Begriffe: Atombau und Elementarteilchen

Begriffe: Atombau und Elementarteilchen
Atom
Ein Atom ist immer elektrisch neutral und hat deshalb immer die gleiche Protonenund Elektronenzahl.
Ion
Ionen sind elektrisch geladen. Positiv geladene Ionen (z.B. Fe2+, Na+) enthalten
weniger Elektronen als Protonen, negativ geladene Ionen (z.B. O2-,Cl-) enthalten
zusätzliche Elektronen.
Molekül
Ein Molekül besteht aus zwei oder mehr Atomen, die durch
Elektronenpaarverbindung miteinander verbunden sind (z.B. H2O).
Protonen
Protonen haben die Atommassenzahl 1u, sie halten sich im Atomkern auf und sind
elektrisch positiv geladen.
Die Protonen kennzeichnen ein Element. Alle Atome eines Elementes haben die
gleiche Protonenzahl.
Im Periodensystem der Elemente sind die Elemente nach der Protonenzahl
geordnet. Die Ordnungszahl entspricht der Protonenzahl.
Elektronen
Elektronen haben praktisch keine Masse, sie sind elektrisch negativ geladen und
halten sich in der Atomhülle auf.
Ein Atom ist elektrisch neutral, es enthält deshalb gleich viele Protonen wie
Elektronen.
Neutronenzahl
Neutronen haben die Massenzahl 1u, sie befinden sich im Atomkern und sind
elektrisch neutral.
Die Isotope eines Elementes haben eine unterschiedliche Neutronenzahl.
Massenzahl
Die Massenzahl eines Elementes wird bestimmt durch die Anzahl Protonen und die
Anzahl Neutronen.
Gewicht Proton = Gewicht Neutron = 1u = Atommasseneinheit = 1.67*10-24g
Die Elektronen wiegen weniger als 1/1000 eines Protons, deshalb können sie bei der
Berechnung der Atommasse vernachlässigt werden.
Weil viele Elemente aus mehreren Isotopen bestehen, sind die Massenzahlen oft
nicht ganzzahlig.
Isotope=Geschwisterelemente
Isotope sind Atome, die zum gleichen Element gehören. Sie haben die gleiche
Protonenzahl, aber unterschiedliche Neutronenzahl (=unterschiedliche Massenzahl).
Bei der Angabe des Isotopes wird die Massenzahl angegeben.
Zum Beispiel:
Uran235
und Uran238
Valenzelektronen
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Die Elektronen auf der äussersten Schale nennt man Valenzelektronen. Weil die
Elektronen auf der äussersten Schale die Eigenschaften eines Elementes
weitgehend bestimmen, haben die Elemente in den Elementgruppen sehr ähnliche
Eigenschaften.
Valenzelektronen bestimmen weitgehend das chemische Verhalten der Stoffe.
Oktettregel
Die Anordnung von 8 Aussenelektronen entspricht einem ganz besonders stabilen
Zustand (Edelgaskonfiguration). Die Atome der übrigen Elemente zeigen das
Bestreben, die Elektronenanordnung der Edelgase zu erreichen. Die Gesamtzahl der
Elektronen der freien und der bindenden Elektronenpaare um einen Atomrumpf
beträgt acht.
Die Atome der Gruppe VIII mit vollen Schalen (zwei auf der ersten, acht auf den
folgenden) sind Edelgase. Atome dieser Elemente haben keine freien Plätze in der
äusseren Schale und verbinden sich deswegen nur träge mit anderen Atomen.
Wertigkeit (Römische Zahl!)
Die Bindefähigkeit der Atome nennt man wertigkeit. Ein Wasserstoffatom verbindet
sich immer nur mit einem anderen. Man benutz deshalb die Bindefähigkeit des
Wasserstoffatoms als Mass für die Bindefähigkeit der Atome. Die Wertigkeit der
Atome wird von den Valenzelektronen bestimmt (Oktettregel!).
Manche Elemente haben mehrere Wertigkeiten, z.B.: Fe +II und Fe +III.
