1 Grundlagen

1 G RU ND LAG E N
11. Klasse Heft 1
Maximilian Ernestus
September/Oktober 2007
Chemie 11. Klasse Heft 1
1
1. Chemische Elemente
Elemente haben allgemein folgende Eigenschaften:
sie sind
❖
nicht weiter zerlegbar
❖
individuell/unverwechselbar
❖
Teil eines Ganzen
In der Chemie sind Elemente Grundstoffe, die sich nicht weiter zerlegen lassen. Jedes
chemische Element wird mit einem Symbol abgekürzt, das sich vom Namen (oft auch
dem griechischen/lateinischen Namen) ableitet.
z.B.
NAME
SYMBOL
URSPRUNG
Wasserstoff
H
„Hydrogenium“
Sauerstoff
O
„Oxygenium“
Jod
I
„Iod“
Schwefel
S
„Sulfur“
Magnesium
Mg
„Magnesia“ „Magnetsein“
Eisen
Fe
„Ferrum“
In der Natur kommen Elemente so gut wie nie „alleine“ vor, sondern sehr häufig in Verbindung mit anderen Elementen.
DEFINITION:
CHEMISCHE
VERBINDUNG
Chemische Verbindungen sind reine Stoffe, die aus zwei oder mehr Elementen in einem
bestimmten Verhältnis zusammengesetzt sind.
Beispiel:
Verhältnis
HO
H2O
2:1
Wasser
Verbindungen lassen sich grundsätzlich in die beteiligten Elemente zerlegen.
Chemie 11. Klasse Heft 1
2
DEFINITION:
CHEMISCHE
REAKTION
Chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungen, bei denen sich aus Ausgangsstoffen
neue Stoffe mit neuen Eigenschaften bilden. Die Stoffumsetzungen sind Immer auch von
Energieumsetzungen (Wärme, Licht) begleitet. Chemische Reaktionen sind umkehrbar,
das heißt man kann sie unter bestimmten Bedingungen rückgängig machen.
2. Das Teilchenmodell
3. Mischungen und Trennverfahren
4. Grundgesetze chemischer Reaktionen
V1: REAKTION
VON
SCHWEFEL
UND
EISEN
Ein fein zermörsertes Gemisch aus Eisenpulver (28g) und Schwefel (16g) wurde in ein Reagenzglas gefüllt und mit einem Korken so verschlossen, dass keine Luft mehr zwischen
Korken und Gemisch war. Alles zusammen wog 51g. Das Reagenzglas wurde waagerecht
in ein Stativ eingeklemmt und erhitzt. Nach dem ersten Aufglühen wurde der Brenner
entfernt und die Reaktion fand von alleine statt.
Beobachtung:
Es ist eine neue Verbindung entstanden: ein leicht zu zerbröselnder, grauer Feststoff mit
völlig neuen Eigenschaften:
❖
kein Magnetismus
❖
nicht brennbar
❖
bei Reaktion mit Salzsäure -> übel-riechendes Faulgas: Schwefelwasserstoff H2S
Reaktionsgleichung
Fe
+
S
->
FeS
Eisen
+
Schwefel
->
Eisensulfid
) G E S E T Z VO N D E R E R H A LT U N G
( L AV O I S I E R 1 7 8 5 )
A
DER
MASSE
Lavoisier führte chemische Reaktionen durch und wog die eingesetzten Stoffe davor und
danach, wobei er sicherstellte, dass kein Reaktionsteilnehmer entweichen konnte. Ergebnis: die Masse blieb immer gleich. Gesetzt von der Erhaltung der Masse:
Chemie 11. Klasse Heft 1
3
Bei jeder chemischen Reaktion ist die Masse
der Ausgangsstoffe (Edukte) gleich der Mass der Produkte.
Eine Einschränkung für dieses Gesetzt gibt es seit Albert Einstein 1905 folgenden Zusammenhang erkannte:
E = m·c2
Energie = Masse · Lichtgeschwindigkeit2
Das bedeutet, dass bei jeder chemischen Reaktion, bei der Energie frei wird, Masse verloren geht. Allerdings ist dieser Massenverlust in der Regel so gering, dass er auch mit
den besten Waagen nicht gemessen werden kann.
) G E S E T Z D E R KO N S TA N T E N P RO P O RT I O N E N
(LOIS JOSEPH PROUT 1799)
B
28g Eisen (Fe)
+
16g Schwefel (S)
->
44g Eisensulfid (FeS)
56g Fe
+
32g S
->
88g FeS
100g Fe
+
32g S
->
88g FeS; 44g Fe
56g Fe
+
50g S
->
88g FeS; 18g S
Es ist egal, welche Mengen Fe bzw. S man einsetzt; sie verbinden sich immer in einem
bestimmten Massenverhältnis; nämlich 4:7. Nimmt man mehr Schwefel, bleibt Schwefel
übrig, nimmt man mehr Eisen, bleibt Eisen übrig.
