Download - Allgemeine und AnorganischeChemie für Naturwissenschaftler...Allgemeine und AnorganischeChemie für Naturwissenschaftler Wintersemester2014/2015 Teil1:AllgemeinerTeil Dr.ChristianBuchsbaum

Skript zur Vorlesung

Allgemeineund

Anorganische Chemiefuumlr

Naturwissenschaftler

Wintersemester 20142015Teil 1 Allgemeiner Teil

Dr Christian Buchsbaum

Inhaltsverzeichnis

Vorwort xiii

1 Chemie 111 Was ist Chemie und womit beschaumlftigt sie sich 112 Historische Entwicklung der Chemie 113 Elemente Verbindungen und Gemische 3

2 Atomtheorie 521 Dalton-Atomtheorie 522 Das Elektron 623 Das Proton 724 Das Neutron 825 Radioaktivitaumlt 926 Atommodell nach Rutherford 1027 Atomsymbole 1128 Isotope 1229 Atommassen 12

3 Elektronenstruktur der Atome 1531 Elektromagnetische Strahlung Kenngroumlszligen 1532 Atommodell nach Bohr 1533 Quantenmechanisches Atommodell 1634 Orbitalbesetzung 1935 Periodensystem 19

4 Stoumlchiometrie 2541 Atome Molekuumlle Ionen 2542 Chemische Verbindungen 2543 Das Mol 2644 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen 2745 Reaktionsgleichungen 2846 Loumlsungen und Stoffmengenkonzentrationen 29

5 Chemisches Gleichgewicht 3151 Reversible und irreversible Reaktionen 3152 Massenwirkungsgesetz 3153 Lage des Gleichgewichts und deren Beeinflussung 34

iii

Inhaltsverzeichnis

6 Thermodynamik und Kinetik 3761 Enthalpie 3762 Satz von Hess 3863 Entropie und Freie Enthalpie 3964 Kinetik 4065 Geschwindigkeitsgesetze 4266 Radikalische Kettenreaktion 45

7 Gase Fluumlssigkeiten Feststoffe 4771 Phasenbegriff 4772 Gase 47

721 Beziehungen zwischen den Zustandsgroumlszligen 4973 Fluumlssigkeiten 5074 Wasserstoffbruumlckenbindungen 5175 Feststoffe 5376 Phasenuumlbergaumlnge als Aumlnderung des Aggregatzustands 5477 Phasendiagramme 54

771 Phasendiagramm und Eigenschaften von Wasser 54772 Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid 57

78 Wasser als Loumlsungsmittel 5779 Loumlslichkeitsprodukt 60

8 Chemische Bindung 6381 Van-der-Waals-Bindung 6382 Wasserstoffbruumlckenbindungen 6483 Metallische Bindung I 6584 Ionische Bindung 6685 Kovalente Bindung 70

851 Lewis-Formeln 71852 Molekuumllorbitale 76853 Metallische Bindung II 81

9 Saumluren und Basen 8591 Ionenprodukt des Wassers 8692 SaumlurendashBase-Konzept nach Broslashnsted 8793 pH-Wert 8894 Starke und schwache Broslashnsted-Saumluren und -Basen 8995 Mehrprotonige Saumluren 9596 Reaktion von Salzen mit Wasser 9697 Puffersysteme 9798 Lewis-Saumluren und -Basen 100

10 Elektrochemie 107101 Oxidation und Reduktion 107102 Oxidationszahlen 108

iv Skript AAC-NaWi WS1415 vorlaumlufige Fassung

Inhaltsverzeichnis

103 Redox-Gleichungen 111104 Redoxpotentiale und Spannungsreihe 114105 Nernst-Gleichung 120

A Mathematischer Anhang 125A1 Logarithmen 125A2 Physikalische Groumlszligen eckige Klammern etc 125A3 Wichtige Konstanten und Formeln 127

A31 Basiseinheiten 127A32 Abgeleitete SI-Einheiten 127A33 Naturkonstanten 127

A4 Stammfunktionen und Ableitungen (Auswahl) 128

B Periodensystem 129

Skript AAC-NaWi WS1415 vorlaumlufige Fassung v

Abbildungsverzeichnis

11 Auftrennung von Materie bis hin zum Element 3

21 Versuche mit Kathodenstrahlen Ablenkung im elektrischen und im magneti-schen Feld 6

22 Oumlltroumlpfchenversuch nach Millikan 723 Kanalstrahlexperiment 824 Prinzip des Rutherford-Versuchs 1025 Prinzip eines Massenspektrometers 13

31 Bohrsches Atommodell 1632 Konstruktive Interferenz zweier Wellen 1733 Destruktive Interferenz zweier Wellen 1734 Grenzflaumlchendarstellungen s-Orbital p-Orbitale d-Orbitale 1835 Energetische Abfolge von Atomorbitalen 2036 Prinzip einer Roumlntgenroumlhre 2137 Tendenzen im PSE Atomradius Ionisierungsenergie Elektronegativitaumlt 24

61 Ein Molekuumll A2 reagiert mit einem Molekuumll X2 4162 Energiediagramme fuumlr eine exotherme und endotherme Reaktion 4163 Energiediagramme fuumlr eine endotherme Reaktion mit und ohne Katalysator 4264 Energiediagramme fuumlr eine endotherme Reaktionmit und ohne Katalysator Dar-

stellung mit Katalysator-Komplexen 43

71 Prinzip eines Barometers 4872 Prinzip eines Manometers 4873 Elektrischer Dipol 5074 Anordnung von Dipolen in einer Fluumlssigkeit 5075 Atom ohne Dipolmoment Atommit temporaumlrem Dipolmoment Induzierte tem-

poraumlre Dipole bei benachbarten Atomen 5176 Lewis-Formel von Wasser 5177 Wassermolekuumll und Ladungsverteilung verschiedene Schreibweisen 5278 Darstellung von Wasserstoffbruumlckenbindungen 5279 Siedepunkte der Element-Wasserstoff-Verbindungen der Gruppen 14 bis 17 53710 Nahordnung inQuarzglas 53711 Aggregatzustaumlnde und Uumlbergaumlnge 54712 Phasendiagramm von Wasser 55713 Anordnung von Wassermolekuumllen im Eis 56714 Auftragung der Dichte von Wasser gegen die Temperatur 57

vii


715 Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid 58

81 Elementare Halogene kovalente Radien 6482 Ausschnitt aus der DNA 6583 Gasfoumlrmige Na-Atome lagern sich zum Kristall zusammen 6684 Uumlberlappung der Valenzorbitale von zwei Wasserstoffatomen und von einem

Wasserstoff- und einem Chloratom 7185 Die freien Elektronenpaare amChloratom duumlrfen in dieser Darstellung nicht fehlen 7186 Uumlberlagerung von zwei s-Atomorbitalen zu zwei Molekuumllorbitalen 7687 Uumlberlagerung von zwei p-Atomorbitalen zu zwei Molekuumllorbitalen 7788 Uumlberlagerung von zwei p-Atomorbitalen zu zwei π-Molekuumllorbitalen 7789 Molekuumllorbital-Diagramm des Wasserstoffmolekuumlls 78810 Molekuumllorbital-Diagramm eines hypothetischen Heliummolekuumlls 78811 Molekuumllorbital-Diagramm des Sauerstoffmolekuumlls 79812 Moumlgliche Lewis-Formeln des O2-Molekuumlls 79813 MO-Diagramm von HF 80814 MO-Diagramme von Li2 Li3 Li4 81815 Valenzband von metallischem Li 82816 2s- und 2p-Baumlnder von metallischem Be 83817 Vergleich der Baumlnder eines Leiters Halbleiters und Isolators 83

101 Ein Kupferstab taucht in eine Zinksulfatloumlsung und umgekehrt 115102 Ein Kupferstab taucht in eine Kupfersulfatloumlsung ein Zinkstab in eine Zinksul-

fatloumlsung 116103 Wasserstoffelektrode 118

viii Skript AAC-NaWi WS1415 vorlaumlufige Fassung

Tabellenverzeichnis

11 Haumlufigkeit der Elemente in der Erdkruste 412 Heterogene Gemische 4

21 Massen und Ladungen von Atombausteinen 9

31 Elektronenkonfigurationen der ersten 18 Elemente 22

91 Dissoziationskonstanten einiger Saumluren und Basen 92

101 Ausschnitt aus der Elektrochemischen Spannungsreihe Normalpotentiale bei29815K 117

A1 Gemessene Spannungen an offenliegenden Stromleitungen 126

ix

Beispielverzeichnis

01 Beispiele xiv

11 Umsetzung von Malachit mit Holzkohle 2

21 Gesetz der multiplen Proportionen Kohlenstoff und Sauerstoff 522 Gesetz der multiplen Proportionen Schwefel und Sauerstoff 623 Schreibweise von Elementsymbolen mit Ordnungs- und Massenzahlen 1124 Schreibweise von einatomigen Ionen mit Ordnungs- und Massenzahlen 1225 Relative Atommassen von Kohlenstoff und Wasserstoff 1326 Mittlere Atommasse von Chlor 14

31 Neben- und Magnetquantenzahlen fuumlr n = 1 und n = 2 1932 Elektronenkonfigurationen von Stickstoff und Sauerstoff 19

41 Atome Molekuumlle Ionen 2542 Verbindung aus Al3+ und SO2ndash

4 2643 Verbindung aus Na+ und O2ndash 2644 Molare Masse von Mo 2645 Massenanteil von Fe in Fe3O4 2746 Reaktionsgleichung Na und H2O 2847 Reaktionsgleichung H+ und H2O 2848 Reaktionsgleichung Verbrennung von Ethan 29

51 Reversible Reaktion (Ammoniak-Synthese) 31

61 Exotherme Reaktion (ΔH lt 0) 3762 Enthalpie und Richtung der Reaktion 3863 Enthalpie fuumlr C + O2 CO2 aus Einzelreaktionen 3864 Enthalpie fuumlr C2H4 + H2 C2H6 aus Einzelschritten 39

71 Gleiche chemische Zusammensetzungen aber verschiedene Phasen 4772 Partialdruck 4973 Loumlslichkeit von Milchsaumlure in Wasser 5874 Clndash-Konzentration in gesaumlttigter AgCl-Loumlsung 6075 Ag+-Konzentration in gesaumlttigter AgCl-Loumlsung bei vorgegebener Clndash-Konzentration 60

81 Elektronenkonfigurationen im NaCl 6782 Elektronenkonfigurationen im Al2O3 6783 Ionisierungsenthalpie Na(g) 6784 Elektronenaffinitaumlt von F(g) und Ne(g) 68

xi

Beispielverzeichnis

85 Koordinationszahlen in NaCl 6886 Koordinationszahlen in CaF2 6887 Summenformel bei Al + C 6888 Gitterenthalpie fuumlr NaCl 6989 Gitterenthalpie fuumlr NaCl (BornndashHaber-Kreisprozess) 69810 Lewis-Formel von H2 72811 H2-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel 72812 HF-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel 72813 CO-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel 73814 O2-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel 73815 S2ndash

2 -Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel 73816 NH+

4-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel 74817 CO2ndash

3 -Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel 75

91 OHndash-Konzentration bei vorgegebener H3O+-Konzentration 8792 pKS-Wert von Essigsaumlure und pKB-Wert der konjugierten Base Acetat 9293 pH-Wert von Essigsaumlure mit c1113567 = 001molL 9494 pH-Wert von Acetat-Loumlsung mit c1113567 = 001molL 9495 pH-Wert von NH4Cl-Loumlsung mit c1113567 = 03molL 9796 Zugabe von Saumlure zu einer Pufferloumlsung 9997 Ansetzen eines Puffers 9998 Reaktion von BF3 mit Fndash 10099 Lewis-Formel von SF4 102910 Ag+ in Komplexen 103911 Aluminium in Komplexen 103912 Weitere Komplexe 103913 Benennung verschiedener Komplexe 104

101 Oxidation und Reduktion in Reaktionsgleichungen 107102 Oxidationszahlen von einatomigen Teilchen 108103 Oxidationszahlen aus Lewis-Formeln 108104 Mehr Beispiele fuumlr Oxidationszahlen 109105 Reaktion von CaCO3 mit CO2 und H2O ndash Redox-Reaktion 111106 Schwimmbad-Gleichung 111107 Redox-Reaktion Permanganat und Hydrazin 112108 Verkehrskontrolle 113109 Blei Blei(IV)-oxid und Blei(II)-sulfat 1201010Daniell-Element in der Nernstschen Gleichung bei Standardzustaumlnden 1211011Daniell-Element in der Nernstschen Gleichung bei Nicht-Standardzustaumlnden 122

xii Skript AAC-NaWi WS1415 vorlaumlufige Fassung

Vorwort

Bei dem Wort bdquoChemieldquo denken viele Menschen entweder an das zweitschlimmste Schulfach(dicht hinter Physik) oder an eine boumlse undurchschaubare bdquoMachtldquo die fuumlr die Zerstoumlrung derWelt wenn nicht gar des gesamten Universums verantwortlich ist ndash So aumlhnlich ergeht es demAutor dieser Zeilen wenn er den Satz bdquoSchreib mal ein Vorwortldquo1 houmlrtGluumlcklicherweise sind sowohl die Leserinnen undLeser dieser Zeilen sowie der Schreiber eben

jener in der gluumlcklichen Lage ihre Voreingenommenheit abzulegen und wissenschaftlich undsachlich an die Sache heranzugehenDie Chemie ist fuumlr Ihr Studium kein Nebenfach sondern Grundlage Sie werden sehen dass

ndash egal ob Sie Physik Biowissenschaften2 oder Geowissenschaften studieren ndash Chemie uumlberalldrinsteckt und letzten Endes gar nicht so kompliziert istDie Chemie ist ndash wie es alle Naturwissenschaften sind ndash 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 tatsaumlchlich in der Vorlesung vermittelten InhaltenSie halten die erste uumlberarbeitete Version in Haumlnden3Ich moumlchte mich ganz herzlich bei meiner Erstkorrektorin Silke DThoms und beim Zweitkor-

rektor Juumlrgen Glinnemann bedankenDieses Skript erhebt keinerlei Anspruch auf Fehlerfreiheit und Vollstaumlndigkeit Es soll viel-

mehr verstanden werden als Stichwort- und Konzeptesammlung es ist immens wichtig dassSie als Zuhoumlrerin und Zuhoumlrer die Inhalte der Vorlesung und dieses Skriptes vor- und nachbe-reiten

Literatur

Begleitend zur Vorlesung und zum Studium sei folgende Literatur empfohlen

bull C EMortimer UMuumlllerChemie Das Basiswissen der Chemie 10 Auflage StuttgartThie-me 2010

bull E Riedel C Janiak Anorganische Chemie 8 Auflage Berlin New York deGruyter 2011

1Dieser Satz stammt aus einem Selbstgespraumlch2Die Bezeichnung bdquoBiologieldquo finde ich persoumlnlich viel cooler3Auf Papier wenn Sie das Skript ausgedruckt haben oder auf Ihrem Pad in jeglicher Form

xiii

Vorwort

bull A F Holleman E Wiberg N Wiberg (Bearb) Lehrbuch der anorganischen Chemie102 Auflage Berlin New York deGruyter 2007

Diese Buumlcher sind fuumlr Angehoumlrige der Universitaumlt auch als eBook verfuumlgbar

Technische Hinweise

Mathematische Gleichungen sind wie folgt gekennzeichnet (92) (vgl S 86)Reaktionsgleichungen sind wie folgt gekennzeichnet [R 11] (vgl S 2)

Wichtige Definitionen Gesetze etc

stehen in solchen Kaumlstchen

Beispiel 01 Beispiele


Formale Ladungen werden in roter Schrift dargestellt [Na +]+ Oxidationszahlen in gruumlner+IIITi

minusIIIN Reale Ladungen wie Ionen- und Partialladungen haben die Textfarbe Sn2+

120575+H

120575ndashCl Das dient

der besseren Lesbarkeit dieses Skriptes in einer Klausur duumlrfen Sie gerne Ihren uumlblichen Stiftverwenden (auszligerdem ist mindestens bdquorotldquo die Korrekturfarbe)

Ich wuumlnsche Ihnen viel Erfolg und Spaszlig in und mit der Vorlesung

Christian Buchsbaum im Oktober (und nochmal im Dezember) 2013 sowie im Dezember 2014(und nochmal im Februar 2015)

X ELATEX (X ETEX V 31415926-24-09998) 20 Februar 2015 1023

xiv Skript AAC-NaWi WS1415 vorlaumlufige Fassung

Kapitel 1

Chemie

Das vorliegende Kapitel soll einen kurzen Uumlberblick geben uumlber die Chemie deren Definitionals naturwissenschaftlicheDisziplin sowie deren Beschaumlftigungsgebiete Daran schlieszligt sich einekurze Geschichte der Chemie vomAltertum bis zur heutigenmodernenWissenschaft Am Endesteht die noch heute guumlltige Elementdefinition

11 Was ist Chemie und womit beschaumlftigt sie sich

Definition

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

Gegenstand der Chemie sindbull Zusammensetzung und Struktur von Substanzenbull Kraumlfte die Substanzen zusammenhaltenbull Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Substanzen daraus werden Aussa-

gen uumlber die Struktur von Substanzen moumlglich Dies wiederum ermoumlglicht Identifizierungund Klassifizierung von Substanzen

Hauptanliegen der Chemie ist die chemische Reaktionbull Wie werden Stoffe ineinander umgewandeltbull Unter welchen Bedingungen laufen Stoffumwandlungen abbull Wie schnell laufen sie abbull Wie werden unerwuumlnschte Reaktionen unterdruumlckt und erwuumlnschte Reaktionen gefoumlr-

dertbull Welche Energien werden umgesetztbull Wie lassen sich natuumlrlich vorkommende Stoffe kuumlnstlich herstellenbull Wie lassen sich nicht natuumlrlich vorkommende Stoffe herstellen

12 Historische Entwicklung der Chemie

Handwerkskuumlnste (bis 600 vChr)

Zu den Handwerkskuumlnsten zaumlhlenbull Erzeugung von Metallen aus Erzenbull Toumlpferei

Kapitel 1 Chemie

bull Brauereibull Herstellung von Farbstoffen und HeilmittelnDie Vorgehensweise beruht dabei auf Erfahrung hinter den Vorgaumlngen steht kein theoreti-

sches Konzept Es handelt sich sozusagen um bdquoempirische Chemieldquo

Beispiel 11 Umsetzung von Malachit (asymp CuCO3) mit Holzkohle

Malachit + Holzkohle Kupfer [R 11]

Nach heutigem Verstaumlndnis2CuCO3 + C 2Cu + 3CO2 [R 12]

Griechische Theorie (600 bis 300 v Chr)

Die griechische Theorie ging davon aus dass alle Stoffe aus den vier Elementen Erde FeuerWasser Luft in wechselnden Massenverhaumlltnissen bestehenLeukipp und Demokrit schlugen bereits eine Atomtheorie vor Alle Stoffe bestehen aus kleins-

ten (unteilbaren) Teilchen

Alchemie (300 v Chr bis 1650 nChr)

Die Alchemie ist die Synthese von griechischer Philosophie und (aumlgyptischen) Handwerkskuumlns-tenGroszliges Interesse bestand zu dieser Zeit in der Stoffumwandlung von unedlen Metallen wie

Fe und Pb in Edelmetall (hauptsaumlchlich in Au) Es herrschte der Glauben an die Existenz einesUmwandlungsstoffes (bdquoStein der Weisenldquo)

Phlogiston (1650 bis 1790)

Jeder brennbare Stoff enthaumllt Phlogiston das bei Verbrennung abgegebenwird Der Stoff verliertsomit Masse Die folgende Reaktion ist ein Beleg fuumlr diese Theorie

Holz Asche + Phlogiston [R 13]

Allerdings gibt es einenHaken an der SacheMetalle z B gewinnen beimVerbrennen anMasse

Moderne Chemie (seit 1790)

Die moderne Chemie wurde wesentlich begruumlndet von Antoine Lavoisier (1743ndash1794)Er formulierte unter anderem dasGesetz von der Erhaltung der Masse

ImVerlauf einer chemischenReaktion ist keinVerlust oderGewinnvonMasse zu beobachtendie Gesamtmasse aller reagierenden Stoffe ist gleich der Gesamtmasse der Produkte

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

Skript AAC-NaWi WS1415 vorlaumlufige Fassung

13 Elemente Verbindungen und Gemische


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

Elementdefinition

Ein Element ist ein Stoff der chemisch nicht in einfachere Stoffe zerlegt werden kannEine Verbindung entsteht durch das Zusammenfuumlgen von Elementen (Abb 11)

1799 formulierte Joseph Proust das

Gesetz der konstanten Proportionen

Eine Verbindung besteht immer aus den gleichen Elementen im gleichen MassenverhaumlltnisBeispiel H2O m(H) ∶ m(O) = 1119 ∶ 8881

ZumAbschluss dieses Kapitels findet sich in Tab 11 eine Aufstellung der 15 haumlufigsten Elemen-te in der Erdkruste sowie in Tab 12 eine Uumlbersicht uumlber heterogene Gemische sowie gaumlngigeTrennmethoden

Materie

ElementeVerbindungen

Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

chemischen Meth

Abbildung 11 Auftrennung von Materie bis hin zum Element


Kapitel 1 Chemie

Tabelle 11 Haumlufigkeit der Elemente in der Erdkruste

Platz Element Massen-

1 O 4922 Si 2573 Al 754 Fe 475 Ca 346 Na 267 K 248 Mg 199 H 0910 Ti 0611 Cl 0212 P 0113 Mn 0114 C 00915 S 005

Rest 056

Tabelle 12 Heterogene Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiel Trennung (Beispiele)

fest + fest Gemenge Granit Sand + Salz Sortieren Sieben Flotation hellipfest + fluumlssig Suspension Schlamm Sedimentieren Dekantieren Zen-

trifugieren Filtrieren hellipfluumlssig + fluumlssig Emulsion Milch Zentrifugieren Scheidetrichter hellipfest + gasfoumlrmig Aerosol Rauch Sedimentieren Filtrieren elektro-

stat Trennung hellipfluumlssig + gasfoumlrmig Aerosol Nebel Schaum Sedimentieren hellip


Kapitel 2

Atomtheorie

21 Dalton-Atomtheorie

Die Vorstellungen von Leukipp und Demokrit (s Abschnitt 12) uumlber Atome waren der Aus-gangspunkt fuumlr Daltons Atomtheorie

Antike Atome

Bei Zerteilung vonMaterie gelangt man irgendwann zu kleinsten Teilchen die unteilbar (grbdquoatomosldquo) sind

Weitere Vorarbeiten von u a Boyle und Newton muumlndeten 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 zerstoumlrt noch gebildet noch umgewandelt

3 Eine chemische Verbindung ergibt sich aus der Verknuumlpfung von zwei oder mehr Ele-menten Eine bestimmte Verbindung enthaumllt immer die gleichen Atomsorten die ineinem festen Mengenverhaumlltnis verknuumlpft 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 ergaumlnzte 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 Verhaumlltnis zueinander

Beispiel 21 Gesetz der multiplen Proportionen Kohlenstoff und Sauerstoff

Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff je nach Reaktionsbedingungen zu zwei verschiedenenVerbindungen (CO und CO2)In einer Verbindung kommen auf 12 g Kohlenstoff 16 g Sauerstoff in der anderen kommenauf 12 g Kohlenstoff 32 g Sauerstoff Das Massenverhaumlltnis von Sauerstoff betraumlgt also 1 ∶ 2

Kapitel 2 Atomtheorie

Beispiel 22 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 Massenverhaumlltnis von Sauerstoff betraumlgt also 2 ∶ 3

22 Das Elektron

Humphry Davy entdeckte 18071808 die Elemente

NaKCa SrBa

bei der Zersetzung entsprechender Verbindungen durch elektrischen StromEr schloss daraus dass die Bindungskraumlfte zwischen denAtomen elektrischerNatur seinmuumls-

senEs folgten Experimente zur Elektrolyse von Faraday Basierend auf Faradays Arbeiten schlug

George Johnstone Stoney vor elektrische Ladungstraumlger zu postulieren und siemit demNamenElektron (endash) zu bezeichnenIm weiteren Verlauf wurden viele Experimente mit Kathodenstrahlen durchgefuumlhrt In einem

evakuierten Glasgefaumlszlig befinden sich zwei Elektroden Kathode (negative Elektrode) und Anode(positive Elektrode) Aus der Kathode (Metallscheibe) treten Elektronen aus die durch das elek-trische Feld zwischen den Elektroden in Richtung Anode beschleunigt werden Durch ein Lochin der Anode koumlnnen Elektronen hindurch fliegen Der Teilchenstrahl laumlsst sich dann durch einelektrisches oder magnetisches Feld ablenken (Abb 21)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(ndash)

(+)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS

Abbildung 21 Versuche mit Kathodenstrahlen (Elektronen) Ablenkung im elektrischen (links) und immagnetischen (rechts) Feld

Es wurde folgendes beobachtet1 Je groumlszliger die Ladung q der Teilchen desto groumlszliger die Ablenkung


23 Das Proton

2 Je groumlszliger die Masse m der Teilchen desto kleiner die AblenkungWenn genuumlgend Experimente durchgefuumlhrt werden laumlsst sich das Verhaumlltnis von Ladung q

zu Masse m der Teilchen berechnen Es ergibt sich

qm = minus17588 sdot 101113575 Cg

Elektronenladung (Millikan 1909)

Millikan bestimmte die Elektronenladung in folgendem ExperimentZwischen zwei horizontal angebrachten Kondensatorplatten wird Luft durch Roumlntgenstrah-

lung ionisiert wobei freie Elektronen entstehen Anschlieszligend wird Oumll zwischen die Platten ge-spruumlht Die feinen Oumlltroumlpfchen nehmen Elektronen der ionisierten Luft auf und werden damitselbst zu geladenen Teilchen Am Kondensator wird nun die Spannung so eingestellt dass einbestimmtes Troumlpfchen nicht mehr steigt oder sinkt (Prinzip Abb 22)

(ndash)

(+)

OumlltroumlpfchenOkular

Abbildung 22 Oumlltroumlpfchenversuch nach Millikan

Aus der Troumlpfchengroumlszlige laumlsst sich das Volumen des Troumlpfchens bestimmen aus der bekanntenDichte des Oumlls die Masse des Troumlpfchens Oumlltroumlpfchen sind in der Lage nicht nur ein sondernmehrere Elektronen aufzunehmen Die Ladung einesOumlltroumlpfchens ist also ein ganzzahliges Viel-faches der Elementarladung Nach zahlreichenMessungen laumlsst sich die kleinste vorkommendeLadung (bdquoElementarladungldquo e) bestimmen

Ladung des Elektrons

qendash = minuse = minus16022 sdot 10minus11135681113576C

rArr ausqendashmendash

rArr mendash = 91094 sdot 10minus11135691113575 g

= 91094 sdot 10minus11135701113568 kg

23 Das Proton

Aus Atomen und Molekuumllen lassen sich Elektronen entfernen Zuruumlck bleiben positive gelade-ne Teilchen Der Betrag der positiven Ladung entspricht der Anzahl der entfernten Elektronen



Die zuruumlckbleibenden positiv geladenen Teilchen koumlnnen nun genau wie die Kathodenstrahlen(negativ geladene Teilchen) in einem elektrischen Feld beschleunigt werden Solche Teilchen-strahlen werden als Kanalstrahlen bezeichnetIm Falle des Wasserstoffs liegen bei Entfernen aller (also des einzigen) Elektronen Protonen

vor Aus einem leicht abgewandelten Kathodenstrahlexperiment (als Kanalstrahlexperiment be-zeichnet Abb 23) laumlsst sich das Verhaumlltnis q

m fuumlr das Proton (p+) ermitteln

qp+

mp+= +95791 sdot 101113571 Cg

und uumlber die Elementarladung +e = +16022 sdot 10minus11135681113576C die Masse mp+

mp+ = 16726 sdot 10minus11135691113571 g= 16726 sdot 10minus11135691113574 kg

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

endash

endash

endash

endash

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld

Abbildung 23 Kanalstrahlexperiment

Das Verhaumlltnis von Protonen- zu Elektronenmasse ergibt sich damit zump+

mendashasymp 1836

24 Das Neutron

Atome sind elektrisch neutral was darin begruumlndet liegt dass die Anzahl der Protonen gleichder Anzahl der Elektronen istAllerdings sind die Massen der (meisten) Atome groumlszliger als die Summe der Massen der Pro-

tonen und ElektronenRutherford 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

Uumlbersicht

Da Protonen und Neutronen im Atomkern zu finden sind werden sie als Nucleonen (lat bdquonu-cleusldquo der Kern) bezeichnet Zusammen mit den Elektronen bilden die Nucleonen die Atom-bausteine


25 Radioaktivitaumlt

Eine Uumlbersicht uumlber Massen und Ladungen der Atombausteine gibt folgende Tabelle

Tabelle 21Massen und Ladungen von Atombausteinen Die Atomare Masseneinheit u wird in Ab-schnitt 29 erlaumlutert

Teilchen mkg

mu

q11135681113573111356711135691113569 sdot 11135681113567minus11135781113586 1113684

endash 91094 sdot 10minus31 0000 549 minus1p+ 16726 sdot 10minus27 1007 276 +1n0 16749 sdot 10minus27 1008 665 plusmn0


Manche Atomkerne zerfallen unter Abgabe von Strahlung in Atome anderer Elemente Bekannt(seit Becquerel 1896) sind drei Arten von Strahlungα-Strahlung 2-fach positiv geladene Teilchen mit ungefaumlhr 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 α-Teilchenα-Teilchen haben Geschwindigkeiten von v asymp 10 000 kms bis v asymp 30 000 kms

β-Strahlung Elektronen v asymp 13 000 kmsγ-Strahlung Elektromagnetische Strahlung v = c = 2997 924 58 sdot 101113575ms

Anwendungen

Um das Alter von z B Fossilien zu bestimmen macht man sich die Tatsache zunutze dass dasKohlenstoffisostop 14C radioaktiv zerfaumlllt DieMassenverhaumlltnisse der Kohlenstoffisotope betra-gen 12C ∶ 13C ∶ 14C = 989 ∶ 11 ∶ lt 10minus1113576 Das Verhaumlltnis wird uumlber die Zeit als konstantangenommen In einem lebenden Organismus wird dieses Verhaumlltnis durch Austausch mit derUmgebung konstant gehalten Stirbt der Organismus findet kein Austausch mehr statt so dass14C-Atome zerfallen und nicht mehr ersetzt werden Dadurch aumlndert sich das Verhaumlltnis derIsotope Die noch verbliebene Menge 14C kann uumlber die Messung der Radioaktivitaumlt ermitteltwerden und so das Alter der Probe bestimmt werdenMit Hilfe des Zerfallsgesetzes (die Herleitung finden Sie in Abschnitt 65 ab Seite 42) laumlsst sich

aus der Zahl der Teilchen zu Beginn (N1113567) die momentane Zahl der Teilchen (N) berechnen

Gesetz fuumlr den radioaktiven Zerfall

N(t) = N1113567 sdot eminus120582sdott (21)

120582 ist dabei ein Faktor der bekannt sein muss oder mit Hilfe der Halbwertszeit t11135681113569 des Nuklidsberechnet werden kannGeschwindigkeitskonstante 120582 und die Halbwertszeit t11135681113569

120582 = ln 2t11135681113569

(22)



26 Atommodell nach Rutherford (1911)

Rutherford fuumlhrte ExperimentemitMetallfolien und α-Strahlung durch (Abb 24) Die von ihmz B verwendete Goldfolie hatte eine Dicke von d asymp 0004mm1Die α-Teilchenwerden von einem radioaktiven Praumlparat ausgesendet und treffen auf eine duumln-

ne Metallfolie Um die Folie ist ein photographischer Film angebracht der empfindlich fuumlr ioni-sierende Strahlung (z B α-Strahlung) ist Auf den Film treffende Strahlung faumlrbt ihn an dieserStelle schwarzRutherford beobachtete eine Schwaumlrzung des Films jenseits der Metallfolie (bdquogeradeaus

durchldquo) stellenweise aber auch an Positionen diesseits der Metallfolie Ein Teil der α-Strahlungpassierte die Folie ohne Ablenkung ein anderer Teil wurde nicht nur leicht von seiner Flugbahnabgelenkt sondern sogar vollstaumlndig zuruumlckgeworfen

Metallfolie

Film

geschwaumlrzte

Stellen

radioaktives

Praumlparat

α-Strahlungα-Strahlung

Abbildung 24 Prinzip des Rutherford-Versuchs

Konsequenzen

Er zog folgende Schlussfolgerungen

1Bei einemDurchmesser fuumlr einAu-Atomvon dAu asymp 1113570 sdot 11135681113567minus111357811135771113612 ergibt sich eineGoldschichtmit 1113581 sdot 11135781113577minus1113583 11136381113580 sdot 11135781113577minus11135781113577 1113638

= 11135681113570 sdot 111356811135671113581 =11135681113570 111356711135671113567Atomen Natuumlrlich waren die Groumlszligenverhaumlltnisse zur damaligen Zeit nicht bekannt sie dienen hier nur derVeranschaulichung der Groumlszligenordnungen


27 Atomsymbole

Ergebnisse des Rutherford-Versuchs

1 Es gibt einen Atomkern in der Mitte des Atoms2 Der Atomkern ist positiv geladen (Protonen im Kern)3 Die Elektronen nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein4 Die Anzahl der Protonen ist gleich der Anzahl der Elektronen

Groumlszligenverhaumlltnisse

Die Durchmesser eines Atoms und seines Kerns lassen sich folgenden Bereichen zuordnen(10minus11135681113567m = 1Aring (Aringngstroumlm))

dKern asymp 1 fm = 10minus11135681113572mdAtom asymp 100 bis 400 pm

= 100 sdot 10minus12 bis 400 sdot 10minus12m= 1 bis 4Aring

dAtomdKern

= 10minus11135681113567m10minus11135681113572m

= 101113572

27 Atomsymbole

Bevor Isotope behandelt werden (Abschn 28) folgt ein kurzer Abschnitt uumlber die Schreibweisevon AtomsymbolenEin Atomsymbol ist folgendermaszligen aufgebaut (fuumlr elektrisch neutrale Atome)

AZSym

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

nenSym ElementsymbolDie Ordnungszahl muss nicht zwingend notiert werden da das Elementsymbol genauso ein-

deutig ist

Beispiel 23 Schreibweise von Elementsymbolen mit Ordnungs- und Massenzahlen126C 136C146C 147N 199F

11H 21H = D 31H = T

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



Einatomige Ionen entstehen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen Es gilt folgendeSchreibweiseBeispiel 24 Schreibweise von einatomigen Ionen mit Ordnungs- und Massenzahlen

2311Na+ 2713Al3+ 3216S2ndash

Die Ladung des Teilchens wird rechts oben an das betreffende Elementsymbol geschrieben2713Al3+ bedeutet also dass das Aluminium-Atom 13 Protonen 14 Neutronen und drei

positive (Elementar)ladungen (durch Abgabe von Elektronen) enthaumllt

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

28 Isotope

Es gibt Atome bestimmter Elemente die sich untereinander in ihrer Massenzahl A unterschei-den sie werden als Isotope (bdquoisoldquo gleich bdquotoposldquo Ort bdquoam gleichen Ortldquo (im Periodensystem))bezeichnetFuumlr chemische Reaktionen ist die unterschiedliche Masse von untergeordneter Bedeutung da

die chemischen Eigenschaften nicht von der Zusammensetzung des Atomkerns abhaumlngen son-dern von derAnzahl Elektronen in der Valenzschale bestimmtwerden Natuumlrlich vorkommendeIsotopengemische koumlnnen bedenkenlos unveraumlndert eingesetzt werdenEinige 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 25)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 veraumlnderndadurch ihre Flugbahn Die Ablenkung ist abhaumlngig von dem Verhaumlltnis q

m der Ionen DurchVariation der magnetischen Feldstaumlrke lassen die Flugbahnen aumlndern und so die einzelnen Io-nensorten voneinander trennen Ein Detektor am Ende der Strecke misst die Intensitaumlt des Teil-chenstrahls

29 Atommassen

Einzelne Atome haben unwaumlgbar kleineMassen Um ein vernuumlnftiges Arbeiten zu ermoumlglichenkann ein Massensystem eingefuumlhrt werden das Atommassen untereinander in Beziehung setztman gelangt so zur relativen AtommasseDaltonwaumlhlteWasserstoff als Bezug und gab ihm die relativeMasse 1 Er kannte dasMassen-

verhaumlltnis von z B Wasserstoff zu Sauerstoff in Wasser 112 ∶ 888 was in ganzen Zahlen


29 Atommassen

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Gluumlhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor

Abbildung 25 Prinzip eines Massenspektrometers

1 ∶ 8 entspricht Er kannte auszligerdem das Atomverhaumlltnis Wasserstoff zu Sauerstoff naumlmlich2 ∶ 1 Daraus laumlsst sich die relative Atommasse von Sauerstoff berechnen Masse(Sauerstoff) =1113575sdot11135691113568 = 16Die relativen AtommassenAr werden heute auf 1113568

11135681113569 derMasse eines 12C bezogen Diese Grund-groumlszlige der atomaren Masseneinheit wird mit der Einheit u (bdquounitldquo) versehen

1 u = 112m(1 Atom 12C) = 1661 sdot 10minus11135691113574 kg

Beispiel 25 Relative Atommassen von Kohlenstoff und Wasserstoff

Ar(1 Atom 12C) = 1993 sdot 10minus11135691113573 kg1661 sdot 10minus11135691113574 kg

= 12

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

Ar(1 Atom 1H) = 16726 sdot 10minus11135691113574 kg1661 sdot 10minus11135691113574 kg

= 1007

Bei Wasserstoff (und fast allen anderen Elementen) treten keine ganzzahligen relativen Atom-massen auf Ein freies Nucleon (hier das Proton) hat offensichtlich eine groumlszligere Masse als ein imAtomkern befindliches Woran mag das liegenUm Protonen und Neutronen im Atomkern zu halten ist Bindungsenergie erforderlich Ge-

maumlszlig der (gekuumlrzten und vereinfachten) Formel E = mc1113569 sind Energie und Masse in einanderuumlberfuumlhrbar Die benoumltigte Bindungsenergie wird also der Masse der Nucleonen entnommen(bdquoMassendefektldquo)Ein weiterer Grund fuumlr das Auftreten von krummen relativen Atommassen ist in der Tatsache



begruumlndet dass Elemente als Isotopengemische vorkommen Beispielsweise besteht natuumlrlichvorkommender Kohlenstoff zu ca 989 aus 12C und zu ca 11 aus 13CBeispiel 26Mittlere Atommasse von Chlor

Natuumlrlich vorkommendes Chlor

3517Cl 7577 sdot 34969 u = 26496 u3717Cl 2423 sdot 36966 u = 8957 u

35453 u


Kapitel 3

Elektronenstruktur der Atome

31 Elektromagnetische Strahlung Kenngroumlszligen

Zu Beginn sei eine kleine Aufstellung von Kenngroumlszligen elektromagnetischer Strahlung aufge-fuumlhrt

bull Wellenlaumlnge 120582 (bdquolambdaldquo)bull Amplitude A Intensitaumlt A1113569

bull Frequenz 120584 (bdquonuumlldquo)bull Ausbreitungsgeschwindigkeit c = 2997 924 58 sdot 101113575ms asymp 3 sdot 101113575msEs gelten folgende Beziehungenbull c = 120582 sdot 120584bull E = h sdot 120584 mit der Energie (E) und dem PlanckschenWirkungsquantum h = 6626 sdot 10minus11135701113571 J s

32 Atommodell nach Bohr (1913)

Bohr fuumlhrte spektroskopische Untersuchungen anWasserstoff durch Er beobachtete dabei keinkontinuierliches Spektrum sondern ein Spektrum aus diskreten Linien Diesen Linien (Lichtunterschiedlicher Frequenzen) lassen sich gemaumlszlig E = h sdot 120584 = h sdot c120582 Energien zuordnen

Bohrsche Postulate

1 Elektronen koumlnnen sich nur auf bestimmten Kreisbahnen aufhalten Sie werden mit KL M N hellip oder mit n = 1 n = 2 n = 3 hellip bezeichnet

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

Elektronen auf der kernnaumlchsten Bahn (n = 1) haben die Energie E1113568 Um dieses Elektron aufdie Bahn n = 2 mit der Energie E1113569 zu bringen ist der Energiebetrag ΔE = E1113569 minus E1113568 noumltig derbeispielsweise durch Licht geeigneter Frequenz 120584 = 1113655E

h aufgebracht werden kannDie elektrostatische Kraft FQ zwischen den entgegengesetzt geladenen Protonen und Elektro-

nen muss sich im Gleichgewicht mit der Zentrifugalkraft FZ befinden (Abb 31) Dadurch warBohr in der Lage Kreisbahnen und die Lagen der Spektrallinien zu berechnen allerdings nurfuumlr das Wasserstoff-Atom Fuumlr alle anderen Atome versagt die Rechnung

Kapitel 3 Elektronenstruktur der Atome

p+

eminus

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2ltE1 lt E2

Abbildung 31 Bohrsches Atommodell

33 Quantenmechanisches Atommodell

Grundlage fuumlr dieses Atommodell ist die Schroumldinger-Gleichung1 (31)

iℏ partpartt120569(r t) = 1114102minusℏ11135692mnabla

1113569 + V(r t)1114105120569(r t) (31)

Das Elektron wird in derQuantenmechanik als Objekt mitWellencharakter behandelt Je nachExperiment zeigt sich dieser Wellencharakter (z B Beugungsexperimente) oder der bereits er-waumlhnte TeilchencharakterWellen haben die Moumlglichkeit miteinander zu interferieren Wir betrachten die Interferenz an

zwei Wellen gleicher Wellenlaumlnge 120582 und gleicher Amplitude A Treffen Wellenberge und Wel-lentaumller der einenWelle aufWellenberge undWellentaumller der zweitenWelle aufeinander uumlberla-gern sich die beiden Wellen konstruktiv die Welle wird bdquoverstaumlrktldquo (Abb 32) Treffen dagegenWellenberge auf Wellentaumller und umgekehrt ist die Interferenz destruktiv die Welle wird aus-geloumlscht (Abb 33)Damit dieWelle Elektron imAtomnicht destruktiv interferiert muss sie gewisse Bedingungen

erfuumlllen Amwichtigsten ist dabei dass sie eine stehendeWelle sein muss Diese stehendeWelleinterferiert konstruktiv Das gilt sowohl fuumlr die Grundschwingung als auch fuumlr alles houmlherenSchwingungen Die Schwingungen sind dabei ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlaumlngedes Elektrons (naumlheres dazu s Lehrbuumlcher der Chemie Physik etc)In der mikroskopischen Welt des Elektrons gilt auszligerdem die Unschaumlrferelation

1Nicht klausurrelevant )



A

A

λ

λ

λ

A

Abbildung 32 Konstruktive Interferenz zweier Wellen Dargestellt ist je eine Wellenlaumlnge 120582

A

A

λ

λ

A

Abbildung 33 Destruktive Interferenz zweier Wellen Dargestellt ist je eine Wellenlaumlnge 120582

Unschaumlrferelation

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

Δp sdot Δr ge h

Den exakten Ort des Elektrons zu kennen ist fuumlr den Alltag irrelevant Wichtiger ist es dieAufenthaltswahrscheinlichkeit zu kennenStellt man die ermitteltenAufenthaltswahrscheinlichkeiten grafisch dar erhaumlltman sogenann-

te Grenzflaumlchendarstellungen von Atomorbitalen (Abb 34)

Quantenzahlen

Loumlst man die Schroumldinger-Gleichung so erhaumllt man Zahlen die sogenanntenQuantenzahlenHauptquantenzahl (HQZ) n = 1 2 3hellipinfin

n entspricht dabei ungefaumlhr den Bahnen im Bohr-ModellNebenquantenzahl (NQZ) l = 0 1 2 3hellipn minus 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 = minus1)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 = minus2)xy ll m

x

y

z

d ( = 2 = minus1)xz ll m

x

y

z

d ( = 2 = 0)yz ll m

x

y

z

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

x

y

z

Abbildung 34 Grenzflaumlchendarstellungen s-Orbital (oben) p-Orbitale (Mitte) d-Orbitale (unten)


34 Orbitalbesetzung

Magnetquantenzahl (MQZ) ml = minusl minus(l minus 1)hellip 0hellip +(l minus 1) +lml gibt dabei in etwa die raumlumliche Orientierung der Orbitale wieder

Spinquantenzahl (SQZ) s = + 11135681113569 minus

11135681113569

Beispiel 31 Neben- und Magnetquantenzahlen fuumlr n = 1 und n = 2

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

n = 2 rArr l =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

0 rArr ml = 0 rArr 2s-Orbital

1 rArr ml =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩

minus1 rArr 2px-Orbital0 rArr 2py-Orbital

+1 rArr 2pz-Orbital

34 Orbitalbesetzung

Beim bdquoBefuumlllenldquo von Orbitalen2 mit Elektronen gelten folgende Regeln

Pauli-Prinzip

Keine zwei Elektronen duumlrfen in allen vier Quantenzahlen uumlbereinstimmen Pro Orbital lassensich demzufolge maximal zwei Elektronen unterbringen

Hundsche Regel

Bevor energiegleiche Orbitale mit zwei Elektronen besetzt werden werden die Orbitale einfachbesetztBeispiel 32 Elektronenkonfigurationen von Stickstoff und Sauerstoff

Elektronenkonfigurationen

N-Atom 1s1113569 2s1113569 2p1113570 (2p1113570 = 2p1113568x 2p1113568y 2p1113568z)

O-Atom 1s1113569 2s1113569 2p1113571 (2p1113571 = 2p1113569x 2p1113568y 2p1113568z)

Energieabfolge der Orbitale

Die Reihenfolge der Orbitalenergien ergibt sich aus Abbildung 35 (nicht maszligstabsgerecht)

35 Periodensystem

Die Elemente sind nach steigender Anzahl ihrer Protonen (Ordnungszahl) sortiert Den Nach-weis dafuumlr dass die Ordnungszahl eines Elementes nicht durch die Atommasse bestimmt istsondern durch die Anzahl der Protonen im Kern erbrachte Moseley in den Jahren 1913 und1914

2Atomorbitale Molekuumllorbitale Hybridorbitale hellip



1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie

Abbildung 35 Energetische Abfolge von Atomorbitalen Die Orbitalenergie steigt von unten nach obenan

Er untersuchte die Roumlntgenspektren von 38 Elementen ausgehend vom Aluminium (Ord-nungszahl 13) bis hin zum Gold (Ordnungszahl 79) er modifizierte dazu das Anodenmateri-al einer Roumlntgenroumlhre (Abb 36) Moseley leitete einen linearen Zusammenhang zwischen derWurzel der Frequenz der Roumlntgenstrahlung und der Ordnungszahl des ElementsBis jetzt ist das Periodensystem (bis jetzt) eine einzeilige Liste H He Li Be B C N O F Ne

Na Mg hellipFuumlr den Chemiker ist die Anordnung der Elektronen ndash insbesondere der Valenzelektronen

(Elektronen auf der aumluszligersten Schale) ndash wichtig In Tab 31 ist die Elektronenkonfiguration derersten 18 Elemente aufgelistetElektronenkonfigurationen wiederholen sich systematisch (wenn man die Hauptquantenzahl

nicht beruumlcksichtigt) z B bei den Elementen Li Na K Rb Cs Fr s1113568 fuumlr die ValenzschaleMan schreibt Elemente mit gleicher Valenzelektronenkonfiguration untereinander und

kommt so zum Periodensystem der Elemente (PSE)

Was sieht man im Periodensystem

bull Die Zeilen im PSE werden Perioden genannt die Spalten heiszligen Gruppen


35 Periodensystem

(ndash)

(ndash)

(+)

(+)

KathodeKathode

AnodeAnode

UA

UH

eminuseminuseminuseminus

eminuseminus

RoumlntgenstrahlungRoumlntgenstrahlung

KuumlhlungKuumlhlung

Abbildung 36 Prinzip einer Roumlntgenroumlhre

bull Weil z B die Elemente Li Na K Rb Cs Fr alle s1113568-Konfiguration der Valenzschale habenstehen sie in einer Gruppe (naumlmlich der 1) Umgekehrt kann man aus der Stellung desElementes im PSE die Elektronenkonfiguration ndash insbesondere der Valenzschale ndash ablesen

bull 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 gelaumlufig istdie Einteilung in Haupt- und Nebengruppen (roumlmische Zahlen) Die folgende Uumlbersichtzeigt die Zuordnung neuealte 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 begruumlndet) folgende uumlbliche Namen



Tabelle 31 Elektronenkonfigurationen der ersten 18 Elemente

Element Elektronenkonfiguration Kurzschreibweise

H 1s1113568 1s1113568

He 1s1113569 1s1113569

Li 1s1113569 2s1113568 [He] 2s1113568

Be 1s1113569 2s1113569 [He] 2s1113569

B 1s1113569 2s1113569 2p1113568 [He] 2s1113569 2p1113568

C 1s1113569 2s1113569 2p1113569 [He] 2s1113569 2p1113569

N 1s1113569 2s1113569 2p1113570 [He] 2s1113569 2p1113570

O 1s1113569 2s1113569 2p1113571 [He] 2s1113569 2p1113571

F 1s1113569 2s1113569 2p1113572 [He] 2s1113569 2p1113572

Ne 1s1113569 2s1113569 2p1113573 [He] 2s1113569 2p1113573

Na 1s1113569 2s1113568 2p1113573 3s1113568 [Ne] 3s1113568

Mg 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 [Ne] 3s1113569

Al 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113568 [Ne] 3s1113569 3p1113568

Si 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113569 [Ne] 3s1113569 3p1113569

P 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113570 [Ne] 3s1113569 3p1113570

S 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113571 [Ne] 3s1113569 3p1113571

Cl 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113572 [Ne] 3s1113569 3p1113572

Ar 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113573 [Ne] 3s1113569 3p1113573

Gruppe Name

1 Alkalimetalle2 Erdalkalimetalle

3ndash12 Uumlbergangsmetalle13 Erdmetalle14 Kohlenstoffgruppe15 Pnictogene16 Chalkogene17 Halogene18 Edelgase

Tendenzen im PSE

Atomradius

Innerhalb einer Gruppe nimmt der Atomradius zu Grund dafuumlr ist dass mit jeder Periode ei-ne weitere Elektronenschale hinzukommt Innerhalb einer Periode nimmt der Atomradius abGrund ist die zunehmende effektive Kernladung die die Elektronenhuumllle staumlrker anzieht


35 Periodensystem

Ionisierungsenergie

Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie ab mit jeder Periode liegen die Valen-zelektronen weiter vom Kern entfernt Auszligerdem werden die Valenzelektronen durch innereElektronen von der Anziehungskraft der Protonen staumlrker abgeschirmtInnerhalb einer Periode nimmt die Ionisierungsenergie zu durch die groumlszligereKernladungwer-

den die Valenzelektronen staumlrker angezogen

Ionisierungsenergie

Die Ionisierungsenergie ist die Energie die aufgewendet werden muss um einem Atomoder Ion das am schwaumlchsten gebundene Elektron zu entreiszligen Es gibt die erste zweitedritte hellip Ionisierungsenergie

Elektronegativitaumlt

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


Die Elektronegativitaumlt (EN) ist ein Maszlig fuumlr die Faumlhigkeit Bindungselektronen an sich zuziehen

Das Element mit der houmlchsten Elektronegativitaumlt ist F das mit der kleinsten Fr Eine Angabefuumlr Edelgase eruumlbrigt sich da diese typischerweise keine Verbindungen bilden3Gang der Elektronegativitaumlten (Werte nach Pauling darunter)

F40gt O

34gt N

31asymp Cl

31gt C

25gt H

22gt Si

19gt Li

10gt Na

09gt Fr

07

Eine Uumlbersicht der verschiedenen Tendenzen gibt Abb 37

3Fuumlr unseren Hausgebrauch ist diese Aussage richtig



nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


Abbildung 37 Tendenzen im PSE Atomradius Ionisierungsenergie Elektronegativitaumlt


Kapitel 4

Stoumlchiometrie

Stoumlchiometrie

Die Stoumlchiometrie beschaumlftigt sich mit den quantitativen Beziehungen zwischen Elementenin einer Verbindung und zwischen Elementen und Verbindungen die an chemischen Reak-tionen beteiligt sindGrundlagen der Stoumlchiometrie sind

bull das Gesetz von der Erhaltung der Massebull das Gesetz der konstanten Proportionenbull das Gesetz der multiplen Proportionen

41 Atome Molekuumlle Ionen

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

Molekuumlle Molekuumlle sind Gebilde die aus mindestens zwei (kovalent) verbundenen Atomenbestehen

Ionen Ionen sind Atome oder Molekuumlle die elektrisch geladen sind (positiv geladene IonenKationen negativ geladene Ionen Anionen)

Beispiel 41 Atome Molekuumlle Ionen

Atome Ne isoliertes Kohlenstoffatom in der Gasphase C(g)Molekuumlle SO2 CO2 H2O

keine Molekuumlle NaCl BaCl2 (ionisch aufgebaute Feststoffe)Ionen einatomige Ionen Na+ S2ndash mehratomige Ionen SO2ndash

