Allgemeine Chemie KME PDF
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Allgemeine Chemie KME Ausgabe 2013 h attp nd:// 076 397 01 76 056 664 50 74 [email protected] www.dinternet.ch 5628 Althäusern Mattenacker 2 Dr. André Dinter 2 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter EEEEIIIINNNNLLLLEEEEIIIITTTTUUUUNNNNGGGG ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8888 1111 GGGGRRRRUUUUNNNNDDDDBBBBEEEEGGGGRRRRIIIIFFFFFFFFEEEE 11110000 1111....1111 WWWWAAAASSSS JJJJEEEEDDDDEEEERRRR WWWWIIIISSSSSSSSEEEENNNN MMMMUUUUSSSSSSSS ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11110000 1111....1111....1111 GGGGeeeemmmmiiiisssscccchhhheeee uuuunnnndddd RRRReeeeiiiinnnneeee SSSSttttooooffffffffeeee 11110000 1111....1111....2222 PPPPhhhhyyyyssssiiiikkkkaaaalllliiiisssscccchhhheeee TTTTrrrreeeennnnnnnnmmmmeeeetttthhhhooooddddeeeennnn 11111111 1111....1111....3333 DDDDiiiieeee AAAAggggggggrrrreeeeggggaaaattttzzzzuuuussssttttäääännnnddddeeee 11111111 1111....1111....4444 EEEElllleeeemmmmeeeennnntttteeee uuuunnnndddd VVVVeeeerrrrbbbbiiiinnnndddduuuunnnnggggeeeennnn 11112222 1111....1111....5555 MMMMiiiisssscccchhhhuuuunnnngggg uuuunnnndddd VVVVeeeerrrrbbbbiiiinnnndddduuuunnnngggg 11113333 1111....1111....6666 EEEEnnnntttthhhhaaaallllppppiiiieeee:::: WWWWäääärrrrmmmmeeee,,,, EEEEnnnnttttrrrrooooppppiiiieeee:::: UUUUnnnnoooorrrrddddnnnnuuuunnnngggg 11114444 1.1.6.1 Aktivierungsenthalpie und Katalysator 14 1.1.6.2 Reaktionsenthalpie 15 1.1.6.3 Drill&Practice: Stoffe-Trennmethoden-Energie 16 1111....1111....7777 DDDDaaaassss AAAAttttoooommmm:::: DDDDeeeemmmmooookkkkrrrriiiitttt &&&& DDDDaaaallllttttoooonnnn 11117777 1111....1111....8888 DDDDaaaassss DDDDeeeennnnkkkkeeeennnn iiiinnnn MMMMooooddddeeeelllllllleeeennnn 11117777 1111....1111....9999 DDDDaaaassss DDDDaaaallllttttoooonnnn‘‘‘‘sssscccchhhheeee AAAAttttoooommmmmmmmooooddddeeeellllllll 11117777 1111....1111....11110000 EEEEiiiinnnnrrrriiiicccchhhhtttteeeennnn vvvvoooonnnn RRRReeeeaaaakkkkttttiiiioooonnnnssssgggglllleeeeiiiicccchhhhuuuunnnnggggeeeennnn 11118888 1111....1111....11111111 VVVVeeeerrrrbbbbrrrreeeennnnnnnnuuuunnnngggg:::: OOOOxxxxiiiiddddaaaattttiiiioooonnnn uuuunnnndddd RRRReeeedddduuuukkkkttttiiiioooonnnn 11119999 1.1.11.1 Drill&Practice: Dalton-RK-Gleichungen-Verbrennung 20 1111....2222 SSSSTTTTÖÖÖÖCCCCHHHHIIIIOOOOMMMMEEEETTTTRRRRIIIIEEEE:::: BBBBEEEERRRREEEECCCCHHHHNNNNUUUUNNNNGGGGEEEENNNN IIIINNNN DDDDEEEERRRR CCCCHHHHEEEEMMMMIIIIEEEE -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22221111 1111....2222....1111 MMMMoooollll uuuunnnndddd MMMMoooollllaaaarrrreeee MMMMaaaasssssssseeee 22222222 1111....2222....1111 MMMMaaaasssssssseeeennnnssssppppeeeekkkkttttrrrroooosssskkkkooooppppiiiieeee:::: BBBBeeeessssttttiiiimmmmmmmmuuuunnnngggg ddddeeeerrrr AAAAttttoooommmmmmmmaaaasssssssseeee 22223333 1111....2222....2222 MMMMoooollll,,,, AAAAvvvvooooggggaaaaddddrrrroooozzzzaaaahhhhllll uuuunnnndddd MMMMoooollllmmmmaaaasssssssseeee 22224444 1.2.2.1 Voll automatisierte Variante 25 1111....2222....3333 DDDDiiiieeee VVVVeeeerrrrhhhhäääällllttttnnnniiiissssffffoooorrrrmmmmeeeellll 22226666 1.2.3.1 Drill&Practice: Stöchiometrie 27 1111....2222....4444 DDDDaaaassss iiiiddddeeeeaaaalllleeee GGGGaaaassss 22228888 1.2.4.1 Gesetz von Avogadro (1811) 28 1.2.4.2 Das Molare Volumen Vm (Das Molvolumen) 29 1.2.4.3 Die allgemeine Gasgleichung 29 1.2.4.4 Die Dichte von Gasen 30 1.2.4.5 Drill&Practice: Gase und Autoairbag 30 1111....2222....5555 DDDDiiiieeee KKKKoooonnnnzzzzeeeennnnttttrrrraaaattttiiiioooonnnn 33331111 1.2.5.1 Drill&Practice: Konzentrationen 32 2222 DDDDIIIIEEEE CCCCHHHHEEEEMMMMIIIISSSSCCCCHHHHEEEE BBBBIIIINNNNDDDDUUUUNNNNGGGG 