Grundwissen Chemie für 8-10 NTG und 9 + 10 SG

Albrecht-Altdorfer Gymnasium
Regensburg
Foto: Christoph Goppel
Grundwissen Chemie
8-10 NTG
9 + 10 SG
Dieses Grundwissen basiert hauptsächlich auf dem Chemie-Grundwissen des
Christoph-Jacob-Treu Gymnasiums in Lauf, welches im Rahmen des SINUSProjektes erarbeitet und weiteren Projektgruppen zur Verfügung gestellt wurde.
Allen Beteiligten gilt an dieser Stelle ein herzliches DANKESCHÖN.
Zusätzlich wurden Diskussionsergebnisse der Fachschaft Chemie des AlbrechtAltdorfer Gymnasiums in die Datei eingearbeitet.
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
1
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
2
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
1
Naturwissenschaftliches
Arbeiten
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
Energie
8 NTG
9 SG
2
E
Aggregatzustände
kleinstes
Teilchen
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
3
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
3
Stoff
Einteilung der Stoffe
Mischen
Reinstoff
Stoff
Bei gleichen Bedingungen
(Temperatur, Druck):
immer gleiche Kenneigenschaften
(z.B. Farbe, Geruch, Geschmack,
Aggregatzustand, Schmelz- und
Siedetemperatur, Dichte)
Reinstoff
Gemisch
Trennen
Stoffgemisch
Keine konstanten Kenneigenschaften,
die Kenneigenschaften
ändern sich mit der
Zusammensetzung.
z.B.: Gold, Wasser, Traubenzucker
heterogen
homogen
verschiedene Stoffe erkennbar
einheitliches Aussehen
(z.B. Zigarettenrauch)
(z.B. Luft)
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
4
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Element
Verbindung
8 NTG
9 SG
4
Reinstoff
Einteilung der Stoffe
Reinstoff
Energie
Element
besteht aus nur einer
Atomart
Atom
z.B. Gold
Au
Verbindung
besteht aus verschiedenen
Atomarten in einem festen,
für die Verbindung charakteristischen Zahlenverhältnis
Molekül
Wasserstoff
H2
z.B. Wasser
H2O
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
5
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
5
Chemische Reaktionen sind
Stoff- und Energieumwandlungen.
Auf Teilchenebene sind sie gekennzeichnet durch:


Umgruppierung von Atomen
Trennung und Neubildung von chemischen
Bindungen
 erfolgreiche Teilchenzusammenstöße
Auf Stoffebene sind sie gekennzeichnet durch:
Änderung der Kenneigenschaften
Chemische Reaktion
z.B.
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
6
2 H2
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
+
O2
Energie
wird frei
2 H2O
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
6
Synthese:
A
+
z.B.: Wasserstoff
Grundtypen
chemischer Reaktionen
B
C
Sauerstoff
Wasser
Analyse:
C
z.B.:
A
Wasser
+
B
Wasserstoff
Sauerstoff
Umsetzung:
A
z.B.:
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
7
+
Wasser
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
B
Magnesium
C +
Wasserstoff
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Glimmspanprobe
Energie
D
Magnesiumoxid
8 NTG
9 SG
7
 Sauerstoff
Verbrennung in reinem Sauerstoff ist heftiger als in Luft
B: glimmender Holzspan glüht auf
Nachweisreaktionen
Knallgasprobe
 Wasserstoff
Wasserstoff in Kontakt mit Sauerstoff explosionsfähig
B: typ. pfeifendes Geräusch (Druckwelle) bei Entzündung
Kalkwasserprobe
 Kohlenstoffdioxid
Kohlstoffdioxid bildet in Kalkwasser (CalciumhydroxidLösung) schwer lösliches Salz (Calciumcarbonat =Kalk)
B: weißliche Trübung
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
Innere Energie Ei
exotherm
8 NTG
9 SG
8
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
Der gesamte Energievorrat im Inneren eines Systems ist dessen
innere Energie Ei. Einheit : 1 kJ (alte Einheit: kcal)
Energieabgabe bei einer chemischen Reaktion:
exotherme Reaktion (Ei < 0).
Energieaufnahme bei einer chemischen Reaktion:
endotherme Reaktion (Ei > 0).
exotherm
endotherm
8
System mit der
inneren
Energie Ei
endotherm
andere
Energieformen, z.B.
Wärme, el. Energie
Licht…
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
9
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
9
8 NTG
9 SG
Die Änderung der inneren Energie eines Systems bei
chemischen Reaktionen kann durch ein Energiediagramm
dargestellt werden.
Ei
Energiediagramm
Aktivierungsenergie EA
exotherme Reaktion
E1
Edukt(e)
frei werdende
Reaktionsenergie
ΔEi < 0
E2
Produkt(e)
Reaktionsverlauf
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
10
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
8 NTG
9 SG
10
Die Änderung der inneren Energie eines Systems bei
chemischen Reaktionen kann durch ein Energiediagramm
dargestellt werden.
Ei
Energiediagramm
endotherme Reaktion
E2
Produkte
Aktivierungsenergie EA
E1
aufgenommene
Reaktionsenergie
ΔEi > 0
Edukte
Reaktionsverlauf
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
11
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
8 NTG
9 SG
11
Ein Katalysator ist ein Stoff, der
 die Aktivierungsenergie herabsetzt
(durch einen anderen Reaktionsweg)
 dadurch die Reaktion beschleunigt und
 nach der Reaktion unverändert vorliegt.
Katalysator
Ei
Aktivierungsenergie EA
ohne Katalysator
E
Edukte
frei werdende
Reaktionsenergie
ΔEi < 0
Aktivierungsenergie
EA mit Katalysator
E
Produkte
Reaktionsverlauf
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Molekül
Energie
8 NTG
9 SG
12
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
12
Teilchen, die aus mindestens zwei Nichtmetall - Atomen
bestehen, werden als Moleküle bezeichnet.
Moleküle von Elementen bestehen aus gleichartigen
Atomen (Cl2, O2, N2, H2), Moleküle von Verbindungen aus
verschiedenartigen Atomen (NH3, H2O, CO2, CH4).
Beispiele:
Wasserstoffmolekül
Sauerstoffmolekül
Wassermolekül
Kohlenstoffdioxidmolekül
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
13
1
Salze
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
13
Salz
Kationen
Anionen
Salze:
Verbindungen aus Ionen
Kationen:
positiv geladene Ionen
Kationen und Anionen
Anionen:
negativ geladene Ionen
NaCl
Na+
Cl-
Atom-Ionen
z.B.: Na+, Ca2+, Cl
Cl-
Molekül-Ionen
z.B.: NH4+, SO42-, NO3-
NH4Cl
Atom-Ionen und Molekül-Ionen
NH4+
Ca(NO3)2
Ca2+
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
14
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Molekülformel
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
14
Die Verhältnisformel gibt Art
und Zahlenverhältnis der
Ionen in einem Salz (MetallNichtmetall-Verbindung) an.
Verhältnisformel
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
NO3NO3-
Die Molekülformel gibt an,
aus welchen und aus
wie vielen Atomen jeweils
ein Molekül (NichtmetallNichtmetall-Verbindung)
besteht.
8 NTG
9 SG
15
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
H2O2
C4H10
(Wasserstoffperoxidmolekül)
(Butanmolekül)
Energie
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften

n=3
 Modell nach Dalton
CaF2
8 NTG
9 SG
15
Daltonsche Atommodell
Masse
C-Atom 12u
H-Atom 1u
Atommodelle
NaCl
n=2
n=1
n=1
Atom als kompakte Kugel (z.B.: C-Atom, H-Atom).
Energiestufenmodell oder Quantenmodell



beschreibt den Aufbau der Atomhülle
Elektronen auf Energiestufen verteilt
eine Energiestufe kann von maximal 2n2 Elektronen
besetzt werden
 Energiestufenmodell
Orbital: Raum um den Atomkern, in welchem ein
 Orbitalmodell
Orbitalmodell: beschreibt die Atombindung:
Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist.

