allgemeine und anorganischechemie für … skript...

Skript zur Vorlesung

Allgemeineund

Anorganische Chemiefr

Naturwissenschaftler

Wintersemester 2013/2014Teil 1: Allgemeiner Teil

Dr. Christian Buchsbaum

Inhaltsverzeichnis

Vorwort xiii

1 Chemie 11.1 Was ist Chemie und womit beschftigt sie sich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Historische Entwicklung der Chemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Elemente, Verbindungen und Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Atomtheorie 52.1 Dalton-Atomtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Das Elektron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Das Proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Das Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5 Radioaktivitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.6 Atommodell nach Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7 Atomsymbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.8 Isotope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.9 Atommassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Elektronenstruktur der Atome 153.1 Elektromagnetische Strahlung, Kenngren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2 Atommodell nach Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 Quantenmechanisches Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.4 Orbitalbesetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.5 Periodensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 Stchiometrie 254.1 Atome, Molekle, Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.2 Chemische Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.3 Das Mol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.4 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.5 Reaktionsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.6 Lsungen und Stoffmengenkonzentrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5 Chemisches Gleichgewicht 315.1 Reversible und irreversible Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.2 Massenwirkungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.3 Lage des Gleichgewichts und deren Beeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

iii

Inhaltsverzeichnis

6 Thermodynamik und Kinetik 376.1 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.2 Satz von Hess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.3 Entropie und Freie Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.4 Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.5 Geschwindigkeitsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.6 Radikalische Kettenreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

7 Gase, Flssigkeiten, Feststoffe 477.1 Phasenbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.2 Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

7.2.1 Beziehungen zwischen den Zustandsgren . . . . . . . . . . . . . . . . . 497.3 Flssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507.4 Wasserstoffbrckenbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517.5 Feststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537.6 Phasenbergnge als nderung des Aggregatzustands . . . . . . . . . . . . . . . 547.7 Phasendiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

7.7.1 Phasendiagramm und Eigenschaften von Wasser . . . . . . . . . . . . . . 547.7.2 Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7.8 Wasser als Lsungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587.9 Lslichkeitsprodukt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

8 Chemische Bindung 638.1 Van-der-Waals-Bindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638.2 Wasserstoffbrckenbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648.3 Metallische Bindung I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658.4 Ionische Bindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668.5 Kovalente Bindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

8.5.1 Lewis-Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728.5.2 Moleklorbitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778.5.3 Metallische Bindung II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

9 Suren und Basen 859.1 Ionenprodukt des Wassers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 869.2 SureBase-Konzept nach Brnsted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879.3 pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889.4 Starke und schwache Brnsted-Suren und -Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . 899.5 Mehrprotonige Suren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959.6 Reaktion von Salzen mit Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 969.7 Puffersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 989.8 Lewis-Suren und -Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

10 Elektrochemie 10910.1 Oxidation und Reduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10910.2 Oxidationszahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

iv

Inhaltsverzeichnis

10.3 Redox-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11310.4 Redoxpotentiale und Spannungsreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11610.5 Nernst-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

A Errata 127

B Periodensystem 129

v

Abbildungsverzeichnis

1.1 Auftrennung von Materie bis hin zum Element. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 Versuche mit Kathodenstrahlen: Ablenkung im elektrischen und im magneti-schen Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 ltrpfchenversuch nach Millikan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Kanalstrahlexperiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Prinzip des Rutherford-Versuchs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5 Prinzip eines Massenspektrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 Bohrsches Atommodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.2 Konstruktive Interferenz zweier Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3 Destruktive Interferenz zweier Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.4 Grenzflchendarstellungen: s-Orbital, p-Orbitale, d-Orbitale. . . . . . . . . . . . . 183.5 Energetische Abfolge von Atomorbitalen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.6 Tendenzen im PSE: Atomradius, Ionisierungsenergie, Elektronegativitt. . . . . . 23

6.1 Ein Molekl A2 reagiert mit einem Molekl X2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.2 Energiediagramme fr eine exotherme und endotherme Reaktion. . . . . . . . . . 416.3 Energiediagramme fr eine endotherme Reaktion mit und ohne Katalysator. . . 426.4 Energiediagramme fr eine endotherme Reaktionmit und ohne Katalysator; Dar-

stellung mit Katalysator-Komplexen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.1 Prinzip eines Barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.2 Prinzip eines Manometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.3 Elektrischer Dipol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507.4 Anordnung von Dipolen in einer Flssigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507.5 Atom ohne Dipolmoment. Atommit temporrem Dipolmoment. Induzierte tem-

porre Dipole bei benachbarten Atomen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517.6 Lewis-Formel von Wasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527.7 Wassermolekl und Ladungsverteilung; verschiedene Schreibweisen. . . . . . . . 527.8 Darstellung von Wasserstoffbrckenbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527.9 Siedepunkte der Element-Wasserstoff-Verbindungen der Gruppen 14 bis 17. . . . 537.10 Nahordnung inQuarzglas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.11 Aggregatzustnde und bergnge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.12 Phasendiagramm von Wasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557.13 Anordnung von Wassermoleklen im Eis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567.14 Auftragung der Dichte von Wasser gegen die Temperatur. . . . . . . . . . . . . . 577.15 Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

vii

Abbildungsverzeichnis

8.1 Elementare Halogene: kovalente Radien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648.2 Ausschnitt aus der DNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658.3 Gasfrmige Na-Atome lagern sich zum Kristall zusammen. . . . . . . . . . . . . 668.4 berlappung der Valenzorbitale von zwei Wasserstoffatomen und von einem

Wasserstoff- und einem Chloratom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728.5 Die freien Elektronenpaare amChloratom drfen in dieser Darstellung nicht fehlen. 728.6 berlagerung von zwei s-Atomorbitalen zu zwei Moleklorbitalen. . . . . . . . . 778.7 berlagerung von zwei p-Atomorbitalen zu zwei Moleklorbitalen. . . . . . . . 788.8 berlagerung von zwei p-Atomorbitalen zu zwei -Moleklorbitalen. . . . . . . 788.9 Moleklorbital-Diagramm des Wasserstoffmolekls. . . . . . . . . . . . . . . . . . 798.10 Moleklorbital-Diagramm eines hypothetischen Heliummolekls. . . . . . . . . 798.11 Moleklorbital-Diagramm des Sauerstoffmolekls. . . . . . . . . . . . . . . . . . 808.12 Mgliche Lewis-Formeln des O2-Molekls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808.13 MO-Diagramm von HF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818.14 MO-Diagramme von Li2, Li3, Li4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828.15 Valenzband von metallischem Li. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838.16 2s- und 2p-Bnder von metallischem Be. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848.17 Vergleich der Bnder eines Leiters, Halbleiters und Isolators. . . . . . . . . . . . . 84

10.1 Ein Kupferstab taucht in eine Zinksulfatlsung und umgekehrt. . . . . . . . . . . 11710.2 Ein Kupferstab taucht in eine Kupfersulfatlsung, ein Zinkstab in eine Zinksul-

fatlsung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11810.3 Wasserstoffelektrode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

viii

Tabellenverzeichnis

1.1 Hufigkeit der Elemente in der Erdkruste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Heterogene Gemische. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Massen und Ladungen von Atombausteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1 Elektronenkonfigurationen der ersten 18 Elemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

9.1 Dissoziationskonstanten einiger Suren und Basen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

10.1 Ausschnitt aus der Elektrochemischen Spannungsreihe. Normalpotentiale bei298,15K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

ix

Beispielverzeichnis

0.1 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv

1.1 Umsetzung von Malachit mit Holzkohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Gesetz der multiplen Proportionen: Kohlenstoff und Sauerstoff . . . . . . . . . . 52.2 Gesetz der multiplen Proportionen: Schwefel und Sauerstoff . . . . . . . . . . . . 62.3 Schreibweise von Elementsymbolen mit Ordnungs- und Massenzahlen . . . . . . 122.4 Schreibweise von einatomigen Ionen mit Ordnungs- und Massenzahlen . . . . . 122.5 Relative Atommassen von Kohlenstoff und Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . 132.6 Relative Atommasse von Chlor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1 Neben- und Magnetquantenzahlen fr n = 1 und n = 2 . . . . . . . . . . . . . . . 193.2 Elektronenkonfigurationen von Stickstoff und Sauerstoff . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1 Atome, Molekle, Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.2 Verbindung aus Al3+ und SO24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3 Verbindung aus Na+ und O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.4 Molare Masse von Mo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.5 Massenanteil von Fe in Fe3O4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.6 Reaktionsgleichung: Na und H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.7 Reaktionsgleichung: H+ und H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.8 Reaktionsgleichung: Verbrennung von Ethan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.1 Reversible Reaktion (Ammoniak-Synthese) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.1 Exotherme Reaktion (H < 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.2 Enthalpie und Richtung der Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.3 Enthalpie fr C + O2... CO2 aus Einzelreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.4 Enthalpie fr C2H4 + H2... C2H6 aus Einzelschritten . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.1 Gleiche chemische Zusammensetzungen, aber verschiedene Phasen . . . . . . . . 477.2 Partialdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497.3 Lslichkeit von Milchsure in Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597.4 Cl-Konzentration in gesttigter AgCl-Lsung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607.5 Ag+-Konzentration in gesttigter AgCl-Lsung bei vorgegebener Cl-Konzentration 61

8.1 Elektronenkonfigurationen im NaCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678.2 Elektronenkonfigurationen im Al2O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678.3 Ionisierungsenthalpie Na(g) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

xi

Beispielverzeichnis

8.4 Elektronenaffinitt von F(g) und Ne(g) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688.5 Koordinationszahlen in NaCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688.6 Koordinationszahlen in CaF2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688.7 Summenformel bei Al + C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688.8 Gitterenthalpie fr NaCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708.9 Gitterenthalpie fr NaCl (BornHaber-Kreisprozess) . . . . . . . . . . . . . . . . 708.10 Lewis-Formel von H2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738.11 H2-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738.12 HF-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738.13 CO-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748.14 O2-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748.15 S22 -Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748.16 NH+4-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758.17 CO23 -Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

9.1 OH-Konzentration bei vorgegebener H3O+-Konzentration . . . . . . . . . . . . . 889.2 pKS-Wert von Essigsure und pKB-Wert der konjugierten Base Acetat . . . . . . . 929.3 pH-Wert von Essigsure mit c = 0,01mol/L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959.4 pH-Wert von Acetat-Lsung mit c = 0,01mol/L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959.5 pH-Wert von NH4Cl-Lsung mit c = 0,3mol/L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979.6 Zugabe von Sure zu einer Pufferlsung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1009.7 Ansetzen eines Puffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1009.8 Reaktion von BF3mit F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1019.9 Lewis-Formel von SF4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1029.10 Ag+ in Komplexen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049.11 Aluminium in Komplexen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049.12 Weitere Komplexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049.13 Benennung verschiedener Komplexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

10.1 Oxidation und Reduktion in Reaktionsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 10910.2 Oxidationszahlen von einatomigen Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11010.3 Oxidationszahlen aus Lewis-Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11010.4 Mehr Beispiele fr Oxidationszahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11110.5 Reaktion von CaCO3mit CO2 und H2O Redox-Reaktion? . . . . . . . . . . . . . 11310.6 Schwimmbad-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11310.7 Redox-Reaktion: Permanganat und Hydrazin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11410.8 Verkehrskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11510.9 Blei, Blei(IV)-oxid und Blei(II)-sulfat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12210.10Daniell-Element in der Nernstschen Gleichung bei Standardzustnden . . . . . 12310.11Daniell-Element in der Nernstschen Gleichung bei Nicht-Standardzustnden . 124

xii

Vorwort

Bei dem Wort Chemie denken viele Menschen entweder an das zweitschlimmste Schulfach(dicht hinter Physik) oder an eine bse, undurchschaubare Macht, die fr die Zerstrung derWelt, wenn nicht gar des gesamten Universums, verantwortlich ist. So hnlich ergeht es demAutor dieser Zeilen, wenn er den Satz Schreib mal ein Vorwort!1 hrt.Glcklicherweise sind sowohl die Leserinnen undLeser dieser Zeilen sowie der Schreiber eben

jener in der glcklichen Lage, ihre Voreingenommenheit abzulegen und wissenschaftlich undsachlich an die Sache heranzugehen.Die Chemie ist fr Ihr Studium kein Nebenfach, sondern Grundlage. Sie werden sehen, dass

egal, ob Sie Physik, Biowissenschaften2 oder Geowissenschaften studieren Chemie beralldrinsteckt und letzten Endes gar nicht so kompliziert ist.Die Chemie ist wie es alle Naturwissenschaften sind eine spannendeWissenschaft. Denken

Sie bitte immer daran!

