Chemische Verbindungen - FST

Fachschule für Technik
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Chemie Grundlagen
Stoffe
Eisen, Sauerstoff, Schwefelsäure, Benzin, Luft
Reine Stoffe
Eisen, Sauerstoff, Schwefelsäure, Benzin
Chemische Elemente
Chemische Verbindungen
Eisen, Sauerstoff
Schwefelsäure, Benzin, Zucker
Stoffgemische
z. B. Luft
Metalle
Nichtmetalle
Anorganische
Verbindungen
Organische
Verbindungen
Eisen
Sauerstoff
Schwefelsäure
Benzin
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Chemische Verbindungen
Oxide
Säuren
Basen
Laugen
bestehen aus einem Element und
Sauerstoff
(Kohlendioxid,
Kalziumoxid, Aluminiumoxid).
geben positive Wasserstoff-Ionen
(Protonen) ab (Schwefelsäure,
Salzsäure, Salpetersäure).
nehmen
positiv
geladenen
Wasserstoff
(Protonen)
auf
(Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid,
Kalziumhydroxid).
sind in Wasser gelöste Basen
(Natronlauge,
Kalilauge,
Kalziumhydroxid).
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Chemische Reaktion
Bei chemischen Reaktionen werden Stoffe
[die Ausgangsstoffe oder Edukte]
unter Abgabe oder Aufnahme von Reaktionswärme in andere Stoffe
[ Endstoffe oder Produkte] umgewandelt.
Aus "Stoff A" (z.B. Kupfer) und "Stoff B" (Schwefel)
wird ein neuer "Stoff C“. (Kupfersulfid)
Dies stellt der Chemiker in einem Reaktionsschema dar:
Kupfer
+
Schwefel
Kupfersulfid
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"Kupfer und Schwefel reagieren zu Kupfersulfid„
Edukte,
Reaktionsprozess,
Produkt
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Bei der Reaktion selbst wandeln sich chemische Stoffsysteme in neue
Stoffsysteme um.
Dabei wird entweder Energie frei
(exotherme Reaktion)
- ∆HR
oder Energie verbraucht
(endotherme Reaktion)
+ ∆HR .
Der Reaktionsprozess unterliegt einem Zeitfaktor.
Die Änderungen, die dabei in einer bestimmten Zeitspanne
auftreten, bezeichnet man als Reaktionsgeschwindigkeit.
Damit eine chemische Reaktion überhaupt anläuft,
ist in der Regel Aktivierungsenergie
oder
Das Vorhandensein eines Katalysators notwendig.
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Reaktionstypen
Es existieren verschiedene Typen von Reaktionen.
Die Analyse { Stoffzerlegungen } und die Synthese {Stoffvereinigung}
Bei der Analyse: Wasser
Wasserstoff + Sauerstoff
( Umkehrbare Reaktion )
entstehen aus chem. Verbindungen chem. Elemente oder einfachere Verbindungen.
Zu dieser Art von Reaktionen gehören die Reduktionen und in der organischen Chemie die
Eliminierungsreaktionen.
Die Buchstaben in den Beispielen stehen für Atomsorten
(ohne Berücksichtigung der Anzahl):
Beispiele:
Wasser
Wasserstoff
AB
Kupferacetat
ABCD
A
Kupfer
A
+
Sauerstoff
+
B oder:
+
+
Essigsäure
BCD
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Bei Stoffvereinigungen (Synthesen) entstehen aus
„chemischen Elementen“ ---- „chemische Verbindungen“
oder aus
---„höhere Verbindungen“.
„Verbindungen“
Hierzu zählen die Oxidationen, (z.B. die Sulfid Reaktionen )
und in der organischen Chemie die Additionsreaktionen.
Beispiele:
Kupfer
+
A
Schwefel
+
Kupfersulfid
B
AB
Kohlenstoffdioxid + Wasser
AB
+
CB
Kohlensäure
ABC
Bei Stoffumsetzungen werden Atome oder Atomgruppen ausgetauscht, z.B.
in der anorg. Chemie bei den Redoxreaktionen:
Eisenoxid
B
+ Aluminium
+
C
Eisen
A
+ Aluminiumoxid
+
BC
In der organischen Chemie bei den. Substitutionsreaktionen
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Chemische Gesetze
Bei chemischen Reaktionen gilt das Gesetz der Erhaltung der Masse.
Dieses Gesetz wurde von dem französischen Chemiker Antoine
Lavoisier (1743-1794) und dem russischen Naturforscher Michail
Wassiljewitsch Lomonossow (1711-1765) formuliert: Das Gesetz der
Massenerhaltung
Gesetz der Massenerhaltung
"Nichts wird bei den Operationen
künstlicher oder natürlicher Art geschaffen,
und es kann als Axiom angesehen werden,
dass bei jeder Operation eine gleiche
Quantität Materie vor und nach der
Operation existiert".