33333333 2222....1111 AAAATTTTOOOOMMMMBBBBAAAAUUUU -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 33333333 2222....1111....1111 DDDDaaaassss AAAAttttoooommmm:::: RRRRuuuutttthhhheeeerrrrffffoooorrrrdddd----AAAAttttoooommmmmmmmooooddddeeeellllllll 33333333 2222....1111....2222 DDDDaaaassss CCCCoooouuuulllloooommmmbbbb’’’’sssscccchhhheeee GGGGeeeesssseeeettttzzzz 33334444 2222....1111....3333 DDDDaaaassss KKKKeeeerrrrnnnn----HHHHüüüülllllllleeee MMMMooooddddeeeellllllll 33335555 2.1.3.1 Grössenvergleich Kern/Hülle 35 2.1.3.2 Modell der Materie nach Dalton und Rutherford 35 2222....2222 DDDDAAAASSSS PPPPEEEERRRRIIIIOOOODDDDEEEENNNNSSSSYYYYSSSSTTTTEEEEMMMM AAAALLLLSSSS OOOORRRRDDDDNNNNUUUUNNNNGGGGSSSSPPPPRRRRIIIINNNNZZZZIIIIPPPP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 33336666 2222....2222....1111 EEEElllleeeemmmmeeeennnnttttaaaarrrrtttteeeeiiiillllcccchhhheeeennnn 33336666 2.2.1.1 Die starke Kernkraft 36 2222....2222....2222 OOOOrrrrddddnnnnuuuunnnngggg ddddeeeerrrr EEEElllleeeemmmmeeeennnntttteeee iiiimmmm PPPPSSSSEEEE 33336666 2.2.2.1 Perioden 36 2.2.2.2 Gruppen 37 2.2.2.3 Atommassenzahl 38 2.2.2.4 Isotope 39 2222....3333 DDDDIIIIEEEE AAAATTTTOOOOMMMMHHHHÜÜÜÜLLLLLLLLEEEE ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 44440000 2222....3333....1111 DDDDaaaassss BBBBoooohhhhrrrr’’’’sssscccchhhheeee AAAAttttoooommmmmmmmooooddddeeeellllllll 44440000 2.3.1.1 Sonnenlicht, Flammenfarben und Linienspektren 40 2.3.1.2 Das Bohr’sche Atommodell 42 2.3.1.3 Maximal mögliche Anzahl der Elektronen pro Schale 43 2.3.1.4 Besetzung von neuen Schalen 44 2.3.1.5 Atomgrösse 44 2.3.1.6 Valenzelektronen und Valenzschale 45 3 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter 2.3.1.7 Metallische Eigenschaften im PSE 45 Gang des metallischen Charakters der Elemente im PSE 45 2.3.1.8 Drill&Practice: Bohr und Periodensystem 46 2222....3333....2222 DDDDaaaassss OOOOrrrrbbbbiiiittttaaaallllmmmmooooddddeeeellllllll 44447777 2.3.2.1 Welle-Teilchen Dualismus 47 2.3.2.2 Unschärferelation 47 2.3.2.3 Orbitale 48 2.3.2.4 4 Regeln zum Orbitalmodell 48 Regel 1: Orbitalformen 48 Regel 2: Pauli-Prinzip 48 Regel 3: Hund'sche Regel 49 Regel 4: Energieprinzip 49 2.3.2.5 Orbitalbesetzungsschema 50 2.3.2.6 Elektronenkonfigurations-Schreibweise 50 2.3.2.7 Quantenzahlen 51 2.3.2.8 Drill&Practice: Orbitalmodell 52 2.3.2.9 Kovalente Bindung (cid:1) Moleküle 53 2.3.2.10 Hybridisierung: Eine energetische Gleichmacherei 53 sp3-Hybridisierung 54 sp2-Hybridisierung 56 sp-Hybridisierung 57 Mögliche Hybridisierungen (Auswahl) 58 2222....4444 MMMMOOOOLLLLEEEEKKKKÜÜÜÜLLLLEEEE:::: NNNNIIIICCCCHHHHTTTTMMMMEEEETTTTAAAALLLLLLLLAAAATTTTOOOOMMMMVVVVEEEERRRRBBBBÄÄÄÄNNNNDDDDEEEE ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 55558888 2222....4444....1111 KKKKoooovvvvaaaalllleeeennnntttteeee BBBBiiiinnnndddduuuunnnngggg 55558888 2.4.1.1 Die Edelgasregel (Oktettregel) 59 2222....4444....2222 MMMMoooolllleeeekkkküüüüllllssssttttrrrruuuukkkkttttuuuurrrreeeennnn uuuunnnndddd LLLLeeeewwwwiiiissss----FFFFoooorrrrmmmmeeeellll 66660000 2.4.2.1 Kohlenstoffmodifikation: Diamant 63 Diamantstruktur und Atomgitter 63 2.4.2.2 Kohlenstoffmodifikation: Graphit 64 Struktur des Graphits 64 Fullerene 65 Graphen und Nanoröhren 65 2222....5555 SSSSTTTTRRRRUUUUKKKKTTTTUUUURRRRBBBBEEEESSSSTTTTIIIIMMMMMMMMUUUUNNNNGGGG VVVVOOOONNNN MMMMOOOOLLLLEEEEKKKKÜÜÜÜLLLLEEEENNNN -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 66667777 2222....5555....1111 EEEElllleeeekkkkttttrrrroooonnnneeeennnnppppaaaaaaaarrrraaaabbbbssssttttoooossssssssuuuunnnnggggssssmmmmooooddddeeeellllllll 66667777 2.5.1.1 Drill&Practice: Moleküle und Molekülgeometrien 69 2222....6666 