Allgemeine und Anorganische Chemie

236 Pages·2017·14.04 MB·German

by  Lukas Kammermann

Allgemeine
und
Anorganische Chemie

Laboranten EFZ 1. Lehrjahr

Autoren:
Lukas Kammermann
Antonio Soi
Kammermann/Soi Allgemeine und Anorganische Chemie Seite 1 von 236
Inhalt
Inhalt ..........................................................................................................................................2
1 Einleitung ....................................................................................................................................5
1.1 Geschichte und Allgemeines ................................................................................................5
1.2 Chemie, eine Naturwissenschaft ..........................................................................................5
2 Aufbau der Materie .....................................................................................................................7
2.1 Erscheinungsformen der Materie ........................................................................................7
2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften und Vorgänge ................................................ 11
2.2.1 Exotherme und Endotherme Vorgänge ...................................................................... 13
2.3 Von einfachen Bausteinen zu immer komplexeren Strukturen. Das LEGOPRINZIP .............. 16
2.3.1 Ionen ......................................................................................................................... 22
2.3.1.1 Coulomb-Gesetz und Coulomb-Kraft ...................................................................... 25
2.4 Elementarstoffe, Verbindungen & chemische Formeln ...................................................... 27
2.4.1 Die Chemische Symbolsprache und chemische Formeln ............................................. 27
2.4.1.1 Verhältnisformel .................................................................................................... 27
2.4.1.2 Molekülformel ....................................................................................................... 29
2.4.1.3 Zusammenfassung ................................................................................................. 29
2.4.2 Die Elemente/Atomsorten und die Elementarstoffe ................................................... 31
2.4.2.1 Elementarstoffe und deren Atomverbände ............................................................ 31
2.4.2.1.1 Metalle............................................................................................................. 31
2.4.2.1.2 Halbmetalle ...................................................................................................... 32
2.4.2.1.3 Nichtmetalle: ................................................................................................... 32
2.4.3 Verbindungen ............................................................................................................ 37
2.4.3.1 Elementkombination und Atomverbandstyp .......................................................... 39
2.4.3.2 Ionische Verbindungen ........................................................................................... 39
2.4.3.3 Molekülverbindung und Atomkristalle ................................................................... 40
2.5 Atomverbandstyp und Stoffklassen ................................................................................... 45
3 Charakterisierung von Stoffen ................................................................................................... 49
3.1 Verhalten der Stoffe beim Erhitzen und Deutung im Teilchenmodell ................................. 51
3.1.1 Aggregatszustände und Aggregatszunstandswechsel ................................................. 52
3.1.1.1 Unterschied im Schmelz- und Siedeverhalten zwischen molekulare Stoffe und Atom-
bzw. Ionenkristalle. ............................................................................................................... 54
3.1.1.2 Unterschied im Siede- und Schmelzverhalten zwischen einem Reinstoff und einer
Lösung. 56
3.1.1.3 Die Teilchen eines Stoffes sind in Bewegung. ......................................................... 61
4 Chemische Symbolsprache und Reaktionsgleichungen .............................................................. 70
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4.1 Die chemische Reaktion ..................................................................................................... 70
4.2 Die chemische Reaktionsgleichung .................................................................................... 70
4.2.1 Analyse ...................................................................................................................... 72
4.2.2 Synthese .................................................................................................................... 74
4.3 Rezept zum Aufstellen von Reaktionsgleichungen:............................................................. 75
5 Quantitative Beziehungen, Stöchiometrie ................................................................................. 82
5.1 Das Mol ............................................................................................................................. 82
5.2 Molare Masse .................................................................................................................... 83
5.3 Stoffmenge ........................................................................................................................ 85
5.4 Molares Volumen .............................................................................................................. 88
5.5 Zusammenfassung ............................................................................................................. 90
5.6 Stöchiometrische Berechnungen ....................................................................................... 94