4 PO3ndash4 NH+

4

42 Chemische Verbindungen

Chemische Verbindungen sind elektrisch neutral SO2ndash4 ist z B keine chemische Verbindung

sondern ein (Molekuumll-)Anion Um eine elektrisch neutrale Verbindung zu erhalten ist eine ent-sprechende Anzahl Kationen erforderlich Aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Be-traumlge der positiven und negativen Ionenladungen laumlsst sich das Verhaumlltnis der Ionen ermitteln

Kapitel 4 Stoumlchiometrie

Beispiel 42 Verbindung aus Al3+ und SO2ndash4

Kation Al3+ Anion SO2ndash4

Das kleinste gemeinsame Vielfache ist 6 Um 6 positive Ladungen zu erhalten sind 2 Al3+

noumltig um 6 negative Ladungen zu erhalten 3 SO2ndash4

Es ergibt sich die Zusammensetzung Al2(SO4)3 Mathematisch korrekt ist natuumlrlich auchAl2S3O12 allerdings kommt dabei nicht das Vorhandensein von Sulfat-Anionen zum Aus-druck Man darf Atomgruppen bilden und mathematisch die Koeffizienten ausklammern

Beispiel 43 Verbindung aus Na+ und O2ndash

Besteht eine Verbindung aus z B Na+- und O2ndash-Ionen schreibt man die entsprechenden stouml-chiometrischen Koeffizienten als kleine tiefgestellte Zahl hinter das betreffende Elementsym-bol Die Zahl 1 kann in den meisten Faumlllen weggelassen werdenMan schreibt also nicht 2Na + 1O oder 2Na1O sondern Na2O (vollstaumlndig aber aumluszligerstunuumlblich Na2O1)

43 DasMol

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 eingefuumlhrt das die Anzahlmikroskopischer Teilchen (Atome Molekuumlle Ionen hellip) mit der makroskopischen Masse ver-knuumlpft

Mol

Ein Mol ist die Stoffmenge die genau so viele Teilchen enthaumllt wie Atome in exakt 12 g desKohlenstoffisotops 12

6C enthalten sind

Molare MassenM der Elemente lassen sich direkt aus den relativen Atommassen Ar ablesenBeispiel 44Molare Masse von Mo

Ar(Mo) = 9594 rArr in 9594 g sind 1mol Mo enthaltenmn = 9594 g

1mol = 9594gmol =M

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


44 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen

Molare Formelmasse

Mr =1114012Ar (in gmol)

In n = 1mol sind N = 6022 14 sdot 1011135691113570 (Avogadro-Zahl keine Einheit) Teilchen (Atome Mole-kuumlle Ionen hellip) enthalten Es ergibt sich die Avogadro-Konstante (Einheit 1mol)

Avogadro-Konstante NA

NA =Nn = 6022 14 sdot 1011135691113570 1

mol

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 fuumlr ideale Gase1

p sdot V = n sdot R sdot T (41)

laumlsst sich das Volumen berechnen Eine kurze Herleitung finden Sie in Abschnitt 721Gase haben bei 27315K und 1013 bar (Atmosphaumlrendruck) ein molares Volumen von

2242 Lmol bei 29315K ein molares Volumen von 240 Lmol und bei 29815K ein molaresVolumen von 2447 Lmol


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 MassenanteileBeispiel 45Massenanteil von Fe in Fe3O4

Welchen Massenanteil w hat Fe in der Verbindung Fe3O4M(Fe3O4) = 3M(Fe) + 4M(O)

= 3 sdot 5585 gmol + 4 sdot 1599

gmol

= 23155 gmol

1p Druck V Volumen n Stoffmenge R Gaskonstante (8315 J(molK)) T Temperatur in Kelvin2Der Massenanteil laumlsst 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)

= 16755 gmol23155 gmol

= 0724

Die Verbindung Fe3O4 besteht demnach zu 724 aus Eisen und zu 276 aus Sauerstoff

45 Reaktionsgleichungen

Prinzipiell ist eine chemische Reaktionsgleichung eine mathematische Gleichung wie z B

5 + 2 times 8 = 7 + 14 (42)

Zusaumltzlich zur mathematischen Information enthaumllt eine chemische Reaktionsgleichung An-gaben wie

bull Richtung der Reaktion Gleichheitszeichen werden durch Pfeile ersetzt z B bull Art der beteiligten Reaktanden (Reaktionspartner) Atome Ionen Molekuumlle Elektronen

hellipbull Aggregatzustand der Reaktanden (s) fest (solid) (l) fluumlssig (liquid) (g) gasfoumlrmig (ga-

seous) (aq) hydratisiert (bdquoaqualdquo)3 hellipbull Stoffmengen der Reaktanden (in mol)

Uumlblicherweise stehen die Edukte (Ausgangsstoffe) links die Produkte (Endstoffe) rechts Wich-tiger ist jedoch die PfeilrichtungFuumlr jede chemische Reaktionsgleichung gilt dass auf beiden Seiten die Stoffmengen der Reak-

tanden uumlbereinstimmen (Gesetz von der Erhaltung der Masse) sowie die Ladungsbilanz ausge-glichen ist

Beispiel 46 Reaktionsgleichung Na und H2O

2Na(s) + 2H2O(l) 2Na+(aq) + 2OHndash(aq) + H2(g) [R 41]

Die Gleichung ist wie folgt zu verstehenlesen 2mol festes und elementares Natrium reagie-renmit 2mol fluumlssigemWasser zu 2mol hydratisierten Natrium-Kationen 2mol hydratisier-ten Hydroxid-Ionen und 1molWasserstoffgas (das aus zweiatomigenMolekuumllen besteht) Inder Praxis kann man Aggregatzustaumlnde weglassen da sie typischerweise aus dem Kontextersichtlich sind Freiwerdendes Gas kann durch einen Pfeil nach oben uarr ausfallender Fest-stoff durch einen Pfeil nach unten darr gekennzeichnet werden

2Na + 2H2O 2Na+ + 2OHndash + H2uarr [R 42]

Beispiel 47 Reaktionsgleichung H+ und H2O

H+ + H2O H3O+ [R 43]

3Hydratisiert bedeutet dass ein Teilchen in Wasser von H2O-Molekuumllen umgeben ndash eingehuumlllt ndash ist Man sprichtauch von einer Hydrathuumllle


46 Loumlsungen und Stoffmengenkonzentrationen

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

Beispiel 48 Reaktionsgleichung Verbrennung von Ethan

Ethan C2H6 soll verbrannt werden (Reaktion mit Sauerstoff) Dabei entstehen CO2 und H2OZuerst werden Edukte und Produkte notiert

C2H6 + O2 CO2 + H2O [R44]

Es werden z B die Stoffmengen von C ausgeglichenC2H6 + O2 2CO2 + H2O [R45]

WasserstoffausgleichC2H6 + O2 2CO2 + 3H2O [R46]

Rechts stehen nun 7mol Sauerstoff links 2mol Es ergibt sich

C2H6 +72 O2 2CO2 + 3H2O [R47]

Diese Gleichung ist korrekt 72O2 bedeuten 1113574

1113569 molO2 nicht 11135741113569 Molekuumlle Falls gewuumlnscht kanndie Gleichung dennoch mit 2 multipliziert werden

2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O [R48]


Viele chemische Reaktionen werden in Loumlsung durchgefuumlhrt Als haumlufigstes Loumlsungsmittelkommt dabei Wasser zum Einsatz Um mit geloumlsten Stoffmengen arbeiten zu koumlnnen wird dieStoffmengenkonzentration c eines Stoffes definiert

Stoffmengenkonzentration c = nV

Die Stoffmengenkonzentration c(X) eines Stoffes X ist die Stoffmenge n(X) bezogen auf dasVolumen V der Gesamtloumlsung nicht des Loumlsungsmittels

c(X) = n(X)V

Um eine NaCl-Loumlsung mit c(NaCl) = 05molL anzusetzen werden 05mol NaCl abgewogen

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

= 5844 gmol sdot 05mol

= 2922 g

Der Feststoff wird in wenig Wasser geloumlst Wenn sich alles geloumlst hat wird die Loumlsung auf 1 Laufgefuumlllt



Konzentrationen von Gasen

Das Gesetz fuumlr ideale Gase

p sdot V = n sdot R sdot T

laumlsst sich wie folgt umformen

p = nV sdot R sdot T

= c sdot R sdot T

Die Konzentration eines Gases laumlsst sich also uumlber den (Partial-)Druck des Gases berechnenDer Partialdruck eines Gases ist der Druck den das Gas ausuumlben wuumlrde wenn es das Volumenalleine ausfuumlllen wuumlrde


Kapitel 5

Chemisches Gleichgewicht

51 Reversible und irreversible Reaktionen

Die bisher betrachteten Reaktion verlaufen quantitativ d h vollstaumlndig von links nach rechtsz B

Na + H2O Na+ + OHndash + 12 H2uarr [R 51]

Wie verhaumllt es sich mit der Ruumlckreaktion

12H2 + OHndash + Na+ Na + H2O [R 52]

Ist die Reaktion [R 51] reversibel d h ist die Ruumlckreaktion [R 52] moumlglichBeginnt die Ruumlckreaktion moumlglicherweise bereits waumlhrend der Hinreaktion und tritt mit ihr

in Konkurrenz Falls ja kommt die Reaktion dann zu einem bdquoStillstandldquo bevor sie quantitativabgelaufen istDie Reaktion [R 52] ist prinzipiell moumlglich jedoch mit groumlszligerem experimentellen Aufwand

verbunden In diesem Sinne verlaumluft die Reaktion [R 51] quantitativ von links nach rechts

Beispiel 51 Reversible Reaktion (Ammoniak-Synthese)

Als Beispiel fuumlr eine reversible Reaktion sei die Ammoniak-Synthese aus den Elementen auf-gefuumlhrt (HaberndashBosch-Verfahren)

N2 + 3H2 2NH3 [R 53]

Sobald Ammoniak gebildet ist findet die Ruumlckreaktion statt2NH3 N2 + 3H2 [R 54]

Man fasst Hin- und Ruumlckreaktion in einer Gleichung zusammen und verwendet als Reakti-onspfeil den bdquoGleichgewichtspfeilldquo

N2 + 3H2 2NH3 [R 55]

52 Massenwirkungsgesetz

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

Kapitel 5 Chemisches Gleichgewicht

Fuumlr eine beliebige chemische Reaktion

A + B C + D [R 56]

sollen zunaumlchst die Reaktionsgeschwindigkeiten v fuumlr Hin- und Ruumlckreaktion formuliert wer-den Die Reaktionsgeschwindigkeit ist gegeben als Aumlnderung der Stoffmengenkonzentrationpro Zeit v = 1113603c

1113603t Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist proportional zur Stoffmengenkonzentra-

tion der Reaktanden insbesondere ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion vh proportional zurStoffmengenkonzentration der Edukte fuumlr Reaktion [R 56]

vh = kh sdot c(A) sdot c(B) (51)

Dazu sind folgende Dinge anzumerken1 Der Faktor kh ist aus folgenden Gruumlnden noumltig

bull Die Dimension der Reaktionsgeschwindigkeit ist Stoffmenge pro Volumen und Zeitmol(L s) Auf der rechten Seite stehen Potenzen von Stoffmengenkonzentrationen(molL)x kh sorgt dafuumlr dass die Einheiten auf beiden Seiten identisch sind

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

2 Die Stoffmengenkonzentrationen werden multiplikativ verknuumlpft Grund dafuumlr ist dassTeilchen sich treffen muumlssen um miteinander reagieren zu koumlnnen Je groumlszliger die Konzen-trationen der Teilchen desto groumlszliger ist auch die Wahrscheinlichkeit dass sich Teilchentreffen Derartige Wahrscheinlichkeiten fuumlr Ereignisse werden multipliziert1 Wahrschein-lichkeiten undKonzentrationen sind einander proportional also sind die Konzentrationenzu multiplizieren

Fuumlr die Ruumlckreaktion folgtvr = kr sdot c(C) sdot c(D) (52)

Im chemischen Gleichgewicht sind die Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin- und Ruumlckreak-tion gleich groszlig vh = vr Dadurch hat es nach auszligen den Anschein dass die Gesamtreaktionzum Stillstand gekommen ist Gln (51) und (52) werden gleichgesetzt

kh sdot c(A) sdot c(B) = kr sdot c(C) sdot c(D) (53)

und umgeformt

khkr= c(C) sdot c(D)c(A) sdot c(B) = K (54)

khkrwird dabei zur Gesamtkonstanten K zusammengefasstDer Bruch in Gl (54) wird haumlufig mit Q bezeichnet Q steht dabei fuumlr den Begriff bdquoReaktions-

quotientldquo

1Mit welcher Wahrscheinlichkeit werden zwei Sechsen gewuumlrfelt Antwort bitte hier eintragen



Treten andere stoumlchiometrische Koeffizienten als 1 auf werden die dazugehoumlrigen 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) sdot c(C)c(A) sdot c(B)

= c1113569(C)c(A) sdot c(B)

Massenwirkungsgesetz

Fuumlr die allgemeine ReaktionaA + bB + hellip xX + yY + hellip

ergibt sich

K = cx(X) sdot cy(Y) sdothellipca(A) sdot cb(B) sdothellip (55)

als sogenanntesMassenwirkungsgesetz (MWG)a

Da Chemiker an den Produkten interessiert sind stehen diese im Zaumlhler die Edukte stehenimNenner Ein groszligerWert fuumlr K bedeutet dass das Gleichgewicht auf der rechten Seite liegtund somit auch groszlige Mengen des ProduktsWenn der ReaktionsquotientQ gleich K ist befindet sich die Reaktion im chemischen Gleich-gewicht Ist Q gt K so befindet sich das System nicht im Gleichgewicht es werden so langeProdukte verbraucht und Edukte gebildet bis Q = K ist Fuumlr Q lt K gilt entsprechend dassEdukte verbraucht und Produkte gebildet werden bis der Wert fuumlr Kwieder erreicht istaDer Ausdruck bdquowirkende Masseldquo ist die altertuumlmliche Bezeichnung fuumlr Konzentration

Die Gleichgewichtskonstante K ist spezifisch fuumlr eine Reaktion unter gegebenen Bedingungen(Druck p Temperatur T etc) Fuumlr anderes T p o auml kann K andere Werte annehmenUm auszudruumlcken auf welche Groumlszlige sich K bezieht haben sich u a folgende Bezeichnungen

eingebuumlrgertStoffmengenkonzentrationen Die Konstante K erhaumllt den Index c um zu verdeutlichen dass

Stoffmengenkonzentrationen beruumlcksichtigt werden Kc

Cl2 + H2O 2H+ + Clndash + OClndash



Es ergibt sich

Kc =c1113569(H+) sdot c(Clndash) sdot c(OClndash)

c(Cl2) sdot c(H2O)

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

Kc sdot c(H2O) = Kprimec =c1113569(H+) sdot c(Clndash) sdot c(OClndash)

c(Cl2)

(Partial-)Druumlcke von Gasen Kwird zu Kp

N2 + 3H2 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p1113569(NH3)

p(N2) sdot p1113570(H2)

Aus der Zustandsgleichung fuumlr ideale Gase pV = nRT laumlsst sich durch die Umformungp = n

VRT = cRT eine Beziehung zwischen der Konzentration c und demDruck p herstellenEs ergibt sich so

Kc =c1113569(NH3) sdot (RT)1113569

c(N2) sdot RT sdot c1113570(H2) sdot (RT)1113570

= c1113569(NH3)c(N2) sdot c1113570(H2) sdot (RT)1113569

Wie erscheinen Feststoffe imMWG

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

CaCO3 CaO + CO2uarr

Das MWG lautetKc =

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

Definitionsgemaumlszlig erhalten Feststoff die Konzentration 1 Damit ergibt sich

Kprimec = c(CO2)

53 Lage des Gleichgewichts und deren Beeinflussung

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



LeChatelier

Uumlbtman auf ein System das sich im chemischen Gleichgewicht befindet einen Zwang durchAumlnderung der aumluszligeren Bedingungen aus so stellt sich infolge dieser Stoumlrung des Gleichge-wichts ein neues Gleichgewicht dem Zwang ausweichend ein

Einen aumluszligeren Zwang kann man bei Reaktionen durch z B Temperatur- Druck- Konzentra-tionsaumlnderungen ausuumlben Erhoumlht man bei der Reaktion


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 Saumlure 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 Druckerhoumlhung bewirkt dass Edukte (grouml-szligeres Volumen) verbraucht werden und Produkt gebildet wirdBei der Reaktion

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

liegen auf beiden Seiten gleiche Stoffmengen an Gas und damit gleiche Volumina an Gas vorDruckaumlnderung beeinflusst das Gleichgewicht in diesem Fall nichtBei exothermen Reaktionen wird Waumlrmeenergie frei Betrachtet man die Waumlrme als Reakti-

onspartner ergibt sich z B2H2 + O2 2H2O + Waumlrme

Entfernen des Reaktionspartners Waumlrme durch Kuumlhlung bewirkt eine Verlagerung des Gleich-gewichts nach rechts Durch Waumlrmezufuhr verschiebt sich das Gleichgewicht nach linksAllgemein gilt dass sich die Konzentrationen aller Reaktanden beim Ausuumlben eines aumluszligeren

Zwangs so lange aumlndern (durch Verbrauch oder Bildung) bis der fuumlr diese Bedingungen spezi-fische Wert fuumlr die Gleichgewichtskonstante Kwieder erreicht wirdKatalysatoren sorgen fuumlr eine schnellere Einstellung eines Gleichgewichts beeinflussen seine

Lage jedoch nicht


Kapitel 6

Thermodynamik und Kinetik

Energie ist die Faumlhigkeit Arbeit zu leisten1 Jeder Stoff enthaumllt eine bestimmte innere EnergieUDieWaumlrmeQ ist eine Transportform von Energie die Temperatur T zeigt an in welche Richtungder Waumlrmefluss 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 Umstaumlnden die Volumenarbeitp sdot V zu beruumlcksichtigen2

61 Enthalpie

Die Enthalpie H verknuumlpft die innere Energie Umit der Volumenarbeit p sdot V

H = U + p sdot V (61)

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

HEnde minusHAnfang = ΔH

Das Vorzeichen von ΔH erlaubt eine Aussage uumlber die Waumlrmetoumlnung einer chemischen Reak-tion Wird Waumlrmeenergie frei so bedeutet dies dass HEnde lt HAnfang und somit ΔH lt 0 manbezeichnet dies als exotherme ReaktionBeispiel 61 Exotherme Reaktion (ΔH lt 0)

Bei der ReaktionC + O2 CO2

wird Waumlrmeenergie frei (Holzofen Lagerfeuer hellip) ΔH lt 0 die Reaktion ist exotherm

Wird Waumlrmeenergie benoumltigt um eine Reaktion ablaufen zu lassen ist ΔH gt 0 die Reaktionist endotherm

1Energie und Arbeit haben die gleiche physikalische Einheit 1113691 = 11136951113612 = 11137041113618 =hellip2Druck mal Volumen hat die Dimension einer Energie [p sdot V] = 111369511136121113579 sdot 11136121113580 = 11136951113612

Kapitel 6 Thermodynamik und Kinetik

Gemaumlszlig den Ausfuumlhrungen zum chemischen Gleichgewicht im vorigen Kapitel laumlsst sich Waumlr-me als Reaktionspartner deuten Das Vorzeichen von ΔH aumlndert sich wenn zu einer Reaktiondie entsprechende Umkehrreaktion betrachtet wird

Beispiel 62 Enthalpie und Richtung der Reaktion

H2 +12 O2 H2O ΔH = minus2859 kJ

mol

rArr H2O H2 +12 O2 ΔH = +2859 kJ

mol

62 Satz vonHess

Satz von Hess

ΔH ist konstant unabhaumlngig davon ob die Reaktion in einem Schritt verlaumluft oder uumlber Zwi-schenschritte

Bei bestimmten chemischen Reaktionen koumlnnen die dazugehoumlrigen Enthalpien experimentellnicht zugaumlnglich sein Aufgrund des Satzes von Hess ist es nun moumlglich aus bekannten Enthal-pien von Teilreaktionen die unbekannte Gesamtenthalpie zu berechnenAus den Gleichungen der Teilreaktionen muss durch Umformung die Gesamtgleichung auf-

gestellt werden Unter Umstaumlnden ist es dabei noumltig Teilreaktionen als Ruumlckreaktion zu betrach-ten oder einzelne Teilreaktionen zu vervielfachenBeispiel 63 Enthalpie fuumlr C + O2 CO2 aus Einzelreaktionen

Gesucht ist ΔH fuumlr die ReaktionC + O2 CO2

Bekannt sind allerdings nur die Enthalpieaumlnderungen fuumlr die Einzelschritte

C +12O2 CO ΔH = minus1105 kJ

mol

undCO +

12O2 CO2 ΔH = minus2830 kJ

mol

Addition der beiden Reaktionsgleichungen ergibt die gesuchte GesamtreaktionC + O2 CO2

Die Gesamtenthalpieaumlnderung ergibt sich ebenfalls durch Addition der Einzelenthalpien

ΔH = minus1105 kJmol + 1114102minus2830

kJmol1114105

= minus3935 kJmol


63 Entropie und Freie Enthalpie

Beispiel 64 Enthalpie fuumlr C2H4 + H2 C2H6 aus Einzelschritten

C2H4 + H2 C2H6 ΔH = [R 61]

Bekannt sind die Schritte2C + 2H2 C2H4 ΔH = +523 kJ

mol [R 62]

2C + 3H2 C2H6 ΔH = minus847 kJmol [R 63]

Um die Gesamtreaktion [R 61] zu erhalten muss zunaumlchst Reaktion [R 62] umgedreht wer-den und anschlieszligend zu Reaktion [R 63] addiert werden

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

rArr C2H4 + H2 C2H6

BeimUmkehren der Richtung von [R 62] aumlndert sich das Vorzeichen der EnthalpieaumlnderungDanach koumlnnen die Enthalpien addiert werden


kJmol1114105

= minus1370 kJmol


Die Entropie S ist ein Maszlig fuumlr die bdquoUnordnungldquo3 in einem System Je groumlszliger die Ordnung destokleiner die Entropie


Bei einer spontanen (freiwilligen) Zustandsaumlnderung vergroumlszligert sich die Entropie

Die Freie Enthalpie G verknuumlpft die Enthalpie Hmit der Entropie S uumlber die Temperatur T

G = H minus T sdot S

Wie bei der Enthalpie H interessiert man sich in den meisten Faumlllen fuumlr die Aumlnderung derFreien Enthalpie

ΔG = GEnde minus GAnfang

= (H minus T sdot S)Ende minus (H minus T sdot S)Anfang

= ΔH minus T sdot ΔS

3Es sind eigentlich die Anzahlen der moumlglichen Zustaumlnde die ein System einnehmen kann Je mehr moumlgliche Zu-staumlnde desto groumlszliger die Entropie



Freie Enthalpie ΔG

Es gelten folgende BeziehungenΔG lt 0 rArr Reaktion laumluft spontan ab sie ist exergonΔG = 0 rArr Reaktion ist im chemischen GleichgewichtΔG gt 0 rArr Reaktion laumluft nicht ab sie ist endergon Die Ruumlckreaktion laumluft stattdessen ab

64 Kinetik

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

A2 + X2 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und

v(A2) = v(X2) = minusdc(A2)dt = minusdc(X2)

dt

Die Reaktionsgeschwindigkeit v ist konzentrationsabhaumlngig

Stoszligtheorie

Damit A2 und X2 miteinander reagieren kann muumlssen sich beide Teilchen(sorten) treffen(Abb 61) Nicht jeder Stoszlig ist dabei effektiv Die Molekuumlle koumlnnen die falsche Orientierungzueinander haben die Stoumlszlige koumlnnen nicht heftig genug sein etc

Uumlbergangszustandaktivierter Komplex

Zwischenzeitlich bildet sich eine Teilchenanordnung bei der AmdashA- und XmdashX-Bindungen nochnicht vollstaumlndig gebrochen und AmdashX-Bindungen noch nicht vollstaumlndig gebildet sind

A2 + X2

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

A ⋯ A⋮ ⋮X ⋯ X

⎫⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭

ne

aktivierterKomplex

2AX

Dieser Reaktionsverlauf laumlsst sich graphisch in einem Energiediagramm darstellen Dabeiwird die Energie E gegen die Reaktionskoordinate (Vollstaumlndigkeit der Reaktion Wertebereich


64 Kinetik

A2

X2

AX AX

Abbildung 61 Ein Molekuumll A2 reagiert mit einem Molekuumll X2

0 bis 100) aufgetragen (Abb 62) Im Fall einer exothermen Reaktion liegt die Energie der Pro-dukte unter der Energie der Edukte (ΔH lt 0) im endothermen Fall ist es umgekehrt (ΔH gt 0) Inbeiden Faumlllen ist ein Energiebetrag zuzufuumlhren und zu uumlberwinden um den Uumlbergangszustandzu erreichen Diese Energie wird Aktivierungsenergie (EA) genannt

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH lt 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH gt 0

aktivierter

Komplex

EA

Abbildung 62 Energiediagramme fuumlr eine exotherme (links) und endotherme (rechts) Reaktion

Katalyse

Ein Katalysator erhoumlht die Reaktionsgeschwindigkeit (auch die der Ruumlckreaktion) und wirdselbst nicht verbraucht Im Energiediagramm (Abb 63) ist der Reaktionsverlauf der katalysier-ten (blaue Kurve Bezeichnung bdquokldquo) im Vergleich zur nicht-katalysierten Reaktion (rote KurveBezeichnung bdquonkldquo) dargestellt Die Aktivierungsenergie wird durch den Katalysator gesenktEA(nk) gt EA(k)Eine detaillierte Darstellung einer katalysierten Reaktion gibt Abb 64 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 63 Energiediagramme fuumlr eine endotherme Reaktion mit (blaue Kurve Bezeichnung bdquokldquo)und ohne (rote Kurve Bezeichnung bdquonkldquo) Katalysator

Aus den Zwischenschritten

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

laumlsst sich die Gesamtreaktion

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

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

65 Geschwindigkeitsgesetze

Die Reaktionskinetik beschaumlftigt sich u amit Geschwindigkeitsgesetzen EinGeschwindigkeits-gesetz muss experimentell bestimmt werden Ist das Geschwindigkeitsgesetz bekannt laumlsst sichdie Reaktionsordnung ermitteln Die Ordnung einer chemischen Reaktion ist die Summe derExponenten (diese koumlnnen auch nicht-ganzzahlig sein) der Stoffmengenkonzentrationen

A + B CrArr v = k sdot c(A)1114052

1 Ordnung in A

sdot c(B)11140521 Ordnung in B11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

2 Ordnung insgesamt



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 64 Energiediagramme fuumlr eine endotherme Reaktion mit (blaue Kurve) und ohne (rote Kur-ve) Katalysator Darstellung mit Katalysator-Komplexen

A + B + 3C + 2D E + 3FrArr v = k sdot c(A)1114052

1 Ordn

sdot c(B)11140521 Ordn

sdot c1113570(C)11140533 Ordn

sdot c1113569(D)11140532 Ordn11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

7 Ordnung insgesamt

Reaktion 1 Ordnung am Beispiel des radioaktiven Zerfalls mit Herleitung

Ein Atom des Isotops 14C zerfaumlllt unter Aussendung eines Elektrons endash (β-Strahlung) und einesAntineutrinos ν zu 14N

146C 14

7N+ + endash + ν

Es ergibt sich folgendes Geschwindigkeitsgesetz

dc(146C)dt = minus120582 sdot c(146C)

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

N sim c

Es ergibt sich also

dNdt = minus120582 sdotN

Mathematisch nicht ganz sauber aber physikalisch erlaubt Variablentrennung

dNN = minus120582 sdot dt



Diese Differentialgleichung ist zu integrieren

1114009 dNN = minus120582 sdot 1114009dt

Um die Integration durchzufuumlhren werden folgende Randbedingungen (rArr Integrationsgren-zen) festgelegt

t = 0 ∶ AnfangszeittE ∶ Endzeit

N(t = 0) = N1113567 ∶ Teilchenzahl am AnfangN(t = tE) = NE ∶ Teilchenzahl bei tE

rArrNE

1114009N1113577

dNN = minus120582 sdot

tE

11140091113567

dt

(lnN)1114071NE

N1113577

= minus120582 sdot (t)1114071tE

1113567

lnNE minus lnN1113567 = minus120582 sdot tElnNE = lnN1113567 minus 120582 sdot tEe 11136111113613NE = e 11136111113613N1113577minus120582sdottE

= e 11136111113613N1113577 sdot eminus120582sdottENE = N1113567 sdot eminus120582sdottE

Umbenennen der Variablen fuumlhrt zur endguumlltigen Form des Geschwindigkeitsgesetzes

N(t) = N1113567 sdot eminus120582sdott

Um die Formel verwenden zu koumlnnen muss die charakteristische Konstante 120582 bekannt seinDiese kann uumlber die Halbwertszeit berechnet werden

Die Halbwertszeit ist die Zeit die vergeht bis bei 1114108einer chemischen Reaktioneinem radioaktiven Zerfall 1114111 die Haumllfte

der 1114108Reaktanden verbraucht

Probe zerfallen 1114111 ist

Die Halbwertszeit wird mit t11135681113569 bezeichnet Auszligerdem gilt

N(t11135681113569) =N11135672

Einsetzen liefertN11135672 = N1113567 sdot eminus120582sdott11135781113579

12 = e

minus120582sdott11135781113579 = 1e+120582sdott11135781113579

rArr 2 = e120582sdott11135781113579

ln 2 = 120582 sdot t11135681113569


66 Radikalische Kettenreaktion


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

Cl2 + CH4Methan

Der Start der Reaktion erfolgt mittels Lichtenergie

Kettenstart

Cl2h sdot 120584 2 Cl

Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung

Cl + CH4 CH3Methyl-Radikal

+ HClChlorwasserstoff

CH3 + Cl2 CH3ClChlormethan

+ Cl

Kettenabbruch

CH3 + Cl CH3ClCl + Cl Cl2

CH3 + CH3 C2H6Ethan

Die (erwuumlnschte) Reaktion

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

findet zwar statt allerdings koumlnnen sehr viele unerwuumlnschte Nebenreaktionen stattfinden Ra-dikalische Reaktionen sind typischerweise unspezifisch


Kapitel 7

Gase Fluumlssigkeiten Feststoffe

71 Phasenbegriff

Phase

Eine Phase ist ein homogener Teil derMaterie der durch eineGrenzflaumlche von einem anderenhomogenen Teil getrennt ist An der Phasengrenze (Grenzflaumlche) aumlndern sich physikalischeEigenschaften sprunghaft

Physikalische Eigenschaften koumlnnen beispielsweise sein Dichte Schmelzpunkt Brechungsin-dex Farbe Aggregatzustand hellipEs gibt Phasengemische bei denen die Komponenten im selben Aggregatzustand vorliegen

manchmal sogar die gleiche chemische Zusammensetzung haben

Beispiel 71 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

72 Gase

Gase bestehen aus Atomen (z B Edelgase) oder Molekuumllen die raumlumlich weit von einander ge-trennt sind Die mittlere freie Weglaumlnge bei Atmosphaumlrendruck betraumlgt etwa 70 nm = 7 sdot 10minus1113575mein Ar-Atom hat einen Durchmesser von etwa 210 pm = 21 sdot 10minus11135681113567m ein kugelfoumlrmiger Menschvon 21mDurchmesserwuumlrde den naumlchsten kugelfoumlrmigenMenschen in etwa 700mEntfernungsehenGase sind demzufolge komprimierbar Auszligerdem sind Gase homogen mischbarDie relevanten Zustandsgroumlszligen fuumlr Gase sind typischerweise Druck p Volumen V und Tem-

peratur TDruck ist definiert als Kraft pro Flaumlche

p = FA

(71)

Die Einheit des Druckes ist Pascal

1114094p1114097 = Pa = Nm1113569

Kapitel 7 Gase Fluumlssigkeiten Feststoffe

Es gilt 1 bar = 101113572 PaDer Atmosphaumlrendruck wird mit Hilfe eines Barometers gemessen (Abb 71)

HgHg

Atmosphaumlren-

druck

Atmosphaumlren-

druck

Druck der

Hg-Saumlule Vakuum

h p~

Abbildung 71 Prinzip eines Barometers

1mm Hg-Saumlule = 1 torr1 atm = 1013 bar

= 1013 kPa= 760 torr

Der Druck in einem Behaumllter wird mit einem Manometer gemessen (Abb 72)

Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Saumlule

Gasdruckh p~

Abbildung 72 Prinzip eines Manometers


72 Gase

Partialdruck

Als Partialdruck bezeichnet man den Druck den eine Komponente ausuumlben wuumlrde wenn siedas gegebene Volumen alleine ausfuumlllen wuumlrde 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 72 Partialdruck

Es liegen gasfoumlrmige Komponenten A B und C vor Der Stoffmengenanteil x(B) betraumlgt dann

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

Der Partialdruck p(B) betraumlgt dannp(B) = x(B) sdot pGes

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

721 Beziehungen zwischen den Zustandsgroumlszligen

Aus Untersuchungen an Gasen lassen sich folgende Gesetzmaumlszligigkeiten ableiten

p sim T p sim nV sim T V sim n

p sim 1V

Daraus ergibt sich die Zustandsgleichung fuumlr ideale Gase (s Abschnitt 43 auf Seite 26)


p sdot V = n sdot R sdot T (41)Aus Dimensions- und Groumlszligenordnungsgruumlnden muss eine Proportionalitaumltskonstante ein-gefuumlhrt werden

R = 83145 JmolK

= 83145 Pam1113570

molK= 00821 atmL

molK

Ideales Gas

Als ideales Gas wird ein Gas bezeichnet bei dem die Gasteilchen als punktfoumlrmig ange-nommen werden Auszligerdem werden Wechselwirkungen zwischen den Teilchen auszliger elas-tischen Stoumlszligen voumlllig auszliger Acht gelassen



73 Fluumlssigkeiten

Zwischen den Teilchen einer Fluumlssigkeit koumlnnen verschiedene Kraumlfte wirken DipolndashDipol- undVan-der-Waals-Wechselwirkungen sowie Wasserstoffbruumlckenbindungen

DipolndashDipol-Wechselwirkungen

Als elektrischen Dipol bezeichnet man zwei raumlumlich getrennte (Abstand r) elektrische Ladun-gen mit entgegengesetzten Vorzeichen +q und minusq (Abb 73) Die physikalische Groumlszlige zur Be-schreibung von Dipolen ist das Dipolmoment 120583 = q sdot r Der Betrag einer Ladung 1114070q1114070 muss keinVielfaches der Elementarladung e = 16022 sdot 10minus11135681113576C sein sehr haumlufig handelt es sich um Bruch-teile der Elementarladung Dieser Bruchteil der Ladung wird dann als bdquoTeilladungldquo oder bdquoParti-alladungldquo bezeichnet Das Symbol ist 120575+ fuumlr eine positive und 120575minus fuumlr eine negative Partialladung

+q minusq

r

Abbildung 73 Elektrischer Dipol

Je groumlszliger 1114070q1114070 desto groumlszliger 120583 je groumlszliger r desto groumlszliger 120583

Permanente Dipole

Abb 74 zeigt eine moumlgliche Anordnung staumlbchenfoumlrmiger Molekuumlle mit einem permanentenDipolmoment in einer Fluumlssigkeit Permanentes Dipolmoment bedeutet dass das Dipolmomentnicht verschwindet sondern (innerhalb enger Grenzen) zeitlich konstant ist

δ+ δminus δ+ δminus δ+ δminus δ+ δminus

δ+ δminus δ+ δminus δ+ δminus



Abbildung 74 Anordnung von Dipolen in einer Fluumlssigkeit

Temporaumlre Dipole

Betrachtet man beispielsweise ein Edelgasatom stellt man fest dass der Schwerpunkt der posi-tiven Ladung (Protonen imKern) und der Schwerpunkt der negativen Ladung (raumlumlich gleich-maumlszligig verteilte Elektronen in der Atomhuumllle) zusammenfallen das Dipolmoment also 120583 = 0 ist(Abb 75 links) Da die Elektronen der Atomhuumllle im Vergleich zum Atomkern leicht beweg-lich sind kommt es zu einem Zeitpunkt fuumlr einen kurzen Moment zu einer ungleichmaumlszligigenVerteilung der Elektronen als Resultat bildet sich ein temporaumlrer Dipol aus (Abb 75 Mitte)In Nachbaratomen werden durch elektrostatische Abstoszligung die Elektronen verschoben dieNachbaratome werden ebenfalls zu Dipolen (Abb 75 rechts)


74 Wasserstoffbruumlckenbindungen

Insgesamt ergibt sich dabei eine Situation wie bei den permanenten Dipolen (Abb 74) unddie Atome des gesamten Ensembles erfahren attraktive Kraumlfte Diese Kraumlfte werden Van-der-Waals-Kraumlfte -Wechselwirkungen oder -Bindungen genannt Bei Edelgasenwerden diese Kraumlftegelegentlich als London-Kraumlfte bezeichnetDieser Zustand ist von sehr kurzer Dauer die Dipolmomente befinden sich in staumlndigem Fluss

und koumlnnen zu einem anderen Zeitpunkt anders ausgerichtet sein

++++ +

+minusminus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

δ+ δminus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

Abbildung 75 Atom ohne Dipolmoment (links) Atommit temporaumlremDipolmoment (Mitte) Induzier-te temporaumlre Dipole bei benachbarten Atomen (rechts)


Bei bestimmtenVerbindungen sindH-Atome anAtomemit hoher Elektronegativitaumlt verbundenAls Beispiel dient hier das Wassermolekuumll (Abb 76) An ein Sauerstoffatom sind zwei Wasser-stoffatome je einfach kovalent gebunden (Linie zwischen O undH) Am Sauerstoff befinden sichnoch zwei freie Elektronenpaare (Striche am O-Atom) Da Sauerstoff die houmlhere Elektronegati-vitaumlt im Vergleich zum Wasserstoff besitzt sind die Elektronen in den kovalenten Bindungennicht gleichmaumlszligig zwischen beiden Atomen verteilt sondern im Mittel in Richtung des Sauer-stoffatoms verschoben1

Abbildung 76 Lewis-Formel von Wasser

Um die ungleichmaumlszligige Elektronenverteilung zu verdeutlichen wurde (und wird leider im-mer noch) haumlufig eine Keilschreibweise verwendet Die zunehmende Dicke des Bindungsstri-ches soll symbolisieren dass die Elektronendichte dort houmlher ist (Abb 77 links) Diese Schreib-weise ist deshalb ungluumlcklich da in der organischen Chemie Keile raumlumliche Bindungen dar-stellenBesser ist es die Elektronen bdquoabzutrennenldquo idealerweise mit einer anderen Farbe (Abb 77

1Die Elektronen sind zwar in Richtung des O-Atoms verschoben jedoch befinden sie sich nicht vollstaumlndig am O-Atom Es liegen also keine Ionen H+ und O2ndash vor



Mitte) Eindeutig ist jedoch die Schreibweise mit Partialladungen (Abb 77 rechts) hier gilt DieSumme der Partialladungen sollte die Gesamtladung ergeben (deshalb 2120575minus)

δ+

2δminus

δ+

Abbildung 77 Ungluumlckliche Schreibweise (links) Bessere Variante (Mitte) Deutliche Variante (rechts)

Aufgrund der Elektronenverteilung imWassermolekuumll bildet dieses einen elektrischen DipolDas (partiell positive) H-Atom eines Wassermolekuumlls richtet sich auf ein (partiell negatives) O-Atom eines Nachbarmolekuumlls Diese Art der Wechselwirkung nennt man Wasserstoffbruumlcken-bindung Sie wird durch eine gepunktete Linie die vomH-Atom zum elektronegativen Teilchendes Nachbarmolekuumlls (hier das O-Atom) gezogen wird symbolisiert (Abb 78)

Abbildung 78 Darstellung von Wasserstoffbruumlckenbindungen

Die Konsequenzen der Ausbildung von Wasserstoffbruumlckenbindungen lassen sich z B an-hand der Siedepunkte der Wasserstoffverbindungen der Gruppen 14 bis 17 zeigen (Abb 79)Die Siedepunkte der Element-Wasserstoff-Verbindungen der 3 bis 5 Periode zeigen die erwar-tete Zunahme der Siedepunkte Gruumlnde dafuumlr sind einerseits die zunehmende Molekuumllmasseandererseits die Zunahme der Van-der-Waals-Kraumlfte verursacht durch die Zunahme der vor-handenen Elektronen in den MolekuumllenAnders verhaumllt es sich bei den Element-Wasserstoff-Verbindungen der 2 Periode Die Verbin-

dungen Ammoniak NH3 Fluorwasserstoff HF und Wasser H2O haben unerwartet hohe Siede-punkte verursacht durch das Vorhandensein von WasserstoffbruumlckenbindungenGemaumlszlig dem Gang der Elektronegativitaumlten EN(F) gt EN(O) gt EN(N) ist zu erwarten dass der

Siedepunkt von HF houmlher als der von Wasser ist Tatsaumlchlich jedoch verhaumllt es sich umgekehrtGruumlnde dafuumlr werden im naumlchsten Kapitel behandelt

Wechselwirkungen zwischen Teilchen in Gasen und Fluumlssigkeiten

In Gasen bewegen sich die Teilchen sehr schnell so dass intermolekulare Wechselwirkun-gen kaum wirken koumlnnen Die Bewegung von Fluumlssigkeitsteilchen ist langsam genug damitintermolekulare Wechselwirkungen wirken koumlnnen


75 Feststoffe

HF

HCl HBr

HISbH3

AsH3

NH3

PH3

SiH4

CH4

GeH4

SnH4

H O2

H2S

H2Se

H2Te

2 3 4 5

minus200

minus100

0

100

Sie

dep

un

kt

degC

Periode

Abbildung 79 Siedepunkte der Element-Wasserstoff-Verbindungen der Gruppen 14 bis 17

75 Feststoffe

Feststoffe koumlnnen kristallin oder amorph seinIn kristallinen Feststoffen sind die Bausteine (Atome Ionen Molekuumlle) dreidimensional peri-

odisch angeordnet Uumlberall im Kristall ist die Umgebung einer Teilchensorte identisch DieserUmstand wird als Fernordnung bezeichnet (Am einen Ende des Kristalls sieht die Umgebungeines Teilchens genau so aus wie in der Ferne am anderen Ende des Kristalls)Beispiele fuumlr kristalline Substanzen sindNaCl (Ionenkristall) Au (Metallkristall) Zucker (Mo-

lekuumllkristall) C(Diamant) (der Kristall kann als bdquoRiesenmolekuumllldquo aufgefasst werden)In amorphen Festkoumlrpern unterscheiden sich die o g Umgebungen einer Teilchensorte In

Abb 710 ist dieNahordnung an zweiAusschnitten aus der Struktur vonQuarzglas (SiO2(amorph))demonstriert Die Verknuumlpfungen am mittleren Si-Atom sind identisch (vier O-Atome) unter-scheiden sich jedoch je weiterman sich von diesemAtom entfernt links zeigt die O Si-Bindungnach rechts oben rechts zeigt sie nach links oben Es existiert keine Fernordnung

S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

Abbildung 710Nahordnung in Quarzglas



Beispiel fuumlr amorphe Substanzen sind Fensterglas Teer und Bernstein

76 Phasenuumlbergaumlnge als Aumlnderung des Aggregatzustands

Abbildung 711 zeigt eine Uumlbersicht der Phasenuumlbergaumlnge als Aumlnderung des Aggregatzustandssowie der Bezeichnungen der Uumlbergangspunkte

fest fluumlssig gasfoumlrmig

schmelzen

(Schmelzpunkt)

erstarrengefrieren

(Gefrierpunkt)

verdampfen

(Siedepunkt)

kondensieren

(Kondensationspunkt)

sublimieren

(Sublimationspunkt)

resublimieren

(Resublimationspunkt)

Abbildung 711 Aggregatzustaumlnde und Uumlbergaumlnge

77 Phasendiagramme

In einem Phasendiagramm (auch Zustandsdiagramm) sind Zustaumlnde und die zugehoumlrigen Pha-sen abhaumlngig von Zustandsgroumlszligen wie z B Druck und Temperatur dargestellt Phasendia-gramme koumlnnen Ein- oder Mehrkomponentensysteme beschreibenBeispielhaft werden die Phasendiagramme von H2O (Abb 712) und von CO2 (Abb 715) be-

sprochen (beide nicht maszligstabsgetreu)

771 Phasendiagramm und Eigenschaften vonWasser

InAbb 712 sind zunaumlchst drei Bereiche zu erkennen die die drei Aggregatzustaumlnde desWassersbeschreiben fest fluumlssig und gasfoumlrmigDer Kurvenabschnitt zwischen der festen und der gasfoumlrmigen Phase wird als Dampfdruck-

kurve von Eis bezeichnet Hier findet der Uumlbergang

H2O(s) H2O(g)

(SublimationResublimation) stattDas Kurvenstuumlck das Fluumlssigkeit vonDampf trennt nenntmanDampfdruckkurve (verdamp-

fenkondensieren) von fluumlssigemWasser

H2O(l) H2O(g)


77 Phasendiagramme

221 bar

1013 bar

00061 bar

p

000

250

0110

037

4

TdegC

Dampf

Fluumlssigkeit

Feststoff

Kritischer

Punkt

Siedepunkt

TripelpunktUnterkuumlhlte

Fluumlssigkeit

Dampfdruckkurve

Dampf

von

fluumlss

igem

Was

ser

druck

kurve

von Eis

Sch

melzp

un

ktsk

urv

e festfluumlssig

Schmelzpunkt

A

B

Abbildung 712 Phasendiagramm von Wasser

An der Schmelzpunktskurve (trennt fest von fluumlssig) findet folgender Uumlbergang statt (schmel-zenerstarren)

H2O(s) H2O(l)

AmTripelpunkt (bei 611mbar und 001 degC) liegen alle drei Aggregatzustaumlndemiteinander imGleichgewichtJenseits des kritischen Punktes (221 bar und 374 degC) verschwindet die Phasengrenze zwischen

fluumlssigem und gasfoumlrmigem Wasser (bdquouumlberkritischer Zustandldquo)Die gestrichelte Linie vomTripelpunkt zur unterkuumlhlten Fluumlssigkeit bezeichnet einenZustand

in dem Wasser bereits fest vorliegen sollte (wir befinden uns im Bereich des festen Wassers)trotzdem aber noch fluumlssig ist Dieser Zustand ist metastabil und kann durch geringe aumluszligereEinfluumlsse schlagartig geaumlndert werden Beispiel Wasserflasche aus dem Tiefkuumlhlfach Beim Oumlff-nen der Flasche (ploumltzliche Druckaumlnderung) gefriert das Wasser ploumltzlichZusaumltzlich sind der Schmelz- und Siedepunkt eingetragen Diese befinden sich bei Atmosphauml-

rendruck definitionsgemaumlszlig bei 00 degC und 1000 degCEine besondere Eigenschaft des Wassers wird ebenfalls im Phasendiagramm deutlich die

Anomalie des Wassers Die Schmelzpunktskurve besitzt eine negative Steigung (ist nach links



geneigt) Das bedeutet dass bei konstanter Temperatur durch Druckerhoumlhung Eis verfluumlssigtwerden kann (eingezeichnet als Linie von Punkt A zu B)Dieser Umstand liegt darin begruumlndet dass festes Wasser eine geringere Dichte hat als fluumlssi-

ges Wasser das Volumen von Eis also groumlszliger als das von fluumlssigemWasser ist Das molare Volu-men von H2O betraumlgt (bei jeweils 0 degC) V(H2O(s)) = 1963 cm1113570 und V(H2O(l)) = 1800 cm1113570 DiesesVerhalten zeigen auch einige wenige andere Stoffe wie z B Sb Bi Ga Ge Pu Si und wenigenVerbindungen auf Da dieses Verhalten sehr selten auftritt wird es als bdquoanomalldquo bezeichnetDer Grund fuumlr die geringere Dichte im festen Wasser laumlsst sich in Abb 713 erkennen Auf-

grund der Struktur der Wassermolekuumlle entstehen Hohlraumlume wenn sich die Molekuumlle uumlberWasserstoffbruumlckenbindungen zu einem Netzwerk zusammenlagern Beim Schmelzen brecheneinige dieser Hohlraumlume zusammen so dass das Gesamtvolumen sinkt und die Dichte steigt

S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H H

HH

H H

H H

H

Abbildung 713 Anordnung vonWassermolekuumllen im Eis Aus Gruumlnden der Uumlbersicht sind keine Parti-alladungen und freien Elektronenpaare eingezeichnet

Das anomale Dichteverhalten von Wasser beschraumlnkt sich auf den Bereich zwischen 0 degC und398 degC Daruumlber verhaumllt sich Wasser normal darunter verhaumllt sich Eis normal (Abb 714) Er-kennbar ist auch dass Wasser bei 398 degC seine groumlszligte Dichte hat 120588 = 1000 gcm1113570

Konsequenzen fuumlr die Umwelt

Das anomale Verhalten von Wasser hat einige Konsequenzen fuumlr die Umwelt darunter fuumlr dieBiologie In einem Gewaumlsser kuumlhlt das Wasser an der Oberflaumlche auf 4 degC ab Aufgrund der

houmlheren Dichte sinkt es nach unten das waumlrmereWasser steigt nach oben und kuumlhlt eben-falls auf 4 degC ab Dieser Prozess findet so lange statt bis das ganze Gewaumlsser die gleicheTemperatur hatAm Gefrierpunkt beginnt das Wasser an der Oberflaumlche zu Eis zu erstarren Da Eis einschlechter Waumlrmeleiter ist dringt die Kaumllte nur langsam in groumlszligere Tiefen vorDie unteren Schichten von Gewaumlssern bleiben fluumlssig und haben eine konstante Tempera-tur was fuumlr Wasserorganismen von Vorteil ist

Geologie Wasser flieszligt in Risse und Spalten von Gesteinen Beim Gefrieren dehnt sich Was-ser aus und sprengt Fels- und Gesteinsmassen Dadurch entstehen neue Oberflaumlchen dieverwittern koumlnnen So wird die Neubildung von Erdboden gefoumlrdert


78 Wasser als Loumlsungsmittel

1001

1000

0999

0998

0997minus10 0 4 10 20

TemperaturdegC

Dic

hte

(g

cm

)3

Dic

hte

(g

cm

)3

TemperaturdegC

minus100 minus50 0 50 1000910

0920

0930

0940

0950

0960

0970

0980

0990

1000

Wasser

unterkuumlhltes Wasser

Eis

Abbildung 714 Auftragung der Dichte von Wasser gegen die Temperatur

772 Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid

Das Phasendiagramm von CO2 zeigt wie die meisten Stoffe ein normales Dichteverhalten DieSchmelzpunktskurve hat eine positive Steigung (ist nach rechts geneigt)Es ist auch zu erkennen dass fluumlssiges CO2 erst bei einem Druck von uumlber 518 bar existieren

kann Bei Atmosphaumlrendruck koumlnnen nur festes (Trockeneis) und gasfoumlrmiges CO2 existierenUumlberkritisches CO2 (jenseits von 31 degC und 737 bar) ist ein gutes Loumlsungsmittel fuumlr organische

Substanzen (wird beispielsweise bei der Extraktion von Coffein aus Kaffee eingesetzt) CO2 laumlsstsich nach der Extraktion leicht abtrennen


In biologischen Systemen fungiert Wasser als Loumlsungsmittel und Reaktionsmedium Warum istWasser als Loumlsungsmittel geeignet

Wasser und organische Substanzen

Um organische Substanzen inWasser loumlsen zu koumlnnen muumlssen diese einige Bedingungen erfuumll-len Organische Substanzen sind haumlufig Kohlenwasserstoffe sie sind mit Wasser nicht mischbarund deshalb nicht in Wasser loumlslichBestimmte Derivate von Kohlenwasserstoffen sind in der Lage Wasserstoffbruumlckenbindun-

gen zuWassermolekuumllen auszubilden Dazumuumlssen diese organischen Substanzen funktionelle



p

Feststoff

Fluumlssigkeit

Dampf

Tripelpunkt

Kritischer

Punkt

TdegC31

0minus5

66

minus78

5

1013 bar

518 bar

737 bar

Abbildung 715 Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid

Gruppen wie z B O H- N H-Fragmente enthalten (Protonen-Donatoren) oder Atome mitfreien Elektronenpaaren (Protonen-Akzeptoren)

Beispiel 73 Loumlslichkeit von Milchsaumlure in Wasser

Milchsaumlure ist in Wasser loumlslich der zugrunde liegende Kohlenwasserstoff Propan jedochnicht



Kurzschreibweise (Milchsaumlure)

Wasser und Salze

Salze sind aus Ionen aufgebaute Festkoumlrper Die elektrostatische Anziehung zwischen Kat- undAnionen ist sehr stark Trotzdem ist Wasser in der Lage Salze zu loumlsen

NaCl(s)H2O Na+(aq) + Clndash(aq)

H2O uumlber dem Reaktionspfeil bedeutet dabei eine unbestimmte Menge WasserWir betrachten folgendes chemische Gleichgewicht das fast vollstaumlndig auf der linken Seite

liegtNaCl(s) Na+(g) + Clndash(g)

