Allgemeine und anorganische Chemie I

Allgemeine und anorganische
Chemie I
Chemie für Studierende des
Lehramtstudiengangs Grund-,
Haupt- und Realschule:
Schwerpunkt Grundschule
WS 2007/2008 12.11.2007
Silke Klos
Elke Sumfleth
Silke Klos Allgemeine und Anorganische Chemie I ♦ WS 2007/08
Rückblick - Atomodelle
Atomkern enthält:
positiv geladene Protonen
nicht geladene Neutronen
Atomhülle enthält:
- negativ geladene Elektronen
-
besteht aus „Elektronenschalen“
Modell eines Sauerstoffatoms
Atome sind nicht geladen
Anzahl Elektronen = Anzahl Protonen = Kernladungszahl =
Ordnungszahl
Silke Klos Allgemeine und Anorganische Chemie I ♦ WS 2007/08
Rückblick - Atomodelle
o
o
o
o
Elektronen umkreisen den
Kern in festen Abständen um
den Atomkern
jede „Elektronenschale“
entspricht einer bestimmten
Energiestufe
je Energiestufe können nur
eine bestimmte Anzahl
Elektronen aufgenommen
werden
maximale Besetzung einer
Schale ist 2n2
(n = Nummer der Schale)
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Rückblick - PSE
o
o
o
Einteilung in Hauptgruppen (Elementfamilien)
– gleiche Anzahl an Elektronen auf der
äußeren Schale
Einteilung in Perioden
– gleiche Anzahl an Elektronenschalen, die
mit mindestens einem Elektron besetzt
sind
Einteilung nach Ordnungszahlen
– steigende Protonenzahl
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Rückblick - PSE
o
o
o
o
Der metallische Charakter eines Elements
nimmt von rechts nach links und von oben nach
unten zu
Metalle: links unten / Nichtmetalle: rechts oben
Die Reaktivität der Metalle nimmt von links nach
rechts und von oben nach unten zu
Die Reaktivität der Nichtmetalle nimmt von
rechts nach links und von unten nach oben zu
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Übungen
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Welches Symbol hat Calcium?
Mit welchem Element könnte man es leicht
verwechseln?
Wie viele Elektronen hat es?
Wie viele Valenzelektronen hat es?
In welcher Schale befinden sich die Valenze.?
Wie viele Neutronen hat es?
Ist es ein Metall?
Wie viele Neutronen hat Lithium?
Wie reaktiv ist es?
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Silke Klos Allgemeine und Anorganische Chemie I ♦ WS 2007/08
Übungen
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Welches Symbol hat Calcium?
Mit welchem Element könnte man
es leicht verwechseln?
Wie viele Elektronen hat Kalium?
Wie viele Valenzelektronen hat es?
In welcher Schale befinden sich die
Valenzelektronen?
Wie viele Neutronen hat es?
Ist es ein Metall?
Wie viele Neutronen hat Lithium?
Wie reaktiv ist es?
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Ca
Kalium
19
1
N
20
ja
4
mittelmäßig
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Vom Atom zur Verbindung
Warum sind die Edelgase so reaktionsträge?
Sie liegen in einem stabilen Zustand vor.
Charakteristisch daran ist die volle Besetzung der
Valenzschale mit 8 Elektronen.
‚Oktettregel‘ ‚Edelgaskonfiguration‘, Edelgasregel,
Elektronenoktett, Achterschale (Kossel, Lewis)
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Vom Atom zur Verbindung
o
Wie erreichen Atome ohne voll besetzte
Valenzschale eine stabile Elektronenanordnung?
– durch Eingehen von chemischen Bindungen
– dadurch entstehen Verbindungen
o
In Verbindungen besitzen alle ‚Atome‘ ein
Elektronenoktett !
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Vom Atom zur Verbindung
o
Zur Erinnerung: Metalle - wenige Außenelektronen
– Sie geben die Elektronen der äußeren Schale ab.
Übrig bleibt die mit Elektronen voll besetzte darunter
liegende Schale. Sie entspricht der Elektronenkonfiguration des Edelgases in dieser Schale.
Beispiel:
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Vom Atom zur Verbindung
o
Nichtmetalle - wenige Außenelektronen
– Sie nehmen Elektronen auf die äußere Schale auf.
