NTB Druckdatum: 31.03.13 MWC I CHEMIE FÜR INGENIEURE Aufbau der Materie Stofflehre Stoffeinteilung Stoffe Verbindung [NaCl, NH3] Reine Stoffe Homogene Stoffe (einheitliche Partikelsorte) (1 Phase) Homogene Gemische Heterogene Gemische [Benzin, Rauch] Elemente (uneinheitliche Patrikelsorte) (1 Ordnungszahl) (≥2Phasen) ( > 1 Ordnungszahl) Reinelement [9Be, 19F] (1 Nuklid = Isotop) Mischelement [12C, 1H, 2H] ( >1 Isotop) Heterogene Gemische Hauptbestandteil flüssig Suspension (Farbe, Schlamm) {Sedimentation, Zentrifugieren, Filtrieren} Emulsion (Milch, Kosmetika) {Zentrifugieren, Trennung mit Scheidetrichter} fest fest Gemenge (Granit, Sand) {Sortieren, Sieben, Extraktion} gasförmig Aerosol (Rauch) [Sedimentieren, elektrostatische Trennung] Kolloide, Gele nano (Schmiermittel) Aerosol (Nebel, Schaum) {Verdampfen} {Sedimentieren} Thyndall-Effekt Physikalische Trennverfahren Heterogene Gemische Homogene Gemische Extrahieren: Herauslösen einer Phase mit Hilfe einer Flüssigkeit Sortieren: Grösse, Farbe, Dichte oder Magnetismus Kristallisation: unterschiedliche Löslichkeit Sedimentieren und Dekantieren: Absetzen der festen Phase Destillation: unterschiedliche Siedepunkt Filtrieren: feinporigen Filter Abdampfen: Verdampfen der flüssigen Phase Atomaufbau & Atommodelle flüssig Kern Atom (Nukleonen) Hülle Neutron n° neutral 1.675*10-24g ≈ 1u Proton p+ positiv 1.673*10-24g ≈ 1u Elektron e- negativ 9.109*10-28g ≈ 1/2000u Massenzahl Ordnungszahl Anzahl der Atome Ionenladung Radioaktivität Vorkommen Strahlungsarten -Strahlung -Strahlung -Strahlung „ungünstiges“ Verhältnis von M Z n x = Nukleonenzahl ( = Kernladungszahl ( ) , bzw. ) = Oxidationszahl (+ oder -) im Kern ( ) Ordnungszahl ab 84 (Polonium) Atomzerfall durch Abspaltung von bis zum Polonium Abspaltung eines Elektrons aus einem Neutron Bildung eines neuen Protons Energieintensive Röntgenstrahlung (Licht); Starke Durchdringung der Materie Marcel Meschenmoser Dozent: Samuel Affolter Seite 1 von 13 NTB Bohr‘sches Atommodell max. Elektronenzahl Schale (Energiestufe) Formel: Druckdatum: 31.03.13 Orbitale (je 2 ) Q 2 1s P 8 1s, 3p O 18 1s, 3p, 5d N 32 M 50 L 72 K 98 MWC I Bohr‘sches Atommodell 1s, 3p, 5d, 7f Q P O N M L K Energiestufenmodell (Beispiel Na) p p p d d d d s ● M p p p ● ● ● ● ● ● s ● ● L s ● 1 2 3 4 5 6 7 ● K / / / / / / / / (+) / / / / / / / Kern Wellenmechanisches Atommodell Hybridisierung von C-Atomen („Mischen von Orbitalen“) vorher nachher Regeln: Energieprinzip: Jedes Elektron versucht den energieärmsten Zustand einzunehmen. Pauli-Prinzip: In einem Atom können zwei in ihren Quantenzahlen n, l, m und s nie völlig übereinstimmen. Hund’sche Regel: Jede Orbitalsorte mit definierter Quantenzahlkombination n, l, n strebt zuerst die Halbbesetzung mit parallelem Spin (s=s+1/2) an. Elektronenkonfiguration (bestimmt Eigenschaftsbild) 3 = Schalennummer Na s = Orbitaltyp 1 = Anzahl Marcel Meschenmoser Dozent: Samuel Affolter Seite 2 von 13 NTB