Auf Teilchenebene laumlsst sich der Vorgang so veranschaulichen

Na+ Clminus Na+ Clminus

Na+Clminus Na+ Clminus


Na+ Clminus Na+

Clminus

Na+

Clminus Na+ Clminus


Es kommt der Zeitpunkt da sich einWassermolekuumll zwischenNa+- und Clndash-Ionen schiebt Diepartiell positiven Wasserstoffatome richten sich auf das negative Clndash-Ion das partiell negativeSauerstoffatom auf das positive Na+-Ion aus

ClminusNa+

Das groszlige Dipolmoment des Wassers sorgt nun dafuumlr dass die elektrostatische Anziehungzwischen den Ionen sinkt im Falle des Wassers auf 1113568

11135751113567 Das bedeutet dass die Ionen sich gegen-seitig nicht mehr bdquosehenldquo koumlnnen und so in Loumlsung bleiben



79 Loumlslichkeitsprodukt

Was geschieht wenn sich ein Stoff nicht vollstaumlndig loumlst Dieser Umstand laumlsst sich wie folgtformulieren

AgCl(s) Ag+(aq) + Clndash(aq) [R 71]

Es laumlsst sich damit das MWG aufstellen

K = c(Ag+) sdot c(Clndash)c(AgCl) (72)

Wie im Abschnitt uumlber das chemische Gleichgewicht geschrieben wurde ist c(AgCl) eine Kon-stante und kann in die Gleichgewichtskonstante K einbezogen werden Diese neue Konstanteheiszligt dann KL und wird Loumlslichkeitsprodukt genannt

KL = c(Ag+) sdot c(Clndash) (73)

= 17 sdot 10minus11135681113567 mol1113569

L1113569(74)

Die rechte Seite von Gl (73) heiszligt allgemein Ionenprodukt und soll mit I bezeichnet werdenEs gelten nun folgende Aussagen

I lt KL ∶ Die Loumlsung ist nicht gesaumlttigt Weitere Substanz geht in Loumlsung bis KL erreicht istI = KL ∶ Die Loumlsung ist gesaumlttigtI gt KL ∶ Die Loumlsung ist uumlbersaumlttigt Es faumlllt so lange Feststoff aus bis KL erreicht ist

Beispiel 74 Clndash-Konzentration in gesaumlttigter AgCl-Loumlsung

Wie groszlig ist c(Clndash) in einer gesaumlttigten AgCl-Loumlsung

Gemaumlszlig Reaktionsgleichung [R 71] ist c(Ag+) = c(Clndash) Es ergibt sichKL = c1113569(Clndash)

hArr c(Clndash) = radicKL

=111396917 sdot 10minus11135681113567 mol

1113569

L1113569

= 13 sdot 10minus1113572 molL

Beispiel 75 Ag+-Konzentration in gesaumlttigter AgCl-Loumlsung bei vorgegebener Clndash-Konzentration

Wie groszlig ist c(Ag+) in einer gesaumlttigten AgCl-Loumlsung wenn c(Clndash) = 3 sdot 10minus1113570molL (beispiels-weise durch Zugabe von NaCl-Loumlsung) ist



Gl (73) ist nach c(Ag+) aufzuloumlsenc(Ag+) = KL

c(Clndash)

hArr c(Ag+) = 17 sdot 10minus11135681113567mol1113569L1113569

3 sdot 10minus1113570molL


Molare Loumlslichkeit

Loumlslichkeitsprodukte sind in denmeisten Faumlllen nicht direktmiteinander vergleichbar Beispiels-weise betraumlgt das Loumlslichkeitsprodukt von Bleichromat KL(PbCrO4) = 2 sdot 10minus11135681113573mol1113569L1113569 das vonCobalt(II)hydroxid KL(Co(OH)2) = 25 sdot 10minus11135681113573mol1113570L1113570 Die Zahlenwerte sind in etwa gleich groszligjedoch sind die Einheiten (und Dimensionen) unterschiedlich die beiden Loumlslichkeitsproduktesind somit nicht direkt vergleichbar2Es ist zu ermitteln welche Stoffmenge der eingesetzten Substanz sich loumlst Zuerst sind die

Reaktionsgleichungen aufzustellen

PbCrO4 Pb2+ + CrO2ndash4 [R 72]

Co(OH)2 Co2+ + 2OHndash [R 73]

Die Loumlslichkeitsprodukte sind dann

KL = c(Pb2+) sdot c(CrO2ndash4 ) (75)

und

KL = c(Co2+) sdot c1113569(OHndash) (76)

Aus Gl (75) geht hervor dass aus 1mol PbCrO4 1mol Pb2+ und 1mol CrO2ndash4 entstehen Es

genuumlgt also die Konzentration entweder von Pb2+ oder von CrO2ndash4 in der gesaumlttigten Loumlsung zu

ermitteln

Wir betrachten c(Pb2+) und wissen aus [R 72] dass c(Pb2+) = c(CrO2ndash4 )

c1113569(Pb2+) = KL

hArr c(Pb2+) = radicKL

=11139692 sdot 10minus11135681113573 mol

1113569

L1113569


Die molare Loumlslichkeit L von PbCrO4 betraumlgt demnach L(PbCrO4) = 14 sdot 10minus1113575molL2Genauso wenig sinnvoll ist der Vergleich einer Flaumlche mit einem Volumen



Im Falle des Cobalt(II)hydroxids liegen die Ionen in unterschiedlichen Konzentrationen vorEinfaches Wurzelziehen scheidet also aus Es ist jedoch moumlglich mit Hilfe der Reaktionsglei-chung die Konzentration eines Ions durch die Konzentration des anderen auszudruumlcken

c(OHndash) = 2c(Co2+) (77)

Der Ausdruck (76) wird somit

KL = c(Co2+) sdot 11141002c(Co2+)11141031113569

= 4c1113570(Co2+)

Jetzt kann nach c(Co2+) aufgeloumlst werden

c(Co2+) = 1114102KL

4 111410511135781113580


Die molare Loumlslichkeit L von Co(OH)2 betraumlgt damit L(Co(OH)2) = 397 sdot 10minus1113573molL und ist da-mit groumlszliger als die von PbCrO4


Kapitel 8

Chemische Bindung

Fuumlr den Chemiker sind folgende Bindungstypen von Bedeutungbull Van-der-Waals-Bindungbull Wasserstoffbruumlckenbindungbull Metallische Bindungbull Ionenbindungbull Kovalente Bindung

81 Van-der-Waals-Bindung

Fuumlr einfuumlhrende Worte sei auf das vorige Kapitel hingewiesenDie Van-der-Waals-Bindung wird verursacht durch temporaumlre Dipole Ein temporaumlrer Dipol

entsteht wenn die Schwerpunkte der positiven Ladung und der negativen Ladung nicht zu-sammenfallen Die positive Ladung bleibt dabei ortsfest waumlhrend die Elektronen (negative La-dungen) des Teilchens leicht verschiebbar sind Als Polarisierbarkeit wird die Leichtigkeit derVerschiebbarkeit bezeichnet Je leichter polarisierbar ein Teilchen ist desto staumlrker sind die Van-der-Waals-KraumlfteAls Beispiel dient wiederum Abb 79 (S 53) Die Siedepunkte der Verbindungen Methan

(CH4) Silan (SiH4) German (GeH4) und Stannan (SnH4) steigen kontinuierlich Das liegt ei-nerseits daran dass die Masse der Teilchen zunimmt (M(CH4) = 16043 gmol M(SiH4) =32118 gmol M(GeH4) = 76642 gmol M(SnH4) = 122742 gmol) Andererseits nimmt auchdie Anzahl der Elektronen des Zentralteilchens (und damit auch des gesamten Molekuumlls) zuzugleich nimmt der Atomdurchmesser (und damit auch der Molekuumlldurchmesser) zu Damitwird das Atom und das gesamte Molekuumll leichter polarisierbar was sich in einer Erhoumlhung derSiedepunkte auswirktIn der Reihe der Alkane Methan (CH4) Ethan (C2H6) Propan (C3H8) Butan (C4H10) Pentan

(C5H12) Hexan (C6H14) hellip nehmen die Siedepunkte zu (Hexan ist bereits eine Fluumlssigkeit) DieVerlaumlngerung der Kohlenstoffkette sorgt dafuumlr dass in den Alkanmolekuumllen die Anzahl derElektronen zunimmt und somit die Polarisierbarkeit steigt Die Van-der-Waals-Kraumlfte nehmenzu es steigen die SiedepunkteSchoumln verfolgen laumlsst sich die Zunahme der Van-der-Waals-Kraumlfte bei den Halogenen

(Abb 81) Die Atomradien nehmen zu ebenso die Polarisierbarkeit der Atomhuumllle Fluorund Chlor sind Gase Brom ist eine Fluumlssigkeit Iod ein Feststoff

Kapitel 8 Chemische Bindung

F = 071 Aring2 r

Cl = 099 Aring2 r

Br = 114 Aring2 r

I = 133 Aring2 r

Abbildung 81 Elementare Halogene kovalente Radien (maszligstabsgetreu) Je heller die Atomhuumllle destogroumlszliger die Polarisierbarkeit


Damit sich Wasserstoffbruumlckenbindungen ausbilden koumlnnen sind zwei Dinge noumltigbull Ein Protonen-Donator also ein Teilchen das partiell positive Wasserstoffatome zur Ver-

fuumlgung stellt Dieses Teilchen muss eine stark polare Bindung mit hohem 120575+-Anteil amWasserstoffatom habenDaraus ergibt sich dassWasserstoff an Atomemit hoher Elektronegativitaumlt gebunden seinmussFuumlr die Staumlrke der Wasserstoffbruumlckenbindungen ergibt sich folgende Reihenfolge

(Cl H⋯Cl) lt N H⋯N lt O H⋯O lt F H⋯F

Die Staumlrke der Wasserstoffbruumlckenbindungen nimmt parallel zur Elektronegativitaumlt zubull Der Protonen-Akzeptor muss ein kleines Atom mit mindestens einem freien Elektronen-

paar seinDas Elektronenpaar ampartiell negativen (120575minus) Akzeptor richtet sich auf das partiell positiveWas-serstoffatom des Donators aus Die Wechselwirkung ist damit wieder elektrostatischer NaturEs stellt sich allerdings folgende FrageWenn dieWasserstoffbruumlckenbindung in F H⋯F staumlr-

ker als die in O H⋯O ist warum ist dann der Siedepunkt von Wasser houmlher als der von Fluor-wasserstoff (Abb 79)NH3 verfuumlgt uumlber 3 H-Atome und 1 freies Elektronenpaar H2O uumlber 2 H-Atome und 2 freie

Elektronenpaare HF uumlber 1 H-Atom und 3 freie Elektronenpaare Das Wassermolekuumll verfuumlgtuumlber 2 Akzeptoren und 2 Donatoren es ist damit imMittel an mehrWasserstoffbruumlckenbindun-gen beteiligt als Ammoniak oder Fluorwasserstoff was in einem hohen Siedepunkt resultiertIn biologischen Systemen spielen Wasserstoffbruumlckenbindungen insofern eine wichtige Rolle

als beispielsweise die beiden Straumlnge der DNA-Doppelhelix durch Wasserstoffbruumlckenbindun-gen die sich zwischen den Basen bilden zusammengehalten wird (Abb 82)


83 Metallische Bindung I

N

N

N H

H

O

N

N

O

N

NO

O

P

N

N

N

NO

O

O

O

O

O

N H

H

H N

N

N

H

H

O

O

O

O

O

P

O

O

H

Adenin (A) Thymin (T)

Guanin (G) Cytosin (C)

Abbildung 82 Ausschnitt aus der DNA Gezeigt sind Wasserstoffbruumlckenbindungen zwischen den Ba-sen Adenin und Thymin sowie zwischen Guanin und Cytosin Beachten Sie dass nurdie freien Elektronenpaare der an den Wasserstoffbruumlckenbindungen beteiligten Atomeeingezeichnet sind Auszligerdem sind etwaige formale oder reale Ladungen nicht einge-zeichnet


Zunaumlchst soll geklaumlrt werden was ein Metall ist

Metall

Ein Material wird metallisch genannt wenn es folgende Eigenschaften erfuumlllt1 Hohe elektrische Leitfaumlhigkeit die mit steigender Temperatur abnimmt2 Hohe Waumlrmeleitfaumlhigkeit3 Verformbarkeit (Duktilitaumlt)4 Metallischer Glanz

Diese Punkte gelten sowohl fuumlr Element-Metalle als auch Legierungen

Zu 1 Elektrische Leitfaumlhigkeit 120581 (bdquokappaldquo)Die elektrische Leitfaumlhigkeit 120581 eines Leiters wird uumlblicherweise in Siemens proMeter ange-geben Sm 1 S ist dabei definiert als 1Ωminus1 dem Reziproken des Widerstands R Je groumlszligerdie Leitfaumlhigkeit 120581 desto kleiner der Widerstand R und umgekehrtEs lassen sich drei Gruppen bildenMetallische Leiter 120581 = 106 bis 108 SmHalbleiter 120581 = 10minus3 bis 103 Sm 120581 nimmt mit T zu



Isolator 120581 = 10minus10 bis 10minus8 SmDie elektrische Leitfaumlhigkeit hat ihre Ursache in der Existenz von frei beweglichen Elek-tronen

Zu 2 Die Temperatur eines Koumlrpers ist ein Maszlig fuumlr die Teilchenbewegung in diesem KoumlrperIn Metallen schwingen nicht nur die Atome auf ihren Positionen in ihren jeweiligen Kris-tallstrukturen die frei beweglichen Elektronen beteiligen sich ebenfalls maszliggeblich an derWaumlrmeleitfaumlhigkeitEs gilt ungefaumlhr dass ein guter elektrischer Leiter auch ein guter Waumlrmeleiter ist

Zu 3 Duktile Stoffe verformen sich unter Belastung bevor sie reiszligenbrechenGlas bricht beispielsweise waumlhrend sich Metalle duumlnn auswalzen lassen (s Rutherford-Versuch)

Die Punkte 1 bis 3 lassen sich mit dem Elektronengasmodell erklaumlren

Elektronengas

Wenn sich Metallatome zu einem Kristall zusammenlagern geben sie ihre Valenzelektro-nen an den gesamten Verband ab Die Elektronen gehoumlren keinem bestimmten Atom mehrvielmehr sind die positiven Atomruumlmpfe (Kationen) in ein bdquoElektronengasldquo eingebettet(Abb 83)

Na

Na

Na Na

NaNa Na Na

NaNa Na Na

NaNaNa Na+ Na+Na+

Na+Na+

Na+

gasfoumlrmige Na-Atome Na-Atome im Festkoumlrper Na -Ionen im Elektronengas+

Abbildung 83 Gasfoumlrmige Na-Atome (links) lagern sich zum Kristall zusammen (Mitte) Sie gebenihr Valenzelektron an den Kristallverband ab (rechts blau) zuruumlck bleiben Na+-Ionen(rechts rot)

Zu 4 Der metallische Glanz laumlsst sich mit dem Elektronengasmodell nicht erklaumlren Wir kom-men beim Baumlndermodell (Abschnitt 853 S 81) darauf zuruumlck

Zu bemerken ist noch dass eine bestimmte Mindestanzahl Metallatome noumltig ist um metalli-sche Eigenschaften hervorzurufen Eine einzelnes Atom zeigt diese Eigenschaften nicht

84 Ionische Bindung

Frage Warum bilden manche Atome Ionen


84 Ionische Bindung

Anders gefragt Warum bilden Edelgasatome keine Ionen1Offensichtlich sind Edelgasatome besonders stabile TeilchenWir wissen dass bdquoChemie passiertldquo weil Atome ihre Valenzelektronen abgeben weitere Elek-

tronen in ihre Valenzschale aufnehmen oder Valenzelektronen miteinander teilen Es lohnt sichalso einen Blick auf die Elektronenkonfigurationen von Atomen zu werfen

Beispiel 81 Elektronenkonfigurationen im NaCl

NaCl besteht aus Na+- und Clndash-Ionen (experimentell bewiesen) Die Elektronenkonfiguratio-nen sehen so aus

Na ∶ [Ne] 3 s1113568

Na+ ∶ [Ne]Cl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113572

Clndash ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113573 = [Ar]

Beispiel 82 Elektronenkonfigurationen im Al2O3

Al2O3 besteht aus Al3+- und O2ndash-Ionen Die Elektronenkonfigurationen sehen so ausAl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113568

Al3+ ∶ [Ne]O ∶ [He] 2 s1113569 2p1113571

O2ndash ∶ [He] 2 s1113569 2p1113573 = [Ne]

Es wird ersichtlich dass die Atome Edelgaskonfiguration erreichen moumlchten Daraus ergibtsich die bdquoEdelgasregelldquo2Nicht immer koumlnnen Atome Edelgaskonfiguration erreichen

Fe ∶ [Ar] 3d1113573 4s1113569

Fe3+ ∶ [Ar] 3d1113572 = [Ar] 3d1113568xy 3d1113568xz 3d

1113568yz 3d

1113568z1113579 3d

1113568x1113579minusy1113579

Die fuumlnf 3d-Orbitale sind jeweils halbbesetzt Das ist zwar nicht Edelgaskonfiguration jedochenergetisch immer noch guumlnstigBei Energieumsaumltzen mit Beteiligung von Ionen kommen folgende Energien (besser Enthal-

pien) vor

Ionisierungsenthalpie ΔHIon

Die Ionisierungsenthalpie ΔHIon ist die Energie die benoumltigt wird um einem gasfoumlrmigenAtom ein Elektron zu entreiszligen

Beispiel 83 Ionisierungsenthalpie Na(g)

Na(g) Na+(g) + endash ΔHIon = +496kJmol

1Unter unseren Nebenfach-Chemiker-Bedingungen2Bitte nicht Oktettregel Bereits fuumlr die Elemente der 1 Periode ist das Oktett nicht Edelgaskonfiguration



Es gibt weitere Ionisierungsenergien (2 3 etc) sie steigen typischerweise weil die konstantbleibende Kernladung auf immer weniger vorhandene Elektronen staumlrker wirkt Es wird immerschwieriger weitere Elektronen zu entfernen

Elektronenaffinitaumlt ΔHEa

DieElektronenaffinitaumltΔHEa ist die Energie die umgesetztwirdwenn ein gasfoumlrmigesAtomein Elektron aufnimmt

Beispiel 84 Elektronenaffinitaumlt von F(g) und Ne(g)

F(g) + endash Fndash(g) ΔHEa = minus328

kJmol

Ne(g) + endash Nendash(g) ΔHEa = +29kJmol

Kat- und Anionen lagern sich schlieszliglich zu einem Verband zusammen Die elektrostatischeAnziehung wirkt nicht in eine einzige Raumrichtung sondern in alle Raumrichtungen gleicher-maszligen Kationen sind daher von einer bestimmten Anzahl Anionen unmgeben und umgekehrtDie Anzahl der umgebenden Teilchen wird Koordinationszahl genannt Die Koordinationszah-len koumlnnen fuumlr Kationen und Anion unterschiedlich seinBeispiel 85 Koordinationszahlen in NaCl

Im Kochsalza ist Na+ von 6 Clndash umgeben Clndash ist von 6 Na+ umgebenDie Koordinationszahlen sind also fuumlr beide Ionen jeweils 6aTafelsalz Speisesalz Mineralname Steinsalz Halit

Beispiel 86 Koordinationszahlen in CaF2

Im Flussspat (CaF2) ist Ca2+ von 8 Fndash umgeben Fndash ist von 4 Ca2+ umgebenDie Koordinationszahl ist fuumlr Ca2+ 8 fuumlr Fndash 4

Wie fuumlr alle Verbindungen gilt auch fuumlr Ionenverbindungen das Gebot der Elektroneutralitaumlt

Beispiel 87 Summenformel bei Al + C

Welche Verbindung entsteht bei der Reaktion von Aluminium mit KohlenstoffEin Blick ins Periodensystem zeigt dass Kohlenstoff elektronegativer als Aluminium istWenn Elektronen uumlbergehen dann von Al zu C Wie viele Elektronen wird Aluminium ab-geben Wie viele Elektronen nimmt Kohlenstoff aufUm Edelgaskonfiguration zu erreichen muss Al 3 Elektronen abgeben und wird damit zuAl3+ C wird 4 Elektronen aufnehmen und damit zu C4ndash Damit die Verbindung neutral istmuumlssen gleich viele positive wie negative Ladungen vorhanden sein Das kleinste gemeinsa-me Vielfache (kgV) der jeweiligen Ladungsbetraumlge verraumlt wie viele Ladungen ausgeglichenwerden muumlssen kgV von 3 und 4 ist 12 Es werden also 4 Al3+ und 3 C4ndash benoumltigt Die Sum-menformel lautet also

Al4C3


84 Ionische Bindung

Gitterenthalpie

Gitterenthalpie ΔHGitter

Die Gitterenthalpie ist die Energie die frei wird wenn sich gasfoumlrmige Ionen zu einem Io-nenkristall zusammenlagern

Beispiel 88 Gitterenthalpie fuumlr NaCl

Bedenken Sie dass es sich hier um jeweils 1mol gasfoumlrmige Ionen handelt die sich zusam-menlagern

Na+(g) + Clndash(g) NaCl(s) ΔHGitter = minus788kJmol

Haumlufig sind Gitterenthalpien nicht direkt zu bestimmen Gemaumlszlig dem Satz von Hess lassensich chemische Reaktionen in Einzelschritte zerlegen deren Enthalpien bekannt sind oder be-stimmbar sind Aus diesen Einzelschritten laumlsst sich dann die Gitterenthalpie berechnen DieserVorgang wird BornndashHaber-Kreisprozess genannt und hat den Satz von Hess (Abschn 62) alsGrundlage

Beispiel 89 Gitterenthalpie fuumlr NaCl (BornndashHaber-Kreisprozess)

Gesucht ist die Gitterenthalpie fuumlr NaCl (wir vergessen fuumlr einen Moment dass der Wert imvorigen Kaumlstchen steht)

Na+(g) + Clndash(g) NaCl(s) ΔHGitter = [R 81]

Bekannt sind folgende Enthalpien

Bildungsenthalpie

Na(s) +12 Cl2(g) NaCl(s) ΔHf = minus411

kJmol [R 82]

Sublimationsenthalpie

Na(s) Na(g) ΔHSubl = 108kJmol [R 83]

Dissoziationsenthalpie

Cl2(g) 2Cl(g) ΔHDiss = 243kJmol [R 84]

Ionisierungsenthalpie

Na(g) Na+(g) + endash ΔHIon = 496kJmol [R 85]

ElektronenaffinitaumltCl(g) + endash Clndash(g) ΔHEa = minus349

kJmol [R 86]



Ziel ist es nun die Einzelschritte so umzuformen und zu addieren dass am Ende die Ge-samtgleichung [R 81] steht Also

Na(s) +12 Cl2(g) NaCl(s) (+1) sdot [R 82]

Na(g) Na(s) (minus1) sdot [R 83]

Cl(g)12Cl2(g) 1114100minus111356811135691114103 sdot [R 84]

Na+(g) + endash Na(g) (minus1) sdot [R 85]Clndash(g) Cl(g) + endash (minus1) sdot [R 86]

Na+(g) + Clndash(g) NaCl(s) [R 81]

Anders ausgedruumlckt

[R 81] = [R 82] + (minus1) sdot [R 83] + 1114102minus121114105 sdot [R 84] + (minus1) sdot [R 85] + (minus1) sdot [R 86]

Entsprechend gilt fuumlr die Enthalpien

ΔHGitter = ΔHf + (minusΔHSubl) + 1114102minus12ΔHDiss1114105 + (minusΔHIon) + (minusΔHEa)

= minus411 kJmol + 1114102minus108

kJmol1114105 + 1114102minus

12 sdot 243

kJmol1114105 + 1114102minus496

kJmol1114105 + (minus1) sdot 1114102minus349

kJmol1114105

= (minus411 minus 108 minus 122 minus 496 + 349) kJmol

= minus788 kJmol

85 Kovalente Bindung

In Molekuumllen werden die Atome durch kovalente Bindungen zusammengehaltenEine kovalente Bindung besteht aus einem Elektronenpaar (welches wiederum aus zwei Elek-

tronen besteht) das beiden Atomen gemeinsam gehoumlrt Sie wird im Falle einer Einfachbindungdurch einen Strich zwischen den beteiligten Atomen dargestellt z B H2 H H Es gibt auchDoppel- und Dreifachbindungen (auch Vierfachbindungen jedoch werden diese hier nicht dis-kutiert) z B CO2 O C O N2 N NMan kann sich das Zustandekommen dieser Bindung so vorstellen dass Atomorbitale von

zwei Atomen uumlberlappen und so ein neues Orbital (Molekuumllorbital) bilden das beide Atomeumhuumlllt Im resultierenden Molekuumllorbital ist die Elektronendichte zwischen den Atomen er-houmlht so dass sich zwischen zwei positiven Ladungen (die Kerne der beiden Atome) negative La-dungen (bindende Elektronen) befinden Somit wird das resultierende Molekuumll abermals durchelektrostatische Kraumlfte zusammen gehaltenWelche Orbitale uumlberlappen miteinander Fuumlr die Chemie der Elemente sind die Elektronen

in der Valenzschale verantwortlich Im Falles des Wasserstoffs ist es das Elektron im 1s-OrbitalZweiWasserstoffatome naumlhern sich bis deren beide Orbitale uumlberlappen Sie bilden ein gemein-



sames Molekuumllorbital in das die beiden mitgebrachten Elektronen gesetzt werden (Abb 84links)Als zweites Beispiel soll das HCl-Molekuumll dienen Zunaumlchst ist die Elektronenkonfiguration

eines Chloratoms zu betrachten [Ne] 3s1113569 3p1113572 Wir schauen genauer hin Cl [Ne] 3s1113569 3p1113569x 3p1113569y 3p1113568z Man erkennt dass das 3s-Orbital des Chloratoms nichtmit dem 1s-Orbital desWasserstoffatomsuumlberlappen kann da das 3s-Orbital voll besetzt ist Das einzige nicht voll besetzte Orbital ist das3pz-Orbital3 Es uumlberlappt mit dem 1s-Orbital des Wasserstoffatoms (Abb 84 rechts)

Atomorbital Atomorbital

1s 1s

Molekuumllorbital


1s 3pz

Molekuumllorbital

Abbildung 84 Uumlberlappung der Valenzorbitale von zwei Wasserstoffatomen (links) und von einemWasserstoff- und einem Chloratom (rechts) Die Elektronendichte zwischen den Atomensoll durch die Intensitaumlt des Blautones angedeutet werden

Fuumlr das Wasserstoffmolekuumll ergibt sich damit die Darstellung H H fuumlr ChlorwasserstoffH Cl Im zweiten Fall wird zunaumlchst nicht beruumlcksichtigt dass noch Valenzelektronen vorhan-den sind die allerdings in der Darstellung fehlen Es ist wichtig diese hinzuzufuumlgen (Abb 85)

3s

3px

3py

Abbildung 85 Die freien Elektronenpaare am Chloratom duumlrfen in dieser Darstellung nicht fehlen DieHerkunft der Elektronenpaare soll durch die Angabe der entsprechenden Atomorbitaleangedeutet werden

851 Lewis-Formeln

Es ist wichtig korrekte Strukturformeln in denen alle relevanten Elektronen oder Elektronen-paare vorkommen zu zeichnen Mit der Hilfe dieser Strukturformeln lassen sich Reaktionsme-chanismen in denen die Bewegung von Elektronen(paaren) mit Pfeilen angedeutet wird sehrschoumln darstellenMit Hilfe der Lewis-Formeln (GN Lewis 1916) ist diese Darstellung moumlglich Als grundle-

gende Annahme zur Ermittlung der Lewis-Formeln dient dabei die Tatsache dass Atome einesElementes Edelgaskonfiguration erreichen moumlchten und deshalb Elektronen mit anderen Ato-men austauschen oder teilen (bdquoChemie machenldquo)

3Bedenken Sie dass die Zuordnung von Koordinatenachsen willkuumlrlich ist Genauso koumlnnte das halb besetzte Or-bital mit 3px oder 3py bezeichnet werden



In der Regel hat ein Ensemble von Atomen zu wenige Elektronen als dass alle Atome gleich-zeitig Edelgaskonfiguration erreichen koumlnnen Eine Loumlsung dieses Problems stellt nun das Tei-len von Elektronen(paaren) der Atome untereinander dar dieses Teilen bedeutet nichts anderesals das Ausbilden von kovalenten Bindungen Aus der Anzahl der Elektronen die in einer An-sammlung von Atomen vorhanden sind und der Anzahl von Elektronen die fehlen damit alleAtome Edelgaskonfiguration erreichen laumlsst sich die Anzahl der Elektronen die Atome mitein-ander teilen muumlssen ermittelnBeispiel 810 Lewis-Formel von H2

Ein Wasserstoffatom hat die Elektronenkonfiguration 1s1113568 Es moumlchte Edelgaskonfigurationerreichen im Falle des Wasserstoffs ist das die Konfiguration des Heliums 1s1113569 Es fehlt alsoein ElektronBei einem zweiten Wasserstoffatom ist die Situation identischBeide Atome teilen sich nun ihre beiden Elektronen indem eine kovalente Bindung gebildetwird Dadurch haben beide Atome zu gleichen Anteilena zwei Elektronen in ihrer Valenz-schale und somit HeliumkonfigurationaZeitlich gemittelt jeweils zur Haumllfte

Schematisch geht man zweckmaumlszligigerweise so vor dass man eine Valenzelektronenbilanz auf-stelltBeispiel 811H2-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel

ValenzelektronenWill (Soll) Hat (Ist)

H 2 1H 2 1

4 2Aus der Differenz 4 minus 2 (bdquoWill minus Hatldquo) ergibt sich die Anzahl der Elektronen die ge-teilt werden muumlssen in diesem Fall 2 Das bedeutet eine kovalente Einfachbindung da eineBindung aus 2 Elektronen besteht Darstellung

H Hmdash

Beispiel 812HF-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel

ValenzelektronenWill Hat

H 2 1F 8 7

10 8Aus der Differenz 10 minus 8 ergibt sich eine kovalente Einfachbindung Darstellung H F DieBilanz sagt aus dass das System 8 Elektronenmitbringt (Seite bdquoHatldquo) von denen 2 fuumlr die ko-



valente Bindung verwendet wurden Die uumlbriggebliebenen 6 Valenzelektronen muumlssen nocheingezeichnet werden und zwar am F-Atom

H Fmdashmdash

mdash

Beispiel 813 CO-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel


C 8 4O 8 6

16 10Aus der Differenz 16 minus 10 ergibt sich eine Dreifachbindung Darstellung C O Das Systembringt 10 Elektronen mit von denen 6 fuumlr die Bindungen verwendet wurden Die uumlbrigge-bliebenen 4 Valenzelektronen muumlssen noch eingezeichnet werden Hier tritt auszligerdem derFall auf dass den Atomen formale Ladungen zugewiesen werden muumlssen Dazu werdendie Bindungen zwischen den Atomen gleichmaumlszligig geteilt die direkt am Atom befindlichenElektronen gezaumlhlt und mit der Valenzelektronenzahl verglichen die im elementaren Zu-stand vorliegt Kohlenstoff hat in dieser Verbindung 5 Valenzelektronen 4 im elementarenZustand also 1 Elektron mehr es bekommt daher eine negative Formalladung zugewiesen(⊖) Sauerstoff hat hier 5 Valenzelektronen 6 als Element demzufolge fehlt ein Elektron dasSauerstoffatom bekommt eine positive formale Ladung (oplus)

Beispiel 814 O2-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel


O 8 6O 8 6

16 12Die Berechnung ergibt eine Doppelbindung Darstellung O O Die uumlbrigen 8 Elektronenwerden auf beide Atome verteilt

OmdashOmdash

Diese Darstellung ist noch zu diskutieren (s dazu Abschn 852)

Beispiel 815 S2ndash2 -Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel

Wie werden vorhandene Ionenladungen beruumlcksichtigt




S 8 6S 8 6

2

16 14Das System S2ndash

2 bringt auszliger jeweils 6 Valenzelektronen noch zwei negative Ladungen mitDiese 2 zusaumltzlichen Elektronen werden auf der bdquoHatldquo-Seite aufgefuumlhrt anschlieszligend wirdwie gewohnt gerechnetDie Berechnung ergibt eine Einfachbindung Darstellung S S Die uumlbrigen 12 Elektronenwerden auf beide Atome verteilt Auszligerdem ergibt sich fuumlr beide S-Atome je eine formalenegative Ladung Die Lewis-Formelwirdmit eckigenKlammern versehen an die rechts obendie Gesamtladung notiert wird

Die Summe der Formalladungen muss die Gesamtladung ergeben (wie auch schon im Bei-spiel CO)

Beispiel 816NH+4-Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel

Wie werden vorhandene (diesmal positive) Ionenladungen beruumlcksichtigtValenzelektronenWill Hat

N 8 5H 2 1H 2 1H 2 1H 2 1

minus116 8

Das SystemNH+4 ist einfach positiv geladen diese positive Ladung kann als fehlende negative

Ladung interpretiert werden Deshalb ergibt sich ein abzuziehendes Valenzelektron in derbdquoHatldquo-SpalteDie Berechnung ergibt 4 Einfachbindungen AmN-Atom ist auszligerdem eine positive Formal-ladung zu notieren

N

H

HH

H



Die raumlumliche Darstellung entspricht dem CH4-Molekuumll (die H-Atome sitzen auf den Eckeneines Tetraeders)

+

Beispiel 817 CO2ndash3 -Bilanz zur Ermittlung der Lewis-Formel


C 8 4O 8 6O 8 6O 8 6

2

32 24Die Berechnung ergibt 4 Bindungen Bei einemMolekuumll aus 4 Atomen (C-Atom in der Mitte)bedeutet dies zunaumlchst dass 3 C O-Einfachbindungen vorhanden sind Die vierte Bindungwird zwischen dem C- und einem beliebigen O-Atom eingezeichnet Alle drei O-Atome sindgleichwertig was bedeutet dass alle Moumlglichkeiten die Bindungen einzuzeichnen beruumlck-sichtigt werden muumlssen Dies ist allerdings nicht in einer einzigen Lewis-Formel moumlglichMan zeichnet nun alle moumlglichen Elektronenverteilungen und verknuumlpft die jeweiligen For-meln mit einemMesomeriepfeila ( ) Um zu verdeutlichen dass es sich um eine einzigeFormel handelt werden alle mesomeren Grenzformeln in eckige Klammern gesetzt Wie uumlb-lich wird die Gesamtladung rechts oben notiert

C

O

OOC

O

OOC

O

OO

Alle 4 Atome liegen in einer Ebene und bilden ein gleichseitiges Dreieck ndash das Molekuumllion isttrigonal planaraAuf keinen Fall zu verwechseln mit einem Gleichgewichtspfeil

Zum Schluss einige weitere Lewis-Formeln die Herleitung sei der Leserindem Leser uumlberlas-sen

He He Ne Nemdash

mdash Na+ O2ndash



852 Molekuumllorbitale

Wir hatten das Zustandekommen einer kovalenten Bindung als die Bildung eines Molekuumllor-bitals durch Uumlberlappung zweier Atomorbitale erklaumlrt Offensichtlich bietet dieses PhaumlnomendemSystem einen energetischenVorteil Das bedeutet dass das bindendeMolekuumllorbital gegen-uumlber den Atomorbitalen energetisch abgesenkt ist Dieser Umstand widerspricht der Energieer-haltung Fuumlr den Energiegewinn durch Bildung des Molekuumllorbitals muss ein Energieverlustauftreten WodurchWir erinnern uns Atomorbitale sind Resultate von Wellenfunktionen Wellen koumlnnen mitein-

ander interferieren und zwar konstruktiv oder destruktiv Die Bildung eines bindenden Mo-lekuumllorbitals (die Aufenthaltswahrscheinlichkeit zwischen den Atomen steigt) entspricht dabeider konstruktiven Interferenz Als Ergebnis destruktiver Interferenz erhaltenwir einMolekuumllor-bital bei dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit zwischen den Atomen Null ist das bedeutetdass zwischen den positiv geladenen Atomkernen keine negative Ladung vorhanden ist die dieelektrostatische Abstoszligung kompensiertWaumlhrend das Besetzen des bindenden Molekuumllorbitals die Anziehung zwischen den Atomen

ermoumlglicht sorgt die Besetzung des anderenMolekuumllorbitals fuumlr eine Schwaumlchung der Bindunges wird deshalb als bdquoantibindendesldquo Molekuumllorbital bezeichnet (Abb 86)

AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie

Abbildung 86 Uumlberlagerung von zwei s-Atomorbitalen (AO) zu zweiMolekuumllorbitalen (MO) Atomker-ne rot

Anzahl von Atomorbitalen und von daraus resultierenden Molekuumllorbitalen

Die Anzahl der beteiligten Atomorbitale und der daraus resultierenden Molekuumllorbitale istgleich

Molekuumllorbitale muumlssen genau wie Atomorbitale einen Namen erhalten Schaut man sicheines der resultierenden Molekuumllorbitale aus Abb 86 entlang der Bindung (Verbindungsli-nie zwischen den Kernen) an so erinnert die Form an ein s-Orbital Da lateinische Buchsta-ben fuumlr Atomorbitale reserviert sind hat man sich fuumlr griechische Buchstaben entschieden Dies-Atomorbitale uumlberlappen zu σ-Molekuumllorbitalen (bdquosigmaldquo) Das antibindende Molekuumllorbitalwird dabei mit ein Stern versehen σlowast Die Herkunft der Molekuumllorbitale wird (sofern eindeutig



moumlglich) als Index dazugeschrieben Uumlberlappung von zwei 1s-Orbitalen ergibt ein σ1s- und einσlowast1s-MolekuumllorbitalWenn zwei p-Atomorbitale bdquoKopf an Kopfldquo uumlberlappen (Abb 87) ergeben sich ebenfalls be-

zuumlglich der Bindung rotationssymmetrische Molekuumllorbitale Es handelt sich um σ2px- und σlowast2p

x

wenn die beiden p-Orbitale 2px-Orbitale sind

AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie

Abbildung 87 Uumlberlagerung von zwei p-Atomorbitalen (AO) zu zwei Molekuumllorbitalen (MO) Atom-kerne rot

Wenn zwei p-Atomorbitale parallel zueinander uumlberlappen (Abb 88) ergeben sich Molekuumll-orbitale die beim Blick entlang der Bindung an p-Orbitale erinnern Diese Molekuumllorbitale wer-den als π-Orbitale bezeichnet Beispielsweise uumlberlappen zwei py-Orbitale zu π2p

y- und πlowast2p

y

wenn die beiden p-Orbitale 2py-Orbitale sind

AO AOMO

bindend

antibindendEn

erg

ie

Abbildung 88 Uumlberlagerung von zwei p-Atomorbitalen (AO) zu zwei π-Molekuumllorbitalen (MO) Atom-kerne rot

In der Praxis ist eine schematische Darstellung uumlblich in der die Orbitale als Striche einge-zeichnet werden die Elektronen als (halbe) Pfeile Die Richtung der Pfeilspitze symbolisiert denSpin des Elektrons (Quantenzahl s = plusmn 1113568

1113569 )



Ein Beispiel fuumlr dieseDarstellung findet sich inAbb 89 Die 1s-Orbitale zweierH-Atome uumlber-lappen und bilden ein σ1s- und ein σlowast1s-Molekuumllorbital Die beiden Elektronen beider Atomewer-den gemaumlszlig der fuumlr alle Orbitale guumlltigen Regeln (Energie Hundsche Regel und Pauli-Prinzip)in die Molekuumllorbitale gesetzt

AO AOMO

En

erg

ie

H HH2

1s 1s

σ1s

σ1s

Abbildung 89Molekuumllorbital-Diagramm des Wasserstoffmolekuumlls

Mit Hilfe des MO-Diagramms laumlsst sich erklaumlren warum He nicht molekular vorkommt(Abb 810) Zwar wird das bindende σ1s-Orbital mit zwei Elektronen besetzt jedoch ebenfallsdas σlowast1s-Orbital was antibindend wirkt Das Molekuumll He2 existiert nicht

AO AOMO

En

erg

ie

He HeHe2

1s 1s

σ1s

σ1s

Abbildung 810Molekuumllorbital-Diagramm eines hypothetischen Heliummolekuumlls

Das MO-Diagramm des Sauerstoffmolekuumlls ist in Abb 811 abgebildet (es sind nur die Va-lenzelektronen aufgefuumlhrt) Ist aus dieser Darstellung ersichtlich wie viele Bindungen im O2-Molekuumll vorliegen JaDie Bindung σ2s wird durch die Elektronen imσlowast2s-Orbital aufgehoben die Bindung σ2p

xdurch

die Elektronen in πlowast2pyund πlowast2p

z Die 4 Elektronen in π2p

yund π2p

zhaben kein bdquoGegenstuumlckldquo in

antibindendenOrbitalen Das bedeutet es liegen 4 Elektronen in 2 bindendenOrbitalen vor alsobesitzt das O2-Molekuumll eine DoppelbindungAndererseits befinden sich zwei ungepaarte Elektronen in den Orbitalen πlowast2p

yund πlowast2p

z Das



Sauerstoffmolekuumll ist somit ein doppelt-radikalisches Teilchen Die in Abschnitt 851 ermittelteLewis-Formel gibt diese Tatsache nicht wieder (Abb 812 links) Man koumlnnte nun auf die Ideekommen eine Formelwie inAbb 812 (Mitte) zu zeichnen Diese Variante ist jedoch voumlllig falschDie Doppelbindung ist hier nicht ersichtlich Einen guten Kompromiss stellt Abb 812 (rechts)dar Die ungepaarten Elektronen deuten eine weitere Bindung an und geben den radikalischenCharakter des O2-Molekuumlls wieder

AO AOMO

En

erg

ie

O OO2

2s 2s

σ2s

σ2s

2px

σ2px

2py 2pz 2px2py2pz

σ2px

π2pyπ2pz

π2pyπ2pz

Abbildung 811Molekuumllorbital-Diagramm des Sauerstoffmolekuumlls

OmdashOmdash mdashO Omdashmdash

mdash mdashOmdashO

Abbildung 812Moumlgliche Lewis-Formeln des O2-Molekuumlls Links berechnet nach den Ausfuumlhrungen inAbschnitt 851 Mitte Lewis-Formel die zwar den radikalischen Charakter zum Aus-druck bringt die Bindungsordnung jedoch falsch wiedergibt Rechts Kompromiss dersowohl den radikalischen als auch den Doppelbindungscharakter im O2-Molekuumll aus-druumlckt Die mittlere Variante ist nicht korrekt

Ein letztes Beispiel fuumlr ein zweiatomiges Molekuumll sei hier fuumlr Fluorwasserstoff HF aufgefuumlhrt(Abb 813) Es uumlberlappen lediglich das 1s-Orbital4 des Wasserstoffatoms und das 2px-Orbitaldes Fluoratoms Sie bilden ein σ- und ein σlowast-Orbital Die uumlbrigen Atomorbitale des Fluoratomsuumlberlappenmit keinem anderenAtomorbital sie bildenweder bindende noch antibindendeMo-lekuumllorbitale Solche Orbitale werden nicht-bindende Molekuumllorbitale genannt Das Besetzendieser Orbitale mit Elektronen hat keinen Einfluss auf Bindungen Die Energie nicht-bindenderOrbitale ist gleich der Atomorbitale aus denen sie gebildet werden

4Aus Gruumlnden die den Rahmen sprengen wuumlrden liegt das 1s-Orbital des H-Atoms houmlher als die Orbitale desF-Atoms



Die Abbildung zeigt auszligerdem dass die Anzahl der Molekuumllorbitale (1 bindendes 1 antibin-dendes und 3 nicht-bindende) gleich der Anzahl der Atomorbitale ist (1 Orbital vom Wasser-stoffatom 4 Orbitale vom Fluoratom)

AO AOMO

En

erg

ie

H FHF

1s

2sn2s

σ

2px 2py 2pz

σ

n2pyn2pz

Abbildung 813MO-Diagramm von HF

Bindungsordnung

Die Bindungsordnung entspricht imWesentlichen der Anzahl der Bindungen in einemMolekuumllSie berechnet sich aus der Differenz der Anzahl der Elektronenpaare in bindenden und der An-zahl in antibindenden Molekuumllorbitalen (ausfuumlhrlich dargestellt beim MO-Diagramm von O2)

Bindungsordnung

Bindungsordnung (BO)

BO = Anzahl endash in bindenden MOs minusAnzahl endash in antibindenden MOs2



Beispiel 818 Bindungsordnungen in verschiedenen Molekuumllen

O2 BO = 8 minus 42 = 2

H2 BO = 2 minus 02 = 1

He2 BO = 2 minus 22 = 0

HF BO = 2 minus 02 = 1

(Die Elektronen in den nicht-bindenden Molekuumllorbitalen haben keinen Einflussauf die Bindungsordnung)

853 Metallische Bindung II

Nach Einfuumlhrung der MO-Theorie lassen sich noch fehlende Aspekte der metallischen BindungerklaumlrenGenau wie Atome in kleinen Molekuumllen bilden Metallatome in groumlszligeren Verbaumlnden Molekuumll-

orbitale durch Uumlberlappung der Atomorbitale in ihrer Valenzschale Wir werfen einen Blick aufdas erste metallische Element Li und schauen zunaumlchst was passiert wenn sich zwei drei undvier Li-Atome zu Molekuumllen verbinden (Abb 814)

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi2

2s 2s

σ2s

σ2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi3

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2sn2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi4

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2s

AO

Li

2s

σ2s

σ2s

Abbildung 814MO-Diagramme von Li2 (links) Li3 (Mitte) Li4 (rechts)

Wenn sich nun eine sehr groszlige Anzahl N Li-Atome zusammenlagert und entsprechend N Va-lenzorbitale uumlberlappen entstehen NMolekuumllorbitale Die energetische Ober- und Untergrenzeder Aufspaltung bleibt dabei so groszlig wie beispielsweise im Li2-Molekuumll Das bedeutet dass dieNMolekuumllorbitale in diesemEnergiebereich dicht bdquozusammenruumlckenldquo anders ausgedruumlckt sinddie Energieunterschiede zwischen den Molekuumllorbitalen sehr klein Diese dicht beieinander lie-genden Molekuumllorbitale werden als Band bezeichnet Im Falle des Lithiums wird es als 2s-Bandbezeichnet da es durch Uumlberlagerung von 2s-Orbitalen zustandegekommen ist Auszligerdem ist



es das Valenzband da es aus Valenzorbitalen gebildet wurde Das 2s-Orbital von Li ist halb be-setzt (1 Elektron) das Band aus NMolekuumllorbitalen ebenso Abb 815 zeigt die Besetzung durchden rot gefuumlllten Bereich

MO

En

erg

ie

LiN

Band

Abbildung 815 Valenzband von metallischem Li

Die Molekuumllorbitale ndash und damit auch das aus ihnen gebildete Band ndash erstrecken sich uumlberden gesamten Metallkristall Wechselt ein Elektron von einem Molekuumllorbital in ein anderesbedeutet dies das es im ganzen Kristall frei beweglich ist Es resultiert elektrische LeitfaumlhigkeitDas Valenzband des Lithiums ist also auch noch ein LeitungsbandDie Anregung eines Elektrons und damit der Uumlbergang von einem Molekuumllorbital in ein houml-

heres geschieht durch Energiezufuhr z B durch Lichtenergie ΔE = h sdot 120584 Da die Energieunter-schiede in einem Band sehr klein sind und auch Spruumlnge uumlber mehrere Energieniveaus moumlglichsind kann die Anregung durch einen Groszligteil des elektromagnetischen Spektrums insbeson-dere durch sichtbares Licht beliebiger Wellenlaumlnge erfolgen Das bedeutet dass alles sichtbareLicht absorbiert und emittiert werden kann Alles Licht das hineingesteckt wird und wiederherauskommt bedeutet Reflexion und damit metallischen GlanzDas naumlchsteMetall Be verfuumlgt uumlber voll besetzte 2s-Orbitale Das daraus resultierende 2s-Band

ist demzufolge ebenso voll besetzt Metallischer Glanz und elektrische Leitfaumlhigkeit sollten alsonicht vorhanden seinDie unbesetzten 2p-Orbitale von Be uumlberlappen und bilden ebenfalls ein Band Dieses Band

uumlberschneidet sich mit dem 2s-Band (Abb 816) Es ist Elektronen aus dem 2s-Band somit moumlg-lich in das 2p-Band zuwechseln Elektrische Leitfaumlhigkeit undmetallischer Glanz sind also vor-handen

Leiter Halbleiter Isolatoren

Elektronen bewegen sich in einemKristall wenn sie sich einem nicht vollstaumlndig besetzten Bandbefinden oder wenn sie sich in einem vollbesetzten Band befinden das sich mit einem leerenBand uumlberschneidetIst ein vollbesetztes Band von einem Leitungsband getrennt muss Energie zugefuumlhrt werden

umden Energieabstand zu uumlberwindenWenn der Energieunterschied zwischen 01 eV und 4 eV



MO

En

erg

ie

BeN

2p

2s

Abbildung 816 2s- und 2p-Baumlnder von metallischem Be

liegt (96 kJmol bis 386 kJmol) sprichtman von einemHalbleiter bei einer Energiedifferenz vonmehr als 4 eV von einem Isolator Schematisch gezeigt ist dies in Abb 817

Leiter Halbleiter Isolator

Abbildung 817 Vergleich der Baumlnder eines Leiters (links) Halbleiters (Mitte) und Isolators (rechts)Grau unbesetztes Band oder unbesetzter Bereich in einem Band weiszlig verbotene Zo-ne rot besetztes Band oder besetzter Bereich in einem Band


Kapitel 9

Saumluren und Basen

Lavoisier glaubte dass alle Saumluren Sauerstoff enthielten (daher der Name bdquoSauerstoffldquo grie-chisch bdquooxysldquo scharf sauer)Einige waumlssrige Loumlsungen von Sauerstoffverbindungen zeigen tatsaumlchlich saure Eigenschaf-

ten beispielsweise den Geschmack (fruumlher wurde auch der Geschmack gepruumlft heutzutage un-ter allen Umstaumlnden verboten)Nach Einleiten von Sauerstoffverbindungen in Wasser entstehen Loumlsungen die sauer schme-

cken z B

SO2(g) + H2O(l) H2SO3(aq)Schweflige Saumlure

CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq)Kohlensaumlure

P4O10(s) + 6H2O(l) 4 H3PO4(aq)Phosphorsaumlure

Allerdings gibt es auch Sauerstoffverbindungen derenwaumlssrige Loumlsungen bdquofadeldquo schmecken

CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(aq)Calciumhydroxid

Na2O(s) + H2O(l) 2NaOH(aq)Natronlauge

Natronlauge entsteht auch aus elementarem Natrium

Na(s) + H2O(l) NaOH(aq) +12 H2uarr

Zusaumltzlich gibt es Loumlsungen die sauer schmeckenwennnicht-sauerstoffhaltigeVerbindungenin Wasser geleitet werden

HCl(g)Chlorwasserstoff

H2O HCl(aq)Salzsaumlure

AlCl3(s)H2O AlCl3(aq)

Kapitel 9 Saumluren und Basen

91 Ionenprodukt desWassers

Bevor wir auf ein SaumlurendashBase-Konzept zuruumlckgreifen werfen wir noch einen Blick auf eines derwichtigsten Loumlsungsmittel im chemischen und nicht-chemischen AlltagAus der Schule wissen wir dass reines Wasser H2O ein elektrischer Nichtleiter ist da keine

Ladungstraumlger vorhanden sind Irgendwann im Verlaufe der Schulzeit verwenden wir genaue-re Messgeraumlte und stellen fest dass die elektrische Leitfaumlhigkeit von Wasser nicht Null ist Esmuumlssen also Ladungstraumlger vorhanden sein die nur vom Wasser selbst bdquoerzeugtldquo worden seinkoumlnnen

H2O H+ + OHndash [R 91]

Das Gleichgewicht liegt sehr weit links und verlangt nach dem MWG

K = c(H+) sdot c(OHndash)c(H2O)

(91)

Wie groszlig ist c(H2O) in H2O Zur Beantwortung dieser Frage nehmen wir an dass die Dichtevon Wasser 120588 = 1gmL ist somit in 1 L Wasser 1000 g H2O enthalten sind Damit ergibt sich dieStoffmenge zu

n = mM

= 1000 g1802 gmol

= 5551mol

Die Konzentration von Wasser in Wasser ist damit

c(H2O) =5551mol

1 L

= 5551 molL

Wir nehmen an dass das Gleichgewicht [R 91] so weit links liegt dass wir die Aumlnderung inc(H2O) vernachlaumlssigen und c(H2O) als konstant ansehen koumlnnen Dann ergibt sich aus (91)

K sdot c(H2O) = c(H+) sdot c(OHndash)

K und die konstante Konzentration von Wasser werden zusammengefasst

KW = K sdot c(H2O)

Ionenprodukt des Wasser KW

KW = c(H+) sdot c(OHndash)

= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(bei 25 degC) (92)