Zum Skript

Dieses Skript zur Vorlesung wurde erstellt auf Basis meiner vorbereiteten Unterlagen zur Vor-lesung sowie auf den tatschlich in der Vorlesung vermittelten Inhalten.Sie halten die erste berarbeitete Version in Hnden3.Ich mchte mich ganz herzlich bei meiner Erstkorrektorin Silke D.Thoms und beim Zweitkor-

rektor Jrgen Glinnemann bedanken.Dieses Skript erhebt keinerlei Anspruch auf Fehlerfreiheit und Vollstndigkeit. Es soll viel-

mehr verstanden werden als Stichwort- und Konzeptesammlung; es ist immens wichtig, dassSie als Zuhrerin und Zuhrer die Inhalte der Vorlesung und dieses Skriptes vor- und nachbe-reiten.

Literatur

Begleitend zur Vorlesung und zum Studium sei folgende Literatur empfohlen:

C. E.Mortimer, U.Mller:Chemie. Das Basiswissen der Chemie. 10. Auflage. Stuttgart:Thie-me, 2010.

E. Riedel, C. Janiak: Anorganische Chemie. 8. Auflage. Berlin, New York: deGruyter, 2011.

1Dieser Satz stammt aus einem Selbstgesprch.2Die Bezeichnung Biologie finde ich persnlich viel cooler.3Auf Papier, wenn Sie das Skript ausgedruckt haben, oder auf Ihrem Pad in jeglicher Form.

xiii

Vorwort

A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg (Bearb.): Lehrbuch der anorganischen Chemie.102. Auflage. Berlin, New York: deGruyter, 2007.

Diese Bcher sind fr Angehrige der Universitt auch als eBook verfgbar.

Technische Hinweise

Mathematische Gleichungen sind wie folgt gekennzeichnet: (9.2) (vgl. S. 87).Reaktionsgleichungen sind wie folgt gekennzeichnet: [R 1.1] (vgl. S. 2).

.....

Wichtige Definitionen, Gesetze etc.

.stehen in solchen Kstchen.

.....

Beispiel 0.1: Beispiele

.stehen in solchen Kstchen.

Formale Ladungen werden in roter Schrift dargestellt: [Na +]+, Oxidationszahlen in grner:+IIITi

IIIN. Reale Ladungen wie Ionen- und Partialladungen haben die Textfarbe: Sn2+,

+H

Cl. Das dient

der besseren Lesbarkeit dieses Skriptes; in einer Klausur drfen Sie gerne Ihren blichen Stiftverwenden (auerdem ist mindestens rot die Korrekturfarbe).

Ich wnsche Ihnen viel Erfolg und Spa in und mit der Vorlesung.

Christian Buchsbaum, im Oktober (und nochmal im Dezember) 2013

X ELATEX (X ETEX V 3.1415926-2.4-0.9998), 8. Februar 2014 20:53

xiv

Kapitel 1

Chemie

Das vorliegende Kapitel soll einen kurzen berblick geben ber die Chemie, deren Definitionals naturwissenschaftlicheDisziplin sowie deren Beschftigungsgebiete. Daran schliet sich einekurze Geschichte der Chemie vomAltertum bis zur heutigenmodernenWissenschaft. Am Endesteht die noch heute gltige Elementdefinition.

1.1 Was ist Chemie und womit beschftigt sie sich?

.....

Definition

.

Chemie ist dieWissenschaft, die sichmit der Charakterisierung, Zusammensetzung undUm-wandlung von Stoffen befasst.

Gegenstand der Chemie sind Zusammensetzung und Struktur von Substanzen, Krfte, die Substanzen zusammenhalten, Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Substanzen; daraus werden Aussa-gen ber die Struktur von Substanzen mglich. Dies wiederum ermglicht Identifizierungund Klassifizierung von Substanzen.

Hauptanliegen der Chemie ist die chemische Reaktion! Wie werden Stoffe ineinander umgewandelt? Unter welchen Bedingungen laufen Stoffumwandlungen ab? Wie schnell laufen sie ab? Wie werden unerwnschte Reaktionen unterdrckt und erwnschte Reaktionen gefr-dert?

Welche Energien werden umgesetzt? Wie lassen sich natrlich vorkommende Stoffe knstlich herstellen? Wie lassen sich nicht natrlich vorkommende Stoffe herstellen?

1.2 Historische Entwicklung der Chemie

Handwerksknste (bis 600 v. Chr.)

Zu den Handwerksknsten zhlen: Erzeugung von Metallen aus Erzen,

Kapitel 1 Chemie

Tpferei, Brauerei, Herstellung von Farbstoffen und Heilmitteln.Die Vorgehensweise beruht dabei auf Erfahrung, hinter den Vorgngen steht kein theoreti-

sches Konzept. Es handelt sich sozusagen um empirische Chemie.

.....

Beispiel 1.1: Umsetzung von Malachit ( CuCO3) mit Holzkohle

.

Malachit + Holzkohle... Kupfer [R 1.1]

Nach heutigem Verstndnis:2CuCO3 + C... 2Cu + 3CO2 [R 1.2]

Griechische Theorie (600 bis 300 v. Chr.)

Die griechische Theorie ging davon aus, dass alle Stoffe aus den vier Elementen Erde, Feuer,Wasser, Luft in wechselnden Massenverhltnissen bestehen.Leukipp und Demokrit schlugen bereits eine Atomtheorie vor: Alle Stoffe bestehen aus kleins-

ten (unteilbaren) Teilchen.

Alchemie (300 v. Chr. bis 1650 n. Chr.)

Die Alchemie ist die Synthese von griechischer Philosophie und (gyptischen) Handwerkskns-ten.Groes Interesse bestand zu dieser Zeit in der Stoffumwandlung von unedlen Metallen wie

Fe und Pb in Edelmetall (hauptschlich in Au). Es herrschte der Glauben an die Existenz einesUmwandlungsstoffes (Stein der Weisen).

Phlogiston (1650 bis 1790)

Jeder brennbare Stoff enthlt Phlogiston, das bei Verbrennung abgegebenwird. Der Stoff verliertsomit Masse. Die folgende Reaktion ist ein Beleg fr diese Theorie:

Holz... Asche + Phlogiston [R 1.3]

Allerdings gibt es einenHaken an der Sache:Metalle z. B. gewinnen beimVerbrennen anMasse.

Moderne Chemie (seit 1790)

Die moderne Chemie wurde wesentlich begrndet von Antoine Lavoisier (17431794).Er formulierte unter anderem das

1.3 Elemente, Verbindungen und Gemische

.....

Gesetz von der Erhaltung der Masse

.

ImVerlauf einer chemischenReaktion ist keinVerlust oderGewinnvonMasse zu beobachten;die Gesamtmasse aller reagierenden Stoffe ist gleich der Gesamtmasse der Produkte.

Er verwendete den noch heute gltigen Elementbegriff und stellte fest: Ein Metall ist ein Ele-ment; Metallkalk ist eine Verbindung aus Metall und Luftsauerstoff.

1.3 Elemente, Verbindungen und Gemische

Das Elementkonzept von Robert Boyle (1661) wurde besttigt von Lavoisier. Es gilt folgende

.....

Elementdefinition

.

Ein Element ist ein Stoff, der chemisch nicht in einfachere Stoffe zerlegt werden kann.Eine Verbindung entsteht durch das Zusammenfgen von Elementen (Abb. 1.1).

1799 formulierte Joseph Proust das

.....

Gesetz der konstanten Proportionen

.

Eine Verbindung besteht immer aus den gleichen Elementen im gleichen Massenverhltnis.Beispiel H2O: m(H) m(O) = 11,19% 88,81%

ZumAbschluss dieses Kapitels findet sich in Tab. 1.1 eine Aufstellung der 15 hufigsten Elemen-te in der Erdkruste sowie in Tab. 1.2 eine bersicht ber heterogene Gemische sowie gngigeTrennmethoden.

Materie

ElementeVerbindungen

Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal. Meth.

Trennung mit

physikal. Meth.

Trennung mit

chemischen Meth.

Abbildung 1.1: Auftrennung von Materie bis hin zum Element.

Kapitel 1 Chemie

Tabelle 1.1: Hufigkeit der Elemente in der Erdkruste.

Platz Element Massen-%

1 O 49,22 Si 25,73 Al 7,54 Fe 4,75 Ca 3,46 Na 2,67 K 2,48 Mg 1,99 H 0,910 Ti 0,611 Cl 0,212 P 0,113 Mn 0,114 C 0,0915 S 0,05

Rest 0,56

Tabelle 1.2: Heterogene Gemische.

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiel Trennung (Beispiele)

fest + fest Gemenge Granit, Sand + Salz Sortieren, Sieben, Flotation, fest + flssig Suspension Schlamm Sedimentieren, Dekantieren, Zen-

trifugieren, Filtrieren, flssig + flssig Emulsion Milch Zentrifugieren, Scheidetrichter, fest + gasfrmig Aerosol Rauch Sedimentieren, Filtrieren, elektro-

stat. Trennung, flssig + gasfrmig Aerosol Nebel, Schaum Sedimentieren,

Kapitel 2

Atomtheorie

2.1 Dalton-Atomtheorie

Die Vorstellungen von Leukipp und Demokrit (s. Abschnitt 1.2) ber Atome waren der Aus-gangspunkt fr Daltons Atomtheorie:

.....

Antike Atome

.

Bei Zerteilung vonMaterie gelangt man irgendwann zu kleinsten Teilchen, die unteilbar (gr.:atomos) sind.

Weitere Vorarbeiten von u. a. Boyle und Newton mndeten in Daltons Atomtheorie mit fol-genden Hauptpostulaten:

.....

Daltons Hauptpostulate

.

1. Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen, den Atomen. Alle Atome eines Ele-mentes sind gleicha, Atome verschiedener Elemente sind verschieden.

2. Bei chemischen Reaktionen werden Atome miteinander verbunden oder voneinandergetrennt. Atome werden weder zerstrt noch gebildet noch umgewandelt.

3. Eine chemische Verbindung ergibt sich aus der Verknpfung von zwei oder mehr Ele-menten. Eine bestimmte Verbindung enthlt immer die gleichen Atomsorten, die ineinem festen Mengenverhltnis verknpft sind.

aHeute wissen wir, dass es Isotope gibt.

Dalton leitete seine Atomtheorie nur aus dem Gesetz von der Erhaltung der Masse und demGesetz der konstanten Proportionen her und ergnzte um das

.....

Gesetz der multiplen Proportionen

.

Gehen zwei Elemente X und Y mehr als eine Verbindung ein, stehen die jeweiligen Massenvon X in einem kleinen ganzzahligen Verhltnis zueinander.

.....

Beispiel 2.1: Gesetz der multiplen Proportionen: Kohlenstoff und Sauerstoff

.

Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff je nach Reaktionsbedingungen zu zwei verschiedenenVerbindungen (CO und CO2).