Giftklassen
Giftklasse 1:
• Kennzeichnung: schwarzes Band, weisse Schrift, Totenkopf
• Eigenschaften: besonders gefährliche Gifte und stark ätzende Stoffe
• Bezug: nur in Betrieb möglich (keine Formalitäten)
• Aufbewahrung: Verschlossen, Unbefugten nicht zugänglich
Giftklasse 2:
• Kennzeichnung: wie Giftklasse 1
• Eigenschaften: wie Giftklasse 1
• Bezug: Privat nur gegen Giftschein; Betrieb ohne Formalitäten
• Aufbewahrung: wie Giftklasse 1
Giftklasse 3:
• Kennzeichnung: gelbes Band, schwarze Schrift
• Eigenschaften: starke Gifte und ätzende Stoffe
• Bezug: Privat gegen unterschriebene Empfangsbestätigung; Betrieb keine
Formalitäten.
• Aufbewahrung: Unbefugten nicht zugänglich
Giftklasse 4 und 5:
• Kennzeichnung: rotes Band, schwarze Schrift
• Eigenschaften: 4: weniger gefährliche Stoffe; 5: schwache gifte
• Bezug: Keine Vorschriften
• Aufbewahrung: Keine Vorschriften
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Kunststoffe
Kunststoffe bestehen aus Makromolekülen. Makromoleküle sind fadenförmige oder
dreidimensionale Riesenmoleküle mit mindestens tausend gebundenen Atomen.
Makromolekulare Stoffe sind z.B.
• Kautschuk
• Baumwolle, Cellulose
• Stärke
• Wolle, Seide
• Eiweisse
Die Bildung von Makromolekülen, allgemein auch Polymere genannt, erfolgt durch
chemische Verknüpfung von gleichartigen oder verschiedenen Grundbausteinen,
welche auch Monomere genannt werden.
Thermoplast
Kunststoffe mit fadenförmigen Molekülen die nicht vernetzt sind. Oberhalb einer
charakteristischen Temperatur wird der Kunststoff verformbar.
Duroplast
Duroplaste bestehen aus räumlich stark vernetzten Riesen-Makromolekülen. Sie
bleiben bis zu ihrer Zersetzung bei relativ hohen Temperaturen formstabil.
Vorteile und Nachteile von Kunststoffen
Vorteile:
• Nichtleiter
• Chemikalienbeständig
• glatte Oberfläche
• Verformbarkeit
• geringe Dichte
Nachteile:
• geringe Härte
• geringe Temperaturbeständigkeit
• Brennbarkeit
• Angreifbarkeit durch Lösungsmittel
• elektrische Aufladung
Redoxreaktion
Die Redoxreaktion ist eine Elektronenübertragung.
Oxidation
Oxidation ist die Abgabe von Elektronen. Es muss nicht immer Sauerstoff im Spiel
sein.
Beispiel:
Mg - 2 Elektronen =>
Mg2+
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Reduktion
Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen.
Beispiel:
O + 2 Elektronen =>
O2Redoxreaktion
Elektronenübertragungen bezeichnet man als Reduktions-Oxidations-Reaktion oder
kurz als Redoxreaktion. Die Elektronenaufnahme und die Elektronenabgabe läuft
immer gleichzeitig ab.
Oxidationsmittel
Stoffe, die Elektronen aufnehmen, bezeichnet man als Oxidationsmittel. Das
Oxidationsmittel wird reduziert.
Reduktionsmittel
Stoffe, die Elektronen abgeben, bezeichnet man als Reduktionsmittel. Das
Reduktionsmittel wird oxidiert.
Redoxreihe der Metalle
Durch die Versuchsreihe lassen sich die Metalle nach ihrem Reduktionsvermögen
ordnen. In dieser Reihe sind die Metalle so angeordnet, dass ihr Bestreben,
Elektronen abzugeben, von links nach rechts abnimmt.
In der Redoxreihe stehen links die unedlen Metalle, die leicht Elektronen abgeben
und rechts die edlen Metalle, die nur schwer zu oxidieren sind:
Li
Li+
K
K+
Ca
Ca2+
Mg
Mg2+
Al
Al3+
Zn
Zn2+
Fe
Fe2+
Pb
Pb2+
Cu
Cu2+
Ag
Ag+
Hg
Hg2+
Au
Au3+
Die Oxidation läuft immer von links oben nach rechts unten ab. Die Reduktion läuft
immer von rechts unten nach links oben ab.
Bei der Redoxreaktion entsteht immer das edlere Metall.