Es entsteht die Elektronenkonfiguration des
folgenden Edelgases in dieser Schale. Beispiel:
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Übungen
o
Die Elektronenkonfiguration welchen
Edelgases bildet Brom aus?
o Wie viele Elektronenschalen hat Lithium,
wenn es eine stabile
Elektronenkonfiguration hat?
o Warum hat es keine acht Elektronen?
o Welche Elektronenkonfiguration bildet
Wasserstoff aus?
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Übungen
o
Die Elektronenkonfiguration
welchen Edelgases bildet
Brom aus?
o Wie viele Elektronenschalen
hat Lithium mit einer stabilen
Elektronenkonfiguration?
o Warum hat es keine acht
Elektronen?
o Welche
Elektronenkonfiguration bildet
Wasserstoff aus?
o
Krypton
o
1
o
auf der K-Schale haben nur
zwei Elektronen Platz
o
Helium
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Die chemische Bindung
Bindungsarten:
o Ionenbindung
– Elektronenübergang von einem Atom zum
anderen
– Metall-Nichtmetall-Verbindungen (Salze)
o kovalente Bindung (Elektronenpaarbindung)
– Bildung gemeinsamer Elektronenpaare
– Nichtmetall-Nichtmetall-Verbindung (Moleküle)
o Metallbindung
– Außenelektronen werden abgegeben
(Elektronengas)
– Metall-Metall-Verbindung
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Ionenbildung
o
Elemente mit wenigen Elektronen auf der Außenschale
geben diese ab
⇒ Bildung von positiv geladenen Ionen (Kationen)
o
Elemente mit einer fast vollen Außenschale, nehmen
Elektronen auf, um diese zu vervollständigen
⇒ Bildung von negativ geladenen Ionen (Anionen)
o
Abgabe von Elektronen ist nur möglich, wenn diese
von anderen Reaktionspartnern aufgenommen werden
können
⇒ Elektronenübergang (Redoxreaktion)
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Ionenbildung
Elektronenübertragung
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Ionenbildung
o
Ionisierungsenergie
– benötigte Energie zur Abspaltung eines
Elektrons aus einem Atom
– nimmt von links nach rechts in einer Periode
zu, weil
– die Kernladung von l. nach r. zunimmt und
dadurch die Elektronen stärker angezogen
werden
– nimmt von oben nach unten ab, weil
– die Elektronen unten weiter vom Kern
entfernt sind und dadurch die
Anziehungskraft geringer wird
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Ionenbildung
o
Elektronenaffinität
– frei werdende Energie bei der Aufnahme
eines Elektrons zur Ausbildung der
Achterschale
– nimmt von links nach rechts zu und von
oben nach unten ab
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Ionenbindung
o
o
o
o
o
o
o
positiv und negativ geladene Ionen ziehen sich
gegenseitig an
Anziehungskräfte wirken in alle Raumrichtungen
negativ geladene Ionen sind von positiv geladenen
umgeben und umgekehrt Æ Bildung eines Ionengitters
bei der Bildung des Ionengitters wird Energie freigesetzt
zur Zerstörung des Ionengitter muss diese Gitterenergie
wieder aufgewendet werden
bei Ionenverbindungen kann man nur das Zahlenverhältnis der enthaltenen Ionen angeben, aber man kann nicht
sagen, welche benachbarten Ionen zusammen gehören
daher spricht man hier NICHT von Molekülen!!!