(ab 9 NTG / 10 SG)
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften

Energie
8 NTG
9 SG
16
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
jedes Orbital kann maximal mit zwei Elektronen
besetzt werden
Atombindung kommt durch Überlappung zweier
einfach besetzter Orbitale zustande
Molekülorbital
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
16
Atomhülle: Elektronen eAtomkern:
Neutronen n und Protonen p+
Atom
A
Z
Protonenzahl Z (Ordnungszahl)
definiert die Atomart.
X
(Lithium)
Neutronenzahl N
Nukleonenzahl A (Massenzahl)
3 p+, 4 n, 3 eKernladungszahl: Z= 3
A=Z+N
(= Ordnungs-, Elektronen-,
Protonenzahl)
Isotope unterscheiden sich in
Nukleonenzahl A: A=7
rel. Atommasse mA: 7 u
Neutronenzahl: N = 4
der Anzahl der Neutronen und haben daher eine
unterschiedliche Masse.
z.B.:
12
6
C und
14
6
C
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
17
11
Edelgasregel
(Oktettregel)
a) Bildung von Ionen
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
17
Edelgas-Atome besitzen acht Valenzelektronen.
(Ausnahme: Helium - 2 Valenzelektronen)
Teilchen mit acht/zwei Valenzelektronen sind besonders
stabil und somit reaktionsträge.
Bei einer chemischen Reaktion können Atome ein
Elektronenoktett/-duplett erreichen:
Bei der Reaktion von Metall und Nichtmetall entstehen dabei
+
Ionen:
Na  Na + 1e
Cl2 + 2e  2 Cl
Ionen entstehen
durch Aufnahme
oder Abgabe von
Elektronen.
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energi
e
8 NTG
9 SG
18
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
18
Wenn Nichtmetallatome miteinander reagieren findet keine
Ionenbildung statt, sondern es entsteht eine Atombindung durch
gemeinsames Nutzen eines Elektronenpaares.
bindendes
Elektronenpaar
Edelgasregel
(Oktettregel)
b) Bildung von Molekülen
 Atombindung
nicht bindendes
Elektronenpaar
Jedes Atom erreicht mit Hilfe der zusätzlichen Elektronen des
Bindungspartners den stabilen Edelgaszustand (Oktett/Duplett).
Bei einer Doppelbindung (Dreifachbindung) werden zwei (drei)
Elektronenpaare gemeinsam genutzt.
(kovalente Bindung /
Elektronenpaarbindung)
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
19
Ionenbindung
 Ionenbindung
 Metallbindung
 Atombindung
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
19
Jede chemische Bindung beruht auf der Wechselwirkung
(Anziehungs- und Abstoßungskräfte) zwischen positiven und
negativen Ladungen.
Chemische Bindung
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
positive
Teilchen
negative
Teilchen
20
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Metallbindung
Kationen
Anionen
Atombindung
Atomrümpfe
Atomkerne
Elektronen(gas)
Bindungselektronen
(delokalisierte
Elektronen)
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
20
Valenzstrichformeln enthalten Striche zur Symbolisierung
bindender und nicht bindender Elektronenpaare in Molekülen.
Die Valenzstrichformel erlaubt die Andeutung von
Bindungswinkeln. Es gilt stets die Edelgasregel.
Valenzstrichformel
(Strukturformel)
O
Beispiel Wassermolekül:
(O-Atom:
H
H
gewinkelt
Elektronenkonfiguration des Neonatoms,
H-Atom:
Elektronenkonfiguration des Heliumatoms)
Beispiel Kohlenstoffdioxidmolekül:
(C-Atom: Oktett, Hülle des Neonatoms
O-Atom: Oktett, Hülle des Neonatoms)
O C O
linear
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
21
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
21
9 NTG
10 SG
Elektronegativität