Korrosion
Unter Korrosion versteht man die Zerstörung von Metallen durch Einwirkung von Luft,
Wasser, sauren Lösungen und aggressiven Gasen. Beispiel ist das Rosten von
Eisen.
Zum Schutz vor Korrosion werden Metalle meist mit einem Stoff überzogen, der den
Zutritt von aggressiven Umwelteinflüssen verhindern soll.
Beispiel:
Eisen wird durch einen Zinküberzug geschützt (Dachrinne).
Eisen mit Kupferüberzug (Blumengiesskanne).
Unedlere Metalle schützen edlere Metalle vor Korrosion.
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Diese Tatsache nützt man für den Korrosionsschutz aus. Gezielt werden
Opferelektroden aus Zink oder Magnesium verwendet.
Beispiel:
Damit Schiffe im salzigen Wasser nicht korridieren, werden sie mit
Opferelektroden ausgerüstet. Dazu benutzt man Magnesiumblöcke. Das
unedlere Magnesium löst sich allmählich unter Elektronenabgabe auf,
während das edlere Eisen nicht oxidiert (korridiert) wird.
Luft und Oxidation
Verbrennungen sind Oxidationen, bei denen Energie frei wird:
• Verbrennen von Brennstoffen (Holz, Benzin, Heizöl)
• Verbrennen von Nährstoffen als Energie zum Leben
• Oxidation von Metallen (rosten von Eisen)
Emmissionen sind Schadstoffe, die an die Luft abgegeben werden.
Immissionen sind auf den Menschen einwirkende Schadstoffe.
Batterien
Bei einer Redoxreaktion werden Elektronen übertragen. Lässt man die Oxidation und
die Reduktion räumlich getrennt ablaufen, so lässt sich der Elektronenfluss als
Stromquelle nutzen. Dies geschieht in der galvanischen Zelle, die im Alltag und
Technik in Form von Batterien vielfältig genutzt werden.
In handelsüblichen Batterien wird häufig Zink als Reduktionsmittel verwendet, jedoch
mit unterschiedlichen Reaktionspartnern.
Einwegbatterien
Einwegbatterien sind nach ihrer Entladung unbrauchbar
Akkumulatoren
Akkumulatoren sind wiederaufladbare Batterien. Die chemischen Vorgänge, die bei
der Entladung stattfinden, lassen sich rückgängig machen.
Nickel-Cadmium-Akkumulatoren (wiederaufladbar)
Bei diesen Batterien kann der Redoxvorgang umgekehrt werden
Säuren und Basen
Säuren
Eigenschaften:
• Säuren haben einen sauren Geschmack
• Säuren ätzen
• Säuren reagieren mit Metallen
• saure Lösungen leiten den Strom
• saure Lösungen enthalten Ionen
Gibt man Säuren in Wasser entstehen Ionen. Säuren, die in Wasser gelöst sind,
zerfallen in Säurerest-Ionen und in H3O+-Ionen. Die H3O+-Ionen bewirken die
charakteristischen Eigenschaften von Säuren.
Säuren sind Protonenspender.
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Basen (Base=laugisch; basich=alkalisch)
Eigenschaften:
• Basen reagieren alkalisch
• der Geschmack von Basen ist seifig
• Laugen ätzen
• wässrige Lösungen von Laugen leiten den Strom
• wässrige Lösungen von Laugen enthalten Ionen$
Basen, die in Wasser gelöst sind, zerfallen in Kathionen (meist Metall-Ionen) und OH-Ionen. Die OH--Ionen bewirken die charakteristischen Eigenschaften der Laugen.
Basen sind Protenenempfänger.
Säure / Base-Paar
Beim Zusammenbringen einer Säure und Base treten stets Protonenübertragungen
auf.
Säure/Base-Paare:
• HCL: starke Säure
• H2O: schwache Base
• Cl-: schwache Base
• H3O+: starke Säure
Säure-Base-Reaktionen sind umkehrbar und führen zu einem Gleichgewicht.
PH-Wert
Der pH-Wert gibt an, wie stark sauer oder alkalisch eine Lösung ist.
Neutrale Lösungen: pH = 7
In neutralen Lösungen sind gleich viele OH- -Ionen und H3O+ -Ionen vorhanden,
aber in sehr geringer Konzentration.
Saure Lösungen: pH = 0-7
Saure Lösungen enthalten H3O+ -Ionen.
