Allgemeine und Anorganische Chemie

283 Pages·2016·3.72 MB·German

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Allgemeine und
Anorganische Chemie (AC1)
DieVersucheindieserExperimentalvorlesungwerdenvonGeorgMonsch,M.Sc.,und
Dr. Magdalena Rusan vorgeführt.
wann und wo?
Di, Mi, Fr, 8:45–10:00 Uhr, Liebig-HS.
Klausur
Hinweise zur Klausur finden Sie auf der Homepage von Herrn Kornath, wo Sie auch
Links zu alten Klausuren finden.
Beachten Sie dieRegelung für das Bestehen der Klausur.
für wen?
• Studierende des BachelorstudiengangsChemie und Biochemie,
• Studierende der Biologie,
• Studierende von Lehramtsstudiengängen mit Teilfach Chemie,
• Studierende der Pharmazie (Staatsexamen und Bachelor).
was?
Der Vorlesung Allgemeine und Anorganische Chemie stehen ca. 70 Stunden zur
Verfügung. Diese Zeit verteilt sich auf zwei ungefähr gleich große Blöcke:
Teil A: Grundlagen
Teil B: Chemie der Elemente
In Teil A werden die Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie in anderer
Abfolge – aber hoffentlich doch schlüssig und zusammenhängend – dargestellt als in
den Lehrbüchern üblich. Die Absicht ist, eine optimale Vernetzung mit dem Chemischen
Grundpraktikum herzustellen, das von den Studierenden des 1. Semesters des
Bachelorstudiengangs Chemie und Biochemie absolviert wird. Mit dem Abschluss von
Kapitel 11 Ende November sind alle für das Praktikum wichtigen Begriffe behandelt
worden. Anschließend werden diese Grundlagen im dann folgenden systematischen Teil
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benutzt, um Ordnung in die Vielfalt der stofflichen Welt zu bringen. Für die Klausur am
EndederVorlesungkönnenSiedenStoffzusammenhängendauseinemderLehrbücher
vertiefen,dainderVorlesungnurdieAbfolge,abernichtdertypischeUmfangdesStoffes
verändert wurde.
Übungen zur Vorlesung
FürStudierendeimBachelorstudiengangChemieundBiochemiesowiefürStudierende
derBiologieunddesLehramteswirdeineÜbungvonProf.Kornath(1SWS)angeboten.
Herr Kornath entwirft für diese Übung Aufgabenblätter, die Sie unter Anleitung einer
Tutorin/eines Tutors bearbeiten.
Für die Hörer aus dem Staatsexamensstudiengang Pharmazie ist keine Übung
vorgesehen, da hier die Vorlesung das anorganisch-analytische Praktikum begleitet, in
dessen Rahmen eigene Seminare abgehalten werden.
Vernetzung mit weiteren Veranstaltungen
Parallel zu dieser Vorlesung findet im ersten Semester des Bachelorstudiengangs
Chemie und Biochemie das Liebig-Lab statt, das von Dr. Böttcher organisiert wird.
Dieses Praktikum wird von der Vorlesung zum Chemischen Grundpraktikum von Dr.
Böttcherbegleitet,dessenInhaltmitderGrundvorlesungabgestimmtist.Zusammenbilden
(1)dieseGrundvorlesung,(2)dasChemischeGrundpraktikumund(3)dieVorlesungzum
Chemischen Grundpraktikum Ihre Ausbildung in Allgemeiner und Anorganischer Chemie
im 1. Semester.
Anschließend an diese Vorlesung finden das Chemische Praktikum für Biologen und
das Anorganisch-chemische Praktikum I für Lehramtstudierende statt. Bei diesen
Praktika wird das Bestehen der Klausur zu dieser Vorlesung als Eingangsvoraussetzung
verlangt. Hinweise auf diese Praktika finden Sie daher oben im Klausur-Abschnitt.
Lehrbücher
Lehrbücher, aus denen der Stoff im Zusammenhang gelernt werden kann:
C. E. Mortimer, U. Müller: Chemie. 10. Auflage, Thieme 2010 (ISBN
978-3-13-484310-1).