Elektronegativität EN
polare Atombindung
Eigenschaft der Atome, Bindungselektronen anzuziehen
Die EN hängt von der Kernladung und der Größe der Atome ab.
Die EN nimmt im PSE von links unten nach rechts oben zum Fluor
hin zu
Dipol:
+

H
Cl
kein
Dipol:
In einer polaren Atombindung zieht der Bindungspartner mit der
höheren EN die Bindungselektronen stärker an.
Dadurch entstehen Partialladungen.
Die Atombindung ist umso polarer, je größer die
Elektronegativitätsdifferenz EN ist.
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
22
1
Zwischenmolekulare
Wechselwirkungen
 Van der Waals WW
 Dipol-Dipol-WW
 Wasserstoffbrücken
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
8 NTG
9 SG
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
22
9 NTG
10 SG
NTG
10 SG
van der Waals WW

Anziehungskräfte zwischen spontanen und induzierten
Dipolen

steigen mit zunehmender Kontaktfläche und
Molekülmasse

wirken zwischen allen Molekülen (auch unpolaren)
Dipol-Dipol-WW

WW zwischen permanenten Dipol-Molekülen (z.B. HCl)
+

+

H F
Wasserstoffbrücken H F

sind besonders starke Dipol-Dipol-WW

sind bei geringer Molekülgröße die stärksten WW

kommen nur bei Wasserstoffverbindungen von
Stickstoff, Sauerstoff und Fluor vor.
23
1
Teilchenmasse
(Atom-, Molekül-, Ionenmasse)
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
23
8 NTG
9 SG
Die Masse eines Teilchens (Atom, Molekül, Ion) kann in
der Einheit Gramm g oder in der
atomaren Masseneinheit u angegeben werden.
Ein u ist definiert als der 12. Teil der Masse eines
12
Kohlenstoffatoms C.
1u  1,66  1024 g
1g  6,022  1023 u
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
9 SG
24
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
24
9 NTG
9 SG
Angabe der Quantität einer Stoffportion durch:
Masse m, Volumen V, Teilchenanzahl N, Stoffmenge n
Stoffmenge n
[n] = 1 mol
n(H2O) = 55,56 mol
V(H2O) = 1 l
m(H2O) = 1000g
o
Wasser (4 C)
N(H2O)  3,3510
(Teilchen)
1 Mol ist diejenige Stoffmenge, die aus 6,02210
besteht.
23
25
Teilchen
(Def.: 1 Mol ist die Stoffmenge einer Stoffportion, die aus ebenso vielen
Teilchen (Atomen, Molekülen, Ionen) besteht,
wie Atome in 12 g des Kohlenstoffatoms 12C enthalten sind)
1 mol entspricht 6,0221023 Teilchen
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
9 SG
25
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
n
m  Mn
m
m
n
mA
M
M
N
m
n