Druckdatum: 31.03.13 MWC I PSE (Periodensystem der Elemente) Massendefekt (Die Masse des Kern ist geringer als die Masse seiner Kernbausteine.) Beim Zusammenschluss von zu einem Kern wird ein kleiner Teil in Energie verwandelt. Nutzung: Leichte Kerne verschmelzen (Kernfusion): Sonne, Fusionsreaktor, Wasserstoffbombe Schwere Kerne spalten (Kernspaltung): Kernkraftwerke, Atombombe Oktettregel – Edelgasregel Das Bestreben, eine Elektronenkonfiguration mit 8 Elektronen in der äusserten Schale einzunehmen. Stoffmenge [mol] Relative Atommasse Stoffmenge (unit) molare Masse 1u = 1.66*10 -24 g aus PSE Masse Avogadro-Konstante Chemische Bindung Beispiel Stoff Elektronen Van der Waals-Kräfte Elektronenverschiebung Ethanol 26 gleich 3.5 - 2.5 Ladungsverteilung Polarität Dipol-/Dipol-Kräfte Aktive und passive Stellen H-Brücken Siedepunkt Marcel Meschenmoser Dimethyleter 26 gleich 3.5 + 2.1 + unsymmetrisch polar ja 1 aktive; 2 passive 3 höher + + 2.5 2.5 unsymmetrisch polar ja 0 aktive; 2 passive 0 tiefer Dozent: Samuel Affolter Seite 3 von 13 NTB Druckdatum: 31.03.13 MWC I Chemische Bindungen Elemente Beispiele Metallbindung Metall-Metall Metalle (Legierungen) Elektronengas-Modell Ionenbindung Metall – Nichtmetall Salze Kristallgitter Kovalente Bindung = Atombindung= paarbindung Nichtmetall-Nichtmetall Moleküle ( Lewis-Strichformel Molekül-Orbital-Theorie Modell Tetraedermodell Struktur Einfach-Doppel-Dreifach-Bindungen Bausteine Gitterkräfte Atomrumpf normal Legierungen Anionen + Kationen elektrostatische Anziehung stark Metall + NMe Kation + Anion + + elektrostatische Kraft Energie- Bindungskräfte Van der Walls-Kräfte (schwach) liegen immer vor Ladungen elektr. Feldkonstante im Vakuum: mehr , m oder A mehr V.d.W Moleküle Nebenbindungen schwach Dipol-Dipol-Kräfte (mittel) 1. Molekülanordnung 2. EN mit - und (höhere EN = -) 3. D./D.-Kräfte unpolar: polar: Wasserstoffbrücken (stark) 1. aktive Stellen (H an N, O, F) 2. passive Stellen ( paare bei N, O, F) wenn D.D. vorhanden Eigenschaften Konstante: Löslichkeit (Aufbrechen des Gitters) elektrische Leitfähigkeit keine 2 Kriterien: Lösungsmittel = starker Dipol, min. 1 Ionenart einfach geladen ->Coulomb im flüssigen Zustand leitfähig eher schlechter elektr. Leiter hart, spröde bei Schlag (da sich + zu + begibt -> Abstossung) Dichte gut, frei bewegliche < bei Erwärmung (Schwing.) gut besser je weniger hoch Siedepunkt relativ hoch hoher Schmelzpunkt Verformbarkeit Marcel Meschenmoser Dozent: Samuel Affolter 10kJ/mol 20kJ/mol 50kJ/mol sofern Nebenbindungen vorhanden: Mischbarkeit: (Regel: Ähnliches mischt sich mit Ähnlichem 2xunpolar oder 2x polar = gut, unpolar mit polar = schlecht Nichtleiter kaum elektr. Leiter sehr weich weich sehr hart niedr. Schmelzpunkt niedr. Schmelzpunkt sehr hoher Schmelzpunkt Seite 4 von 13 NTB Druckdatum: 31.03.13 MWC I Chemische Formeln Oxidation Begriff Abspaltung von Elektronen aus Molekülen; Chemische Reaktion mit Sauerstoff zu