ZZZZWWWWIIIISSSSCCCCHHHHEEEENNNNMMMMOOOOLLLLEEEEKKKKUUUULLLLAAAARRRREEEE KKKKRRRRÄÄÄÄFFFFTTTTEEEE:::: ZZZZMMMMKKKK ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 77770000 2222....6666....1111 DDDDiiiippppoooollll----DDDDiiiippppoooollll----WWWWeeeecccchhhhsssseeeellllwwwwiiiirrrrkkkkuuuunnnnggggeeeennnn 77770000 2.6.1.1 Elektronegativität (EN) 72 2222....6666....2222 WWWWaaaasssssssseeeerrrrssssttttooooffffffffbbbbrrrrüüüücccckkkkeeeennnn 77773333 4 Voraussetzungen für typische Wasserstoffbrücken 73 Wasserstoffbrückensysteme: Drei Beispiele 74 2.6.2.1 Die DNA 74 2.6.2.2 Die Anomalie des Wassers 75 Die Eisstruktur 75 2222....6666....3333 VVVVaaaannnn----ddddeeeerrrr----WWWWaaaaaaaallllssss KKKKrrrrääääfffftttteeee 77777777 2222....6666....4444 SSSSttttäääärrrrkkkkeeee vvvvoooonnnn ZZZZMMMMKKKK 77778888 2.6.4.1 Aggregatzustände und ZMK 79 2.6.4.2 Übersicht zu ZMK 79 2222....6666....5555 MMMMiiiisssscccchhhhbbbbaaaarrrrkkkkeeeeiiiitttt vvvvoooonnnn MMMMoooolllleeeekkkküüüülllleeeennnn 88880000 Rohöl 80 Der Ammoniakspringbrunnen 81 2.6.5.1 Drill&Practice: Zwischenmolekulare Kräfte 82 2222....7777 SSSSAAAALLLLZZZZEEEE -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 88883333 2222....7777....1111 DDDDiiiieeee BBBBiiiilllldddduuuunnnngggg vvvvoooonnnn IIIIoooonnnneeeennnn 88883333 2.7.1.1 Drill&Practice: Vom Atom zum Ion 85 2222....7777....2222 NNNNaaaammmmeeeennnnssssggggeeeebbbbuuuunnnngggg vvvvoooonnnn SSSSaaaallllzzzzeeeennnn TTTTeeeeiiiillll IIII 88886666 2.7.2.1 Drill&Practice: Vokabeltest einfache Ionen 87 2222....7777....3333 NNNNaaaammmmeeeennnnssssggggeeeebbbbuuuunnnngggg vvvvoooonnnn SSSSaaaallllzzzzeeeennnn TTTTeeeeiiiillll IIIIIIII 88888888 2.7.3.1 Mineraldünger 89 2222....7777....4444 SSSSttttrrrruuuukkkkttttuuuurrrrffffoooorrrrmmmmeeeellllnnnn vvvvoooonnnn KKKKoooommmmpppplllleeeexxxxiiiioooonnnneeeennnn 88889999 2.7.4.1 Drill&Practice Vokabeltest Komplexionen 90 2.7.4.2 Drill&Practice Salze mit Komplexanionen 91 2.7.4.3 Drill&Practice Ionen kombiniert zu Salzen 92 2.7.4.4 Das Kochsalz-Puzzle 93 2222....7777....5555 IIIIoooonnnneeeennnnbbbbiiiinnnndddduuuunnnngggg uuuunnnndddd IIIIoooonnnneeeennnnggggiiiitttttttteeeerrrr 99994444 2.7.5.1 Ionenbindung 94 4 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter 2.7.5.2 Ionengitter 95 Gitterenthalpie 95 2.7.5.3 Ionenradius 95 2.7.5.4 Drill&Practice Atomradien und Ionenradien 96 2.7.5.5 Gittertyp, Koordinationszahl, Salzformel 97 2222....7777....6666 EEEEiiiiggggeeeennnnsssscccchhhhaaaafffftttteeeennnn ddddeeeerrrr SSSSaaaallllzzzzeeee 99998888 2.7.6.1 Mechanisches Verhalten 98 2.7.6.2 Schmelz- und Siedepunkte 98 Vergleich zwischen Molekülen und Salzen 98 Vergleich von verschiedenen Salzen 99 2222....7777....7777 EEEElllleeeekkkkttttrrrriiiisssscccchhhheeee LLLLeeeeiiiittttffffäääähhhhiiiiggggkkkkeeeeiiiitttt vvvvoooonnnn SSSSaaaallllzzzzeeeennnn 111100000000 Salzschmelze 100 Salzlösung 100 2222....7777....8888 EEEElllleeeekkkkttttrrrroooollllyyyysssseeee 111100001111 2222....7777....9999 LLLLöööösssslllliiiicccchhhhkkkkeeeeiiiitttt vvvvoooonnnn SSSSaaaallllzzzzeeeennnn iiiinnnn WWWWaaaasssssssseeeerrrr 111100002222 2222....7777....11110000 EEEEnnnneeeerrrrggggeeeettttiiiikkkk ddddeeeessss LLLLöööösssseeeennnnssss vvvvoooonnnn SSSSaaaallllzzzzeeeennnn 111100003333 2.7.10.1 Drill&Practice: Energetik des Lösens von Salzen 105 2.7.10.2 Drill&Practice: Von Allem etwas 106 2222....7777....11111111 MMMMeeeettttaaaalllllllleeee 111100007777 2.7.11.1 Metallische Eigenschaften 107 2.7.11.2 Elektronengas-Modell 107 Elektrische Leitfähigkeit 107 2.7.11.3 Drill&Practice Metalle und Bindungstypen 110 3333 CCCCHHHHEEEEMMMMIIIISSSSCCCCHHHHEEEE