• je mehr H3O+ -Ionen, desto tiefer ist der pH-Wert.
• je konzentrierter eine saure Lösung ist, desto niedriger ist der pH-Wert.
• saure Abfälle, deren pH-Wert tiefer als 6 ist, schaden der Umwelt.
• pH-Werte tiefer als 3 wirken ätzend.
Alkalische Lösungen: pH = 14-7
Alkalische Lösungen enthalten OH- -Ionen.
• je mehr OH- -Ionen, desto höher ist der pH-Wert.
• je konzentrierter eine Lauge ist, desto höher ist der pH-Wert.
• alkalische Lösungen wirken schon bei geringen Konzentrationen auf der
Haut ätzend.
Neutralisation
Säuren und Laugen können neutralisiert werden.
Mischt man Natronlauge und Salzsäure in einem bestimmten Verhältnis, so entsteht
eine Lösung, die weder sauer noch alkalisch, sonder neutral reagiert:
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Cl- + H3O+
+
Na+ + OH-
Aus Salzsäure
und
Natronlauge ensteht
=>
NaCl
+
H2O
Kochsalz
und
Wasser
Auch andere Säuren und Laugen können miteinander zu neutralen Lösungen
reagieren:
Säure
+
Lauge
=>
Salz
+
Wasser
(=Neutralisation)
Bindungslehre
Metallbindung
Metalle zeigen einen regelmässigen kristallinen Aufbau, man spricht von einem
Metallgitter.
Metall-Atome besitzen nur wenige Aussenelektronen. Diese werden ganz oder
teilweise in die Zwischenräume des Gitters abgegeben. Die Gitterplätze sind von den
positiv geladenen Atomrümpfen besetzt. Die Aussenelektronen können nicht mehr
einzelnen Atomen zugeordnet werden. Sie sind innerhalb des Metallgitters frei
beweglich, man spricht vom Elektronengas.
Die im Gitter leicht verschiebbaren Elektronen sind die Ursache für die elektrische
Leitfähigkeit der Metalle.
Auch der Zusammenhalt im Metallgitter wird durch das Elektronengas bewirkt, es
umschliesst die positiven Atomrümpfe. Die gute Verformbarkeit der Metalle lässt
sich auch auf die Struktur des Metallgitters zurückführen. Wirkt eine Kraft auf ein
Metallstück ein, so beginnen sich die Atomrümpfe gegeneinander zu verschieden.
Durch das Elektronengas bleibt der Zusammenhalt trotzdem gewährleistet.
Ionenbindung
Wenn Metalle mit Nichtmetallen reagieren, so entstehen Ionenverbindungen. Dabei
geben die Metall-Ionen ihre Aussenelektronen ab und werden zu Kationen. Die
Nichtmetall-Atome nehmen soviele Elektronen auf, bis ihre äussere Schale acht
(Wasserstoff: zwei) Elektronen enthält. Sie werden zu Anionen. Die Elemente der
Hauptgruppen erreichen dabei Edelgaskonfiguration (Oktettregel!).
Ionenverbindungen sind Salze! Salze sind Ionenverbände!
Salze sind aus mindestens zwei Ionensorten aufgebaut. Aufgrund der Anziehung
zwischen den unterschiedlich geladenen Ionen entstehen Ionenbindungen. Die Ionen
sind im Ionengitter regelmässig angeordnet, sie bilden Salzkristalle.
Weil sich die Ionen sehr stark anziehen, schmelzen Salze erst bei sehr hohen
Temperaturen. Salze sind hart und spröd.
Im festen Zustand leiten Salze kein Strom, weil die Ionen durch die Ionenbindung auf
ihren Plätzen im Gitter festgehalten werden. In flüssigen Salzen und bei gelösten
Salzen verlassen die Ionen ihre Gitterplätze.
Die freibeweglichen Ionen leiten den Strom!
Elektronenpaarbindung
Im Gegensatz zu den bei Zimmertemperatur festen Ionenbindungen sind Gase,
Flüssigkeiten und viele Feststoffe aus Molekülen aufgebaut.
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Kleinste Teilchen, die aus mehreren miteinander verbundenen Atomen
bestehen, nennt man Moleküle.