Verbindungen Regeln Hauptgruppe entspricht meist der Oxidationszahl Elemente, Verbindungen immer = 0 Wasserstoff +1,-1 Elektronegativere Atom ist negativ geladen Elemente aus der Mitte einer Verbindung werden durch Bilanzieren ermittelt Nomenklatur anorganische Salze Moleküle Kationen: Anionen: Wasserstoffverb. (Anionen) Kohlenstoffmonoxid bei Übergangsmetalle (einige) mehratomig (-id) mit Nichtmetallen Kohlenstoffdioxid Oxidationszahl eingeben Hydroxid-Ion Hydrogenfluorid Schwefeldioxid Ausnahme: Cyanid-Ion Hydrogenchlorid Schwefeltrioxid Rhodanid-Ion Hydrogencyanid Ammonium Sauerstoffsäuren Sauerstoffhaltige-verb. z.B. Kupfer(I)-Ion 1=mono (kleine Oxidz. -at/grosse -it) Kohlensäure Kupfer(II)-Ion 2=di Salpetersäure Eisen(III)-Ion Carbonat-Ion 3=tri Phosphorsäure Anionen: Nitrat-Ion 4=tetra Schwefelsäure einatomig (-id) Nitrit-Ion 5=penta Perchlorsäure Nitrid-Ion Phosphat-Ion 6=hexa Essigsäure Oxid-Ion Sulfat-Ion 7=hepta Salze Sulfid-Ion Acetat-Ion 8=octa Natriumchlorid Fluorid-Ion Perchlorat-Ion 9=nona Magnesiumoxid Chlorid-Ion 10=deka Lithiumhydroxid Bromid-Ion Kalziumchlorid Iodid-Ion Stöchiometrie Ausgangsstoffe (Edukte) reagieren zu g fl, l f, s aq Endstoffe (Produkte) Es gehen keine Atome und Masse „verloren“. Koeffizienten müssen ganzzahlig sein. Aggregatzustände der Materie Wärme (Energie) verdampfen kondensieren grosser Abstand fast keine Anziehung verteilt sich im Raum Gasgleichung sublimieren resublimieren Flüssigkeit erstarren schmelzen Feststoff sehr kleiner Abstand regelmässig schwer teilbar schwer verformbar Lösung: Homogene Mischung von Stoffen in einem Lösungsmittel Löslichkeit abhängig von Wechselwirkungen Marcel Meschenmoser p Druck V Volumen R Gaskonst Gas kleiner Abstand geringe Anziehung leicht teilbar leicht verformbar gasförmiger Stoff flüssiger Stoff (liquid) Festkörper (solid) in Wasser gelöster Stoff (aquatisiert) Viskosität: Mass für die Dickflüssigkeit Stoffmengenkonzentration amorphe Struktur: nicht regelmässig Profil: isotrop Beispiel: Glas Masseanteil Dozent: Samuel Affolter Stoffmenge Volumen Flüssigkristalline regelmässig antisotrop Kunststoffe Masse von X Gesamtmasse Seite 5 von 13 NTB Druckdatum: 31.03.13 MWC I Chemische Reaktionen Thermodynamik Elemente Freie Enthalpie, Triebkraft einer Reaktion Enthalpie, Wärmehaushalt Energie, System Umwelt Entropie, Unordnung, mehr Teilchen, mehr Ordnung Verbindungen Phasenübergänge Tabelle Tabelle Tabelle wird grösser Wärme T Freie Enthalpie Temperatur Edukt Aktivierungsenergie Aktivierungsenergie Produkt Edukt negativ positiv Produkt t t spontan ablaufender Prozess nach überwinden von ablaufend Berechnung Marcel Meschenmoser Reaktion erreicht Gleichgewicht durch dauernde Energiezufuhr durch dauernde Energiezufuhr laufend laufend läuft ab läuft nicht ab exotherm System gibt Energie ab mehr Ordnung, kleinere Unordnung entropiegesteuert endotherm System nimmt Energie auf weniger Ordnung, grössere Unordnung enthalpiegesteuert