchen übertragen
Reaktion zwischen Oxonium-Ionen und HydroxidIonen.
+
H3O (aq) + OH-(aq) → 2 H2O(l)
- gleichzeitig bildet sich eine neutrale Salzlösung
Bsp.: NaOH(aq) + HCl(aq) → H2O(l) + NaCl(aq)
- ist ein Maß für den Gehalt einer Lösung an
Oxonium-Ionen
pH < 7 entspricht einer sauren Lösung
pH-Wert
pH = 7 entspricht absolut reinem Wasser oder einer
neutralen Lösung
pH > 7 entspricht einer alkalischen Lösung (basische
Wirkung)
- Indikatoren verändern die Farbe in Abhängigkeit
des pH-Werts.
- Der Universalindikator zeigt an, wie stark sauer
oder basisch eine Lösung ist.
Indikator
Bromthymolblau
Phenolphthalein
UniversalIndikator
sauer
gelb
farblos
rot
neutral
grün
farblos
grün/gelb
basisch
blau
violett
blau
alkalische Lösung + saure Lösung → Salzlösung +
Wasser
Salzbildungsreaktionen
Metall + Nichtmetall → Salz
Metall + saure Lösung → Salzlösung + Wasserstoff
Metalloxid + saure Lösung → Salzlösung + Wasser
Metallhydroxid + saure Lösung → Salzlösung +
Wasser
Stoffmengenkonzentration
Titration
- ist der Quotient aus der Stoffmenge n des
gelösten Stoffes und dem Volumen V der Lösung
- Formelzeichen: c Einheit:
- Methode zur Ermittlung der
Stoffmengenkonzentration
- Zutropfen einer Maßlösung (→ bekannte
Konzentration) in ein definiertes Volumen der zu
prüfenden Lösung
- Umschlag des Indikators
Elektronenübergänge
Redoxreaktion
- sind Elektronenübertragungsreaktionen
- Oxidation und Reduktion laufen gleichzeitig ab
- Elektronendonator ist das Reduktionsmittel (→
wird selber oxidiert)
- Elektronenakzeptor ist das Oxidationsmittel (→
wird selber reduziert)
- gesamte Redoxreaktion setzt sich aus
Teilgleichungen zusammen
- Anzahl der abgegebenen und aufgenommen
Elektronen muss gleich sein
Redoxgleichung
Bsp.:
Oxidation: Fe → Fe3+ + 3 e-
‫* ׀‬2
→ 2 Br- ‫* ׀‬3
Reduktion: Br2 + 2 e
Redox: 2 Fe(s) + 3 Br2(g) → 2 FeBr3(s)
1.
OZ von Atomen im elementaren Zustand = 0
2.
Σ der OZ aller Atome im ungeladenen Molekül = 0
3.
a) OZ von Atomionen entspricht der Ladungszahl
b) Σ der OZ aller Atome im Molekülion = der Ladungszahl
Oxidationszahl
4.
Metallionen haben in Verbindungen IMMER eine
5.
OZ von Fluor in Verbindungen ist IMMER = -I
6.
OZ von Wasserstoff in Verbindungen = +I
7.
OZ von Sauerstoff in Verbindungen = –II
8.
OZ von Halogenen in Verbindungen = -I
positive OZ, in der Regel die Hauptgruppennummer
( : OZ in Metallwasserstoffverbindungen = -I )
( : OZ bei Peroxiden = -I, in Vbdg. mit Fluor = +II)
( : Halogensauerstoffverb.)
In der Redoxreihe sind die Metalle entsprechend
der Stärke ihres Reduktionsvermögens geordnet.
Redoxreihe
- Unedle Metalle sind starke Reduktionsmittel →
werden leicht oxidiert (Bsp.: Li, K, Na, Mg, Al, Zn…)
- Edle Metalle sind schwache Reduktionsmittel →
werden nur schwer oxidiert (Bsp.: Cu, Ag, Hg, Pt,
Au…)
Oxidation: Abgabe von Elektronen →
Oxidationszahl wird erhöht
Oxidation/
Reduktion
Reduktion: Aufnahme von Elektronen →
Oxidationszahl wird erniedrigt
Merkhilfe: Wasserstoff wird vom Sauerstoff
oxidiert.
2 H20 + O20 → 2 H+I2 O-II
Teilchen, das andere Teilchen oxidieren kann und
dabei selbst reduziert wird
Oxidationsmittel
Elektronenakzeptor
z.B. KMnO4, NO3-, Cr2O72-
Teilchen, das andere Teilchen reduzieren kann und
dabei selbst oxidiert wird
Reduktionsmittel
Elektronendonator
z.B. H2, Mg, Zn
Reaktionsverhalten organischer Verbindungen
Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel
CnH2n+2.
