Allgemeine Chemie für Studierende der Zahnmedizin

Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Allgemeine Chemie
für Studierende der Zahnmedizin
Allgemeine und Anorganische Chemie Teil 3
Dr. Ulrich Schatzschneider
Institut für Anorganische und Angewandte Chemie, Universität Hamburg
Lehrstuhl für Anorganische Chemie I, Ruhr-Universität Bochum
[email protected]
Allgemeine und Anorganische Chemie III
1/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Inhalt
• Aufbau der Materie: Atome, Elemente, Periodensystem, Radioaktivität
• chemische Bindung und intermolekulare Wechselwirkungen
• chemische Reaktionen
• wässrige Lösungen, Säuren und Basen, Puffer
• Oxidationszahlen, Redoxreaktionen, Elektrochemie
• Koordinationsverbindungen und Bioanorganische Chemie
"Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit der Zusammensetzung und den
Eigenschaften der Materie befasst, insbesondere aber mit Veränderungen,
die diese betreffen."
Allgemeine und Anorganische Chemie III
2/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Chemische Reaktionen
• Materie ⇒ Stoffe ⇒ Elemente oder chemische Verbindungen
• Stoffumwandlungen ⇒ chemische Reaktionen ⇒ Änderung der
physikalischen und chemischen Eigenschaften
• Beschreibung von chemischen Reaktionen und den sie bestimmenden
Gesetzmäßigkeiten ⇒ zentrales Thema der Chemie
• chemische Reaktionen ⇒ Generierung von molekularer Vielfalt durch
Erzeugung immer neuer Kombinationen der Elemente in Verbindungen
• früher ⇒ Entdeckung neuer Reaktionstypen
• heute ⇒ Verbindungen mit neuen Eigenschaften: Materialien, Wirkstoffe
"Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit der Zusammensetzung und den
Eigenschaften der Materie befasst, insbesondere aber mit Veränderungen,
die diese betreffen."
Allgemeine und Anorganische Chemie III
3/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Wichtige Reaktionstypen in der Chemie
• Säure-Base-Reaktionen
HCl + NaOH → NaCl + H2O
• Fällungsreaktionen
AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3 (↓ bedeutet: unlösliches Produkt)
• Redox-Reaktionen
2 H2 + O2 → 2 H2O
2 H-H + O O
2 H O H
• Komplexierungsreaktionen
CuSO4 + 4 NH3 → [Cu(NH3)4]SO4
(in der anorganischen Chemie)
Allgemeine und Anorganische Chemie III
4/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Reaktionsgleichungen
• Reaktionsgleichung ⇒ beschreibt chemische Reaktion
• Formeln aller beteiligter Atome oder Verbindungen und deren Verhältnis
• Ausnahme ⇒ Lösemittel, sofern an Reaktion nicht beteiligt
• links ⇒ Ausgangsstoffe (Edukte, engl. starting materials)
• rechts ⇒ Produkte (gebildete Stoffe)
• dazwischen ⇒ Reaktionspfeil (→) gibt (Haupt)richtung der Reaktion an
2 H2 + O2 → 2 H2O
AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3
Bitte: Lösemittel und nicht Lösungsmittel ⇒ ein Mittel, um etwas aufzulösen und nicht „aufzulösungen“
Allgemeine und Anorganische Chemie III
5/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Reaktionsgleichungen
• Atome in einer Verbindung immer im Verhältnis ganzer Zahlen
• Anzahl der Atome auf der linken und rechten Seite des Reaktionspfeils
immer gleich ⇒ Gesetz von der Erhaltung der Masse
• Summe der Ladungen auf der linken und rechten Seite des
Reaktionspfeils immer gleich ⇒ Gesetz von der Erhaltung der Ladung
• Überprüfung einer Reaktionsgleichung ⇒ Massen- und Ladungsbilanz
2 H2 + O2 → 2 H2O
Ag+ + Cl- → AgCl
Allgemeine und Anorganische Chemie III
6/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Warum bestimmte Produkte?