Dozent: Samuel Affolter Seite 6 von 13 NTB Kinetik Reaktionsgeschwindigkeit v 0. Ordnung Druckdatum: 31.03.13 MWC I 1. Ordnung 2. Ordnung 1.Typ t 2.Typ t Reduktion auf 1. Ordnung Abbau des Alkohols im Blut Zerfall radioaktiver Isotopen Additionen, Kondensationen Aktivierungsenergie Funktion Aufbrechen von chem. Verbindungen; Bildung von Zwischenprodukten nachhelfen Aktivierungsenergie selbstablaufend Geschwindigkeitskonstante Aktivierungsfaktor universelle Gaskonstante T Reaktionstemperatur pro doppelte Geschwindigkeit Katalyse Katalysator Inhibitor/Stabilisator beschleunigen die Reaktion, vermindert die Aktivierungsenergie, verzögert die Reaktion werden nicht verbraucht, verändert chem. Gleichgewicht nicht erhöht die Aktivierungsenergie heterogene Katalyse homogene Katalyse min. 2-phasige Lösungen einphasige Lösungen Autoabgaskatalysator, Polymerisation Alkoholabbau im Körper Chemisches Gleichgewicht (reversible(=umkehrbar) Reaktionen) Gleichgewicht Ein chemisches Gleichgewicht stellt sich ein! Dauer ist abhängig von: Reaktionsgeschwindigkeit Gleichgewichtskonstante Konzentrationen und Temperatur T und Druck p Änderungen Hinreaktion Änderung Gleichgewicht verschiebt sich zu exotherm Temperaturerhöhung -> Edukte mehr Gasteilchen (Volumenteile) Druckerhöhung -> Edukte Massenwirkungsgesetz MWG allgemeine Reaktion Konzentration von Feststoffen = 1 für Lösungen Gleichgewichtskonstante Gleichgewichtskonstante Konzentration für Gasmischungen Koeffizienten Partialdruck Zusammenhang von und Marcel Meschenmoser K bleibt K variiert Dozent: Samuel Affolter Konzentration Temperatur, Druck Seite 7 von 13 NTB Druckdatum: 31.03.13 MWC I Chemie wässriger Lösungen Lösevermögen von Wasser gegenüber Salzen 1. 2. Aufbrechen des Kristallgitters Wechselwirkung Löslichkeitsprodukt Lösungswärme = + Hydratationsenthalpie Gitterenergie von Salzen Massekonzentration pro L Löslichkeit Komplexverbindungen 2- OH Zn OH OH OH Zentralatom, -ion Zn meist Metall, positiv geladen Liganden OH meist Nichtmetall, negativ geladen Koordinationsstruktur tetraedrisch geometrische Umgebung Koordinationszahl 6 Anzahl verbundene Atome/Ionen Anlagerungskomplexe (Komplexe mit starke zwischenmolekulare Kräfte) 1. Hydratisierung 2. Ligandaustausch Chelatliganden (können sich an mehreren Koordinationsstellen anbinden) z.B. (Ethylendiamin-tetraacetat); Hämoglobin (roter Blutfarbstoff) Eigenschaften: verdrängt einfach gebundener Ligand vollständig, extrem stabil Säuren und Basen Säuren Basen Protonendonatoren, polare H-X-Bindung Protonenakzeptoren, freie Elektronenpaare Ampholyt: sowohl Säure als auch Base z.B. Wasser Stäre von Säuren und Basen Säurenstärke keine Säure schwache Säure starke Säure Basenstärke starke Base Säuren sauer schwache Base Neutralpunkt neutral keine Base Laugen, Basen basisch, alkalisch pH-Wert 0 1 7 14 1 Ampholyt Wasser Marcel Meschenmoser Dozent: Samuel Affolter Seite 8 von 13 NTB pH-Titration (Tröpfchen für