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Einführung in die Chemie
Lehrbücher: Atkins/Jones (Chemical principles:The quest for insight)¨Mortimer/Müller (Chemie)Riedel (Allg. und Anorg. Chemie)Dickerson/Gray/Haight (Prinzipien der Chemie)Huheey (Anorg. Chemie)
Weiterführend:Greenwood/Earnshaw (Chemie der Elemente)Hollemann/Wiberg (Lehrbuch der Anorg. Chemie)
Allgemeine Informationen
4 Stunden Vorlesung müssen alle besuchen.(MO, DI 10-12 ausser in der ersten Semesterwoche)
2 Stunden Vertiefung/ Uebungen (je MI 10-12, sind getrennt nach Studienrichtung):
a) Chemiker, Nanowissenschaftler; grosser Hörsaal PC
b) Pharmazeuten; grosser Hörsaal OC
c) Biologen, Informatiker Geowissenschaftler; Hörsaal Anatomie
Physik Nanowissenschaften
Biologie Pharmazie
MedizinGeo-/Umweltwissenschaften
Einführung in die Chemie
• Historische Entwicklung• Eigenschaften und Zusammensetzung der Materie• Chemische Symbole• Das Periodensystem der Elemente• Atome, Verbindungen, Moleküle• Chemische Nomenklatur• Chemische Reaktionen• Redox-Reaktionen• Reaktionen und Enthalpie• Struktur von Atomen und das Periodensystem• Periodizität der physikalischen Eigenschaften • Die chemische Bindung• Gestalt von Molekülen• Eigenschaften von Gasen• Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen• Katalyse• Das chemische Gleichgewicht• Säuren und Basen• Löslichkeit• Thermodynamik und Gleichgewicht (Die Hauptsätze der Thermodynamik)• Zwischenmolekulare Wechselwirkungen• Charakteristische Eigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern
Historische Entwicklung
600 B.C. 300 B.C. 1650 A.C.1790 B.C.
•Töpferei, KochenBacken, Brauwesen...•`trial and error`•Keine theoretischen Konzepte
•Griechische Philosophen•Zusammensetzung der Materie (Feuer, Wasser, Luft, Erde)•Atome(Leukipp, Demokrit)
•Alchemie•Experimente als Nachweis von Theorien•Der Stein der Weisen•Sammlung chemischer Daten
MasseinheitenQuantitative Beobachtungen basieren auf Messungen und numerischer Information
MasseVolumen
TemperaturChemie
SI-Einheiten:
Masse m Kilogramm kgLänge l Meter mZeit t Sekunde sTemperatur T Kelvin KSubstanzmenge n Mol molElektrischer Strom I Ampère ALichtintensität Iv Candela cd
Abgeleitete Einheiten
Volumen V = Länge*Weite*Höhe m3
Dichte r = Masse/Volumen g/cm3
Konzentration c = Substanzmenge/Volumen mol/L
Extensive Grössen abhängig von Probengrösse
Intensive Grössen unabhängig von Probengrösse
Masse? Temperatur? Volumen? Dichte?
†
w(X) =m(X)
m(Lösung)
†
x(A) =n(A)
n(A) + n(B) + n(C) + ...
†
c(X) =n(X)
VLösung
†
b(X) =n(X)
mLösungsmittel
†
b(X) =m(X)VLösung
†
d(X) =V (X)VLösung
†
j(A) =V (A)
V (A) + V (B) + V (C) + ...Volumenanteil(Volumenbruch)
Volumenkonzentration
Massenkonzentration
Molalität
Stoffmengenkonzentration
(vgl. Molarität, Normalität)
Stoffmengenanteil(Molenbruch)
Massenanteil
Konzentration von Lösungen
Die Zusammensetzung derMaterie
Atom kleinstes Teilchen eines Elements, das die chemischen Eigenschaften dieses Elements aufweist.
Element Substanz aus Atomen mit den gleichen chemischenEigenschaften
Elementeca. 110 Elemente wurden bislang identifiziert
Namen und Symbole der Elemente
Altertum Kupfer ZypernGold ´gelb´ (a.d. engl.)
Charakteristika Chlor gelb-grünBrom Gestank
Personen/Orte BerkeliumEinsteiniumCurium
Chemische SymboleAbkürzung der Namen der Elemente
Häufig die ersten oder ersten beiden Buchstaben des Namens des Elements (in Englisch, Deutsch, Latein, Griechisch, ohne generelle Regel!)