E. Riedel, C. Janiak: Anorganische Chemie. 8. Auflage, de Gruyter 2012, ISBN
978-3-11-022566-2.DieStoffchemieistausgewogendargestellt,dasheißt,umfangreicher
als im Mortimer, aber nicht so enzyklopädisch wie in den umfangreicheren
Gesamtdarstellungen. Ein Problem, das auch beim Mortimer auftritt, ist die Einhaltung
derOktettregel. Wir werden sieinderVorlesung strikt beachten,inbeidenBüchern wird
dasauchsoangesagt,abernichtkonsequentbeibehalten.WirwerdendasThemainder
Vorlesung ansprechen.
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M. Binnewies, M. Jäckel, H. Willner, G. Rayner-Canham: Allgemeine und
Anorganische Chemie. 2. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag 2010, ISBN
978-3-8274-2533-1
Umfangreichere Gesamtdarstellungen:
Holleman, Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Walter de Gruyter 2007,
ISBN 978-3-11-017770-1
C. E. Housecroft, A. G. Sharpe: Anorganische Chemie. Pearson 2006, ISBN
3-8273-7192-9
Atkins, Overton, Rourke, Weller, Armstrong: Inorganic Chemistry. 5th ed., Oxford
University Press 2010, ISBN 978-0-19-923617-6
Technisches
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Zu den häufig benutzten Sonderzeichen gehören griechische Buchstaben: α (alpha), β
(beta), π (pi), σ (sigma), χ (chi). Wie Sie sehen, werden α und π durch die verwendete
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Helvetica-(α, π)oderTimes-Roman-Familie(α, π).WenndasbeimLernennervt,sagen
Sie bitte Bescheid.
Über diese Website
Diese Website soll (1) die Gliederung der Vorlesung zeigen, (2) Abbildungen zur
Verfügung stellen, (3) Organisatorisches übersichtlich an einer Stelle zusammenfassen,
(4) ausgearbeiteten Text da zeigen, wo die empfohlenen Lehrbüchern ergänzt werden
sollen, meistens handelt es sich dabei um das jeweilige konkrete Beispiel, mit dem ein
Sachverhalterklärtwird.DieseWebsitesollnicht–einLehrbuchersetzen.ImGegenteil
– Sie werden zahlreiche Querverweise zu den Lehrbüchern finden.
WennSiedasSkriptoderTeiledavonausdruckenmöchten,verwendenSieamBestendie
pdf-Version(Stand: 12. Oktober 2016).
Erläuterungen zu den unterschiedlichsten Themen, die nicht so recht in den Haupttext
passen, sind alle in einem Dokument gesammelt. Ein weiteres Dokument enthält
Vereinbarungen der Dozenten der Veranstaltungen des Lehrbereichs AC für das 1.
Semester.
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Teil A Grundlagen
Chemie – die Lehre von den Stoffen 5
1
Chemie – die Lehre von den Stoffen
Chemie ist die Lehre von den Stoffen und den Stoffumwandlungen. Um Stoffe aus der
natürlichen Umgebung in ihrer Funktion zu verstehen – oft auch um sie für eine
Anwendungnutzbarzumachen,istdieChemiehäufigeinembewährtemVorgehengefolgt,
das in der Regel mehrfach durchlaufen wird: Der Analyse von Stoffen aus Natur und
Technik folgt die Synthese neuer Stoffe, die zum Verständnis der Natur beitragen oder
diefüreinebestimmteAnwendungoptimiertsind.Schwerpunkteangewandterchemischer
Forschung sind die Wirkstoffsynthese und die Werkstoffsynthese. Aus diesen beiden
Bereichen soll jeweils ein Beispiel das genannte Prinzip veranschaulichen.
1.1
Wirkstoffsynthese: vom Schlafmohn zu
Endorphinen
SchonfrühwurdeeinExtraktdesOpiums,demeingetrocknetenMilchsaftausdenunreifen
Samenkapseln von Schlafmohn (Papaver somniferum L.) als Schmerzmittel eingesetzt,
wobeidessenhohesSuchtpotentialalswichtigsteNebenwirkunginKaufzunehmenwar.