Kapitel 2 Atomtheorie

....

In einer Verbindung kommen auf 12 g Kohlenstoff 16 g Sauerstoff, in der anderen kommenauf 12 g Kohlenstoff 32 g Sauerstoff. Das Massenverhltnis von Sauerstoff betrgt also 1 2.

.....

Beispiel 2.2: Gesetz der multiplen Proportionen: Schwefel und Sauerstoff

.

Schwefel reagiert mit Sauerstoff je nach Reaktionsbedingungen zu zwei verschiedenen Ver-bindungen (SO2 und SO3).In einer Verbindung kommen auf 32 g Schwefel 32 g Sauerstoff, in der anderen kommen auf32 g Schwefel 48 g Sauerstoff. Das Massenverhltnis von Sauerstoff betrgt also 2 3.

2.2 Das Elektron

Humphry Davy entdeckte 1807/1808 die Elemente

Na,K,Ca, Sr,Ba

bei der Zersetzung entsprechender Verbindungen durch elektrischen Strom.Er schloss daraus, dass die Bindungskrfte zwischen denAtomen elektrischerNatur seinms-

sen.Es folgten Experimente zur Elektrolyse von Faraday. Basierend auf Faradays Arbeiten schlug

George Johnstone Stoney vor, elektrische Ladungstrger zu postulieren und siemit demNamenElektron (e) zu bezeichnen.Im weiteren Verlauf wurden viele Experimente mit Kathodenstrahlen durchgefhrt. In einem

evakuierten Glasgef befinden sich zwei Elektroden: Kathode (negative Elektrode) und Anode(positive Elektrode). Aus der Anode (Metallscheibe) treten Elektronen aus, die durch das elek-trische Feld zwischen den Elektroden in Richtung Anode beschleunigt werden. Durch ein Lochin der Anode knnen Elektronen hindurch fliegen. Der Teilchenstrahl lsst sich dann durch einelektrisches oder magnetisches Feld ablenken (Abb. 2.1).Es wurde folgendes beobachtet:1. Je grer die Ladung q der Teilchen, desto grer die Ablenkung.2. Je grer die Masse m der Teilchen, desto kleiner die Ablenkung.Wenn gengend Experimente durchgefhrt werden, lsst sich das Verhltnis von Ladung q

zu Masse m der Teilchen berechnen. Es ergibt sich

qm = 1,7588 10

Cg .

Elektronenladung (Millikan, 1909)

Millikan bestimmte die Elektronenladung in folgendem Experiment:Zwischen zwei horizontal angebrachten Kondensatorplatten wird Luft durch Rntgenstrah-

lung ionisiert, wobei freie Elektronen entstehen. Anschlieend wird l zwischen die Platten ge-sprht. Die feinen ltrpfchen nehmen Elektronen der ionisierten Luft auf und werden damit

2.2 Das Elektron

Kathode

()

Anode

(+)

()

(+)

Kathode

()

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS

Abbildung 2.1: Versuche mit Kathodenstrahlen (Elektronen): Ablenkung im elektrischen (links) und immagnetischen (rechts) Feld.

()

(+)

ltrpfchenOkular

Abbildung 2.2: ltrpfchenversuch nach Millikan.

selbst zu geladenen Teilchen. Am Kondensator wird nun die Spannung so eingestellt, dass einbestimmtes Trpfchen nicht mehr steigt oder sinkt (Prinzip Abb. 2.2).Aus der Trpfchengre lsst sich das Volumen des Trpfchens bestimmen, aus der bekannten

Dichte des ls die Masse des Trpfchens. ltrpfchen sind in der Lage, nicht nur ein, sondernmehrere Elektronen aufzunehmen. Die Ladung einesltrpfchens ist also ein ganzzahliges Viel-faches der Elementarladung. Nach zahlreichenMessungen lsst sich die kleinste vorkommendeLadung (Elementarladung e) bestimmen:

Ladung des Elektrons:

qe = e = 1,6022 10C

ausqeme

me = 9,1094 10 g

= 9,1094 10 kg


2.3 Das Proton

Aus Atomen und Moleklen lassen sich Elektronen entfernen. Zurck bleiben positive gelade-ne Teilchen. Der Betrag der positiven Ladung entspricht der Anzahl der entfernten Elektronen.Die zurckbleibenden positiv geladenen Teilchen knnen nun genau wie die Kathodenstrahlen(negativ geladene Teilchen) in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Solche Teilchen-strahlen werden als Kanalstrahlen bezeichnet.Im Falle des Wasserstoffs liegen bei Entfernen aller (also des einzigen) Elektronen Protonen

vor. Aus einem leicht abgewandelten Kathodenstrahlexperiment (als Kanalstrahlexperiment be-zeichnet, Abb. 2.3) lsst sich das Verhltnis qm fr das Proton (p

+) ermitteln:

qp+mp+

= +9,5791 10 Cg

und ber die Elementarladung +e = +1,6022 10C die Masse mp+:

mp+ = 1,6726 10 g= 1,6726 10 kg .

Kathode

()

Anode

(+)

e

ee

e

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld

Abbildung 2.3: Kanalstrahlexperiment.

Das Verhltnis von Protonen- zu Elektronenmasse ergibt sich damit zu

mp+me

1836 .

2.4 Das Neutron

Atome sind elektrisch neutral, was darin begrndet liegt, dass die Anzahl der Protonen gleichder Anzahl der Elektronen ist.Allerdings sind die Massen der (meisten) Atome grer als die Summe der Massen der Pro-

tonen und Elektronen.Rutherford postulierte 1920 ein Teilchen, das Masse besitzt, aber elektrisch neutral ist, und

gab ihm den Namen Neutron (Symbol: n oder n0). Nachgewiesen wurde es 1932 von Chadwick.

2.5 Radioaktivitt

bersicht

Da Protonen und Neutronen im Atomkern zu finden sind, werden sie als Nucleonen (lat.: nu-cleus, der Kern) bezeichnet. Zusammen mit den Elektronen bilden die Nucleonen die Atom-bausteine.Eine bersicht ber Massen und Ladungen der Atombausteine gibt folgende Tabelle:

Tabelle 2.1:Massen und Ladungen von Atombausteinen. Die Atomare Masseneinheit u wird in Ab-schnitt 2.9 erlutert.

Teilchen mkgmu

q,

e 9,1094 1031 0,000 549 1p+ 1,6726 1027 1,007 276 +1n0 1,6749 1027 1,008 665 0

2.5 Radioaktivitt

Manche Atome zerfallen unter Abgabe von Strahlung in Atome anderer Elemente. Bekannt (seitBecquerel, 1896) sind drei Arten von Strahlung:-Strahlung: 2-fach positiv geladene Teilchen mit ungefhr 4-facher Protonenmasse. Es handelt

sich dabei um Teilchen mit 2 Protonen und 2 Neutronen und somit um 2-fach positiv gela-dene Heliumionen (He2+). Da alle beide Elektronen entfernt sind und somit nur noch derKern vorhanden ist, spricht man auch von Heliumkernen oder -Teilchen.-Teilchen haben Geschwindigkeiten von v 10 000 km/s bis v 30 000 km/s.

-Strahlung: Elektronen, v 13 000 km/s-Strahlung: Elektromagnetische Strahlung, v = c = 2,997 924 58 10m/s

Anwendungen

Um das Alter von z. B. Fossilien zu bestimmen, macht man sich die Tatsache zunutze, dass dasKohlenstoffisostop 14C radioaktiv zerfllt. DieMassenverhltnisse der Kohlenstoffisotope betra-gen 12C 13C 14C = 98,9% 1,1% < 10%. Das Verhltnis wird ber die Zeit als konstantangenommen. In einem lebenden Organismus wird dieses Verhltnis durch Austausch mit derUmgebung konstant gehalten. Stirbt der Organismus, findet kein Austausch mehr statt, so dass14C-Atome zerfallen und nicht mehr ersetzt werden. Dadurch ndert sich das Verhltnis derIsotope. Die noch verbliebene Menge 14C kann ber die Messung der Radioaktivitt ermitteltwerden und so das Alter der Probe bestimmt werden.Mit Hilfe des Zerfallsgesetzes (die Herleitung finden Sie in Abschnitt 6.5 ab Seite 42) lsst sich

aus der Zahl der Teilchen zu Beginn (N) die momentane Zahl der Teilchen (N) berechnen:

.....

Gesetz fr den radioaktiven Zerfall

.N(t) = N et (2.1)


ist dabei ein Faktor, der bekannt sein muss oder mit Hilfe der Halbwertszeit t/ des Nuklidsberechnet werden kann:

.....

Geschwindigkeitskonstante und die Halbwertszeit t/

. = ln 2t/

(2.2)

2.6 Atommodell nach Rutherford (1911)

Rutherford fhrte ExperimentemitMetallfolien und -Strahlung durch (Abb. 2.4). Die von ihmz. B. verwendete Goldfolie hatte eine Dicke von d 0,004mm1.Die -Teilchenwerden von einem radioaktiven Prparat ausgesendet und treffen auf eine dn-

ne Metallfolie. Um die Folie ist ein photographischer Film angebracht, der empfindlich fr ioni-sierende Strahlung (z. B. -Strahlung) ist. Auf den Film treffende Strahlung frbt ihn an dieserStelle schwarz.Rutherford beobachtete eine Schwrzung des Films jenseits der Metallfolie (geradeaus

durch), stellenweise aber auch an Positionen diesseits der Metallfolie. Ein Teil der -Strahlungpassierte die Folie ohne Ablenkung, ein anderer Teil wurde nicht nur leicht von seiner Flugbahnabgelenkt, sondern sogar vollstndig zurckgeworfen.

Metallfolie

Film

geschwrzte

Stellen

radioaktives

Prparat

-Strahlung-Strahlung

Abbildung 2.4: Prinzip des Rutherford-Versuchs.

1Bei einemDurchmesser fr einAu-Atomvon dAu ergibt sich eineGoldschichtmit

= , = Atomen. Natrlich waren die Grenverhltnisse zur damaligen Zeit nicht bekannt, sie dienen hier nur derVeranschaulichung der Grenordnungen.

2.7 Atomsymbole

Konsequenzen

Er zog folgende Schlussfolgerungen:

.....

Ergebnisse des Rutherford-Versuchs

.

1. Es gibt einen Atomkern in der Mitte des Atoms.2. Der Atomkern ist positiv geladen (Protonen im Kern).3. Die Elektronen nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein.4. Die Anzahl der Protonen ist gleich der Anzahl der Elektronen.

Grenverhltnisse

Die Durchmesser eines Atoms und seines Kerns lassen sich folgenden Bereichen zuordnen(10m = 1 (ngstrm)):

dKern 1 fm = 10mdAtom 100 bis 400 pm

= 100 1012 bis 400 1012m= 1 bis 4

dAtomdKern

= 10m

10m= 10

2.7 Atomsymbole

Bevor Isotope behandelt werden (Abschn. 2.8) folgt ein kurzer Abschnitt ber die Schreibweisevon Atomsymbolen.Ein Atomsymbol ist folgendermaen aufgebaut (fr elektrisch neutrale Atome):

AZSym

Dabei bedeutenZ: Ordnungszahl oder Kernladungszahl (Anzahl der Protonen),A: Massenzahl, entspricht der Gesamtzahl der Nucleonen: Anzahl Protonen + Anzahl Neutro-

nen,Sym: Elementsymbol.Die Ordnungszahl muss nicht zwingend notiert werden, da das Elementsymbol genauso ein-

deutig ist.


.....

Beispiel 2.3: Schreibweise von Elementsymbolen mit Ordnungs- und Massenzahlen

.

126C, 136C,146C, 147N, 199F

11H, 21H = D, 31H = T

Massenzahlen stehen links oben, Kernladungszahlen links unten am Elementsymbol. 199Fbedeutet Z = 9 und damit Ordnungszahl 9, 19 9 = 10 Neutronen.