RRRREEEEAAAAKKKKTTTTIIIIOOOONNNNEEEENNNN 111111111111 3333....1111 DDDDIIIIEEEE GGGGEEEESSSSCCCCHHHHWWWWIIIINNNNDDDDIIIIGGGGKKKKEEEEIIIITTTT VVVVOOOONNNN CCCCHHHHEEEEMMMMIIIISSSSCCCCHHHHEEEENNNN RRRREEEEAAAAKKKKTTTTIIIIOOOONNNNEEEENNNN ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 111111111111 3333....1111....1111 KKKKoooolllllllliiiissssiiiioooonnnnsssstttthhhheeeeoooorrrriiiieeee 111111111111 3333....1111....2222 BBBBeeeeeeeeiiiinnnnfffflllluuuussssssssuuuunnnngggg ddddeeeerrrr RRRReeeeaaaakkkkttttiiiioooonnnnssssggggeeeesssscccchhhhwwwwiiiinnnnddddiiiiggggkkkkeeeeiiiitttt 111111112222 3.1.2.1 Zerteilungsgrad und Konzentration 112 3.1.2.2 RGT-Regel 112 3.1.2.3 Landolt-Reaktion 113 3333....1111 DDDDAAAASSSS CCCCHHHHEEEEMMMMIIIISSSSCCCCHHHHEEEE GGGGLLLLEEEEIIIICCCCHHHHGGGGEEEEWWWWIIIICCCCHHHHTTTT ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 111111114444 3333....1111....3333 UUUUmmmmkkkkeeeehhhhrrrrbbbbaaaarrrreeee RRRReeeeaaaakkkkttttiiiioooonnnneeeennnn 111111114444 3333....1111....4444 CCCChhhheeeemmmmiiiisssscccchhhheeeessss GGGGlllleeeeiiiicccchhhhggggeeeewwwwiiiicccchhhhtttt 111111114444 3.1.4.1 Dynamisches Gleichgewicht 114 3.1.4.2 Massenwirkungsgesetz 116 Bedeutung der Gleichgewichtskonstanten K 117 3.1.4.3 Drill&Practice Reaktionsgeschwindigkeit und MWG 121 3333....2222 DDDDIIIIEEEE BBBBEEEEEEEEIIIINNNNFFFFLLLLUUUUSSSSSSSSUUUUNNNNGGGG VVVVOOOONNNN CCCCHHHHEEEEMMMMIIIISSSSCCCCHHHHEEEENNNN GGGGLLLLEEEEIIIICCCCHHHHGGGGEEEEWWWWIIIICCCCHHHHTTTTEEEENNNN ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 111122222222 3333....1111....5555 EEEEiiiinnnnfffflllluuuussssssss ddddeeeerrrr TTTTeeeemmmmppppeeeerrrraaaattttuuuurrrr 111122222222 Die Chemie der Halogenlampe: Temperatureinfluss auf Gleichgewichte 122 3333....1111....6666 EEEEiiiinnnnfffflllluuuussssssss ddddeeeerrrr KKKKoooonnnnzzzzeeeennnnttttrrrraaaattttiiiioooonnnn 111122224444 3333....1111....7777 EEEEiiiinnnnfffflllluuuussssssss ddddeeeessss DDDDrrrruuuucccckkkkssss 111122225555 3.1.7.1 Haber-Bosch Verfahren 125 Ammoniak 125 3.1.7.2 Drill&Practice Prinzip von LeChâtelier 127 4444 SSSSÄÄÄÄUUUURRRREEEENNNN UUUUNNNNDDDD BBBBAAAASSSSEEEENNNN 111122228888 4444....1111....1111 DDDDeeeeffffiiiinnnniiiittttiiiioooonnnn vvvvoooonnnn SSSSääääuuuurrrreeeennnn uuuunnnndddd BBBBaaaasssseeeennnn nnnnaaaacccchhhh BBBBrrrrøøøønnnnsssstttteeeedddd 111122228888 4.1.1.1 Leitfähigkeitsmessung 128 Teilchenebene oder Lösungsebene? 130 4.1.1.2 Säure-Base-Begriff nach Brønsted 131 4.1.1.3 Korrespondierende Säure-Base-Paare 132 4.1.1.4 Typische Charakteristika von Säuren und von Basen 132 4.1.1.5 Drill&Practice: Protolysen/korrespondierende SB-Paare 133 4444....1111....2222 ppppHHHH----WWWWeeeerrrrtttt uuuunnnndddd ddddiiiieeee mmmmaaaaggggiiiisssscccchhhheeee ppppHHHH 7777 111133334444 4.1.2.1 Autoprotolyse und Ionenprodukt des Wassers 134 4444....1111....3333 ppppHHHH----WWWWeeeerrrrtttt uuuunnnndddd ppppOOOOHHHH----WWWWeeeerrrrtttt 111133335555 4.1.3.1 Drill&Practice: Autoprotolyse und pH-Wert 137 4444....1111....4444 SSSSttttäääärrrrkkkkeeee vvvvoooonnnn SSSSääääuuuurrrreeeennnn uuuunnnndddd BBBBaaaasssseeeennnn 111133338888 4.1.4.1 Der pKs-Wert: Mass für die Säurestärke 138 Ks-Wert: Gleichgewicht der Reaktion einer Säure mit Wasser 138 Ks-Wert 139 pKs-Wert 139 5 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter Was sagt der Ks-Wert und was der pKs-Wert aus? 139 Kb-Wert und pKb-Wert: Gleichgewicht der Reaktion einer Base mit Wasser 139 4.1.4.2 Zusammenhang zwischen pKs- und pKb-Wert 140 4444....1111....5555 ppppHHHH----WWWWeeeerrrrtttteeee ssssttttaaaarrrrkkkkeeeerrrr uuuunnnndddd sssscccchhhhwwwwaaaacccchhhheeeerrrr SSSSBBBB 111144441111 pH-Werte von starken Säuren 141 pH-Werte von schwachen Säuren 141 pOH-Werte von starken Basen 141 pOH-Werte von schwachen Basen 141 Lösungsspezifisch oder stoffspezifisch? 