92 SaumlurendashBase-Konzept nach Broslashnsted


Von den diversen SaumlurendashBase-Konzepten soll hier das Konzept nach Broslashnsted im Mittelpunktstehen Es ist vom Loumlsungsmittel unabhaumlngig und sagt aus

Broslashnsted-Saumluren und -Basen

Eine Broslashnsted-Saumlure ist ein Protonendonator (sie gibt H+-Ionen ab) Eine Broslashnsted-Base istein Protonenakzeptor (sie nimmt H+-Ionen auf)

Eine saure Loumlsung enthaumllt also H+-Ionen Genauer betrachtet enthaumllt sie H3O+-Ionen die z Bbeim Einleiten eines sauer reagierenden Gases gebildet werden koumlnnen

HClS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ Clndash

B1

Die Saumlure HCl uumlbertraumlgt ihr Proton auf die Base H2O (von links nach rechts) umgekehrt uumlber-traumlgt die Saumlure H3O+ ihr Proton auf die Base Clndash Die Saumlure HCl bildet mit der Base Clndash die SaumlureH3O+ mit der Base H2O ein korrespondierendes oder konjugiertes SaumlurendashBase-Paar Um die Zu-gehoumlrigkeit zu verdeutlichen werden Saumluren und Basen die ein Paar bilden mit der gleichenNummer versehen S1 und B1 S2 und B2SaumlurendashBase-Reaktionen nach Broslashnsted benoumltigen zwei korrespondierende SaumlurendashBase-PaareDie Autoprotolyse des Wassers laumlsst sich im Broslashnsted-Konzept wie folgt formulieren

H2OS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ OHndash

B1[R 92]

H2O fungiert in dieser Reaktion als Saumlure (S1) und als Base (B2) Eine solche Verbindung wirdals Ampholyt oder amphotere Verbindung bezeichnetAuch in dieser Formulierung gilt

KW = c(H3O+) sdot c(OHndash) (93)

= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(94)

Da es sich bei der Autoprotolyse von Wasser um eine Gleichgewichtsreaktion handelt wirddas System auf Aumlnderungen der H3O+- oder OHndash-Ionen-Konzentration reagieren (Prinzip deskleinsten Zwanges nach LeChatelier)

Beispiel 91 OHndash-Konzentration bei vorgegebener H3O+-Konzentration

Wie groszlig ist c(OHndash) wenn c(H3O+) = 1molL

Es giltKW = c(H3O+) sdot c(OHndash) (95)

hArr c(OHndash) = KW

c(H3O+)



Einsetzen liefert

c(OHndash) = 10minus11135681113571mol1113569L11135691molL

= 10minus11135681113571 molL

Entsprechend gilt fuumlr c(H3O+) bei c(OHndash) = 1molL c(H3O+) = 10minus11135681113571molL

93 pH-Wert

Im letzten Abschnitt wurde gezeigt dass sich der Bereich der H3O+-Ionen-Konzentration uumlbermehrere Zehnerpotenzen erstreckt in etwa 1 bis 10minus14molL Das sind unhandliche Werte Inden Naturwissenschaften ist es uumlblich dass man in solchen Faumlllen die Groumlszligen logarithmiertum handlichere Zahlenwerte zu erhalten Im vorliegenden Fall der H3O+-Ionen-Konzentrationerstreckt sich der Zahlenbereich nach dem Logarithmieren von 0 bis minus14 Da positive Zahlennoch angenehmer sind werden die Zahlen nach dem Logarithmieren mit minus1multipliziert MandefiniertpH-Wert

Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der H3O+-Ionen-Konzentration (ohneEinheit)

pH = minus log11135681113567 c(H3O+) = minus lg c(H3O+)

Analog gibt es einen pOH-Wert1

pOH-Wert

Der pOH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der OHndash-Ionen-Konzentration (ohneEinheit)

pOH = minus log11135681113567 c(OHndash) = minus lg c(OHndash)

Aus Gruumlnden der Handlichkeit bietet es sich an auch Gleichgewichtskonstanten zu logarith-mieren insbesondere den Wert KW (ohne Einheit)

pKW = minus lgKW

= minus lg 10minus11135681113571

= 14 (96)

1Es lassen sich alle denkbaren p-Werte definieren pAg = minus 11136111113606 c(Ag+) pCl = minus 11136111113606 c(Clndash) etc


94 Starke und schwache Broslashnsted-Saumluren und -Basen

Gl (95) schreit danach logarithmiert zu werden

KW = c(H3O+) sdot c(OHndash)rArr minus lgKW = minus lg 1114094c(H3O+) sdot c(OHndash)1114097

= minus lg 1114094c(H3O+)1114097 + 1114094minus lg c(OHndash)1114097pKW = pH + pOH

pH + pOH

pKW = pH + pOH = 14 (97)

Fuumlr neutrales Wasser folgt aus [R 92] c(H3O+) = c(OHndash) und damit

KW = c1113569(H3O+)hArr c(H3O+) = radicKW

=111396910minus11135681113571 mol

1113569

L1113569

= 10minus1113574 molL

Logarithmieren liefert

minus lg c(H3O+) = minus lg 10minus1113574

pH = 7

Es ergeben sich folgende pH-Bereiche

pH-Bereiche

pH lt 7 saure LoumlsungpH = 7 neutrale LoumlsungpH gt 7 alkalischebasische Loumlsung


Saumluren die ihr Proton vollstaumlndig an das Loumlsungsmittel abgeben werden als starke Saumluren be-zeichnet Beispielsweise wird Chlorwasserstoff in Wasser vollstaumlndig umgesetzt

HCl + H2O H3O+ + Clndash

Aus der Tatsache dass HCl eine starke Saumlure ist ergibt sich dass die konjugierte Base Clndash

schwach ist



Starke Saumluren und Basen und ihre konjugierten Basen und Saumluren

Fuumlr alle Saumluren (Basen) gilt Starke Saumluren (Basen) haben schwache konjugierte Basen (Saumlu-ren)

Ebenso werden Basen die vom Loumlsungsmittel vollstaumlndig protoniert werden als starke Basenbezeichnet

Na2O + H2O 2Na+ + 2OHndash

Ebenso ist NaOH eine starke Base

NaOH Na+ + OHndash

Die Konzentration der H3O+-Ionen einer starken Saumlure ist gleich der Anfangskonzentrationc1113567(Saumlure) Damit ergibt sich fuumlr den pH-Wert pH = minus lg c1113567 Im Falle von NaOH ergibt sich fuumlrden pOH-Wert pOH = minus lg c1113567 Vorsicht bei Na2O c(OHndash) ist doppelt so groszlig wie c1113567(Na2O) (Re-aktionsgleichung)Wenn Essigsaumlure CH3COOH in Wasser gegeben wird stellt man fest dass der pH-Wert houml-

her als erwartet ist Beispielsweise misst man bei einer Anfangskonzentration c1113567(CHC3OOH) =1molL einen pH-Wert von ca 24 erwartet wird allerdings ein pH-Wert von pH = minus lg c1113567 =minus lg 1 = 0 Das kann nur bedeuten dass Essigsaumlure nicht vollstaumlndig mit dem Loumlsungsmittelreagiert

CH3COOH + H2O CH3COOndash

Acetat+ H3O+

MWG

K = c(CH3COOndash) sdot c(H3O+)c(H2O) sdot c(CH3COOH)

Da das Gleichgewicht weit genug links liegt koumlnnen wir c(H2O) wieder als nahezu konstantannehmen und den Ausdruck umformen

K sdot c(H2O) =c(CH3COOndash) sdot c(H3O+)

c(CH3COOH)Die beiden Konstanten K und c(H2O)werden zu einer neuen Konstanten zusammengefasst Daes sich um die Konstante einer Saumlure handelt erhaumllt K den Index S

KS =c(CH3COOndash) sdot c(H3O+)

c(CH3COOH)Analog gilt beispielsweise fuumlr die schwache Base Ammoniak

NH3 + H2O NH+4 + OHndash

KB =c(NH+

4) sdot c(OHndash)c(NH3)

Saumluren- und Basenkonstanten KS und KB findet man in Form ihrer pKS- und pKB-Werte tabel-liert22Haumlufig bekommt die Konstante KS den Index bdquoaldquo fuumlr bdquoacidldquo Ka Die Bedeutung ist dieselbe



pKS- und pKB-Wert

pKS = minus lgKS pKB = minus lgKB

Folgende pKS- und pKB-Bereiche haben sich eingebuumlrgert

pKS- und pKB-Bereiche

pKS(pK

B) lt minus035 starke Saumlure (Base)

pKS(pK

B) asymp minus035 bis 35 mittelstarke Saumlure (Base)

pKS(pK

B) gt 35 schwache Saumlure (Base)

Gibt es einen Zusammenhang zwischen KS und KB eines konjugierten SaumlureendashBase-PaaresDazu werfen wir einen Blick auf Essigsaumlure und ihre konjugierte Base Acetat3

Saumlure

CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COOndash

rArr KS =c(H3O+) sdot c(CH3COOndash)

c(CH3COOH)

Konjugierte Base

CH3COOndash + H2O OHndash + CH3COOH

rArr KB =c(OHndash) sdot c(CH3COOH)

c(CH3COOndash)

Multiplikation von KS und KB ergibt

KS sdot KB =c(H3O+) sdot c(CH3COOndash)

c(CH3COOH) sdot c(OHndash) sdot c(CH3COOH)c(CH3COOndash)

= c(H3O+) sdot c(OHndash)= KW


pKW = pKS+ pK

B

KS sdot KBFuumlr ein konjugiertes SaumlurendashBase-Paar gilt

KS sdot KB = KW

pKW = pKS+ pK

B= 14

3Es genuumlgt das Acetat-Anion zu betrachten Das Gegenion wird auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung wegfal-len



Beispiel 92 pKS-Wert von Essigsaumlure und pK

B-Wert der konjugierten Base Acetat

Der pKS-Wert von Essigsaumlure betraumlgt 474 Der pK

B-Wert der konjugierten Base Acetat betraumlgt

damitpK

B(CH3COOndash) = pKW minus pK

S(CH3COOH)

= 14 minus 474= 926

In Tab 91 sind einige Dissoziationskonstanten von Saumluren und Basen aufgelistet

Tabelle 91 Dissoziationskonstanten einiger Saumluren und Basen

Name

Blausaumlure HCN + H2O H3O+ + CNndash pKS= 940

Essigsaumlure CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COOndash pKS= 474

Kohlensaumlure H2CO3 + H2O H3O+ + HCOndash3 pK

S1113568= 638

HCOndash3 + H2O H3O+ + CO2ndash

3 pKS1113569= 1032

Phosphorsaumlure H3PO4 + H2O H3O+ + H2POndash4 pK

S1113568= 212

H2POndash4 + H2O H3O+ + HPO2ndash

4 pKS1113569= 721

HPO2ndash4 + H2O H3O+ + PO3ndash

4 pKS1113570= 1200

Salpetersaumlure HNO3 + H2O H3O+ + NOndash3 pK

S= minus132

Salzsaumlure HCl + H2O H3O+ + Clndash pKS= minus600

Schwefelsaumlure H2SO4 + H2O H3O+ + HSOndash4 pK

S1113568= minus300

HSOndash4 + H2O H3O+ + SO2ndash

4 pKS1113569= 189

Ammoniak NH3 + H2O NH+4 + OHndash pK

B= 474

Natriumhydroxid NaOH Na+ + OHndash pKB= minus060

pH-Wert von schwachen Saumluren und Basen

Die Berechnung der pH-Werte von starken Saumluren und Basen geht verhaumlltnismaumlszligig einfach von-stattenpH-Wert von starken Saumluren und Basen

Starke SaumlurepH = minus lg c1113567 (weil c(H3O+) = c1113567(HA))

Starke BasepOH = minus lg c1113567



womit aus pH + pOH = 14 folgtpH = 14 minus pOH

= 14 minus 1114100minus lg c11135671114103= 14 + lg c1113567

Beachten Sie dass eventuell mehrere H3O+- oder OHndash-Ionen beruumlcksichtigt werden muumlssenSchwefelsaumlureH2SO4 ist durchaus in der Lage beide Protonen abzugebenDas bedeutet dassbei Zugabe von 1mol Schwefelsaumlure 2mol H3O+-Ionen vorliegen Aus diesem Grund ist dasAufstellen einer Reaktionsgleichung (wie immer) immens wichtig

Im Falle einer schwachen Saumlure HA4 ergibt sich aus der Protolysegleichung

HA + H2O H3O+ + Andash

das MWG

KS =c(H3O+) sdot c(Andash)

c(HA)

Aus der Reaktionsgleichung geht hervor dass c(H3O+) = c(Andash) und somit gilt

KS =c1113569(H3O+)c(HA)

Die tatsaumlchlich vorliegende Konzentration c(H3O+) ist nicht bekannt Es ist jedoch gerechtfertigtdavon auszugehen dass so wenig Saumlureteilchen HA protolysieren dass die Annahme c(HA) asympc1113567(HA) gilt

KS =c1113569(H3O+)c1113567(HA)

hArr c1113569(H3O+) = KS sdot c1113567(HA)c(H3O+) = 1113966KS sdot c1113567(HA)

= [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579

Wir logarithmieren und multiplizieren mit minus1

minus lg c(H3O+) = minus lg [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579

pH = 12 sdot1114094minus lg [KS sdot c1113567(HA)]1114097

= 12 sdot1114100minus lgKS minus lg c1113567(HA)1114103

= 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103

4Beachten Sie dass HA kein neutrales Teilchen sein muss Es handelt sich lediglich um eine symbolische Schreib-weise die auch Teilchen wie HPO2ndash

4 NH+4 H3BO3 umfasst Andash waumlre in diesen Faumlllen PO3ndash

4 NH3 H2BOndash3



Fuumlr eine schwache Base Andash ergibt sich aus

Andash + H2O OHndash + HA

der pOH-Wert

KB =c(OHndash) sdot c(HA)

c(Andash)

Aus der Reaktionsgleichung geht hervor dass c(OHndash) = c(HA) und somit gilt

KB =c1113569(OHndash)c(Andash)

Es gelten die gleichen Gedankengaumlnge wie oben Man gelangt schlieszliglich zu folgender Glei-chung

pOH = 12 sdot1114100pK

Bminus lg c1113567(Andash)1114103

Es ist der pH-Wert gesucht es gilt pH + pOH = 14 und damit

pH = 14 minus 12 sdot1114100pK


pH-Werte schwacher Saumluren und Basen

Der pH-Wert einer schwachen Saumlure laumlsst sich berechnen mit

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103 (98)

Der pH-Wert einer schwachen Base laumlsst sich berechnen mit


Bminus lg c1113567(Andash)1114103 (99)

Beispiel 93 pH-Wert von Essigsaumlure mit c1113567 = 001molL

Wie groszlig ist der pH-Wert einer Essigsaumlure-Loumlsung mit c1113567 = 001molL(pK

S(CH3COOH) = 474)

pH = 121114100474 minus lg 0011114103

= 12 sdot 674

= 337

Salzsaumlure mit gleicher Anfangskonzentration haumltte einen pH-Wert von pH = 2

Beispiel 94 pH-Wert von Acetat-Loumlsung mit c1113567 = 001molL

Wie groszlig ist der pH-Wert einer Natriumacetat-Loumlsung mit c1113567 = 001molL(pK

S(CH3COOH) = 474)


95 Mehrprotonige Saumluren

Es wird der pKB-Wert benoumltigt Es gilt pK

B(CH3COOndash) = 14 minus pK

S(CH3COOH) = 926

pH = 14 minus 121114100926 minus lg 0011114103

= 14 minus 12 sdot 1126

= 14 minus 563= 837

Natronlauge mit gleicher Anfangskonzentration haumltte einen pH-Wert von pH = 12


Es gibt Saumlurenmitmehr als einem abspaltbarenH+-Ion Diese koumlnnen nacheinander inmehrerenStufen abgegeben werden Jede Dissoziationsstufe hat einen eigenen KS-WertPhosphorsaumlure H3PO4 kann drei Protonen abgeben

1 Stufe

H3PO4 + H2O H3O+ + H2POndash4

Dihydrogenphosphat

2 Stufe


4Hydrogenphosphat

3 Stufe


4Phosphat

Fuumlr die Gleichgewichtskonstanten ergibt sich damit

KS1113568 =c(H2POndash

4) sdot c(H3O+)c(H3PO4)

= 75 sdot 10minus1113570 molL (910)

KS1113569 =c(HPO2ndash

4 ) sdot c(H3O+)c(H2POndash

4)= 62 sdot 10minus1113575 molL (911)

KS1113570 =c(PO3ndash

4 ) sdot c(H3O+)c(HPO2ndash

4 )= 1 sdot 10minus11135681113569 molL (912)

Es gilt KS1113568 gt KS1113569 gt KS1113570 (bei allen mehrprotonigen Saumluren) Das erste Proton ist am leichtestenabzuspalten das zweite weniger leicht das dritte am schwerstenWennman auszligerdemdieGleichungen (910) (911) und (912)miteinandermultipliziert erhaumllt

man

KS1113568 sdot KS1113569 sdot KS1113570 =XXXXXc(H2POndash


sdotXXXXXc(HPO2ndash

4 ) sdot c(H3O+)XXXXXc(H2POndash

4)sdot c(PO

3ndash4 ) sdot c(H3O+)

XXXXXc(HPO2ndash4 )

(913)

= c(PO3ndash4 ) sdot c1113570(H3O+)c(H3PO4)

(914)



Das entspricht wiederum demMWG fuumlr die Gesamtreaktion

H3PO4 + 3H2O 3H3O+ + PO3ndash4 [R 93]

rArr KSges = KS1113568 sdot KS1113569 sdot KS1113570 (915)

= 47 sdot 10minus11135691113569 mol1113570

L1113570(916)

rArr pKSges

= 2133 (917)

Aus den pKS-Werten der verschiedenen Dissoziationsstufen

pKS1113568= 212 (918)

pKS1113569= 721 (919)

pKS1113570= 12 (920)

geht hervor dass die Phosphorsaumlure einemittelstarke dasDihydrogenphosphat-Ion eine schwa-che und das Hydrogenphosphat-Ion eine sehr schwache Saumlure istAus Gl (915) ergibt sich zusaumltzlich

pKSges

= pKS1113568+ pK

S1113569+ pK

S1113570

= 212 + 721 + 12= 2133

96 Reaktion von SalzenmitWasser

Wir wissen dass HCl eine sehr starke Saumlure ist


Das Gleichgewicht liegt vollstaumlndig auf der rechten Seite Da HCl eine sehr starke Saumlure ist istihre konjugierte Base Clndash eine sehr schwache Base Die Reaktion

Clndash + H2O HCl + OHndash

findet nicht statt folgende Schreibweise soll das verdeutlichen

Clndash + H2O

Ebenso loumlst sich die konjugierte (sehr schwache) Saumlure Na+(aq) der sehr starken Base NaOHohne Aumlnderung des pH-Wertes in Wasser

Na+ + H2O

Anders ausgedruumlckt Salze von starken Saumluren und starken Basen loumlsen sich in Wasser ohneAumlnderung des pH-Werts Das Gleichgewicht liegt vollstaumlndig auf der rechten Seite

NaOH + HCl NaCl + H2O


97 Puffersysteme

Wie sieht es mit Salzen von schwachen Saumluren oder schwachen Basen ausWir verwenden als Beispiel Ammoniumchlorid NH4Cl Beim Loumlsen bildet NH4Cl die Ionen

NH+4 und Clndash

Wir betrachten die Reaktionen von Kat- und Anion getrennt

NH+4 + H2O NH3 + H3O+

Clndash + H2O

und stellen fest dass wir nur die erste Gleichung in unsere Betrachtungen einbeziehen muumlssen

NH+4 reagiert also mit H2O Die zu Ammonium konjugierte Base Ammoniak NH3 ist eine mit-

telstarke Base mit pKB= 474 Das Ammonium-Ion ist demnach eine eher schwache Saumlure mit

pKS= 14 minus pK

B= 926

Der pH-Wert einer Ammoniumchlorid-Loumlsung laumlsst sich mit Gl (98) berechnen

Beispiel 95 pH-Wert von NH4Cl-Loumlsung mit c1113567 = 03molL

Welchen pH-Wert hat eine NH4Cl-Loumlsung mit c1113567(NH4Cl) = 03molL

Es gilt

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(NH4Cl)1114103 (98)

= 12 sdot1114100926 minus lg 031114103

= 12 sdot (926 + 052)

= 12 sdot 978

= 489

Ammoniumchlorid reagiert sauer

97 Puffersysteme

In vielen (vor allem in biologischen) Systemen ist ein konstanter pH-Wert (uumlber-)lebensnotwen-dig Der pH-Wert des Blutes wird durch Puffer konstant auf einen pH-Bereich von ca 735 bis745 gehaltenEin System das pH-Wert-Aumlnderungen mildert ist also erforderlich Ein solches System wird

als Puffersystem bezeichnet



Puffer

Ein Puffersystem ist eine Loumlsung einer schwachen Saumlure (Base) und ihrer konjugierten Base(Saumlure) Es ist in der Lage nicht allzu groszlige Mengen H+- oder OHndash-Ionen abzufangen undsomit den pH-Wert weitestgehend konstant zu halten

Wir betrachten die Pufferwirkung am Beispiel einer schwachen Saumlure5

Die Pufferwirkung beruht darauf dass die schwache Saumlure HA mit OHndash-Ionen reagiert

HA + OHndash Andash + H2O

und die konjugierte Base mit H3O+-Ionen

Andash + H3O+ HA + H2O

Der Umstand dass eine schwache Saumlure und ihre konjugierte Base vorliegen gewaumlhrleistetdas Vorhandensein von HA- und Andash-Teilchen in ausreichenden Mengen um OHndash- und H3O+-Ionen abzufangenEs ist nunwichtig den pH-Wert einer Pufferloumlsung aus gegebenen Verhaumlltnissen c(HA) ∶ c(Andash)

zu berechnen sowie Pufferloumlsungen eines gewuumlnschten pH-Werts durch Einstellen des Verhaumllt-nisses c(HA) ∶ c(Andash)Ausgangspunkt fuumlr eine Formel ist wie immer eine Reaktionsgleichung

HA + H2O H3O+ + Andash [R 94]

Es folgt


c(HA)Anders als bei der pH-Wert-Berechnung schwacher Saumluren ist hier das Verhaumlltnis c(HA) ∶ c(Andash)wichtig Wir schreiben die Gleichung etwas anders

KS = c(H3O+) sdot c(Andash)

c(HA)Da wir spaumlter den pH-Wert auf einer Seite der Gleichung und das Verhaumlltnis c(HA) ∶ c(Andash) aufder anderen Seite benoumltigen formen wir um

c(H3O+) = KS sdotc(HA)c(Andash)

Logarithmieren

minus lg c(H3O+) = minus lgKS minus lgc(HA)c(Andash)

pH = pKSminus lg c(HA)

c(Andash)Wer den Logarithmus lieber addiert statt subtrahiert verwendet den Kehrwert des Bruches underhaumllt die

5Die nachfolgenden Betrachtungen gelten ebenso fuumlr Basen


97 Puffersysteme

HendersonndashHasselbalch-Gleichung

pH = pKS+ lg c(Andash)

c(HA) (921)

Wenn Saumlure und konjugierte Base in gleichen Konzentrationen vorliegen (c(HA) = c(Andash))ergibt sich

pH = pKS+ lg c(HA)

c(HA) = pKS+ lg c(A

ndash)c(Andash)

= pKS+ lg 1

= pKS

Beispiel 96 Zugabe von Saumlure zu einer Pufferloumlsung

Eine Pufferloumlsung enthaumllt Essigsaumlure undNatriumacetat mit c(CH3COOH) = c(CH3COOndash) =09molL Wie aumlndert sich der pH-Wert bei Zugabe von 015molL HClChlorwasserstoff (genauer die H+-Ionen) reagiert mit Acetat zu Essigsaumlure

H+ + CH3COOndash CH3COOH

Das bedeutet dass c(CH3COOndash) abnimmt waumlhrend c(CH3COOH) zunimmt naumlmlich um diezugegebene Menge HCl Es ergibt sich

pH = pKS+ lg c(CH3COOndash) minus c(HCl)

c(CH3COOH) + c(HCl)

= pKS+ lg 09molL minus 015molL09molL + 015molL

= pKS+ lg 075105

= 474 minus 015= 459

Die Zugabe von 015molL HCl zu einer ungepufferten Loumlsung mit pH = 474 haumltte denpH-Wert um fast 4 pH-Einheiten auf pH = 082 geaumlndert

Beispiel 97 Ansetzen eines Puffers

Ein Puffer mit pH = 700 soll angesetzt werden Welches Verhaumlltnis Saumlure Base wird benouml-tigtWir suchen ein SaumlurendashBase-Paar mit einem pK

S-Wert in der Naumlhe des gewuumlnschten pH-

Wertes (Begruumlndung nach Rechnung) und entscheiden uns fuumlr das Paar H2POndash4HPO2ndash

4 mitpK

S= 721 (Tab 91)

700 = 721 + lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)

minus021 = lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)



Delogarithmieren

10minus111356711135691113568 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)

062 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)

hArr c(HPO2ndash4 ) = 062 sdot c(H2POndash

4)

Ein Puffer mit beispielsweise c(H2POndash4) = 1molL und c(HPO2ndash

4 ) = 062molL puffert beipH = 700Ein EssigsaumlureAcetat-Puffer benoumltigt ein Verhaumlltnis von c(CH3COOndash)

c(CH3COOH) asymp 182 also bei beispiels-weise c(CH3COOH) = 1molL wird c(CH3COOndash) = 182molL benoumltigt

Pufferkapazitaumlt

Die Faumlhigkeit den pH-Wert annaumlhernd konstant zu halten wird Pufferkapazitaumlt genannt Sie istfuumlr c(HA) = c(Andash) am groumlszligten Auszligerdem ist die Kapazitaumlt groumlszliger je houmlher die Konzentrationender Komponenten sind Ein Gemisch von je 1molL schwacher Saumlure und ihrer konjugiertenBase kann (absolut) mehr H+- und OHndash-Ionen abfangen als ein Gemisch mit jeweils 001molLder KomponentenEin Puffer ist erschoumlpft wenn das Verhaumlltnis c(HA) = c(Andash) groumlszliger als 10 ∶ 1 oder kleiner als

1 ∶ 10 ist in pH-Einheiten bedeutet dies dass in einem Bereich von

pH = pKSplusmn 1

der Puffer wirksam ist

98 Lewis-Saumluren und -Basen

Ein weiteres wichtiges SaumlurendashBase-Konzept ist das von Lewis (der von den Formeln) Es defi-niertLewis-Saumluren und -Basen

Eine Lewis-Saumlure ist ein ElektronenpaarakzeptorEine Lewis-Base ist ein Elektronenpaardonator

Beispiel 98 Reaktion von BF3 mit Fndash

Die folgende Reaktionsgleichung beschreibt die Reaktion einer Lewis-Saumlure mit einer Lewis-Base

BF3 + Fndash BFndash4

Um zu verstehen warum diese Reaktion moumlglich ist schauen wir uns die Lewis-Formel vonBF3 an Aus der Rechnung ergeben sich vier Bindungen



F

B

F

F

Es ist zunaumlchst nicht ersichtlich warum irgendeines der beteiligten Atome Elektronenpaa-re aufnehmen oder abgeben sollte (alle Atome haben Edelgaskonfiguration) Wir erinnern unsdaran dass formale Ladungen nichts mit der tatsaumlchlichen Ladungsverteilung zu tun haben(deswegen bdquoformaleldquo Ladungen) Fluor hat eine weitaus houmlhere Elektronegativitaumlt als Bor dieElektronendichte am Bor ist also viel geringer als die Lewis-Formel vermuten laumlsst Man koumlnntedie drei mesomeren Grenzformeln um eine vierte bdquoextremeldquo Formel ergaumlnzen

F

B

F

FF

B

F

F F

B

F

F

Beachten Sie dass es sich wirklich um eine sehr extreme Darstellung handelt In dieser extre-men Formel kommt allerdings zum Ausdruck dass die Elektronendichte am Bor-Atom durchdie elektronegativen Fluor-Atome verringert istDas Bor-Atom ist in der Lage ein Elektronenpaar eines freien Fndash-Ions aufzunehmen

Fmdash

mdash

Beschreibt man die Bewegung der Elektronenpaaremit einem Pfeil laumlsst sich der Vorgangwiefolgt darstellen

F

B

F

F

oder

minus

Die linke Variante entspricht den Regeln fuumlr die Lewis-Formeln eher als die rechte und ist daherzu bevorzugenDas Resultat ist in beiden Faumlllen gleich

B

F

F F

F

minus

oder raumlumlichF

B

F

F

F

minus



Lewis-Formeln II

Mit Hilfe des Lewis-SaumlurendashBase-Konzeptes ist es moumlglich Lewis-Formeln einiger bdquoSpezialfaumllleldquozu verstehenBeispiel 99 Lewis-Formel von SF4Die Lewis-Formel von Schwefeltetrafluorid SF4 soll ermittelt werden


S 8 6F 8 7F 8 7F 8 7F 8 7

40 34Die Differenz 40 minus 34 ergibt 3 Bindungen Damit koumlnnen nicht alle 5 Atome verbunden wer-den

F

S

F

F Fmdash

mdash+

Im Falle des BFndash4 haben wir gesehen dass das Fndash-Ion als Lewis-Base fungiert da es uumlber freie

Elektronenpaare verfuumlgt Das Bor-Atom ist in der Lage als Lewis-Saumlure zu wirkenIm Falle von SF4 gibt es ebenfalls ein Fndash-Ion Das Schwefel-Atom hat allerdings bereits diegewuumlnschte Anzahl Elektronenpaare (naumlmlich 4) Wir erinnern uns Schwefel ist ein Elementder 3 Periode Es hat auszliger dem 3s- und den drei 3p-Orbitalen auch noch fuumlnf (freie) 3d-Orbitale die allesamt zur Valenzschale gehoumlren (gleiche Hauptquantenzahl 3) und Elektro-nenpaare aufnehmen koumlnnen Das Schwefelatom ist eine Lewis-Saumlure Es ergibt sich

+

Beachten Sie dass diese Vorgehensweise eine bdquoKruumlckeldquo darstellt SF4 ist nicht das Ergebniseiner Lewis-SaumlurendashBase-Reaktion Dieses Vorgehen empfiehlt sich um die Grenzen der Va-lenzelektronenbilanzaufstellung zu sprengen

Komplexe

Typische Vertreter von Verbindungen aus Lewis-Saumluren und Lewis-Basen (auch bdquoLewis-SaumlurendashBase-Addukteldquo genannt) sind die Komplexverbindungen (kurz Komplexe)



Komplex

Ein Komplex ist ein Teilchen das aus einem Zentralteilchen (Ion Atom) besteht an das Li-gandena (Atome Ionen Molekuumlle) gebunden sindEin Zentralteilchen ist typischerweise eine Lewis-Saumlure ein Ligand typischerweise eineLewis-Basealigare (lat) binden

Ist BFndash4 ein Komplex Ja Ist BF3 ein Komplex Nein Warum nicht Bor ist ein Element der

3 Hauptgruppe zu erwarten ist demnach die Bindigkeit 3 Das bedeutet dass es 3 Bindungenzu 3 einbindigen Atomen (z B H aber auch F) ausbildet Im Falle des BFndash

4 liegt ein vierbindi-ges Bor-Atom vor die Bindigkeit entspricht also nicht der erwarteten Bindigkeit Dies ist eineZusatzbedingung fuumlr das Vorliegen eines komplexen TeilchensKomplexe Teilchen werden ab jetzt in eckige Klammern gesetzt

BF3 + Fndash [BF4]ndash [R 95]

Beispiel 910 Ag+ in Komplexen

Fuumlr Ag+ als einwertiges Kation ist eine Bindung zu erwarten In den beiden folgenden Bei-spielen bildet es jeweils 2 Bindungen aus Es liegen demzufolge Komplexe vor

AgCl + Clndash [AgCl2]ndash [R 96]Ag+ + 2NH3 [Ag(NH3)2]+ [R 97]

Beispiel 911 Aluminium in Komplexen

Al(OH)3 + OHndash [Al(OH)4]ndash [R 98]Al3+ + 6Fndash [AlF6]3ndash [R 99]

Beispiel 912Weitere Komplexe

Ni + 4CO [Ni(CO)4] [R 910]Fe3+ + 6H2O [Fe(H2O)6]3+ [R 911]Fe2+ + 6CNndash [Fe(CN)6]4ndash [R 912]Fe3+ + 6CNndash [Fe(CN)6]3ndash [R 913]

Komplexnomenklatur

Der Name von komplexen Verbindungen setzt sich in folgenderWeise und folgender Reihenfol-ge zusammenAnzahl der Liganden Es werden griechische Zahlwoumlrter verwendet di (zwei) tri (drei) tetra

(vier) penta (fuumlnf) hexa (sechs) hepta (sieben) octa (acht)



Name der Liganden Anionische Liganden bekommendie Endung bdquo-oldquo z B Fndash FluoridoClndash Chlorido Indash Iodido O2ndash Oxido CO2ndash

3 Carbonato CNndash

Cyanido C2O2ndash4 Oxalato Hndash Hydrido NOndash

3 Nitrato NOndash2 Nitrito

SO2ndash4 Sulfato S2O2ndash

3 ThiosulfatoKommen mehrere Liganden in einem Komplex vor werden sie in alphabetischer Reihen-folge ihrer Namen (nicht nach der Anzahl) genanntNeutrale Liganden behalten ihre Namen Es gibt dennoch folgende Ausnahmen H2O

Aqua NH3 Ammin CO Carbonyl NO NitrosylName des Zentralteilchens Fuumlr neutrale oder kationische Komplexe wird der deutsche Name

des Zentralteilchens verwendetIst der Komplex ein Anion verwendet man den Wortstamm des lateinischen Elementna-mens und haumlngt die Endung bdquo-atldquo an

Oxidationszahl des Zentralteilchens Zum Schluss wird die Oxidationszahl des Zentralteil-chens in runden Klammern und mit roumlmischen Zahlen hinzugefuumlgt Fuumlr die Oxidations-zahl Null wird die arabische Null benutzt Wenn keine Missverstaumlndnisse moumlglich sindkann die Oxidationszahl weggelassenwerden ndash ich persoumlnlichmoumlchte jedesMissverstaumlnd-nis vermeiden

Beispiel 913 Benennung verschiedener Komplexe

[AgCl2]ndash Dichloridoargentat(I) [Ag(NH3)2]+ Diamminsilber(I)[Al(OH)4]ndash Tetrahydroxidoaluminat(III) [AlF6]3ndash Hexafluoridoaluminat(III)[Ni(CO)4] Tetracarbonylnickel(0) [Fe(H2O)6]3+ Hexaaquaeisen(III)[Fe(CN)6]4ndash Hexacyanidoferrat(II) [Fe(CN)6]3ndash Hexacyanidoferrat(III)[PtCl2(NH3)2] Diammindichloridoplatin(II)

Das cis-Isomer (bdquocis-Platinldquo) wird eingesetzt zur Krebstherapie[Al(H2O)6][AlF6] Hexaaquaaluminium(III)-hexafluoridoaluminat(III)[Ni(CO)4] Tetracarbonylnickel(0)[Cr(H2O)4Cl2]Cl Tetraaquadichloridochrom(III)-chlorid[ClO4]ndash Tetraoxidochlorat(VII) (bdquoPerchloratldquo)[SO4]2ndash Tetraoxidosulfat(VI) ndash kennen Sie als Sulfat SO2ndash

4[SO3]2ndash Trioxidosulfat(IV) ndash kennen Sie als Sulfit SO2ndash

3

Lewis-Formeln einiger Komplexe (mit Erlaumluterungen)

Diamminsilber(I) Das Zentralteilchen ist ein Ag+-Ion es fungiert als Lewis-Saumlure Zwei NH3-Molekuumlle (Lewis-Basen) bildenmit ihrem freien Elektronenpaar Bindungen zumZentralteilchenaus Um die Formalladungen zu bestimmen werden (wie immer) die kovalenten Bindungengleichmaumlszligig geteilt An den N-Atomen befindet sich je eine positive Formalladung Dem ein-fach positiven Ag+-Ion werden zwei Elektronen zugerechnet es bekommt deshalb eine negativeFormalladung (bdquoeine fehlende negative Ladung plus zwei negative Ladungen ergibt eine nega-tive Ladungldquo) Denken Sie daran dass es sich um formale Ladungen handelt nicht um reale DieSumme der formalen Ladungen ergibt die Gesamtladung Der Komplex ist linear



N Ag N

H

H

H

H

H

H

+

Tetracarbonylnickel(0) Das Zentralteilchen ist ein neutrales Ni-Atom Ni hat als Element derGruppe 10 noch vier freie Valenzorbitale Es kann vier Elektronenpaare einbauen CO hat dieMoumlglichkeit das freie Elektronenpaar am Sauerstoff- oder am Kohlenstoffatom zur Verfuumlgungzu stellen Die EN-Differenz zwischenNi und C ist kleiner als die vonNi undO deshalb werdendie Elektronenpaare vom C-Atom benutzt Der Komplex ist tetraedrisch

Ni

C

CC

C

O

O

O

O

44

Hexaaquaeisen(III) DasZentralteilchen ist ein Fe3+-Ion Sechs Elektronen aus sechs Bindungenwerden dem Eisen zugerechnet Es bekommt drei negative formale Ladungen Der Komplex istoktaedrisch

3+

3

Hexacyanidoferrat(II) Das Zentralteilchen ist ein Fe2+-Ion Uumlberzeugen Sie sich dass saumlmtli-che formalen Ladungen am Eisen sitzen

C

Fe

C

CC

C

C

N

N

N

N

4

N

N

4minus



Hier cis-Diammindichloridoplatin(II) Das Zentralteilchen ist ein Pt2+-Ion Der Komplex istquadratisch planar

Pt

N

NCl

Cl

HH

H

H

H

H

22


Kapitel 10

Elektrochemie

101 Oxidation und Reduktion

Waumlhrend eine fruumlhe Definition von bdquoOxidationldquo die Reaktion einer Substanzmit Sauerstoff einebdquoReduktionldquo1 die Zuruumlckfuumlhrung dieser Sauerstoffverbindung in ihren Ausgangszustand be-zeichnete ist das moderne Konzept von Oxidation und Reduktion nicht mehr nur auf Reaktio-nen mit Sauerstoff beschraumlnkt sondern weiter gefasst

Oxidation und Reduktion

Oxidation ElektronenabgabeReduktion Elektronenaufnahme

Beispiel 101 Oxidation und Reduktion in Reaktionsgleichungen

OxidationCa Ca2+ + 2 endash [R 101]Cu+ Cu2+ + endash [R 102]

ReduktionMn2+ + 2 endash Mn [R 103]

Fe3+ + endash Fe2+ [R 104]

In diesen Reaktionsgleichungen erscheinen Elektronen als Reaktionspartner Diesemuumlssen beieiner Elektronenabgabe (Oxidation) von einem anderen Teilchen aufgenommen werden bei ei-ner Elektronenaufnahmevon einemanderenTeilchen abgegebenwerdenDie oben aufgefuumlhrtenReaktionsgleichungen beschreiben also nicht den gesamten Prozess der Elektronenuumlbertragungsondern nur einen Teil Aus diesem Grund werden sie als Teilgleichungen bezeichnetBeachten Sie dass fuumlr Teilgleichungen wie fuumlr jede andere Reaktionsgleichung Stoff- und La-

dungsbilanz ausgeglichen sein muumlssenIn Gl [R 101] liegen auf der linken Seite 1mol Ca-Atome vor auf der rechten Seite 1mol Ca2+-

Ionen und 2mol Elektronen was insgesamt wiederum 1mol Ca-Atomen entsprichtAuf der linken Seite ist die GesamtladungNull auf der rechten Seite ebenfalls 1mol zweifach-

positive und 2mol einfach-negative Ladungen ergeben die Gesamtladung Null

1reducere (lat) zuruumlckfuumlhren

Kapitel 10 Elektrochemie

102 Oxidationszahlen

Nicht immer sieht man einer Reaktionsgleichung sofort an ob Teilchen oxidiert oder reduziertwerden Ein geeignetes Hilfsmittel dies zu erkennen stellen die Oxidationszahlen darOxidationszahl

Die (formale) Oxidationszahl ist die (hypothetische) Ionenladung eines Atoms (in einer Ver-bindung)Schreibweise Roumlmische Ziffern mit Vorzeichen uumlber dem Element bei Oxidationszahl Nulloder nicht-ganzzahligen Oxidationszahlen arabische Ziffern

Bei einem einatomigen Ion entspricht die Oxidationszahl der Ladung dieses Ions Wenn einTeilchen aus mehreren Atomen zusammengesetzt ist zerlegt man dieses Teilchen in Gedankenin Ionen Die Ladungen dieser Ionen entsprechen dann der Oxidationszahl fuumlr die Atome ausdenen das zusammengesetzte Teilchen bestehtNach welchen Regeln werden diese Teilchen in Ionen zerlegtRezept zur Bestimmung von Oxidationszahlen

Bestimmung von Oxidationszahlen Es gibt genau zwei Regeln Oxidationszahlen zu ermit-teln

1 Die (Bindungs-)(Valenz-)Elektronen werden komplett dem Partner mit der houmlherenEN zugewiesen Die daraus resultierende Elektronenanzahl wird mit der Anzahl derValenzelektronen verglichen die das Atom als Element hat Die dann resultierende La-dung ist die Oxidationszahl

2 Die Summe der Oxidationszahlen aller Bestandteile eines Teilchens ergibt die Gesamt-ladung des Teilchens

In vielen Lehrbuumlchern sind nochweitere Regeln aufgefuumlhrt Bei diesen Regeln handelt es sichum Spezialfaumllle zu den beiden oben aufgefuumlhrten Regeln

Beispiel 102 Oxidationszahlen von einatomigen Teilchen

Zn2+ Die Gesamtladung dieses Teilchens ist +2 die Oxidationszahl also +II Schreibweise+IIZn2+

Na Die Gesamtladung dieses Teilchens ist 0 die Oxidationszahl ebenso Schreibweiseplusmn0Na

Beispiel 103 Oxidationszahlen aus Lewis-Formeln

Aus Lewis-Formeln laumlsst sich die Oxidationszahl ebenfalls bestimmen Beispiel CO

mdashC Omdashmdash mdashmdash

+II minusII

Der gruumlne Kurvenzug soll andeuten dass die Dreifachbindung nicht gleichmaumlszligig geteiltwird sondern so dass die Bindungselektronen dem Partner mit der houmlheren EN (hier O)zugerechnet werden Damit hat das O-Atom acht Elektronen bei sich im elementaren Zu-stand sind es sechs es wuumlrde also ein O2ndash-Ion sein damit bekommt es die OxidationszahlminusII Die Oxidationszahl des C-Atoms laumlsst sich nun auf zwei Weisen bestimmen



1 Man zaumlhlt die Elektronen amC-Atom (hier zwei) und vergleichtmit demElement (vierValenzelektronen) die Oxidationszahl ist also +II

2 die Summe der Oxidationszahlen muss die Gesamtladung ergebenOxZahl(C) +OxZahl(O) = Gesamtladung

OxZahl(C) + (minusII) = 0hArr OxZahl(C) = minus(minusII)

OxZahl(C) = +II

Die korrekte Lewis-Formel ist allerdings nur die in der Formalladungen (so vorhanden) vor-kommen Oxidationszahlen ergaumlnzen eine Lewis-Formel sie ersetzen nicht formale Ladun-gen (sie sind in den seltensten Faumlllen gleich)


+II minusII

Beispiel 104Mehr Beispiele fuumlr Oxidationszahlen

plusmn0P4 Element+IICa

+IVC

minusIIO3 Es hat immer ein Atom eine Oxidationszahl nicht eine Gruppe von Atomen

Oxidationszahl minusVI fuumlr bdquoO3ldquo ist falsch+VIS

minusIIO2ndash

4 mdash+IK

+VIIMn

minusIIO4 Mn steht in der 7 Gruppe hat also sieben Valenzelektronena Oxidations-

zahl +VII ist also moumlglich+IIAg

+VIMo

minusIIO4 Vorsicht Mo steht in Gruppe 6 maximale Oxidationszahl +VI

Ag steht in Gruppe 11 hat also 11 Valenzelektronen +II ist moumlglich+ILi

minusIH H hat eine groumlszligere EN als Li s Periodensystem

plusmn0D

plusmn0T Ist 2H3H

aNatuumlrlich hat Mn 7 Valenzelektronen und steht deshalb in Gruppe 7 Wer das verinnerlicht hat darf auchanders herum argumentieren

Gelegentlich bekommt man verschiedene Ergebnisse je nach Vorgehensweise Wenn imSulfat-Anion ein Sauerstoff-Ligand durch Schwefel ersetzt wird entsteht das Thiosulfat-Anion(S2O2ndash

3 ) Wir zeichnen die Lewis-Formel und bestimmen formale Ladungen und Oxidationszah-len

minusI

minusII

minusII

minusII

minusII

minusII

minusIIminusII

minusII

minusII

minusI +IV+V plusmn0+V



Es ist zu erkennen dass sowohl die Verteilung der Formalladungen als auch die der Oxidati-onszahlen fuumlr jede mesomere Grenzformel unterschiedlich ist Beruhigend ist jedoch dass dieSumme sowohl der Formalladungen als auch die der Oxidationszahlen die Gesamtladung desTeilchens ergibtWas hat es auf sich mit den verschiedenen Oxidationsstufen des Schwefels Wir bestimmen

zusaumltzlich die Oxidationszahlen der Atome im Thiosulfat aus der Summenformel+IIS2

minusIIO2ndash

3 Wirhaben die Kombinationen plusmn0+IV minusI+V und +II+II Welche Kombination ist die richtige In-nerhalb des jeweiligen Grenzbildes ist jede Antwort richtig die Summe der hypothetischen Io-nenladungen der Schwefel-Atome ist aber immer +4

Ergaumlnzung

Wir ergaumlnzen die Reaktionsgleichungen [R 101] bis [R 104] um die Oxidationszahlen

Oxidation

plusmn0Ca

+IICa2+ + 2 endash [R 101]

+ICu+ +II

Cu2+ + endash [R 102]

Reduktion

+IIMn2+ + 2 endash

plusmn0Mn [R103]

+IIIFe3+ + endash

+IIFe2+ [R 104]

Zusaumltzlich zur Definition zu Beginn des Kapitels sieht man

Ergaumlnzung zu Oxidation und Reduktion

Bei einer Oxidation erhoumlht sich die Oxidationszahl bei einer Reduktion erniedrigt sie sich


103 Redox-Gleichungen


Redox-Reaktion

Eine chemische Reaktion bei der sich Oxidationszahlen aumlndern (bei der Elektronen uumlbertra-gen werden) wird als ReduktionsndashOxidations-Reaktion kurz Redox-Reaktion bezeichnetReduktion und Oxidation treten nie unabhaumlngig voneinander auf sondern immer gemein-sam

Aufstellen von Redox-Gleichungen

Beim Aufstellen von Redox-Gleichungen sind folgende Punkte zu beruumlcksichtigen0 Aumlndern sich uumlberhaupt Oxidationszahlen1 Die Anzahl aufgenommener und abgegebener Elektronen muss gleich sein2 Teilgleichungen erhoumlhen die Uumlbersicht23 Es gilt wie immer Auf beiden Seiten der Gleichung muumlssen Stoffmengen und Ladungen

gleich sein4 Falls noumltig erfolgen Stoff- und Ladungsausgleich mit H2OH+ (saure Loumlsung) oder

H2OOHndash (alkalische Loumlsung)

Beispiel 105 Reaktion von CaCO3 mit CO2 und H2O ndash Redox-Reaktion

Folgende Reaktion steht zur DiskussionCaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2

Ein Blick auf die Oxidationszahlen+IICa

+IVC

minusIIO3 +

+IH2

minusIIO +

+IVC

minusIIO2

+IICa(

+IH

+IVC

minusIIO3)2

zeigt dass sich die Oxidationszahlen nicht aumlndern und somit keine Redox-Reaktion vorliegt

Beispiel 106 Schwimmbad-Gleichung

In Abschn 52 wurde folgende Gleichgewichtsreaktion formuliertCl2 + H2O 2H+ + Clndash + OClndash

Die Oxidationszahlen sind zu ermittelnplusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash + OClndash

Kein Grund beimHypochlorit OClndash irritiert zu sein Sauerstoff hat eine houmlhere EN als Chloralso

plusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash +

minusIIO

+IClndash

Die Lewis-Formel beseitigt jeden Zweifel

2Es gibt andere Moumlglichkeiten die in Lehrbuumlchern aufgefuumlhrt sind Ich beschraumlnke mich in diesem Skript auf dasAufstellen von Teilgleichungen



O Cl

minusII+I minus

Bei dieser Redox-Reaktion hat Chlor zu Beginn der Reaktion eine bestimmte Oxidationsstufe(hier 0) nach der Reaktion eine houmlhere (OClndash +I) und eine niedrigere (ClndashminusI) Diese spezielleArtder Redox-Reaktion wird Disproportionierung genannt Die Umkehrung bei der ein Element ineiner houmlheren und einer niedrigerenOxidationsstufe vorliegt und amEnde der Reaktion in einerdazwischen nennt man Syn- oder Komproportionierung

H2+VISO4 + 3H2

minusIIS 4

plusmn0S + 4H2O

Beispiel 107 Redox-Reaktion Permanganat und Hydrazin

Permanganat und Hydrazin reagieren in basischer Loumlsung zu Braunstein und StickstoffEdukte und Produkte werden notiert die Oxidationszahlen bestimmt (hier nur die relevan-ten)

+VIIMnOndash

4 +minusIIN2H4

+IVMnO2 +

plusmn0N2

Reduktions- und Oxidationsteilgleichungen sind aufzustellen Reduktion (drei Elektronensind aufzunehmen)

+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2

Links sind vier negative Ladungen rechts sind keine Ladungen Der Ausgleich erfolgt mitOHndash (basische Loumlsung)

+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2 + 4OHndash

Die Stoffbilanz stimmt nicht Links fehlen 2mol H2O+VIIMnOndash

4 + 3 endash + 2H2O+IVMnO2 + 4OHndash

Die Reduktionsteilgleichung ist komplett Bei der Oxidation gibt ein Stickstoffatom zweiElektronen ab in der Verbindung sind zwei Stickstoffatome

minusIIN2H4

plusmn0N2 + 4 endash

Die vier fehlenden negativen Ladungen auf der linken Seite werden durch OHndash hinzugefuumlgtminusIIN2H4 + 4OHndash plusmn0

N2 + 4 endash

Links sind nun 8molWasserstoff und 4mol Sauerstoff zu viel Das sind 4molWasser auf derrechten Seite die fehlen

minusIIN2H4 + 4OHndash plusmn0

N2 + 4 endash + 4H2O



Damit die Elektronenbilanz ausgeglichen istmuss die Reduktionsgleichungmit 4 dieOxida-tionsgleichung mit 3 multipliziert werden damit sich beim Aufstellen der Gesamtgleichungdie Elektronen auf beiden Seiten wegheben 12 ist kleinstes gemeinsames Vielfaches von 3und 4

4+VIIMnOndash

4 + 12 endash + 8H2O 4+IVMnO2 + 16OHndash

3minusIIN2H4 + 12OHndash 3

plusmn0N2 + 12 endash + 12H2O

Addition ergibt die Gesamtgleichung

4+VIIMnOndash

4 +XXX12 eminus +XXXX8H2O + 3minusIIN2H4 +12OHminus 4

+IVMnO2 +

416OHndash + 3

plusmn0N2 +XXX12 eminus +

412H2O

und nach Aufraumlumen4MnOndash

4 + 3N2H4 4MnO2 + 3N2 + 4OHndash + 4H2O

Beispiel 108 Verkehrskontrolle

Alkoholtests wurden mit einem bdquoBlasroumlhrchenldquo durchgefuumlhrt Dabei reagiert Ethanol mitKaliumdichromat in schwefelsaurem Milieu zu Ethanal und Chrom(III)-sulfat

C2H5OH + K2Cr2O7 + H2SO4 CH3CHO + Cr2(SO4)3

Diese Reaktionsgleichung ist unvollstaumlndigWir bestimmen die Oxidationszahlen im Ethanol

+I

+I +I

+I

+I +I

minusIIminusIII minusI

und Ethanal

minusIII

minusII+I

+I

+I

+I

+I

und stellen fest dass das im Bild rechte C-Atom seine Oxidationsstufe von minusI nach +I aumlndertEs gibt also zwei Elektronen ab und wird somit oxidiert

+VICr2O2ndash

7+IIICr3+

Das Dichromat wird reduziert Ein Cr-Atom nimmt drei Elektronen auf

Wir beginnen mit der Reduktion und formulierenCr2O2ndash

7 + 6 endash + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O

OxidationC2H5OH CH3CHO + 2endash + 2H+



Die Oxidationsteilgleichung wird mit 3 multipliziert Anschlieszligend werden beide Gleichun-gen addiert

Cr2O2ndash7 + 8H+ + 3C2H5OH 2Cr3+ + 7H2O + 3CH3CHO

Wer moumlchte kann die an der Reduktion und Oxidation nicht teilnehmenden Teilchen hinzu-fuumlgen