NA m A
V
V
Vm

Vm
N
Zusammenhang zwischen
Quantitäts- und
Umrechnungsgrößen
n
c
V
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
26
Energie
25
9 NTG
9 SG
Stoffmenge [mol]
Masse [g]
Atommasse [u]
g
Molare Masse [ mol
]
Volumen [L]
l
mol
Molares Volumen (Gase: 24,5
Teilchenanzahl
1
mol
23
NA Avogadrokonstante (6,02210
)
Konzentration [ mol
]
l
c
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
)
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
26
9 NTG
10 SG
Säure: Protonendonator
Saure Lösungen entstehen aus der Reaktion einer Säure mit H2O
enthalten mehr Oxonium- als Hydroxidionen(Beispiel: Salzsäure)
Säure - saure Lösung
+
-
n (H3O ) > n (OH )
neutrale Lösung
Base – basische / alkalische
Lösung
Neutrale Lösungen enthalten gleich viel Teilchen beider
Ionensorten:
+
-
n (H3O ) = n (OH )
Base: Protonenakzeptor
Alkalische Lösungen entstehen aus der Reaktion einer Base mit H2O
enthalten mehr Hydroxid- als Oxoniumionen:(Beispiel: NH3)
+
-
n (H3O ) < n (OH )
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
27
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
Säure
Chlorwasserstoff
Lösung: Salzsäure
 Magensäure
Wichtige Säuren
Salpetersäure
27
9 NTG
10 SG
Säure-Anion
--
HCl
HClaq
Chlorid
Cl
HNO3
Nitrat
NO3
-
 zur Düngerherstellung, Sprengstoffherstellung
Schwefelsäure
H2SO4
2-
Sulfat
SO4
H2CO3
Carbonat
CO3
H3PO4
Phosphat
PO4
 in Autobatterien; im sauren Regen
Kohlensäure
2-
 in Erfrischungsgetränken
Phosphorsäure
3-
 in geringen Mengen in Cola enthalten
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
28
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
28
Ist die wässrige Lösung von