141 4.1.5.1 Drill&Practice: Stärke von SB und pH-Werte 142 4444....1111....6666 SSSSääääuuuurrrreeee----BBBBaaaasssseeee GGGGlllleeeeiiiicccchhhhggggeeeewwwwiiiicccchhhhtttteeee 111144443333 4.1.6.1 Brausetabletten 143 Zusammensetzung von VitaminC-Brausetabletten: 143 4.1.6.2 Bestimmung von Säure/Base-Gleichgewichtslagen 145 4.1.6.3 Das Konzept der "Schwächeren" und "Stärkeren" 146 4.1.6.4 Drill&Practice: Säure-Base-Gleichgewichtslagen 147 4444....1111....7777 KKKKaaaallllkkkk:::: TTTThhhheeeemmmmaaaa mmmmiiiitttt VVVVaaaarrrriiiiaaaattttiiiioooonnnn 111144448888 4.1.7.1 Kalkbildung 148 4.1.7.2 Kalkerosion 149 4.1.7.3 Kalkablagerungen (Kesselsteinbildung) 150 4.1.7.4 Entkalkung mit Säuren 151 4.1.7.5 Wasserenthärtung 151 Enthärtung von Wasser mit Calgon durch Komplexbildner 152 Ionentauscher-Harze 152 4.1.7.6 Drill&Practice: Kalk 153 4444....1111....8888 PPPPuuuuffffffffeeeerrrrllllöööössssuuuunnnnggggeeeennnn 111155554444 4.1.8.1 Wirkungsweise von Pufferlösungen 155 pH-Wert Berechnungen der Essigsäurepufferlösung 155 4.1.8.2 Blut: ein humaner Puffer 156 4444....1111....9999 SSSSääääuuuurrrreeee----BBBBaaaasssseeee----TTTTiiiittttrrrraaaattttiiiioooonnnn 111155557777 4.1.9.1 Berechnung der Säurekonzentration 158 Warum ist eine Titration notwendig? 158 4.1.9.2 Auffällige Besonderheiten der Titrationskurve 159 pH-Sprung 159 4.1.9.3 Vergleich der Äquivalenzpunkte HCl/HAc 160 4.1.9.4 Pufferpunkt 160 4.1.9.5 Drill&Practice: Puffer und Titration 161 5555 RRRREEEEDDDDOOOOXXXX----RRRREEEEAAAAKKKKTTTTIIIIOOOONNNNEEEENNNN 111166662222 5555....1111....1111 DDDDeeeeffffiiiinnnniiiittttiiiioooonnnneeeennnn 111166662222 Aufstellung von Reaktionsgleichungen für Redoxreaktionen 163 5555....1111....2222 OOOOxxxxiiiiddddaaaattttiiiioooonnnnsssszzzzaaaahhhhllll 111166665555 5.1.2.1 Regeln für die Erstellung von Oxidationszahlen 165 5.1.2.2 Die Chemie des Swimmingpools 166 5.1.2.3 Drill&Practice: Oxidationszahlen 167 5555....1111....3333 RRRReeeeddddooooxxxx----GGGGlllleeeeiiiicccchhhhggggeeeewwwwiiiicccchhhhtttteeee 111166667777 5.1.3.1 Redoxreihe 167 5.1.3.2 Drill&Practice: Redox-Gleichgewichtslagen 169 5555....1111....4444 KKKKoooorrrrrrrroooossssiiiioooonnnn vvvvoooonnnn MMMMeeeettttaaaalllllllleeeennnn 111177770000 5.1.4.1 Säurekorrosion 170 5.1.4.2 Sauerstoffkorrosion 171 Rosten von Eisen: Sauerstoffkorrosion 172 5.1.4.3 Drill&Practice: Korrosionen 173 5555....1111....5555 CCCChhhheeeemmmm.... zzzzuuuu eeeelllleeeekkkkttttrrrr.... EEEEnnnneeeerrrrggggiiiieeee:::: GGGGaaaallllvvvvaaaannnniiiisssscccchhhheeee EEEElllleeeemmmmeeeennnntttteeee 111177774444 5.1.5.1 Galvanische Elemente 174 Daniell-Element 174 Standardwasserstoffhalbzelle 175 5.1.5.2 Lokalelemente 176 Lochfrasskorrosion 177 Korrosionsschutz 177 Opferanode 177 5.1.5.3 Drill&Practice: Galvanische Elemente und Lokalelemente 179 5.1.5.4 Batterien 180 Toxikologie von Quecksilber, Cadmium und Blei 180 Typen galvanischer Zellen 181 Leclanché-Element 182 Alkaline Batterie 182 Zink-Luft-Batterie 183 6 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter Lithium-Batterie 183 Silberoxid-Knopfzelle 183 5555....1111....6666 AAAAkkkkkkkkuuuummmmuuuullllaaaattttoooorrrreeeennnn 111188884444 5.1.6.1 Blei-Akkumulator 184 5.1.6.2 Nickel-Cadmium-Akkumulator 186 5.1.6.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator 186 5.1.6.4 Lithium-Ionen-Akkumulator 187 Das Bild enthält einen Fehler. Welchen? 