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Ionengitter
Bautyp eines Ionenkristalls hängt von Radius und Ladung der
Ionen ab, z.B. kann ein Ion mehrer kleinere entgegengesetzt
geladene Ionen um sich lagern als gleich große oder größere
Natriumchlorid
-Gitter
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Molekülbildung
o
Elemente mit einer fast vollen Außenschale
(Nichtmetalle), nehmen Elektronen auf, um
diese zu vervollständigen
o
Ist das zweite Element ebenfalls bestrebt,
Elektronen aufzunehmen, ‚teilen‘ sich beide
Elemente zwei Elektronen, die zwischen den
Atomen lokalisiert sind
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Molekülbildung
Fluoratom
Fluoratom
Fluormolekül
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
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F2
Übung
Wasserstoffatom
Schwefelatom
Wasserstoffatom
Schwefelwasserstoffmolekül
H
S
H
H
S
H
H
S
H
H
S
H
H
S
H
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H2S
Kovalente Bindung
o
zwei Atome tragen jeweils ein Elektron zu
einem gemeinsamen Elektronenpaar bei
o das dazukommende Elektron wird genutzt,
um das Elektronenoktett zu
vervollständigen
o über das gemeinsame Elektronenpaar
findet die Bindung der Atome statt
o das negativ geladene Elektron des einen
Atoms wird vom positiv geladenen Kern
des anderen Atoms angezogen
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Kovalente Bindung
o
bei der Bindungsbildung wird Energie
freigesetzt
o zur Zerstörung einer Bindung muss Energie
wieder aufgewendet werden
o jede Molekülverbindung hat ein
charakteristisches Atomzahlenverhältnis
o andere Bezeichnungen sind:
– Elektronenpaarbindung
– Atombindung
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Molekülverbindungen
Beispiele
Atom A + Atom B ˆ Molekül AB
Atome C + 2 Atome B ˆ Molekül CB2
Atom A + Atom A ˆ Molekül A2
Modelldarstellung
Molekül AB
Molekül CB2
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Molekül A2
Metallbindung
o
o
o
o
o
Elemente mit wenigen Elektronen auf der Außenschale
geben diese ab
Sind keine Reaktionspartner vorhanden, bleiben diese
Elektronen frei beweglich als ‚Elektronengas‘ zwischen
den Atomrümpfen
Metalle bestehen aus einer dichtesten Kugelpackung
aus positiv geladenen Atomrümpfen
Die Elektronen bewegen sich frei dazwischen und sind
keinem Atomrumpf zugeordnet
Die Bindung erfolgt durch Anziehung der Elektronen
durch alle benachbarten Atomrümpfe
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Metallgitter
Die Atomrümpfe der Metalle sind in Kugelpackungen
zusammengesetzt. Welcher Bautyp gebildet wird ist
abhängig von der Größe der Atomrümpfe der Zahl
freier Elektronen und der Umgebungstemperatur.
kubisch-raumzentrierte Kugelpackung des Lithiums
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Struktur-Eigenschaft-Beziehungen
Metall-Nichtmetall NichtmetallNichtmetall
Metall-Metall
Bezeichnung
Salze
Moleküle
Metalle
Bindungstyp
Ionenbindung
Atombindung
Metallbindung
Differenz der EN
groß
klein
sehr klein
Freie
Beweglichkeit
Kern – nein
Elektronen - nein
Kern – nein
Kern – kaum
Elektronen - nein Elektronen - ja
Aggregatz. bei RT fest
f. – fl. – g.
fest
Verformbarkeit
nein
unterschiedlich
ja
Siedetemp.
sehr hoch
unterschiedlich
hoch
elek. Leitfähigkeit
nein
nein
ja
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Verbindungsbildung
o
o
o
o
o
o
Die Bildung einer Verbindung stellt immer eine
chemische Reaktion dar
Dabei wird eine stabile Elektronenanordnung in den
Valenzschalen aller beteiligten Atome erreicht
Wie viele Elektronen bei jedem Element an der
Reaktion beteiligt sind, gibt die Wertigkeit an
Sie sagt aus, wie viele Wasserstoffatome durch das
Element ersetzt werden oder wie viele an das Element
gebunden werden können
Dadurch wird das Verhältnis bestimmt, in der die
Edukte miteinander reagieren - die Stöchiometrie
Sie spiegelt sich im Reaktionsschema wider
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Bindigkeit (Wertigkeit) der Elemente
FAUSTREGEL!
1
2
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3
4
3
2
1
0
Aufstellen von Reaktionsgleichungen
o
Reaktionsgleichungen
Da bei einer Reaktion kein Teilchen dazu kommt oder
verschwindet, muss links vom Reaktionspfeil in Summe
das gleiche stehen wie rechts.
„Halbe“ Teilchen / Moleküle gibt es nicht, deswegen
muss die Stöchiometrie so ausgeglichen werden, dass
nur ganze Zahlen vor und innerhalb der Formeln
stehen
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Aufstellen von Reaktionsgleichungen
Reaktion von Magnesium mit Salzsäure
SalzMagnesium +
säure
Mg + 2 HCl
Magnesiumchlorid + Wasserstoff
MgCl2
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+
H2
Aufstellen von Reaktionsgleichungen
CalciumSalzcarbonat + säure
CaCO3 + 2 HCl
Calcium- Kohlenstoff- Wasser
+
chlorid + dioxid
CaCl2 +
CO2
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+ H2O
Übungen zu Reaktionsgleichungen
Übung: Was entsteht?
H2 + O2 → ?
2 H2 + O2 → 2 H2O
H 2 + N2 → ?
3 H2 + N2 → 2 NH3
H2 + F2 → ?
H2 + F2 → 2 HF
H2 + C → ?
2 H2 + C → CH4
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