Einatomige Ionen entstehen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen. Es gilt folgendeSchreibweise:

.....

Beispiel 2.4: Schreibweise von einatomigen Ionen mit Ordnungs- und Massenzahlen

.

2311Na+, 2713Al3+, 3216S2

Die Ladung des Teilchens wird rechts oben an das betreffende Elementsymbol geschrieben.2713Al3+ bedeutet also, dass das Aluminium-Atom 13 Protonen, 14 Neutronen und drei

positive (Elementar)ladungen (durch Abgabe von Elektronen) enthlt.

Die Ladung einatomiger Ionen ist die Summe der positiven (Anzahl Protonen) und negativen(Anzahl Elektronen) Ladungen.

2.8 Isotope

Es gibt Atome bestimmter Elemente, die sich untereinander in ihrer Massenzahl A unterschei-den, sie werden als Isotope (iso: gleich, topos: Ort; am gleichen Ort (im Periodensystem))bezeichnet.Fr chemische Reaktionen ist die unterschiedliche Masse von untergeordneter Bedeutung, da

die chemischen Eigenschaften nicht von der Zusammensetzung des Atomkerns abhngen, son-dern von derAnzahl Elektronen in der Valenzschale bestimmtwerden. Natrlich vorkommendeIsotopengemische knnen bedenkenlos unverndert eingesetzt werden.Einige Elemente liegen isotopenrein (es gibt nur ein einziges Isotop) vor, z. B. 23Na, 19F.

.....

Isotope

.

Isotope sind Atome des gleichen Elements (gleiche Ordnungszahl Z), aber mit unterschied-licher Massenzahl A.

Die Trennung von Isotopen erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Massenspektrometers(Abb. 2.5).Die Probe wird verdampft und mit Elektronen beschossen, wobei selbst Elektronen aus der

Substanz entfernt werden. Die positiv geladenen Ionen werden in einem elektrischen Feld be-schleunigt. Auf ihrer Flugbahn passieren diese Ionen z. B. ein magnetisches Feld und vernderndadurch ihre Flugbahn. Die Ablenkung ist abhngig von dem Verhltnis qm der Ionen. DurchVariation der magnetischen Feldstrke lassen die Flugbahnen ndern und so die einzelnen Io-nensorten voneinander trennen. Ein Detektor am Ende der Strecke misst die Intensitt des Teil-chenstrahls.

2.9 Atommassen

Kathode

()

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Glhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor

Abbildung 2.5: Prinzip eines Massenspektrometers.

2.9 Atommassen

Einzelne Atome haben unwgbar kleineMassen. Um ein vernnftiges Arbeiten zu ermglichen,kann ein Massensystem eingefhrt werden, das Atommassen untereinander in Beziehung setzt;man gelangt so zur relativen Atommasse.DaltonwhlteWasserstoff als Bezug und gab ihm die relativeMasse 1. Er kannte dasMassen-

verhltnis von z. B. Wasserstoff zu Sauerstoff in Wasser: 11,2% 88,8%, was in ganzen Zahlen1 8 entspricht. Er kannte auerdem das Atomverhltnis Wasserstoff zu Sauerstoff, nmlich2 1. Daraus lsst sich die relative Atommasse von Sauerstoff berechnen: Masse(Sauerstoff) = = 16.Die relativen AtommassenAr werden heute auf derMasse eines

12C bezogen. Diese Grund-gre der atomaren Masseneinheit wird mit der Einheit u (unit) versehen:

1 u = 112m(1 Atom12C) = 1,661 10 kg

.....

Beispiel 2.5: Relative Atommassen von Kohlenstoff und Wasserstoff

.

Ar(1 Atom 12C) =1,993 10 kg1,661 10 kg

= 12

Das Ergebnis muss exakt 12 sein, da 1 u so definiert ist.

Ar(1 Atom 1H) =1,6726 10 kg1,661 10 kg

= 1,007

Bei Wasserstoff (und fast allen anderen Elementen) treten keine ganzzahligen relativen Atom-


massen auf. Ein freies Nucleon (hier das Proton) hat offensichtlich eine grere Masse als ein imAtomkern befindliches. Woran mag das liegen?Um Protonen und Neutronen im Atomkern zu halten, ist Bindungsenergie erforderlich. Ge-

m der (gekrzten und vereinfachten) Formel E = mc sind Energie und Masse in einanderberfhrbar. Die bentigte Bindungsenergie wird also der Masse der Nucleonen entnommen(Massendefekt).Ein weiterer Grund fr das Auftreten von krummen relativen Atommassen ist in der Tatsache

begrndet, dass Elemente als Isotopengemische vorkommen. Beispielsweise besteht natrlichvorkommender Kohlenstoff zu ca. 98,9% aus 12C und zu ca. 1,1% aus 13C.

.....

Beispiel 2.6: Relative Atommasse von Chlor

.

Natrlich vorkommendes Chlor:

3517Cl: 75,77% 34,969 u = 26,496 u3717Cl: 24,23% 36,966 u = 8,957 u

35,453 u

Kapitel 3

Elektronenstruktur der Atome

3.1 Elektromagnetische Strahlung, Kenngren

Zu Beginn sei eine kleine Aufstellung von Kenngren elektromagnetischer Strahlung aufge-fhrt: Wellenlnge: (lambda) Amplitude: A; Intensitt: A

Frequenz: (n) Ausbreitungsgeschwindigkeit: c = 2,997 924 58 10m/s 3 10m/sEs gelten folgende Beziehungen: c = E = h , mit der Energie (E) und dem PlanckschenWirkungsquantum h = 6,626 10 J s.

3.2 Atommodell nach Bohr (1913)

Bohr fhrte spektroskopische Untersuchungen anWasserstoff durch. Er beobachtete dabei keinkontinuierliches Spektrum, sondern ein Spektrum aus diskreten Linien. Diesen Linien (Lichtunterschiedlicher Frequenzen) lassen sich gem E = h = h c Energien zuordnen.

.....

Bohrsche Postulate

.

1. Elektronen knnen sich nur auf bestimmten Kreisbahnen aufhalten. Sie werden mit K,L, M, N, oder mit n = 1, n = 2, n = 3, bezeichnet.

2. Auf jeder Kreisbahn hat das Elektron eine bestimmte Energie. Diese Energie ist nichtbeliebig. Fr n = 1 (dem Kern am nchsten) ist die Energie am niedrigsten.

Elektronen auf der kernnchsten Bahn (n = 1) haben die Energie E. Um dieses Elektron aufdie Bahn n = 2 mit der Energie E zu bringen, ist der Energiebetrag E = E E ntig, derbeispielsweise durch Licht geeigneter Frequenz = Eh aufgebracht werden kann.Die elektrostatische Kraft FQ zwischen den entgegengesetzt geladenen Protonen und Elektro-

nen muss sich im Gleichgewicht mit der Zentrifugalkraft FZ befinden (Abb. 3.1). Dadurch warBohr in der Lage, Kreisbahnen und die Lagen der Spektrallinien zu berechnen, allerdings nurfr das Wasserstoff-Atom. Fr alle anderen Atome versagt die Rechnung.

Kapitel 3 Elektronenstruktur der Atome

p+

e

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2

3.3 Quantenmechanisches Atommodell

A

A

A

Abbildung 3.2: Konstruktive Interferenz zweier Wellen. Dargestellt ist je eine Wellenlnge .

A

A

A

Abbildung 3.3: Destruktive Interferenz zweier Wellen. Dargestellt ist je eine Wellenlnge .

.....

Unschrferelation

.

Impuls p = m v und Ort r eines Teilchens lassen sich nicht gleichzeitig beliebig genau be-stimmen. Eine mgliche mathematische Formulierung sieht so aus:

p r h

Den exakten Ort des Elektrons zu kennen, ist fr den Alltag irrelevant. Wichtiger ist es, dieAufenthaltswahrscheinlichkeit zu kennen.Stellt man die ermitteltenAufenthaltswahrscheinlichkeiten grafisch dar, erhltman sogenann-

te Grenzflchendarstellungen von Atomorbitalen (Abb. 3.4).

Quantenzahlen

Lst man die Schrdinger-Gleichung, so erhlt man Zahlen, die sogenanntenQuantenzahlen:Hauptquantenzahl (HQZ): n = 1, 2, 3,,.

n entspricht dabei ungefhr den Bahnen im Bohr-Modell.Nebenquantenzahl (NQZ): l = 0, 1, 2, 3,,n 1.

Orbitale mit l = 0werden als s-, l = 1 als p-, l = 2 als d-, l = 3 als f-Orbitale usw. bezeichnet.


x

y

z

s ( = 0)l

x

y

z

p ( = 1, = 1)x ll m

x

y

z

p ( = 1, = 0)y ll m

x

y

z

p ( = 1, = +1)z ll m

x

y

z

d ( = 2, = 2)xy ll m

x

y

z

d ( = 2, = 1)xz ll m

x

y

z

d ( = 2, = 0)yz ll m

x

y

z

d ( = 2, = +1)x l2 l m 2y d ( = 2, = +2)z l2 l m

x

y

z

Abbildung 3.4: Grenzflchendarstellungen: s-Orbital (oben), p-Orbitale (Mitte), d-Orbitale (unten).

3.4 Orbitalbesetzung

Magnetquantenzahl (MQZ): ml = l, (l 1),, 0,, +(l 1), +l.ml gibt dabei in etwa die rumliche Orientierung der Orbitale wieder.

Spinquantenzahl (SQZ): s = + , .

.....

Beispiel 3.1: Neben- und Magnetquantenzahlen fr n = 1 und n = 2

.

n = 1 l = 0 ml = 0 1s-Orbital

n = 2 l =

0 ml = 0 2s-Orbital

1 ml =

1 2px-Orbital0 2py-Orbital

+1 2pz-Orbital

3.4 Orbitalbesetzung

Beim Befllen von Orbitalen2 mit Elektronen gelten folgende Regeln:

Pauli-Prinzip

Keine zwei Elektronen drfen in allen vier Quantenzahlen bereinstimmen. Pro Orbital lassensich demzufolge maximal zwei Elektronen unterbringen.

Hundsche Regel

Bevor energiegleiche Orbitale mit zwei Elektronen besetzt werden, werden die Orbitale einfachbesetzt.

.....

Beispiel 3.2: Elektronenkonfigurationen von Stickstoff und Sauerstoff

.

Elektronenkonfigurationen:

N-Atom: 1s 2s 2p (2p = 2px 2py 2pz)

O-Atom: 1s 2s 2p (2p = 2px 2py 2pz)

Energieabfolge der Orbitale

Die Reihenfolge der Orbitalenergien ergibt sich aus Abbildung 3.5 (nicht mastabsgerecht).

3.5 Periodensystem

Die Elemente sind nach steigender Anzahl ihrer Protonen (Ordnungszahl) sortiert. Damit ist dasPeriodensystem (bis jetzt) eine einzeilige Liste: H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne,

2Atomorbitale, Moleklorbitale, Hybridorbitale,


1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie

Abbildung 3.5: Energetische Abfolge von Atomorbitalen. Die Orbitalenergie steigt von unten nach obenan

Fr den Chemiker ist die Anordnung der Elektronen insbesondere der Valenzelektronen(Elektronen auf der uersten Schale) wichtig. In Tab. 3.1 ist die Elektronenkonfiguration derersten 18 Elemente aufgelistet.Elektronenkonfigurationen wiederholen sich systematisch (wenn man die Hauptquantenzahl

nicht bercksichtigt), z. B. bei den Elementen Li, Na, K, Rb, Cs, Fr: s fr die Valenzschale.Man schreibt Elemente mit gleicher Valenzelektronenkonfiguration untereinander und

kommt so zum Periodensystem der Elemente (PSE).