Tröpfchen) Druckdatum: 31.03.13 MWC I Wendepunkt: Rasanter Sprung bei pH 7 Puffer Säure/Base Lösung, die der pH Wert kaum verändert. z.B. Hahnenwasser, Körperflüssigkeiten Redox-Reaktionen Vorgang Oxidation Reduktion Frühere Definition Aufnahme von Sauerstoff Abgabe von Sauerstoff Heutige Definition Elektronen-Abgabe Elektronen-Aufnahme Beispiele Redoxvorgang = gekoppelte Oxidation und Reduktion (= Elektronenübertragungsreaktionen) Redox-Paar Reduktionsmittel Oxidationsmittel Oxidation Reduktion Redoxreaktion Oxidationszahlen (EN-negativeres Ion bezieht Ladungserhalt, Masseerhalt Einzeichnen Reduktion ) Oxidation Sprengstoffe Eigenschaften rasch zersetzen Wärme freigeben erhebliche Gasmengen produzieren Brennstoff und Sauerstoff zusammen Formale Trennung in Halbreaktionen Magnesium verbrennt mit einer weissen Flamme reale arabische Ziffern zugeordnete römische Ziffern Gleiche Ladung und Masse auf beiden Seiten der Reaktion Oxidationsmittel: (läuft Reduktion) Reduktionsmittel: (läuft Oxidation) Brennstoffquelle Sauerstoffquelle Explosion Zündquelle Sprengstoffe Ammoniumnitrat Nitroglyzerin Trinitrotoluol (TNT) Schwarzpulver Marcel Meschenmoser Kaliumnitrat Schwefel, Kohle Temperaturentwicklung gering Mischung mit ca. 10% Heizöl flüssig extrem reibungs- und schlagempfindlich Festkörper handhabungssicher, stossunempfindlich hohe Zündempfindlichkeit günstig Dozent: Samuel Affolter Seite 9 von 13 NTB Druckdatum: 31.03.13 MWC I Unedle und edle Metalle Ein Metall ist umso edler, je schwerer das Metall seine abgibt, je leichter seine Kationen aufnehmen Daniell-Element hochohmiges Kurzgeschlossene Zelle Spannungsmeter Reaktion läuft unkontrolliert ab. Anode Kathode Unedleres Metall Edleres Metall Minuspol Pluspol Anode Kathode Ort der Oxidation Ort der Reduktion Pluspol Minuspol PRIMO Pluspol = Reduktion Keine Reaktion I… Da hochohmiges Minuspol = Spannungsmeter Oxidation Ionenbrücke Oxidation Reduktion Redoxreaktion freie Enthalpie Anzahl übertragener Faraday-Konstante Potentialdifferenz bei Standartbedingungen Reaktionsquotient der Redoxreaktion Elektrolyse (Erzwungene Redox-Reaktion) Gleichstromquelle „Elektronenpumpe“ Ort der Oxidation Anode Kathode Ort der Reduktion KNAP Kathode = Negativ Anode = Positiv Oxidation Reduktion Redoxreaktion Marcel Meschenmoser Dozent: Samuel Affolter Seite 10 von 13 NTB Druckdatum: 31.03.13 Galvanisieren (Abscheidung von Metallen auf leitfähigen Oberflächen) Gleichstromquelle „Elektronenpumpe“ Kupferanode Metallelektrode Anode Kathode Ort der Oxidation Ort der Reduktion MWC I Ladungsmenge Abgeschiedene Stoffmenge des Metalls in M Zahl der verschobenen Elektronen Chemische Reaktionen Auflösungsreaktion Reaktionstypen Löslichkeit Fällungsreaktion Komplexbildungsreaktion Komplexe Ligandaustausch Säure-Base-Reaktionen (Proton-Übertragung) Redox-Reaktion (Elektronen-Übertragung Korrosion Definition Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, meist elektrochemisch