Antoine Lavoisier
Dabei berücksichtigten sie allerdings nicht, dass bei einer
chemischen Reaktion die Masse auch minimal abnehmen
kann, während Energie in die Umgebung abgegeben
wird.)
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Der französische Chemiker Joseph Louis Proust (1754-1826) formulierte als erster
das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse: der konstanten Massenverhältnisse:
Gesetz der konstanten Massenverhältnisse
In einer chemischen Verbindung sind die Atome stets in
einem bestimmten Massenverhältnis enthalten. Bei einer
chemischen Reaktion reagieren die beteiligten Stoffe
stets in typischen, konstanten Massenverhältnissen.
Joseph Louis Proust
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Volumengesetz von Gay-Lussac
Der französische Physiker und Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)
formulierte das Volumengesetz:
Gase reagieren stets in
Volumenverhältnissen kleiner ganzer
Zahlen:
H2 und Chlor im Verhältnis
1:1
HCl
H2 und Sauerstoff im Verhältnis
2:1
H2O
H2 und Stickstoff im Verhältnis
(H3N)
NH3
3:1
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Satz des Avogadro
Der Italiener Amedeo Avogadro (1776-1856) stellte auf der Grundlage dieser
Erkenntnisse diese Hypothese auf:
In einem bestimmten Gasvolumen sind bei
gleichen äußeren Bedingungen (Druck,
Temperatur) immer gleich viele zählbare
Einheiten (Teilchen) enthalten, unabhängig
um welches Gas es sich handelt.
Die als Satz des Avogadro bekannte Aussage
besagt, dass in einem Liter Wasserstoff,
Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserdampf gleich
viele Wasserstoff-, Stickstoff, Sauerstoff,Wasser- oder Hexan Moleküle enthalten sind.
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Gleiche Volumina idealer Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem
Druck die gleiche Anzahl Teilchen oder 1 mol eines jeden idealen Gases besitzt
bei gegebener Temperatur und gegebenem Druck dasselbe Volumen.
Das bedeutet, dass Unterschiede in der molekularen Struktur (beispielsweise H2,
He, H2O, C6H6, keinen Einfluss auf das Volumen haben, solange es sich um ein
ideales Gas handelt.
Natürlich haben gleiche Volumina unterschiedlicher Gase aber
unterschiedliche Massen, weil die Teilchen, aus denen sie bestehen,
unterschiedliche Massen haben.
Bestimmt man in einem Experiment das Volumen von 2g H2, 28g N2 oder 32g O2,
erhält man bei einem Druck von:
p = (101,325Pa) 1013,25 mbar und einer Temperatur von T=273,15K oder θ= OoC
(Normzustand)
jeweils das molare Volumen eines idealen Gases mit 22,414 l/mol ( l.mol-1)
Umgekehrt kann man auf diese Weise natürlich auch die molare Masse (oder
Molmasse) einer Substanz bestimmen. So wiegen 22,414 l Ethen-Gas im
Normzustand 28g .
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Also beträgt die Molmasse von Ethen 28 gmol-1.
Wenn 1mol eines jeden (idealen) Gases dasselbe Volumen besitzt,
dann muss das molare Volumen eines jeden Gases gleich viele
Moleküle enthalten – insgesamt 6,022 . 1023 Stück.
Diese Zahl heißt Avogadro-Konstante NA=6,022 . 1023 mol.
Aus der Avogadro-Konstante lässt sich die Loschmidt-Konstante NL
ableiten.
Sie gibt die Anzahl der Atome oder Moleküle eines idealen Gases pro
m3 an.
Loschmidt-Konstante:
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Die Stöchiometrie (von gr. „Grundstoff“ und „messen“) ist ein
grundlegendes mathematisches Hilfsmittel in der Chemie.
Mit ihrer Hilfe werden aus der qualitativen Kenntnis
der Edukte und Produkte einer Reaktion die tatsächlichen
Mengenverhältnisse (Reaktionsgleichung)
und
Stoffmengen berechnet. In der chemischen Umgangssprache
bezeichnet Stöchiometrie nicht die (meist triviale) Berechnung,
sondern deren Ergebnis.
Die praktische Durchführung einer Reaktion erfolgt häufig
„unstöchiometrisch“, das heißt, dass mindestens ein Edukt im
Überschuss eingesetzt wird und daher teilweise erhalten bleibt.
„Umgangssprachlich: chemisches Rechnen!“
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Aufstellen von Reaktionsgleichungen
Reaktionsgleichungen werden nach der chemischen Zeichensprache in Formelschreibweise
angegeben.
Dabei gilt: Die Zahl der beteiligten Atome der Ausgangsstoffe entspricht der Zahl der Atome
bei den Produkten (nach dem Gesetz der Erhaltung der Masse).
Die Reaktionswärme ∆HR wird in kJ / mol angegeben (bei Werten <0 wird Energie frei).