Was sieht man im Periodensystem?

Die Zeilen im PSE werden Perioden genannt, die Spalten heien Gruppen. Weil z. B. die Elemente Li, Na, K, Rb, Cs, Fr alle s-Konfiguration der Valenzschale haben,stehen sie einer Gruppe (nmlich der 1.). Umgekehrt kann man aus der Stellung des Ele-mentes im PSE die Elektronenkonfiguration insbesondere der Valenzschale ablesen.

Die Nummerierung der Gruppen erfolgt seit Anfang des Jahrtausends fortlaufend von 1bis 18 (arabische Zahlen). Co steht in der 9. Gruppe, Tl in der 13. Immer noch gelufig ist

3.5 Periodensystem

Tabelle 3.1: Elektronenkonfigurationen der ersten 18 Elemente.

Element Elektronenkonfiguration Kurzschreibweise

H 1s 1s

He 1s 1s

Li 1s 2s [He] 2s

Be 1s 2s [He] 2s

B 1s 2s 2p [He] 2s 2p

C 1s 2s 2p [He] 2s 2p

N 1s 2s 2p [He] 2s 2p

O 1s 2s 2p [He] 2s 2p

F 1s 2s 2p [He] 2s 2p

Ne 1s 2s 2p [He] 2s 2p

Na 1s 2s 2p 3s [Ne] 3s

Mg 1s 2s 2p 3s [Ne] 3s

Al 1s 2s 2p 3s 3p [Ne] 3s 3p

Si 1s 2s 2p 3s 3p [Ne] 3s 3p

P 1s 2s 2p 3s 3p [Ne] 3s 3p

S 1s 2s 2p 3s 3p [Ne] 3s 3p

Cl 1s 2s 2p 3s 3p [Ne] 3s 3p

Ar 1s 2s 2p 3s 3p [Ne] 3s 3p

die Einteilung in Haupt- und Nebengruppen (rmische Zahlen). Die folgende bersichtzeigt die Zuordnung neue/alte Nummerierung:

1 2 3 4 5 6 7 8, 9, 10 11 12 13 14 15 16 17 18Ia IIa IIIb IVb Vb VIb VIIb VIIIb Ib IIb IIIa IVa Va VIa VIIa VIIIa

Gruppennamen

Die Gruppen im PSE haben (historisch begrndet) folgende bliche Namen:Gruppe Name

1 Alkalimetalle2 Erdalkalimetalle312 bergangsmetalle13 Erdmetalle14 Kohlenstoffgruppe15 Pnictogene16 Chalkogene17 Halogene18 Edelgase


Tendenzen im PSE

Atomradius

Innerhalb einer Gruppe nimmt der Atomradius zu; Grund dafr ist, dass mit jeder Periode ei-ne weitere Elektronenschale hinzukommt. Innerhalb einer Periode nimmt der Atomradius ab;Grund ist die zunehmende effektive Kernladung, die die Elektronenhlle strker anzieht.

Ionisierungsenergie

Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie ab; mit jeder Periode liegen die Valen-zelektronen weiter vom Kern entfernt. Auerdem werden die Valenzelektronen durch innereElektronen von der Anziehungskraft der Protonen strker abgeschirmt.Innerhalb einer Periode nimmt die Ionisierungsenergie zu; durch die grereKernladungwer-

den die Valenzelektronen strker angezogen.

.....

Ionisierungsenergie

.

Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die aufgewendet werden muss, um einem Atomoder Ion das am schwchsten gebundene Elektron zu entreien. Es gibt die erste, zweite,dritte, Ionisierungsenergie.

Elektronegativitt

Die Elektronegativitt (EN) nimmt innerhalb einer Gruppe ab und innerhalb einer Periode zu.

.....

Elektronegativitt

.

Die Elektronegativitt (EN) ist ein Ma fr die Fhigkeit, Bindungselektronen an sich zuziehen.

Das Element mit der hchsten Elektronegativitt ist F, das mit der kleinsten Fr. Eine Angabefr Edelgase erbrigt sich, da diese typischerweise keine Verbindungen bilden3.Gang der Elektronegativitten (Werte nach Pauling darunter):

F4,0> O3,4> N3,1 Cl3,1> C2,5> H2,2> Si1,9> Li1,0> Na

0,9> Fr0,7

Eine bersicht der verschiedenen Tendenzen gibt Abb. 3.6.

3Fr unseren Hausgebrauch ist diese Aussage richtig.

3.5 Periodensystem

nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie

Elektronegativitt

nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie

Elektronegativitt

Abbildung 3.6: Tendenzen im PSE: Atomradius, Ionisierungsenergie, Elektronegativitt.

Kapitel 4

Stchiometrie

.....

Stchiometrie

.

Die Stchiometrie beschftigt sich mit den quantitativen Beziehungen zwischen Elementenin einer Verbindung und zwischen Elementen und Verbindungen, die an chemischen Reak-tionen beteiligt sind.Grundlagen der Stchiometrie sind das Gesetz von der Erhaltung der Masse, das Gesetz der konstanten Proportionen, das Gesetz der multiplen Proportionen.

4.1 Atome, Molekle, Ionen

Atome: ZumAtombegriff konsultieren Sie bitte die Kapitel 1 und 2. Nur die Edelgase kommenals isolierte Atome vor. Alle anderen Elemente bilden grere Einheiten.

Molekle: Molekle sind Gebilde, die aus mindestens zwei (kovalent) verbundenen Atomenbestehen.

Ionen: Ionen sind Atome oder Molekle, die elektrisch geladen sind (positiv geladene Ionen:Kationen; negativ geladene Ionen: Anionen).

.....

Beispiel 4.1: Atome, Molekle, Ionen

.

Atome: Ne, isoliertes Kohlenstoffatom in der Gasphase: C(g)Molekle: SO2, CO2, H2O

keine Molekle: NaCl, BaCl2 (ionisch aufgebaute Feststoffe)Ionen: einatomige Ionen: Na+, S2, mehratomige Ionen: SO24 , PO34 , NH+4

4.2 Chemische Verbindungen

Chemische Verbindungen sind elektrisch neutral; SO24 ist z. B. keine chemische Verbindung,sondern ein (Molekl-)Anion. Um eine elektrisch neutrale Verbindung zu erhalten, ist eine ent-sprechende Anzahl Kationen erforderlich. Aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Be-trge der positiven und negativen Ionenladungen lsst sich das Verhltnis der Ionen ermitteln.

Kapitel 4 Stchiometrie

.....

Beispiel 4.2: Verbindung aus Al3+ und SO24

.

Kation: Al3+, Anion: SO24 .Das kleinste gemeinsame Vielfache ist 6. Um 6 positive Ladungen zu erhalten, sind 2 Al3+

ntig, um 6 negative Ladungen zu erhalten, 3 SO24 .Es ergibt sich die Zusammensetzung Al2(SO4)3. Mathematisch korrekt ist natrlich auchAl2S3O12, allerdings kommt dabei nicht das Vorhandensein von Sulfat-Anionen zum Aus-druck. Man darf Atomgruppen bilden und mathematisch die Koeffizienten ausklammern.

.....

Beispiel 4.3: Verbindung aus Na+ und O2

.

Besteht eine Verbindung aus z. B. Na+- und O2-Ionen, schreibt man die entsprechenden st-chiometrischen Koeffizienten als kleine tiefgestellte Zahl hinter das betreffende Elementsym-bol. Die Zahl 1 kann in den meisten Fllen weggelassen werden.Man schreibt also nicht 2Na + 1O oder 2Na1O, sondern Na2O (vollstndig, aber uerstunblich: Na2O1).

4.3 Das Mol

Auf die Dauer sind Reaktionsgleichungen in folgenden Schreibweisen unhandlich:

Wasserstoff + Sauerstoff... Wasser

oder

2 g Wasserstoff + 16 g Sauerstoff... 18 g Wasser

Mit dem Mol (Symbol n, Einheit mol) wird nun ein Hilfsmittel eingefhrt, das die Anzahlmikroskopischer Teilchen (Atome, Molekle, Ionen, ) mit der makroskopischen Masse ver-knpft:

.....

Mol

.

Ein Mol ist die Stoffmenge, die genau so viele Teilchen enthlt wie Atome in exakt 12 g desKohlenstoffisotops 126C enthalten sind.

Molare MassenM der Elemente lassen sich direkt aus den relativen Atommassen Ar ablesen:

.....

Beispiel 4.4:Molare Masse von Mo

.

Ar(Mo) = 95,94 in 95,94 g sind 1mol Mo enthalten:mn =

95,94 g1mol = 95,94

gmol =M

Die molare Masse von Verbindungen (relative Formelmasse) Mr ergibt sich aus der Summeder molaren Massen der entsprechenden Elemente in g/mol:

4.4 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen

.....

Molare Formelmasse

.Mr =Ar (in g/mol)

In n = 1mol sind N = 6,022 14 10 (Avogadro-Zahl, keine Einheit) Teilchen (Atome, Mole-kle, Ionen, ) enthalten. Es ergibt sich die Avogadro-Konstante (Einheit 1/mol)

.....

Avogadro-Konstante NA

.NA =

Nn = 6,022 14 10

1mol

Aus Untersuchungenmit Gasen fand Avogadro 1811 das nach ihm benannte folgende Gesetz:

.....

Avogadro-Gesetz

.

Gleiche Volumina beliebiger Gase enthalten bei gleichemDruck und gleicher Temperatur diegleiche Anzahl von Teilchen.

Aus der Zustandsgleichung fr ideale Gase1

p V = n R T (4.1)

lsst sich das Volumen berechnen. Eine kurze Herleitung finden Sie in Abschnitt 7.2.1.Gase haben bei 273,15K und 1,013 bar (Atmosphrendruck) ein molares Volumen von

22,42 L/mol, bei 293,15K ein molares Volumen von 24,0 L/mol und bei 298,15K ein molaresVolumen von 24,47 L/mol.

4.4 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen

Der Massenanteil w einer Komponente beschreibt die relative Masse dieser Komponente an derGesamtmasse der Verbindung2. Die Angabe erfolgt typischerweise in Prozent. In der Regel giltfolgende Konvention: Wenn nicht explizit anders angegeben, beziehen sich prozentuale Anga-ben auf Massenanteile!

.....

Beispiel 4.5:Massenanteil von Fe in Fe3O4

.

Welchen Massenanteil w hat Fe in der Verbindung Fe3O4?M(Fe3O4) = 3M(Fe) + 4M(O)

= 3 55,85 gmol + 4 15,99gmol

= 231,55 gmol

1p: Druck; V: Volumen; n: Stoffmenge; R: Gaskonstante (8,315 J/(molK)); T: Temperatur in Kelvin.2Der Massenanteil lsst sich nicht nur auf Verbindungen, sondern auch auf einzelne Teilchen oder Stoffgemischeanwenden.


....

Der Massenanteil w(Fe) berechnet sich dann wie folgt:

w(Fe) = 3M(Fe)M(Fe3O4)

= 167,55 g/mol231,55 g/mol= 0,724

Die Verbindung Fe3O4 besteht demnach zu 72,4% aus Eisen und zu 27,6% aus Sauerstoff.

4.5 Reaktionsgleichungen

Prinzipiell ist eine chemische Reaktionsgleichung eine mathematische Gleichung wie z. B.