Alkane
Endung (Suffix): -an
H
Bsp.: Ethan
Homologe Reihe
der Alkane
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
H
H
C
C
H
H
H
Methan
Ethan
Propan
Butan
Pentan
Hexan
Heptan
Octan
Nonan
Decan
Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel
CnH2n.
Alkene
Endung (Suffix): -en
H
H
C
C
Bsp.: Ethen H
Alkine
H
Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit der allgemeinen Summenformel
CnH2n-2.
Endung (Suffix): -in
Bsp.: Ethin H
C
C
H
Sind nicht kettenförmig, sondern ringförmig
aufgebaut. Sie können Einfach- bzw.
Mehrfachbindungen haben.
Cyclische KW
Präfix: CycloSuffix: -an, -en, -in (je nach Bindung)
H
H
Bsp.: Cyclohexan
Nomenklatur
(gesättigter
Kohlenwasserstoffe)
H
H
C
H
C
C
H
C
C
C
H
H
H
H
H
H
- längste Kohlenstoffkette → Stammname
- vor diesen Namen setzt man die Bezeichnung der
Seitenketten (Methyl-, Ethyl-, Propyl- usw.)
- gleiche Seitenketten werden durch Zahlwörter
(di-, tri-, tetra-, penta- usw.) zusammengefasst
- Seitenketten werden alphabetisch angeordnet
- C-Atome der Hauptkette werden so
durchnummeriert, dass die Verzweigungsstellen
möglichst kleine Zahlen erhalten → Zahlen werden
den Namen der Seitenketten vorangestellt
CH3
CH3
Bsp. Nomenklatur
(gesättigter
Kohlenwasserstoffe)
Nomenklatur
(ungesättigter
Kohlenwasserstoffe)
H3C CH
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH3
CH3
4-Ethyl-2,3-dimethylheptan
- Doppelbindung erhält die Endung –en, mit zwei
Doppelbindungen die Endung –dien usw..
- Dreifachbindung erhalten die Endung –in, mit zwei
Dreifachbindungen die Endung -diin usw.
- die Hauptkette muss die Mehrfachbindung
enthalten, die möglichst am Kettenanfang liegen soll
→ Zahl vor der Endung
-en bzw. –in gibt den Ausgangspunkt der
Doppelbindung an
- Verbindungen mit Doppel- und Dreifachbindungen
erhält die Doppelbindung die niedrigste Nummer
4-Methylhex-2-en
Bsp. Nomenklatur
CH3 CH2 CH
CH
CH
CH3
CH3
(ungesättigter
Kohlenwasserstoffe)
Isomerie
Konstitution:
Moleküle, die bei gleicher Summenformel
unterschiedliche Atomverknüpfungen haben.
E-Z-Isomerie (trans-cis-):
Die räumliche Anordnung der Substituenten an der
Doppelbindung ist verschieden.
Stellungsisomerie:
Verbindungen, die sich bei gleicher Summenformel
nur in der Stellung der funktionellen Gruppe im
Molekül unterschieden.
Konstitution
H3C CH2 CH2 CH3
C4H10
(Butan)
Isomerie
(Bsp.)
H
H3C
C4H10
(2-Methylpropan)
E/Z-Isomerie
H
C
CH3
H3C CH CH3
H3C
C
H
C
CH3
H
C
CH3
(Z)-But-2-en
(E)-But-2-en
Stellungsisomerie
H3C CH2 CH2 OH
C3H8O (Propan-1-ol)
OH
H3C CH CH3
C3H8O (Propan-2-ol)
radikalische
Substitution
Reaktion zwischen einem Alkan (gesättigte
Kohlenwasserstoffe) und einem Halogen.
Die Reaktion verläuft als Radikalkettenreaktion
nach drei Reaktionsschritten ab:
1. Startreaktion
2. Kettenfortpflanzung oder Kettenreaktion
3. Rekombination oder Abbruchreaktion
Substitution: (von lat. substituere ‚ersetzen‘)
Ersetzen von Atomen, Atomgruppen oder Molekülen
elektrophile
Addition
Bei dieser Reaktion werden mindestens zwei
Moleküle zu einem vereinigt, wobei eine
Mehrfachbindungen aufgespalten werden.
Reaktion zwischen ungesättigten KW (Alkene,
Alkine) mit Halogenen.