Die Analyse des Extrakts ergab, dass die schmerzstillende Wirkung auf Morphin als
Hauptwirkstoffzurückzuführenist(Sertürner1806).DiedaraufhineingeführteVerwendung
von reinem Morphin milderte zwar einige lästige, aber zweitrangige Nebenwirkungen
des Gesamtextrakts (zum Beispiel die hartnäckige Verstopfung), nicht aber die
suchterzeugende Wirkung des Opiums, für die vor allem Morphin selbst verantwortlich
ist.DieAufklärungderMorphinstrukturwaranschließenddieGrundlageeinerchemischen
Modifizierung des Wirkstoffmoleküls, bei der tatsächlich Stoffe synthetisiert wurden, die
bei annähernd gleicher schmerzstillender Aktivität weniger suchterzeugend sind (Opiat-
Analgetika wie Pethidin und Methadon). Die Entwicklung verlief nicht ohne
schwerwiegende Irrtümer: Heroin verdankt seinen Namen der verfrühten Freude seines
Erfinders, der die Heldentat vollbracht zu haben glaubte, den gesuchten Morphin-
Ersatzstoff ohne Suchtpotential entdeckt zu haben.
Einige Zeit nach diesen Entwicklungsschritten führte die weitere Analyse der
Morphinwirkung zur Entdeckung von körpereigenen Opiaten (Endorphinen) mit einer zur
Zeit nur erhofften Anwendung in der Zukunft.
Chemie – die Lehre von den Stoffen 6
1.2
Werkstoffsynthese: von Gold und Bronze zu
Gedächtnislegierungen
Mit dem Beginn der Bronzezeit lernte der Mensch erstmals, Metalle zur Herstellung von
Waffen, Werkzeugen und Schmuck zu nutzen. Bronze ist eine Legierung aus Kupfer
und Zinn, deren Herstellung einige Kenntnisse voraussetzt. Während nämlich das in
Mitteleuropa verhältnismäßig häufige Gold gediegen vorkommt und daher „nur“ in
hinreichenderMengegesammeltundzuMünzenoderSchmuckstückenwiedenschweren
keltischen Halsringen geschmolzen werden musste, kommt Kupfer selten und Zinn nie
gediegenvor.DasHauptvorkommenvonZinnistvielmehrZinndioxidinFormdesMinerals
Cassiterit. Es musste also die Exploration von Erzlagerstätten und die Verhüttung des
Erzes beherrscht werden, um aus „Steinen“ ein Metall zu gewinnen.
In der nachfolgenden Eisenzeit gelang es, das in viel größerer Menge verfügbare Eisen
nutzbar zu machen, wozu allerdings höherere Anforderungen an die
Verhüttungstechnologie zu meistern waren, die im wesentlichen im heute betriebenen
Hochofenprozess wiederzufinden sind. So verstanden es frühe Kulturen wie die der
Etrusker, die zum Beispiel auf Elba reichlich vorkommenden Eisenoxidminerale Hämatit
(siehe obere Abbildung, darunter ein Beispiel für ein früh genutztes Vorkommen in den
Ammergauer Alpen) und Magnetit durch Holzkohle zu Eisen umzusetzen. Dabei gibt es
genug Hinweise, dass schon die frühen Nutzer von Eisen in der Lage waren, Waffen
aus hochwertigem Stahl zu erzeugen, wozu vor allem die Einstellung des korrekten
Kohlenstoffgehalts gelingen musste.
Einca.1mgroßerEisenoxidbrockenamMonteCalamitaimSüdosten
Elbas (ital. calamita, Magnet). Das Vorkommen wurde beginnend mit
der Etruskerzeit bis zum 2. Weltkrieg ausgebeutet.
Chemie – die Lehre von den Stoffen 7
Ein einheimisches Eisenerzvorkommen: die wohl seit dem frühen
Mittelalter bis ca. 1840 ausgebeutete St.-Mang-Grube beim Säuling
(Füssen).
Mit dem Aufkommen moderner werkstoffkundlicher Analysenmethoden konnte der
Zusammenhang zwischen dem atomaren Aufbau der Legierungen sowie den
Wechselwirkungen zwischen den Atomen und den Legierungseigenschaften erforscht
werden. Heute gelingt es auf der Grundlage solcher Methoden, zum Beispiel der
Röntgenbeugung, selbst so erstaunliche Eigenschaften zu erklären, wie sie bei den
sogenannten„Gedächtnislegierungen“gefundenwerden,dienacheinerVerformungbeim
bloßen Erwärmen ihre ursprüngliche äußere Form wieder einnehmen.
•Versuch: „Thermobil“.