187 5555....1111....7777 BBBBrrrreeeennnnnnnnssssttttooooffffffffzzzzeeeelllllllleeeennnn 111188888888 5.1.7.1 Drill&Practice: Batterien 189 5555....1111....8888 EEEElllleeeekkkkttttrrrriiiisssscccchhhheeee zzzzuuuu cccchhhheeeemmmmiiiisssscccchhhheeee EEEEnnnneeeerrrrggggiiiieeee:::: EEEElllleeeekkkkttttrrrroooollllyyyysssseeee 111199990000 5.1.8.1 Elektrolyse einer Na SO -Lösung 191 2 4 5.1.8.2 Aluminium und Alu-Recycling 192 Aluminium und Getränkedosen 193 7 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter Einleitungen liest eh keiner Chemie hat nun mal nicht das Potenzial zu einem Lieblingsfach. Aber Chemie ist total spannend. Was sind genau die zentralen Probleme mit denen Studierende in der Chemie zu kämpfen haben? • Problem: Kontinuität In der Chemie braucht es für eine Problemlösung häufig Informationen, die zeitlich weit zurück liegen. Das Wissen ist bei viele Studierenden im Laufe des Unterrichts nicht mehr „im Kopf“ abrufbar. • Problem: Abstraktion und Modelldenken Die Chemie arbeitet mit einer modellhaften Beschreibung des Stofflichen. Es geht weniger um die Wirklichkeit im Sinne von einziger Wahrheit. Experimen- telle Beobachtungen können ganz gut mit chemischen Modellen beschrieben und zu erwartendes Verhalten vorhergesagt werden. Das Denken spielt sich dabei auf mehreren Ebenen ab: Beobachtungsebene, Teilchenebene, Geomet- rische Ebene, Energetische Ebene, Mathematische Ebene. Das ist nicht ganz einfach aber durchaus mit ein wenig Anleitung machbar. • Problem: Vielfalt In der Chemie hat man es mit einer grossen Vielfalt von chemischen Phänome- nen zu tun. Ausserdem ist Vieles situativ zu sehen. Website und Lernplattform Begleitend zum Unterricht können Sie die Daten von meiner Website abrufen: www.dinternet.ch. Sie finden dort eine Vielzahl von Informationen, insbesondere dieses Skript, Lö- sungen zu den Aufgaben im Skript (Drill & Practice), Hinweise zu Literatur, Struk- turen von Molekülen, Informationen zu Prüfungen/Notengebung/Absenzen. Sie können gern bei mir anfragen unter [email protected], wenn Ihnen etwas unklar ist oder wenn Sie Vorschläge und Anmerkungen haben. Zudem nutzen wir die Lernplattform openKME https://openkme.kme.ch/ für Zu- sammenfassungen und Austausch. Yves Montand fragt Marilyn Monroe in dem Film Machen wir's in Liebe: "Warum wollen Sie denn unbe- dingt Ihre Matur machen?" Die Antwort:" Ich habe es satt dumm zu sein. Ich will endlich mal verstehen, worüber die Leute reden". 8 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter Was ist Chemie? Einleitung „Wo fangen wir aber nun an, um am schnellsten in die Sache zu kommen?“ fragte Eduard nach einer Pause den Hauptmann, der, sich ein wenig bedenkend, bald darauf erwiderte: „Wenn es mir erlaubt ist, dem Scheine nach weit auszuholen, so sind wir bald am Platze. An allen Naturwesen, die wir gewahr werden, bemerken wir zuerst, dass sie einen Bezug auf sich selbst haben. Es klingt freilich wunderlich, wenn man etwas ausspricht, was sich ohnehin versteht; doch nur indem man sich über das Bekannte völlig verständigt hat, kann man miteinander zum Unbekannten fortschreiten.“ „Ich dächte,“ fiel ihm Eduard ein, „wir machten uns die Sache durch Beispiele bequem. Stelle dir n nur das Wasser, das Oel, das Quecksilber vor, so wirst du eine Einigkeit, einen Zusammenhang ihrer Teile finden. Diese Einung verlassen sie nicht, ausser durch Gewalt oder sonstige Bestimmung. Ist e diese beseitigt, so treten sie gleich wieder zusammen.