Untersucht man andere Verbindungen, so kann man die gleiche Beobachtungen machen.
Für jede Verbindung gibt es ein typisches Massenverhältnis der Elemente, aus der sie aufgebaut sind.
Jedes Element hat eine bestimmte Masse. Um Massen zu vergleichen, muss man eine definierte „Stoffportion“ betrachten. Diese definierte Stoffportion ist in der Chemie das
Mol. Ein Mol eines Elementes oder einer Verbindung enthält immer eine bestimmte Anzahl von Teilchen und hat eine bestimmte Molmasse, die man in Tabellen nachschlagen
kann.
Wir können also schreiben:
56g Fe
+
32g S
->
88g FeS
1 (mol) Fe
+
1 (mol) S
->
1 (mol) FeS
(1) Fe
+
(1) S
->
(1) FeS
Fe
+
S
->
FeS
Chemie 11. Klasse Heft 1
4
) GESETZ
C
D E R M U LT I P L E N
PROPORTIONEN
Manche Elemente können sich auch in unterschiedlichen Massenverhältnissen verbinden:
z.B.
14g Stickstoff (N2) und 16g Sauerstoff (O2) ergeben 30g Stickstoffmonoxid (NO)
14g Stickstoff (N2) und 32g Sauerstoff (O2) ergeben 46g Stickstoffdioxid (NO2) (=Lachgas)
Offenbar wird zur Herstellung von Lachgas zwei mal so viel Sauerstoff benötigt wie zur
Herstellung von Stickstoffmonoxid.
Gesetz der multiplen Proportionen (Dalton 1803)
Bilden zwei Elemente mehrere Verbindungen miteinander, so stehen die Gewichtsverhältnisse zueinander im Verhältnis ganzer Zahlen.
5. Die Atomhypothese von Dalton
1) In Lavoiser‘ s Elementbegriff finden mehr Elemente Platz als in dem der Antike. Außerdem berücksichtigt das modernere System die Tatsache, dass ein Element mehrere
Aggregatzustände haben kann.
2)
a)
❖
Jedes Element besteht aus unzerteilbaren Atomen.
❖
Die Atome eines Elements haben alle die gleiche Masse.
❖
Atome können weder vernichtet noch erzeugt werden.
❖
Bei chemischen Reaktionen werden die Atome neu verknüpft.
b) Die Anzahl der Atomarten ist gleich mit der Anzahl der verschiedenen Elemente.
Chemie 11. Klasse Heft 1
5
3)
a) Wenn man von einer chemischen Reaktion mit zwei Edukten ausgeht, so kann man
beispielsweise sagen, man hat vom ersten Edukt drei Atome mit der Masse x und vom
zweiten Edukt vier Atome mit der Masse y. Nun wird immer
3x + 4y = 3x + 4y
gelten. Unabhängig von der Größe von x oder y. Die Atome werden ja lediglich neu angeordnet und ändern nicht ihre Masse.
b) In der vierten Kernaussage des Daltonischen Atommodells wir erwähnt, dass sich
Atome nur in bestimmten Anzahlverhältnissen verknüpfen können. Das bedeutet, die
Masse der Atome muss in einem bestimmten Verhältnis vorkommen um sich zu verbinden. Wie groß die Masse ist spielt keine Rolle - ob sie aus drei Atomen oder 10g Atomen besteht.
Die Masse eines einzelnen Atoms ist so gering, dass man sie nicht durch Wiegen bestimmen kann; statt dessen erstellt man einen „Zylinder“, der die Höhe von einem Atom hat.
Man kann aus dessen Volumen und Radius die Höhe errechnen welche dem Durchmesser
eines Atoms entspricht.
Die atomare Masseneinheit u.
1 u ≙ 1,66 · 10-24g
Jedes Atom eines Elements hat die selbe Masse. Die Atommasse kann man in Tabellen
nachlesen.
1 H-Atom wiegt 1u
1 O-Atom wiegt 16u
1 S-Atom wiegt 32u
Wenn sich zwei Atome verbinden, entsteht ein Molekül (Bsp.: H2O – 2 H-Atome und 1
O-Atom verbinden sich zum H2O Molekül).
Die Masse eines Moleküls ist gleich der Summe der Atommassen, also ist die Masse des
H2O Moleküls 18 u.
Chemie 11. Klasse Heft 1
6
6. Stoffmenge und Teilchenzahl
MERKE:
1. Ein Mol eines Stoffes enthält immer 6 · 1023 Teilchen.
2. Die Atommasse bzw. Molekülmasse ist zahlenmäßig der selbe Wert wie die Masse (in
Gramm) eines Moles.