K2Cr2O7 + 4H2SO4 + 3C2H5OH Cr2(SO4)3 + 7H2O + K2SO4 + 3CH3CHO

104 Redoxpotentiale und Spannungsreihe

Wir betrachten die beiden Vorgaumlnge

Zn2+ + 2 endash Zn [R 105]Cu2+ + 2 endash Cu [R 106]

Wiewir im vorigen Abschnitt gesagt haben laufen Oxidation und Reduktion immer gemeinsamab Aus den beiden Teilgleichungen kann man einen Gesamtvorgang auf zwei Arten formulie-ren (zur Erinnerung die Multiplikation einer Reaktionsgleichung mit minus1 ergibt die umgekehrteReaktion)

Moumlglichkeit 1 [R 105]minus [R 106]

Zn2+ + Cu Zn + Cu2+


Cu2+ + Zn Cu + Zn2+

Wie laumlsst sich nun herausfinden welcher der beiden Prozesse ablaumluft ndash Man tut was in derReaktionsgleichung stehtMoumlglichkeit 1 bedeutet dass wir einen Kupferstab in eine Loumlsung eines Zinksalzes tauchen

z B Zinksulfat (Abb 101 links) Damit wir uns nicht allzu groszlige Gedanken machen muumlssenwaumlhlen wir c(ZnSO4) = 1molL (Standardzustaumlnde3)Moumlglichkeit 2 bedeutet entsprechend das Eintauchen eines Zinkstabes in eine Kupfersulfatlouml-

sung mit c = 1molL (Abb 101 rechts) Wie in der Abbildung angedeutet (roter Rand) scheidetsich elementares Kupfer am Zinkstab abWas lernenwir daraus Offensichtlich ist das Bestreben des Zinks Elektronen abzugeben grouml-

szliger als das des Kupfers Anders herum formuliert Das Bestreben des Kupfers (als Ion) Elektro-nen aufzunehmen ist groumlszliger als das des Zinks (als Ion) Auch bezeichnet man Kupfer als edelZink als unedelEine weitere Formulierung Zink ist ein staumlrkeres Reduktionsmittel als Kupfer Cu2+ ist ein

staumlrkeres Oxidationsmittel als Zn2+3Konzentration aller Substanzen 1molL Druck von Gasen 1013 bar 29815K alle Substanzen in den bei diesenBedingungen typischen Aggregatzustaumlnden Nicht zu verwechseln mit Standardbedingungen



Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu

Cu + Zn2+ Cu2+ + Zn Zn2+ + Cu

Abbildung 101 Ein Kupferstab taucht in eine Zinksulfatloumlsung (links) und umgekehrt (rechts) Die Kon-zentrationen betragen jeweils 1molL Im rechten Bild scheidet sich amZinkstab elemen-tares Kupfer ab (roter Rand) Unter den Abbildungen sind die jeweiligen Reaktionsglei-chungen aufgefuumlhrt

Wenn man mehrere solcher Versuche in denen ein Metallstab in eine Loumlsung eines anderenMetalls taucht durchfuumlhrt laumlsst sich eine rein qualitative Reihenfolge der Reduktionsfaumlhigkeitvon Metallen aufstellen z B

Au minusAg minus Cu minus Pb minus Fe minusMg minus Ca minus Cs minus LiReduktionsvermoumlgen nimmt zuOxidationsvermoumlgen nimmt ab

edel unedel

Galvanische Zellen

Bei einem Versuchsaufbau wie in Abb 101 werden Elektronen von Zn auf Cu2+ uumlbertragenohne dass wir sie sinnvoll nutzen koumlnnen Um einen elektrischen Verbraucher (Lampe Motorhellip) betreiben zu koumlnnen muumlsste man die Elektronen umleitenMan kann nun die Reaktionen [R 105] und [R 106] in getrennten Gefaumlszligen ablaufen lassen und

die von der Zink- zur Kupferseite uumlbergehenden Elektronen durch einen Draht leiten um eineLampe zum Leuchten zu bringen (Abb 102) Einen solchen Aufbau nennt man GalvanischesElement (auch Galvanische Zelle) den Speziallfall der Galvanischen Zelle in der ein Cu-Stabin eine 1molare CuSO4-Loumlsung und ein Zn-Stab in eine 1molare ZnSO4-Loumlsung taucht nenntmanDaniell-Element Es besteht aus einer Cu2+Cu-Halbzelle und einer ZnZn2+-Halbzelle DieElektronen flieszligen von der Zink-Halbzelle zur Kupfer-Halbzelle Damit die Ladungsneutralitaumltder Halbzellen gewahrt bleibt wandern imGegenzug Sulfat-Ionen durch die poroumlse Trennwandvon der Kuper- zur ZinkseiteDie Staumlbe die in die Loumlsungen tauchen werden als Elektroden bezeichnet Die Cu-Elektrode

bildet die Kathode (Cu2+-Kationen wandern dorthin) die Zn-Elektrode die Anode Wir lernen

Elektroden

An der Kathode findet die Reduktion statt an der Anode die Oxidation



Eine Kurzschreibweise fuumlr das Daniell-Element sieht so aus

Zn|Zn2+ 11141021molL 1114105 |Cu2+ 11141021

molL 1114105 |Cu

Dabei bedeutet der senkrechte Strich bdquo|ldquo die Phasengrenze zwischen Elektrode und Loumlsung bzwdie poroumlse Trennwand zwischen den beidenHalbzellen Im Falle einer Salzbruumlcke zwischen denbeiden Halbzellen wird der senkrechte Doppelstrich bdquo||ldquo verwendet Konventionsgemaumlszlig wirddie Anodenreaktion zuerst aufgeschrieben

Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu2+

SO42minus SO4

2minus Zn2+

poroumlse Trennwand

eminuseminus

Halbzelle Halbzelle

Cu2+ + 2 endash Cu Zn Zn2+ + 2 endash

Abbildung 102 Ein Kupferstab taucht in eine Kupfersulfatloumlsung (linke Halbzelle) ein Zinkstab in eineZinksulfatloumlsung (rechte Halbzelle) Die Konzentrationen betragen jeweils 1molL

Ersetzt man den Verbraucher durch ein Voltmeter so misst man eine Spannung von 110VDiese Spannung (elektrische Spannung = Potentialdifferenz Symbol ΔE) entsteht aus der Dif-ferenz der Potentiale der beiden Halbzellen In jeder Halbzelle (HZ) herrscht ein bdquoElektronen-druckldquo d h ein Bestreben Elektronen abzugeben Dieser Elektronendruck (= Potential) laumlsstsich nicht messen lediglich die Differenzen der Potentiale beider Halbzellen lassen sich messenAlso Spannung = EHZ1 minus EHZ2 = ΔEElektromotorische Kraft (EMK)

Die elektrische Spannung ΔE die eine Galvanische Zelle liefern kann wird als Elektromoto-rische Kraft (EMK) bezeichnet Die EMK haumlngt von den beteiligten Substanzen ihren Kon-zentrationen und der Temperatur ab

Wenn alle Substanzen in ihren Standardzustaumlnden vorliegen bekommen die Werte fuumlr E einekleine hochgestellte Null

EMK = ΔE1113567 = E1113567HZ1 minus E1113567HZ2

Die Werte E1113567 fuumlr Halbzellen lassen sich der Elektrochemischen Spannungsreihe entnehmen



(Tab 101) In ihr sind Reduktionsreaktionen fuumlr die jeweilige Halbzelle sowie das zugehoumlrigeNormalpotential notiert

Tabelle 101 Ausschnitt aus der Elektrochemischen Spannungsreihe Normalpotentiale bei 29815K

Halbreaktion E1113567VLi+ + endash Li minus3045Na+ + endash Na minus2714

2H2O + 2endash H2 + 2OHndash minus08281Zn2+ + 2 endash Zn minus07628Fe2+ + 2 endash Fe minus04402

PbSO4 + 2 endash Pb + SO2ndash4 minus03588

Pb2+ + 2 endash Pb minus01262H+ + 2 endash H2 0000

CH3CHO + 2H+ + 2 endash C2H5OH +021Cu2+ + 2 endash Cu +0337Fe3+ + endash Fe2+ +0771

Cr2O2ndash7 + 14H+ + 6 endash 2Cr3+ + 7H2O +133

MnOndash4 + 8H+ + 5 endash Mn2+ + 4H2O +151

PbO2 + 4H+ + SO2ndash4 + 2 endash PbSO4 + 2H2O +1682F2 + 2 endash 2Fndash +287

Wie bereits erwaumlhnt (s o) lassen sich absolute Normalpotentiale fuumlr eine Halbzelle nicht mes-sen Es ist lediglich moumlglich Potentialdifferenzen von zwei Halbzellen zu bestimmen Eine Be-zugselektrode ist daher noumltigMan hat sich fuumlr die Standardwasserstoffelektrode entschieden (Abb 103) Ein platiniertes

Platinblech taucht in eine saure Loumlsung mit pH = 0 (c(H+) = 1molL) Das Platinblech wird vonWasserstoffgas mit demDruck p(H2) = 1013 bar umspuumllt Dieser Elektrode wird willkuumlrlich derWert 0V zugewiesenMisst man nun viele verschiedene Halbzellen gegen die Standardwasserstoffelektrode erhaumllt

man Potentialdifferenzen die in der Spannungsreihe (Tab 101) niedergelegt sind In Wahrheitstehen also in der Spannungsreihe ΔE1113567-Werte Konventionsgemaumlszlig laumlsst man bei diesen Halbre-aktionen das Δweg was die Uumlbersicht bei Rechnungen erhoumlhtWir kommen zuruumlck auf die beiden Reaktion vom Beginn dieses Abschnitts und ergaumlnzen die

Reduktionspotentiale

Zn2+ + 2 endash Zn E1113567 = minus0763V [R 105]Cu2+ + 2 endash Cu E1113567 = +0337V [R 106]

Wir haben gesehen dass der Gesamtvorgang Cu2+ + Zn Cu + Zn2+ durch Umkehren derZink-Halbreaktion und anschlieszligendesAddieren zurKupfer-Halbreaktion ([R 106]+(minus[R 105]))beschriebenwird Das Standardpotential fuumlr die Zink-Halbzelle bekommt dadurch ein negativesVorzeichen E1113567 = minus(minus0763V) So wie die beiden Halbreaktionen addiert wurden werden nun



H+

poroumlse Trennwand

platiniertes

Pt-Blech

H+

zur Vergleichs-

Halbzelle H2

Abbildung 103Wasserstoffelektrode Bei T = 29815K c(H+) = 1molL und p(H2) = 1013 bar sprichtman von der Standardwasserstoffelektrode Es ist festgelegt E1113567(2H+ + 2 endash H2) =0V

die Standardpotentiale addiert

EMK = ΔE1113567 = E1113567Cu + (minusE1113567Zn) (101)

= E1113567Cu minus (+E1113567Zn) (102)

Eselsbruumlcke

= E1113567Kathode minus E1113567Anode (103)

= E1113567edel minus E1113567unedel (104)

= +0337V minus (minus0763V) (105)= +1100V (106)

Die EMK fuumlr den umgekehrten Vorgang Zn2+ + Cu Cu2+ + Zn (hier ist jetzt die Zn die Ka-thode) ist

ΔE1113567 = E1113567Zn + (minusE1113567Cu) (107)

= minus1100V (108)

Wir sehen nun folgendes Fuumlr die freiwillig ablaufende Reduktion von Cu2+ durch Zn erhaltenwir eine positive EMK fuumlr die nicht freiwillig ablaufende Oxidation von Cu durch Zn2+ ist dieEMKnegativ Die bdquoFreiwilligkeitldquo einer Reaktionwird durch die Freie EnthalpieΔG beschriebenEs gilt



Zusammenhang zwischen den Vorzeichen von ΔG und ΔE

ΔG lt 0 hArr ΔE gt 0ΔG = 0 hArr ΔE = 0ΔG gt 0 hArr ΔE lt 0

Der exakte Zusammenhang zwischen ΔG und ΔE laumlsst sich aus der physikalischen Definitionder elektrischen ArbeitWel ableiten

Wel = q sdotU (109)

wobei q eine Ladung z B die Ladung eines Elektrons q = minuse = minus16022 sdot 10minus11135681113576C und U dieelektrische Spannung (Potentialdifferenz) darstelltWir identifizierenΔG als (elektro-)chemischeArbeit und ΔE als elektrische Spannung Wir muumlssen uns auf eine Ladung einigen als Chemi-ker interessiert uns das Verhalten einer einzigen Ladung nicht so sehr wie das Verhalten vielerLadungen z B von 1mol Elektronen Weiterhin werden bei einigen Redox-Reaktionen unterUmstaumlnden mehrere Elektronen uumlbertragen (bei der Reduktion von MnOndash

4 zu Mn2+ beispiels-weise fuumlnf) die Anzahl der uumlbertragenen Elektronen wird mit z bezeichnet Wir tragen alleszusammen und formulieren

ΔG = z sdot (minuse) sdotNA sdot ΔE (1010)

Wir sortieren um

ΔG = minusz sdot e sdotNA sdot ΔE (1011)

Das Produkt der beidenKonstanten eundNA ergibt eine neueKonstante die Faraday-KonstanteF

e sdotNA = 16022 sdot 10minus11135681113576C sdot 6022 sdot 10111356911135701mol (1012)

= 96 485 Cmol (1013)

= F (1014)

Fertig ist der Zusammenhang Und die Vorzeichen stimmen auch

ΔG = minusz sdot F sdot ΔE (1015)

Zusammenhang zwischen ΔG und ΔE

ΔG = minusz sdot F sdot ΔE (1016)Insbesondere gilt fuumlr die Standardzustaumlnde

ΔG1113567 = minusz sdot F sdot ΔE1113567 (1017)



mit der Faraday-KonstantenF = e sdotNA (1018)

= 96 485 Cmol (1019)

Beispiel 109 Blei Blei(IV)-oxid und Blei(II)-sulfat

Wir betrachten noch folgende ReaktionenPbSO4 + 2 endash Pb + SO2ndash

4 E1113567 = minus03588V [R 107]PbO2 + SO2ndash

4 + 4H+ PbSO4 + 2H2O E1113567 = +1682V [R 108]

Wir wissen es nicht besser und rechnen [R 107]minus [R 108]2 PbSO4 + 2H2O Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO2ndash

4

Wir gehen von Standardzustaumlnden aus Damit ergibt sich fuumlr die EMKΔE1113567 = E1113567PbSO4Pb

minus E1113567PbO2PbSO4

= minus03588V minus (+1682V)= minus2041V

Wir erkennen dass ΔE1113567 negativ ist also die umgekehrte Reaktion stattfindet Die Umkehrre-aktion findet Anwendung in Bleiakkumulatoren in Kraftfahrzeugen Sechs solcher Galvani-scher Zellen in Reihe geschaltet ergeben dann eine Gesamtspannung von 12V

105 Nernst-Gleichung

Wie laumlsst sich die EMK nun ausrechnen wenn die beteiligten Reaktanden nicht in ihren Stan-dardzustaumlnden vorliegen oder wenn die Reaktion nicht bei Raumtemperatur ablaumluftAus derThermodynamik gilt der folgende Zusammenhang zwischen ΔG und ΔG1113567 (ohne Her-

leitung da diese den Rahmen sprengen wuumlrde glauben Sie mir es bitte einfach)

ΔG = ΔG1113567 + RT lnQ (1020)

R ist die Gaskonstante T die Temperatur undQ der ReaktionsquotientQ ist schlicht und ergrei-fend der Bruch der im MWG erscheint Fuumlr den Fall dass das System im Gleichgewicht ist giltder bekannte Zusammenhang Q = K Sie sehen also nichts Neues

Und jetzt wirdrsquos gut Einsetzen von Gl (1016) und Gl (1017) in Gl (1020) liefert

minusz sdot F sdot ΔE = minusz sdot F sdot ΔE1113567 + RT lnQ (1021)

und nach Teilen durch minuszF auf beiden Seiten

ΔE = ΔE1113567 minus RTzF lnQ (1022)



Nernstsche Gleichung

Gl (1022) wird als Nernstsche Gleichung bezeichnet

ΔE = ΔE1113567 minus R sdot Tz sdot F lnQ (1022)

Gl (1022) gilt uneingeschraumlnkt fuumlr jeden Redoxvorgang (auch fuumlr Halbzellen ndash dann ver-schwinden die bdquoΔldquos) fuumlr beliebige Konzentration Druumlcke und Temperaturen Alle anderen For-men die in Lehrbuumlchern auftauchen sind umgeformte Spezialfaumllle von Gl (1022)Einen Spezialfall moumlchte ich Ihnen dennoch ans Herz legen Man kann die Konstanten R und

F zusammenfassen fuumlr T eine Temperatur von 29815K einsetzen und den natuumlrlichen in dendekadischen Logarithmus (Logarithmenregeln) umrechnen (z lassen wir unberuumlhrt)

RTF lnQ = 8314 51 J(molK) sdot 29815K

96 485Cmol sdot ln 10 sdot lgQ (1023)

= 00592 JC lgQ (1024)

Weil 1 JC = 1V ist

= 00592V lgQ (1025)

Es ergibt sich schlieszliglich

ΔE = ΔE1113567 minus 00592Vz lgQ (1026)

Beispiel 1010 Daniell-Element in der Nernstschen Gleichung bei Standardzustaumlnden

Wir uumlberpruumlfen die Nernstsche Gleichung anhand des Daniell-ElementsCu2+ + Zn Cu + Zn2+

Es ergibt sich fuumlr Q

Q = c(Cu) sdot c(Zn2+)c(Cu2+) sdot c(Zn)

und weil c(Cu) = c(Zn) = 1

Q = c(Zn2+)c(Cu2+)

Und wie gehabt

ΔE = E1113567Cu2+Cu

minus E1113567Zn2+Zn

minus 00592V2 lg c(Zn2+)c(Cu2+)

Beim Daniell-Element gilt c(Zn2+) = c(Cu2+) = 1molLΔE = E1113567

Cu2+Cuminus E1113567

Zn2+Znminus 00592V2 lg 1

= E1113567Cu2+Cu


= 1100V



Beispiel 1011 Daniell-Element in der Nernstschen Gleichung bei Nicht-Standardzustaumlnden

Wir modifizieren das Daniell-Element c(Cu2+) = 005molL c(Zn2+) = 12molLΔE = E1113567


Zn2+Znminus 00592V2 lg 12molL

005molL

= E1113567Cu2+Cu


minus 00592V2 lg 24

= 1100V minus 0041V= 1059V

Reaktionen in denen H+- oder OHndash-Ionen stehen sind vom pH-Wert abhaumlngig Beim Blas-roumlhrchen hatten wir folgende Halbreaktion

Cr2O2ndash7 + 14H+ + 6 endash 2Cr3+ + 7H2O E1113567 = +133V

Fuumlr das Halbzellenpotential ergibt sich

E = E1113567 minus 00592Vz lg c1113569(Cr3+)c(Cr2O2ndash

7 ) sdot c11135681113571(H+)

Der Einfachheit halber nehmen wir c(Cr3+) = c(Cr2O2ndash7 ) = 1molL an

E = 133V minus 00592V6 lg 1c11135681113571(H+)

Fuumlr pH = 0 (c(H+) = 1molL) ergibt sich

E = 133V minus 00592V6 lg 1(1molL)11135681113571

= 133V

Fuumlr pH = 14 (c(H+) = 10minus11135681113571molL) ergibt sich

E = 133V minus 00592V6 lg 1

111410010minus11135681113571molL111410311135681113571

= 133V minus 00592V6 lg 1111410010minus1113568111357611135731114103

= 133V minus 1934V= minus0604V

Im stark alkalischen Milieu aumlndert sich das Vorzeichen der EMK das starke OxidationsmittelDichromat wird bei hohen pH-Werten nicht reagierenZum Schluss berechnen wir noch die Potentiale der Standardwasserstoffelektrode bei pH = 7

und pH = 14

E = E1113567 minus 00592V1 lg 1c(H+)



pH = 7

E = 0V minus 00592V1 lg 110minus1113574

= minus04144V

pH = 14


= minus0829V


Anhang A

Mathematischer Anhang

Teilweise entnommen aus dem Skript bdquoAnorganisch-Chemisches Grundpraktikum fuumlr Studie-rende des Lehramtsldquo

A1 Logarithmen

Definition Ist bx = c so heiszligt die Hochzahl x der Logarithmus von c zur Basis b man schreibtx = log

bc Wir unterscheiden zwischen folgenden Logarithmen

log11135681113567 x = lg x logex = ln x log1113569 x = lb x

dekadischer natuumlrlicher dualerLogarithmus Logarithmus Logarithmus

Rechenregeln (u v gt 0)

Regel Beispiel

log(u sdot v) = log u + log v log(5 sdot 3) = log 5 + log 3log 1114100uv 1114103 = log u minus log v log 1114100 111357011135751114103 = log 3 minus log 8

log (un) = n sdot logu log 1114100411135691114103 = 2 sdot log 4

Allgemein gilt

log 1 = 0log

uu = 1

Umrechnen von Basis g auf Basis b

logbx = log

bg sdot log

gx

A2 Physikalische Groumlszligen eckige Klammern etc

Als angehende Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftler sind Sie dazu angehaltenmit physikalischen Groumlszligen umzugehen und deren Schreibweisen korrekt anzuwendenEine physikalische Groumlszlige ist ein messbares Merkmal eines physikalischen Objekts Vorgangs

oder Zustands Der Wert dieser physikalischen Groumlszlige laumlsst sich als Produkt aus einem Zahlen-wert (Maszligzahl) und einer Maszligeinheit angeben Physikalische Groumlszligen erhalten typischerweise

ein Schriftzeichen (Formelzeichen) das im Textsatz kursiv gesetzt wird z B U fuumlr elektrischeSpannung l fuumlr Laumlnge V fuumlr Volumen hellipMathematisch laumlsst sich dieser Sachverhalt folgendermaszligen ausdruumlcken

U = U sdot [U] (A1)

wobei U die physikalische Groumlszlige U den Zahlenwert [U] die Einheit angibtDaraus ergibt sich beispielsweise

U = 230V (A2)

und damit

U = 230 (A3)[U] = V (A4)

Die eckigen Klammern bedeuten damit bdquoDie Einheit der physikalischen Groumlszlige elektrischeSpannung mit dem Symbol U ist Volt mit dem Zeichen VldquoDie leider immer noch haumlufig anzutreffende Schreibweise U [V] ist falschWenn Messwerte in Tabellen oder graphischen Darstellungen einzutragen sind empfiehlt es

sich die Werte gemaumlszlig

U = U[U] (A5)

durch ihre Einheit zu dividieren dies kenntlich zumachen und nur die Zahlenwerte einzutragen(Tab A1)

Tabelle A1 Gemessene Spannungen an offenliegenden Stromleitungen

Draumlhte UV

rot und gruumln 230blau und rot 221blau und gelb 180schwarz und gelb 245

Andere Moumlglichkeiten den Kopf der zweiten Spalte zu schreiben sindUV oder (nicht schoumlnaber akzeptabel) U in V aber keinesfalls U [V] oder U (V)

A3 Wichtige Konstanten und Formeln

A31 Basiseinheiten

Basisgroumlszlige Einheit Zeichen

Laumlnge Meter mMasse Kilogramm kgZeit Sekunde sElektrischer Strom Ampere ATemperatur Kelvin KStoffmenge Mol molLeuchtstaumlrke Candela cd

A32 Abgeleitete SI-Einheiten

Basisgroumlszlige Einheit Zeichen in SI-Einheiten

Kraft Newton N kgms2

Energie Joule J NmLeistung Watt W Jselektrische Ladung Coulomb C AsSpannung Volt V WA = JCelektrischer Widerstand Ohm Ω VAelektrische Leitfaumlhigkeit Siemens S Ωminus1113568 = AVelektrische Kapazitaumlt Farad F CV

A33 Naturkonstanten

Basisgroumlszlige Zeichen Wert

Avogadro-Zahl NA 6022 137 sdot 1023molminus1

Elementarladung e 1602 177 3 sdot 10minus19CFaraday-Konstante F = NA sdot e 9648 531 sdot 104CmolGaskonstante R 8314 51 J(molK)Lichtgeschwindigkeit c 2997 924 58 sdot 108msPlanck-Konstante h 6626 076 sdot 10minus34 J s

A4 Stammfunktionen und Ableitungen (Auswahl)

F(x) 1113603F1113603x = Fprime(x) = f(x)

xn nxnminus1113568(n isin ℝ)C 0ex exekx kekx

ln x 1113568x

sin x cos xcos x minus sin x

Quellen

Weiterfuumlhrende Informationen auch zur Schreibweise vonMessunsicherheiten finden sich u ahier

bull Le Systegraveme international drsquouniteacutes 8e eacutedition httpwwwbipmorg 2006 (franzoumlsisch undenglisch)

bull Das Internationale Einheitensystem (SI) Deutsche Uumlbersetzung der BIPM-Broschuumlre LeSystegraveme international drsquouniteacutesThe International System of Units (8e eacutedition 2006) In PTB-Mitteilungen 117 Nr 2 2007 (Online-Version httpwwwptbdecmsfileadmininternetpublikationenDasInternationaleEinheitensystempdf)

bull WilliamM Haynes CRC Handbook of Chemistry and Physics 94 Auflage Taylor amp Francis2013 ISBN 978-1-4665-7114-3

bull DIN 461 DIN 1301 DIN 1304 DIN 1333 DIN 1338

bull Horst Kuchling Taschenbuch der Physik 18 Auflage Fachbuchverlag Leipzig 2004 ISBN978-3-466-22883-2

bull Der bereits erwaumlhnte MortimerMuumlller

Anhang B

Periodensystem

11

22

33

44

55

66

77

66

77

1ndash

Ia

2ndash

IIa

13

ndashII

Ia

14

ndashIV

a15

ndashV

a16

ndashV

Ia

17

ndashV

IIa

18

ndash0

3ndash

IIIb

4ndash

IVb

5ndash

Vb

6ndash

VIb

7ndash

VII

b8

9

VII

Ib

10

11

ndashIb

12

ndashII

b

H 1

10

079

He

2

40

026

Li 3

69

41

Be 4

90

112

B 5

108

11

C 6

120

11

N 7

140

07

O 8

159

99

F 9

189

98

Ne

10

201

80

Na

11

229

9

Mg

12

243

05

Al

13

269

82

Si

14

280

86

P 15

309

74

S 16

320

66

Cl

17

354

53

Ar

18

399

48

K 19

390

98

Ca

20

400

78

Sc

21

449

56

Ti

22

478

8

V 23

509

42

Cr

24

519

96

Mn

25

549

38

Fe

26

558

45

Co

27

589

33

Ni

28

586

93

Cu

29

635

46

Zn

30

653

9

Ga

31

697

23

Ge

32

726

1

As

33

749

22

Se

34

789

6

Br

35

799

04

Kr

36

838

0

Rb

37

854

68

Sr

38

876

2

Y 39

889

06

Zr

40

912

24

Nb

41

929

06

Mo

42

959

4

Tc

43

(989

06)

Ru

44

1010

7

Rh

45

1029

1

Pd

46

1064

2

Ag

47

1078

7

Cd

48

1124

1

In 49

1148

2

Sn

50

1187

1

Sb

51

1217

6

Te

52

1276

0

I 53

1269

0

Xe

54

1312

9

Cs

55

1329

1

Ba

56

1373

3

LandashLu

57ndash71

Hf

72

1784

9

Ta

73

1809

5

W 74

1838

4

Re

75

1862

1

Os

76

1902

3

Ir 77

1922

2

Pt

78

1950

8

Au

79

1969

7

Hg

80

2005

9

Tl

81

2043

8

Pb

82

2072

0

Bi

83

2089

8

Po

84

(2099

8)

At

85

(2099

9)

Rn

86

(2220

2)

Fr 87

(2230

2)

Ra

88

(2260

3)

AcndashLr

89ndash103

Rf

10

4

(2611

1)

Db

10

5

(2621

1)

Sg

10

6

(2631

2)

Bh

10

7

(2621

2)

Hs

10

8

(269)

Mt

10

9

(268)

Ds

11

0

(271)

Rg

11

1

(272)

Cn

11

2

(277)

Uu

t1

13

(284)

Fl

11

4

(289)

Uu

p1

15

(288)

Lv

11

6

(292)

Uu

s1

17

mdash

Uu

o1

18

mdash

La

57

1389

1

Ce

58

1401

2

Pr

59

1409

1

Nd

60

1442

4

Pm 61

(1449

1)

Sm 62

1503

6

Eu

63

1519

6

Gd

64

1572

5

Tb

65

1589

3

Dy

66

1625

0

Ho

67

1649

3

Er

68

1672

6

Tm 69

1689

3

Yb

70

1730

4

Lu

71

1747

8

Ac

89

(2270

3)

Th

90

(2320

4)

Pa

91

(2310

4)

U 92

(2380

3)

Np

93

(2370

5)

Pu

94

(2440

6)

Am 95

(2430

6)

Cm 96

(2470

7)

Bk

97

(2470

7)

Cf

98

(2510

8)

Es

99

(2520

8)

Fm

10

0

(2571

8)

Md

10

1

(2581

0)

No

10

2

(2591

0)

Lr

10

3

(2621

1)

Vorwort

1 Chemie




2 Atomtheorie


22 Das Elektron

23 Das Proton

24 Das Neutron


26 Atommodell nach Rutherford

27 Atomsymbole

28 Isotope

29 Atommassen

3 Elektronenstruktur der Atome


32 Atommodell nach Bohr


34 Orbitalbesetzung

35 Periodensystem

4 Stoumlchiometrie



43 Das Mol




5 Chemisches Gleichgewicht




6 Thermodynamik und Kinetik

61 Enthalpie

62 Satz von Hess


64 Kinetik



7 Gase Fluumlssigkeiten Feststoffe

71 Phasenbegriff

72 Gase


73 Fluumlssigkeiten


75 Feststoffe


77 Phasendiagramme

771 Phasendiagramm und Eigenschaften von Wasser




8 Chemische Bindung




84 Ionische Bindung


851 Lewis-Formeln



9 Saumluren und Basen

91 Ionenprodukt des Wassers


93 pH-Wert



96 Reaktion von Salzen mit Wasser

97 Puffersysteme


10 Elektrochemie






A Mathematischer Anhang

A1 Logarithmen



A31 Basiseinheiten


A33 Naturkonstanten


B Periodensystem

Inhaltsverzeichnis

Vorwort xiii

1 Chemie 111 Was ist Chemie und womit beschaumlftigt sie sich 112 Historische Entwicklung der Chemie 113 Elemente Verbindungen und Gemische 3

2 Atomtheorie 521 Dalton-Atomtheorie 522 Das Elektron 623 Das Proton 724 Das Neutron 825 Radioaktivitaumlt 926 Atommodell nach Rutherford 1027 Atomsymbole 1128 Isotope 1229 Atommassen 12

3 Elektronenstruktur der Atome 1531 Elektromagnetische Strahlung Kenngroumlszligen 1532 Atommodell nach Bohr 1533 Quantenmechanisches Atommodell 1634 Orbitalbesetzung 1935 Periodensystem 19

4 Stoumlchiometrie 2541 Atome Molekuumlle Ionen 2542 Chemische Verbindungen 2543 Das Mol 2644 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen 2745 Reaktionsgleichungen 2846 Loumlsungen und Stoffmengenkonzentrationen 29

5 Chemisches Gleichgewicht 3151 Reversible und irreversible Reaktionen 3152 Massenwirkungsgesetz 3153 Lage des Gleichgewichts und deren Beeinflussung 34

iii

Inhaltsverzeichnis











Inhaltsverzeichnis
















vii








Tabellenverzeichnis







ix

Beispielverzeichnis

01 Beispiele xiv










xi

Beispielverzeichnis








Vorwort





Zum Skript




Literatur





xiii

Vorwort



Technische Hinweise








120575+H







Kapitel 1

Chemie



Definition









Kapitel 1 Chemie
























Elementdefinition






Materie


Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

chemischen Meth



Kapitel 1 Chemie




Rest 056







Kapitel 2

Atomtheorie



Antike Atome
















22 Das Elektron


NaKCa SrBa





Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(ndash)

(+)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS




23 Das Proton



qm = minus17588 sdot 101113575 Cg




(ndash)

(+)








= 91094 sdot 10minus11135701113568 kg

23 Das Proton







qp+

mp+= +95791 sdot 101113571 Cg



Kathode

(ndash)

Anode

(+)

endash

endash

endash

endash

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld



mendashasymp 1836

24 Das Neutron




Uumlbersicht






Teilchen mkg

mu

q11135681113573111356711135691113569 sdot 11135681113567minus11135781113586 1113684






Anwendungen






120582 = ln 2t11135681113569

(22)







Metallfolie

Film

geschwaumlrzte

Stellen

radioaktives

Praumlparat



Konsequenzen





27 Atomsymbole







dAtomdKern

= 10minus11135681113567m10minus11135681113572m

= 101113572

27 Atomsymbole


AZSym



deutig ist


11H 21H = D 31H = T





2311Na+ 2713Al3+ 3216S2ndash




28 Isotope



Isotope





29 Atommassen




29 Atommassen

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Gluumlhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor







= 12



= 1007








35453 u


Kapitel 3








Bohrsche Postulate







p+

eminus

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2ltE1 lt E2





1113569 + V(r t)1114105120569(r t) (31)







A

A

λ

λ

λ

A


A

A

λ

λ

A




Δp sdot Δr ge h



Quantenzahlen






x

y

z

s ( = 0)l

x

y

z


x

y

z

p ( = 1 = 0)y ll m

x

y

z

p ( = 1 = +1)z ll m

x

y

z


x

y

z


x

y

z

d ( = 2 = 0)yz ll m

x

y

z


x

y

z



34 Orbitalbesetzung



11135681113569



n = 2 rArr l =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩


1 rArr ml =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩


+1 rArr 2pz-Orbital

34 Orbitalbesetzung


Pauli-Prinzip


Hundsche Regel







35 Periodensystem





1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie










35 Periodensystem

(ndash)

(ndash)

(+)

(+)

KathodeKathode

AnodeAnode

UA

UH


eminuseminus







Gruppennamen






H 1s1113568 1s1113568

He 1s1113569 1s1113569

Li 1s1113569 2s1113568 [He] 2s1113568

Be 1s1113569 2s1113569 [He] 2s1113569

B 1s1113569 2s1113569 2p1113568 [He] 2s1113569 2p1113568

C 1s1113569 2s1113569 2p1113569 [He] 2s1113569 2p1113569

N 1s1113569 2s1113569 2p1113570 [He] 2s1113569 2p1113570

O 1s1113569 2s1113569 2p1113571 [He] 2s1113569 2p1113571

F 1s1113569 2s1113569 2p1113572 [He] 2s1113569 2p1113572

Ne 1s1113569 2s1113569 2p1113573 [He] 2s1113569 2p1113573

Na 1s1113569 2s1113568 2p1113573 3s1113568 [Ne] 3s1113568

Mg 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 [Ne] 3s1113569

Al 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113568 [Ne] 3s1113569 3p1113568

Si 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113569 [Ne] 3s1113569 3p1113569

P 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113570 [Ne] 3s1113569 3p1113570

S 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113571 [Ne] 3s1113569 3p1113571

Cl 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113572 [Ne] 3s1113569 3p1113572

Ar 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113573 [Ne] 3s1113569 3p1113573

Gruppe Name



Tendenzen im PSE

Atomradius



35 Periodensystem

Ionisierungsenergie



Ionisierungsenergie







F40gt O

34gt N

31asymp Cl

31gt C

25gt H

22gt Si

19gt Li

10gt Na

09gt Fr

07





nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie




Kapitel 4

Stoumlchiometrie

Stoumlchiometrie










4 PO3ndash4 NH+

4












43 DasMol



oder



Mol


6C enthalten sind



1mol = 9594gmol =M




Molare Formelmasse




NA =Nn = 6022 14 sdot 1011135691113570 1

mol


Avogadro-Gesetz









= 3 sdot 5585 gmol + 4 sdot 1599

gmol

= 23155 gmol






= 16755 gmol23155 gmol

= 0724




5 + 2 times 8 = 7 + 14 (42)












H+ + H2O H3O+ [R 43]







C2H6 + O2 CO2 + H2O [R44]




C2H6 +72 O2 2CO2 + 3H2O [R47]



2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O [R48]





c(X) = n(X)V




= 2922 g









= c sdot R sdot T



Kapitel 5












N2 + 3H2 2NH3 [R 53]



N2 + 3H2 2NH3 [R 55]





A + B C + D [R 56]












und umgeformt



quotientldquo





A + B 2C


A + B C + C

Also gilt

c(C) = c(D)



= c1113569(C)c(A) sdot c(B)



ergibt sich










Es ergibt sich


c(Cl2) sdot c(H2O)



c(Cl2)


N2 + 3H2 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p1113569(NH3)

p(N2) sdot p1113570(H2)



Kc =c1113569(NH3) sdot (RT)1113569





CaCO3 CaO + CO2uarr

Das MWG lautetKc =



Kprimec = c(CO2)





LeChatelier





N2 + 3H2 2NH3


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





Lage jedoch nicht


Kapitel 6






61 Enthalpie


H = U + p sdot V (61)












mol

rArr H2O H2 +12 O2 ΔH = +2859 kJ

mol

62 Satz vonHess

Satz von Hess







mol

undCO +


mol




kJmol1114105

= minus3935 kJmol




C2H4 + H2 C2H6 ΔH = [R 61]


mol [R 62]



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

rArr C2H4 + H2 C2H6



kJmol1114105

= minus1370 kJmol














Freie Enthalpie ΔG


64 Kinetik


A2 + X2 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und


dt


Stoszligtheorie




A2 + X2

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

A ⋯ A⋮ ⋮X ⋯ X

⎫⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭

ne

aktivierterKomplex

2AX



64 Kinetik

A2

X2

AX AX



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH lt 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH gt 0

aktivierter

Komplex

EA


Katalyse





A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

akt K (nk)

EA(nk)

EA(k)

akt K (k)akt K (k)










1 Ordnung in A


2 Ordnung insgesamt



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX





1 Ordn


sdot c1113570(C)11140533 Ordn

sdot c1113569(D)11140532 Ordn11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

7 Ordnung insgesamt



146C 14

7N+ + endash + ν




N sim c

Es ergibt sich also







1114009 dNN = minus120582 sdot 1114009dt




rArrNE

1114009N1113577


tE

11140091113567

dt

(lnN)1114071NE

N1113577

= minus120582 sdot (t)1114071tE

1113567










N(t11135681113569) =N11135672


12 = e


rArr 2 = e120582sdott11135781113579

ln 2 = 120582 sdot t11135681113569





Cl2 + CH4Methan


Kettenstart


Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung




+ Cl

Kettenabbruch


CH3 + CH3 C2H6Ethan





Kapitel 7


71 Phasenbegriff

Phase







72 Gase



p = FA

(71)


1114094p1114097 = Pa = Nm1113569



HgHg

Atmosphaumlren-

druck

Atmosphaumlren-

druck

Druck der

Hg-Saumlule Vakuum

h p~



= 1013 kPa= 760 torr


Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Saumlule

Gasdruckh p~



72 Gase

Partialdruck




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






p sim 1V




R = 83145 JmolK

= 83145 Pam1113570

molK= 00821 atmL

molK

Ideales Gas




73 Fluumlssigkeiten




+q minusq

r



Permanente Dipole







Temporaumlre Dipole






++++ +

+minusminus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

δ+ δminus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus










δ+

2δminus

δ+










75 Feststoffe

HF

HCl HBr

HISbH3

AsH3

NH3

PH3

SiH4

CH4

GeH4

SnH4

H O2

H2S

H2Se

H2Te

2 3 4 5

minus200

minus100

0

100

Sie

dep

un

kt

degC

Periode


75 Feststoffe





S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si








schmelzen

(Schmelzpunkt)

erstarrengefrieren

(Gefrierpunkt)

verdampfen

(Siedepunkt)

kondensieren


sublimieren

(Sublimationspunkt)

resublimieren



77 Phasendiagramme






H2O(s) H2O(g)



H2O(l) H2O(g)


77 Phasendiagramme

221 bar

1013 bar

00061 bar

p

000

250

0110

037

4

TdegC

Dampf

Fluumlssigkeit

Feststoff

Kritischer

Punkt

Siedepunkt


Fluumlssigkeit

Dampfdruckkurve

Dampf

von

fluumlss

igem

Was

ser

druck

kurve

von Eis

Sch

melzp

un

ktsk

urv

e festfluumlssig

Schmelzpunkt

A

B



H2O(s) H2O(l)











S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H H

HH

H H

H H

H









1001

1000

0999

0998

0997minus10 0 4 10 20

TemperaturdegC

Dic

hte

(g

cm

)3

Dic

hte

(g

cm

)3

TemperaturdegC

minus100 minus50 0 50 1000910

0920

0930

0940

0950

0960

0970

0980

0990

1000

Wasser


Eis













p

Feststoff

Fluumlssigkeit

Dampf

Tripelpunkt

Kritischer

Punkt

TdegC31

0minus5

66

minus78

5

1013 bar

518 bar

737 bar








Wasser und Salze









Na+ Clminus Na+

Clminus

Na+

Clminus Na+ Clminus



ClminusNa+












= 17 sdot 10minus11135681113567 mol1113569

L1113569(74)







=111396917 sdot 10minus11135681113567 mol

1113569

L1113569







c(Clndash)











und




ermitteln


c1113569(Pb2+) = KL


=11139692 sdot 10minus11135681113573 mol

1113569

L1113569








KL = c(Co2+) sdot 11141002c(Co2+)11141031113569

= 4c1113570(Co2+)


c(Co2+) = 1114102KL

4 111410511135781113580




Kapitel 8

Chemische Bindung









F = 071 Aring2 r

Cl = 099 Aring2 r

Br = 114 Aring2 r

I = 133 Aring2 r













N

N

N H

H

O

N

N

O

N

NO

O

P

N

N

N

NO

O

O

O

O

O

N H

H

H N

N

N

H

H

O

O

O

O

O

P

O

O

H






Metall










Elektronengas


Na

Na

Na Na

NaNa Na Na

NaNa Na Na

NaNaNa Na+ Na+Na+

Na+Na+

Na+





84 Ionische Bindung



84 Ionische Bindung





Na ∶ [Ne] 3 s1113568

Na+ ∶ [Ne]Cl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113572

Clndash ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113573 = [Ar]



Al3+ ∶ [Ne]O ∶ [He] 2 s1113569 2p1113571

O2ndash ∶ [He] 2 s1113569 2p1113573 = [Ne]


Fe ∶ [Ar] 3d1113573 4s1113569

Fe3+ ∶ [Ar] 3d1113572 = [Ar] 3d1113568xy 3d1113568xz 3d

1113568yz 3d

1113568z1113579 3d

1113568x1113579minusy1113579


pien) vor













kJmol









Al4C3


84 Ionische Bindung

Gitterenthalpie











Bildungsenthalpie


kJmol [R 82]








kJmol [R 86]














kJmol1114105 + 1114102minus

12 sdot 243

kJmol1114105 + 1114102minus496


kJmol1114105


= minus788 kJmol











1s 1s

Molekuumllorbital


1s 3pz

Molekuumllorbital



3s

3px

3py


851 Lewis-Formeln










H 2 1H 2 1


H Hmdash



H 2 1F 8 7





H Fmdashmdash

mdash



C 8 4O 8 6




O 8 6O 8 6


OmdashOmdash







S 8 6S 8 6

2






N 8 5H 2 1H 2 1H 2 1H 2 1

minus116 8



N

H

HH

H




+



C 8 4O 8 6O 8 6O 8 6

2


C

O

OOC

O

OOC

O

OO



He He Ne Nemdash

mdash Na+ O2ndash







AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie









x


AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie



y- und πlowast2p

y


AO AOMO

bindend

antibindendEn

erg

ie



1113569 )




AO AOMO

En

erg

ie

H HH2

1s 1s

σ1s

σ1s



AO AOMO

En

erg

ie

He HeHe2

1s 1s

σ1s

σ1s



xdurch



yund π2p



yund πlowast2p

z Das




AO AOMO

En

erg

ie

O OO2

2s 2s

σ2s

σ2s

2px

σ2px

2py 2pz 2px2py2pz

σ2px

π2pyπ2pz

π2pyπ2pz



mdash mdashOmdashO







AO AOMO

En

erg

ie

H FHF

1s

2sn2s

σ

2px 2py 2pz

σ

n2pyn2pz


Bindungsordnung


Bindungsordnung






O2 BO = 8 minus 42 = 2

H2 BO = 2 minus 02 = 1

He2 BO = 2 minus 22 = 0






AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi2

2s 2s

σ2s

σ2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi3

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2sn2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi4

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2s

AO

Li

2s

σ2s

σ2s






MO

En

erg

ie

LiN

Band











MO

En

erg

ie

BeN

2p

2s






Kapitel 9

Saumluren und Basen



cken z B




















(91)


n = mM

= 1000 g1802 gmol

= 5551mol


c(H2O) =5551mol

1 L

= 5551 molL




KW = K sdot c(H2O)



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(bei 25 degC) (92)








HClS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ Clndash

B1


H2OS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ OHndash

B1[R 92]



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(94)






c(H3O+)



Einsetzen liefert


= 10minus11135681113571 molL


93 pH-Wert





pOH-Wert




pKW = minus lgKW

= minus lg 10minus11135681113571

= 14 (96)







pH + pOH

pKW = pH + pOH = 14 (97)



=111396910minus11135681113571 mol

1113569

L1113569




pH = 7


pH-Bereiche






schwach ist








NaOH Na+ + OHndash




Acetat+ H3O+

MWG








KB =c(NH+





pKS- und pKB-Wert




pKS(pK


pKS(pK


pKS(pK



Saumlure



c(CH3COOH)

Konjugierte Base



c(CH3COOndash)






pKW = pKS+ pK

B


KS sdot KB = KW

pKW = pKS+ pK

B= 14








damitpK


S(CH3COOH)

= 14 minus 474= 926



Name




S1113568= 638


3 pKS1113569= 1032


S1113568= 212


4 pKS1113569= 721


4 pKS1113570= 1200


S= minus132



S1113568= minus300


4 pKS1113569= 189


B= 474













das MWG


c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c1113567(HA)


= [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579





= 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103



4 NH3 H2BOndash3





der pOH-Wert


c(Andash)











pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103 (98)






S(CH3COOH) = 474)

pH = 121114100474 minus lg 0011114103

= 12 sdot 674

= 337




S(CH3COOH) = 474)





S(CH3COOH) = 926

pH = 14 minus 121114100926 minus lg 0011114103

= 14 minus 12 sdot 1126

= 14 minus 563= 837




1 Stufe


Dihydrogenphosphat

2 Stufe


4Hydrogenphosphat

3 Stufe


4Phosphat




= 75 sdot 10minus1113570 molL (910)



4)= 62 sdot 10minus1113575 molL (911)



4 )= 1 sdot 10minus11135681113569 molL (912)


man





4)sdot c(PO


XXXXXc(HPO2ndash4 )

(913)


(914)






= 47 sdot 10minus11135691113569 mol1113570

L1113570(916)

rArr pKSges

= 2133 (917)


pKS1113568= 212 (918)

pKS1113569= 721 (919)

pKS1113570= 12 (920)


pKSges

= pKS1113568+ pK

S1113569+ pK

S1113570

= 212 + 721 + 12= 2133







Clndash + H2O


Na+ + H2O




97 Puffersysteme


NH+4 und Clndash


NH+4 + H2O NH3 + H3O+

Clndash + H2O




pKS= 14 minus pK

B= 926




Es gilt

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(NH4Cl)1114103 (98)

= 12 sdot1114100926 minus lg 031114103

= 12 sdot (926 + 052)

= 12 sdot 978

= 489


97 Puffersysteme





Puffer










Es folgt






Logarithmieren






97 Puffersysteme



c(HA) (921)


pH = pKS+ lg c(HA)

c(HA) = pKS+ lg c(A

ndash)c(Andash)

= pKS+ lg 1

= pKS






c(CH3COOH) + c(HCl)


= pKS+ lg 075105

= 474 minus 015= 459






4 mitpK

S= 721 (Tab 91)

700 = 721 + lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)



Delogarithmieren

10minus111356711135691113568 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)


4)




Pufferkapazitaumlt



pH = pKSplusmn 1











F

B

F

F


F

B

F

FF

B

F

F F

B

F

F


Fmdash

mdash


F

B

F

F

oder

minus


B

F

F F

F

minus

oder raumlumlichF

B

F

F

F

minus



Lewis-Formeln II



S 8 6F 8 7F 8 7F 8 7F 8 7


F

S

F

F Fmdash

mdash+



+


Komplexe




Komplex













Komplexnomenklatur






3 Carbonato CNndash












3





N Ag N

H

H

H

H

H

H

+


Ni

C

CC

C

O

O

O

O

44


3+

3


C

Fe

C

CC

C

C

N

N

N

N

4

N

N

4minus




Pt

N

NCl

Cl

HH

H

H

H

H

22


Kapitel 10

Elektrochemie





























+II minusII







OxZahl(C) = +II



+II minusII



+IVC



minusIIO2ndash

4 mdash+IK

+VIIMn



+VIMo




plusmn0D

plusmn0T Ist 2H3H




minusI

minusII

minusII

minusII

minusII

minusII

minusIIminusII

minusII

minusII






minusIIO2ndash


Ergaumlnzung


Oxidation

plusmn0Ca


+ICu+ +II


Reduktion

+IIMn2+ + 2 endash

plusmn0Mn [R103]

+IIIFe3+ + endash

+IIFe2+ [R 104]







Redox-Reaktion









+IVC

minusIIO3 +

+IH2

minusIIO +

+IVC

minusIIO2

+IICa(

+IH

+IVC

minusIIO3)2





+IH2

minusIIO 2

+IH+ +



plusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash +

minusIIO

+IClndash





O Cl

minusII+I minus


H2+VISO4 + 3H2

minusIIS 4

plusmn0S + 4H2O



+VIIMnOndash

4 +minusIIN2H4

+IVMnO2 +

plusmn0N2


+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2


+VIIMnOndash





minusIIN2H4



N2 + 4 endash







4+VIIMnOndash





4+VIIMnOndash


+IVMnO2 +

416OHndash + 3


412H2O







+I

+I +I

+I

+I +I


und Ethanal

minusIII

minusII+I

+I

+I

+I

+I


+VICr2O2ndash

7+IIICr3+



7 + 6 endash + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O













Zn2+ + Cu Zn + Cu2+


Cu2+ + Zn Cu + Zn2+








Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu





edel unedel

Galvanische Zellen




Elektroden





Zn|Zn2+ 11141021molL 1114105 |Cu2+ 11141021

molL 1114105 |Cu


Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu2+

SO42minus SO4

2minus Zn2+

poroumlse Trennwand

eminuseminus

Halbzelle Halbzelle




























H+

poroumlse Trennwand

platiniertes

Pt-Blech

H+

zur Vergleichs-

Halbzelle H2




= E1113567Cu minus (+E1113567Zn) (102)

Eselsbruumlcke



= +0337V minus (minus0763V) (105)= +1100V (106)


ΔE1113567 = E1113567Zn + (minusE1113567Cu) (107)

= minus1100V (108)







Wel = q sdotU (109)




Wir sortieren um




= 96 485 Cmol (1013)

= F (1014)









= 96 485 Cmol (1019)




4 + 4H+ PbSO4 + 2H2O E1113567 = +1682V [R 108]


4








ΔG = ΔG1113567 + RT lnQ (1020)















= 00592 JC lgQ (1024)

Weil 1 JC = 1V ist

= 00592V lgQ (1025)


ΔE = ΔE1113567 minus 00592Vz lgQ (1026)






Q = c(Zn2+)c(Cu2+)

Und wie gehabt

ΔE = E1113567Cu2+Cu






= E1113567Cu2+Cu


= 1100V







005molL

= E1113567Cu2+Cu


minus 00592V2 lg 24

= 1100V minus 0041V= 1059V





7 ) sdot c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1(1molL)11135681113571

= 133V


E = 133V minus 00592V6 lg 1

111410010minus11135681113571molL111410311135681113571

= 133V minus 00592V6 lg 1111410010minus1113568111357611135731114103



und pH = 14

E = E1113567 minus 00592V1 lg 1c(H+)



pH = 7


= minus04144V

pH = 14


= minus0829V


Anhang A



A1 Logarithmen






Regel Beispiel



Allgemein gilt

log 1 = 0log

uu = 1


logbx = log

bg sdot log

gx





U = U sdot [U] (A1)


U = 230V (A2)

und damit

U = 230 (A3)[U] = V (A4)



U = U[U] (A5)