6 Atombau ................................................................................................................................... 99
6.1 Modelle ............................................................................................................................. 99
6.2 Kern-Hülle-Modell ........................................................................................................... 101
6.3 Aufbau der Atomkerne Isotope und Massenzahlen .......................................................... 102
6.4 Systematik des Periodensystems der Elemente ............................................................... 106
6.5 Der Aufbau der Elektronenhülle, das Schalenmodell und das PSE. ................................... 109
6.5.1 Das Bohrsche Schalenmodell der Elektronenhülle und das Aufbauprinzip des PSE ... 111
6.5.1.1 Das Aufbauprinzip des Periodensystems .............................................................. 114
6.5.2 Das Orbitalmodell .................................................................................................... 122
6.6 Periodische Trends .......................................................................................................... 131
7 Radioaktivität und Kernreaktionen .......................................................................................... 135
7.1 Der Massendefekt und die Stabilität der Kerne ................................................................ 135
7.1.1 Kurve der Kernbindungsenergie und Stabilität der Kerne ......................................... 140
7.1.1.1 Kernfusion ........................................................................................................... 142
7.1.1.2 Kernspaltung ........................................................................................................ 143
7.1.1.3 Kernreaktoren und Kernenergie ........................................................................... 148
7.2 Radioaktiver Zerfall und radioaktive Strahlung ................................................................. 150
7.2.1 Radioaktive Strahlung .............................................................................................. 155
7.2.1.1 Wirkung und Messung von radioaktiver Strahlung ............................................... 159
7.2.2 Zeitlicher Ablauf des radioaktiven Zerfalls ................................................................ 163
7.3 Kernumwandlungsreaktion und die Synthese künstlicher Elemente ................................. 169
8 Was hält Atom- und Ionenverbände zusammen? Die chemische Bindung .............................. 170
8.1 Das Konzept der Elektronenpaarbindung ......................................................................... 171
8.1.1 Elektronenpaarbindung ........................................................................................... 171
8.1.2 Die Elektronenpaarbindung beruht auf Coulomb-Anziehungskräften zwischen den
Kernen und den Elektronen in einem Molekül ......................................................................... 172
8.1.3 Die Lewis-Atomsymbole ........................................................................................... 176
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8.1.4 Die Oktettregel ........................................................................................................ 176
8.2 Die chemische Bindung in Molekülen und Atomkristallen ................................................ 177
8.2.1 Die polare Elektronenpaarbindung ........................................................................... 180
8.2.2 Kompliziertere Lewisformeln ................................................................................... 183
8.2.2.1 Das Konzept der Formalladung ............................................................................. 183
8.2.2.2 Eine moderne Definition der Bindigkeit ................................................................ 184
8.2.2.3 Systematische Formulierung von Lewis-Formeln .................................................. 185
8.2.3 Mesomerie (Resonanz) ............................................................................................ 189
8.2.4 Der räumliche Bau von Molekülen und die Polarität von Molekülen......................... 192
8.2.4.1 Wie zeichnet man Moleküle räumlich? ................................................................. 193
8.2.4.2 Die Polarität von Molekülen ................................................................................. 193
8.2.5 Das EPA-Modell, eine Vertiefung.............................................................................. 195
8.3 Die Zwischenmolekulare Kräfte ....................................................................................... 203
8.4 Ionenkristalle und ionische Bindung ................................................................................ 210
8.4.1 Anwendung der Oktettregel auf die Ionenkristalle ................................................... 211
8.4.2 Ionenradien und häufigste Ionen ............................................................................. 215
8.4.3 Formulierung von Verhältnisformeln und Nomenklatur von ionischen Verbindungen
216
8.4.3.1 Benennung ionischer Verbindungen ..................................................................... 220
8.4.4 Eigenschaften Ionischer Verbindungen .................................................................... 223
8.5 Metallische Bindung ........................................................................................................ 228
8.6 Bindungstypen im Vergleich ............................................................................................ 231
8.6.1 Einteilung des Bindungstyps anhand der Art der Elemente ....................................... 231
8.6.2 Einteilung des Bindungstyps anhand der Elektronegativitätsdifferenz ...................... 232
8.6.3 Zusammenfassung ................................................................................................... 233