• Aufbau der Elektronenhülle
• Kombination von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen
• Besetzung bindender vs. antibindender Orbitale
Bei neuen Reaktionen:
• Ausgangsstoffe (häufig) bekannt
• “chemische Intuition”
• spektroskopische Methoden
Allgemeine und Anorganische Chemie III
7/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Stöchiometrie
n = m/M
m ⇒ Masse
M ⇒ molare Masse (g⋅mol-1)
Vm ⇒ 22.4 l ⋅mol-1
• “chemisches Rechnen”
• Massen und Volumina der beteiligten Stoffe
• zentrale Größe ⇒ Stoffmenge n in Mol (Einheitszeichen: mol)
• Avogadro-Konstante NA = 6.0221 · 1023 mol-1 ⇒ Zahl der Teilchen pro Mol
• ideales Gasgesetz ⇒ p⋅V = n⋅R⋅T oder n = p⋅V/(R⋅T)
2 H2 + O2 → 2 H2O
zwei Mol H2
ein Mol O2
zwei Mol Wasser
Stoffmenge
n(H2) = 2 mol
n(O2) = 1 mol
n(H2O) = 2 mol
Masse
m(H2) = 4 g
m(O2) = 32 g
m(H2O) = 36 g
Volumen
V(H2) = 44.8 l
V(O2) = 22.4 l
V(H2O) = 36 ml
Allgemeine und Anorganische Chemie III
ρ ⇒ Dichte
ρ = m/V
ρ(H2O) = 1 g/ml
8/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Stöchiometrie
• Wieviel Gramm bzw. Liter Wasserstoff benötigt man um einen Milliliter
Wasser herzustellen?
• 1 ml Wasser ⇒ 1 g Wasser, da Dichte von Wasser 1 g/ml (Definition of ml)
ρ = m/V ⇒ m = ρ⋅V = 1 g/ml⋅1 ml = 1 g
• 1 g Wasser ⇒ 0.055 mol da M(H2O) = 18 g/mol und n = m/M
• wegen 2 H2 + O2 → 2 H2O braucht man zwei Mol Wasserstoff um zwei Mol
Wasser herzustellen, für 0.055 mol Wasser also 0.055 mol Wasserstoff
• 0.055 mol Wasserstoff ⇒ 0.11 g da M(H2) = 2 g/mol und m = n⋅M
• 0.055 mol Wasserstoff ⇒ 1.23 l da Vm = 22.4 l/mol
Allgemeine und Anorganische Chemie III
9/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Gleichgewicht
• statisches Gleichgewicht
• dynamisches Gleichgewicht
• Fließgleichgewicht
(offenes System)
Allgemeine und Anorganische Chemie III
10/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Chemisches Gleichgewicht
• viele chemische Reaktionen kommen äußerlich zum Stillstand obwohl
die Ausgangsstoffe noch nicht vollständig verbraucht sind
• Konzentrationen (Stoffmenge pro Volumen) von Ausgangsstoffen und
Produkten ändern sich nichtmehr ⇒ chemisches Gleichgewicht
A+B
C+D
• aber dynamisches Gleichgewicht, es wird pro Zeiteinheit genauso viel
C und D aus A und B gebildet (Hinreaktion, von links nach rechts) wie
C und D zu A und B zerfällt (Rückreaktion, von rechts nach links)
• also Hin- und Rückreaktion gleich schnell
• angezeigt durch Gleichgewichtspfeil (nicht mit Mesomeriepfeil ↔
verwechseln)
Stoffmengenkonzentration c(X) = [X] = n(X)/V
Allgemeine und Anorganische Chemie III
11/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Chemisches Gleichgewicht
• Gleichgewicht kann bevorzugt auf der linken (Ausgangsstoffe) oder
rechten Seite (Produkte) liegen
• Lage des Gleichgewichts angezeigt durch unterschiedliche Länge des
Doppelpfeils
A+B
C+D
A+B
C+D
• ist für jede Reaktion verschieden und muß experimentell bestimmt werden
Allgemeine und Anorganische Chemie III
12/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Massenwirkungsgesetz
• im Gleichgewicht Hin- und Rückreaktion gleich schnell
vhin = k hin ⋅ [A ] ⋅ [B]
a
b
aA+bB
cC+dD
vrück = k rück ⋅ [C] ⋅ [D]
c
d
vhin = vrück
k hin ⋅ [A] ⋅ [B] = k rück ⋅ [C] ⋅ [D]
a
b
c
d
k hin [C] ⋅ [D]
K=
=
k rück [A ]a ⋅ [B]b
c
d
• K: Gleichgewichtskonstante
K > 1 ⇒ GGW auf Produktseite, K < 1 GGW auf Eduktseite
Allgemeine und Anorganische Chemie III
13/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Prinzip von Le Chatelier
• Veränderung des Gleichgewichts nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs
• Druckerhöhung bei Reaktionen von Gasen ⇒ Gleichgewichts verschiebt
sich auf Seite mit geringerer Anzahl von Verbindungen
Allgemeine und Anorganische Chemie III
14/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Prinzip von Le Chatelier
• Veränderung des Gleichgewichts nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs
• Druckerhöhung bei Reaktionen von Gasen ⇒ Gleichgewichts verschiebt
sich auf Seite mit geringerer Anzahl von Verbindungen
3 H2 + N2
2 NH3
• Haber-Bosch-Prozess ⇒ industrielle Ammoniak-Herstellung
⇒ Düngemittel
Fritz Haber
Nobelpreis für Chemie 1918
Carl Bosch
Nobelpreis für Chemie 1931
Allgemeine und Anorganische Chemie III
15/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Prinzip von Le Chatelier
• Veränderung des Gleichgewichts nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs
• Entfernen eines Reaktionsproduktes aus dem Gleichgewicht
• durch ausfällen (AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3) oder abdestillieren
Allgemeine und Anorganische Chemie III
16/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Energetik chemischer Reaktionen
• Stoffumwandlungen ⇒ Änderung der Stoffeigenschaften aber auch ihrer
Energie
• wichtig ⇒ Energieerhaltung (1. Hauptsatz der Thermodynamik)
• Produkte energieärmer als Edukte ⇒ es wird Energie frei
A+B→C+D+E
• Produkte energiereicher als Edukte ⇒ es muß Energie zugeführt werden
A+B+E→C+D
• Maß ⇒ Reaktionsenthalpie ΔH (Reaktionswärme)
• ΔH < 0 exotherm
• ΔH > 0 endotherm
Allgemeine und Anorganische Chemie III
17/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Energetik chemischer Reaktionen
• Reaktionsenthalpie ΔH (Reaktionswärme)
ΔH < 0 exotherm
ΔH > 0 endotherm
Allgemeine und Anorganische Chemie III
18/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Energetik chemischer Reaktionen
• Gibbs’ freie Enthalpie ΔG
exergon
ΔG < 0 exergonisch
⇒ spontan
Allgemeine und Anorganische Chemie III
endergon
ΔG > 0 endergonisch
⇒ nicht spontan
19/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Energetik chemischer Reaktionen
• Gibbs’ freie Enthalpie ΔG
ΔG = ΔH − T ⋅ ΔS
Gibbs-Helmholtz-Gleichung
• ΔH ⇒ Reaktionsenthalpie
• ΔS ⇒ Reaktionsentropie ⇒ Maß für “Unordnung”, je größer desto mehr
Unordnung
• Entropie wächst mit abnehmender Ordnung (ΔS > 0)
• Entropie nimmt ab bei zunehmender Ordnung (ΔS < 0)
Allgemeine und Anorganische Chemie III
20/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Entropie
• Reaktionsentropie ΔS ⇒ Maß für “Unordnung”
Allgemeine und Anorganische Chemie III
21/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Chemisches Gleichgewicht
• Zusammenhang zwischen freier Enthalpie und Gleichgewichtskonstante
aA+bB
ΔG 0 = − R ⋅ T ⋅ ln K
Allgemeine und Anorganische Chemie III
cC+dD
c
d
[
C] ⋅ [D]
K=
a
b
[A] ⋅ [B]
22/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Reaktionsgeschwindigkeit
Allgemeine und Anorganische Chemie III
23/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Reaktionsordnung
Allgemeine und Anorganische Chemie III
24/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Reaktionsordnung
Allgemeine und Anorganische Chemie III
25/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Reaktionsordnung
Allgemeine und Anorganische Chemie III
26/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Konzentrationsprofil
Allgemeine und Anorganische Chemie III
27/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Konzentrationsprofil
Allgemeine und Anorganische Chemie III
28/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Energieprofil
Allgemeine und Anorganische Chemie III
29/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Energieprofil mit Zwischenstufe
Allgemeine und Anorganische Chemie III
30/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Energieprofil mit Katalysator
Allgemeine und Anorganische Chemie III
31/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Beispiel Katalyse: Catalase
Allgemeine und Anorganische Chemie III
32/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Homogene vs. heterogene Katalyse
Allgemeine und Anorganische Chemie III
33/34
Allgemeine Chemie fü
für Studierende der Zahnmedizin SS 2010
Nächste Vorlesung
Dienstag, 20.04.2010, Hörsaal A Chemie
Säure-Base-Reaktionen
Allgemeine und Anorganische Chemie III
34/34