Draumlhte UV




A31 Basiseinheiten







A33 Naturkonstanten





F(x) 1113603F1113603x = Fprime(x) = f(x)


ln x 1113568x


Quellen








Anhang B

Periodensystem

11

22

33

44

55

66

77

66

77

1ndash

Ia

2ndash

IIa

13

ndashII

Ia

14

ndashIV

a15

ndashV

a16

ndashV

Ia

17

ndashV

IIa

18

ndash0

3ndash

IIIb

4ndash

IVb

5ndash

Vb

6ndash

VIb

7ndash

VII

b8

9

VII

Ib

10

11

ndashIb

12

ndashII

b

H 1

10

079

He

2

40

026

Li 3

69

41

Be 4

90

112

B 5

108

11

C 6

120

11

N 7

140

07

O 8

159

99

F 9

189

98

Ne

10

201

80

Na

11

229

9

Mg

12

243

05

Al

13

269

82

Si

14

280

86

P 15

309

74

S 16

320

66

Cl

17

354

53

Ar

18

399

48

K 19

390

98

Ca

20

400

78

Sc

21

449

56

Ti

22

478

8

V 23

509

42

Cr

24

519

96

Mn

25

549

38

Fe

26

558

45

Co

27

589

33

Ni

28

586

93

Cu

29

635

46

Zn

30

653

9

Ga

31

697

23

Ge

32

726

1

As

33

749

22

Se

34

789

6

Br

35

799

04

Kr

36

838

0

Rb

37

854

68

Sr

38

876

2

Y 39

889

06

Zr

40

912

24

Nb

41

929

06

Mo

42

959

4

Tc

43

(989

06)

Ru

44

1010

7

Rh

45

1029

1

Pd

46

1064

2

Ag

47

1078

7

Cd

48

1124

1

In 49

1148

2

Sn

50

1187

1

Sb

51

1217

6

Te

52

1276

0

I 53

1269

0

Xe

54

1312

9

Cs

55

1329

1

Ba

56

1373

3

LandashLu

57ndash71

Hf

72

1784

9

Ta

73

1809

5

W 74

1838

4

Re

75

1862

1

Os

76

1902

3

Ir 77

1922

2

Pt

78

1950

8

Au

79

1969

7

Hg

80

2005

9

Tl

81

2043

8

Pb

82

2072

0

Bi

83

2089

8

Po

84

(2099

8)

At

85

(2099

9)

Rn

86

(2220

2)

Fr 87

(2230

2)

Ra

88

(2260

3)

AcndashLr

89ndash103

Rf

10

4

(2611

1)

Db

10

5

(2621

1)

Sg

10

6

(2631

2)

Bh

10

7

(2621

2)

Hs

10

8

(269)

Mt

10

9

(268)

Ds

11

0

(271)

Rg

11

1

(272)

Cn

11

2

(277)

Uu

t1

13

(284)

Fl

11

4

(289)

Uu

p1

15

(288)

Lv

11

6

(292)

Uu

s1

17

mdash

Uu

o1

18

mdash

La

57

1389

1

Ce

58

1401

2

Pr

59

1409

1

Nd

60

1442

4

Pm 61

(1449

1)

Sm 62

1503

6

Eu

63

1519

6

Gd

64

1572

5

Tb

65

1589

3

Dy

66

1625

0

Ho

67

1649

3

Er

68

1672

6

Tm 69

1689

3

Yb

70

1730

4

Lu

71

1747

8

Ac

89

(2270

3)

Th

90

(2320

4)

Pa

91

(2310

4)

U 92

(2380

3)

Np

93

(2370

5)

Pu

94

(2440

6)

Am 95

(2430

6)

Cm 96

(2470

7)

Bk

97

(2470

7)

Cf

98

(2510

8)

Es

99

(2520

8)

Fm

10

0

(2571

8)

Md

10

1

(2581

0)

No

10

2

(2591

0)

Lr

10

3

(2621

1)

Vorwort

1 Chemie




2 Atomtheorie


22 Das Elektron

23 Das Proton

24 Das Neutron



27 Atomsymbole

28 Isotope

29 Atommassen





34 Orbitalbesetzung

35 Periodensystem

4 Stoumlchiometrie



43 Das Mol









61 Enthalpie

62 Satz von Hess


64 Kinetik




71 Phasenbegriff

72 Gase


73 Fluumlssigkeiten


75 Feststoffe


77 Phasendiagramme





8 Chemische Bindung




84 Ionische Bindung


851 Lewis-Formeln






93 pH-Wert




97 Puffersysteme


10 Elektrochemie







A1 Logarithmen



A31 Basiseinheiten


A33 Naturkonstanten


B Periodensystem

Inhaltsverzeichnis











Inhaltsverzeichnis
















vii








Tabellenverzeichnis







ix

Beispielverzeichnis

01 Beispiele xiv










xi

Beispielverzeichnis








Vorwort





Zum Skript




Literatur





xiii

Vorwort



Technische Hinweise








120575+H







Kapitel 1

Chemie



Definition









Kapitel 1 Chemie
























Elementdefinition






Materie


Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

chemischen Meth



Kapitel 1 Chemie




Rest 056







Kapitel 2

Atomtheorie



Antike Atome
















22 Das Elektron


NaKCa SrBa





Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(ndash)

(+)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS




23 Das Proton



qm = minus17588 sdot 101113575 Cg




(ndash)

(+)








= 91094 sdot 10minus11135701113568 kg

23 Das Proton







qp+

mp+= +95791 sdot 101113571 Cg



Kathode

(ndash)

Anode

(+)

endash

endash

endash

endash

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld



mendashasymp 1836

24 Das Neutron




Uumlbersicht






Teilchen mkg

mu

q11135681113573111356711135691113569 sdot 11135681113567minus11135781113586 1113684






Anwendungen






120582 = ln 2t11135681113569

(22)







Metallfolie

Film

geschwaumlrzte

Stellen

radioaktives

Praumlparat



Konsequenzen





27 Atomsymbole







dAtomdKern

= 10minus11135681113567m10minus11135681113572m

= 101113572

27 Atomsymbole


AZSym



deutig ist


11H 21H = D 31H = T





2311Na+ 2713Al3+ 3216S2ndash




28 Isotope



Isotope





29 Atommassen




29 Atommassen

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Gluumlhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor







= 12



= 1007








35453 u


Kapitel 3








Bohrsche Postulate







p+

eminus

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2ltE1 lt E2





1113569 + V(r t)1114105120569(r t) (31)







A

A

λ

λ

λ

A


A

A

λ

λ

A




Δp sdot Δr ge h



Quantenzahlen






x

y

z

s ( = 0)l

x

y

z


x

y

z

p ( = 1 = 0)y ll m

x

y

z

p ( = 1 = +1)z ll m

x

y

z


x

y

z


x

y

z

d ( = 2 = 0)yz ll m

x

y

z


x

y

z



34 Orbitalbesetzung



11135681113569



n = 2 rArr l =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩


1 rArr ml =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩


+1 rArr 2pz-Orbital

34 Orbitalbesetzung


Pauli-Prinzip


Hundsche Regel







35 Periodensystem





1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie










35 Periodensystem

(ndash)

(ndash)

(+)

(+)

KathodeKathode

AnodeAnode

UA

UH


eminuseminus







Gruppennamen






H 1s1113568 1s1113568

He 1s1113569 1s1113569

Li 1s1113569 2s1113568 [He] 2s1113568

Be 1s1113569 2s1113569 [He] 2s1113569

B 1s1113569 2s1113569 2p1113568 [He] 2s1113569 2p1113568

C 1s1113569 2s1113569 2p1113569 [He] 2s1113569 2p1113569

N 1s1113569 2s1113569 2p1113570 [He] 2s1113569 2p1113570

O 1s1113569 2s1113569 2p1113571 [He] 2s1113569 2p1113571

F 1s1113569 2s1113569 2p1113572 [He] 2s1113569 2p1113572

Ne 1s1113569 2s1113569 2p1113573 [He] 2s1113569 2p1113573

Na 1s1113569 2s1113568 2p1113573 3s1113568 [Ne] 3s1113568

Mg 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 [Ne] 3s1113569

Al 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113568 [Ne] 3s1113569 3p1113568

Si 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113569 [Ne] 3s1113569 3p1113569

P 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113570 [Ne] 3s1113569 3p1113570

S 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113571 [Ne] 3s1113569 3p1113571

Cl 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113572 [Ne] 3s1113569 3p1113572

Ar 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113573 [Ne] 3s1113569 3p1113573

Gruppe Name



Tendenzen im PSE

Atomradius



35 Periodensystem

Ionisierungsenergie



Ionisierungsenergie







F40gt O

34gt N

31asymp Cl

31gt C

25gt H

22gt Si

19gt Li

10gt Na

09gt Fr

07





nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie




Kapitel 4

Stoumlchiometrie

Stoumlchiometrie










4 PO3ndash4 NH+

4












43 DasMol



oder



Mol


6C enthalten sind



1mol = 9594gmol =M




Molare Formelmasse




NA =Nn = 6022 14 sdot 1011135691113570 1

mol


Avogadro-Gesetz









= 3 sdot 5585 gmol + 4 sdot 1599

gmol

= 23155 gmol






= 16755 gmol23155 gmol

= 0724




5 + 2 times 8 = 7 + 14 (42)












H+ + H2O H3O+ [R 43]







C2H6 + O2 CO2 + H2O [R44]




C2H6 +72 O2 2CO2 + 3H2O [R47]



2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O [R48]





c(X) = n(X)V




= 2922 g









= c sdot R sdot T



Kapitel 5












N2 + 3H2 2NH3 [R 53]



N2 + 3H2 2NH3 [R 55]





A + B C + D [R 56]












und umgeformt



quotientldquo





A + B 2C


A + B C + C

Also gilt

c(C) = c(D)



= c1113569(C)c(A) sdot c(B)



ergibt sich










Es ergibt sich


c(Cl2) sdot c(H2O)



c(Cl2)


N2 + 3H2 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p1113569(NH3)

p(N2) sdot p1113570(H2)



Kc =c1113569(NH3) sdot (RT)1113569





CaCO3 CaO + CO2uarr

Das MWG lautetKc =



Kprimec = c(CO2)





LeChatelier





N2 + 3H2 2NH3


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





Lage jedoch nicht


Kapitel 6






61 Enthalpie


H = U + p sdot V (61)












mol

rArr H2O H2 +12 O2 ΔH = +2859 kJ

mol

62 Satz vonHess

Satz von Hess







mol

undCO +


mol




kJmol1114105

= minus3935 kJmol




C2H4 + H2 C2H6 ΔH = [R 61]


mol [R 62]



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

rArr C2H4 + H2 C2H6



kJmol1114105

= minus1370 kJmol














Freie Enthalpie ΔG


64 Kinetik


A2 + X2 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und


dt


Stoszligtheorie




A2 + X2

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

A ⋯ A⋮ ⋮X ⋯ X

⎫⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭

ne

aktivierterKomplex

2AX



64 Kinetik

A2

X2

AX AX



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH lt 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH gt 0

aktivierter

Komplex

EA


Katalyse





A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

akt K (nk)

EA(nk)

EA(k)

akt K (k)akt K (k)










1 Ordnung in A


2 Ordnung insgesamt



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX





1 Ordn


sdot c1113570(C)11140533 Ordn

sdot c1113569(D)11140532 Ordn11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

7 Ordnung insgesamt



146C 14

7N+ + endash + ν




N sim c

Es ergibt sich also







1114009 dNN = minus120582 sdot 1114009dt




rArrNE

1114009N1113577


tE

11140091113567

dt

(lnN)1114071NE

N1113577

= minus120582 sdot (t)1114071tE

1113567










N(t11135681113569) =N11135672


12 = e


rArr 2 = e120582sdott11135781113579

ln 2 = 120582 sdot t11135681113569





Cl2 + CH4Methan


Kettenstart


Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung




+ Cl

Kettenabbruch


CH3 + CH3 C2H6Ethan





Kapitel 7


71 Phasenbegriff

Phase







72 Gase



p = FA

(71)


1114094p1114097 = Pa = Nm1113569



HgHg

Atmosphaumlren-

druck

Atmosphaumlren-

druck

Druck der

Hg-Saumlule Vakuum

h p~



= 1013 kPa= 760 torr


Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Saumlule

Gasdruckh p~



72 Gase

Partialdruck




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






p sim 1V




R = 83145 JmolK

= 83145 Pam1113570

molK= 00821 atmL

molK

Ideales Gas




73 Fluumlssigkeiten




+q minusq

r



Permanente Dipole







Temporaumlre Dipole






++++ +

+minusminus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

δ+ δminus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus










δ+

2δminus

δ+










75 Feststoffe

HF

HCl HBr

HISbH3

AsH3

NH3

PH3

SiH4

CH4

GeH4

SnH4

H O2

H2S

H2Se

H2Te

2 3 4 5

minus200

minus100

0

100

Sie

dep

un

kt

degC

Periode


75 Feststoffe





S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si








schmelzen

(Schmelzpunkt)

erstarrengefrieren

(Gefrierpunkt)

verdampfen

(Siedepunkt)

kondensieren


sublimieren

(Sublimationspunkt)

resublimieren



77 Phasendiagramme






H2O(s) H2O(g)



H2O(l) H2O(g)


77 Phasendiagramme

221 bar

1013 bar

00061 bar

p

000

250

0110

037

4

TdegC

Dampf

Fluumlssigkeit

Feststoff

Kritischer

Punkt

Siedepunkt


Fluumlssigkeit

Dampfdruckkurve

Dampf

von

fluumlss

igem

Was

ser

druck

kurve

von Eis

Sch

melzp

un

ktsk

urv

e festfluumlssig

Schmelzpunkt

A

B



H2O(s) H2O(l)











S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H H

HH

H H

H H

H









1001

1000

0999

0998

0997minus10 0 4 10 20

TemperaturdegC

Dic

hte

(g

cm

)3

Dic

hte

(g

cm

)3

TemperaturdegC

minus100 minus50 0 50 1000910

0920

0930

0940

0950

0960

0970

0980

0990

1000

Wasser


Eis













p

Feststoff

Fluumlssigkeit

Dampf

Tripelpunkt

Kritischer

Punkt

TdegC31

0minus5

66

minus78

5

1013 bar

518 bar

737 bar








Wasser und Salze









Na+ Clminus Na+

Clminus

Na+

Clminus Na+ Clminus



ClminusNa+












= 17 sdot 10minus11135681113567 mol1113569

L1113569(74)







=111396917 sdot 10minus11135681113567 mol

1113569

L1113569







c(Clndash)











und




ermitteln


c1113569(Pb2+) = KL


=11139692 sdot 10minus11135681113573 mol

1113569

L1113569








KL = c(Co2+) sdot 11141002c(Co2+)11141031113569

= 4c1113570(Co2+)


c(Co2+) = 1114102KL

4 111410511135781113580




Kapitel 8

Chemische Bindung









F = 071 Aring2 r

Cl = 099 Aring2 r

Br = 114 Aring2 r

I = 133 Aring2 r













N

N

N H

H

O

N

N

O

N

NO

O

P

N

N

N

NO

O

O

O

O

O

N H

H

H N

N

N

H

H

O

O

O

O

O

P

O

O

H






Metall










Elektronengas


Na

Na

Na Na

NaNa Na Na

NaNa Na Na

NaNaNa Na+ Na+Na+

Na+Na+

Na+





84 Ionische Bindung



84 Ionische Bindung





Na ∶ [Ne] 3 s1113568

Na+ ∶ [Ne]Cl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113572

Clndash ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113573 = [Ar]



Al3+ ∶ [Ne]O ∶ [He] 2 s1113569 2p1113571

O2ndash ∶ [He] 2 s1113569 2p1113573 = [Ne]


Fe ∶ [Ar] 3d1113573 4s1113569

Fe3+ ∶ [Ar] 3d1113572 = [Ar] 3d1113568xy 3d1113568xz 3d

1113568yz 3d

1113568z1113579 3d

1113568x1113579minusy1113579


pien) vor













kJmol









Al4C3


84 Ionische Bindung

Gitterenthalpie











Bildungsenthalpie


kJmol [R 82]








kJmol [R 86]














kJmol1114105 + 1114102minus

12 sdot 243

kJmol1114105 + 1114102minus496


kJmol1114105


= minus788 kJmol











1s 1s

Molekuumllorbital


1s 3pz

Molekuumllorbital



3s

3px

3py


851 Lewis-Formeln










H 2 1H 2 1


H Hmdash



H 2 1F 8 7





H Fmdashmdash

mdash



C 8 4O 8 6




O 8 6O 8 6


OmdashOmdash







S 8 6S 8 6

2






N 8 5H 2 1H 2 1H 2 1H 2 1

minus116 8



N

H

HH

H




+



C 8 4O 8 6O 8 6O 8 6

2


C

O

OOC

O

OOC

O

OO



He He Ne Nemdash

mdash Na+ O2ndash







AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie









x


AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie



y- und πlowast2p

y


AO AOMO

bindend

antibindendEn

erg

ie



1113569 )




AO AOMO

En

erg

ie

H HH2

1s 1s

σ1s

σ1s



AO AOMO

En

erg

ie

He HeHe2

1s 1s

σ1s

σ1s



xdurch



yund π2p



yund πlowast2p

z Das




AO AOMO

En

erg

ie

O OO2

2s 2s

σ2s

σ2s

2px

σ2px

2py 2pz 2px2py2pz

σ2px

π2pyπ2pz

π2pyπ2pz



mdash mdashOmdashO







AO AOMO

En

erg

ie

H FHF

1s

2sn2s

σ

2px 2py 2pz

σ

n2pyn2pz


Bindungsordnung


Bindungsordnung






O2 BO = 8 minus 42 = 2

H2 BO = 2 minus 02 = 1

He2 BO = 2 minus 22 = 0






AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi2

2s 2s

σ2s

σ2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi3

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2sn2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi4

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2s

AO

Li

2s

σ2s

σ2s






MO

En

erg

ie

LiN

Band











MO

En

erg

ie

BeN

2p

2s






Kapitel 9

Saumluren und Basen



cken z B




















(91)


n = mM

= 1000 g1802 gmol

= 5551mol


c(H2O) =5551mol

1 L

= 5551 molL




KW = K sdot c(H2O)



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(bei 25 degC) (92)








HClS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ Clndash

B1


H2OS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ OHndash

B1[R 92]



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(94)






c(H3O+)



Einsetzen liefert


= 10minus11135681113571 molL


93 pH-Wert





pOH-Wert




pKW = minus lgKW

= minus lg 10minus11135681113571

= 14 (96)







pH + pOH

pKW = pH + pOH = 14 (97)



=111396910minus11135681113571 mol

1113569

L1113569




pH = 7


pH-Bereiche






schwach ist








NaOH Na+ + OHndash




Acetat+ H3O+

MWG








KB =c(NH+





pKS- und pKB-Wert




pKS(pK


pKS(pK


pKS(pK



Saumlure



c(CH3COOH)

Konjugierte Base



c(CH3COOndash)






pKW = pKS+ pK

B


KS sdot KB = KW

pKW = pKS+ pK

B= 14








damitpK


S(CH3COOH)

= 14 minus 474= 926



Name




S1113568= 638


3 pKS1113569= 1032


S1113568= 212


4 pKS1113569= 721


4 pKS1113570= 1200


S= minus132



S1113568= minus300


4 pKS1113569= 189


B= 474













das MWG


c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c1113567(HA)


= [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579





= 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103



4 NH3 H2BOndash3





der pOH-Wert


c(Andash)











pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103 (98)






S(CH3COOH) = 474)

pH = 121114100474 minus lg 0011114103

= 12 sdot 674

= 337




S(CH3COOH) = 474)





S(CH3COOH) = 926

pH = 14 minus 121114100926 minus lg 0011114103

= 14 minus 12 sdot 1126

= 14 minus 563= 837




1 Stufe


Dihydrogenphosphat

2 Stufe


4Hydrogenphosphat

3 Stufe


4Phosphat




= 75 sdot 10minus1113570 molL (910)



4)= 62 sdot 10minus1113575 molL (911)



4 )= 1 sdot 10minus11135681113569 molL (912)


man





4)sdot c(PO


XXXXXc(HPO2ndash4 )

(913)


(914)






= 47 sdot 10minus11135691113569 mol1113570

L1113570(916)

rArr pKSges

= 2133 (917)


pKS1113568= 212 (918)

pKS1113569= 721 (919)

pKS1113570= 12 (920)


pKSges

= pKS1113568+ pK

S1113569+ pK

S1113570

= 212 + 721 + 12= 2133







Clndash + H2O


Na+ + H2O




97 Puffersysteme


NH+4 und Clndash


NH+4 + H2O NH3 + H3O+

Clndash + H2O




pKS= 14 minus pK

B= 926




Es gilt

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(NH4Cl)1114103 (98)

= 12 sdot1114100926 minus lg 031114103

= 12 sdot (926 + 052)

= 12 sdot 978

= 489


97 Puffersysteme





Puffer










Es folgt






Logarithmieren






97 Puffersysteme



c(HA) (921)


pH = pKS+ lg c(HA)

c(HA) = pKS+ lg c(A

ndash)c(Andash)

= pKS+ lg 1

= pKS






c(CH3COOH) + c(HCl)


= pKS+ lg 075105

= 474 minus 015= 459






4 mitpK

S= 721 (Tab 91)

700 = 721 + lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)



Delogarithmieren

10minus111356711135691113568 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)


4)




Pufferkapazitaumlt



pH = pKSplusmn 1











F

B

F

F


F

B

F

FF

B

F

F F

B

F

F


Fmdash

mdash


F

B

F

F

oder

minus


B

F

F F

F

minus

oder raumlumlichF

B

F

F

F

minus



Lewis-Formeln II



S 8 6F 8 7F 8 7F 8 7F 8 7


F

S

F

F Fmdash

mdash+



+


Komplexe




Komplex













Komplexnomenklatur






3 Carbonato CNndash












3





N Ag N

H

H

H

H

H

H

+


Ni

C

CC

C

O

O

O

O

44


3+

3


C

Fe

C

CC

C

C

N

N

N

N

4

N

N

4minus




Pt

N

NCl

Cl

HH

H

H

H

H

22


Kapitel 10

Elektrochemie





























+II minusII







OxZahl(C) = +II



+II minusII



+IVC



minusIIO2ndash

4 mdash+IK

+VIIMn



+VIMo




plusmn0D

plusmn0T Ist 2H3H




minusI

minusII

minusII

minusII

minusII

minusII

minusIIminusII

minusII

minusII






minusIIO2ndash


Ergaumlnzung


Oxidation

plusmn0Ca


+ICu+ +II


Reduktion

+IIMn2+ + 2 endash

plusmn0Mn [R103]

+IIIFe3+ + endash

+IIFe2+ [R 104]







Redox-Reaktion









+IVC

minusIIO3 +

+IH2

minusIIO +

+IVC

minusIIO2

+IICa(

+IH

+IVC

minusIIO3)2





+IH2

minusIIO 2

+IH+ +



plusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash +

minusIIO

+IClndash





O Cl

minusII+I minus


H2+VISO4 + 3H2

minusIIS 4

plusmn0S + 4H2O



+VIIMnOndash

4 +minusIIN2H4

+IVMnO2 +

plusmn0N2


+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2


+VIIMnOndash





minusIIN2H4



N2 + 4 endash







4+VIIMnOndash





4+VIIMnOndash


+IVMnO2 +

416OHndash + 3


412H2O







+I

+I +I

+I

+I +I


und Ethanal

minusIII

minusII+I

+I

+I

+I

+I


+VICr2O2ndash

7+IIICr3+



7 + 6 endash + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O













Zn2+ + Cu Zn + Cu2+


Cu2+ + Zn Cu + Zn2+








Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu





edel unedel

Galvanische Zellen




Elektroden





Zn|Zn2+ 11141021molL 1114105 |Cu2+ 11141021

molL 1114105 |Cu


Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu2+

SO42minus SO4

2minus Zn2+

poroumlse Trennwand

eminuseminus

Halbzelle Halbzelle




























H+

poroumlse Trennwand

platiniertes

Pt-Blech

H+

zur Vergleichs-

Halbzelle H2




= E1113567Cu minus (+E1113567Zn) (102)

Eselsbruumlcke



= +0337V minus (minus0763V) (105)= +1100V (106)


ΔE1113567 = E1113567Zn + (minusE1113567Cu) (107)

= minus1100V (108)







Wel = q sdotU (109)




Wir sortieren um




= 96 485 Cmol (1013)

= F (1014)









= 96 485 Cmol (1019)




4 + 4H+ PbSO4 + 2H2O E1113567 = +1682V [R 108]


4








ΔG = ΔG1113567 + RT lnQ (1020)















= 00592 JC lgQ (1024)

Weil 1 JC = 1V ist

= 00592V lgQ (1025)


ΔE = ΔE1113567 minus 00592Vz lgQ (1026)






Q = c(Zn2+)c(Cu2+)

Und wie gehabt

ΔE = E1113567Cu2+Cu






= E1113567Cu2+Cu


= 1100V







005molL

= E1113567Cu2+Cu


minus 00592V2 lg 24

= 1100V minus 0041V= 1059V





7 ) sdot c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1(1molL)11135681113571

= 133V


E = 133V minus 00592V6 lg 1

111410010minus11135681113571molL111410311135681113571

= 133V minus 00592V6 lg 1111410010minus1113568111357611135731114103



und pH = 14

E = E1113567 minus 00592V1 lg 1c(H+)



pH = 7


= minus04144V

pH = 14


= minus0829V


Anhang A



A1 Logarithmen






Regel Beispiel



Allgemein gilt

log 1 = 0log

uu = 1


logbx = log

bg sdot log

gx





U = U sdot [U] (A1)


U = 230V (A2)

und damit

U = 230 (A3)[U] = V (A4)



U = U[U] (A5)



Draumlhte UV




A31 Basiseinheiten







A33 Naturkonstanten





F(x) 1113603F1113603x = Fprime(x) = f(x)


ln x 1113568x


Quellen








Anhang B

Periodensystem

11

22

33

44

55

66

77

66

77

1ndash

Ia

2ndash

IIa

13

ndashII

Ia

14

ndashIV

a15

ndashV

a16

ndashV

Ia

17

ndashV

IIa

18

ndash0

3ndash

IIIb

4ndash

IVb

5ndash

Vb

6ndash

VIb

7ndash

VII

b8

9

VII

Ib

10

11

ndashIb

12

ndashII

b

H 1

10

079

He

2

40

026

Li 3

69

41

Be 4

90

112

B 5

108

11

C 6

120

11

N 7

140

07

O 8

159

99

F 9

189

98

Ne

10

201

80

Na

11

229

9

Mg

12

243

05

Al

13

269

82

Si

14

280

86

P 15

309

74

S 16

320

66

Cl

17

354

53

Ar

18

399

48

K 19

390

98

Ca

20

400

78

Sc

21

449

56

Ti

22

478

8

V 23

509

42

Cr

24

519

96

Mn

25

549

38

Fe

26

558

45

Co

27

589

33

Ni

28

586

93

Cu

29

635

46

Zn

30

653

9

Ga

31

697

23

Ge

32

726

1

As

33

749

22

Se

34

789

6

Br

35

799

04

Kr

36

838

0

Rb

37

854

68

Sr

38

876

2

Y 39

889

06

Zr

40

912

24

Nb

41

929

06

Mo

42

959

4

Tc

43

(989

06)

Ru

44

1010

7

Rh

45

1029

1

Pd

46

1064

2

Ag

47

1078

7

Cd

48

1124

1

In 49

1148

2

Sn

50

1187

1

Sb

51

1217

6

Te

52

1276

0

I 53

1269

0

Xe

54

1312

9

Cs

55

1329

1

Ba

56

1373

3

LandashLu

57ndash71

Hf

72

1784

9

Ta

73

1809

5

W 74

1838

4

Re

75

1862

1

Os

76

1902

3

Ir 77

1922

2

Pt

78

1950

8

Au

79

1969

7

Hg

80

2005

9

Tl

81

2043

8

Pb

82

2072

0

Bi

83

2089

8

Po

84

(2099

8)

At

85

(2099

9)

Rn

86

(2220

2)

Fr 87

(2230

2)

Ra

88

(2260

3)

AcndashLr

89ndash103

Rf

10

4

(2611

1)

Db

10

5

(2621

1)

Sg

10

6

(2631

2)

Bh

10

7

(2621

2)

Hs

10

8

(269)

Mt

10

9

(268)

Ds

11

0

(271)

Rg

11

1

(272)

Cn

11

2

(277)

Uu

t1

13

(284)

Fl

11

4

(289)

Uu

p1

15

(288)

Lv

11

6

(292)

Uu

s1

17

mdash

Uu

o1

18

mdash

La

57

1389

1

Ce

58

1401

2

Pr

59

1409

1

Nd

60

1442

4

Pm 61

(1449

1)

Sm 62

1503

6

Eu

63

1519

6

Gd

64

1572

5

Tb

65

1589

3

Dy

66

1625

0

Ho

67

1649

3

Er

68

1672

6

Tm 69

1689

3

Yb

70

1730

4

Lu

71

1747

8

Ac

89

(2270

3)

Th

90

(2320

4)

Pa

91

(2310

4)

U 92

(2380

3)

Np

93

(2370

5)

Pu

94

(2440

6)

Am 95

(2430

6)

Cm 96

(2470

7)

Bk

97

(2470

7)

Cf

98

(2510

8)

Es

99

(2520

8)

Fm

10

0

(2571

8)

Md

10

1

(2581

0)

No

10

2

(2591

0)

Lr

10

3

(2621

1)

Vorwort

1 Chemie




2 Atomtheorie


22 Das Elektron

23 Das Proton

24 Das Neutron



27 Atomsymbole

28 Isotope

29 Atommassen





34 Orbitalbesetzung

35 Periodensystem

4 Stoumlchiometrie



43 Das Mol









61 Enthalpie

62 Satz von Hess


64 Kinetik




71 Phasenbegriff

72 Gase


73 Fluumlssigkeiten


75 Feststoffe


77 Phasendiagramme





8 Chemische Bindung




84 Ionische Bindung


851 Lewis-Formeln






93 pH-Wert




97 Puffersysteme


10 Elektrochemie







A1 Logarithmen



A31 Basiseinheiten


A33 Naturkonstanten


B Periodensystem

Inhaltsverzeichnis
















vii








Tabellenverzeichnis







ix

Beispielverzeichnis

01 Beispiele xiv










xi

Beispielverzeichnis








Vorwort





Zum Skript




Literatur





xiii

Vorwort



Technische Hinweise








120575+H







Kapitel 1

Chemie



Definition









Kapitel 1 Chemie
























Elementdefinition






Materie


Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

chemischen Meth



Kapitel 1 Chemie




Rest 056







Kapitel 2

Atomtheorie



Antike Atome
















22 Das Elektron


NaKCa SrBa





Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(ndash)

(+)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS




23 Das Proton



qm = minus17588 sdot 101113575 Cg




(ndash)

(+)








= 91094 sdot 10minus11135701113568 kg

23 Das Proton







qp+

mp+= +95791 sdot 101113571 Cg



Kathode

(ndash)

Anode

(+)

endash

endash

endash

endash

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld



mendashasymp 1836

24 Das Neutron




Uumlbersicht






Teilchen mkg

mu

q11135681113573111356711135691113569 sdot 11135681113567minus11135781113586 1113684






Anwendungen






120582 = ln 2t11135681113569

(22)







Metallfolie

Film

geschwaumlrzte

Stellen

radioaktives

Praumlparat



Konsequenzen





27 Atomsymbole







dAtomdKern

= 10minus11135681113567m10minus11135681113572m

= 101113572

27 Atomsymbole


AZSym



deutig ist


11H 21H = D 31H = T





2311Na+ 2713Al3+ 3216S2ndash




28 Isotope



Isotope





29 Atommassen




29 Atommassen

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Gluumlhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor







= 12



= 1007








35453 u


Kapitel 3








Bohrsche Postulate







p+

eminus

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2ltE1 lt E2





1113569 + V(r t)1114105120569(r t) (31)







A

A

λ

λ

λ

A


A

A

λ

λ

A




Δp sdot Δr ge h



Quantenzahlen






x

y

z

s ( = 0)l

x

y

z


x

y

z

p ( = 1 = 0)y ll m

x

y

z

p ( = 1 = +1)z ll m

x

y

z


x

y

z


x

y

z

d ( = 2 = 0)yz ll m

x

y

z


x

y

z



34 Orbitalbesetzung



11135681113569



n = 2 rArr l =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩


1 rArr ml =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩


+1 rArr 2pz-Orbital

34 Orbitalbesetzung


Pauli-Prinzip


Hundsche Regel







35 Periodensystem





1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie










35 Periodensystem

(ndash)

(ndash)

(+)

(+)

KathodeKathode

AnodeAnode

UA

UH


eminuseminus







Gruppennamen






H 1s1113568 1s1113568

He 1s1113569 1s1113569

Li 1s1113569 2s1113568 [He] 2s1113568

Be 1s1113569 2s1113569 [He] 2s1113569

B 1s1113569 2s1113569 2p1113568 [He] 2s1113569 2p1113568

C 1s1113569 2s1113569 2p1113569 [He] 2s1113569 2p1113569

N 1s1113569 2s1113569 2p1113570 [He] 2s1113569 2p1113570

O 1s1113569 2s1113569 2p1113571 [He] 2s1113569 2p1113571

F 1s1113569 2s1113569 2p1113572 [He] 2s1113569 2p1113572

Ne 1s1113569 2s1113569 2p1113573 [He] 2s1113569 2p1113573

Na 1s1113569 2s1113568 2p1113573 3s1113568 [Ne] 3s1113568

Mg 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 [Ne] 3s1113569

Al 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113568 [Ne] 3s1113569 3p1113568

Si 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113569 [Ne] 3s1113569 3p1113569

P 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113570 [Ne] 3s1113569 3p1113570

S 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113571 [Ne] 3s1113569 3p1113571

Cl 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113572 [Ne] 3s1113569 3p1113572

Ar 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113573 [Ne] 3s1113569 3p1113573

Gruppe Name



Tendenzen im PSE

Atomradius



35 Periodensystem

Ionisierungsenergie



Ionisierungsenergie







F40gt O

34gt N

31asymp Cl

31gt C

25gt H

22gt Si

19gt Li

10gt Na

09gt Fr

07





nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie




Kapitel 4

Stoumlchiometrie

Stoumlchiometrie










4 PO3ndash4 NH+

4












43 DasMol



oder



Mol


6C enthalten sind



1mol = 9594gmol =M




Molare Formelmasse




NA =Nn = 6022 14 sdot 1011135691113570 1

mol


Avogadro-Gesetz









= 3 sdot 5585 gmol + 4 sdot 1599

gmol

= 23155 gmol






= 16755 gmol23155 gmol

= 0724




5 + 2 times 8 = 7 + 14 (42)












H+ + H2O H3O+ [R 43]







C2H6 + O2 CO2 + H2O [R44]




C2H6 +72 O2 2CO2 + 3H2O [R47]



2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O [R48]





c(X) = n(X)V




= 2922 g









= c sdot R sdot T



Kapitel 5












N2 + 3H2 2NH3 [R 53]



N2 + 3H2 2NH3 [R 55]





A + B C + D [R 56]












und umgeformt



quotientldquo





A + B 2C


A + B C + C

Also gilt

c(C) = c(D)



= c1113569(C)c(A) sdot c(B)



ergibt sich










Es ergibt sich


c(Cl2) sdot c(H2O)



c(Cl2)


N2 + 3H2 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p1113569(NH3)

p(N2) sdot p1113570(H2)



Kc =c1113569(NH3) sdot (RT)1113569





CaCO3 CaO + CO2uarr

Das MWG lautetKc =



Kprimec = c(CO2)





LeChatelier





N2 + 3H2 2NH3


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





Lage jedoch nicht


Kapitel 6






61 Enthalpie


H = U + p sdot V (61)












mol

rArr H2O H2 +12 O2 ΔH = +2859 kJ

mol

62 Satz vonHess

Satz von Hess







mol

undCO +


mol




kJmol1114105

= minus3935 kJmol




C2H4 + H2 C2H6 ΔH = [R 61]


mol [R 62]



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

rArr C2H4 + H2 C2H6



kJmol1114105

= minus1370 kJmol














Freie Enthalpie ΔG


64 Kinetik


A2 + X2 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und


dt


Stoszligtheorie




A2 + X2

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

A ⋯ A⋮ ⋮X ⋯ X

⎫⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭

ne

aktivierterKomplex

2AX



64 Kinetik

A2

X2

AX AX



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH lt 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH gt 0

aktivierter

Komplex

EA


Katalyse





A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

akt K (nk)

EA(nk)

EA(k)

akt K (k)akt K (k)










1 Ordnung in A


2 Ordnung insgesamt



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX





1 Ordn


sdot c1113570(C)11140533 Ordn

sdot c1113569(D)11140532 Ordn11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

7 Ordnung insgesamt



146C 14

7N+ + endash + ν




N sim c

Es ergibt sich also







1114009 dNN = minus120582 sdot 1114009dt




rArrNE

1114009N1113577


tE

11140091113567

dt

(lnN)1114071NE

N1113577

= minus120582 sdot (t)1114071tE

1113567










N(t11135681113569) =N11135672


12 = e


rArr 2 = e120582sdott11135781113579

ln 2 = 120582 sdot t11135681113569





Cl2 + CH4Methan


Kettenstart


Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung




+ Cl

Kettenabbruch


CH3 + CH3 C2H6Ethan





Kapitel 7


71 Phasenbegriff

Phase







72 Gase



p = FA

(71)


1114094p1114097 = Pa = Nm1113569



HgHg

Atmosphaumlren-

druck

Atmosphaumlren-

druck

Druck der

Hg-Saumlule Vakuum

h p~



= 1013 kPa= 760 torr


Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Saumlule

Gasdruckh p~



72 Gase

Partialdruck




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






p sim 1V




R = 83145 JmolK

= 83145 Pam1113570

molK= 00821 atmL

molK

Ideales Gas




73 Fluumlssigkeiten




+q minusq

r



Permanente Dipole







Temporaumlre Dipole






++++ +

+minusminus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

δ+ δminus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus










δ+

2δminus

δ+










75 Feststoffe

HF

HCl HBr

HISbH3

AsH3

NH3

PH3

SiH4

CH4

GeH4

SnH4

H O2

H2S

H2Se

H2Te

2 3 4 5

minus200

minus100

0

100

Sie

dep

un

kt

degC

Periode


75 Feststoffe





S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si








schmelzen

(Schmelzpunkt)

erstarrengefrieren

(Gefrierpunkt)

verdampfen

(Siedepunkt)

kondensieren


sublimieren

(Sublimationspunkt)

resublimieren



77 Phasendiagramme






H2O(s) H2O(g)



H2O(l) H2O(g)


77 Phasendiagramme

221 bar

1013 bar

00061 bar

p

000

250

0110

037

4

TdegC

Dampf

Fluumlssigkeit

Feststoff

Kritischer

Punkt

Siedepunkt


Fluumlssigkeit

Dampfdruckkurve

Dampf

von

fluumlss

igem

Was

ser

druck

kurve

von Eis

Sch

melzp

un

ktsk

urv

e festfluumlssig

Schmelzpunkt

A

B



H2O(s) H2O(l)











S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H H

HH

H H

H H

H









1001

1000

0999

0998

0997minus10 0 4 10 20

TemperaturdegC

Dic

hte

(g

cm

)3

Dic

hte

(g

cm

)3

TemperaturdegC

minus100 minus50 0 50 1000910

0920

0930

0940

0950

0960

0970

0980

0990

1000

Wasser


Eis













p

Feststoff

Fluumlssigkeit

Dampf

Tripelpunkt

Kritischer

Punkt

TdegC31

0minus5

66

minus78

5

1013 bar

518 bar

737 bar








Wasser und Salze









Na+ Clminus Na+

Clminus

Na+

Clminus Na+ Clminus



ClminusNa+












= 17 sdot 10minus11135681113567 mol1113569

L1113569(74)







=111396917 sdot 10minus11135681113567 mol

1113569

L1113569







c(Clndash)











und




ermitteln


c1113569(Pb2+) = KL


=11139692 sdot 10minus11135681113573 mol

1113569

L1113569








KL = c(Co2+) sdot 11141002c(Co2+)11141031113569

= 4c1113570(Co2+)


c(Co2+) = 1114102KL

4 111410511135781113580




Kapitel 8

Chemische Bindung









F = 071 Aring2 r

Cl = 099 Aring2 r

Br = 114 Aring2 r

I = 133 Aring2 r













N

N

N H

H

O

N

N

O

N

NO

O

P

N

N

N

NO

O

O

O

O

O

N H

H

H N

N

N

H

H

O

O

O

O

O

P

O

O

H






Metall










Elektronengas


Na

Na

Na Na

NaNa Na Na

NaNa Na Na

NaNaNa Na+ Na+Na+

Na+Na+

Na+





84 Ionische Bindung



84 Ionische Bindung





Na ∶ [Ne] 3 s1113568

Na+ ∶ [Ne]Cl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113572

Clndash ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113573 = [Ar]



Al3+ ∶ [Ne]O ∶ [He] 2 s1113569 2p1113571

O2ndash ∶ [He] 2 s1113569 2p1113573 = [Ne]


Fe ∶ [Ar] 3d1113573 4s1113569

Fe3+ ∶ [Ar] 3d1113572 = [Ar] 3d1113568xy 3d1113568xz 3d

1113568yz 3d

1113568z1113579 3d

1113568x1113579minusy1113579


pien) vor













kJmol









Al4C3


84 Ionische Bindung

Gitterenthalpie











Bildungsenthalpie


kJmol [R 82]








kJmol [R 86]














kJmol1114105 + 1114102minus

12 sdot 243

kJmol1114105 + 1114102minus496


kJmol1114105


= minus788 kJmol











1s 1s

Molekuumllorbital


1s 3pz

Molekuumllorbital



3s

3px

3py


851 Lewis-Formeln










H 2 1H 2 1


H Hmdash



H 2 1F 8 7





H Fmdashmdash

mdash



C 8 4O 8 6




O 8 6O 8 6


OmdashOmdash







S 8 6S 8 6

2






N 8 5H 2 1H 2 1H 2 1H 2 1

minus116 8



N

H

HH

H




+



C 8 4O 8 6O 8 6O 8 6

2


C

O

OOC

O

OOC

O

OO



He He Ne Nemdash

mdash Na+ O2ndash







AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie









x


AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie



y- und πlowast2p

y


AO AOMO

bindend

antibindendEn

erg

ie



1113569 )




AO AOMO

En

erg

ie

H HH2

1s 1s

σ1s

σ1s



AO AOMO

En

erg

ie

He HeHe2

1s 1s

σ1s

σ1s



xdurch



yund π2p



yund πlowast2p

z Das




AO AOMO

En

erg

ie

O OO2

2s 2s

σ2s

σ2s

2px

σ2px

2py 2pz 2px2py2pz

σ2px

π2pyπ2pz

π2pyπ2pz



mdash mdashOmdashO







AO AOMO

En

erg

ie

H FHF

1s

2sn2s

σ

2px 2py 2pz

σ

n2pyn2pz


Bindungsordnung


Bindungsordnung






O2 BO = 8 minus 42 = 2

H2 BO = 2 minus 02 = 1

He2 BO = 2 minus 22 = 0






AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi2

2s 2s

σ2s

σ2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi3

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2sn2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi4

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2s

AO

Li

2s

σ2s

σ2s






MO

En

erg

ie

LiN

Band











MO

En

erg

ie

BeN

2p

2s






Kapitel 9

Saumluren und Basen



cken z B




















(91)


n = mM

= 1000 g1802 gmol

= 5551mol


c(H2O) =5551mol

1 L

= 5551 molL




KW = K sdot c(H2O)



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(bei 25 degC) (92)








HClS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ Clndash

B1


H2OS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ OHndash

B1[R 92]



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(94)






c(H3O+)



Einsetzen liefert


= 10minus11135681113571 molL


93 pH-Wert





pOH-Wert




pKW = minus lgKW

= minus lg 10minus11135681113571

= 14 (96)







pH + pOH

pKW = pH + pOH = 14 (97)



=111396910minus11135681113571 mol

1113569

L1113569




pH = 7


pH-Bereiche






schwach ist








NaOH Na+ + OHndash




Acetat+ H3O+

MWG








KB =c(NH+





pKS- und pKB-Wert




pKS(pK


pKS(pK


pKS(pK



Saumlure



c(CH3COOH)

Konjugierte Base



c(CH3COOndash)






pKW = pKS+ pK

B


KS sdot KB = KW

pKW = pKS+ pK

B= 14








damitpK


S(CH3COOH)

= 14 minus 474= 926



Name




S1113568= 638


3 pKS1113569= 1032


S1113568= 212


4 pKS1113569= 721


4 pKS1113570= 1200


S= minus132



S1113568= minus300


4 pKS1113569= 189


B= 474













das MWG


c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c1113567(HA)


= [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579





= 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103



4 NH3 H2BOndash3





der pOH-Wert


c(Andash)











pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103 (98)






S(CH3COOH) = 474)

pH = 121114100474 minus lg 0011114103

= 12 sdot 674

= 337




S(CH3COOH) = 474)





S(CH3COOH) = 926

pH = 14 minus 121114100926 minus lg 0011114103

= 14 minus 12 sdot 1126

= 14 minus 563= 837




1 Stufe


Dihydrogenphosphat

2 Stufe


4Hydrogenphosphat

3 Stufe


4Phosphat




= 75 sdot 10minus1113570 molL (910)



4)= 62 sdot 10minus1113575 molL (911)



4 )= 1 sdot 10minus11135681113569 molL (912)


man





4)sdot c(PO


XXXXXc(HPO2ndash4 )

(913)


(914)






= 47 sdot 10minus11135691113569 mol1113570

L1113570(916)

rArr pKSges

= 2133 (917)


pKS1113568= 212 (918)

pKS1113569= 721 (919)

pKS1113570= 12 (920)


pKSges

= pKS1113568+ pK

S1113569+ pK

S1113570

= 212 + 721 + 12= 2133







Clndash + H2O


Na+ + H2O




97 Puffersysteme


NH+4 und Clndash


NH+4 + H2O NH3 + H3O+

Clndash + H2O




pKS= 14 minus pK

B= 926




Es gilt

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(NH4Cl)1114103 (98)

= 12 sdot1114100926 minus lg 031114103

= 12 sdot (926 + 052)

= 12 sdot 978

= 489


97 Puffersysteme





Puffer










Es folgt






Logarithmieren






97 Puffersysteme



c(HA) (921)


pH = pKS+ lg c(HA)

c(HA) = pKS+ lg c(A

ndash)c(Andash)

= pKS+ lg 1

= pKS






c(CH3COOH) + c(HCl)


= pKS+ lg 075105

= 474 minus 015= 459






4 mitpK

S= 721 (Tab 91)

700 = 721 + lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)



Delogarithmieren

10minus111356711135691113568 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)


4)




Pufferkapazitaumlt



pH = pKSplusmn 1











F

B

F

F


F

B

F

FF

B

F

F F

B

F

F


Fmdash

mdash


F

B

F

F

oder

minus


B

F

F F

F

minus

oder raumlumlichF

B

F

F

F

minus



Lewis-Formeln II



S 8 6F 8 7F 8 7F 8 7F 8 7


F

S

F

F Fmdash

mdash+



+


Komplexe




Komplex













Komplexnomenklatur






3 Carbonato CNndash












3





N Ag N

H

H

H

H

H

H

+


Ni

C

CC

C

O

O

O

O

44


3+

3


C

Fe

C

CC

C

C

N

N

N

N

4

N

N

4minus




Pt

N

NCl

Cl

HH

H

H

H

H

22


Kapitel 10

Elektrochemie





























+II minusII







OxZahl(C) = +II



+II minusII



+IVC



minusIIO2ndash

4 mdash+IK

+VIIMn



+VIMo




plusmn0D

plusmn0T Ist 2H3H




minusI

minusII

minusII

minusII

minusII

minusII

minusIIminusII

minusII

minusII






minusIIO2ndash


Ergaumlnzung


Oxidation

plusmn0Ca


+ICu+ +II


Reduktion

+IIMn2+ + 2 endash

plusmn0Mn [R103]

+IIIFe3+ + endash

+IIFe2+ [R 104]







Redox-Reaktion









+IVC

minusIIO3 +

+IH2

minusIIO +

+IVC

minusIIO2

+IICa(

+IH

+IVC

minusIIO3)2





+IH2

minusIIO 2

+IH+ +



plusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash +

minusIIO

+IClndash





O Cl

minusII+I minus


H2+VISO4 + 3H2

minusIIS 4

plusmn0S + 4H2O



+VIIMnOndash

4 +minusIIN2H4

+IVMnO2 +

plusmn0N2


+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2


+VIIMnOndash





minusIIN2H4



N2 + 4 endash







4+VIIMnOndash





4+VIIMnOndash


+IVMnO2 +

416OHndash + 3


412H2O







+I

+I +I

+I

+I +I


und Ethanal

minusIII

minusII+I

+I

+I

+I

+I


+VICr2O2ndash

7+IIICr3+



7 + 6 endash + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O













Zn2+ + Cu Zn + Cu2+


Cu2+ + Zn Cu + Zn2+








Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu





edel unedel

Galvanische Zellen




Elektroden





Zn|Zn2+ 11141021molL 1114105 |Cu2+ 11141021

molL 1114105 |Cu


Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu2+

SO42minus SO4

2minus Zn2+

poroumlse Trennwand

eminuseminus

Halbzelle Halbzelle




























H+

poroumlse Trennwand

platiniertes

Pt-Blech

H+

zur Vergleichs-

Halbzelle H2




= E1113567Cu minus (+E1113567Zn) (102)

Eselsbruumlcke



= +0337V minus (minus0763V) (105)= +1100V (106)


ΔE1113567 = E1113567Zn + (minusE1113567Cu) (107)

= minus1100V (108)







Wel = q sdotU (109)




Wir sortieren um




= 96 485 Cmol (1013)

= F (1014)









= 96 485 Cmol (1019)




4 + 4H+ PbSO4 + 2H2O E1113567 = +1682V [R 108]


4








ΔG = ΔG1113567 + RT lnQ (1020)















= 00592 JC lgQ (1024)

Weil 1 JC = 1V ist

= 00592V lgQ (1025)


ΔE = ΔE1113567 minus 00592Vz lgQ (1026)






Q = c(Zn2+)c(Cu2+)

Und wie gehabt

ΔE = E1113567Cu2+Cu






= E1113567Cu2+Cu


= 1100V







005molL

= E1113567Cu2+Cu


minus 00592V2 lg 24

= 1100V minus 0041V= 1059V





7 ) sdot c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1(1molL)11135681113571

= 133V


E = 133V minus 00592V6 lg 1

111410010minus11135681113571molL111410311135681113571

= 133V minus 00592V6 lg 1111410010minus1113568111357611135731114103



und pH = 14

E = E1113567 minus 00592V1 lg 1c(H+)



pH = 7


= minus04144V

pH = 14


= minus0829V


Anhang A



A1 Logarithmen






Regel Beispiel



Allgemein gilt

log 1 = 0log

uu = 1


logbx = log

bg sdot log

gx





U = U sdot [U] (A1)


U = 230V (A2)

und damit

U = 230 (A3)[U] = V (A4)



U = U[U] (A5)



Draumlhte UV




A31 Basiseinheiten







A33 Naturkonstanten





F(x) 1113603F1113603x = Fprime(x) = f(x)


ln x 1113568x


Quellen








Anhang B

Periodensystem

11

22

33

44

55

66

77

66

77

1ndash

Ia

2ndash

IIa

13

ndashII

Ia

14

ndashIV

a15

ndashV

a16

ndashV

Ia

17

ndashV

IIa

18

ndash0

3ndash

IIIb

4ndash

IVb

5ndash

Vb

6ndash

VIb

7ndash

VII

b8

9

VII

Ib

10

11

ndashIb

12

ndashII

b

H 1

10

079

He

2

40

026

Li 3

69

41

Be 4

90

112

B 5

108

11

C 6

120

11

N 7

140

07

O 8

159

99

F 9

189

98

Ne

10

201

80

Na

11

229

9

Mg

12

243

05

Al

13

269

82

Si

14

280

86

P 15

309

74

S 16

320

66

Cl

17

354

53

Ar

18

399

48

K 19

390

98

Ca

20

400

78

Sc

21

449

56

Ti

22

478

8

V 23

509

42

Cr

24

519

96

Mn

25

549

38

Fe

26

558

45

Co

27

589

33

Ni

28

586

93

Cu

29

635

46

Zn

30

653

9

Ga

31

697

23

Ge

32

726

1

As

33

749

22

Se

34

789

6

Br

35

799

04

Kr

36

838

0

Rb

37

854

68

Sr

38

876

2

Y 39

889

06

Zr

40

912

24

Nb

41

929

06

Mo

42

959

4

Tc

43

(989

06)

Ru

44

1010

7

Rh

45

1029

1

Pd

46

1064

2

Ag

47

1078

7

Cd

48

1124

1

In 49

1148

2

Sn

50

1187

1

Sb

51

1217

6

Te

52

1276

0

I 53

1269

0

Xe

54

1312

9

Cs

55

1329

1

Ba

56

1373

3

LandashLu

57ndash71

Hf

72

1784

9

Ta

73

1809

5

W 74

1838

4

Re

75

1862

1

Os

76

1902

3

Ir 77

1922

2

Pt

78

1950

8

Au

79

1969

7

Hg

80

2005

9

Tl

81

2043

8

Pb

82

2072

0

Bi

83

2089

8

Po

84

(2099

8)

At

85

(2099

9)

Rn

86

(2220

2)

Fr 87

(2230

2)

Ra

88

(2260

3)