“ „Und das wird nach Verschiedenheit der Wesen verschieden sein,“ fuhr Eduard eilig fort. „Bald werden sie sich als Freunde und alte Bekannte begegnen, die schnell zusammentreten, sich vereinigen, t ohne aneinander etwas zu verändern, wie sich Wein mit Wasser vermischt. Dagegen werden andre f fremd nebeneinander verharren und selbst durch mechanisches Mischen und Reiben sich keinesweges verbinden; wie Oel und Wasser, zusammengerüttelt, sich den Augenblick wieder auseinander sonadert. Und doch gibt es in unserer chemischen Welt Mittelglieder, dasjenige zu verbinden, was sich einander abweist. h „So verbinden wir“, fiel der Hauptmann ein, „das Oel durch Laugensalz mit dem Wasser. Diejeni- gen Naturen, die sich beim Zusammentreffen einander schnell ergreifen und wechselseitig bestimmen nennen wir verwandt. An den Alkalien und Säuren, die obgleich einander entgegecngesetzt und viel- leicht eben deswegen, weil sie einander entgegengesetzt sind, sich am entschiedensten suchen und fassen, sich modifizieren und zusammen einen neuen Körper bilden, ist dieses Verwandtschaft auffal- lend genug. Gedenken wir nur des Kalks, der zu allen Säuren eine grosse Neigung, eine entschiedene Vereinigungslust äussert! Sobald unser chemisches Kabinett ankommtd, wollen wir Sie (Charlotte) verschiedene Versuche sehen lassen, die sehr unterhaltend sind und einen bessern Begriff geben als Worte, Namen und Kunstausdrücke.“ n „Eigentlich“, versetzte Eduard, „sind die verwickelten Fälle die interessantesten. Erst bei diesen lernt man die Grade der Verwandtschaften, die nähern, stärkern, entferntern, geringern Beziehungen kennen.“ a „Möchtet ihr mich“, versetzte Charlotte, „nur kürzlich belehren, wie es eigentlich hier mit den e Verwandtschaften gemeint sei?“ w „Das will ich wohl gerne tun,“ erwiderte der Hauptmann, gegen den sich Charlotte gewendet hat- te, „freilich nur soh gut, als ich es vermag, wie ich es etwa vor zehn Jahren gelernt, wie ich es gelesen habe. Ob man in der wissenschaftlichen Welt noch so darüber denkt, ob es zu den neuern Lehren passt, wüsste ich nicht zu sagen.“ r t „Es ist schlimm genug,“ rief Eduard, „dass man jetzt nichts mehr für sein ganzes Leben lernen e kann. Uensere Vorfahren hielten sich an den Unterricht, den sie in ihrer Jugend empfangen; wir aber müssen jetzt alle fünf Jahre umlernen, wenn wir nicht ganz aus der Mode kommen wollen.“ v „So schliessen wir uns denn gleich“, sagte der Hauptmann, „an dasjenige wieder an, was wir oben o schon benannt und besprochen haben. Zum Beispiel was wir Kalkstein nennen, ist eine mehr oder weniger reine Kalkerde, innilg mit einer zarten Säure verbunden, die uns in Luftform bekannt gewor- G den ist. Bringt man ein Stück solchen Steines in verdünnte Schwefelsäure, so ergreift diese den Kalk h und erscheint mit ihm als Gips; jene zarte, luftige Säure hingegen entflieht. Hier ist eine Trennung, eine neue Zusammensetzung entstanden, und man glaubt sich nunmehr berechtigt, sogar das Wort Wahlverwandtschaaft anzuwenden, weil es wirklich aussieht, als wenn ein Verhältnis dem andern vor- gezogen, eins vor dem andern erwählt würde.“ „VerzeiheWn sie mir,“ sagte Charlotte, „aber ich würde hier niemals eine Wahl, eher eine Naturnot- wendigkeit erblicken, und diese kaum; denn es ist am Ende vielleicht gar nur die Sache der Gelegen- heit. Gelegenheit macht Verhältnisse, wie sie Diebe macht; und wenn von Ihren Naturkörpern die Rede ist, so scheint mir die Wahl bloss in den Händen des Chemikers zu liegen, der diese Wesen zu- sammenbringt. Sind sie aber einmal beisammen, dann Gnade ihnen Gott! In dem gegenwärtigen Falle dauert mich nur die arme Luftsäure, die sich wieder im Unendlichen herumtreiben muss. „Es kommt nur auf sie an,“ versetzte der Hauptmann, „sich mit dem Wasser zu verbinden und als Mineralquelle Gesunden und Kranken zur Erquickung zu dienen.“ „Der Gips hat gut reden,“ sagte Charlotte; „der ist nun fertig, ist ein Körper, ist versorgt, anstatt dass jenes ausgetriebene Wesen noch manche Not haben kann, bis es wieder unterkommt.