Die Atome werden in den Molekülen durch die Elektronenpaarbindungen
zusammengehalten. Durch die Bildung gemeinsamer Elektronenpaare erhält jedes
Atom acht bzw. Zwei Elektronen auf der Aussenschale (Edelgasregel).
Atome können durch Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen miteinander
verbunden sein, d.h. die Atome sind durch ein, zwei oder drei gemeinsame
Elektronenpaare miteinander verbunden.
Einfachbindung:
H2
Wasserstoff
Doppelbindung:
O2
Sauerstoff
Dreifachbindung: N2
Stickstoff
Periodensystem und Atombau
Der Kern eines Atoms ist aus Protonen und Neutronen (mit Ausnahme des
Wasserstoffatoms) aufgebaut. In der Hülle befinden sich die Elektronen. Diese
Elementarteilchen unterscheiden sich in ihrer Ladung und Masse. Alle Atome eines
Elements haben die gleiche Anzahl von Elektronen und Protonen, sie stimmt mit der
Ordnungszahl überein. Die Masse eines Elektrons ist sehr klein, sie kann deshalb bei
der Ermittlung der Gesamtmasse vernachlässigt werden.
Periodensystem genauer
Ordnungszahl
Die Elemente im Periodensystem sind nach der Ordnungszahl (=Protonenzahl)
geordnet.
Atommasse
Dem Periodensystem kann man die Masse eines Atoms entnehmen. Die Atommasse
ist in der Atommasseneinheit u angegeben.
Atommasseneinheit u:
=Masse eines Protons = Masse eines Neutrons = 1.66*10-24
Gruppen
In den senkrechten Spalten sind Elemente mit ähnlichen Eigenschaften
untereinander angeordnet. Sie reagieren in chemischen Reaktionen sehr ähnlich.
Die Hauptgruppen werden mit römischen Ziffern gekennzeichnet:
I
:Alkalimetalle (z. B. Natrium, Kalium)
II
:Erdalkalimetalle (z. B. Magnesium, Calcium)
VII
:Halogene (z. B. Chlor, Jod)
VIII :Edelgase (z. B. Helium, Neon)
Perioden
Die waagrechte Zeile nennt man Periode, weil die Elemente mit ähnlichen
Eigenschaften periodisch wiederkehren. Die Nummer der Periode gibt an, wieviel
Elektronenschalen die Atome der Elemente enthalten.
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Recycling
Lösemittel
Lösemittel sind nach Möglichkeit durch Destillation zu regenerieren. Nicht
regenerierbare Lösemittelgemische müssen nach betriebsinternen Weisungen den
Sammelstellen zugeführt und entsorgt werden.
Flüssige Rückstände
Flüssige Rückstände, z.B. aus Destillationen oder chemischen Reaktionen, sind
Abfallösemittel beizumischen und der Sammelstelle zuzuführen. Eine weitere
Möglichkeit besteht darin, flüssige Rückstände in Kieselgur aufzunehmen und in
einen Plastiksack zu verpacken. Anschliessend sind sie wie Feststoffe zu entsorgen.
Wässrige Lösungen
Geringe Mengen Säure oder Lauge können in verdünnter Form der Kanalisation
zugeführt werden.
Farbig Lösungen sind vor dem Kanalisieren zu entfärben.
Lösliche Schwermetallsalze (z.B. Kupfersulfate, Quecksilberchlorid) sind durch
chemische Umsetzungen auszufällen und den Sammelstellen zuzuführen.
Feste Chemikalien
Feste Chemikalien werden verpackt (Plastiksack/Glasflasche) und nach speziellen
betriebsinternen Weisungen der Sammelstelle zugeführt.
Gasige Chemikalien
Da in einem Laborgebäude normalerweise keine zentrale Abwasserreinigungsanlage
zur Verfügung steht, sind gasige Chemikalien oder Abgase aus Versuchsansätzen
grundsätzlich am Entstehungsort zu absorbieren oder zu vernichten.
Altöl
Altöl wird in speziellen Fässern gesammelt und regeneriert oder verbrannt.
Glas/Metall/Papier
Glasabfälle werden nach Farben sortiert und zur Wiederverwertung in speziellen
Behältern gesammelt.
Metallabfälle werden gesammelt, sortiert und wiederverwertet.
Papier und Karton wird in den dafür bestimmten Containern zusammengetragen.
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