AcndashLr

89ndash103

Rf

10

4

(2611

1)

Db

10

5

(2621

1)

Sg

10

6

(2631

2)

Bh

10

7

(2621

2)

Hs

10

8

(269)

Mt

10

9

(268)

Ds

11

0

(271)

Rg

11

1

(272)

Cn

11

2

(277)

Uu

t1

13

(284)

Fl

11

4

(289)

Uu

p1

15

(288)

Lv

11

6

(292)

Uu

s1

17

mdash

Uu

o1

18

mdash

La

57

1389

1

Ce

58

1401

2

Pr

59

1409

1

Nd

60

1442

4

Pm 61

(1449

1)

Sm 62

1503

6

Eu

63

1519

6

Gd

64

1572

5

Tb

65

1589

3

Dy

66

1625

0

Ho

67

1649

3

Er

68

1672

6

Tm 69

1689

3

Yb

70

1730

4

Lu

71

1747

8

Ac

89

(2270

3)

Th

90

(2320

4)

Pa

91

(2310

4)

U 92

(2380

3)

Np

93

(2370

5)

Pu

94

(2440

6)

Am 95

(2430

6)

Cm 96

(2470

7)

Bk

97

(2470

7)

Cf

98

(2510

8)

Es

99

(2520

8)

Fm

10

0

(2571

8)

Md

10

1

(2581

0)

No

10

2

(2591

0)

Lr

10

3

(2621

1)

Vorwort

1 Chemie




2 Atomtheorie


22 Das Elektron

23 Das Proton

24 Das Neutron



27 Atomsymbole

28 Isotope

29 Atommassen





34 Orbitalbesetzung

35 Periodensystem

4 Stoumlchiometrie



43 Das Mol









61 Enthalpie

62 Satz von Hess


64 Kinetik




71 Phasenbegriff

72 Gase


73 Fluumlssigkeiten


75 Feststoffe


77 Phasendiagramme





8 Chemische Bindung




84 Ionische Bindung


851 Lewis-Formeln






93 pH-Wert




97 Puffersysteme


10 Elektrochemie







A1 Logarithmen



A31 Basiseinheiten


A33 Naturkonstanten


B Periodensystem










vii








Tabellenverzeichnis







ix

Beispielverzeichnis

01 Beispiele xiv










xi

Beispielverzeichnis








Vorwort





Zum Skript




Literatur





xiii

Vorwort



Technische Hinweise








120575+H







Kapitel 1

Chemie



Definition









Kapitel 1 Chemie
























Elementdefinition






Materie


Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

chemischen Meth



Kapitel 1 Chemie




Rest 056







Kapitel 2

Atomtheorie



Antike Atome
















22 Das Elektron


NaKCa SrBa





Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(ndash)

(+)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS




23 Das Proton



qm = minus17588 sdot 101113575 Cg




(ndash)

(+)








= 91094 sdot 10minus11135701113568 kg

23 Das Proton







qp+

mp+= +95791 sdot 101113571 Cg



Kathode

(ndash)

Anode

(+)

endash

endash

endash

endash

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld



mendashasymp 1836

24 Das Neutron




Uumlbersicht






Teilchen mkg

mu

q11135681113573111356711135691113569 sdot 11135681113567minus11135781113586 1113684






Anwendungen






120582 = ln 2t11135681113569

(22)







Metallfolie

Film

geschwaumlrzte

Stellen

radioaktives

Praumlparat



Konsequenzen





27 Atomsymbole







dAtomdKern

= 10minus11135681113567m10minus11135681113572m

= 101113572

27 Atomsymbole


AZSym



deutig ist


11H 21H = D 31H = T





2311Na+ 2713Al3+ 3216S2ndash




28 Isotope



Isotope





29 Atommassen




29 Atommassen

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Gluumlhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor







= 12



= 1007








35453 u


Kapitel 3








Bohrsche Postulate







p+

eminus

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2ltE1 lt E2





1113569 + V(r t)1114105120569(r t) (31)







A

A

λ

λ

λ

A


A

A

λ

λ

A




Δp sdot Δr ge h



Quantenzahlen






x

y

z

s ( = 0)l

x

y

z


x

y

z

p ( = 1 = 0)y ll m

x

y

z

p ( = 1 = +1)z ll m

x

y

z


x

y

z


x

y

z

d ( = 2 = 0)yz ll m

x

y

z


x

y

z



34 Orbitalbesetzung



11135681113569



n = 2 rArr l =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩


1 rArr ml =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩


+1 rArr 2pz-Orbital

34 Orbitalbesetzung


Pauli-Prinzip


Hundsche Regel







35 Periodensystem





1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie










35 Periodensystem

(ndash)

(ndash)

(+)

(+)

KathodeKathode

AnodeAnode

UA

UH


eminuseminus







Gruppennamen






H 1s1113568 1s1113568

He 1s1113569 1s1113569

Li 1s1113569 2s1113568 [He] 2s1113568

Be 1s1113569 2s1113569 [He] 2s1113569

B 1s1113569 2s1113569 2p1113568 [He] 2s1113569 2p1113568

C 1s1113569 2s1113569 2p1113569 [He] 2s1113569 2p1113569

N 1s1113569 2s1113569 2p1113570 [He] 2s1113569 2p1113570

O 1s1113569 2s1113569 2p1113571 [He] 2s1113569 2p1113571

F 1s1113569 2s1113569 2p1113572 [He] 2s1113569 2p1113572

Ne 1s1113569 2s1113569 2p1113573 [He] 2s1113569 2p1113573

Na 1s1113569 2s1113568 2p1113573 3s1113568 [Ne] 3s1113568

Mg 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 [Ne] 3s1113569

Al 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113568 [Ne] 3s1113569 3p1113568

Si 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113569 [Ne] 3s1113569 3p1113569

P 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113570 [Ne] 3s1113569 3p1113570

S 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113571 [Ne] 3s1113569 3p1113571

Cl 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113572 [Ne] 3s1113569 3p1113572

Ar 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113573 [Ne] 3s1113569 3p1113573

Gruppe Name



Tendenzen im PSE

Atomradius



35 Periodensystem

Ionisierungsenergie



Ionisierungsenergie







F40gt O

34gt N

31asymp Cl

31gt C

25gt H

22gt Si

19gt Li

10gt Na

09gt Fr

07





nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie




Kapitel 4

Stoumlchiometrie

Stoumlchiometrie










4 PO3ndash4 NH+

4












43 DasMol



oder



Mol


6C enthalten sind



1mol = 9594gmol =M




Molare Formelmasse




NA =Nn = 6022 14 sdot 1011135691113570 1

mol


Avogadro-Gesetz









= 3 sdot 5585 gmol + 4 sdot 1599

gmol

= 23155 gmol






= 16755 gmol23155 gmol

= 0724




5 + 2 times 8 = 7 + 14 (42)












H+ + H2O H3O+ [R 43]







C2H6 + O2 CO2 + H2O [R44]




C2H6 +72 O2 2CO2 + 3H2O [R47]



2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O [R48]





c(X) = n(X)V




= 2922 g









= c sdot R sdot T



Kapitel 5












N2 + 3H2 2NH3 [R 53]



N2 + 3H2 2NH3 [R 55]





A + B C + D [R 56]












und umgeformt



quotientldquo





A + B 2C


A + B C + C

Also gilt

c(C) = c(D)



= c1113569(C)c(A) sdot c(B)



ergibt sich










Es ergibt sich


c(Cl2) sdot c(H2O)



c(Cl2)


N2 + 3H2 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p1113569(NH3)

p(N2) sdot p1113570(H2)



Kc =c1113569(NH3) sdot (RT)1113569





CaCO3 CaO + CO2uarr

Das MWG lautetKc =



Kprimec = c(CO2)





LeChatelier





N2 + 3H2 2NH3


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





Lage jedoch nicht


Kapitel 6






61 Enthalpie


H = U + p sdot V (61)












mol

rArr H2O H2 +12 O2 ΔH = +2859 kJ

mol

62 Satz vonHess

Satz von Hess







mol

undCO +


mol




kJmol1114105

= minus3935 kJmol




C2H4 + H2 C2H6 ΔH = [R 61]


mol [R 62]



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

rArr C2H4 + H2 C2H6



kJmol1114105

= minus1370 kJmol














Freie Enthalpie ΔG


64 Kinetik


A2 + X2 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und


dt


Stoszligtheorie




A2 + X2

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

A ⋯ A⋮ ⋮X ⋯ X

⎫⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭

ne

aktivierterKomplex

2AX



64 Kinetik

A2

X2

AX AX



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH lt 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH gt 0

aktivierter

Komplex

EA


Katalyse





A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

akt K (nk)

EA(nk)

EA(k)

akt K (k)akt K (k)










1 Ordnung in A


2 Ordnung insgesamt



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX





1 Ordn


sdot c1113570(C)11140533 Ordn

sdot c1113569(D)11140532 Ordn11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

7 Ordnung insgesamt



146C 14

7N+ + endash + ν




N sim c

Es ergibt sich also







1114009 dNN = minus120582 sdot 1114009dt




rArrNE

1114009N1113577


tE

11140091113567

dt

(lnN)1114071NE

N1113577

= minus120582 sdot (t)1114071tE

1113567










N(t11135681113569) =N11135672


12 = e


rArr 2 = e120582sdott11135781113579

ln 2 = 120582 sdot t11135681113569





Cl2 + CH4Methan


Kettenstart


Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung




+ Cl

Kettenabbruch


CH3 + CH3 C2H6Ethan





Kapitel 7


71 Phasenbegriff

Phase







72 Gase



p = FA

(71)


1114094p1114097 = Pa = Nm1113569



HgHg

Atmosphaumlren-

druck

Atmosphaumlren-

druck

Druck der

Hg-Saumlule Vakuum

h p~



= 1013 kPa= 760 torr


Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Saumlule

Gasdruckh p~



72 Gase

Partialdruck




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






p sim 1V




R = 83145 JmolK

= 83145 Pam1113570

molK= 00821 atmL

molK

Ideales Gas




73 Fluumlssigkeiten




+q minusq

r



Permanente Dipole







Temporaumlre Dipole






++++ +

+minusminus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

δ+ δminus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus










δ+

2δminus

δ+










75 Feststoffe

HF

HCl HBr

HISbH3

AsH3

NH3

PH3

SiH4

CH4

GeH4

SnH4

H O2

H2S

H2Se

H2Te

2 3 4 5

minus200

minus100

0

100

Sie

dep

un

kt

degC

Periode


75 Feststoffe





S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si








schmelzen

(Schmelzpunkt)

erstarrengefrieren

(Gefrierpunkt)

verdampfen

(Siedepunkt)

kondensieren


sublimieren

(Sublimationspunkt)

resublimieren



77 Phasendiagramme






H2O(s) H2O(g)



H2O(l) H2O(g)


77 Phasendiagramme

221 bar

1013 bar

00061 bar

p

000

250

0110

037

4

TdegC

Dampf

Fluumlssigkeit

Feststoff

Kritischer

Punkt

Siedepunkt


Fluumlssigkeit

Dampfdruckkurve

Dampf

von

fluumlss

igem

Was

ser

druck

kurve

von Eis

Sch

melzp

un

ktsk

urv

e festfluumlssig

Schmelzpunkt

A

B



H2O(s) H2O(l)











S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H H

HH

H H

H H

H









1001

1000

0999

0998

0997minus10 0 4 10 20

TemperaturdegC

Dic

hte

(g

cm

)3

Dic

hte

(g

cm

)3

TemperaturdegC

minus100 minus50 0 50 1000910

0920

0930

0940

0950

0960

0970

0980

0990

1000

Wasser


Eis













p

Feststoff

Fluumlssigkeit

Dampf

Tripelpunkt

Kritischer

Punkt

TdegC31

0minus5

66

minus78

5

1013 bar

518 bar

737 bar








Wasser und Salze









Na+ Clminus Na+

Clminus

Na+

Clminus Na+ Clminus



ClminusNa+












= 17 sdot 10minus11135681113567 mol1113569

L1113569(74)







=111396917 sdot 10minus11135681113567 mol

1113569

L1113569







c(Clndash)











und




ermitteln


c1113569(Pb2+) = KL


=11139692 sdot 10minus11135681113573 mol

1113569

L1113569








KL = c(Co2+) sdot 11141002c(Co2+)11141031113569

= 4c1113570(Co2+)


c(Co2+) = 1114102KL

4 111410511135781113580




Kapitel 8

Chemische Bindung









F = 071 Aring2 r

Cl = 099 Aring2 r

Br = 114 Aring2 r

I = 133 Aring2 r













N

N

N H

H

O

N

N

O

N

NO

O

P

N

N

N

NO

O

O

O

O

O

N H

H

H N

N

N

H

H

O

O

O

O

O

P

O

O

H






Metall










Elektronengas


Na

Na

Na Na

NaNa Na Na

NaNa Na Na

NaNaNa Na+ Na+Na+

Na+Na+

Na+





84 Ionische Bindung



84 Ionische Bindung





Na ∶ [Ne] 3 s1113568

Na+ ∶ [Ne]Cl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113572

Clndash ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113573 = [Ar]



Al3+ ∶ [Ne]O ∶ [He] 2 s1113569 2p1113571

O2ndash ∶ [He] 2 s1113569 2p1113573 = [Ne]


Fe ∶ [Ar] 3d1113573 4s1113569

Fe3+ ∶ [Ar] 3d1113572 = [Ar] 3d1113568xy 3d1113568xz 3d

1113568yz 3d

1113568z1113579 3d

1113568x1113579minusy1113579


pien) vor













kJmol









Al4C3


84 Ionische Bindung

Gitterenthalpie











Bildungsenthalpie


kJmol [R 82]








kJmol [R 86]














kJmol1114105 + 1114102minus

12 sdot 243

kJmol1114105 + 1114102minus496


kJmol1114105


= minus788 kJmol











1s 1s

Molekuumllorbital


1s 3pz

Molekuumllorbital



3s

3px

3py


851 Lewis-Formeln










H 2 1H 2 1


H Hmdash



H 2 1F 8 7





H Fmdashmdash

mdash



C 8 4O 8 6




O 8 6O 8 6


OmdashOmdash







S 8 6S 8 6

2






N 8 5H 2 1H 2 1H 2 1H 2 1

minus116 8



N

H

HH

H




+



C 8 4O 8 6O 8 6O 8 6

2


C

O

OOC

O

OOC

O

OO



He He Ne Nemdash

mdash Na+ O2ndash







AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie









x


AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie



y- und πlowast2p

y


AO AOMO

bindend

antibindendEn

erg

ie



1113569 )




AO AOMO

En

erg

ie

H HH2

1s 1s

σ1s

σ1s



AO AOMO

En

erg

ie

He HeHe2

1s 1s

σ1s

σ1s



xdurch



yund π2p



yund πlowast2p

z Das




AO AOMO

En

erg

ie

O OO2

2s 2s

σ2s

σ2s

2px

σ2px

2py 2pz 2px2py2pz

σ2px

π2pyπ2pz

π2pyπ2pz



mdash mdashOmdashO







AO AOMO

En

erg

ie

H FHF

1s

2sn2s

σ

2px 2py 2pz

σ

n2pyn2pz


Bindungsordnung


Bindungsordnung






O2 BO = 8 minus 42 = 2

H2 BO = 2 minus 02 = 1

He2 BO = 2 minus 22 = 0






AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi2

2s 2s

σ2s

σ2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi3

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2sn2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi4

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2s

AO

Li

2s

σ2s

σ2s






MO

En

erg

ie

LiN

Band











MO

En

erg

ie

BeN

2p

2s






Kapitel 9

Saumluren und Basen



cken z B




















(91)


n = mM

= 1000 g1802 gmol

= 5551mol


c(H2O) =5551mol

1 L

= 5551 molL




KW = K sdot c(H2O)



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(bei 25 degC) (92)








HClS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ Clndash

B1


H2OS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ OHndash

B1[R 92]



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(94)






c(H3O+)



Einsetzen liefert


= 10minus11135681113571 molL


93 pH-Wert





pOH-Wert




pKW = minus lgKW

= minus lg 10minus11135681113571

= 14 (96)







pH + pOH

pKW = pH + pOH = 14 (97)



=111396910minus11135681113571 mol

1113569

L1113569




pH = 7


pH-Bereiche






schwach ist








NaOH Na+ + OHndash




Acetat+ H3O+

MWG








KB =c(NH+





pKS- und pKB-Wert




pKS(pK


pKS(pK


pKS(pK



Saumlure



c(CH3COOH)

Konjugierte Base



c(CH3COOndash)






pKW = pKS+ pK

B


KS sdot KB = KW

pKW = pKS+ pK

B= 14








damitpK


S(CH3COOH)

= 14 minus 474= 926



Name




S1113568= 638


3 pKS1113569= 1032


S1113568= 212


4 pKS1113569= 721


4 pKS1113570= 1200


S= minus132



S1113568= minus300


4 pKS1113569= 189


B= 474













das MWG


c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c1113567(HA)


= [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579





= 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103



4 NH3 H2BOndash3





der pOH-Wert


c(Andash)











pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103 (98)






S(CH3COOH) = 474)

pH = 121114100474 minus lg 0011114103

= 12 sdot 674

= 337




S(CH3COOH) = 474)





S(CH3COOH) = 926

pH = 14 minus 121114100926 minus lg 0011114103

= 14 minus 12 sdot 1126

= 14 minus 563= 837




1 Stufe


Dihydrogenphosphat

2 Stufe


4Hydrogenphosphat

3 Stufe


4Phosphat




= 75 sdot 10minus1113570 molL (910)



4)= 62 sdot 10minus1113575 molL (911)



4 )= 1 sdot 10minus11135681113569 molL (912)


man





4)sdot c(PO


XXXXXc(HPO2ndash4 )

(913)


(914)






= 47 sdot 10minus11135691113569 mol1113570

L1113570(916)

rArr pKSges

= 2133 (917)


pKS1113568= 212 (918)

pKS1113569= 721 (919)

pKS1113570= 12 (920)


pKSges

= pKS1113568+ pK

S1113569+ pK

S1113570

= 212 + 721 + 12= 2133







Clndash + H2O


Na+ + H2O




97 Puffersysteme


NH+4 und Clndash


NH+4 + H2O NH3 + H3O+

Clndash + H2O




pKS= 14 minus pK

B= 926




Es gilt

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(NH4Cl)1114103 (98)

= 12 sdot1114100926 minus lg 031114103

= 12 sdot (926 + 052)

= 12 sdot 978

= 489


97 Puffersysteme





Puffer










Es folgt






Logarithmieren






97 Puffersysteme



c(HA) (921)


pH = pKS+ lg c(HA)

c(HA) = pKS+ lg c(A

ndash)c(Andash)

= pKS+ lg 1

= pKS






c(CH3COOH) + c(HCl)


= pKS+ lg 075105

= 474 minus 015= 459






4 mitpK

S= 721 (Tab 91)

700 = 721 + lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)



Delogarithmieren

10minus111356711135691113568 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)


4)




Pufferkapazitaumlt



pH = pKSplusmn 1











F

B

F

F


F

B

F

FF

B

F

F F

B

F

F


Fmdash

mdash


F

B

F

F

oder

minus


B

F

F F

F

minus

oder raumlumlichF

B

F

F

F

minus



Lewis-Formeln II



S 8 6F 8 7F 8 7F 8 7F 8 7


F

S

F

F Fmdash

mdash+



+


Komplexe




Komplex













Komplexnomenklatur






3 Carbonato CNndash












3





N Ag N

H

H

H

H

H

H

+


Ni

C

CC

C

O

O

O

O

44


3+

3


C

Fe

C

CC

C

C

N

N

N

N

4

N

N

4minus




Pt

N

NCl

Cl

HH

H

H

H

H

22


Kapitel 10

Elektrochemie





























+II minusII







OxZahl(C) = +II



+II minusII



+IVC



minusIIO2ndash

4 mdash+IK

+VIIMn



+VIMo




plusmn0D

plusmn0T Ist 2H3H




minusI

minusII

minusII

minusII

minusII

minusII

minusIIminusII

minusII

minusII






minusIIO2ndash


Ergaumlnzung


Oxidation

plusmn0Ca


+ICu+ +II


Reduktion

+IIMn2+ + 2 endash

plusmn0Mn [R103]

+IIIFe3+ + endash

+IIFe2+ [R 104]







Redox-Reaktion









+IVC

minusIIO3 +

+IH2

minusIIO +

+IVC

minusIIO2

+IICa(

+IH

+IVC

minusIIO3)2





+IH2

minusIIO 2

+IH+ +



plusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash +

minusIIO

+IClndash





O Cl

minusII+I minus


H2+VISO4 + 3H2

minusIIS 4

plusmn0S + 4H2O



+VIIMnOndash

4 +minusIIN2H4

+IVMnO2 +

plusmn0N2


+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2


+VIIMnOndash





minusIIN2H4



N2 + 4 endash







4+VIIMnOndash





4+VIIMnOndash


+IVMnO2 +

416OHndash + 3


412H2O







+I

+I +I

+I

+I +I


und Ethanal

minusIII

minusII+I

+I

+I

+I

+I


+VICr2O2ndash

7+IIICr3+



7 + 6 endash + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O













Zn2+ + Cu Zn + Cu2+


Cu2+ + Zn Cu + Zn2+








Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu





edel unedel

Galvanische Zellen




Elektroden





Zn|Zn2+ 11141021molL 1114105 |Cu2+ 11141021

molL 1114105 |Cu


Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu2+

SO42minus SO4

2minus Zn2+

poroumlse Trennwand

eminuseminus

Halbzelle Halbzelle




























H+

poroumlse Trennwand

platiniertes

Pt-Blech

H+

zur Vergleichs-

Halbzelle H2




= E1113567Cu minus (+E1113567Zn) (102)

Eselsbruumlcke



= +0337V minus (minus0763V) (105)= +1100V (106)


ΔE1113567 = E1113567Zn + (minusE1113567Cu) (107)

= minus1100V (108)







Wel = q sdotU (109)




Wir sortieren um




= 96 485 Cmol (1013)

= F (1014)









= 96 485 Cmol (1019)




4 + 4H+ PbSO4 + 2H2O E1113567 = +1682V [R 108]


4








ΔG = ΔG1113567 + RT lnQ (1020)















= 00592 JC lgQ (1024)

Weil 1 JC = 1V ist

= 00592V lgQ (1025)


ΔE = ΔE1113567 minus 00592Vz lgQ (1026)






Q = c(Zn2+)c(Cu2+)

Und wie gehabt

ΔE = E1113567Cu2+Cu






= E1113567Cu2+Cu


= 1100V







005molL

= E1113567Cu2+Cu


minus 00592V2 lg 24

= 1100V minus 0041V= 1059V





7 ) sdot c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1(1molL)11135681113571

= 133V


E = 133V minus 00592V6 lg 1

111410010minus11135681113571molL111410311135681113571

= 133V minus 00592V6 lg 1111410010minus1113568111357611135731114103



und pH = 14

E = E1113567 minus 00592V1 lg 1c(H+)



pH = 7


= minus04144V

pH = 14


= minus0829V


Anhang A



A1 Logarithmen






Regel Beispiel



Allgemein gilt

log 1 = 0log

uu = 1


logbx = log

bg sdot log

gx





U = U sdot [U] (A1)


U = 230V (A2)

und damit

U = 230 (A3)[U] = V (A4)



U = U[U] (A5)



Draumlhte UV




A31 Basiseinheiten







A33 Naturkonstanten





F(x) 1113603F1113603x = Fprime(x) = f(x)


ln x 1113568x


Quellen








Anhang B

Periodensystem

11

22

33

44

55

66

77

66

77

1ndash

Ia

2ndash

IIa

13

ndashII

Ia

14

ndashIV

a15

ndashV

a16

ndashV

Ia

17

ndashV

IIa

18

ndash0

3ndash

IIIb

4ndash

IVb

5ndash

Vb

6ndash

VIb

7ndash

VII

b8

9

VII

Ib

10

11

ndashIb

12

ndashII

b

H 1

10

079

He

2

40

026

Li 3

69

41

Be 4

90

112

B 5

108

11

C 6

120

11

N 7

140

07

O 8

159

99

F 9

189

98

Ne

10

201

80

Na

11

229

9

Mg

12

243

05

Al

13

269

82

Si

14

280

86

P 15

309

74

S 16

320

66

Cl

17

354

53

Ar

18

399

48

K 19

390

98

Ca

20

400

78

Sc

21

449

56

Ti

22

478

8

V 23

509

42

Cr

24

519

96

Mn

25

549

38

Fe

26

558

45

Co

27

589

33

Ni

28

586

93

Cu

29

635

46

Zn

30

653

9

Ga

31

697

23

Ge

32

726

1

As

33

749

22

Se

34

789

6

Br

35

799

04

Kr

36

838

0

Rb

37

854

68

Sr

38

876

2

Y 39

889

06

Zr

40

912

24

Nb

41

929

06

Mo

42

959

4

Tc

43

(989

06)

Ru

44

1010

7

Rh

45

1029

1

Pd

46

1064

2

Ag

47

1078

7

Cd

48

1124

1

In 49

1148

2

Sn

50

1187

1

Sb

51

1217

6

Te

52

1276

0

I 53

1269

0

Xe

54

1312

9

Cs

55

1329

1

Ba

56

1373

3

LandashLu

57ndash71

Hf

72

1784

9

Ta

73

1809

5

W 74

1838

4

Re

75

1862

1

Os

76

1902

3

Ir 77

1922

2

Pt

78

1950

8

Au

79

1969

7

Hg

80

2005

9

Tl

81

2043

8

Pb

82

2072

0

Bi

83

2089

8

Po

84

(2099

8)

At

85

(2099

9)

Rn

86

(2220

2)

Fr 87

(2230

2)

Ra

88

(2260

3)

AcndashLr

89ndash103

Rf

10

4

(2611

1)

Db

10

5

(2621

1)

Sg

10

6

(2631

2)

Bh

10

7

(2621

2)

Hs

10

8

(269)

Mt

10

9

(268)

Ds

11

0

(271)

Rg

11

1

(272)

Cn

11

2

(277)

Uu

t1

13

(284)

Fl

11

4

(289)

Uu

p1

15

(288)

Lv

11

6

(292)

Uu

s1

17

mdash

Uu

o1

18

mdash

La

57

1389

1

Ce

58

1401

2

Pr

59

1409

1

Nd

60

1442

4

Pm 61

(1449

1)

Sm 62

1503

6

Eu

63

1519

6

Gd

64

1572

5

Tb

65

1589

3

Dy

66

1625

0

Ho

67

1649

3

Er

68

1672

6

Tm 69

1689

3

Yb

70

1730

4

Lu

71

1747

8

Ac

89

(2270

3)

Th

90

(2320

4)

Pa

91

(2310

4)

U 92

(2380

3)

Np

93

(2370

5)

Pu

94

(2440

6)

Am 95

(2430

6)

Cm 96

(2470

7)

Bk

97

(2470

7)

Cf

98

(2510

8)

Es

99

(2520

8)

Fm

10

0

(2571

8)

Md

10

1

(2581

0)

No

10

2

(2591

0)

Lr

10

3

(2621

1)

Vorwort

1 Chemie




2 Atomtheorie


22 Das Elektron

23 Das Proton

24 Das Neutron



27 Atomsymbole

28 Isotope

29 Atommassen





34 Orbitalbesetzung

35 Periodensystem

4 Stoumlchiometrie



43 Das Mol









61 Enthalpie

62 Satz von Hess


64 Kinetik




71 Phasenbegriff

72 Gase


73 Fluumlssigkeiten


75 Feststoffe


77 Phasendiagramme





8 Chemische Bindung




84 Ionische Bindung


851 Lewis-Formeln






93 pH-Wert




97 Puffersysteme


10 Elektrochemie







A1 Logarithmen



A31 Basiseinheiten


A33 Naturkonstanten


B Periodensystem








Tabellenverzeichnis







ix

Beispielverzeichnis

01 Beispiele xiv










xi

Beispielverzeichnis








Vorwort





Zum Skript




Literatur





xiii

Vorwort



Technische Hinweise








120575+H







Kapitel 1

Chemie



Definition









Kapitel 1 Chemie
























Elementdefinition






Materie


Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

chemischen Meth



Kapitel 1 Chemie




Rest 056







Kapitel 2

Atomtheorie



Antike Atome
















22 Das Elektron


NaKCa SrBa





Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(ndash)

(+)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS




23 Das Proton



qm = minus17588 sdot 101113575 Cg




(ndash)

(+)








= 91094 sdot 10minus11135701113568 kg

23 Das Proton







qp+

mp+= +95791 sdot 101113571 Cg



Kathode

(ndash)

Anode

(+)

endash

endash

endash

endash

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld



mendashasymp 1836

24 Das Neutron




Uumlbersicht






Teilchen mkg

mu

q11135681113573111356711135691113569 sdot 11135681113567minus11135781113586 1113684






Anwendungen






120582 = ln 2t11135681113569

(22)







Metallfolie

Film

geschwaumlrzte

Stellen

radioaktives

Praumlparat



Konsequenzen





27 Atomsymbole







dAtomdKern

= 10minus11135681113567m10minus11135681113572m

= 101113572

27 Atomsymbole


AZSym



deutig ist


11H 21H = D 31H = T





2311Na+ 2713Al3+ 3216S2ndash




28 Isotope



Isotope





29 Atommassen




29 Atommassen

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Gluumlhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor







= 12



= 1007








35453 u


Kapitel 3








Bohrsche Postulate







p+

eminus

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2ltE1 lt E2





1113569 + V(r t)1114105120569(r t) (31)







A

A

λ

λ

λ

A


A

A

λ

λ

A




Δp sdot Δr ge h



Quantenzahlen






x

y

z

s ( = 0)l

x

y

z


x

y

z

p ( = 1 = 0)y ll m

x

y

z

p ( = 1 = +1)z ll m

x

y

z


x

y

z


x

y

z

d ( = 2 = 0)yz ll m

x

y

z


x

y

z



34 Orbitalbesetzung



11135681113569



n = 2 rArr l =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩


1 rArr ml =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩


+1 rArr 2pz-Orbital

34 Orbitalbesetzung


Pauli-Prinzip


Hundsche Regel







35 Periodensystem





1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie










35 Periodensystem

(ndash)

(ndash)

(+)

(+)

KathodeKathode

AnodeAnode

UA

UH


eminuseminus







Gruppennamen






H 1s1113568 1s1113568

He 1s1113569 1s1113569

Li 1s1113569 2s1113568 [He] 2s1113568

Be 1s1113569 2s1113569 [He] 2s1113569

B 1s1113569 2s1113569 2p1113568 [He] 2s1113569 2p1113568

C 1s1113569 2s1113569 2p1113569 [He] 2s1113569 2p1113569

N 1s1113569 2s1113569 2p1113570 [He] 2s1113569 2p1113570

O 1s1113569 2s1113569 2p1113571 [He] 2s1113569 2p1113571

F 1s1113569 2s1113569 2p1113572 [He] 2s1113569 2p1113572

Ne 1s1113569 2s1113569 2p1113573 [He] 2s1113569 2p1113573

Na 1s1113569 2s1113568 2p1113573 3s1113568 [Ne] 3s1113568

Mg 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 [Ne] 3s1113569

Al 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113568 [Ne] 3s1113569 3p1113568

Si 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113569 [Ne] 3s1113569 3p1113569

P 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113570 [Ne] 3s1113569 3p1113570

S 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113571 [Ne] 3s1113569 3p1113571

Cl 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113572 [Ne] 3s1113569 3p1113572

Ar 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113573 [Ne] 3s1113569 3p1113573

Gruppe Name



Tendenzen im PSE

Atomradius



35 Periodensystem

Ionisierungsenergie



Ionisierungsenergie







F40gt O

34gt N

31asymp Cl

31gt C

25gt H

22gt Si

19gt Li

10gt Na

09gt Fr

07





nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie




Kapitel 4

Stoumlchiometrie

Stoumlchiometrie










4 PO3ndash4 NH+

4












43 DasMol



oder



Mol


6C enthalten sind



1mol = 9594gmol =M




Molare Formelmasse




NA =Nn = 6022 14 sdot 1011135691113570 1

mol


Avogadro-Gesetz









= 3 sdot 5585 gmol + 4 sdot 1599

gmol

= 23155 gmol






= 16755 gmol23155 gmol

= 0724




5 + 2 times 8 = 7 + 14 (42)












H+ + H2O H3O+ [R 43]







C2H6 + O2 CO2 + H2O [R44]




C2H6 +72 O2 2CO2 + 3H2O [R47]



2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O [R48]





c(X) = n(X)V




= 2922 g









= c sdot R sdot T



Kapitel 5












N2 + 3H2 2NH3 [R 53]



N2 + 3H2 2NH3 [R 55]





A + B C + D [R 56]












und umgeformt



quotientldquo





A + B 2C


A + B C + C

Also gilt

c(C) = c(D)



= c1113569(C)c(A) sdot c(B)



ergibt sich










Es ergibt sich


c(Cl2) sdot c(H2O)



c(Cl2)


N2 + 3H2 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p1113569(NH3)

p(N2) sdot p1113570(H2)



Kc =c1113569(NH3) sdot (RT)1113569





CaCO3 CaO + CO2uarr

Das MWG lautetKc =



Kprimec = c(CO2)





LeChatelier





N2 + 3H2 2NH3


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





Lage jedoch nicht


Kapitel 6






61 Enthalpie


H = U + p sdot V (61)












mol

rArr H2O H2 +12 O2 ΔH = +2859 kJ

mol

62 Satz vonHess

Satz von Hess







mol

undCO +


mol




kJmol1114105

= minus3935 kJmol




C2H4 + H2 C2H6 ΔH = [R 61]


mol [R 62]



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

rArr C2H4 + H2 C2H6



kJmol1114105

= minus1370 kJmol














Freie Enthalpie ΔG


64 Kinetik


A2 + X2 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und


dt


Stoszligtheorie




A2 + X2

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

A ⋯ A⋮ ⋮X ⋯ X

⎫⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭

ne

aktivierterKomplex

2AX



64 Kinetik

A2

X2

AX AX



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH lt 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH gt 0

aktivierter

Komplex

EA


Katalyse





A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

akt K (nk)

EA(nk)

EA(k)

akt K (k)akt K (k)










1 Ordnung in A


2 Ordnung insgesamt



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX





1 Ordn


sdot c1113570(C)11140533 Ordn

sdot c1113569(D)11140532 Ordn11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

7 Ordnung insgesamt



146C 14

7N+ + endash + ν




N sim c

Es ergibt sich also







1114009 dNN = minus120582 sdot 1114009dt




rArrNE

1114009N1113577


tE

11140091113567

dt

(lnN)1114071NE

N1113577

= minus120582 sdot (t)1114071tE

1113567










N(t11135681113569) =N11135672


12 = e


rArr 2 = e120582sdott11135781113579

ln 2 = 120582 sdot t11135681113569





Cl2 + CH4Methan


Kettenstart


Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung




+ Cl

Kettenabbruch


CH3 + CH3 C2H6Ethan





Kapitel 7


71 Phasenbegriff

Phase







72 Gase



p = FA

(71)


1114094p1114097 = Pa = Nm1113569



HgHg

Atmosphaumlren-

druck

Atmosphaumlren-

druck

Druck der

Hg-Saumlule Vakuum

h p~



= 1013 kPa= 760 torr


Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Saumlule

Gasdruckh p~



72 Gase

Partialdruck




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






p sim 1V




R = 83145 JmolK

= 83145 Pam1113570

molK= 00821 atmL

molK

Ideales Gas




73 Fluumlssigkeiten




+q minusq

r



Permanente Dipole







Temporaumlre Dipole






++++ +

+minusminus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

δ+ δminus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus










δ+

2δminus

δ+










75 Feststoffe

HF

HCl HBr

HISbH3

AsH3

NH3

PH3

SiH4

CH4

GeH4

SnH4

H O2

H2S

H2Se

H2Te

2 3 4 5

minus200

minus100

0

100

Sie

dep

un

kt

degC

Periode


75 Feststoffe





S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si








schmelzen

(Schmelzpunkt)

erstarrengefrieren

(Gefrierpunkt)

verdampfen

(Siedepunkt)

kondensieren


sublimieren

(Sublimationspunkt)

resublimieren



77 Phasendiagramme






H2O(s) H2O(g)



H2O(l) H2O(g)


77 Phasendiagramme

221 bar

1013 bar

00061 bar

p

000

250

0110

037

4

TdegC

Dampf

Fluumlssigkeit

Feststoff

Kritischer

Punkt

Siedepunkt


Fluumlssigkeit

Dampfdruckkurve

Dampf

von

fluumlss

igem

Was

ser

druck

kurve

von Eis

Sch

melzp

un

ktsk

urv

e festfluumlssig

Schmelzpunkt

A

B



H2O(s) H2O(l)











S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H H

HH

H H

H H

H









1001

1000

0999

0998

0997minus10 0 4 10 20

TemperaturdegC

Dic

hte

(g

cm

)3

Dic

hte

(g

cm

)3

TemperaturdegC

minus100 minus50 0 50 1000910

0920

0930

0940

0950

0960

0970

0980

0990

1000

Wasser


Eis













p

Feststoff

Fluumlssigkeit

Dampf

Tripelpunkt

Kritischer

Punkt

TdegC31

0minus5

66

minus78

5

1013 bar

518 bar

737 bar








Wasser und Salze









Na+ Clminus Na+

Clminus

Na+

Clminus Na+ Clminus



ClminusNa+












= 17 sdot 10minus11135681113567 mol1113569

L1113569(74)







=111396917 sdot 10minus11135681113567 mol

1113569

L1113569







c(Clndash)











und




ermitteln


c1113569(Pb2+) = KL


=11139692 sdot 10minus11135681113573 mol

1113569

L1113569








KL = c(Co2+) sdot 11141002c(Co2+)11141031113569

= 4c1113570(Co2+)


c(Co2+) = 1114102KL

4 111410511135781113580




Kapitel 8

Chemische Bindung









F = 071 Aring2 r

Cl = 099 Aring2 r

Br = 114 Aring2 r

I = 133 Aring2 r













N

N

N H

H

O

N

N

O

N

NO

O

P

N

N

N

NO

O

O

O

O

O

N H

H

H N

N

N

H

H

O

O

O

O

O

P

O

O

H






Metall










Elektronengas


Na

Na

Na Na

NaNa Na Na

NaNa Na Na

NaNaNa Na+ Na+Na+

Na+Na+

Na+





84 Ionische Bindung



84 Ionische Bindung





Na ∶ [Ne] 3 s1113568

Na+ ∶ [Ne]Cl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113572

Clndash ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113573 = [Ar]



Al3+ ∶ [Ne]O ∶ [He] 2 s1113569 2p1113571

O2ndash ∶ [He] 2 s1113569 2p1113573 = [Ne]


Fe ∶ [Ar] 3d1113573 4s1113569

Fe3+ ∶ [Ar] 3d1113572 = [Ar] 3d1113568xy 3d1113568xz 3d

1113568yz 3d

1113568z1113579 3d

1113568x1113579minusy1113579


pien) vor













kJmol









Al4C3


84 Ionische Bindung

Gitterenthalpie











Bildungsenthalpie


kJmol [R 82]








kJmol [R 86]














kJmol1114105 + 1114102minus

12 sdot 243

kJmol1114105 + 1114102minus496


kJmol1114105


= minus788 kJmol











1s 1s

Molekuumllorbital


1s 3pz

Molekuumllorbital



3s

3px

3py


851 Lewis-Formeln










H 2 1H 2 1


H Hmdash



H 2 1F 8 7





H Fmdashmdash

mdash



C 8 4O 8 6




O 8 6O 8 6


OmdashOmdash







S 8 6S 8 6

2






N 8 5H 2 1H 2 1H 2 1H 2 1

minus116 8



N

H

HH

H




+



C 8 4O 8 6O 8 6O 8 6

2


C

O

OOC

O

OOC

O

OO



He He Ne Nemdash

mdash Na+ O2ndash







AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie









x


AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie



y- und πlowast2p

y


AO AOMO

bindend

antibindendEn

erg

ie



1113569 )




AO AOMO

En

erg

ie

H HH2

1s 1s

σ1s

σ1s



AO AOMO

En

erg

ie

He HeHe2

1s 1s

σ1s

σ1s



xdurch



yund π2p



yund πlowast2p

z Das




AO AOMO

En

erg

ie

O OO2

2s 2s

σ2s

σ2s

2px

σ2px

2py 2pz 2px2py2pz

σ2px

π2pyπ2pz

π2pyπ2pz



mdash mdashOmdashO







AO AOMO

En

erg

ie

H FHF

1s

2sn2s

σ

2px 2py 2pz

σ

n2pyn2pz


Bindungsordnung


Bindungsordnung






O2 BO = 8 minus 42 = 2

H2 BO = 2 minus 02 = 1

He2 BO = 2 minus 22 = 0






AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi2

2s 2s

σ2s

σ2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi3

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2sn2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi4

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2s

AO

Li

2s

σ2s

σ2s






MO

En

erg

ie

LiN

Band











MO

En

erg

ie

BeN

2p

2s






Kapitel 9

Saumluren und Basen



cken z B




















(91)


n = mM

= 1000 g1802 gmol

= 5551mol


c(H2O) =5551mol

1 L

= 5551 molL




KW = K sdot c(H2O)



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(bei 25 degC) (92)








HClS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ Clndash

B1


H2OS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ OHndash

B1[R 92]



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(94)






c(H3O+)



Einsetzen liefert


= 10minus11135681113571 molL


93 pH-Wert





pOH-Wert




pKW = minus lgKW

= minus lg 10minus11135681113571

= 14 (96)







pH + pOH

pKW = pH + pOH = 14 (97)



=111396910minus11135681113571 mol

1113569

L1113569




pH = 7


pH-Bereiche






schwach ist








NaOH Na+ + OHndash




Acetat+ H3O+

MWG








KB =c(NH+





pKS- und pKB-Wert




pKS(pK


pKS(pK


pKS(pK



Saumlure



c(CH3COOH)

Konjugierte Base



c(CH3COOndash)






pKW = pKS+ pK

B


KS sdot KB = KW

pKW = pKS+ pK

B= 14








damitpK


S(CH3COOH)

= 14 minus 474= 926



Name




S1113568= 638


3 pKS1113569= 1032


S1113568= 212


4 pKS1113569= 721


4 pKS1113570= 1200


S= minus132



S1113568= minus300


4 pKS1113569= 189


B= 474













das MWG


c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c1113567(HA)


= [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579





= 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103



4 NH3 H2BOndash3





der pOH-Wert


c(Andash)











pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103 (98)






S(CH3COOH) = 474)

pH = 121114100474 minus lg 0011114103

= 12 sdot 674

= 337




S(CH3COOH) = 474)





S(CH3COOH) = 926

pH = 14 minus 121114100926 minus lg 0011114103

= 14 minus 12 sdot 1126

= 14 minus 563= 837




1 Stufe


Dihydrogenphosphat

2 Stufe


4Hydrogenphosphat

3 Stufe


4Phosphat




= 75 sdot 10minus1113570 molL (910)



4)= 62 sdot 10minus1113575 molL (911)



4 )= 1 sdot 10minus11135681113569 molL (912)


man





4)sdot c(PO


XXXXXc(HPO2ndash4 )

(913)


(914)






= 47 sdot 10minus11135691113569 mol1113570

L1113570(916)

rArr pKSges

= 2133 (917)


pKS1113568= 212 (918)

pKS1113569= 721 (919)

pKS1113570= 12 (920)


pKSges

= pKS1113568+ pK

S1113569+ pK

S1113570

= 212 + 721 + 12= 2133







Clndash + H2O


Na+ + H2O




97 Puffersysteme


NH+4 und Clndash


NH+4 + H2O NH3 + H3O+

Clndash + H2O




pKS= 14 minus pK

B= 926




Es gilt

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(NH4Cl)1114103 (98)

= 12 sdot1114100926 minus lg 031114103

= 12 sdot (926 + 052)

= 12 sdot 978

= 489


97 Puffersysteme





Puffer










Es folgt






Logarithmieren






97 Puffersysteme



c(HA) (921)


pH = pKS+ lg c(HA)

c(HA) = pKS+ lg c(A

ndash)c(Andash)

= pKS+ lg 1

= pKS






c(CH3COOH) + c(HCl)


= pKS+ lg 075105

= 474 minus 015= 459






4 mitpK

S= 721 (Tab 91)

700 = 721 + lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)



Delogarithmieren

10minus111356711135691113568 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)


4)




Pufferkapazitaumlt



pH = pKSplusmn 1











F

B

F

F


F

B

F

FF

B

F

F F

B

F

F


Fmdash

mdash


F

B

F

F

oder

minus


B

F

F F

F

minus

oder raumlumlichF

B

F

F

F

minus



Lewis-Formeln II



S 8 6F 8 7F 8 7F 8 7F 8 7


F

S

F

F Fmdash

mdash+



+


Komplexe




Komplex













Komplexnomenklatur






3 Carbonato CNndash












3





N Ag N

H

H

H

H

H

H

+


Ni

C

CC

C

O

O

O

O

44


3+

3


C

Fe

C

CC

C

C

N

N

N

N

4

N

N

4minus




Pt

N

NCl

Cl

HH

H

H

H

H

22


Kapitel 10

Elektrochemie





























+II minusII







OxZahl(C) = +II



+II minusII



+IVC



minusIIO2ndash

4 mdash+IK

+VIIMn



+VIMo




plusmn0D

plusmn0T Ist 2H3H




minusI

minusII

minusII

minusII

minusII

minusII

minusIIminusII

minusII

minusII






minusIIO2ndash


Ergaumlnzung


Oxidation

plusmn0Ca


+ICu+ +II


Reduktion

+IIMn2+ + 2 endash

plusmn0Mn [R103]

+IIIFe3+ + endash

+IIFe2+ [R 104]







Redox-Reaktion









+IVC

minusIIO3 +

+IH2

minusIIO +

+IVC

minusIIO2

+IICa(

+IH

+IVC

minusIIO3)2





+IH2

minusIIO 2

+IH+ +



plusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash +

minusIIO

+IClndash





O Cl

minusII+I minus


H2+VISO4 + 3H2

minusIIS 4

plusmn0S + 4H2O



+VIIMnOndash

4 +minusIIN2H4

+IVMnO2 +

plusmn0N2


+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2


+VIIMnOndash





minusIIN2H4



N2 + 4 endash







4+VIIMnOndash





4+VIIMnOndash


+IVMnO2 +

416OHndash + 3


412H2O







+I

+I +I

+I

+I +I


und Ethanal

minusIII

minusII+I

+I

+I

+I

+I


+VICr2O2ndash

7+IIICr3+



7 + 6 endash + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O













Zn2+ + Cu Zn + Cu2+


Cu2+ + Zn Cu + Zn2+








Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu





edel unedel

Galvanische Zellen




Elektroden





Zn|Zn2+ 11141021molL 1114105 |Cu2+ 11141021

molL 1114105 |Cu


Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu2+

SO42minus SO4

2minus Zn2+

poroumlse Trennwand

eminuseminus

Halbzelle Halbzelle




























H+

poroumlse Trennwand

platiniertes

Pt-Blech

H+

zur Vergleichs-

Halbzelle H2




= E1113567Cu minus (+E1113567Zn) (102)

Eselsbruumlcke



= +0337V minus (minus0763V) (105)= +1100V (106)


ΔE1113567 = E1113567Zn + (minusE1113567Cu) (107)

= minus1100V (108)







Wel = q sdotU (109)




Wir sortieren um




= 96 485 Cmol (1013)

= F (1014)









= 96 485 Cmol (1019)




4 + 4H+ PbSO4 + 2H2O E1113567 = +1682V [R 108]


4








ΔG = ΔG1113567 + RT lnQ (1020)















= 00592 JC lgQ (1024)

Weil 1 JC = 1V ist

= 00592V lgQ (1025)


ΔE = ΔE1113567 minus 00592Vz lgQ (1026)






Q = c(Zn2+)c(Cu2+)

Und wie gehabt

ΔE = E1113567Cu2+Cu






= E1113567Cu2+Cu


= 1100V







005molL

= E1113567Cu2+Cu


minus 00592V2 lg 24

= 1100V minus 0041V= 1059V





7 ) sdot c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1(1molL)11135681113571

= 133V


E = 133V minus 00592V6 lg 1

111410010minus11135681113571molL111410311135681113571

= 133V minus 00592V6 lg 1111410010minus1113568111357611135731114103



und pH = 14

E = E1113567 minus 00592V1 lg 1c(H+)



pH = 7


= minus04144V

pH = 14


= minus0829V


Anhang A



A1 Logarithmen






Regel Beispiel



Allgemein gilt

log 1 = 0log

uu = 1


logbx = log

bg sdot log

gx





U = U sdot [U] (A1)


U = 230V (A2)

und damit

U = 230 (A3)[U] = V (A4)



U = U[U] (A5)



Draumlhte UV




A31 Basiseinheiten







A33 Naturkonstanten





F(x) 1113603F1113603x = Fprime(x) = f(x)


ln x 1113568x


Quellen








Anhang B

Periodensystem

11

22

33

44

55

66

77

66

77

1ndash

Ia

2ndash

IIa

13

ndashII

Ia

14

ndashIV

a15

ndashV

a16

ndashV

Ia

17

ndashV

IIa

18

ndash0

3ndash

IIIb

4ndash

IVb

5ndash

Vb

6ndash

VIb

7ndash

VII

b8

9

VII

Ib

10

11

ndashIb

12

ndashII

b

H 1

10

079

He

2

40

026

Li 3

69

41

Be 4

90

112

B 5

108

11

C 6

120

11

N 7

140

07

O 8

159

99

F 9

189

98

Ne

10

201

80

Na

11

229

9

Mg

12

243

05

Al

13

269

82

Si

14

280

86

P 15

309

74

S 16

320

66

Cl

17

354

53

Ar

18

399

48

K 19

390

98

Ca

20

400

78

Sc

21

449

56

Ti

22

478

8

V 23

509

42

Cr

24

519

96

Mn

25

549

38

Fe

26

558

45

Co

27

589

33

Ni

28

586

93

Cu

29

635

46

Zn

30

653

9

Ga

31

697

23

Ge

32

726

1

As

33

749

22

Se

34

789

6

Br

35

799

04

Kr

36

838

0

Rb

37

854

68

Sr

38

876

2

Y 39

889

06

Zr

40

912

24

Nb

41

929

06

Mo

42

959

4

Tc

43

(989

06)

Ru

44

1010

7

Rh

45

1029

1

Pd

46

1064

2

Ag

47

1078

7

Cd

48

1124

1

In 49

1148

2

Sn

50

1187

1

Sb

51

1217

6

Te

52

1276

0

I 53

1269

0

Xe

54

1312

9

Cs

55

1329

1

Ba

56

1373

3

LandashLu

57ndash71

Hf

72

1784

9

Ta

73

1809

5

W 74

1838

4

Re

75

1862

1

Os

76

1902

3

Ir 77

1922

2

Pt

78

1950

8

Au

79

1969

7

Hg

80

2005

9

Tl

81

2043

8

Pb

82

2072

0

Bi

83

2089

8

Po

84

(2099

8)

At

85

(2099

9)

Rn

86

(2220

2)

Fr 87

(2230

2)

Ra

88

(2260

3)

AcndashLr

89ndash103

Rf

10

4

(2611

1)

Db

10

5

(2621

1)

Sg

10

6

(2631

2)

Bh

10

7

(2621

2)

Hs

10

8

(269)

Mt

10

9

(268)

Ds

11

0

(271)

Rg

11

1

(272)

Cn

11

2

(277)

Uu

t1

13

(284)

Fl

11

4

(289)

Uu

p1

15

(288)

Lv

11

6

(292)

Uu

s1

17

mdash

Uu

o1

18

mdash

La

57

1389

1

Ce

58

1401

2

Pr

59

1409

1

Nd

60

1442

4

Pm 61

(1449

1)

Sm 62

1503

6

Eu

63

1519

6

Gd

64

1572

5

Tb

65

1589

3

Dy

66

1625

0

Ho

67

1649

3

Er

68

1672

6

Tm 69

1689

3

Yb

70

1730

4

Lu

71

1747

8

Ac

89

(2270

3)

Th

90

(2320

4)

Pa

91

(2310

4)

U 92

(2380

3)

Np

93

(2370

5)

Pu

94

(2440

6)

Am 95

(2430

6)

Cm 96

(2470

7)

Bk

97

(2470

7)

Cf

98

(2510

8)

Es

99

(2520

8)

Fm

10

0

(2571

8)

Md

10

1

(2581

0)

No

10

2

(2591

0)

Lr

10

3

(2621

1)

Vorwort

1 Chemie




2 Atomtheorie


22 Das Elektron

23 Das Proton

24 Das Neutron



27 Atomsymbole

28 Isotope

29 Atommassen





34 Orbitalbesetzung

35 Periodensystem

4 Stoumlchiometrie



43 Das Mol









61 Enthalpie

62 Satz von Hess


64 Kinetik




71 Phasenbegriff

72 Gase


73 Fluumlssigkeiten


75 Feststoffe


77 Phasendiagramme





8 Chemische Bindung




84 Ionische Bindung


851 Lewis-Formeln






93 pH-Wert




97 Puffersysteme


10 Elektrochemie







A1 Logarithmen



A31 Basiseinheiten


A33 Naturkonstanten


B Periodensystem

Beispielverzeichnis

01 Beispiele xiv










xi

Beispielverzeichnis








Vorwort





Zum Skript




Literatur





xiii

Vorwort



Technische Hinweise








120575+H







Kapitel 1

Chemie



Definition









Kapitel 1 Chemie
























Elementdefinition






Materie


Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

chemischen Meth



Kapitel 1 Chemie




Rest 056







Kapitel 2

Atomtheorie



Antike Atome
















22 Das Elektron


NaKCa SrBa





Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(ndash)