5 + 2 8 = 7 + 14 (4.2)

Zustzlich zur mathematischen Information enthlt eine chemische Reaktionsgleichung An-gaben wie Richtung der Reaktion; Gleichheitszeichen werden durch Pfeile ersetzt: z. B. ... , ... . Art der beteiligten Reaktanden (Reaktionspartner): Atome, Ionen, Molekle, Elektronen,

Aggregatzustand der Reaktanden: (s): fest (solid); (l): flssig (liquid); (g): gasfrmig (ga-seous); (aq): hydratisiert (aqua)3;

Stoffmengen der Reaktanden (in mol).blicherweise stehen die Edukte (Ausgangsstoffe) links, die Produkte (Endstoffe) rechts. Wich-tiger ist jedoch die Pfeilrichtung.Fr jede chemische Reaktionsgleichung gilt, dass auf beiden Seiten die Stoffmengen der Reak-

tanden bereinstimmen (Gesetz von der Erhaltung der Masse!) sowie die Ladungsbilanz ausge-glichen ist.

.....

Beispiel 4.6: Reaktionsgleichung: Na und H2O

.

2Na(s) + 2H2O(l)... 2Na+(aq) + 2OH(aq) + H2(g) [R 4.1]

Die Gleichung ist wie folgt zu verstehen/lesen: 2mol festes und elementares Natrium reagie-renmit 2mol flssigemWasser zu 2mol hydratisierten Natrium-Kationen, 2mol hydratisier-ten Hydroxid-Ionen und 1molWasserstoffgas (das aus zweiatomigenMoleklen besteht). Inder Praxis kann man Aggregatzustnde weglassen, da sie typischerweise aus dem Kontextersichtlich sind. Freiwerdendes Gas kann durch einen Pfeil nach oben , ausfallender Fest-stoff durch einen Pfeil nach unten gekennzeichnet werden.

2Na + 2H2O... 2Na+ + 2OH + H2 [R 4.2]

3Hydratisiert bedeutet, dass ein Teilchen in Wasser von H2O-Moleklen umgeben eingehllt ist. Man sprichtauch von einer Hydrathlle.

4.6 Lsungen und Stoffmengenkonzentrationen

.....

Beispiel 4.7: Reaktionsgleichung: H+ und H2O

.

H+ + H2O... H3O+ [R 4.3]

Diese Gleichung ist zulssig, da links und rechts jeweils 3mol Wasserstoff stehen, links undrechts jeweils 1mol Sauerstoff, links und rechts je eine positive Ladung.

.....

Beispiel 4.8: Reaktionsgleichung: Verbrennung von Ethan

.

Ethan C2H6 soll verbrannt werden (Reaktion mit Sauerstoff). Dabei entstehen CO2 und H2O.Zuerst werden Edukte und Produkte notiert:

C2H6 + O2... CO2 + H2O [R4.4]

Es werden z. B. die Stoffmengen von C ausgeglichen:C2H6 + O2... 2CO2 + H2O [R4.5]

Wasserstoffausgleich:C2H6 + O2... 2CO2 + 3H2O [R4.6]

Rechts stehen nun 7mol Sauerstoff, links 2mol. Es ergibt sich:

C2H6 +72 O2... 2CO2 + 3H2O [R4.7]

Diese Gleichung ist korrekt! 72O2 bedeuten molO2, nicht

Molekle! Falls gewnscht, kann

die Gleichung dennoch mit 2 multipliziert werden:2C2H6 + 7O2... 4CO2 + 6H2O [R4.8]

4.6 Lsungen und Stoffmengenkonzentrationen

Viele chemische Reaktionen werden in Lsung durchgefhrt. Als hufigstes Lsungsmittelkommt dabei Wasser zum Einsatz. Um mit gelsten Stoffmengen arbeiten zu knnen, wird dieStoffmengenkonzentration c eines Stoffes definiert:

.....

Stoffmengenkonzentration c = n/V

.

Die Stoffmengenkonzentration c(X) eines Stoffes X ist die Stoffmenge n(X) bezogen auf dasVolumen V der Gesamtlsung, nicht des Lsungsmittels:

c(X) = n(X)V

Um eine NaCl-Lsung mit c(NaCl) = 0,5mol/L anzusetzen, werden 0,5mol NaCl abgewogen:

m(NaCl) =M(NaCl) n(NaCl)

= 58,44 gmol 0,5mol

= 29,22 g


Der Feststoff wird in wenig Wasser gelst. Wenn sich alles gelst hat, wird die Lsung auf 1 Laufgefllt.

Konzentrationen von Gasen

Das Gesetz fr ideale Gase

p V = n R T

lsst sich wie folgt umformen:

p = nV R T

= c R T

Die Konzentration eines Gases lsst sich also ber den (Partial-)Druck des Gases berechnen.Der Partialdruck eines Gases ist der Druck, den das Gas ausben wrde, wenn es das Volumenalleine ausfllen wrde.

Kapitel 5

Chemisches Gleichgewicht

5.1 Reversible und irreversible Reaktionen

Die bisher betrachteten Reaktion verlaufen quantitativ, d. h. vollstndig von links nach rechts,z. B.

Na + H2O... Na+ + OH +12 H2 [R 5.1]

Wie verhlt es sich mit der Rckreaktion

12H2 + OH + Na+... Na + H2O ? [R 5.2]

Ist die Reaktion [R 5.1] reversibel, d. h., ist die Rckreaktion [R 5.2] mglich?Beginnt die Rckreaktion mglicherweise bereits whrend der Hinreaktion und tritt mit ihr

in Konkurrenz? Falls ja, kommt die Reaktion dann zu einem Stillstand, bevor sie quantitativabgelaufen ist?Die Reaktion [R 5.2] ist prinzipiell mglich, jedoch mit grerem experimentellen Aufwand

verbunden. In diesem Sinne verluft die Reaktion [R 5.1] quantitativ von links nach rechts.

.....

Beispiel 5.1: Reversible Reaktion (Ammoniak-Synthese)

.

Als Beispiel fr eine reversible Reaktion sei die Ammoniak-Synthese aus den Elementen auf-gefhrt (HaberBosch-Verfahren):

N2 + 3H2... 2NH3 [R 5.3]

Sobald Ammoniak gebildet ist, findet die Rckreaktion statt:2NH3... N2 + 3H2 [R 5.4]

Man fasst Hin- und Rckreaktion in einer Gleichung zusammen und verwendet als Reakti-onspfeil den Gleichgewichtspfeil ... :

N2 + 3H2... 2NH3 [R 5.5]

5.2 Massenwirkungsgesetz

Gesucht wird nun ein mathematischer Ausdruck, der ber die Lage des chemischen Gleichge-wichts Auskunft geben kann.

Kapitel 5 Chemisches Gleichgewicht

Fr eine beliebige chemische Reaktion

A + B... C + D [R 5.6]

sollen zunchst die Reaktionsgeschwindigkeiten v fr Hin- und Rckreaktion formuliert wer-den. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist gegeben als nderung der Stoffmengenkonzentrationpro Zeit: v = ct .Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist proportional zur Stoffmengenkonzentra-

tion der Reaktanden, insbesondere ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion vh proportional zurStoffmengenkonzentration der Edukte, fr Reaktion [R 5.6]:

vh = kh c(A) c(B) (5.1)

Dazu sind folgende Dinge anzumerken:1. Der Faktor kh ist aus folgenden Grnden ntig:

Die Dimension der Reaktionsgeschwindigkeit ist Stoffmenge pro Volumen und Zeit:mol/(L s). Auf der rechten Seite stehen Potenzen von Stoffmengenkonzentrationen:(mol/L)x. kh sorgt dafr, dass die Einheiten auf beiden Seiten identisch sind.

Die Zahlenwerte der Reaktionsgeschwindigkeiten sind typischerweise um Gren-ordnungen verschieden von den Zahlenwerten der Seite der Konzentrationen. kh re-pariert auch dieses.

2. Die Stoffmengenkonzentrationen werden multiplikativ verknpft. Grund dafr ist, dassTeilchen sich treffen mssen, um miteinander reagieren zu knnen. Je grer die Konzen-trationen der Teilchen, desto grer ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich Teilchentreffen. Derartige Wahrscheinlichkeiten fr Ereignisse werden multipliziert.1Wahrschein-lichkeiten undKonzentrationen sind einander proportional, also sind die Konzentrationenzu multiplizieren.

Fr die Rckreaktion folgtvr = kr c(C) c(D) (5.2)

Im chemischen Gleichgewicht sind die Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin- und Rckreak-tion gleich gro: vh = vr. Dadurch hat es nach auen den Anschein, dass die Gesamtreaktionzum Stillstand gekommen ist. Gln. (5.1) und (5.2) werden gleichgesetzt

kh c(A) c(B) = kr c(C) c(D) (5.3)

und umgeformt

khkr= c(C) c(D)c(A) c(B) = K (5.4)

khkrwird dabei zur Gesamtkonstanten K zusammengefasst.Der Bruch in Gl. (5.4) wird hufig mit Q bezeichnet; Q steht dabei fr den Begriff Reaktions-

quotient.

1Mit welcher Wahrscheinlichkeit werden zwei Sechsen gewrfelt? Antwort bitte hier eintragen.

5.2 Massenwirkungsgesetz

Treten andere stchiometrische Koeffizienten als 1 auf, werden die dazugehrigen Konzentra-tionen mit dem entsprechenden Koeffizienten potenziert:

A + B... 2C

was gleichbedeutend ist mit

A + B... C + C

Also gilt

c(C) = c(D)

Es ergibt sich somit

K = c(C) c(C)c(A) c(B)

= c(C)

c(A) c(B)

.....

Massenwirkungsgesetz

.

Fr die allgemeine ReaktionaA + bB + ... xX + yY +

ergibt sich

K = cx(X) cy(Y) ca(A) cb(B) (5.5)

als sogenanntesMassenwirkungsgesetz (MWG).a

Da Chemiker an den Produkten interessiert sind, stehen diese im Zhler, die Edukte stehenimNenner. Ein groerWert fr K bedeutet, dass das Gleichgewicht auf der rechten Seite liegtund somit auch groe Mengen des Produkts.Wenn der ReaktionsquotientQ gleich K ist, befindet sich die Reaktion im chemischen Gleich-gewicht. Ist Q > K, so befindet sich das System nicht im Gleichgewicht; es werden so langeProdukte verbraucht und Edukte gebildet, bis Q = K ist. Fr Q < K gilt entsprechend, dassEdukte verbraucht und Produkte gebildet werden, bis der Wert fr K wieder erreicht ist.aDer Ausdruck wirkende Masse ist die altertmliche Bezeichnung fr Konzentration.

Die Gleichgewichtskonstante K ist spezifisch fr eine Reaktion unter gegebenen Bedingungen(Druck p, Temperatur T etc.). Fr anderes T, p o. . kann K andere Werte annehmen.Um auszudrcken, auf welche Gre sich K bezieht, haben sich u. a. folgende Bezeichnungen

eingebrgert:Stoffmengenkonzentrationen: Die Konstante K erhlt den Index c, um zu verdeutlichen, dass

Stoffmengenkonzentrationen bercksichtigt werden: Kc.

Cl2 + H2O... 2H+ + Cl + OCl

Kapitel 5 Chemisches Gleichgewicht

Es ergibt sich

Kc =c(H+) c(Cl) c(OCl)

c(Cl2) c(H2O)

Da das Gleichgewicht links liegt (... ) und H2O in sehr groen Mengen vorliegt, kannc(H2O) als nahezu konstant angesehen werden und in die Gleichgewichtskonstante einbe-zogen werden:

Kc c(H2O) = Kc =c(H+) c(Cl) c(OCl)

c(Cl2)

(Partial-)Drcke von Gasen: Kwird zu Kp.

N2 + 3H2... 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p(NH3)

p(N2) p(H2)

Aus der Zustandsgleichung fr ideale Gase pV = nRT lsst sich durch die Umformungp = nVRT = cRT eine Beziehung zwischen der Konzentration c und demDruck p herstellen.Es ergibt sich so

Kc =c(NH3) (RT)

c(N2) RT c(H2) (RT)

= c(NH3)

c(N2) c(H2) (RT)

Wie erscheinen Feststoffe im MWG?