Bedingungen Kontaktierung verschiedener edler Metalle mit unterschiedlichem Potential lokal unterschiedliche Konzentrationen von metall-kontaktierenden Stoffen, z.B. Sauerstoff Lokalelemente Dabei bilden sich in meist wässerigen Lösungen sog. Lokalelemente, kurgeschlossene Zellen, deren Elektrodenoberflächen sehr klein sind. Batterien Marcel Meschenmoser Dozent: Samuel Affolter Seite 11 von 13 NTB Druckdatum: 31.03.13 MWC I Organische Chemie Chemie der Kohlenstoffverbindungen, nur Nichtmetalle Eigenschaften geringe Wärmebeständigkeit schwache kovalente Bindungen Flüchtigkeit / Geruch, tiefer Schmelz- und Siedepunkt zwischenmolekulare Kräfte klein Brennbarkeit Gruppen Funktionelle Gruppen Methan Ethan Propan Butan Alkane Benzin, Heizöl Cyclische Alkane Pentan … -an Cyclo-… gute zwischenmolekularen Wechselwirkungen …-en Nachweis von C-Doppelbindungen mit …-in kein C=C-Doppelbindungscharakter Alkine Ethylen PE, PP Acetylen Aromaten Benzol, Tuluol Halogenierte Kohlenwasserstoffe Chloroform FCKW PVC, PTFE Ether Diethyleter Alkohole (wasserlöslich) Ethanol H-Brücken Reaktivität gegenüber Oxidationsmittel Aldehyde Riechstoffe: z.B. Zimtaldehyd Ausgangsstoff für Phenol-Formaldehyd-Harte PF Monomer von Polyoxymethylen POM Alkene Ketone (Carbonyle) Carbonsäuren (wasserlöslich) instabil: ursprünglich wirksam gegen Insekten langsam biologisch abbaubar, zerstören Stratosphäre Substitutionsreaktion: Austausch eines H-Atoms Aceton Methyl-Ethyl-Keton Cyclohexanon Ameisensäure, Essigsäure, Zitronensäure Bedeutung als Lösungsmittel schwache Säuren Ester Essigsäure-ethylester Veresterung: Kondensation, Herstellung von KS Amine (wasserlöslich) Ammoniak Methylamin 1.6-Diaminohexan Fisch-Geschmack Basen, können Protonen aufnehmen es müssen nicht unbedingt H am N sein assymetrische C-Atome chiral Aminosäuren ZwitterIon: Amide Polyamid, Proteine Isocyanate Nitrile Polyacrylnitril Marcel Meschenmoser Herstellung von synthetischen Polyamiden Ausbildung von Proteine Ausgangsstoff für Polyurethan Dozent: Samuel Affolter Seite 12 von 13 NTB Modelle Molekülformel Summenformel Druckdatum: 31.03.13 Konstitutionsformel Strukturformel Valenzstrichformel H H H H H C C C C H MWC I Strukturformel räumlich Keilstrichformel HH HH H C C C H C H H H H Kurzschreibweise C als Punkt ohne H HH HH Isomere Konformations-Isomere Konstitutions-Isomere 1-Buten HH H C H C C H HH 2-Buten H HH H C C C H C HH H H C Sesselform Wanneform Konfigurations-Isomere cis-trans Isomere cis-2-Buten trans-2-Buten Chiralität (optische Aktivität) =Molekül, das mit seinem Spiegelbild nicht zur Deckung gebracht werden kann. C-Atom mit 4 unterschiedlichen Substitutionen Reaktionstypen Addition Substitution Elimination Kondensation 2 Stoffe reagieren zu einem neuen Stoff Austausch eines Substituenten Abspaltung eines Moleküls 2 Stoffe reagieren unter Bildung eines leichtflüssigen Stoffes, meist Wasser Marcel Meschenmoser Dozent: Samuel Affolter Seite 13 von 13