(+)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS




23 Das Proton



qm = minus17588 sdot 101113575 Cg




(ndash)

(+)








= 91094 sdot 10minus11135701113568 kg

23 Das Proton







qp+

mp+= +95791 sdot 101113571 Cg



Kathode

(ndash)

Anode

(+)

endash

endash

endash

endash

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld



mendashasymp 1836

24 Das Neutron




Uumlbersicht






Teilchen mkg

mu

q11135681113573111356711135691113569 sdot 11135681113567minus11135781113586 1113684






Anwendungen






120582 = ln 2t11135681113569

(22)







Metallfolie

Film

geschwaumlrzte

Stellen

radioaktives

Praumlparat



Konsequenzen





27 Atomsymbole







dAtomdKern

= 10minus11135681113567m10minus11135681113572m

= 101113572

27 Atomsymbole


AZSym



deutig ist


11H 21H = D 31H = T





2311Na+ 2713Al3+ 3216S2ndash




28 Isotope



Isotope





29 Atommassen




29 Atommassen

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Gluumlhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor







= 12



= 1007








35453 u


Kapitel 3








Bohrsche Postulate







p+

eminus

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2ltE1 lt E2





1113569 + V(r t)1114105120569(r t) (31)







A

A

λ

λ

λ

A


A

A

λ

λ

A




Δp sdot Δr ge h



Quantenzahlen






x

y

z

s ( = 0)l

x

y

z


x

y

z

p ( = 1 = 0)y ll m

x

y

z

p ( = 1 = +1)z ll m

x

y

z


x

y

z


x

y

z

d ( = 2 = 0)yz ll m

x

y

z


x

y

z



34 Orbitalbesetzung



11135681113569



n = 2 rArr l =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩


1 rArr ml =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩


+1 rArr 2pz-Orbital

34 Orbitalbesetzung


Pauli-Prinzip


Hundsche Regel







35 Periodensystem





1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie










35 Periodensystem

(ndash)

(ndash)

(+)

(+)

KathodeKathode

AnodeAnode

UA

UH


eminuseminus







Gruppennamen






H 1s1113568 1s1113568

He 1s1113569 1s1113569

Li 1s1113569 2s1113568 [He] 2s1113568

Be 1s1113569 2s1113569 [He] 2s1113569

B 1s1113569 2s1113569 2p1113568 [He] 2s1113569 2p1113568

C 1s1113569 2s1113569 2p1113569 [He] 2s1113569 2p1113569

N 1s1113569 2s1113569 2p1113570 [He] 2s1113569 2p1113570

O 1s1113569 2s1113569 2p1113571 [He] 2s1113569 2p1113571

F 1s1113569 2s1113569 2p1113572 [He] 2s1113569 2p1113572

Ne 1s1113569 2s1113569 2p1113573 [He] 2s1113569 2p1113573

Na 1s1113569 2s1113568 2p1113573 3s1113568 [Ne] 3s1113568

Mg 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 [Ne] 3s1113569

Al 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113568 [Ne] 3s1113569 3p1113568

Si 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113569 [Ne] 3s1113569 3p1113569

P 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113570 [Ne] 3s1113569 3p1113570

S 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113571 [Ne] 3s1113569 3p1113571

Cl 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113572 [Ne] 3s1113569 3p1113572

Ar 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113573 [Ne] 3s1113569 3p1113573

Gruppe Name



Tendenzen im PSE

Atomradius



35 Periodensystem

Ionisierungsenergie



Ionisierungsenergie







F40gt O

34gt N

31asymp Cl

31gt C

25gt H

22gt Si

19gt Li

10gt Na

09gt Fr

07





nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie




Kapitel 4

Stoumlchiometrie

Stoumlchiometrie










4 PO3ndash4 NH+

4












43 DasMol



oder



Mol


6C enthalten sind



1mol = 9594gmol =M




Molare Formelmasse




NA =Nn = 6022 14 sdot 1011135691113570 1

mol


Avogadro-Gesetz









= 3 sdot 5585 gmol + 4 sdot 1599

gmol

= 23155 gmol






= 16755 gmol23155 gmol

= 0724




5 + 2 times 8 = 7 + 14 (42)












H+ + H2O H3O+ [R 43]







C2H6 + O2 CO2 + H2O [R44]




C2H6 +72 O2 2CO2 + 3H2O [R47]



2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O [R48]





c(X) = n(X)V




= 2922 g









= c sdot R sdot T



Kapitel 5












N2 + 3H2 2NH3 [R 53]



N2 + 3H2 2NH3 [R 55]





A + B C + D [R 56]












und umgeformt



quotientldquo





A + B 2C


A + B C + C

Also gilt

c(C) = c(D)



= c1113569(C)c(A) sdot c(B)



ergibt sich










Es ergibt sich


c(Cl2) sdot c(H2O)



c(Cl2)


N2 + 3H2 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p1113569(NH3)

p(N2) sdot p1113570(H2)



Kc =c1113569(NH3) sdot (RT)1113569





CaCO3 CaO + CO2uarr

Das MWG lautetKc =



Kprimec = c(CO2)





LeChatelier





N2 + 3H2 2NH3


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





Lage jedoch nicht


Kapitel 6






61 Enthalpie


H = U + p sdot V (61)












mol

rArr H2O H2 +12 O2 ΔH = +2859 kJ

mol

62 Satz vonHess

Satz von Hess







mol

undCO +


mol




kJmol1114105

= minus3935 kJmol




C2H4 + H2 C2H6 ΔH = [R 61]


mol [R 62]



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

rArr C2H4 + H2 C2H6



kJmol1114105

= minus1370 kJmol














Freie Enthalpie ΔG


64 Kinetik


A2 + X2 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und


dt


Stoszligtheorie




A2 + X2

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

A ⋯ A⋮ ⋮X ⋯ X

⎫⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭

ne

aktivierterKomplex

2AX



64 Kinetik

A2

X2

AX AX



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH lt 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH gt 0

aktivierter

Komplex

EA


Katalyse





A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

akt K (nk)

EA(nk)

EA(k)

akt K (k)akt K (k)










1 Ordnung in A


2 Ordnung insgesamt



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX





1 Ordn


sdot c1113570(C)11140533 Ordn

sdot c1113569(D)11140532 Ordn11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

7 Ordnung insgesamt



146C 14

7N+ + endash + ν




N sim c

Es ergibt sich also







1114009 dNN = minus120582 sdot 1114009dt




rArrNE

1114009N1113577


tE

11140091113567

dt

(lnN)1114071NE

N1113577

= minus120582 sdot (t)1114071tE

1113567










N(t11135681113569) =N11135672


12 = e


rArr 2 = e120582sdott11135781113579

ln 2 = 120582 sdot t11135681113569





Cl2 + CH4Methan


Kettenstart


Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung




+ Cl

Kettenabbruch


CH3 + CH3 C2H6Ethan





Kapitel 7


71 Phasenbegriff

Phase







72 Gase



p = FA

(71)


1114094p1114097 = Pa = Nm1113569



HgHg

Atmosphaumlren-

druck

Atmosphaumlren-

druck

Druck der

Hg-Saumlule Vakuum

h p~



= 1013 kPa= 760 torr


Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Saumlule

Gasdruckh p~



72 Gase

Partialdruck




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






p sim 1V




R = 83145 JmolK

= 83145 Pam1113570

molK= 00821 atmL

molK

Ideales Gas




73 Fluumlssigkeiten




+q minusq

r



Permanente Dipole







Temporaumlre Dipole






++++ +

+minusminus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

δ+ δminus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus










δ+

2δminus

δ+










75 Feststoffe

HF

HCl HBr

HISbH3

AsH3

NH3

PH3

SiH4

CH4

GeH4

SnH4

H O2

H2S

H2Se

H2Te

2 3 4 5

minus200

minus100

0

100

Sie

dep

un

kt

degC

Periode


75 Feststoffe





S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si








schmelzen

(Schmelzpunkt)

erstarrengefrieren

(Gefrierpunkt)

verdampfen

(Siedepunkt)

kondensieren


sublimieren

(Sublimationspunkt)

resublimieren



77 Phasendiagramme






H2O(s) H2O(g)



H2O(l) H2O(g)


77 Phasendiagramme

221 bar

1013 bar

00061 bar

p

000

250

0110

037

4

TdegC

Dampf

Fluumlssigkeit

Feststoff

Kritischer

Punkt

Siedepunkt


Fluumlssigkeit

Dampfdruckkurve

Dampf

von

fluumlss

igem

Was

ser

druck

kurve

von Eis

Sch

melzp

un

ktsk

urv

e festfluumlssig

Schmelzpunkt

A

B



H2O(s) H2O(l)











S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H H

HH

H H

H H

H









1001

1000

0999

0998

0997minus10 0 4 10 20

TemperaturdegC

Dic

hte

(g

cm

)3

Dic

hte

(g

cm

)3

TemperaturdegC

minus100 minus50 0 50 1000910

0920

0930

0940

0950

0960

0970

0980

0990

1000

Wasser


Eis













p

Feststoff

Fluumlssigkeit

Dampf

Tripelpunkt

Kritischer

Punkt

TdegC31

0minus5

66

minus78

5

1013 bar

518 bar

737 bar








Wasser und Salze









Na+ Clminus Na+

Clminus

Na+

Clminus Na+ Clminus



ClminusNa+












= 17 sdot 10minus11135681113567 mol1113569

L1113569(74)







=111396917 sdot 10minus11135681113567 mol

1113569

L1113569







c(Clndash)











und




ermitteln


c1113569(Pb2+) = KL


=11139692 sdot 10minus11135681113573 mol

1113569

L1113569








KL = c(Co2+) sdot 11141002c(Co2+)11141031113569

= 4c1113570(Co2+)


c(Co2+) = 1114102KL

4 111410511135781113580




Kapitel 8

Chemische Bindung









F = 071 Aring2 r

Cl = 099 Aring2 r

Br = 114 Aring2 r

I = 133 Aring2 r













N

N

N H

H

O

N

N

O

N

NO

O

P

N

N

N

NO

O

O

O

O

O

N H

H

H N

N

N

H

H

O

O

O

O

O

P

O

O

H






Metall










Elektronengas


Na

Na

Na Na

NaNa Na Na

NaNa Na Na

NaNaNa Na+ Na+Na+

Na+Na+

Na+





84 Ionische Bindung



84 Ionische Bindung





Na ∶ [Ne] 3 s1113568

Na+ ∶ [Ne]Cl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113572

Clndash ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113573 = [Ar]



Al3+ ∶ [Ne]O ∶ [He] 2 s1113569 2p1113571

O2ndash ∶ [He] 2 s1113569 2p1113573 = [Ne]


Fe ∶ [Ar] 3d1113573 4s1113569

Fe3+ ∶ [Ar] 3d1113572 = [Ar] 3d1113568xy 3d1113568xz 3d

1113568yz 3d

1113568z1113579 3d

1113568x1113579minusy1113579


pien) vor













kJmol









Al4C3


84 Ionische Bindung

Gitterenthalpie











Bildungsenthalpie


kJmol [R 82]








kJmol [R 86]














kJmol1114105 + 1114102minus

12 sdot 243

kJmol1114105 + 1114102minus496


kJmol1114105


= minus788 kJmol











1s 1s

Molekuumllorbital


1s 3pz

Molekuumllorbital



3s

3px

3py


851 Lewis-Formeln










H 2 1H 2 1


H Hmdash



H 2 1F 8 7





H Fmdashmdash

mdash



C 8 4O 8 6




O 8 6O 8 6


OmdashOmdash







S 8 6S 8 6

2






N 8 5H 2 1H 2 1H 2 1H 2 1

minus116 8



N

H

HH

H




+



C 8 4O 8 6O 8 6O 8 6

2


C

O

OOC

O

OOC

O

OO



He He Ne Nemdash

mdash Na+ O2ndash







AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie









x


AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie



y- und πlowast2p

y


AO AOMO

bindend

antibindendEn

erg

ie



1113569 )




AO AOMO

En

erg

ie

H HH2

1s 1s

σ1s

σ1s



AO AOMO

En

erg

ie

He HeHe2

1s 1s

σ1s

σ1s



xdurch



yund π2p



yund πlowast2p

z Das




AO AOMO

En

erg

ie

O OO2

2s 2s

σ2s

σ2s

2px

σ2px

2py 2pz 2px2py2pz

σ2px

π2pyπ2pz

π2pyπ2pz



mdash mdashOmdashO







AO AOMO

En

erg

ie

H FHF

1s

2sn2s

σ

2px 2py 2pz

σ

n2pyn2pz


Bindungsordnung


Bindungsordnung






O2 BO = 8 minus 42 = 2

H2 BO = 2 minus 02 = 1

He2 BO = 2 minus 22 = 0






AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi2

2s 2s

σ2s

σ2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi3

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2sn2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi4

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2s

AO

Li

2s

σ2s

σ2s






MO

En

erg

ie

LiN

Band











MO

En

erg

ie

BeN

2p

2s






Kapitel 9

Saumluren und Basen



cken z B




















(91)


n = mM

= 1000 g1802 gmol

= 5551mol


c(H2O) =5551mol

1 L

= 5551 molL




KW = K sdot c(H2O)



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(bei 25 degC) (92)








HClS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ Clndash

B1


H2OS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ OHndash

B1[R 92]



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(94)






c(H3O+)



Einsetzen liefert


= 10minus11135681113571 molL


93 pH-Wert





pOH-Wert




pKW = minus lgKW

= minus lg 10minus11135681113571

= 14 (96)







pH + pOH

pKW = pH + pOH = 14 (97)



=111396910minus11135681113571 mol

1113569

L1113569




pH = 7


pH-Bereiche






schwach ist








NaOH Na+ + OHndash




Acetat+ H3O+

MWG








KB =c(NH+





pKS- und pKB-Wert




pKS(pK


pKS(pK


pKS(pK



Saumlure



c(CH3COOH)

Konjugierte Base



c(CH3COOndash)






pKW = pKS+ pK

B


KS sdot KB = KW

pKW = pKS+ pK

B= 14








damitpK


S(CH3COOH)

= 14 minus 474= 926



Name




S1113568= 638


3 pKS1113569= 1032


S1113568= 212


4 pKS1113569= 721


4 pKS1113570= 1200


S= minus132



S1113568= minus300


4 pKS1113569= 189


B= 474













das MWG


c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c1113567(HA)


= [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579





= 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103



4 NH3 H2BOndash3





der pOH-Wert


c(Andash)











pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103 (98)






S(CH3COOH) = 474)

pH = 121114100474 minus lg 0011114103

= 12 sdot 674

= 337




S(CH3COOH) = 474)





S(CH3COOH) = 926

pH = 14 minus 121114100926 minus lg 0011114103

= 14 minus 12 sdot 1126

= 14 minus 563= 837




1 Stufe


Dihydrogenphosphat

2 Stufe


4Hydrogenphosphat

3 Stufe


4Phosphat




= 75 sdot 10minus1113570 molL (910)



4)= 62 sdot 10minus1113575 molL (911)



4 )= 1 sdot 10minus11135681113569 molL (912)


man





4)sdot c(PO


XXXXXc(HPO2ndash4 )

(913)


(914)






= 47 sdot 10minus11135691113569 mol1113570

L1113570(916)

rArr pKSges

= 2133 (917)


pKS1113568= 212 (918)

pKS1113569= 721 (919)

pKS1113570= 12 (920)


pKSges

= pKS1113568+ pK

S1113569+ pK

S1113570

= 212 + 721 + 12= 2133







Clndash + H2O


Na+ + H2O




97 Puffersysteme


NH+4 und Clndash


NH+4 + H2O NH3 + H3O+

Clndash + H2O




pKS= 14 minus pK

B= 926




Es gilt

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(NH4Cl)1114103 (98)

= 12 sdot1114100926 minus lg 031114103

= 12 sdot (926 + 052)

= 12 sdot 978

= 489


97 Puffersysteme





Puffer










Es folgt






Logarithmieren






97 Puffersysteme



c(HA) (921)


pH = pKS+ lg c(HA)

c(HA) = pKS+ lg c(A

ndash)c(Andash)

= pKS+ lg 1

= pKS






c(CH3COOH) + c(HCl)


= pKS+ lg 075105

= 474 minus 015= 459






4 mitpK

S= 721 (Tab 91)

700 = 721 + lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)



Delogarithmieren

10minus111356711135691113568 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)


4)




Pufferkapazitaumlt



pH = pKSplusmn 1











F

B

F

F


F

B

F

FF

B

F

F F

B

F

F


Fmdash

mdash


F

B

F

F

oder

minus


B

F

F F

F

minus

oder raumlumlichF

B

F

F

F

minus



Lewis-Formeln II



S 8 6F 8 7F 8 7F 8 7F 8 7


F

S

F

F Fmdash

mdash+



+


Komplexe




Komplex













Komplexnomenklatur






3 Carbonato CNndash












3





N Ag N

H

H

H

H

H

H

+


Ni

C

CC

C

O

O

O

O

44


3+

3


C

Fe

C

CC

C

C

N

N

N

N

4

N

N

4minus




Pt

N

NCl

Cl

HH

H

H

H

H

22


Kapitel 10

Elektrochemie





























+II minusII







OxZahl(C) = +II



+II minusII



+IVC



minusIIO2ndash

4 mdash+IK

+VIIMn



+VIMo




plusmn0D

plusmn0T Ist 2H3H




minusI

minusII

minusII

minusII

minusII

minusII

minusIIminusII

minusII

minusII






minusIIO2ndash


Ergaumlnzung


Oxidation

plusmn0Ca


+ICu+ +II


Reduktion

+IIMn2+ + 2 endash

plusmn0Mn [R103]

+IIIFe3+ + endash

+IIFe2+ [R 104]







Redox-Reaktion









+IVC

minusIIO3 +

+IH2

minusIIO +

+IVC

minusIIO2

+IICa(

+IH

+IVC

minusIIO3)2





+IH2

minusIIO 2

+IH+ +



plusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash +

minusIIO

+IClndash





O Cl

minusII+I minus


H2+VISO4 + 3H2

minusIIS 4

plusmn0S + 4H2O



+VIIMnOndash

4 +minusIIN2H4

+IVMnO2 +

plusmn0N2


+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2


+VIIMnOndash





minusIIN2H4



N2 + 4 endash







4+VIIMnOndash





4+VIIMnOndash


+IVMnO2 +

416OHndash + 3


412H2O







+I

+I +I

+I

+I +I


und Ethanal

minusIII

minusII+I

+I

+I

+I

+I


+VICr2O2ndash

7+IIICr3+



7 + 6 endash + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O













Zn2+ + Cu Zn + Cu2+


Cu2+ + Zn Cu + Zn2+








Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu





edel unedel

Galvanische Zellen




Elektroden





Zn|Zn2+ 11141021molL 1114105 |Cu2+ 11141021

molL 1114105 |Cu


Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu2+

SO42minus SO4

2minus Zn2+

poroumlse Trennwand

eminuseminus

Halbzelle Halbzelle




























H+

poroumlse Trennwand

platiniertes

Pt-Blech

H+

zur Vergleichs-

Halbzelle H2




= E1113567Cu minus (+E1113567Zn) (102)

Eselsbruumlcke



= +0337V minus (minus0763V) (105)= +1100V (106)


ΔE1113567 = E1113567Zn + (minusE1113567Cu) (107)

= minus1100V (108)







Wel = q sdotU (109)




Wir sortieren um




= 96 485 Cmol (1013)

= F (1014)









= 96 485 Cmol (1019)




4 + 4H+ PbSO4 + 2H2O E1113567 = +1682V [R 108]


4








ΔG = ΔG1113567 + RT lnQ (1020)















= 00592 JC lgQ (1024)

Weil 1 JC = 1V ist

= 00592V lgQ (1025)


ΔE = ΔE1113567 minus 00592Vz lgQ (1026)






Q = c(Zn2+)c(Cu2+)

Und wie gehabt

ΔE = E1113567Cu2+Cu






= E1113567Cu2+Cu


= 1100V







005molL

= E1113567Cu2+Cu


minus 00592V2 lg 24

= 1100V minus 0041V= 1059V





7 ) sdot c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1(1molL)11135681113571

= 133V


E = 133V minus 00592V6 lg 1

111410010minus11135681113571molL111410311135681113571

= 133V minus 00592V6 lg 1111410010minus1113568111357611135731114103



und pH = 14

E = E1113567 minus 00592V1 lg 1c(H+)



pH = 7


= minus04144V

pH = 14


= minus0829V


Anhang A



A1 Logarithmen






Regel Beispiel



Allgemein gilt

log 1 = 0log

uu = 1


logbx = log

bg sdot log

gx





U = U sdot [U] (A1)


U = 230V (A2)

und damit

U = 230 (A3)[U] = V (A4)



U = U[U] (A5)



Draumlhte UV




A31 Basiseinheiten







A33 Naturkonstanten





F(x) 1113603F1113603x = Fprime(x) = f(x)


ln x 1113568x


Quellen








Anhang B

Periodensystem

11

22

33

44

55

66

77

66

77

1ndash

Ia

2ndash

IIa

13

ndashII

Ia

14

ndashIV

a15

ndashV

a16

ndashV

Ia

17

ndashV

IIa

18

ndash0

3ndash

IIIb

4ndash

IVb

5ndash

Vb

6ndash

VIb

7ndash

VII

b8

9

VII

Ib

10

11

ndashIb

12

ndashII

b

H 1

10

079

He

2

40

026

Li 3

69

41

Be 4

90

112

B 5

108

11

C 6

120

11

N 7

140

07

O 8

159

99

F 9

189

98

Ne

10

201

80

Na

11

229

9

Mg

12

243

05

Al

13

269

82

Si

14

280

86

P 15

309

74

S 16

320

66

Cl

17

354

53

Ar

18

399

48

K 19

390

98

Ca

20

400

78

Sc

21

449

56

Ti

22

478

8

V 23

509

42

Cr

24

519

96

Mn

25

549

38

Fe

26

558

45

Co

27

589

33

Ni

28

586

93

Cu

29

635

46

Zn

30

653

9

Ga

31

697

23

Ge

32

726

1

As

33

749

22

Se

34

789

6

Br

35

799

04

Kr

36

838

0

Rb

37

854

68

Sr

38

876

2

Y 39

889

06

Zr

40

912

24

Nb

41

929

06

Mo

42

959

4

Tc

43

(989

06)

Ru

44

1010

7

Rh

45

1029

1

Pd

46

1064

2

Ag

47

1078

7

Cd

48

1124

1

In 49

1148

2

Sn

50

1187

1

Sb

51

1217

6

Te

52

1276

0

I 53

1269

0

Xe

54

1312

9

Cs

55

1329

1

Ba

56

1373

3

LandashLu

57ndash71

Hf

72

1784

9

Ta

73

1809

5

W 74

1838

4

Re

75

1862

1

Os

76

1902

3

Ir 77

1922

2

Pt

78

1950

8

Au

79

1969

7

Hg

80

2005

9

Tl

81

2043

8

Pb

82

2072

0

Bi

83

2089

8

Po

84

(2099

8)

At

85

(2099

9)

Rn

86

(2220

2)

Fr 87

(2230

2)

Ra

88

(2260

3)

AcndashLr

89ndash103

Rf

10

4

(2611

1)

Db

10

5

(2621

1)

Sg

10

6

(2631

2)

Bh

10

7

(2621

2)

Hs

10

8

(269)

Mt

10

9

(268)

Ds

11

0

(271)

Rg

11

1

(272)

Cn

11

2

(277)

Uu

t1

13

(284)

Fl

11

4

(289)

Uu

p1

15

(288)

Lv

11

6

(292)

Uu

s1

17

mdash

Uu

o1

18

mdash

La

57

1389

1

Ce

58

1401

2

Pr

59

1409

1

Nd

60

1442

4

Pm 61

(1449

1)

Sm 62

1503

6

Eu

63

1519

6

Gd

64

1572

5

Tb

65

1589

3

Dy

66

1625

0

Ho

67

1649

3

Er

68

1672

6

Tm 69

1689

3

Yb

70

1730

4

Lu

71

1747

8

Ac

89

(2270

3)

Th

90

(2320

4)

Pa

91

(2310

4)

U 92

(2380

3)

Np

93

(2370

5)

Pu

94

(2440

6)

Am 95

(2430

6)

Cm 96

(2470

7)

Bk

97

(2470

7)

Cf

98

(2510

8)

Es

99

(2520

8)

Fm

10

0

(2571

8)

Md

10

1

(2581

0)

No

10

2

(2591

0)

Lr

10

3

(2621

1)

Vorwort

1 Chemie




2 Atomtheorie


22 Das Elektron

23 Das Proton

24 Das Neutron



27 Atomsymbole

28 Isotope

29 Atommassen





34 Orbitalbesetzung

35 Periodensystem

4 Stoumlchiometrie



43 Das Mol









61 Enthalpie

62 Satz von Hess


64 Kinetik




71 Phasenbegriff

72 Gase


73 Fluumlssigkeiten


75 Feststoffe


77 Phasendiagramme





8 Chemische Bindung




84 Ionische Bindung


851 Lewis-Formeln






93 pH-Wert




97 Puffersysteme


10 Elektrochemie







A1 Logarithmen



A31 Basiseinheiten


A33 Naturkonstanten


B Periodensystem

Beispielverzeichnis








Vorwort





Zum Skript




Literatur





xiii

Vorwort



Technische Hinweise








120575+H







Kapitel 1

Chemie



Definition









Kapitel 1 Chemie
























Elementdefinition






Materie


Reine

Stoffe

Homogene

Gemische

Heterogene

Gemische

Homogene

Stoffe

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

physikal Meth

Trennung mit

chemischen Meth



Kapitel 1 Chemie




Rest 056







Kapitel 2

Atomtheorie



Antike Atome
















22 Das Elektron


NaKCa SrBa





Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(ndash)

(+)

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

(in die Papierebene

abgelenkt)

NN

SS




23 Das Proton



qm = minus17588 sdot 101113575 Cg




(ndash)

(+)








= 91094 sdot 10minus11135701113568 kg

23 Das Proton







qp+

mp+= +95791 sdot 101113571 Cg



Kathode

(ndash)

Anode

(+)

endash

endash

endash

endash

p+

p+

p+elektrisches

oder

magnetisches

Feld

elektrisches

oder

magnetisches

Feld



mendashasymp 1836

24 Das Neutron




Uumlbersicht






Teilchen mkg

mu

q11135681113573111356711135691113569 sdot 11135681113567minus11135781113586 1113684






Anwendungen






120582 = ln 2t11135681113569

(22)







Metallfolie

Film

geschwaumlrzte

Stellen

radioaktives

Praumlparat



Konsequenzen





27 Atomsymbole







dAtomdKern

= 10minus11135681113567m10minus11135681113572m

= 101113572

27 Atomsymbole


AZSym



deutig ist


11H 21H = D 31H = T





2311Na+ 2713Al3+ 3216S2ndash




28 Isotope



Isotope





29 Atommassen




29 Atommassen

Kathode

(ndash)

Anode

(+)

Elektronenquelle

(Gluumlhwendel)

Probe

Beschleunigungs-

spannung

Elektromagnet

Detektor







= 12



= 1007








35453 u


Kapitel 3








Bohrsche Postulate







p+

eminus

n

E

= 1

1

n

E

= 2

2

FQ

FZ

v

E E1 2ltE1 lt E2





1113569 + V(r t)1114105120569(r t) (31)







A

A

λ

λ

λ

A


A

A

λ

λ

A




Δp sdot Δr ge h



Quantenzahlen






x

y

z

s ( = 0)l

x

y

z


x

y

z

p ( = 1 = 0)y ll m

x

y

z

p ( = 1 = +1)z ll m

x

y

z


x

y

z


x

y

z

d ( = 2 = 0)yz ll m

x

y

z


x

y

z



34 Orbitalbesetzung



11135681113569



n = 2 rArr l =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩


1 rArr ml =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩


+1 rArr 2pz-Orbital

34 Orbitalbesetzung


Pauli-Prinzip


Hundsche Regel







35 Periodensystem





1s

2s

2p

3s

3p

3d

6s

6p

6d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

7p

7s

En

erg

ie










35 Periodensystem

(ndash)

(ndash)

(+)

(+)

KathodeKathode

AnodeAnode

UA

UH


eminuseminus







Gruppennamen






H 1s1113568 1s1113568

He 1s1113569 1s1113569

Li 1s1113569 2s1113568 [He] 2s1113568

Be 1s1113569 2s1113569 [He] 2s1113569

B 1s1113569 2s1113569 2p1113568 [He] 2s1113569 2p1113568

C 1s1113569 2s1113569 2p1113569 [He] 2s1113569 2p1113569

N 1s1113569 2s1113569 2p1113570 [He] 2s1113569 2p1113570

O 1s1113569 2s1113569 2p1113571 [He] 2s1113569 2p1113571

F 1s1113569 2s1113569 2p1113572 [He] 2s1113569 2p1113572

Ne 1s1113569 2s1113569 2p1113573 [He] 2s1113569 2p1113573

Na 1s1113569 2s1113568 2p1113573 3s1113568 [Ne] 3s1113568

Mg 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 [Ne] 3s1113569

Al 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113568 [Ne] 3s1113569 3p1113568

Si 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113569 [Ne] 3s1113569 3p1113569

P 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113570 [Ne] 3s1113569 3p1113570

S 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113571 [Ne] 3s1113569 3p1113571

Cl 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113572 [Ne] 3s1113569 3p1113572

Ar 1s1113569 2s1113569 2p1113573 3s1113569 3p1113573 [Ne] 3s1113569 3p1113573

Gruppe Name



Tendenzen im PSE

Atomradius



35 Periodensystem

Ionisierungsenergie



Ionisierungsenergie







F40gt O

34gt N

31asymp Cl

31gt C

25gt H

22gt Si

19gt Li

10gt Na

09gt Fr

07





nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie


nimmt zu

Atomradius

Ionisierungsenergie




Kapitel 4

Stoumlchiometrie

Stoumlchiometrie










4 PO3ndash4 NH+

4












43 DasMol



oder



Mol


6C enthalten sind



1mol = 9594gmol =M




Molare Formelmasse




NA =Nn = 6022 14 sdot 1011135691113570 1

mol


Avogadro-Gesetz









= 3 sdot 5585 gmol + 4 sdot 1599

gmol

= 23155 gmol






= 16755 gmol23155 gmol

= 0724




5 + 2 times 8 = 7 + 14 (42)












H+ + H2O H3O+ [R 43]







C2H6 + O2 CO2 + H2O [R44]




C2H6 +72 O2 2CO2 + 3H2O [R47]



2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O [R48]





c(X) = n(X)V




= 2922 g









= c sdot R sdot T



Kapitel 5












N2 + 3H2 2NH3 [R 53]



N2 + 3H2 2NH3 [R 55]





A + B C + D [R 56]












und umgeformt



quotientldquo





A + B 2C


A + B C + C

Also gilt

c(C) = c(D)



= c1113569(C)c(A) sdot c(B)



ergibt sich










Es ergibt sich


c(Cl2) sdot c(H2O)



c(Cl2)


N2 + 3H2 2NH3

Es ergibt sich

Kp =p1113569(NH3)

p(N2) sdot p1113570(H2)



Kc =c1113569(NH3) sdot (RT)1113569





CaCO3 CaO + CO2uarr

Das MWG lautetKc =



Kprimec = c(CO2)





LeChatelier





N2 + 3H2 2NH3


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





Lage jedoch nicht


Kapitel 6






61 Enthalpie


H = U + p sdot V (61)












mol

rArr H2O H2 +12 O2 ΔH = +2859 kJ

mol

62 Satz vonHess

Satz von Hess







mol

undCO +


mol




kJmol1114105

= minus3935 kJmol




C2H4 + H2 C2H6 ΔH = [R 61]


mol [R 62]



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

rArr C2H4 + H2 C2H6



kJmol1114105

= minus1370 kJmol














Freie Enthalpie ΔG


64 Kinetik


A2 + X2 2AX

gilt

v(AX) = dc(AX)dt

und


dt


Stoszligtheorie




A2 + X2

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

A ⋯ A⋮ ⋮X ⋯ X

⎫⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭

ne

aktivierterKomplex

2AX



64 Kinetik

A2

X2

AX AX



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH lt 0

aktivierter

Komplex

EA

A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

ΔH gt 0

aktivierter

Komplex

EA


Katalyse





A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX

akt K (nk)

EA(nk)

EA(k)

akt K (k)akt K (k)










1 Ordnung in A


2 Ordnung insgesamt



A +2 X2

Reaktions-

koordinate

E

2 AX





1 Ordn


sdot c1113570(C)11140533 Ordn

sdot c1113569(D)11140532 Ordn11140591113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111406011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401113840111384011138401114061

7 Ordnung insgesamt



146C 14

7N+ + endash + ν




N sim c

Es ergibt sich also







1114009 dNN = minus120582 sdot 1114009dt




rArrNE

1114009N1113577


tE

11140091113567

dt

(lnN)1114071NE

N1113577

= minus120582 sdot (t)1114071tE

1113567










N(t11135681113569) =N11135672


12 = e


rArr 2 = e120582sdott11135781113579

ln 2 = 120582 sdot t11135681113569





Cl2 + CH4Methan


Kettenstart


Chlor-Radikal

Kettenfortpflanzung




+ Cl

Kettenabbruch


CH3 + CH3 C2H6Ethan





Kapitel 7


71 Phasenbegriff

Phase







72 Gase



p = FA

(71)


1114094p1114097 = Pa = Nm1113569



HgHg

Atmosphaumlren-

druck

Atmosphaumlren-

druck

Druck der

Hg-Saumlule Vakuum

h p~



= 1013 kPa= 760 torr


Gas

Vakuum

Druck der

Hg-Saumlule

Gasdruckh p~



72 Gase

Partialdruck




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






p sim 1V




R = 83145 JmolK

= 83145 Pam1113570

molK= 00821 atmL

molK

Ideales Gas




73 Fluumlssigkeiten




+q minusq

r



Permanente Dipole







Temporaumlre Dipole






++++ +

+minusminus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

δ+ δminus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus

++++ +

+minus

minus

minus

minus

minus

minus










δ+

2δminus

δ+










75 Feststoffe

HF

HCl HBr

HISbH3

AsH3

NH3

PH3

SiH4

CH4

GeH4

SnH4

H O2

H2S

H2Se

H2Te

2 3 4 5

minus200

minus100

0

100

Sie

dep

un

kt

degC

Periode


75 Feststoffe





S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si

O

Si

O

OO

SiSi

Si

Si








schmelzen

(Schmelzpunkt)

erstarrengefrieren

(Gefrierpunkt)

verdampfen

(Siedepunkt)

kondensieren


sublimieren

(Sublimationspunkt)

resublimieren



77 Phasendiagramme






H2O(s) H2O(g)



H2O(l) H2O(g)


77 Phasendiagramme

221 bar

1013 bar

00061 bar

p

000

250

0110

037

4

TdegC

Dampf

Fluumlssigkeit

Feststoff

Kritischer

Punkt

Siedepunkt


Fluumlssigkeit

Dampfdruckkurve

Dampf

von

fluumlss

igem

Was

ser

druck

kurve

von Eis

Sch

melzp

un

ktsk

urv

e festfluumlssig

Schmelzpunkt

A

B



H2O(s) H2O(l)











S

N

N

S

H

O

O

H

R7

R6

R6

R7

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H H

HH

H H

H H

H









1001

1000

0999

0998

0997minus10 0 4 10 20

TemperaturdegC

Dic

hte

(g

cm

)3

Dic

hte

(g

cm

)3

TemperaturdegC

minus100 minus50 0 50 1000910

0920

0930

0940

0950

0960

0970

0980

0990

1000

Wasser


Eis













p

Feststoff

Fluumlssigkeit

Dampf

Tripelpunkt

Kritischer

Punkt

TdegC31

0minus5

66

minus78

5

1013 bar

518 bar

737 bar








Wasser und Salze









Na+ Clminus Na+

Clminus

Na+

Clminus Na+ Clminus



ClminusNa+












= 17 sdot 10minus11135681113567 mol1113569

L1113569(74)







=111396917 sdot 10minus11135681113567 mol

1113569

L1113569







c(Clndash)











und




ermitteln


c1113569(Pb2+) = KL


=11139692 sdot 10minus11135681113573 mol

1113569

L1113569








KL = c(Co2+) sdot 11141002c(Co2+)11141031113569

= 4c1113570(Co2+)


c(Co2+) = 1114102KL

4 111410511135781113580




Kapitel 8

Chemische Bindung









F = 071 Aring2 r

Cl = 099 Aring2 r

Br = 114 Aring2 r

I = 133 Aring2 r













N

N

N H

H

O

N

N

O

N

NO

O

P

N

N

N

NO

O

O

O

O

O

N H

H

H N

N

N

H

H

O

O

O

O

O

P

O

O

H






Metall










Elektronengas


Na

Na

Na Na

NaNa Na Na

NaNa Na Na

NaNaNa Na+ Na+Na+

Na+Na+

Na+





84 Ionische Bindung



84 Ionische Bindung





Na ∶ [Ne] 3 s1113568

Na+ ∶ [Ne]Cl ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113572

Clndash ∶ [Ne] 3 s1113569 3p1113573 = [Ar]



Al3+ ∶ [Ne]O ∶ [He] 2 s1113569 2p1113571

O2ndash ∶ [He] 2 s1113569 2p1113573 = [Ne]


Fe ∶ [Ar] 3d1113573 4s1113569

Fe3+ ∶ [Ar] 3d1113572 = [Ar] 3d1113568xy 3d1113568xz 3d

1113568yz 3d

1113568z1113579 3d

1113568x1113579minusy1113579


pien) vor













kJmol









Al4C3


84 Ionische Bindung

Gitterenthalpie











Bildungsenthalpie


kJmol [R 82]








kJmol [R 86]














kJmol1114105 + 1114102minus

12 sdot 243

kJmol1114105 + 1114102minus496


kJmol1114105


= minus788 kJmol











1s 1s

Molekuumllorbital


1s 3pz

Molekuumllorbital



3s

3px

3py


851 Lewis-Formeln










H 2 1H 2 1


H Hmdash



H 2 1F 8 7





H Fmdashmdash

mdash



C 8 4O 8 6




O 8 6O 8 6


OmdashOmdash







S 8 6S 8 6

2






N 8 5H 2 1H 2 1H 2 1H 2 1

minus116 8



N

H

HH

H




+



C 8 4O 8 6O 8 6O 8 6

2


C

O

OOC

O

OOC

O

OO



He He Ne Nemdash

mdash Na+ O2ndash







AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie









x


AO AOMO

bindend

antibindend

En

erg

ie



y- und πlowast2p

y


AO AOMO

bindend

antibindendEn

erg

ie



1113569 )




AO AOMO

En

erg

ie

H HH2

1s 1s

σ1s

σ1s



AO AOMO

En

erg

ie

He HeHe2

1s 1s

σ1s

σ1s



xdurch



yund π2p



yund πlowast2p

z Das




AO AOMO

En

erg

ie

O OO2

2s 2s

σ2s

σ2s

2px

σ2px

2py 2pz 2px2py2pz

σ2px

π2pyπ2pz

π2pyπ2pz



mdash mdashOmdashO







AO AOMO

En

erg

ie

H FHF

1s

2sn2s

σ

2px 2py 2pz

σ

n2pyn2pz


Bindungsordnung


Bindungsordnung






O2 BO = 8 minus 42 = 2

H2 BO = 2 minus 02 = 1

He2 BO = 2 minus 22 = 0






AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi2

2s 2s

σ2s

σ2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi3

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2sn2s

AO AOMO

En

erg

ie

Li LiLi4

2s 2s

σ2s

σ2s

AO

Li

2s

AO

Li

2s

σ2s

σ2s






MO

En

erg

ie

LiN

Band











MO

En

erg

ie

BeN

2p

2s






Kapitel 9

Saumluren und Basen



cken z B




















(91)


n = mM

= 1000 g1802 gmol

= 5551mol


c(H2O) =5551mol

1 L

= 5551 molL




KW = K sdot c(H2O)



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(bei 25 degC) (92)








HClS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ Clndash

B1


H2OS1

+ H2OB2

H3O+

S2+ OHndash

B1[R 92]



= 10minus11135681113571 mol1113569

L1113569(94)






c(H3O+)



Einsetzen liefert


= 10minus11135681113571 molL


93 pH-Wert





pOH-Wert




pKW = minus lgKW

= minus lg 10minus11135681113571

= 14 (96)







pH + pOH

pKW = pH + pOH = 14 (97)



=111396910minus11135681113571 mol

1113569

L1113569




pH = 7


pH-Bereiche






schwach ist








NaOH Na+ + OHndash




Acetat+ H3O+

MWG








KB =c(NH+





pKS- und pKB-Wert




pKS(pK


pKS(pK


pKS(pK



Saumlure



c(CH3COOH)

Konjugierte Base



c(CH3COOndash)






pKW = pKS+ pK

B


KS sdot KB = KW

pKW = pKS+ pK

B= 14








damitpK


S(CH3COOH)

= 14 minus 474= 926



Name




S1113568= 638


3 pKS1113569= 1032


S1113568= 212


4 pKS1113569= 721


4 pKS1113570= 1200


S= minus132



S1113568= minus300


4 pKS1113569= 189


B= 474













das MWG


c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c(HA)


KS =c1113569(H3O+)c1113567(HA)


= [KS sdot c1113567(HA)]11135781113579





= 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103



4 NH3 H2BOndash3





der pOH-Wert


c(Andash)











pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(HA)1114103 (98)






S(CH3COOH) = 474)

pH = 121114100474 minus lg 0011114103

= 12 sdot 674

= 337




S(CH3COOH) = 474)





S(CH3COOH) = 926

pH = 14 minus 121114100926 minus lg 0011114103

= 14 minus 12 sdot 1126

= 14 minus 563= 837




1 Stufe


Dihydrogenphosphat

2 Stufe


4Hydrogenphosphat

3 Stufe


4Phosphat




= 75 sdot 10minus1113570 molL (910)



4)= 62 sdot 10minus1113575 molL (911)



4 )= 1 sdot 10minus11135681113569 molL (912)


man





4)sdot c(PO


XXXXXc(HPO2ndash4 )

(913)


(914)






= 47 sdot 10minus11135691113569 mol1113570

L1113570(916)

rArr pKSges

= 2133 (917)


pKS1113568= 212 (918)

pKS1113569= 721 (919)

pKS1113570= 12 (920)


pKSges

= pKS1113568+ pK

S1113569+ pK

S1113570

= 212 + 721 + 12= 2133







Clndash + H2O


Na+ + H2O




97 Puffersysteme


NH+4 und Clndash


NH+4 + H2O NH3 + H3O+

Clndash + H2O




pKS= 14 minus pK

B= 926




Es gilt

pH = 12 sdot1114100pK

Sminus lg c1113567(NH4Cl)1114103 (98)

= 12 sdot1114100926 minus lg 031114103

= 12 sdot (926 + 052)

= 12 sdot 978

= 489


97 Puffersysteme





Puffer










Es folgt






Logarithmieren






97 Puffersysteme



c(HA) (921)


pH = pKS+ lg c(HA)

c(HA) = pKS+ lg c(A

ndash)c(Andash)

= pKS+ lg 1

= pKS






c(CH3COOH) + c(HCl)


= pKS+ lg 075105

= 474 minus 015= 459






4 mitpK

S= 721 (Tab 91)

700 = 721 + lg c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)



Delogarithmieren

10minus111356711135691113568 = c(HPO2ndash4 )

c(H2POndash4)


c(H2POndash4)


4)




Pufferkapazitaumlt



pH = pKSplusmn 1











F

B

F

F


F

B

F

FF

B

F

F F

B

F

F


Fmdash

mdash


F

B

F

F

oder

minus


B

F

F F

F

minus

oder raumlumlichF

B

F

F

F

minus



Lewis-Formeln II



S 8 6F 8 7F 8 7F 8 7F 8 7


F

S

F

F Fmdash

mdash+



+


Komplexe




Komplex













Komplexnomenklatur






3 Carbonato CNndash












3





N Ag N

H

H

H

H

H

H

+


Ni

C

CC

C

O

O

O

O

44


3+

3


C

Fe

C

CC

C

C

N

N

N

N

4

N

N

4minus




Pt

N

NCl

Cl

HH

H

H

H

H

22


Kapitel 10

Elektrochemie





























+II minusII







OxZahl(C) = +II



+II minusII



+IVC



minusIIO2ndash

4 mdash+IK

+VIIMn



+VIMo




plusmn0D

plusmn0T Ist 2H3H




minusI

minusII

minusII

minusII

minusII

minusII

minusIIminusII

minusII

minusII






minusIIO2ndash


Ergaumlnzung


Oxidation

plusmn0Ca


+ICu+ +II


Reduktion

+IIMn2+ + 2 endash

plusmn0Mn [R103]

+IIIFe3+ + endash

+IIFe2+ [R 104]







Redox-Reaktion









+IVC

minusIIO3 +

+IH2

minusIIO +

+IVC

minusIIO2

+IICa(

+IH

+IVC

minusIIO3)2





+IH2

minusIIO 2

+IH+ +



plusmn0Cl2 +

+IH2

minusIIO 2

+IH+ +

minusIClndash +

minusIIO

+IClndash





O Cl

minusII+I minus


H2+VISO4 + 3H2

minusIIS 4

plusmn0S + 4H2O



+VIIMnOndash

4 +minusIIN2H4

+IVMnO2 +

plusmn0N2


+VIIMnOndash

4 + 3 endash+IVMnO2


+VIIMnOndash





minusIIN2H4



N2 + 4 endash







4+VIIMnOndash





4+VIIMnOndash


+IVMnO2 +

416OHndash + 3


412H2O







+I

+I +I

+I

+I +I


und Ethanal

minusIII

minusII+I

+I

+I

+I

+I


+VICr2O2ndash

7+IIICr3+



7 + 6 endash + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O













Zn2+ + Cu Zn + Cu2+


Cu2+ + Zn Cu + Zn2+








Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu





edel unedel

Galvanische Zellen




Elektroden





Zn|Zn2+ 11141021molL 1114105 |Cu2+ 11141021

molL 1114105 |Cu


Cu

Zn2+

SO42minus

Zn

Cu2+

SO42minus

Cu2+

SO42minus SO4

2minus Zn2+

poroumlse Trennwand

eminuseminus

Halbzelle Halbzelle




























H+

poroumlse Trennwand

platiniertes

Pt-Blech

H+

zur Vergleichs-

Halbzelle H2




= E1113567Cu minus (+E1113567Zn) (102)

Eselsbruumlcke



= +0337V minus (minus0763V) (105)= +1100V (106)


ΔE1113567 = E1113567Zn + (minusE1113567Cu) (107)

= minus1100V (108)







Wel = q sdotU (109)




Wir sortieren um




= 96 485 Cmol (1013)

= F (1014)









= 96 485 Cmol (1019)




4 + 4H+ PbSO4 + 2H2O E1113567 = +1682V [R 108]


4








ΔG = ΔG1113567 + RT lnQ (1020)















= 00592 JC lgQ (1024)

Weil 1 JC = 1V ist

= 00592V lgQ (1025)


ΔE = ΔE1113567 minus 00592Vz lgQ (1026)






Q = c(Zn2+)c(Cu2+)

Und wie gehabt

ΔE = E1113567Cu2+Cu






= E1113567Cu2+Cu


= 1100V







005molL

= E1113567Cu2+Cu


minus 00592V2 lg 24

= 1100V minus 0041V= 1059V





7 ) sdot c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1c11135681113571(H+)


E = 133V minus 00592V6 lg 1(1molL)11135681113571

= 133V


E = 133V minus 00592V6 lg 1

111410010minus11135681113571molL111410311135681113571

= 133V minus 00592V6 lg 1111410010minus1113568111357611135731114103



und pH = 14

E = E1113567 minus 00592V1 lg 1c(H+)



pH = 7


= minus04144V

pH = 14


= minus0829V


Anhang A



A1 Logarithmen






Regel Beispiel



Allgemein gilt

log 1 = 0log

uu = 1


logbx = log

bg sdot log

gx





U = U sdot [U] (A1)


U = 230V (A2)

und damit

U = 230 (A3)[U] = V (A4)



U = U[U] (A5)



Draumlhte UV




A31 Basiseinheiten







A33 Naturkonstanten





F(x) 1113603F1113603x = Fprime(x) = f(x)


ln x 1113568x


Quellen








Anhang B

Periodensystem

11

22

33

44

55

66

77

66

77

1ndash

Ia

2ndash

IIa

13

ndashII

Ia

14

ndashIV

a15

ndashV

a16

ndashV

Ia

17

ndashV

IIa

18

ndash0

3ndash

IIIb

4ndash

IVb

5ndash

Vb

6ndash

VIb

7ndash

VII

b8

9

VII

Ib

10

11

ndashIb

12

ndashII

b

H 1

10

079

He

2

40

026

Li 3

69

41

Be 4

90

112

B 5

108

11

C 6

120

11

N 7

140

07

O 8

159

99

F 9

189

98

Ne

10

201

80

Na

11

229

9

Mg

12

243

05

Al

13

269

82

Si

14

280

86

P 15

309

74

S 16

320

66

Cl

17

354

53

Ar

18

399

48

K 19

390

98

Ca

20

400

78

Sc

21

449

56

Ti

22

478

8

V 23

509

42

Cr

24

519

96

Mn

25

549

38

Fe

26

558

45

Co

27

589

33

Ni

28

586

93

Cu

29

635

46

Zn

30

653

9

Ga

31

697

23

Ge

32

726

1

As

33

749

22

Se

34

789

6

Br

35

799

04

Kr

36

838

0

Rb

37

854

68

Sr

38

876

2

Y 39

889

06

Zr

40

912

24

Nb

41

929

06

Mo

42

959

4

Tc

43

(989

06)

Ru

44

1010

7

Rh

45

1029

1

Pd

46

1064

2

Ag

47

1078

7

Cd

48

1124

1

In 49

1148

2

Sn

50

1187

1

Sb

51

1217

6

Te

52

1276

0

I 53

1269

0

Xe

54

1312

9

Cs

55

1329

1

Ba

56

1373

3

LandashLu

57ndash71

Hf

72

1784

9

Ta

73

1809

5

W 74

1838

4

Re

75

1862

1

Os

76

1902

3

Ir 77

1922

2

Pt

78

1950

8

Au

79

1969

7

Hg

80

2005

9

Tl

81

2043

8

Pb

82

2072

0

Bi

83

2089

8

Po

84

(2099

8)

At

85

(2099

9)

Rn

86

(2220

2)

Fr 87

(2230

2)

Ra

88

(2260

3)

AcndashLr

89ndash103

Rf

10

4

(2611

1)

Db

10

5

(2621

1)

Sg

10

6

(2631

2)

Bh

10

7

(2621

2)

Hs

10

8

(269)

Mt

10

9

(268)

Ds

11

0

(271)

Rg

11

1

(272)

Cn

11

2

(277)

Uu

t1

13

(284)

Fl

11

4

(289)

Uu

p1

15

(288)

Lv

11

6

(292)

Uu

s1

17

mdash

Uu

o1

18

mdash

La

57

1389

1

Ce

58

1401

2

Pr

59

1409

1

Nd

60

1442

4

Pm 61

(1449

1)

Sm 62

1503

6

Eu

63

1519

6

Gd

64

1572

5

Tb

65

1589

3

Dy

66

1625

0

Ho

67

1649

3

Er

68

1672

6

Tm 69

1689

3

Yb

70

1730

4

Lu

71

1747

8

Ac

89

(2270

3)

Th

90

(2320

4)

Pa

91

(2310

4)

U 92

(2380

3)

Np

93

(2370

5)

Pu

94

(2440

6)

Am 95

(2430

6)

Cm 96

(2470

7)

Bk

97

(2470

7)

Cf

98

(2510

8)

Es

99

(2520

8)

Fm

10

0

(2571

8)

Md

10

1

(2581

0)

No

10

2

(2591

0)

Lr

10

3

(2621

1)

Vorwort

1 Chemie




2 Atomtheorie


22 Das Elektron

23 Das Proton

24 Das Neutron



27 Atomsymbole

28 Isotope

29 Atommassen





34 Orbitalbesetzung

35 Periodensystem

4 Stoumlchiometrie



43 Das Mol









61 Enthalpie

62 Satz von Hess


64 Kinetik




71 Phasenbegriff

72 Gase


73 Fluumlssigkeiten


75 Feststoffe


77 Phasendiagramme





8 Chemische Bindung




84 Ionische Bindung


851 Lewis-Formeln






93 pH-Wert




97 Puffersysteme


10 Elektrochemie







A1 Logarithmen



A31 Basiseinheiten


A33 Naturkonstanten


B Periodensystem

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