Bei der thermischen Zersetzung von Calciumcarbonat entstehen Calciumoxid und Kohlenstoff-dioxid:

CaCO3... CaO + CO2

Das MWG lautetKc =

c(CaO) c(CO2)c(CaCO3)

Definitionsgem erhalten Feststoff die Konzentration 1. Damit ergibt sich

Kc = c(CO2)

5.3 Lage des Gleichgewichts und deren Beeinflussung

Es gilt das Prinzip des kleinsten Zwanges, das 1884 von LeChatelier formuliert wurde:

5.3 Lage des Gleichgewichts und deren Beeinflussung

.....

LeChatelier

.

bt man auf ein System, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, einen Zwang durchnderung der ueren Bedingungen aus, so stellt sich infolge dieser Strung des Gleichge-wichts ein neues Gleichgewicht, dem Zwang ausweichend, ein.

Einen ueren Zwang kann man bei Reaktionen durch z. B. Temperatur-, Druck-, Konzentra-tionsnderungen ausben. Erhht man bei der Reaktion

Cl2 + H2O... 2H+ + Cl + OCl

beispielsweise die Chlorkonzentration, weicht das System diesem Zwang aus, indem Chlor ver-braucht wird und sich vermehrt Produkte bilden. Den gleichen Effekt hat die Erniedrigung einerder Produktkonzentrationen (Entfernen des Produktes aus der Reaktion). Zugabe von Sure be-wirkt eine Verschiebung des Gleichgewichts nach links; es wird Chlor gebildet (problematischbei Anwendung von Essigreiniger nach Chlorreiniger).Bei der Ammoniak-Synthese

N2 + 3H2... 2NH3

sind Gase beteiligt (links 4mol, rechts 2mol). Eine Druckerhhung bewirkt, dass Edukte (gre-res Volumen) verbraucht werden und Produkt gebildet wird.Bei der Reaktion

C(s) + O2(g)... CO2(g)

liegen auf beiden Seiten gleiche Stoffmengen an Gas und damit gleiche Volumina an Gas vor.Drucknderung beeinflusst das Gleichgewicht in diesem Fall nicht!Bei exothermen Reaktionen wird Wrmeenergie frei. Betrachtet man die Wrme als Reakti-

onspartner, ergibt sich z. B.2H2 + O2... 2H2O + Wrme

Entfernen des Reaktionspartners Wrme durch Khlung bewirkt eine Verlagerung des Gleich-gewichts nach rechts. Durch Wrmezufuhr verschiebt sich das Gleichgewicht nach links.Allgemein gilt, dass sich die Konzentrationen aller Reaktanden beim Ausben eines ueren

Zwangs so lange ndern (durch Verbrauch oder Bildung), bis der fr diese Bedingungen spezi-fische Wert fr die Gleichgewichtskonstante Kwieder erreicht wird.Katalysatoren sorgen fr eine schnellere Einstellung eines Gleichgewichts, beeinflussen seine

Lage jedoch nicht!

Kapitel 6

Thermodynamik und Kinetik

Energie ist die Fhigkeit, Arbeit zu leisten.1 Jeder Stoff enthlt eine bestimmte innere EnergieU.DieWrmeQ ist eine Transportform von Energie, die Temperatur T zeigt an, in welche Richtungder Wrmefluss erfolgt.

.....

1. Hauptsatz der Thermodynamik

.

Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden; sie kann aber weder er-zeugt noch vernichtet werden.

Wenn Gase an chemischen Reaktionen beteiligt sind, ist unter Umstnden die Volumenarbeitp V zu bercksichtigen.2

6.1 Enthalpie

Die Enthalpie H verknpft die innere Energie Umit der Volumenarbeit p V:

H = U + p V (6.1)

Interessant fr den Chemiker ist die Differenz zwischen der Enthalpie am Ende der Reaktionund der Enthalpie zu Beginn der Reaktion:

HEnde HAnfang = H

Das Vorzeichen von H erlaubt eine Aussage ber die Wrmetnung einer chemischen Reak-tion. Wird Wrmeenergie frei, so bedeutet dies, dass HEnde < HAnfang und somit H < 0; manbezeichnet dies als exotherme Reaktion.

.....

Beispiel 6.1: Exotherme Reaktion (H < 0)

.

Bei der ReaktionC + O2... CO2

wird Wrmeenergie frei (Holzofen, Lagerfeuer, ), H < 0, die Reaktion ist exotherm.

Wird Wrmeenergie bentigt, um eine Reaktion ablaufen zu lassen, ist H > 0, die Reaktionist endotherm.

1Energie und Arbeit haben die gleiche physikalische Einheit = = =2Druck mal Volumen hat die Dimension einer Energie! [p V] = / = .

Kapitel 6 Thermodynamik und Kinetik

Gem den Ausfhrungen zum chemischen Gleichgewicht im vorigen Kapitel lsst sich Wr-me als Reaktionspartner deuten: Das Vorzeichen von H ndert sich, wenn zu einer Reaktiondie entsprechende Umkehrreaktion betrachtet wird.

.....

Beispiel 6.2: Enthalpie und Richtung der Reaktion

.

H2 +12 O2... H2O H = 285,9

kJmol

H2O... H2 +12 O2 H = +285,9

kJmol

6.2 Satz von Hess

.....

Satz von Hess

.

H ist konstant, unabhngig davon, ob die Reaktion in einem Schritt verluft oder ber Zwi-schenschritte.

Bei bestimmten chemischen Reaktionen knnen die dazugehrigen Enthalpien experimentellnicht zugnglich sein. Aufgrund des Satzes von Hess ist es nun mglich, aus bekannten Enthal-pien von Teilreaktionen die unbekannte Gesamtenthalpie zu berechnen.Aus den Gleichungen der Teilreaktionen muss durch Umformung die Gesamtgleichung auf-

gestellt werden. Unter Umstnden ist es dabei ntig, Teilreaktionen als Rckreaktion zu betrach-ten oder einzelne Teilreaktionen zu vervielfachen.

.....

Beispiel 6.3: Enthalpie fr C + O2... CO2 aus Einzelreaktionen

.

Gesucht ist H fr die ReaktionC + O2... CO2

Bekannt sind allerdings nur die Enthalpienderungen fr die Einzelschritte

C +12O2... CO H = 110,5

kJmol

undCO +

12O2... CO2 H = 283,0

kJmol

Addition der beiden Reaktionsgleichungen ergibt die gesuchte GesamtreaktionC + O2... CO2

Die Gesamtenthalpienderung ergibt sich ebenfalls durch Addition der Einzelenthalpien:

H = 110,5 kJmol + 283,0kJmol

= 393,5 kJmol

6.3 Entropie und Freie Enthalpie

.....

Beispiel 6.4: Enthalpie fr C2H4 + H2... C2H6 aus Einzelschritten

.

C2H4 + H2... C2H6 H = ? [R 6.1]

Bekannt sind die Schritte2C + 2H2... C2H4 H = +52,3

kJmol [R 6.2]

2C + 3H2... C2H6 H = 84,7kJmol [R 6.3]

Um die Gesamtreaktion [R 6.1] zu erhalten, muss zunchst Reaktion [R 6.2] umgedreht wer-den und anschlieend zu Reaktion [R 6.3] addiert werden:

C2H4 + 2C + 3H2... 2C + 2H2 + C2H6 C2H4 + H2... C2H6

BeimUmkehren der Richtung von [R 6.2] ndert sich das Vorzeichen der Enthalpienderung.Danach knnen die Enthalpien addiert werden.

H = 52,3 kJmol + 84,7kJmol

= 137,0 kJmol

6.3 Entropie und Freie Enthalpie

Die Entropie S ist ein Ma fr die Unordnung3 in einem System. Je grer die Ordnung, destokleiner die Entropie.

.....

2. Hauptsatz der Thermodynamik

.Bei einer spontanen (freiwilligen) Zustandsnderung vergrert sich die Entropie.

Die Freie Enthalpie G verknpft die Enthalpie Hmit der Entropie S ber die Temperatur T:

G = H T S

Wie bei der Enthalpie H interessiert man sich in den meisten Fllen fr die nderung derFreien Enthalpie:

G = GEnde GAnfang= (H T S)Ende (H T S)Anfang= H T S

3Es sind eigentlich die Anzahlen der mglichen Zustnde, die ein System einnehmen kann. Je mehr mgliche Zu-stnde, desto grer die Entropie.


.....

Freie Enthalpie G

.

Es gelten folgende Beziehungen:G < 0 Reaktion luft spontan ab, sie ist exergon.G = 0 Reaktion ist im chemischen Gleichgewicht.G > 0 Reaktion luft nicht ab, sie ist endergon. Die Rckreaktion luft stattdessen ab.

6.4 Kinetik

Die Reaktionsgeschwindigkeit bezeichnet die Abnahme der Konzentration eines Eduktes mitder Zeit oder die Zunahme der Konzentration eines Produktes mit der Zeit.Fr die Reaktion

A2 + X2... 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und

v(A2) = v(X2) = dc(A2)dt =

dc(X2)dt

Die Reaktionsgeschwindigkeit v ist konzentrationsabhngig.

Stotheorie

Damit A2 und X2 miteinander reagieren kann, mssen sich beide Teilchen(sorten) treffen(Abb. 6.1). Nicht jeder Sto ist dabei effektiv. Die Molekle knnen die falsche Orientierungzueinander haben, die Ste knnen nicht heftig genug sein etc.

bergangszustand/aktivierter Komplex

Zwischenzeitlich bildet sich eine Teilchenanordnung, bei der AA- und XX-Bindungen nochnicht vollstndig gebrochen und AX-Bindungen noch nicht vollstndig gebildet sind:

A2 + X2...

A A X X

aktivierterKomplex

... 2AX

Dieser Reaktionsverlauf lsst sich graphisch in einem Energiediagramm darstellen. Dabeiwird die Energie E gegen die Reaktionskoordinate (Vollstndigkeit der Reaktion; Wertebereich

6.4 Kinetik

A2

X2AX AX

Abbildung 6.1: Ein Molekl A2 reagiert mit einem Molekl X2.

0 bis 100%.) aufgetragen (Abb 6.2). Im Fall einer exothermen Reaktion liegt die Energie der Pro-dukte unter der Energie der Edukte (H < 0), im endothermen Fall ist es umgekehrt (H > 0). Inbeiden Fllen ist ein Energiebetrag zuzufhren und zu berwinden, um den bergangszustandzu erreichen. Diese Energie wird Aktivierungsenergie (EA) genannt.

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

H < 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

H > 0

aktivierter

Komplex

EA

Abbildung 6.2: Energiediagramme fr eine exotherme (links) und endotherme (rechts) Reaktion.

Katalyse

Ein Katalysator erhht die Reaktionsgeschwindigkeit (auch die der Rckreaktion!) und wirdselbst nicht verbraucht. Im Energiediagramm (Abb. 6.3) ist der Reaktionsverlauf der katalysier-ten (blaue Kurve, Bezeichnung k) im Vergleich zur nicht-katalysierten Reaktion (rote Kurve,Bezeichnung nk) dargestellt. Die Aktivierungsenergie wird durch den Katalysator gesenkt:EA(nk) > EA(k).Eine detaillierte Darstellung einer katalysierten Reaktion gibt Abb. 6.4. Es bildet sich ein Zwi-

schenprodukt AKat (linkes Maximum), das mit X2 reagiert (rechtes Maximum).


A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

akt. K. (nk)

EA(nk)

EA(k)

akt. K. (k)akt. K. (k)

Abbildung 6.3: Energiediagramme fr eine endotherme Reaktion mit (blaue Kurve, Bezeichnung k)und ohne (rote Kurve, Bezeichnung nk) Katalysator.