Beispiel zu 2.:
Atommasse Schwefel (S): 32 u -> 1 Mol Schwefel wiegt 32 Gramm
Atommasse Eisen (Fe): 56 u -> 1 Mol Eisen wiegt 56 Gramm
Atommasse H2: 2u -> 1 Mol H2 wiegt 2 Gramm
Jedes dieser „Mole“ enthält 6 · 1023 Teilchen.
WAS
SAGT EINE CHEMISCHE
REAKTION
AUS
?
Fe + S -> FeS
qualitative Aussage: Eisen reagiert mit Schwefel zu Eisensulfid.
quantitative Aussage:
1mol Fe
+
1mol S
->
1mol FeS
6 · 1023 Fe-Atome
+
6 · 1023 S-Atome
->
6 · 1023 FeS
32g S
+
56g Fe
->
88g FeS
Fe und S verbinden sich in FeS im Teilchenverhältnis 1:1
Chemie 11. Klasse Heft 1
7
Na + H2O -> NaOH + ½ H2
qualitative Aussage: Natrium reagiert mit Wasser zu Natriumhydroxid.
quantitative Aussage:
2mol Na
+
2mol H2O
->
2mol NaOH
12 · 1023 Na
+
12 · 1023 H2O
->
12 · 1023 NaOH
46g Na
+
36g H2O
->
80g NaOH
+
H2
+ 6 · 1023 H2
+
2g H2
Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2
qualitative Aussage: Magnesium reagiert mit Salzsäure zu Magnesiumchlorid und Wasserstoff
quantitative Aussage:
1mol Mg
+
2mol HCl
->
1mol MgCl2
+
H2
6 · 1023 Mg-Atome + 12 · 1023 HCl-Moleküle -> 6 · 1023 MgCl2 Moleküle + 6 · 1023 H2
46g Na
+
36g H2O
->
80g NaOH
+
2g H2
1mol Fe2O3 und 1mol Aluminium reagieren miteinander zu 1mol Aluminiumoxid (Al2O3)
und 1mol Fe.
a) Wie lautet die Reaktionsgleichung?
Fe2O3
+
2Al
->
Al2O3
+
2Fe
b) Wie viel Gramm der Edukte müssen jeweils eingesetzt werden, wenn die Edukte
vollständig miteinander reagieren sollen?
160g Fe2O3
+
Chemie 11. Klasse Heft 1
54g Al
->
102g Al2O3
+
112g Fe
8
7. Das Gesetz von AVOGADRO (1776 - 1856)
Wenn man die Spaltung bzw. Synthese von Wasserstoff betrachtet kann man feststellen,
dass H2 und O2 immer im Volumenverhältnis 2:1 entstehen bzw. zu Wasser reagieren. Interessanterweise entspricht das Atomanzahl-Verhältnis in der Verbindung Wasser genau
diesem Volumenverhältnis von 2:1 (H2O1).
Wenn man die Synthese von Wasser bei > 100°C durchführt, liegt das entstehende Wasser gasförmig (als Wasserdampf) vor.
Man kann dessen Volumen bestimmen und kommt zu folgendem Ergebnis:
2 Liter H2
+
1 Liter O2
->
2 Liter H2O
Wenn man über das Gewicht dieser Gase nun deren Teilchen bestimmt, stellt man folgendes fest:
Sie reagieren im Molverhältnis:
2mol H2
+
1mol O2
->
2mol H2O (als Wasserdampf)
Daraus lässt sich folgern, dass gleiche Volumina gasförmiger Stoffe bei gleichem Druck
und gleicher Temperatur gleich viele Teilchen enthalten.
= Gesetz von AVOGADRO
Ein Mol eines gasförmigen Stoffes nimmt unter Normalbedingungen ein Volumen von
2,4l ein; man nennt dies auch das Molvolumen.
1) 2mol Wasserstoff (H2) und 1mol O2 reagieren zu 2mol Wasser. Wie viel Liter Gas reagieren miteinander? Wie viel Liter Wasserdampf entstehen?
2H2
+
O2
->
2H2O
44,8l
+
22,4l
->
44,8l
2) 1000 ml Wasser wiegen 1000g.Wie viel mal so groß ist das Volumen von Wasserdampf
im Vergleich zu flüssigem Wasser?
1mol fl. H2O wiegt 18g -> 18ml H2O (flüssig)
1mol gasf. H2O -> 22400ml H2O (gasf.)
Das Volumen von Wasserdampf ist 1200 Mal so groß wie das von flüssigem Wasser.
Chemie 11. Klasse Heft 1
9
3) Welches Volumen nehmen 32g gasförmiger Schwefel ein?
Es handelt sich um 1mol Schwefel, da seine Atommasse 32u ist.
32g Schwefel Gas nehmen ein Volumen von 22,4l ein.
8. Das Periodensystem der Elemente (PSE)
Chemie 11. Klasse Heft 1
10