• spezielle Anordnung der Symbole der Elemente• räumliche Anordnung eines Elements in PSE gibt Hinweise auf seine Eigenschaften
Gruppen vertikale Spalten
Perioden horizontale Reihen
(Elektronische Struktur der Atome)
(chemische Verwandtschaft)
H He
Lanthanide
Actinide
Alk
alim
etal
le
Erd
alka
limet
alle
Hal
ogen
e
Ede
lgas
e1234567
I II III IV V VI VII VIII
Uebergangsmetalle
1234567
I II III IV V VI VII VIII
BAl
Ga
CSi
Ge
Sn
P
As
Sb
Bi
Se
Te
Po
I
At Rn
Metalle
NichtmetalleMetalloide
AtomeJohn Dalton (1805) Atomtheorie
•Elemente bestehen aus Atomen•Alle Atome eines Elements sind gleich•Atome verschiedener Elemente haben verschiedene Masse•Eine chemische Verbindung ist eine spezifische Kombination (festes Mengen- verhältnis) verschiedener Atome•Bei chemischen Reaktionen können keine Atome zerstört, neu gebildet oder umgewandelt werden
Atome bestehen aus Protonen, Elektronen und Neutronen!
TeilchenElektronProton
Neutron
Symbole-
pn
Ladung*
-1+10
Masse, g9.109*10-28
1.673*10-24
1.675*10-24
Masse, u0.000551.00781.0087
*: Vielfache von 1.602*10-19 C = Elementarladung
Das Rutherford Modell:
Kern (Protonen + Neutronen)
Elektronen
Zahl der Protonen im Atomkern: Ordnungszahl z
Periodensystem?
Isotope
Isotope: gleiche Ordnungszahl aber verschiedene atomare Masse!
Atomkerne eines gegebenen Elements haben eine fixe Anzahl von Protonen !
Variable Zahl an Neutronen!
Massenzahl A Gesamtzahl der Nukleonen (Protonen + Neutronen)
SymbolAZ
Gängige Isotope
Name
WasserstoffDeuterium
TritiumKohlenstoff-12Kohlenstoff-13Sauerstoff-16
Ordnungs-zahl
111668
Massen-zahl
123
121316.
Zahl Neutronen
012678
Masse, u
1.0082.0143.016
1213.00315.995
Häufigkeit
99.985%0.015%
*98.90%1.10%
99.76%
Symbol
1H2H oder D3H oder T
12C13C16O
*: radioaktiv, kurzlebig
Atommasseneinheit, u: 1/12 der Masse von C-12!
Mol und Molmasse1 g einer Substanz besteht aus ca. 1023 Atomen!
1 mol = Anzahl der Atome in 12 g Kohlenstoff C-12= 6.023 * 1023
Avogadro-Zahl NA = 6.023 * 1023
1 mol = 6.023*1023 Teilchen
Molmasse
Masse pro Mol Atome eines Elements
(entspricht der durchschnittlichen Massenzahl in Atommasseneinheiten)
Molmasse von Gold?Masse von 2 mol Natrium?
VerbindungenDefinitionen: Eine Verbindung ist ein Stoff, der aus verschieden-
en Elementen in definierter Zusammensetzung auf-gebaut ist.
Ein Molekül ist ein Teilchen, in dem zwei oder mehr Atome fest miteinander verknüpft sind; bei chemi-schen und physikalischen Prozessen verhalten sich Moleküle als Einheit.
Ein Ion ist ein Atom oder Molekül, das eine elektrische Ladung trägt.
MoleküleWasser 1 O + 2H
Methan 1C + 4H
Empirische Formel: H2O, CH4, P2O5,...
Glucose empirische Formel: CH2O
Aber tatsächliche Zahl an Atomen: 6 C + 12 H + 6 O
Molekularformel: C6H12O6
Ionen und IonischeVerbindungen
Ionische Verbindungen sind aus Kationen und Anionen aufgebaut,die durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten werden.
Wie kann man beurteilen, ob eine Substanz bei einer Reaktion reduziert oder oxidiert wird?
Aenderung der Ladung!
Beispiel: Fe2+ Fe3+
Br Br-
aber 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) ???