Natronlauge
Natriumhydroxid NaOH
in Rohrreiniger,
Laugengebäck
Wichtige Laugen

Kalilauge
Kaliumhydroxid KOH
zum Abbeizen

Kalkwasser
Calciumhydroxid Ca(OH)2
CO2-Nachweis,
Kalkmörtel

Ammoniakwasser
Ammoniak (NH3)
Pferdemist, Haarfarbe,
Riechsalz
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
29
71
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Einer Protolyse ist eine chemische Reaktion, bei der
Protonen übertragen werden.
H3O + OH  2 H2O
+
Neutralisation
-
Bei der Reaktion äquivalenter Mengen einer starken Säure
mit einer starken Base bildet sich eine neutrale Lösung
(pH=7).
Säure + Base
z.B.: HCl + NaOH
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
29
9 NTG
10 SG
Bei einer Neutralisation findet ein Protonenübergang von
Oxonium-Ionen auf Hydroxid-Ionen unter Wasserbildung
statt:
Protolyse
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
9 NTG
10 SG
30
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
 Salz + Wasser
 NaCl + H2O
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
30
9 NTG
10 SG
Quantitatives Verfahren zur
Bestimmung einer unbekannten Konzentration
eines gelösten Stoffes (z.B. Säure) durch
schrittweise Zugabe einer Lösung bekannter
Konzentration (Maßlösung, z.B. Lauge)
bis zum Äquivalenzpunkt ÄP (zu erkennen an
der Änderung der Indikatorfarbe).
Säure-Base-Titration
Bürette
Am ÄP gilt für die Titration von Säuren und Basen:
+
-
n(H3O ) = n(OH )
zu bestimmende
Säurekonzentration
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
31
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
31
9 NTG
10 SG
Der pH-Wert ist ein Maß für die Oxoniumionen-Konzentration
einer wässrigen Lösung.
+
pH = - lg {c(H3O )}
Daher ist der pH-Wert auch ein Maß für den sauren, neutralen oder
basischen Charakter einer wässrigen Lösung.
pH - Wert
es gilt:
saure Lösung:
pH < 7
neutrale Lösung: pH = 7
basische Lösung: pH > 7
pH-Skala; Färbung mit Universalindikatorlösung:
Salzsäure,
Cola
destilliertes Wasser
Natronlauge
c  1 moll
c  1 mol
l
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
Oxidation und Reduktion
32
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
Oxidation:
Abgabe von Elektronen
(Oxidationszahl steigt)
Reduktion:
Aufnahme von Elektronen
(Oxidationszahl sinkt)
9 NTG
10 SG
Oxidationsmittel:
nimmt Elektronen auf und wird dabei selbst reduziert
Reduktionsmittel:
gibt Elektronen ab und wird dabei selbst oxidiert
Redoxreaktion:
chemische Reaktion, bei der Elektronen übertragen
werden.
32
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
33
71
Elektrolyse
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Elektrolyse:
Redox-Reaktion wird durch Zufuhr von elektrischer Energie
erzwungen
Elektrolyse
Galvanisches Element
Ei > 0
ZnI2  Zn + I2
Energie
9 NTG
10 SG
34
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Ei < 0
Zn + I2  ZnI2
erzwungen
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
33
Galvanisches Element:
Redox-Reaktion setzt elektrische Energie frei.
Batterie
(galvanisches Element)
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
9 NTG
10 SG
freiwillig
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
9 NTG
10 SG
34
Fast alle chemischen Reaktionen können als DonatorAkzeptor-Reaktionen beschrieben werden.
Donator-Akzeptor-Prinzip
 Protolyse-Reaktion: Protonen werden übertragen
 Redox-Reaktion:
 Protolyse-Reaktion
 Redox-Reaktion
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
Donator
Akzeptor
Säure
Base
Reduktionsmittel
Oxidationsmittel
ProtolyseReaktion
Redox - Reaktion
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Elektronen werden übertragen
10 NTG
10 SG
35
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
35
Homologe Reihe:
Reihe von chemisch verwandten Verbindungen, bei denen jedes
Molekül eine CH2 - Gruppe (Methylengruppe) mehr aufweist als
das vorhergehende Molekül.
Beispiel Alkane: Methan
Hexan
Ethan
Heptan
Propan
Octan
Butan
Nonan
Pentan
Decan
Homologe Reihe
Allgemeine Summenformeln:
Homologe Reihe der Alkane: CnH2n+2
Homologe Reihe der Alkene: CnH2n
Homologe Reihe der Alkine: CnH2n-2
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
36
71
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
10 NTG
10 SG
Die funktionellen Gruppen bestimmen das
Reaktionsverhalten der organischen Verbindungen.
Alkene
C
Funktionelle Gruppen
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
C
Alkohole
O
H
Carbonylverbindungen
(Aldehyde und Ketone)
O
C
Doppelbindung
Hydroxygruppe
Carbonylgruppe
funktionelle Gruppen
Alkine
C
Carbonsäuren
C
OH
Carboxygruppe
Amine
H
O
O
C
Dreifachbindung
Ester
N
C
O
Esterbindung
H
Aminogruppe
36
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
37
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
37
Isomerie
gleiche Summenformel,
aber verschiedene Verbindungen
Isomerie
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