Der Aufbau der Materie 8
2
Der Aufbau der Materie
Gemische (Granit, Honig, Luft) können durch Trennverfahren wie Destillation oder
Chromatographie in Reinstoffe zerlegt werden. Ein Reinstoff ist durch
charakteristischeEigenschaftenundKennzahlendefiniert,zumBeispieldurchsein
optisches und magnetisches Verhalten. Die Umwandlung von Stoffen ist
Gegenstand der Chemie. Verbindungen können durch chemische Reaktionen in
Elemente zerlegt werden. Der Aufbau von Verbindungen aus den Elementen folgt
den stöchiometrischen Gesetzen, die auf den atomaren Aufbau der Materie
hinweisen. Atome als die kleinsten Teilchen eines Elementes bauen in dem durch
die Summenformel angegebenen Zahlenverhältnis eine Verbindung auf; mit der
konstanten Masse einer Atomsorte liegt damit auch das Masseverhältnis der
ElementeineinerVerbindungfest.DasMolverbindetdieatomareMasseeinheitmit
der Gramm-Skala. Es erlaubt die Formulierung von Reaktionsgleichungen und das
stöchiometrischeRechnen.FürGasegeltendarüberhinausVolumengesetze,denen
der molekulare Aufbau entnommen werden kann. Die Moleküle wichtiger Gase wie
Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Chlor sind zweiatomig: N2, O2, H2, Cl2.
Mortimer: 1, 3, 4, 5, 10
Binnewies: Teile von 8
Riedel: 1.1, 3.1–3.4
2.1
Gemisch, Reinstoff
In der Chemie gängige Trennverfahren sind Destillation, Kristallisation, Filtration und
Flotation. Für die Trennung kleiner Stoffmengen werden vor allem chromatographische
Verfahren eingesetzt, deren Grundprinzip auf dem „Ausschütteln“ beruht (Stichworte:
Verteilungsgleichgewicht, stationäre Phase, mobile Phase).
Versuch 2-5: Ausschütteln von Iod aus Wasser • Iod verteilt sich zwischen Wasser
undBenzin,esreichertsichdabeiinBenzin,indemesmitvioletterFarbelöslichist,
deutlich stärker an als in Wasser, das Iod mit gelber Farbe löst.
Der Aufbau der Materie 9
Stoffe,diesichdurchsolcheTrennverfahrennichtweiterzerlegenlassen,sindReinstoffe.
Reinstoffe sind durch physikalische Kennzahlen wie Schmelz- und Siedepunkt, Dichte
oder Brechungsindex charakterisiert, die unabhängig von der Herkunft des Reinstoffes
immerdenselbenZahlenwerthaben.AuchcharakteristischechemischeEigenschaftenwie
Brennbarkeit oder brandförderndes Verhalten dienen zur Identifizierung von Reinstoffen.
Aus dem Alltag bekannte Reinstoffe sind zum Beispiel zahlreiche Mineralien wie Calcit
(Kalkstein), Quarz oder Steinsalz (Kochsalz), aber auch Flüssigkeiten oder Gase wie
Wasser oder Sauerstoff.
Versuch 1-1: Pt brennt an Luft nicht, Mg brennt an Luft
Versuch 1-4: Fe reagiert mit Luft
Luft hingegen ist ein Stoffgemisch, das sich in Reinstoffe zerlegen lässt.
Versuch 8-1: Fe zeigt 1/5 O2 in Luft an • mit Essigsäure gewaschene Eisenwolle
entzieht der Luft einen Bestandteil; die Reaktion kommt zum Erliegen, wenn ca. 1/5
des eingesetzten Luftvolumens verbraucht ist. Luft ist also ein Gasgemisch, das zu
ca. 1/5 aus einer reaktiven Komponente besteht, genauer zu 21 Volumen-% aus
Sauerstoff, und zu ca. 4/5 aus einem Rest, der unter diesen Bedingungen nicht
reagiert, nämlich 78 Vol.-% Stickstoff und 1 Vol.-% Argon.
Die Zerlegung des homogenen Stoffgemischs Luft gelingt durch fraktionierte Destillation.
DerBestandteilmitdemniedrigstenSiedepunktistStickstoff(−196°C),deralsKühlmittel
genutzt werden kann, um die übrigen Bestandteile aus der Luft auszukondensieren
(Siedepunkt von Sauerstoff −183 °C); zuvor zwei Versuche, welche die Eigenschaften
von flüssigem Stickstoffs zeigen. Stickstoff und Sauerstoff sind Reinstoffe, die an
charakteristischenEigenschaftenerkanntwerdenkönnen,imVersuchsinddiesdieFarbe
und das Verhalten gegenüber einem Magnetfeld.