Wasserstoff
2 H2
+
Sauerstoff
Wasser
+
O2
2 H2O
∆HR = - 572 kJ / mol
(exotherm)
Das Ausgleichen der Gleichung und die Berechnung der Massen und Volumina der beteiligten
Stoffe erfolgt mit Hilfe der Stöchiometrie.
Dabei dürfen die bei einer Reaktionsgleichung verwendeten chemischen Formeln nicht verändert
werden.
Es dürfen aber beliebig viele Atome oder Atomverbände verwendet werden (nach dem Gesetz
der konstanten Massenverhältnisse).
Diese Verhältnisse drücken sich in den ganzen Zahlen vor den chemischen Formeln aus.
Zur genauen Ausbeuteberechnung von chemischen Reaktionen werden chemische Einheiten
wie die Stoffmenge und die molare Masse benötigt.
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Umkehrbarkeit von chemischen Reaktionen
Chemische Reaktionen sind prinzipiell auch umkehrbar.
So kann aus Wasser durch eine Elektrolyse
wieder Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden:
Wasser
2 H2O
Wasserstoff
2 H2
+ Sauerstoff
+
O2
∆HR = + 572 kJ/mol (endotherm)
Wasserstoff
2 H2
+
Sauerstoff
+
Wasser
O2
Der Energieumsatz kehrt sich dabei um: Bei der exothermen Reaktion zwischen
Wasserstoff und Sauerstoff wird Energie frei.
Dagegen benötigt man bei der elektrolytischen Zerlegung von Wasser Energie in
Form von elektrischen Strom.
Verlaufen chemische Reaktionen dagegen in einem geschlossenen System, stellt
sich ein chemisches Gleichgewicht ein,
so dass Ausgangsstoffe und Produkte in einem bestimmten Mengenverhältnis
gleichzeitig vorliegen.
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Hin- und Rückreaktionen
⇌
In der Chemie werden Gleichgewichtsreaktionen mit einem Doppelpfeil
gekennzeichnet bei dem jeder Pfeil jeweils nur eine halbe Spitze besitzt.
Dieser wird auch als Gleichgewichtspfeil bezeichnet.
Die Hin Reaktion verläuft von links nach rechts.
Die Rückreaktion von rechts nach links. Ein chemisches Gleichgewicht liegt
dann vor, wenn bei einer umkehrbaren chemischen Reaktion Hin- und
Rückreaktion mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen.
Beispiel:
Ein Molekül Ammoniak und ein Molekül Wasser stehen im Gleichgewicht zu
einem Ammonium Ion und einem Hydroxidion.
Die quantitative stoffliche Zusammensetzung des Gleichgewichts gehorcht
dem Massenwirkungsgesetz.
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Zusammenfassung:
•Gesetz von der Erhaltung der Masse:
Bei chem. Reaktionen bleibt die Gesamtmasse aller Stoffe unverändert.
•Gesetz der konstanten Masseverhältnisse:
Das Massenverhältnis der Elemente in einer Verbindung ist immer konstant.
•Mol:
1 Mol einer Substanz ist jene Menge, die aus 6,022045 mal 1023 Teilchen ( Atom, Molekülen, … ) bestehen.
•Gesetz von Avogadro:
Bei Normalbedingungen (Temperatur 0o C, Druck 1013 mbar hat ein Mol jedes Gases ein Volumen von 22,4 Liter
(Molvolumen).
•Enthalpie:
Die bei chem. Reaktionen auftretende Energie wird als Enthalpie bezeichnet.
•Exotherme Reaktion:
Energieabgabe bei der chem. Reaktion ( - ∆HR )
•Endotherme Reaktion:
Energieaufnahme bei der chem. Reaktion ( + ∆HR )
•Aktivierungsenergie:
Benötigte Startenergie für die chem. Reaktion.
•Reaktionsgeschwindigkeit:
Sie hängt von den wirksamen Zusammenstößen bei der chem. Reaktion ab.
Viele
hohe Geschwindigkeit ;
wenige
geringe Geschwindigkeit
•Katalysator:
Sie setzten die Aktivierungsenergie herab.
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Fragen: chem . Reaktionen Teil 1
1.Welche der folgenden Stoffe sind heterogene Gemenge, homogene
Gemenge und welche sind Reinstoffe?
Brot, Kochsalz, Kristallzucker, Milch, Wein, und Tinte.
2. Wie können folgende Gemenge getrennt werden:
Zucker und Sand b) Wasser und Zucker c ) Alkohol und Wasser
3.Wie kann aus der bei der Müllverbrennung entstehenden Asche der
darin enthaltene Eisenschrott abgetrennt werden?
4.Ist die Elektrolyse von Wasser eine exotherme oder eine endotherme
Reaktion?
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Fragen: chem. Reaktionen Teil 2
Was bedeuten folgende Formelschreibweisen:
HCl, CO2, H3PO4, 3Fe, 2O2, 4NH3
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