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1 Einleitung
1.1 Geschichte und Allgemeines
Ansätze der Chemie findet man bei den Babyloniern: Sie gewannen Salben und Schminken, Heilmittel
und Farbstoffe etc. aus Naturstoffen. Die Alchemie im Mittelalter befasste sich mit der Umwandlung
von Elementen, vor allem wollten sie Gold herstellen. Dies glaubten sie durch Mischen von Schwefel
mit Quecksilber zu erhalten. Sie glaubten an den Stein des Weisen, der alle menschlichen Sehnsüchte
erfüllen sollte. Solche wie ewige Jugend und Gesundheit, Macht und Reichtum, Weisheit und Erlö-
sung in Gott.
Mitte des 19. Jh. folgte die Atomlehre, und es gelang Stoffe wie Seife, Porzellan, Motorentreibstoffe,
Farbstoffe usw. durch chemische Reaktionen leicht herzustellen. Im 20. Jh. wurde die Ammoniaksyn-
these erfunden, die u.a. als Grundlage zur Herstellung von Dünger diente. Damit entwickelte sich die
chemische Industrie. Parallel wurde die Erforschung neuer Medikamente wichtig.
Die Chemie gehört zu den Naturwissenschaften wie die Physik, die Geologie, die Biologie usw. Sie
beschäftigt sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften und dem Verhalten der Materialien. Sie be-
schreibt diese und stellt neue Stoffe her, die in der Natur nicht vorkommen. Die Beschreibung be-
schränkt sich auf das Material; Form, Gestalt, Grösse usw. spielen keine Rolle.
Chemie ist die Wissenschaft der Stoffe, deren Aufbau, deren Eigenschaften und Umwandlungen.
Die praktischen Anwendungen der Chemie sind ausserordentlich vielfältig. Fast in jedem Bereich der
menschlichen Tätigkeit sind Ergebnisse der Chemie von Bedeutung, und beinahe jeder Gegenstand,
mit dem wir zu tun haben, hat im Laufe seiner Gewinnung, Herstellung oder Verarbeitung irgendei-
nen chemischen Prozess erlitten.
1.2 Chemie, eine Naturwissenschaft
Das Wort Naturwissenschaft setzt sich
zusammen aus den beiden Nomen
Natur und Wissenschaft. Während Sie mit
dem Wort Natur mit Sicherheit etwas an-
fangen können, bedarf das Wort Wissen-
schaft einer Erklärung. Die Wissenschaft ist
das Betätigungsfeld des Menschen, das ihm
zu objektiver Erkenntnis verhilft. Die ne-
benstehende Abbildung fasst die Definition
und Vorgehensweise der Wissenschaft
zusammen.
Die Aussagen der Wissenschaft sind prinzi-
piell für jeden, unabhängig von der jeweili-
gen subjektiven Einstellung, überprüfbar.
So kann sich beispielsweise jeder von der
wissenschaftlichen Tatsache, wenn mit den
nötigen Messinstrumenten ausgestattet,
dass die Schwingungsdauer eines Faden-
pendels unabhängig von der Pendelmasse
ist, überzeugen.

Quelle: Bennett, Donahue, Schneider & Voit; Astronomie, 5.
Auflage. PEARSON Studium, 2010.

Kammermann/Soi Allgemeine und Anorganische Chemie Seite 5 von 236
Wie kommt man nun in der Wissenschaft zur
Erkenntnis bzw. zu überprüfbarem Wissen?
Man wendet die sogenannte wissenschaftliche
Methode an. Diese ist in der nebenstehenden
Abbildung grafisch dargestellt.
Am Anfang steht ein Phänomen, für das man eine
Erklärung sucht. Hierzu stellt man systematische
Beobachtungen und Messungen in Form von
Experimenten an. Die erhaltenen Ergebnisse wer-
den systematisiert und auf mögliche Muster oder
Regelmässigkeiten geprüft. Aus diesem Prozess
resultiert ein erster vorläufiger Vorschlag einer
Erklärung, die Hypothese. Mithilfe dieser Hypo-
these werden Vorhersagen gemacht und durch
weitere Experimente überprüft, ob diese Vorher-
sagen zutreffen. Ist dies nicht der Fall, wird die
Hypothese durch eine neue ersetzt, die ihrerseits
wieder durch weitere Experimente überprüft
wird.
Wird eine Hypothese immer wieder bestätigt,
erlangt Sie den Rang einer Theorie. Eine Theorie
ist ein Modell, anhand dessen zuverlässige Vor-
hersagen getroffen werden können und alle, die

Theorie betreffenden Phänomene, damit erklärt
Quelle: Bennett, Donahue, Schneider & Voit; Astronomie,
werden können.
5.,Auflage. PEARSON Studium, 2010.
Wenn durch neue Experimente sich die Theorie als unvollständig oder gar als falsch herausstellt,
muss diese entweder verworfen oder verbessert werden.