Versuch 8-17: Sicherheitsaspekte: Gummischlauch in flüssigem Stickstoff;
Druckentwicklung beim Verdampfen.
Versuch 8-13: Leidenfrost-Phänomen
Versuch 8-11: Kondensation von flüssigem Sauerstoff an stickstoffgekühltem
Kupferfinger (Video im mp4-Format).
2.2
Chemische Reaktion, Verbindung, Element
Eine chemische Reaktion, eine Stoffumwandlung, hat dann stattgefunden, wenn Stoffe
mitanderenphysikalischenKennzahlenundchemischenEigenschaftenentstehen.Erhitzt
man zum Beispiel das Mineral Calcit auf ca. 1000 °C, so entstehen zwei Stoffe: ein
farbloses Gas und ein weißer Feststoff, der sich jedoch in seinen Kennzahlen,
Der Aufbau der Materie 10
beispielsweise der Dichte, von Calcit unterscheidet. Calcit ist in weitere Bestandteile
zerlegt worden, es ist eine Stoffumwandlung eingetreten.
Versuch 3-2: Erhitzen von Kalkstein • es entsteht Kohlendioxid, das durch
„Kalkwasser“ nachgewiesen wird; das zurückbleibende weiße Pulver ist scheinbar
unverändert, zeigt aber andere Eigenschaften als das eingesetzte Kalksteinpulver.
BeidemVersuch,dieinderNaturvorliegendenStoffeinReinstoffeaufzutrennenunddiese
dann durch chemische Reaktionen weiter zu zerlegen, wurden chemische Grundstoffe,
die chemischen Elemente entdeckt. Dies sind Stoffe, die sich nicht weiter in andere
Stoffe zerlegen lassen. Umgekehrt entstehen durch Reaktion der chemischen Elemente
miteinander alle übrigen Stoffe, die Verbindungen. In der Natur wurden 92 dieser
chemischen Elemente gefunden, denen nahezu 5.000.000 bekannte Verbindungen
gegenüberstehen.
2.3
Stöchiometrische Gesetze
Schon vor etwa 200 Jahren wurden Gesetzmäßigkeiten entdeckt, die darauf hindeuten,
dassdiechemischenElementeausgleichartigen,miteinerbestimmtencharakteristischen
MassebehaftetenkleinstenTeilchen,denAtomen,aufgebautsind.DieersteRegelistdas
• Gesetz von der Erhaltung der Masse, wonach bei allen chemischen Reaktionen die
Gesamtmasse der an der Reaktion beteiligten Stoffe konstant bleibt. Bei chemischen
ReaktionenerfolgtlediglicheineUmgruppierungdieserAtome,dieGesamtzahlderAtome
jeder Atomsorte bleibt unverändert. Außerdem gelten die stöchiometrischen Gesetze:
Versuch 4-2: Fe wird beim Verbrennen schwerer
Versuch 4-3: Fe verbrennt im geschlossenen System ohne Änderung der
Gesamtmasse
•DasGesetzderkonstantenProportionenbesagt,dasssicheinechemischeVerbindung
immerauskonstantenMengenverhältnissenderElementebildet.Soverbindetsich1,000
gdesElementesKohlenstoffimmermit1,333gdesElementesSauerstoffzurVerbindung
„Kohlenmonoxid“,abernichtmitdavonabweichendenMengenwie1,350goder1,500g;
eine zweite Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff, „Kohlendioxid“, enthält auf 1,000
g Kohlenstoff stets 2,667 g Sauerstoff. 1,00 g des Elementes Wasserstoff verbindet sich
stets mit 7,95 g Sauerstoff zur Verbindung Wasser.
Versuch 4-4: Zeigen: PbO, Pb3O4, PbO2
• Das Gesetz der multiplen Proportionen lautet: Bilden wie im Fall von Sauerstoff und
Kohlenstoff zwei Elemente mehrere Verbindungen miteinander, dann stehen die Massen
der Elemente zueinander im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen. So reagiert 1,000 g
Kohlenstoff mit 1,333 g Sauerstoff zu Kohlenmonoxid; weiterhin reagiert 1,000 g