Aus den Zwischenschritten

A2 + 2Kat... 2AKatX2 + 2AKat... 2AX + 2Kat

lsst sich die Gesamtreaktion

A2 + 2Kat + 2AKat + X2... 2AX + 2Kat + 2AKat

berechnen, aus der ersichtlich wird, dass der Katalysator aus dem Reaktionsgemisch zurckge-wonnenwird (weil er auf beiden Seiten der Gleichung steht und somit in der Gesamtbilanz nichtauftaucht).

6.5 Geschwindigkeitsgesetze

Die Reaktionskinetik beschftigt sich u. a.mit Geschwindigkeitsgesetzen. EinGeschwindigkeits-gesetz muss experimentell bestimmt werden. Ist das Geschwindigkeitsgesetz bekannt, lsst sichdie Reaktionsordnung ermitteln. Die Ordnung einer chemischen Reaktion ist die Summe derExponenten (diese knnen auch nicht-ganzzahlig sein) der Stoffmengenkonzentrationen:

A + B... C v = k c(A)

1. Ordnung in A

c(B)1. Ordnung in B

2. Ordnung insgesamt

6.5 Geschwindigkeitsgesetze

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

2 AKat + X 2 AX + 2 Kat22 AKat + X 2 AX + 2 Kat2

A + 2 Kat 2 AKat2A + 2 Kat 2 AKat2

Abbildung 6.4: Energiediagramme fr eine endotherme Reaktion mit (blaue Kurve) und ohne (rote Kur-ve) Katalysator; Darstellung mit Katalysator-Komplexen.

A + B + 3C + 2D... E + 3F v = k c(A)

1. Ordn.

c(B)1. Ordn.

c(C)3. Ordn.

c(D)2. Ordn.

7. Ordnung insgesamt

Reaktion 1. Ordnung am Beispiel des radioaktiven Zerfalls mit Herleitung

Ein Atom des Isotops 14C zerfllt unter Aussendung eines Elektrons e (-Strahlung) und einesAntineutrinos zu 14N:

146C... 147N+ + e +

Es ergibt sich folgendes Geschwindigkeitsgesetz:

dc(146C)dt = c(

146C)

Es gengt, die absolute Teilchenzahl N zu betrachten, da die Konzentration erstens nicht in-teressiert und zweitens Teilchenzahl und Konzentration einander proportional sind:

N c

Es ergibt sich also:

dNdt = N

Mathematisch nicht ganz sauber, aber physikalisch erlaubt: Variablentrennung.

dNN = dt


Diese Differentialgleichung ist zu integrieren:

dNN = dt

Um die Integration durchzufhren, werden folgende Randbedingungen ( Integrationsgren-zen) festgelegt:

t = 0 AnfangszeittE Endzeit

N(t = 0) = N Teilchenzahl am AnfangN(t = tE) = NE Teilchenzahl bei tE

NE

N

dNN =

tE

dt

(lnN)NE

N= (t)

tE

lnNE lnN = tElnNE = lnN tEeNE = eNtE

= eN etENE = N etE

Umbenennen der Variablen fhrt zur endgltigen Form des Geschwindigkeitsgesetzes:

N(t) = N et

Um die Formel verwenden zu knnen, muss die charakteristische Konstante bekannt sein.Diese kann ber die Halbwertszeit berechnet werden.

Die Halbwertszeit ist die Zeit, die vergeht, bis bei einer chemischen Reaktioneinem radioaktiven Zerfall die Hlfte

der Reaktanden verbraucht

Probe zerfallen ist.

Die Halbwertszeit wird mit t/ bezeichnet. Auerdem gilt

N(t/) =N2

Einsetzen liefertN2 = N e

t/

12 = e

t/ = 1e+t/

2 = et/

ln 2 = t/

6.6 Radikalische Kettenreaktion

6.6 Radikalische Kettenreaktion

Zum Abschluss dieses Abschnittes betrachten wir die Reaktion von Chlor mit Methan als Bei-spiel fr eine Radikalreaktion:

Cl2 + CH4Methan

... ?

Der Start der Reaktion erfolgt mittels Lichtenergie.

Kettenstart:

Cl2..h . 2 Cl.

Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung:

Cl. + CH4... .CH3Methyl-Radikal

+ HClChlorwasserstoff

.CH3 + Cl2... CH3ClChlormethan

+ Cl.

Kettenabbruch:

.CH3 + Cl. ... CH3ClCl. + Cl. ... Cl2

.CH3 + .CH3... C2H6Ethan

Die (erwnschte) Reaktion

CH4 + Cl2... CH3Cl + HCl

findet zwar statt, allerdings knnen sehr viele unerwnschte Nebenreaktionen stattfinden. Ra-dikalische Reaktionen sind typischerweise unspezifisch.

Kapitel 7

Gase, Flssigkeiten, Feststoffe

7.1 Phasenbegriff

.....

Phase

.

Eine Phase ist ein homogener Teil derMaterie, der durch eineGrenzflche von einem anderenhomogenen Teil getrennt ist. An der Phasengrenze (Grenzflche) ndern sich physikalischeEigenschaften sprunghaft.

Physikalische Eigenschaften knnen beispielsweise sein: Dichte, Schmelzpunkt, Brechungsin-dex, Farbe, Aggregatzustand, Es gibt Phasengemische, bei denen die Komponenten im selben Aggregatzustand vorliegen,

manchmal sogar die gleiche chemische Zusammensetzung haben.

.....

Beispiel 7.1: Gleiche chemische Zusammensetzungen, aber verschiedene Phasen

.

Kohlenstoff kommt z. B. als Diamant oder Graphit. BeideModifikationen liegen als Feststoffvor. Geeignete Schreibweisen sind C(Diamant) und C(Graphit).

Titandioxid: TiO2(Rutil), TiO2(Anatas) und TiO2(Brookit). Auch hier handelt es sich um Feststoffe.

7.2 Gase

Gase bestehen aus Atomen (z. B. Edelgase) oder Moleklen, die rumlich weit von einander ge-trennt sind: Die mittlere freie Weglnge bei Atmosphrendruck betrgt etwa 70 nm = 7 10m,ein Ar-Atom hat einen Durchmesser von etwa 210 pm = 2,1 10m; ein kugelfrmiger Menschvon 2,1mDurchmesserwrde den nchsten kugelfrmigenMenschen in etwa 700mEntfernungsehen.Gase sind demzufolge komprimierbar. Auerdem sind Gase homogen mischbar.Die relevanten Zustandsgren fr Gase sind typischerweise Druck p, Volumen V und Tem-

peratur T.Druck ist definiert als Kraft pro Flche:

p = FA

(7.1)

Die Einheit des Druckes ist Pascal:

p = Pa = Nm

Kapitel 7 Gase, Flssigkeiten, Feststoffe

Es gilt 1 bar = 10 Pa.Der Atmosphrendruck wird mit Hilfe eines Barometers gemessen (Abb. 7.1).

HgHg

Atmosphren-

druck

Atmosphren-

druck

Druck der

Hg-Sule Vakuum

h p~

Abbildung 7.1: Prinzip eines Barometers.

1mm Hg-Sule = 1 torr1 atm = 1,013 bar

= 101,3 kPa= 760 torr

Der Druck in einem Behlter wird mit einem Manometer gemessen (Abb. 7.2).

Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Sule

Gasdruckh p~

Abbildung 7.2: Prinzip eines Manometers.

7.2 Gase

Partialdruck

Als Partialdruck bezeichnet man den Druck, den eine Komponente ausben wrde, wenn siedas gegebene Volumen alleine ausfllen wrde. Der Partialdruck der Komponente A ist dabeiproportional zum Stoffmengenanteil x(A). x(A) bezeichnet die Stoffmenge der Komponente An(A), bezogen auf die Summe der Stoffmengen aller Komponenten:

.....

Beispiel 7.2: Partialdruck

.

Es liegen gasfrmige Komponenten A, B und C vor. Der Stoffmengenanteil x(B) betrgt dann

x(B) = n(B)n(A) + n(B) + n(C)

Der Partialdruck p(B) betrgt dannp(B) = x(B) pGes

mit dem Gesamtdruck aller Komponenten pGespGes = p(A) + p(B) + p(C)

7.2.1 Beziehungen zwischen den Zustandsgren

Aus Untersuchungen an Gasen lassen sich folgende Gesetzmigkeiten ableiten:

p T p nV T V n

p 1V

Daraus ergibt sich die Zustandsgleichung fr ideale Gase (s. Abschnitt 4.3 auf Seite 26)

.....

p V = n R T

.

p V = n R T (4.1)Aus Dimensions- und Grenordnungsgrnden muss eine Proportionalittskonstante ein-gefhrt werden:

R = 8,3145 JmolK

= 8,3145 Pam

molK= 0,0821 atmLmolK

Kapitel 7 Gase, Flssigkeiten, Feststoffe

.....

Ideales Gas

.

Als ideales Gas wird ein Gas bezeichnet, bei dem die Gasteilchen als punktfrmig ange-nommen werden. Auerdem werden Wechselwirkungen zwischen den Teilchen auer elas-tischen Sten vllig auer Acht gelassen.

7.3 Flssigkeiten

Zwischen den Teilchen einer Flssigkeit knnen verschiedene Krfte wirken: DipolDipol- undVan-der-Waals-Wechselwirkungen sowie Wasserstoffbrckenbindungen.

DipolDipol-Wechselwirkungen

Als elektrischen Dipol bezeichnet man zwei rumlich getrennte (Abstand r) elektrische Ladun-gen mit entgegengesetzten Vorzeichen +q und q (Abb. 7.3). Die physikalische Gre zur Be-schreibung von Dipolen ist das Dipolmoment = q r. Der Betrag einer Ladung q muss keinVielfaches der Elementarladung e = 1,6022 10C sein; sehr hufig handelt es sich um Bruch-teile der Elementarladung. Dieser Bruchteil der Ladung wird dann als Teilladung oder Parti-alladung bezeichnet. Das Symbol ist + fr eine positive und fr eine negative Partialladung.

+q q

r

Abbildung 7.3: Elektrischer Dipol.

Je grer q, desto grer ; je grer r, desto grer .

Permanente Dipole

Abb. 7.4 zeigt eine mgliche Anordnung stbchenfrmiger Molekle mit einem permanentenDipolmoment in einer Flssigkeit. Permanentes Dipolmoment bedeutet, dass das Dipolmomentnicht verschwindet, sondern (innerhalb enger Grenzen) zeitlich konstant ist.

+ + + +

+ + +

+ + + +

+ + +

Abbildung 7.4: Anordnung von Dipolen in einer Flssigkeit.

7.4 Wasserstoffbrckenbindungen

Temporre Dipole

Betrachtet man beispielsweise ein Edelgasatom, stellt man fest, dass der Schwerpunkt der posi-tiven Ladung (Protonen imKern) und der Schwerpunkt der negativen Ladung (rumlich gleich-mig verteilte Elektronen in der Atomhlle) zusammenfallen, das Dipolmoment also = 0 ist(Abb. 7.5 links). Da die Elektronen der Atomhlle im Vergleich zum Atomkern leicht beweg-lich sind, kommt es zu einem Zeitpunkt fr einen kurzen Moment zu einer ungleichmigenVerteilung der Elektronen; als Resultat bildet sich ein temporrer Dipol aus (Abb. 7.5 Mitte).In Nachbaratomen werden durch elektrostatische Abstoung die Elektronen verschoben; dieNachbaratome werden ebenfalls zu Dipolen (Abb. 7.5 rechts).Insgesamt ergibt sich dabei eine Situation wie bei den permanenten Dipolen (Abb. 7.4) und

die Atome des gesamten Ensembles erfahren attraktiv

allgemeine und anorganischechemie für … skript...

Documents