Grenzen wissenschaftlicher Erkenntnis
Die Wissenschaft kann uns lediglich Erklärungen und Beschreibungen für die Phänomene der Welt
geben. Sie kann uns aber nicht sagen, warum die Welt so ist wie sie ist.
Beispiele:
Die Biologie kann mit der Evolutionstheorie erklären, wie aus einfachen Lebensformen komplexere
Lebensformen entstanden sind. Sie kann aber nicht erklären, warum Zellen existieren.
In der Physik gilt es als sicher, dass der sogenannte Satz der Erhaltung der Energie gilt, aber wir wis-
sen nicht, warum dieser gilt.

Für das praktische Arbeiten ist es viel wichtiger zu wissen „dass etwas ist oder gilt“, als zu wissen
warum es so ist. Denn nur die Kenntnis der Tatsachen ist für mein folgerichtiges Handeln wichtig.
Wenn ich beispielweise ein Gemenge aus Eisenspänen und Kochsalz trennen möchte, dann muss ich
nur wissen, dass sich das Salz in Wasser löst und die Eisenspäne eben nicht. Für die Ausführung der
erfolgreichen Trennung ist also nicht unbedingt nötig zu verstehen warum sich Eisen in Wasser nicht
löst aber das Kochsalz schon. Aber seien Sie versichert, am Ende dieses Semesters werden Sie es ver-
stehen.
Je mehr Sie wissen und verstehen, desto erfolgreicher werden Sie neue Probleme und Aufgabenstel-
lungen lösen können.
Wir hoffen, dass dieser letzte Satz Sie ermuntert, immer wissbegierig zu sein.

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2 Aufbau der Materie
2.1 Erscheinungsformen der Materie
Unter Materie verstehen wir alles was Masse besitzt und Raum einnimmt. Die Materie besteht aus
unterschiedlichen Stoffen, die sich aufgrund ihrer verschiedenen Erscheinungsformen und Eigen-
schaften unterscheiden Lassen. Abbildung 1 gibt eine Zusammenfassung des stofflichen Aufbaus der
Welt. Die Materie kann uns einheitlich (homogen) oder uneinheitlich (heterogen) erscheinen. Ein
homogener Stoff liegt dann vor, wenn er uns selbst unter Betrachtung mit dem Lichtmikroskop ho-
mogen erscheint. Die Einzelteile sind mit optischer Vergrösserung nicht zu unterscheiden, d.h. in der
Grösse von einigen Nanometern. Erscheint uns die Materie uneinheitlich, so sprechen wir von den
heterogenen Gemischen, weil entweder schon mit blossem Auge oder unter dem Lichtmikroskop
erkannt werden kann, dass der Stoff aus mehreren Komponenten besteht.
Mit physikalischen Methoden lassen sich die heterogenen Gemische in ihre homogenen
Komponenten, den homogenen Stoffen zerlegen.

Abbildung 1: Die Erscheinungsformen der Materie. Der unterste Teil der Abbildung zeigt weiter, dass
alles Materielle auf kleinste Bausteine zurückgeführt werden kann.