Gerüstisomerie
10 NTG
10 SG
38
Stereoisomerie
unterschiedliche Verknüpfung
der Atome
Unterschiedliche Anordnung
der Atome im Raum
z.B.:
z.B.: E/Z - Isomerie an
Doppelbindungen
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
38
Das Prinzip der Donator-Akzeptor-Reaktionen kann auch
auf Elektronenpaare angewendet werden.
Elektrophile Teilchen haben ein Elektronendefizit, sind
also positiv geladen oder polarisiert.
Nucleophile Teilchen haben einen Elektronenüberschuss,
sind also negativ geladen oder polarisiert. Sie haben immer
mindestens ein freies Elektronenpaar
Elektrophil - Nukleophil
(Donator-Akzeptor-Prinzip)
Organische Reaktionsmechanismen werden oft nach dem
angreifenden Teilchen benannt, z.B. elektrophile Addition.
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
39
71
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
Organische Verbindungen mit Einfachbindungen (Alkane,
Alkohole, Halogenalkane) haben die Tendenz zu
Substitutionsreaktionen:
39
9
Zum Beispiel: Radikalische Substitution bei den Alkanen
Organische Reaktionstypen I
H
C
C
H +
Br Br
Lichtenergie
H
C
C
Br +
H
Br
Organische Verbindungen mit Mehrfachbindungen (Alkene,
Carbonyle) gehen tendenziell Additionsreaktionen ein:
Zum Beispiel: elektrophile Addition bei den Alkenen
C
C
+
Br Br
C
C
Br Br
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
40
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
40
Kondensationsreaktion:
zwei Moleküle verbinden sich miteinander unter
Abspaltung eines kleinen Moleküls (z.B. H2O)
Organische Reaktionstypen II
Hydrolyse:
Spaltung einer Verbindung durch Reaktion mit Wasser
O
R1
C
O
Kondensation
O H
+
H O
R2
R1
C
O R2 + H2O
Hydrolyse
Carbonsäure + Alkohol
Ester + Wasser
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
41
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
41
42
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
42
Redoxverhalten der
organischen
Sauerstoffverbindungen
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
Fehlingsche Probe:
Eine alkalische wässrige Lösung von Kupfer-(II)-sulfat wird bei
vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu rotem Kupfer(I)-oxid
(Cu2O) reduziert (ziegelroter Niederschlag).
Ketone reagieren nicht.
Nachweisreaktionen für
Aldehyde
Silberspiegelprobe
Hier werden Silber(I)-Ionen einer ammoniakalischen
Silbernitratlösung (Tollens Reagens) bei vorsichtigem Erhitzen
durch Aldehyde zu metallischem Silber (Silberspiegel) reduziert.
Ketone reagieren nicht.
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
43
67
1
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
43
9
Monosaccharide sind entweder Polyhydroxyaldehyde
oder Polyhydroxyketone.
Glucose
(Traubenzucker)
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
10 NTG
10 SG
Zum Beispiel:
Biomoleküle
Kohlenhydrate I
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Energie
10 NTG
10 SG
44
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Fructose
(Fruchtzucker)
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
44
Disaccharide und Polysaccharide
Monosaccharide werden (unter Wasserabspaltung) durch glycosidische
Bindungen zu Disacchariden oder Polysacchariden verknüpft.
Biomoleküle
Kohlenhydrate II
Disaccharide (z.B. Maltose, Saccharose):
CH2OH
CH2OH
O
H
H
OH
H
H
OH
O
H
H
H
HO
O
HO
OH
H
CH2OH
Saccharose
Polysaccharide (z.B. Stärke, Cellulose):
CH2OH
H H
OH
H
H
O
H
OH
O
H
H
OH
H
CH2OH
OH
H H
O
CH2OH
H H
OH
H
O
H
H
O
OH
O
H
H
OH
H
OH
H H
O
CH2OH
Cellulose
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
45
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
45
Aminosäuren (2-Aminocarbonsäuren; -Aminocarbonsäuren)
Biomoleküle
Aminosäuren
O
C
H2N
Aminogruppe
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
46
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
C
OH Carboxygruppe
H
R Rest
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
46
Proteine:
Aminosäuren werden durch Kondensationsreaktionen zu Ketten
verknüpft. Dabei entstehen Peptidbindungen.
Biomoleküle
Proteine
Peptidgruppe


Primärstruktur: Reihenfolge der AS-Bausteine (AS-Sequenz),
Sekundärstruktur: Räumliche Struktur, die durch
Wasserstoffbrücken zwischen Peptidgruppen bewirkt wird;
meist -Helix oder -Faltblatt.
Tertiärstruktur: Räumliche Anordnung der Helix- bzw.
Faltblattstruktur
Quartärstruktur: Räumliche Anordnung mehrerer Polypeptid-Ketten
im Gesamtprotein.



Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
47
71
Stoff-Teilchen
Gleichgewicht
Donator-Akzeptor
Struktur-Eigenschaften
Energie
10 NTG
10 SG
47
Fette sind Ester aus Glycerin (Propantriol) und Fettsäuren.
Biomoleküle
Fette
H
H
C
O
H
OH + C17H33 - COOH
H
C
O
C
O
C17H33
Ölsäure
H
C
OH + C H - COOH
3 7
Buttersäure
H
C
O
C
O
C3H7
H
C
OH + C17H35 - COOH
H
C
O
C
C17H35
H
Stearinsäure
Glycerin
Fettsäuren
+ 3 H2O
H
Fett
Wasser