Addition (lat. addere hinzufügen)
An das C-Atom der Aldehydgruppe können Teilchen
mit „Elektronenüberschuss“ (z.B. in Form einer
negativen Partialladung) angelagert werden.
nukleophile
Addition
Reaktion zwischen einem Alkohol und einem Aldehyd
zu einem Halb- bzw. Vollacetal.
nukleophil (griechisch nukleos = Kern, philos = Freund)
Alkohole (Alkanole) sind Kohlenwasserstoffe mit
Hydroxy-Gruppe(n) (-OH) mit der allgemeinen
Summenformel CnH2n+1OH.
Alkohole
Endung (Suffix): -ol
H
Bsp.: Ethanol
H
C
C
H
HO
Bsp.: Ethandiol
H
OH
H
H
H
C
C
H
H
prim. Alkohol: C-Atom an dem die
Hydroxy-Gruppe gebunden ist mit
max. 1 C-Atom verbunden
prim., sek. und
tert. Alkohole
sek. Alkohol: C-Atom,an dem die
Hydroxy-Gruppe gebunden ist mit 2
C-Atom verbunden
tert. Alkohol: C-Atom an dem die
Hydroxy-Gruppe gebunden ist mit 3
C-Atom verbunden
OH
H
H
C
OH
H
CH3
H
C
OH
CH3
CH3
H3C
C
CH3
OH
Oxidation
prim., sek. und
tert. Alkohole
prim. Alk.
Aldehyden
sek. Alkohole
Carbonsäuren
Ketonen → X
tert. Alkohole → X
Aldehyde (Alkanale) sind Kohlenwasserstoffe mit
Aldehyd-Gruppe (-CHO) mit der allgemeinen
Summenformel CnH2n+1CHO.
Aldehyde
Endung (Suffix): -al
O
H3C
C
H
Bsp.: Ethanal
Aldehydnachweis
Ketone
Fehling’sche Probe:
- Kupfersulfat (blau) → Kupfer(I)-oxid (ziegelroter Nd.)
Silberspiegelprobe (Tollens’sche Probe):
- gelöste Silberionen werden zu Silber reduziert →
Silberspiegel am Reagenzglas
Ketone (Alkanone) sind Kohlenwasserstoffe mit
Keto-(Oxo-)Gruppe
(-CO-C-) mit der allgemeinen Summenformel
CnH2n+1COCmH2m+1.
Endung (Suffix): -on
O
Bsp.: Propanon H3C C CH3
Carbonsäuren (Alkansäuren) sind
Kohlenwasserstoffe mit Carboxyl-Gruppe(n)
(-COOH) mit der allgemeinen Summenformel
CnH2n+1COOH.
Carbonsäuren
Endung (Suffix): -säure
O
H3C C
OH
Bsp.: Ethansäure
Veresterung:
Carbonsäure + Alkohol → Ester + Wasser
O
Ester
C
R
funktionelle Gruppe: 1
O
R2
Nomenklatur:
Name der Säure + Name des Alkylrests des
Alkohols + Endung -ester
- zunehmende Priorität↓ bei der Benennung
funkt. Gruppen
Alkohol
Keton
Aldehyd
Carbonsäure
Ester
Allg.
Strukturformel
R-OH
R-CO-C-R‘
R-CHO
R-COOH
R-CO-O-R‘
Präfix-
-suffix
HydroxyOxoFormylCarboxy-
-ol
-on
-al
-säure
-ester
Es stehen Hin- und Rückreaktion miteinander im
chemischen Gleichgewicht.
- Verwendung des Gleichgewichtspfeils:
Gleichgewichtsreaktion
Bsp.:
chemisches Gleichgewicht:
Es werden pro Zeiteinheit genau so viele Moleküle
gespalten wie gebildet. Daher ist auf der Stoffebene
kein Stoffumsatz mehr zu beobachten.
Kohlenhydrate sind aus den Elementen Kohlenstoff,
Wasserstoff und Sauerstoff zusammengesetzt.
Anabolismus → Fotosynthese
Kohlenhydrate
Katabolismus → Zellatmung (Innere Atmung)
Stoffklasse organischer Verbindungen mit
mindestens einer Carboxylgruppe (–COOH) und
einer Aminogruppe (–NH2).
COOH
Aminosäuren
H2N C
H
R
Allg. Aufbau:
Aminosäureketten bilden Proteine.
Eine Peptidbindung (–NH–CO–) ist eine Bindung
zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und
der Aminogruppe einer zweiten Aminosäure.
Peptidbindung
Zwei Aminosäuren können unter Wasserabspaltung
zu einem Dipeptid kondensieren.
O
CH3
H
H3C
H2N
O
CH C
H3C
+
OH H2N
O H3C
CH C
→
OH
C
C
C
N
O
C
H
NH2
H
OH
+ H2O