Die homogenen Stoffe sind entweder Reinstoffe, welche sich durch eine feste chemische Zusammen-
setzung auszeichnen, oder sie stellen Gemische von Reinstoffen variabler Zusammensetzung dar. Die
homogenen Stoffe sind anhand ihrer Eigenschaften, welche in der Abbildung 2 zusammengefasst
sind, charakterisierbar. Die Reinstoffe sind entweder Elementarstoffe oder Verbindungen. Durch
chemische Reaktionen entstehen aus den Elementarstoffen die Verbindungen. Die Verbindungen
können ihrerseits chemisch in die Elementarstoffe zerlegt werden. Überführt man die Elementarstof-
fe in die Verbindungen, so spricht man von einer Synthese. Werden die Verbindungen in die Elemen-
tarstoffe überführt, so spricht man von einer Analyse. Alle Elementarstoffe bestehen aus Atomen.
Atome wiederum sind aus deren Elementarteilchen, den Protonen, Neutronen und Elektronen auf-
gebaut.
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Abbildung 2: Charakterisierung homogener Stoffe. Auszug möglicher Stoffeigenschaften, die zur Charakterisierung herangezogen werden können.
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle Materie die uns umgibt entweder Reinstoffe oder Gemi-
sche von Reinstoffen sind. Ein Grossteil der industriellen chemischen Prozesse macht nichts anderes
als aus den in der Natur vorkommenden Stoffgemischen die Reinstoffe zu gewinnen, also Analysen
durchzuführen. Abbildung 3 zeigt dies am Beispiel der Eisen- und Aluminiumgewinnung.

A

B
Abbildung 3: Die Herstellung der Reinstoffe Eisen (A) und Aluminium (B) aus den in der Natur in Form von
heterogenen Gemischen vorkommenden Ausgangsstoffen. Aus dem Reinstoff Eisen entsteht später bei-
spielsweise ein Bauwerk, aus Aluminium werden Gehäuse von Laptops gefertigt.

Aber nicht nur die Herstellung von Reinstoffen aus Stoff-
gemischen, sondern auch die Herstellung spezieller Stoff-
gemische aus Reinstoffen, stellt ein Betätigungsfeld der
Chemie dar.
Das Schwarzpulver ist ein explosives feinverteiltes hetero-
genes Gemisch der beiden Elementarstoffe Kohlenstoff und
Schwefel und der Verbindung Kaliumnitrat. Das Gemisch
kann zwar bei Raumtemperatur mit physikalischen Metho-
den wieder in die Reinstoffe Schwefel, Kohlenstoff und
Kaliumnitrat aufgetrennt werden, doch dabei ist Vorsicht
geboten, wie Abbildung 4 zeigt.
Das Schwarzpulver war in China schon vor dem Jahr 1000
bekannt und gelangte von dort nach Europa.

Abbildung 4: Das Schwarzpulver
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Die Zerlegung eines heterogenen Gemisches bis hin zu den Elementarstoffen ist in Abbildung 5 dar-
gestellt. In der Abbildung ist auch die weitere (gedankliche) Zerlegung der Elementarstoffe in die
Atome und schliesslich in die Elementarteilchen dargestellt.

Abbildung 5: Die Zerlegung des heterogenen Gemisches bis hin zu den Elementarstoffen.
Die weitere Zerlegung der Elementarstoffe in die Atome und schliesslich in die Elementarteilchen ist rein hypo-
thetisch. Sie kann aber prinzipiell auch praktisch durchgeführt werden.
Bitte beachten Sie, dass die Reinstoffe nur Teilchen einer Art, die Stoffspezifischen Teilchen in diesem Fall die
Moleküle, enthalten. So sind die Reinstoffe Eis und Wasser aus H O-Molekülen und der Reinstoff Ethanol aus
2
Ethanolmolekülen aufgebaut. Die Lösung hingegen enthält beide Molekülsorten nebeneinander. Durch die
Trennoperation ist es gelungen beide Molekülsorten voneinander zu trennen, die Lösung also in die Reinstoffe,
aus denen Sie hergestellt wurde, aufzutrennen.

Abbildung 5 fasst den Grossteil des Stoffes zusammen, den wir im ersten Lehrjahr behandeln wer-
den. Wir werden uns immer wieder auf diese Abbildung beziehen. Sie werden sehen, dass Sie mit
zunehmender Fachkenntnis, die Sie im Unterricht erwerben, die Abbildung immer besser verstehen
werden. Sollten Sie zwischendurch den Überblick verlieren, empfiehlt sich ein Blick auf Abbildung 1
und 5.

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