“ „Man muss,“ versetzte der Hauptmann, „diese tot scheinenden und doch zur Tätigkeit innerlich immer bereiten Wesen wirkend vor seinen Augen sehen, mit Teilnahme schauen, wie sie einander suchen, sich anziehen, ergreifen, zerstören, verschlingen, aufzehren und sodann aus der innigsten Verbindung wieder in erneuter, neuer, unerwarteter Gestalt hervortreten: dann traut man ihnen erst ein ewiges Leben, ja wohl gar Sinn und Verstand zu...“ 9 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter Die Chemie ist eine Wissenschaft, die sich mit Eigenschaften und Umwand- Wissenschaften lungen von Stoffen befasst. Geisteswissenschaften Naturwissenschaften Die Physik beschreibt die Zustände und Zustandsänderungen der Stoffe. Biologie Chemie Physik Beide Definitionen beschreiben die klassischen Fächer der Chemie und der Physik. In der modernen Physik, z.B. der Kernphysik kommt es hingegen zu stofflichen Veränderungen der Materie. Da sich die Interessengebiete verschiedener Wis- senschaftszweige überschneiden, kann man nicht von klaren Abgrenzungen spre- chen. Vielmehr kommt bei allen naturwissenschaftlichen Fächern die Vorstellung des naturwissenschaftlichen Denkens zum Ausdruck. (cid:1) (cid:1) (cid:1) Experiment Beobachtung Interpretation Hypothese Die Hypothese ist so lange gültig, bis sie experimentell widerlegt wird. Das Hauptanliegen der Chemie ist und bleibt die Chemische Reaktion, also die Beantwortung der Frage unter welchen Umständen Stoffe ineinander umgewandelt werden können. Hauptanliegen der Alchimisten (300 v.Chr. bis 1650 n.Chr.) war es, Blei und Eisen in Gold umzuwandeln. Man glaubte damals an ein „Umwandlungsagens“, das die Um- wandlung herbeiführen könnte. Dieser Wirkstoff, der wohl immer noch gesucht wird, ist als Stein der Weisen bekannt geworden. Die Herleitung des Begriffs Chemie ist nicht ganz eindeutig. Es kann auf das ara- bische al-kïmiyã zurückzuführen sein, was soviel wie "das Schwarze" (des Bodens des Nildeltas) bedeutet. Denkbar ist aber auch ein alchimistischer Ursprung. "Das schwarze Präparat" ist hier als obengenanntes "Umwandlungsreagenz" zu verste- hen. Mit Antoine de Lavoisier beginnt nach der Ära der Alchemie „die moderne Chemie“ (seit 1790). Lavoisier benutzte quantitative Messmethoden (die Waage!), um che- mische Erscheinungen zu deuten, protokollierte exakt und veröffentlichte seine wissenschaftlichen Aussagen. Und heute? Warum betreibt man Chemie? Wie schätzen Sie den Ruf der Chemie ein? Alles um uns herum ist Chemie und wir sind Chemie? Warum ist es wichtig auch Chemie zu lernen? 10 Gemische und Reine Stoffe GF KME Dinter 1 Grundbegriffe 1.1 Was jeder Wissen muss 1.1.1 Gemische und Reine Stoffe In den häufigsten Fällen kommen Stoffe als Mischungen in der Natur vor. Für uns wichtige Stoffe z.B. Rohöl können durch geeignete physikalische Methoden ge- trennt werden. Einheitlich aussehende Bestandteile von Materie werden Phasen genannt, z.B. Wasser und Oel → wässrige Phase und Oelphase. Heterogen Nicht einheitliche Gemische, bei denen die verschiedenen Bestandteile zu erkennen sind. → 2 Phasen Homogen Einheitliche Gemische, bei denen die verschiedenen Bestandteile nicht zu erken- nen sind. → 1 Phase Gemische können durch physikalische Trennmethoden aufgespalten werden. Reine Stoffe hingegen können nicht weiter aufgespalten werden, sie sind damit auch immer homogen. Aufgabe: Ordnen Sie Rohöl ein und ordnen Sie Benzin ein. Aufgabe: Ist Blut ein reiner Stoff oder ein Gemisch, homogen oder heterogen, aus mehreren Phasen bestehend?
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