Oxidationszahl Nox
2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)0 +1
0 -2
Regeln zur Ermittlung von Oxidationszahlen
1. Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome eines Moleküls /Ions entspricht dessen Gesamtladung2. Atome in elementarer Form. Nox = 03. Für Elemente Gruppe I Nox = +1
Gruppe II Nox= +2Gruppe III (ausser B) Nox = +3 für M3+
Nox= +1 für M+
Gruppe IV (ausser C, Si) Nox= +4 für M4+
Nox= +2 für M2+
4. Wasserstoff Nox= +1 in Verbindungen mit NichtmetallenNox = -1 in Verbindung mit Metallen
5. Fluor Nox= -1 in allen Verbindungen6. Sauerstoff Nox= -2 ausser in Verbindungen mit F
Nox= -1 in Peroxiden (O22-)
Nox= -1/2 in Superoxiden (O2-)
Nox= -1/3 in Ozoniden (O3-)
Redoxreaktionen
Die chemische Gleichung einer Redoxreaktion ist die Summe aus der Oxidtions- und der Reduktionsteilgleichung in die der Gesamtprozess formal zerlegt werden kann!
Oxidationsmittel entziehen Elektronen und werden reduziert!Reduktionsmittel liefern Elektronen und werden oxidiert
Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)
Was ist was?
Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)
Aber: Kupfer kann nicht Zn2+ reduzieren!!
Spannungsreihe
Tabellarische Anordnung der Metalle, so dass ein gegebenes Metall alle Kationen der Metalle weiter unten in der Liste redu-zieren kann
Wieviel Substanz kann mit einer gegebenen Elektrizitätsmenge elektrolysiert werden?
Faraday‘sche Gesetze
Bsp: Cu2+ + 2e- Cu d.h. 2 mol e- pro mol Cu
Die Stoffmenge des in einer Elektrolysezelle von einem elektrischen Strom gebildeten Produktes ist der Stoffmenge der zugeführten Elektronen proportional
1 mol Elektronen 96500 C mol-1 = F (Faraday Konstante)
Bsp: Silbermenge, die durch die Ladung 1 As abgeschieden wird(elektrochemisches Aequivalent des Silbers)
Bsp: Downs Prozess zur Herstellung von metallischem Na
Reaktionen und Enthalpie
Reaktionen und Enthalpie
Energie und Wärme
Die Energie eines Systems ist ein Mass für seine Fähigkeit Arbeit zu verrichten oder Wärme zu liefern. Arbeit: Energie, die aufgebracht werden muss, um ein Objekt gegen eine äussere Kraft zu bewegen Wärme: Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen einem System und seiner Umgebung transferiert wird.
System
Umgebung
In welcher Form Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird, hängt davon ab wie eine Reaktion durchgeführt wird :
Def.: Eine Zustandsgrösse ist unabhängig von der Art wie eine Probe hergestellt wurde.
Bsp: Die Enthalpie von 100 g Wasser bei 25°C und 1 atm ist unabhängig davon, ob die Probe frisch synthetisiert oder durch Destillation erhalten wurde.
Enthalpie einer physikalischen Zustandsänderung
fest
flüssig
gasförmig
DHvap
DHm
DHsub
Enthalpie einer chemischenUmwandlung
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) DH = -890 kJ
Reaktionsenthalpie
Die Standardreaktionsenthalpie ist die Reaktionsenthalpie einerUmwandlung von Edukten in ihrem Standardzustand in Produkte in ihrem Standardzustand!
Standardzustand einer Substanz: reine Form bei einem Druck von 1 atm und der gegebenen Temperatur!
Umgekehrter Vorgang: Entgegengesetztes Vorzeichen der Enthalpieänderung
Der Satz von HessDie Reaktionsenthalpie einer gegebenen Reaktion kann als Summe der Enthalpien einer beliebigen Sequenz von Reaktionen(T,p = const.), in welche die Gesamtreaktion unterteilt werden kann, dargestellt werden.
a. 2C(s) + 2O2(g) 2CO2(g)
b. 2C(s) + O2(g) 2CO(g)c. 2CO(g) + O2(g) 2CO2(g)
a = b + c !!
2C + O2 + O2
2CO + O2
2CO2
a
b
c
-221 kJ
-566 kJ
-787 kJ
BildungsenthalpieDie Standardbildungsenthalpie DHf° einer Verbindung ist die Standardreaktionsenthalpie (pro mol der Verbindung) ihrer Synthese aus den Elementen in ihrer stabilsten Form bei 1 atm und der gegebenen Temperatur